DE19948332A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen heizwertreicher Brennstoffe - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen heizwertreicher BrennstoffeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen heizwertreicher Brenngase, bei welchem kohlenstoffhaltige Stoffe in einer Feststoffpartikel enthaltenden Wirbelschicht mit Hilfe eines gasförmigen Vergasungsmittels unter Wärmezufuhr allotherm vergast und die gebildeten Gase von den Feststoffpartikeln getrennt abgezogen werden. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Feststoffpartikel in einem absteigenden ersten Bett indirekt erwärmt und einem aufsteigenden, fluidisierten zweiten Bett zugeführt werden, in dem die Wirbelschicht gebildet wird und der Hauptteil der Vergasung erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung heizwertreicher Brenngase sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Nachhaltiges Wirtschaften rückt immer mehr in den Mittelpunkt der gesellschaftlichen
Zielsetzung. Der Energieerzeugung aus Abfallstoffen und regenerativen Substanzen,
wie z. B. biogenen Brennstoffen in der Erst- oder in der Folgenutzung, kommt damit eine
besondere Bedeutung zu. Weiterhin rückt zum Ende des 20. Jahrhunderts die Erzeu
gung von Wasserstoff mehr in den Mittelpunkt des Interesses, nicht zuletzt durch die
beginnende Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen.
Die energetische Nutzung fester, pastöser oder flüssiger Brennstoffe erfolgt zumeist
durch Verbrennung mit nachfolgender Nutzung der bei der Verbrennung frei werdenden,
zuvor chemisch gebundenen Wärme.
Daneben gibt es seit langem Ansätze, Vergasungsverfahren zur Erzeugung heizwertrei
cher Brenngase aus festen, pastösen oder flüssigen Brennstoffen zu etablieren. Der
brennbare Teil des Rohgases bei jeder Vergasung besteht zum Großteil aus Wasser
stoff und Kohlenmonoxid, geringere Anteile sind Methan und höhere Kohlenwasserstof
fe. Jede Art der Vergasung ist daher ein Wasserstofferzeuger.
Wesentlicher Vorteil der Vergasung gegenüber der Verbrennung ist, daß die in der Aus
gangssubstanz enthaltenen Schadstoffe in reduzierender Atmosphäre in Bestandteile
oder in relativ einfache chemische Verbindungen überführt werden. Die Gasvolumina
sind im Vergleich zur Verbrennung deutlich kleiner, so daß eine Gasreinigung bei Ver
gasung im Vergleich zur Verbrennung bei gleicher Zielstellung einfacher und kosten
günstiger erfolgen kann.
Es gibt drei Grundtypen von Vergasungsverfahren:
- 1. Die Vergasung fester, pastöser oder flüssiger Brennstoffe mit dem Vergasungsmedi um Luft ist technisch das einfachste Verfahren und führt zu einer Teiloxidation. Der Heizwert des erzeugten Gases ist niedriger als der des eingesetzten Brennstoffs. Die Vergasungstemperaturen liegen typisch im Bereich zwischen 600°C und 900°C. Bei diesen Temperaturen entstehen in erheblichem Umfang Teere. Ein großflächiger Ein satz des Verfahrens kam bislang nicht zustande, da die Entfernung der Teere aus dem Gas für kleine Vergaser technisch bislang nicht hinreichend kontrolliert werden kann.
- 2. Die Vergasung fester, pastöser oder flüssiger Brennstoffe mit dem Vergasungsmedi um Sauerstoff führt, ebenso wie die Luftvergasung, zu einer Teiloxidation mit einer Verringerung des Heizwerts. Die Vergasungstemperaturen liegen typisch bei 1600° C, so daß Teerbildung ausgeschlossen ist. Ein großflächiger Einsatz kam bislang nicht zustande, da die Erzeugung des benötigten Sauerstoffs mit hohen Kosten ver bunden ist und betriebswirtschaftliche Kalkulationen zu stark belastet. Die Sauerstoff vergasung führt gegenüber der Luftvergasung zu kleineren Gasmengen, da durch das Vergasungsmedium kein inerter Stickstoffanteil eingetragen wird.
- 3. Die Vergasung fester, pastöser oder flüssiger Brennstoffe mit dem Vergasungsmedi um Wasserdampf führt zu einem Gas, das heizwertreicher ist als der ursprünglich eingesetzte Brennstoff. Dem Vergasungsreaktor muß daher von außen Wärme zuge führt werden. Die Vergasungstemperaturen liegen typisch bei 600°C bis 900°C. Dabei ist die Bildung von Teer möglich. Das Potential ist jedoch niedriger als bei Luft vergasung. Ein großflächiger Einsatz kam bislang nicht zustande, da vor allen Dingen die Problematik des Wärmeeintrags in den Reaktor nicht hinreichend gelöst ist. Die Gasmengen der Wasserdampfvergasung liegen zwischen denen der Luft- und der Sauerstoffvergasung. Dies liegt darin begründet, daß bei der Wasserdampfvergasung der Kohlenstoff des Brennstoffs durch den Sauerstoff des Wasserdampfes zu Koh lenmonoxid oder Kohlendioxid oxidiert wird, wodurch zusätzlich Wasserstoff entsteht. Das Wasserstofferzeugungspotential der Wasserdampfvergasung liegt damit erheb lich über dem der Luft- oder Sauerstoffvergasung.
Vergasungsverfahren, bei denen die benötigte Reaktionswärme durch Teiloxidation zu
geführt wird, werden als autotherm bezeichnet, während solche, bei denen die benötigte
Reaktionswärme von außen zugeführt wird, als allotherm bezeichnet werden.
Die allotherme Wasserdampfvergasung von festen, pastösen oder flüssigen Brennstof
fen findet zur Sicherstellung gleichmäßiger Reaktionsbedingungen üblicherweise in einer
Wirbelschicht statt. Hierbei wird ein Bett aus kleinen Feststoffpartikeln von unten mit
Wasserdampf angeströmt. Die Anströmgeschwindigkeit ist so groß, daß die Feststoff
partikel zumindest in der Schwebe gehalten werden. Man spricht von einer stationären
Wirbelschicht, wenn die Feststoffpartikel eine fest definierte Oberfläche mit aufsteigen
den Gasblasen ausbilden, während bei einer zirkulierenden Wirbelschicht der wesentli
che Teil der Feststoffpartikel mit dem Gasstrom aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetra
gen, aus dem Gasstrom abgeschieden und dann über eine Fallstrecke wieder dem unte
ren Teil des eigentlichen Wirbelschichtreaktors zugeführt wird. Die Feststoffpartikel kön
nen inert sein, z. B. aus Quarzsand, Kalkstein, Dolomit, Korund oder ähnlichem; sie kön
nen jedoch auch aus der Asche des Brennstoffs bestehen. Die Feststoffpartikel können
durch katalytische Eigenschaften die Vergasungsreaktionen beschleunigen.
In der US 4,154,581 ist ein Gaserzeuger mit zwei Reaktionsbereichen beschrieben, der
im Aufheizteil ein exothermes Reaktionsumfeld hat, so daß die Wärme direkt bereitge
stellt wird. Der Wärmetransport wird dadurch sichergestellt, daß Bettmaterial mit unter
schiedlicher Körnung verwendet wird. Ein grobkörniges Material verbleibt im exothermen
Bett, während eine feinkörnige Fraktion vom exothermen in den endothermen Bereich
und zurück wandert. Die feinkörnige Fraktion übernimmt dabei die Funktion des Wärme
transports.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Feststofftransport zwischen den
Betten mit dem Wärmehaushalt der Betten zur Deckung gebracht werden muß, was bei
den hohen Betriebstemperaturen und unterschiedlichen Lastzuständen große Anforde
rungen an die Regelungs- und Steuerorgane stellt. Weiterhin ist zwischen dem Verbren
nungs- und dem Vergasungsbereich keine Trennung aus der Sicht der Brennstoffe vor
handen, so daß mögliche Schadstoffe aus dem Brennstoff sowohl im Vergasungs- als
auch im Verbrennungspfad auftreten können, was das System der Gasreinigung ver
kompliziert.
Aus der EP 0 329 673 ebenso wie aus der US 5,059,404 ist es bekannt, den Wärmeein
trag mit Hilfe von Wärmetauschern zu realisieren, die im Wirbelbett, also in der Reakti
onszone, vorgesehen sind. Der Nachteil einer solchen Konzeption besteht darin, daß
durch die Anordnung der Wärmetauscher in der Reaktionszone die Abmessung der Re
aktionszone bzw. der Wirbelschicht durch die erforderlichen Wärmetauschflächen vor
gegeben sind. Darüber hinaus sind die Wärmetauschflächen den korrosiven Einflüssen
schädlicher Bestandteile des Brennstoffes direkt ausgesetzt, was bei Oberflächentem
peraturen von 600°C bis über 900°C extreme Anforderungen an das Material stellt.
Schließlich ist aus der DE 197 36 867 A1 eine Kombination aus autothermen und allo
thermen Verfahren bekannt. Dabei wird die erforderliche Reaktionswärme über heiße
Dampf und Rauchgase aus einer Teilverbrennung des Produktgases zugeführt.
Die Kombination eines auto- und allothermen Verfahrens führt dazu, daß die Gasmenge
durch den Stickstoffanteil stark ansteigt, der mit der Luft für die Teilverbrennung einge
tragen wird. Die Partialdrücke der Nutzgase sinken somit ab, was die nachfolgende Gas
reinigung und Gasnachbehandlung nachteilig beeinflußt.
Eine Wirbelschicht ist eine seit vielen Jahren erprobte und vielfach angewandte Techno
logie. Anwendungsgebiete sind z. B. die Trocknung und die Verbrennung fester Stoffe
oder von Schlämmen. Basis jedes Wirbelschichtverfahrens ist ein Reaktor, in dem ein
Feststoffinventar durch Anströmung von unten soweit aufgelockert wird, daß die Einzel
partikel in der Luft zu schwimmen beginnen, das Feststoffinventar wird fluidisiert.
Man unterscheidet zwei Grobtypen: Bildet sich eine feste Oberfläche des fluidisierten
Feststoffinventars, spricht man von einer stationären Wirbelschicht. Werden die Teilchen
mit dem Gasstrom aus dem Reaktor ausgetragen, spricht man von einer zirkulierenden
Wirbelschicht. Jede zirkulierende Wirbelschicht hat als weitere wesentliche Merkmale
eine Vorrichtung zur Trennung der ausgetragenen Feststoffpartikel aus dem Gasstrom
sowie eine weitere zur Rückführung der abgetrennten Feststoffpartikel in den Reaktor.
Im Laufe der Zeit haben sich für beide Grundtypen eine Vielzahl von Bauformen heraus
gebildet, die versuchen, die Nachteile der einen zu vermeiden und die Vorzüge der an
deren zu nutzen.
Beispielhaft sei hier erwähnt:
DE 28 36 531: Ein stationäres Wirbelschichtverfahren, bei dem mittels Einbau einer
Trennwand Bereiche unterschiedlicher Fluidisierung ausgebildet werden,
so daß sich in einem stationären Bett eine Zirkulation von Bettmaterial
einstellt.
EP 0302 849: Eine zirkulierende Wirbelschicht, die eine Weiterentwicklung der DE 28
36 531 darstellt, durch ihre Baugröße jedoch eher an eine stationäre als
an eine zirkulierende Wirbelschicht erinnert.
DE 33 20 049: Ein stationäres Wirbelschichtverfahren, bei dem sich durch unterschiedli
che Betthöhen eine Zirkulation von Bettmaterial einstellt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Gewinnung heizwertreicher Brenngase anzugeben, mit deren Hilfe die obengenannten
Probleme zumindest teilweise beseitigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafterweise befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung keine Heizeinrichtung im Reaktionsraum. Dadurch werden
bisher bestehende Korrosionsprobleme vermieden. Darüber hinaus sind das erfinderi
sche Verfahren und die erfinderische Vorrichtung nicht auf spezielle Heizeinrichtungen
beschränkt, sondern gestatten die Verwendung beliebiger Heizeinrichtungen, insbeson
dere rohrförmiger Wärmetauscher. Vorteilhafterweise gelangen keine Brennstoffpartikel
aus der reduzierende in eine oxidierende Zone. Ferner kann die Ausgestaltung des Re
aktionsraumes unabhängig von den geometrischen Vorgaben für die Heizung vorge
nommen werden, so daß sich die Baugröße der erfindungsgemäßen Vorrichtung opti
mieren läßt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens wird das abstei
gende erste Bett durch Einspritzung eines Gases aufgelockert oder leicht fluidisiert, wo
durch vorteilhafterweise eine unerwünschte Agglomeration der Feststoffpartikel verhin
dert und der Transport des Bettmaterials unterstützt wird. In einer anderen Ausführungs
form wird das absteigende erste Bett indirekt mit Hilfe eines Wärmetauschers, durch den
ein Heizmedium strömt, erwärmt. Dabei kann das Heizmedium bei der Wärmeabgabe
an das absteigende erste Bett im Wärmetauscher pulsierend strömen. Auf diese Weise
wird der Wärmeübergang von Wärmetauscher zum absteigenden ersten Bett verbes
sert.
Ferner kann die Vergasung unter Druck bzw. unter atmosphärischen Bedingungen er
folgen. Die kohlenstoffhaltigen Stoffe können aus flüssigen, pastösen oder festen Stof
fen, insbesondere aus Koks, Erdöl, Biomasse oder Abfallstoffen, bestehen. Vorteilhaf
terweise gestattet also das erfindungsgemäße Verfahren die Verarbeitung unterschied
lichster kohlenstoffhaltiger Stoffe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird Wasserdampf als Vergasungsmittel eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können der
Aufheizbereich und der Reaktionsbereich durch eine unterschiedliche Fluidisierung des
Wirbelbettes getrennt sein, wobei die unterschiedliche Fluidisierung eine Zirkulation des
Bettmaterials um eine oder mehrere im wesentlichen horizontale Achse bewirkt. Die im
wesentlichen horizontalen Achsen können dabei ringförmig geschlossen sein. Diese
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich besonders durch
eine kompakte Bauweise aus. In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung sind der Aufheizbereich und der Reaktionsbereich durch eine Wand
getrennt. Ferner können der Aufheizbereich und der Reaktionsbereich jeweils in einem
eigenen Reaktor ausgebildet sein. Diese beiden Ausführungsformen bieten den Vorteil
einer sicheren Trennung des Aufheizbereiches vom Reaktionsbereich durch konstruktive
Maßnahmen. Die Einrichtung für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel kann
eine Wandöffnung oder eine Rohrleitung sein. Ferner kann diese Einrichtung für die
Überführung der erwärmten Feststoffpartikel in einem unteren Bereich des Aufheizberei
ches vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist diese Einrichtung einen
Düsenboden auf, mit dessen Hilfe eine leichte Fluidisierung der Feststoffpartikel im Auf
heizbereich erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die indi
rekte Wärmezufuhreinrichtung wenigstens ein von einem Heizmedium durchströmbarer
Wärmetauscher, der in oder am Aufheizbereich vorgesehen ist. Die Verwendung von
Wärmetauschern als Wärmezufuhreinrichtung vereinfacht die Konstruktion des Reak
tors. Darüber hinaus kann der Wärmetauscher wenigstens ein Resonanzrohr aufweisen,
in dem das Heizmedium bei der Wärmeabgabe an den Aufheizbereich pulsierend
strömt. Vorteilhafterweise wird dadurch der Wärmeübergang vom Wärmetauscher zum
Aufheizbereich verbessert. Das Resonanzrohr kann zur Resonanzerzeugung mit einer
Brennkammer verbunden sein. Die Erzeugung der erwünschten Resonanz kann auch
mit Hilfe eines akustischen Schwingers erfolgen, der getrennt von der Brennkammer
angeordnet ist.
In einer anderen Ausführungsform ist die Einrichtung zur Erzeugung des aufsteigenden,
fluidisierenden Wirbelschichtbettes ein in einem unteren Bereich des Reaktionsberei
ches vorgesehener Düsenboden. Ein solcher Düsenboden bietet den Vorteil, gleichmä
ßig das Fluidisierungsmedium in den Reaktionsbereich einzudüsen.
Die Einrichtung zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden Gase von den Fest
stoffpartikeln kann ein Zyklon sein. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist
die Einrichtung zur Trennung Einbauten zur Ausbildung einer scharfen Umlenkung der
Gasströmung auf, an der sich der Gas- und Feststoffpartikelstrom trennen, wobei sich
an die Einbauten ein Kanal zur Gasabfuhr und der Aufheizbereich anschließen. Ferner
kann zur Ausbildung eines Feststoffpartikelkreislaufes eine Einrichtung für die Überfüh
rung der Feststoffpartikel aus dem Reaktionsbereich in den Aufheizbereich vorgesehen
sein. Diese Einrichtung kann eine Wandöffnung oder eine Rohrleitung sein. Bevorzug
terweise ist diese Einrichtung in einem oberen Bereich des Reaktionsbereiches vorge
sehen.
Der Zufuhrbereich für die kohlenstoffhaltigen Stoffe kann in den Aufheizbereich münden.
Außerdem kann eine Zufuhreinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Stoffe auch in den
Reaktionsbereich münden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die
Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich
tung, bei der die Einrichtung zur Trennung der Gase von den Feststoffpartikeln
Einbauten aufweist, und
Fig. 2 einen Querschritt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei der die Einrichtung zur Trennung der Gase von den Feststoff
partikeln ein Zyklon ist.
Die in der Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt
einen Reaktionsbereich 3, in dem kohlenstoffhaltige Stoffe vergast werden. Die kohlen
stoffhaltigen Stoffe befinden sich in einem aufsteigenden, fluidisierten Wirbelschichtbett
2, das mit Hilfe der Einrichtung 4 im Reaktionsbereich 3 erzeugt wird. Diese im unteren
Bereich des Reaktionsbereiches 3 vorgesehene Einrichtung 4 kann beispielsweise ein
offener oder geschlossener Düsenboden sein, durch den das Fluidisierungsmedium
Wasserdampf eingeblasen wird. Der Wasserdampf kann mit Gasen gemischt sein. Der
Düsenboden 15 begrenzt den Reaktionsbereich 3, in dem die Wirbelschicht 2 ausgebil
det ist. Neben oder unterhalb des Düsenbodens 15 befindet sich ein in Fig. 1 nichtge
zeigter Abzug, aus dem z. B. Bettmaterial, Störstoffe aus dem Brennstoff, Asche und
nichtreagierte Brennstoffbestandteile abgezogen werden können. In den Abzug kann
Dampf eingedüst werden, der zum einen den Abzug erleichtert und zum anderen eine
Nachreaktion von Restbestandteilen des Brennstoffs gewährleistet. Die gezeigte Aus
führungsform umfaßt ferner einen Aufheizbereich 6, der vom Reaktionsbereich 3 durch
eine Vorrichtung 9 getrennt ist. Beim Betrieb des Reaktors wird im Aufheizbereich 6 ein
absteigendes Bett 1 aus Feststoffpartikeln ausgebildet. Im unteren Bereich der Aufheiz
zone 6 kann ein Düsenboden 22 angeordnet sein, durch den Dampf einströmt, der zur
Verbesserung des Stofftransports das Bettmaterial der Aufheizzone auflockert oder
schwach fluidisiert.
Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist im Aufheizbereich 6 eine Einrichtung 8 für die indirekte
Wärmezufuhr angeordnet. Diese Wärmezufuhreinrichtung 8 kann beispielsweise ein
oder mehrere Wärmetauscher sein. Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung nicht auf
die in der Fig. 1 gezeigte spezielle Anordnung des Wärmetauschers 12 beschränkt ist,
sondern daß andere Anordnungen, beispielsweise an der Wand des Aufheizbereiches 6,
ebenfalls denkbar sind. Darüber hinaus kann anstelle des gezeigten rohrförmigen Wär
metauschers 12 ein flächiger Wärmetauscher, der beispielsweise in die Wandung des
Aufheizbereiches 6 integriert ist, eingesetzt werden.
Der im Aufheizbereich vorgesehene Wärmetauscher 12 kann teilweise aus Resonanz
rohren 13 bestehen, in denen das Heizmedium bei der Wärmeabgabe in den Aufheizbe
reich 6 pulsierend strömt. Die Resonanzrohre 13 sind zur Erzeugung der Resonanz
schwingung mit einer nicht gezeigten Brennkammer oder einem anderen Resonanzer
zeuger verbunden. Die Aufheizung des Heizmediums erfolgt direkt durch Verbrennung
einer brennbaren Substanz mit sauerstoffhaltigem Gas.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen, erfolgt also die Aufheizung der Feststoffpartikel getrennt
von der im Reaktionsraum 3 stattfindenden Vergasung. Aufgrund der schwachen Fluidi
sierung des Aufheizbereiches bildet sich dort ein langsames absteigendes Bett 1, wäh
rend sich aufgrund der starken Fluidisierung des Reaktionsbereiches 3 dort ein schnel
les aufsteigendes Wirbelschichtbett 2 ausbildet. Durch die Anordnung des Wärmetau
schers 12 im langsamen absteigenden Bett 1 wird der starke mechanische Abrieb des
Wärmetauschers, der bisher im Stand der Technik stattfand, herabgesetzt. Außerdem
ist der Wärmetauscher 12 im Aufheizbereich weniger starken Korrosionseinflüssen als
im Reaktionsbereich 6 ausgesetzt. Das bedeutet, daß dadurch der Reaktor eine längere
Standzeit aufweist.
Der Aufheizbereich 6 ist über eine Einrichtung 7 mit dem Reaktionsbereich 3 verbunden,
mit deren Hilfe die im Aufheizbereich 6 erwärmten Feststoffpartikel in den Reaktionsbe
reich 3 überführt werden. Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist diese Einrichtung 7 als Wandöff
nung 10 ausgebildet. Diese Einrichtung 7 kann aber auch beispielsweise als Rohrleitung
ausgebildet sein. Zur Unterstützung des Transportes der erwärmten Feststoffpartikel
aus dem Aufheizbereich 6 in den Reaktionsbereich 3 kann die Einrichtung 7 für die
Überführung der erwärmten Feststoffpartikel einen Düsenboden 11 aufweisen. Mit Hilfe
dieses Düsenbodens 11 können die Feststoffpartikel aufgelockert oder leicht fluidisiert
werden. Als Düsenboden 11 kann der zur Erzeugung der aufsteigenden, fluidisierten
Wirbelschicht 2 eingesetzte Düsenboden 15 verwendet werden, wobei beachtet werden
muß, daß im Reaktionsbereich 3 eine stärkere Fluidisierung als im Aufheizbereich 6
stattfindet.
Zur Ausbildung eines Feststoffpartikelkreislaufes ist im oberen Bereich des Reaktionsbe
reiches 3 eine Einrichtung 16 für die Rückführung der Feststoffpartikel aus dem Reakti
onsbereich 3 in den Aufheizbereich 6 vorgesehen. Diese Einrichtung 16 kann, wie in Fig.
1 zeigt, eine Wandöffnung 17 sein. Es ist ebenfalls denkbar, diese Einrichtung 16 als
Rohrleitung auszubilden. Die Einrichtung 5 zur Trennung der bei der Vergasung entste
henden Gase von den Feststoffpartikeln und zur Abführung dieser Gase sind in der in
Fig. 1 gezeigten Ausführungsform Einbauten 18 und 19. Die Einbauten 18 und 19 bewir
ken eine scharfe Umlenkung der Strömung, denen die Feststoffpartikel nicht folgen kön
nen. Gasstrom und Feststoffpartikelstrom trennen sich somit an den Einbauten. Die
Gasströmung wird über den Gasweg 20 abgeführt, durch den die Einbauten 18 und 19
getrennt sind. Der Feststoffpartikelstrom regnet in den Aufheizbereich 6, der sich unter
halb der Einbauten 18 und 19 befindet.
Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform mündet eine Zufuhreinrichtung 21 für
die kohlenstoffhaltigen Stoffe in den Aufheizbereich 6. Der Brennstoff kann dabei entwe
der im Bereich des Bettes 1 eingepreßt oder von oben auf das Bett 1 abgeworfen wer
den. Darüber hinaus ist es möglich, eine weitere Zufuhreinrichtung vorzusehen, die in
den Reaktionsbereich 3 mündet.
Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird das Bettmaterial in einem Zyklon
aus dem Gasstrom abgeschieden und über das absteigende Bett 1 wieder dem unteren
Bereich des aufsteigenden Bettes 2 zugeführt. Der Gasstrom strömt in diesem Fall über
das Rohr 23 tangential in den als Zyklon ausgebildeten Abscheideraum 5 ein.
Claims (29)
1. Verfahren zum Gewinnen heizwertreicher Brenngase, bei welchem kohlenstoffhalti
ge Stoffe in einer Feststoffpartikel enthaltenden Wirbelschicht mit Hilfe eines gas
förmigen Vergasungsmittels unter Wärmezufuhr allotherm vergast und die gebilde
ten Gase von den Feststoffpartikeln getrennt und abgezogen werden, wobei die
Feststoffpartikel in einem absteigenden ersten Bett (1) indirekt erwärmt und einem
aufsteigenden, fluidisierten zweiten Bett (2) zugeführt werden, in dem die Wirbel
schicht gebildet wird und der Hauptteil der Vergasung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das absteigende erste
Bett (1) durch Einspritzung eines Gases aufgelockert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das absteigende erste
Bett (1) leicht fluidisiert wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das absteigende erste Bett (1) indirekt mit Hilfe eines Wärmetau
schers, durch den ein Heizmedium strömt, erwärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmedium bei
der Wärmeabgabe an das absteigende erste Bett (1) pulsierend strömt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vergasung unter Druck erfolgt.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Vergasung unter atmosphärischen Bedingungen erfolgt.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Stoffe aus flüssigen, pastösen oder festen
Stoffen, insbesondere aus Koks, Erdöl, Biomasse oder Abfallstoffen, bestehen.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Vergasungsmittel Wasserdampf ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
- - einem Reaktionsbereich (3) für die Vergasung der kohlenstoffhaltigen Stoffe,
- - einer Einrichtung (4) zur Erzeugung des aufsteigenden fluidisierten Wirbel schichtbettes (2) im Reaktionsbereich (3)
- - einer Einrichtung (5) zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden Gase von den Feststoffpartikeln und zur Abführung dieser Gase,
- - einem Aufheizbereich (6) für die Aufheizung der Feststoffpartikel im absteigen den Bett (1), wobei der Aufheizbereich (6) vom Reaktionsbereich (3) im wesent lichen getrennt ist,
- - einer Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel aus dem Aufheizbereich (6) in den Reaktionsbereich (3), und
- - einer indirekten Wärmezufuhreinrichtung (8), die dem Aufheizbereich (6) zuge ordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheizbereich
(6) und der Reaktionsbereich (3) durch eine unterschiedliche Fluidisierung des Wir
belbettes getrennt sind, wobei die unterschiedliche Fluidisierung eine Zirkulation des
Bettmaterials um eine oder mehrere im wesentlichen horizontale Achsen bewirkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen
horizontalen Achsen ringförmig geschlossen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheizbereich
(6) und der Reaktionsbereich (3) durch eine Wand (9) getrennt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheizbereich
(6) und der Reaktionsbereich (3) jeweils in einem eigenen Reaktor ausgebildet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel eine Wan
döffnung (10) oder eine Rohrleitung ist.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffparti
kel in einem unteren Bereich des Aufheizbereiches (6) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffparti
kel ein Düsenboden (11) zur leichten Fluidisierung der Feststoffpartikel aufweist.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß die indirekte Wärmezufuhreinrichtung (8) wenigstens ein von einem
Heizmedium durchströmbarer Wärmetauscher (12) ist, der im oder am Aufheizbe
reich (6) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher
(12) wenigstens ein Resonanzrohr (13) aufweist, in dem das Heizmedium bei der
Wärmeabgabe an den Aufheizbereich (6) pulsierend strömt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzrohr
(13) zur Resonanzerzeugung mit einer Brennkammer verbunden ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Resonanzer
zeugung ein akustischer Schwinger vorgesehen ist, der getrennt von einer Brenn
kammer angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des aufsteigenden fluidisierten Wirbel
schichtbettes (2) ein in einem unteren Bereich des Reaktionsbereiches (3) vorgese
hener Düsenboden (15) ist.
23. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einrichtung zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden
Gase von den Feststoffpartikeln in Zyklon ist.
24. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß die senkrechte Abströmung der im aufsteigenden Bett erzeugten Ga
se durch Einbauten (18, 19) blockiert ist, die eine mehrfache Umlenkung der
Gasströmung bedingt und die mehrfache Umlenkung zu einer weitgehenden Ab
trennung der Feststoffpartikel aus dem Gasstrom führt.
25. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Ausbildung eines Feststoffpartikelkreislaufes eine Einrichtung
(16) für die Überführung der Feststoffpartikel aus dem Reaktionsbereich (3) in den
Aufheizbereich (6) vorgesehen ist.
26. Vorrichtung nach Ansprüche 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für
die Überführung (16) der Feststoffpartikel aus dem Reaktionsbereich (3) in den Auf
heizbereich (6) eine Wandöffnung (17) oder eine Rohrleitung ist.
27. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 25 und 26, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einrichtung (16) für die Überführung der Feststoffpartikel in einem
oberen Bereich des Reaktionsbereiches (3) vorgesehen ist.
28. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Zufuhreinrichtung (21) für die kohlenstoffhaltigen Stoffe in den
Aufheizbereich (6) mündet.
29. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 28, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Zufuhreinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Stoffe in den Reak
tionsbereich (3) mündet.
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