DE202008007924U1

DE202008007924U1 - Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse

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Publication number: DE202008007924U1
Application number: DE200820007924
Authority: DE
Original assignee: G & A Industrieanlagen GmbH
Current assignee: G & A Industrieanlagen GmbH
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2018-06-17

Abstract

Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holz sowie Klärschlamm und/oder Haus- bzw. Gewerbemüll, in Brenngas, im Wesentlichen bestehend aus mindestens einem Schneckenreaktor, in dem die vorgenannten Stoffe unter Luftausschluss getrocknet und pyrolysiert werden und mindestens einem weiteren Reaktor, in welchem eine partielle Oxidation durch unterstöchiometrische Zugabe eines Vergasungsmittels, insbesondere Luft, zumindest teilweise eine Aufspaltung der langkettigen Teermoleküle stattfindet, wobei der Reaktor von oben mit Pyrolysekoks, Pyrolysegas und Wasserdampf unter Ausbildung einer Pyrolysekoksschüttung gefüllt wird, und die Reststoffe mittels einer Abzugseinrichtung unten abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (15) ausgehend von der Abzugseinrichtung (16) mit dem im Schneckenreaktor (11) entstandenen Pyrolysekoks füllbar ist und dass die Reaktorwandung gegen Verstopfung geschützte Einlassöffnungen (24, 25) für das Vergasungsmittel und/oder Auslassöffnungen (23) für das Brenngas aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holz sowie Klärschlamm und/oder Haus- bzw. Gewerbemüll, in Brenngas, im Wesentlichen bestehend aus mindestens einem Schneckenreaktor, in dem die vorgenannten Stoffe unter Luftausschluss getrocknet und pyrolysiert werden und mindestens einem weiteren Reaktor, in welchem eine partielle Oxidation durch unterstöchiometrische Zugabe eines Vergasungsmittels, insbesondere Luft, zumindest teilweise eine Aufspaltung der langkettigen Teermoleküle stattfindet, wobei der Reaktor von oben mit Pyrolysekoks, Pyrolysegas und Wasserdampf unter Ausbildung einer Pyrolysekoksschüttung gefüllt wird, und die Reststoffe mittels einer Abzugseinrichtung unten abgezogen werden.
Eine derartige Vorrichtung aus dem Stand der Technik ist bereits grundsätzlich bekannt und dient zur Durchführung des so genannten Wiking-Verfahrens, welches druckschriftlich nicht belegbar ist.
Die Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist einen Schneckenreaktor auf, in dem Biomasse, vorzugsweise Holzhackschnitzel, getrocknet und pyrolysiert wird. Aus dem Schneckenreaktor gelangt das Pyrolysegas, die Reststoffe der Pyrolyse (Pyrolysekoks) und der Wasserdampf in einen zweiten Reaktor. Dieser Reaktor ist als senkrecht stehender Zylinder mit einem horizontalen Rost im unteren Bereich ausgebildet. Der Pyrolysekoks bildet ein Festbett auf dem Rost. Der Rost ist zur Begrenzung der Festbetthöhe beweglich. Oberhalb des Rostes wird dem Pyrolysegas Luft zugegeben und unterhalb des Rostes wird das Brenngas und der Pyrolysekoks bzw. die Reststoffe abgezogen.
Da im Reaktor eine partielle Oxidation stattfindet, werden hohe Temperaturen erreicht, so dass die langkettigen Teermoleküle größtenteils zerstört werden. Die Entstaubung des Gases erfolgt teilweise beim Strömen durch das Festbett und des Weiteren durch zusätzliche nachgeschaltete Einrichtungen.
Festbettvergaser sind zwar einfach aufgebaut, jedoch hinsichtlich einer identischen Reaktionsgeschichte aller Gasteilchen auf eine überall gleichmäßige Durchströmung der Gase angewiesen, die nur durch eine exakte Korngrößenverteilung der Biomasse und durch eine begrenzte Baugröße des Reaktors gewährleistet werden kann.
Bei den üblichen, relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten bei der Zufuhr der sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel, ist deren Wirkungsreichweite im Festbett sehr begrenzt. Die für die Reduktion und Teerzersetzung erforderlichen hohen Temperaturen werden jedoch nur im Wirkungsbereich des Vergasungsmittels erreicht. Gelangen Pyrolyseprodukte über kältere Bereiche der Festbettschüttung in den Brenngasstrom, so sind hohe Teergehalte im Brenngas nicht zu verhindern. Die üblichen großflächigen Roste begünstigen diese Strömungsinhomogenitäten. Zudem zeigen die diversen Rostkonstruktionen auch bei üblichen Störstoffbelastungen immer wieder mechanische Defekte und Störungen.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik besteht nunmehr die Aufgabe darin, eine neue Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holz sowie Klärschlamm und/oder Haus- bzw. Gewerbemüll zu schaffen, deren Störanfälligkeit verringert ist und bei der der Teergehalt im Brenngas deutlich verringert ist.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem Merkmal des Patentanspruches 1, insbesondere den Merkmalen des Kennzeichenteils, wonach der Reaktor ausgehend von der Abzugseinrichtung mit dem im Schneckenreaktor entstandenen Pyrolysekoks füllbar ist und dass die Reaktorwandung gegen Verstopfung geschützte Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel und/oder Auslassöffnungen für das Brenngas aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat zunächst einmal den wesentlichen Vorteil, dass sie keinen zur Lagerung des Pryolysekokses vorgesehenen Rost aufweist, so dass die bei dem Stand der Technik damit auftretenden mechanischen Defekte und Störungen ausgeschlossen sind.
Darüber hinaus wird durch in der Reaktorwandung angeordnete, gegen Verstopfung geschützte Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel und/oder Auslassöffnungen für das Brenngas ein völlig störungsfreier Betrieb des Reaktors garantiert, da die Pyrolysekoksschüttung nicht in die vorgenannten Öffnungen eindringen kann.
Bei einer derartigen Gestaltung des Reaktors ist es des Weiteren vorteilhaft, dass die Gasströme optimal miteinander reagieren können und der gesamte Brenngasstrom weitgehend teerfrei ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Reaktorwandung eine Vielzahl von sich in Schwerkraftrichtung zumindest partiell erstreckende Innenraumerweiterungen auf, in deren Freiraum die Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel und/oder die Auslassöffnungen für das Brenngas angeordnet sind. Durch diese Art des Schutzes der Einlass-/Auslassöffnungen gegen Verstopfung wird ebenfalls ein störungsfreier Betrieb garantiert, da die Pyrolysekoksschüttung nicht in die vorgenannten Öffnungen eindringen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die in der Reaktorwandung angeordneten Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel und/oder die Auslassöffnungen für das Brenngas mit gasdurchlässigen Schutzvorrichtungen, insbesondere Gittern, versehen. Diese vom Aufbau des Reaktorgefäßes einfachere Ausführungsform bietet jedoch ebenfalls auf vorteilhafte Weise die Sicherheit, dass keine Verstopfungen der Einlass- und Auslassöffnungen möglich sind. Darüber hinaus ist auch hier ein störungsfreier Betrieb möglich.
Darüber hinaus wird, durch im Bereich von Innenraumerweiterungen angeordnete Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel und Auslassöffnungen für das Brenngas, der Reaktor derart gestaltet, dass die Gasströme optimal reagieren können und der gesamte Brenngasstrom äußerst teerfrei ist. Insgesamt ergibt sich ein völlig störungsfreier Betrieb, da die Pyrolysekoksschüttung nicht in die im Bereich der Innenraumerweiterungen angeordneten Freiräume eindringen und die Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel bzw. Auslassöffnungen für das Brenngas verstopfen kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Reaktorwandung eine ringförmig umlaufende Innenraumerweiterung für Einlassöffnungen und eine ringförmig umlaufende Innenraumerweiterung für Auslassöffnungen auf.
Durch diese ringförmig verteilte Anordnung der Einlass- und Auslassöffnungen ergibt sich zum einen eine gute Verteilung des für die Teilreduktion notwendigen Vergasungsmittels, wobei zugleich über die benachbarten, ebenfalls ringförmig angeordneten Auslassöffnungen das weitgehend teerfreie Brenngas abgezogen werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Reaktorwandung eine ringförmige umlaufende Innenraumerweiterung für Auslassöffnungen und jeweils eine ringförmige Innenraumerweiterung für Einlassöffnungen oberhalb und unterhalb des Niveaus der Auslassöffnungen auf. Dadurch wird im Bereich der ringförmig angeordneten Innenraumerweiterungen für Einlass- und Auslassöffnungen eine intensive Reduktion des Pyrolysegases bei hohen Temperaturen erreicht, wodurch ein besonders teerfreies Brenngas erzeugt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
1 eine Skizze einer Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse,
2 eine Schnittdarstellung eines Reaktors der Vorrichtung gemäß 1,
3 einen vergrößerten Teilausschnitt des Reaktors gemäß 2 und
4 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Reaktors einer Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse.
In den Zeichnungen ist eine Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holz sowie Klärschlamm und/oder Haus- bzw. Gewerbemüll, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Eine derartige Vorrichtung 10 weist zunächst einen Schneckenreaktor 11 auf, der von einem Motor 12 angetrieben wird. Dem Schneckenreaktor werden über eine Füllvorrichtung 13 beispielsweise Holzhackschnitzel H zugeführt. Der Schneckenreaktor 11 weist eine nicht dargestellte Heizeinrichtung auf, wodurch die letzteren zugeführten Holzhackschnitzel H auf Temperaturen bis zu 550°C erwärmt werden. Hierbei kommt es während einer Verweildauer von ca. 1½ Stunden bei dem Transport innerhalb des Reaktors 11 unter Luftabschluss zu Bildung von Pyrolysegas, Pyrolysekoks und Wasserstoff.
In einem nächsten Schritt werden die vorgenannten Stoffe über einen Verbindungskanal 14 nach Art einer Schwerkraftförderung einem Reaktor 15 zugeführt, in dem unter unterstöchiometrischer Zugabe von Luft eine partielle Oxidation des Pyrolysegases stattfindet. Der Reaktor 15 ist an seinem unteren Ende mit einer Zellenradschleuse 16 versehen. Im Einzelnen wird der Reaktor 15 noch nachfolgend beschrieben.
Dem Reaktor 15 ist darüber hinaus noch ein Gasfilter 17 einschließlich einer Zellenradschleuse 18, über den Reststoffe abgezogen werden können, sowie ein Gaskühler 19 nachgeschaltet. Das aus dem Ausgang 20 des Gaskühlers 18 strömende, gereinigte Brenngas wird dann, auf nicht dargestellte Weise, beispielsweise einem Gasmotor zugeführt. Die im Gasmotor entstehende elektrische Energie kann ins Versorgungsnetz eingespeist werden, wobei die ebenfalls entstehende Wärme auch der Beheizung des vorgenannten Schneckenreaktors 11 dienen kann.
In den 2 und 3 ist der Reaktor 15 im Einzelnen dargestellt. Man erkennt in Zusammenschau mit der 1, dass der im Schneckenreaktor 11 entstandene Pyrolysekoks, einschließlich des Pyrolysegases und des Wasserdampfes, über den Verbindungskanal 14 in den Reaktorinnenraum fällt und dort sich ausgehend von der gasdichten Zellenradschleuse 16 eine Pyrolysekoksschüttung 21 ergibt. Die Pyrolysekoksschüttung 21 weist einen Schüttwinkel S auf.
Der Reaktor 15 hat umlaufende Wandungen 22, die mehrschalig aufgebaut sind. In der Wandung 22 ist ein Ring R_B von einzelnen Brenngasaustrittsleitungen 23, ein oberhalb des vorgenannten Ringes R_B vorhandener Ring R_Vo von Vergasungsmittel-Eintrittsleitungen 24 und ein Ring R_Vu von unterhalb der Brenngasaustrittsleitungen 23 angeordneter Vergasungsmittel-Eintrittsleitungen 25 angeordnet.
Darüber hinaus weist der Reaktor 15 unterschiedliche Querschnitte auf. Im oberen Bereich ist der Reaktor 15 mit dem Querschnitt D₁ versehen, der sich im Bereich der oberen Vergasungsmittel-Eintrittsöffnungen 24 stufenförmig auf einen Querschnitt D₂ erweitert. Wie insbesondere in 3 ersichtlich, ergibt sich dadurch im Bereich der oberen Vergasungsmittel-Eintrittsöffnungen 24 aufgrund des Schüttwinkels S des Pyrolysekokses ein automatischer Freiraum 26, durch den immer sicher gestellt ist, dass es zu keiner Verstopfung der Vergasungsmittel-Eintrittsleitungen 24 kommt.
Unterhalb des Reaktorbereiches mit dem Querschnitt D₂ ist des Weiteren ein wiederum erweiterter Querschnittsbereich D₃ angeordnet, wobei im Übergangsbereich die Brenngasaustrittsöffnungen ringförmig angeordnet sind. Auch hier ergibt sich der Effekt, dass die Brenngasaustrittsleitungen 23 innerhalb des Freiraumes 27, also im Bereich der Querschnittsänderung des Reaktors 15, angeordnet sind, so dass auch die Brenngasaustrittsleitungen 23 sicher von Verstopfungen geschützt sind.
Letztlich weist der Reaktor 15 einen wiederum erweiterten Querschnittsbereich D₄ auf, wobei im Übergangsbereich, dem Freiraum 28 im Übergangsbereich von Querschnitt D₃ hin zum Querschnitt D₄, der untere Ring R_Vu der Vergasungsmittel-Eintrittsleitungen 25 geschützt angeordnet ist.
Unterhalb der vorgenannten beschriebenen Oxidationszone ist letztlich ein Trichter 29 für die Reststoffe aus der partiellen Oxidation vorhanden, durch die die Reststoffe zur Zellenradschleuse 16 geführt werden.
In der 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Reaktors 15 dargestellt. Der Reaktor 15 weist ebenfalls eine umlaufende, vertikale Wandung 22 auf, die mehrschalig aufgebaut ist. In der Wandung 22 sind Vergasungsmittel-Eintrittsleitungen 24 und Brenngas-Austrittsleitungen 23 angeordnet, wobei diese jedoch im Bereich ihres Austritts in den Reaktor 15 mit vertikal angeordneten Schutzgittern 30 versehen sind, die den Eintritt von Pyrolysekoks und das Verstopfen in den Vergasungsmittel-Eintrittsleitungen 24 bzw. in den Brenngas-Austrittsleitungen 23 verhindern sollen.
Zwar weist der Reaktor 15 gemäß der Ausführungsform 4 vertikale Wandungen 22 auf, jedoch ist es auch denkbar, dass diese Wandungen 22 sich nach unten erweitern, so dass gegebenenfalls die Schutzgitter 30 nicht 90° zur Horizontalen, sondern in einem kleineren Winkel zur Horizontalen angeordnet sind.

Claims

Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holz sowie Klärschlamm und/oder Haus- bzw. Gewerbemüll, in Brenngas, im Wesentlichen bestehend aus mindestens einem Schneckenreaktor, in dem die vorgenannten Stoffe unter Luftausschluss getrocknet und pyrolysiert werden und mindestens einem weiteren Reaktor, in welchem eine partielle Oxidation durch unterstöchiometrische Zugabe eines Vergasungsmittels, insbesondere Luft, zumindest teilweise eine Aufspaltung der langkettigen Teermoleküle stattfindet, wobei der Reaktor von oben mit Pyrolysekoks, Pyrolysegas und Wasserdampf unter Ausbildung einer Pyrolysekoksschüttung gefüllt wird, und die Reststoffe mittels einer Abzugseinrichtung unten abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (15) ausgehend von der Abzugseinrichtung (16) mit dem im Schneckenreaktor (11) entstandenen Pyrolysekoks füllbar ist und dass die Reaktorwandung gegen Verstopfung geschützte Einlassöffnungen (24, 25) für das Vergasungsmittel und/oder Auslassöffnungen (23) für das Brenngas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwandung eine Vielzahl von sich in Schwerkraftrichtung zumindest partiell erstreckende Innenraumerweiterungen aufweist, in deren Freiraum (26–28) die Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel (24, 25) und/oder die Auslassöffnungen (23) für das Brenngas angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die in der Reaktorwandung angeordneten Einlassöffnungen für das Vergasungsmittel und/oder die Auslassöffnungen für das Brenngas mit gasdurchlässigen Schutzvorrichtungen, insbesondere Gittern versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwandung eine ringförmig umlaufende Innenraumerweiterung für Einlassöffnungen (24, 25) und eine ringförmig umlaufende Innenraumerweiterung für Auslassöffnungen (23) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwandung eine ringförmig umlaufende Innenraumerweiterung für Auslassöffnungen (23) und jeweils eine ringförmige Innenraumerweiterung für Einlassöffnungen (24, 25) oberhalb und unterhalb des Niveaus der Auslassöffnungen (23) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenraumerweiterungen stufig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenraumerweiterung aus einer Diagonalfläche gebildet wird, welche einen Winkel zur Horizontalen aufweist der kleiner ist als der Schüttwinkel des Pyrolysekoks.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Innenraumerweiterungen der Reaktor 15 mit Vertikalwandbereichen versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Reaktors (15) eine Zellenradschleuse (16) für die Reststoffe angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (15) zumindest teilweise doppelwandig aufgebaut ist und zwischen den Wandabschnitten Einlassleitungen (24, 25) für das Vergasungsmittel und Auslassleitungen (23) für das Brenngas angeordnet sind.