DE102012201743B3

DE102012201743B3 - Mehrzonen-Reformer zur Erzeugung von Produktgas aus einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff durch allotherme Vergasung

Info

Publication number: DE102012201743B3
Application number: DE201210201743
Authority: DE
Inventors: Georg Gallmetzer; Jacobus van den Berg
Original assignee: Highterm Research GmbH
Current assignee: Highterm Research GmbH
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2032-02-07

Abstract

Ein Mehrzonen-Reformer zur Erzeugung von Produktgas aus einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff durch allotherme Vergasung umfasst eine Brennkammer mit einem Gehäuse, einer ersten Fluidisierungseinrichtung zur Ausbildung einer Brennkammer-Wirbelschicht zur Erzeugung der für die allotherme Vergasung notwendigen Wärme, einem Reformer-Reaktor zur Durchführung der allothermen Vergasung des Einsatzstoffes, mit einer zweiten Fluidisierungseinrichtung zur Ausbildung einer Reformer-Reaktor-Wirbelschicht, und einer Wärmetransporteinrichtung zum Transport von Wärme aus der Brennkammer-Wirbelschicht in die Reformer-Reaktor-Wirbelschicht, und eine Einsatzstoff-Fördereinrichtung zur Förderung des Einsatzstoffes in den Reformer-Reaktor, wobei der Reformer-Reaktor in (i) eine Trocknungs- und Pyrolysezone und (ii) eine Vergasungszone unterteilt ist, die in einer Übergangszone kontinuierlich ineinander übergehen, und wobei die Vergasungszone im Wesentlichen außerhalb der Brennkammer-Wirbelschicht angeordnet ist und die Trockungs- und Pyrolysezone die Brennkammer-Wirbelschicht durchdringt. Der Mehrzonen-Reformer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzstoff-Fördereinrichtung den Einsatzstoff entgegen der Schwerkraft durch die Trocknungs- und Pyrolysezone hindurch in die Vergasungszone fördert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrzonen-Reformer zur Erzeugung von Produktgas aus einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff durch allotherme Vergasung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aufgrund der nicht einheitlichen Verwendung in der Fachliteratur seien Definitionen einiger zentraler Begriffe vorangestellt. Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten der thermischen Nutzung von Biomasse: Verbrennung, Pyrolyse und Vergasung. Vor dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend nur auf die Vergasung näher eingegangen. Unter einer Vergasung versteht man einen physikalisch-chemischen Vorgang, bei dem ein Kohlenstoffträger, hier als „kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff” bezeichnet, mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels in Wärme und ein brennbares Gas umgewandelt wird, das hier als Produktgas, an anderer Stelle auch als Synthesegas bezeichnet wird. Die Hauptkomponenten des Produktgases, dessen Zusammensetzung stark von den Ausgangsstoffen und der Prozessführung abhängt, sind Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄), und Wasserdampf (H₂O). Unerwünschte Nebenprodukte sind verschiedene Teere und Kondensate, die deshalb nachteilig sind, weil sie zu Verstopfungen und Verklebungen der mit dem Produktgas betriebenen technischen Anlagen führen können. Die Umwandlung geschieht durch Erhitzung, so dass man bei den dabei stattfindenden Reaktionen auch von „wärmeinduzierten Vergasungsreaktionen” spricht. Das Luftverhältnis ☐ – welches als das Verhältnis der tatsächlich zur Verfügung stehenden Luftmenge (genauer Sauerstoffmenge) zu der zu einer stöchiometrischen, also vollständigen Umwandlung notwendigen Luftmenge definiert ist – ist 0 < λ < 1 (Verbrennung: λ ≥ 1; Pyrolyse: λ = 0). Die einzelnen Vergasungsreaktionen sind teils exotherm, teils endotherm. Eine Vergasung wird als insgesamt „allotherm” bezeichnet, wenn die dafür notwendige Wärme nicht wie bei einer „autothermen” Vergasung durch in einem Vergaser stattfindende (partielle) Oxidationen – also durch die exothermen Vergasungsreaktionen – bereitgestellt wird, sondern dem Vergaser, der hier als Wirbelschichtreaktor bezeichnet und ausgebildet ist, von außen zugeführt wird, wie es z. B. im so genannten Heatpipe-Reformer, wie er zum Beispiel aus der WO 00/77128 A1 bekannt ist, der Fall ist. Bei einer allothermen Vergasung entfällt in diesem Sinne in der für fast alle Vergasungsprozesse gültigen Abfolge Trocknung → Pyrolyse → Oxidation → Reduktion (der „eigentliche” Vergasungsschritt) der vorletzte Schritt. Je nach (Haupt-)Vergasungsmittel, dem gasförmigen Reaktionspartner (Oxidationsmittel) des zu vergasenden Stoffes, der freien oder gebundenen Sauerstoff in den Prozess einbringt, unterscheidet man zwischen hydrierender Vergasung und Wasserdampfvergasung (Wasserdampf als Vergasungsmittel). Die allotherme Wasserdampfvergasung wird hier auch als Reformierung bezeichnet, die hier in einem Reformer-Reaktor stattfindet.
Bei der Reduktion – dem, wie oben bereits erwähnt, „eigentlichen” Vergasungsschritt – werden die bei der Oxidation entstehenden Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) reduziert. Hauptsächlich laufen hierbei die so genannte Boudouard-Reaktion (1) und die heterogene Wassergas-Reaktion (2) ab, die miteinander gekoppelt sind: C + CO₂ ↔ 2CO (1) C + H₂O ↔ CO + H₂ (2)
Das mit Hilfe des oben bereits erwähnten Wirbelschichtreaktors durchgeführte Verfahren der Wirbelschichtvergasung eignet sich besonders gut zur Reformierung, da aufgrund der hohen Wärmeübergangszahlen große Wärmemengen von Wärmequellen durch Heizflächen in die Wärmesenke der Wirbelschichtvergasungskammer übertragen werden können. Das Verfahren des oben bereits erwähnten Heatpipe-Reformers, der eine Brennkammer und eine mit dieser über ein Wärmerohr (engl.: heatpipe) verbundene Vergasungskammer (Teil des Reformer-Reaktors) umfasst, nutzt dabei das Prinzip der Wärmeübertragung an Heizflächen in den jeweiligen Wirbelschichten zum Wärmetransport von der Verbrennungs-Wirbelschicht zur Vergasungs-Wirbelschicht optimal.
Die vorliegende Erfindung geht von einem in einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung derselben Anmelderin beschriebenen „Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Vergasung” (Amtliches Zeichen 10 2010 028 816.0-41) aus, der (a) eine Brennkammer mit (aa) einem Gehäuse, (bb) einer ersten Fluidisierungseinrichtung zur Ausbildung einer Brennkammer-Wirbelschicht zur Erzeugung der für die allotherme Vergasung notwendigen Wärme, (cc) einem Reformer-Reaktor zur Durchführung der allothermen Vergasung des Einsatzstoffes mit einer zweiten Fluidisierungseinrichtung zur Ausbildung einer Reformer-Wirbelschicht, und (dd) einer Wärmetransporteinrichtung zum Transport von Wärme aus der Brennkammer-Wirbelschicht in die Reformer-Reaktor-Wirbelschicht, und (b) eine Einsatzstoff-Fördereinrichtung zur Förderung des Einsatzstoffes in den Reformer-Reaktor umfasst, wobei der Reformer-Reaktor in (i) eine Trocknungs- und Pyrolysezone und (ii) eine Vergasungszone unterteilt ist, die in einer Übergangszone kontinuierlich ineinander übergehen, und wobei die Vergasungszone im Wesentlichen außerhalb der Brennkammer-Wirbelschicht angeordnet ist und die Trocknungs- und Pyrolysezone die Brennkammer-Wirbelschicht durchdringt (Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung). Dieser bekannte Wirbelschichtreaktor hat jedoch grundlegende bauliche Nachteile, die einen höheren Wirkungsgrad bei gleichbleibender Gasreinheit des Produktgases erschweren, wenn nicht gar unmöglich machen, sofern man das grundlegende Konzept der 10 2010 028816.0-41 nichtverlassen will.
Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sind die DE 10 2010 028 816 A1 , die WO 00/77 128 A1 , die DE 10 2009 032 524 B3 und die DE 10 2008 055 957 A1 .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Vergasung bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik sowohl eine erhöhte Gasreinheit des Produktgases liefert als auch einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) ist ein Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Produktgas aus einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff durch allotherme Vergasung, der hier als Mehrzonen-Reformer (im Folgenden kurz als ”Reformer” bezeichnet) bezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzstoff-Fördereinrichtung Einsatzstoff entgegen der Schwerkraft durch die Trocknungs- und Pyrolysezone hindurch in die Vergasungszone fördert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Einsatzstoff entgegen der Schwerkraft, also von unten in den Reformer eingebracht und von unten nach oben gefördert. Dadurch lassen sich konstruktive Probleme, die sich aus der Einbringung des Einsatzstoffes über einen Fallschacht, wie es z. B. in der 10 2010 028 816.0-41 gelehrt wird, vermeiden. Insbesondere sind keine fragilen Einbauten in den Reformer bzw. den Reformer-Reaktor erforderlich, was wiederum eine kompaktere Bauweise erlaubt. Ferner wird der Einsatzstoff durch die erfindungsgemäße Einbringung gleichmäßiger im Reformer-Reaktor verteilt als bei der Einbringung über einen Fallschacht, wo sich die Einsatzstoffzufuhr auf eine geringe Fläche im Zentrum des Reformer-Reaktors konzentriert. Erfindungsgemäß wird somit eine Entlastung der Zuführungszone in dem Sinne erreicht, dass eine lokale Unterkühlung dieser Zone, die eine Veränderung des Fluidisierungsverhaltens des Einsatzstoffes zur Folge hat, vermieden wird. Es gilt daher gemäß der vorliegenden Erfindung: Einbringung des Einsatzstoffes entgegen der Schwerkraft (von unten) – gleichmäßigere Verteilung des Einsatzstoffes im Reformer-Reaktor → homogenere Fluidisierung des Einsatzstoffes → höhere Gasqualität des Produktgases. Zur höheren Gasqualität trägt auch ganz wesentlich die Tatsache bei, dass erfindungsgemäß eine funktional serielle Anordnung von Trocknung und Pyrolyse einerseits und Vergasung andererseits realisiert ist; eine Mischung von frühen (Verunreinigungen wie Teere und Schwefel) und späten Reaktionsprodukte findet in einem weitaus geringeren Maße statt als bei einem „Mischreaktor”, in dem es keine diesbezügliche Trennung gibt. Dies ermöglicht es, optimal die für die jeweiligen chemischen Reaktionen notwendigen Temperaturen (relative niedrig für die Trocknung und Pyrolyse, jedoch relativ hoch für die Vergasung) einstellen, so dass auf aufwändige Prozesse zum Abscheiden der frühen Verunreinigungen verzichtet werden kann. Bei einem Mischreaktor hingegen muss ein Kompromiss eingegangen werden, bei dem die Temperatur zur Trocknung und Pyrolyse oft zu hoch, die zur Vergasung oft zu niedrig ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2) umfasst der Reaktor ein Rohr mit einem ersten Rohrabschnitt kleinerer Querschnittsfläche und einem zweiten Rohrabschnitt größerer Querschnittsfläche umfasst, wobei das Rohr innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine Rohrachse aufweist, die parallel zu einer Gehäuseachse des Gehäuses ist, der erste Rohrabschnitt und der zweite Rohrabschnitt an einem Übergangsabschnitt des Rohrs miteinander verbunden sind, und die Anordnung von Trocknungs- und Pyrolysezone, Übergangszone und Vergasungszone der Anordnung von erstem Rohrabschnitt, Übergangsabschnitt und zweitem Rohrabschnitt entspricht. Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung durchdringt der Rohrabschnitt kleinerer Querschnittsfläche die Brennkammer-Wirbelschicht und bildet die Trocknungs- und Pyrolysezone. In dieser Zone wird der Einsatzstoff durch Wärme aus der Brennkammer-Wirbelschicht vorgewärmt, bevor er in die durch den zweiten Rohrabschnitt größerer Querschnittsfläche gebildete Vergasungszone gelangt. Eine kleinere Querschnittsfläche des ersten Rohrabschnitts hat den Vorteil, dass diese Vorwärmung sehr effizient erfolgt, da die Wärme rasch bis ins Innere der „Einsatzstoffsäule” gelangt. Ein weiterer Vorteil ist ein Vorteil technischer Art: Eine kleinere Querschnittsfläche bedeutet, dass geringere Kräfte, d. h. kleinere Motoren, zur Förderung des Einsatzstoffes verwendet werden können. Zudem lastet nicht der gesamte Einsatzstoff auf der Einsatzstoff-Fördereinrichtung, da durch den Übergangsabschnitt eine kreisringförmige Schulter gebildet ist, die ein Teil des Gewichts des Einsatzstoffes aufnimmt. Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung entsprechen funktionalen, d. h. chemisch-physikalischen „Zonen” räumlichen-konstruktiven „Abschnitten”: Trocknungs- und Pyrolysezone H erster, kleinerer Rohrabschnitt, Übergangszone H Übergangsabschnitt, und Vergasungszone H zweiter, größerer Rohrabschnitt. Die Abfolge und Ausdehnung der Zonen und Abschnitte ist in Richtung einer Längsachse des Rohrs definiert, wie es in 1 gezeigt ist. Der Übergang von dem ersten Rohrabschnitt zu dem zweiten Rohrabschnitt kann durch eine schräge Schulter allmählich oder durch eine gerade Schulter, wie sie in 1 dargestellt ist, abrupt erfolgen. Im letztgenannten Fall ist die Ausdehnung des Übergangsabschnitts gleich Null. Die Ausdehnung der Übergangs”zone” ist jedoch in jedem Fall von Null verschieden, da der Übergang von der Trocknungs- und Pyrolysezone zu der Vergasungszone aufgrund der sich allmählich von unten nach oben ändernden Temperatur immer allmählich ist. Insbesondere nimmt die Temperatur von ca. 100°C am unteren Ende des Gehäuses (der Brennkammer-Wirbelschicht bzw. der Trocknungs- und Pyrolysezone) über ca. 300°C–600°C im Übergangsbereich auf bis ca. 850°C im Reformer-Reaktor (in der Vergasungszone) zu.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 3) ist die erste Fluidisierungseinrichtung in der Nähe eines Bodens des Gehäuses und außerhalb des ersten Rohrabschnitts und die zweite Fluidisierungseinrichtung in der Übergangszone und außerhalb einer gedachten Fortsetzung des ersten Rohrabschnitts in Richtung der Rohrachse in der Reaktor-Wirbelschicht angeordnet. Beide Fluidisierungseinrichtungen sind somit so angeordnet, dass ein optimaler „Fluidisierungswirkungsgrad” erreicht wird, ohne die Förderung des Einsatzstoffes zu behindern, das heißt im Bereich von kreisringförmigen Oberflächen des Gehäuses (erste Fluidisierungseinrichtung) bzw. des Übergangs- oder zweiten Rohrabschnitts (zweite Fluidisierungseinrichtung). Vorzugsweise sind Düsen der Fluidisierungseinrichtungen möglichst gleichmäßig über der jeweiligen kreisringförmigen Oberfläche angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 4) umfasst die Wärmetransporteinrichtung wenigstens eine Heatpipe, die den zweiten Rohrabschnitt durchdringt. Die wenigstens eine Heatpipe wird gemäß der vorliegenden Erfindung daher nicht durch den Boden des Reformer-Reaktors (der gemäß der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform kreisringförmig ist), geführt, sondern durch die grundsätzlich mechanisch stabilere, vorzugsweise in Form eines gerade Kreiszylinders ausgebildete Wand. Bei mehreren Heatpipes können diese in relativ großem Abstand voneinander den Reformer-Reaktor durchdringen. Insbesondere aber wird dadurch vermieden, dass die wenigstens eine Heatpipe und die zweite Fluidisierungseinrichtung gegenseitig nicht behindern; die gesamte kreisringförmige Oberfläche des Übergangs- bzw. zweiten Rohrabschnitts kann für die Anordnung der zweiten Fluidisierungseinrichtung verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 5) umfasst die wenigstens eine Heatpipe einen Wärme aufnehmenden Abschnitt, der in einem Boden des Gehäuses oder in einer Umgebung des Bodens des Gehäuses befestigt ist, und einen Wärme abgebenden Abschnitt, der in einer dem Boden gegenüberliegenden Wand des Gehäuses oder in einer Umgebung der Wand befestigt ist. Eine Befestigung der wenigstens einen Heatpipe „in einer Umgebung der Wand” bzw. „in einer Umgebung des Bodens”, also nicht direkt an der Wand bzw. direkt am Boden, hat den Vorteil, dass dadurch verhindert wird, dass die wenigstens eine Heatpipe oder der Boden/die Wand durch eine thermische Ausdehnung der wenigstens einen Heatpipe beschädigt wird, was durchaus der Fall sein kann, wenn die wenigstens eine Heatpipe quasi zwischen Boden und Wand „eingespannt” wäre. Durch die weiter unten beschriebene geschwungene Form der wenigstens einen Heatpipe lässt sich jedoch auch eine direkte Befestigung an der Wand/dem Boden bedenkenlos realisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 6) ist der Wärme abgebende Abschnitt in einem Raum angeordnet ist, der von dem zweiten Rohrabschnitt und einer gedachten Verlängerung des ersten Rohrabschnitts begrenzt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Abschnitt der wenigstens einen Heatpipe, der sich in dem Reformer-Reaktor (zweiter Rohrabschnitt) befindet, die Förderung des Einsatzstoffes durch die Einsatzstoff-Fördereinrichtung nicht behindert. Da ferner sich der Wärme abgebende Abschnitt der wenigstens einen Heatpipe möglichst vollständig innerhalb des Reformer-Reaktors befinden sollte, erfolgt die oben angesprochene Herausführung der wenigstens einen Heatpipe aus dem Reformer möglichst in der Nähe des Bodens des Reformer-Reaktors bzw. des Übergangsabschnitts, jedoch in einer Entfernung zu der zweiten Fluidisierungseinrichtung, die deren Wirkung nicht beeinträchtigt. Dadurch ergibt sich zum Beispiel die in 1 der bevorzugten Ausführungsform gezeigte geschwungene Form der wenigstens einen Heatpipe (in 1 sind sechse Heatpipes dargestellt). Diese geschwungene Form erlaubt, wie es oben bereits angesprochen ist, eine Befestigung der wenigstens einen Heatpipe am Boden und an der gegenüberliegenden Wand, ohne dass eine Gefahr durch eine thermische Ausdehnung der wenigstens einen Heatpipe bestünde.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 7) ist zwischen der zweiten Fluidisierungseinrichtung und der Wärmetransporteinrichtung eine Schutzeinrichtung zum Schutz der Wärmetransporteinrichtung vor Erosion angeordnet. Die Funktion der Schutzeinrichtung dient somit dazu, die Blasen des von der zweiten Fluidisierungseinrichtung ausströmenden Fluids von der wenigstens einen Heatpipe fernzuhalten. Die Blasen steigen bei einer vertikalen Ausrichtung der wenigstens einen Heatpipe, welche aus dem Boden herausgeführt wird, entlang dieser nach oben, treffen jedoch bei geschwungenen Heatpipes gemäß der vorliegenden Erfindung direkt auf diese auf. Dies trifft zwar nicht grundsätzlich und immer zu, denn den Blasen kann z. B. durch entsprechende Gestaltung der Düsen des zweiten Fluidisierungsmittels eine Vorzugsrichtung an der wenigstens einen Heatpipe vorbei gegeben werden. Doch können die Blasen durch Strömungen und Verwirbelungen im Reformer-Reaktor umgelenkt werden, und die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der wenigstens einen Heatpipe kann durch die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) umfasst die Einsatzstoff-Fördereinrichtung eine Schleuse zum Einspeisen des Einsatzstoffes und eine Kolbenanordnung zur Förderung des Einsatzstoffes in den Reaktor. Herkömmlich wird der Brennstoff über eine geeignete Vorrichtung an den höchsten Punkt eines Gebäudes gefördert, in einer vertikalen Schleuse über Schwerkraft auf Druck geschleust und über eine weitere Vorrichtung in den vertikalen Fallschacht zudosiert, dessen gespülte Fluidsäule gleichzeitig als Rückbrandsicherung dient. Diese Gestaltung ist sehr aufwändig und teuer. Die Spülung zur Rückbrandsicherung erfordert einen hohen Verbrauch an Luft/Inertgas, was hohe Kosten verursacht und das Produktgas mit unerwünschtem Stickstoff/Inertgas verdünnt. In anderen Verfahren werden Stopfschnecken eingesetzt, die den Nachteil haben, dass der trocknende und pyrolisierende Brennstoff an den Schneckenwendeln kleben bleibt und die Förderung dadurch verstopft wird. Diese Nachteile können durch die erfindungsgemäße Variante vermieden werden. Insbesondere verringert sich der Bedarf der Spülung zur Rückbrandsicherung nennenswert gegenüber einem Eintrag über Schnecken oder Fallschächte. Ferner wird der apparative Aufwand deutlich verringert, was die Kosten senkt. Die Höhe der gesamten Anlage kann verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 9) ist die Einsatzstoff-Fördereinrichtung in Form eines Siphons ausgebildet ist, der einen ersten Förderabschnitt mit einem ersten Endabschnitt, der mit der Schleuse verbunden ist, einen zweiten Förderabschnitt mit einem zweiten Endabschnitt, der mit dem Reaktor verbunden ist, und eine Kolbenanordnung, die im Bereich eines Mündungsabschnitts des ersten Förderabschnitts in den zweiten Förderabschnitt angeordnet ist, umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 10) umfasst der Reformer eine zweite Wärmetransporteinrichtung zum Transport von Wärme aus einem Bereich zwischen der Vergasungszone und dem Gehäuse in die Pyrolysezone. Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 12) der Reformer-Reaktor mit einer Isolierungsschicht umgeben. Beide Maßnahmen dienen dazu, den Wirkungsgrad zu erhöhen, indem in erster Linie die Abwärme minimiert wird, und in zweiter Linie ein möglichst großer Teil der dennoch anfallenden Abwärme zur Vorwärmung des Einsatzstoffes in die Trocknungs- und Pyrolysezone geleitet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 11) umfasst die zweite Wärmetransporteinrichtung wenigstens eine Heatpipe (Wärmeleitrohr). Heatpipes können, wie dies bereits im Zusammenhang mit der ersten Wärmetransporteinrichtung beschrieben und in 1 dargestellt ist, optimal an die räumlichen Verhältnisse angepasst werden, der zur Verfügung stehende Raum also optimal ausgenutzt werden. Die Wärme kann somit fast wie Licht in einem Lichtleiter an den gewünschten Ort transportiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 13) umfasst der Reformer jeweilige Anschlüsse zum Abführen von Rauchgas aus der Brennkammer, zum Abführen eines Produktgases aus dem Reaktor und zum Ableiten von Wasserstoffgas aus der Wärmtransporteinrichtung. Hinsichtlich des so genannten Wasserstoffproblems sei z. B. auf die DE 10 2006 016 005 A1 derselben Anmeldering verwiesen.
1 zeigt einen Mehrzonen-Reformer (im Folgenden kurz ”Reformer” genannt) 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
(Aufbau des Reformers)
Der Reformer 10 umfasst eine Brennkammer 100, die von einem Gehäuse 102 begrenzt und in der ein Reformer-Reaktor (im Folgenden kurz ”Reaktor” genannt) 200 und eine Wärmetransporteinrichtung 300 angeordnet sind, und eine Einsatzstoff-Fördereinrichtung 400, die im Wesentlichen unterhalb des Gehäuses 102 angeordnet ist. Das Gehäuse 102 umfasst verschiedene Anschlüsse zum Ab- und Zuführen von Einsatzstoff, Rauch- und Produktgasen. Die genannten Komponenten sind nachfolgend ausführlich beschrieben.
Das Gehäuse 102 hat die Form eines geraden Kreiszylinders, mit einem Mantel 104, einem kreisringförmigen Boden 106, einem Deckel 108 und einer Symmetrieachse S1. Der in dem Gehäuse 102 angeordnete Reaktor 200 umfasst ein Rohr 202 mit einem unteren (ersten) Rohrabschnitt 204 kleinerer Querschnittsfläche und einem oberen (zweiten) Rohrabschnitt 206 größerer Querschnittsfläche, die an einem Übergangs- oder Stufenabschnitt 208 miteinander verbunden sind, so dass das Rohr 202 die Form eines Stufenrohrs annimmt, wie es in 1 gezeigt ist. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt daher der Übergang zwischen den Rohrabschnitten 204, 206 abrupt, so dass der obere Rohrabschnitt 206 einen kreisringförmigen Boden 210 besitzt. Die Rohrabschnitte 204, 206 haben jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders mit einer gemeinsamen Symmetrieachse S2, die mit der Symmetrieachse S1 zusammenfällt (im Folgenden daher zusammenfassend als ”S” bezeichnet; die Symmetrieachse S der bevorzugten Ausführungsform ist realiter eine Vertikalachse). Der Rohrabschnitt 204 durchdringt den Boden 106 des Gehäuses 102 mittig, wobei der Rohrabschnitt 204 gasdicht mit dem Boden 106 verbunden ist. Das obere Ende des oberen Rohrabschnitts 206 ist mit dem Deckel 108 des Gehäuses 102 verbunden.
Auf den kreisringförmigen Böden 106, 210 sind in gleichmäßiger Winkelverteilung um die Symmetrieachse S Elemente einer ersten bzw. einer zweiten Fluidisierungseinrichtung 212 bzw. 214 ausgebildet. Das heißt, die erste Fluidisierungseinrichtung 212 ist unmittelbar über dem Boden 106 angeordnet, und die zweite Fluidisierungseinrichtung 214 ist unmittelbar über dem Boden 210 angeordnet. ”in gleichmäßiger Winkelverteilung” bedeutet, dass die Fluidisierungseinrichtungen 212, 214 jeweils mehrere Düsen oder Düsenelemente (jeweils zwei davon sind in 1 gezeigt) umfassen, die äquiangulär um die Symmetrieachse S angeordnet sind, um eine möglichst gleichmäßige Verwirbelung eines jeweiligen Bettmaterials (siehe unten) zu gewährleisten.
Die Wärmetransporteinrichtung 300 umfasst eine Mehrzahl von Wärmeleitrohren (Heatpipes) 302, die jeweils einen Wärme aufnehmenden Abschnitt 304, der mit einem oberen Ende an dem Deckel 108 befestigt ist, und einen Wärme abgebenden Abschnitt 306, der mit einem unteren Ende im Bereich des Bodens 106 befestigt ist, umfassen. Die Mehrzahl der Wärmeleitrohre 302 sind sowohl an ihrem unteren Ende als auch an ihrem oberen Ende durch entsprechende Verbindungsmittel 310 bzw. 312 zu Gruppen 308 zusammengefasst, wobei die Anzahl der Wärmeleitrohre 302 pro Gruppe trivialerweise eins betragen kann. Die Verbindungsmittel 310 (312) sind äquiangulär um die Symmetrieachse S in einer zur Symmetrieachse S senkrechten Ebene befestigt. Die Wärme aufnehmenden Abschnitte 304 der Wärmeleitrohre 302 sind in einem Raum angeordnet, der von der Wand 104 des Gehäuses 102 und einer gedachten Verlängerung des oberen Rohrabschnitts 206 nach unten begrenzt ist, und erstrecken sich jeweils parallel zur Symmetrieachse S. Ferner sind die Wärme abgebenden Abschnitte 306 der Wärmeleitrohre 302 in einem Raum angeordnet, der von dem oberen Rohrabschnitt 206 und einer gedachten Verlängerung des unteren Rohrabschnitts 204 nach oben begrenzt ist, und erstrecken sich jeweils parallel zur Symmetrieachse S. Die Wärmeleitrohre 302 durchdringen jeweils den oberen Rohrabschnitt 206 in einem unteren Abschnitt. Wie es in 1 gezeigt ist, ist zwischen der zweiten Fluidisierungseinrichtung 214 und den Wärmeleitrohren 302 ein Erosionsschutz 216 zum Schutz der Wärmeleitrohre 302 insbesondere in dem Übergangsbereich zwischen deren Wärme aufnehmenden Abschnitten 304 und deren Wärme abgebenden Abschnitten 306 angeordnet. Der Erosionsschutz 216 ist in Form eines Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet, wobei ein Winkel α ≠ 0° zwischen einer Mantellinie der Mantelfläche und der Symmetrieachse S gemäß der vorliegenden Ausführungsform, aber nicht notwendigerweise in etwa einem entsprechenden Winkel der Übergangsbereiche der Wärmeleitrohre 302 ist. Der obere Rohrabschnitt 206, der Boden 210 und ein oberer Endabschnitt des unteren Rohrabschnitts 204 sind ferner mit einer Isolierung 218 ummantelt.
Die Einsatzstoff-Fördereinrichtung 400 ist gemäß unterhalb der bevorzugten Ausführungsform unterhalb des Gehäuses 102 angeordnet. Die Einsatzstoff-Fördereinrichtung 400 ist, wie es in 1 gezeigt ist, in Form eines Siphons ausgebildet, und umfasst einen ersten Förderabschnitt 402 mit einem ersten Endabschnitt 404, der mit einer Schleuse zum Einspeisen des Einsatzstoffes verbunden ist, und einen zweiten Förderabschnitt 406 mit einem oberen Endabschnitt 408, der mit dem unteren Endabschnitt des unteren Rohrabschnitts 204 des Reaktors 200 verbunden ist. Der untere Rohrabschnitt 204 des Reaktors 200 und der zweite Förderabschnitt 406 bilden ein einteiliges Förderrohr 410. Die Einsatzstoff-Fördereinrichtung 400 umfasst ferner eine Kolbenanordnung 412 mit einem Förderkolben 414, der über eine Kolbenstange 416, welche mit einem Kolbenantrieb (nicht gezeigt) verbunden ist, entlang der Symmetrieachse S in dem Förderrohr 410 auf- und abwärts bewegt werden kann. Wie es in 1 gezeigt ist, mündet der erste Förderabschnitt 402 seitlich in den zweiten Förderabschnitt 406. Die Förderrichtung ist durch einen Pfeil F in 1 dargestellt.
Aus dem Gehäuse 102 sind oben eine Leitung 112 zum Abführen des in der Brennkammer bei der Verbrennung des Einsatzstoffes erzeugten Rauchgases RG, eine Leitung 112 zum Entgasen der Wärmeleitrohre 302, und eine Leitung 114 zum Abführen des durch den Reformer 10 erzeugten Produktgases PG herausgeführt.
(Funktionsweise des Reformers)
Im Betrieb des Reformers 10 wird durch die erste Fluidisierungseinrichtung 212 in einem unteren Abschnitt der Brennkammer 100 eine Brennkammer-Wirbelschicht 220 aus einem darin eingespeisten Einsatzstoff (Brennstoff) ausgebildet, deren obere Oberfläche durch eine Schlangenlinie 222 in 1 dargestellt ist. Die Brennkammer-Wirbelschicht 220 umgibt den unteren Rohrabschnitt 204 des Reaktors 200 und erstreckt sich in Richtung der Symmetrieachse S von dem Boden 106 des Gehäuses 102 bis in die Nähe des Bodens 210 des oberen Rohrabschnitts 206 des Reaktors 200. Entsprechend wird durch die zweite Fluidisierungseinrichtung 214 in dem oberen Rohrabschnitt 206 des Reaktors 200 eine Reformer-Reaktor-Wirbelschicht 224 aus dem durch die Einsatzstoff-Fördereinrichtung 400 entgegen der Schwerkraft durch den unteren Rohrabschnitt 204 in den oberen Rohrabschnitt 206 geförderten Einsatzstoff ausgebildet, deren obere Oberfläche durch eine Schlangenlinie 226 in 1 dargestellt ist. Auf diese Weise wird der erfindungsgemäße Reformer entlang der Symmetrieachse S in eine Trocknungs- und Pyrolysezone TP und eine darüber befindliche Vergasungszone V, die in einer Übergangszone kontinuierlich miteinander verbunden sind und ineinander übergehen, unterteilt, die der durch die Schleuse eingespeiste Einsatzstoff in dieser Reihenfolge durchläuft. Bei der Bewegung von unten nach oben in dem Reaktor 200 durchläuft der Einsatzstoff so ein Temperaturprofil, das in 1 eingezeichnet ist.
Die zur allothermen Vergasung des in den oberen Rohrabschnitt 206 des Reaktors 200 geförderten Einsatzstoffes erforderliche Wärme wird durch die Wärmeleitrohre 302, die mit ihren Wärme aufnehmenden Abschnitten 304 in die Brennkammer-Wirbelschicht 220 hineinragen, in die Reformer-Reaktor-Wirbelschicht 224 transportiert. Zur Verringerung von Wärmeverlusten und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Reformers 10 ist die Isolierung 218 angebracht, die den Hochtemperaturteil des Reaktors 200 umgibt. Es ist zu beachten, dass die Einsatzstoffe aus dem oberen Rohrabschnitt 206 durch einen geeigneten Überlauf (nicht dargestellt) in die Brennkammer-Wirbelschicht 220 überlaufen können.
Bezugszeichenliste

10: Reformer
100: Brennkammer
102: Gehäuse
104: Mantel
106: Boden
108: Deckel
110: Leitung zum Abführen von Rauchgas RG
112: Leitung zum Entgasen von 302
114: Leitung zum Abführen von Produktgas PG
200: Reaktor
202: Rohr
204: (unterer) Rohrabschnitt kleinerer Querschnittsfläche
206: (oberer) Rohrabschnitt größerer Querschnittsfläche
208: Übergangs- oder Stufenabschnitt
210: kreisringförmiger Boden von 206
212: erste Fluidisierungseinrichtung
214: zweite Fluidisierungseinrichtung
216: Erosionsschutz
218: Isolierung
300: Wärmetransporteinrichtung
302: Wärmeleitrohre
304: Wärme aufnehmender Abschnitt
306: Wärme abgebender Abschnitt
308: Gruppen von 302
310: Verbindungsmittel
312: Verbindungsmittel
400: Einsatzstoff-Fördereinrichtung
402: erster Förderabschnitt
404: erster Endabschnitt von 402
406: zweiter Förderabschnitt
408: Endabschnitt von 406
410: Förderrohr = 406 + 204
412: Kolbenanordnung
414: Förderkolben
416: Kolbenstange
F: Strömungsrichtung des Einsatzstoffes
RG: Rauchgas
S1: Symmetrieachse von 102
S2: Symmetrieachse von 204, 206
: S = S1 = S2
SG: Synthesegas
α: Winkel zwischen Mantelfläche von 216 und S

Claims

Mehrzonen-Reformer zur Erzeugung von Produktgas aus einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff durch allotherme Vergasung, mit: (a) einer Brennkammer, die umfasst (aa) ein Gehäuse; (bb) eine erste Fluidisierungseinrichtung zur Ausbildung einer Brennkammer-Wirbelschicht zur Erzeugung der für die allotherme Vergasung notwendigen Wärme, (cc) einen Reformer-Reaktor zur Durchführung der allothermen Vergasung des Einsatzstoffes, mit einer zweiten Fluidisierungseinrichtung zur Ausbildung einer Reformer-Reaktor-Wirbelschicht, und (dd) eine Wärmetransporteinrichtung zum Transport von Wärme aus der Brennkammer-Wirbelschicht in die Reformer-Reaktor-Wirbelschicht, und (b) einer Einsatzstoff-Fördereinrichtung zur Förderung des Einsatzstoffes in den Reformer-Reaktor; wobei – der Reformer-Reaktor in (i) eine Trocknungs- und Pyrolysezone und (ii) eine Vergasungszone unterteilt ist, die in einer Übergangszone kontinuierlich ineinander übergehen, und – wobei die Vergasungszone im Wesentlichen außerhalb der Brennkammer-Wirbelschicht angeordnet ist und die Trockungs- und Pyrolysezone die Brennkammer-Wirbelschicht durchdringt; dadurch gekennzeichnet, dass: – die Einsatzstoff-Fördereinrichtung ausgebildet ist, den Einsatzstoff entgegen der Schwerkraft durch die Trocknungs- und Pyrolysezone hindurch in die Vergasungszone zu befördern.
Mehrzonen-Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer-Reaktor ein Rohr mit einem ersten Rohrabschnitt kleinerer Querschnittsfläche und einem zweiten Rohrabschnitt größerer Querschnittsfläche umfasst, wobei: • das Rohr innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine Rohrachse aufweist, die parallel zu einer Gehäuseachse der Gehäuses ist; • der erste Rohrabschnitt und der zweite Rohrabschnitt an einem Übergangsabschnitt des Rohrs miteinander verbunden sind; und • die Anordnung von Trocknungs- und Pyrolysezone, Übergangszone und Vergasungszone der Anordnung von erstem Rohrabschnitt, Übergangsabschnitt und zweitem Rohrabschnitt entspricht.
Mehrzonen-Reformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: • die erste Fluidisierungseinrichtung in der Nähe eines Bodens des Gehäuses und außerhalb des ersten Rohrabschnitts angeordnet ist, und • die zweite Fluidisierungseinrichtung in der Übergangszone und außerhalb einer gedachten Fortsetzung des ersten Rohrabschnitts in Richtung der Rohrachse in der Reformer-Reaktor-Wirbelschicht angeordnet ist.
Mehrzonen-Reformer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung wenigstens eine Heatpipe umfasst, die den zweiten Rohrabschnitt durchdringt.
Mehrzonen-Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heatpipe einen Wärme aufnehmenden Abschnitt, der in einem Boden des Gehäusese oder in einer Umgebung des Bodens des Gehäuses befestigt ist, und einen Wärme abgebenden Abschnitt, der in einer dem Boden gegenüberliegenden Wand des Gehäuses oder in einer Umgebung der Wand befestigt ist, umfasst.
Mehrzonen-Reformer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme abgebende Abschnitt in einem Raum angeordnet ist, der von dem zweiten Rohrabschnitt und einer gedachten Verlängerung des ersten Rohrabschnitts begrenzt ist.
Mehrzonen-Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Fluidisierungseinrichtung und der Wärmetransporteinrichtung ein Schutzeinrichtung zum Schutz der Wärmetransporteinrichtung vor Erosion angeordnet ist.
Mehrzonen-Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzstoff-Fördereinrichtung eine Schleuse zum Einspeisen des Einsatzstoffes und eine Kolbenanordnung zur Förderung des Einsatzstoffes in den Reformer-Reaktor umfasst.
Mehrzonen-Reformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzstoff-Fördereinrichtung in Form eines Siphons ausgebildet ist, der einen ersten Förderabschnitt mit einem ersten Endabschnitt, der mit der Schleuse verbunden ist, einen zweiten Förderabschnitt mit einem zweiten Endabschnitt, der mit dem Reformer-Reaktor verbunden ist, und eine Kolbenanordnung, die im Bereich eines Mündungsabschnitts des ersten Förderabschnitts in den zweiten Förderabschnitt angeordnet ist, umfasst.
Mehrzonen-Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zweite Wärmetransporteinrichtung zum Transport von Wärme aus einem Bereich zwischen der Vergasungszone und dem Gehäuse in die Pyrolysezone umfasst.
Mehrzonen-Reformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetransporteinrichtung wenigstens eine Heatpipe umfasst.
Mehrzonen-Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer-Reaktor mit einer Isolierungsschicht umgeben ist.
Mehrzonen-Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er jeweilige Anschlüsse zum Abführen von Rauchgas aus der Brennkammer, zum Abführen eines Produktgases aus dem Reformer-Reaktor und zum Ableiten von Wasserstoffgas aus der Wärmtransporteinrichtung umfasst.