DE19720331A1

DE19720331A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung

Info

Publication number: DE19720331A1
Application number: DE1997120331
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr Kiefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-11-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung von biologischen Rohstoffen.

Die Mehrzahl der Vergasungsverfahren schreiben eine bestimm te Stückgröße des eingesetzten Brennstoffes vor. Der techni sche Stand für Vergaser, in denen Brennstoffe weitestgehend unabhängig von der Stückgröße eingesetzt werden, wird in den Patenten Nr. DE 41 30 416 C1 und EP 443596 A1 beschrieben. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es für kleinere, dezentrale Anlagen aufgrund des hohen apparativen Aufwandes nicht geeignet ist. Die zusätzlich erforderliche Sauerstofferzeugungsanlage und die aufwendige Filtertechnik verursachen hohe Investitionskosten und zusätzlichen Ener gieverbrauch, so daß in kleinen Anlagen die Wirtschaftlich keit nicht gegeben ist.

Im Patent DE 44 14 579 wird ein Verfahren beschrieben, daß in kleinen, dezentralen Anlagen einsetzbar ist.

In Vergasungsanlagen geringer Leistung können nur klein stückige Brennstoffe eingesetzt werden. Dies liegt daran, daß sich bei großstückigen Brennstoffen ein inhomogenes Glutbett bildet, das zu erhöhtem Schadstoffausstoß führt. Außerdem kann eine automatische Beschickung nur für klein stückige Brennstoffe erfolgen. Nachteilig für Verfahren von Kleinanlagen ist, daß für die Zerkleinerung des Brennstoffes ein erheblicher Anteil an Energie verbraucht wird.

Das Hauptproblem bei der Vergasung besteht darin, daß teer haltige Produkte entstehen, die schwierig zu beseitigen sind. Aufwendige Filteranlagen erhöhen die spezifischen Ko sten und machen kleine Anlagen unwirtschaftlich. Versuche haben gezeigt, daß es nicht ausreicht, das Gas zur Krackung lediglich durch ein heißes Glutbett zu schicken. Inhomogeni täten des Glutbettes und eine zu geringe Verweilzeit der Gase in der heißen Zone sind dafür die Ursache.

Weitere wesentliche Nachteile der bekannten Vergasungsver fahren bestehen darin, daß Entgasungszone, Verbrennungszone und Vergasungszone unmittelbar nebeneinander liegen und ineinander übergehen. Dadurch sind die Zonenhöhen unbestimmt und Entgasung, Verbrennung und Vergasung können örtlich unvollständig ablaufen. Das Glutbett ist breit und weniger hoch, so daß Teile des Gases schnell diese Zone passieren können. Die Verweilzeit der Schwelgase im Bereich hoher Tem peraturen kann demzufolge örtlich zu kurz sein, was zum Aus stoß teerhaltiger Produkte führt. Die Luft- oder Dampfzufuhr erfolgt örtlich und nicht gleichmäßig über dem gesamten Reaktor. Eine gute Durchmischung der Gase ist somit nur begrenzt möglich. Die Zusammensetzung des durch den Reaktor strömenden Gases ist demzufolge inhomogen und die Verga sungsbedingungen sind örtlich unterschiedlich.

Alle bekannten Vergasungsverfahren haben das Eigengewicht des Brennstoffes zu berücksichtigen, denn es führt zum Zusammen drücken der Schüttung und damit zu einer geringeren Gas durchlässigkeit. Deshalb ist eine kontinuierliche Brenn stoffzufuhr mit dem Zwang zu einer teuren Automatisierung notwendig. Dies gilt auch für Unterschubfeuerungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vergasungsverfahren zu entwickeln, das die beschriebenen Nachteile der bekannten Vergasungsverfahren kleiner Anlagen behebt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrensan spruchs 1 und die Merkmale des Vorrichtungsanspruches 8 gelöst. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 und 8-12.

Das Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt. Es basiert auf einer sauberen Trennung der einzelnen Vergasungsschritte - Entgasung, Verbrennung, Vergasung (Reduktion) - ohne die spezifischen Anlagenkosten erheblich zu erhöhen. Im Entga sungsofen (1) ist ein Verbrennungsofen (2) eingebaut. Nach dem Füllen des Entgasungsofens (1) und Verbrennungsofens (2) mit Brennstoff (6) werden die Türen (18) geschlossen und der Brennstoff wird im Verbrennungsofen (2) gezündet.

Durch die heiße Wandung (19) des Verbrennungsofens (2) hin durch und durch das Abgas (12) gelangt die zur Entgasung notwendige Energie in den Entgasungsofen (1). Zur Beschleu nigung des Entgasungsvorganges kann Luft dosiert in den Ent gasungsofen (1) geleitet werden, so daß auch in diesem eine verhaltene Verbrennung stattfindet und die für die Entgasung notwendige Temperatur von über 400°C erreicht wird. Der entstehende Koks (Kohlenstoff, bei Holzbrennstoff: Holzkoh le) gelangt in den Zerkleinerer (8) und fällt danach auf das Glutbett (20).

Der Vorteil der Herstellung von Koks (Holzkohle) besteht darin, daß auch größerstückige Brennstoffe verwendet werden können. Die zur Zerkleinerung von Koks aufzubringende Ener gie ist wesentlich geringer als die zur Zerkleinerung von Holz.

Die sich im Verbrennungsofen (2) unter dem Rost (24) ansam melnde Asche wird von der Ascheabführeinrichtung (13) in einen Aschebehälter gefördert.

Die Schwelgase und das Abgas gelangen in den Verbrennungs raum (25) des Vergasungsreaktors (3), in dem Luft (7) zuge führt wird, so daß die Schwelgase verbrennen. Das heiße Abgas (CO₂, H₂O) strömt durch das Koksglutbett (20). Hier findet die Reduktion zu CO, H₂ und O₂ statt. Der Kohlenstoff (Koks) wird zu CO oxidiert. Insgesamt betrachtet wird Luft nur unterstöchiometrisch zugegeben, so daß kaum CO₂ ausge stoßen wird. Das entstehende Schwachgas (16) wird in einem Wärmetauscher (4) abgekühlt. Es wird von einem Gebläse (17) abgesaugt.

Trotz des Einsatzes großstückiger Brennstoffe ist im Ver gleich zu herkömmlichen Vergasern das Glutbett (20) homogen, da der Koks kleinstückig in den Vergasungsreaktor gelangt. Im Glutbett (20) werden die Reste der nicht verbrannten Schwelgase gekrackt. Da der Vergasungsreaktor (3) verjüngt ausläuft, ist das Glutbett (20) hoch, so daß die Verweilzeit des Gases im Glutbett (20) verlängert wird und das Glutbett (20) für die Gesamtheit des Gases als homogen erscheint.

Mit dem in der Erfindung vorgestellten Verfahren können Schadstoffe durch eine einfache Filtertechnik herausgefil tert werden (s. Fig. 1). Aufgrund der Vergasung bilden sich im Koks Mikroporen aus, die die innere Oberfläche stark ver größern. Da der Koks kleinstückig in den Vergasungsreaktor (3) gelangt, bildet sich im Glutbett (20) Aktivkohle aus. Mit einer Schnecke (15) wird aus dem Glutbett (20) Aktivkoh le entnommen und über einen gekühlten Aktivkohlekanal (11) in den Filter (5) befördert. Das produzierte Schwachgas (16) wird durch den Filter (5) geleitet. Schadstoffe bleiben in der Aktivkohle zurück. Die verbrauchte Aktivkohle wird in den Vergasungsreaktor (3) mittels Schnecke (15) zurücktrans portiert. Letztendlich sammeln sich die Schadstoffe in der Asche an, die sich am Ausgang des Vergasungsreaktors (3) bildet. Die Asche wird aus dem Vergasungsreaktor mit einer Ascheabführeinrichtung (13) abtransportiert.

Die Vorrichtung zur Verwirklichung des Vergasungsverfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Im Entgasungsofen (1) ist der Verbrennungsofen (2) eingebaut. Der Vergasungsreaktor (3) besteht aus dem Verbrennungsraum (25) und dem Glutbettbehäl ter (26). Entgasungsofen (1) und Vergasungsreaktor (3) ste hen separat, um die Höhe der Vergasungsanlage zu reduzieren.

Die Luft (7) wird dem Verbrennungsofen (2) von oben zuge führt. Damit wird der obere Teil des Entgasungsofens (1) und Verbrennungsofens (2) von der einströmenden Luft gekühlt und nur im unteren Teil des Entgasungsofens (1) und Verbren nungsofens (2) entgast der Brennstoff. Der sich im Entga sungsofen (1) befindende Zerkleinerer (8) besteht aus zwei mit Zähnen besetzten in entgegengesetzter Richtung drehenden Walzen. Durch den Abstand der Walzen kann die Stückgröße des Kokses und damit die Gasdurchlässigkeit und Homogenität des Glutbettes (20) variiert werden.

Der Koks wird aus dem Zerkleinerer (8) des Entgasungsofens (1) mittels Kolben (10) oder Schnecke durch einen Kokskanal (22) in den Vergasungsreaktor (3) gefördert. Da der Koks kanal (22) ständig mit Koks gefüllt ist, gelangen die Schwelgase aus dem Entgasungsofen (1) zusammen mit dem Abgas (12) aus dem Verbrennungsofen (2) vorrangig über das Gasrohr (21) in den Verbrennungsraum (25) des Vergasungsreaktors (3). Die Einführöffnung ist als Brenner (23) ausgebildet. Infolge des sich in der düsenförmigen Verengung bildenden Unterdruckes wird Luft mitgerissen. Das Gas-Luftgemisch wird von einem Zündfunken gezündet. Ein Flammenwächter überwacht die Flamme zur Vermeidung der Bildung von Explosivgemischen. Bei Flammenausfall wird die Luftzufuhr unterbrochen. Umlenk bleche (14) sorgen für eine gute Durchmischung der Gase und vermeiden Toträume. Im Vergasungsreaktor (3) entsteht durch die Verbrennung der Schwelgase eine sehr hohe Temperatur.

In den bekannten Vergasungsverfahren besteht das Problem der guten Durchmischung der Schwelgase mit Luft. Die Luft tritt meistens nur durch Wandöffnungen in den Vergasungsreaktor ein. Damit ist es schwierig, das gesamte Volumen gleichmäßig mit Luft zu versorgen und eine gute Durchmischung zu errei chen. In der Vorrichtung hingegen, die in der Erfindung vor gestellt wird, strömen die Schwelgase konzentriert durch ein Gasrohr (21). Eine gute Durchmischung der Schwelgase mit Luft erfolgt im Brenner (23). Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Vergasern besteht darin, daß die Verweilzeit der Schwelgase im Bereich hoher Temperaturen lang ist, denn sie wird hauptsächlich durch die Größe des Vergasungsreak tors (3) bestimmt. Dieser kann entsprechend groß ausgelegt werden.

Die für die endotherme Reduktionsreaktion im Glutbett (20) erforderliche Energie wird hauptsächlich vom Abgas des ver brannten Schwelgases in das Glutbett (20) eingebracht. Um zusätzlich Energie von außen dem Glutbett (20) zuführen zu können, wird das sich bildende heiße Schwachgas am Glutbett behälter (26) vorbeigeleitet. Wird dem abströmenden Schwach gas geringfügig Luft (7) zugemischt, so verbrennt es und die Temperatur der Wandung des Gutbettbehälters (26) erhöht sich. Das sich bildende Schwachgas kann auch durch Rohre abgeleitet werden, die durch das Glutbett (20) führen. Ein geringfügiges Eindüsen von Luft in diese Rohre führt zu einer Verbrennung des Schwachgases und damit zur Tempera turerhöhung des Glutbettes. Andererseits wird die Temperatur erniedrigt, wenn Wasserdampf in den Verbrennungsraum (25) des Vergasungsreaktors (3) eingedüst wird. Durch die soeben beschriebene Luft- bzw. Dampfzufuhr kann die Temperatur des Glutbettes (20) geregelt werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Vergasung biologischer Rohstoffe können auch zur Verbrennung eingesetzt werden. Hierzu wird lediglich die Luftzufuhr im Vergasungsreaktor (3) erhöht, so daß eine vollständige Verbrennung des Kokses stattfinden kann.

Das Verfahren und die Vorrichtung können auch zur alleinigen Herstellung von Holzkohle verwendet werden. In diesem Falle wird nur ein geringer Teil der Holzkohle für die Aufrechter haltung des Glutbettes (20), in dem langkettige Moleküle ge krackt werden, abgezweigt. Diese Menge richtet sich nach der Qualität des Abgases, das nach der Verbrennung der Schwelga se im oberen Teil des Vergasungsreaktors (3) übrigbleibt. Wenn diese Verbrennung vollständig erfolgt, kann auf ein Glutbett (20) verzichtet werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung können auch zur Herstel lung von Aktivkohle eingesetzt werden. Hierzu muß der Zer kleinerer (8) lediglich so ausgelegt werden, daß aus ihm kleinkörnige Holzkohle austritt. Die Vergasung wird nur teilweise durchgeführt, so daß anstelle von Asche Aktivkohle aus dem Vergasungsreaktor (3) mit der Abführeinrichtung (13) abtransportiert wird. Eine Teilvergasung der Holzkohle kann erreicht werden, indem z. B. die Verweilzeit der Holzkohle im Glutbett (20) durch schnellere Aktivkohleabfuhr reduziert wird. Damit wird gleichzeitig die Glutbetthöhe verringert.

Bezugszeichenliste

1

Entgasungsofen

2

Verbrennungsofen

3

Vergasungsreaktor

4

Wärmetauscher

5

Filter

6

Brennstoff

7

Luft

8

Zerkleinerer

9

Koks

10

Kolben

11

Aktivkohlekanal

12

Abgas

13

Ascheabführeinrichtung

14

Umlenkblech

15

Schnecke

16

Schwachgas

17

Gebläse

18

Tür

19

Wandung

20

Glutbett

21

Gasrohr

22

Kokskanal

23

Brenner

24

Rost

25

Verbrennungsraum

26

Glutbettbehälter

Claims

1. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung von trockener oder feuchter, feinkörniger oder stückiger Biomasse sowie von Abfall, dadurch gekennzeichnet, daß durch die heiße Wandung eines Verbrennungsofens (2) und durch das Einströmen heißen Abgases aus dem Verbrennungs ofen (2) in einen Entgasungsofen (1) biologische Rohstoffe in diesem entgasen, wodurch Koks (Kohlenstoff) und Pyrolyse gas entsteht, wobei der Koks nach Passieren des Zerkleine rers (8) auf das Glutbett (20) des Vergasungsreaktors (3) gelangt während das Pyrolysegas im Verbrennungsraum (25) des Vergasungsreaktors (3) unter Zuführung einer begrenzten Luftmenge verbrennt und das entstehende Abgas nachfolgend durch das Glutbett (20) des Vergasungsreaktors (3) strömt in dem eine Oxidation des Kohlenstoffs zu CO bei gleichzeitiger Reduktion von Abgas (CO₂) und Wasserdampf (H₂O) zu einem brennbarem Schwachgas (CO, H₂) stattfindet.

2. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine För dereinrichtung aus dem Glutbett (20) teilvergaster Koks (Aktivkohle) in den Filter (5), der vom entstehenden Schwachgas durchströmt wird, zur Erneuerung des Filtermate rials transportiert wird, während mit Schadstoffen angerei chertes Filtermaterial (Koks) aus dem Filter (5) zurück in das Glutbett (20) gefördert wird.

3. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koks im Vergasungsreaktor (3) durch Zufuhr von ausrei chend Luft verbrannt wird.

4. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß feinkörnige Holzkohle aus dem Zerkleinerer (8) auf das Glut bett (20) des Vergasungsreaktors (3) gelangt, die nach einer Teilvergasung als Aktivkohle aus dem Vergasungsreaktor (3) gefördert wird.

5. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Holzkohle nach dem Zerkleinerer (8) dem Prozeß entnommen wird.

6. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche aus dem Verbrennungsofen (2) und dem Vergasungsreaktor (3) mittels Ascheabführeinrichtung (13) in einen Aschebehälter gefördert wird.

7. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das am Ende des Vergasungsreaktors (3) entstehende Schwach gas abgesaugt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verga sungsreaktor (3) getrennt von Verbrennungsofen (2) und Ent gasungsofen (1) aufgestellt wird, so daß der Koks nach dem Zerkleinerer (8) über einen Kokskanal (22) und das Pyrolyse gas über ein Gasrohr (21) in den Vergasungsreaktor (3) gelangt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmischung des Pyroly segases mit Luft in einem Brenner (23) erfolgt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwachgas am Glutbettbehälter (26) des Vergasungsreaktors (3) vorbeiströmt, so daß durch Luftzufuhr eine Verbrennung beginnt, die das Temperaturniveau im Glutbett (20) erhöht.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerkleinerer (8) aus zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehenden Walzen, die mit Brechzähnen besetzt sind, besteht.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Senkung des Temperaturniveaus des Glutbettes (20) Wasser dampf in den Vergasungsreaktor (3) eingedüst wird.