DE3920968A1 - Verfahren zur herstellung eines gasfoermigen brennstoffs fuer gasmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen Brennstoffs für Gas- oder Gas-Öl-Motoren, bei dem kohlenstoffhaltiges Material mit Luft oder Sauerstoff angereicherter Luft bei 750 bis 1100°C und 1 bis 3 bar in einer Wirbelschicht vergast wird und bei dem anschließend eine Entstaubung sowie eine Abkühlung des Gases erfolgt.

Bei der Vergasung wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff mit Sauerstoff und dem im Brennstoff enthaltenen Wasser zur Reaktion gebracht, wobei als Reaktionsprodukte CO und H₂ angestrebt werden. Dies bedeutet, daß der Sauerstoff nur in einer solchen Menge vorhanden ist, daß er bereits bei der Bildung von CO verbraucht wird. Als kohlenstoffhaltiges Material können verschiedene Kohlearten oder Biomasse (z.B. Holzabfälle) verwendet werden. Das bei der Vergasung erzeugte Gas hat je nach Rohstoffbeschaffenheit folgende Zusammensetzung: 10 bis 25 Vol.% H₂, 10 bis 25 Vol.% CO, 10 bis 20 Vol.% CO₂, 2 bis 6 Vol.% CH₄, 0,1 bis 1 Vol.% Kohlenwasserstoffe, 5 bis 15 Vol.% H₂O und Rest N₂. Das in der Wirbelschicht erzeugte Gas hat einen Staubgehalt von 10 bis 100 g/Nm³ und einen Wasser-Taupunkt von <40°C. Die Wirbelschichttechnologie ist in Ullmann′s Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 3, Seiten 433-460 und 480-493, ausführlich erläutert.

Es ist bereits versucht worden, das durch Vergasung in der Wirbelschicht erzeugte Gas als Brennstoff für Gas- oder Gas-Öl-Motoren zu verwenden, da sich insbesondere in der zirkulierenden Wirbelschicht auch minderwertige Brennstoffe kostengünstig vergasen lassen. Diese Versuche sind aber daran gescheitert, daß das Gas einen sehr hohen Staubgehalt und einen hohen Gehalt an kondensierbaren Flüssigkeiten (Wasser und Kohlenwasserstoffe) enthält.

Wird das in der Wirbelschicht erzeugte Gas in einem Zyklon entstaubt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt, fallen hierbei nämlich neben dem Staub auch feststoffhaltige flüssige Kondensate an, die Wasser und flüssige Kohlenwasserstoffe enthalten. Diese Kondensate lassen sich nur sehr schwer schadlos beseitigen, und außerdem ist die Kondensat- und Staubabscheidung aus dem Gas nicht quantitativ, so daß dem Gas- und Gas-Öl-Motor ein aerosolhaltiger gasförmiger Brennstoff zugeführt werden muß, wodurch erhebliche Probleme entstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein gasförmiger Brennstoff mit einem Staubgehalt von <10 mg/Nm³ erzeugt wird, ohne daß dabei flüssige Kondensate anfallen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das in der Wirbelschicht erzeugte staubhaltige Gas zunächst in mindestens einem Zyklon grobentstaubt, dann auf 250 bis 600°C abgekühlt, danach mit einem Filter auf einen Staubgehalt <10 mg/Nm³ feinentstaubt und schließlich auf 70 bis 100°C abgekühlt wird. Das so behandelte Gas kann dem Motor direkt zugeführt werden, denn es enthält keine Aerosole und weder in den Zuführleitungen noch im Motor scheiden sich Kondensate bzw. Feststoffe ab. Die Verbrennung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gases erfolgt im Motor quantitativ, so daß die den Motor verlassenden Abgase weitgehend schadstofffrei sind. Die nach der Erfindung vorgesehene Grobentstaubung des die zirkulierende Wirbelschicht verlassenden heißen Gases verläuft störungsfrei, da die Gastemperatur im Zyklon immer über 400°C liegt und daher eine Kondensation der flüssigen Inhaltstoffe des Gases nicht beginnen kann. Durch die erfindungsgemäße anschließende Kühlung des Gases auf 250 bis 600°C wird eine Kondensatbildung ebenfalls ausgeschlossen, so daß das Gas einem engmaschigen oder feinporigen Filter zugeführt werden kann, mit dem eine Feinentstaubung auf einen Staubgehalt von <10 mg/Nm³ erreicht wird. Das feinentstaubte Gas wird schließlich auf eine Temperatur von 70 bis 100°C abgekühlt, denn hierbei bleiben die unter Normalbedingungen flüssigen Bestandteile im gasförmigen Zustand, und es kommt nicht zur Bildung von Aerosolen. Das feinentstaubte Gas kann daher dem Motor mit einer Temperatur von 70 bis 100°C zugeführt werden. Es ist das Verdienst der Erfindung, erkannt zu haben, daß ein in der Wirbelschicht erzeugter gasförmiger Brennstoff einem Gas- oder Gas-Öl-Motor dann problemlos zugeführt werden kann, wenn die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen Maßnahmen durchgeführt werden.

Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß als Filter für die Feinentstaubung ein Schlauchfilter aus einem Metallgewebe oder einer gelochten Metallfolie oder ein Kerzenfilter aus keramischem Material verwendet wird. Beide an sich bekannten Filter haben sich im Langzeitbetrieb bewährt. Filter der genannten Art sind beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen P 30 25 126.4, P 31 34 148.5 und P 36 34 360.9 beschrieben.

Schließlich ist nach der Erfindung vorgesehen, daß zur Kühlung des grobentstaubten Gases auf eine Temperatur von 250 bis 600°C ein Rauchrohr- oder U-Rohr-Kühler verwendet wird. Beide an sich bekannten Kühler arbeiten betriebssicher und haben einen hohen Wirkungsgrad. Bei einem Rauchrohrkühler sind mehrere Rauchrohre von einem Kühlmantel umschlossen. Während durch die Rauchrohre das zu kühlende Gas geführt wird, ist der Kühlmantel von kalter Luft durchflossen, die sich an den Rauchrohren erwärmt. Beim U-Rohr-Kühler sind mehrere U-förmige Rohre von einem Mantel umschlossen. Während durch den Mantel das zu kühlende Gas geführt wird, gelangt in die U-Rohre kalte Luft, die sich während des Durchgangs durch die U-Rohre erwärmt.

Die Kühlung des feinentstaubten Gases auf eine Temperatur von 70 bis 100°C wird in einem Wärmeaustauscher durchgeführt, wobei als Kühlmedium Wasser oder Luft eingesetzt werden kann. Die Gas- oder Gas-Öl-Motoren, denen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelle Brennstoff zugeführt wird, können zur Erzeugung elektrischer Energie oder mechanischer Arbeit eingesetzt werden und haben eine thermische Leistung von 100 kW bis 5 mW.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Aus dem Vorratsbunker 1 werden pro Stunde 1000 kg zerkleinerte Holzrinde über die Leitung 2 in den Trommeltrockner 3 gefördert. Die Holzrinde besteht aus 15 Gew.% Wasser und 85 Gew.% Trockensubstanz, wobei die Trockensubstanz der Holzrinde folgende Zusammensetzung hat: 50,6 Gew.% C, 5,9 Gew.% H, 40,2 Gew.% O, 0,5 Gew.% N und 2,8 Gew.% Asche. Im Trommeltrockner 3 verdampft der Wassergehalt der Holzrinde weitgehend, so daß dem Reaktor 5 über die Leitung 4 nahezu trockene Holzrinde zugeführt wird. Der im Trommeltrockner 3 anfallende Wasserdampf, der nur mit einer sehr geringen Menge organischer Verbindungen verunreinigt ist, wird über die Leitung 15 in die Atmosphäre entlassen, wobei der Wasserdampf, der mit dem zur Trocknung verwendeten Verbrennungsabgas gemischt ist, im Bedarfsfall noch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes, mit Aktivkohle gefülltes Geruchsfilter passiert.

Über die Leitung 12 werden dem Kompressor 13 1022 Nm³ Luft/h zugeführt, die unter Erwärmung auf 70°C auf einen Druck von 1,4 bar verdichtet werden. Die verdichtete Luft gelangt über die Leitung 11 in den Wärmeaustauscher 10, wo sie auf eine Temperatur von 550°C aufgeheizt wird. Anschließend gelangt die aufgeheizte Luft über die Leitung 14 in den Reaktor 5, wo sie zur Fluidisierung und zur Vergasung des Brennstoffs verwendet wird. Die Vergasung des Brennstoffs erfolgt bei Temperaturen zwischen 750 und 1100°C in der Wirbelschicht, wobei insbesondere der Zustand einer zirkulierenden Wirbelschicht bevorzugt ist, da der Brennstoff hierbei optimal und störungsfrei vergast wird.

Das aus dem Reaktor 5 austretende Gas gelangt über die Leitung 6 in den Zyklon 7, wo eine Grobentstaubung erfolgt. Aus dem Zyklon 7 wird die feinkörnige Asche über die Leitung 8 abgezogen und in den Reaktor 5 zurückgeführt, wo sie als Wärmeträger dient. Überschüssige Asche wird aus dem Reaktor 5 über die Leitung 26 abgezogen und auf eine Deponie verbracht.

Das aus dem Zyklon 7 austretende, grobentstaubte Gas besteht aus 19,8 Vol.% CO, 18,5 Vol.% H₂, 11,2 Vol.% CO₂, 2,6 Vol.% CH₄, 0,8 Vol.% Kohlenwasserstoffe, 38,2 Vol.% N₂ und 8,9 Vol.% H₂O. Das Gas enthält keinen Sauerstoff, hat eine Temperatur von 750°C, einen Druck von 1,12 bar sowie einen Heizwert von 6730 kJ/Nm³ und ist mit 10 g Staub/Nm³ verunreinigt. Pro Stunde fallen 2100 Nm³ dieses Gases an, das über die Leitung 9 in den Wärmeaustauscher 10 gelangt, wo es die zur Vergasung verwendete Luft aufheizt und sich auf eine Temperatur von 575°C abkühlt.

Das abgekühlte Gas wird in der Leitung 16 geführt, aus der ein Teilstrom von 480 Nm³/h über die Leitung 17 in die Brennkammer 18 gelangt, wo der Teilstrom mit Luft verbrannt wird. Die Verbrennungsabgase werden in den Trommeltrockner 3 geführt und verlassen diesen über die Leitung 15 zusammen mit dem aus der Holzrinde freigesetzten Wasserdampf. Das in der Leitung 16 geführte restliche Gas wird dem Schlauchfilter 19 aufgegeben, in dem pro Stunde 20 kg Staub anfallen, die über die Leitung 20 in den Reaktor 5 gelangen. Der Staub aus dem Schlauchfilter 19 kann aber auch nach Abkühlung in einer Kühlschnecke ausgeschleust werden. Das Schlauchfilter 19 wird bei einer Temperatur von 200 bis 550°C betrieben und enthält mehrere Filterschläuche, die insgesamt eine Filterfläche von ca. 100 m² haben. Das Schlauchfilter 19 wird durch Einblasen von Luft oder Dampf abgereinigt, wobei die Spülmedien eine Temperatur von 150 bis 200°C sowie einen Druck von 6 bis 7 bar haben. Das aus dem Schlauchfilter 19 austretende entstaubte Gas hat einen Staubgehalt von <10 mg/Nm³ und einen Druck von 1,01 bar. Das entstaubte Gas gelangt über die Leitung 21 in den Wärmeaustauscher 22 und anschließend über die Leitung 23 in den Gasmotor 24, wo es mit 3600 Nm³ Luft verbrannt wird. Hierbei entstehen 1100 kWh und 5400 Nm³ Abgas, das aus 14,4 Vol.% CO₂, 66,8 Vol.% N₂, 4,2 Vol.% O₂ und 14,6 Vol.% H₂O zusammengesetzt ist. Das Abgas wird über die Leitung 25 in die Atmosphäre entlassen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen Brennstoffs für Gas- oder Gas-Öl-Motoren, bei dem kohlenstoffhaltiges Material mit Luft oder Sauerstoff angereicherter Luft bei 750 bis 1100°C und 1 bis 3 bar in einer Wirbelschicht vergast wird und bei dem anschließend eine Entstaubung sowie eine Abkühlung des Gases erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das staubhaltige Gas zunächst in mindestens einem Zyklon grobentstaubt, dann auf 250 bis 600°C abgekühlt, danach mit einem Filter auf einen Staubgehalt <10 mg/Nm³ feinentstaubt und schließlich auf 70 bis 100°C abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter für die Feinentstaubung ein Schlauchfilter aus einem Metallgewebe oder einer gelochten Metallfolie verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter für die Feinentstaubung ein Kerzenfilter aus einem keramischen Material verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des grobentstaubten Gases auf eine Temperatur von 250 bis 600°C ein Rauchrohrkühler verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des grobentstaubten Gases auf eine Temperatur von 250 bis 600°C ein U-Rohr-Kühler verwendet wird.