DE102022001817A1

DE102022001817A1 - Verfahren zur Synthesegasgewinnung aus kohlenstoffhaltigen Reststoffen in einem Reaktor mit Helix-förmiger Durchströmung

Info

Publication number: DE102022001817A1
Application number: DE102022001817.9A
Authority: DE
Inventors: Arnim Spöttl
Original assignee: Biomass To Hydrogen GmbH
Current assignee: Future Now Holding De GmbH
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffen in einem Doppelschnecken-Reaktor. Zur Optimierung des Energie-Eintrages soll der Gasstrom in einer Helix-förmigen Bewegung die Vergaserzone des Reaktors durchströmen. Die durch die Helix-förmige Bewegung resultierenden Fliehkräfte drücken das Gas-Biokohle-Gemisch gegen die, von außen beheizte, Rohrwand. Bedingt durch die höhere Dichte der Biokohle konzentriert sich diese an der Rohrinnenwand und bildet so die erforderliche heiße Reaktionsschicht. Die Laufzeit durch den Reaktor wird gegenüber einer linearen Durchströmung um den Faktor 3 bis 4 erhöht. Die Drehbewegung des Synthesegases wird für eine Trennung von Synthesegas und Biokohle mit einem Horizontal-Zyklon-Abscheider noch im Reaktorrohr genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffen durch thermische Zersetzung dieser Reststoffe.
Bisher bekannte Verfahren arbeiten mit Trommel oder Wirbelschicht-Öfen. Diese haben den Nachteil, dass ein gesicherter Transport des Materials, beziehungsweise Temperaturverläufe schwer regelbar sind. Vielfach müssen sogar zwei Reaktoren hintereinandergeschaltet werden.
Eine vorteilhafte Systematik, die die oben genannten Nachteile vermeidet, ist der Doppelschneckenreaktor nach dem Patent DE 10 2019 007 853 A1 .
In der ersten Schneckenstufe findet hier die pyrolytische Zersetzung statt bei der die Vorstufen-Gase (H₂O, CO₂, CO, CH₄) und eine Mischung aus Kohlenstoff und anorganischen Bestandteilen, nachfolgend als Biokohle bezeichnet, erzeugt wird.
In der zweiten Reaktorstufe werden die Vorstufengase bei hoher Temperatur in thermo-chemischen Reaktionen mit dem Kohlenstoff in ein Synthesegas aus Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt
Für die chemischen Reaktionen ist ein inniger Kontakt zwischen der Biokohle und den Vorstufengasen in der Vergasungszone erforderlich. Gleichzeitig muss hier ein hoher Energie-Eintrag stattfinden, da die Reaktionen zu Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid endotherm sind.
In dem Patent DE 10 2019 007 853 A1 wird im Vergasungsbereich eine im Zentrum offene Schneckenstruktur mit Aufwirbelungs-Leisten beschrieben.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung biogenen Reststoffen wie Gärresten und Klärschlamm die Struktur der Eingangsstoffe vollständig zerstört wird und die resultierende Biokohle sehr feinkörnig ist. Diese Biokohle wird vom Gasstrom fast vollständig mitgerissen und eine zusätzliche Vermischung der Gase mit der Biokohle ist nicht erforderlich.
Die in dem Patent DE 10 2019 007 853 A1 beschriebene Vergaser-Systematik hat den Nachteil, dass durch die Gasströmung im Zentrum der Schecke der Energie-Eintrag vom beheizten Reaktorrohr durch eine isolierende Gasschicht im Bereich der Schnecken-Geometrie behindert wird. Auch ist die Zeit für den Energie-Eintrag sehr gering, da das Gas den Reaktor auf kürzesten Weg durchläuft. Die Umsetzung der Eingangsstoffe in ein Synthesegas ist hier nur eingeschränkt möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das durch die pyrolytische Zersetzung entstandene Gas-Biokohle-Gemisch möglichst vollständig in ein Synthesegas bestehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid umzuwandeln,
Dies kann nur durch einen optimierten Energiefluss durch das von außen beheizte Reaktorrohr in das Gas-Biokohle-Gemisch erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit der Gase ist im Vergleich zur Biokohle geringer. Eine Ausbildung einer heißen Reaktionsschicht aus Biokohle über der die Vorstufengase in einer turbulenten Strömung laufen ist daher besser als ein homogenes Gas-Biokohle-Gemisch, das den Reaktor durchströmt.
Zusätzlich soll nach dem Synthesegas-Prozess eine größtmögliche Trennung von Synthesegas und Biokohle noch im Reaktor-Rohr erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Legende:

1: Reaktorrohr
2: Förderschnecke
3: Offenes Zentrum
4: Tangential-Einlauf
5: Reaktionsschicht
6: Helix-förmige Strömung
7: Strukturen zum Aufbrechen der laminaren Strömung
8: Horizontal-Zyklon-Abscheider
9: Tauchrohr
10: Gas-Biokohle-Mischung
11: Biokohle
12: Synthesegas
13: Heiz-Energie
14: Drehantrieb der Schnecke
15: Ascheaustritt Schnecke
16: Ascheaustritt Zyklon-Abscheider
17: Schneckensteigung
18: Biomasse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019007853 A1 [0003, 0007, 0009]

Claims

Die durch pyrolytische Zersetzung von Biomasse (18) erzeugte Gas-Biokohle-Mischung (10) durchläuft den Vergaser-Bereich (1) in einer durch die Förderschnecke (2) erzwungenen Helix-förmigen Bewegung (6). Durch die Drehbewegung entstehen Fliehkräfte, die das Gas-Biokohle-Gemisch (10), gegen das von außen beheizte (13) Reaktorrohr (1) drücken. Bedingt durch die höhere Dichte der Biokohle (11) konzentriert sich diese an die Innenseite des Reaktorrohrs (3) und bildet so die heiße Reaktionsschicht (5) für den Synthesegas-Prozess. Durch die Helix-förmige Strömung (4) (6) erhöht sich die Durchlaufzeit im Reaktor um den Faktor 3 bis 4 gegenüber einer linearen Durchströmung, was ebenfalls zu einen besseren Energie-Eintrag (13) beiträgt. Die langsame Drehung (14) der Schnecke (2) an sich hat keinen Einfluss auf die Vergasung, sondern dient nur dem Transport von den festen Bestandteilen (11), sofern diese nicht schon von Gasstrom (10) durch den Reaktor (1) befördert wurden.
Die Helix-förmige Strömung (6) des Gas-Biokohle-Gemisches (10) soll für eine Trennung (4) von Synthesegas (12) und Biokohle (11) in einem Horizontal-Zyklon-Abscheider (8) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlauf ( 2) des Gas-Biokohle-Gemisches (10) in die Vergasungszone tangential (4) erfolgt, um eine Rotationsbewegung des einströmenden Gases ein zuleiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlaufbereich des Vergasers (1) eine Schneckenstruktur (2) mit offenem Zentrum (3) die Förderung von festen Bestandteilen (11) übernimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überleitung der Gasströmung in eine Helix-Form (6) durch eine sich stetig verringernde Steigung (17) der geschlossenen Schnecke (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schnecken-Oberfläche (2) Stör-Elemente (7) angebracht sind, die für eine turbulente Strömung das Gases (10) sorgen. Dadurch ist gewährleistet, dass die gesamte Gasmenge mit der Reaktionsschicht in Kontakt kommt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vergasungszone das Zentrum der Schnecke (2) wieder offen (3) ist und nur ein Randbereich für die Förderung der festen Bestandteile (11) dient.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der festen Bestandteile (11) mit einem in das Reaktorrohr (1) integrierten Horizontal-Zyklon-Abscheider (8) erfolgt. Der Leitapparat des Zyklons-Abscheiders kann hier entfallen, da die Gasströmung bereits die erforderliche Helix-Form hat, so dass nur ein konisches Tauchrohr (9) in das Reaktorrohr (1) eingebaut werden muss.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritte für die Biokohle (11) im Auslauf der Förderschnecke (15) und im hinteren Bereich (16) des Tauchrohres (9) räumlich getrennt voneinander liegen, um eine definierte Trennung zwischen Förderschnecke und Zyklon-Abscheider zu gewährleisten.