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Die Vergasung von Biomassen, beispielsweise von Holz und biogenen Reststoffen, mit der Umgebungsluft als Vergasungsmittel ist in der Technik seit langem bekannt. Der Prozess wurde aus der industriell genutzten Vergasung von Kohle zur Erzeugung von Synthesegas mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid abgeleitet.
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Abhängig von der Art des Brennstoffs wurden für die Holzvergasung unterschiedliche Reaktortypen entwickelt. Unterscheidendes Merkmal ist dabei üblicherweise die Strömungsrichtung des Vergasungsmittels im Vergleich zur Bewegung des Brennstoffs, der sich von oben nach unten durch den Reaktorraum bewegt. Strömt das Vergasungsmittel mit dem Brennstoff abwärts, so spricht man von absteigender Vergasung, strömt das Vergasungsmittel in Gegenrichtung aufwärts, so nennt man dies eine aufsteigende Vergasung.
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Als eine Sonderentwicklung ist eine Kombination aus absteigender und aufsteigender Vergasung, der sog. Doppelfeuervergaser, anzusehen. Dieses spezielle Anlagenkonzept wurde von der Klöckner-Humboldt-Deutz AG (KHD) entwickelt und erfolgreich weltweit vermarktet. Im Jahre 1988 wurde aus konzerninternen Gründen das Geschäft aufgegeben, wobei Knowhow und Rechte an einen leitenden Angestellten übertragen wurden. Von diesem wurde die Technologie weiter entwickelt und vermarktet. Dieser ist einer der Erfinder der nachfolgend beschriebenen Erfindung.
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Der Doppelfeuervergaser zeichnet sichdurch eine Kombination von „absteigender“ und „aufsteigender“ Vergasung aus. Dadurch erreicht er prozessbedingt ein von höherwertigen Kohlenwasserstoffen nahezu freies Gas erzeugt. Dieses wird dadurch bewirkt, dass das in der oberen Vergasungszone erzeugte Pyrolysegas ein glühendes Biokohlebett durchströmen muss, wobei im Kontakt des Gases mit dem glühenden Kohlebett die Kohlenwasserstoffe zerlegt und der Wasserdampf aus dem Brennstoff an der Kohle durch die Erzeugung von elementarem Wasserstoff komplexe Kohlenwasserstoffe hydriert werden. Die damit erreichte höhere Produktreinheit erweitert die Nutzungsmöglichkeiten und ist
eine notwendige Voraussetzung für die erfindungsgemäßen Verbesserungen bei den erfindungsgemäß angestrebten Umsetzungsreaktionen.
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Das Produktgas aus einem Doppelfeuer-Vergaser hat mit dem Vergasungsmittel Umgebungsluft etwa folgende Zusammensetzung: Wasserstoff 12-16%, Kohlenmonoxid 17-21%, Methan 0,5-2%, Alkane 0,1-0,5%, Kohlendioxid 8-12%, der Rest ist der mit der Umgebungsluft eingetragene Stickstoff. Das Produktgas kann entweder direkt als energiereiches Brenngas oder nach einer Nachbehandlung und Reinigung mit Wäscher und Kühler auch direkt zum Antrieb von Gasmotoren genutzt werden, z.B. um mit einem nachgeschalteten Blockheizkraftwerk Strom und Wärme zu erzeugen.
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Der Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser
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Auf der Grundlage der angegebenen Vorteile des Doppelfeuer-Vergasers hinsichtlich der Zusammensetzung und Reinheit des Produktgases basiert die vorliegende Erfindung auf einer innovativen Weiterentwicklung des Doppelfeuer-Verfahrens, indem durch die gezielte Einbringung von Wasserdampf sowie eine Rückführung von im Vergasungsprozess gebildeten Kohlendioxids weitere Reaktionszonen ausgebildet werden, die aufgrund der Reaktionsführung als Reduktionszonen wirken und damit sowohl eine Steigerung der Wasserstoffbildung, als auch eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen dem im Prozess gebildetem Wasserstoff und dem dabei anfallenden Kohlendioxid bewirkt.
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Anlagentechnisch umfasst die Erfindung wichtige apparatetechnischen Verbesserungen:
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1. Strömungsinduzierte Abtrennung von Feinmaterial im Brennstoff
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Die Erfindung zielt neben einer Erhöhung der Wasserstoffausbeute auch auf eine Ausweitung der einsatzfähigen Bio-Brennstoffe. Bisher werden an die im Doppelfeuer-Vergaser zu vergasenden Holzbrennstoffe Anforderungen an die Stückigkeit und Feuchtigkeit mit relativ engen Toleranzbereichen der einsetzbaren Fraktionen und des vorhandenen Feinanteils gestellt. Diese sind im Hinblick auf eine effiziente Luftführung im Reaktor von Bedeutung.
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Voraussetzung für einen störungsfreien Vergasungsprozess ist ein homogenes, gasströmungsdurchlässiges Reaktionsbett. Wenn der Brennstoff zu viel Feinmaterial aufweist oder durch Entmischung beim Transport und/oder beim Einfüllen in der Reaktor entmischt wird, so dass sich kein homogenes Bett ausbildet, wird die Gasströmung ungleichmäßig. Die Gasströmung folgt dem Weg des geringsten Strömungswiderstandes. Dabei bilden sich Kanäle mit hohem Gasdurchsatz und damit höherem energetischen Umsatz, während andere Stellen des Bettes erkalten und sich durch Teerbildung verfestigen können.
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Infolge der Kanalbildung kann es dann auch geschehen, dass frischer noch nicht entgaster Brennstoff aus dem oberen Reaktorbereich durch diese Kanäle hindurch fällt und so dieses Material erst im unteren Reaktorbereich pyrolisiert wird, sodass dort ungecrackte Kohlenwasserstoffe aus dem Bett austreten können. Im Extremfall kann sich sogar ein Kanal bis zum Bettaustritt ausbilden und nicht vergastes Material mitgerissen werden
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Der Effekt der einseitigen bzw. ungleichmäßigen Vergasungsmitteleinführung bzw. - verteilung soll erfindungsgemäß dadurch verbessert werden, dass die Gasströmung im Reaktor in Rotation versetzt wird, und damit die Gasströmung und Temperaturverteilung im horizontalen Flächenquerschnitt vergleichsmäßigt werden.
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Ein wesentlicher Aspekt ist dabei, dass die Feinteile tangential verteilt werden, sodass die Ausbildung des Reaktionsbettes und damit der Gasströmungswiderstand vergleichmäßigt werden.
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2. Ansaugen von Wasserdampf aus der Brennstofftrocknung durch ein doppelwandiges Mittelrohr mit Ansaugschlitzen sowie Zuführung von Vergasungsmittel mit Wirbelschichteffekt mittels nach oben ausgerichteter Austrittsdüsen
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Während es bei kleineren Reaktoren (Leistung bis etwa 100 KW Wärmeleistung) genügt, das Vergasungsmittel durch seitliche Düsen in den Reaktor einzuführen, wird bei größeren Reaktoren zusätzlich eine zentrale Zuführung des Vergasungsmittels in einem Mittelrohr vorgesehen.
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Die Zuführung des Vergasungsmittels im neuen Mehrzonenvergaser soll erfindungsgemäß derart ausgebildet werden, dass in der Mitte des Vergasers ein zentrales doppelwandiges Rohr eingeführt wird, durch welches Vergasungsmittel direkt in die Mitte des Reaktors geführt wird. Das Vergasungsmittel wird über das innere Mittelrohr zugeführt. Im oberen Bereich, in dem die Trocknung des Brennstoffs stattfindet werden in die äußeren Rohrmantelflächen Ansaugschlitze eingebracht, durch die bei der Trocknung des Brennstoffs gebildeter Wasserdampf angesaugt wird. Der Ansaugeffekt wird mittels durchlassverengender Einbauten im Innenrohr, die eine lokale Erniedrigung des Statischen drucks bewirken, gefördert.
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Zusätzlich soll im Reaktorbett ein Wirbelbetteffekt dadurch erreicht werden, indem die Austrittsrichtung sowohl der radialen Düsen als auch die der Mittelluftdüsen nach oben, mit einem Anstellwinkel zwischen 10 und 20 grad, bevorzugt 15 Grad, ausgerichtet wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Feinpartikel des Brennstoffs bereits oberhalb der Vergasungszone infolge der größeren Oberfläche vergast werden, sodass das unterhalb der Vergasungszone liegende Holzkohlebett durch geringeren Feinmaterialanteil entlastet wird, wodurch es einen geringeren Strömungswiderstand und damit eine gleichmäßigere Gasdurchlässigkeit erhält. Die Luftdüsen sind so konstruiert, dass trotz der Ausrichtung nach oben kein Material in die Düsenöffnungen fallen kann.
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Das zentrale Rohr wird außerdem mit einer Reihe von Luftdüsen versehen, die nach unten gerichtet sind. Diese sollen bewirken, dass sich in der Reaktormitte ein Kanal ausbildet, in den im Wirbelbett nicht vergaste gröbere Partikel eingesaugt werden. Somit wird hier faktisch das energiemäßige Reaktionszentrum erzeugt. Aus diesem Zentrum strömt das Gas durch das umgebende grobkörnige Biokohle-Glutbett nach unten und nach außen zur ringförmigen Gasaustrittskammer.
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3. Mehrzonen-Vergaser mit reaktionsförderndem Drehrost-Wirbelschichtbereich
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Um auch eine entsprechende radiale Gasströmungsrichtung im unteren Bereich des Reaktors zu realisieren, wird der Gasaustritt aus dem Reaktionsbett durch ein gitterförmiges radial angeordnetes Drehrost geleitet, das einen gleichmäßigeren Gasaustritt bewirken soll. Dazu werden die Zinken des Drehrostes flach ausgeführt und mit einer tangentialen Gasaustrittsrichtung ausgerichtet.
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Die Gestaltung der Zinken soll dazu weiterhin so ausgeführt werden, dass diese leicht spiralförmig ausgebildet werden und im oberen Bereich kleinere Durchlassspalte aufweisen als im unteren Bereich, um ein Verstopfen des Austrittbereichs zu verhindern. Erfindungsgemäß wird hierzu ein Gasaustrittsrost vorgesehen, das in Form einer Rohrspirale aus einem hitzebeständigen und heißgaskorrosionsbeständigen Material gebildet wird und sich nach unten leicht kegelförmig erweitert. An diese Rohrspirale wird ein kammartig ausgebildetes Metallband angeschweißt, das zum inneren Reaktor hin nach unten leicht winkelig angeordnet ist. Die mit der kammartigen Metallbandspirale verschweißte Rohrspirale ist so ausgebildet, dass sich die Windungen überdecken und in der Distanz so angeordnet sind, dass keine größeren Kohlepartikel durchtreten können. Diese werden vielmehr über die Schräge des Kammes nach unten geführt, wobei sich unter den Spiralen ein Schüttwinkel bildet, durch den das Gas nach außen strömen kann. Diese Rohrkammspirale wird mit einer hitzebeständigen Metallkette am Reaktorkern aufgehängt, sodass sie sich entsprechend der thermischen Ausdehnung bewegen kann.
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Der Winkel und der Oberfläche der Rostteller ist spiralförmig so gestaltet, dass bei der Drehbewegung des Rostes die Asche nach außen hin gefördert wird. Als Abgleitwinkel der Ascheteller für die Asche wird ein Winkel von 10 bis 20 °, vorzugsweise 15 °, gewählt. Die Rostteller sollten ebenfalls aus hochhitzebeständigem Stahlguss oder aus hochwertiger armierter Keramik hergestellt werden.
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Das kammartige Spiralgebilde wird vorzugsweise aus Nickel oder einer katalytisch wirkenden Metalllegierung gefertigt, welches bewirkt, dass durch das kammartige Gebilde durchtretendes Gas katalytisch reaktiv umgewandelt und gleichzeitig über das Spiralrohr gekühlt wird.
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Das Spiralrohr selbst wird über eine am Außenmantel des Reaktors befindliche Anschlussvorrichtung mit einer Wasserzuführung und einem Dampfkreislauf verbunden, wobei einerseits durch die Vorrichtung das Gas gekühlt und andererseits Dampf erzeugt wird, der im unteren Reaktorbereich zur Wassergas-Shift-Reaktion verwendet wird.
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Das Spiralrohr hat zusätzlich auch die Eigenschaft, dass es durch eine stoßweise Beaufschlagung in Bewegung versetzt werden kann, wodurch die Gasdurchlässigkeit der Austrittebene weiter verbessert und somit ebenfalls eine Kanalbildung verhindert wird. Desweiteren kann die Einrichtung durch die Ascherostbetätigung bewegt werden.
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Auf dem Drehrost wird die entgaste, noch nicht vergaste Reaktionskohle durch das aus dem Rost austretende Vergasungsmittel (Luft oder Luft-Dampfgemisch) in Gas umgewandelt.
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Das Rost wird mittels einer Temperatursteuerung so mit Vergasungsmittel beschickt, dass sich eine Ascheschicht vorgegebener Höhe auf dem Rost ausbildet. Beim Durchströmen des Rostes und der Ascheschicht wird die fühlbare Wärme der Asche zum Aufheizen des Vergasungsmittels genutzt, sodass eine nahezu 100% ige Ausnutzung der Brennstoffenergie erreicht wird.
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Das Rost selbst wird weiterhin so ausgebildet, dass es in einem tellerförmigen Unterteil mit Wasser, vorzugsweise Gaswaschwasser, teilweise gefüllt werden kann. Dieses Wasser wird durch Wärmeleitung und Strahlung des oberen Rosttellers verdampft, wodurch einerseits Dampf für die untere Vergasungszone des Reaktors erzeugt wird und zugleich die Rostoberfläche gekühlt wird. Zusätzlich kann das Drehrost mittels eines Drehantriebs bewegt werden.
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4. Wasserdampf erzeugendes Drehrostsystem
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Bei der Vergasung von Holz, Biomasse und/oder brennbaren Abfallstoffen wird zum Abbau des Vergasungsbettes als Vergasungsmittel üblicherweise Luft verwendet. Das Vergasungsmittel setzt den über dem Rost befindlichen Kohlenstoff C in CO oder CO2 um. Die dabei benötigte Luftmenge ist schwer zu bestimmen, da zu viel Luft eine hohe Reaktionstemperatur erzeugt, wobei es zur Bildung von Schlacke oder zum Schmelzen der Asche kommen kann oder sogar das Rost schmelzen kann.
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Die Erfindung sieht deshalb vor, durch Anreicherung der Vergasungsluft mit Wasserdampf die Reaktionstemperatur über dem Rost so zu steuern, dass zum einen die Reaktionstemperatur einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet und zum anderen eine gewünschte Gaszusammensetzung hinsichtlich der Anteile von H2 und CO erzielt wird.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen Wasserdampf in die Vergasungsluft eingegeben wird. Hierdurch kann eine Rostkühlung sowie eine gewisse Reaktionssteuerung erzielt werden. Jedoch kann damit die Dampfmenge damit nicht so gesteuert werden, dass sie der jeweiligen aktuellen reaktionskinetischen Situation auf der Rostoberfläche optimal entspricht.
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Diese ist von der Struktur und der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffs, dem Aschegehalt und der Aschezusammensetzung, der Leistungseinstellung und der Umgebungslufttemperatur sowie der jeweiligen Luftfeuchtigkeit abhängig.
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Die Erfindung sieht nun vor, eine direkte Regelung der Wasserdampfzufuhr durch die Temperatur auf der Rostoberfläche zu bewirken. Beim Vergaserbetrieb heizt sich das Ascherost durch den exothermen Oxidationsprozess auf dem Rost auf. Die dabei erzeugte Strahlungswärme wird mittels einer wassergefüllten Wanne unter dem Rost dazu genutzt, eine der Rosttemperatur proportional entsprechende Wasserdampfmenge zu erzeugen und mit der zugegebenen Vergasungsluft über eine Ringleitung in das Vergaserbett einzuleiten. Über die Wasserdampfzugabe erfolgt gleichzeitig eine Kühlung des Rostes. Zusätzlich wird durch die Wassergas- Generatorgas Reaktion eine dem Energieumsatz entsprechende Gaszusammensetzung bewirkt.
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5. Mehrzonen-Vergaser mit druckabhängiger Vergasungsmittelsteuerung
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Der bekannte Doppelfeuer-Vergaser und der erfindungsgemäße Mehrzonen-Vergaser gehören zur Gruppe der Schacht-Festbettvergaser, die aufgrund ihrer Ausgestaltung mehrere übereinander angeordnete Vergasungszonen aufweisen. Das Vergasungsmittel wird bei den genannten Vergasern aufgrund eines Unterdrucks, der beispielsweise im Reaktor durch den nachgeschalteten Zyklon-Wäscher oder einen Ansaugventilator erzeugt wird, über Eintrittsdüsen in den Reaktor eingesaugt. Der Druckabfall wird von den jeweiligen Durchströmungswiderständen vom Reaktoreinlass bis zum Gasaustrittsrohr bestimmt.
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Die Einstellung der jeweiligen Vergasungsmittelströme für diese Vergasungszonen erfolgt in der Regel statisch nach Erfahrung des Bedienpersonals über zugehörige Ventile. Nur bei völlig gleichmäßigem Vergasungsmaterial kann damit ein konstanter Betrieb und eine gleichmäßige chemische Gaszusammensetzung erreicht werden.
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Da unterschiedliche Holzarten, Stückgrößen, Feuchtegehalte und Feinteilgehalte unterschiedliche Ausgasungszeiten bzw. Reaktionszeiten benötigen, wird in der Regel bei den Doppelfeuervergasern das Vergasungsmittel der Hauptvergasungszone in zwei oder drei Zuführebenen, die axial übereinander liegen, in den Reaktor eingeführt. Eine einmal statisch eingestellte Vergasungsmittelmenge kann sich bei Veränderung der ReaktionsbettStruktur im Reaktor, verursacht durch wechselnde Materialqualität, so nicht den Veränderungen der örtlichen Durchflusswiderstände anpassen.
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Bei der Vergasung von Holz, Biomasse und vorgeformten Brennstoffen, wie Briketts, kann im ersten Fall durch Qualitätsschwankungen des Brennstoffs aufgrund der Naturbelassenheit eine vollkommene Gleichmäßigkeit des Brennstoffs kaum garantiert werden. Im Zuführbereich kann es durch Reibung und Zerfall zur Entmischung und Änderung des Feuchtegehaltes kommen, ebenso beim Einfüllvorgang in den Reaktor, wobei in der Schüttung erfahrungsgemäß gröbere Teile nach außen hin fallen und das Feinmaterial sich im Zentrum konzentriert. Bei Briketts und Pellets kann es zum Zerfall kommen, insbesondere wenn sie im oberen Reaktorbereich mit der im oberen Reaktor ausgetriebenen Feuchtigkeit länger in Kontakt kommen.
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Dies hat zur Folge, dass es im mittleren Reaktorbereich zu einer ungleichmäßigen Ausbildung des Reaktionsbettes kommt. Die Folge davon ist, dass sich der Widerstand des Reaktorbettes verändert. Bei zu viel Feinmaterial erhöht sich der Durchflusswiderstand, wodurch sich die mittlere Vergasungszone und damit auch die Reaktionsbettstruktur nach unten verschiebt. Damit verändert sich auch die Gasqualität. Darüber hinaus kann ein zu hoher Durchtrittswiderstand zur Kanalbildung führen und das Gas ungecrackte Bestandteile, wie schwere Kohlenwasserstoffe und Teer, enthalten, die es für technisch interessante Anwendungen, wie z.B. einen Motorantrieb, unbrauchbar macht.
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Ein wichtiges Erfindungsmerkmal ist deshalb eine druckgesteuerte Dosierung des Vergasungsmittels. Dabei wird der Bettwiderstand derart gesteuert, dass die Widerstand erzeugenden Feinteile aufgrund ihrer Feinstruktur vorrangig vergast werden. Zu diesem Zweck wird der Durchflusswiderstand über den jeweiligen statischen Druck im Reaktor in den verschiedenen Vergasungsebenen gemessen und die Zugabe von Vergasungsmittel so gesteuert, dass der Feinanteil und kleinere Partikel vorrangig vergast werden.
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Dazu wird im Reaktor in jeder Vergasungsebene unterhalb des Eintritts des Vergasungsmittels der statische Druck gemessen und in den Ebenen vermehrt Vergasungsmittel zudosiert, an denen der Unterdruck vom Sollwert abweicht, bis sich die Druckverhältnisse wieder den Sollwerten angeglichen haben.
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Für die jeweilige Zuteilung der Vergasungsmittel werden Gasdruckregler installiert, die über Steuerleitungen miteinander verknüpft und in einem hierarchischen System miteinander abgestimmt sind. Die Drucksteuerung der zirkularen Vergasungsmittelsteuerung ist ebenfalls mit der Roststeuerung verbunden. Auf diese Weise wird die Vergasungsmittelsteuerung für den Vergaser auch bei unterschiedlichem Gasdurchsatz gewährleistet.
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Hauptdruckkriterium ist dabei der Unterdruck im Gasaustrittsrohr des Reaktors. Dieser wird durch den Gesamtdurchflusswiderstand des Reaktorbettes und die geforderte Gasleistung des Reaktors bestimmt. Bei hoher Vergasungsleistung ist der Druckabfall infolge höheren Durchflusswiderstandes größer als bei geringer Vergasungsleistung, wobei die Soll-Druckstruktur innerhalb des Reaktors gleich bleiben muss.
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Vom Unterdruck am Reaktor-Gasaustrittsrohr werden die Vergasungsmittelmengen für die einzelnen Einlassdüsen erfindungsgemäß proportional gesteuert: Steigt der Unterdruck am Gasaustrittsrohr im Regelbetrieb, wird zunächst mehr Luft über das Rost eingegeben. Steigt der Unterdruck weiter an, wird von den drei Ebenen des Hauptvergasungsbereichs erst die nächstgelegene untere Ebene stärker aktiviert. Wenn nach einer gewissen Zeit keine Änderung eintritt oder sogar eine weitere Druckerhöhung stattfindet, wird die unterste Eindüsungsebene stärker mit Vergasungsmittel versorgt.
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Hierdurch wird bevorzugt Feinmaterial vergast, was zu einer Widerstandverminderung dieses Vergasungsbereichs führt. Fällt der Unterdruck auch dann nicht noch weiter ab, wird das Ascherost periodisch in Betrieb gesetzt, bis der Druck abfällt. Danach regulieren sich alle Drücke wieder auf die Normalstellung ein. Bei gröberem Vergasungsmaterial entsteht im Reaktor nur ein geringer Widerstand. In diesem Fall bewirkt das beschriebene System die höchste Vergasungsmittelzugabe in der obersten Vergasungsebene, wobei der längeren Entgasungszeit von gröberem Material Rechnung getragen wird.
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6. Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser mit interner Wasserdampferzeugung und - injektion sowie integrierter Wassergas-Shift-Reaktion zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute
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Die Erfindung zielt auf eine Maximierung der Wasserstoffausbeute im Vergasungsprozess. Dies vor dem Hintergrund, dass Bioenergie als erneuerbare Energie eingestuft wird, so dass der aus Biomasse gewonnene Wasserstoff als „grüner Wasserstoff“ eingestuft wird.
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„Grüner Wasserstoff“ gilt aufgrund seiner Speicherfähigkeit und Kohlenstofffreiheit als einer der bevorzugten zukünftigen Energieträger zur Substitution der fossilen Energieträger. Die Erfindung bietet damit einen alternativen thermischen Herstellungspfad für „grünen“ Wasserstoff aus Biomasse neben einer alternativen elektrischen Wasserstoffgewinnung aus einer Elektrolyse von Wasser.
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Ein entscheidendes Merkmal der Erfindung zur Steigerung der Wasserstoffausbeute basiert auf der Integration und Verstärkung von wasserstoffbildenden Umsetzungsreaktionen durch die gezielte Zuführung von Wasserdampf in den Vergasungsprozess. Bei der Vergasung von Biomassen sind folgende Reaktionen für die Wasserstoffbildung von Bedeutung:
| - | Reaktion 1 | C+ O2 | → | CO2 | exotherm | delta H= - 221 kJ/Mol |
| - | Reaktion 2 | 2 H2 + O2 | → | 2 H2O | exotherm | delta H= - 286 kJ/Mol |
| - | Reaktion 3 | C + H2O | → | CO + H2 | endotherm | delta H= +131,3 kJ/Mol |
| - | Reaktion 4 | C + CO2 | → | 2 CO | endotherm | delta H= +172,4 kJ/Mol |
| - | Reaktion 5 | CO + H2O | → | H2 + CO2 | exotherm | delta H= - 41,2 kJ/Mol |
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Die mit der herkömmlichen Technologie erzeugte Zusammensetzung des Produktgases eines Doppelfeuervergasers wurde oben bereits genannt. Der CO-Anteil des Gases kann entsprechend dem Generatorgas-Wassergas-Gleichgewicht (Wassergas-Shift-Reaktion) unter bestimmten Bedingungen in Wasserstoff unter Bildung von CO2 konvertiert werden (Reaktion 5).
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Grundsätzlich bietet der Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser nach den vorangehenden Ausführungen die Möglichkeit, zum einen das Kohlenmonoxid (CO) mittels der Zuführung von Wasserdampf im Bereich des Drehrostes zu konvertieren. Soweit das CO auf diesem Wege noch nicht umgesetzt wurde, kann die Umsetzung zusätzlich mittels einer Wasserdampfzuführung aus einem ringförmig ausgestalteten Gassammelraum erfolgen.
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Wie vorgehend beschrieben tritt das heiße Produktgas, auch als Synthesegas bezeichnet, durch das Gitterrost des Reaktors tangential aus und sammelt sich in einem ringförmigen Sammelraum, der um den unteren Reaktorkern angeordnet ist. In diesen Raum werden auch mit dem Gas mitgeführte Feinpartikel mitgeführt, die sich schwerkraftmäßig und durch Rotations- bzw. Zyklonwirkung auf dem äußeren Rand des Rostes absetzen. Hierbei werden die Kohlepartikel durch den Sauerstoff der Vergasungsluft und den Wasserdampf in CO-Gas umgesetzt. Dieses wird dann durch den zwischen Rost und äußerer Reaktorgehäusewand eintretenden Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Gleichzeitig wird auch durch den eintretenden Wasserdampf das im Gas enthaltene CO in Wasserstoff und CO2 konvertiert.
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Der Dampf für die Shift-Reaktion erfolgt über eine Dampferzeugungseinrichtung, die im Unterteil des Reaktors installiert ist. Diese Einrichtung ist doppelwandig ausgeführt und bildet die Außenseite der Gassammelkammer. Sie ist ringförmig um die Gassammelkammer angeordnet und ist zur Außenseite des Reaktors hin durch eine Isolierschicht gegen Wärmeverlust isoliert.
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Der Dampf wird unter einem leichten Überdruck von 10-30 mbar in der Gassammelkammer gespeichert und über ein thermisch gesteuertes Dosierventil und einen Injektor in den Unterteil des Reaktors eingeführt. Mittels Injektorwirkung wird zugleich Vergasungsluft mit angesaugt.
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Das Verhältnis von Gas und Luft wird über die Mischtemperatur beider Gase gesteuert, wobei eine Optimierung und Korrektur des Verhältnisses unter Berücksichtigung der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit über ein Steuergerät erfolgt. Durch die Hohlwelle des Drehrostes wird zusätzlich reiner Dampf in das Rost geleitet, wo er an der heißen Holzkohle zu Wasserstoff reduziert wird. Das im unteren Reaktorteil entsprechend dem Doppelfeuerprinzip gebildete Biokohlebett wird über die gezielte Einbringung von einem Gemisch von Vergasungsluft und Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt. Über das Rost, das tellerartig ausgeführt und mit verdeckten Luftdüsen versehen ist, wird im Zentrum durch das Mischungsverhältnis von Vergasungsluft und Wasserdampf ein Gemisch eingegeben, das mehr Oxidationsmittel als Wasserstoff enthält. Zum Seitenrand hin ist der Wasserdampfanteil höher.
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Das über die Rostteller nach außen gleitende Reaktionskohle-Asche-Gemisch landet auf dem Tellerrand, wo es zur Abwurfkante wandert. Zwischen der Rostabwurfkante und der äußeren Reaktorwand wird aus der Aschesammelkammer, die im Reaktorboden angeordnet ist, nur Wasserdampf in die sich darüber befindliche Gassammelkammer geleitet, wodurch das sich In der Gassammelkammer sammelnde Gas mit Wasserdampf übersättigt ist und die Shift-Reaktion von CO nach H2 optimiert wird.
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Die Überwachung und Steuerung der jeweiligen Temperaturen und Gas-Reduktionsmittel-Verhältnisse werden über Temperatursensoren, die über Strahlung und optische Leiter aus den Bettebenen übermittelt werden.
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Der Rost wird von einer Welle aus hitzebeständigem Stahl getragen, die zentrisch im Reaktorunterteil angeordnet ist und über einen Drehantrieb angetrieben wird.
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Die Rostwelle ist oberhalb der Lagerung mit einem sich nach oben verbreiternden Trichter versehen, der mit Wasser, vorzugsweise Gaswaschwasser gefüllt ist, das durch die Strahlungswärm und Wärmeleitung erhitzt wird, wodurch das Wasser verdampft.
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Gereinigt wird dieser Wasserbehälter, indem er kurz in einen erhitzten d.h. ungekühlten Zustand versetzt wird und dann schlagartig derart mit Wasser beaufschlagt wird, dass die Verschmutzungen herausgeschleudert werden
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In einer bevorzugten Erweiterung der Erfindung wird dem in der Reduktionszone erzeugten Synthesegas mit hohem CO-Anteil zusätzlich heißer Wasserdampf am Gasaustritt aus dem Reaktor zugeführt, wodurch in einer weiteren Konvertierung des CO mit H2O in H2 und CO2 mittels der bekannten „Wassergas-Shift-Reaktion“ bewirkt wird.
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Entsprechend der Energiebilanz wird dabei das Synthesegas abgekühlt. Die Shift-Reaktion ist hinsichtlich des chemischen Gleichgewichtes besonders günstig bei Prozesstemperaturen von etwa 400°C mit katalytischer Unterstützung durch einen Eisenoxid-Katalysator. Dieser günstige Temperaturbereich wird durch die Wasserdampfeinleitung und die Umsetzungsreaktion nach dem Gasaustritt reaktionsbedingt erreicht. Bei einer derart optimierten Prozessführung kann dadurch der CO-Anteil im Synthesegas erfindungsgemäß bis auf ca. 1% gesenkt werden.
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Ein zusätzlicher erfindungsgemäßer Vorteil der Zugabe von Wasserdampf mit dem Vergasungsmittel Luft ist die Möglichkeit einer Beeinflussung der Prozesstemperaturen. Der Wasserdampf kann entweder als überhitzter oder gesättigter Dampf oder auch als übersättigter Dampf mit zusätzlichen Wassertröpfchen, deren Verdampfung den temperatursenkenden Effekt zusätzlich unterstützt, in den Vergasungsprozess eingebracht werden. Mit geeigneten Temperaturmessfühlern an den genannten Reaktionszonen im Reaktor können die chemischen Reaktionen im Vergaser durch die Zugabe von Wasserdampf so thermisch beeinflusst werden.
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7. Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser mit metallurgischen Reaktionen mit Eisen und Zink zur zusätzlichen Wasserstofferzeugung
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Weitere Merkmale der Erfindung umfassen eine Integration ausgewählter metallurgischer Reaktionen zur zusätzlichen Wasserstofferzeugung. Das im Vergasungsreaktor erzeugte Synthesegas hat nämlich bei den erreichten Temperaturen die Eigenschaft, Metalloxide zum reinen Metall zu reduzieren. Dazu sind beispielsweise Eisen und Zink geeignet.
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Zur Reduktion von Eisenoxid soll erfindungsgemäß Eisenoxid dem Vergasungsstoff beigemischt werden. Beim Durchlaufen des Reaktors wird das Eisenoxid durch die Reduktionswirkung wie im Hochofen zu Metall reduziert. Das reduzierte Eisen wandert mit dem Kohlebett nach unten, wobei die Kohle vergast wird. Das reduzierte Eisen kann dann mit der Asche über das Drehrost ausgetragen und danach magnetisch aus der Asche separiert werden.
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Der gewonnene Eisenstaub kann dazu verwendet werden, an bestimmten vorzugsweise dezentralen Orten bzw. in Fahrzeugen, wo Wasserstoff gebraucht wird, durch eine Wasserzugabe Wasserstoff zu erzeugen. Das hier beschriebene Verfahren stellt im Gegensatz zu der Verwendung von komprimiertem Wasserstoff ein eher gefahrloses Verfahren dar, da das Eisen in der vorliegenden Form nicht gefährlich ist und die Erzeugung von Wasserstoff damit sehr genau gesteuert werden kann. Die Kosten für die Eisenreduktion entsprechen hierbei den Kosten des verbrauchten Brennstoffs, der auch aus minderwertigem Brennstoffmaterial bestehen kann.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung sieht die Erfindung eine metallurgische Reaktion des Synthesegases mit Zink vor. Die mittelbare Erzeugung von Wasserstoff aus Zink erfolgt über die Verwendung von Zinkpulver, das erfindungsgemäß im Vergaser selbst erzeugt wird.
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Dazu wird Zinkoxid zusammen mit dem Vergasungsmaterial in den Reaktor chargiert und durchläuft zusammen mit dem Brennstoff den Weg nach unten zum Rost, wo die Asche des umgesetzten Brennstoffs ausgetragen wird.
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Der Vergasungsprozess wird dabei erfindungsgemäß temperaturmäßig so gesteuert, dass die Temperatur etwas oberhalb der Verdampfungstemperatur des Zinks liegt. Im Kern des Reaktors wird bei Temperaturen von ca. 900 °C das Zinkoxid zu Zink reduziert und dabei bei diesem Temperaturniveau gasförmig. Der Zinkdampf wird dann zusammen mit dem Synthesegas aus dem Reaktor ausgeführt und in einem Kühlzyklon auf Kondensationstemperatur abgekühlt, kondensiert und abgeschieden. In vielen Versuchen wurde zur großen Überraschung festgestellt, dass eine dermaßen abgeschiedene Nano-Schicht aus metallischem Zink, Wasserdampfmoleküle im Synthesegas als effizienter Katalysator zu Wasserstoff reduziert, so dass Wasserstoffanteil im Synthesegas signifikant zunimmt.
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8. Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser mit integrierter CO2-Rückführung in das Kohlebett
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Der Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser bietet aufgrund seiner konstruktiven und prozesstechnischen Eigenschaften eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute. Ansatzpunkt ist hierzu das sich ausbildende heiße Biokohlebett im unteren Reaktorbereich. Hier werden die notwendigen Prozesstemperaturen zur Einleitung der oben genannten Reaktion 4 (C+CO2 → 2 CO) erreicht. Auf diese Weise kann mit einer Rückführung des in der nachfolgend beschriebenen Nachbehandlung des Produktgases abgeschiedenen CO2 mit dem Kohlenstoff des Biokohlebetts in zwei Moleküle Kohlenmonoxid gespalten werden, wobei diese Moleküle anschließend mit dem zugegebenen Wasserdampf erneut zu zusätzlichem Wasserstoff reduziert werden können.
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Mit dieser erfindungsgemäßen CO2-Rückführung wird die Wasserstoffausbeute im Produktgas im Verhältnis zum Kohlenstoffanteil im vergasten Bio-Brennstoff noch weiter verbessert.
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9. Betrieb des Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser mit dem Vergasungsmittel Sauerstoff
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Der Vergasungsprozess von Biomassen kann hinsichtlich der Wasserstoffausbeute noch gesteigert werden, wenn der Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser mit Sauerstoff als Vergasungsmittel betrieben wird. Größter Vorteil hierbei ist, dass alle Reaktionen und dadurch hervorgerufenen Störeinflüsse durch den hohen Stickstoffanteil in der Umgebungsluft vermieden.
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10. Mehrzonen-Doppelfeuer-Vergaser mit integrierter Gasnachbehandlung
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Für eine technische Verwendung des Wasserstoffs als Energieträger, z.B. als Heizgas, Kraftstoff für einen Motorbetrieb in BHKWs oder in Brennstoffzellen, oder als Reduktionsmittel, z.B. zur Metallgewinnung, muss das Gasgemisch von ungewünschten Inhaltsstoffen gereinigt werden. Die Erfindung sieht dazu die nachfolgend beschriebenen Prozessschritte vor.
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Im Hinblick auf die Gewinnung möglichst reinen Wasserstoffs wird das Gasgemisch erfindungsgemäß im Anschluss an die Shift-Reaktionen zunächst in einer Druckwäsche mit Wasser in einem Rotationswäscher behandelt. Dabei werden das Kohlendioxid, die verbliebenen höherwertigen Kohlenwasserstoffe sowie etwaige weitere Störstoffe abgetrennt. Dabei wird das Gas zusätzlich auf unter 100°C abgekühlt.
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Anschließend wird das verbleibende Gemisch, im Wesentlichen bestehend aus Wasserstoff und Rest-Kohlenmonoxid in einen Separator geleitet, in dem der Wasserstoff durch
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Absorption abgetrennt wird. Der Separator wird erfindungsgemäß aus zwei parallel angeordneten Adsorptionskolonnen gebildet, die für eine effektive Adsorption von Wasserstoff mit einer speziell aufbereiteten mikroporösen Aktivkohle gefüllt sind. Die Kolonnen werden abwechselnd jeweils so betrieben, dass die eine Kolonne auf Niedrigtemperatur im Absorptionsmodus und die andere Kolonne durch Erwärmung der Aktivkohle im Desorptionsmodus arbeitet. Zyklisch wird die Aktivkohle durch heißen Wasserdampf regeneriert. Die für die H2-Adsorption auszurüstende Aktivkohle kann aus speziell ausgewählten Kohlefraktionen bereitgestellt werden. Im Hinblick auf eine möglichst umfassend nachhaltige Ausgestaltung der Erfindung sollen bevorzugt verkohlte biologische Grundstoffe, z.B. aus Ernterückständen der Landwirtschaft, als Adsorptionsmittel verwendet werden.
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Nach der Desorption kann der Wasserstoff entweder direkt einem chemischen Umsetzungsprozess, z.B. einer Oxidation zur Wärmeerzeugungoder zum Antrieb eines Verbrennungsmotors, einem chemischen Reduktionprozess, z.B. einer metallurgischen Reduktion, genutzt oder für eine zukünftige Nutzung einem geeigneten Speicher zugeführt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der in Bezugnahme auf die 1 ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Die 1 zeigt einen Reaktor für die Vergasung von Holz und andere Biomassen mit erhöhter Wasserstoffausbeute. Die zu vergasende Biomasse wird durch die Brennstoffmaterialzufuhr (1) in den Reaktor eingeführt. Das Material bewegt sich abwärts, wobei durch die zunehmende Temperatur die Trocknung des Materials ausgelöst und Wasserdampf freigesetzt wird. Dieser entstehende Dampf aus der Materialtrocknung wird in den zentral angeordneten Dampfeinlass (3) in das Innenrohr eines Doppelmantelrohrs für den Trocknungsdampf und die obere Luftzufuhr (4), eingesaugt. Dabei wird der Ansaugdruck über den Gasauslass (10) mittels eines dem Reaktor nachgeordneten Saugventilators realisiert.
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Das innere Rohr leitet den Dampf bis in die untere Reaktorzone unterhalb der Ebene des Gasaustritts (10) und tritt über den Dampfauslass (12) in die dort gebildete Reduktionszone aus. Das äußere Mantelrohr reicht nur bis in die mittlere Reaktorzone in Höhe der äußeren Ringleitung für Vergasungsluft und Wasserdampf (9) und unterstützt zusätzlich die hier ablaufende Oxidation des Vergasungsmaterials.
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Der durch Ansaugwirkung des nachgeschalteten Ventilators erzeugten Unterdrücke sowie die Temperaturen im Reaktorraum werden über Drucksensoren (5,11,14) und Temperatursensoren (6,14) laufend überwacht und zur Regelung der Prozessparameter, wie oben beschrieben, genutzt. Angepasst an unterschiedliche Reaktorhöhen und - volumina können auch zusätzliche Druck- und Temperatursensoren vorgesehen werden.
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Im oberen Bereich des Reaktors wird die Reaktorwandung teilweise als Doppelmantel ausgeführt, um ein Volumen für Verdampfungsräume von Wasser (7) zu schaffen. Hier wird durch die Reaktionswärme der Pyrolyse und Verschwelung der Biomasse Wasser verdampft und der gebildete Dampf der oberen Ringleitung für Vergasungsluft und Wasserdampf (9) zugeleitet und in den Reaktorraum geleitet. In dieser Ebene tritt auch die durch den Lufteinlass (4) eingesaugte Luft aus dem äußeren Mantelrohr in den Reaktor ein, so dass hier eine Oxidationszone mit der größten Wärmeentwicklung ausgebildet wird.
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Das so gebildete Gas tritt in den Raum oberhalb des Drehrostes ein, in dem der Dampf aus dem Dampfaustritt (12) die Bildung von Wasserstoff durch Reduktion von CO zusätzlich verstärkt wird. Hier erfolgt eine Umlenkung des Gasstroms nach oben zum Gasauslass (10). Zusätzlich trifft hier die abwärts gerichtete Gasströmung auf die aufwärts gerichtete Gasströmung entsprechend dem Doppelfeuer-Prinzip durch das Drehrost (15), wodurch hier eine Erhöhung der Gasströmungsgeschwindigkeit resultiert. Um zu verhindern, dass mit der starken Gasströmung Kohle- und Aschepartikel mitgerissen werden, ist oberhalb des Drehrostes (15) das erfindungsgemäß ausgestaltete Rückhaltegitter (13) angeordnet, das die Feststoffanteile im Gas zurückhalten soll. Das Drehrost (15) kann über den Antrieb (17) gedreht werden, um einen gleichmäßigen Durchtritt der Aufwärtsströmung zu gewährleisten und Verstopfungen zu vermeiden. Die gebildete Asche wird nach Durchtritt durch das Drehrost (15) im Aschesammelraum (18) aufgenommen und dann entsorgt.
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Die aufwärts gerichtete Gasströmung wird durch eine Ringleitung (16) eingeführt. Dabei kann entsprechend dem Betriebszustand der Verbrennungsluft Wasserdampf und Kohlendioxid , das aus dem Produktgas in der Nachbehandlung abgeschieden wurde, beigemischt werden, um den Wasserstoffanteil im Produktgas weiter zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffmaterialzufuhr
- 2
- Wartungsflansch
- 3
- Dampfeinlass aus Trocknung
- 4
- Lufteinlass
- 5
- Druckmessung
- 6
- Temperaturmessung
- 7
- Verdampfungsraum für Wasser
- 8
- Luftauslass
- 9
- Ringleitung für Vergasungsluft und Wasserdampf
- 10
- Gasauslass
- 11
- Druckmessung
- 12
- Dampfaustritt
- 13
- Rückhaltegitter
- 14
- Temperatur- und Druckmessung
- 15
- Drehrost
- 16
- Ringleitung für Vergasungsluft, Wasserdampf und Kohlendioxid
- 17
- Antrieb für Drehrost
- 18
- Aschesammelraum
