DE3528975A1 - Biomassen-totalvergasungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenn­ gasen aus Biomassen aller Art, Kohle, Kunststoffabfälle und nicht schwermetallbelasteten Müll oder dergleichen. Dieser Betriebsstoff wird in einer ersten Verfahrensstufe, bestehend aus einem ausgemauerten Schachtofen, der gegen die Außenluft gasdicht abgeschlossen ist, bei Temperaturen von 350° bis 1200°C entgast, bis auf die Asche verbrannt, und diese durch einen Kratzförderer in ein luftdicht abschließendes Wasserbad ausge­ tragen. Hierbei wird die Schwelgasmenge durch Regelung der für den Prozeß notwendigen Verbrennungsluftmenge bestimmt. Das austretende ungekühlte Schwelgas gelangt auf kurzem Weg in die zweite Verbrennungsstufe, den Schwelgaswandler, das heißt, daß fast der gesamte Energiegehalt des Vergasungsstoffes mit nur geringen Verlusten im Schwelgas enthalten ist.

Im Schwelgaswandler findet bei Temperaturen von 950°C bis 1200°C eine Crackung statt, durch die das mit Ölen, Teeren und Phenolen behaftete Schwelgas zu Generatorgas ohne wasserlösliche Ver­ bindungen umgewandelt, und der Heizwert des Gases durch die Wassergasreaktion aufgewertet wird.

Wenn bei der Vergasung von beispielsweise chlorhaltigen Betriebs­ stoffen die Gefahr des Entstehens von Dioxinen verhindert werden muß, kann im Schwelgaswandler bei Temperaturen von bis zu 1500°C gecrackt werden. Die Frischluftzufuhr für den Schwel­ gaswandler wird durch einen Thermostaten so beaufschlagt, daß die geforderte Temperatur im Koksbett eingehalten wird. Anschließend wird das Generatorgas durch einen Reinigungs­ prozeß wie z. B. waschen, von Staub befreit, gekühlt und zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine zur energetischen Nutzung (Strom und Wärme) verwendet. Bei Verwendung von Betriebsstoffen mit einem Wassergehalt von 15% oder weniger fällt bei dem Gesamtverfahren kein Abwasser an.

Den mir bekannten Anlagen zur Gewinnung von Nutzgas aus Bio­ massen aller Art, Kohle, Kunststoffabfälle und nicht schwer­ metallbelasteten Müll oder dergleichen, haftet der Nachteil an, daß dort nur ein einziger kombinierter Behandlungsablauf statt­ findet und demzufolge Teere, Öle und Phenole im Gas zurück­ bleiben, die beim Einsatz von Wärmekraftmaschinen zu Betriebs­ störungen führen, beispielsweise Motoren verharzen und verkleben.

Durch die beschriebene Anlage wird die Aufgabe gelöst Biomassen aller Art, oder dergleichen, so zu vergasen, daß keine umwelt­ schädigende Einflüsse ausgelöst werden, und ein sauberes Generatorgas entsteht.

Die Anlage besteht aus den in der Zeichnung aufge­ führten Einzelaggregaten.

Zusammenfassend wird die Verfahrensanlage in der Zeichnung "Biomassen - Totalvergasungsanlage" dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Biomassen-Totalvergasungsanlage besteht aus den Hauptaggregaten Schwelgasgenerator 1, Schwelgaswandler 2, Wasch- und Kühlsystem 3 und einer Wärmekraftmaschine 4.

Der Betriebsstoff 5 wird über eine Beschickungsschleuse 6, welche durch die Füllklappe 7 und die Dichtklappe 8 den Schwelgasgenerator 1 von der Außenluft abdichtet, zugeführt. Der Schwelgasgenerator 1 ist aus einem ausgemauerten Schacht 9, einem Rost 10 aus feuerbeständigem Guß, einer Luftverteilerkammer 11 und einem Aschekasten 12, der durch das Wasserbad 13 luftdicht abgeschlossen ist, aufgebaut.

Die zur Entgasung und Veraschung des Betriebsstoffes 5 bei Temperaturen von 350°C bis 1200°C notwendige Luft 14 wird durch einen regelbaren Ventilator 15 mit einer Drossel­ klappe mit Stellgetriebe oder ähnlichem über die Luftzufuhr­ leitung 16 in die Luftverteilerkammer 11 und von dort durch den luftgekühlten Rost 10 in den entzündeten Betriebs­ stoff 5 dosiert. Hierbei wird den Ventilator 15 über die mit einer Unterdruckleitung 17 an den Schwelgasgenerator 1 angeschlossene Ringwaage 18 und Steuerleitung 19 so geregelt, daß im oberen Teil des Generatorschachts 9, wo das Schwelgas 20 mit einer Temperatur von 250°C bis 550°C aus dem Vergasungs­ stoffbett 5 austritt, ein Unterdruck von 1 bis 5mm Wasser­ säule herrscht. Das Schwelgas 20 wird über die Schwelgas­ leitung 21, die so kurz wie möglich gestaltet wird damit nur geringe Energieverluste auftreten, zum Verteiler 22 abgezogen. Die Fackel 23 ist nur beim Anzünden des Betriebsstoffes 5 geöffnet, im normalen Betrieb aber geschlossen.

Die sich auf dem Rost 10 ansammelnde Asche und Schlacke wird durch den im Aschekasten 12 befindlichen, an einer Umlaufkette 24 befestigten Kratzförderer 25 zu den Förder­ schnecken 26 transportiert und ins Wasserbad 13 ausgetragen.

Wenn der Betriebsstoff 5 einen geringeren Wasseranteil als 15% enthält wird das Schwelgas 20 im Verteiler 22 mit dosierten Mengen Wasser angereichert, damit ein optimaler Reaktionsverlauf im Schwelgaswandler 2 gewährleistet ist. Dieses Wasser 27 wird über eine Ermetoleitung 28 mit einer Dosierkolbenpumpe 29 durch eine Sprühdüse 30 mit hohem Druck auf eine Stahlplatte 31 gesprüht, damit ein Wassernebel 32 entsteht, der mit dem Schwelgas 20 dem Schwelgaswandler 2 zugeführt wird.

Der Schwelgaswandler 2 ist aus einem ausgemauerten Schacht 33, einem feuerfesten Rost 34 aus einer keramischen Platte, einer beliebigen Anzahl von radial um den Schacht 33 angeordneten Tuben 35 und einem Aschekasten 36 aufgebaut. Nun wird das Schwelgas-Wassergemisch in einer beliebigen Anzahl von Schwelgaszufuhrleitungen 37 den radial um den Schwelgaswandler 2 angeordneten Mischkammern 38 zugeführt. In diesen Mischkammern 38 findet eine intensive Verwirbelung des Schwelgases 20 mit der durch die Ringleitung 39 einge­ speisten 200°C bis 300°C heißen vorgewärmten Luft 40 statt. Diese Menge Luft 41, die durch einen Luftfilter 42 von einem regelbaren Drehkolbengebläse 43 angesaugt wird, gelangt über die Luftzufuhrleitung 44 in den Luftvorwärmer 45. Diesen verläßt sie mit einer Temperatur von 200°C bis 300°C und strömt in eine Ringleitung 39 ein, wo sie auf die radial um den Schwelgaswandler 2 angeordneten Tuben 35 gleich­ mäßig verteilt wird. Ein Thermoelement 46, welches, durch ein keramisches Mantelschutzrohr geschützt, in die Reaktionszone des Koksbettes 47 hineinragt, ist an einen Thermostaten 48 angeschlossen, welcher das Drehkolbengebläse 43 über eine Steuerleitung mit Frequenzumwandler 49 so regelt, daß in der Reaktionszone des Koksbettes 47 eine Temperatur von 950°C bis 1200°C herrscht.

Das in den Mischkammern 38 gebildete Schwelgas-Luftgemisch wird in der Brennkammer 50 unterstöchiometrisch verbrannt und gelangt über den Rost 34 in das Koksbett 47, welches es mit Temperaturen von 950°C bis 1200°C durchströmt, dabei gecrackt und zu einem teer- und phenolfreien Generatorgas umge­ wandelt wird. Bei chlorhaltigen Betriebsstoffen 5 kann durch die Zufuhr von noch mehr Luft 41 eine Temperatur von bis zu 1500°C erreicht werden. Dies gewährleistet eine sichere Zer­ störung von Dioxinen.

In der Reaktionszone des Koksbettes 47 wird ein Teil des durch das Schwelgas 20 mitgeführten Wassers durch die hier höheren Temperaturen in molekularen Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Diese Wassergasreaktion ist stark endotherm. Bei diesem Vorgang werden bei Einsatz von 1000 kg Betriebsstoff 5 ca. 70 kg Wasser verbraucht. Der Rest wird in Dampfform mit dem Generatorgas 51, welches sich durch den Entzug der bei der Wassergasreaktion benötigten fühlbaren Wärme von Tempera­ turen von 950°C bis 1200°C auf Temperaturen von 550°C bis 750°C abgekühlt, abgesaugt. Dieses Generatorgas-Wasserdampfgemisch wird über die Generatorgasleitung 52 dem Luftvorwärmer 45 zugeführt, wo es einen Teil der in ihm enthaltenen fühlbaren Wärme an die Luft 41 abgibt.

Der für die Crackung und Gasumwandlung notwendige teer- und schwefelarme Koks wird über eine Beschickungsschleuse 53, welche durch die Füllkippe 54 und die Dichtklappe 55 den Schwelgaswandler 2 zur Außenluft abdichtet, gefüllt.

Verbrauchter und verschmutzter Koks wird im Aschekasten 36 durch an einer Umlaufkette 56 befestigten Kratzförderer 57 zu den Förderschnecken 58 transportiert, und in das den Schwel­ gaswandler 2 luftdicht abschließende Wasserbad 59 ausge­ tragen. Der ausgetragene Koks wird nach dem Befreien von Schlacken und Auswaschen von Stäuben wieder getrocknet in den Schwelgas­ wandler 2 eingebracht.

Das mit Kohlestäuben, Ammoniak und Zyanwasserstoff behaftete Generatorgas 51 wird nach dem Luftvorwärmer 45 einem kombi­ niertem Gaswasch-Kühlsystem 3 zugeführt. Dies ist aus einem Wasch- und Kühlturm 60, einem Wassersammelbehälter 61 und einem Filter 62 aufgebaut.

Dort durchströmt das Generatorgas 51 in einem Wasch- und Kühlturm 60 einen, durch in Kaskaden angeordnete Düsen, erzeugten Wassernebel 63, wo es von Verunreinigungen befreit und gesäubert sowie auf etwa 40°C gekühlt wird. Etwa 80 kg Wasser bleiben durch den Dampfdruck des Wassers im nun gereinig­ ten und gekühlten Generatorgas 64 und werden in einer Generator­ gasleitung 74 einer Wärmekraftmaschine 4 zugeführt. Dies bedeutet, daß, wenn im Betriebsstoff 5 nicht mehr als 15% Wasser enthalten sind, im geschlossenen Wasch- und Kühlsystem 3 kein Abwasser abgeführt werden muß. Ebenso sind im Generatorgas 64 noch geringe Mengen Ammoniak vorhanden, die in der Wärmekraft­ maschine 4 verbrennen und die Stickoxidemissionen im Abgas reduzieren.

Das für den Wasch- und Kühlprozeß notwendige Wasser wird durch eine Pumpe 65 in die Leitung 66 zum Wasch- und Kühlturm 60 eingespeist, wo es vernebelt wird, und nach Aufnahme der Verun­ reinigungen aus dem Generatorgas 51 wie Staub, Zyanwasser­ stoff und einem Teil Ammoniak an den Wänden in den Wassersammel­ behälter 61 zurückläuft. Das hier alkalische Wasser fließt über eine Leitung 67 zum Filter 62, wo es ein Sieb 68 durchströmt, welches Stäube und Schlämme zurückhält. Diese Schlämme 69 werden beispielsweise durch eine Förderschnecke 70 komprimiert und ausgetragen. Nach entsprechender Trocknung schleust man diesen Schlammkuchen in den Schwelgasgenerator 1 ein.

Über die Rückführleitung 71 wird das gefilterte Wasser von der Pumpe 65 angesaugt. Die im Wärmetauscher 72, welcher durch die Leitung 73 an den Wasserkreislauf angeschlossen ist, anfallende Wärme kann als Niederwärme beispielsweise zu Heiz­ zwecken verwendet werden.

Das mit Anteilen von Wasserdampf und Ammoniak angereicherte Generatorgas 51 strömt über die Generatorgasleitung 74 in ein Mischteil 75. Über einen Luftfilter 76 wird Luft 77 angesaugt und mit dem Generatorgas 51 verwirbelt und von der Wärmekraftmaschine 4 angesaugt und verbrannt. Dabei verringert der Ammoniak im Generatorgas 51 das bei der Verbrennung bei hohen Temperaturen und Drücken entstehende Stickoxid.

Die Wärmekraftmaschine 4 ist durch eine Welle mit einem Generator 78 verbunden, und dadurch wird an diesen die gewonnene mechanische Energie weitergeleitet. Der Generator 78 erzeugt elektrische Nutzenergie 79. Die in Wärmekraft­ maschinen bei thermodynamischen Kreisprozessen entstehende Wärme wird über eine Leitung 80 einem Wärmetauscher 81 zugeführt und als Niederwärme 82 einem Verbraucher zuge­ leitet.

Claims (7)

1. Biomassen-Totalvergasungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der in der ersten Verfahrensstufe bei Temperaturen von 350°C-1200°C entgaste und bis zur Asche abgebrannte Betriebsstoff mechanisch ausgetragen, und das dabei ent­ stehende Schwelgas abgezogen, und in der zweiten Verfahrens­ stufe durch ein glühendes Kohlebett geführt und bei Tempera­ turen von 950°C-1200°C gecrackt wird, um ein teer- und phenolfreies Generatorgas zu erhalten.

2. Wie Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das gecrackte Generatorgas zur Verwendung in Wärmekraftmaschinen aller Art zuvor gereinigt, auch von Staub befreit, sowie gekühlt wird.

3. Wie Anspruch 1 und 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die in der ersten Verfahrensstufe erzeugte Schwelgas­ menge durch die Regelung der Verbrennungsluftmenge bestimmt wird.

4. Wie Anspruch 1 bis 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Verfahrensstufe das Schwelgas mit vor­ gewärmter Luft intensiv verwirbelt und unterstöchiometrisch verbrannt, dann durch ein glühendes Kohlebett geleitet und gecrackt wird, und der Heizwert des Gases, auch durch Zugabe von dosierten Mengen Wasserdampf, wenn die im Betriebsstoff enthaltene Wassermenge zu gering ist (kleiner als 15%) um einen optimalen Reaktionsverlauf aufrecht zu erhalten, erhöht wird. Zum Beispiel sind zur Totalvergasung von Kohle 0,3 kg-0,6 kg zusätzliches Wasser pro kg Kohle notwendig.

5. Wie Anspruch 1 bis 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Verfahrensstufe herrschenden Tempera­ turen von 950°C bis 1200°C, bei problematischen wie zum Beispiel chlorhaltigen Betriebsstoffen bis 1500°C, mit der Zuführung der vorgewärmten dosierten Luft ge­ regelt wird.

6. Wie Anspruch 1 bis 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Reingas nach der zweiten Verfahrensstufe einem Wasch- und Kühlsystem zugeführt wird und die dort gewonnene fühlbare Wärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für die zweite Verfahrensstufe genützt wird.

7. Wie Anspruch 1 bis 6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der im Reingas nach dem Wäscher mitgeführte Ammoniak zur Verringerung der Stickoxidemissionen im Abgas der Wärmekraftmaschine genützt wird.