DE19718184A1

DE19718184A1 - Verfahren und Vorrichtung zur energetischen Nutzung von Brennstoffen, insbesondere Biobrennstoffen

Info

Publication number: DE19718184A1
Application number: DE1997118184
Authority: DE
Inventors: Klaus Gerhard Prof Dr Schmidt; Egon Dipl Chem Dr Ing Erich; Wolfram Dipl Ing Senger; Monika Dipl Ing Vogt
Original assignee: INST UMWELTTECHNOLOGIE und UMW
Current assignee: INSTITUT FUER ENERGIE UND UMWELTTECHNIK E.V.(IUTA)
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2017-05-01
Also published as: DE19718184C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Brennstoffen, insbesondere Biobrennstoffen, wobei als Brennstoffe bevorzugt Alt- und Resthölzer eingesetzt werden und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die stoffliche Verwertung von Alt- und Restholz ist aufgrund der begrenzten Aufnahmekapazität und der aus dem wachsenden Verbraucherbewußtsein entstehenden Qualitätsanforderungen an diese Werkstoffe begrenzt. Die Verbrennung in konventionellen Müllverbrennungsanlagen kann nicht als sinnvoll angesehen werden. Der Energieinhalt der Hölzer wird in diesen Anlagen nur wenig genutzt, da sie auf eine möglichst emissionsarme Beseitigung heterogener Abfallstoffe und nicht auf optimale Nutzung der Energie homogener Brennstoffe ausgelegt sind.

In verschiedenen Studien und Erhebungen der letzten Jahre wurde das Alt- und Restholzaufkommen mit 4 bis 11 Millionen Tonnen pro Jahr beziffert. Werden Alt- und Resthölzer bislang vornehmlich in Müllverbrennungsanlagen und Deponien entsorgt, so steht der Entsorgungsweg der Deponierung aufgrund der Vorgaben der TA Siedlungsabfall in absehbarer Zeit nicht mehr zur Verfügung. Daher ist es notwendig, unverzüglich Entsorgungs- und Verwertungsalternativen zu schaffen.

Bei der thermischen Verwertung von Alt- und Resthölzern besitzt die Vergasungstechnik gegenüber der Verbrennung prinzipielle Vorteile, da aus dem produzierten Schwachgas mit einem Gasmotor oder einer Gasturbine direkt Strom erzeugt werden kann. Der dabei erreichbare elektrische Wirkungsgrad ist etwa doppelt so groß wie bei einem Dampfkraftprozeß. Bei Festbettvergasern treten bislang allerdings Schwierigkeiten bei der direkten Nutzung des entstehenden Schwachgases auf. Das maßgebliche Problem ist der hohe Gehalt an kondensierbaren Komponenten.

Das bei der Vergasung von Biobrennstoffen erzeugte Gas besteht im wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan und Stickstoff. Die typische Zusammensetzung eines Primärgases bei der Holzvergasung ist in Tabelle 1 dargestellt. Als Folge unvollständiger Vergasung enthält das Schwachgas (prozentuale Schwachgaszusammensetzung Tabelle 1) Anteile an kondensierbaren Verbindungen (Teer). [Europäische Holzvergasungsanlagen, Referat Holzvergasungs-Forum 29. Juni 1994 Chátel-St.-Denis].

Tabelle 1 Typische Zusammensetzung des Primärgases aus der Holzvergasung

Gasförmige Komponenten
CO	10-15 Vol.-%
H₂	15-20 Vol.-%
CH₄	3-5 Vol.-%
CO₂	15 Vol.-%
N₂	50 Vol.-%

In Tabellen 2 und 3 sind beispielhaft die Rohgaswerte von Vergasern für Partikel und Teer sowie die Anforderungen an das Reingas zur motorischen Nutzung dargestellt.

Gasqualität von Gleichstromvergasern für die motorische Anwendung

Rohgasdaten verschiedener Vergaser

Zur Spaltung der kondensierbaren Teerverbindungen sind hohe Temperaturen erforderlich, die durch die Zugabe eines Vergasungsmittels, z. B. Luft, in den Vergaser erreicht werden. Mit der Zunahme des Stickstoffanteils im Schwachgas und dem gleichzeitig höheren Ausbrand sinkt der Heizwert des Gases. Vergaser nach dem Stand der Technik werden mit einer Luftzahl von λ = 0,3 betrieben, um eine optimale Ausbeute an hochwertigem Gas bei gleichzeitig kleinen Teermengen zu erhalten [Anlagentechnik der Holzvergasung und offene Fragen beim Einsatz von Altholz Dr. Th. Nussbaumer, Heizung Klima 9, 1990, 75-82].

Grundsätzlich unterscheidet man bei den Vergasern Festbett-, Wirbelschicht- und Flugstromvergaser. Nachfolgend wird nur die Vergasung im Festbett näher beschrieben.

Die Festbettvergaser werden nach der Brennstoff- und Vergasungsmittelführung eingeteilt. Im wesentlichen unterscheidet man zwischen Gegenstrom-, Gleichstrom- und Querstromvergasern. Von Bedeutung für die thermische Verwertung fester Brennstoffe sind bislang jedoch nur die Gleichstromvergaser mit absteigender Vergasung und die Gegenstromvergaser mit aufsteigender Vergasung.

Die Verfahrensprinzipien der Gleich- und Gegenstrom- Vergasung bringen jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile mit sich.

Bei einem Gegenstromvergaser mit aufsteigender Vergasung stellt der hohe Gehalt an kondensierbaren Komponenten im Produktgas bei der motorischen Nutzung ein Problem dar. Der Vorteil dieses Vergasertyps liegt im einfachen Scale-up auf größere Leistungen, da aufgrund der Vergasungsmittelzugabe unterhalb des Festbettes das Einstellen gleichmäßiger Strömungsverhältnisse auch bei einer Erweiterung des Reaktordurchmessers unproblematisch ist.

Günstig bei einem Gleichstromvergaser ist die Möglichkeit, das entstehende Gas durch die heiße Oxidationszone zu führen. Hierbei wird ein großer Teil der entstandenen, schwerflüchtigen Verbindungen gecrackt. So entsteht ein Gas, das weniger kondensierbare Anteile enthält und nach einer Reinigung in Gasmotoren eingesetzt werden kann. Die Schwierigkeiten bestehen beim Scale-up dieses Vergasertyps auf Module < 1 MW_th. Das Vergasungsmittel wird dem Brennstoff in der Vergasungszone seitlich zugeführt und muß das Festbett gleichmäßig durchdringen. Bei einer Maßstabsvergrößerung gelingt es nicht mehr, optimale Strömungsverhältnisse zu schaffen. Es entstehen heiße und kalte Zonen mit schneller Reaktion und unverbrannten Brennstoffanteilen.

Die bei Festbettvergasern auftretenden Schwierigkeiten verhindern bislang die Nutzung in einem Gasmotor oder einer Gasturbine. In der Regel wird das Produktgas derzeit verbrannt und zur Erzeugung von Heißwasser oder Prozeßdampf genutzt. Die im Falle einer Gaskühlung und -reinigung vor der Nutzung im Motor oder der Turbine anfallenden Kondensate bestehen zu einem Teil aus wasserunlöslichen Teerkomponenten und Feststoffen und zum anderen aus Wasser, das mit einer Vielzahl löslicher, organischer Substanzen verunreinigt ist. Eine wirtschaftliche Lösung der Wasseraufbereitung existiert bisher nicht. Der Markt bietet derzeit kein funktionsfähiges Vergasersystem für die Altholzentsorgung mit optimierter energetischer Nutzung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur energetischen Nutzung von Brennstoffen so auszugestalten und weiterzubilden, daß der Gehalt an kondensierbaren Stoffen im Produktgas minimiert und der Gesamtwirkungsgrad optimiert wird.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der Brennstoff zunächst einem Gegenstromreaktor und unmittelbar anschließend einem Gleichstromreaktor zugeführt wird und daß das aus dem Gegenstromreaktor abgezogene Schwachgas dem Gleichstromreaktor und nach Abzug aus diesem einer Energieerzeugungseinheit zugeführt wird.

Vorrichtungsmäßig besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß die Reaktoreinheit zwei hintereinander geschaltete Reaktoren aufweist, von denen der erste Reaktor als Gegenstromreaktor und der zweite als Gleichstromreaktor ausgelegt sind.

Die erfindungsgemäße Verschaltung eines Gegenstromreaktors mit einem Gleichstromreaktor nutzt die Vorteile der einzelnen Verfahren optimal aus:

- Gute Entgasung des Feststoffes unter Bildung einer teerreichen Gasphase im Gegenstromreaktor
- Es kann ein breites Spektrum von stückigem Brennstoff im Gegenstromreaktor eingesetzt werden
- Verminderung des Teergehaltes und Nachvergasung des festen, kohlenstoffhaltigen Rückstandes im Gleichstromreaktor
- Homogenisierte Stoffströme im Gleichstromreaktor führen zu einem gleichmäßigen Reaktorbetrieb.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, daß dem Gegenstromreaktor und dem Gleichstromreaktor das gleiche Vergasungsmittel zugeführt werden. Je nach eingesetztem Brennstoff ist es jedoch auch denkbar, beiden Reaktoren unterschiedliche Vergasungsmittel zuzuführen. Auch ist es möglich, zur Erhöhung der Temperatur in der Crackzone dem Gleichstromreaktor zusätzlich zum Schwachgas weiteres Vergasungsmittel zuzusetzen.

Dabei kann als Vergasungsmittel Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, im Gegenstromreaktor die erste Vergasungsstufe mit Luft zu betreiben und die zweite Vergasungsstufe im Gleichstromreaktor mit Sauerstoff.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausbildung kann die Vergasung sowohl im Gegenstromreaktor als auch im Gleichstromreaktor unter erhöhtem Druck erfolgen. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Vergasungsmittel dem Gegenstromreaktor und dem Gleichstromreaktor in unterschiedlichen Volumenstromverhältnissen zugeführt werden. Dadurch ist es möglich, den Wirkungsgrad optimal auf die jeweilige Reststoffqualität verschiedener Einsatzmaterialien anzupassen.

Zur sicheren Vermeidung des Gasaustausches zwischen Gegenstrom und Gleichstromreaktor ist in weiterer Ausbildung vorgesehen, daß zwischen den beiden Reaktoren ein Doppelschleusensystem vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise ist auch der Einlaß des Gegenstromreaktors und der Auslaß des Gleichstromreaktors mit einem Doppelschleusensystem versehen.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß das Volumen des Gleichstromreaktors kleiner ist als das des Gegenstromreaktors, da das Volumen des im Gegenstromreaktor entstehenden Kokses kleiner ist als das Volumen des eingesetzten Brennstoffes. Auf diese Weise läßt sich eine optimale Baugröße der gesamten Reaktoreinheit erreichen.

Zur weiteren Optimierung des Wirkungsgrades ist vorgesehen, daß der Gegenstromreaktor und/oder der Gleichstromreaktor einen Rost und einen Rostkegel aufweisen, wobei jeder Rostkegel wenigstens eine Düse zur Zufuhr von Vergasungsmittel aufweist. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die in den Rostkegeln vorhandenen Düsen einzeln zuschaltbar sind.

Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß zwischen der Reaktoreinheit und der Energieerzeugungseinheit ein Staubabscheider zur Reinigung des Schwachgases und ggf. ein Wärmetauscher zur Kühlung des Schwachgases geschaltet ist. Als Staubabscheider wird dabei bevorzugt ein Zyklon zur Abscheidung von Grobstaub und eine Heißgasreinigung mit Keramikkerzenfiltern verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der einzigen Figur ist lediglich eine Reaktoreinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch im Querschnitt dargestellt.

Die erfindungsgemäße Reaktoreinheit besteht zunächst und im wesentlichen aus einem Gegenstromreaktor 1, der oberhalb eines Gleichstromreaktors 2 angeordnet und diesem vorgeschaltet ist. Zwischen den beiden Reaktoren 1, 2 befindet sich ein Doppelschleusensystem 3, um einen unkontrollierten Luftaustausch zwischen Gegenstromreaktor 1 und Gleichstromreaktor 2 zuverlässig zu verhindern.

Auch der Einlaß 4 und der Auslaß 5 der Reaktoreinheit sind mit Doppelschleusensystemen versehen. Der durch den Einlaß 4 des Gegenstromreaktors 1 eingebrachte Brennstoff wird auf einem Rost 7 aufgeschichtet. Oberhalb des Rostes 6 ist ein ein Rostkegel 7 installiert. Der Rostkegel 7 kann dabei mehrere, auch zuschaltbare, Düsen 8 für die Zufuhr von Vergasungsmittel aufweisen. Unterhalb des Rostes 6 befindet sich ein Düsenboden 9, durch den das Vergasungsmittel dem Gegenstromreaktor 1 zugeführt wird. Das Vergasungsmittel durchströmt den Brennstoff von unten nach oben und das entstehende Schwachgas wird am Kopf des Gegenstromreaktors 1 abgezogen und durch eine Gasleitung 10 zum Gleichstromreaktor geführt.

Der (nicht dargestellte) durch den Rost 6 gefallene teilweise entgaste und koksförmige Brennstoff wird mittels des Doppelschleusensystems 3 dem Gleichstromreaktor 2 zugeführt.

Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dem Koks im Gleichstromreaktor 2 mittels einer zweiten Vergasungsmittelleitung 11 nochmals Vergasungsmittel zugegeben, um die dort herrschenden Temperaturen zu erhöhen. Das Vergasungsmittel strömt dabei über einen am Rost 12 des Gleichstromreaktors 2 installierten und mit Düsen 13 versehenen Rostkegel 14 in das Koksbett.

Das durch die Gasleitung 10 dem Gleichstromreaktor 2 zugeführte Schwachgas wird nun durch die im Bereich des Rostes 12 herrschende heiße Zone geleitet, um die langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen aufzubrechen und den Restkohlenstoffgehaltes des Kokses zu Gas umzusetzen.

Schließlich wird das Schwachgas hinter der Crackzone durch eine Schwachgasleitung 15 aus dem Gleichstromreaktor 2 abgezogen und einer (nicht dargestellten) Energieerzeugungseinheit zugeführt. Die durch den zweiten Rost 12 fallende Asche wird am Boden des Gleichstromreaktors 2 durch das im Auslaß 5 vorhandene Ascheschleusensystem, welches das Eindringen von Falschluft verhindert, abgezogen.

Claims

1. Verfahren zur energetischen Nutzung von Brennstoffen, insbesondere Biobrennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zunächst einem Gegenstromreaktor (1) und unmittelbar anschließend einem Gleichstromreaktor (2) zugeführt wird und daß das aus dem Gegenstromreaktor (1) abgezogene Schwachgas dem Gleichstromreaktor (2) und nach Abzug aus diesem einer Energieerzeugungseinheit zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gleichstromreaktor (2) zusätzlich zum Schwachgas weiteres Vergasungsmittel zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gegenstromreaktor (1) und dem Gleichstromreaktor (2) das gleiche Vergasungsmittel zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gegenstromreaktor (1) und dem Gleichstromreaktor (2) unterschiedliche Vergasungsmittel zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsmittel Luft verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsmittel Sauerstoff verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsmittel Wasserdampf verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung im Gegenstromreaktor (1) und/oder im Gleichstromreaktor (2) unter erhöhtem Druck erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel dem Gegenstromreaktor (1) und dem Gleichstromreaktor (2) in unterschiedlichen Volumenstromverhältnissen zugeführt werden.

10. Vorrichtung zur energetischen Nutzung von Brennstoffen, insbesondere Biobrennstoffen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Reaktoreinheit zur Vergasung der Brennstoffe und einer Energieerzeugungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoreinheit zwei hintereinander geschaltete Reaktoren aufweist, von denen der erste Reaktor als Gegenstromreaktor (1) und der zweite als Gleichstromreaktor (2) ausgelegt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Reaktoren (1, 2) ein Doppelschleusensystem (3) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (4) und/oder der Auslaß (5) der Reaktoreinheit ein Doppelschleusensystem aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gleichstromreaktors (2) kleiner ist als das Volumen des Gegenstromreaktors (1).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstromreaktor (1) und/oder der Gleichstromreaktor (2) einen Rost (6, 12) und einen Rostkegel (7, 14) aufweisen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rostkegel (7, 14) wenigstens eine Düse (8, 13) zur Zufuhr von Vergasungsmittel aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (8, 13) zuschaltbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktor ein Staubabscheider zur Reinigung des Schwachgases nachgeschaltet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Staubabscheider ein Zyklon zur Abscheidung von Grobstaub und eine Heißgasreinigung mit Keramikkerzenfiltern vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zyklon ein Wärmetauscher zur Kühlung des Schwachgases nachgeschaltet ist.