DE202016102101U1

DE202016102101U1 - Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung

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Publication number: DE202016102101U1
Application number: DE202016102101.4U
Authority: DE
Original assignee: PRITSCHER HOLZGAS GmbH
Current assignee: PRITSCHER HOLZGAS GmbH
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-07-25
Anticipated expiration: 2026-04-22

Abstract

Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung für die Gewinnung eines Produktgases aufweisend zumindest einen Vergasungsreaktor (1) mit wenigstens einer Pyrolysezone (2), einer Oxidationszone (3), einer Reduktionszone (4) und einer Konvertierungszone (5), zumindest eine Zuführeinrichtung (6) für die Zuführung der Biomasse in den Vergasungsreaktor (1), zumindest eine Zuleitungsvorrichtung (7) zum Zuleiten von Zuluft und zumindest eine Ableitungsvorrichtung (8) zum Ableiten des Produktgases, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Konvertierungszone (5) eine erste Förderschwinge (9) vorgesehen ist, wobei die Förderschwinge (9) zum Übertragen von in der Pyrolysezone (2), der Oxidationszone (3) und der Reduktionszone (4) des Vergasungsreaktors (1) erzeugter Kohle in die Konvertierungszone (5) sowie zum Verteilen der in der Konvertierungszone (5) anwesenden Kohle ausgebildet und eingerichtet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung.
Stand der Technik
Die Erzeugung brennbarer Gasgemische aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, insbesondere aus Biomasse wie z. B. Holz, ist seit Jahrzehnten bekannt. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurden entsprechende Holzvergaseranlagen entwickelt und vor allem in Kombination mit Gasmotoren beispielsweise in Kraftfahrzeugen und Kraftwerken eingesetzt.
Vor allem im Rahmen der Erstellung neuer Energiekonzepte zur Einsparung fossiler Brennstoffe durch Verwendung erneuerbarer Energieträger wird der Vergasung von Biomasse insbesondere von Holz in jüngster Zeit wieder große Beachtung geschenkt.
Bei den eingesetzten Holzvergasern handelt es sich meist um Festbettvergaser, vorzugsweise Gleichstromvergaser. Ein Beispiel für einen aufsteigenden Gleichstrom-Festbettvergaser ist in der DE 10 2008 026 252 A1 offenbart.
Gleichstromvergaser oder Gleichstromvergaseranlagen weisen einen Vergasungsreaktor auf, der mehrere Zonen bzw. Bereiche oder Einheiten umfasst, die sich vor allem durch das Vorherrschen unterschiedlicher Temperaturen und damit einhergehend durch unterschiedliche chemische und physikalische Reaktionen unterscheiden. Die verschiedenen Zonen oder Einheiten werden als Trocknungszone, Pyrolyse- oder Schwelzone, Oxidationszone und Reduktionszone bezeichnet. Optional kann sich eine Konvertierungszone anschließen.
Die thermochemische Holzvergasung selbst läuft innerhalb der verschiedenen Zonen des Vergasers in mehreren, aufeinanderfolgenden Schritten ab. Durch thermische Aufheizung wird das Holz im Allgemeinen zuerst getrocknet und danach in der Pyrolyse bei Temperaturen von bis zu 800°C thermisch zersetzt. In der darauf folgenden Oxidation findet die eigentliche Vergasung bei Temperaturen von rund 900°C bis ca. 1200°C statt. Während der Oxidation entstehen unter anderem elementarer Kohlenstoff in Form von Koks bzw. Kohle, Wasserdampf sowie brennbare und nicht brennbare gasförmige Produkte, wie z.B. CO (Kohlenmonoxid) oder CO₂ (Kohlendioxid).
Sowohl das verkokste Holz bzw. die Kohle als auch das bereits erzeugte Gasgemisch bewegen sich weiter in die Reduktionszone. Durch die hier stattfindende Reduktion werden Teile der gasförmigen Produkte mittels der Kohle zu brennbaren Bestandteilen reduziert. Nach der Reduktion besteht das brennbare Rohgasgemisch zum größten Teil aus N₂ (Stickstoff), CO (Kohlenmonoxid), H₂ (Wasserstoff) und CH₄ (Methan).
Bei einer sich anschließenden Konvertierung wird möglichst viel Wasserdampf in H₂ umgewandelt, wobei CO zu CO₂ umgesetzt wird. Einerseits wird dadurch die Ausbeute brennbarer Gasbestandteile in dem erhaltenen Rohgasgemisch erhöht und andererseits wird die Gasqualität durch eine verminderte Feuchtigkeit verbessert. Diese Umwandlung von Wasser und CO zu H₂ und CO₂ wird auch als so genannte Wassergas-Shift-Reaktion bezeichnet.
Aufgrund der in den Vergaseranlagen herrschenden hohen Temperaturen, die insbesondere in der Oxidationszone über 1000° C betragen, besteht die Gefahr einer Bildung von Schlacke, welche beispielsweise aus Verbrennungsrückständen entstehen kann. Die entstehende Schlacke kann sich dabei unter Bildung größerer Schlackeklumpen an den Wandungen des Vergasungsreaktors ablagern und zu Störungen oder Verstopfungen der Vergasungsanlage führen, so dass bei herkömmlichen Vorrichtungen zur thermochemischen Vergasung von Biomasse häufig Reinigungs- und Wartungsarbeiten anfallen.
In der EP 2 641 958 A1 wird vorgeschlagen, den Betrieb eines Biomassevergasers dadurch zu verbessern, dass die Biomasse nach aufsteigendem Prinzip mittels einer Förderschnecke von unten her in den Vergasungsreaktor eingebracht wird und die Zufuhr des Vergasungsmittels, nämlich Sauerstoff in Form von Luft, im Zentrum der Oxidationseinheit erfolgt. Nachteilig kann jedoch der Einsatz von Förderschnecken aus Gründen des notwendigen Kraftaufwands sowie wegen der potentiellen Gefahr von Rückbränden innerhalb des Förderschneckenkanals auch Probleme aufwerfen.
Aus diesem Grund besteht weiterer Bedarf, verbesserte Vorrichtungen zur thermochemischen Vergasung von Biomasse zur Verfügung zu stellen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und mit der unter Vermeidung von schädlichen Ablagerungen im Vergasungsreaktor ein insbesondere qualitativ hochwertiges Produktgas erzeugt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung für die Gewinnung eines Produktgases bereit, wobei die Vorrichtung zumindest einen Vergasungsreaktor mit wenigstens einer Pyrolysezone, einer Oxidationszone, einer Reduktionszone und einer Konvertierungszone, zumindest eine Zuführeinrichtung für die Zuführung der Biomasse in den Vergasungsreaktor, zumindest eine Zuleitungsvorrichtung zum Zuleiten von Zuluft und zumindest eine Ableitungsvorrichtung zum Ableiten des Produktgases aufweist. Die Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass im Bereich der Konvertierungszone eine erste Förderschwinge vorgesehen ist, wobei die Förderschwinge zum erleichterten Einbringen von in der Pyrolysezone, der Oxidationszone und der Reduktionszone des Vergasungsreaktors erzeugter Kohle in die Konvertierungszone sowie zum Verteilen der in der Konvertierungszone anwesenden Kohle ausgebildet und eingerichtet ist.
Der vorliegende Vergasungsreaktor ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die einzelnen Zonen, nämlich die Pyrolysezone, die Oxidationszone, die Reduktionszone und die Konvertierungszone unmittelbar ineinander übergehen und somit aufeinanderfolgende oder ineinander übergehende Reaktionseinheiten oder Reaktionsbereiche darstellen. In dem Prozess der thermochemischen Biomassevergasung wird die Biomasse bzw. die daraus entstehende Kohle sukzessive durch die verschiedenen Zonen bewegt. Die Umsetzung der Biomasse in Kohle erfolgt dabei durch verschiedene Reaktionen, die aufeinanderfolgend oder auch nebeneinander bzw. ineinandergreifend in den unterschiedlichen Zonen des Vergasungsreaktors ablaufen, wobei eine scharfe Trennung bzw. Abgrenzung der Zonen, nämlich Pyrolysezone, Oxidationszone und Reduktionszone, sowie der ablaufenden Reaktionen in der Regel nicht gegeben ist.
Zunächst wird die Biomasse mittels der Zuführeinrichtung in den Vergasungsreaktor gefördert und dadurch in die Pyrolysezone eingebracht. Die bereits in der Pyrolysezone befindliche Biomasse oder teilumgesetzte Biomasse wird dadurch weitergefördert und in die Oxidations- und Reaktionszone bewegt. Durch die in der Pyrolysezone, und in der Oxidations- und Reaktionszone ablaufenden thermochemischen Prozesse entsteht Kohle, welche ihrerseits weitergefördert oder weitergeschoben wird und dadurch an oder auch in die Konvertierungszone gelangt.
Unter dem Begriff „Kohle“ wird vorliegend jedes entstehende Produkt oder Zwischenprodukt verstanden, das über die in der Pyrolyse-, der Oxidations- und/oder der Reduktionszone stattfindenden thermochemischen Umsetzungen aus der Biomasse erhalten wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung fallen somit auch Zwischenstufen teilumgesetzter Biomasse unter den Begriff „Kohle“.
Besonders vorteilhaft kann nun mit der vorliegenden Vorrichtung das Einbringen der durch die thermochemische Biomassevergasung in der pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszone des Vergasungsreaktors entstehenden Kohle mittels der im Bereich der Konvertierungszone angeordneten ersten Förderschwinge erleichtert bzw. unterstützt werden, dadurch dass ein Hin- und Herbewegen bzw. Schwingen der Förderschwinge eine Verteilung der Kohle innerhalb der Konvertierungszone und eine damit einhergehende effektivere Übertragung der Kohle aus der Reduktionszone in die Konvertierungszone bewirkt. Durch das Hin- und Herbewegen bzw. Aufwärtsschwingen der Förderschwinge wird zudem das in der Konvertierungszone anwesende Material, insbesondere die anwesende Kohle verteilt und bevorzugt vermengt. Größere oder große, aschefreie, reaktionsfreudige Kohlestücke rollen beispielsweise nach innen, in Richtung zur Mitte der Konvertierungszone hin. Gleichzeitig wird kleinteiligere, aschehaltige Kohle eher in Richtung einer Wandung des Vergasungsreaktors hin abgesondert.
Durch diese zyklische Verteilung wird der Konvertierungsprozess deutlich verbessert, da das vorhandene Kohlebett aufgrund der Durchmischung immer wieder aufgelockert wird und die reaktionsfreudige Kohle, nämlich große oder größere Kohlestücke bzw. grobkörnige, aschefreie Kohle an die Oberfläche des Kohlebetts transportiert werden und dadurch in besseren Kontakt mit dem im Produktgas vorhandenen Wasserdampf gelangen. Dadurch wird viel Wasserdampf zu Wasserstoff umgesetzt, wodurch ein insbesondere trockenes, energiereiches Produktgas erzeugt werden kann. Durch ein derart trockenes Produktgas ergibt sich ein weiterer Vorteil, da in einem möglichen nachgeschalteten Schritt zur Gasaufbereitung oder Gasreinigung ein trockenes Produktgas auch bei Temperaturen unter 100°C mittels Gewebefiltern gereinigt werden kann, ohne dass Kondensat ausfällt.
Durch die Umverteilung mittels der vorgesehenen Förderschwinge wird ebenso verhindert, dass sich in dem Kohlebett bzw. zwischen den Kohlestücken kleinere Kammern oder Kanäle bilden, durch die das Rohgas bzw. Produktgas ungehindert hindurchströmen kann und dadurch eine stark verminderte Konvertierung stattfindet. Durch die Bewegung der Förderschwinge werden solche Kammern oder Kanäle immer wieder „aufgebrochen“ und der in dem Produktgas enthaltene Wasserdampf kann an der Oberfläche der Kohle effektiv umgesetzt werden.
Als Biomasse wird beispielsweise Holz, insbesondere in Form von Hackschnitzeln in die thermochemische Biomassevergasung eingesetzt. Die zu vergasende Biomasse kann vorliegend auch als Vergasungsmaterial oder als Vergasungsgut bezeichnet werden. Das bei der Vergasung von Holz entstehende Produktgas wird vorliegend auch als Holzgas verstanden.
Besonders bevorzugt ist die erste Förderschwinge in Form einer schwenkbar gelagerten Schubleiste ausgebildet. Insbesondere bevorzugt ist die Schubleiste dabei im Wesentlichen U-förmig ausgebildet und weist zwei Schenkelabschnitte sowie einen die Schenkelabschnitte verbindenden Stegabschnitt auf, wobei die Schubleiste über freie Schenkelenden der Schenkelabschnitte schwenkbar gelagert ist. Die Schubleiste ist somit im Wesentlichen schaukelartig aufgehängt und kann um eine erste Schwenkachse verschwenkt werden. Durch eine U-förmige Schubleiste ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, dass Schlackeklumpen, die sich an einer Wandung des Vergasungsreaktors abgelagert haben, mit einem absenkbaren Bohrkopf gelockert und abgebohrt werden können. Die abgebohrten, abgefallenen Schlackeklumpen können dann wiederum zusammen mit der Kohle weiter in bzw. durch die Konvertierungszone bewegt werden.
Besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Vergasungsreaktor im Bereich der Konvertierungszone gewölbte Wandungsabschnitte aufweist. Die gewölbten Wandungsabschnitte definieren dabei bevorzugt Mantelflächenabschnitte eines Zylinders, welcher als abgeflachter, liegender Zylinder oder Teilzylinder verstanden werden kann. Insbesondere in Kombination mit einer U-förmig ausgebildeten Schubleiste erweisen sich die gewölbten Wandungsabschnitte als besonders vorteilhaft, da sich der Stegabschnitt der Schubleiste beim Verschwenken bzw. bei der Schwing- oder Pendelbewegung in einem vorgegebenen, gleichbleibenden Abstand entlang der gewölbten Wandungsabschnitte bewegt und dadurch eine besonders effektive und gleichmäßige Verteilung der Kohle erreicht werden kann. Zudem bewirken die gewölbten Wandungsabschnitte, dass die Kohle- und Ascheteilchen auch entlang der Wandung verteilt werden.
Die erste Förderschwinge kann den in der Konvertierungszone herrschenden Bedingungen insbesondere gut standhalten, wenn sie beispielsweise aus einem Stahl, insbesondere aus einem nichtrostenden, hitzebeständigen, austenitischen Chrom-Nickel-Stahl hergestellt ist. Beispielsweise ist die erste Förderschwinge aus einem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4841 hergestellt.
Besonders bevorzugt ist die vorliegende Vorrichtung als aufsteigende Gleichstromvergasungsanlage ausgebildet, wobei sich insbesondere bevorzugt eine Hauptachse der Gleichstromvergasungsanlage im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt und das Zuführen der Biomasse in den Vergasungsreaktor von unten her erfolgt. Die Zuführeinrichtung ist dabei in vertikaler Richtung vorzugsweise unterhalb des Vergasungsreaktors angeordnet. In vertikaler Richtung schließen dabei die Pyrolysezone, die Oxidationszone, die Reduktionszone und schließlich die Konvertierungszone von unten nach oben aneinander an. Optional kann unterhalb der Pyrolysezone eine Trocknungszone vorgesehen sein, welche unmittelbar in die Pyrolysezone übergeht. Der Biomasse- bzw. Kohlestrom erfolgt von unten nach oben. Die Ableitungsvorrichtung zur Ableitung des Produktgases ist in einem oberen Bereich, bevorzugt an einem oberen Ende des Vergasungsreaktors angeordnet, so dass der Produktgasstrom ebenfalls aufwärts gerichtet ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Zuführeinrichtung eine zweite Förderschwinge auf, wobei die zweite Förderschwinge dazu eingerichtet ist, die Biomasse entgegen der Schwerkraft in den Vergasungsreaktor zu fördern. Die zweite Förderschwinge ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen in Form einer antreibbaren Klappe ausgebildet. Mittels der zweiten Förderschwinge kann die Zuführung der Biomasse in den Vergasungsreaktor von unten her in besonders kraftsparender Weise erfolgen, da die Reibungskräfte beispielsweise im Vergleich zu einem Schneckenförderer deutlich reduziert sind. Ferner ist es auch aus Sicherheitsgründen von besonderem Vorteil, wenn im Hackschnitzelbereich keine Schneckenförderer benötigt werden.
Das Einbringen der Biomasse in den Vergasungsreaktor mittels der zweiten Förderschwinge erfolgt insbesondere effektiv und sicher, wenn ferner eine Einschubmuldeneinrichtung vorgesehen ist, wobei die zweite Förderschwinge schwenkbar gelagert in der Einschubmuldeneinrichtung angeordnet ist. Die Einschubmuldeneinrichtung weist vorzugsweise einen eine Beschickungsöffnung aufweisenden Beschickungsabschnitt, einen im Wesentlichen rohrbogenförmigen Einschubmuldenabschnitt und einen mit dem Vergasungsreaktor verbundenen Zuführungsabschnitt auf. Die zweite Förderschwinge ist um eine zweite, im Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar gelagert. Die Dimensionierung der Förderschwinge sowie des Einschubmuldenabschnittes sind dabei aufeinander abgestimmt, so dass die Förderschwinge zwar ungehindert in der Einschubmuldeneinrichtung verschwenkt werden kann, ein freier Randabschnitt der Förderschwinge jedoch möglichst nahe an einer Wandung des Einschubmuldenabschnittes entlang gleitet. In Abhängigkeit der Dimensionierung der Förderschwinge sowie des Einschubmuldenabschnittes verläuft die zweite Schwenkachse bezogen auf eine mittlere Höhe der Einschubmuldeneinrichtung beispielsweise in etwa auf halber Höhe, nämlich in einem Übergangsbereich zwischen dem Beschickungs- und dem Einschubmuldenabschnitt.
Der in der Einschubmuldeneinrichtung vorhandene Einschubmuldenabschnitt bringt zudem einen Sicherheitsaspekt mit sich, da die Gefahr eines Rückbrands durch Rückführen von Abgas in den Einschubmuldenabschnitt minimiert werden kann. Zudem ist die Flutung des Einschubmuldenabschnitts im Brandfall als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme möglich.
Zum Zwecke der Beschickung der Einschubmuldeneinrichtung ist die zweite Förderschwinge in eine Beschickungsposition auslenkbar, in der die Beschickungsöffnung frei und offen vorliegt. Durch entsprechenden Antrieb der zweiten Förderschwinge wird diese dann in Richtung des Einschubmuldenabschnittes und weiter in Richtung des Zuführungsabschnittes ausgelenkt bzw. verschwenkt, so dass die in der Einschubmuldeneinrichtung vorgelegte Biomasse über den Zuführungsabschnitt in den Vergasungsreaktor eingeschoben wird. Dadurch erfährt das bereits im Vergasungsreaktor befindliche Material ebenso eine Aufwärtsförderung bzw. einen Schub nach oben, so dass durch die über die zweite Förderschwinge erzeugte Schubbewegung letztlich auch eine gewisse Förderung der bereits in der Pyrolysezone vorhandenen Biomasse in die Oxidationszone sowie eine Weiterförderung der Kohle aus der Oxidationszone in die Reduktionszone und von dort in die Konvertierungszone vermittelt wird.
Besonders vorteilhaft wird nun im Zusammenspiel mit dieser Schubbewegung der zweiten Förderschwinge das aus der Reduktionzone nach oben austretende Kohlematerial von der in der Konvertierungszone vorgesehenen ersten Förderschwinge übernommen und weiter in die Konvertierungszone gefördert bzw. in dieser verteilt. Bevorzugt ist zusätzlich eine Austragseinrichtung zum Austrag der Kohle aber auch zum Austrag von Asche, Schlacke und/oder Störstoffen vorgesehen, wobei dieser Austrag von Material durch die erste Förderschwinge unterstützt wird.
Bevorzugt ist zusätzlich eine Dosiervorrichtung zur dosierten Beschickung der Einschubmuldeneinrichtung vorgesehen, wobei die Dosiervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Biomasse aus einem Vorratsbehälter oder einem Lager zu entnehmen und in einer vorgegebenen Dosierung der Einschubmuldeneinrichtung über die Beschickungsöffnung zuzuführen. Beispielsweise handelt es sich bei der Dosiervorrichtung um einen Hackschnitzel-Elevator oder um einen Becherdosierer, insbesondere um ein Becherwerk, wobei die Dosiervorrichtung besonders bevorzugt steuerbar ausgebildet ist. Beispielsweise kann in Abhängigkeit der erwünschten Menge an Kohle, welche beispielsweise über den Kohleaustrag gemessen werden kann, die Dosierung durch Wahl einer geeigneten Zeittaktung so erfolgen, dass pro Zeiteinheit mehr oder weniger Biomasse zugeführt wird. Störanfällige und empfindliche Sensoren im Hitzebereich des Vergasungsreaktors können dadurch vorteilhafterweise eingespart werden.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
1 schematisch dargestellt eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
2 schematisch dargestellt eine Seitenansicht der Ausführungsform der 1 und
3 einen Vertikalschnitt A-A durch die Ausführungsform der 1 und 2.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch dargestellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung für die Gewinnung eines Produktgases gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der beispielhaft dargestellten Vorrichtung handelt es sich um eine aufsteigende Gleichstromvergasungsanlage zur Holzvergasung, wobei vorzugsweise Hackschnitzel als Vergasungsmaterial eingesetzt werden. Eine Hauptachse HA der aufsteigenden Gleichstromvergasungsanlage erstreckt sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung. In der 2 ist eine seitliche Ansicht der beispielhaften Vorrichtung dargestellt und 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung entlang einer in der 2 angedeuteten Schnittebene A-A.
Die Vorrichtung umfasst einen Vergasungsreaktor 1 in dem die thermochemischen Vergasungsreaktionen bzw. die thermochemischen Prozesse der Biomassevergasung ablaufen. Der Vergasungsreaktor 1 weist verschiedene aneinander anschließende Zonen oder Reaktionsbereiche bzw. Reaktionsabschnitte auf, wobei in vertikaler Richtung von unten nach oben eine Pyrolysezone 2, eine Oxidationszone 3, eine Reduktionszone 4 und eine Konvertierungszone 5 aufeinanderfolgen. Während der Biomassevergasung durchläuft die Biomasse die unterschiedlichen Zonen, wobei in der Pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszone 2, 3, 4 Holzkohle erzeugt wird, welche dann in die Konvertierungszone 5 eingetragen wird.
Der Vergasungsreaktor 1 weist im Bereich der Konvertierungszone 5 gewölbte Wandungsabschnitte 5.1 auf und ist näherungsweise in Form eines oben abgeflachten, liegenden Zylinders ausgebildet, wobei die gewölbten Wandungsabschnitte 5.1 Mantelflächenabschnitte des Zylinders beschreiben.
Eine Zuführeinrichtung 6 für die Zuführung der Biomasse schließt sich unterhalb der Pyrolysezone 2 an den Vergasungsreaktor 1 an und eine Ableitungsvorrichtung 8 zum Ableiten des Produktgases ist oberhalb der Konvertierungszone 5 an einem oberen Ende des Vergasungsreaktors 1 vorgesehen. Im Bereich der Oxidationszone 3 ist zudem eine Zuleitungsvorrichtung 7 zum Zuleiten von Zuluft angeordnet, welche aus der Darstellung der 3 zu ersehen ist.
Erfindungsgemäß ist im Bereich der Konvertierungszone 5 eine schwenkbar gelagerte, erste Förderschwinge 9 (in 1 nicht ersichtlich, siehe 3) vorgesehen. Die erste Förderschwinge 9 ist dazu ausgebildet, das Einbringen von in der Pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszone 2, 3, 4 erzeugter Holzkohle in die Konvertierungszone 5 zu erleichtern und die in der Konvertierungszone 5 anwesende Holzkohle zu verteilen und zu durchmischen. Die erste Förderschwinge 9 kann um eine erste, im Wesentlichen senkrecht zur Hauptachse HA verlaufende Schwenkachse SA1 verschwenkt werden und ist im dargestellten Beispiel in Form einer im Wesentlichen U-förmigen Schubleiste ausgebildet. Die U-förmige Schubleiste weist zwei Schenkelabschnitte 9.1 und einen die Schenkelabschnitte 9.1 verbindenden Stegabschnitt 9.2 auf, wobei der Stegabschnitt 9.2 vorliegend auch als Leistenabschnitt verstanden werden kann. Über freie Schenkelenden der Schenkelabschnitte 9.1 ist die Schubleiste schwenkbar gelagert und kann daher schaukelartig in der Konvertierungszone 5 schwingen bzw. pendeln.
Bei der Schwing- oder Pendelbewegung der Schubleiste wird Holzkohlematerial, das aufgrund einer Aufwärtsbewegung des Vergasungsmaterials im Vergasungsreaktor 1 aus der Reduktionszone 4 austritt, vom Steg- bzw. Leistenabschnitt 9.2 der Schubleiste auf- bzw. mitgenommen und entlang der gewölbten Wandungsabschnitte 5.1 verteilt. Durch diese Schwing- oder Pendelbewegung der Schubleiste erfolgt gleichzeitig eine Auflockerung des Holzkohlebetts in der Konvertierungszone 5, wobei größere, aschefreie Holzkohlestücke an die Oberfläche des Kohlenbettes gelangen und entlang der gewölbten Wandungsabschnitte 5.1 in Richtung zu Mitte hin rollen, wo sie für eine effektive Konvertierung zur Verfügung stehen. Ferner wird durch die wiederholte Schwing- oder Pendelbewegung der Schubleiste eine gute Verteilung und Vermischung des in der Konvertierungszone 5 anwesenden Holzkohlematerials sichergestellt, so dass die Bildung unerwünschter Gasdurchbruchskanäle in den Zwischenräumen zwischen den Kohlestücken vermieden werden kann.
Die Zuführeinrichtung 6 der dargestellten aufsteigenden Gleichstromvergasungsanlage umfasst eine in einer Einschubmuldeneinrichtung 11 angeordnete und schwenkbar gelagerte zweite Förderschwinge 10, die dazu ausgebildet ist, Biomasse entgegen der Schwerkraft von unten her in den Vergasungsreaktor 1 hinein zu fördern. Die zweite Förderschwinge 10 ist dabei in Form einer antreibbaren Klappe ausgebildet, welche in der Einschubmuldeneinrichtung 11 um eine zweite, im Wesentlichen horizontal verlaufende Schwenkachse SA2 verschwenkt werden kann. Die Einschubmuldeneinrichtung 11 umfasst einen eine Beschickungsöffnung 11‘ aufweisenden Beschickungsabschnitt 11.1, einen rohrbogenförmigen Einschubmuldenabschnitt 11.2 und einen mit dem Vergasungsreaktor 1 verbundenen Zuführungsabschnitt 11.3.
Die Bauart und Dimensionierung der zweiten Förderschwinge 10 ist auf die Form und Größe der Einschubmuldeneinrichtung 11, insbesondere des Einschubmuldenabschnittes 11.2 abgestimmt, so dass die zweite Förderschwinge 10 mit kleinstmöglichem Abstand zu einer inneren Wandung der Einschubmuldeneinrichtung 11 ungehindert in der Einschubmuldeneinrichtung 11 verschwenkt werden kann, um möglichst die gesamte in der Einschubmuldeneinrichtung 11 vorgelegte Biomasse durch Antrieb der Förderschwinge 10 in Bewegung zu setzen ohne dass ein Totvolumen bestehen bleibt.
Zum Betrieb der vorliegenden Vorrichtung werden Hackschnitzel beispielsweise mittels eines Becherdosierers oder eines Hackschnitzel-Elevators, vorzugsweise mittels eines Becherwerkes über die Beschickungsöffnung 11‘ des Beschickungsabschnittes 11.1 dosiert in die Einschubmuldeneinrichtung 11 eingebracht. Die zweite Förderschwinge 10 ist beim Eintrag der Hackschnitzel in einer Beschickungsposition BP ausgerichtet, wie in den 1 und 3 dargestellt.
Nach dem Einbringen der Hackschnitzel in die Einschubmuldeneinrichtung 11 wird die als Klappe ausgebildete zweite Förderschwinge 10 durch entsprechenden motorischen Antrieb um die zweite Schwenkachse SA2 verschwenkt und dadurch aus der Beschickungsposition BP in Richtung des Einschubmuldenabschnittes 11.2 bzw. weiter in Richtung des Zuführungsabschnittes 11.3 bewegt. Die in der Einschubmuldeneinrichtung 11 vorgelegten Hackschnitzel werden durch den Antrieb der Förderschwinge 10 bzw. durch deren Verschwenkung ebenfalls in Richtung des Zuführungsabschnittes 11.3 gedrückt und in den Vergasungsreaktor 1 hinein geschoben. Für das Einbringen der Hackschnitzel mittels der Förderschwinge 10 ist vorteilhaft ein relativ geringer Kraftaufwand nötig, da die Reibungskräfte gering sind. Verglichen zu einer Hackschnitzeleinbringung über Schneckenförderer kann daher mit der vorliegenden Vorrichtung der Kraftbedarf verringert werden.
Durch das Einbringen bzw. Hineinschieben der Hackschnitzel in den Vergasungsreaktor 1 mittels der zweiten Förderschwinge 10 wird gleichzeitig eine Bewegung bzw. Förderung des bereits in dem Vergasungsreaktor 1 befindlichen Materials nach oben bewirkt. Mit dem nach oben gerichteten Materialstrom geht ein Auflockern des Materials einher und ein Festsetzen des Materials kann somit verhindert werden. Die für die Oxidation notwendige Zuluft wird im Bereich der Oxidationszone 3 über die Zuleitungsvorrichtung 7, welche einen Oxidationszonenmantel umschließt, zugeleitet. Durch Brenndüsen, welche ebenfalls im Bereich der Pyrolyse- und/oder Oxidationszone 2, 3 vorgesehen sind, wird die nötige Hitzeerzeugung bzw. Hitzezufuhr sichergestellt.
Mit dem nach oben gerichteten Materialstrom wird auch die in der Pyrolyse-, Oxidationszone 2, 3 erzeugte Kohle oben aus der Reduktionszone 4 hinausgedrückt, wo sie von der ersten Förderschwinge 9 aufgenommen und in die Konvertierungszone 5 eingebracht und dort verteilt wird. Die erste Förderschwinge 9 erleichtert dadurch zusätzlich den Eintrag der Kohle in die Konvertierungszone 5 und unterstützt die Förderung des Materials nach oben bzw. den nach oben gerichteten Materialstrom. Ferner wird das in der Konvertierungszone anwesende Kohlematerial homogenisiert.
Das entstehende Produktgas bewegt sich in einem Produktgasstrom ebenfalls nach oben und kann mittels der oberhalb der Konvertierungszone 5 am Vergasungsreaktor 1 angeordneten Ableitungsvorrichtung 8 zum Ableiten des Produktgases abgeleitet oder aufgefangen und beispielsweise einer weiteren Gasreinigung oder Gasaufbereitung zugeführt werden.
Der Austrag von Holzkohle, Schlackeklumpen, Asche und/oder Störstoffen erfolgt ebenfalls im Bereich der Konvertierungszone 5 über wenigstens eine dort angeordnete Austragseinrichtung 12. Die für den Austrag vorgesehenen Stoffe werden mittels der ersten Förderschwinge 9 nach oben transportiert.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsreaktor
2: Pyrolysezone
3: Oxidationszone
4: Reduktionszone
5: Konvertierungszone
5.1: gewölbte Wandungsabschnitte
6: Zuführeinrichtung
7: Zuleitungsvorrichtung
8: Ableitungsvorrichtung
9: erste Förderschwinge
9.1: Schenkelabschnitte
9.2: Stegabschnitt
10: zweite Förderschwinge
11: Einschubmuldeneinrichtung
11‘: Beschickungsöffnung
11.1: Beschickungsabschnitt
11.2: Einschubmuldenabschnitt
11.3: Zuführungsabschnitt
12: Austragseinrichtung
h_E: mittlere Höhe der Einschubmuldeneinrichtung
HA: Hauptachse
BP: Beschickungsposition
SA1: erste Schwenkachse
SA2: zweite Schwenkachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008026252 A1 [0004]
EP 2641958 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zur thermochemischen Biomassevergasung für die Gewinnung eines Produktgases aufweisend zumindest einen Vergasungsreaktor (1) mit wenigstens einer Pyrolysezone (2), einer Oxidationszone (3), einer Reduktionszone (4) und einer Konvertierungszone (5), zumindest eine Zuführeinrichtung (6) für die Zuführung der Biomasse in den Vergasungsreaktor (1), zumindest eine Zuleitungsvorrichtung (7) zum Zuleiten von Zuluft und zumindest eine Ableitungsvorrichtung (8) zum Ableiten des Produktgases, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Konvertierungszone (5) eine erste Förderschwinge (9) vorgesehen ist, wobei die Förderschwinge (9) zum Übertragen von in der Pyrolysezone (2), der Oxidationszone (3) und der Reduktionszone (4) des Vergasungsreaktors (1) erzeugter Kohle in die Konvertierungszone (5) sowie zum Verteilen der in der Konvertierungszone (5) anwesenden Kohle ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Förderschwinge (9) in Form einer schwenkbar gelagerten Schubleiste ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubleiste im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist und zwei freie Schenkelenden aufweist, wobei die Schubleiste über ihre freien Schenkelenden schwenkbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor (1) im Bereich der Konvertierungszone (5) gewölbte Wandungsabschnitte (5.1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Förderschwinge (9) aus einem Stahl, insbesondere aus einem nichtrostenden, hitzebeständigen, austenitischen Chrom-Nickel-Stahl hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine aufsteigende Gleichstromvergasungsanlage handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Hauptachse (HA) der Gleichstromvergasungsanlage im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt und das Zuführen der Biomasse in den Vergasungsreaktor (1) von unten her erfolgt, wobei die Zuführeinrichtung (6) in vertikaler Richtung unterhalb des Vergasungsreaktors (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (6) eine zweite Förderschwinge (10) aufweist, wobei die zweite Förderschwinge (10) dazu eingerichtet ist, die Biomasse entgegen der Schwerkraft in den Vergasungsreaktor (1) zu fördern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Förderschwinge (10) im Wesentlichen in Form einer antreibbaren Klappe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (6) ferner eine Einschubmuldeneinrichtung (11) umfasst, wobei die zweite Förderschwinge (10) schwenkbar gelagert in der Einschubmuldeneinrichtung (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschubmuldeneinrichtung (11) einen eine Beschickungsöffnung (11‘) aufweisenden Beschickungsabschnitt (11.1), einen im Wesentlichen rohrbogenförmigen Einschubmuldenabschnitt (11.2) und einen mit dem Vergasungsreaktor (1) verbundenen Zuführungsabschnitt (11.3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Austragseinrichtung (12) zum Austrag der Kohle vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Dosiervorrichtung zur dosierten Beschickung der Einschubmuldeneinrichtung (11) vorgesehen ist, wobei die Dosiervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Biomasse aus einem Vorratsbehälter oder einem Lager zu entnehmen und in einer vorgegebenen Dosierung der Einschubmuldeneinrichtung (11) über die Beschickungsöffnung (11‘) zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung steuerbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vergasungsreaktor zusätzlich eine Trocknungszone vorgesehen ist, wobei die Trocknungszone unmittelbar in die Pyrolysezone (2) übergeht.