DE202010013745U1

DE202010013745U1 - Schachtvergaser zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff

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Publication number: DE202010013745U1
Application number: DE202010013745U
Authority: DE
Original assignee: PYROX GmbH
Current assignee: Oue Pyrox Nord Ee
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2020-10-01

Abstract

Schachtvergaser (1) zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff (4), mit einem Vergaserschacht (2) und einer im Bereich einer Entgasungszone (9) des Vergaserschachtes (2) angeordneten Oxidationskammer (13), wobei die Oxidationskammer (13) mit einer Oxidationsmittel-Zuleitung (17) verbunden ist und Pyrolysegasöffnungen (14) für die Zufuhr von Pyrolysegasen (11) aus der Entgasungszone (9) in die Oxidationskammer (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oxidationskammer (13) wenigstens ein Einbauteil (27) zur Umlenkung der Pyrolysegase (11) nach dem Eintritt in die Oxidationskammer (13) und zur Verlängerung der Verweilzeit in der Oxidationskammer (13) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schachtvergaser zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff mit einem Vergaserschacht und einer im Bereich einer Entgasungszone des Vergaserschachts angeordneten Oxidationskammer, wobei die Oxidationskammer mit einer Oxidationsmittel-Zuleitung verbunden ist und Pyrolysegasöffnungen für die Zufuhr von Pyrolysegasen aus der Entgasungszone in die Oxidationskammer aufweist. Der erfindungsgemäße vorzugsweise als absteigender Festbettreaktor ausgebildete Schachtvergaser ist insbesondere ausgestaltet bzw. ausgelegt zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff, wobei der Brennstoff dem Schachtvergaser zugeführt wird, wobei der Brennstoff in der Entgasungszone des Schachtvergasers unter Zufuhr eines Oxidationsmittels von außen entgast und das so gebildete Pyrolysegas aus der Entgasungszone einer innerhalb des Vergaserschachts des Schachtvergasers angeordneten und von der Entgasungszone getrennten Oxidationszone zugeführt wird, wobei die Oxidationszone gebildet wird innerhalb der Oxidationskammer, der das Pyrolysegas über die Pyrolysegasöffnungen zugeführt wird, wobei das Pyrolysegas in der Oxidationszone durch Zufuhr eines Oxidationsmittels zumindest partiell oxidiert und thermisch gecrackt wird, wobei das Abgas aus der Oxidationskammer in einer der Oxidationskammer nachgeschalteten Reduktionszone durch den in der Entgasungszone gebildeten Koks unter Wärmeentzug zu einem Brenngas reduziert wird, und wobei, vorzugsweise, der in der Entgasungszone gebildete Reduktionskoks unter Umgehung der Oxidationskammer der Reduktionszone zugeführt wird.
Aus der DE 102 58 640 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff bekannt, wobei das Vergasungsgut in einen Festbettreaktor eingebracht wird und im Festbettreaktor eine autotherme Teilvergasung des eingesetzten Vergasungsgutes im Festbett erfolgt. Als Vergasungsmittel wird Luft mittels Düsen in mittlerer Höhe der Brennstoffschüttung eingebracht. Das sich bildende Vergasungsgas wird in zwei Gasteilströme aufgespalten und nach oben im Gegenstromverfahren und nach unten im Gleichstromverfahren abgeführt. Der nach oben abgeführte Gasteilstrom durchströmt den oberen Teil der Brennstoffschüttung. Das so geführte Gas gibt seine fühlbare Wärme an die Brennstoffschüttung ab und trocknet und pyrolysiert diese dadurch. Anschließend wird der teer- und wasserdampfbeladene, sowie abgekühlte Gasteilstrom in einer außerhalb des Vergaserschachts angeordneten Oxidationskammer als zweiter Verfahrensstufe der Vergasungsanlage durch Zugabe von Verbrennungsluft unterstöchiometrisch oxidiert, so dass langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen neben dem Angriff und der Zerstörung durch Sauerstoff und Wasserdampf insbesondere auch der thermischen Zerstörung unterliegen. Die Oxidationskammer ist so ausgelegt, dass die Verweildauer typischerweise kleiner oder gleich 1 s beträgt. Der nach unten abgeführte Gasteilstrom soll sich ebenfalls durch sehr geringe Teerfrachten auszeichnen, was durch die Prozessführung im Festbettreaktor hervorgerufen sein soll. Im Bereich der Luftdüsen des Fettbettreaktors soll sich demnach nur noch Koks des entgasten Brennstoffs befinden, da der aufsteigende Gasteilstrom den Brennstoff bereits pyrolysiert hat und in der Oxidationszone des Festbettreaktors innerhalb der Brennstoffschüttung zudem sehr hohe Temperaturen herrschen.
Der nach unten abgeführte Gasteilstrom dient gleichzeitig als Transportmedium für den in einem separaten nachgeschalteten Reduktionsreaktor benötigten Reduktionskoks. Der Reduktionskoks entstammt der Koksschüttung im unteren Teil des Festbettreaktors und wird pneumatisch von dem Festbettreaktor in den Reduktionsreaktor gefördert, wobei der pneumatische Transport durch die Zuführung der Abgase aus der Oxidationskammer zu dem nach unten abgeführten koksführenden Gasteilstrom unterstützt wird. In dem als Wirbelschicht ausgebildeten Reduktionsreaktor als dritter Verfahrensstufe reagiert das einströmende und koksführende Gas mit dem vorhandenen Reduktionskoks unter Bildung brennbarer Gasbestandteile, Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Dabei wird der Reduktionskoks aufgezehrt. Die erforderliche Energie entstammt der fühlbaren Wärme des Gases, welches sich infolge der Reduktionsreaktion abkühlt. Das somit erzeugte Rohgas dient zur Verwendung in Wärmekraftmaschinen.
Von Nachteil bei dem aus der DE 102 58 640 A1 bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung ist jedoch, dass durch die Anordnung der zur Behandlung des nach oben abgeführten Gasteilstroms vorgesehenen Oxidationskammer außerhalb von dem Vergaserschacht ein großer Teil der bei der Oxidation des Gasteilstroms in der Oxidationskammer freigesetzte Wärmemenge durch Wärmeleitung und Abstrahlung nach außen in die Umgebung abgegeben wird. Durch die Wärmeverluste an die Umgebung kommt es zu einer Verringerung des energetischen Gesamtwirkungsgrades bei der Erzeugung von Brenngas aus festen Brennstoffen mit dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung. Aufgrund der getrennten Anordnung von Festbettreaktor, Oxidationskammer und Reduktionsreaktor weist die bekannte Vorrichtung darüber hinaus einen wenig kompakten Aufbau auf, wobei insbesondere der pneumatische Transport des Kokses aus dem Festbettreaktor in den Reduktionsreaktor verfahrenstechnisch aufwendig ist und zu Problemen führen kann.
Aus der EP 1 865 046 A1 ist ein weiterentwickeltes Verfahren und eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen als absteigenden Festbettvergaser ausgebildeten Schachtvergaser auf, wobei in einem Vergaserschacht eine zentrale Oxidationskammer angeordnet ist, die von einer Entgasungszone getrennt ist und der in der Entgasungszone erzeugtes Pyrolysegas zugeführt wird. Mit der Oxidationskammer ist eine Oxidationsmittel-Zuleitung verbunden, über die der Oxidationskammer ein Oxidationsmittel zugeführt wird, unter dessen Einwirkung eine partielle Oxidation und ein thermisches Cracken des Pyrolysegases erfolgt. Unterhalb der Oxidationskammer ist eine Reduktionsstufe angeordnet, die das Abgas aus der Oxidationskammer aufnimmt und der bei der Pyrolysegaserzeugung anfallender Reduktionskoks aus der Entgasungszone direkt und unter Umgehung der Oxidationskammer zugeführt wird. Der der Entgasungszone zugeführte Luftstrom kann über mehrere Düsenebenen aufgegeben werden, wobei der über die untere Düsenebene zugeführte Luftstrom zur Erzeugung eines teerarmen Brenngases dienen soll, das eine Barriere für im Bereich der oberen Düsenebene gebildetes Pyrolysegas bildet. An die Reduktionszone schließt sich nach unten eine weitere Vergasungszone an, in welcher Restkoks aus der Reduktionszone durch Zufuhr von Vergasungsmittel in der als Gegenstromvergaser betriebenen Vergasungszone weitgehend vergast wird. Die weitere Vergasungszone ist durch einen beweglichen Rost begrenzt, über den die sich bei der Vergasung ergebene Asche bei geringem Glühverlust abgeschieden wird.
Durch Integration der Oxidationskammer in den Schachtvergaser wird die Oxidationsstufe mit einem staubarmen Pyrolysegas beaufschlagt und kann mit einer vergleichsweise niedrigen Oxidationstemperatur betrieben werden, was auch eine niedrige Gaseintrittstemperatur in die Reduktionsstufe gestattet, wenig Reduktionskoks benötigt und einen einfachen Transport des unzerkleinerten Reduktionskokses aus der Entgasungszone in die Reduktionszone ermöglicht.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass das mit dem aus der EP 1 865 046 A1 bekannten Schachtvergaser erzeugte Brenngas zum Teil hohe Teerkonzentrationen aufweist. Im Übrigen ist die Brenngaserzeugung prozesstechnisch instabil, was einen kontinuierlichen Betrieb des Schachtvergasers nahezu unmöglich macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schachtvergaser der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine einfache und wirtschaftliche Erzeugung von teerarmen und staubfreien Brenngasen durch mehrstufige Vergasung von festen Brennstoffen möglich ist, wobei sich der Schachtvergaser durch eine höhere prozesstechnische Stabilität auszeichnen und verbesserte Betriebsparameter aufweisen soll. Das erzeugte Brenngas soll einen hohen Heizwert aufweisen und eine einfache Verwendung in Wärmekraftmaschinen zulassen. Schließlich soll der Schachtvergaser eine weitgehend abwasserfreie Erzeugung von Brenngasen durch mehrstufige Vergasung von festen Brennstoffen zulassen.
Die vorgenannten Aufgaben sind erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Pyrolysegas zur Verlängerung der Verweilzeit in der Oxidationskammer an wenigstens einem Einbauteil der Oxidationskammer mit Strömungsleitfunktion umgelenkt wird. Durch die Umlenkung des Pyrolysegases in der Oxidationskammer kann die Verweilzeit entsprechend verlängert werden, was zu einer vollständigen Umsetzung bzw. zu einem vollständigen Abbau von unerwünschten, langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen durch (partielle) Oxidation und thermisches Cracken führt. Durch die verlängerte Verweilzeit lassen sich höhere Temperaturen in der Oxidationskammer erreichen, was neben den geringen Teerfrachten auch zu einer Wasserspaltung in der Oxidationskammer führt. Vorrichtungsgemäß weist der erfindungsgemäße Schachtvergaser dementsprechend wenigstens ein Einbauteil in der Oxidationskammer auf, das zur Umlenkung der Pyrolysegase nach dem Eintritt in die Oxidationskammer und zur Verlängerung der Verweilzeit in der Oxidationskammer ausgebildet ist. Das Einbauteil hat eine Strömungsleitfunktion, bei der das Pyrolysegas nach dem Eintritt in die Oxidationskammer vorzugsweise nach oben in Richtung zum oberen Ende der Oxidationskammer umgelenkt wird.
Durch das Einbauteil bzw. die Einbauten in der Oxidationskammer soll vorzugsweise eine Verlängerung der Verweilzeit auf 1 bis 7 sec., vorzugsweise zwischen 2 bis 5 sec., erreicht werden, wobei die Verweilzeit bezogen wird auf den Gesamtvolumenstrom gebildet aus dem der Oxidationskammer zugeführten Pyrolysegasstrom und dem der Oxidationskammer zugeführten Oxidationsmittelstrom im Verhältnis zum Volumen der Oxidationszone innerhalb der Oxidationskammer.
Zur Lösung der oben genannten Aufgaben ist bei einer Ausführungsform der Erfindung, die auch unabhängig von der Anordnung eines Einbauteils in der Oxidationskammer zur Verlängerung der Verweilzeit verwirklicht sein kann, vorgesehen, dass in der Oxidationskammer ein steter Unterdruck (gegenüber Normaldruck) zwischen 5 bis 1.000 Pa einstellbar ist. Durch den in der Oxidationskammer erzeugten Unterdruck wird sichergestellt, dass die im Bereich der Entgasungszone erzeugten Reduktionsgase stets weitgehend vollständig in die Oxidationskammer abgesaugt werden, so dass die Menge der in der Oxidationskammer umgesetzten bzw. abgebauten Kohlenwasserstoffverbindungen zunimmt, was zu höheren Temperaturen in der Oxidationskammer und zu einer verstärkten thermischen Wasserspaltung führt. Dies ermöglicht eine weitgehend abwasserfreie Herstellung von Brenngasen mit dem erfindungsgemäßen Schachtvergaser.
Der erfindungsgemäße Vergaser weist dementsprechend wenigstens eine Unterdruckmessstelle in der Oxidationsmittel-Zuleitung vor dem Eintritt in die Oxidationskammer auf, so dass in einfacher Weise in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck in der Oxidationsmittel-Zuleitung die Menge des der Oxidationskammer zugeführten Oxidationsmittels erhöht oder verringert werden kann, um ein bestimmtes Unterdruckniveau in der Oxidationskammer sicherzustellen.
Um einen prozesstechnisch stabilen Betrieb bei der Vergasung fester Brennstoffe sicherzustellen und damit den kontinuierlichen Betrieb des Schachtvergasers, ist bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Brenngas im Bereich der Reduktionszone abgesaugt und anschließend in einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise in einem Motor oder in einer Brennkammer einer Gasturbine, verbrannt wird, wobei mittels einer Steuer- oder Regeleinrichtung eine Steuerung oder Regelung der dem Schachtvergaser zugeführten Oxidationsmittelströme und des aus dem Schachtvergaser abgesaugten Brenngasstroms in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Leistung der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Im Ergebnis ist eine Tempomatsteuerung vorgesehen, wobei die Leistung der zum Absaugen des Brenngases oder für die Zufuhr der Oxidationsmittelströme zur Entgasungszone vorgesehenen Gebläse in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf der Wärmekraftmaschine gesteuert bzw. geregelt wird. Entsprechend ist eine Steuerung bzw. Regelung auch in Abhängigkeit vom Heizwert des erzeugten Brenngases möglich.
Zur Sicherstellung hoher Temperaturen in der Oxidationskammer kann die Oxidationskammer im Bereich unterhalb der Pyrolysegasöffnungen, die vorzugsweise in einem Bereich unterhalb von der Entgasungszone des Schachtvergasers angeordnet sind, was letztlich durch die Größe und Anordnung der Oxidationskammer in dem Schachtvergaser festgelegt wird, eine vorzugsweise innen liegende, d. h. auf der Gasseite liegende, Isolierschicht aufweisen.
Um Wärme für den Reduktionsprozess in der Reduktionszone des Schachtvergasers bereitzustellen, kann im Bereich unterhalb der Reduktionszone eine weitere Vergasungszone vorgesehen sein, die auch als Restkoksvergasungszone bezeichnet wird und die mit zusätzlicher Luft als Gegenstromvergaser betrieben wird. Die zusätzliche Luft kann als Unterluft über einen Einlassstutzen des Schachtvergasers zugeführt werden, der unterhalb eines beweglichen Rosts angeordnet ist. Somit ist eine Totaloxidation des Restkohlenstoffanteils erreichbar. Der Rost kann erfindungsgemäß als drehbarer Pyramidenrost ausgebildet sein, wobei der Pyramidenrost durch in radialer Richtung bereichsweise überlappende und in axialer Richtung voneinander beanstandete Ringabschnitte gebildet wird. Dadurch werden eine gleichmäßige Luftzufuhr über die Ringspalte zur Reduktionszone und gleichzeitig das Abrutschen von Asche in den Bereich unterhalb des Pyramidenrostes gewährleistet. Die Asche rutscht dabei aufgrund der Pyramidenform des Rostes in radialer Richtung nach außen und kann in einfacher Weise aus dem Vergaser abgezogen werden.
Die vorgenannten Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie die nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung können unabhängig voneinander, in einer beliebigen Kombination, aber auch jeweils im Zusammenhang mit den Oberbegriffsmerkmalen von wenigstens einem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung realisiert werden, auch wenn dies nicht im einzelnen beschrieben ist. Hier kann jedem beschriebenen Merkmal oder Aspekt eigenerfinderische Bedeutung zukommen. Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schachtvergasers,
2 eine Oxidationskammer des in 1 dargestellten Schachtvergasers in einer ersten Seitenansicht,
3 eine Oxidationskammer des in 1 dargestellten Schachtvergasers in einer zweiten Seitenansicht,
4 eine Querschnittsansicht eines Pyramidenrostes des in 1 dargestellten Schachtvergasers und
5 eine Teilansicht auf den in 4 dargestellten Pyramidenrost von oben.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schachtvergaser 1, der als absteigender Festbettvergaser ausgebildet ist und einen aufrecht stehenden zylindrischen Vergaserschacht 2 aufweist. Im wesentlich entspricht der dargestellte und beschriebene Schachtvergaser 1 dem aus der EP 1 865 046 A1 beschriebenen Schachtvergaser. Der in 1 dargestellte Schachtvergaser ist jedoch nicht auf die Merkmale des aus der EP 1 865 046 A1 bekannten Schachtvergasers beschränkt.
Dem in 1 dargestellten Schachtvergaser 1 wird über ein Schleusensystem 3 ein fester Brennstoff von oben zugeführt. Dabei kann es sich um Holz, Kohle oder andere holzartige Biomassen handeln. Auch Stroh kann als Biomasse eingesetzt werden. Der zugeführte Brennstoff wird in zerkleinerter Form zugeführt.
Am Umfang des Vergaserschachts 2 befindet sich ein Düsensystem, das wenigstens eine oder mehrere Düsenebenen umfassen kann, die eine Vielzahl von über den Umfang des Vergaserschachts 2 verteilte Düsen 4 aufweisen, die über einen Ringkanal 5 mit einem Oxidationsmittelstrom 6, bei dem es sich um Frischluft handeln kann, beschickt werden. Hierzu ist ein Gebläse 7 vorgesehen. Durch jede der Düsen 4 wird ein Teilstrom der für eine autotherme Teilvergasung des Brennstoffs benötigten Luft in den Vergaserschacht 2 über Einlassstutzen 8 eingeleitet. Es versteht sich, dass auch lediglich ein Ringkanal 5 oder auch mehr als zwei Ringkanäle 5 vorgesehen sein können.
In der Brennstoffschüttung findet durch partielle Oxidation eine Wärmeentwicklung statt, die in der Folge während einer vorgegebenen Verweildauer in einer Entgasungszone 9 eine Entgasung des Brennstoffes 10 bewirkt. Das hierbei in der Entgasungszone 9 gebildete Pyrolysegas ist reich an langkettigen Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf. Das so gebildete Pyrolysegas 11 wird aus der Entgasungszone 9 einer innerhalb des Vergaserschachts 2 angeordneten und von der Entgasungszone 9 getrennten Oxidationszone 12 zugeführt, wobei die Oxidationszone 12 gebildet wird innerhalb einer Oxidationskammer 13, der das Pyrolysegas 11 über Pyrolysegasöffnungen 14 in einer Außenwandung 15 der Oxidationskammer 13 zugeführt wird. In der Oxidationszone 12 erfolgt durch Zufuhr eines Oxidationsmittelstroms 16 eine zumindest partielle Oxidation der Pyrolysegase 11, wobei die Pyrolysegase 11 auch thermisch gecrackt werden. Die Zufuhr des Oxidationsmittelstroms 16 erfolgt über eine Oxidationsmittel-Zuleitung 17 mit einem Gebläse 18.
Die Außenwandung 15 der Oxidationskammer 13 weist einen zylindrischen mittleren Abschnitt auf, der nach oben durch einen konischen Teil 19 und nach unten durch einen weiteren konischen Teil 20 begrenzt wird. Der obere konische Teil 19 ist geschlossen und wird durchsetzt von der Oxidationsmittel-Zuleitung 17. Der konische Teil 20 ist nach unten offen, so dass Abgas 21 aus der Oxidationskammer 13 austritt und in einer der Oxidationskammer 13 nachgeschalteten Reduktionszone 22 durch den in der Entgasungszone 9 gebildeten Koks unter Wärmeentzug zu einem Brenngasstrom 23 reduziert wird, der mit einem Gebläse 24 aus dem Schachtvergaser 1 abgesaugt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform gelangt der in der Entgasungszone 9 gebildete Reduktionskoks unter Umgehung der Oxidationskammer 13 zur Reduktionszone 22, so wie dies in der EP 1 865 046 A1 beschrieben ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Reduktionskoks zumindest zum Teil durch die Oxidationskammer 13 zur Reduktionszone 22 geführt wird.
Die Reduktionszone 22 wird durch einen Rost 25 begrenzt, der beweglich und insbesondere als Drehrost ausgebildet ist und durch den die beim Reduktionsvorgang entstehende Asche von der Reduktionszone 22 abgetrennt und über eine Austrittsöffnung 26 abgeführt wird. Zum Antrieb des Rostes 25 ist ein nicht dargestellter Elektrogetriebemotor vorgesehen. Der Rost 25 kann höhenverstellbar angeordnet sein.
Nachfolgend werden insbesondere die Unterschiede zwischen dem in 1 dargestellten Schachtvergaser 1 und dem aus der EP 1 865 046 A1 bekannten Schachtvergaser hervorgehoben, wobei die nachfolgend beschriebenen Merkmale jeweils Aspekte darstellen, denen eigenerfinderische Bedeutung zukommen kann, auch wenn dies nicht im einzelnen beschrieben ist.
Zur Verlängerung der Verweilzeit des Pyrolysegases 11 bzw. des Gasgemisches gebildet aus dem Pyrolysegas 11 und dem Oxidationsmittelstrom 16 ist in der Oxidationskammer 13 wenigstens ein Einbauteil 27 vorgesehen, das eine Strömungsleitfunktion erfüllt. Durch Verlängerung der Verweilzeit in der Oxidationskammer 13 kann der Umsatz von langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen erhöht werden, so dass ein sehr teerarmes Abgas 21 aus der Oxidationskammer 13 austritt.
Durch eine entsprechende Ausbildung der Einbauten bzw. des Einbauteils 27 in der Oxidationskammer 13 kann die Verweilzeit, bezogen auf den (Gesamt-)Volumenstrom gebildet aus dem der Oxidationskammer 13 zugeführten Pyrolysegasstrom und dem der Oxidationskammer 13 zugeführten Oxidationsmittelstrom 16 und bezogen auf das Volumen der Oxidationszone 12 im Inneren des Einbauteils 27 zwischen 1 bis 7 sec., vorzugsweise zwischen 2 bis 5 sec., betragen. Durch diesen Aspekt der Erfindung wird ein nahezu vollständiger Umsatz der langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen gewährleistet.
Bei dem dargestellten Schachtvergaser 1 ist als weiterer Aspekt vorgesehen, dass das Pyrolysegas 11 nach dem Eintritt in die Oxidationskammer 13 nach oben in Richtung zum oberen Ende der Oxidationskammer 13 bzw. in Richtung zu dem konischen Teil 19 umgelenkt wird. Anschließend kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Pyrolysegas 11 in einem Bereich 28 im konischen Teil 19 der Oxidationskammer 13 oberhalb von der Eintrittsstelle 29 des Oxidationsmittelstroms 16 in die Oxidationskammer 13 geleitet und anschließend in Richtung zur Eintrittsstelle 29 umgelenkt wird. Das Pyrolysegas 11 tritt dann im Bereich der Eintrittsstelle 29 mit dem Oxidationsmittel in Kontakt, so dass es zu einer vorzugsweise unterstöchiometrischen Verbrennung des Pyrolysegases 11 in der Oxidationszone 12 kommt. Eine gleichmäßige Verbrennung wird gefördert durch die konzentrische Anordnung der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 zur Längsachse 30 des Schachtvergasers 1. Nicht dargestellt ist, dass eine Mischkammer an der Austrittsöffnung der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 vorgesehen sein kann, in der das Pyrolysegas 11 und der Oxidationsmittelstrom 16 miteinander vermischt werden können.
Im Ergebnis wird das Pyrolysegas 11 von oben mit der gleichen Strömungsrichtung wie der Oxidationsmittelstrom 16 der Oxidationszone 12 zugeführt, wobei für eine Oxidation des Pyrolysegases 11 im wesentlichen der gesamte Längenabschnitt von der Austrittsöffnung der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 bis zum unteren Ende des konischen Teils 20 der Oxidationskammer 13 zur Verfügung steht.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Ausbildung des Einbauteils 27. Vorzugsweise wird durch das Einbauteil 27 ein von einem Oxidationsraum 31, der die Oxidationszone 12 bildet, getrennter Gasleitraum 32 für das Pyrolysegas 11 gebildet. Das Einbauteil 27 ist lediglich nach oben und nach unten hin geöffnet ist, so dass der Gasleitraum 32 am oberen Ende der Oxidationskammer 13 oberhalb der Austrittsöffnung der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 an den Oxidationsraum 12 angrenzt bzw. in den Oxidationsraum 12 übergeht. Ein Ende der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 ist von oben durch den Gasleitraum 32 hindurch in den Oxidationsraum 12 geführt, wobei, vorzugsweise, die Austrittsöffnung der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 lediglich geringfügig von dem oberen stirnseitigen Rand 33 des Einbauteils 27 beabstandet ist. Hier kann vorgesehen sein, dass sich die Oxidationsmittel-Zuleitung 17 lediglich 5 bis 7 cm weit in die Oxidationskammer 13 erstreckt, wobei dann, weiter vorzugsweise, die Austrittsöffnung der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 lediglich 1 bis 3 cm vom oberen Rand 33 des Einbauteils 27 beabstandet ist. Der obere Rand 33 kennzeichnet den Übergang des Gasleitraums 32 zum Oxidationsraum 31.
Als weiterer Aspekt kann bei dem Schachtvergaser 1 ein kegelstumpfförmig gebogenes Leitblech vorgesehen sein, das das Einbauteil 27 bzw. eine Innenglocke bildet, wobei durch das Leitblech ein innenliegender konisch nach oben zulaufender Oxidationsraum 31 gebildet wird. Der Gasleitraum 32 wird dann nach außen durch den zylinderförmigen Abschnitt und den konischen oberen Teil 19 der Außenwandung 15 als Außenglocke und in radialer Richtung nach innen durch das Leitblech begrenzt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Pyrolysegase 11 nach dem Eintritt in die Oxidationskammer 3 in jedem Fall im Gasleitraum 32 umgelenkt werden, bevor sie nach der Umlenkung in den Oxidationsraum 31 eintreten und im Oxidationsraum 31 mit dem Oxidationsmittel verbrannt werden. Dies trägt zu einer stärkeren Aufheizung der Pyrolysegase 11 nach dem Eintritt in die Oxidationskammer 13 bei, was zu höheren Temperaturen bei der Verbrennung und zu einem vollständigen Umsatz der unerwünschten langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen in der Oxidationszone 12 führt.
Um eine weitgehend vollständige Erfassung von Pyrolysegasen 11 zu gewährleisten, treten die Pyrolysegase 11 vorzugsweise im Bereich der unteren Grenze der Entgasungszone oder im Bereich unterhalb der Entgasungszone 9 in die Oxidationskammer 13 ein. Die untere Grenze der Entgasungszone 9 ist durch eine Strichlinie 34 in 1 schematisch angedeutet und wird festgelegt durch den Strömungsweg des über die Düsen 4 zugeführten Oxidationsmittelstroms 6. Die Entgasungszone 9 wird nach unten begrenzt durch die Höhenlage, auf der dem Brennstoff Luft oder ein anderes Oxidationsmittel von außen zugeführt wird. Durch Anordnung der Pyrolysegasöffnungen 14 unterhalb von der Entgasungszone 9 oder auf gleicher Höhe wird sichergestellt, dass alle Gase weitgehend erfasst und in die Oxidationskammer 13 einströmen können. Dies führt zu einer größeren Wärmefreisetzung in der Oxidationskammer 13 bei der (partiellen) Oxidation der Pyrolysegase 11. Es versteht sich, dass die Pyrolysegasöffnungen 14 dementsprechend höher oder tiefer in der Außenwandung 15 der Oxidationskammer 13 angeordnet sein müssen, wobei die Höhenlage der unteren Grenze der Entgasungszone 9 durch Art und Stückigkeit des Brennstoffs 4 sowie durch die Betriebsführung des Schachtvergasers 1, d. h. durch die zu- und abgeführten Gasströme und die zugeführte Brennstoffmenge, (mit)bestimmt wird.
Pyrolysegasöffnungen 14 sind vorzugsweise lediglich im Bereich des Gasleitraums 32 vorgesehen, so dass der Oxidationsraum 31 keine unmittelbare Öffnung zur Entgasungszone 9 aufweist. Die Pyrolysegase 11 strömen somit in jedem Fall zunächst in den Gasleitraum 32 ein, in dem sie anschließend umgelenkt und dabei aufgeheizt werden. Wie sich insbesondere aus den 2 und 3 ergibt, können nebeneinander liegende und in axialer Richtung als Langlöcher ausgebildete Pyrolysegasöffnungen 14 über den Umfang der Pyrolysekammer 13 verteilt angeordnet sein. Durch die Langlöcher wird eine ausreichend hohe Stabilität der Oxidationskammer 13 gegen Zugbelastung nach unten gewährleistet. Das Öffnungsverhältnis kann wenigstens 40%, vorzugsweise 50% oder mehr betragen, bezogen auf den Anteil der geöffneten Durchtrittsbereiche an dem Gesamtflächenanteil eines streifenförmigen, die Pyrolysegasöffnungen aufweisenden Außenwandabschnitts 35 der Oxidationskammer 13, der schematisch in 2 dargestellt ist.
Die Pyrolysegasöffnungen 14 sind vorzugsweise unterhalb von der Mittelquerachse 36 der Oxidationskammer 13 vorgesehen, weiter vorzugsweise im unteren Drittel der Oxidationskammer 13. Dadurch wird eine ausreichend lange Verweilzeit der Pyrolysegase 11 in dem Gasleitraum 32 sichergestellt.
Durch konstruktive Auslegung der Oxidationskammer 13 und durch eine entsprechende Betriebsführung bzw. Steuerung und Regelung der dem Schachtvergaser 1 zugeführten und abgeführten Gasströme bzw. Feststoffmengen wird eine Temperatur in der Oxidationszone 12 von vorzugsweise wenigstens 1.100°C bis 1.400°C, weiter vorzugsweise zwischen 1.200°C bis 1.300°C, erreicht. Die Temperatur in der Oxidationszone 12 ist insbesondere durch Steuerung der Zufuhr des Oxidationsmittelstroms 16 in die Oxidationskammer 3 und durch die Verweilzeit der Gase in der Oxidationskammer 3 beeinflussbar. Die Temperatur an der Außenseite der Außenwandung 15 kann im Bereich des konischen Teils 20 ca. 900°C bis 1.100°C, vorzugsweise ca. 1.000°C, betragen. Durch das hohe Temperaturniveau in der Oxidationskammer 13 können ein nahezu teerfreies Abgas 21 erzeugt und die Wasserspaltung begünstigt werden. Die Temperatur des Brenngases beim Austritt aus dem Schachtvergaser 1 beträgt zwischen 750°C bis 850°C.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den Betrieb der Oxidationskammer 13 bei Unterdruck (gegenüber Normaldruck) von vorzugsweise 5 bis 1.000 Pa. Der Unterdruck in der Oxidationskammer 13 wird durch Absaugen des Brenngasstroms 23 mit dem Gebläse 24 erzeugt, wobei aufgrund des in der Koksschüttung herrschenden Strömungswiderstandes für das Pyrolysegas 11 dieses vorzugsweise durch die Pyrolysegasöffnungen 14 in die Oxidationskammer 13 einströmt, welche einen nur vernachlässigbaren Strömungswiderstand aufweist. Dabei erzeugt das Gebläse 24 einen Unterdruck (gegenüber Normaldruck) von ca. 1.500 bis 3.000 Pa, wobei die vorgenannten Werte nicht beschränkend sind. Durch eine Brenngasabsaugung unterhalb von der Oxidationskammer 13 im Bereich der Reduktionszone 22 und die entsprechende Einstellung des Oxidationsmittelstroms 16, der der Oxidationskammer 13 zugeführt wird, und der Oxidationsmittelströme 6, die der Entgasungszone 9 zugeführt werden, kann ein steter Unterdruck in der Oxidationszone 12 gewährleistet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Pyrolysegase 11 weitgehend vollständig aus der Entgasungszone 9 in die Oxidationskammer 13 abgesaugt werden. Dies führt zu höheren Temperaturen in der Oxidationskammer 13 und damit zu einem sehr wirkungsvollen Teerabbau.
In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise eine automatische Steuerung oder Regelung des der Oxidationskammer 13 zugeführten Oxidationsmittelstroms 16 in Abhängigkeit vom Druckniveau in der Oxidationskammer 13 mit einer nicht dargestellten Steuer- oder Regelungseinrichtung vorgesehen. Der Druck des Oxidationsmittels in der zur Oxidationskammer 13 führenden Oxidationsmittel-Zuleitung 17 kann vor dem Eintritt in die Oxidationskammer 13 gemessen werden, wobei in Abhängigkeit von dem Druckniveau der Volumenstrom des Oxidationsmittels gesteuert und/oder geregelt wird. Vorrichtungsgemäß weist der Schachtvergaser 1 als einen weiteren Aspekt eine Unterdruckmessstelle 37 in der Oxidationsmittel-Zuleitung 17 vor dem Eintritt in die Oxidationskammer 13 auf.
Nicht im einzelnen dargestellt ist, dass die Oxidationskammer 13 im Bereich unterhalb der Pyrolysegasöffnungen 14 bzw. unterhalb der unteren Grenze der Entgasungszone 9 isoliert sein kann, um eine Wärmeabstrahlung nach außen möglichst zu verringern und ein hohes Temperaturniveau im Inneren der Oxidationszone 12 zu gewährleisten. Hier kann eine innen liegende Isolierschicht aus einem keramischen Material im Bereich des zylindrischen Wandabschnitts und im Bereich des unteren konischen Teils 20 der Außenwandung 15 vorgesehen sein.
Der Brenngasstrom 23 kann vorzugsweise im Bereich der Reduktionszone 22 abgesaugt und anschließend in einer Verbrennungskraftmaschine verbrannt werden. Hierbei kann mit einer entsprechend ausgebildeten Steuer- oder Regelungseinrichtung eine Steuerung oder Regelung der dem Schachtvergaser 1 zugeführten Oxidationsmittelströme 6 und des aus dem Schachtvergaser 1 abgesaugten Brenngasstroms 23 in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Leistung der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Die Steuerung oder Regelung umfasst vorzugsweise auch einen weiteren Oxidationsmittelstrom 38, der mit einem Gebläse 39 unterhalb des Rostes 25 zugeführt wird und durch den Rost 25 nach oben in die Reduktionszone 22 aufsteigt. Dies führt zur Ausbildung einer Restkoksvergasungszone 40 unterhalb der Reduktionszone 22 oberhalb von dem Rost 25. Die Absaugleistung des Absauggebläses 24 wird im Ergebnis erhöht, bis eine bestimmte geforderte Motorleistung erreicht wird. Die Motorleistung ist also die Führungsgröße für eine Steuerung bzw. Regelung der Absaugleistung. Entsprechend wird dann das Gebläse 7 zum Zuführen des Oxidationsmittelstroms 6 zur Entgasungszone 9 und das Gebläse 39 (falls vorgesehen) zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms 38 zur Restkoksvergasungszone 40 in Abhängigkeit von der Motorleistung bzw. in Abhängigkeit von der Absaugleistung des Absauggebläses 24 gesteuert oder geregelt. Das Gebläse 18 zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms 16 zur Oxidationskammer 13 wird dagegen vorzugsweise geregelt bzw. gesteuert in Abhängigkeit vom ermittelten Unterdruck in der Oxidationszone 12. Grundsätzlich könnte aber auch dieses Gebläse in Abhängigkeit von der Motorleistung bzw. der Absaugleistung gesteuert oder geregelt werden. Dadurch ist ein prozesstechnisch stabiler Betrieb des Schachtvergasers 1 möglich, was eine kontinuierliche und strömungsarme Brenngaserzeugung zulässt.
Nicht im Einzelnen dargestellt ist, dass eine Brenngasabsaugung über den Umfang des Vergaserschachts 2 verteilt erfolgen kann. Hierzu kann ein entsprechend ausgebildeter Ringkanal vorgesehen sein, der über Öffnungen die Entnahme von Brenngas aus dem Schachtvergaser 1 zulässt.
Darüber hinaus kann der Brenngasstrom 23 vor der Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine gekühlt werden, wobei die bei der Brenngaskühlung freigesetzte Wärmemenge zumindest zum Teil zur Trocknung des Brennstoffs 4 eingesetzt werden kann. Wird beispielsweise Holz als Brennstoff 4 eingesetzt, kann die Holzfeuchte von beispielsweise 40 bis 50 Gew.-% auf vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% verringert werden. Dies trägt zusammen mit der thermischen Wasserspaltung in der Oxidationskammer 13 zu einer weitgehend wasserfreien Brenngaserzeugung mit dem beschriebenen Schachtvergaser 1 bei.
Die Brenngaskühlung kann auf 25 bis 30°C erfolgen, d. h. unter die Kondensationstemperatur von Verbindungen aus der Gruppe der aromatischen Kohlenwasserstoffe, insbesondere unter die Kondensationstemperatur von Benzol. Dadurch wird eine sichere Abscheidung der vorgenannten Verbindungen gewährleistet.
Wie sich insbesondere aus den 4 und 5 ergibt, ist der Rost 25 als Pyramidenrost ausgebildet, der durch in radialer Richtung bereichsweise überlappende und in axialer Richtung voneinander beabstandete Ringabschnitte 41 gebildet wird. Dadurch wird das Aufsteigen des Oxidationsmittels von unten durch den Rost 25 in die Restkoksvergasungszone 40 erleichtert und gleichzeitig das Nachrutschen von Asche aus der Restkoksvergasungszone 40 nach unten gewährleistet. Durch die überlappenden Ringabschnitte 41 rutscht die Asche dabei in radialer Richtung nach außen und kann dann in einfacher Weise über die Austrittsöffnung 26 abgezogen werden. Um den Gasdurchtritt zwischen den Ringabschnitten 41 bei möglichst geringem Strömungswiderstand einerseits und das Abrutschen der Asche in radialer Richtung nach außen andererseits gleichermaßen sicherzustellen, kann die Breite des axialen Abstandes B zwischen zwei Ringabschnitten 41 kleiner oder gleich der Länge L der Überlappung von zwei Ringabschnitten 41 in radialer Richtung sein. Dies ist in 4 dargestellt.
Nicht dargestellt ist, dass der Schachtvergaser 1 eine Notfackel aufweisen kann, über die gegebenenfalls zusätzlich Oxidationsmittel (Luft) in den Vergaserschacht 2 angesaugt werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Schachtvergaser 1 nach oben vorzugsweise atmosphärisch geschlossen, was eine entsprechende Ausbildung des Schleusensystems 3 voraussetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10258640 A1 [0002, 0004]
- EP 1865046 A1 [0005, 0007, 0022, 0022, 0026, 0028]

Claims

Schachtvergaser (1) zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff (4), mit einem Vergaserschacht (2) und einer im Bereich einer Entgasungszone (9) des Vergaserschachtes (2) angeordneten Oxidationskammer (13), wobei die Oxidationskammer (13) mit einer Oxidationsmittel-Zuleitung (17) verbunden ist und Pyrolysegasöffnungen (14) für die Zufuhr von Pyrolysegasen (11) aus der Entgasungszone (9) in die Oxidationskammer (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oxidationskammer (13) wenigstens ein Einbauteil (27) zur Umlenkung der Pyrolysegase (11) nach dem Eintritt in die Oxidationskammer (13) und zur Verlängerung der Verweilzeit in der Oxidationskammer (13) angeordnet ist.
Schachtvergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Einbauteil (27) ein von einem Oxidationsraum (31) der Oxidationskammer (13) getrennter Gasleitraum (32) für das Pyrolysegas (11) gebildet wird.
Schachtvergaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationskammer (13) derart ausgebildet ist, dass die Verweilzeit bezogen auf den Volumenstrom gebildet aus dem der Oxidationskammer (13) zugeführten Pyrolysegasstrom und einem der Oxidationskammer zugeführten Oxidationsmittelstrom (16) und auf das Volumen der Oxidationszone (12) zwischen 1 bis 7 s, vorzugsweise zwischen 2 bis 5 s, beträgt.
Schachtvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationskammer (13) derart ausgebildet ist, dass die Pyrolysegase (11) im Bereich der unteren Grenze der Entgasungszone (9) oder im Bereich unterhalb der Entgasungszone (9) in die Oxidationskammer (13) eintreten.
Schachtvergaser mit den Oberbegriffsmerkmalen von Anspruch 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oxidationskammer (13) ein steter Unterdruck zwischen 5 bis 1000 Pa einstellbar ist.
System mit einem Schachtvergaser mit den Oberbegriffsmerkmalen von Anspruch 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und mit einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Brenngas abgesaugt und anschließend in einer Verbrennungskraftmaschine verbrannt wird, wobei eine Steuer- oder Regeleinrichtung ausgebildet zur Steuerung oder Regelung der dem Schachtvergaser (1) zugeführten Oxidationsmittelströme (6, 38) und des aus dem Schachtvergaser (1) abgesaugten Brenngasstroms (23) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Leistung der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist.
Schachtvergaser mit den Oberbegriffsmerkmalen von Anspruch 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterdruckmessstelle (37) in der Oxidationsmittel-Zuleitung (17) vor dem Eintritt in die Oxidationskammer (13) vorgesehen ist.
Schachtvergaser (1) mit den Oberbegriffsmerkmalen von Anspruch 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationskammer (13) im Bereich unterhalb der Pyrolysegasöffnungen (14) eine Isolierschicht aufweist.
Schachtvergaser (1) mit den Oberbegriffsmerkmalen von Anspruch 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb von der Oxidationskammer (13) ein drehbarer Pyramidenrost (25) vorgesehen ist, wobei der Pyramidenrost (25) durch in radialer Richtung bereichsweise überlappende und in axialer Richtung voneinander beabstandete Ringabschnitte (41) gebildet wird.