DE19900116C2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Brenngas durch allotherme Vergasung von Biomasse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trocknung, Pyrolyse und Verga­ sung von biogenen Einsatzstoffen und insbesondere zur Erzeugung von Brenngasen (Synthesegas oder Pyrolysegas) mit einem Heizwert von min­ destens 8000 bis 10000 kJ/kg.

Die energetische Nutzung biogener Einsatzstoffe ist derzeit weitgehend auf die Verbrennung beschränkt. Die Technologien zur Vergasung sind auf die Erzeugung von Schwachgasen mit einem Heizwert unter 6000 kJ/kg aus­ gerichtet. Diese Gase sind jedoch für eine Nutzung z. B. in Gasturbinen oder Brennstoffzellen nicht geeignet.

Um Gase mit einem Heizwert von 8000 bis 10000 kJ/kg zu erzeugen, muß eine sogenannte allotherme Vergasung durchgeführt werden. Dazu ist es erforderlich, dem zu vergasenden Brennstoff ausreichend externe Wär­ me auf einem hohen Temperaturniveau von 500 bis 900 Grad Celsius zu­ zuführen, was bisher mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist.

Ein wesentliches Vergasungsverfahren mit großer Einsatzbreite ist das Wirbelschichtverfahren. Mit diesem Verfahren können auch kleinere Anla­ gen wirtschaftlich betrieben, jedoch keine hochkalorischen Gase erzeugt werden.

Für die allotherme Vergasung in Wirbelschichten werden derzeit im We­ senlichen folgende Verfahren und Vorrichtungen untersucht.

Batelle-Vergaser

Beim Batelle-Vergaser (zweistufige Wirbelschichtvergasung) wird die Reak­ tionswärme für die Wirbelschicht in einer externen Wirbelschichtverbren­ nung erzeugt. Die Übertragung der Wärme erfolgt durch Austausch des heißen Sandbettes und ist daher mit einem hohen technischen Aufwand verbunden, vergl. Peter Jansen, Thermische Vergasung von nachwach­ senden Roh- und organischen Reststoffen; Institutsberichte der Bundesan­ stalt für Landwirtschaft, Braunschweig, 1997.

DMT-Vergaser

im DMT-Vergaser soll ein wesentlicher Teil der für die Vergasung notwen­ digen Wärme dadurch eingebracht werden, daß für die Fluidisierung über­ hitzter Wasserdampf mit einer Temperatur von 750°C verwendet wird. Zusätzlich sollen für die Vergasung von Biomasse Wärmetauscherrohre durch das Wirbelbett geleitet werden, durch die Rauchgas mit einer Tem­ peratur von 1150°C strömt. Der Nachweis, daß mit dieser Vorrichtung Heizwerte von ca. 10000 kJ/kg erzielbar sind, erscheint nach dem derzei­ tigen Kenntnisstand kaum möglich. Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind in den Dokumenten US 5,064,444 und 5,439,491 offenbart.

Zur Erhöhung des chemischen Umsatzes wurde daher versucht, den Wär­ meeintrag in das Wirbelbett durch den Einsatz von Pulsbrennern zu erhö­ hen, wie in dem Dokument US 5,306,481 offenbart. Dieser Weg ermög­ licht prinzipiell einen höheren Wärmeeintrag und somit einen chemischen Umsatz, der für eine allotherme Vergasung erforderlich ist. Der Einsatz von Pulsbrennern ist jedoch relativ aufwendig.

Aus DE 32 22 653 C1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Brenngas durch allotherme Vergasung von Biomasse in Form von Holz unter Einsatz von Wasserdampf in einer Wirbelschicht bei einer Reaktionstemperatur von etwa 700°C bekannt. Aus DE 29 03 985 A1 ist es bekannt, bei der Vergasung von Kohle oder Koks in einer Wirbelschicht ablaufende Vergasungs- und Verbrennungsprozesse thermisch mittels Wärmeübertrager zu koppeln. In der GB 1 599 398, die sich ebenfalls mit der Vergasung von Kohle oder Koks befaßt, wird hierzu vorgeschlagen, den Wärmeeintrag und den Wärme austrag in und aus Wirbelschichten mittels Heatpipes bzw. Wärmeleitrohren zu bewerkstelligen. Die spezifischen Probleme bei der Vergasung von Biomasse sind in den Druckschriften DE 29 03 985 A1 und GB 1 599 398 nicht angesprochen.

Demzufolge ist es die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte und insbe­ sonders einfache Vorrichtung zur Vergasung von biogenen Einsatzstoffen und insbesondere zur Erzeugung von Brenngasen mit einem Heizwert von mindestens 8000 bis 10000 kJ/kg bereitzustellen, wobei die Vorrichtung auch zur Trocknung oder zur Pyrolyse verwendbar sein soll.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Nach Anspruch 1 werden für den Wärmeeintrag in die zu behandelnde Biomasse Wärmeleitrohre, sogenannte "Heat-pipes" eingesetzt. Verglichen mit einem von heißem Rauchgas durchströmten Rohr oder einem Vollstab aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, weisen Wärmeleitrohre nach dem Heat-pipe-Prinzip wesentlich bessere Wärme­ übertragungseigenschaften auf.

Nach Anspruch 2 wird als Wärmequelle eine Verbrennungsvorrichtung mit einem Wirbelschichtbett vorgesehen. Mit Wirbelschichtbetten kann eine gute Wärmeübertragung auf die Wärmeaufnahmeabschnitte der Wärme­ leitrohre bewirkt werden. In der Wirbelschicht können geeignete, aber un­ terschiedlichste, im Prozeß gerade anfallende Materialien verbrannt wer­ den.

Nach Anspruch 3 ist das Wirbelschichtbett für die Verbrennung von Bio­ masse ausgelegt. Falls keine anderen Heizmaterialien anfallen oder zur Ver­ fügung stehen, ist es zweckmäßig, einen Teil der zu verarbeitenden Bio­ masse oder den bei der Pyrolyse anfallenden Restkoks zu verbrennen.

Nach Anspruch 4 wird zur Wärmeerzeugung an Stelle der Wirbelschicht ein Heißgaserzeuger als Wärmequelle eingesetzt. In dem Heißgaserzeuger kann sowohl ein Teil des erzeugten Gases als auch ein anderes, im Prozeß gerade anfallendes Gas verbrannt werden.

Nach Anspruch 5 ist der Vergaser ein druckaufgeladener Vergaser, der insbesondere für den Einsatz im Zusammenwirken mit Gasturbinen vorteil­ haft ist, da das produzierte Gas bereits den für die Gasturbine erforderli­ chen Arbeitsdruck aufweist und der Vergasungsprozeß begünstigt wird.

Nach Anspruch 6 sind die Wärmeabgabeabschnitte der Wärmeleitrohre so dimensioniert und angeordnet, um aufsteigende Blasen, die durch den Ein­ trag von Dampf, Luft, Rauchgas oder Sauerstoff im Wirbelschichtbett ent­ stehen, weitgehend zu dispergieren. Die Entstehung und die nachteilige Wirkung dieser Blasen im Wirbelschichtbett sind dem Fachmann bekannt. Im Vergleich zu Rauchgasrohren haben die Wärmeleitrohre nach dem Heat- pipe-Prinzip einen geringeren Durchmesser. Es ist somit gegenüber den Rauchgasrohren mit größerem Durchmesser leichter möglich, durch vorbe­ stimmte konstruktive Anordnung eine weitgehende Dispergierung der Bla­ sen zu bewirken. Eine konkrete Anordnung kann nicht angegeben werden, da in jedem speziellen Fall die Geometrie des Wirbelschichtbetts und ande­ re Abmessungen sowie Prozeßparameter zu berücksichtigen sind. Der Fachmann wird jedoch an Hand weniger Optimierungsversuche die, best­ mögliche Anordnung für eine optimale Dispergierung ermitteln können.

Nach Anspruch 7 sind im Wirbelbett der Vergasungsvorrichtung zusätzlich elektrische Heizelemente vorgesehen. Der Vorteil elektrischer Heizelemente besteht darin, daß diese Heizelemente auch für sehr hohe Heizleistungen zu Verfügung stehen und mit wenig technischem Aufwand eine genaue Temperaturregelung möglich ist. Daher werden die elektrischen Heizele­ mente bevorzugt beim Anfahren des Vergasers eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, die Heizelemente als Zusatzheizung zu betreiben, um den Vergasungsprozeß sehr präzise zu steuern.

Zur weiteren Verbesserung des Vergasungsprozesses kann katalytisch wirkendes Bettmaterial vorgesehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung einer er­ sten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung der Aus­ führungsform von, Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vergasungsvorrichtung.

Fig. 4A bis D zeigen verschiedene Varianten der räumlichen Anord­ nung einer Vergasungsvorrichtung 1 und einer Heizvor­ richtung 3.

Fig. 5A bis F zeigen den prinzipiellen Aufbau der Wärmeleitrohre (Heat-pipes).

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Vergasungsvorrichtung. Eine Wirbelschicht-Vergasungsvorrichtung 1 mit einem Wirbelschicht-Vergasungsbett 2 und eine Wirbelschicht-Verbren­ nungsvorrichtung 3 mit einem Wirbelschicht-Verbrennungsbett 4 sind un­ mittelbar angrenzend angeordnet. Das Wirbelschicht-Vergasungsbett 2 und das Wirbelschicht-Verbrennungsbett 4 sind über Wärmeleitrohre (Heat-pi­ pes) 5 thermisch gekoppelt. Die Wärmeleitrohre 5 sind mit einem für einen Temperaturbereich zwischen 300°C und 1000°C geeigneten Arbeitsfluid gefüllt, wobei im Temperaturbereich von 300°C vorzugsweise Quecksil­ ber und im Temperaturbereich bis 1000°C vorzugsweise Natrium, Kalium oder Lithium eingesetzt werden. Über eine Zuführeinrichtung 6 wird eine zu verbrennende Biomasse 7 durch ein Fallrohr 8 dem Wirbelschicht- Verbrennungsbett 4 zugeführt. Die Zuführung erfolgt ausgehend von ei­ nem Brennstofftrichter 9 mittels einer Förderschnecke 10 zu einer Zellen­ radschleuse 11. Analog dazu wird dem Wirbelschicht-Vergasungsbett 2 mittels einer Zuführeinrichtung 12 die zu vergasende Biomasse 13 zuge­ führt.

Am unteren Endabschnitt der Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung 3 ist eine Luft/Sauerstoff-Zuführung 14 vorgesehen. Über ein Düsensystem 15 wird Luft oder ein Luft/Sauerstoff-Gemisch in das Wirbelschicht- Verbrennungsbett 4 eingetragen. Analog dazu ist am unteren Endabschnitt der Wirbelschicht-Vergasungsvorrichtung 1 eine Dampf/Luft-Zuführung 16 vorgesehen, wobei auch Rauchgas oder Sauerstoff eingesetzt werden kann. Über ein Düsensystem 17 wird das Gas oder der Dampf oder ein Gemisch in das Wirbelschicht-Vergasungsbett 2 eingetragen. Der Dampf wird vorzugsweise mittels eines Wärmetauschers 19 erzeugt, in welchem die Wärme des Rauchgases der Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung 3 zum Verdampfen und zum Überhitzen von Wasser genutzt wird.

Nachfolgend wird der Vergasungsprozeß beschrieben:
Das Wirbelschicht-Verbrennungsbett 4 wird mit der über das Düsensystem 14 eingetragenen Verbrennungsluft fluidisiert, so daß eine gute Durch­ mischung gewährleistet ist, die eine optimale Verbrennung des Brenn­ stoffs, z. B. der Biomasse, bewirkt. Die bei der Verbrennung auf das Bett­ material (z. B. Sand) übertragene Wärme wird über die Oberfläche der Wärmeleitrohrabschnitte 5a auf das Arbeitsfluid übertragen. Durch den Wärmeeintrag verdampft das Arbeitsfluid in diesen Abschnitten 5a und strömt in kühlere Abschnitte 5b der Wärmeleitrohre 5 im Bereich des Wir­ belschicht-Vergasungsbetts 2, wo es wieder kondensiert. Die dabei freige­ setzte Wärme wird auf das Wirbelschicht-Vergasungsbett 2 übertragen.

Über das Düsensystem 17 wird überhitzter Dampf eingebracht, um das Wirbelschicht-Vergasungsbett 2 zusätzlich zu erhitzen und zu fluidisieren. In Verbindung mit der von den Wärmeleitrohren eingebrachten Wärme wird eine Prozeßtemperatur von 500 bis 900°C erreicht. Diese hohe Prozeß­ temperatur führt zur Freisetzung der flüchtigen Bestandteile der Biomasse und zur partiellen Oxydation des in der Biomasse enthaltenen Kohlenstoffs. Die Zugabe von überhitztem Dampf führt einerseits sowohl zur Erwärmung des Bettmaterials des Vergasers, als auch zur Reaktion des Kohlenstoffan­ teils der Biomasse zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Reformierung), als auch zur Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff aus dem entstandenen Kohlenmonoxid und dem Wasserdampf (CO₂-Shift). Das so gebildete hochkalorische Gas kann in einer nachgeschalteten Gasturbine, in einem Gasmotor oder in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Das Verhältnis zwischen der elektrischen Leistung des Gesamtprozesses und der freigesetzten thermischen Leistung kann dabei dem Bedarf angepaßt werden, indem die Aufteilung der in einem Abhitzedampferzeuger produzierten Frischdampfmenge auf externe Wär­ meverbraucher und den Vergaser variiert wird. Es ist besonders vorteilhaft, daß der mittels der Wärmequelle produzierte Dampf entweder bis zu 100% für die Vergasung eingesetzt werden kann, d. h. für die Stromerzeugung mittels einer Brennstoffzelle oder einer Gasturbine, oder bis zu 100% für Heizzwecke, d. h. nur für Wärmeerzeugung.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ver­ gasungsvorrichtung. Anstelle der Wirbelschicht-Verbrennungsvorrichtung ist eine Flammenfeuerung 20 vorgesehen, in der ein Teil des erzeugten Gases wieder verbrannt wird, um die Wärmeaufnahmeabschnitte 5a der Wärmeleitrohre 5 zu erhitzen. Die prinzipielle Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform entspricht der der ersten Ausführungsform.

Die Fig. 4A bis 4D zeigen verschiedene Anordnungen der Vergasungsvor­ richtung in Verbindung mit den Heizvorrichtungen.

Nach Fig. 4A ist die Vergasungsvorrichtung 1 angrenzend neben der Heiz­ vorrichtung 3 angeordnet, und die Wärmeleitrohre 5 sind schräg angeord­ net, wobei die Wärmeaufnahmeabschnitte 5a tiefer liegen als die Wärme­ abgabeabschnitte 5b.

Nach Fig. 4B ist die Vergasungsvorrichtung 1 oberhalb der Verbrennungs­ vorrichtung 3 angeordnet. In diesem Fall stehen die Wärmeleitrohre 5 senkrecht.

Nach Fig. 4C ist die Vergasungsvorrichtung 1 angrenzend neben der Heiz­ vorrichtung 3 angeordnet, wobei die Wärmeleitrohre 5 ringförmig ausge­ bildet sind.

Nach Fig. 4D ist die Heizvorrichtung 3 konzentrisch um die Vergasungs­ vorrichtung 1 angeordnet.

Für den Fachmann ist klar, daß auch Kombinationen der in Fig. 4 gezeigten Anordnungen möglich sind.

Die Fig. 5A bis 5D zeigen den prinzipiellen Aufbau der Wärmeleitrohre (Heat-pipes).

Die Fig. 5A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeleitrohrs 5 mit einem kreisförmigen Querschnitt. An dem Wärmeaufnahmeabschnitt 5a und dem Wärmeabgabeabschnitt 5b sind zur Verbesserung des Wärme­ überganges Wärmetauscherrippen 5c angeordnet.

Die Fig. 5B zeigt einen Längsquerschnitt durch ein mit Natrium gefülltes Wärmeleitrohr 5. Das innere Volumen des Wärmeleitrohrs 5 ist lediglich zu ca. 5% mit flüssigem Natrium gefüllt, d. h., das verbleibende Volumen von 95% ist Natriumdampf. Der Natriumdampf strömt gemäß der Pfeilrichtung in den kühleren Abschnitt 5b des Wärmeleitrohrs und kondensiert, wobei die von der Wärmequelle aufgenommene Wärme auf die Biomasse übertra­ gen wird. Um einen kreislaufartigen Wärmeaustausch zu bewirken, muß das kondensierte Natrium wieder in den heißen Abschnitt des Wärme­ leitrohrs befördert werden. Dazu werden verschiedene Maßnahmen vorge­ sehen, die nachfolgend dargestellt und erläutert werden.

Nach Fig. 5C sind an der Rohrinnenwand mehrere Lagen eines Metallge­ webes 20 angeordnet. Dieses Metallgewebe 20 hat die Wirkung eines Dochtes, d. h., das flüssige Natrium wird durch Kapillarkräfte in den hei­ ßen Abschnitt 5b des Wärmeleitrohrs 5 befördert, wo es erneut ver­ dampft.

Anstelle des Metallgewebes 20 kann auch eine gesinterte, poröse Schicht eingesetzt werden, die die gleiche Wirkung hat.

Die Fig. 5D zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wärmeleitrohrs, bei dem in der Rohrinnenwand rillenartige Vertiefungen 21 vorgesehen sind, in denen das kondensierte (flüssige) Natrium durch Kapillarwirkung zurück­ fließt. Anstelle der rillenartigen Vertiefungen 21 kann auch eine Kanüle 22 gemäß Fig. 5E (Kanüle vergrößert dargestellt) verwendet werden, welche die gleiche Wirkung hat.

Die Fig. 5F zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wärmeleitrohrs, das schräg oder senkrecht eingebaut ist. Ein derartige Anordnung nutzt die Gravitationskraft, um den Rücktransport des Arbeitsfluides zu bewirken. Daher sind keine Vorrichtungen 20 bis 22 erforderlich, um die Rückfüh­ rung des Natriums zu bewirken.

Es ist klar, daß bei der Vielzahl von möglichen Varianten, Kombinationen und Bauformen der einzelnen Komponenten der Erfindung nicht alle dieser Varianten explizit beschrieben werden konnten. Jedoch fallen auch alle dieser nicht explizit beschriebenen Varianten unter den Schutzbereich der anliegenden Patentansprüche.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Brenngas durch allotherme Vergasung von Biomasse, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

• - eine Biomasse-Zuführeinrichtung (12) zum Zuführen der Biomasse (13),
• - ein Wirbelschicht-Vergasungsbett (2) in eine Vergasungsvorrichtung (1)
• - eine unterhalb der Oberfläche des Wirbelschicht-Vergasungsbetts (2) an­ geordnete Dampf- und/oder Gaszuführung (16),
• - eine Ableitung zum Ableiten des Brenngases,
• - Wärmeleitrohre (5) mit je einem Wärmeaufnahmeabschnitt (5a) und ei­ nem Wärmeabgabeabschnitt (5b), wobei
• - die Wärmeaufnahmeabschnitte (5a) mit einer Wärmequelle (4, 20) ther­ misch gekoppelt sind und
• - die Wärmeabgabeabschnitte (5b) in dem Wirbelschicht-Vergasungsbett (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmequelle (4, 20) eine Verbrennungsvorrichtung (3) mit einem Wirbelschichtbett (4) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ brennungsvorrichtung (3) mit dem Wirbelschichtbett (4) für die Verbren­ nung von Biomasse dimensioniert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmequelle (3, 20) ein Heißgaserzeuger (20) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergasungsvorrichtung (1) ein druckaufgeladener Vergaser ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmeabgabeabschnitte (5b) so dimensioniert und im Wirbelschicht-Vergasungsbett (2) angeordnet sind, um aufsteigende Gas- oder Dampfblasen zu dispergieren.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Vergasungsvorrichtung (1) zusätzlich elektrische Heizvorrichtungen angeordnet sind, die bei Bedarf zuschaltbar sind, um den Anheizprozeß zu unterstützen oder den Vergasungsprozeß zu steuern.