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Die Erfindung betrifft einen Vergasungsreaktor zur Gewinnung eines Brenngases aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, bei dem in einer ersten Stufe der Brennstoff anteilig oxidiert wird und nachfolgend eine Reduktion zur Gewinnung eines Brenngases stattfindet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Vergasungsreaktoren zur Gewinnung eines Brenngases bekannt. Hierbei wird ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff eingesetzt, wobei es sich bei derartigen Vergasungsreaktoren in der Regel um einen holzartigen Brennstoff in Form von Scheitholz, Hackschnitzel, Holzpellets oder Holzmehl handelt. Zur Gewinnung des Brenngases ist ein Wärmeeintrag in den Brennstoff erforderlich. Wenngleich eine anderweitige Wärmeübertragung bekannt ist, wird bei den betrachteten Ausführungsformen von Vergasungsreaktoren zunächst eine anteilige Oxidation, d. h. eine Verbrennung, des Brennstoffs durchgeführt, wodurch die erforderlichen Temperaturen im Brennstoff zur nachfolgenden Reduktion geschaffen werden. Ein Luftmangel verhindert hierbei eine vollständige Oxidation des Brennstoffs.
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Zur Realisierung sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vergasungsreaktoren bekannt, welche aus verschiedenen Abschnitten aufgebaut sind, wobei diese in aller Regel in einer Linie vertikal übereinander angeordnet werden. Hierbei handelt es sich um einen Eintragsabschnitt, in den der Brennstoff eingebracht wird. Nachfolgend gelangt der Brennstoff in einen Oxidationsabschnitt. Dort wird kontrolliert Luft bzw. Sauerstoff zugeführt, so dass die anteilige Oxidation des Brennstoffs und Bildung von Rauchgas stattfinden kann. Hierbei muss sichergestellt sein, dass die richtige Menge an Luft bzw. Sauerstoff zugeführt wird, so dass einerseits die erforderliche Temperatur zur nachfolgenden Reduktion erzielt wird, aber im Gegenzug kein unnötiger Verbrauch des Brennstoffs durch Oxidation stattfindet, welcher zu Brenngas umgewandelt werden soll. Übergehend befindet sich im Anschluss am Oxidationsabschnitt ein Reduktionsabschnitt, in dem aufgrund von Sauerstoffmangel die Oxidation zum Erliegen kommt und stattdessen aufgrund der vorhandenen hohen Temperatur eine Umwandlung des Brennstoffs in Brenngas stattfindet. Mit zunehmender Entfernung vom Oxidationsabschnitt kühlt hierbei der Brennstoff ab. Dies führt zur Reduktion der Umsetzung des Brennstoffs in Brenngas, bis der Prozess nahezu zum Erliegen kommt.
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Ein Beispiel für einen Holzvergaser ist aus der
DE 655 843 A bekannt. Dieser weist den üblichen Aufbau mit einem Einlassabschnitt, in dem die zu verbrennenden sowie zu vergasenden Holzstücke eingeschüttet werden können, und einem sich unterhalb anschließenden Oxidationsabschnitt auf. Der Oxidationsabschnitt weist mehrere im Umfang verteilte Ringschlitze zur Zuführung von Luft auf. Dem Oxidationsabschnitt folgt der Reduktionsabschnitt, in dem unverbrannter Holzbrennstoff aufgrund der hohen Temperaturen vergast wird. Der Reduktionsabschnitt ist hierbei nach unten verjüngend ausgeführt und endet auf einem Prallteller, in dem sich die noch unverbrannten zu vergasenden Holzbrennstoffstücke sowie die anfallende Asche ansammeln. Das entstehende Brenngas nebst dem Rauchgas wird über einen seitlichen Anschluss abgeführt. Die gewählte kurze Bauform führt grundsätzlich zwar zu einer hohen Temperatur bis zum Austritt aus dem Reduktionsabschnitt, jedoch kühlen sich die auf dem Prallteller anhäufenden Holzbrennstoffstücke mit zunehmender Entfernung vom Rand aufgrund fehlender unterseitiger Beheizung zunehmend ab und die Reduktion kommt insofern zum Erliegen.
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Dies führt in bekannten Ausführungen zu dem Problem der optimalen Temperatursteuerung im Oxidationsabschnitt, so dass eine möglichst vollständige Umsetzung des nicht oxidierten Brennstoffs in Brenngas erfolgt. Einerseits wäre zur Erzeugung der hierfür erforderlichen Temperaturen ein wiederum unerwünscht hoher Anteil an Brennstoff zu oxidieren und anderseits würden derart hohe Temperaturen zu einer starken Schlackebildung führen, welche die Funktionsfähigkeit des Vergasungsreaktors gefährdet.
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Daher wird in der Regel eine unvollständige Umsetzung des Brennstoffs in Brenngas in Kauf genommen, da eine Steigerung des Wirkungsgrades durch eine weitere Verbrennung nahezu nicht möglich ist und die Schlackebildung im erträglichen Rahmen gehalten werden kann.
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Die Ausführung aus der
DE 492 091 A verbessert im Gegensatz zu oben genannter Ausführung die Umsetzung des Holzbrennstoffes im Reduktionsabschnitt, indem die Ausleitung aus dem Reduktionsabschnitt nicht am unteren Ende erfolgt, sondern vielmehr der Reduktionsabschnitt den Oxidationsabschnitt umgebend nach oben weiter geführt wird. Hierdurch kann einerseits die Länge des Reduktionsabschnitts erheblich vergrößert werden als auch im Besonderen eine Wärmeübertragung über die Wandung des Oxidationsabschnitts in den ringförmig umgebenden Reduktionsabschnitt möglich wird.
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Wenngleich mit der zuletzt beschriebenen Ausführung eine wirkungsvolle Reduktion erzielt wird, so verbleibt unvermindert ein Optimierungspotential zur Steigerung einerseits des Wirkungsgrades und anderseits zur Reduktion der im Rauch-Brenngas mitgeführten Asche und Schlackepartikel. Hinsichtlich der Temperaturen im ringförmigen anschließenden Reduktionsabschnitt ist zu berücksichtigen, dass die Wandung des Reduktionsabschnitts nicht beheizt ist und somit ein Temperaturgefälle von innen nach außen vorhanden ist. Somit kommt es mit zunehmendem Abstand von der Wandung des Oxidationsabschnitts zu einer reduzierten Umsetzung des Holzbrennstoffes in Brenngas. Weiterhin von Nachteil ist – wie bei allen bekannten Ausführungen – dass mit dem Rauch-Brenngas Asche und Schlacke in nicht zu vernachlässigender Weise mitgeführt werden können, was einer Filterung zur Verhinderung einer Schädigung nachfolgender Verbrennungsmaschinen bedarf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Wirkungsgrad des Vergasungsreaktors zu verbessern und eine weitgehend vollständige Umsetzung des Brennstoffs durchzuführen.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines Brenngases mit einem hohen Wirkungsgrad ist im Anspruch 14 angegeben.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der gattungsgemäße Vergasungsreaktor sowie das gattungsgemäße Verfahren dienen zunächst einmal zur Gewinnung eines Brenngases aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen. Um welchen Brennstoff es sich hierbei handelt, ist zunächst unerheblich, wobei sich das vorliegende Verfahren insbesondere bei Verwendung eines Brennstoffs aus Holz in Form von Hackschnitzeln eignet. Denkbar wäre auch die Verwendung von Holzscheiten, wobei jedoch die automatisierte Verfahrensdurchführung nur sehr eingeschränkt möglich ist. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenso bei Holzpellets anwendbar, wobei diese bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich des Rohstoffpreises nachteilig gegenüber von Hackschnitzeln sind.
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Hierbei kann der Vergasungsreaktor in mehrere Abschnitte unterteilt werden, wobei bei Betrachtung des ablaufenden Verfahrens, d. h. des Vergasungsprozesses, keine exakte Grenzziehung zwischen den einzelnen Abschnitten möglich ist, sondern diese vielmehr ineinander übergehen. In Abhängigkeit von den Strömungsgeschwindigkeiten, den Druckverhältnissen, insbesondere von Druckschwankungen, und den im Grenzbereich vorherrschenden Fließrichtungen können sich die Grenzen verschieben und/oder die einzelnen hinsichtlich des Vergasungsprozesses betrachteten Abschnitte ineinander übergehen. Demgegenüber wird der Vergasungsreaktor konstruktiv anhand des geplanten Vergasungsprozesses in einzelne Abschnitte unterteilt.
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Hierbei weist der Vergasungsreaktor zunächst einmal einen Eintragsabschnitt zur Zuführung des Brennstoffs auf. In welcher Art die Zuführung erfolgt, ist hinsichtlich der erfindungsgemäßen Ausführungsform sowie hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens nebensächlich. In aller Regel erfolgt die Zuführung bei derartigen Vergasungsreaktoren über eine Schneckenförderung, wobei diese mit einem Brennstoffeinlass in den Eintragsabschnitt hineinragt. Im Eintragsabschnitt kann sich in Abhängigkeit vom zur Verfügung stehenden Volumen und in Abhängigkeit von der möglichen Prozessführung eine gewisse Menge des Brennstoffs ansammeln, im Wesentlichen ohne dass es hierin zu einer Oxidation oder Reduktion des Brennstoffs kommt.
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An den Eintragsabschnitt schließt sich ein Oxidationsabschnitt an, in dem der Brennstoff unter Zuführung eines Sauerstoffgemisches anteilig oxidiert wird. Zur Realisierung der Oxidation ist die Zuführung eines Sauerstoffgemischs, d. h. in der Regel Luft, erforderlich. Die Zuführung des Sauerstoffgemisches darf hierbei im Wesentlichen nicht über den Eintragsabschnitt erfolgen, um eine zurücklaufende Verbrennung in den Eintragsabschnitt hinein zu verhindern. Vielmehr bedarf es beim Oxidationsabschnitt mehrerer Luftzuführöffnungen zur Zuführung des Sauerstoffgemisches.
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Mit der anteiligen Oxidation des Brennstoffs entsteht ein Anteil an Rauchgas und Asche sowie ein geringer Anteil an Schlacke, insbesondere in Abhängigkeit von der eingesetzten Holzart und Holzqualität. Im Folgenden werden im Wesentlichen staubartige Asche- und Schlackepartikel unter dem Begriff Rauchgas subsumiert, während hingegen darüber hinausgehende Asche- und Schlackepartikel sowie der noch nicht oxidierte bzw. reduzierte Brennstoff im Weiteren die Feststoffe bilden.
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Die Oxidation im Oxidationsabschnitt ist erforderlich zur Erzeugung der zur Reduktion des Brennstoffs in Brenngas erforderlichen Temperaturen. Relevant ist die Temperatur des nicht oxidierten zu reduzierenden Brennstoffs, wobei es naheliegend ist, dass das Rauchgas und die weiteren Feststoffe im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Hierbei ist lediglich soviel Brennstoff zu oxidieren, wie zur Erzeugung der erforderlichen Temperatur nötig ist. Jede darüber hinausgehende Oxidierung des Brennstoffs ist energetisch nachteilig, da folglich aufgrund des geringer werdenden Brennstoffs weniger Brenngas gebildet werden kann. Eine unzureichende Oxidation des Brennstoffs führt jedoch nicht zu den erforderlichen Temperaturen, so dass die nachfolgende Ausbeute des Brenngases gleichfalls unzureichend ist.
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Im Anschluss an den Oxidationsabschnitt schließt sich ein erster Reduktionsabschnitt an, in dem aufgrund der hohen Temperaturen ein teilweises Reduzieren des unvollständig oxidierten Brennstoffs unter Bildung von Brenngas stattfindet. Dabei ist zur Verhinderung einer weiteren Oxidation ein Sauerstoffentzug erforderlich. Durch die Reduktion wird der Brennstoff weiter zersetzt, so dass sich der Anteil an Feststoffen im Gegensatz zum entstehenden Rauch-Brenngas-Gemisch zunehmend reduziert. Insbesondere zwischen dem Oxidationsabschnitt und dem Reduktionsabschnitt lässt sich keine exakte Grenzziehung vornehmen, da sich die Unterscheidung zwischen einer Oxidation im Oxidationsabschnitt und einer Reduktion im Reduktionsabschnitt danach richtet, ob ein entsprechendes Sauerstoffgemisch zur Oxidation zur Verfügung steht oder der Sauerstoff bereits vollständig verbraucht wurde, so dass eine Reduktion stattfindet.
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Aufgrund der unterbleibenden weiteren Oxidation vom Brennstoff im Reduktionsabschnitt erfolgt eine fortschreitende Abkühlung des verbleibenden Brennstoffs. In Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffs wird dieser schneller (bei höheren Temperaturen) oder langsamer (bei niedrigen Temperaturen) in das geforderte Brenngas umgesetzt. Dies führt weiterhin gattungsgemäß dazu, dass sich am Ende eines ersten Reduktionsabschnitts ein verbleibender Restanteil eines nicht vergasten Brennstoffs befindet, welcher als Feststoff fortgeführt wird. Somit setzt sich im Anschluss an den ersten Reduktionsabschnitt der Massenstrom zusammen aus dem im Wesentlichen im Oxidationsabschnitt entstandenen Rauchgas, Asche, Schlacke und verbleibenden Brennstoff als Feststoff sowie nunmehr Brenngas.
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Ein hoher Wirkungsgrad des Vergasungsreaktors, d. h. des Vergasungsprozesses, wird dadurch erzielt, dass mittelbar oder unmittelbar zwischen dem ersten Reduktionsabschnitt und dem Austragsabschnitt ein zweiter Reduktionsabschnitt angeordnet wird, welcher durch eine mittelbare Übertragung von Wärmeenergie vom Oxidationsabschnitt erwärmt wird. Hierzu bedarf es Mittel zur Wärmeübertragung vom Oxidationsabschnitt auf den zweiten Reduktionsabschnitt, wobei die Art der Mittel zunächst unerheblich ist. Durch diese erneute Erwärmung des zweiten Reduktionsabschnitts wird eine erneute Temperatursteigerung des Brennstoffs im zweiten Reduktionsabschnitt erreicht, in Folge dessen eine erneute Umsetzung des noch nicht vergasten bzw. reduzierten Brennstoffs zu Brenngas erfolgt.
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Entgegen dem üblichen Stand der Technik, bei dem eine zunehmende Abkühlung im Reduktionsabschnitt erfolgt, ist es erforderlich, dass ein zweiter Reduktionsabschnitt mit einer mittelbaren Wärmezufuhr vom Oxidationsabschnitt eingesetzt wird. Dies stellt sich hierbei nicht lediglich als eine Verlängerung des ersten Reduktionsabschnitts dar, da durch die Wärmezufuhr vom Oxidationsabschnitt zumindest teilweise eine erneute Temperatursteigerung im Brennstoff erzielt wird.
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Die Realisierung einer mittelbaren Wärmeübertragung von Wärmeenergie vom Oxidationsabschnitt zum zweiten Reduktionsabschnitt wird begünstigt, indem der erste Reduktionsabschnitt mit dem zweiten Reduktionsabschnitt durch einen Umlenkabschnitt verbunden ist. Hierbei bildet der Umlenkabschnitt ebenso wie der erste Reduktionsabschnitt und der zweite Reduktionsabschnitt einen Teilabschnitt des gesamten Reduktionsabschnitts, womit ebenso im Umlenkabschnitt eine Reduktion des Brennstoffs in Brenngas stattfindet. Der Umlenkabschnitt bewirkt zunächst einmal eine Änderung der Fließrichtung des noch nicht reduzierten Brennstoffs. Aufgrund der jedoch bereits im ersten Reduktionsabschnitt einsetzenden Abkühlung des Brennstoffs und der im Umlenkabschnitt beschleunigt fortgesetzten Abkühlung, wird die Reduktion des Brennstoffs in Brenngas im Umlenkabschnitt zunächst einmal mit reduzierter Wirksamkeit durchgeführt. Dies ist jedoch durch die Ausführungsform mit dem zweiten Reduktionsabschnitt ausgeglichen, so dass eine weitgehend vollständige Umsetzung des Brennstoffs in Brenngas erzielt wird.
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Der gattungsgemäße Vergasungsreaktor weist an seinem prozesstechnisch betrachteten Ende einen sich am Reduktionsabschnitt anschließenden Austragsabschnitt auf, in dem das gebildete Rauch-Brenngas-Gemisch gesammelt wird. Zur Fortführung des Rauch-Brenngas-Gemischs weist der Austragsabschnitt eine Auslassöffnung auf, über die eine Abführung des Rauch-Brenngas-Gemisches erfolgt.
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Zur Beeinflussung der Fließrichtung ist gattungsgemäß vorgesehen, dass im Umlenkabschnitt unterhalb des ersten Reduktionsabschnitts mindestens eine Einrichtung zur Umlenkung der Fließrichtung eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß kann die Einrichtung zur Umlenkung der Fließrichtung weiterhin zur Beeinflussung der Durchflussmenge eingesetzt werden.
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Als Einrichtung zur Beeinflussung der Fließrichtung und zur Anpassung der Durchflussmenge können hierbei zwei verschiedene Ausführungen wahlweise oder kombiniert eingesetzt werden.
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In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung ist im Umlenkabschnitt unterhalb des ersten Reduktionsabschnitts ein Prall- und/oder Umlenkteller zur Umlenkung der Fließrichtung angeordnet. Hierbei trifft der Massenstrom aus Feststoffen und Rauch-Brenngas-Gemisch auf den Prall- und/oder Umlenkteller, in Folge dessen die Fließrichtung wirksam verändert wird.
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Eine Regulierung des Volumens des Umlenkabschnitts und somit des Volumens des gesamten Reduktionsabschnitts wird hierbei erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass der Prall- und/oder Umlenkteller in der Position relativ zum ersten Reduktionsabschnitt verstellbar ist. Durch die relative Veränderung der Position des Prall- und/oder Umlenktellers kann das oberhalb des Prall- und/oder Umlenktellers befindliche Volumen des Umlenkabschnitts verändert werden. Hiermit einher geht jedoch ebenso eine Veränderung des freien Strömungsquerschnitts im Umlenkabschnitt.
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung wird im Umlenkabschnitt und hineinragend in den ersten Reduktionsabschnitt ein Anströmelement eingesetzt. Dieses kann hierbei sowohl die Umlenkung der Fließrichtung unterstützen als auch verwendet werden, um eine Beeinflussung der Durchflussmenge zu bewirken.
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Die Veränderung der Durchflussmenge durch den Vergasungsreaktor wird hierbei erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das in den ersten Reduktionsabschnitt hineinragende Anströmelement in der Position relativ zum ersten Reduktionsabschnitt verstellbar ist. Durch das Einfahren des Anströmelements in den ersten Reduktionsabschnitt wird der freie Querschnitt am Ende des ersten Reduktionsabschnitts durch den änderbaren vom Anströmelement eingenommenen Querschnitt beeinflussbar.
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Die erfindungsgemäße Veränderbarkeit in der Position des Prall- oder Umlenktellers und/oder die Veränderbarkeit der Position des Anströmelements führen zu einer vorteilhaften Regelbarkeit des im Vergasungsreaktor ablaufenden Prozesses, insbesondere hinsichtlich der Leistungsanpassung sowie einer Anpassung an sich verändernde Brennstoffe.
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Besonders vorteilhaft ist das Verfahren bzw. die Verwendung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors, wenn an der Auslassöffnung relativ zum Eintragsabschnitt ein Unterdruck anliegt. Somit wird ein Massenstrom des entstehenden Rauch-Brenngas-Gemischs zur Auslassöffnung hin und somit eine stabile Prozessführung sichergestellt.
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Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Temperatur zumindest 900°C beträgt. Besonders vorteilhaft sind Temperaturen um 1000°C. Entsprechend ist die Oxidation im Oxidationsabschnitt hinsichtlich der hierzu erforderlichen Temperaturen zu steuern, wobei die Temperatur darüber hinausgehend nicht unnötig gesteigert werden sollte. Zur Erzielung einer vorteilhaften Erwärmung im zweiten Reduktionsschnitt bei möglichst geringen Temperaturen im Oxidationsabschnitt ist die vorteilhafte Wärmeübertragung vom Oxidationsabschnitt in den zweiten Reduktionsabschnitt zu berücksichtigen.
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Ein zugleich vorteilhafter als auch ebenso einfacher Aufbau des Vergasungsreaktors wird erzielt, wenn der Eintragsabschnitt und der Oxidationsabschnitt und der erste Reduktionsabschnitt im Wesentlichen vertikal übereinander angeordnet sind. Dies begünstigt zum einen den Massenstrom durch die Abschnitte vertikal nach unten. Wesentliche Vorteile sind sowohl die einfachere Herstellung als auch die verbesserte Stabilität des somit realisierbaren Aufbaus des Vergasungsreaktors.
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Bei der vorteilhaften vertikalen Ausrichtung des Vergasungsreaktors ist die Höhe des Eintragsabschnitts hierbei vorteilhaft dahingehend zu wählen, dass das Eigengewicht des eingebrachten Brennstoffs den Massenstrom vorteilhaft beeinflusst. Somit sollte die Höhe des Eintragsabschnitts sowie die im Verfahren hierbei eingebrachte Menge an Brennstoff hinreichend sein, so dass es zu keinem Stillstand durch aufstrebende heiße Gase und zu einer Verbrennung zurück in den Eintragsabschnitt kommt. Jedoch darf durch die Gewichtsbelastung aufgrund des Eigengewichts des sich im Eintragsabschnitt befindenden Brennstoffs keine Verstopfung des Vergasungsreaktors eintreten. Insofern ist bei der Forderung nach Erhöhung des im Eintragsabschnitt gepufferten Volumens gegebenenfalls der Querschnitt im Gegensatz zum Oxidationsabschnitt zu vergrößern.
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Die Ausführung wird optimiert durch eine rotationssymmetrische Ausführung der einzelnen Abschnitte mit Eintragsabschnitt, Oxidationsabschnitt und erstem Reduktionsabschnitt. In einfacher und zugleich vorteilhafter Weise können somit die Außenwandungen der einzelnen Abschnitte einen rohrartigen Aufbau aufweisen.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest der Oxidationsabschnitt und der erste Reduktionsabschnitt eine gemeinsame Außenwandung aufweisen. Hierdurch kann der Aufbau in dem thermisch hoch belasteten Bereich des Vergasungsreaktors vereinfacht werden.
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Zur vorteilhaften Reduzierung der Temperaturabsenkung im ersten Reduktionsabschnitt ist es von besonderem Vorteil, wenn die gemeinsame Außenwandung wärmeleitend und/oder wärmespeichernd ausgebildet ist. Durch die gemeinsame Außenwandung von Oxidationsabschnitt und erstem Reduktionsabschnitt wird weiterhin eine vorteilhafte unterstützende Wärmeleitung der im Oxidationsabschnitt entstehenden Wärme auf den ersten Reduktionsabschnitt erzielt. Wenngleich der Großteil der Wärmeenergie durch den Massenstrom vom Oxidationsabschnitt in den ersten Reduktionsabschnitt getragen wird, so kann dennoch durch die Außenwandung anteilig Wärmeenergie übertragen werden, so dass die Abkühlung im ersten Reduktionsabschnitt gering ausfällt. Dies begünstigt naheliegend die fortgesetzte Reduktion des Brennstoffs in Brenngas.
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Sofern nunmehr angenommen wird, dass es hinreichend sei, den ersten Reduktionsabschnitt hinreichend lang auszuführen, so ist zu berücksichtigen, dass sich unvermindert mit zunehmendem Abstand vom Oxidationsabschnitt die Temperatur im ersten Reduktionsabschnitt reduziert, wobei bei Wahl einer zu großen Länge des ersten Reduktionsabschnitts die Reduktion des verbleibenden Brennstoffs in Brenngas letztendlich zum Erliegen kommt.
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Darüber hinaus ist es weiterhin von besonderem Vorteil, wenn die Außenwandung zumindest abschnittsweise eine Aus- und/oder Umkleidung aus Schamotte aufweist. Durch die Aus- und/oder Umkleidung aus Schamotte wird einerseits die Wärmeübertragung vom Oxidationsabschnitt zum ersten Reduktionsabschnitt unterstützt. Wesentlich ist jedoch die Stabilisierung des Vergasungsprozesses mit Oxidation und Reduktion der insbesondere aufgrund des Einsatzes von Qualitätsschwankungen unterliegenden Brennstoffen ansonsten auftretenden Temperaturschwankungen. Somit werden Schwankungen bei der Oxidation vorteilhaft ausgeglichen, so dass eine weitgehend homogene Temperaturverteilung über den laufenden Vergasungsprozess gewährleistet werden kann.
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Die Gestaltung des Eintragsabschnitts gegenüber dem Oxidationsabschnitt ist zunächst unerheblich. Jedoch ist es von Vorteil, wenn ebenso die Außenwandung des Eintragsabschnitts von der gemeinsamen Außenwandung von Oxidationsabschnitt und erstem Reduktionsabschnitt gebildet wird.
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Eine vorteilhafte Oxidation des Brennstoffs im Oxidationsabschnitt und insbesondere vorteilhafte Fließverhältnisse, insbesondere unter Berücksichtigung der sich verändernden Zusammensetzung durch anteilige Oxidation des Brennstoffs unter Bildung von Rauchgas, werden erreicht, indem im Bereich des Oxidationsabschnitts eine Querschnittsverringerung angeordnet wird. Diese Querschnittsverringerung führt insbesondere zur Verhinderung eines unzulässigen Nachschiebens des im Eintragsabschnitt befindlichen Brennstoffs unter Gewährleistung einer vorteilhaften Fließgeschwindigkeit des Brennstoffs bzw. der Feststoffe sowie des sich bildenden Rauch-Brenngas-Gemischs durch den Vergasungsreaktor.
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Hierbei ist es einerseits besonders vorteilhaft, wenn die Querschnittsverringerung ungefähr in der Mitte (in Fließrichtung betrachtet) des Oxidationsabschnitts angeordnet ist. Anderseits ist es besonders vorteilhaft, wenn sich bei der Querschnittsverringerung der freie Querschnitt des Oxidationsabschnitts im Verhältnis zum Anfang des Oxidationsabschnitts auf 20% bis 50% reduziert.
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Weiterhin ist es zur Erzielung einer homogenen Oxidation des Brennstoffs im Oxidationsabschnitt bei möglichst homogener Wärmeverteilung vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Luftzufuhröffnungen angeordnet wird. Hierbei sind weiterhin die Luftzufuhröffnungen in vorteilhafter Weise auf zumindest zwei Ebenen, besonders vorteilhaft auf drei Ebenen, zu verteilen. Somit kann eine optimale Umsetzung des Brennstoffs zur Wärmeerzeugung mit nachfolgender Umsetzung des nicht verbrannten Brennstoffs in Brenngas bewirkt werden. Die Aufteilung der Ebenen der Luftzufuhröffnungen erfolgt hierbei weiterhin vorteilhaft in eine erste Ebene am Anfang des Oxidationsabschnitts, eine zweite Ebene im Bereich der Querschnittsverringerung und eine dritte Ebene vor dem Ende des Oxidationsabschnitts. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Luftzufuhröffnungen mittels einer jeweiligen Ventilanordnung je Ebene steuerbar sind. Die im Umfang verteilten Luftzufuhröffnungen je Ebene können weiterhin vorteilhaft durch einen den Oxidationsabschnitt umgebenden Luftversorgungsring verbunden sein, wobei über die Ventilanordnung dem Luftversorgungsring das Sauerstoffgemisch geregelt zugeführt wird.
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Zur Verhinderung einer Überhitzung im Oxidationsabschnitt durch eine zu starke Oxidation des Brennstoffs ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Einströmgeschwindigkeit des Sauerstoffgemisches möglichst gering ist. Hierbei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Luftzufuhröffnungen zumindest einen Querschnitt von 50 mm2 aufweisen, wobei je Ebene zumindest 5, besonders vorteilhaft zumindest 10, Luftzufuhröffnungen mit einem Gesamtquerschnitt von über 500 mm2, besonders vorteilhaft von über 1000 mm2, vorhanden sind. Durch die Vielzahl von Luftzufuhröffnungen mit hinreichendem Querschnitt kann insbesondere sichergestellt werden, dass das zuzuführende Sauerstoffgemisch mit besonders vorteilhafter Strömungsgeschwindigkeit eingeströmt werden kann. Wird hingegen die Anzahl der Luftzufuhröffnungen und/oder deren Querschnitt reduziert, so führt dies in aller Regel zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, welche insbesondere im unmittelbaren Eintritt in den Oxidationsabschnitt zu einer sehr hohen Verbrennungstemperatur führt. Dies wiederum führt jedoch in besonders schädlicher Weise zu einer besonders nachteiligen Schlackenbildung.
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In besonders vorteilhafter Weise wird im Umlenkabschnitt die Fließrichtung des Massenstroms aus Feststoffen und dem Rauch-Brenngas-Gemisch derart umgelenkt, dass sich im Wesentlichen die Fließrichtung umkehrt. Wenn zuvor die Fließrichtung in vorteilhafter Weise im Wesentlichen vertikal nach unten ausgerichtet ist, so wird durch den Umlenkabschnitt bewirkt, dass sich die Fließrichtung im Anschluss an den Umlenkabschnitt, d. h. somit im zweiten Reduktionsabschnitt, annähernd vertikal nach oben erstreckt.
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Aufgrund der Umsetzung des zugeführten Brennstoffs im Eintragsabschnitt wird durch die Oxidation im Oxidationsabschnitt unter Bildung von Rauchgas sowie die fortschreitende Reduktion unter Bildung von Brenngas der Anteil von Feststoffen, d. h. insbesondere des verbleibenden Brennstoffs, entsprechend reduziert, während hingegen der gasförmige Anteil vom Rauch-Brenngas-Gemisch zunimmt. Die Umkehrung der Fließrichtung kommt des Weiteren der sich verändernden Verhältnisse von Feststoffen zum Rauch-Brenngas-Gemisch zugute.
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Bei besonders vorteilhafter Gestaltung des Vergasungsreaktors wird im Umlenkabschnitt am Umlenkteller eine vorteilhafte Umkehrung der Fließrichtung erzielt. Zur Einleitung der Umlenkung der Fließrichtung ist es hierbei vorteilhaft, wenn das Anströmelement im Wesentlichen pyramidenförmig, d. h. beim rotationssymmetrischen ersten Reduktionsabschnitt kegelförmig ausgeführt ist, wobei naheliegend die sich verjüngende Spitze des Anströmelements entgegen der Fließrichtung auszurichten ist. Der freie Querschnitt an der engsten Stelle im ersten Reduktionsabschnitt, welcher sich vorteilhaft an dessen Ende befindet und durch den vom Anströmelement eingenommenen Querschnitt bestimmt wird, beträgt in besonders vorteilhafter Weise 40% bis 80% des freien Querschnitts am Anfang des Oxidationsabschnitts. Bei vorteilhafter Verstellbarkeit des Anströmelements mit Ein- und Ausfahren in/aus dem ersten Reduktionsabschnitt wird aufgrund von dessen pyramidenförmiger bzw. kegelförmiger Gestalt eine Veränderung des freien Querschnitts zwischen 40% und 80% ermöglicht.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Prall- oder Umlenkteller und einem umgebenden Gehäuse ein Spalt vorhanden ist, wobei sich unterhalb des Prall- oder Umlenktellers nicht vom Massenstrom mitgeführte Feststoffe ansammeln können. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen ist ein Ausschleusen der sich ansammelnden Feststoffe im laufenden Prozess aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung nicht zwingend erforderlich, da sich deren Menge erheblich gegenüber bekannten Vergasungsreaktoren verringert.
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Beim Einsatz eines Anströmelements ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn dieses aus einem Wärme speichernden Werkstoff, insbesondere aus Schamotte, hergestellt ist. Somit kann weiterhin durch die Verwendung des Anströmelements eine Stabilisierung des Vergasungsprozesses erzielt werden.
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Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die möglichst vollständige Umsetzung des Brennstoffs in das Rauch-Brenngas-Gemisch bei einem möglichst hohen Anteil an Brenngas. Weiterhin gilt es jedoch ebenso den Anteil an übrig bleibenden Feststoffen, d. h. an nicht oxidiertem und nicht reduziertem Brennstoff und Asche und Schlacke, welche als Rückstände aus dem Vergasungsreaktor auszuschleusen sind, zu minimieren.
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Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn bei einer unzureichenden Umsetzung des Brennstoffs, insbesondere aufgrund unzureichender Temperaturen innerhalb des Reduktionsabschnitts, eine erneute Oxidation des Brennstoffs im Reduktionsabschnitt zur Erhöhung der Temperaturen vorgenommen wird. Dies führt zwar zum einen naheliegend zu der Umsetzung des Brennstoffs in Rauchgas, jedoch wird aufgrund der erzielbaren Temperaturerhöhung eine gesteigerte Umsetzung des Brennstoffs in Brenngas ermöglicht. Wenngleich es Ziel ist, im Reduktionsabschnitt keine Oxidation durchzuführen, so kann dennoch bei Bedarf bei unzureichender Umsetzung des Brennstoffs zeitweise zur Unterstützung bzw. zur Stabilisierung des Prozesses eine Oxidation vorgenommen werden.
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Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn im Bereich des Umlenkabschnitts mindestens eine ventilgesteuerte Lufteinlassöffnung vorgesehen ist. Diese wird in besonders vorteilhafter Weise im Bereich des Prall- und/oder Umlenktellers und/oder des Anströmelements eingesetzt. Durch diese kann bei Bedarf gesteuert ein Sauerstoffgemisch eingeleitet werden. Durch die Zuführung des Sauerstoffgemisches wird eine nachträgliche erneute Oxidation von Brennstoff erzielt, was somit einerseits zur Zerkleinerung des verbleibenden Brennstoffs beiträgt und zum anderen zu einer Temperaturerhöhung und somit zur Steigerung der Reduktion des Brennstoffs in Brenngas führt. Somit führt diese Maßnahme in naheliegender Weise zur weiteren Zersetzung des Brennstoffs und entsprechend ist die Einleitung eines Sauerstoffgemisches in den Reduktionsabschnitt in den Fällen vorteilhaft vorzunehmen, wenn eine unzureichende Zersetzung des Brennstoffs auftritt. Dies kann einerseits in dem Fall vorliegen, wenn die Temperatur im zweiten Reduktionsabschnitt unzureichend ist. Gleichfalls kann bei Feststellung einer unzureichenden Zerkleinerung des Brennstoffs die Zuführung des Sauerstoffgemisches vorgesehen sein.
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Die mittelbare Wärmeübertragung vom Oxidationsabschnitt in den zweiten Reduktionsabschnitt wird in besonders vorteilhafter Weise begünstigt, wenn der zweite Reduktionsabschnitt die Außenwandung des ersten Reduktionsabschnitts und/oder des Oxidationsabschnitts umgreift. Somit umgibt der zweite Reduktionsabschnitt im Wesentlichen ringförmig die Außenwandung des ersten Reduktionsabschnitts und/oder des Oxidationsabschnitts.
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Durch diese besonders vorteilhafte Anordnung des zweiten Reduktionsabschnitts den ersten Reduktionsabschnitt und/oder den Oxidationsabschnitt umgebend wird in besonders vorteilhafter Weise eine mittelbare Wärmeübertragung von Wärmeenergie aus dem Oxidationsabschnitt in den zweiten Reduktionsabschnitt, insbesondere über die gemeinsame Außenwandung von Oxidationsabschnitt und erstem Reduktionsabschnitt als Innenwandung des zweiten Reduktionsabschnitts, ermöglicht.
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Unter Einsatz eines Umlenkabschnitts mit einer näherungsweisen Umkehr der Fließrichtung wird in besonders vorteilhafter Weise im zweiten Reduktionsabschnitt wiederum eine Temperatursteigerung erzielt. Durch die erneute Temperatursteigerung nach zunächst einem Abfall bis in den Umlenkabschnitt kann eine erneute Reduktion des noch nicht umgesetzten Brennstoffs in Brenngas bewirkt werden. Somit wird in besonders vorteilhafter Weise die im Oxidationsabschnitt entstehende Wärme zur Umsetzung des nicht oxidierten Brennstoffs in Brenngas ausgenutzt.
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Zur Realisierung des Vergasungsreaktors unter Berücksichtigung der vorteilhaften Umlenkung der Fließrichtung im Umlenkabschnitt ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Umlenkabschnitt in einem derartigen Gehäuse angeordnet ist, welches neben dem Umlenkabschnitt ebenso zugleich zumindest abschnittsweise die Außenwandung des ersten Reduktionsabschnitts umgreift.
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Hierbei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn das den Umlenkabschnitt umgebende Gehäuse ebenso die Außenwandung des zweiten Reduktionsabschnitts bildet. Hierdurch wird einerseits eine vorteilhafte und einfache Gestaltung des Vergasungsreaktors im Bereich von Umlenkabschnitt und zweitem Reduktionsabschnitt erzielt. Zudem begünstigt das gemeinsame Gehäuse eine homogene Temperaturverteilung im Reduktionsabschnitt.
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Aufgrund des stochastisch ablaufenden Verbrennungs- und Reduktionsprozesses ist es auch bei optimaler Auslegung des Vergasungsreaktors sowie des Vergasungsprozesses nicht auszuschließen, dass am Ende des zweiten Reduktionsabschnitts noch keine vollständige Umsetzung des Brennstoffs stattgefunden hat. Weiterhin sind auch bei einem optimal geregelten Prozess Schlackebildungen sowie Verklumpungen nicht vollständig auszuschließen. Diese verbleibenden Feststoffe sind jedoch für nachfolgende Prozesse bei Mitführung im Rauch-Brenngas-Gemisch von großem Nachteil.
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Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem zweiten Reduktionsabschnitt und dem Austragsabschnitt eine Siebeinrichtung vorgesehen ist. Diese Siebeinrichtung verhindert hierbei einen Durchtritt von größeren Partikeln, so dass lediglich kleine für nachfolgende Prozesse unkritische Partikel passieren können.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei der Einsatz einer oder mehrerer gelochter Siebplatten, welche weiterhin in besonders vorteilhafter Weise leicht wechselbar angeordnet sind. Innerhalb der Siebeinrichtung bzw. der Siebplatte können beispielsweise freie Durchgangsöffnungen mit Durchmessern (oder Spaltbreiten quadratischer bzw. nutförmiger Durchgangsöffnungen) zwischen 5 mm bis 15 mm vorgesehen sein, wobei besonders vorteilhaft Bohrungen mit einem Durchmesser von circa 10 mm sind.
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Besonders vorteilhaft ist der Einsatz einer Siebeinrichtung, wenn diese derart angeordnet ist, dass sich der zweite Reduktionsabschnitt unterhalb und der Austragsabschnitt oberhalb befindet und somit die Fließrichtung des Rauch-Brenngas-Gemischs von unten nach oben durch die Siebeinrichtung gerichtet ist.
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Zunächst einmal bewirkt die Siebeinrichtung ein Zurückhalten von größeren Feststoffen, wobei jedoch weiterhin in besonders vorteilhafter Weise eine Zerkleinerung der im zweiten Reduktionsabschnitt vorhandenen Feststoffe erreicht werden kann. Dies ist Folge von dynamischen Bewegungen der Feststoffe in Anlagerung an die Siebeinrichtung. Indem sich im Laufe des Prozesses zunehmend Feststoffe vor der Siebeinrichtung ansammeln, kommt es zum einen zur Zunahme des Eigengewichts der an der Siebeinrichtung anhaftenden Feststoffe. Weiterhin bewirkt das Anhaften der Feststoffe eine zunehmende Querschnittsverringerung der verleibenden freien Durchgangsöffnungen, so dass eine zunehmende Druckdifferenz zwischen dem Austragabschnitt und dem zweiten Reduktionsabschnitt entsteht.
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Ab einem gewissen Grad der Anhaftungen kommt es zu einem Herabfallen der Feststoffe entgegen der nach oben gerichteten Fließrichtung. Hierdurch erhöht sich der Massenstrom in Fließrichtung, so dass hierdurch die herab fallenden Feststoffe abgebremst und nachfolgend in Fließrichtung gegen die Siebplatte geschleudert werden. Durch diese dynamischen Vorgänge innerhalb des zweiten Reduktionsabschnitts wird vorteilhaft beim Auftreffen auf die Siebeinrichtung die Zerkleinerung der Feststoffe bewirkt.
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Dies führt zum einen zu einer besonders vorteilhaften weiteren Umsetzungsmöglichkeit des noch nicht reduzierten Brennstoffs in Brenngas. Weiterer Vorteil ist die Reduzierung der Größe von Schlacke- und/oder Aschepartikeln, so dass diese für nachfolgende Prozesse leichter zu handhaben sind bzw. unschädlich sind. Im Ergebnis führt dies dazu, dass die im Vergasungsreaktor verbleibende Feststoffmenge, welche als Asche bzw. Schlacke auszuführen ist, erheblich gegenüber sämtlichen bekannten Ausführungsformen von Vergasungsreaktoren aus dem Stand der Technik reduziert werden kann. Dies hat einen erheblichen Vorteil hinsichtlich der erforderlichen Öffnung des Vergasungsreaktors zur Ausschleusung der anfallenden Asche und Schlackepartikel.
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Sofern die dynamischen Vorgänge von Anhaften und Abfallen von der Siebeinrichtung nicht selbstständig hinreichend ablaufen und/oder die Zersetzung der Feststoffpartikel durch Aufschlagen auf die Siebeinrichtung nicht hinreichend wirksam ist, kann in besonders vorteilhafter Weise durch zeitweise Zuführung eines Sauerstoffgemisches in den Umlenkabschnitt eine erneute Verbrennung bewirkt werden, welche weiterhin zur Zerkleinerung der Feststoffe beiträgt.
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Zur Steuerung der Zuführung des Sauerstoffgemischs in den Umlenkabschnitt wird in besonders vorteilhafter Weise die mit der zunehmenden Zusetzung der Siebeinrichtung einhergehende Druckdifferenz zwischen dem Austragsabschnitt und dem zweiten Reduktionsabschnitt eingesetzt, so dass beispielsweise eine selbsttätige Ventilsteuerung ermöglicht werden kann.
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Vorteilhafte Strömungsverhältnisse und insbesondere eine hohe Wirksamkeit der Siebvorrichtung werden erreicht, wenn der freie Querschnitt am Ende des zweiten Reduktionsabschnitts zwischen 200% und 300% des Querschnitts am Anfang des Oxidationsabschnitts beträgt. Naheliegend ist die Flächengröße der Siebeinrichtung geringfügig geringer, wobei die freie Querschnittsfläche der Durchgangsöffnungen in Summe ungefähr mit dem Querschnitt am Anfang des Oxidationsabschnitts übereinstimmt oder leicht darüberliegt.
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Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragung auf den zweiten Reduktionsabschnitt ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Siebeinrichtung mit der Außenwandung des ersten Reduktionsabschnitts und/oder des Oxidationsabschnitts wärmeleitend oder wärmeübertragend verbunden ist. Durch diese vorteilhafte Übertragung von Wärmeenergie auf die Siebeinrichtung und somit den Abschluss des zweiten Reduktionsabschnitts kann in besonders vorteilhafter Weise eine weitestgehend vollständige Umsetzung des Brennstoffs in Brenngas spätestens beim Durchtritt durch die Siebeinrichtung in den Austragsabschnitt bewirkt werden.
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Hierbei ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Siebeinrichtung einstückig mit der Außenwandung ausgeführt ist oder an dieser fest montiert ist. Hinreichend ist vielmehr eine zuverlässige Wärmeübertragung von der Außenwandung auf die Siebeinrichtung. Hinreichend ist vielmehr eine Auflage beispielsweise von Siebplatten auf einen an der Außenwandung vorteilhaft angeschweißten Auflagering. Dies begünstigt in besonders vorteilhafter Weise eine Austauschbarkeit der Siebplatten beispielsweise zur Reinigung der Durchgangsöffnungen.
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Durch die Temperatursteigerung an der Siebeinrichtung wird die Umwandlung des Brennstoffs in Brenngas erneut angeregt und beschleunigt und führt letztendlich zur weitestgehend vollständigen Umsetzung des Brennstoffs in Brenngas. Somit wird die Ausbeute an Brenngas gegenüber üblichen Lösungen von Vergasungsreaktoren deutlich verbessert. Im Ergebnis kann somit einerseits der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden, als auch zudem der anfallende Reststoff innerhalb des Vergasungsreaktors reduziert werden kann, wobei der Reststoff im Vergasungsreaktor im Wesentlichen keinen Brennstoff mehr aufweist, während hingegen ansonsten immer ein gewisser Anteil an unverbranntem Brennstoff ausgeschleust wird, welcher aufwendig zu entsorgen ist.
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Durch die Ergänzung des Vergasungsreaktors um einen zweiten Reduktionsabschnitt in unmittelbarer oder mittelbarer Anordnung zwischen dem ersten Reduktionsabschnitt und dem Austragsabschnitt mit einer Wärmeübertragung vom Oxidationsabschnitt auf den zweiten Reduktionsabschnitt wird eine wesentlich bessere Ausbeute des Brennstoffs zur Gewinnung von Brenngas erzielt. Ein weiterer besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass mit der gesteigerten Umsetzung von Brennstoff in Brenngas zudem die im Vergasungsreaktor auszuscheidenden Feststoffe erheblich reduziert werden können. Insbesondere führt die Ausführungsform dazu, dass die verbleibenden Feststoffe im Wesentlichen keinen brennbaren Anteil mehr besitzen und sich somit einerseits hinsichtlich deren Menge deutlich reduzieren als auch andererseits die weitere Behandlung der auszuschleusenden Reststoffe sich erheblich vereinfacht.
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In den nachfolgenden Figuren wird ein beispielhafter Vergasungsreaktor skizziert.
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Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform eines Vergasungsreaktors;
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2 die Aufteilung des Vergasungsreaktors in einzelne Abschnitte.
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Der Vergasungsreaktor 01 weist insgesamt eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Formgebung auf. Dies vereinfacht sowohl die Herstellung des Vergasungsreaktors 01, als auch ebenso der Massenstrom begünstigt und der Wirkungsgrad vorteilhaft gesteigert werden kann. Die Zuführung des zu vergasenden Brennstoffs erfolgt über eine Brennstoffzufuhr 08, wobei es sich in aller Regel um einen Schneckenförderer handeln wird. Aus dem Brennstoffeinlass 07 der Brennstoffzufuhr 08 wird der Brennstoff zunächst in einen Eintragsabschnitt 06 gefördert. In diesem 06 sammelt sich der Brennstoff entsprechend der zugeführten Menge in unterschiedlicher Höhe, wobei hier weder eine Oxidation noch eine Reduktion stattfindet. Von besonderem Vorteil bei der Durchführung des Verfahrens ist es, wenn nachfolgend des Vergasungsreaktors ein Unterdruck vorliegt, welcher somit einen Luftstrom in entgegengesetzter Richtung durch bzw. in den Eintragsabschnitt im Wesentlichen verhindert.
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An den Eintragsabschnitt 06 schließt sich der Oxidationsabschnitt 11 an, in dem 11 die teilweise Oxidation des Brennstoffs erfolgt, wobei durch die Oxidation die für den Vergasungsprozess erforderlichen Temperaturen gebildet werden. Zum Ermöglichen der Oxidation weist der Oxidationsabschnitt 11 daher mehrere Luftzufuhröffnungen 12a, 12b, 12c auf, über die 12 das Sauerstoffgemisch in den Oxidationsabschnitt 11 eingefördert werden kann. In dieser vorteilhaften Ausführungsform werden drei Ebenen eingesetzt, welche jeweils einen ringförmigen Luftversorgungsring 13a, 13b, 3c aufweisen. Die Zuführung des Sauerstoffgemisches in den jeweiligen Luftversorgungsring 13 ist vorteilhaft über jeweils ein Einlassventil steuerbar, wodurch die Einströmung durch die Luftzufuhröffnungen 12 in den Oxidationsabschnitt 11 je Ebene regelbar wird. Somit kann eine vorteilhafte Beeinflussung des Oxidationsprozesses im Oxidationsabschnitt 11 ermöglicht werden.
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Der Oxidationsabschnitt 11 zusammen mit dem unteren Teil des Eintragsabschnitts 06 sowie dem nachfolgenden ersten Reduktionsabschnitt 22 wird von einer gemeinsamen Außenwandung 16 gebildet, wobei es sich vorteilhaft um einen Stahlzylinder handelt. Darüber hinaus befindet sich sowohl im Oxidationsabschnitt 11 als auch in dem sich unmittelbar anschließenden ersten Reduktionsabschnitt 22 eine wärmespeichernde Auskleidung 17, welche 17 vorteilhaft durch Schamotte gebildet wird. Diese 17 ist hierbei derart geformt, dass sich innerhalb des Oxidationsabschnitts 11 eine Querschnittsverringerung 14 ergibt, wodurch der Massenstrom bei einsetzender Oxidation des Brennstoffs unter Bildung von Rauchgas und einer Abnahme des Anteils an Feststoffen begünstigt wird.
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Im sich am Oxidationsabschnitt 11 unmittelbar im fließenden Übergang anschließenden ersten Reduktionsabschnitt 22 findet eine teilweise Reduktion des Brennstoffs unter Bildung von Brenngas statt. Die hierzu erforderliche Wärme stammt aus der Oxidation im Oxidationsabschnitt 11, wobei durch die nunmehr unterbleibende Oxidation eine allmähliche Abkühlung des Brennstoffs eintritt. Infolge dessen verlangsamt sich die Reduktion des Brennstoffs in Brenngas.
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Weiterhin zu erkennen ist in der Skizze der Umlenkabschnitt 23, in dem 23 der zuvor senkrecht nach unten gerichtete Massenstrom umgelenkt wird. Hierzu wird zunächst einmal ein Umlenkteller 26 eingesetzt, welcher 26 die zuvor nach unten gerichtete Massenströmung zur Seite hin und nachfolgend nach oben hin umlenkt. Aufgrund des rotationssymmetrischen Aufbaus ist es weiterhin vorteilhaft, wenn – wie skizziert – ein Anströmelement 27 in Form einer Pyramide eingesetzt wird, welches 27 zum einen die Aufteilung des Massenstroms ringförmig auf den Umlenkteller 26 begünstigt. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des Anströmelements 27 jedoch, wenn dieses 27 in der Höhe verstellbar ist und somit unterschiedlich weit in den ersten Reduktionsabschnitt 22 eingefahren werden kann. Aufgrund der sich verändernden Querschnittsverhältnisse am Ende des ersten Reduktionsabschnitts 22 wird eine Beeinflussung des Massenstroms und somit des ablaufenden Vergasungsprozesses ermöglicht.
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Im Anschluss an den Umlenkabschnitt 23 als Teil des Reduktionsabschnitts 21 befindet sich der zweite Reduktionsabschnitt 24, in dem die erfindungsgemäß vorgesehene erneute Erwärmung des Brennstoffs erfolgt. Hierbei ist aufgrund der Umlenkung im Umlenkabschnitt 23 die Fließrichtung des Massenstroms aus Brennstoff, dem Rauch-Brenngas-Gemisch sowie einem Rest an Asche und Schlacke nach oben gerichtet. Die erfindungsgemäße mittelbare Wärmeübertragung vom Oxidationsabschnitt 11 auf den zweiten Reduktionsabschnitt 24 erfolgt über die gemeinsame Außenwandung 16 sowie die wärmespeichernde Auskleidung 17, wobei entsprechend der zweite Reduktionsabschnitt 24 ringförmig um die Außenwandung 16 angeordnet ist.
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Der Austrag des entstandenen Rauch-Brenngas-Gemisches erfolgt über den Austragsabschnitt 31, an dem 31 die Auslassöffnung 32 angeordnet ist. Zwischen dem zweiten Reduktionsabschnitt 24 und dem Austragsabschnitt 31 befindet sich eine Siebeinrichtung 33, welche 33 aufgrund einer Vielzahl von kleinformatigen Durchgangsöffnungen lediglich kleinere Partikel passieren können. Somit wird verhindert, dass unverbrannter Brennstoff ebenso wie nachteilige Asche und Schlacke in zu berücksichtigender Größe durch den Austragsabschnitt ausgetragen wird.
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In besonders vorteilhafter Weise ist hierbei die Siebeinrichtung 33 wärmeübertragend mit der Außenwandung 16 verbunden. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass die Siebeinrichtung 33 fest mit der Außenwandung 16 verschweißt oder anderweitig einstückig ausgeführt ist. Vielmehr kann beispielsweise durch eine Auflage von losen Siebplatten auf einem an der Außenwandung 16 angeschweißten Ring die Wärmeübertragung erreicht werden. Durch diesen Wärmeübertrag auf die Siebeinrichtung 33 wird eine erhebliche Steigerung der Temperatur bei einer Wärmeübertragung auf den im zweiten Reduktionsabschnitt befindlichen Brennstoff erzielt.
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In der vorteilhaften Verfahrensdurchführung wird eine Zerkleinerung sämtlicher im zweiten Reduktionsabschnitt 24 verbleibender Feststoffe, d. h. unverbrannter Brennstoff sowie Asche- und Schlackepartikel, erzielt. Hierbei wird bewusst ein zunehmendes Zusetzen der Siebeinrichtung 33 durch entsprechende Feststoffe im laufenden Prozess zugelassen, wobei beim Erreichen eines gewissen Druckgefälles aufgrund des im Verhältnis zum Austragsabschnitt 31 ansteigenden Drucks im zweiten Reduktionsabschnitt 24 entweder aufgrund von dynamischen Druckschwankungen oder insbesondere aufgrund einer Einblasung eines Sauerstoffgemisches in den Reduktionsabschnitt 21 eine Loslösung der Feststoffe von der Siebeinrichtung 33 bewirkt wird.
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Bei Einblasen des Sauerstoffgemisches erfolgt in naheliegender Weise eine erneute Oxidation des unverbrannten Brennstoffs, welche somit unmittelbar zur Verkleinerung des Brennstoffs führt. Weiterhin führt jedoch die erneute Oxidation zu einer erneuten Temperatursteigerung, was somit zur erneuten Steigerung der Umsetzung des unverbrannten Brennstoffs im Brenngas beiträgt. Durch das Lösen der Feststoffe von der Siebeinrichtung 33 fallen diese entgegen der eigentlichen Strömungsrichtung herab, um aufgrund der sodann erneut stärkeren Luftströmung wiederum mitgerissen zu werden. Sodann schlagen die weiterhin unzerkleinerten Feststoffe auf die Siebeinrichtung 33 auf, wodurch diese quasi zerbröselt werden und sich wiederum zerkleinern. Dies begünstigt erneut eine Reduktion des Brennstoffs in Brenngas, wobei die zerkleinerten Schlacke- und Aschepartikel nunmehr die Siebeinrichtung passieren können. Im Ergebnis führt dies dazu, dass weitestgehend keine Rückstände im Vergasungsreaktor 01 verbleiben, die ansonsten aufwendig ausgeschleust werden müssten.
