DE102012109968B4

DE102012109968B4 - Gaserzeugungsreaktor, Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische und elektrische Energie, Verfahren zur Erzeugung von Gas sowie Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102012109968B4
Application number: DE102012109968.5A
Authority: DE
Inventors: Udo Hellwig
Original assignee: Erk Eckrohrkessel GmbH
Current assignee: ERK ECKROHRKESSEL HOLDING GMBH, DE
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: DE102012109968A1

Abstract

Gaserzeugungsreaktor (1), insbesondere zur Herstellung von Produktgasen (3), der zumindest zur Oxidation wenigstens eines Brennstoffes (2) eingerichtet ist, wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) mindestens eine Reaktorwand (30) aufweist, die wenigstens den Raum des Gaserzeugungsreaktors (20) zumindest teilweise begrenzt, in dem die Oxidation durchgeführt wird oder der für die Oxidation vorgesehen ist,und die Reaktorwand (30) mindestens einen Hohlraum (31) aufweist, der mit einem Kühlmedium (34) durchströmt oder durchströmbar ist,wobei der Hohlraum (31) der Reaktorwand (30) durch wenigstens ein Rohr (32) ausgebildet ist, welches thermisch leitfähig mit Vollmaterial (33) verbunden ist, und das Vollmaterial (33) an gegenüberliegenden Seiten des Durchmessers eines Rohres (32) an dieses angeschlossen ist,dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (31) der Reaktorwand (30) durch ein Rohr (32) ausgebildet ist, welches schraubengangförmig den für die Oxidation vorgesehenen Raum (20) umgibt, und zwischen den einzelnen Windungen des Rohres (32) die Reaktorwand (30) mit Vollmaterial (33) ausgebildet ist, wobei das Rohr (32) an seiner Innenseite eine Mehrzahl von strukturiert angeordneten konvexen Formelementen aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaserzeugungsreaktor sowie eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Gas sowie ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie.
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung dienen insbesondere der Steuer- und/oder Regelbarkeit sowie der Steigerung der Gesamteffizienz bei der Herstellung von Produktgasen, die auch als LCV-Gase (low calorific value) bekannt sind, wie z. B. Schwachgas, Holzgas oder auch Generatorgas.
Es ist bekannt, Produktgas aus Kohle oder Biomasse zu erzeugen. Durch nacheinander ablaufende thermo-chemische Reaktionen wird dabei ein fester Brennstoff in einen gasförmigen Brennstoff überführt. Üblicherweise werden dafür drei verschiedene Reaktortypen eingesetzt, nämlich die Festbettreaktoren, Wirbelschichtreaktoren und Flugstromreaktoren.
Unter einem Festbettreaktor versteht man eine Anlage, bei der die Brennstoffpartikel durch die Gasströmung nicht bewegt werden. Es kann dabei hinsichtlich der Gaserzeugungskonzepte unterschieden werden, ob es sich um eine autotherme Gaserzeugung mittels Luft oder eines Sauerstoff/Dampfgemisches oder um eine allotherme Gaserzeugung mittels Dampf oder Kohlenstoffdioxid handelt.
Festbettreaktoren lassen sich in Gleichstromvergaser, Gegenstromvergaser und Doppelfeuervergaser unterteilen.
In den 1 bis 3 sind diese unterschiedlichen Typen eines Festbettreaktors dargestellt. 1 zeigt als Gaserzeugungsreaktor 1 einen Gegenstromvergaser, bei dem von oben Brennstoff 2 zugeführt wird, der die Stufen der Trocknung 13, der Pyrolyse 12 sowie der Reduktion 11 durchläuft, bis zur Oxidationsstufe 10. An der Unterseite des Gaserzeugungsreaktors 1 wird Asche 4 abgezogen. Ein benötigtes Vergasungsmittel 5 wird von unten in den Gaserzeugungsreaktor 1 zugeführt und wird somit im Gegenstrom bezüglich des Brennstoffes 2 durch den Gaserzeugungsreaktor 1 geleitet. Entstehendes Produktgas 3 wird an der Oberseite des Gegenstromvergasers 1 herausgeleitet.
In 2 ist als Gaserzeugungsreaktor ein herkömmlicher Gleichstromvergaser dargestellt, bei dem ebenfalls der Brennstoff 2 von der Oberseite zugeführt wird und die Stufen der Trocknung 13 sowie der Pyrolyse 12 durchläuft. Anschließend gelangt der zersetzte Brennstoff 2 in die Oxidationsstufe 10, wo ihm Vergasungsmittel 5 zugeführt wird. Unterhalb der Oxidationsstufe 10 findet die Reduktion 11 statt. Entstehendes Produktgas 3 sowie Asche 4 wird unten aus dem Gaserzeugungsreaktor 1 abgezogen.
3 zeigt als Gaserzeugungsreaktor 1 einen herkömmlichen Doppelfeuervergaser, bei dem ebenfalls von der Oberseite der Brennstoff 2 zugeführt wird. Ähnlich wie beim Gegenstromvergaser gelangt der Brennstoff 2 von der Trocknungsstufe 13 in die Pyrolyse-Stufe 12 und von dort in eine erste Oxidationsstufe 10, in der Vergasungsmittel 5 zugeführt wird. In der anschließenden Reduktionsstufe 11 wird das entstandene Produktgas 3 abgezogen. Diese Reduktionsstufe 11 befindet sich zwischen zwei Oxidationsstufen 10. Entstandene Asche 4 wird an der Unterseite des Gaserzeugungsreaktors 1 abgezogen. Vergasungsmittel 5 wird von der Unterseite des Gaserzeugungsreaktors 1 zugeführt und strömt somit entgegen des zugeführten Brennstoffes 2.
Die Gaserzeugung mittels der Doppelfeuervergasung bietet den Vorteil, dass zum Einen die langkettigen Kohlenwasserstoffe (z. B. Teere) noch im Reaktor gespalten werden und damit eine Nachbehandlung des Produktgases unnötig ist. Außerdem verlässt das Produktgas den Reaktor mit einem relativ geringen Wärmegehalt (ca. 300°C).
In allen dargestellten unterschiedlichen Gaserzeugungsreaktoren bilden die Stufen der Trocknung, Pyrolyse, Reduktion und Oxidation die vier Vergasungsschritte der Festbettgaserzeugung. Die Oxidation versorgt dabei den Gaserzeugungsprozess mit der notwendigen Wärme, wobei CO₂ und H₂O gebildet werden. Beide Stoffe werden anschließend in der Reduktionsstufe zu CO und H₂ (der u. a. auch in Methan umgewandelt werden kann) reduziert. In der Pyrolysezone werden die Stoffe thermochemisch zersetzt (z. B. erfolgt hier die Teerbildung). In der Trocknungszone werden die letzten Feuchtigkeitsreste aus dem Brennstoff mittels der aus der Oxidationszone stammenden Wärme verdampft.
Üblicherweise verwendete Gaserzeugungsreaktoren müssen relativ massiv ausgeführt sein, um die notwendigen hohen Temperaturen (bis zu 1600°C) in der Oxidationsstufe dauerhaft realisieren zu können. Dies bedingt einen relativ großen Volumen- sowie Flächenbedarf, da die Reaktoren z. B. eingemauert werden müssen oder mit einer entsprechenden Wandverstärkung versehen werden müssen. Dies wiederum bedingt den Nachteil der schlecht oder auch überhaupt nicht durchführbaren Regulation der Wärmeverteilung innerhalb des Reaktors, so dass es zur Ausbildung von zu kalten und/oder zu heißen Zonen und dementsprechend zu Spannungen im Reaktor kommen kann.
Die DE 24 36 268 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von hochwertigen Treib- und/oder Brenngasen aus minderwertigen Brennstoffen. Das Verfahren nutzt dabei einen Gaserzeugungsreaktor, der zumindest zur Oxidation wenigstens eines Brennstoffes eingerichtet ist, wobei der Gaserzeugungsreaktor mindestens eine Reaktorwand aufweist, die wenigstens den Raum des Gaserzeugungsreaktors zumindest teilweise begrenzt, in dem die Oxidation durchgeführt wird oder der für die Oxidation vorgesehen ist. Die Reaktorwand weist mindestens einen Hohlraum auf, der mit einem Kühlmedium durchströmt oder durchströmbar ist.
Die DE 494 135 A lehrt einen Wassermantel für Gaserzeuger aus im Abstand angeordneten Rohren, deren Zwischenräume durch angeschweißte Rippen überdeckt sind.
Der DE 42 32 880 A1 ist Dampferzeuger entnehmbar, dessen Umfassungswand aus von einem Medium durchströmbaren Rohren gebildet ist, wobei die Rohre einerseits in einem unteren flammennahen Bereich gasdicht miteinander verbunden und andererseits in einem darüberliegenden flammenfernen Bereich unter Spaltbildung nebeneinander angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Gaserzeugungsreaktor, Einrichtungen zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische sowie in elektrische Energie, ein Verfahren zur Erzeugung von Gas sowie Verfahren zur Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, mittels denen in einfacher, kontrollierbarer sowie kosten- und raum- bzw. flächensparender Art und Weise Produktgas herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktor nach Anspruch 1 sowie die Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie nach Anspruch 9, die Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie nach Anspruch 11 und das Verfahren zur Erzeugung von Gas gemäß Anspruch 12 sowie durch die Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie und zur Erzeugung elektrischer Energie nach den Ansprüchen 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie ist im Unteranspruch 10 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Gas ist im Unteranspruch 13 angegeben.
Der erfindungsgemäße Gaserzeugungsreaktor dient insbesondere zur Herstellung von Produktgasen und ist zumindest zur Oxidation wenigstens eines Brennstoffes eingerichtet, wobei der Gaserzeugungsreaktor mindestens eine Reaktorwand aufweist, die wenigstens den Raum des Gaserzeugungsreaktors zumindest teilweise begrenzt, in dem die Oxidation durchgeführt wird oder der für die Oxidation vorgesehen ist. Erfindungsgemäß weist die Reaktorwand mindestens einen Hohlraum auf, der mit einem Kühlmedium durchströmt oder durchströmbar ist.
Dabei ist der Hohlraum der Reaktorwand durch ein Rohr ausgebildet, welches thermisch leitfähig mit Vollmaterial verbunden ist. Das Vollmaterial ist an gegenüberliegenden Seiten des Durchmessers eines Rohres an dieses angeschlossen. Der der Hohlraum der Reaktorwand ist durch ein Rohr ausgebildet, welches schraubengangförmig den für die Oxidation vorgesehenen Raum umgibt, wobei zwischen den einzelnen Windungen des Rohres die Reaktorwand mit Vollmaterial ausgebildet ist. Das Rohr weist an seiner Innenseite eine Mehrzahl von strukturiert angeordneten konvexen Formelementen auf.
Insbesondere kann die Reaktorwand mehrere Rohre aufweisen, zwischen denen die Reaktorwand mit Vollmaterial ausgebildet ist.
Der Anschluss des Vollmaterials am Rohr erfolgt vorzugsweise mittels Schweißen. Unabhängig von der Verbindungsart zwischen Vollmaterial und Rohr sollte eine flüssigkeits- und bevorzugt auch gasdichte Verbindung zwischen Rohr und Vollmaterial realisiert sein.
Dabei ist ein derartig ausgestalteter Gaserzeugungsreaktor nicht auf die Anordnung lediglich eines Rohres eingeschränkt, sondern dieser kann mehrere schraubengangförmige Rohre aufweisen, zwischen denen das Vollmaterial ausgebildet ist. Das Vollmaterial kann z. B. eine Platte bzw. ein dickes Blech sein, so dass das Vollmaterial zusammen mit dem Rohr bzw. den Rohren die Reaktorwand ausbildet.
Die mittels des erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors herzustellenden Produktgase sind bevorzugt LCV-Gase (low calorific value) wie z. B. Schwachgas, Holzgas und Generatorgas. Der Gaserzeugungsreaktor ist bevorzugt ein Festbettreaktor wie z. B. ein Gleich-, Gegenstrom- oder Doppelfeuervergasungsreaktor. Dabei ist jedoch die Ausführung des erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors als Wirbelschicht- oder Flugstromreaktor nicht ausgeschlossen.
Die erfindungsgemäß mit dem Hohlraum versehene Reaktorwand ist damit eine sogenannte Membranwand. In dieser Wand kann Kühlmedium, welches bevorzugt eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser oder Thermalöl ist, oder auch Luft, insbesondere Druckluft, strömen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors liegt insbesondere in dessen geringem Volumen, bedingt durch die Kühlbarkeit bzw. Steuerbarkeit der Ausbildung von heißen und/oder kalten Zonen in der Reaktorwand. Dies wird ermöglicht bei einem relativ geringen konstruktiven sowie geringen Materialaufwand.
In der Strukturierung, die auch Makrostrukturierung genannt wird, weist das konvexe Formelement in seiner senkrecht zur Ebene der Oberfläche und durch seinen höchsten Punkt verlaufenden Schnittebene eine Querschnittsfläche auf, die durch eine im Wesentlichen bogenförmige Kante sowie eine an die bogenförmige Kante angeschlossene Kante begrenzt ist, wobei diese Kante in die Oberfläche übergeht. Das konvexe Formelement hat somit die Form eines halben sogenannten NACA-Profils oder auch eines halben typischen Tropfenprofils. Somit handelt es sich bei dem konvexen Formelement um ein konvex gewölbtes Gebilde, bei dem die bogenförmige Kante durch eine weitere Kante zurück zur Oberfläche weitergeführt ist. Die Strukturierung mit derartigen konvexen Formelementen bietet sich insbesondere bei der Verwendung von Thermalöl, flüssigem Salz und Luft als Kühlmedium an. Die konvexen Formelemente verhindern die Ablagerung von Produkten aus Prozessen, in denen Kohlenwasserstoffe längerer Kettenlänge in Kohlenwasserstoffe kürzerer Kettenlänge gespalten werden (sogenannte Cracking-Prozesse). Dadurch ist der Gaserzeugungsreaktor relativ wartungsfrei betreibbar.
Vorzugsweise sind das verwendete Rohr oder die verwendeten Rohre im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung eines eingesetzten Vergasungsmittels ausgerichtet. Dieses Vergasungsmittel kann z. B. zugeführte Luft oder Sauerstoff oder auch Wasser sowie Kohlendioxid sein.
In einer alternativen, besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Reaktorwand doppelwandig ausgeführt ist, so dass der Hohlraum den für die Oxidation vorgesehenen Raum im Wesentlichen vollständig umgibt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Hohlraum den für die Oxidation vorgesehenen Raum vollständig umgibt. Die Reaktorwand kann z. B. als doppelwandiger Zylinder (Imbert-Typ) ausgestaltet sein, wobei zwischen der Außenwand und der Innenwand der Hohlraum ausgebildet ist, der vom Kühlmittel durchströmbar ist bzw. durchströmt wird. Für diese konstruktive Ausgestaltung lässt sich als Kühlmittel Wasser, siedendes Wasser oder auch Druckluft verwenden, welche zwischen den Wänden um den Reaktorraum herum geführt wird. Siedendem Wasser wird der Vorzug gegeben, weil sich der gesamte Kühlkörper etwa im thermischen Gleichgewicht mit dem siedenden Wasser befindet. Auf diese Weise werden Thermospannungen im Material weitgehend unterdrückt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors in der Alternative mit Rohranordnung oder auch doppelwandiger Ausführung ist, dass das Rohr und/oder das Vollmaterial bzw. auch wenigstens eine Schale in der doppelwandigen Ausführung aus einem relativ preisgünstigen Einsatz- oder auch Vergütungsstahl hergestellt sein kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Gaserzeugungsreaktor eine Steuerungseinrichtung, mit der die Wärmeverteilung in der Reaktorwand durch Zu- und/oder Abführung unterschiedlicher Kühlmedium-Volumenströme im gleichen Zeitabschnitt in bzw. aus Hohlräumen der Reaktorwand gesteuert oder geregelt werden kann. Aus regelungstechnischen Vereinfachungsgründen wird allerdings der zuvor genannten Lösung der Vorzug gegeben.
Durch die Kühlung lässt sich die Energieeffizienz des gesamten Gaserzeugungsreaktors erhöhen, da Wärme, die ansonsten ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird, nunmehr einer bestimmten Verwendung zugeführt werden kann.
So ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie, wobei diese Einrichtung einen erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktor umfasst sowie eine Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie, wobei die Turbine strömungstechnisch mit dem Hohlraum bzw. den Hohlräumen der Reaktorwand des Gaserzeugungsreaktors verbunden ist, so dass erhitztes und/oder verdampftes Kühlmedium aus dem Hohlraum bzw. den Hohlräumen über die Turbine leitbar ist, um die Turbine anzutreiben. Die Turbine kann dabei eine Dampfturbine sein, die durch Dampf, welcher aus der von Wasser durchströmten Reaktorwand austritt, angetrieben wird. Alternativ kann die Turbine auch eine Heißluftturbine sein, welche durch Luft oder ein anderes Gas betrieben wird, das im Hohlraum der Reaktorwand Wärme aus dem Oxidationsprozess im Gaserzeugungsreaktor aufgenommen hat.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie einen Kessel zur Aufnahme des erhitzten und/oder verdampften Kühlmediums in der strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Gaserzeugungsreaktor und der Turbine. Der Dampf, der in der Oxidationsstufe des Gaserzeugungsreaktors erzeugt wurde, kann in einen Dampfkreislauf eingegeben werden. Der Kessel ist dabei verkleinert ausführbar, da ihm bereits Dampf aus dem Gaserzeugungsreaktor zur Verfügung gestellt wird und nicht mehr die gesamte Dampfmenge, die in einer Dampfturbine umgesetzt werden soll, mit dem Kessel produziert werden muss.
Statt kostenintensiver hitzebeständiger Stahlsorten kann ein Einsatz- oder Vergütungsstahl als Material der Reaktorwand eingesetzt werden.
Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, die die erfindungsgemäße Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie umfasst, wobei des Weiteren ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen ist, der mechanisch mit der Turbine der Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie gekoppelt ist. Durch diese Einrichtung lässt sich somit in einfacher Weise elektrische Energie erzeugen. Insgesamt weist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie bzw. elektrische Energie einen geringeren Platz- bzw. Volumenbedarf auf als eine herkömmliche Anlagen, bei denen die Wärme der Oxidationsstufe des Gaserzeugungsreaktors nicht zur Herstellung der mechanischen bzw. elektrischen Energie genutzt wird und ebenfalls mechanische und/ oder elektrische Energie erzeugt wird. Außerdem ist in der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische bzw. elektrische Energie das Verhältnis zwischen zugeführter chemischer Energie und zur Verfügung gestellter mechanischer bzw. elektrischer Energie günstiger als in herkömmlichen Einrichtungen, da exergetische Verluste durch „Wärmeintegration“ vermieden werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Gas, insbesondere von Brenngas, bei dem mittels eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors Gas erzeugt wird. Dabei wird die Reaktorwand des Gaserzeugungsreaktors gekühlt und/oder es wird die in der Oxidationsstufe des Gaserzeugungsreaktors entstandene Wärme einer weiteren Verwendung zugeführt.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Wärmeverteilung in der Reaktorwand durch Zu- und/oder Abführung unterschiedlicher Kühlmedium-Volumenströme im gleichen Zeitabschnitt in bzw. aus Hohlräumen der Reaktorwand gesteuert oder geregelt wird. Durch einen hohen Volumenstrom lässt sich die Temperatur im Reaktor verringern oder umgekehrt durch einen geringen Volumenstrom lässt sich die Temperatur steigern. Ebenfalls lässt sich die in der Reaktorwand erzeugte Temperatur durch Zu- und/oder Abführung unterschiedlicher Vergasungsmittel-Volumenströme im gleichen Zeitabschnitt steuern bzw. regeln.
Der Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung wird ergänzt durch ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Gas durchgeführt wird, wobei erhitztes und/oder verdampftes Kühlmedium aus dem Hohlraum bzw. den Hohlräumen der Reaktorwand über eine Turbine geleitet wird und die Turbine derart angetrieben wird.
Zur Erzeugung elektrischer Energie ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie durchgeführt wird, wobei mit der Turbine ein Generator angetrieben wird. Somit lässt sich die Abwärme der Oxidationsstufe des Gaserzeugungsreaktors zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie nutzen.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigt:

1 einen herkömmlichen Gegenstromvergaser,
2 einen herkömmlichen Gleichstromvergaser,
3 einen herkömmlichen Doppelfeuervergaser,
4 eine Ausführungsform einer Reaktorwand eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors,
5 ein Diagramm, welches das Verhältnis von Volumenstrom eines Vergasungsmittels in Bezug zur Temperatur darstellt, und
6 ein einen erfindungsgemäßen Gaserzeugungsprozess sowie Gasnutzungsprozess zeigendes Schlussdiagramm.

Auf die in den 1 bis 3 dargestellten herkömmlichen Festbettreaktoren wurde bereits bei der Erläuterung des Stands der Technik eingegangen.
In 4 ist ein Ausschnitt aus einer Reaktorwand 30 eines erfindungsgemäßen Gaserzeugungsreaktors gezeigt. Ersichtlich ist, dass diese Reaktorwand eine Mehrzahl von Hohlräumen 31 aufweist, die durch eine entsprechende Anzahl von Rohren 32 ausgebildet sind. Diese Rohre 32 verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung 14 eines Brennstoffes 2 und/oder eines Vergasungsmittels 5 im Gaserzeugungsreaktor. Zwischen den Rohren 32 ist Vollmaterial 33 angeordnet, so dass es sich im Wesentlichen an den gegenüberliegenden Punkten des Durchmessers eines jeweiligen Rohres 32 an dieses anschließt. Die dargestellte Reaktorwand 30 kann insgesamt einen Hohlzylinder ausbilden. Die Reaktorwand 30 begrenzt den für die Oxidation vorgesehenen Raum 20 des Gaserzeugungsreaktors.
Durch die Rohre 32 bzw. deren Hohlräume 31 fließt ein Kühlmedium 34. Durch eine geeignete Einrichtung lässt sich der Volumenstrom des Kühlmediums 34 durch die Rohre 32 steuern und/oder regeln, so dass die Ausbildung von ungewollten heißen bzw. kalten Zonen in der Reaktorwand 30 vermieden werden kann.
Dadurch lässt sich die Reaktorwand 30 aus relativ kostengünstigen Materialien herstellen, so dass keine kostenintensiven hitzebeständigen Stahlsorten verbaut werden müssen. Außerdem lässt sich die Reaktorwand 30 und somit der gesamte Gaserzeugungsreaktor mit geringem Volumenbedarf ausführen.
In 5 ist der Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom eines zugeführten Vergasungsmittels, ausgedrückt durch die Luftzahl A, im Bezug zur zu realisierenden Temperatur T dargestellt. Es ist ersichtlich, dass in Abhängigkeit vom Volumenstrom des zugeführten Vergasungsmittels die Temperatur eingestellt werden kann, da die Temperatur ein Maximum bei λ ≈ 1 aufweist. D. h., dass bei Variation des Volumenstroms des Vergasungsmittels in bestimmten Bereichen des Gaserzeugungsreaktors unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind.
In 6 ist in einem Flussdiagramm die erfindungsgemäße Erzeugung von Gas sowie dessen Verwendung dargestellt. Es wird dabei der Brennstoff 2, der z. B. Biomasse oder auch Kohle sein kann, einem Gaserzeugungsreaktor 1 zugeführt. Der Gaserzeugungsreaktor 1 produziert Dampf 40 sowie Produktgas 50. Der Dampf 40 wird einem Kessel 60 zugeführt. Das Produktgas 50 kann ebenfalls dem Kessel 60 zugeführt werden oder auch zu einer anderen Nutzung abgeführt werden. Aus dem Kessel 60 wird Rauchgas 80 abgezogen, wobei sich dieses Rauchgas 80 in einer Turbine 70 zur Energieerzeugung 90 umsetzen lässt und die erzeugte Energie 90 mechanische Energie ist, die mittels eines nicht dargestellten Generators in elektrische Energie umwandelbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Gaserzeugungsreaktor
2: Brennstoff
3: Produktgas
4: Asche
5: Vergasungsmittel
10: Oxidationsstufe
11: Reduktionsstufe
12: Pyrolyse-Stufe
13: Trocknungsstufe
14: Strömungsrichtung
20: Raum für Oxidation
30: Reaktorwand
31: Hohlraum
32: Rohr
33: Vollmaterial
34: Kühlmedium
40: Dampf
50: Produktgas
60: Kessel
70: Turbine
80: Rauchgas
90: Energie

Claims

Gaserzeugungsreaktor (1), insbesondere zur Herstellung von Produktgasen (3), der zumindest zur Oxidation wenigstens eines Brennstoffes (2) eingerichtet ist, wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) mindestens eine Reaktorwand (30) aufweist, die wenigstens den Raum des Gaserzeugungsreaktors (20) zumindest teilweise begrenzt, in dem die Oxidation durchgeführt wird oder der für die Oxidation vorgesehen ist, und die Reaktorwand (30) mindestens einen Hohlraum (31) aufweist, der mit einem Kühlmedium (34) durchströmt oder durchströmbar ist, wobei der Hohlraum (31) der Reaktorwand (30) durch wenigstens ein Rohr (32) ausgebildet ist, welches thermisch leitfähig mit Vollmaterial (33) verbunden ist, und das Vollmaterial (33) an gegenüberliegenden Seiten des Durchmessers eines Rohres (32) an dieses angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (31) der Reaktorwand (30) durch ein Rohr (32) ausgebildet ist, welches schraubengangförmig den für die Oxidation vorgesehenen Raum (20) umgibt, und zwischen den einzelnen Windungen des Rohres (32) die Reaktorwand (30) mit Vollmaterial (33) ausgebildet ist, wobei das Rohr (32) an seiner Innenseite eine Mehrzahl von strukturiert angeordneten konvexen Formelementen aufweist.
Gaserzeugungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwand (30) mehrere Rohre (32) aufweist, zwischen denen die Reaktorwand (30) mit Vollmaterial (33) ausgebildet ist.
Gaserzeugungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (32) oder die Rohre (32) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (14) eines eingesetzten Vergasungsmittels (5) ausgerichtet ist bzw. sind.
Gaserzeugungsreaktor nach Anspruch 1, dass die Reaktorwand (30) doppelwandig ausgeführt ist, so dass der Hohlraum (31) den für die Oxidation vorgesehenen Raum (20) im Wesentlichen vollständig umgibt.
Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie, umfassend einen Gaserzeugungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, sowie eine Turbine (70) zur Erzeugung mechanischer Energie, wobei die Turbine (70) strömungstechnisch mit dem Hohlraum (31) bzw. den Hohlräumen der Reaktorwand (30) des Gaserzeugungsreaktors (1) verbunden ist, so dass erhitztes und/ oder verdampftes Kühlmedium (34) aus dem Hohlraum (31) bzw. den Hohlräumen über die Turbine (70) leitbar ist, um die Turbine (70) anzutreiben.
Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungstechnische Verbindung einen Kessel (60) zur Aufnahme des erhitzten und/ oder verdampften Kühlmediums (34) aufweist.
Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, umfassend eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie gemäß Anspruch 6, sowie einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, der mechanisch mit der Turbine (70) der Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie gekoppelt ist.
Verfahren zur Erzeugung von Gas, bei dem mittels eines Gaserzeugungsreaktors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 Gas erzeugt wird.
Verfahren zur Erzeugung von Gas nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeverteilung in der Reaktorwand (30) durch Zu- und/ oder Abführung unterschiedlicher Kühlmedium-Volumenströme (34) im gleichen Zeitabschnitt in bzw. aus Hohlräumen (31) der Reaktorwand (30) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie, bei dem das Verfahren zur Erzeugung von Gas nach einem der Ansprüche 8 und 9 durchgeführt wird, wobei erhitztes und/ oder verdampftes Kühlmedium (34) aus dem Hohlraum (31) bzw. den Hohlräumen der Reaktorwand (30) über eine Turbine (70) geleitet wird und die Turbine (70) derart angetrieben wird.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie nach Anspruch 10 durchgeführt wird, wobei mit der Turbine (70) ein Generator angetrieben wird.