EP2862914B1

EP2862914B1 - Regelungsverfahren zum Betrieb eines Schwebebettvergasers und Schwebebettreaktor

Info

Publication number: EP2862914B1
Application number: EP14189101.0A
Authority: EP
Inventors: Georg Kreutner
Original assignee: Syncraft Engineering GmbH
Current assignee: SYNCRAFT ENGINEERING GmbH
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2025-05-14
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: EP2862914A1; EP2862914C0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zum Betrieb eines Schwebebettvergasers und eine dementsprechend ausgebildete Vorrichtung in Form eines Schwebebettreaktors.
GB 673 648 A betrifft die Vergasung von pulverförmigem kohlenstoffhaltigem Material.
EP 1 666 567 A1 beschreibt einen Vergasungsreaktor mit kegelstumpfförmigem und zylindrischem Abschnitt sowie Mitteln zur gezielten Gaszufuhr.
EP 1 201 731 A1 offenbart ein Verfahren zur Vergasung mit Staubabscheidung und optimierter Prozessführung.
WO 2005/040439 A1 betrifft eine Vorrichtung aus nickelbasierter Legierung für korrosive Hochtemperaturanwendungen.
DE 36 17 802 A1 beschreibt ein Verfahren zur Auflockerung von Feststoffen in einer Rückführleitung eines Vergasungsreaktors.
Aus der DE 10 2007 012 452 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung organischer Stoffe in einem Schwebebett bekannt. Die Schwebebettvergasung beschreibt ein gestuftes Vergasungsverfahren, bei dem nach erfolgter Pyrolyse bzw. Verkohlung eines kohlenstoffhaltigen Materials eine möglichst vollständige Vergasung des erzeugten Koks zusammen mit einem Pyrolysegas in einem Schwebebettreaktor in ein sog. Produktgas erfolgt. Dieser Schwebebettreaktor umfasst einen an einen Einlass anschließenden und sich kegelstumpfförmig weitenden Bereich, der in einen endseitig mit einem Auslass versehenen Zylinderabschnitt übergeht. Dieser Körper beinhaltet ein im Zustrom eines Vergasungsmittels in der Schwebe gehaltenes Festbett, das aus Koks des vorangegangenen Pyrolyseprozesses gebildet wird. Dieser Koks wird durch eine entsprechende Einbringung und Dosierung eines Vergasungsmittels, wie z.B. Luft, in einer erhöhten Position in Schwebe gehalten und kontinuierlich in ein Produktgas umgesetzt bzw. vergast.
In einem Gleichgewichtsbetrieb eines Schwebebetts wird genau so viel Vergasungsmittel eingebracht, dass die Menge an Koks im Schwebebettreaktor konstant gehalten wird. Abbau durch eine kontinuierliche Umsetzung von Koks in Produktgas und Zugang von neuen Bio-Koks-Stücken halten sich also die Waage. Aufgrund einer i.d.R. inhomogenen Zusammensetzung der zugeführten Biomasse, aber auch aufgrund von Messtoleranzen bei der Biomassebeschickung und Vergasungsmitteldosierung ist dieser Gleichgewichtsbetrieb praktisch aber nicht konstant über eine lange Zeit zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Aus diesem Grund muss das Schwebebett intermittierend in einem Aufbau- und Abbaubetrieb gefahren werden. Dieser Auf- und Abbau wird jeweils über die Mengenänderung der Vergasungsmitteldosierung gesteuert und über eine Füllstandsmessung im Vergaser überwacht. Diese Änderungen sind innerhalb des laufenden Verfahrens aber nicht ohne eine nahezu ständige Überwachung und Eingriffe von geschultem Überwachungspersonal möglich. Unter Bezugnahme auf Figuren der beigefügten Zeichnung sollen nun die Vorgänge während des Aufbau- und Abbaubetriebs in einem bekannten Schwebebettvergaser kurz dargestellt werden:

Beschreibung des Aufbaubetriebs:

Während des Aufbaubetriebs gelangt mehr Koks in den Schwebebettreaktor, als jeweils aktuell abgebaut wird. Wie in der Abbildung von Figur 3 der beiliegenden Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet steigt damit die Menge an Vergasungskoks im Reaktor an. Ein Bereich im Schwebebettreaktor, in Figur 3 durch einen enge Schraffur gekennzeichnet, wird dadurch ständig durch frisches Material ersetzt, wobei überschüssiges Material aus dieser Zone nach oben hin in das Schwebebett eingebaut wird. Der Füllstand im Reaktor steigt also immer weiter an, wie durch die weitere Schraffur und den Pfeil angedeutet. Um ein Überlaufen des Schwebebettreaktors zu verhindern, ist an seinem oberen Ende durch einen Sensor eine Füllstandsmessung vorgesehen.

Beschreibung des Abbaubetriebs:

Während des Abbaubetriebs gelangt weniger Koks in den Schwebebettreaktor, als abgebaut wird, siehe Figur 4. Das wird durch Beschränkung des Kokseintrags und/oder Erhöhung des Einsatzes von Vergasungsmittel erreicht. In jedem Fall sinkt die Menge an Vergasungskoks im Reaktor und damit die Schichtmächtigkeit des Schwebebetts immer weiter ab. Die durch enge Schraffur gekennzeichnete Schicht eines fortlaufenden Abbaus der Schwebeschicht wird im Schwebebettreaktor dadurch i.d.R. von unten her reduziert. Innerhalb der in dem Schwebebettreaktor in der Schwebe gehaltenen Koksteilchen bildet sich jedoch auch eine charakteristische Korngrößen-Verteilung der Teilchen aus: Von unten her neu eintretende Teilen sind in der Regel viel größer, als Teilchen am oberen Ende des Schwebebetts. Nimmt im Zuge des Abbaubetriebs die gesamt Mächtigkeit des Schwebebetts von unten her ab, werden also vor allem Koksteilen mit größerem Korndurchmesser in Koksteilchen mit kleinerem Korndurchmesser umgewandelt. Und damit verliert das Schwebebett fortschreitend an Schüttungsporosität und Durchlässigkeit für das produzierte Gas. Diese reduzierte Durchlässigkeit hat einen erhöhten Druckverlust zur Folge, weshalb das Schwebebett insgesamt nach oben wandert, ohne dabei den von oben her als Füllhöhe im Schwebebettreaktor messbaren Füllstand wesentlich zu beeinflussen, da das Bett von unten abgearbeitet wird. Ein derartiger verschobener Bereich ist in Figur 4 als schraffierte zusätzliche Schicht angedeutet.
Erreicht dieser Abbaueffekt ein kritisches Maß, so kollabiert das Schwebebett und geht über in eine Wirbelschicht. Von einem Wirbelschicht-Vergaser sind neben vergleichsweise geringerer Effizienz jedoch noch weitere negative Effekte bekannt, z.B. eine damit einhergehende Verschmutzung der dem Reaktor nachgeschalteter Komponenten durch anhaftende organische Rest-Abbauprodukte, insbesondere in der Wirbelschicht gebildetes Teer. Bleibt diese Instabilität nun über eine gewisse Zeit aufrechterhalten, so ist diese auch durch das Umschalten auf einen neuerlichen Aufbaumodus nicht mehr umkehrbar. Das Schwebebett muss unter hoher Stillstandszeit des Reaktors neu aufgebaut werden.
Ein Zeitpunkt für eine Umschaltung von einem Aufbau- in einen Abbaubetrieb ist also grundsätzlich leichter erkennbar und mit weniger schwerwiegenden Konsequenzen verbunden, als eine Beendigung eines Abbaubetriebs. Im Rahmen eines möglichst effizienten Langzeitbetriebs sind aber Umschaltungen in beide Richtungen erforderlich. Aktuell werden die jeweils erforderlichen Entscheidungen i.d.R. durch besonders geschultes Überwachungs- und Fachpersonal getroffen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelungsverfahren und eine dementsprechend ausgebildete Vorrichtung zum Betrieb eines Schwebebettvergasers zu schaffen, das einen zuverlässigen und sicheren Langzeitbetrieb einer vorstehend beschriebenen Anlage bei deutlich reduzierten Anforderungen an Überwachung und geschulte Eingriffe von Überwachungspersonal sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein möglichst dauerhaft stabiler Betrieb eines vorstehend beschriebenen SchwebebettReaktors einen Betrieb im Aufbaumodus voraussetzt. Hier wird durch Zugabe von Vergasungsmittel ein hoher Materialumsatz bei hoher Gasausbeute erzielt. Um nun aber kein immer weiteres Ansteigen einer Mächtigkeit des Schwebebetts zu bewirken, muss gezielt auch für einen Abbau des Schwebebetts gesorgt werden. Um aber eine Effizienzminderung des Vergasungsprozesses oder gar ein Kollabieren des Schwebebetts bzw. irreversibles Umkippen in eine Wirbelschicht-Vergasung zu verhindern, wird also im Gegensatz zu einer bekannten Regelung kein Eingriff am Reaktor-Eingang durch Beschränkung des Kokseintrags und/oder Erhöhung des Einsatzes von Vergasungsmittel vorgenommen. Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass für einen gezielten Abbau des Schwebebetts zusätzlich Vergasungsmittel direkt in das Schwebebett eingebracht werden kann, was zudem gut regelbar ist.
Demnach zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass eine tragende Schicht des Schwebebetts in dem Schwebebettreaktor ständig in einem Aufbaumodus betrieben und dazu zeitlich überlappend ein Abbau des Schwebebetts durch Einbringen von zusätzlichem Vergasungsmittel durchgeführt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. Basis einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Einführung einer Unterscheidung in einen sog. "tragenden" Teil des Schwebebetts und einen "nicht-tragenden" Teil des Schwebebetts oder entsprechende Schichten, die bereichsweise einen ineinander fließenden Übergang aufweisen. Die tragende Schicht des Schwebebetts ist gekennzeichnet durch ständigen Material-Zuwachs an neuem und damit vergleichsweise grobkörnigem Bio-Koks, während die nicht-tragende Schicht überwiegend aus kleinkörnigen, weitgehend umgesetzten Koks-Körnern besteht.
Gemäß der Erfindung wird während eines im Aufbaumodus befindlichen Betriebs der Vorrichtung zusätzliches Vergasungsmittel in die nicht-tragende Schicht des Schwebebetts eingebracht. Erfindungsgemäß findet dieser Vorgang unter Verwendung mindestens einer Düse oder Lanze statt. In einer Weiterbildung der Erfindung werden Lanzen verwendet, die mit dem zusätzlichen positiven Effekt der deutlichen Minimierung einer an einer benachbarten Wandung des Reaktors während der Eindüsung auftretenden lokalen Erwärmung um eine Länge von ca. 10 cm bis vorzugsweise mehr als 20 cm in einen zylindrischen Teil des Reaktors hinein ragen, wobei der Durchmessers eines Reaktors in diesem Bereich z.B. bei ca. 1,5 m und mehr liegen kann.
Besonders vorteilhafter Weise sind diese Lanzen im Betrieb von einer Koks-Schüttung bzw. Dicke der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts überdeckt, die ausreichend ist, um eine möglichst vollständige Umsetzung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels in Produktgas zu gewährleisten. Die Temperaturen in diesem Bereich des Reaktors liegen auch ohne zusätzliche Eindüsung bereits bei rund 600°C, also oberhalb der Selbstzündungstemperatur des Koks. Wird an dieser Stelle somit zusätzlich Vergasungsmittel eingedüst, so reagiert das Vergasungsmittel umgehend mit dem Koks und vergast diesen. Die Eindüsung muss demnach innerhalb des Schwebebetts und damit direkt in den Koks hinein erfolgen. Die Schüttung oberhalb der Eindüsung muss aber noch derart hoch sein, dass eine weitgehende bis möglichst vollständige Umsetzung des eingebrachten Vergasungsmittels gewährleistet ist, um eine Umsetzung des Vergasungsmittels mit Produktgas und mithin eine Effizienzminderung zu verhindern und den Ausstoß der Anlage an Produktgas effektiv zu erhöhen. Diese Parameter können z.B. im Zuge eines Lernprozesses in einer jeweiligen Anlage im Zuge der Erstinbetriebnahme ermittelt und eingestellt werden.
Es wird bevorzugt eine Aufteilung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels auf zwei bis ca. 15 Lanzen, vorzugsweise etwa sechs Lanzen verwendet, die in einer Ausführungsform der Erfindung über eine kreisförmige Querschnittsebene äquidistant verteilt angeordnet sind. Die Lanzen werden vorteilhafter Weise einzeln und insbesondere in zeitlichen Intervallen zur Eindüsung des zusätzlichen Vergasungsmittels in die nicht-tragende Schicht des Schwebebetts verwendet. Hierdurch wird ein lokal begrenzter übergroßer Abbau der nichttragenden Schicht des Schwebebetts verhindert und zudem auch eine jeweilige lokale Erhitzung innerhalb der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts begrenzt. Besonders bevorzugt werden direkt benachbarte Lanzen im Zuge eines fortlaufenden Wechsels der Eindüsung des zusätzlichen Vergasungsmittels quasi übersprungen, um bei möglichst gleichmäßigem bzw. ebenmäßigem Abbau der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts ein direktes Angrenzen lokaler Überhitzungen zu unterbinden. Bei homogenisierter Verteilung eines zusätzlichen Abbaus der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts erzielt ein im Wesentlichen konstanter Eintrag von zusätzlichen Vergasungsmittel einen gleichbleibenden zusätzlichen Ertrag an Produktgas.
Aufgrund des ständigen Schwebebettaufbaus in der tragenden Schicht kann der Reaktor, bezogen auf die jeweils verarbeitete bzw. eingebrachte Biomasse, bei maximaler Leistung betrieben werden, da eine maximale Durchlässigkeit der Schwebeschicht für Produktgas durchgehend gewährleistet ist. Durch ein vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren wird neben einer Stabilisierung eines Dauerbetriebes eine effektive Leistung der Gesamtanlage gesteigert.
Durch den ständigen Aufbau der tragenden Schicht bleibt die Gasdurchlässigkeit der tragenden Schicht weitgehend konstant bei hohen Werten erhalten. Instabilitäten der Schüttung bis hin zu einem Übergang zur Wirbelschicht werden, vor allem während des nun vorgestellten Bettabbaus, weitgehend unterbunden. Zudem bewirkt die Eindüsung des zusätzlichen Vergasungsmittels durch den gezielten Abbau im Bereich der nicht-tragenden Schicht eine Erhöhung der Umsetzung kleinkörniger Koks-Partikel in Produktgas. Damit werden die Gasausbeute und damit die Gesamtleistung der Anlage bei geringer baulicher Anpassung also noch erhöht.
Der wesentliche Parameter bei der Vergasung von Biomasse ist der Lambdawert bzw. das Luftverhältnis, welcher bei Vergasungsanlagen üblicherweise im Bereich von etwa 0,3 und etwa 0,4 liegt. Der Lambdawert ist dabei abhängig von dem eingesetzten Vergasungsmittel, für das Luft, Sauerstoff, Dampf oder gar Wassernebel eingesetzt werden können. In einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden entsprechende Anlagen in einem Lambdafenster von ca. 0,31 bis etwa 0,36 betrieben, wobei der Lambdawert von ca. 0,31 einen klassischer Aufbaubetrieb und der Lambdawert von ca. 0,36 einen klassischer Abbaubetrieb kennzeichnet. In einem Regelbetrieb mit der zusätzlichen Eindüsung von Vergasungsmittel wird der Lambdawert unterhalb des Schwebebetts, also am Reaktor-Eingang, konstant bei etwa 0,31 gehalten. Die zusätzliche Eindüsung von Vergasungsmittel in der nicht-tragenden Schicht wird im Zuge der Regelung in einem Lambdafenster von ca. 0,00 - ca. 0,05 variiert.
Wann in einem Schwebebettreaktor, genauer gesagt in dessen nichttragender Schicht durch geregeltes Einleiten zusätzlichen Vergasungsmittels, zwischen Auf- und Abbau hin und her geschaltet wird, wird auf Basis einer Füllstandsmessung im Schwebebettreaktor entschieden. Hierzu ist ein Sensor bzw. Füllstandssensor vorgesehen. Diese Füllstandsmessung erfolgt vorzugsweise über einen Radarsensor, einen oder mehrere Drehflügelschalter oder über eine Kombination aus einem Radarsensor und mindestens einen Drehflügelschalter. Erreicht der Füllstand ein gewisses Niveau, so kann nach Blockieren des Drehflügelschalters als unabhängige Bestätigung einer Messung des Radarsensors auf einen insbesondere geregelten Abbau des Schwebebetts im nicht-tragenden Teil umgeschaltet werden. Dabei sind im Schwebebettreaktor vorzugsweise mindestens zwei auf unterschiedlichen Höhen im Bereich der nicht tragenden Schicht eingerichtete Drehflügelschalter zur Mittelung von Signalen für eine Regelung des Füllstandes vorgesehen.
Für die Dimensionierung einer idealen Schüttungshöhe oberhalb der Lanzen gibt es diverse Möglichkeiten, die auch von der Gestaltung, einer jeweiligen Anzahl der Lanzen sowie von den Abmessungen und der Leistungsklasse des Reaktors abhängig sind. Die Ausführung muss derart erfolgen, dass eine weitgehende Umsetzung des eingebrachten Vergasungsmittels gewährleistet wird. Eine Eindüsung oberhalb des Schwebebetts würde nämlich lediglich zu einer Teilverbrennung des Produktgases führen, ohne die erwünschten zusätzlich ablaufenden Vergasungsreaktionen in der Koksfüllung. Sämtliche relevanten Vergasungsreaktionen benötigen nämlich die Anwesenheit von festem Kohlenstoff, der hier in Form der Kokskörner der nicht-tragenden Schicht vorliegen, aber aufgrund der Strömungsrichtung des Produktgases durch das zusätzlich eingedüste Vergasungsmittel nicht erreicht werden können.
Aufgrund des direkten Kontakts von Vergasungsmittel mit Koks kann es im Bereich der Eindüsung lokal zu Temperaturen größer 1000°C und damit, je nach eingesetzter Biomasse, zu örtlichen Verschlackungen kommen. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, kann je nach eingesetzter Biomasse, eine Temperatursenkung durch Zugabe von z.B. Wasserdampf, Wassernebel, mit Wasser angereichtem Vergasungsmittel oder aber auch durch die Rückführung von reaktionstemperaturmindernden, ggf. auch inerten Gasen, wie zum Beispiel Abgas aus dem Gasmotor oder bereits produziertes Produktgas durch die Lanzen in die Schüttung hinein erfolgen. Eine Beimischung zu dem Vergasungsmittel ist dabei nicht zwingend erforderlich, aber zumindest mit Blick auf eine Temperaturbegrenzung vorteilhaft.
Eine zweite Möglichkeit stellt die intermittierende Taktung der über die Lanzen bewirkten Eindüsung dar, die alternativ oder zusätzlich zu einer vorstehenden ausgeführten lokalen Temperaturabsenkung insbesondere durch Beimischungen eingesetzt werden kann. Weiter stellt auch eine räumliche und/oder zeitliche Diversifizierung der Eindüsung eine Möglichkeit zur lokalen Begrenzung einer Erhitzung dar. Dabei wird eine Lanze nur eine kurze Zeit betrieben und dann auf die nächste Lanze umgeschaltet, z.B. bei einer gleichmäßigen Anordnung von z.B. sieben Lanzen über den Umfang verteilt. Weiter kann eine räumliche Trennung der lokalen Erhitzungen dadurch erreicht werden, dass jeweils unmittelbar benachbarte Lanzen übersprungen werden, also bei im Wesentlichen gleich bleibender Eindüsungsmenge von einer ersten auf eine dritte Lanze usw. umgeschaltet wird.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einer bekannten Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

Figur 1a:: eine Schnittdarstellung einer Reduktionseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 1b:: ein Temperaturverlauf innerhalb der Reduktionseinheit von Figur 1a;
Figur 1c:: eine Einzelheit aus Figur 1a;
Figur 2:: eine Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Schwebebett-Vergasung von Biomasse;
Figur 3:: eine Skizze zum Aufbau des Schwebebetts in der Reduktionseinheit und
Figur 4:: analog der Darstellung von Figur 3 eine Skizze zum Abbau des Schwebebetts in der Reduktionseinheit.

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente und Verfahrensschritte stets die gleichen Bezeichnungen und Bezugszeichen verwendet.
Die Skizze von Figur 2 zeigt eine aus der DE 10 2007 012 452 A1 , auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird, bekannte Vorrichtung 1 zur Schwebebett-Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Materials bzw. von Biomasse als vollständige Anlage in einer Schnittdarstellung. Hier ist der gesamte Prozessweg von der Zuführung einer Biomasse B in eine Pyrolyseeinheit 2 mit Gasdüsen 3, von dort über eine Oxidationseinheit bzw. Transportstrecke 4 mit Düseneinheit 5 bis zum Austritt eines Produktgases P aus einer Reduktionseinheit 6 mit Düseneinheit 7 zur Einbringung und Dosierung von Vergasungsmittel V im Zusammenhang dargestellt.
Wie durch die gestrichelte Linie in Figur 2 angedeutet wird nachfolgend nur noch auf die Reduktionseinheit 6 als Schwebebettreaktor eingegangen werden: Die Reduktionseinheit 6 umfasst an die Düseneinheit 7 anschließend einen sich ungefähr kegelstumpfförmig weitenden ersten Abschnitt 8, der in einen Zylinderabschnitt 9 mündet, der über einen sich nun kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 10 in einen Auslass 11 für Produktgas P hin ausläuft. Ein normaler Füllgrad der Reduktionseinheit 6 mit einer Schüttung aus Koks-Stückchen in Form einer hier schraffiert dargestellten Schwebeschicht 12 ist in Figur 2 angedeutet.
Eingangs wurden bereits die grundlegend zu unterscheidenden Zustände des Aufbau- und Abbaubetriebs unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Figuren 3 und 4 beschrieben. Auch wenn über einen Füllstandssensor 13 an dem sich nun kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 10 eine ungefähre Füllhöhe der Schwebeschicht 12 in der Reduktionseinheit 6 aus Gründen der Redundanz hier durch eine Kombination aus Radarsensor und mindestens zwei auf unterschiedlichen Höhen im Bereich der nicht tragenden Schicht 16 eingerichteten Drehflügelschalter gemessen wird kann und damit ein Überlaufen während eine Aufbaubetriebes relativ sicher ausgeschlossen werden kann, so birgt jedes Umschalten auf einen Abbaubetrieb über die Düseneinheit zur Einbringung und Dosierung von Vergasungsmittel V in die Reduktionseinheit 6 aufgrund drohender Instabilität der Schwebeschicht 12 zumindest die Eingangs beschriebenen und mit längeren Stillstandszeiten verbundenen Produktions-Risiken. Um ein Regelungsverfahren und eine dementsprechend ausgebildete Vorrichtung zum Betrieb eines Schwebebettvergasers zu schaffen, das einen zuverlässigen und sicheren Langzeitbetrieb einer vorstehend beschriebenen Anlage bei deutlich reduzierten Anforderungen an Überwachung und geschulte Eingriffe von Überwachungspersonal sicherstellt, wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines verbesserten Regelungsverfahrens und eine angepasste Vorrichtung beschrieben. Eine wesentliche Grundlage ist die Erkenntnis, dass das Schwebebett 12 in eine tragende Schicht 15 und eine nicht tragende Schicht 16 unterteilt werden kann. Zwischen diesen Schichten ist ein Übergang in der Regel fließend und kann sich über einen größeren Abschnitt erstrecken. Als gesichert können für diese Schichten 15, 16 aber die in dem Schwebebett von Figur 1a eingezeichneten jeweiligen Bereiche gelten.
Zudem ist von der Anmelderin erkannt worden, dass die nicht tragende Schicht 16 separat gezielt abgebaut werden kann, um eine Mächtigkeit des Schwebebetts 12 zu verringern. Hierzu ist gemäß der Abbildung von Figur 1a vorgesehen, dass zusätzliches Vergasungsmittel Vz in die nicht-tragende Schicht 16 des Schwebebetts 12 in den Schwebebettreaktor bzw. die Reduktionseinheit 6 eingebracht wird.
Parallel hierzu wird die tragende Schicht 15 des Schwebebetts 12 in der Reduktionseinheit 6 durch eine entsprechende Regelung der Düseneinheit 7 ständig in dem Aufbaumodus betrieben. Zeitlich überlappend hierzu wird ein Abbau des Schwebebetts 12 durch Einbringen von zusätzlichem Vergasungsmittel Vz in die nicht-tragende Schicht 16 durchgeführt. So wird bei insgesamt erhöhtem Umsatz des erweiterten Schwebebettreaktors 6 ein Überlaufen bzw. Überfüllen mit Koks-Stückchen vermieden.
Gemäß vorstehender Beschreibung erfolgt gemäß Figur 1a eine Eindüsung von zusätzlichem Vergasungsmittel Vz im oberen Reaktordrittel und idealer Weise in dem zylindrischen Teil 9 des Reaktors 6. Damit erfolgt die Eindüsung in die Koks-Schüttung immer sicher in den nicht tragenden Teil 16 des Schwebebetts 12 hinein.
Die Abbildung von Figur 1b zeigt einen qualitativen Verlauf der Temperatur T über die Höhe des erweiterten Schwebebettreaktors 6. In einem Regelbetrieb mit zusätzlicher Eindüsung von Vergasungsmittel Vz wird unterhalb des Schwebebetts 12 ein Lambdawert bei ca. 0,31 gehalten, wobei die zusätzliche Eindüsung von Vergasungsmittel Vz in der nicht-tragenden Schicht 16 in einem Lambdafenster von ca. 0,00 bis etwa 0,05 variiert wird. Demnach steigt ab der Position der Düseneinheit 7 eine Temperatur T durch das dosierte Einbringung von Vergasungsmittel V sprunghaft auf nahezu konstante Werte von ca. 1.000°C an und sinkt erst mit Erreichen einer Unterkante der sich stetig neu aufbauenden tragenden Schicht 15 deutlich auf Werte größer als ca. 600 °C ab. Über den restlichen Teil des sich ungefähr kegelstumpfförmig weitenden ersten Abschnitts 8 bis in dessen Einmündung in den Zylinderabschnitt 9 sinkt die Temperatur T auf Werte um ca. 600°C ab. Damit ist ein Bereich der nicht tragenden Schicht 16 erreicht, in den zusätzliches Vergasungsmittel Vz eingebracht wird. Die Temperatur T steigt hin fast impulsartig wieder auf Werte von ca. 1.000°C an, um dann über eine kurze Strecke h einer Überdeckung mit Koks bis zum Verlassen der nicht tragenden Schicht 16 wieder auf ca. 600°C abzukühlen.
Figur 1c stellt eine Einzelheit aus Figur 1a mit Details zur Eindüsung zusätzlichen Vergasungsmittels Vz in die nicht tragende Schicht 16 im Bereich des Zylinderabschnitts 9 dar. Demnach ragt ein als Lanze 17 ausgebildetes Rohrstück um eine Länge L von mehr als ungefähr 20 cm und einem Durchmesser d von ca. 25 mm in den einen Durchmesser von mehr als ca. 1,5 m aufweisenden Zylinderabschnitt 9 und damit in den Koks der nicht tragenden Schicht 16 hinein. Wie vorstehend beschrieben liegt die Temperatur T hier immer noch bei ca. 600°C und damit deutlich über einer Selbstentzündungstemperatur von Koks. Das Eindüsen zusätzlichen Vergasungsmittels Vz führt zu einer umgehenden Reaktion und Vergasung des umliegenden Koks. Ein bereits die nicht tragende Schicht 16 mit einer Geschwindigkeit v durchströmendes Produktgas P drängt eine heiße Umsetzungszone 18 in ihre Strömungsrichtung ab. Auch wenn die Umsetzungszone 18 in einem geringen Umkreis unmittelbar an einen Auslass der Lanze 17 anschließend Temperaturen von ca. 1.000 °C erreicht, so verfügt Koks über eine so gute Wärmedämmung, dass ein Abstand L der Umsetzungszone 18 von einer Wandung des Zylinderabschnitts 9 bereits ausreicht, um hier keine wesentliche Erwärmung hervorzurufen.
Da eine Eindüsung oberhalb des Schwebebetts 12 bzw. dessen nicht tragenden Teils 16 lediglich zu einer Teilverbrennung des erwünschten Produktgases P aufgrund des Fehlens festen Kohlenstoffs bzw. Koks ohne nennenswerte zusätzliche Vergasungsreaktionen führen würde, ist auch eine ausreichend mächtige Überdeckungsschicht über der Lanze 17 zu achten. Eine Mächtigkeit h der Überdeckungsschicht ist dann ausreichend, wenn das eingedüste zusätzliche Vergasungsmittel Vz im Wesentlichen vollständig in Produktgas P umgesetzt worden ist. Das ist messtechnisch erfassbar, so dass eine entsprechende Überdeckungshöhe h der Lanzen 17 mit Koks des nicht tragenden Teils 16 des Schwebebetts 12 eingeregelt werden kann.
Eine weitere Regelung betrifft einen möglichst homogenen bzw. ebenen und gleichmäßigen Abbau der nicht tragenden Schicht 16 durch die Eindüsung von zusätzlichem Vergasungsmittel Vz. Hierzu sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht nur die in Figur 1a angedeuteten zwei Lanzen 17, sondern 6 äquidistant am Umfang des Zylinderabschnitts 9 verteil angeordnete Lanzen 17 vorgesehen. Diese Lanzen können grundsätzlich gleichzeitig betrieben werden. Aufgrund der Möglichkeit von hohen, lokalen Temperaturen kann es dadurch aber über längere Zeit gesehen zu Verklumpungen oder Verschlackungen des Koks im Bereich der jeweiligen Umsetzungszonen 18 kommen. Diese Verschlackungen können in weiterer Folge zu einer Beeinträchtigung des Betriebes führen.
Um dem entgegen zu wirken werden die Lanzen 17 zeitlich intermittierend mit einem zusätzlich einzudüsenden Vergasungsmittel Vz beaufschlagt, d.h. es wird von einer aktiv eindüsenden Lanze 17 auf eine nächste umgeschaltet. Zudem liegen aneinander folgend mit zusätzlich einzudüsendem Vergasungsmittel Vz beaufschlagte Lanzen 17 nicht unmittelbar benachbart, so dass sich in der nicht tragenden Schicht 16 keine größeren Bereiche von Anhaftungen oder Koks-Verklumpungen ausbilden können. So können z.B. eine erste, dritte und fünfte Lanze 17 aufeinander folgend oder zeitgleich zusätzliches Vergasungsmittel Vz eindüsen, dem folgen dann nach kurzer Laufzeit des Eindüsungsprozesses die zweite, vierte und sechse Lanze 17 und so fort.
Alternative wird die Temperatur in der Umsetzungszone 18 dadurch herabgesetzt, dass dem zusätzlich eingedüsten Vergasungsmittel Vz Wasserdampf oder gar Wassertröpfen in Form von Nebel zugegeben werden. Dem Fachmann sind neben einer Variation des Lamba-Wertes weitere Möglichkeiten zur Absenkung einer Temperatur in der Umsetzungszone 18 bis hin zu einer Beimischung inerter Abgase aus der thermischen Umsetzung des Produktgases P in das zusätzlich eingedüste Vergasungsmittel Vz bekannt.

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Pyrolyseeinheit
3: Gasdüsen
4: Oxidationseinheit / Transportstrecke / Transporteinheit
5: Düseneinheit
6: Reduktionseinheit / Schwebebettreaktor
7: Düseneinheit zur Einbringung und Dosierung von Vergasungsmittel V in die Reduktionseinheit 6
8: sich ungefähr kegelstumpfförmig weitender erster Abschnitt der Reduktionseinheit 6
9: Zylinderabschnitt der Reduktionseinheit 6
10: sich kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 10 der Reduktionseinheit 6
11: Auslass der Reduktionseinheit 6
12: Schüttung aus Koks-Stückchen in Form einer Schwebeschicht
13: Füllstandssensor
14 15: tragende Schicht
16: nicht tragende Schicht
17: Lanze
18: heiße Umsetzungszone in der nicht tragenden Schicht 16

B: Biomasse
P: Produktgases
d: Durchmesser
h: Mächtigkeit / Höhe der Überschüttung der Lanze 17
L: Länge einer Lanze 17 in der Schwebeschicht 12
V: Vergasungsmittel
Vz: zusätzliches Vergasungsmittel
v: Strömungsgeschwindigkeit des Produktgases P in der nicht tragenden Schicht 16

Claims

Regelungsverfahren zum Betrieb eines Schwebebettvergasers, bei dem verkohlte Biomasse bzw. Koks im Zustrom eines Vergasungsmittels (V) als Bett (12) in der Schwebe gehalten und in ein Produktgas (P) umgewandelt wird,
indem als Vergaser ein Hohlkörper verwendet wird, der einen an einen Einlass mit einer Düseneinheit (7) anschließenden und sich ungefähr kegelstumpfförmig weitenden Bereich (8) umfasst, der in einen endseitig mit einem Auslass (11) versehenen Zylinderabschnitt (9) übergeht,

wobei sich in diesem Hohlkörper ein im Zustrom von Vergasungsmittel (V) in der Schwebe gehaltenes Festbett (12) ausbildet, das aus Koks eines vorangegangenen Pyrolyseprozesses gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine tragende Schicht (15) des in Schwebe gehaltenen Festbetts in dem Schwebebettreaktor (6) mit einer darüber liegenden nicht-tragenden Schicht (16) ständig in einem Aufbaumodus betrieben und dazu zeitlich überlappend ein Abbau des Schwebebetts (12) erfolgt, wobei während des Aufbaumodus zusätzliches Vergasungsmittel (Vz) durch Mittel zum Eindüsen, die in die nicht-tragende Schicht (16) des Schwebebetts (12) hineinragen, eingebracht wird,

wobei das Eindüsen des zusätzlichen Vergasungsmittels (Vz) in Abhängigkeit einer Höhenregelung mit dem Messen des Füllstands im Schwebebettreaktor (6) erfolgt.
Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während eines im Aufbaumodus befindlichen Betriebs des Schwebebettreaktors (6) zusätzliches Vergasungsmittel (Vz) in eine nicht-tragende Schicht (16) des Schwebebetts (12) in den Schwebebettreaktor (6) eingebracht wird.
Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen von zusätzlichem Vergasungsmittel (Vz) unter Verwendung mindestens einer in den Schwebebettreaktor (6) hineinragenden Düse und/oder Lanze (17) vorgenommen wird.
Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzen (17) im Betrieb von einer Koks-Schüttung bzw. einer Dicke (h) der nicht-tragenden Schicht (16) des Schwebebetts (12) überdeckt werden, die ausreichend ist, um eine möglichst vollständige Umsetzung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels (Vz) in ein Produktgas (P) zu gewährleisten.
Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (h) als Parameter im Zuge eines Lernprozesses in einer jeweiligen Anlage im Zuge der Erstinbetriebnahme ermittelt und vorzugsweise anhand einer Feststellung einer möglichst vollständigen Umsetzung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels (Vz) eingestellt wird.
Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzen (17) einzeln und insbesondere in zeitlichen Intervallen zur Eindüsung des zusätzlichen Vergasungsmittels (Vz) in die nicht-tragende Schicht (16) des Schwebebetts (12) verwendet werden.
Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenregelung unter Verwendung eines als Radarsensor, als Drehflügelschalter oder als Kombination aus einem Radarsensor und mindestens einem Drehflügelschalter ausgebildeten Füllstandssensors (13) erfolgt.
Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zusätzlich eingedüsten Vergasungsmittel (Vz) Wasserdampf oder gar Wassertröpfen in Form von Nebel und/oder inerte Abgase aus der thermischen Umsetzung des Produktgases (P) zugegeben werden.
Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Regelbetrieb mit zusätzlicher Eindüsung von Vergasungsmittel (Vz) ein Lambdawert unterhalb des Schwebebetts (12) bei ca. 0,31 gehalten und die zusätzliche Eindüsung von Vergasungsmittel (Vz) in der nichttragenden Schicht (16) in einem Lambdafenster von ca. 0,00 bis etwa 0,05 variiert wird.
Schwebebettreaktor (6), der als Hohlkörper einen an einen Einlass mit einer Düseneinheit (7) anschließenden und sich ungefähr kegelstumpfförmig weitenden Bereich (8) umfasst, der in einen endseitig mit einem Auslass (11) versehenen Zylinderabschnitt (9) übergeht, wobei dieser Hohlkörper ein im Zustrom von Vergasungsmittel (V) in der Schwebe gehaltenes Festbett (12) mit einer tragenden Schicht (15) und einer darüber liegenden nicht-tragenden Schicht (16) beinhaltet, wobei das Bett (12) aus Koks eines vorangegangenen Pyrolyseprozesses gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
an diesem Schwebebettreaktor (6) Mittel zum Eindüsen von zusätzlichem Vergasungsmittel (Vz) vorgesehen sind, die im oberen Reaktordrittel und/oder im Zylinderabschnitt (9) vorgesehen sind, und in den nicht-tragenden Teil (16) des Schwebebetts (12) hineinragen und

für eine Höhenregelung ein Füllstandssensor (13) zum Messen einer Füllhöhe der Schwebeschicht (12) in der Reduktionseinheit (6) vorgesehen ist.
Schwebebettreaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Düsen oder Lanzen (17) ausgebildet sind.
Schwebebettreaktor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in dem zylindrischen Teil (9) des Hohlkörpers des Reaktors (6) angeordnet sind.
Schwebebettreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Rohre sind, die um eine Länge (1) von ca. 10 cm im einen zylindrischen Teil (9) des Reaktors (6) hinein ragen und 2 bis ca. 15 Lanzen (17), vorzugsweise etwa 6 Lanzen (17) vorgesehen sind, die vorzugsweise über eine kreisförmige Querschnittsebene äquidistant verteilt angeordnet sind.
Schwebebettreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandssensor (13) als Radarsensor, als Drehflügelschalter oder als Kombination aus einem Radarsensor und mindestens einem Drehflügelschalter ausgebildet ist.
Schwebebettreaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei auf unterschiedlichen Höhen im Bereich der nicht tragenden Schicht (16) eingerichtete Drehflügelschalter zur Regelung des Füllstandes vorgesehen sind.