DE102022106172A1

DE102022106172A1 - Festbettvergaser mit Temperaturhomogenisierungsschicht

Info

Publication number: DE102022106172A1
Application number: DE102022106172.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Hofmeister; Horst Dressler
Original assignee: Mhr Holding Pte Ltd
Current assignee: Mhr Holding Pte Ltd
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2023-09-21
Also published as: WO2023175428A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Festbettvergaser (F) zum Erzeugen eines Produkt- oder Synthesegases aus festem Brennstoff, insbesondere aus Schlacke bildendem Brennstoff, mit einem, insbesondere zylindrischen, Vergaserbehälter (VB), der aufweist: eine Brennstoffzuführung (1) zum Zuführen eines festen Brennstoffes, eine oder mehrere Vergasungsmittelzuführungen (2a, 2b) zum Zuführen eines oder mehrerer Vergasungsmittel, welche zum Vergasen des in dem Behälter (VB) befindlichen festen Brennstoffes dient, und einen Auslass zum Abführen von Schlacke und Produktgas, welche bei der Vergasung des festen Brennstoffes entstehen. Dabei ist zumindest ein Abschnitt einer Behälterwandung des Vergaserbehälters (VB) von einer Temperaturhomogenisierungsschicht (15) umgeben, deren Wärmeleitfähigkeit größer als die Wärmeleitfähigkeit der Behälterwandung ist und die in axialer Richtung und Umfangsrichtung des Vergaserbehälters (VB) für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Behälterwandung sorgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produkt - oder Synthesegases aus festem Brennstoff, insbesondere aus Schlacke bildendem Brennstoff, mit einem, insbesondere zylindrischen, Vergaserbehälter. Der Vergaserbehälter weist eine Brennstoffzuführung zum Zuführen eines festen Brennstoffes, eine Vergasungsmittelzuführung zum Zuführen eines Vergasungsmittels, das zum Vergasen des in dem Behälter befindlichen festen Brennstoffes dient, und einen Auslass zum Abführen von Schlacke und Asche und Produktgas auf, welche bei der Vergasung des festen Brennstoffes entstehen.
Im Festbettvergaser wird (schüttbarer) Brennstoff, insbesondere Biomasse, in einem festen Zustand (fester Brennstoff), üblicherweise Holz oder Kohle, Klärschlamm aber auch biomasseartige und andere Sekundärbrennstoffe, als auch anteilig Hausmüll/Kunststofffraktionen, thermo-chemisch in ein brennbares Produkt- oder Synthesegas (Brenngas) mit Hilfe eines Vergasungs- oder Oxidationsmittels, insbesondere Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf, umgewandelt. Über die Vergasung im Festbettvergaser kann der Festbrennstoff in einen gasförmigen Sekundärbrennstoff bzw. in ein Produktgas umgewandelt werden, das bspw. bei der Stromerzeugung oder als Kraft- und Treibstoff (Brenngas) oder für die Nutzung als Synthesegas für die chemische Synthese eingesetzt werden kann.
Der Festbettvergaser bzw. der Vergaserbehälter ist in seiner Höhenrichtung bzw. Axialrichtung in unterschiedliche, aneinandergrenzende Temperaturzonen unterteilt. Die der Öffnung nächstliegende Temperaturzone ist eine Trocknungszone, in der bei einer Trocknungstemperatur das in dem festen Brennstoff enthaltene Wasser verdampft wird. In Höhenrichtung unterhalb der Trocknungszone schließt sich eine Pyrolysezone an diese an. In der Pyrolysezone wird bei einer Pyrolysetemperatur der feste Brennstoff zersetzt. In Höhenrichtung unterhalb der Pyrolysezone schließt sich eine Oxidationszone an diese an. In der Oxidationszone werden bei einer Oxidationstemperatur der in dem zersetzten Festbrennstoff enthaltene Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) bzw. zu Wasser (H₂O) oxidiert. In Höhenrichtung unterhalb der Oxidationszone schließt sich eine Reduktionszone an diese an. In der Reduktionszone werden das aus der Oxidationszone enthaltene Kohlenstoffdioxid (CO₂) bzw. das Wasser (H₂O) bei einer Reduktionstemperatur zu dem brennbaren Produkt- oder Synthesegas als Produkt der Festbettvergasung reduziert. Im Festbettvergaser ist die Trocknungstemperatur kleiner als die Pyrolysetemperatur, die wiederum kleiner als die Oxidationstemperatur ist, welche wiederum größer als die Reduktionstemperatur ist. Als fester Bestandteil des vergasten Festbrennstoffs bleibt kohlenstoffhaltige Asche zurück.
Weiterhin können Festbettvergaser dazu verwendet werden, als Brennstoff einen Schlacke bildenden Brennstoff bzw. Biomasse, insbesondere biologische Reststoffe, vorzugweise Abfälle, weiter vorzugsweise Klärschlamm, zu vergasen. Die Vergasung solcher Schlacke bildenden Brennstoffe, insbesondere von Klärschlamm, dient der umweltfreundlichen Entsorgung dieser Stoffe.
Bei der Festbettvergasung, insbesondere in Fällen, in denen Schlacke bildende Brennstoffe, wie z.B. Abfälle, als zu vergasende Biomasse verwendet werden, ist die Oxidationstemperatur je nach verwendetem Material unterschiedlich / schwankend. Zwar wird die Oxidationstemperatur in einem bestimmten Bereich gehalten, aber es treten im Vergaserbehälter, insbesondere beim An- und Abfahren des Festbettvergasers (beim Starten und Beenden der Vergasung), große Temperaturgradienten auf. Die Temperaturgradienten (örtliche Temperaturunterschiede) liegen vor allem in Höhenrichtung bzw. Axialrichtung (entlang der Längsachse des Festbettvergasers bzw. des Vergaserbehälters) sowie auch in Umfangsrichtung und ggf. auch in Radialrichtung vor. Bei Temperaturgradienten, die größer als ein bestimmter Grenz-Temperaturgradient sind, verformt sich der Vergaserbehälter plastisch und somit dauerhaft und muss nach kurzer Zeit ausgewechselt bzw. ersetzt werden. Das ist nicht wirtschaftlich.
Hitzebeständige Werkstoffe, wie Beton, Schamott oder Keramik, haben eine zu geringe Thermoschockbeständigkeit, um den schnellen und hohen Temperaturänderungen (zeitliche Temperaturunterschiede) in diesen relativ kleinen Anlagen zu folgen. Sie brechen und zerbröseln nach kurzer Zeit.
Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Festbettvergaser bereitzustellen, der das oben beschriebene Problem löst. Insbesondere soll ein Festbettvergaser vorgesehen sein, dessen Betrieb langfristig wirtschaftlich ist. Vorzugweise soll ein Festbettvergaser bereitgestellt werden, bei dem große Temperaturgradienten, insbesondere in Höhenrichtung und Umfangsrichtung und ggf. in Radialrichtung des Festbettvergasers, vermieden werden.
Die der Offenbarung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Festbettvergaser nach Anspruch 1 gelöst.
Demnach betrifft die vorliegende Offenbarung einen Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produkt- oder Synthesegases aus festen Brennstoffen, insbesondere aus Schlacke bildenden Brennstoffen, mit einem, insbesondere zylindrischen, Vergaserbehälter. Der Vergaserbehälter weist eine Brennstoffzuführung zum Zuführen eines festen Brennstoffes, eine oder mehrere Vergasungsmittelzuführung(en) zum Zuführen eines oder mehrerer Vergasungsmittel(s), welches / welche zum Vergasen des in dem Behälter befindlichen festen Brennstoffes dient, und einen Auslass zum Abführen von Schlacke, kohlenstoffhaltiger Asche und Produkt -und Synthesegas auf, welche bei der Vergasung des festen Brennstoffes entstehen. Zumindest ein Abschnitt einer Behälterwandung des Vergaserbehälters, insbesondere eines Vergasereinsatzes im Vergaserbehälter, ist von einer Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben, deren Wärmeleitfähigkeit (wesentlich) größer als die Wärmeleitfähigkeit der Behälterwandung ist und die in Axialrichtung und Umfangsrichtung des Vergaserbehälters für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Behälterwandung sorgt.
Indem die Temperaturhomogenisierungsschicht an dem Vergaserbehälter, insbesondere im Vergasereinsatz, in dem große Temperaturgradienten von 450 K oder gar mehr auftreten können, angebracht ist, wird die Temperatur gleichmäßig bzw. homogen über die Behälterwandung verteilt. Indem die Temperaturhomogenisierungsschicht eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als die Behälterwandung hat, gleichen sich zuvor unterschiedliche Temperaturbereiche in dieser Temperaturhomogenisierungsschicht gegenseitig aus. Demnach werden große Temperaturgradienten von 450 K oder gar mehr vermieden. Falls überhaupt noch Temperaturgradienten in der Behälterwandung auftreten, sind diese deutlich kleiner als 450 K, bspw. maximal 200 K groß. Damit kann dank der Temperaturhomogenisierungsschicht vermieden werden, dass sich die Behälterwandung verzieht bzw. dauerhaft plastisch verformt und verlängert somit die Lebensdauer des Vergaserbehälters, insbesondere des Vergasereinsatzes deutlich. Dieses Verfahren gewährleistet bei häufigem An-und Abfahren des Vergasers eine langfristige wirtschaftliche Nutzung.
Bei einem Aufheizen des Festbettvergasers erreicht der Vergaserbehälter, insbesondere der Vergasereinsatz schnell seine Betriebstemperatur von ca. 700 °C bis ca. 900 °C. Unabhängig von der Betriebsweise des offenbarungsgemäßen Festbettvergasers bleibt die Temperatur selbst bei einem Stopp des Festbettvergasers in dem Betriebstemperaturbereich von ca. 700 °C bis ca. 900 °C. Punktuell kann es in diesem Prozess in der Schüttung zu Temperaturspitzen von 1000-1700°C kommen.
Vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachstehend näher erläutert.
Vorteilhafterweise ist die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturhomogenisierungsschicht mindestens 3,8 Mal, vorzugsweise mindestens 9 Mal, weiter vorzugsweise mindestens 19 Mal, größer als die Wärmeleitfähigkeit der Behälterwandung.
Bei derartigen Unterschieden in der Wärmeleitfähigkeit zwischen Temperaturhomogenisierungsschicht und Behälterwandung kann sichergestellt werden, dass die Temperatur ausreichend gleichmäßig über die Behälterwandung verteilt werden kann.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Behälterwandung einen Innenmantel ausbildet, der zusammen mit einem von dem Innenmantel, insbesondere in Radialrichtung, beabstandeten Außenmantel die Temperaturhomogenisierungsschicht einschließt und die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturhomogenisierungsschicht ebenfalls größer als die Wärmeleitfähigkeit des Innen- und Außenmantels ist. Innen- und Außenmantel bilden vorzugsweise einen Ringkanal, in dem die Temperaturhomogenisierungsschicht aufgenommen ist.
Im Festbettvergaser können Temperaturen von bis zu 1700 °C auftreten. Die Temperaturhomogenisierungsschicht kann dabei bis zu 1200°C erreichen. Es kann dabei sein, dass die Schmelztemperatur des Materials, das die Temperaturhomogenisierungsschicht ausbildet, erreicht wird. Damit die geschmolzene Temperaturhomogenisierungsschicht nicht einfach „wegfließt“, ist sie von Innenmantel und Außenmantel eingeschlossen und bleibt damit in dem entsprechenden Abschnitt der Behälterwandung. Indem die Wärmeleitfähigkeit des Innen- und Außenmantels geringer als die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturhomogenisierungsschicht ist, wird die Wärme vom Vergaserbehälter nicht abgeführt. Dies ist im Hinblick auf die Energiebilanz des Festbettvergasers positiv und sorgt dafür, dass ein hoher Wirkungsgrad im Festbettvergaser erhalten bleibt.
Durch die Temperaturhomogenisierungsschicht bleibt der Innen- und Außenmantel unterhalb von seiner Schmelztemperatur, obwohl die Temperaturen in der Schüttung über der Schmelztemperatur des Materials des Innen- und Außenmantels liegen können.
Vorzugsweise ist für die Behälterwandung bzw. für den Vergasereinsatz ein Außen- und Innenmantel vorgesehen, deren Materialen so zu wählen sind, dass deren Schmelzpunkt oberhalb von den maximal i in der Temperaturhomogenisierungsschicht erreichten Temperaturen, insbesondere oberhalb von 1200°C, liegt.
Somit kann vermieden werden, dass die Behälterwandung bzw. der Außen- und Innenmantel des Vergasereinsatzes schmilzt.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn Außenmantel und Innenmantel aus demselben Material ausgebildet sind. Weiter ist es im Hinblick auf den Kerngedanken der vorliegenden Offenbarung sehr sinnvoll, wenn die Temperaturhomogenisierungsschicht aus einem anderen Material als die Behälterwandung bzw. der Innenmantel und insbesondere auch als der Außenmantel ausgebildet ist.
Es ist wünschenswert, wenn die Temperaturhomogenisierungsschicht aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 190 W/mK hat.
Wenn die Temperaturhomogenisierungsschicht eine derartige Wärmeleitfähigkeit hat, kann sichergestellt werden, dass die Temperatur ausreichend gleichmäßig über die Behälterwandung verteilt werden kann. Je höher die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturhomogenisierungsschicht ist, desto gleichmäßiger ist die Temperaturverteilung in der Behälterwandung.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass in dem Vergaserbehälter der feste Brennstoff in unterschiedlichen in Axialrichtung aufeinanderfolgenden bzw. aneinandergrenzenden Temperaturzonen, die insbesondere eine Trocknungszone, eine Pyrolysezone, eine Oxidationszone und eine Reduktionszone aufweisen, vergast wird und sich der Abschnitt der Behälterwandung des Vergaserbehälters, der von der Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben ist, zumindest (in Axialrichtung) über den Bereich der unterschiedlichen Temperaturzonen erstreckt.
Im Bereich der unterschiedlichen Temperaturzonen im Vergaserbehälter treten die größten Temperaturgradienten im Festbettvergaser auf. Dementsprechend ist es besonders sinnvoll, wenn an dieser Stelle bzw. in diesem Bereich die Temperaturhomogenisierungsschicht vorgesehen ist. An dieser Stelle hat die Temperaturhomogenisierungsschicht den größten Effekt auf die gleichmäßige Temperaturverteilung im Festbettvergaser.
Es ist auch denkbar, dass die Behälterwandung aus Edelstahl oder Schwarzstahl, vorzugsweise Edelstahl, und die Temperaturhomogenisierungsschicht aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Legierungen davon, vorzugsweise aus Kupfer, hergestellt ist.
Wenn Edelstahl oder Schwarzstahl für die Behälterwandung bzw. den Innenmantel und vorzugsweise auch für den Außenmantel und Kupfer, Aluminium, Silber oder Legierungen davon für die Temperaturhomogenisierungsschicht verwendet werden, kann sichergestellt werden, dass die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturhomogenisierungsschicht ausreichend größer als die der Behälterwandung ist.
Dabei hat Edelstahl eine Wärmeleitfähigkeit von 21 W/mK, Schwarzstahl eine Wärmeleitfähigkeit von 50 W/mK, Aluminium eine Wärmeleitfähigkeit von 190 W/mK, Kupfer eine Wärmeleitfähigkeit von 400 W/mK und Silber eine Wärmeleitfähigkeit von 427 W/m K.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Innenmantel und der Außenmantel jeweils aus Edelstahl und die Temperaturhomogenisierungsschicht aus Kupfer hergestellt ist.
Wenn Edelstahl für den Innenmantel bzw. die Behälterwandung verwendet wird, kann eine ausreichende Zunderfestigkeit des Innenmantels bzw. der Behälterwandung sichergestellt werden. Edelstahl hat eine höhere Zunderfestigkeit als Schwarzstahl. Eine hohe Zunderfestigkeit ist vor allem in Anbetracht der hohen Maximaltemperaturen im Festbettvergaser entscheidend. Zunder ist das bei hoher Temperatur entstehende feste Produkt einer Reaktion eines Metalls mit seiner, insbesondere gasförmigen, Umgebung. Die Verzunderung führt zur Zerstörung des metallischen Werkstoffes. Eine hohe Zunderfestigkeit eines Metalls wirkt einer Verzunderung dieses Metalls entgegen. Weiterhin wirkt das Kupfer der Temperaturhomogenisierungsschicht so positiv auf den Edelstahlmantel (Innenmantel und Außenmantel zusammen) ein, dass sich aufgrund seiner besonders temperaturhomogenisierenden Wirkung der Edelstahlmantel nicht verzieht (was bei großen Temperaturschwankungen bzw.-gradienten geschehen würde). Im Vergleich zu Silber ist Kupfer spürbar günstiger und seine Wärmeleitfähigkeit für die temperaturhomogenisierende Wirkung der Temperaturhomogenisierungsschicht ausreichend. Zwar ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium für die temperaturhomogenisierende Wirkung der Temperaturhomogenisierungsschicht ausreichend, die von Kupfer aber deutlich besser.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Vergasereinsatz (mit Temperaturhomogenisierungsschicht und Außenmantel) von einer Temperatur-Isolierschicht umgeben ist.
Die Temperatur-Isolierschicht verstärkt dabei die temperaturhomogenisierende Wirkung der Temperaturhomogenisierungsschicht.
Weiter ist es sinnvoll, wenn die Temperatur-Isolierschicht eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als die Behälterwandung, insbesondere eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/mK, aufweist.
Wenn die Temperatur-Isolierschicht eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als die Behälterwandung und insbesondere auch als der Außenmantel hat, verhindert sie damit eine Weiterleitung der im Vergaserbehälter auftretenden Wärme an die Umgebung.
Es kann sein, dass eine höhere Leistung des verwendeten Vergasers gewünscht ist. Je größer die gewünschte Leistung des Festbettvergasers ist, desto größer sollte der Durchmesser, insbesondere der Innendurchmesser, des Vergaserbehälters gewählt sein.
Durch diesen einfachen Zusammenhang kann die Leistung des Festbettvergasers über Einstellung des Vergaserbehälterdurchmessers einfach angepasst werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Dicke der Temperatur-Isolierschicht mit zunehmendem Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters, insbesondere des Vergasereinsatzes, der von der Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben ist, zunimmt; und die Dicke der Temperatur-Isolierschicht mit zunehmender Dicke der Temperaturhomogenisierungsschicht abnimmt.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Temperatur-Isolierschicht immer ausreichend den Vergaserbehälter von der Umgebung wärmetechnisch isoliert.
Es ist sinnvoll, dass, wenn die Tempertaturhomogenisierungsschicht aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 190 W/mK hat, vorzugsweise aus Kupfer hergestellt ist, bei einem Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters, der von der Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben ist, von bis zu 600 mm die Dicke der Temperaturhomogenisierungsschicht zwischen 3 mm und 5 mm, insbesondere 5 mm, beträgt und bei einem Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters, der von der Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben ist, von gleich oder größer als 600 mm bis 1000 mm die Dicke der Temperaturhomogenisierungsschicht zwischen 5 mm und 7 mm, insbesondere maximal 7 mm, beträgt.
Bei einer solchen Wahl der Dicke der (Kupfer-) Temperaturhomogenisierungsschicht in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters, der von der Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben ist, wird sichergestellt, dass die temperaturhomogenisierende Wirkung der (Kupfer-) Temperaturhomogenisierungsschicht bei jeder Festbettvergasergröße sichergestellt ist.

Folgende Tabelle 1 zeigt die Zusammenhänge zwischen dem Durchmesser des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters, der von der Temperaturhomogenisierungsschicht umgeben ist (vereinfacht als Abschnittsdurchmesser bezeichnet), der Dicke der (Kupfer-) Temperaturhomogenisierungsschicht (vereinfacht als Schichtdicke bezeichnet) und der Dicke der Temperatur-Isolierschicht (vereinfacht als Isolierdicke bezeichnet): Tabelle 1

Abschnittsdurchmesser [mm]	Schichtdicke [mm]	Isolierdicke [mm]
≤ 200	5	20
≤ 200	3	30
200 - 350	5	30
200 - 350	3	45
350 - 450	5	50
350 - 450	3	65
450 - 600	5	60
450 - 600	3	100
600 - 750	6	80
600 - 750	5	100
750 - 1000	7	140
750 - 1000	6	160

Es ist außerdem sinnvoll, wenn die Behälterwandung, die insbesondere aus Edelstahl ausgebildet ist, bzw. der Innenmantel eine Wanddicke von 3 mm bis 4 mm aufweist.
Eine Behälterwandung in dieser Materialstärke kann den aufgrund der Schlackebildung in der Oxidationszone entstehenden mechanischen Kräften ausreichend standhalten. Wenn die Behälterwandung dicker als 4 mm ist, z.B. 5 mm oder dicker, ist der Wärmetransport in die Temperaturhomogenisierungsschicht schlechter als bei der bevorzugten Behälterwandungsstärke.
Es ist ein vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Offenbarung, dass der Vergaserbehälter einen Fallschacht, in den sowohl die Vergasungsmittelzuführung als auch die Brennstoffzuführung münden, und einen separat von diesem ausgebildeten Vergasereinsatz bzw. Brennraumreinsatz aufweist, der den Auslass zum Abführen von Schlacke und kohlestoffhaltiger Asche und Produkt- und Synthesegas aufweist und Innenmantel, Außenmantel und Temperaturhomogenisierungsschicht ausbildet.
Wenn der Vergaser einen Vergasereinsatz aufweist, der separat von dem Fallschacht ausgebildet ist, kann der Vergasereinsatz unabhängig von den restlichen Festbettvergaser-Komponenten einfach ausgetauscht werden. Außerdem ist die Kombination aus Behälterwandung bzw. Innenmantel mit Temperaturhomogenisierungsschicht und bevorzugt mit Außenmantel besonders leicht in Form eines Vergasereinsatzes zu fertigen.
Vorzugsweise sind Vergasereinsatz und Fallschacht thermisch getrennt, so dass lediglich im Bereich bzw. über die Länge des Vergasereinsatzes für eine Temperaturhomogenisierung gesorgt werden muss.
Es ist dabei sinnvoll, wenn der Vergasereinsatz über eine Halterung, die insbesondere eine stabile Isolierplatte ist, direkt, d.h. ohne Zwischenelement, oder indirekt, bspw. über den Fallschacht, mit einem den Vergaserbehälter zumindest teilweise umgebenden Vergasermantel verbunden ist.
Kurzbeschreibung der Figuren

1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Festbettvergasers;
2 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Vergasereinsatzes;
3 ist eine schematische Draufsicht auf zwei Walzen;
4 ist eine schematische Längsschnittansicht zweier nebeneinander angeordneter Walzen; und
5 ist eine vereinfachte schematische Längsschnittansicht eines Festbettvergasers mit mehr als zwei Walzen.

Beschreibung der Aspekte der vorliegenden Offenbarung
Nachstehend werden Aspekte der vorliegenden Offenbarung auf der Basis der zugehörigen Figuren beschrieben. Die dargestellten Aspekte sind lediglich beispielhaft und können, soweit technisch sinnvoll, miteinander kombiniert werden.
1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Festbettvergasers F. Der nachfolgend beschriebene Festbettvergaser F ist insbesondere zur Vergasung von Schlacke bildenden festen Brennstoffen, insbesondere von Abfällen, z.B. Klärschlamm, geeignet. Der Festbettvergaser F weist einen Vergaserbehälter VB auf. Der Vergaserbehälter VB weist in seinem in Axialrichtung bzw. Höhenrichtung H betrachteten obersten Abschnitt eine Brennstoffzuführung 1 sowie eine Haupt-Vergasungsmittelzuführung 2a und eine Neben-Vergasungsmittelzuführung 2b auf. Über die Brennstoffzuführung 1 wird dem Vergaserbehälter VB der zu vergasende (feste) Brennstoff, insbesondere Schlacke bildender Brennstoff, zugeführt. Über die Vergasungsmittelzuführungen 2a, 2b wird dem Vergaserbehälter VB des Festbettvergasers F ein Vergasungsmittel, wie Luft, Sauerstoff, Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid, zugeführt. Der Vergaserbehälter VB weist einen Fallschacht 3 auf, an dessen obersten Abschnitt in einer Höhenrichtung H sich die Brennstoffzuführung 1 und die Vergasungsmittelzuführungen 2a, 2b anschließen. Der Fallschacht 3 mündet mit seinem untersten Abschnitt in einen, insbesondere druckdichten, Vergasermantel 4. Der Fallschacht 3 ist hohlzylindrisch ausgebildet.
Die Haupt-Vergasungsmittelzuführung 2a kommt bei jeder Betriebsart des Festbettvergasers F zum Einsatz. Die Neben-Vergasungsmittelzuführung 2b kommt zum Einsatz, wenn man mit Sauerstoff und Wasserdampf/Kohlendioxid die Anlage fährt. Der druckdichte Vergasermantel 4 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet. An seiner Oberseite (oberste Seite des Vergasermantels 4 in Höhenrichtung H) weist der Vergasermantel 4 eine Öffnung 5 auf, über die der Fallschacht 3 mit dem Vergasermantel 4 verbunden ist. Der Oberteil des Festbettvergasers F, also der Fallschacht 3 mit Brennstoffzuführung 1 und Haupt-Vergasungsmittelzuführung 2a sowie Neben-Vergasungsmittelzuführung 2b bildet einen Flansch 5 aus und ist an den Vergasermantel 4 angeflanscht. Die Flanschverbindung zwischen dem Oberteil des Festbettvergasers F und dem Vergasermantel 4 ist zur Umwelt hin gasdicht abgedichtet, sodass kein Gas zwischen dem Oberteil des Festbettvergasers F und dem Vergasermantel 4aus dem Festbettvergaser F entweichen kann.
In dem Vergaserbehälter VB, der in den Vergasermantel 4 hineinragt, liegen innerhalb des Vergasermantels 4 in Höhenrichtung H aufeinanderfolgende, unterschiedliche Temperaturzonen 6 bis 9 vor. Die in Höhenrichtung H des Festbettvergasers F betrachtete oberste Temperaturzone ist die Trocknungszone 6. Bei einer Trocknungstemperatur von ca. 100°C wird hier das in dem Brennstoff enthaltene Wasser verdampft. Darunter schließt sich die Pyrolysezone 7 an, in der bei einer Pyrolysetemperatur von bis zu 250°C der Brennstoff zersetzt wird. Unterhalb der Pyrolysezone 7 schließt die Oxidationszone 8 an, in der bei einer Oxidationstemperatur von bis zu 1700°C der im Brennstoff vorkommende Kohlenstoff und Wasserstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert werden (s.o.). Unterhalb der Oxidationszone 8 schließt die Reduktionszone 9 als unterster Abschnitt des Vergaserbehälters VB an, in der bei einer Reduktionstemperatur zwischen 600°C und 800°C das in der Oxidationszone 6 gewonnene Kohlenstoffdioxid und Wasser reduziert werden. Nach der Reduktion liegt das fertige Produkt, nämlich ein Produkt- oder Synthesegas, vor.
Als fester Rückstand der Vergasung in den Temperaturzonen 6 bis 9 im Festbettvergaser F bleiben kohlenstoffhaltige Asche sowie Schlacke übrig. Diese werden über einen Auslass am Vergaserbehälter VB (unterster Abschnitt des Vergaserbehälters VB in Höhenrichtung H), der innerhalb des Vergasermantels 4 angeordnet ist, in den Vergasermantel 4 ausgelassen. Um diese festen Rückstände aus dem Vergasermantel 4 abzuführen und homogene Schüttungsverhältnisse im Vergasermantel 4 garantieren zu können, werden die festen Rückstände mithilfe von zumindest zwei gegenläufig drehenden Walzen 10 (in Bezug auf 3 bis 5 näher beschrieben), die in einem (in Höhenrichtung H betrachteten) unteren Abschnitt des Vergasermantels 4 angeordnet sind, in einen Asche- und Gasabzug 11 gefördert. Der Vergasermantel 4 verjüngt sich zum Asche- und Gasabzug 11 hin konisch. Über den Asche- und Gasabzug 11 werden die festen Rückstände sowie das gewonnene Produktgas aus dem Festbettvergaser F abgeführt.
Der Abschnitt des Vergaserbehälters VB, in dem die Temperaturzonen 6 bis 9 vorliegen, ist hier als separat von dem Fallschacht 3 ausgebildeter Vergasereinsatz 12 ausgebildet. Der Vergasereinsatz 12 ist innerhalb des Vergasermantels 4 angeordnet und erstreckt sich in die Höhenrichtung H. Der Vergasereinsatz 12 weist, wie auch der Fallschacht 3, eine Hohlzylinderform auf. Der Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, des Vergasereinsatzes 12 entspricht vorteilhafterweise dem Durchmesser, vorzugsweise Innendurchmesser, des Fallschachts 3. Der Vergasereinsatz 12 beschränkt den Durchmesser der Temperaturzonen 6 bis 9 auf seinen eigenen Innendurchmesser.
Die einer Mittellängsachse M des Vergaserbehälters VB zugewandte Seite des Vergasereinsatzes 12, der zumindest einen Abschnitt der Behälterwandung des Vergaserbehälters VB ausbildet, wird als Innenmantel 13 bezeichnet. Der Innenmantel 13 ist vorteilhafterweise aus Edelstahl gefertigt. Zusammen mit einem Außenmantel 14, der von dem Innenmantel 13 parallel beabstandet ist, schließt der Innenmantel 13 eine Temperaturhomogenisierungsschicht 15 ein. Der Außenmantel 14 ist vorteilhafterweise ebenfalls aus (stabilem) Edelstahl hergestellt. Insbesondere wird Kupfer als Temperaturhomogenisierungsschicht 15 verwendet. Das Kupfer sorgt dafür, dass die Temperatur in Höhenrichtung H und in Umfangsrichtung des Vergaserbehälters VB optimal homogen verteilt ist.
Der Vergasereinsatz 12, insbesondere dessen oberster Abschnitt in Höhenrichtung H, ist mithilfe einer Halterung 16, mit dem Fallschacht 3, insbesondere mit dessen unterstem Abschnitt in Höhenrichtung H, verbunden. Die Halterung 16 ist eine Art Flansch, der an den Vergasereinsatz angeflanscht ist. Als Dichtung für die beiden Flansche kann eine Isolierplatte angebracht sein. , Durch diese Isolierplatte ist der Vergasereinsatz 12 thermisch von dem Fallschacht 3 isoliert. Weiterhin ist zwischen dem Außenmantel 14 und der Innenwandung des Vergasermantels 4 eine Temperatur-Isolierschicht 17 vorgesehen. Die Temperatur-Isolierschicht 17 verstärkt den dem Vergasereinsatz 12 innewohnenden Effekt der Temperaturhomogenisierung bzw. der gleichmäßigen Verteilung der Temperatur und damit das Vermindern oder gar Verhindern von Temperaturgradienten innerhalb des Vergaserbehälters VB bzw.
Vergasereinsatzes 12. Die Temperatur-Isolierschicht 17 ist hohlzylindrisch ausgebildet und umgibt den Vergasereinsatz 12 von außen.
2 ist eine schematische Längsschnittansicht des Vergasereinsatzes 12. Es ist gut zu erkennen, wie die Temperaturhomogenisierungsschicht 15 von dem Innenmantel 13 und dem Außenmantel 14 eingefasst bzw. umfasst ist. Die Temperaturhomogenisierungsschicht 15 kann unter Umständen bei sehr hohen Temperaturen (ab ca. 1085°C bei Kupfer) schmelzen bzw. sich verflüssigen. Da im Festbettvergaser F Temperaturen bis zu 1700°C auftreten, kann es also passieren, dass das Kupfer schmilzt. Das Einschließen der Temperaturhomogenisierungsschicht 15 durch Innenmantel 13 und Außenmantel 14 verhindert ein „Wegfließen“ der Temperaturhomogenisierungsschicht 15.
3 ist eine schematische Draufsicht auf zwei ineinandergreifende Walzen 10, die im Vergasermantel 4, insbesondere unmittelbar, unterhalb des Auslasses des Vergaserbehälters VB angeordnet sind. Mithilfe der Walzen 10 werden feine und grobe Asche- bzw. Schlackepartikel achsensymmetrisch und proportional zu einer Walzendrehzahl gefördert. Die Walzen 10 unterstützen somit einen störungsfreien Dauerbetrieb des Festbettvergasers F und eine gute Gasqualität (kaum bzw. gar nicht verunreinigtes Gas). Der Achsabstand zwischen den beiden Walzen 10 entspricht dabei mindestens dem Durchmesser des Vergasereinsatzes 12.
Die Walzen 10 setzen sich aus einer Vielzahl an ringförmigen Walzenscheiben 18, 19 zusammen. Die ringförmigen Walzenscheiben 18, 19 sind entlang der Walzenlängssachse W hintereinander angeordnet und drehfest bzw. einstückig miteinander verbunden. Dabei wechseln sich Walzenscheiben 18 mit einem glatten Außenumfang und Walzenscheiben 19 mit über ihren Außenumfang verteilten Zähnen 20 ab. Die Walzenscheiben 19 mit Zähnen 20 sind in ihrem Durchmesser um die Zähne 20 größer als die glatten Walzenscheiben 18. Die glatten Walzenscheiben 18 einer Walze 10 kontaktieren jeweils die Walzenscheiben 19 mit Zähnen 20 der daneben angeordneten anderen Walze 10. Auf diese Weise reinigen sich die nebeneinander angeordneten beiden Walzen 10 gegenseitig. Dabei kämmen zumindest jeweils ein Zahn 20 mit dem jeweils korrespondieren Zahn 20 der benachbarten Walze 10 in Walzenlängsrichtung miteinander.
4 zeigt, wie auch 1, eine Längsschnittansicht zweier ineinandergreifender und gegenläufig drehender Walzen 10, die sich oben (vergasereinsatzseitig) zueinander drehen und somit ein Walzenpaar ausbilden. Der Pfeil D in der jeweiligen Walze 10 zeigt deren Drehrichtung an. Es ist zu erkennen, dass die Walzen 10 zueinander drehen. Dabei drehen sich die Walzen 10 von dem Auslass des Vergaserbehälters VB weg (s. 1). Die Zähne 20 der zusammenwirkenden Walzen 10 eines Walzenpaars greifen ineinander und kämmen miteinander. Dadurch erfassen und zerdrücken die Zähne 20 brockenförmige Schlacke. Die Zähne 20 einer Walzenscheibe 19 unterscheiden sich in ihrer Größe und teilen sich in Zähne 20 und kleinere Zähne 20, die kleiner als die Zähne 20 sind, auf. Dabei wechseln sich über den Außenumfang der jeweiligen Walzenscheibe 19 die Zähne 20 und die kleineren Zähne 20 gegenseitig ab. Die Walzen 10 sind so zueinander angeordnet und ausgerichtet, dass jeweils ein Zahn 20 einer Walze 10 mit einem Zahn 20 der daneben angeordneten anderen Walze 10 des Walzenpaars und jeweils ein kleinerer Zahn 20 der einen Walze 10 mit einem kleineren Zahn 20 der daneben angeordneten anderen Walze 10 des Walzenpaars kämmt bzw. zusammenwirkt. Insbesondere sind die Wellenlängsachsen W der beiden nebeneinander angeordneten Walzen 10, 10 parallel zueinander. Zudem sind die Zähne 20 auf den Walzenscheiben 19 in Bezug auf die jeweilige Walzenlängsachse W spiralförmig bzw. wendelförmig angeordnet. Dies bewirkt, dass immer nur ein Paar Zähne 20 des Walzenpaars im Eingriff ist. Vorteilhafterweise kann so die Antriebsleistung für die Walzen 10 und die Belastung auf eine Walzenlagerung minimiert werden.
Weiterhin können die Walzen 10 sehr hohe Temperaturen erreichen, da die von ihnen geförderte Asche und Schlacke Temperaturen bis zu 1000°C aufweist. Eine Kühlung der Walzen 10 ist somit erforderlich. Dementsprechend sind die Walzen 10 zur Kühlung auf Hohlwellen 21 angeordnet. Die Hohlwellen 21 werden von einem Kühlungsmittel, insbesondere von Wasser oder Öl, durchströmt, um die Walzen 10 zu kühlen. Dank dieser Art der Kühlung können günstige bzw. einfache Dichtungen und Lager, insbesondere Radialwellendichtringe, im Festbettvergaser F verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann das zur Kühlung an den heißen Walzen 10 vorbeigeströmte und dadurch erhitzte Kühlungsmittel für die Trocknung des festen Brennstoffs verwendet werden. Besonders sinnvoll ist es dabei, den festen Brennstoff mithilfe der Wärme aus dem erhitzten Kühlungsmittel außerhalb des Festbettvergasers F zu trocknen.
Unter Beachtung des Verhältnisses des Walzen-Achsabstands zu dem Innendurchmesser des Vergasereinsatzes 12 kann der Festbettvergaser F skaliert werden.
5 ist eine vereinfachte schematische Längsschnittansicht des Festbettvergasers F mit vier nebeneinander angeordneten Walzen 10. Zur Vereinfachung ist hier nur der Vergasereinsatz 12 dargestellt, sowie die innerhalb des Vergasereinsatzes 12 auftretenden Temperaturzonen 6 bis 9. Unterhalb des Vergasereinsatzes 12 sind auf einer Höhe in Höhenrichtung H vier Walzen 10 angeordnet. Der Achsabstand der beiden äußersten Walzen 10 entspricht zumindest dem Innendurchmesser des Vergasereinsatzes 12. Jede Walze 10 dreht sich jeweils zu der bzw. den neben ihr angeordneten Walze(n) 10 gegenläufig. Dabei bilden jeweils die äußeren und die direkt neben ihr angeordneten inneren Walzen 10 jeweils ein Walzenpaar. Für den Fall, dass im Festbettvergaser F mehr als ein Walzenpaar vorgesehen ist, sind die Walzen 10 kleiner und haben einen größeren Abstand zur Oxidationszone 8 bzw. von der Reduktionszone 9 als im Vergleich mit einem Festbettvergaser F, der lediglich ein Walzenpaar aufweist. Die Walzen 10 eines Walzenpaares drehen sich zueinander. Die inneren Walzen 10 der jeweils unterschiedlichen Walzenpaare drehen sich voneinander weg. Die Walzen 10 sind so wie in den 3 und 4 gezeigt aufgebaut und so angeordnet, dass jeweils die Walzenscheiben 18 ohne Zähne einer Walze jeweils den Walzenscheiben 19 mit Zähnen einer anderen (benachbarten) gegenläufig drehenden Walze gegenüberliegen und umgekehrt
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzuführung
2a: Haupt-Vergasungsmittelzuführung
2b: Neben-Vergasungsmittelzuführung
3: Fallschacht
4: Vergasermantel
5: Öffnung
6: Trocknungszone
7: Pyrolysezone
8: Oxidationszone
9: Reduktionszone
10: Walze
11: Asche- und Gasabzug
12: Vergasereinsatz
13: Innenmantel
14: Außenmantel
15: Temperaturhomogenisierungsschicht
16: Halterung
17: Temperatur-Isolierschicht
18: glatte Walzenscheibe
19: Walzenscheibe mit Zähnen
20: Zähne
21: Hohlwelle
D: Drehrichtung Walze
F: Festbettvergaser
H: Höhenrichtung
M: Mittelachse Vergaserbehälter
R: Radialrichtung
VB: Vergaserbehälter
W: Walzenlängsachse

Claims

Festbettvergaser (F) zum Erzeugen eines Produkt- oder Synthesegases aus festem Brennstoff, insbesondere aus Schlacke bildendem Brennstoff, mit einem, insbesondere zylindrischen, Vergaserbehälter (VB), der aufweist: eine Brennstoffzuführung (1) zum Zuführen eines festen Brennstoffes, zumindest einer Vergasungsmittelzuführung (2a, 2b) zum Zuführen zumindest eines Vergasungsmittels, das zum Vergasen des in dem Behälter (VB) befindlichen festen Brennstoffes dient, und einen Auslass zum Abführen von Schlacke und Produkt- und Synthesegas, welche bei der Vergasung des festen Brennstoffes entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt einer Behälterwandung des Vergaserbehälters (VB) von einer Temperaturhomogenisierungsschicht (15) umgeben ist, deren Wärmeleitfähigkeit größer als die Wärmeleitfähigkeit der Behälterwandung ist und die in axialer Richtung und Umfangsrichtung des Vergaserbehälters (VB) für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Behälterwandung sorgt.
Festbettvergaser (F) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vergaserbehälter (VB) der feste Brennstoff in unterschiedlichen in Axialrichtung aufeinanderfolgenden Temperaturzonen (6 bis 9), die insbesondere eine Trocknungszone (6), eine Pyrolysezone (7), eine Oxidationszone (8) und eine Reduktionszone (9) aufweisen, vergast wird und sich der Abschnitt der Behälterwandung des Vergaserbehälters (VB), der von der Temperaturhomogenisierungsschicht (15) umgeben ist, zumindest über den Bereich der unterschiedlichen Temperaturzonen (6 bis 9) erstreckt.
Festbettvergaser (F) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung aus Edelstahl oder Schwarzstahl, und die Temperaturhomogenisierungsschicht (15) aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 190 W/mK hat, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Legierungen davon hergestellt ist.
Festbettvergaser (F) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung einen Innenmantel (13) ausbildet, der zusammen mit einem von dem Innenmantel (13), insbesondere in Radialrichtung, beabstandeten Außenmantel (14) die Temperaturhomogenisierungsschicht (15) einschließt und die Wärmeleitfähigkeit der Temperaturhomogenisierungsschicht (15) größer als die Wärmeleitfähigkeit des Innen- und Außenmantels (13, 14) ist.
Festbettvergaser (F) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (13) und der Außenmantel (14) jeweils aus Edelstahl und die Temperaturhomogenisierungsschicht (15) aus Kupfer hergestellt ist.
Festbettvergaser (F) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturhomogenisierungsschicht (15), vorzugsweise aber der Außenmantel (14), von einer Temperatur-Isolierschicht (17) umgeben ist.
Festbettvergaser (F) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Isolierschicht (17) eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als die Behälterwandung, insbesondere eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/mK, aufweist.
Festbettvergaser (F) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempertaturhomogenisierungsschicht aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 190 W/mK hat, und bei einem Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters (VB), der von der Temperaturhomogenisierungsschicht (15) umgeben ist, von bis zu 600 mm die Dicke der Temperaturhomogenisierungsschicht (15) zwischen 3 mm und 5 mm, insbesondere 5mm, beträgt und bei einem Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, des Abschnittes der Behälterwandung des Vergaserbehälters (VB), der von der Temperaturhomogenisierungsschicht (15) umgeben ist, von 600 mm bis 1000 mm die Dicke der Temperaturhomogenisierungsschicht (15) zwischen 5 mm und 7 mm beträgt.
Festbettvergaser (F) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaserbehälter (VB) einen Fallschacht (3), in den sowohl die Brennstoffzuführung (1) als auch die zumindest eine Vergasungsmittelzuführung (2) münden, und einen separat und thermisch getrennt von diesem ausgebildeten Vergasereinsatz (12) aufweist, der den Auslass zum Abführen von Schlacke und Produkt- und Synthesegas aufweist.