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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Biomassevergasung.
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Biomasse kann in einem Vergaser zu einem Produktgas vergast werden, das anschließend je nach Einsatzzweck zur Energiegewinnung durch Verbrennung oder chemisch weiterverarbeitet wird. Ein häufiger Einsatzzweck sind Blockheizkraftwerke. Derartige Vergaser sind beispielsweise aus den Schriften
DE 10 2008 021 966 B4 ,
DE 10 2014 225 166 A1 und
DE 20 2012 002 872 U1 bekannt. Die Schrift
EP 1 078 698 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermolytischen Aufarbeitung von polymer- und zellulosehaltigen Stoffen, insbesondere von sogenanntem Shredderleichtgut.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders für die Vergasung von Hackschnitzeln oder Pellets aus Holz geeignet. Auch Pflanzenreste aus der Palmölproduktion oder sonstige Biomasse kann vergast werden. Vorzugsweise wird die Biomasse als stückiges Schüttgut, z.B. Hackschnitzel, verarbeitet.
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Der erfindungsgemäße Vergaser wird vorzugsweise in einer Kraftwerksanlage verbaut. Dem Vergaser wird hierzu eine Filteranlage mit einem oder mehreren Filtern sowie ein Gasmotor nachgeschaltet. Die Biomasse wird im Vergaser zu einem Produktgas vergast. Das Produktgas wird anschließend gefiltert und in einem Motor verbrannt, um mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen. Gleichzeitig kann auch die Verbrennungswärme zur Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Vergasern zur Vergasung von Biomasse bekannt. Häufig werden Festbettvergaser eingesetzt, bei denen Biomasse auf einem statischen Rost liegend vergast wird.
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Eine besondere Herausforderung bei der Vergasung von Biomasse stellen die feststofflichen Reaktionsrückstände wie Asche, Schlacke und Teer dar. Asche verbindet sich bei hohen Temperaturen zu Schlacke. Die Reaktionsrückstände können verklumpen und sich im Reaktionsraum, insbesondere auf dem Rost, als Schlacke ablagern. Die Verschlackung von Vergasern stört den Vergasungsprozess. Die Entfernung der Reaktionsrückstände erhöht den Wartungsaufwand und die Ausfallzeiten der Anlage. In der Regel erfolgt die Ausräumung der Reaktionsrückstände in regelmäßigen Wartungsintervallen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Vergaser bereitzustellen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Schneckenvergaser. Der Vergaser umfasst eine Biomassebeschickung, eine Reaktionskammer, eine Reaktionsgaszufuhr, einen Produktgasabzug sowie mindestens eine Schnecke.
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Die Schnecke ist eine Förderschnecke, die um ihre Achse drehbar ist, um ein Schüttgut in axialer Richtung zu fördern. Die Schnecke kann mit oder ohne Seele ausgeführt sein. Vorzugsweise umfasst der Vergaser zwei Schnecken, eine Reaktionsbettschnecke und eine Beschickungsschnecke. Jede Schnecke wird vorzugsweise mit einem separat steuerbaren Motor angetrieben.
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Die Biomasse, z.B. Hackschnitzel, werden über die Biomassebeschickung in den Reaktionsraum gefördert. Die Biomassebeschickung kann eine erste Schnecke, die Beschickungsschnecke, umfassen, mit der die Biomasse von einer Zufuhrschleuse kontinuierlich zum Reaktionsraum gefördert wird. Im Reaktionsraum wird die Biomasse vergast. Vorzugsweise umfasst der Vergaser eine zweite Schnecke, die Reaktionsbettschnecke, mit der die Biomasse durch die Reaktionskammer gefördert wird. Die Reaktionsbettschnecke ist dazu ausgebildet, die zu vergasende Biomasse sowie die bei der Vergasung entstehende Asche kontinuierlich in Prozessrichtung zu befördern.
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Über eine Reaktionsgaszufuhr wird der Reaktionskammer ein Reaktionsgas zugeführt. Die Reaktionsgaszufuhr kann insbesondere über einen oder mehrere Düsenringe umfangseitig erfolgen. Vorzugsweise wird Luft oder Sauerstoff als Reaktionsgas eingesetzt. Die Reaktionsgaszufuhr kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mehrere Gaszufuhrstufen umfassen. Über die Reaktionsgaszufuhr kann die Zufuhr, insbesondere der Massestrom oder der Volumenstrom, des Reaktionsgases in den Reaktionsraum gesteuert bzw. geregelt werden.
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Das bei der Vergasung entstehende Produktgas wird am Produktgasabzug aus dem Reaktionsraum abgeführt. Je nach Ausführungsform wird das Produktgas vorzugsweise durch den Unterdruck eines Saugmotors oder eines vorgeschalteten Gebläses abgesaugt. Im Anschluss an den Vergaser wird das Produktgas in der Regel in einer Filteranlage gefiltert.
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Der Reaktionsraum des Vergasers ist vorzugsweise als stehendes Rohr ausgebildet. Die Beschickung erfolgt vorzugsweise am unteren Ende des Reaktionsraums. Von dort wird die Biomasse nach oben durch die Reaktionszone gefördert. In der Reaktionszone wird das Reaktionsgas zugeführt. Das Produktgas wird am oberen Ende der Reaktionszone abgeführt. Die Rückstände werden vorzugsweise oberhalb der Reaktionszone ausgeworfen.
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Der Schneckenvergaser ermöglicht eine besondere Konstruktion und Prozessführung der Vergasung, die sich positiv auf die Effektivität der Vergasung, die Betriebsdauer sowie den Wartungsaufwand der Anlage auswirken. Außerdem kann der Aufwand für die der Vergasung nachgelagerte Filterung des Produktgases verringert werden.
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Die mindestens eine Schnecke hat mehrere Vorteile. Durch den steuerbaren Antrieb der Schnecke lässt sich der Massefluss der Biomasse steuern. Vorteilhafterweise wird die Zufuhr an Biomasse und/oder die Förderung durch die Reaktionskammer gesteuert, um den Vergasungsprozess, die nachfolgende Filterung und/oder die anschließende Verbrennung in einem Motor zu optimieren.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Vergaser zumindest eine Reaktionsbettschnecke. Die Biomasse liegt während der Vergasung auf der Schnecke. Vorzugsweise ist die Reaktionsbettschnecke hängend, insbesondere vertikal, in der Reaktionskammer angeordnet. Durch die Rotation der Schnecke werden die Biomasse und die feststofflichen Reaktionsrückstände, insbesondere Asche, durch die Reaktionskammer gefördert.
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Die rotierende Schnecke verhindert ein Verklumpen der Asche und verringert die Schlackebildung.
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Die Asche wird von der Schnecke aus der Reaktionszone heraus gefördert. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Asche von der Reaktionsbettschnecke zu einem Abwurf gefördert, an der die Reaktionsrückstände aus dem Reaktionsraum des Vergasers ausgeschieden werden. Durch den unmittelbaren Abtransport der Asche wird die Verschlackung des Reaktionsraums reduziert, was sich positiv auf die Wartungszeiten und die Effizienz der Anlage auswirkt.
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Durch die Reaktionsbettschnecke wird die Biomasse außerdem während des Vergasungsprozesses kontinuierlich bewegt. Dies ermöglicht einen mehrstufigen Vergasungsprozess.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Schnecke, insbesondere die Reaktionsbettschnecke, zumindest in einem Teilbereich gelocht. Auf der Spiralfläche der Schnecke ist eine Vielzahl an Löchern vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist die Lochung in der Reaktionszone im Bereich der Reaktionsgaszufuhr.
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Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Innenwandung des Reaktionsraums und dem Außenumfang der Schnecke ein Spalt vorgesehen sein.
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Durch die Förderung der Biomasse auf der Schnecke durch den Reaktionsraum können nicht vollständig vergaste Biomasse-Teile, z.B. Kohleklumpen, an der Schnecke entlang zurückwandern oder durch die Löcher in der Schnecke sowie den Spalt zwischen Schnecke und Wandung hindurchfallen und damit in der Reaktionszone verbleiben. Hierdurch kann die restliche Biomasse erneut vergast und die Ausbeute erhöht werden. Die gelochte Schnecke und/oder der Spalt zur Wandung verstärken diesen Effekt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Vergaser mehrere, vorzugsweise zwei, Gaszufuhrstufen. Durch die mehreren Gaszufuhrstufen kann eine mehrstufige Reaktionszone bzw. mehrere Reaktionszonen gebildet werden, die in Förderrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Reaktionsgaszufuhr an den mehreren Stufen ist separat steuerbar.
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Durch die zweite Gaszufuhrstufe kann eine Nachvergasung erfolgen, bei der langkettige Kohlenwasserstoffe aufgebrochen werden (Cracken). Durch die zweite Gaszufuhrstufe innerhalb der Reaktionskammer kann außerdem eine Luftzufuhr, die im Stand der Technik in der Anlage zwischen dem Vergaser und der nachgeschalteten Filteranlage erfolgt, in den Vergaser verlagert werden. Hierdurch verringern sich die Anforderungen an die nachgeschalteten Filter. Insbesondere können durch die Nachvergasung Rückstände im Filter reduziert und einfachere Filter eingesetzt werden.
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Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Die in dieser Anmeldung beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen und Merkmale sind nicht auf die konkret genannten Merkmalskombinationen beschränkt. Die beschriebenen Einzelmerkmale können insbesondere miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt oder auch weggelassen werden. Die so entstehenden Ausführungsformen sind ebenfalls Gegenstand dieser Offenbarung.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt.
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Liste der Figuren:
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- 1: eine perspektivische Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform des Schneckenvergasers;
- 2: eine Frontalansicht eines Schnitts des Schneckenvergasers mit einem vergrößerten Detailausschnitt der Reaktionsbettschnecke;
- 3: eine Seitenansicht eines Schnitts des Schneckenvergasers;
- 4: eine Draufsicht auf einen Schnitt des Schneckenvergasers.
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In den 1 bis 4 ist eine mögliche Ausführungsform des Vergasers (10) dargestellt.
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1 zeigt eine perspektivische Außenansicht auf den Vergaser (10). Der Vergaser (10) umfasst eine Biomassebeschickung (11), eine Reaktionskammer (12), eine Reaktionsgaszufuhr (13) sowie einen Produktgasabzug (14). Vorteilhafterweise umfasst der Vergaser (10) außerdem einen Abwurf (15).
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Vergaser eine Zufuhrschleuse (16). Die Biomasse (B), z.B. Hackschnitzel aus Holz, werden dem Vergaser an der Zufuhrschleuse (16) zugeführt. Die Zufuhrschleuse (16) ist dazu ausgebildet die Materialzufuhr zu dosieren und den Innenraum des Vergasers gegen die Umgebung abzudichten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Biomasse (B) von oben der Biomassebeschickung (11) zugeführt. Auch andere Beschickungsarten sind möglich.
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Über die Biomassebeschickung (11) wird die Biomasse der Reaktionskammer (12) zugeführt. Vorteilhafterweise umfasst die Biomassebeschickung (11) eine erste Schnecke. Die Biomassebeschickung (11) ist in der dargestellten Ausführungsform liegend ausgeführt. Die Beschickung erfolgt hier von Seite an der unteren Seite der Reaktionskammer (12). Alternativ oder zusätzlich kann die Biomassebeschickung auch aufrecht oder geneigt angeordnet sein. Die Beschickung kann auch an mehreren oder einer anderen Stelle der Reaktionskammer (12) erfolgen.
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Die Reaktionskammer (12) ist in der bevorzugten Ausführungsform als aufrechtstehendes Rohr ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Reaktionskammer (12) aus einem oder mehreren Segmenten mit variablen oder unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sein. Die Ausführungsform als längliches Rohr ist besonders vorteilhaft.
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Die Reaktionskammer (12) umfasst vorzugsweise eine Revisionsklappe (32). Die Revisionsklappe ermöglicht einen Einblick und/oder Zugang zur Reaktionskammer (12), insbesondere zur Reaktionszone im Bereich der Reaktionsgaszufuhr (13).
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In der Reaktionskammer wird die Biomasse vergast. Die Reaktionskammer umfasst eine Reaktionsgaszufuhr (13) mit einer oder mehreren Gaszufuhrstufen. Vorzugsweise wird Luft als Reaktionsgas in die Reaktionskammer geblasen. Je nach Ausführungsform des Vergasers und des erwünschten Vergasungsprozesses kann die Menge und Stelle des zugeführten Reaktionsgases variieren. Dem Fachmann sind verschiedene Vergasungsprozesse mit und ohne Sauerstoff bekannt.
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Das bei der Vergasung der Biomasse entstehende Produktgas (P) wird an einem oder mehreren Produktgasabzügen (14) aus der Reaktionskammer (12) abgeführt. Vorzugsweise wird das Produktgas anschließend einer Filteranlage zugeführt, bevor es zur Energieumwandlung, z.B. einem Motor zugeführt wird.
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Der hier offenbarte Vergaser ist grundsätzlich für unterschiedliche Einsatzszenarien geeignet, insbesondere zur mechanischen, elektrischen oder Wärmeenergie-Gewinnung.
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Die dargestellte Ausführungsform weist einige besondere Einzelmerkmale auf, die nicht notwendigerweise in der dargestellten Kombination eingesetzt werden müssen, sondern auch einzeln oder in anderen Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen des Vergasers zum Einsatz kommen können.
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Die Reaktionsgaszufuhr (13) umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Düsenringe (31). Der Düsenring (31) ist vorzugsweise umfangsseitig an der Reaktionskammer (12) angeordnet. Der Düsenring (31) umfasst vorzugsweise mehrere Düsen, die über einen gemeinsamen Ring verbunden sind. Über den Düsenring (31) kann das Reaktionsgas (R) gleichmäßig, insbesondere radial, in die Reaktionskammer eingeführt werden. Die Düsen sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Reaktionskammer (12) verteilt.
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Die Reaktionsgaszufuhr (13) kann einen oder mehrere Düsenringe (31) umfassen, die einzeln oder gemeinsam regelbar sein können. In 4 ist der Düsenring (31) in einer Draufsicht dargestellt.
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Die Reaktionsgaszufuhr (13) ist voreilhafterweise regelbar. Je nach Ausführungsform kann insbesondere der Volumen- oder der Massestrom des zugeführten Reaktionsgases (R) gesteuert oder geregelt werden. Über die Reaktionsgaszufuhr (13) und/oder die Antriebe (23, 24) der Biomassebeschickung (11) und/oder der Reaktionsbettschnecke (21) lässt sich der Vergasungsprozess einstellen.
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2 zeigt das Innenleben einer vorteilhaften Ausführungsform des Vergasers (10) in einer teilweisen Schnittdarstellung.
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Die zugeführte Biomasse (B) kann über motorisch bewegliche Schotten (161, 162) in den Vergaser eingeschleust werden. Vorzugsweise umfasst die Zufuhrschleuse (16) ein erstes Schott (161) und ein zweites Schott (162), die gegeneinander gesperrt sind, sodass stets mindestens ein Schott geschlossen ist und keine Umgebungsluft unkontrolliert in die Reaktionskammer gelangt. Über die zeitliche Steuerung der Zufuhrschleuse und die eingeworfene Menge an Biomasse (B) lässt sich der zugeführte Massestrom der Biomasse steuern.
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In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Biomassebeschickung (11) eine Beschickungsschnecke (22). Mit der Beschickungsschnecke (22) wird die Biomasse von der Materialzufuhr in die Reaktionskammer (12) gefördert. In weiteren Ausführungsformen sind auch eine Biomassebeschickung ohne Schnecke oder eine externe Beschickung möglich.
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Die Beschickungsschnecke (22) umfasst vorzugsweise einen eigenen Antrieb (24), der separat steuerbar ist. Über die Antriebsgeschwindigkeit kann die Fördergeschwindigkeit in den Reaktionsraum gesteuert werden.
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Der Vergaser umfasst in der bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Reaktionsbettschnecke (21). Die eine oder mehreren Schnecken (20) können jeweils mit oder ohne Seele ausgebildet sein. Vorzugsweise ist zumindest die Reaktionsbettschnecke (21) als seelenlose Schnecke ausgebildet. Als Seele bezeichnet man eine durchgehende Welle auf der die Schneckenspirale angeordnet ist. Die eine oder mehreren Schnecken können auch in einem Teilbereich, insbesondere im Bereich des Antrieb eine kurze Seele umfassen.
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Die Reaktionsbettschnecke (21) bildet einen beweglichen spiralförmigen Rost. Die Biomasse liegt auf der Reaktionsbettschnecke (21) auf und wird von der Schnecke durch den Reaktionsraum (12), insbesondere durch die Reaktionszone (17) im Bereich der Reaktionsgaszufuhr (13) und/oder des Produktgasabzugs (14), gefördert. Vorteilhafterweise findet die Vergasung der Biomasse statt, während diese durch die Reaktionszone gefördert wird.
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In der bevorzugten Ausführungsform wird die Biomasse von unten nach oben durch die Reaktionskammer gefördert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Schnecke, vorzugsweise die Reaktionsbettschnecke (21), zumindest teilweise gelocht.
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Ein Ausschnitt der Reaktionskammer (12) ist in 2 vergrößert dargestellt. Die Schnecke (20) umfasst eine Vielzahl von Löchern (25) auf der spiralförmigen Oberfläche der Schnecke (20).
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Alternativ oder zusätzlich ist zwischen der Innenwandung (30) der Reaktionskammer (12) und der Schnecke (20) ein Spalt (26) vorgesehen.
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In einer besonders vorteilhaften (nicht dargestellten) Ausführungsform ist die Schnecke (20), insbesondere die Reaktionsbettschnecke (21), nur in bestimmten Bereichen gelocht und/oder der Spalt (26) nur in bestimmten Bereichen vorgesehen.
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Ein besonderer Vorteil der Spirale, besonders mit Löchern und/oder Spalt, ist, dass die noch nicht vollständig vergaste Biomasse durch die Bewegung der Schnecke entgegen der Förderrichtung zurück in eine vorangehende Vergasungsstufe fallen oder rollen kann. Besonders kleinere Kohlestücke können durch die Löcher oder den Spalt zurück in die Vergasungszone fallen.
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Feine Asche verbleibt nach der Vergasung als Vergasungsrückstand auf der Schnecke liegen und wird aus der Vergasungszone (17) heraus gefördert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Vergaser (10) einen Abwurf (15), der dazu ausgebildet ist, die in der Reaktionskammer (12) nach der Vergasung verbleibenden Rückstände aus der Reaktionskammer (12) auszuscheiden. Der Abwurf (15) ist vorteilhafterweise dazu ausgebildet, die Rückstände aus der Reaktionskammer auszuschleusen und dabei die Reaktionskammer gegenüber der Umgebung abzudichten.
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In den 3 und 4 ist eine mögliche Anordnung des Auswurfs (15) schematisch dargestellt.
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In der dargestellten, besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Vergaser (10) mehrere Vergasungsstufen mit einer ersten Gaszufuhrstufe (131) und einer zweiten Gaszufuhrstufe (132).
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Die Reaktionszone (17) kann je nach Ausführungsform eine oder mehrere Reaktionsstufen (171, 172) umfassen. Durch eine zweite Gaszufuhrstufe (132) kann insbesondere eine zweite Reaktionsstufe (172) zur Nachvergasung der nicht vollständig vergasten Biomasse geschaffen werden. Vorzugsweise werden die mehreren Reaktionsstufen durch unterschiedliche Prozessparameter, insbesondere durch unterschiedlich hohe Reaktionsgaszufuhr, eingestellt.
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Neben der dargestellten Ausführungsform ist die Erfindung in weiteren Ausführungsformen mit den hier offenbarten Merkmalen ausführbar.
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Bezugszeichen
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- 10
- Vergaser
- 11
- Biomassebeschickung
- 12
- Reaktionskammer
- 13
- Reaktionsgaszufuhr
- 14
- Produktgasabzug
- 15
- Abwurf
- 16
- Zufuhrschleuse
- 17
- Reaktionszone
- 20
- Schnecke
- 21
- Reaktionsbettschnecke
- 22
- Beschickungsschnecke
- 23
- Antrieb
- 24
- Antrieb
- 25
- Löcher
- 26
- Spalt
- 30
- Wandung
- 31
- Düsenring
- 32
- Revisionsklappe
- 131
- erste Gaszufuhrstufe
- 132
- zweite Gaszufuhrstufe
- 161
- Schott
- 162
- Schott
- 171
- erste Reaktionsstufe
- 172
- zweite Reaktionsstufe, Nachvergasung
- B
- Biomasse, z.B. Hackschnitzel
- P
- Produktgas
- R
- Reaktionsgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021966 B4 [0002]
- DE 102014225166 A1 [0002]
- DE 202012002872 U1 [0002]
- EP 1078698 A1 [0002]
