EP4606767A1 - Verfahren und vorrichtung zur schadstoffminderung von pflanzenkohle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schadstoffminderung von pflanzenkohle

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EP4606767A1
EP4606767A1 EP24159017.3A EP24159017A EP4606767A1 EP 4606767 A1 EP4606767 A1 EP 4606767A1 EP 24159017 A EP24159017 A EP 24159017A EP 4606767 A1 EP4606767 A1 EP 4606767A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
process chamber
coal
coal particles
pah
Prior art date
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Pending
Application number
EP24159017.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Melchior Joos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Joos Holzgas GmbH
Original Assignee
Joos Holzgas GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Joos Holzgas GmbH filed Critical Joos Holzgas GmbH
Priority to EP24159017.3A priority Critical patent/EP4606767A1/de
Publication of EP4606767A1 publication Critical patent/EP4606767A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • C10L5/44—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin on vegetable substances
    • C10L5/447—Carbonized vegetable substances, e.g. charcoal, or produced by hydrothermal carbonization of biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B49/00—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated
    • C10B49/02—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with hot gases or vapours, e.g. hot gases obtained by partial combustion of the charge
    • C10B49/04—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with hot gases or vapours, e.g. hot gases obtained by partial combustion of the charge while moving the solid material to be treated
    • C10B49/08—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with hot gases or vapours, e.g. hot gases obtained by partial combustion of the charge while moving the solid material to be treated in dispersed form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/02—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of cellulose-containing material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/04—Gasification

Definitions

  • Biochar is approved for agricultural use in many countries (including Austria and Switzerland) as a soil improver and fertilizer carrier, as well as an adjuvant for composting and nutrient fixation in manure. Biochar is also used as a feed additive and food supplement. When used as a soil improver, it is considered to have great potential, among other things, as a means of offsetting carbon dioxide emissions in light of global warming.
  • Biochar has numerous other applications, including as insulation in building construction, in wastewater and drinking water treatment, as an exhaust gas filter, and in the textile industry. Examples of current uses include: Ground biochar is used as the food coloring E 153 without a maximum limit. In medicine, it is used as medicinal charcoal for the treatment of diarrhea. Similar to charcoal, biochar can also be used as activated charcoal.
  • Biochar is also used as an energy source, for example, as a substitute for barbecue charcoal, but it is considered too valuable for this purpose.
  • the carbon dioxide balance is different when biochar is burned than when it is stored in the ground, as carbon dioxide is released during combustion.
  • the invention concerns a device for discharging pollutant-free, fine-grained biochar.
  • Biochar also known as biochar, is produced by pyrolytic carbonization of plant-based raw materials.
  • the heat extracted from the cooling of the system components can be used for other purposes.
  • the biomass used must be subjected to technical drying, as the target moisture content is significantly lower than that achievable through dry storage. Thus, a significant portion of the waste heat is already consumed by this process.
  • biomass gasification uses an additional oxidizing agent, usually air, which is directly combined with the biomass. This produces wood gas or synthesis gas through oxidation and reduction instead of pyrolysis gas.
  • the priority is usually on producing high-quality wood gas/synthesis gas.
  • This gas should be of sufficient purity and quality to be suitable for further use in a heat engine with high mechanical efficiency, such as a gas-Otto combustion engine, or for gas storage for peak-capacity power plants, or, after processing, for feeding into a gas/hydrogen grid or for use in the chemical industry.
  • the initial product of biomass gasification is fine-grained to dust-like coal, known as pyrocoal, with a carbon content of approximately 90%.
  • This coal also has considerable potential, but has so far only been used sporadically and has never been fully exploited.
  • the reason for the limited potential for this coal is its relatively high PAH contamination, which is higher in coal from biomass gasification than in plants designed for pyrolysis due to the nature of the process.
  • temperatures in pyrolysis plants can be controlled and maintained at just over 650°C, they rise significantly above 1000°C during oxidation in a gasifier.
  • high-quality wood gas or synthesis gas is not produced, making these high temperatures part of the process and unavoidable.
  • a short exposure time to this temperature promotes the formation of PAHs, especially in compact gasification systems such as fixed-bed gasifiers.
  • the coal is usually separated in a gas filter consisting of a filter element to which the coal particles adhere.
  • the PAH-containing gas stream must penetrate the coal particles, which further contaminates them.
  • this filter element is usually cleaned or shaken off using counterpressure pulses.
  • the pressure pulses using a - preferably - inert gas, lead to local cooling of the filter unit and thus to increased PAH levels in the coal separated there.
  • Simple and cost-effective filter designs are used, particularly in small plants, which increases the economic efficiency of such plants.
  • the coal-wood gas mixture is cooled before being fed into the filter, which, however, significantly increases the PAH content.
  • the EP 2 639 289 A1 shows already known methods for solving the problem of PAH-contaminated coal or ash mixtures.
  • the device disclosed here aims to reduce the amount of coal, which is no longer appropriate given the potential of coal.
  • the reduction of PAHs also described has proven impractical in practice, and the PAH levels continue to be well above the applicable limits.
  • the problem with the device described here is that the coal is heated insufficiently and unevenly, which is caused by a heating unit that is only indirect.
  • the aim is to create a combustible gas mixture by excluding air, which should have a positive effect on the overall efficiency of the system.
  • the device tries to prioritize energy in the form of heat or combustible gases into the overall system by burning or converting the coal.
  • a heat transfer partition wall enables a material separation of the starting material or material or the reactor interior or the oxidation and reduction zones from the interior of the post-treatment or from the residual material.
  • a constant high temperature is set in the process chamber, e.g., through oxidation, which exceeds the condensation temperature of PAHs and promotes their expulsion and flushing from the wood gas or coal particles. This is usually at least 500°C.
  • temperatures up to 900°C can be set.
  • increasing the temperature above 900°C in the presence of an oxidizing agent can have detrimental effects, as this leads to increased carbon reduction.
  • PAHs are further thermally decomposed in the gas separation zone within the process chamber.
  • PAHs have the property of oxidizing with oxygen at temperatures above 500°C. However, when the carbon particles pass through this zone, they do not burn up, as they only remain there for a short time.
  • the introduced gaseous oxidant typically does not have a controllable temperature, but is introduced at a nearly constant temperature, with the amount of oxidant influencing the oxidation process. If the oxidant is air, a higher air flow rate, especially the oxygen it contains, leads to hotter oxidation and thus a rise in temperature.
  • the gas separation zone is created in the process chamber by oxidation using bypass air as the oxidant.
  • an oxidizing agent preheated to at least approximately 200°C, ideally approximately 500°C, is introduced into the process chamber as a seal gas, usually ambient air, and oxidized with parts of the wood gas.
  • the oxidizing agent can be preheated via a heat exchanger or similar device, or it can also be implemented as part of the reactor's combustion chamber and its discharge device. However, it must be ensured that the target temperature is almost reached at the moment it enters the process chamber.
  • wood gas such as hydrogen, carbon monoxide and methane
  • ignition temperature slightly above 500°C
  • combustion is additionally initiated or promoted by the coal particles, which are hotter at the moment they enter the process chamber.
  • oxidation is used to create the gas separation zone, it must be ensured that sufficient wood gas can enter the process chamber for oxidation.
  • Baffles, guide tubes, or similar devices are advantageous for generating and directing appropriate gas flows.
  • the required temperature of the gas separation zone depends on many factors. Continuous operation shows that at approximately 750°C, coal or coal particles can be removed from the system with PAH concentrations below 1 mg/kg.
  • a heated oxidizing agent usually air, is introduced into the process chamber as a barrier gas.
  • the temperature of the supplied air already has the target temperature for heating and flushing out the PAHs (e.g., 500°C) and thus represents the gas separation zone.
  • the maximum temperature is limited to approximately 600°C, otherwise decomposition of the coal would occur.
  • the preheated air also has the necessary barrier effect between the interior of the biomass gasifier and the coal discharge, so that no PAHs can condense on the coal during cooling, which usually takes place during discharge.
  • This process is particularly suitable when the loading of the wood gas and the coal particles with PAHs is low, and only by preventing the condensation of PAHs on the coal, which usually occurs during discharge from the system, can coal be generated with acceptable PAH quantities.
  • continuous ignition is necessary to maintain combustion of the mixture.
  • This can be achieved by a supporting firing of any kind, a local, externally heated hot surface, a piezo ignition, or something similar to ensure continuous combustion.
  • the process using a cold oxidizer is suitable if the wood gas and the coal particles have only a low loading of PAHs and this process thus contributes to an improvement in generating coal which has acceptable PAH amounts.
  • the gas separation zone is not generated by an externally supplied gas or by oxidation, but by a special design of the process chamber, whereby the gas separation zone can be created in the process chamber itself by heating.
  • a vertical cylinder is particularly suitable, as the height significantly exceeds the diameter, since the carbon particles must travel a particularly long distance through the gas separation zone.
  • the round cross-section of the cylinder also prevents carbon particles from descending into corners or similar areas outside the process area without adequate heating/flushing of the PAHs.
  • a cylinder also offers the smallest surface area in relation to its area, which also reduces heat loss.
  • the cylinder can be surrounded by a heating jacket, which heats the interior of the cylinder and thus also the process area with the gas separation zone to a necessary or defined target temperature.
  • This combination represents exceptional cost-effectiveness, as it eliminates the need for additional filters used to filter gases in the hot gas area. These are expensive, complex, and also pose a high risk.
  • the carbon particles are mechanically removed from a particle separator and only then fall into the process chamber. This is particularly useful when a filter separator is used to ensure that no blockage occurs at the inlet to the process chamber. Typically, the filter cross-section must be significantly reduced towards the process chamber.
  • Figure 7 shows how, due to the treatment within the process chamber 16, the wood gas 5', with greatly reduced carbon particles, leaves the process chamber 16 in the opposite direction of the arrow 31 and can flow out.
  • the wood gas 5' flows into Direction of arrow 48 into a pipe 49 branching off from the pipe 46 above the cylinder 33.
  • An inert gas 11 can be introduced into the housing 34, which is connected to the process chamber 16, i.e., the cylinder 33, in a nearly gas-tight manner, via the supply line 41. This gas then flows into the process area 36 and acts as a seal gas there.
  • This inert gas can, for example, have a temperature of at least 600°C.
  • a cooling gas 13 can be introduced via a further supply line 40 in order to influence the process and to partially cool the system and the coal particles.
  • FIG 8 shows a further embodiment, in which an inertia separator 8 is used.
  • This is a cyclone separator.
  • the carbon particles 28 enter the process chamber 16 in the direction of arrow 31.
  • a cold oxidizing agent 12 is introduced into the housing 34 via a supply line 43 on the housing 34 and thus supplied to the process area 36 within the process chamber 16. Due to the relatively cold temperature of the oxidizing agent 12, an ignition device 25 is necessary to start the oxidation within the process area.
  • the cold oxidizing agent 12 can be heated by a heating jacket 21 surrounding the housing as it passes through the housing 34.
  • Figure 9 shows a further embodiment as a further development of Figure 5
  • the conveying element 14 can convey between two coal containers 19a, 19b, providing a second discharge option for the coal.
  • the oxidizing agent 10 can be supplied to the process via the supply line 42, as can the cooling gas 13 via the supply line 40.
  • Coal particle stream 9 is shown in a simplified manner and leaves the process chamber as coal particle stream 9 ⁇ after the PAHs have been removed
  • Figure 10 shows a further embodiment, wherein the wood gas 5 with the coal particles 28 flows through a hot gas filter 23.
  • the process chamber 16 is connected via the inlet area 27, in whose process area 36 the gas separation zone 17 is formed. After passing through the gas separation zone 17, the coal particle flow 9' has been freed of the PAHs, and the coal particles 28' reach the conveying element 14.
  • the oxidizing agent 10 can be introduced into the process chamber 16. This oxidizing agent can be partially discharged through the pipeline 49 together with the wood gas 5'.
  • Figure 11 shows a further embodiment in which the wood gas 5, which contains the coal particles 28, is again passed through a hot gas filter 23.
  • a further conveying element 44 is provided. This is intended to prevent a possible accumulation of particles, as might occur with a funnel.
  • the thus heated inert gas is fed to cylinder 33 and in particular to process area 36 to separate the PAHs from the coal particle stream 9.
  • an oxidizing agent can also be heated in this way.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (5, 5') aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus stückigem Holz, mit einer Zufuhreinheit (1) zur Zufuhr des Ausgangsstoffs zu einem Reaktor (2), wobei der Reaktor (2) wenigstens eine Ausgabeeinheit (24) zum Ausgeben eines kohlenstoffhaltigen Reststoffs, insbesondere Kohlepartikel (28) umfasst, wobei eine Nachbehandlungseinheit (7) zum Nachbehandeln des Reststoffes zur Reduktion von polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe [PAK] (39) vorgesehen ist, bevor die Kohlepartikel (28') über eine Austragsöffnung (45) die Nachbehandlungseinheit (7) verlassen, wobei zur Erzeugung einer weitgehend unbelasteten Pflanzenkohle die Nachbehandlungseinheit (7) eine Prozesskammer (16) umfasst, in die oberhalb mindestens die belasteten Kohlepartikel (28) zusammen mit den bei der Verbrennung des Ausgangsstoffes entstandenen PAK (39) zugeführt werden, und unterhalb ein weiteres als Sperrgas ausgebildetes Gas (10, 11, 12) zugeführt wird, um innerhalb der Prozesskammer (16) eine Gas-Trennzone (17) zu bilden, die den Durchtritt der PAK (39) in Richtung der Austragsöffnung (45) weitgehend verhindert.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Kohle aus einer Anlage zur Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffs nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 9.
  • Die Technologie der Pyrolyse bzw. Biomassevergasung hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Während die Strom- und Wärmeerzeugung bislang als wirtschaftlich tragender Faktor für viele Anlagen gilt, rückt ein bisher oft ungenutztes Potential immer mehr in den Vordergrund, die Pflanzenkohle.
  • Pflanzenkohle ist in vielen Ländern (u. a. Österreich, Schweiz) in der Landwirtschaft als Bodenverbesserer und Trägerstoff für Düngemittel sowie als Hilfsstoff für die Kompostierung und Nährstofffixierung von Gülle zugelassen. Pflanzenkohle wird auch als Futtermittelzusatz und Nahrungsergänzungsmittel verwendet. Bei der Verwendung als Bodenverbesserer wird ihr unter anderem ein großes Potential als Mittel zur Kompensation der Kohlendioxid-Emissionen in Anbetracht der globalen Erwärmung zugeschrieben.
  • Pflanzenkohle hat zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten, etwa als Dämmstoff in der Gebäudekonstruktion, in der Abwasser- und Trinkwasserbehandlung, als Abgasfilter und in der Textilindustrie. Beispiele für aktuelle Einsatzbereiche sind: Gemahlene Pflanzenkohle wird als Lebensmittelfarbstoff E 153 ohne Höchstmengenbegrenzung verwendet. In der Medizin dient sie als Medizinalkohle zur Behandlung von Durchfallerkrankungen. Ähnlich wie Holzkohle kann Pflanzenkohle auch als Aktivkohle eingesetzt werden.
  • Daneben wird Pflanzenkohle als Energieträger verwendet, z.B. als Ersatz für Grillkohle, allerdings wird sie dafür als zu wertvoll angesehen. Die Kohlendioxid-Bilanz ist bei der Verbrennung von Pflanzenkohle anders als bei der Einlagerung im Boden, da Kohlendioxid bei der Verbrennung freigesetzt wird.
  • Bei der Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung zum Austragen von schadstofffreier feinkörniger Pflanzenkohle. Pflanzenkohle, auch Biokohle genannt, wird durch pyrolytische Verkohlung pflanzlicher Ausgangsstoffe hergestellt.
  • Die Umwandlung von Biomasse in Pflanzenkohle ist mittels Pyrolyseanlagen oder durch Vergasungsanlagen möglich. Zwar sollten die Vergasung und Pyrolyse von Biomasse unterschieden werden, in den meisten Fällen variieren jedoch nur das Mengenverhältnis und die Qualität der erzeugten Produkte, welche Kohle, Synthese-Gas/Öl und Abwärme sind.
  • Reine Pyrolyseanlagen dienen schwerpunktmäßig dem Erzeugen von Pflanzenkohle, wobei Biomasse ohne die Anwesenheit von externem Sauerstoff erhitzt und so in zunächst gasförmige Bestandteile sowie Kohle zersetzt wird. Durch die fehlende Oxidation kann eine Kohle mit relativ hohem Kohlenstoffanteil von ca. 95% erzeugt werden, wobei die restlichen 5% überwiegend aus Asche und Begleitstoffen bestehen.
  • Die flüchtigen Bestandteile bilden zunächst das Pyrolysegas, durch eine anschließende Abkühlung kann zumindest teilweise Pyrolyseöl entstehen. In den meisten Fällen wird das Pyrolysegas bzw. das Pyrolyseöl aufgrund qualitativer Nachteile keiner anderen Verwendung zugeführt, als der vollständigen Oxidation bzw. Verbrennung in einer separaten Brennkammer.
  • Die Abwärme dient der Erhitzung der Pyrolyse um den Prozess aufrecht zu erhalten, wobei während des Startvorgangs der Anlage meist Erdgas verbrannt wird.
  • Selten ist die Zwischenschaltung von Gasturbinen bzw. ORC zu finden, welche meist nur geringe mechanische Wirkungsgrade aufweisen, die Pyrolyseanlage sich dadurch aber selbst mit elektrischer Energie versorgen kann oder sogar zum Netto-Stromerzeuger wird.
  • Die ausgekoppelte Heizwärme aus der Kühlung von den Anlagenteilen kann dabei einer anderweitigen Verwendung zugeführt werden.
  • Die eingesetzte Biomasse muss in den meisten Fällen einer technischen Trocknung unterzogen werden, da die Zielfeuchten deutlich unter dem Wert liegt, welcher durch Trockenlagerung erreichbar ist. Somit wird ein nicht unwesentlicher Teil der Abwärme bereits durch dieses Verfahren in Anspruch genommen.
  • Diese Art von Anlagen sind auf die Produktion von Kohle optimiert und erzeugen durch den relativ langsamen Pyrolyseprozess, bei konstanter und gleichmäßiger Temperatur, eine Kohle mit sehr geringen Schadstoffwerten.
  • Die höchste Relevanz als Schadstoff hierbei besitzen polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, kurz PAK. Diese entstehen ausschließlich durch den Prozess der Pyrolyse bzw. Vergasung und können im Falle der Pyrolyse mit der richtigen Anlagentechnik vermieden werden.
  • Zur Zertifizierung als hochwertige Pflanzenkohle sollte nach den international anerkannten Richtlinien des EBC Instituts, wie z.B. EBC AgroBio bezüglich PAK, ein Grenzwert der EPA PAK von 6,0 mg/kg zuverlässig unterschritten werden. Dies bedeutet in der Praxis, dass hochwertige Kohle einen maximalen PAK Summengehalt von 1-2 mg/kg aufweisen soll.
  • Bei reinen Pyrolyseanlagen, guter Anlagentechnik und sowie Qualität und Trockenheit der eingesetzten Biomasse ist dies auch möglich.
  • Generell gilt, dass die Wertigkeit der Kohle mit niedrigeren PAK Werten zunimmt, unabhängig davon, ob bestimmte Grenzwerte bereits unterschritten wurden.
  • Die Biomassevergasung nutzt gegenüber der reinen Pyrolyseanlage ein zusätzliches Oxidationsmittel, meist Luft, welches direkt mit der Biomasse in Verbindung gebracht wird. Dadurch entsteht durch Oxidation und Reduktion anstelle des Pyrolysegases ein Holzgas bzw. Synthesegas.
  • Das Zuführen von externer Wärme in den Prozess ist vorteilhaft, jedoch keine Voraussetzung.
  • Bei der Biomassevergasung liegt die Priorität meist auf der Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Holzgases/Synthesegases. Dieses sollte sich durch Reinheit und Beschaffenheit zur weiteren Verwendung in einer Wärmekraftmaschine mit hohen mechanischen Wirkungsgraden, wie z.B. dem Gas-Otto-Verbrennungsmotor oder zur Gasspeicherung für Spitzenkraftwerke oder nach Aufbereitung für die Einspeisung in ein Gas- / Wasserstoffnetz oder zur Nutzung in der chemischen Industrie, eignen.
  • Beispiele für Biomassevergaser sind Festbettvergaser, Wirbelschichtvergaser oder Flugstromvergaser.
  • Bei der Vergasung von Biomasse entsteht zunächst feinkörnige bis staubförmige Kohle, genannt Pyrokohle mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 90%. Diese hat ebenfalls erhebliches Potential, was aber bislang nur vereinzelt genutzt und nie voll ausgeschöpft wurde. Der Grund für die geringen Verwendungsmöglichkeiten dieser Kohle ist eine relativ hohe Kontamination mit PAK, die bei Kohlen aus Biomassevergasung verfahrensbedingt höher ist als bei Anlagen die auf Pyrolyse ausgerichtet sind.
  • Die Entstehung von PAK im Prozess gänzlich zu vermeiden, ist bei der Vergasung nicht möglich. PAKs entstehen, sobald Temperaturen im Reaktor oberhalb von 650°C erreicht sind und nehmen in Menge und Toxizität mit steigender Temperatur zu.
  • Während bei Pyrolyse-Anlagen die Temperaturen auf knapp über 650C° geregelt und gehalten werden können, steigen diese bei der Oxidation in einem Vergaser deutlich über 1000°C. Ohne Oxidation und Reduktion wird jedoch kein hochwertiges Holzgas bzw. Synthesegas erzeugt, wodurch diese hohen Temperaturen Teil des Prozesses und nicht vermeidbar sind. Weiterhin fördert eine kurze Einwirkzeit dieser Temperatur die Bildung von PAK, dies ist besonders bei kompakten Vergasungssystemen, wie z.B. dem Festbettvergaser der Fall.
  • Zudem kann zur Steigerung des Wirkungsgrades bei der Vergasung eine zusätzliche Erhöhung der Spitzentemperaturen, z.B. durch Verbrennungsluft-Vorwärmung oder dergleichen, erwünscht sein.
  • Die bei modernen Biomassevergasern entstehenden PAK Mengen sind zwar für den Betrieb der Anlage und einem nachgeschalteten Gasverbraucher nicht relevant, in Bezug auf die Kohle ergeben sich aber PAK Summenwerte, welche ein Vielfaches über einem Grenzwerten liegen, welcher diese Kohle als Pflanzenkohle qualifizieren würden.
  • Zudem gibt es weitere verfahrenstechnische Gründe, welche die Anreicherung der PAK in der Kohle aus Biomassevergasern begünstigen, wobei die Kondensation und Sorption hierbei relevant sind.
  • Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Kohle zusammen mit dem Holzgas als Partikelstrom, auch Vollstrom genannt, aus dem Reaktor ausgetragen. Dabei liegt eine starke Vermischung von PAK haltigem Holzgas und Kohlepartikeln vor. Nach der Oxidationszone des Reaktors findet üblicherweise keine weitere Erwärmung des Kohle-Gas-Gemisches statt, was das Kondensieren von PAK mit sinkender Temperatur begünstigt.
  • Die Abscheidung der Kohle erfolgt, zur notwendigen und möglichst weitestgehenden Reinigung des Produktgases, meist in einem Gasfilter, welcher aus einem Filterelement besteht, an welches sich die Kohlepartikel anlegen. Der PAK haltige Gasstrom muss dabei die Kohlepartikel durchdringen, was diese zusätzlich kontaminiert. Außerdem wird dieses Filterelement meist durch Gegendruckpulse gereinigt bzw. abgeschüttelt. Die Druckpulse mittels eines - vorzugsweisen - inerten Gases, führen zur örtlichen Abkühlung der Filtereinheit und so zu erhöhten PAK Gehalten der hier abgeschiedenen Kohlen. Insbesondere bei Kleinanlagen werden einfache und kostengünstige Filterkonstruktionen verwendet, welche die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen erhöht. Hier wird das Kohle-Holzgas-Gemisch vor der Einleitung in den Filter abgekühlt, was den PAK Gehalt jedoch in besonders starkem Maße erhöht.
  • Die Separierung von PAK freier Kohle, d.h. mit einer Summe EPA PAK <2mg/kg, bei Vergasungssystemen ist bis dato nicht wirtschaftlich oder verfahrenstechnisch sinnvoll möglich. Die wenigen Hersteller von Vergasungsanlagen, welche tatsächlich zu einer Zertifizierung der Pflanzenkohle nach den EBC Kriterien in der Lage sind, erreichen lediglich Zertifizierungen, bei welchen nur 8 der insgesamt 16 EPA PAK einem Grenzwert unterliegen. Hierbei handelt es sich aber um Pflanzenkohle mit stark eingeschränkten Verwendungsmöglichkeiten.
  • Die EP 2 639 289 A1 zeigt bereits bekannte Verfahren zur Lösung des Problems der PAK belasteten Kohle- bzw. Aschegemischen. Die hier offenbarte Vorrichtung zielt auf eine Reduktion der Kohlemenge ab, was aufgrund des Potentials der Kohle nicht mehr zeitgemäß ist. Die ebenfalls beschriebene Reduzierung von PAK hat sich in der Praxis jedoch als nicht praktikabel erwiesen und die Anteile an PAK liegen weiterhin weit über den geltenden Grenzwerten.
  • Das Problem der hier beschriebenen Vorrichtung ist, dass lediglich eine unzureichende und ungleichmäßige Erwärmung der Kohle erfolgt, was durch eine lediglich indirekte Erwärmungseinheit bewirkt wird.
  • Es wird versucht durch Luftabschluss ein brennbares Gasgemisch zu erzeugen, was sich positiv auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems auswirken soll.
  • Dabei versucht die Vorrichtung priorisierend durch eine Verbrennung bzw. Umwandlung der Kohle Energie in Form von Wärme oder brennbarer Gase in das Gesamtsystem aufzunehmen.
  • Dabei ermöglicht eine Wärmeübertragungstrennwand eine stoffliche Trennung des Ausgangsstoffes bzw. Materials oder des Reaktorinnenraumes bzw. den Oxidations- und Reduktionszonen gegenüber dem Innenraum der Nachbehandlung bzw. gegenüber dem Reststoff.
  • Die EP 2 552 707 A2 zeigt ein weiteres Verfahren zur Lösung des Problems der PAK belasteten Kohle bzw. Aschegemische. Hier wird ausgeführt, wie die technische Umsetzung einer Verbrennung bzw. Umwandlung der Kohle in Energie wie z.B. Wärme oder brennbarer Gase zu realisieren ist. Die Vorrichtung zielt ebenfalls darauf ab, eine Reduzierung der Kohlemenge zu bewirken was nicht mehr zeitgemäß ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren bereitzustellen, welches es erlaubt bei der Biomassevergasung anfallende PAK nahezu vollständig von dem Endprodukt Kohle fernzuhalten bzw. Kohle ohne PAK aus dem System auszutragen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
  • Vorteilhaftes Merkmal ist, dass die Nachbehandlungseinheit eine Prozesskammer umfasst, in die oberhalb mindestens die belasteten Kohlepartikel zusammen mit den bei der Verbrennung des Ausgangsstoffes entstandenen PAK zugeführt werden, und unterhalb ein weiteres als Sperrgas ausgebildetes Gas zugeführt wird um innerhalb der Prozesskammer eine Gas-Trennzone zu bilden, die den Durchtritt der PAK in Richtung der Austragsöffnung weitgehend verhindert.
  • Das die Gas-Trennzone ausbildende weitere Gas, wird im Folgenden als Sperrgas bezeichnet, das in der Lage ist, die PAK-Substanzen zurückzuhalten und oder zu zersetzen.
  • Die Höhe der Gas-Trennzone ist in einem Vorteilhaften Anwendungsfall die Höhe der Prozesskammer x Faktor 0,5.
  • Im Folgenden werden die Begriffe Holzgas und Synthesegas synonym verwendet, sofern nicht direkt auf die Zusammensetzung eingegangen wird.
  • Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gegenstand, wobei bei Biomassevergasungsanlagen sowie Pyrolyseanlagen, sofern ähnliche Randbedingungen bestehen, die Separierung von Kohlepartikeln verschiedener Größe aus einem Gasstrom erfolgt, während gleichzeitig die Anhaftung von PAK auf den Kohlepartikeln verhindert und/oder PAK ausgetrieben und ausgespült und/oder gecrackt bzw. verbrannt werden kann.
  • Dies ermöglicht eine der Vergasung unabhängige Nachbehandlung und Austragung der Kohle, wodurch jegliche Art von Biomassevergaser eingesetzt werden kann, je nach Anforderungen an das Gesamtsystem.
  • Die Prozesskammer wird so ausgeführt, dass sich darin eine heiße Gas-Trennzone bildet, die gegenüber PAK eine Barriere darstellt, das Passieren von Kohlepartikeln aber ermöglicht. Diese Gas-Trennzone, erzeugt durch Spülluft oder dergleichen, kann sich innerhalb der Prozesskammer ausbreiten, um die Funktionsweise zu verbessern, und wirkt so als Sperrgas, welches eine wirksame Barriere gegen den Durchtritt von PAK-belasteten Substanzen bildet.
  • Dies gilt insbesondere dann, wenn zur Erzeugung der Gas-Trennzone ein Oxidationsmittel verwendet wird, welches durch die Erwärmung durch einen Heizmantel oder durch Vorwärmung auf eine definierte Temperatur gebracht wird, um mit PAK zu oxidieren. Somit wird der erwärmte Bereich innerhalb der Prozesskammer als Gas-Trennzone bezeichnet.
  • So wird in der Prozesskammer eine konstant hohe Temperatur eingestellt, z.B. durch Oxidation, welche über die Kondensationstemperatur von PAK hinausgeht und deren Austreiben und Ausspülen aus dem Holzgas bzw. den Kohlepartikeln begünstigt. Dabei handelt es sich üblicherweise um mindestens 500°C. Für ein optimales Ergebnis kann bis zu 900°C eingestellt werden, wobei sich eine Temperatursteigerung über 900°C bei Anwesenheit eines Oxidationsmittels jedoch nachteilig auswirken kann, da dann eine vermehrte Reduktion von Kohlenstoff stattfindet.
  • Diese Gas-Trennzone wird von den Kohlepartikeln, z.B. durch Schwerkraft durchquert, wobei die Kohlepartikel anschließend entlang ihrer weiteren Flussrichtung abkühlen.
  • Wichtig beim Passieren der Gas-Trennzone ist, dass die Kohlepartikel eine möglichst hohe Oberfläche aufweisen und sich idealerweise jeder Partikel einzeln, ohne Kontakt zu anderen Partikeln, durch die Zone hindurchbewegt. Vorzugsweise mittels Schwerkraft, indem die Partikel durch die Zone hindurchfallen oder durch eine zweckmäßige Gestaltung eines Abscheiders, welcher die Partikel beschleunigen kann und durch die Trennzone hindurchschießt. Eine höhere Relativgeschwindigkeit der Partikel zur Gas-Trennzone und somit höhere Turbulenz kann sich hierbei positiv auswirken.
  • Dadurch erfolgten eine besonders gute Erwärmung und Umspülen bzw. Umschließen der Partikel durch die Gas-Trennzone, insbesondere durch das dort vorhandene Sperrgas. Auf diese Weise werden die gasförmigen PAK von den im Holzgas vorhandenen Kohlepartikel abgetrennt, abgewaschen bzw. fortspült.
  • Vorzugsweiße breitet sich die Gas-Trennzone in Gegenrichtung der Bewegung der Kohlepartikel aus, wodurch eine verbesserte Sperrwirkung erzielt werden kann.
  • Bevorzugt findet eine weitestgehend flammenlose Oxidation innerhalb eines Prozessbereiches der Prozesskammer statt, d. h. es gibt keine Flamme, in der die Kohle verbrennen könnte.
  • Eine derartige Oxidation erzeugt sehr gleichmäßige Temperaturen von 750°, 800° oder gar 1000°C. Eine Flamme wird unterbunden indem Oxidationsmitel und Holzgas entgegengesetzt in die Prozesskammer eintreten und zudem ein hoher Anteil von bereits verbranntem Holzgas vorhanden ist welcher innerhalb der Prozesskammer rezirkuliert.
  • So haben Versuche gezeigt, dass wenn ein auf ca. 350°C erwärmtes Oxidationsmittel unterhalb der Prozesskammer eingeleitet wird und in der Prozesskammer auf das Holzgas mit etwa 600°C trifft. Keine Mischung dieser Temperaturen stattfindet, sondern eine Oxidation, bei der weitaus höhere Temperaturen zu erwarten sind.
  • Bei diesen hohen Temperaturen und der Oxidation werden in der Gas-Trennzone innerhalb der Prozesskammer die PAK zusätzlich thermisch zersetzt. PAK haben die Eigenschaft, dass ab 500°C eine Oxidation mit Sauerstoff stattfindet. Beim Durchgang der Kohlepartikel durch diese Zone findet jedoch kein Verglühen der Partikel statt, da diese sich nur kurzzeitig dort aufhalten.
  • Das eingeleitete und gasförmige Oxidationsmittel hat dabei üblicherweise keine regelbare Temperatur, sondern wird mit einer nahezu konstanten Temperatur eingeleitet, wobei die Menge des Oxidationsmittels Einfluss auf die Oxidation hat. Wenn es sich bei dem Oxidationsmittel um Luft handelt, führt ein höherer Volumenstrom an Luft, insbesondere der darin beinhaltete Sauerstoff, zu einer heißeren Oxidation und somit zu einem Anstieg der Temperatur.
  • Bei einer Ausführungsform wird in der Prozesskammer die Gas-Trennzone mittels Oxidation unter Verwendung von Umgehungsluft als Oxidationsmittel hergestellt.
  • Hierbei wird ein mit mindestens etwa 200°C, idealerweise etwa 500°C vorgewärmtes Oxidationsmittels als Sperrgas, meist Umgebungsluft, in die Prozesskammer eingebracht und hier mit Teilen des Holzgases oxidiert. Die Vorwärmung des Oxidationsmittels kann über einen Wärmetauscher oder dergleichen erfolgen oder kann auch als Teil der Brennkammer des Reaktors und dessen Austragsvorrichtung realisiert werden, wobei aber gewährleistet werden muss, dass im Moment des Eintritts in die Prozesskammer die Zieltemperatur nahezu erreicht ist.
  • Die gewünschte Oxidation findet statt, sobald eine Temperatur des Gemisches aus Holz- bzw. Synthesegas und dem Oxidationsmittel, bei einem beispielsweisen Mengenverhältnis 3:1, von etwa 500°C erreicht wird. Dies ist ohne eine Vorerwärmung des Oxidationsmittels nicht möglich.
  • Die überwiegenden Bestandteile des Holzgases, wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan, benötigen zwar eine etwas über 500°C liegende Zündtemperatur, die Verbrennung wird aber zusätzlich durch die im Eintrittsmoment in die Prozesskammer heißeren Kohlepartikeln initiiert bzw. begünstigt.
  • Falls die Temperaturen des Holzgases und somit auch der Kohlepartikeln an diesem Punkt des Systems zu gering sind, kann eine initiale Zündung des Gemisches durch eine geeignete Vorrichtung eingeleitet werden, beispielsweise durch eine in die Prozesskammer ragende Zündvorrichtung.
  • Sobald innerhalb der thermisch gut isolierten Prozesskammer ein gewisser Temperaturwert durch die Aufheizung erreicht ist, findet die Oxidation als sehr stabile, gleichmäßige und idealerweise flammenlose Verbrennung statt.
  • Der besondere Vorteil einer solchen Gas-Trennzone mittels Oxidation ist zudem, dass die PAK zumindest teilweise verbrennen und somit die Reinheit der Pflanzenkohle weiter verbessert wir.
  • Als weiterer Vorteil hat sich hierbei herausgestellt, wenn das Gemisch aus Holzgas und dem Oxidationsmittel einen Lambdawert von deutlich unter 1.0 besitzt, wodurch sich die Oxidation auf das Holzgas richtet und die Zersetzung von wertvollem Kohlestoff unterbleibt.
  • Zudem ist es notwendig, dass innerhalb der Prozesskammer ein gewisser Grad an strömungstechnischen Turbulenzen herrscht, welche für eine gleichmäßige Durchmischung sowie Nachführung und Abführung von Synthesegas bzw. bereits verbranntem Synthesegas und somit der kontinuierliche Funktion dienen kann.
  • Falls eine Oxidation zur Ausbildung der Gas-Trennzone Anwendung findet, muss sichergestellt werden, dass genug Holzgas zur Oxidation in die Prozesskammer gelangen kann. Hierbei sind Leitbleche, Leitrohre oder dergleichen von Vorteil, um entsprechende Gasströmungen zu generieren und zu leiten.
  • Es kann in bestimmten Fällen auch sinnvoll sein, eine geringe Menge des Holzgases direkt abzuzweigen und in die Prozesskammer zu leiten.
  • Die Temperaturregelung erfolgt mittels Mengensteuerung des zugeführten Oxidationsmittels, beispielsweise zur Temperaturerhöhung durch eine Einbringung einer größeren Menge an Oxidationsmittel. Hier kann z.B. ein temperaturbeständiger Kugelhahn verwendet werden, welcher von einem Proportionalstellglied, z.B. einem Aktuator bewegt wird um die Menge zu steuern.
  • Die notwendige Temperatur der Gas-Trennzone hängt von vielen Faktoren ab. Ein Dauerbetrieb zeigt, dass bei etwa 750°C, Kohle bzw. Kohlepartikel aus dem System entnommen werden kann, welche PAK Summenwerte von unter 1mg/kg aufweisen.
  • Die Temperaturüberwachung erfolgt üblicherweise mittels eines oder mehrerer geeigneter Sensoren, welche in oder an der Prozesskammer angebracht sind.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in die Prozesskammer ein aufgewärmtes Oxidationsmittel, meist Luft als Sperrgas eingebracht.
  • Durch eine an dieser Stelle der Nachbehandlungseinheit gewünschte, durch z.B. Kühlung herbeigeführte niedrigere Temperatur (z.B. 400°C) des Holzgases und dessen Kohlepartikel, kommt es jedoch nicht zur Verbrennung und es wird auch nicht beabsichtigt eine initiale oder dauerhafte Zündung zu erreichen.
  • Die Temperatur der zugeführten Luft hat bereits die Zieltemperatur zur Erhitzung und Ausspülen der PAKs (z.B. 500°C) und stellt somit die Gas-Trennzone dar. Die maximale Temperatur ist hierbei auf etwa 600°C begrenzt, da ansonsten eine Zersetzung der Kohle stattfindet.
  • In diesem Fall wird die Prozesskammer so konstruiert, dass möglichst wenig Holzgas in die Kammer gelangen kann, da dies wegen der nicht erzeugten Oxidation nicht benötigt wird.
  • Die vorgewärmte Luft besitzt zudem die notwendige Sperrwirkung zwischen dem inneren des Biomassevergasers und der Austragung der Kohle, sodass auf der Kohle während der Abkühlung, welche üblicherweise während der Austragung stattfindet, keine PAKs kondensieren können.
  • Dieses Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn die Beladung des Holzgases und der Kohlepartikel mit PAKs gering ist, und nur durch das Verhindern der Kondensation von PAK auf der Kohle, was üblicherweise während der Austragung aus dem System stattfindet, eine Kohle generiert werden kann die akzeptable PAK Mengen aufweist.
  • Unter der Verwendung eines kalten Oxidationsmittels, welches mit einer Umgebungstemperatur als Sperrgas von beispielsweise 30°C eingebracht wird, wird eine wie oben beschriebene Verbrennung erschwert, ist aber unter gewissen Umständen möglich.
  • Selbst bei einer sich bereits in vollem Betrieb befindlichen Prozesskammer erlischt die Verbrennung durch einen Wechsel von warmen zu kaltem Oxidationsmittel oder wird zumindest stark instabil.
  • In diesem Fall ist eine kontinuierliche Zündung zur Aufrechterhaltung der Verbrennung des Gemisches notwendig. Die kann durch eine Stützfeuerung jeglicher Art oder eine lokale, von außen beheizte heiße Oberfläche oder einer Piezozündung oder dergleichen realisiert werden, um eine kontinuierliche Verbrennung sicherzustellen.
  • Bei diesem Verfahren kann es jedoch zu einer lokalen Flammausbreitung und ggf. sogar zu Pulsationen kommen, wodurch Kohle durch die lokal höheren Temperaturen und die lokal höheren Anteile an unverbranntem Sauerstoff oxidiert. Auch wäre eine gleichmäßige und konsequente Ausspülung von PAK durch die vorherrschende inhomogene Temperaturverteilung nicht sichergestellt. So ist zudem der Holzgasverbrauch zum Erreichen der Zieltemperatur deutlich höher.
  • Das Verfahren unter Verwendung eines kalten Oxidationsmittel eignet sich aber, wenn das Holzgas und die Kohlepartikel nur eine geringe Beladung mit PAK aufweisen und dieses Verfahren somit zu einer Verbesserung beiträgt, um Kohle zu generieren, welche akzeptable PAK Mengen aufweist.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung wird die Gas-Trennzone nicht von einem von außen zugeführten Gas oder durch Oxidation erzeugt, sondern durch eine besondere Bauform der Prozesskammer, wobei die Gas-Trennzone in der Prozesskammer durch Erwärmung selbst entstehen kann.
  • Die Konstruktion der Prozesskammer hat großen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit. Generell wird diese möglichst kompakt ausgelegt, um den Mengenverbrauch an Holzgas bzw. Synthesegas zur Erwärmung gering zu halten.
  • Der weitere Vorteil einer kompakten Kammer ist, dass Kohlepartikel aus dem Abscheider direkt durch die Oxidationszone bzw. Gas-Trennzone hindurchfallen müssen.
  • So kann eine größtmögliche Oberfläche der Kohlepartikel zum Erwärmen und zum Ausspülen und ggf. cracken und/oder verbrennen der an der Oberfläche vorhandenen PAK genutzt werden.
  • Insbesondere ist ein senkrecht stehender Zylinder daher geeignet, bei welchem das Maß der Höhe den Durchmesser deutlich übersteigt, da hierbei die Kohlepartikel die Gas-Trennzone auf besonders langem Wegedurchqueren müssen. Durch den runden Querschnitt des Zylinders wird außerdem verhindert, dass Kohlepartikel außerhalb des Prozessbereichs in Ecken oder dergleichen nach unten gelangen können, ohne eine ausreichende Erwärmung/Ausspülung der PAK zu erfahren. Ein Zylinder bietet zudem die geringste Oberfläche in Bezug auf die Fläche, wodurch auch Wärmeverluste reduziert werden.
  • Unter gewissen Umständen können aber auch andere Geometrien von Vorteil sein, wie z.B. ein drei- und sechsseitiges Prisma, ein Quader oder dergleichen. Wesentlich hierbei ist, dass die Fläche des senkrechten Schnittes den des waagerechten Schnitts deutlich übersteigt.
  • Vorteilhaft wird die Geometrie der Prozesskammer so gewählt, dass die Prozesskammer aus einem Zylinder mit einem gegenüber der Zylinderhöhe kleineren Durchmesser mit einem Verhältnis von beispielsweise 0,3 besteht.
  • Durch die schlanke Ausführung des Zylinders erfolgt so wenig Gasaustausch zwischen dem oberen und dem unteren Ende, dass unter Umständen sogar auf die entgegen der Bewegungsrichtung der Kohlepartikel wandernde bzw. ausbreitende Gas-Trennzone und die dadurch initiierte Sperrwirkung verzichtet werden kann.
  • So wird auch verhindert, dass sich im unteren Bereich der Prozesskammer Holzgas bzw. Synthesegas ansammelt, welches wiederum mit der Kohle aus der Prozesskammer austreten könnte und in Bewegungsrichtung der Kohle abkühlt und PAK kondensieren würde.
  • Des Weiteren kann der Zylinder mit einem Heizmantel umgeben sein, welcher das Innere des Zylinders und somit auch den Prozessbereich mit der Gas-Trennzone auf eine notwenige bzw. definierte Zieltemperatur aufheizt.
  • Auch die Geometrie des Abscheiders und der innerhalb des Zylinders vorhandenen Prozesskammer wird so gewählt, dass möglichst wenig Holzgas in die Prozesskammer gelangen kann, da dieses wegen der ausbleibenden Oxidation innerhalb der Prozesskammer nicht weiter benötigt wird.
  • Durch einen geeigneten Abscheider werden aus einem Gasstrom, vorzugsweise auf kurzem Weg nach dem Vergasungsreaktor, die Kohlepartikel entnommen. Bei Verlassen des Reaktors herrschen üblicherweise Temperaturen zwischen 600°C und 800°C, es liegt somit ein sog. Heißgasbereich vor und das Holzgas wird idealerweise ohne vorherige Abkühlung weiterverarbeitet.
  • Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn als Abscheider ein Massenkraftabscheider verwendet wird, der durch seine konstruktive Gestaltung zu einer gewünschten Strömungsausprägung und Turbulenz der durchströmenden Stoffe führt.
  • Durch einen Massenkraftabscheider erfolgt zudem die Separierung bzw. die Nichtabscheidung der besonders feinen Partikel innerhalb des Gasstromes mit meist deutlich höherem Ascheanteil, die etwa 5% Massenanteil des Stoffes ausmachen.
  • Diese im Holzgasstrom verbleibenden Partikel werden mittels eines in Flussrichtung nachgeschalteten, separaten Filters vom Gasstrom getrennt. Auf diese Weise kann aus etwa 95% der Gesamtmenge an Partikeln, PAK-freie Pflanzenkohle erzeugt werden, wobei es sich durch die Abwesenheit der besonders feinen Partikel, um ein besonders hochwertiges, gut zu verarbeitendes und weniger zu Staubbildung neigendes Produkt handelt.
  • Diese Ausführung kann insbesondere bei kleinen Anlagen von Vorteil sein, wenn dem Massenkraftabscheider eine Gaskühlung und anschließend die notwendige zusätzliche Filtereinheit nachgeschalten sind.
  • Diese Kombination stellt eine herausragende Wirtschaftlichkeit dar, da auf zusätzliche Filter, welche zur Gasfiltration im Heißgasbereich dienen, verzichtet werden kann. Diese sind teuer, aufwändig und bergen zudem ein hohes Gefahrenpotential.
  • Desweitern ist von Vorteil, wenn der Abscheider so gestaltet wird, dass die Kohlepartikel nach unten gerichtet beschleunigt werden. Somit müssen diese die Gas-Trennzone bzw. den Bereich der Oxidation mittig durchqueren und werden nicht in den Randbereich abgelenkt bzw. durch Rotation oder ähnliches in den Randbereich gedrückt. Weiterhin wird dadurch bewirkt, dass möglichst wenig Partikel durch den entgegengesetzten Gasstrom bzw. die ausbreitende Gas-Trennzone wieder nach oben abgelenkt werden und somit die Abscheiderate der Vorrichtung verringern könnten.
  • Ein Trägheitsabscheider ist für diese Anforderung besonders gut geeignet und ist in den Figuren beispielhaft dargestellt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die Kohlepartikel mechanisch aus einem Partikelabscheider ausgetragen werden und erst dann in die Prozesskammer hineinfallen. Das ist besonders dann sinnvoll, wenn ein Filterabscheider verwendet wird, um sicherzustellen, dass beim Eintritt zur Prozesskammer keine Verstopfung stattfindet. Üblicherweise muss hier der Filterquerschnitt zur Prozesskammer hin deutlich verkleinert werden.
  • Zudem kann so eine gleichmäßige und kontrollierte Dosierung von Kohlepartikeln erfolgen.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung wird in die Prozesskammer zur Bildung einer Gas-Trennzone ein bereits stark erhitztes inertes Gas als Sperrgas, anstelle eines Oxidationsmittels, eingebracht. Das inerte Gas kann z.B. aus dem Abgasstrom eines BHKW entnommen werden. Die Temperatur des Gases weist dabei bereits die Zieltemperatur zur Erhitzung und Ausspülen der PAK auf, welche z.B. 700°C betragen kann.
  • In diesem Fall wird die Prozesskammer so konstruiert, dass möglichst wenig Holzgas in die Kammer gelangen kann, da dieses wegen der fehlenden Oxidation in diesem Anwendungsfall nicht benötigt wird.
  • Das inerte Gas besitzt zudem die notwendige Sperrwirkung zwischen dem Inneren des Biomassevergasers und der Austragung der Kohle, sodass auf der Kohle während der Abkühlung, welche üblicherweise während der Austragung stattfindet, keine PAKs kondensieren können.
  • Am unteren Ende der Prozesskammer befinden sich eines oder mehrere mechanische Bewegungselemente, wie z.B. Förderspiralen, welche zum Befördern der Kohle nach Verlassen der Prozesskammer vorgesehen sind. Diese Elemente bewegen die Kohle aus dem unteren Bereich der Prozesskammer hinaus zu einer Schleuse, welche zur Abtrennung der Prozesskammer gegenüber der Umgebungsluft dient.
  • Diese Schleuse dient auch dazu, die Kohle aus dem System zu entnehmen und besteht im Idealfall aus zwei nahezu gasdichten Verschlussklappen bzw. Schiebern oder dergleichen. In einer besonderen Ausgestaltung und geringen Druckverhältnissen kann auch eine Zellenradschleuse oder Ähnliches ausreichend sein.
  • Während der Aufwärmphase bzw. Startphase lässt sich meist nicht verhindern, dass sich PAK belastete Kohle im unteren Bereich der Prozesskammer sammelt. Das mechanische Beförderungselement ist hier vorzugsweise noch inaktiv, jedoch hat sich gezeigt, dass Kohlepartikel, welche sich im unteren Bereich abgesetzt haben, auch beim anschließenden Erreichen der Betriebstemperatur die PAK nur unzureichend freigeben.
  • Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil einer schlanken und hohen Prozesskammer, wie sie oben beschrieben ist.
  • Es können nun die Kohlepartikel durch eine größere Menge an zugeführtem erwärmtem Gas oder auch unter Zuhilfenahme eines Druckimpulses von kalter Sperrluft, entweder stark in Richtung der Oberseite der Prozesskammer aufgewirbelt werden und/oder sogar nach oben durch den Eintritt der Prozesskammer zurück in das System gebracht werden.
  • Somit kann beim Erreichen bzw. Wiederreichen der Betriebstemperatur eine einmalige Bereinigung bzw. Entleerung bzw. Neuschichtung der Prozesskammer erfolgen und somit sichergestellt werden, dass jederzeit nahezu PAK-freie Kohle ausgetragen und somit gleichbleibende Qualität erzeugt wird.
  • Damit die Kohlepartikel vor dem Austritt aus dem System zur besseren Handhabung und zum Vermeiden von glühenden Partikeln möglichst Umgebungstemperatur erreicht, kann zusätzlich ein kaltes Kühlgas, welches Umgebungstemperatur aufweist, in das System als Druckimpuls oder kontinuierlich in Fließrichtung der Kohlepartikel nach Verlassen der Prozesskammer eingebracht werden.
  • In einer besonderen Ausgestaltung hat sich gezeigt, dass ein pulsierendes Kühlgas die Oxidation von wertvollem Kohlenstoff verringert und die Kühlung begünstigt.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung wird in Gegenrichtung zur Bewegung der Kohlepartikel aus der Prozesskammer ein Vorratsbehälter zum Bevorraten der Kohlepartikel angeordnet, in welchem sich während der Startphase Kohle zwischenspeichern lässt, welche bei Erreichen der Betriebstemperatur wieder durch die Prozesskammer hindurchgeführt werden kann.
  • Das Füllen und Leeren des Vorratsbehälters ist durch eine Richtungsumkehr des hier angebrachten mechanischen Bewegungselements, welche zum Befördern der Kohle vorgesehen sind, möglich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung befindet sich in Gegenrichtung zur eigentlichen Austragungsrichtung der Kohlepartikel eine separate Austragsmöglichkeit, durch die qualitativ schlechte Kohle während der Startphase bzw. in Phasen mit nicht ausreichender Temperatur in der Prozesskammer, aus dem System ausgetragen werden kann.
  • Es hat sich gezeigt, dass bei vielen bekannten Vergasungssystemen durch eine Veränderung des Einsatzstoffes mit stark abweichenden Qualitäten der Kohle zu rechnen ist. Durch die erfindungsgemäße separate Nachbehandlungseinheit, welche dem Reaktor nachgeschaltete ist, werden kleine Schwankungen der Kohlequalität ausgeschlossen, was die Flexibilität der Anlage bezüglich Qualität und Feuchte der eingesetzten Biomasse deutlich erhöht.
  • Die Verweilzeit der Kohlepartikel in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei guter Funktion auf einige Sekunden reduziert sein. Dadurch können große Menge an Kohle, bei geringem Energieaufwand zur Erwärmung der Vorrichtungsbestandteile, PAK-frei aus dem System ausgetragen werden.
  • Durch eine geringe Verweilzeit wird zudem verhindert, insbesondere wenn Oxidationsmittel in den unteren Bereich der Prozesskammer eingeleitet wird, dass hier möglicherweise Kohlepartikel ungewollt oxidieren.
  • Allgemein führt der niedrige Energieverbrauch der Prozesskammer zur Aufrechterhaltung der Gas-Trennzone nicht zu einer wesentlichen Verschiebung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems.
  • Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
  • Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, könnten als erfindungswesentlich beansprucht werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Die Verwendung der Begriffe "wesentlich" oder "erfindungsgemäß" oder "erfindungswesentlich" ist subjektiv und impliziert nicht, dass die so benannten Merkmale zwangsläufig Bestandteil eines oder mehrerer Patentansprüche sein müssen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    vereinfachte Darstellung eines heißen Holzgases mit Kohlepartikeln und PAK
    Figur 2:
    vereinfachte Darstellung eines etwas abgekühlten Holzgases mit Kohlepartikeln und PAK
    Figur 3:
    schematische Darstellung des Prozessbereiches
    Figur 4:
    schematische Darstellung des Prozessbereiches mit Oxidationsmittel
    Figur 5:
    Schema eines Vergasers mit einem Trägheitsabscheider für Kohlepartikel
    Figur 6:
    Schema eines Vergasers und einer Prozesskammer mit Wärmetauscher und kalter Spülluft
    Figur 7:
    Schema eines Vergasers, wobei zusätzlich eine Zwischenspeicherung von Kohle vorhanden ist
    Figur 8:
    Schema eines Vergasers mit einem Fliehkraftabscheider, wobei zusätzlich ein Heizmantel sowie eine Zündvorrichtung vorhanden ist
    Figur 9:
    Schema eines Vergasers mit einer Nachbehandlungseinheit, wobei zusätzlich eine zweite Austragsmöglichkeit für Kohle vorhanden ist
    Figur 10:
    Schema eines Vergasers mit einem Filterabscheider für Kohle
    Figur 11:
    Schema eines Vergasers mit einem Filterabscheider für Kohle und einem weiteren Beförderungselement
    Figur 12:
    Schema einer Nachbehandlungseinheit mit einem Wärmetauscher
  • Figur 1 zeigt schematisch den Austritt 24 des Reaktors 2, wobei aus dem Reaktor das Holzgas 5, die Kohlepartikel 28 und die gasförmigen PAK 39 in die Rohrleitung 46 einströmen. Innerhalb der Rohrleitung 46, bei Bewegung in Pfeilrichtung 47, kühlt das Gasgemisch ab und die PAKs 39 lagern sich an bzw. in den Kohlepartikel 28 an, wie es Figur 2 dargestellt ist.
  • Figur 3 zeigt, wie diese Bestandteile anschließend in Pfeilrichtung 31 in die Prozesskammer 16 strömen, wobei die Bestandteile noch heiß sind. Innerhalb der Prozesskammer 16 ist ein Prozessbereich 36 vorhanden, in dem eine Gas-Trennzone 17, welche sich horizontal zwischen der Wandung der Prozesskammer 16 bzw. des Zylinder 33 in dem sich die Prozesskammer 16 befindet, erstreckt. Die Gas-Trennzone 17 wird gebildet durch ein entgegen der Pfeilrichtung 31 in die Prozesskammer 16, von unten in den Zylinder 33, einströmenden Gas 10, 11 oder 12. Die hier eingeleitete Gasschicht bildet mit Ihrer Oberseite die Gas-Trennzone 17 innerhalb des Prozessbereiches 36. Je nach Prozessparameter, wie z.B. der Gasmenge, kann die Gas-Trennzone 17 innerhalb des Prozessbereiches 36 auf und absteigen.
  • Die Bestandteile treten nun in den Prozessbereich 36 ein, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Beim Auftreffen der Kohlepartikel 28, welche bei Eintritt in den Prozessbereich 36 noch mit den PAK 39 umgeben bzw. besetzt waren, auf die Gas-Trennzone 17, lösen sich die PAK 39 und verbleiben oberhalb der Gas-Trennzone 17, während die nun von PAK befreiten Kohlepartikel 28` in Pfeilrichtung 31 herunterfallen und in Richtung der Austragsöffnung 45 befördert werden.
  • Das Holzgas 5 wird bei Auftreffen auf die Gas-Trennzone 17 umgeleitet und strömt wieder, entgegengesetzt der Pfeilrichtung 31, aus den Prozessbereich 36 und kann anschließend über die gezeigte Rohrleitung 49 den Bereich der Prozesskammer 16 verlassen.
  • Die PAK 39 verbleiben oberhalb der Gas-Trennzone 17 und werden über die Rohrleitung 49 aus dem Prozess entfernt.
  • Die Kohlepartikel 28', welche die Gas-Trennzone 17 durchquert haben, befinden sich nun innerhalb des Sperrgases, welches beispielsweise ein Oxidationsmittel 10 sein kann. Dieses Beispiel ist auch in Figur 4 dargestellt, wobei das Oxidationsmittel 10, zunächst dargestellt durch einen Pfeil, über die Zuleitung 42 in den Bereich unterhalb des Prozessbereiches 36 eingeleitet wird, die Prozesskammer 16 emporsteigt und innerhalb des Prozessbereiches 36 die Gas-Trennzone 17 bildet.
  • Die Kohlepartikel 28`, welche die Gas-Trennzone 17 durchquert haben und von den PAK 39 befreit wurden, befinden sich nun innerhalb des Oxidationsmittels 10 und können in Richtung einer Austragsöffnung 45 befördert werden.
  • Bezüglich der Figuren 1 bis 4 ist zu ergänzen, dass die PAK 39 beispielsweise zunächst mit einer Temperatur von 480 °C vorliegen und durch das Verfahren innerhalb des Prozessbereiches 36 einer Temperatur von über 600 °C ausgesetzt werden. Zunächst handelt es sich um Holzgas 5, in dem ebenfalls gasförmige PAKs vorhanden sind sowie mit dem Holzgas mitbewegte Kohlepartikel 28. Kommt es nun zu einer Abkühlung dieses Gemisches, lagern sich die PAKs 39 in den grobporigen und ein große Oberfläche aufweisenden Kohlepartikel 28 an. Dies gilt jedoch zu vermeiden. Aus diesem Grund wird entgegen der Fließrichtung des Holzgases 5 ein Gas 10, 11 oder 12 in den Zylinder 33 eingeleitet, sodass die Holzgase 5 an der Oberfläche (Gas-Trennzone 17) des Sperrgases 10, 11, oder 12 abprallen, umgelenkt werden und in Richtung eines Ausganges abgeführt werden.
  • Währenddessen fallen die Kohlepartikel 28` nach unten und können abgetragen werden. In einer weiteren Ausführungsvariante werden die Kohlepartikel 28` zunächst gesammelt und erst durch die Öffnung einer Schleuse kann ein Abtransport der Partikel 28' stattfinden.
  • Figur 5 zeigt eine Zuführeinheit 1 zur Zuführung eines Ausgangsstoffes in den Reaktor 2, in dem die Temperaturen üblicherweise zwischen 600°C und 800°C liegen. Dieser verfügt über eine Oxidationszone 3 sowie eine Reduktionszone 4. Anschließend verlässt das erzeugte Holzgas 5, welches Kohlepartikel 28 aufweist, idealerweise ohne vorherige Abkühlung, den Reaktor 2 über den Austritt 24.
  • In nicht näher dargestellter Weise durchquert das Holzgas 5 einen Massekraftabscheider 8, so dass ein Holzgas 5', welches nun weniger Kohlepartikel aufweist, als das ursprüngliche Holzgas 5 in Pfeilrichtung 32 abgeführt werden kann. Mittels des Abscheiders 8 werden auch die Kohlepartikel 28 aus dem Holzgasstrom 5 entnommen und in einen separaten Bereich, der Prozesskammer 16, geleitet. Die Prozesskammer 16 stellt den Bereich zur Behandlung der Kohle dar, wobei die Kohle zunächst einen hohen PAK Anteil aufweist, welcher von der Kohle abgetrennt werden muss.
  • Die Prozesskammer 16 ist so ausgeführt, dass sich darin eine heiße Gas-Trennzone 17 bildet, die gegenüber den PAK 39 eine Barriere darstellt, das Passieren von Kohlepartikeln 28 aber ermöglicht.
  • Zur besseren Darstellbarkeit weisen die Kohlepartikel 28 oberhalb der Gas-Trennzone 17 die PAK 39 auf. Nach durchqueren der Gas-Trennzone 17 innerhalb eines Prozessbereichs 36 sind dann die Kohlepartikel 28' ohne PAKs vorhanden.
  • Nach Durchquerung der Prozesskammer 16 fallen die Kohlepartikel 28` auf das Beförderungselement 14, welches ein mechanisches Beförderungselement für die Kohle darstellt. Das Beförderungselement 14 befindet sich innerhalb des Gehäuses 34, welches strömungsleitend und gasdicht mit der Prozesskammer 16 verbunden ist. Über ein Regelventil 30 wird die Zuführung des Oxidationsmittels 10, meist Gas, geregelt. Je nach Menge des Oxidationsmittels 10 wird Einfluss auf den Trennvorgang innerhalb der Prozesskammer 16 genommen, so dass das Gas 5', welches nun deutlicher weniger Kohlepartikel aufweist, in Pfeilrichtung 32 entweichen kann. Je nach Menge des eingeleiteten Oxidationsmittels 10 wird auch Einfluss auf die Temperatur innerhalb der Prozesskammer 16 genommen, wobei die Temperatur mittels Temperaturfühler 29 überwacht wird.
  • Die Kohlepartikel 28', welche aufgrund der Behandlung in der Prozesskammer 16 nun einen stark reduzierten PAK-Anteil aufweisen, werden über das Beförderungselement 14 zu einem Kohlebehälter 19 befördert, welcher sich außerhalb der Nachbehandlungseinheit befindet. Zwischen dem Kohlebehälter 19 und dem Gehäuse 34 befindet sich das Schleusensystem 15, welches eine nahezu gasdichte Abdichtung gegenüber der Umgebung 6 ermöglicht. Nach dem Schleusensystem ist eine Austragsöffnung 45 vorhanden, durch die die Kohlepartikel 28' die Vorrichtung in Richtung des Kohlebehälters 19 verlassen können.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Nachbehandlungseinheit, wobei das Holzgas 5 mit den Kohlepartikel 28 den Reaktor 2 über die Ausgabeeinheit 24 verlässt und über eine Rohrleitung 46 einer stehenden Röhre 37 zugeleitet wird, welche am Eingangsbereich einen Trichter 35 aufweist. Unterhalb des Trichters 35 wird die Röhre 37 von einer Heizummantelung 38 umgeben.
  • Von der Rohrleitung 46 zweigt eine Rohrleitung 49 oberhalb des Trichters 35 ab. Durch diese Rohrleitung 49 wird das aus dem Prozessbereich zurückkehrende und von Kohlepartikeln befreite Holzgas 5' geleitet. Dieses noch warme Holzgas 5' dient zur Erwärmung der Heizungsummantelung 38, welche von der Rohrleitung 49 gespeist wird. Die Wärme des Holzgases 5` wird auf die innerhalb der Heizummantelung 38 geführten Röhre 37 abgegeben. So kann unterhalb des Trichters 35 ein Prozessbereich 36 innerhalb der Röhre gebildet werden, der die PAK 39 an einer Durchströmung der Röhre 37 in Pfeilrichtung 31 hindert. So fallen nur die gereinigten Kohlepartikel 28` auf das Beförderungselement 14 und werden durch das Gehäuse 34 zu einem Kohlebehälter 19 transportiert. Gegenüber der Umgebung 6 ist das Gehäuse 34 mittels des Schleusensystems 15 abgedichtete. Das Bezugszeichen Delta T (ΔT) verdeutlicht die Differenz der Temperatur zwischen zwei Messpunkten, in diesem Fall des Prozessbereichs 36 und der Heizummantelung 38.
  • Das Gehäuse 34 verfügt zudem über eine Zuleitung 40, mit der Kühlgas 13 als kalte Sperrluft in das Gehäuse eingeleitet werden kann. Aufgrund der gasdichten Verbindung des Gehäuses 34 mit der Röhre 37, wird dieses Kühlgas 13 in den Prozessbereich 36 eingeleitet.
  • Somit weist die Röhre im Bereich unterhalb des Trichters 35 einen Heißbereich und im Bereich nahe des Gehäuses 34 einen Kaltbereich auf.
  • Figur 7 zeigt wie aufgrund der Behandlung innerhalb der Prozesskammer 16 das Holzgas 5', mit stark reduzierte Kohlepartikeln die Prozesskammer 16 entgegen der Pfeilrichtung 31 verlässt und abströmen kann. Dabei strömt das Holzgas 5' in Pfeilrichtung 48 in eine von der Rohrleitung 46 abzweigenden Rohrleitung 49 oberhalb des Zylinders 33.
  • Unterhalb der Prozesskammer 16 bzw. des Zylinders 33 befindet sich das Beförderungselement 14, welches die Kohlepartikel 9' entweder zu einem Vorratsbelälter 20, zur Zwischenspeicherung der Kohlepartikel 28` oder dem Kohlebehälter 19 befördern kann.
  • In das Gehäuse 34, welches nahezu gasdicht mit der Prozesskammer 16, d.h. dem Zylinder 33 verbunden ist, kann über die Zuleitung 41 ein inertes Gas 11 eingeleitet werden, welches dann in den Prozessbereich 36 strömt und dort als Sperrgas fungiert. Dieses inerte Gas kann beispielsweise eine Temperatur von mindestens 600°C aufweisen.
  • Über eine weitere Zuleitung 40 kann ein Kühlgas 13 eingeleitet werden, um Einfluss auf den Prozess zu nehmen und um die Anlage und die Kohlepartikel teilweise zu kühlen.
  • Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei ein Massekraftabscheider 8 zur Anwendung kommt. Es handelt sich hierbei um einen Zyklonabscheider. Die Kohlepartikel 28 gelangen hierbei in Pfeilrichtung 31 in die Prozesskammer 16. Über eine Zuleitung 43 am Gehäuse 34 wird ein kaltes Oxidationsmittel 12 in das Gehäuse 34 eingeleitete und so dem Prozessbereich 36 innerhalb der Prozesskammer 16 zugeführt. Aufgrund der verhältnismäßig kalten Temperatur des Oxidationsmittels 12 ist eine Zündvorrichtung 25 notwendig, um die Oxidation innerhalb des Prozessbereiches zu starten. Zusätzlich kann das kalte Oxidationsmittel 12 bei durchtrittdurch das Gehäuse 34 von einem das Gehäuse umgebenden Heizmantel 21 erwärmt werden.
  • Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform als Weiterbildung von Figur 5. Hier kann das Beförderungselement 14 zwischen zwei Kohlebehältern 19a, 19b fördern, wodurch eine zweite Austragsmöglichkeit für die Kohle zur Verfügung steht. Zusätzlich kann über die Zuleitung 42 das Oxidationsmittel 10 dem Prozess zugeführt werden wie auch über die Zuleitung 40 das Kühlgas 13. Der Kohlepartikelstrom 9 wird vereinfacht dargestellt und verlässt als Kohlepartikelstrom 9` die Prozesskammer, nachdem die PAK entfernt wurden
  • Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei das Holzgas 5 mit den Kohlepartikeln 28 einen Heißgasfilter 23 durchströmt. Unterhalb des Heißgasfilters 23 schließt sich über den Eintrittsbereich 27 die Prozesskammer 16 an, in deren Prozessbereich 36 die Gas-Trennzone 17 gebildet wird. Nach Durchquerung der Gas-Trennzone 17 wurde der Kohlepartikelfluss 9' von den PAKs befreit und die Kohlepartikel 28' gelangen auf das Beförderungselement 14. Zusätzlich kann in die Prozesskammer 16 das Oxidationsmittel 10 eingeleitet werden. Dieses Oxidationsmittel kann in Teilen durch die Rohrleitung 49 zusammen mit dem Holzgas 5' abgeführt werden.
  • Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Holzgas 5, welches die Kohlepartikel 28 beinhaltet wieder durch einen Heißgasfilter 23 geleitet wird. Gegenüber der Figur 10, welche ebenfalls einen Heißgasfilter zum Gegenstand hat, ist in Figur 11 als Alternative zu einem trichterförmigen Einlassbereich 27 ein weiteres Beförderungselement 44 vorhanden. Somit soll eine mögliche Anhäufung von Partikeln, wie es ggf. bei einem Trichter auftreten kann, vermieden werden.
  • Figur 12 zeigt eine weitere Ausführung, wobei das über die Rohrleitung 49 abgeführte Holzgas 5' durch einen Wärmetauscher 18 geleitet wird. Durch diesen Wärmetauscher 18 wird auch ein inertes Gas 11 erwärmt, welches innerhalb des Wärmetauschers die Wärmeenergie des Holzgase 5` zumindest teilweise aufnimmt.
  • Das so erwärmte inerte Gas wird dem Zylinder 33 und insbesondere dem Prozessbereich 36 zugeführt, um die PAK des Kohlepartikelstromes 9 abzutrennen. Anstelle eines inerten Gases kann auch ein Oxidationsmittel auf diese Weise erwärmt werden.
    • Zeichnungslegende
    • 1
    Zufuhreinheit
    2
    Reaktor
    3
    Oxidationszone
    4
    Reduktionszone
    5, 5'
    Holzgas
    6
    Umgebung
    7
    Nachbehandlungseinheit
    8
    Massenkraftabscheider
    9, 9`
    Kohlepartikelfluss
    10
    Oxidationsmittel (vorgewärmt)
    11
    inertes Gas (vorgewärmt)
    12
    Oxidationsmittel (kalt)
    13
    Kühlgas
    14
    Beförderungselement
    15
    Schleusensystem
    16
    Prozesskammer
    17
    Gas-Trennzone
    18
    Wärmetauscher
    19,19a, 19b
    Kohlebehälter
    20
    Vorratsbehälter
    21
    Heizmantel
    22
    (leer)
    23
    Heißgasfilter
    24
    Ausgabeeinheit
    25
    Zündvorrichtung
    26
    Partikelstrom
    27
    Eintrittsbereich
    28, 28'
    Kohlepartikel
    29
    Temperaturfühler
    30
    Regelventil
    31
    Pfeilrichtung
    32
    Pfeilrichtung
    33
    Zylinder
    34
    Gehäuse (von 14)
    35
    Trichter
    36
    Prozessbereich
    37
    Röhre
    38
    Heizummantelung
    39
    PAK
    40
    Zuleitung (von 13)
    41
    Zuleitung (von 11)
    42
    Zuleitung (von 10)
    43
    Zuleitung (von 12)
    44
    Beförderungselement
    45
    Austragsöffnung
    46
    Rohrleitung
    47
    Pfeilrichtung
    48
    Pfeilrichtung
    49
    Rohrleitung
    ΔT
    Differenz der Temperatur

Claims (15)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (5, 5') aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus stückigem Holz, mit einer Zufuhreinheit (1) zur Zufuhr des Ausgangsstoffs zu einem Reaktor (2), wobei der Reaktor (2) wenigstens eine Ausgabeeinheit (24) zum Ausgeben eines kohlenstoffhaltigen Reststoffs, insbesondere Kohlepartikel (28) umfasst, wobei eine Nachbehandlungseinheit (7) zum Nachbehandeln des Reststoffes zur Reduktion von polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe [PAK] (39) vorgesehen ist, bevor die Kohlepartikel (28') über eine Austragsöffnung (45) die Nachbehandlungseinheit (7) verlassen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer weitgehend unbelasteten Pflanzenkohle die Nachbehandlungseinheit (7) eine Prozesskammer (16) umfasst, in die oberhalb mindestens die belasteten Kohlepartikel (28) zusammen mit den bei der Verbrennung des Ausgangsstoffes entstandenen PAK (39) zugeführt werden, und unterhalb ein weiteres als Sperrgas ausgebildetes Gas (10, 11, 12) zugeführt wird, um innerhalb der Prozesskammer (16) eine Gas-Trennzone (17) zu bilden, die den Durchtritt der PAK (39) in Richtung der Austragsöffnung (45) weitgehend verhindert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlepartikel (28, 28') die Gas-Trennzone (17) im Wesentlichen von oben nach unten mittels Schwerkraft und/oder durch vorherige Beschleunigung durchqueren.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gas-Trennzone (17) in der Prozesskammer (16) durch das Zuführen des Gases (10,11,12) entgegen der Bewegungsrichtung der Kohlepartikel (28') ausbreitet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlepartikel (28) nach dem Austritt aus dem Reaktor (2) mit einem Abscheider (8) vom Gasgemisch (5, 5') getrennt und der Prozesskammer (16) zugeführt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (10,11, 12) zur Bildung der Gas-Trennzone (17) der Prozesskammer (16) im Wesentlichen an der Stelle zugeführt wird, an dem die Kohlepartikel (28) diese verlassen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Prozesskammer (16) als Gas ein Oxidationsmittel (10, 12), vorzugsweise Luft eingebracht wird, welches mit Anteilen des brennbaren Gasgemisches (5) in der Prozesskammer oxidiert (17).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (12) kalt ist und zumindest teilweise entgegen der Flussrichtung des Kohlepartikelflusses (9) die Prozesskammer (16) durchströmt und mit Anteilen des brennbaren Gasgemisches (5, 5') in der Prozesskammer (16) oxidiert und dass eine in der Prozesskammer (16) vorhandene Zündvorrichtung (25) die Oxidation initiiert oder dauerhaften gewährleistet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Prozesskammer (16) eingebrachte Gas ein erwärmtes inertes Gas (11) ist.
  9. Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (5, 5') aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus stückigem Holz, mit einer Zufuhreinheit (1) zur Zufuhr des Ausgangsstoffs zu einem Reaktor (2), wobei der Reaktor (2) wenigstens eine Ausgabeeinheit (24) zum Ausgeben eines kohlenstoffhaltigen Reststoffs, insbesondere Kohlepartikel (28) umfasst, wobei eine Nachbehandlungseinheit (7) zum Nachbehandeln des Reststoffes zur Reduktion von polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe [PAK] (39) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer weitgehend unbelasteten Pflanzenkohle die Nachbehandlungseinheit (7) eine Prozesskammer (16) umfasst, in die oberhalb mindestens die belasteten Kohlepartikel (28) zusammen mit den bei der Verbrennung des Ausgangsstoffes entstandenen PAK (39) zuführbar sind und unterhalb ein weiteres als Sperrgas ausgebildetes Gas (10, 11, 12) zuführbar ist, um innerhalb der Prozesskammer (16) eine Gas-Trennzone (17) zu bilden, die den Durchtritt der PAK (39) weitgehend verhindert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (16) ein senkrecht stehend angeordneter Zylinder (37, 48) ist, dessen Höhe mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Prozesskammer (16) mindestens ein Beförderungselement (14) zum Bewegen und/oder Austragen der Kohlepartikel (28') vorhanden ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Austragung der Kohlepartikeln (28') aus dem Gesamtsystem ein nahezu gasdichtes Schleusensystem (15) mit mindestens zwei hintereinander geschalteten aber immer mindestens einem geschlossenen Dichtelement wie Klappe/Schieber oder dergleichen angebracht ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (10, 12, 13) über eine Zuleitung (40, 42, 43) in das Gehäuse (34) des Beförderungselements (14) eingeleitet wird, und dass das Gehäuse (34) gasdicht mit der Unterseite der Prozesskammer (16) verbunden ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturregelung innerhalb der Prozesskammer (16) die Menge des zugeführten erwärmten Gases (10) mittels eines Proportional-Stellventils (30) im Bereich der Zuleitung (42) einstellbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (16) von einem mit einem Heizmantel (21) umgeben ist, welcher durch Erwärmung die Gas-Trennzone (17) ausbildet.
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