SE420619B - Gasgenerator och anvendning av densamma for att bilda brenslegas - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 8861802- 1 för biobränslen såsom ved och torv men kan även för- gasa andra gasrika bränslen såsom brunkol, etc. Gas- generatorn är särskilt lämpad för pannved, briketter, träkubb, vedträn etc. Flis och andra finfördelade bränslen kan dock också användas. Dimensioneringen och detaljut- formningen av gasgeneratorn och dess rost kan lätt anpassas till det föredragna bränslet.

Uppfinningen bygger på en unik kombination av geomet- riska och termokemiska principer. En ny konstruk- tionsprincip har därvid anvisats för gasgeneratorns funktionella element för att medge ett nytt förgasnings- förlopp, som är anpassat för de nämnda föredragna bränslenas speciella egenskaper. En konventionell gasgene- rator är beskriven i svenska utläggningsskriften 348 752.

Ingen av de kända konstruktionerna tillmötesgâr de ovan framförda önskemålen så väl som den föreliggande uppfinningen som avser en gasgenerator för gasrika fas- ta bränslen såsom ved, torv och brunkol med en bränsle- behållare med en rost, ett rostrum och ett avlopp för bränslegasen kännetecknad av a) att rosten är anordnad i bränslebehållarens nedersta del och bildar en vinkel med hori- sontalplanet b) att rostrummet nedtill är försett med anord- ningar för tillförsel av en reaktionsgas för förgasning av det fasta bränslet i en smal zon c) att rosten är uppbyggd av uppåtriktade rost- stavar eller rostelement d) att rostrummet upptill är förbundet med avloppet för bränslegasen med en spalt eller förträngning.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare med hjälp av 0991892-1 figurerna l,2,3,4 och 5.

Figur l visar helt schematiskt principen för den nya gasfieneratorn.

Figur 2 visar en ändamålsenlig utföringsform med ute- 5 lämnande av konstruktiva detaljer.

Figur 3 visar olika tvärsnitt för bränslebehâllare, rost och rostrum.

Figur 4 visar en lämplig rostkonstruktion.

Figur 5 visar slutligen ett blockschema för ett kom- 10 plett system för en förbränningsmotor.

Figur l visar de geometriska förhållandena som i prin- cip bestämmer förgasningsförloppet i den nya gasgene- ratorn. Bränslebehållaren (1) avslutas nedtill med en snedställd rost (2) som bär upp bränslechargen (3).

En reaktiongas, t ex förvärmd luft,til1föres rostrummet (4) vid rostens nederkant (5) via inloppet (6). Den brän- slegas som bildas i den smala förgasningszonen (7) intill rosten (2) strömmar mot spalten (8)vid rostens överkant (9) där den avgår till gasavloppet (10). Strömningsbilden är så- des en helt annan än vid konventionella gasgeneratorer.

Figur 2 visar en gasgenerator enligt uppfinningen i en föredragen utföringsform. Figur 2 visar i första hand de konstruktiva förhållanden som utgör en förutsätt- ning för det nya förfarandet. Bränslebehållaren (1), 25 i som 1 emznïulsskale kan ne en längd på omkring 1 meter och ett kvadratiskt tvärsnitt på omkring 0,2 x 0,2 me- ter, avslutas nedtill med rosten (2) vilken liksom bränslebehållaren själv bildar en vinkel mot horisontal- 10 15 20 25 30 83-61 892-1 planet, företrädesvis omkring 30-60°. Rosten behöver dock ej vara anordnad vinkelrätt mot magasinets huvud- riktning som visas i Figur 2. Rosten kan t.ex. luta 600 mot horisontalplanet och även bränslebehållaren varvid vinkeln mellan rost och bränslebehållarens hu- vudsakliga utsträckning också uppgâr till 600.

Det angivna området för lutningarna 30-60° är lämplig- hetsvärden. Uppfinningens tekniska verkan åstadkomes också vid lutningsvinklar för respektive element som kan uppgå till så mycket som 70-75°. I en extrem ut- föringsform är bränslebehållaren vertikalt anordnad men nedtill avslutad med en snedställd rost med uppåt- riktade roststavar.

Bränslebehållaren (1) innehåller bränslechargen (3), t.ex. vedträn, som står på rosten (2).

Det är ofta lämpligt att anordna ytterligare en före- trädesvis horisontellt anordnad planrost (ll) för upp- fångning av icke helt slutförgasat bränsle som kan fal- la ut genom rosten (2). Askan uppsamlas i asklådan (12).

Reaktionsgasen för förgasningen kan utgöras t.ex. av för- luft för partiell förbränning/förgasning eller med ett tillskott av vatten- ånga som beskrives i en samtidigt ingiven patentansökan "Sätt för tvâstegsförbränning av ved, torv och liknande bränslen". Reaktionsgasen kan också tillföras på ett pulserande sätt enligt en annan också samtidigt ingiven värmd het rökgas eller avgas patentansökan "Sätt för pulserande förgasning".

I exemplet enligt Figur 2 användes dock luft som inkom- Luften förvärmes i värmeväxlaren (15) före utloppet (16). mer via dragluckan (13) på inloppsröret (14). 8901802- 1 Den bildade bränslegasen strömmar uppåt längs rosten (2) mot spalten eller förträngningen (8). Spalten förbinder rostrummet (4) med gasavloppet (10). Ytförhållandet mellan spalten och rosten bör vara mindre än omkring 1:5, ett föredraget värde är omkring l:l0 eller därunder.

Spalten eller förträngningen (8) kan utgöras av flera parallella spalter eller slitsar eller av en serie hål.

Temperaturen i förgasningszonen bör ligga i området 550 - 950%, företrädesvis 625 - 77s°c een regleras ge- nom tillförsel och sammansättning pâ reaktionsgasen. Ett tillskott av recirkulerad rökgas från förbränningen av gasen kan ske via ledningen (17) med spjället (18) och fläkten (19). Den heta bränslegasen innehåller kol- monoxid, koldioxid, väte, metan och andra lätta kolväten, tjärsubstanser, kimrök, vattenånga och kväve jämte ev. förekommande svavel- och kväveföreningar.

En mycket hastig pyrolys och förgasning av bränslet sker i den smala förgasningszonen. Pyrolys- och förgasnings- återstoden oxideras av syret 1 reaktionsgasen. Organis- ka kväveföreningar brytes ned till kväve. Jämvikterna hinner inte ställa in sig varför bränslegasen bl.a. inne- håller hög halt metan. Bränslegasen kyles lämpligen i värmeväxlaren (20) före användningen (gäller förbränninge- motorer).

Det är överraskande att greppet med den snedställa ros- ten och den smala förgasningszonen genererar en bränsle- gas som kan förbrännas fullständigt och miljövänligt.

En entydig förklaring till detta kan inte lämnas. Ingen av de kända konstruktionerna ger emellertid snabba och intensiva reaktionsförlopp i en smal zon kombinerat med att alla bildade gaser snabbt avgår till gasav- loppet. Dessa förhållanden, som kan betecknas flash pyrolys / förgasning, ger enligt de senaste rönen på detta 10 15 20 25 30 SMHSGZ-'I område en bränslegas med högre bränslevärde och bättre förbränningsegenskaper bl.a. beroende på en högre metan- halt. mängd pyrolysåterstod som dessutom är mer reaktiv vid Pyrolysen blir också mer fullständig med mindre förgasning och slutförbränning.

Dessa gynnsamma förhållanden uppnås inte vid tidigare gasgeneratorer som kännetecknas av mer utbredda aktiva zoner och till följd härav långsammare termokemiska för- lopp och längre uppehållstider för bildad bränslegas med termokemisk omvandling av de primärt bildade pyrolys- produkterna som följd.

Det kan tilläggas att den snedställda rosten_i kombina- tion med tillförselnav reaktionsgas i dess nederkant också ger andra praktiska fördelar exempelvis god slut- utbränning av bränslechargen. Återstående bränsle sam- las vid slutet av förloppet i rostens nederdel där det bringas i kontakt med inkommande reaktionsgas vilket ger effektiv slutförbränning också av de sista resterna av pyrolys- och förgasningsåterstoden.

Den snedställda rosten i kombination med en stor bräns- lebehållare medger också drift på deleffekt med ett jämnt förlopp vid användande av pannved. Pannveden ställs stående i bränslebehållaren och fyller en större el- ler mindre del av denna så att den aktiva smala zonen bildas i en större eller mindre del av rosten räknat från dess nederkant. Den i detta fall icke använda öv- re fria delen av rostarean kan eventuellt täckas med en ev. ställbar skärmplåt. De för uppfinningen känne- tecknande intensiva pyrolys- och förgasningsbetingel- serna kan på detta sätt således åstadkommas också med mindre bränslecharger. 10 15 20 25 30 8-901892-1 Den konstruktiva utformningen av gasgeneratorn i öv- rigt kan grundas på den kända tekniken för gasgene- ratorer och eldstäder i allmänhet. Figur 2 visar så- ledes helt schematiskt hur kondensat i bränslebehålla- rens övre del fångas upp i fällan (21) för att sedan avledas till kärlet (22) med avtappningen (23). Till- satsluft kan tillföras via dragluckan (24) och utask- ning ske genom luckan (25).

De streckade linjerna (26) resp. (27) anger gasgenera- torns inre och yttre avgränsningsytor. uppbyggnad får avgöras från fall till fall beroende på gasgeneratorns belägenhet (inomhus eller utomhus) samt övriga villkor och begränsningar (traktionär eller Material och stationär tillämpning).

Det är inte nödvändigt att här beskriva alla dessa möj- liga utföringsformer liksom andra konventionella an- läggningsdelar. Det finns också på marknaden en riklig tillgång på lämpliga eldhärdiga legeringar för rosten och andra heta delar av gasgeneratorn.

Uppfinningens förnämsta verkan, den effektiva för- gasninqfln måste burn på den snabba pyrolynum 1 don smala förgasningszonen (6) vilket ger en reakLív bränslegas med bl.a. metan 1 en halt som vida överstiger jämvikts- koncentrationen samt ringa mängd char. Den genomsnittliga uppehållstiden för gasen i förgasningszonen är av stor- leksordningen l sekund vid normal drift att jämföra med uppehållstider av storleksordningen 10 sekunder eller däröver vid kända gasgeneratorer med fast bädd. Denna skillnad torde ha en stor betydelse för uppfinningens tekniska verkan genom annorlunda termokemiska förhål- landen, som närmast ansluter sig till s.k. flash pyrolys 10 15 20 25 30 89618024 jämfört med långsammare förlopp i konventionella gas- generatorer Vilketberörts ovan. Strömningsförhâllan- dena för gasen som strömmar uppåt längs den snedställda rosten avviker också högst betydligt från förhållandena vid en vertikalt eller horisontellt anordnad förgas- ningszon. Strömningsförhållandena vid den snedställda rosten med dess uppåtriktade roststavar ökar hastigheten för värme- och materietransport mellan gasfasen och den fasta fasen.

En mycket liten del av bränslechargen är varje ögon- blick berörd av förgasningsförloppet. Förloppet kan populärt beskrivas så att bränslechargen förtärs som en cigarr med glöden intill rosten. Detta förlopp blir särskilt markant beroende på att endast den nedersta de- len av bränslechargen deltar i förloppet. Tack vare detta kan effekten snabbt ställas om från "spareffekt" till full effekt och vice versa.

Regleringen av förgasningsförloppet sker givetvis ge- nom reglerad tillförsel av reaktionsgasen, t.ex. luft.

Vid enklare utföringsformer med självdrag och manuell reglering av dragluckorna under konstanta driftbeting- elser har man nytta av observationsfönster in till rostrummet vid inställning av lufttillförseln. En brän- slegastermometer samt visuell bedömning av den gas som lämnar avloppet ger ytterligare vägledning vid manu- ell inställning.

Gasgeneratorn enligt uppfinningen lämpar sig dock mycket väl för automatisk reglering. Detta teknikområde är idag väl känt med många beprövade lösningar och jag kan därför begränsa mig här till att ange några lämpliga principer för automatisk reglering.

Reglersystemets utformning betingas av en rad villkor 10 15 20 25 30 89618024 såsom (a) storleken på gasgeneratorn, (b) om bränsle- gasen användes för eldning i en eldstad eller som bränsle för en förbränningsmotor etc., (c) bränslets egenskaper inte minst förekommande kvalitetsvariationer, r(d) om flera olika bränslen avses komma till användning, etc.

Regleringen kan också ha olika syften. Ett syfte kan vara att styra tillförseln av reaktionsqas för en kon- stant och optimal förgasning av hela bränslechargen till slut. att gasgeneratorn levererar den efterfrågade effekten Ett annat syfte kan vara att styra förloppet så under optimala förgasningsbetingelser.

Det är ofta lämpligt att styra tillförseln av reaktions- gasen med hjälp av mekaniskt verkande regleranord- ningar för luckorna av bimetallisk typ vilka också före- kommer allmänt i olika kamin- och spiskonstruktioner.

Figurerna 3 a-f visar helt schematiskt snitt genom olika formade bränslebehållare i deras nedersta del parallellt med rosten. Figur 3a visar således ett så- dant snitt genom bränslebehållaren (1) enligt Figur 2.

Rosten (2) har ett kvadratiskt tvärsnitt i denna ut- föringsform. Den lângsmala spalten (8) avgränsas av bränslebehållarens kant (9) 0Ch aVCräfiSflin9SYt°rna((23) (företrädesvis tegel). Figur 3b visar med samma be- teckningar en bränslebehållare med ett delvis cirkulärt tvärsnitt, varigenom de från.förgasningssynpunkt mindre aktiva nedre hörnen av rosten enligt Figur 3a elimi- neras. Figur 3c visar ytterligare en variation med en bågformad spalt (8) och en relativt långsträckt rost (2). Figur 3d visar en förträngning med flera spalter (29) och Figur 3e en förträngning bestående av flera hål (30).Figur 3 f visar en dubbelrost med två rostytor som är motställda och förenade med balken (31)l Gknæmsamt för dessa är den 10 15 20 n 30 8991 8 32-1 10 snedställda rosten med de uppåtriktade roststavarna (32) som leder vid förgasningen bildad bränslegas mot en spalt intill rostens övre kant där bränslegasen avgår till gasavlopoet för nytticgörande.som bränslegas i en eldstad eller en förbränningsmotor.

Utformningen och dimensionering av rosten (2) beror av många faktorer såsom bränslets art,generatorns storlek, etc. Rosten skall hålla kvar pyrolysåterstoden tills den slutförbränts. Åskan kommer sedan att tryckas ut genom rosten och falla ned i asklådan (12). Icke slut- förbränt bränsle fångas upp på planrosten (ll) för slutförbränning. Pelletbränsle kräver rostelement med mindre spalter eller öppningar än konventionella roster.

Rosten skall ge en snabb och jämn tillförsel av reak- tionsgas över hela rostytan och en jämnt fördelad av- gång av bränslegas. Ett annat viktigt praktiskt önske- mål är att det skall gå att utan alltför stort besvär avlägsna bitar av oreagerat material exempelvis spikar från byggnadsavfall, konservburkar från hushållsavfall etc.

Många olika rostkonstruktioner har anvisats och kommit Svenska patentet 111352 be- skriver eldstäder för magasinseldning med snedställd till praktisk användning. rost. Vid denna eldstad äger förbränningen rum i en förbränningskammare anordnad under rosten varvid ga- serna strömmar i huvudsak nedåt fram till rökgaskana- len. Principen med en temperaturpåverkad regulator för styrning av lufttillförseln till rostens olika delar kan dock tillgripas även för den föreliggande uppfinningen.

Olika konstgrepp kan tillgripas för styrning av reak- tionsgas- och bränslegasflödena exempelvis genom rost- järn med vingar enligt svenska patentet 5805 eller genom en rost med en spaltstorlek anpassad för jämn reaktions- 10 15 20 25 30 Gflfl18B2-1 ll gastillförsel enligt svenska patentet 7021. Rost- stängerna kan vara försedda med luftkanaler enligt svenska patentet 50499. Mer avancerade rostkonstruk- tioner utnyttjar vätskekylning dels för att återvinna värme, dels öka livslängden på rosten, exempelvis en- ligt svenska patentet 35168. Svenska patentet 81188 beskriver en sådan vätskekyld rost som dessutom är rör- lig och förflyttbar.

Det är ingen svårighet för fackmannen att utnyttja dessa rostkonstruktioner och andra kända konstruktioner vid utformningen av rosten med dess uppåtriktade rost- stavar eller andra rostelement med samma funktion.

Figur 4 visar en enklast tänkbara utföringsform av rosten som väl tillmötesgâr alla krav vid eldning av vedbränsle. Roststavarna (32) är tillverkade av hög- legerat eldhärdigt stål och har i detta exempel en bredd på 3 mm och en höjd på 3 cm. Rostjärnen är anordnade som en gallerrost med hjälp av de tvärgående stagstavar- na (33) och (34). Gallerrosten är ledande upphängd i sin överkant mot en stav (35) som är fäst vid bränsle- behållarens kant (36). Figur 4 visar hur rosten på ett enkelt sätt kan fästas vid bränslebehållaren genom att de båda yttersta rostjärnen och helst några mellanliggan- de försetts med påhäng (37).

Rosten hålles emot bränslebehållarens underkant med hjälp av roststaken (38) som är fäst vid den nedre stag- staven (33). Roststaken vilar mot bränslebehållarens undersida och är i sin övre del utformad som ett hand- tag (39) som låsesrmnzettgrepp (40) i hehållarens överdel.

Man kan lätt rensa rosten genom att lossa handtaget och öppna rosten mot askluckan varvid materialet på rosten rasar ned i asklådan etc genom den spalt som bildas vid 10 15 20 25 30 8901802-1 12 rostens nedre del.

Figur 5 visar helt schematiskt de olika komponenterna i ett system för en lastbil. Gasgeneratorn tjänar samma syfte som ett s.k. gengasaggregat. Det måste dock fram- hållas att konventionella gengasaggregat arbetar med en helt annan princip för den termokemiska framställningen av drivgasen. Vid konventionella gengasaggregat fram- ställs drivgasen genom reduktion av en förbränningsgas i en reduktionszon i den s.k. härden som innehåller trä- kol i glödande tillstånd, som framgår av t.ex. den svenska utläggningsskriften 348752 och många äldre svens- ka patentskrifter som 69137, 103821, 107230, 110100, 112171 m.fl. ffämßt av kolmonoxid och vätgas.

Bränsledelen i denna drivgas utgöres Drivgasen vid gasgene- ratorn enligt uppfinningen framställes däremot genom ett pyrolys/förgasningsförlopp som närmast påminner om flash pyrolys varvid drivgasen också innehållerhög halt k°Vät@n såsom metan etc.

Gasgeneratorn i Figur S har ett vertikalt bränslemagasin som nedtill avslutas med en snedställd rost. Bränslemaga- sinet har en kvadratisk tvärsnitt med sidan 50 om och har en höjd på 120 cm. fRostens lutning är 450 och dess yta därmed 40 % större än en motsvarande horisontellt anordnad rost. Bränslet utgöres i detta utföringsexem- pel av pellets tillverkade av skogsavfall, torv, energi- skog etc. med en diameter på omkring 15 mm. Slitsarna i rosten mellan roststavarna har en bredd på 5 mm. Igen- sättning av rosten förhindras genom skakningarna vid körningen. Rosten kan eventuellt förses med en vibra- tor (41) eller annan anordning för att motverka igen- sättning. Bränslemagasinet är omgivet av en yttre man- tel (42) och perforerat i sin överdel så att avgivna ångor kan kandensera mot mantelns luftkylda yttersida. 10 15 20 25 30 8601802- 1 13 Kondensaten tillföres förgasningszonen via en särskild ledning (43). formad enligt den princip som åskådliggjorts i Figur 2.

Gasgeneratorn är i allt väsentligtut- Beteckningarna är också samma som i Figur 2.

Generatorn är i övrigt utformad enligt de tillverknings- och konstruktionsprinciper och med de material som ut- vecklats för gengasaggregat och som lämpar sig för till- verkning i stor skala. En allmän beskrivning av erfaren- heter från gengasdrivna fordon under andra världskriget har redovisats i Ingenjörsvetenskapsakademins skrift "Gengas“ Stockholm (1950) - översatt till engelska av Solar Energy Research Institute och tillgänglig via NTIS, USA under beteckningen SP 33-140.

Bränslegasen passerar ett filter (44) och en reaktor (45) för eliminering av högre kolväten och kimrök som kan medfölja bränslegasen från rostrummet. Reaktorn (45) innehåller en svaveltålig katalysator (46) på nickelbas för steam reforming. Bränslegasen kyls sedan i kylaren (47) som samtidigt tjänar som förvärmare för luftflödet till gasgeneratorn. Luftflödet inkommer via luftintaget (48). Vid start och acceleration inkopplas den elektriskt drivna fläkten (49). till förbränningsmotorn (50) via ledningen (51).

Drivgasen avledes En del av avgasen från förbränningsmotorn återföres med reaktionsgasen till gasgeneratorns förgasningszon via ledningen (52) som är försedd med spjället (53). Avgas- recirkulation är inte nödvändig men förbättrar förgas- ningen i betydande grad. Ett lämpligt värde för avgas- recirkulationen är 5-20 %.

Figur 5 visar också en anordning för tillsats av vatten- ånga till reaktionsgasen från tanken (54) med den avgas- 10 15 20 25~ 8001802- 1 14 värmda förångaren (55) Och ledningen (56). Tillsatsen kan vara 0,1 - 0,4 kg vatten/kg torrt bränsle och får anpassas efter bränslets fukthalt. Vattentillsats är inte ak- tuell vid system utan reaktor (45) för steam reforming.

En gasgenerator enligt Figur 5 har en avgiven effekt på omkring 70 kW. Metanhalten i drivgasen uppgår till omkring 0,05 Nm3/kg bränsle (analyserat före reaktorn (45)). Bränslevärdet beror av olika omständigheter så- som förgasningstemperaturen, bränslets art och fukt- halt men ligger ofta på nivån l800-2200 Kcal/Nm3, d.v.s. betydligt över bränslevärdet för drivgas från konventionella gengasaggregat.

Reglering av systemet enligt Figur 5 göres lämpligen med hjälp av en miniatyriserad processdator. Det är ingen svårighet för fackmannen att för olika typer av bränslen välja lämpliga tillsatssystem och lämpliga driftbetingelser för ett agrregat innehållande gas- generatorn enligt uppfinningen som central komponent.

Omfattande erfarenheter som kan vara till nytta härvid- lag föreligger från gengasdrift av fordon under det andra världskriget Beskrivningen har tagit fasta på de speciella känne- tecknen för gasgeneratorn enligt uppfinningen. Några föredragna utföringsformer har också beskrivits för att ge fackmannen ledning vid tillämpningen av upp- finningen. Uppfinningsföremålet är därmed inte be- gränsat till dessa speciella utföringsformer.

Claims (1)

10 15 20 25 5091802-1 15 Patentansgråk Krav l Gasgencrator for gasrika fasta bränslen såsom ved, torv och brunkol med en bränslebehållare (l) med en rost (2), ett rostrum (4) som är förbundet med ett avlopp (10) med en spalt eller förtränqninq (8) för bildad bränsleoas k ä n.n e t e c k n a d av (a) att rosten (2) är anordnad i bränslebehållarens (l) nedersta del och lutar mot horisontalplanet (b) att rostrummet (4) är anordnat under rosten (2) och är nedtill försett med anordningar (6, 1fi) för tillförsel av en reaktionsgas för förgasning av det fasta bränslet i en förqasningszon (7) (c) att rosten är uppbygqd av uppåtriktade roststavar eller rostclement (32) (d) att rostrummct (4) upptill är förbundet med av- loppet (10) så att bildad bränslegas strömmar länqs med rosten (2) mot spalten eller förträngningen (8). Krav 2 Gasgenerator enligt krav l k ä n n e t e c k n a d av att rosten (2) bildar on vinkel med horisontalplanet inom onn'$':c1<- t 3 016 Un . .w Krav 3 Gasqenerator enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a d av att rostrummet (4) innehåller en planrost (ll). seto1so2-1 1G Krav 4 Användning för att av gasrika fasta bränslen såsom ved, torv och brunkol bilda bränslegas med hjälp av Q en gasgenerator enligt kraven l-3.