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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenwasserstoffhaltigem Vergasungsmaterial.
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Aus der
DE 10 2005 026 764 B3 ist ein Verfahren zur Vergasung von Festbrennstoff und ein Festbettvergaser bekannt, der nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Vergasungsmaterial wird von oben zugeführt und von oben mit einem Strahlungsbrenner vorgewärmt. Oxidationsmittel wie Luft oder Dampf wird von unten durch das Koksbett gegen die Brennstoff- bzw. die Vergasungsmaterialfließrichtung zugeführt.
Wenn das Koksbett oder das Vergasungsmaterialbett zu kalt wird, muss man Luft (bzw. Luftsauerstoff) von unten durch das Koksbett zuführen, um über die Oxidation von Kohle und Kohlenwasserstoffen Wärme zu erzeugen. Nachteilig dabei ist, dass es hierdurch zu unkontrollierten Temperaturspitzen, Ascheerweichung und damit zu Schlackebildung sowohl im unteren Koksbett als auch im Vergasungsmaterialbett kommt. Die Schlackeklumpen führen zu einer starken Verringerung der Effizienz des Festbettvergasers, so dass bei zuviel Schlackebildung der Festbettvergaser heruntergefahren werden muss und die Schlacke entfernt werden muss. Diese häufigen Wartungsfälle führen zu langen Stillstandszeiten. Nachteilig ist weiterhin, dass bei Auftreten der Temperaturspitzen bei einer Oxidationsphase Bauteile, wie beispielsweise das Rührwerk übermäßig hohen Temperaturen ausgesetzt werden, so dass diese Bauteile vorzeitig ausfallen und erneuert werden müssen, was ebenso zu Stillstandszeiten und Reparaturkosten führt. Weiterhin ist es nachteilig, dass während der Oxidation im Koksbett nicht reduziert werden kann, was zu ungleichmäßiger bzw. schlechter Produktgasqualität mit einem hohen Anteil an langkettigen Kohlenwasserstoffen sowie Teer führt. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Einrichtungen, die das Produktgas weiter verwenden, stark verschmutzen.
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Weiterhin zeigt die
DE 10 2007 012 452 A1 einen Vergaser bei dem ein Vollstrom, der feste flüssige und gasförmige Materialanteile enthält, ausgehende von einer Pyrolyseeinheit über eine Oxidationseinheit in Richtung einer Reduktionseinheit transportiert wird. Zur Durchführung der Pyrolyse in der Pyrolyseeinheit wird eine externe Wärmequelle, wie Abwärme von einem Kraftwerk oder dergleichen verwendet, wobei das Temperaturniveau relativ niedrig ist. Die Wärme wird dabei hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Vergasungsmaterial eingebracht. Nachteilig daran ist, dass der Pyrolysevorgang nur langsam abläuft und daher die Pyrolysevorrichtung groß dimensioniert werden muss. In der Oxidationseinheit wird zum Transport und zum Oxidieren insbesondere Luft oder Sauerstoff zugeführt. Der Oxidationsvorgang dient der Bereitstellung der notwendigen Energie bzw. Wärme für die nachfolgende Reduktion. Die Einbringung von Luft bzw. Sauerstoff erfolgt sowohl am Eingang der Oxidationseinheit als auch am Ausgang der Oxidationseinheit bzw. am Eingang der Reduktionseinheit, um somit die Temperatur für die Reduktionskammer einstellen zu können. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass sowohl in der Oxidationseinheit also auch am Eingang der Reduktionseinheit das Material direkt in Kontakt mit Luftsauerstoff bzw. Sauerstoff kommt. Hierdurch kommt es zu Temperaturspitzen, die zu Ascheerweichung und zum Verschlacken der Oxidationseinheit und/oder des Reduktionsreaktors führen. Die Temperaturspitzen belasten auch die mechanischen Bauteile der Oxidationseinheit und des Reduktionsreaktors.
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Die WO 2005/ 028 595 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenwasserstoffhaltigem Vergasungsmaterial. Die Vorrichtung hat eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Reduktionskammer, an deren oberen Ende eine Pyrolysekammer angeordnet ist, die sich schräg nach unten erstreckt. Die Pyrolysekammer ist an ihrem Eingang mit einem Schneckenförderer versehen, mit dem Vergasungsmaterial von unten in die Pyrolysekammer gefördert wird. Benachbart zum Eingangsbereich der Pyrolysekammer ist ein Lufteinlass angeordnet, um das Vergasungsmaterial teilweise mit Luftsauerstoff zu verbrennen und dadurch die Pyrolyse zu bewerkstelligt. Im oberen Abschnitt der Reduktionskammer ist ein weiterer Lufteinlass angeordnet, über den Luft eingeblasen wird, um Pyrolysegas zu verbrennen und dadurch die Reduktionskammer zu beheizen.
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Die
DE 88 09 195 U1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus Vergasungsmaterial mit einer im Wesentlichen horizontal angeordneten Pyrolysekammer, in der eine Transportschnecke zum Transportieren des Vergasungsmaterials vom Eingangsbereich zum Ausgangsbereich angeordnet ist. Die Transportschnecke wird von innen über heißes Produktgas beheizt. Die festen Pyrolyseprodukte werden einer Reduktionskammer zugeführt, die über einen Brenner beheizt wird.
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Die
DE 29 27 240 C2 zeigt eine Vorrichtung zum Vergasen von Vergasungsmaterial mit Pyrolyse des Vergasungsmaterials und Cracken der Schwelgase. Die Vorrichtung hat eine im Wesentlichen horizontal angeordnete Pyrolysekammer, die an ihrem Eingangsbereich mit einer Förderschnecke zum Beschicken der Pyrolysekammer mit Vergasungsmaterial versehen ist. Die Pyrolysekammer ist an ihrer Innenwand mit hohlen Einbauten (Längsrippen oder Schaufeln) und an Ihrer Außenwand mit einem Mantel versehen. Die Pyrolysekammer wird über den Mantel und den hohlen Einbauten von außen mittels heißer Abgase beheizt. Am Ausgang der Pyrolysekammer ist die Reduktionskammer angeordnet, die über einen Brenner beheizt wird, bei dem Luft zugeführt wird, um Pyrolysegas zu verbrennen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenwasserstoffhaltigem Vergasungsmaterial zur Verfügung zu stellen, das autonom, sehr betriebsicher und effizient im kontinuierlichen Dauerbetrieb arbeitet, wobei eine hohe Produktgasqualität geliefert wird.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenwasserstoffhaltigem Vergasungsmaterial, hat
- eine Pyrolysekammer zur Pyrolyse des Vergasungsmaterials durch Wärmeeinwirkung auf das Vergasungsmaterial, wobei Kohlenstoff oder Koks und Pyrolysegase gebildet werden,
- eine Reduktionskammer und eine Verbindungsleitung zwischen Pyrolysekammer und Reduktionskammer, wobei Kohlenstoff oder Koks und das Pyrolysegas von der Pyrolysekammer über die Verbindungsleitung in die Reduktionskammer derart transportierbar sind, dass sich die Reduktionskammer mit Kohlenstoff oder Koks anfüllt und das Pyrolysegas durch den Kohlenstoff oder Koks geleitet wird, wobei
- eine Mischeinrichtung (58) in der Pyrolysekammer (3) vorgesehen ist, um das Vergasungsmaterial (23) unter ständiger Durchmischung durch die Pyrolyse-Heizeinrichtung (30) zu erwärmen und vom Einbringungsbereich (20) der Pyrolysekammer (3) zum Ausbringungsbereich (29) der Pyrolysekammer (3) zu transportieren und dabei das Vergasungsmaterial (23) in Pyrolysegas (33) und Kohlenstoff oder Koks (34) umzusetzen, wobei die Mischeinrichtung (58) als ein rotierendes Rührwerk (24) mit Drehwelle (26) und daran angeordneten Rührarmen (27) ausgebildet ist, oder
- die Pyrolysekammer (3) als drehende Trommel mit an der Trommelwand angeordneten, nach innen gerichteten Armen oder Vorsprüngen ausgebildet ist, wobei
- eine Pyrolysegas-Heizeinrichtung zum Einstellen der Temperatur des Pyrolysegases und damit der Temperatur in der Reduktionskammer auf eine geeignete Solltemperatur derart vorgesehen ist, dass der zugeführte Luftsauerstoff oder Sauerstoff nur in einem vorbestimmten Bereich, gesteuert mit Pyrolysegas und/oder Kohlenstoff oder Koks zur Wärmeerzeugung in Kontakt kommt und verbrannt wird, wobei die Schüttung von Vergasungsmaterial in der Pyrolysekammer einschließlich der Schüttung von Koks in der Pyrolysekammer und die Schüttung von Koks in der Reduktionskammer nicht mit Luftsauerstoff oder Sauerstoff in Kontakt kommt,
- und/oder
- eine Pyrolyse-Heizeinrichtung zum Einstellen der Pyrolysetemperatur in der Pyrolysekammer auf eine geeignete Solltemperatur derart vorgesehen ist, dass der zugeführte Luftsauerstoff oder Sauerstoff nur in einem vorbestimmten Bereich, gesteuert mit Pyrolysegas und/oder Kohlenstoff oder Koks zur Wärmeerzeugung in Kontakt kommt und verbrannt wird, wobei die Schüttung von Vergasungsmaterial in der Pyrolysekammer einschließlich der Schüttung von Koks in der Pyrolysekammer nicht mit Luftsauerstoff oder Sauerstoff in Kontakt kommt.
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Dadurch, dass die Temperatur des Pyrolysegases und damit die Temperatur in der Reduktionskammer auf eine geeignete Solltemperatur durch eine separate Pyrolysegas-Heizeinrichtung eingestellt wird, wobei das Vergasungsmaterial oder das Gasgemisch oder der Kohlenstoff oder Koks nur in einem vorbestimmten Bereich, gesteuert mit Sauerstoff oder Luftsauerstoff in Berührung kommt, werden Temperaturspitzen in der Schüttung von Koks in der Reduktionskammer bzw. in dem in der Reduktionskammer befindlichen Koksbett vermieden und somit Ascheerweichung und Schlackebildung in der Schüttung von Koks in der Reduktionskammer bzw. im Koksbett vermieden. Das Verfahren läuft somit sehr betriebsicher ab, wobei eine kontinuierlich gute Produktgasqualität erzeugbar ist.
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Dadurch, dass die Wärme zur Durchführung der Pyrolyse in der Pyrolysekammer zwar unter Verbrennung von Pyrolysegasen mit Luftsauerstoff oder Sauerstoff jedoch derart erfolgt, dass das Vergasungsmaterial oder das Pyrolysegas oder der Kohlenstoff oder Koks nur in einem vorbestimmten Bereich, gesteuert mit Luftsauerstoff oder Sauerstoff in Kontakt kommt, werden Temperaturspitzen in der in der Pyrolysekammer befindlichen Schüttung von Vergasungsmaterial und Koks vermieden und somit Ascheerweichung und Schlackebildung in der in der Pyrolysekammer befindlichen Schüttung von Vergasungsmaterial und Koks vermieden. Das Verfahren läuft somit sehr betriebsicher ab, wobei eine kontinuierlich gute Produktgasqualität erzeugbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Pyrolysegas-Heizeinrichtung als ein Gasbrenner oder als ein Strahlungsbrenner ausgebildet, wobei der Brenner Pyrolysegas aus der Pyrolysekammer mit von außen zugeführter Luft oder Sauerstoff oxidiert. Hierbei werden Oxidationsgase gebildet, die in die Pyrolysekammer und/oder in die Verbindungsleitung und/oder in den Eingangsbereich der Reduktionskammer eingeleitet werden können. Weiterhin ist die Pyrolyse-Heizeinrichtung als ein Strahlungsbrenner ausgebildet, wobei dieser Strahlungsbrenner Pyrolysegas aus der Pyrolysekammer mit von außen zugeführter Luft oder Sauerstoff oxidiert. Hierbei werden Oxidationsgase gebildet, die in die Pyrolysekammer und/oder in die Verbindungsleitung und/oder in den Einbringungsbereich der Reduktionskammer eingeleitet werden können. Durch die Verwendung von einem Strahlungsbrenner bei der Pyrolyse-Heizeinrichtung wird die Wärme in die Schüttung von Vergasungsmaterial und sich bildendem Koks über Strahlung eingeleitet, was den Vorteil hat, dass das zu erwärmende Vergasungsmaterial oder Kohlenstoff oder Koks nicht mit Sauerstoff oder Luftsauerstoff oder einer Flamme, die Restsauerstoff enthalten kann, in Berührung kommt, wie dies beim direkten Oxidieren mittels direkter Zufuhr von Luft oder Sauerstoff in das Vergasungsmaterial oder in den Koks der Fall wäre. Somit wird eine partielle Überhitzung und eine Ascheerweichung und Schlackebildung in der in der Pyrolysekammer befindlichen Schüttung von Vergasungsmaterial und Koks vermieden.
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Durch die Verwendung von einem Gasbrenner oder einem Strahlungsbrenner bei der Pyrolysegas-Heizeinrichtung wird das Pyrolysegas aufgeheizt, das dann weiter in die Reduktionskammer strömt und dort die Schüttung von Koks über den Strom von heißem Pyrolysegas auf die Solltemperatur aufheizt, wo der in der Reduktionskammer befindliche Kohlenstoff oder Koks nicht mit Sauerstoff oder Luftsauerstoff oder einer Flamme in Berührung kommt, wie dies beim direkten Oxidieren mittels direkter Zufuhr von Luft oder Sauerstoff die in der Reduktionskammer befindlichen Koksschüttung der Fall wäre. Somit wird eine partielle Überhitzung und eine Ascheerweichung und Schlackebildung in der in der Reduktionskammer befindlichen Schüttung von Koks vermieden.
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Die bei den Strahlungsbrennern oder Gasbrennern erzeugten Oxidationsgase enthalten keinen freien Sauerstoff mehr, da in den Brennern der Pyrolyse-Heizeinrichtung und der Pyrolysegas-Heizeinrichtung eine vollständige Umsetzung des von außen zugeführten Sauerstoffs erfolgt. Das bei den Brennern erzeugte Oxidationsgas kann daher direkt in die Pyrolysekammer abgegeben werden, ohne dass die Gefahr einer Nachoxidation besteht. Beim Durchlaufen der Reduktionskammer wird dieses Oxidationsgasgas wieder reduziert.
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In einer bevorzugten Ausführung hat die Pyrolysekammer einen Ausbringungsbereich für Pyrolysegas und Kohlenstoff oder Koks und die Reduktionskammer einen Einbringungsbereich für Pyrolysegas und Kohlenstoff oder Koks, wobei die Verbindungsleitung den Ausbringungsbereich der Pyrolysekammer mit dem Einbringungsbereich der Reduktionskammer verbindet. Die Pyrolysegas-Heizeinrichtung ist am Ausbringungsbereich der Pyrolysekammer und/oder an der Verbindungsleitung zwischen Pyrolysekammer und Reduktionskammer und/oder am Einbringungsbereich der Reduktionskammer angeordnet, wobei die Oxidationsgase der Pyrolyse-Heizeinrichtung und/oder der Pyrolysegas-Heizeinrichtung stromauf der Pyrolysegas-Heizeinrichtung in den Pyrolysegasstrom eingeleitet werden, so dass sich die Oxidationsgase mit den Pyrolysegasen vermischen und ein Gasgemisch ausbilden und das Gasgemisch durch die Pyrolysegas-Heizeinrichtung auf die Solltemperatur geheizt und das Gasgemisch durch den in der Reduktionskammer befindlichen Kohlenstoff oder Koks geführt wird, wobei Oxidationsgase Reduziert werden und langkettige Kohlenwasserstoffe des Pyrolysegases gekrackt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Pyrolyse-Heizeinrichtung in der Pyrolysekammer angeordnet. Der Einbringungsbereich für Vergasungsmaterial und der Ausbringungsbereich für Pyrolysegas und Kohlenstoff oder Koks sind innerhalb der Pyrolysekammer horizontal voneinander beabstandet. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Mischeinrichtung in der Pyrolysekammer vorgesehen, um das Vergasungsmaterial unter ständiger Durchmischung durch die Pyrolyse-Heizeinrichtung zu erwärmen und vom Einbringungsbereich der Pyrolysekammer zum Ausbringungsbereich der Pyrolysekammer zu transportieren und dabei das Vergasungsmaterial in Pyrolysegas und Kohlenstoff oder Koks umzusetzen.
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In einer bevorzugten Ausführung ist eine Zünd-Heizeinrichtung zum Starten und Hochfahren des Pyrolyseprozesses in der Pyrolysekammer vorgesehen. Die Zünd-Heizeinrichtung ist bevorzugt als Gasbrenner oder als Strahlungsbrenner ausgebildet, in dem Luftsauerstoff und Pyrolysegase oder andere Brennstoffe oxidiert werden, um Wärme zum Starten der Pyrolyse zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß ist die Mischeinrichtung als ein rotierendes Rührwerk mit Drehwelle und daran angeordneten Rührarmen ausgebildet. Die Mischeinrichtung kann auch als eine in der Pyrolysekammer angeordnete, sich drehende Trommel mit an der Trommelwand angeordneten, nach innen gerichteten Armen oder Vorsprüngen ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführung ist eine Reinigungseinrichtung zum Reinigen des Produktgases im Ausbringungsbereich der Reduktionskammer vorgesehen. Die Reinigungseinrichtung ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführung ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen des Produktgases vorgesehen, der durch Luft gekühlt wird. Beim Durchströmen der Luft durch den Wärmetauscher erwärmt sich die Luft, die nun vorteilhaft als vorgewärmte Luft der Pyrolyse-Heizeinrichtung und/oder der Pyrolysegas-Heizeinrichtung als Verbrennungsluft zugeführt werden kann.
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Das Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenwasserstoffhaltigem Vergasungsmaterial, hat die Schritte:
- - Pyrolyse des Vergasungsmaterials in einer Pyrolysekammer durch Wärmeeinwirkung auf das Vergasungsmaterial, wobei Kohlenstoff oder Koks und Pyrolysegase gebildet werden;
- - Transportieren des Kohlenstoffs oder Koks und des Gasgemischs in eine Reduktionskammer über eine Verbindungsleitung zwischen Pyrolysekammer und Reduktionskammer derart, dass die Reduktionskammer sich mit Kohlenstoff oder Koks anfüllt und das Pyrolysegas durch den Kohlenstoff oder Koks geführt wird, und
- - Einstellen der Temperatur des Pyrolysegases und damit der Temperatur in der Reduktionskammer auf eine geeignete Solltemperatur durch eine separate Pyrolyse-Heizeinrichtung derart, dass der zugeführte Luftsauerstoff oder Sauerstoff nur in einem vorbestimmten Bereich, gesteuert mit Pyrolysegas und/oder Kohlenstoff oder Koks zur Wärmeerzeugung in Kontakt kommt und verbrannt wird, wobei die Schüttung von Vergasungsmaterial in der Pyrolysekammer einschließlich der Schüttung von Koks in der Pyrolysekammer und die Schüttung von Koks in der Reduktionskammer nicht mit Luftsauerstoff oder Sauerstoff in Kontakt kommt, und/oder
- - Einstellen der Pyrolysetemperatur in der Pyrolysekammer auf eine geeignete Solltemperatur durch eine Pyrolyse-Heizeinrichtung derart, dass der zugeführte Luftsauerstoff oder Sauerstoff nur in einem vorbestimmten Bereich, gesteuert mit Pyrolysegas und/oder Kohlenstoff oder Koks zur Wärmeerzeugung in Kontakt kommt und verbrannt wird, wobei die Schüttung von Vergasungsmaterial in der Pyrolysekammer einschließlich der Schüttung von Koks in der Pyrolysekammer nicht mit Luftsauerstoff oder Sauerstoff in Kontakt kommt.
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Vorteilhafterweise laufen die Schritte des Verfahrens als kontinuierlicher Vorgang oder unter kontinuierlicher Zufuhr kleiner Einheiten (Chargen) ab.
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Die Erfindung wird nachstehend in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenwasserstoffhaltigem Vergasungsmaterial.
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Gemäß 1 hat die Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Produktgas 2 aus kohlenwasserstoffhaltigem Material bzw. Vergasungsmaterial 23 eine Pyrolysekammer 3, die über eine Verbindungsleitung 4 mit einer Reduktionskammer 5 verbunden ist. In der Reduktionskammer 5 ist eine Reinigungseinrichtung 6 für das Produktgas 2 in Form eines Zyklons 7 angeordnet. Das Produktgas 2 wird über eine Produktgasleitung 8 aus der Reinigungseinrichtung 6 ausgeleitet und durch einen Wärmetauscher 9 geleitet, der mit Luft 10 gekühlt wird. Die sich im Wärmetauscher 9 erwärmende, das Produktgas 2 abkühlende Luft 10 dient als vorgewärmte Luft 10 für Verbrennungsvorgänge in der Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Produktgas 2.
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Die Pyrolysekammer 3 ist als horizontal angeordneter Zylinder 11 mit einer ersten Stirnwand 12 und einer zweiten Stirnwand 13 und einer Mantelwand 14 ausgebildet, der von einem druckresistenten Kessel 15 umgeben ist. An einem oberen Abschnitt der Mantelfläche 14 ist eine Abgasleitung 16 angeordnet, die über ein Abgasventil 17 geöffnet und geschlossen werden kann. An der ersten Stirnwand 12 des Zylinders 11 ist eine in Form eines Schneckenförderers 19 ausgebildete Fördereinrichtung 18 angeordnet und definiert einen Einbringungsbereich 20 in die als Zylinder 11 ausgebildete Pyrolysekammer 3. Stromauf ist an der Fördereinrichtung 18 eine als Zellenschleuse 22 ausgebildete Schleuse 21 angeordnet, über die in den Zylinder 11 bzw. die Pyrolysekammer 3 Vergasungsmaterial 23 kontinuierlich bzw. in kleinen durch die Größe der Zellen der Schleuse 21 vorgegebenen Chargen zugeführt werden kann.
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Im Zylinder 11 ist eine Mischeinrichtung 58 in Form eines Rührwerks 24 zum Durchmischen des Vergasungsmaterials 23 angeordnet. Das Rührwerk 24 hat eine horizontal, bevorzugt konzentrisch zur Mittelachse 25 des Zylinders 11 angeordnete Drehwelle 26 von der sich radial eine Vielzahl von Rührarmen 27erstecken. Die Rührarme 27 können mit angestellten Schaufeln versehen sein, um das im Zylinder 11 befindliche Vergasungsmaterial 23 von der ersten Stirnwand 12 des Zylinders 11 in Richtung zur zweiten Stirnwand 13 des Zylinders 11 zu transportieren.
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An der zweiten Stirnwand 13 oder benachbart zur zweiten Stirnwand 13 des Zylinders 11 ist eine Öffnung 28 an der unteren Mantelwand 14 des liegenden Zylinders 11 ausgebildet, die einen Ausbringungsbereich 29 definiert. An der Öffnung 28 ist die Verbindungsleitung 4 zur Reduktionskammer 5 angeordnet. Benachbart zur zweiten Stirnwand 13 des Zylinders 11 ist eine als Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 ausgebildete Pyrolyse-Heizeinrichtung 30 derart angeordnet, dass die mit dem Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 erzeugte Wärme auf die vom Einbringungsbereich 20 zum Ausbringungsbereich 29 hin abfallende Schüttung 32 von Vergasungsmaterial 23 gerichtet ist. Durch das ständige Rühren durch das Rührwerk 24 wird das Vergasungsmaterial 23 gleichmäßig durchwärmt, so dass das Vergasungsmaterial 23 auf dem Weg vom Einbringungsbereich 20 zum Ausbringungsbereich 29 vergast bzw. pyrolysiert wird, wobei Pyrolysegase 33 und Koks 34 oder Kohlenstoff gebildet werden. Der Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 wird mit extern zugeführter, aus dem Wärmetauscher 9 stammender, vorgewärmter Luft und mit Pyrolysegas 33, das der Pyrolysekammer 3 entnommen wird, betrieben. Die hierbei entstehenden Oxidationsgase enthalten keinen Sauerstoff mehr und werden in die Pyrolysekammer 3 abgegeben und vermischen sich mit Pyrolysegas 33.
In der Pyrolysekammer 3 ist an einem mittleren abschnitt ein Temperaturfühler 35, der die Temperatur im inneren der Schüttung 32 des Vergasungsmaterials 23 erfasst.
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Benachbart zur zweiten Stirnwand 13 des Zylinders 11 bzw. zum Ausbringungsbereich 29 ist eine Zünd-Heizeinrichtung 36 in Form eines Zünd-Gasbrenners 37 angeordnet, der zum Starten und Hochfahren der Pyrolyse in der Pyrolysekammer 3 dient und auf die abfallende Schüttung 32 von Vergasungsmaterial 23 gerichtet ist. Die Zünd-Heizeinrichtung 36 kann auch als Strahlungsbrenner ausgebildet sein. Während der Hochlaufphase der Vorrichtung 1 zum Vergasen von kohlenwasserstoffhaltigem Material bzw. Vergasungsmaterial 23 wird der Zünd-Gasbrenner 37 bzw. die Zünd-Heizeinrichtung 36 mit externem Brennmaterial, bevorzug gasförmige oder flüssige Brennstoffe und mit (vorgewärmter) Luft (bevorzugt aus dem Wärmetauscher 9) versorgt, bis sich über die beginnenden Pyrolyse Pyrolysegase 33 bilden. Sobald sich genügend Pyrolysegas 33 in der Pyrolysekammer 3 bildet, kann der Zünd-Gasbrenner 37 mit Pyrolysegas 33 betrieben werden, das der Pyrolysekammer 3 entnommen wird. Das beim Zünd-Gasbrenner 37 entstehende Oxidationsgas enthält keinen Sauerstoff mehr und kann daher in die Pyrolysekammer 3 abgegeben werden und vermischt sich mit dem Pyrolysegas 33.
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Der Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 und auch bei Bedarf der Zünd-Gasbrenner 37 werden in Abhängigkeit der durch den Temperaturfühler 35 erfassten Temperatur des Vergasungsmaterials 23 derart gesteuert, dass das Vergasungsmaterial 23 permanent auf einer Vergasungstemperatur von bevorzugt 500 bis 600°C und die Pyrolysekammer 3 auf 750 - 850°C gehalten werden kann.
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Benachbart bzw. über dem Ausbringungsbereich 29 bzw. der Öffnung 28 ist eine Pyrolysegas -Heizeinrichtung 38 in Form eines Pyrolysegas-Gasbrenners 39 angeordnet, der die Gase insbesondere Pyrolysegas und Oxidationsgase aus den Brennern der Pyrolysekammer 3 und das sich gebildete Koks bzw. Kohlenstoff auf eine geeignete Solltemperatur von bevorzugt 800-1000°C erwärmt bevor das Gemisch aus Gasen (wie Pyrolysegas und Oxidationsgase) und Koks und Kohlenstoff über die Verbindungsleitung 4 durch pneumatischen, in der Pyrolysekammer 3 sich ausbildenden Überdruck gefördert wird. Die Pyrolysegas-Heizeinrichtung 38 heizt somit über die in die Reduktionskammer 5 geförderten Materialien die Reduktionskammer 5 auf die vorbestimmte Solltemperatur für die in der Reduktionskammer 5 ablaufenden Prozesse auf. Um die Temperatur in der Reduktionskammer 5 einzustellen, ist die Reduktionskammer 5 mit einem Temperaturfühler 40 versehen, wobei die Leistung des Pyrolysegas-Gasbrenners 39 in Abhängigkeit der vom Temperaturfühler 40 erfassten Temperatur gesteuert wird. Die Oxidationsgase des Pyrolysegas-Gasbrenners 39 enthalten keinen unverbrannten Sauerstoff mehr, daher können die Oxidationsgase des Pyrolysegas-Gasbrenners 39 in die Pyrolysekammer 3 abgegeben werden, so dass sie sich mit Pyrolysegas 33 vermischen und ein Gasgemisch ausbilden.
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Der Pyrolysegas-Gasbrenner 40 kann anstatt benachbart zur Öffnung 28 auch in der Verbindungsleitung 4 oder im Einbringungsbereich 41 der Reduktionskammer 5 angeordnet sein. Die Oxidationsgase des Pyrolysegas-Gasbrenners 39 und auch bevorzugt des Zünd-Gasbrenners 37 und des Pyrolyse-Strahlungsbrenners 31 werden vorteilhaft stromauf der Pyrolysegas-Heizeinrichtung 38 in den Pyrolysegasstrom eingeleitet, da dann das so entstehende Gasgemisch zusammen mit dem Pyrolysekoks und dem Pyrolysegas mit lediglich einem, nämlich dem Pyrolysegas-Gasbrenner 39 auf Solltemperatur geheizt werden.
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Die Reduktionskammer 5 ist als ein vertikal angeordneter Zylinder 42 mit einer unteren Stirnwand 43 und einer oberen Stirnwand 44 und einer Mantelwand 45ausgebildet. Der untere Abschnitt des Zylinders 42 ist kegelförmig nach unten hin sich verjüngend ausgebildet. Die Verbindungsleitung 4 ist in einem mittigen Abschnitt der unteren Stirnwand 43 angeordnet und definiert somit den Einbringungsbereich 41 der Reduktionskammer 5. Der als Reinigungseinrichtung 6 für Produktgas 2 dienende Zyklon 7 ist zentral im oberen Abschnitt der Reduktionskammer 5 angeordnet. Die Reduktionskammer 5 ist mit einem äußeren Druckkessel 46 umgeben. Am oberen Abschnitt des äußeren Druckkessels 46 der Reduktionskammer 5 ist eine Betätigungseinrichtung bevorzugt in Form eines Druckluftzylinders 47 angeordnet. Im mittleren unteren Abschnitt des Zyklons 7 ist ein Ventil 48 vorgesehen, das das untere Rohr des Zyklons 7 durch Aktivieren des Druckluftzylinders öffnen und schließen kann. Immer wenn sich im unteren Abschnitt des Zyklons 7 genügend Koks 34 abgeschieden hat, wir das Ventil 48 geöffnet und der abgeschiedene Koks 34 wird wieder in die Reduktionskammer 5 zurückgeführt.
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Der Zyklon 7 ist bevorzugt in einem Ausbringungsbereich 59 innerhalb der Reduktionskammer 5 angeordnet, weil dann die abgeschiedenen Koks - Partikel gleich wieder in die Reduktionskammer 5 zurück fallen. Der Zyklon 7 bzw. die Reinigungseinrichtung 6 kann jedoch auch außerhalb der Reduktionskammer 5 angeordnet werden.
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Der Wärmetauscher 9 hat einen Produktgaseinlass 49, einen Produktgasauslass 50 einen Lufteinlass 51 und einen Luftauslass 52. Der Wärmetauscher 9 arbeitet nach dem Gegenstromprinzip. Stromauf des Lufteinlasses 51 ist in einer Luftleitung 53 eine Luftfördereinrichtung 54 angeordnet. Die Luft wird über die Luftleitung 53 und über ein Zündluftventil 55 dem Zünd-Gasbrenner 37 und über ein Pyrolysegasluftventil 56 dem Pyrolysegas-Gasbrenner 39 und über ein Pyrolyseluftventil 57 dem Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 zugeführt.
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Die Verbrennung von Luft mit Pyrolysegas erfolgt im Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31, im Pyrolysegas-Gasbrenner 39 und im Zünd-Gasbrenner 37 nur innerhalb des jeweiligen Brenners bei Brennstoffüberschuß, so dass kein freier Sauerstoff oder Luftsauerstoff den jeweiligen Brenner verlässt. Abgas bzw. Oxidationsgase aus den Brennern 31, 39, 37 enthalten keinen Sauerstoff mehr und werden in die Pyrolysekammer 3 geleitet. Die Wärmeübertragung des Pyrolyse-Strahlungsbrenners 31 zur in der Pyrolysekammer befindlichen Schüttung von Vergasungsmaterial 23 erfolgt über Strahlung, was den Vorteil hat, dass das Vergasungsmaterial 23 nicht mit einer Flammen in Berührung kommt, sondern gleichmäßig an der Oberfläche durch Wärmestrahlung erwärmt wird. Das Rührwerk 24 sorgt dabei dafür, dass die Schüttung von Vergasungsmaterial 23 gleichmäßig durchwärmt wird und die Pyrolyse in der gesamten Schüttung von Vergasungsmaterial 23 erfolgt. Bei dieser Methode zum Erwärmen des Vergasungsmaterials 23 wird vermieden, dass Luft oder Sauerstoff durch die Schüttung des Vergasungsmaterials geleitet wird, so dass Temperaturspitzen und damit Schlackebildung in der Schüttung von Vergasungsmaterial 23 eliminiert sind. Da es keine Temperaturspitzen gibt, werden auch die mechanischen Bauteile der Pyrolysekammer geschont und haben somit eine lange Lebensdauer und lange Wartungsintervalle.
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Der Pyrolysegas-Gasbrenner 39 heizt das sich in der Pyrolysekammer gebildete Pyrolysegas auf, das sich mit Oxidationsgas insbesondere aus den Brennern 31 und 39 vermischt hat. In dem Gasgemisch aus Pyrolysegas 33 und Oxidationsgas schweben auch Kohlenstoff oder Koksteilchen 34. Das Gasgemisch mit darin schwebenden Koks 34 strömt durch Überdruck in die Reduktionskammer 5, so dass die Reduktionskammer über einen Wärmemassenstrom beheizt wird und dass sich eine Schüttung von Koks 34 im unteren Abschnitt der Reduktionskammer 5 bildet. Somit wird vermieden, dass die Schüttung aus Koks in der Reduktionskammer über direkte Einleitung von Luft oder Sauerstoff in die Schüttung von Koks 34 beheizt werden muss, was zur Vermeidung von Temperaturspitzen in der Schüttung von Koks 34 und damit Schlackebildung in der Reduktionskammer führt. Durch die Vermeidung von Temperaturspitzen werden auch die mechanischen Bauteile geschont, was eine lange Lebensdauer der Bauteile und lange Wartungsinterwalle bedingt.
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Die Inbetriebnahme und das Hochfahren der Vorrichtung zum Vergasen von kohlenwasserstoffhaltigen Vergasungsmaterial erfolgt, wie nachstehend erläutert.
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Über die Schleuse 21 und die Fördereinrichtung 18 wird die Pyrolysekammer 3 über den Einbringungsbereich 20 mit Vergasungsmaterial 23 befüllt, bis eine schräge Schüttung 32 von Vergasungsmaterial 23, die ausgehend vom Einbringungsbereich 20 hin zum Ausbringungsbereich 29 schräg abfällt, innerhalb der Pyrolysekammer 3 ausgebildet ist. Als Vergasungsmaterial 23 werden kohlenwasserstoffhaltige Feststoffe wie Holz, bevorzugt in Form von Hackschnitzel, Pellet, Hobelspäne oder dergleichen oder auch Autoreifenschnitzel oder anderes Biomaterial, wie gehäckseltes Stroh, Gras, Elefantengras usw. verwendet.
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Unter Verwendung von extern zugeführtem gasförmigem oder flüssigem Brennmaterial und über das Zündluftventil 55 zugeführte Luft wird der Zünd-Strahlungsbrenner 37 in Gang gesetzt. Wenn sich genügend Pyrolysegas 33 gebildet hat, wird auch der Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 gestartet, der mit Luft über das Pyrolyseluftventil 57 versorgt wird, und der sich aus der Pyrolysekammer 3 Pyrolysegas entnimmt. Ebenso wird der Pyrolysegas-Strahlungsbrenner 39 in Betrieb gesetzt, der sich Pyrolysegas aus der Pyrolysekammer 3 entnimmt und mit Luft über das Pyrolysegasluftventil 56 versorgt wird. Da beim Hochfahren zuviel Oxidationsgas durch die drei Brenner 31, 37 und 39 gebildet wird, kann das Rauchgas über das Abgasventil 17 und über die Abgasleitung 16 abgeführt werden, bis sich ein Gleichgewicht und ein kontinuierlicher Prozess eingestellt hat. Das Abgasventil 17 ist bei normalem Betrieb geschlossen. Über sich in der Pyrolysekammer 3 bildenden Überdruck werden die Produkte der Pyrolyse, wie Pyrolysegas 33 und Koks 34 oder Kohlenstoff zusammen mit dem Oxidationsgas aus den Brennern 31, 37 und 39 über die Verbindungsleitung 4 in die Reduktionskammer 5 gefördert und die Reduktionskammer 5 füllt sich von unten mit Koks 34 oder Kohlenstoff an. Dieser Koks 34 wird nun von Pyrolysegas und Oxidationsgas durchströmt. Beim Durchströmen von Pyrolysegas und Oxidationsgas durch den Koks 34 wird das Oxidationsgas reduziert, wobei sich Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan bildet und es werden die Pyrolysegase gekrackt, so dass langkettigen Kohlenwasserstoffen in kurzkettige Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden.
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Im Hochgefahren Zustand ist der Prozess bzw. das Verfahren zum Vergasen oder Pyrolysieren von Vergasungsmaterial 23 in Gleichgewicht und das Abgasventil 17 ist geschlossen. Das Vergasungsmaterial 23 wird kontinuierlich bzw. in den kleinen Chargen über die Schleuse 21 und über die Fördereinrichtung 18 zugeführt. Unter Einwirkung der Strahlungswärme aus dem Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 wird das Vergasungsmaterial 23 unter ständigem Rühren des Rührwerks 24 auf der Pyrolysetemperatur von bevorzugt 500°C bis 600°C gehalten. Diese Pyrolysetemperatur wird eingestellt, indem die Leistung des Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 und bei Bedarf auch der Zünd-Strahlungsbrenner 37 in Abhängigkeit von der durch den Temperaturfühler 35 für Vergasungsmaterial erfassten Temperatur des Vergasungsmaterials 23 geregelt wird.
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Bei der Pyrolyse des Vergasungsmaterials 23 entsteht Pyrolysegas 33, das vor allem Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoff, Methanol, Wasserdampf und auch Kohlendioxid enthält. Pyrolysegas 33 und Koks 34 zusammen mit den Oxidationsgasen aus dem Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31, dem Zünd-Strahlungsbrenner 37 und dem Pyrolysegas-Strahlungsbrenner 39 werden über die Verbindungsleitung 4 mittels in die Reduktionskammer herrschendem pneumatischem Überdruck in die Reduktionskammer 5 geleitet. Der Pyrolysegas-Strahlungsbrenner 39, der am Ausbringungsbereich 29 bzw. über der Öffnung 28 zur Verbindungsleitung 4 angeordnet ist, heizt das Pyrolysegas 33, den Koks 34 oder Kohlenstoff und die Oxidationsgase aus den Strahlungsbrennern 31, 37 und 39 auf die Solltemperatur von bevorzugt 800°C bis 1000°C für die Prozesse in der Reduktionskammer 5 in Abhängigkeit der durch den Temperaturfühler 40 erfassten Temperatur der Reduktionskammer 5 auf. Die Reduktionskammer 5 füllt sich dabei bis zu einem vorbestimmten Niveau mit Koks 34 oder Kohlenstoff auf, der zum Reduzieren von Oxidationsgasen und zum Kracken von langkettigen in kurzkettige Kohlenwasserstoffe dient. Beim Reduzieren von Oxidationsgasen entstehen aus Kohlendioxid, Wasser oder Wasserdampf und glühendem Kohlenstoff insbesondere die Produkte Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan. Diese Stoffe bilden zusammen mit den gekrackten kurzkettigen Kohlenwasserstoffen im Wesentlichen das Produktgas 2.
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Indem in der Vorrichtung 1 insbesondere in der Pyrolysekammer 3 das Vergasungsmaterial 23 nicht dadurch beheizt wird, dass in das Vergasungsmaterial 23 direkt Sauerstoff oder Luft eingeleitet wird und es so zur Teilverbrennung des Vergasungsmaterials 23 kommt, sondern, dass das Vergasungsmaterial 23 unter ständiger Vermischung über den Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31 ausschließlich indirekt, bevorzugt über Strahlungswärme beheizt wird, kommt es nicht zu Temperaturspitzen im Vergasungsmaterial 23 und damit nicht zur Ascherweichung und zur Schlackebildung. Das gleich trifft für die Reduktionskammer 5 zu. Indem in der Vorrichtung 1 insbesondere in der Reduktionskammer 5 das Material wie Koks 34 oder Kohlenstoff und das Pyrolysegas 33 nicht dadurch beheizt wird, dass in dieses Material direkt Sauerstoff oder Luft eingeleitet wird und es so zur Teilverbrennung von Pyrolysegas und Kohlenstoff kommt, sondern, dass der Kohlenstoff und das Pyrolysegas zusammen mit den Oxidationsgasen (nämlich Kohlendioxid und Wasserdampf) aus dem Pyrolyse-Strahlungsbrenner 31, dem Pyrolysegas-Gasbrenner 39 und dem Zünd-Gasbrenner 37 ausschließlich über indirekte Beheizung durch die Beheizung des Stroms aus Pyrolysegas und Oxidationsgas (Gasgemisch) durch den Pyrolysegas-Gasbrenner 39 beheizt werden, kommt es nicht zu Temperaturspitzen im Koksbett und damit nicht zur Ascherweichung und zur Schlackebildung. Die Beheizung von Vergasungsmaterial, Pyrolysegas, Koks oder Kohlenstoff und Oxidationsgase erfolgt immer dadurch dass das Material indirekt beheizt wird und nie direkt mit Sauerstoff in Kontakt kommt.
