DE102015215143A1

DE102015215143A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schwachgaserzeugung durch thermochemische vollständige oder partielle Oxydation fester Biomasse

Info

Publication number: DE102015215143A1
Application number: DE102015215143.3A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Bendix; Ralf Goldschmidt; Gerd Pfeiffer
Original assignee: HOCHSCHULE MERSEBURG; SCHWARZWALD BIOENERGIE TECHNIK GmbH
Current assignee: HOCHSCHULE MERSEBURG; SCHWARZWALD BIOENERGIE TECHNIK GmbH
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-08
Also published as: DE102015215143B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwachgaserzeugung durch thermochemische vollständige oder partielle Oxydation fester Biomasse. Die Verfahrensschritte sind dazu die Zerkleinerung und Trocknung von Biomasse, die thermochemische vollständige oder partielle Oxydation der zerkleinerten und getrockneten festen Biomasse und die Rohgasaufbereitung mittels Heißgasfilter und Quencheinrichtung. Zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation mittels eines Hochtemperaturreaktors – mit einem Pyrolysespeicher 3 für Pyrolysematerial mit in den Reaktorraum reichenden, unten offenen Pyrolyserohren 5, an deren Ende ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech angeordnet ist, – mit einer unter dem Zentralluftleitblech 6 befindlichen Oxidationszone 10, – mit einer im wandnahen Bereich des Reaktors befindlichen Glutbettzone,– mit im Außenbereich des Austritts der Pyrolyserohre im Reaktorraum angeordneten Glutbettluftdüsen 8,– mit einem Rohgasabgang 9 am Reaktorkopf, – mit einem Ascheausbrand 13 mit einer Ascheausbrandluftzufuhr 4, mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus der Biomassetrocknung und der Rohgasaufbereitung und mit einem Ascheaustrag 14, werden zerkleinerte, getrocknete Biomasse über den Pyrolysespeicher und die Pyrolyserohre durch Schwerkraft in die Oxidationszone eingetragen und mittels, über eine Zentralluftdüse eingedüste, vorgewärmte Luft oxidiert und Reaktionsprodukte in die Glutbettzone überführt. Über die Glutbettdüsen eingedüste Luft wird das Glutbett zyklisch als Festbett oder als Wirbelschicht betrieben, wobei in der Wirbelschichtphase über die Glutbettdüsen so viel Luft eingedüst wird, dass Vergasungsstoffe und -mittel in den Reaktionsraum oberhalb des Zentralluftleitbleches zur Ausbildung einer Wirbelschicht überführt werden. In der Wirbelschichtphase ist die Luftzufuhr über die Zentralluftdüse gegenüber der Luftzufuhr über die Glutbettluftdüsen reduziert. Durch in die Wirbelschicht gelangende Vergasungsstoffe und sich ausbildende Rohgase wird Wärme zur Einleitung der Pyrolyse der zerkleinerten, getrockneten Biomasse im Pyrolysespeicher und in den Pyrolyserohren abgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung eines Schwachgases aus Bioenergieträgern, welches beispielsweise zur Erzeugung von Wärme und Elektroenergie in einem Motor eingesetzt werden kann.
Bekannt sind bereits verschiedene Verfahren zur Vergasung und Verbrennung von organischen Stoffen, so genannten Bioenergieträgern, deren Energien thermisch, chemisch oder elektrisch genutzt werden.
Im Überblick sind die derzeit bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur thermischen Nutzung fester biogener Brennstoffe zur Wärme- und Stromerzeugung in verschiedenen Werken wie zum Beispiel:

• Obernberger (VDI Schriftenreihe 2000 „Regenerative Energien in Ungarn und in Deutschland", Verlag GmbH Düsseldorf, Deutschland pp. 59–101)
• Watter, Holger („REGENERATIVE ENERGIESYSTEME – Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungsbeispiele aus der Praxis", Verlag: Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN/Nr.: 978-3-658-01484-1)

Neben den bekannten Technologien der Verbrennung sind auch Technologien der Festbettvergasung und der Wirbelschichtvergasung mit nachgeschalteten Gasmotoren oder Gasturbinen bekannt.
In einem Festbettvergaser ist der Brennstoff in einer Schüttschicht dem Vergasungsmittel ausgesetzt. Die einzelnen Brennstoffstücke bewegen sich in dieser Schüttschicht vom Beschickungsort über verschiedene Zonen der Brennstoffschüttung zum Austragungsort der Asche. Je nach Stoffflussrichtung werden Gegenstrom- oder Gleichstrom- oder Querstromvergaser, Doppelfeuerungsvergaser oder Zweistufenvergaser unterschieden.
Bei der Wirbelschichtvergasung werden die stationäre und die zirkulierende Wirbelschichtvergasung unterschieden.
In einen Wirbelschichtvergaser wird der zu vergasende feinkörnige Brennstoff (Kantenlänge soll kleiner 30 mm betragen) von unten durch einen Anströmboden vom Oxidationsmittel durchströmt. Nach Überschreiten der Fluidisierungsgeschwindigkeit des Gases bildet sich eine Wirbelschicht mit definierter Oberfläche aus. Dieser Wirbelzustand wird als stationäre Wirbelschicht bezeichnet.
Oberhalb des Wirbelbettes ist eine heiße Reaktionszone vorhanden, die vom aus dem Wirbelbett freigesetzten Gasen durchströmt wird und in der das Gas weiter reagieren kann.
Wird die Gasgeschwindigkeit weiter erhöht, expandiert die Wirbelschicht, bis der Feststoff nahezu gleichmäßig über die Reaktorhöhe verteilt ist. Das vom Produktgas mitgerissene Brennmaterial wird in einem nachgeschalteten Heißzyklon vom Produktgas getrennt und in den Reaktor zurückgeführt. Diese Technologie wird als zirkulierende Wirbelschicht bezeichnet.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwachgaserzeugung aus organischen Energieträgern, mit dem bei Einsatz verschiedener organischer Einsatzstoffe stabil und energetisch effizient ein gute Schwachgasqualität realisiert werden kann ( DE 10 2006 058 673 A1 ). Dazu wird Koks aus der partiellen Oxidation des Energieträgers intern als Wärmeträger zur Wärmerückgewinnung genutzt. Der Koks wird mit frischem Brennstoff vermischt, infolge der Wärmeabgabe wird der Einsatzstoff getrocknet und pyrolysiert. Anschließend erfolgt die Teiloxidation. Durch ständiges Bewegen des Materials und mechanische Beräumung der Austrittsöffnungen des Oxidationsmittels wird eine Verschlackung verhindert. Das Gas durchströmt einen heißen Bereich, in dem die Teere gespalten werden. Die Erfindung beinhaltet dazu apparative Gestaltungen eines Reaktors, um diesen thermochemischen Prozess zu realisieren. Der Gasaustritt ist so angeordnet, dass das Gas in einer Wirbelströmung zum Austritt hinströmt, wodurch aufgrund der zentrifugalen Kräfte eine Abreinigung des Gases von Partikeln erfolgt.
DE 10 2010 012 487 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzenergiegewinnung aus Bioenergieträgern und anderen organischen Stoffen. Dazu wird ein Pyrolysereaktor genutzt, durch den ein Vorreaktor zur Vorpyrolyse des Pyrolysegutes geführt wird. Anschließend wird das vorpyrolysierte Gut dem Reaktor wieder zugeführt und im Reaktor zu Schwachgas vergast. Die dabei entstehende Wärme wird zur Vorpyrolyse genutzt. Die Rohgasaufbereitung erfolgt mittels Heißgasfilter und Quencheinrichtung. Im Dauerbetrieb läuft die Anlage nicht stabil.
Die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Wirbelschichtvergasung liegen in einem relativ hohen technischen Aufwand und einem geringen Kaltgaswirkungsgrad.
Weiterhin bekannt ist ein Verfahren zur Verwertung von biologischen Materialien, bei dem zur verbesserten Verwertung von biologischen und organischen Materialien, insbesondere zur Erzeugung von Gas, vorgeschlagen wird, mindestens zwei Biomasseverwertungsverfahren, insbesondere eine Biomassevergasung und eine Biomassevergärung miteinander zu kombinieren ( EP 1 754 771 A2 ).
Nachteilig auch bei diesem Verfahren ist, dass die eingesetzten Biomassen noch nicht vollständig umgesetzt und die Reaktionsprodukte noch nicht ausreichend energetisch verwertet werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Energiegewinnung aus Bioenergieträgern, die stabil arbeitet und einen hohen Umsetzungsgrad der eingesetzten Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Schwachgaserzeugung durch thermochemische vollständige oder partielle Oxydation fester Biomasse gelöst, mit den
Verfahrensschritten

a) Zerkleinerung und Trocknung von Biomasse
b) thermochemische vollständige oder partielle Oxydation der zerkleinerten und getrockneten festen Biomasse
c) Rohgasaufbereitung mittels Heißgasfilter und Quencheinrichtung.

Zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation mittels eines Hochtemperaturreaktors werden

– mit einem Pyrolysespeicher für Pyrolysematerial mit in den Reaktorraum reichenden, unten offenen Pyrolyserohren, an deren Ende ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech angeordnet ist,
– mit einer unter dem Zentralluftleitblech angeordneten Zentralluftdüse und um die Zentralluftdüse sich bildendenden Oxidationszone,
– mit einer im wandnahen Bereich des Reaktors befindlichen Glutbettzone mit im Außenbereich des Austritts der Pyrolyserohre im Reaktorraum angeordneten Glutbettdüsen,
– mit einem Rohgasabgang am Reaktorkopf,
– mit einem Ascheausbrand mit einer Ascheausbrandluftzufuhr, mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus der Biomassetrocknung und der Rohgasaufbereitung,
– mit einem Ascheaustrag, zerkleinerte, getrocknete Biomasse über den Pyrolysespeicher und die Pyrolyserohre durch Schwerkraft in die Oxidationszone eingetragen und mittels über eine Zentralluftdüse eingedüste, vorgewärmte Luft oxidiert und Reaktionsprodukte in die Glutbettzone überführt.

Über die Glutbettdüsen eingedüste Luft wird das Glutbett zyklisch als Festbett oder als Wirbelschicht betrieben, wobei in der Wirbelschichtphase über die Glutbettdüsen so viel Luft eingedüst wird, dass Vergasungsstoffe und -mittel in den Reaktionsraum oberhalb des Zentralluftleitbleches zur Ausbildung einer Wirbelschicht überführt werden. Dabei ist in der Wirbelschichtphase die Luftzufuhr über die Zentralluftdüse gegenüber der Luftzufuhr über die Glutbettluftdüsen reduziert.
In die Wirbelschicht gelangende Vergasungsstoffe und sich ausbildende Rohgase geben Wärme zur Einleitung der Pyrolyse der zerkleinerten, getrockneten Biomasse im Pyrolysespeicher und in den Pyrolyserohren ab.
Über den Ascheausbrand mit Ascheausbrandluftzufuhr erfolgt eine nahezu vollständige Umsetzung verbleibender Reaktionsprodukte.
Durch einen zyklischen Ascheaustrag am Boden des Hochtemperaturreaktors wird der Füllstand im Reaktorraum reguliert und der Wechsel zwischen Festbett und Wirbelschicht unterstützt.
Intervallmäßig werden zerkleinerte getrocknete Einsatzstoffe über einen quasidichten Brennstoffeintrag dem Pyrolysespeicher zugeführt. Quasikontinuierlich gelangen die getrockneten Einsatzstoffe über die Pyrolyserohre in den Reaktionsraum des Hochtemperaturreaktors. Die Bewegung der zerkleinerten, getrockneten Einsatzstoffe erfolgt vorrangig aufgrund der Schwerkraft.
Zur Pyrolyse wird den zerkleinerten, getrockneten Einsatzstoffen Wärme über die Pyrolyserohrwände und die seitlichen und unteren Wände des Pyrolysespeichers zugeführt. Als Ergebnis dieser Pyrolyse entstehen eine Gasphase (Holzgas) und eine feste Phase (Holzkohle).
Die festen Pyrolyseprodukte bewegen sich der Schwerkraft folgend in die Oxydationszone unterhalb des Zentralluftleitbleches. In der Mitte der Oxydationszone befindet sich die Zentralluftdüse, durch welche vorgewärmte Luft in Kontakt mit den Pyrolyseprodukten gebracht wird.
Unmittelbar um die Zentralluftdüse bildet sich eine brennstoffverarmte Zone zum thermischen Schutz der Zentralluftdüse. In geringem Abstand zur Zentralluftdüse ist die intensive Umsetzungszone, welcher eine sauerstoffverarmte Zone folgt. In der intensiven Umsetzungszone wird der eingetragene Feststoff (Holzkohle) weitgehend zu Asche umgesetzt, wodurch in Verbindung mit der eingebrachten vorgewärmten Luft eine Zone sehr hoher Temperatur (1000°C) mit einem Gas sehr hoher Temperatur sich bildet. Aufgrund des Brennstoffüberangebotes wird der Sauerstoff vollständig aufgezehrt und das zwischenzeitlich entstandene Kohlendioxyd wird zu Kohlenmonoxyd reduziert. Auch in der sauerstoffverarmten Zone wird der Feststoff auf sehr hohe Temperaturen gebracht, treibt dadurch weitere flüchtige Kohlenwasserstoffe aus und kommt mit den Eigenschaften bezüglich der Struktur und der Reaktionsfreudigkeit sehr nahe an Aktivkohle.
Die bei der Pyrolyse entstehende Gasphase wird durch die Strömung des aus der vorgewärmten Luft entstandenen Gases sehr hoher Temperatur weitgehend an der intensiven Reaktionszone vorbeigeleitet und bewegt sich mit dem Gas sehr hoher Temperatur in die Glutbettzone.
Die Glutbettzone befindet sich im wandnahen Bereich des stehenden Hohlzylinders und oberhalb des Zentralluftleitbleches unmittelbar um den Pyrolyserohren.
Die Glutbettzone wird zyklisch betrieben, d. h. es wechseln sich Festbettphasen und Wirbelschichtphasen ab.
In den Festbettphasen durchströmen in der Pyrolyse entstehende Gase, die mit der Zentralluftleitdüse zugeführte, vorgewärmte Luft und die mit den Glutbettluftdüsen zugeführte Glutbettluft die quasi ruhende glühende Holzkohle. Die Glutbettluft wird im äußeren sauerstoffverarmten Bereich eingetragen und dient während der Festbettphase der Einstellung eines kleinen negativen Gradienten der Temperatur des Glutbettes.
Die Wirbelschichtphase ist dadurch gekennzeichnet, dass die Glutbettluft drastisch erhöht wird, dass die glühende Holzkohle angehoben wird, als Bettmaterial einer Wirbelschicht sich bewegt und frische Holzkohle aus dem sauerstoffverarmten Bereich in die Glutbettzone transportiert wird. Die Wirbelschichtphase ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Glutbettzone stark ansteigt und Feinmaterial (feinste Koks- und Aschepartikel) aus dem Glutbett ausgetragen wird.
Beim Erreichen einer oberen Temperaturgrenze (1000°C) erfolgt der Übergang von der Wirbelschichtphase zur Festbettphase. Dieser Übergang wird durch ein drastisches Reduzieren der Glutbettluft erreicht. Mit der Reduzierung der Glutbettluft beginnt eine Temperaturabsenkung im Glutbett. Der Wiederstart der Wirbelschichtphase kann durch ein Zeitregime, eine Druckdifferenz oder eine Temperatur getriggert werden. Die Temperatur im Glutbett kann durch Regulierung der Glutbettluft auf einem unteren Niveau (800°C) stabilisiert werden.
Aufgrund des Eintrages der Glutbettluft steigen die festen Bestandteile in die Wirbelschicht nach oben und bilden entsprechend ihrer Dichte eine qualitative Schichtung aus. Im unteren Bereich wird im Wesentlichen Asche und Schlacke, darüber im Wesentlichen noch nicht und noch nicht vollständig umgesetzte feste Einsatzstoffe und im oberen Teil im Wesentlichen glühende Holzkohle in Schwebe gehalten und beim Übergang zur Festbettphase ein so geschichtetes Festbett bilden.
Aufgrund dieser sich ausbildenden Schichtung der Feststoffe kann auch die weitere Umsetzung der noch nicht vollständig umgesetzten Bestandteile sehr gut realisiert werden. Im unteren Bereich liegt noch ausreichend Sauerstoff vor, um die noch nicht vollständig ausgebrannte Asche/Schlacke weitgehend auszubrennen.
Bei dem Durchtritt des Gases durch die glühende Holzkohleschicht kann das Gas von längeren Kohlenwasserstoffen gereinigt werden, da diese mit der Holzkohle in Wechselwirkung z. B. Adsorption treten können. Die Holzkohle bewirkt durch Adsorptionsreaktionen eine Verlängerung der Verweilzeit von ungesättigten Kohlenwasserstoffen in der Hochtemperaturzone. Die so entstehenden gasförmigen Produkte bestehen aus einem teerarmen Rohgas mit den Hauptenergieträgern Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid.
Sowohl von der glühenden Holzkohle wird mittels Strahlung als auch von der entstandenen Gasphase wird mittels Konvektion Wärme an die Pyrolyserohre und den Pyrolysespeicher abgegeben.
Die gasförmigen Produkte werden durch den Rohgasabgang 9 im oberen Bereich des zylindrischen Reaktors 1 abgezogen und zu Wärmetauschern eines Heißgasfilters geleitet. Die heißen Prozessgase geben dort einen Teil ihrer Wärmeenergie an die im Inneren und im äußeren Ringspalt befindliche Luft ab und erwärmen diese auf etwa 400°C. Diese vorgewärmte Luft aus dem ersten Wärmetauscher wird der Zentralluftdüse zugeführt, die vorgewärmte Luft aus dem zweiten Wärmetauscher wird der Glutbettluftdüse zugeführt.
Reaktionsluft für die Biomasseoxydation wird über den Ascheausbrand, die Zentralluftdüse und die Glutbettluftdüsen dem Reaktionsraum zugeführt. In der Festbettphase werden 60 bis 80 %, bevorzugt 60 bis 70 % der Luft über die Zentralluftdüse und jeweils 10 bis 20 %, bevorzugt 10 bis 15 % der Luft über die Ascheausbrandluftzufuhr und die Glutbettluftdüse dem Reaktionsraum zugeführt. In der Wirbelschichtphase werden 60 bis 80 %, bevorzugt 60 bis 70 % der Luft über die Glutbettluftdüsen und jeweils 10 bis 20 %, bevorzugt 10 bis 15 % der Luft über die Zentralluftdüse und die Ascheausbrandluftzufuhr dem Reaktionsraum zugeführt.
Die Rohgasaufbereitung erfolgt mittels Heißgasfilter und Quencheinrichtung. Dazu werden die ca. 500 bis 700 °C heißen gasförmigen Produkte über den Rohgasabgang zu einem Heißgasfilter geleitet. Der erste Teil des Heißgasfilters ist ein Wärmetauscher, der in Form eines zylindrischen Ringspaltes ausgebildet ist.
Der Wärmetauscher ist so konzipiert, dass die Wandungstemperatur sich um maximal 100 K von der Temperatur der gasförmigen Produkte unterscheidet. Dies ist erforderlich, um eine Kondensatbildung an den Wandungen zu verhindern. Dazu werden die aufzuwärmenden Gase oder Luft erst in den inneren zylindrischen Teil des Wärmetauschers und danach in den äußeren Ringspalt des Wärmetauschers geleitet. Diese erwärmten Gase oder Luft werden dann der Zentralluftdüse oder den Düsen der Glutbettluft zugeführt. Es ist vorteilhaft, wenn in dem Wärmetauscher eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Produkte realisiert wird, da damit Ablagerungen der in den gasförmigen Produkten enthaltenen Feststoffe vermieden werden können.
Die zu erwärmenden Gase oder Luft können auch an dem Wärmetauscher in einem Bypass vorbei geleitet werden, um einen schnellen Anlagenstart realisieren zu können, eine thermische Reinigung der Innenwandung zu erreichen und andererseits die Temperatur der heißen gasförmigen Produkte vor den folgenden Filterkerzen zu regeln.
Nachdem die gasförmigen Produkte durch den Wärmetauscher getreten sind, beträgt ihre Temperatur zwischen 300 und 500 °C. Die gasförmigen Produkte werden dann vorteilhafterweise mit einem Additiv versehen, welches einerseits zur Salzbindung und andererseits als Trennmittel dient. Durch das Additiv werden kondensierende Kalium- und Natriumsalze absorbiert, wodurch eine Korrosion im Heißgasfilter und den nachfolgenden Bauteilen verringert und weitere nichtenergetische Bestandteile der gasförmigen Produkte entfernt werden. Das als Trennmittel dienende Additiv dient insbesondere dazu, den Filterkuchen auf der Oberfläche der Filterkerzen leichter entfernen zu können.
Dabei ist weiter vorteilhaft, wenn das Additiv intervallartig den gasförmigen Produkten zugegeben wird. Die gasförmigen Produkte mit oder ohne Additiv werden dann in einen Behälter mit Filterkerzen geleitet. Im Bereich des Gaseintrittes ist vorteilhafterweise ein Prallblech angeordnet, welches die Filterkerzen vor größeren und härteren Feststoffen in den gasförmigen Produkten schützt und weiterhin für eine Gasverteilung im Behälter sorgt.
Die Filterkerzen sind innen hohl und bestehen aus einem porösen Material, vorteilhafterweise einem porösen keramischen Material, wobei die Porosität von der äußeren zur inneren Oberfläche zunimmt. Vorteilhafterweise kann die äußere Oberfläche mit einer oberflächenaktiven feinporösen Schicht beschichtet sein, die eine bessere Filterung der Feststoffe aus den gasförmigen Produkten ermöglicht. Die äußere Oberfläche kann vorteilhafterweise auch mit einem Metallnetz überzogen sein, welches vorteilhafterweise thermisch gespritzt aufgetragen ist, wodurch die Wärmeleitung verbessert und Temperaturspitzen aufgrund lokaler Reaktionen vermieden werden.
Durch die Filterkerzen werden die gasförmigen Produkte von weiteren Feststoffen gereinigt und über die inneren Hohlräume ausgetragen. Aufgrund der geringeren Durchmesser der inneren Hohlräume der Filterkerzen erfolgt eine Beschleunigung der gereinigten gasförmigen Produkte und diese werden über den oberen Teil des Behälters, der von dem anderen Teil des Behältervolumens gasdicht abgetrennt ist, ausgetragen.
Die sich auf der äußeren Oberfläche der Filterkerzen ablagernden Feststoffe bilden einen Filterkuchen, der in Abständen entfernt werden muss. Dies erfolgt durch ein kurzzeitiges Einblasen von beispielsweise Stickstoff in Form einer Jetimpulsreinigung vorteilhafter Weise kurz nach dem Zeitintervall der Wirbelschichtphase. In jedem Fall muss ein Gas eingeblasen werden, welches inert ist und nicht mit den gasförmigen Produkten und dem Filterkerzenmaterial reagiert. Dadurch lösen sich die Filterkuchen von der Oberfläche und fallen in den unteren Teil des Behälters und werden dort über einen gasdichten Austrag ausgetragen. Die Filterkuchen enthalten insbesondere das Additiv mit den gebundenen Salzen, Stäuben und Kokspartikel. Diese Materialien werden in den Ascheausbrand, der sich im unteren verjüngenden Bereich des stehenden Hohlzylinders befindet, transportiert. Gemeinsam mit der Asche aus der intensiven Zone der Oxydationszone, Feststoffen aus dem Glutbett und ggf. Feinmaterial aus der Korngrößenseparierung erfolgt in der Ausbrandzone die vollständige Umsetzung aller brennbaren Bestandteile und die Ausschleusung der Asche/Schlacke aus dem Prozess.
Die gereinigten gasförmigen Produkte werden über einen Sicherheitsfilter (zum Erkennen von Filterbrüchen und zur Entfernung von Bruchstücken von Filterkerzenmaterial) zu einer Quencheinrichtung weitergeleitet. Die gasförmigen Produkte haben dann noch eine Temperatur von 250 bis 350 °C.
Die Quencheinrichtung besteht vorteilhafterweise aus einen senkrecht angeordneten Rohr, durch den die gereinigten gasförmigen Produkte von oben nach unten geleitet werden und einem Flüssigkeitsspeicherbehälter, welcher einen Wärmetauscher beinhaltet, um die Wärme der gasförmigen Produkte einer weiteren Nutzung (z. B. Vorwärmung der Luft für den Trockner) zuzuführen.
Die danach gereinigten Gase werden über einen Gasaustritt, vorteilhafterweise einen Gasströmungsbogen mit einem Winkel von mindestens 90 ° zur Strömungsrichtung des Gasstromes, ausgetragen. Die so gereinigten Gase können dann einer energetischen Nutzung, beispielsweise in einem Motor oder Vergaser, zugeführt werden.
Die Quencheinrichtung dient vorrangig der Einstellung der Temperatur des Gases, gleichzeitig kann sie auch die Aufgaben eines Feststoff- und Teertropfenabscheiders übernehmen (falls notwendig, z. B. bei einem Filterkerzenbruch mit gleichzeitiger Beschädigung des Sicherheitsfilters). Dabei werden quer zur Gasströmung und zur Fallrichtung der Feststoffe und Teertropfen in den gasförmigen Produkten, Flüssigkeitstropfen (vorteilhafterweise Wasser) eingedüst. Diese Tropfen nehmen die Feststoffe und Teere auf ihrer Oberfläche auf und tragen sie nach unten aus.
Dabei werden im oberen Drittel des Wäschers überwiegend große Tropfen eingedüst. Dadurch werden viele Feststoffe aufgenommen und Teer an der Oberfläche der Tropfen kondensiert und durch das höhere Gewicht ein schnellerer Fall der Tropfen erreicht. Dies verhindert Anhaftungen der Feststoffe und Teer an der seitlichen Wandung des Wäschers. Sofern trotzdem die größeren Tropfen mit den Feststoffen und Teeren die Wandung des Wäschers erreichen, sind sie groß genug, dass sie nicht verdampfen und damit die Feststoffe und Teere an der Wandung herunterspülen.
Im mittleren Drittel des Wäschers werden überwiegend kleine Tropfen eingedüst, da diese dann besser geeignet sind, die in den gasförmigen Produkten noch vorhandenen Feststoffe und Teere aufzufangen, da sie eine höhere Oberfläche und Stoffaufnahmefläche aufweisen.
Im unteren Drittel des Wäschers werden wieder überwiegend größere Tropfen eingedüst, die insbesondere die kleineren Tropfen einfangen und aufsammeln können.
Dadurch wird eine sehr effektive Reinigung der gasförmigen Produkte realisiert.
Im unteren Bereich der Quenche wird der Querschnitt verringert, wodurch einerseits der Gasaustritt des gereinigten Gases realisiert und andererseits die flüssigen Bestandteile in einem Behälter aufgefangen und gesammelt werden können.
Durch die Quencheinrichtung werden die gasförmigen Produkte auf ca. 50 °C abgekühlt und als gereinigtes Gas über den Gasaustritt abgeführt. Über die Wärmetauscher im Behälter kann bei Bedarf auch Wärme in die Anlage eingekoppelt werden, um einen Frostschutz in Perioden des Nichtbetreibens der Anlage zu gewährleisten.
Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation von Biomasse sowie eine Vorrichtung zur Trocknung der Biomasse.
Die Vorrichtung zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation von Biomasse wird durch einen Hochtemperaturreaktor 1 realisiert,

– mit einem Biomasseeintrag 2,
– mit einem Pyrolysespeicher 3 für Pyrolysematerial,
– mit in den Reaktorraum reichenden, unten offenen Pyrolyserohren 5, an deren Ende ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech 6 angeordnet ist,
– mit einer unter dem Zentralluftleitblech 6 angeordneten Zentralluftdüse 7,
– mit im Außenbereich des Austritts der Pyrolyserohre im Reaktorraum angeordneten Glutbettdüsen 8 zur temporären Erzeugung einer Wirbelschicht im Spalt zwischen den Pyrolyserohren und der Innenwand des zylindrischen Teiles des Hochtemperaturreaktors 1,
– mit einem Rohgasabgang 9 am Reaktorkopf,
– mit einem Ascheausbrand 13 mit einer Ascheausbrandluftzufuhr 4, mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus der Biomassetrocknung und Rohgasaufbereitung 15a und 15b und mit einem Ascheaustrag 14,

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Der Biomasseeintrag 2, welcher temporär quasi gasdicht geschlossen werden kann und temporär feste Biomasse passieren lassen kann, ist im oberen Bereich des Hochtemperaturreaktors angeordnet.
Daran schließt ein Pyrolysespeicher 3 an, der mindestens zwei oder mehrere Feststoffaustritte im unteren Bereich besitzt, durch welche die Biomasse in von außen durch glühende Holzkohle überwiegend über Strahlung geheizte Pyrolyserohre 5 in den Reaktorraum gelangt.
Am Ausgang der Pyrolyserohre 5 in den Reaktorraum ist ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech 6 angeordnet, wobei die Spitze des kegelstumpförmigen Zentralluftleitbleches nach oben reicht.
Unter dem Zentralluftleitblech 6, im zentralen Bereich, ist eine Zentralluftdüse 7 angeordnet, über die Luft in die Oxidationszone eingeleitet wird. Durch das Zentralluftleitblech 6 wird die Luft überwiegend in Strömungsrichtung des Feststoffes oder maximal 80° davon abweichend geleitet.
Im Spalt zwischen den Pyrolyserohren 5 bzw. dem Pyrolysespeicher 3 und der Innenwand des zylindrischen Teiles des Hochtemperaturreaktors 1 sind im Reaktorraum ringartig Glutbettluftdüsen 8 zur temporären Erzeugung einer Wirbelschicht angeordnet. Vorteilhaft sind Glutbettluftdüsen jeweils paarweise angeordnet und in Richtung Wirbelschicht gerichtet. Die paarweise Anordnung der Glutbettluftdüsen erlaubt eine noch bessere Durchströmung und Anhebung des Festbettes in die Wirbelschichtzone.
Mit den Glutbettluftdüsen 8 kann die Glutbettluft in der Wirbelschichtphase oxidierte Biomasse aus dem sauerstoffverarmten Bereich der Oxydationszone in die Wirbelschichtzone transportieren.
Am unterem Ende des Hochtemperaturreaktors befindet sich ein Ascheausbrand 13 mit einer Ascheausbrandluftzufuhr 4, mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus dem Trockner der Holzhackschnitzel und vom Heißgasfilter 15a und 15b und mit einem Ascheaustrag 14.
Der Ascheaustrag 14 am Boden des Hochtemperaturreaktors wird zyklisch betrieben, der Füllstand im Reaktorraum reguliert und der Wechsel zwischen Festbett und Wirbelschicht unterstützt.
Der Rohgasabgang ist so geregelt, dass mittels anliegenden Unterdruckes ständig Rohgas abgesaugt wird.
Vorteilhaft ist der Hochtemperaturreaktor zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation von fester Biomasse so gestaltet, dass der mittlere auslassfreie Teil des Pyrolysespeichers höher als die Austrittsöffnungen des Pyrolysespeichers liegen.
Damit wird gewährleistet, dass das zerkleinerte, getrocknete Pyrolysematerial durch Schwerkraft über die Pyrolyserohre in den Reaktorraum rutscht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Zentralluftleitblech 6 als zweigeteilter Kegelstumpf ausgeführt, dessen zentraler Teil sich nach oben bewegen kann, um bei Verblockungen in der Oxydationszone Luft in die darüber liegende glühende Biomasse entweichen lassen zu können.
Die Pyrolyserohre 5 haben nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einen kreisrunden Querschnitt oder bestehen aus zwei Halbschalen mit keilförmigen Distanzblechen bestehen, um einen stetig erweiternden Querschnitt aufzuweisen.
Die Pyrolyserohre 5 sind senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 20° zur Senkrechten die Verbindung zwischen Pyrolysespeicher und Oxydationszone angeordnet.
Vorteilhafterweise ist eine Vorrichtung zur Trocknung von Biomasse mit dem Hochtemperaturreaktor zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation der Biomasse verbunden. Diese Vorrichtung weist wenigstens zwei benachbart und nicht parallel zueinander angeordnete Kanäle mit einer gemeinsamen Eintragsöffnung und einer gemeinsamen Austragsöffnung für die zu trocknende stückige Biomasse auf. Der Abstand der Kanäle ändert sich zwischen der Eintragsöffnung und der Austragsöffnung stetig. Die stückige Biomasse fällt durch Wirken der Normalkraft durch die Kanäle von der Eintragsöffnung zur Austragsöffnung. Weiterhin sind Lüftungsöffnungen wenigstens in den zueinander und den voneinander weg weisenden Kanalwänden vorhanden. Die so angeordneten Kanäle führen dazu, dass Trocknungsluft auch zwischen den Kanälen strömen kann. Die zusammengeführte und gemeinsame Eintragsöffnung für beide Kanäle gewährleistet eine einfache Zuführung der stückigen Biomasse. Die Aufteilung auf die Kanäle erfolgt einfach über die gemeinsame Zuführungsöffnung. Die gemeinsame Austragsöffnung führt zu einer einfachen Möglichkeit des Abtransports getrockneter Biomasse, wobei für beide Kanäle nur eine Transporteinrichtung vorzusehen ist. Günstigerweise können die Kanäle im Querschnitt eine Rautenform oder eine Drachenviereckform ausbilden. Damit kann eine ökonomisch günstig zu realisierende Vorrichtung zur Trocknung zur Verfügung gestellt werden.
Die Kanäle können beabstandet zueinander angeordnete Luftleitbleche aufweisen, die schräg in Richtung der Fallrichtung der stückigen Biomasse in den Kanälen angeordnet sind. Zwischen benachbart angeordneten Luftleitblechen befindet sich mindestens eine Lüftungsöffnung. In den Kanälen kann sich durch die Luftleitbleche eine gezielte Luftströmung einstellen, die zu einer optimalen Trocknung der Biomasse führt.
Die Luftleitbleche sind vorteilhafterweise im Querschnitt z-förmig ausgebildet, wobei ein Schenkel gleichzeitig zur Befestigung an der Kanalwand vorgesehen ist und der andere Schenkel in Richtung der Fallrichtung der stückigen Biomasse weist, so dass die Trocknungsluft in Richtung der fallenden stückigen Biomasse geleitet wird und nach den Luftleitblechen entgegen der fallenden stückigen Biomasse strömt. Die Luftleitbleche können einfach im Kanal angeordnet werden.
Die Enden der zueinander weisenden inneren Kanalwände können miteinander verbunden sein, wobei die miteinander verbundenen Enden im Querschnitt eine Spitze sind, und die seitlichen und die äußeren Kanalwände die Eintragsöffnung und die Austragsöffnung begrenzen.
Die die Eintragsöffnung begrenzenden Seitenwände können weiterhin mit trichterförmig ausgebildeten Wandabschnitten verlängert sein, so dass sich die Zuführung der stückigen Biomasse vereinfacht.
Die Vorrichtung ist zur Trocknung im Trocknungsluftstrom wenigstens eines Lüfters so angeordnet, dass Trocknungsluft in den Raum zwischen den Kanälen und aus diesem in Richtung der Eintragsöffnung für die stückige Biomasse strömt.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtungen zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation von Biomasse sowie zur Trocknung der Biomasse und das erfindungsgemäße Verfahren wird erstmals ein Gesamtprozess angegeben, der stabil arbeitet, der einen hohen Umsetzungsgrad der eingesetzten Bioenergieträger realisieren kann und gleichzeitig außer energetisch nicht mehr verwertbaren Abfallstoffen nur Wärme und energetisch nutzbares Gas produziert. Dabei sind die energetisch nicht mehr verwertbaren Abfallstoffe umweltfreundlich und können als Schlacke beispielsweise im Straßenbau oder in der Bauindustrie verwendet werden.
Der stabil arbeitende Gesamtprozess kann dabei sowohl deutliche Schwankungen bei der Zusammensetzung und Größe der Bioenergieträger sowie auch hinsichtlich seines Feuchtegehaltes und jahreszeitlicher Schwankungen insgesamt ausgleichen und eine stabile Abgabe eines gleichmäßig zusammengesetzten Gases realisieren. Erforderlich sind aber Bioenergieträger mit einer Mindestwärmeenergie von ≥ 10MJ/kg.
Ausführungsbeispiel
Anhand beigefügter Darstellungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine geschnittene Seitenansicht eines Hochtemperaturreaktors als Prinzipdarstellung,
2 eine geschnittene Seitenansicht eines Hochtemperaturreaktors als Funktionsdarstellung,
3 eine Vorrichtung zur Trocknung und
4 ein Detail eines Kanals mit Luftleitblechen einer Vorrichtung zur Trocknung.
1 zeigt als Prinzipdarstellung in geschnittener Seitenansicht einen Hochtemperaturreaktor (1) zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation von Biomasse in Form von Holzhackschnitzeln.
2 zeigt eine Funktionsdarstellung des Hochtemperaturreaktors nach 1.
Am oberen Bereich des Hochtemperaturreaktors 1 ist ein Pyrolysespeicher 3 für Pyrolysematerial mit einem Biomasseeintrag 2 und mit t in den Reaktorraum reichenden, unten offenen Pyrolyserohren 5 angeordnet.
Am Ende der Pyrolyserohre 5 ist ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech 6 angeordnet.
Unter dem Zentralluftleitblech 6 befindet sich die Oxidationszone 10.
Im wandnahen Bereich des Reaktors befindet sich die Glutbettzone als Festbett 11 oder Wirbelschicht 12 mit im Außenbereich des Austritts der Pyrolyserohre 5 im Reaktorraum angeordneten Glutbettdüsen 8.
Am Reaktorkopf befindet sich der Rohgasabgang 9, an dem Unterdruck anliegt, so dass ständig Rohgas abgesaugt wird.
Am unteren Ende des Hochtemperaturreaktors befindet sich ein Ascheausbrand 13 mit einer Ascheausbrandluftzufuhr 4, mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus der Biomassetrocknung und der Rohgasaufbereitung 15a und 15b mit Ascheaustrag 14.
Der Biomasseeintrag 2 besteht aus einem Zweischiebersystem zur Befüllung des Pyrolysespeichers 3 mit zerkleinerten getrockneten Holzhackschnitzeln. Der Biomasseeintrag 2 kann temporär quasi gasdicht geschlossen werden und temporär feste Biomasse passieren lassen.
Daran schließt ein Pyrolysespeicher 3 an, der mindestens zwei oder mehrere Feststoffaustritte im unteren Bereich besitzt, durch welche die Biomasse in von außen durch glühende Holzkohle überwiegend über Strahlung geheizte Pyrolyserohre 5 in den Reaktorraum gelangt.
Am Ausgang der Pyrolyserohre in den Reaktorraum ist ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech 6 angeordnet, wobei die Spitze des kegelstumpfförmigen Zentralluftleitbleches nach oben reicht.
Unter dem Zentralluftleitblech 6, im zentralen Bereich ist eine Zentralluftdüse 7 angeordnet, über die Luft in die Oxidationszone eingeleitet wird. Durch das Zentralluftleitblech 6 wird die Luft überwiegend in Strömungsrichtung des Feststoffes oder maximal 80° davon abweichend geleitet.
Im Spalt zwischen den Pyrolyserohren 5 bzw. dem Pyrolysespeicher 3 und der Innenwand des zylindrischen Teiles des Hochtemperaturreaktors 1 sind im Reaktorraum Glutbettluftdüsen 8 zur temporären Erzeugung einer Wirbelschicht angeordnet.
Mit den Glutbettluftdüsen 8 kann die Glutbettluft in der Wirbelschichtphase die Holzkohle aus dem sauerstoffverarmten Bereich der Oxydationszone in die Glutbettzone transportieren.
Der Pyrolysespeicher 3 besteht aus einem Edelstahlrohr von etwa 0,5m Länge und einem Durchmesser von etwa 1,5m mit beidseitigen Klöpperböden.
An den oberen Klöpperböden ist ein Zweischiebersystem zur Befüllung angebracht. An dem unteren Klöpperboden sind auf einem Durchmesser von 1 m sechs Rohre mit einem Innendurchmesser von je 0,2 m eingeschweißt. Die sich bildende durch die Rohre begrenzte Innenfläche ist mit einem Kegel (Kegelspitze nach oben) versehen, um ein gleichmäßiges Befüllen der Rohre zu sichern und um Brückenbildung bei der Bewegung der Hackschnitzel zu vermeiden. Sich dennoch kurzzeitig bildende Brücken verlieren durch den Wärmeeintrag von außen mit dem einsetzenden Pyrolyseprozess an Stabilität und brechen beim nachfolgenden Befüllen des Pyrolysespeichers zusammen. Die Pyrolyserohre sind jeweils 2m lang und sind um etwa 10° zur Senkrechten von der Symmetrieachse nach unten entfernend geneigt.
Der in 1 und 2 dargestellte Hochtemperaturreaktor wird wie folgt betrieben:
200 kg_TS/h getrocknete Holzhackschnitzel mit Abmessungen von 1 mm bis 150 mm Kantenlänge und einem Heizwert von 20 MJ/kg werden intervallmäßig über den quasidichten Brennstoffeintrag 2 dem Pyrolysespeicher 3 zugeführt. Quasikontinuierlich gelangen die getrockneten Einsatzstoffe über die Pyrolyserohre 5 in den Reaktionsraum des Hochtemperaturreaktors 1. Die Bewegung der zerkleinerten, getrockneten Einsatzstoffe erfolgt vorrangig aufgrund der Schwerkraft.
Zur Pyrolyse wird den zerkleinerten, getrockneten Einsatzstoffen Wärme über die Pyrolyserohrwände und die seitlichen und unteren Wände des Pyrolysespeichers 3 zugeführt. Als Ergebnis dieser Pyrolyse entstehen eine Gasphase (Holzgas) und eine feste Phase (Holzkohle).
Die zerkleinerten Ausgangsstoffe verweilen etwa 20 min in der Pyrolyse und erreichen dabei eine Temperatur von 400 °C.
Die Pyrolyseprodukte bewegen sich der Schwerkraft folgend in die Oxydationszone 10. In der Mitte der Oxydationszone 10 befindet sich die Zentralluftdüse 7, durch welche vorgewärmte Luft in Kontakt mit den Pyrolyseprodukten gebracht wird.
Unmittelbar um die Zentralluftdüse 7 bildet sich eine brennstoffverarmte Zone zum thermischen Schutz der Zentralluftdüse 7. In geringem Abstand zur Zentralluftdüse ist die intensive Umsetzungszone, welcher eine sauerstoffverarmte Zone folgt. In der intensiven Umsetzungszone wird der eingetragene Feststoff (Holzkohle) weitgehend zu Asche umgesetzt, wodurch in Verbindung mit der eingebrachten vorgewärmten Luft eine Zone sehr hoher Temperatur (1000 °C) mit einem Gas sehr hoher Temperatur sich bildet. Aufgrund des Brennstoffüberangebotes wird der Sauerstoff vollständig aufgezehrt und das zwischenzeitlich entstandene Kohlendioxyd wird zu Kohlenmonoxyd reduziert. Auch in der sauerstoffverarmten Zone wird der Feststoff auf sehr hohe Temperaturen gebracht, treibt dadurch weitere flüchtige Kohlenwasserstoffe aus und kommt mit den Eigenschaften bezüglich der Struktur und der Reaktionsfreudigkeit sehr nahe an Aktivkohle.
Die in der Pyrolyse entstandene Gasphase wird durch die Strömung des aus der vorgewärmten Luft entstandenen Gases sehr hoher Temperatur weitgehend an der intensiven Reaktionszone vorbeigeleitet und bewegt sich mit dem Gas sehr hoher Temperatur in die Festbettzone 11.
Die Festbettzone 11 befindet sich im wandnahen Bereich des stehenden Hohlzylinders und oberhalb des Zentralluftleitbleches unmittelbar um die Pyrolyserohre.
Durch die Zentralluftdüse 7 werden während der Festbettphase etwa 200m³/h und während der Wirbelschichtphase etwa 20m³/h vorgewärmte Luft mit einer Temperatur von 400°C eingeblasen.
Sechs Glutbettluftdüsen 8 sind jeweils in den Zwischenräumen zwischen den Pyrolyserohren 5 angebracht. Durch diese wird während der Festbettphase etwa 20m³/h Glutbettluft in das Glutbett zur Stabilisierung der Temperatur und zur Umsetzung der Holzkohle in unmittelbarer Düsennähe eingeblasen. Durch die Umsetzung der Holzkohle in Düsennähe wird das Anheben des düsennahen Materiales beim Übergang zur Wirbelschichtphase 12 erleichtert. Erleichtert wird der Übergang weiterhin durch den Intervallbetrieb des Ascheaustrages, so dass kurz vor Beginn der Wirbelschichtphase die Schüttung bereits instabil ist und somit leichter angehoben werden kann. Während der Wirbelschichtphase werden etwa 200 m³/h Glutbettluft über die Glutbettluftdüsen 8 eingetragen.
Die glühende Holzkohle überträgt per Strahlung etwa 50 kW Wärme an die Pyrolyserohre 5.
Die gasförmigen Produkte bestehen aus dem Rohgas mit einem Anteil an 0,01 Vol.-% festen Bestandteilen an Stäuben von Asche, Holzkohle und Kohlenwasserstoffen. Die gasförmigen Produkte, die ebenfalls eine Temperatur von 800 bis 1200 °C aufweisen, geben mittels Konvektion Wärme im Bereich von 10 kW an die Pyrolyserohre 5 ab.
Die Glutbettzone wird zyklisch betrieben, es wechseln sich Festbettphasen und Wirbelschichtphasen ab.
In den Festbettphasen mit Festbettzone 11 durchströmen in der Pyrolyse entstandene Gasphase, das aus der vorgewärmten Luft entstandene Gas und eine Glutbettluft die quasi ruhende glühende Holzkohle. Die Glutbettluft wird im äußeren sauerstoffverarmten Bereich eingetragen und dient während der Festbettphase der Einstellung eines kleinen negativen Gradienten der Temperatur des Glutbettes.
Die Wirbelschichtphase mit Wirbelschichtzone 12 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Glutbettluft drastisch erhöht wird, die glühende Holzkohle angehoben wird, als Bettmaterial einer Wirbelschicht sich bewegt und frische Holzkohle aus dem sauerstoffverarmten Bereich in die Glutbettzone transportiert wird. Die Wirbelschichtphase ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Glutbettzone stark ansteigt und Feinmaterial (feinste Koks- und Aschepartikel) aus dem Glutbett ausgetragen wird.
Beim Erreichen einer oberen Temperaturgrenze (1000 °C) erfolgt der Übergang von der Wirbelschichtphase zur Festbettphase. Dieser Übergang wird durch ein drastisches Reduzieren der Glutbettluft erreicht. Mit der Reduzierung der Glutbettluft beginnt eine Temperaturabsenkung im Glutbett. Der Wiederstart der Wirbelschichtphase kann durch ein Zeitregime, eine Druckdifferenz oder eine Temperatur getriggert werden. Die Temperatur im Glutbett kann durch Regulierung der Glutbettluft auf einem unteren Niveau (800 °C) stabilisiert werden.
Aufgrund des verstärkten Eintrages der Glutbettluft über die Glutbettluftdüsen 8 steigen die festen Bestandteile in der Wirbelschichtphase nach oben und bilden entsprechende ihrer Dichte eine qualitative Schichtung aus. Im unteren Bereich wird im Wesentlichen Asche und Schlacke, darüber im Wesentlichen noch nicht und noch nicht vollständig umgesetzte feste Einsatzstoffe und im oberen Teil im Wesentlichen glühende Holzkohle in Schwebe gehalten und beim Übergang zur Festbettphase ein so geschichtetes Festbett 11 gebildet.
Aufgrund dieser sich ausbildenden Schichtung der Feststoffe kann auch die weitere Umsetzung der noch nicht vollständig umgesetzten Bestandteile sehr gut realisiert werden. Im unteren Bereich liegt noch ausreichend Sauerstoff vor, um die noch nicht vollständig ausgebrannte Asche/Schlacke weitgehend auszubrennen.
Bei dem Durchtritt des Gases durch die glühende Holzkohleschicht kann das Gas von längeren Kohlenwasserstoffen gereinigt werden, da diese mit der Holzkohle in Wechselwirkung z. B. Adsorption treten können. Die Holzkohle bewirkt durch Adsorptionsreaktionen eine Verlängerung der Verweilzeit von ungesättigten Kohlenwasserstoffen in der Hochtemperaturzone. Die so entstehenden gasförmigen Produkte bestehen aus einem teerarmen Rohgas mit den Hauptenergieträgern Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid. Sowohl von der glühenden Holzkohle wird mittels Strahlung als auch von der entstandenen Gasphase wird mittels Konvektion Wärme an die Pyrolyserohre und dem Pyrolysespeicher abgegeben.
3 zeigt eine Vorrichtung zur Trocknung in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
Die getrockneten Holzhackschnitzel werden aus einer Vorrichtung 16 zum Trocknen der Holzhackschnitzel dem Hochtemperaturreaktor 1 zugeführt. Die Holzhackschnitzel sind stückige Biomasse.
Eine Vorrichtung 16 zur Trocknung der stückigen Biomasse besteht im Wesentlichen aus zwei benachbart zueinander angeordneten Kanälen 17, 18 mit Lüftungsöffnungen 22 in den zueinander und den voneinander weg weisenden Kanalwänden.
Dazu sind zwei Kanäle 17, 18 nicht parallel zueinander angeordnet. Die Kanäle 17, 18 besitzen eine gemeinsame Eintragsöffnung 19 und eine gemeinsame Austragsöffnung 20 für die zu trocknende stückige Biomasse. Der Abstand der Kanäle 17, 18 zwischen der Eintragsöffnung 19 und der Austragsöffnung 20 ändert sich stetig. Die Kanäle 17, 18 bilden im Querschnitt eine Rautenform aus, wobei die Raute senkrecht angeordnet ist. Die stückige Biomasse fällt durch das Wirken der Normalkraft von der Eintragsöffnung 19 zur Austragsöffnung 20 durch die Kanäle 17, 18. Die Lüftungsöffnungen 22 sind wenigstens in den zueinander und den voneinander weg weisenden Kanalwänden eingebracht. Damit kann die Trocknungsluft die Kanäle 17, 18 und den durch die Kanäle 17, 18 ausgebildeten Innenraum zwischen den Kanälen 17, 18 durchströmen.
Die Enden der zueinander weisenden inneren Kanalwände sind miteinander verbunden, wobei die miteinander verbundenen Enden im Querschnitt eine Spitze sind. Die seitlichen und die äußeren Kanalwände begrenzen die Eintragsöffnung 19 und die Austragsöffnung 20. Über die Eintragsöffnung 19 werden beide Kanäle 17, 18 befüllt. Weiterhin fällt die Biomasse aus der Austragsöffnung 20 aus und wird dem Hochtemperaturreaktor 1 zugeführt. Die Befüllung der zu trocknenden Biomasse und der Abtransport der getrockneten Biomasse vereinfacht sich wesentlich.
Zur verbesserten Befüllung der Kanäle 17, 18 über die gemeinsame Eintragsöffnung 19 kann diese einen Trichter 21 aufweisen, der durch Wandabschnitte ausgebildet ist.
4 zeigt ein Detail eines Kanals mit Luftleitblechen in einer prinzipiellen Darstellung. Die Kanäle 17, 18 weisen beabstandet zueinander angeordnete Luftleitbleche 23 auf, die schräg in Richtung der Fallrichtung der stückigen Biomasse in den Kanälen 17, 18 angeordnet sind. Mindestens eine Lüftungsöffnung 22 befindet sich zwischen benachbart angeordneten Luftleitblechen 23. Die Luftleitbleche 23 sind im Querschnitt z-förmig ausgebildet, wobei ein Schenkel gleichzeitig zur Befestigung an der Kanalwand vorgesehen ist und der andere Schenkel in Richtung der Fallrichtung der stückigen Biomasse weist. Damit strömt die Trocknungsluft in Richtung der fallenden stückigen Biomasse und nach den Luftleitblechen 23 entgegen der fallenden stückigen Biomasse. Die schräg in Fallrichtung angeordneten Luftleitbleiche 23 gewährleisten weiterhin, dass keine Biomasse zwischen benachbart angeordnete Luftleitbleche 23 gelangen kann. Der Zwischenraum bleibt für die strömende Trocknungsluft offen.
Beabstandet zur Vorrichtung 16 zur Trocknung kann wenigstens ein Lüfter so angeordnet sein, dass Trocknungsluft in die Kanäle 17, 18 und in den Raum zwischen den Kanälen 17, 18 und aus diesen in Richtung der Eintragsöffnung 19 für die stückige Biomasse strömt.
Bezugszeichenliste

1: Hochtemperaturreaktor
2: Biomasseeintrag
3: Pyrolysespeicher
4: Ascheausbrandluftzufuhr
5: Pyrolyserohr
6: Zentralluftleitblech
7: Zentralluftdüsen
8: Glutbettluftdüse
9: Rohgasabgang
10: Oxidationszone
11: Festbettzone
12: Wirbelschichtzone
13: Ascheausbrand
14: Ascheaustrag
15a: Brennstoffeintrag Feinanteil Biomassetrocknung
15b: Brennstoffeintrag Feinanteil Rohgasaufbereitung
16: Vorrichtung zur Trocknung
17: Kanal
18: Kanal
19: Eintragsöffnung
20: Austragsöffnung
21: Trichter
22: Lüftungsöffnung
23: Luftleitblech

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006058673 A1 [0010]
DE 102010012487 A1 [0011]
EP 1754771 A2 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Obernberger (VDI Schriftenreihe 2000 „Regenerative Energien in Ungarn und in Deutschland“, Verlag GmbH Düsseldorf, Deutschland pp. 59–101) [0003]
Watter, Holger („REGENERATIVE ENERGIESYSTEME – Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungsbeispiele aus der Praxis“, Verlag: Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN/Nr.: 978-3-658-01484-1) [0003]

Claims

Verfahren zur Schwachgaserzeugung durch thermochemische vollständige oder partielle Oxydation fester Biomasse mit den Verfahrensschritten a) Zerkleinerung und Trocknung von Biomasse, b) thermochemische vollständige oder partielle Oxydation der zerkleinerten und getrockneten festen Biomasse, c) Rohgasaufbereitung mittels Heißgasfilter und Quencheinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation mittels eines Hochtemperaturreaktors – mit einem Pyrolysespeicher für Pyrolysematerial mit in den Reaktorraum reichenden, unten offenen Pyrolyserohren, an deren Ende ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech angeordnet ist, – mit einer unter dem Zentralluftleitblech befindlichen Oxidationszone, – mit einer im wandnahen Bereich des Reaktors befindlichen Glutbettzone, – mit im Außenbereich des Austritts der Pyrolyserohre im Reaktorraum angeordneten Glutbettluftdüsen, – mit einem Rohgasabgang am Reaktorkopf, – mit einem Ascheausbrand mit einer Ascheausbrandluftzufuhr (4), mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus der Biomassetrocknung und der Rohgasaufbereitung und mit einem Ascheaustrag, zerkleinerte, getrocknete Biomasse über den Pyrolysespeicher und die Pyrolyserohre durch Schwerkraft in die Oxidationszone eingetragen und mittels, über eine Zentralluftdüse eingedüste, vorgewärmte Luft oxidiert und Reaktionsprodukte in die Glutbettzone überführt werden, dass über die Glutbettdüsen eingedüste Luft das Glutbett zyklisch als Festbett oder als Wirbelschicht betrieben wird, wobei in der Wirbelschichtphase über die Glutbettdüsen so viel Luft eingedüst wird, dass Vergasungsstoffe und -mittel in den Reaktionsraum oberhalb des Zentralluftleitbleches zur Ausbildung einer Wirbelschicht überführt werden, wobei in der Wirbelschichtphase die Luftzufuhr über die Zentralluftdüse gegenüber der Luftzufuhr über die Glutbettluftdüsen reduziert ist, dass in die Wirbelschicht gelangende Vergasungsstoffe und sich ausbildende Rohgase Wärme zur Einleitung der Pyrolyse der zerkleinerten, getrocknete Biomasse im Pyrolysespeicher und in den Pyrolyserohren abgegeben, dass über den Ascheausbrand eine nahezu vollständige Umsetzung verbleibender Reaktionsprodukte erfolgt, und dass durch einen zyklischen Ascheaustrag am Boden des Hochtemperaturreaktors der Füllstand im Reaktorraum reguliert und der Wechsel zwischen Festbett und Wirbelschicht unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer Temperatur von 950 bis 1000 °C in der Wirbelschichtphase durch eine mindestens 60 %ige Reduzierung der eingedüsten Menge an Glutbettluft der Übergang zur Festbettphase eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiederstart der Wirbelschichtphase durch ein Zeitregime, eine Druckdifferenz oder eine Temperatur getriggert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Glutbett durch Regulierung der eingedüsten Glutbettläuft auf einem Temperaturniveau von 800 °C stabilisiert wird.
Hochtemperaturreaktor (1) zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation von Biomasse, – mit einem Biomasseeintrag (2), – mit einem Pyrolysespeicher (3) für Pyrolysematerial, – mit in den Reaktorraum reichenden, unten offenen Pyrolyserohren (5), an deren Ende ein kegelstumpfförmiges Zentralluftleitblech (6) angeordnet ist, – mit einer unter dem Zentralluftleitblech (6) angeordneten Zentralluftdüse (7), – mit im Außenbereich des Austritts der Pyrolyserohre im Reaktorraum angeordneten Glutbettdüsen (8) zur temporären Erzeugung einer Wirbelschicht im Spalt zwischen den Pyrolyserohren bzw. dem Pyrolysespeicher und der Innenwand des zylindrischen Teiles des Hochtemperaturreaktors (1), – mit einem Rohgasabgang (9) am Reaktorkopf, – mit einem Ascheausbrand (13) mit einer Ascheausbrandluftzufuhr (4), mit einem Brennstoffeintrag für Feinanteil aus der Biomassetrocknung und der Rohgasaufbereitung (15a und 15b) und mit einem Ascheaustrag (14), wobei die Luftzufuhr über die Zentralluftdüse (7), die Glutbettluftdüsen (8) und die Ascheausbrandluftzufuhr (4) regelbar ist, wobei am Rohgasabgang (9) ein Unterdruck anliegt, so dass Rohgas abgesaugt wird.
Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere auslassfreie Teil des Pyrolysespeichers (3) höher als die Feststoffaustritte (4) des Pyrolysespeichers (3) liegt.
Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralluftleitblech (6) als zweigeteilter Kegelstumpf ausgeführt ist, dessen zentraler Teil sich nach oben bewegen kann, um bei Verblockungen in der Oxydationszone Luft in die darüber liegende glühende Holzkohle entweichen lassen zu können.
Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dass dessen Pyrolyserohre senkrecht oder mit einem Winkel von bis zu 20° zur Senkrechten die Verbindung zwischen Pyrolysespeicher und Oxydationszone bilden
Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyserohre (5) einen kreisrunden Querschnitt haben oder aus zwei Halbschalen mit keilförmigen Distanzblechen bestehen, um einen stetig erweiternden Querschnitt aufzuweisen.
Vorrichtung (16) zur Trocknung von Biomasse in Verbindung mit einem Hochtemperaturreaktor (1) zur thermochemischen vollständigen oder partiellen Oxydation der Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16) wenigstens zwei benachbart und nicht parallel zueinander angeordnete Kanäle (17, 18) mit einer gemeinsamen Eintragsöffnung (19) und einer gemeinsamen Austragsöffnung (20) für die zu trocknende stückige Biomasse aufweist, wobei sich der Abstand der Kanäle (17, 18) zwischen der Eintragsöffnung (19) und der Austragsöffnung (20) stetig ändert und die stückige Biomasse durch Wirken der Normalkraft die Kanäle (17, 18) von der Eintragsöffnung (19) zur Austragsöffnung (20) durchfällt, und dass Lüftungsöffnungen (22) wenigstens in den zueinander und den voneinander weg weisenden Kanalwänden vorhanden sind.
Vorrichtung zur Trocknung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (17, 18) im Querschnitt eine Rautenform oder eine Drachenviereckform ausbilden.
Vorrichtung zur Trocknung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (17, 18) beabstandet zueinander angeordnete Luftleitbleche (23) aufweisen, wobei die Luftleitbleche (23) schräg in Richtung der Fallrichtung der stückigen Biomasse in den Kanälen (17, 18) angeordnet sind und sich mindestens eine Lüftungsöffnung (22) zwischen benachbart angeordneten Luftleitblechen (23) befindet.
Vorrichtung zur Trocknung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitbleche (23) im Querschnitt z-förmig ausgebildet sind, wobei ein Schenkel gleichzeitig zur Befestigung an der Kanalwand vorgesehen ist und der andere Schenkel in Richtung der Fallrichtung der stückigen Biomasse weist, so dass die Trocknungsluft in Richtung der fallenden stückigen Biomasse geleitet wird und nach den Luftleitblechen (23) entgegen der fallenden stückigen Biomasse strömt.
Vorrichtung zur Trocknung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der zueinander weisenden inneren Kanälwände miteinander verbunden sind, wobei die miteinander verbundenen Enden im Querschnitt eine Spitze sind, und dass die seitlichen und die äußeren Kanalwände die Eintragsöffnung (19) und die Austragsöffnung (20) begrenzen.
Vorrichtung zur Trocknung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die Eintragsöffnung (19) begrenzenden Seitenwände mit trichterförmig ausgebildeten Wandabschnitten verlängert sind.
Vorrichtung zur Trocknung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16) zur Trocknung im Trocknungsluftstrom wenigstens eines Lüfters so angeordnet ist, dass Trocknungsluft in den Raum zwischen den Kanälen (17, 18) und aus diesem in Richtung der Eintragsöffnung (19) für die stückige Biomasse strömt.