WO2013060474A1 - Verfahren zum betreiben eines vergasungsreaktors - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines vergasungsreaktors Download PDF

Info

Publication number
WO2013060474A1
WO2013060474A1 PCT/EP2012/004503 EP2012004503W WO2013060474A1 WO 2013060474 A1 WO2013060474 A1 WO 2013060474A1 EP 2012004503 W EP2012004503 W EP 2012004503W WO 2013060474 A1 WO2013060474 A1 WO 2013060474A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gasification
reaction chamber
reactor
controlled
fuel
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/004503
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin ZUCKERMAIER
Thomas Tschaftary
Original Assignee
Ligento green power 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 Ligento green power GmbH filed Critical Ligento green power GmbH
Priority to EP12783523.9A priority Critical patent/EP2771437A1/de
Publication of WO2013060474A1 publication Critical patent/WO2013060474A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/723—Controlling or regulating the gasification process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C10J3/20—Apparatus; Plants
    • C10J3/22—Arrangements or dispositions of valves or flues
    • C10J3/24—Arrangements or dispositions of valves or flues to permit flow of gases or vapours other than upwardly through the fuel bed
    • C10J3/26—Arrangements or dispositions of valves or flues to permit flow of gases or vapours other than upwardly through the fuel bed downwardly
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C10J3/20—Apparatus; Plants
    • C10J3/34—Grates; Mechanical ash-removing devices
    • C10J3/36—Fixed grates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/78—High-pressure apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/093—Coal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0956—Air or oxygen enriched air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gasification reactor (1) with a reaction chamber (4) for the autothermal and / or allothermal gasification of carbonaceous fuel to useful gases, wherein composition (28), amount (20), pressure (22), speed, Temperature (26) and / or specific outlet pulse of a control inputs (10) of the reaction chamber (4) added gasification variable based on a number of in the reaction chamber (4) determined control variables (30, 32, 34, 36, 38, 40) to be controlled.
  • Such a method is known, for example, from DE 10 2004 020 919 A1.
  • a reactor is generally understood to mean a part of a plant in which chemical reactions of one or more starting materials to one or more products are carried out. Therefore, in this invention, under a gasification reactor, a container is understood to be a part of an installation in which carbonaceous fuel material is converted into useful gases, ie gasified.
  • a useful gas is understood as meaning a substance or a substance mixture which is suitable both itself as fuel for internal combustion engines and also as raw material for further chemical production processes.
  • a carbonaceous fuel material is understood to mean such a material whose carbon contained in the form of an exothermic reaction oxidizes to carbon dioxide (CO 2 ) in air, that is to say it can be burned.
  • the carbonaceous fuel includes in particular
  • biomass in particular biomass, fossil fuels and synthetic organic substances, especially according to carbon-containing plastics.
  • biomass is generally understood to mean any carbonaceous substance which is derived directly or indirectly from physiological processes of living organisms, in particular from plant photosynthesis, is not deprived of the natural carbon cycle and can also be exothermally converted to CO2 by organisms.
  • biomass are fermentation residues, wood, leaves, hay, straw, paper, cardboard, compost, faeces and sewage sludge.
  • fossil fuels are understood to mean those forms of biomass which are located in a geological depression and are thus removed from the natural carbon cycle.
  • fossil fuels are asphalt, tar, bitumen, peat, lignite, hard coal and graphite.
  • a carbonaceous fuel material may also be understood to mean a mixture of different carbonaceous fuel materials, for example biomass, synthetic-organic materials and especially plastics.
  • Another example of a carbonaceous fuel is therefore household waste as a mixture of such fuels.
  • the shape of the carbonaceous fuel is independent of its shape, another example is wood in the form of logs, wood chips of varying size, sawdust or in the form of pellets.
  • the pyrolysis as a purely thermal decomposition of biomass, hard coal and lignite runs predominantly endothermic depending on the oxygen content and the binding of the oxygen. Within the fuel, the pyrolysis may also be exothermic.
  • the pyrolysis of hard coal or brown coal arise in addition to carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ), for example, still volatile hydrocarbons.
  • Plastics for example, consisting only of carbon and hydrogen, pyrolyze under exclusion of air exclusively to lower hydrocarbons.
  • carbon-containing fuel materials can be converted to useful gases with gasification agents, for example carbon with a deficiency of O 2 to CO, then carbon with water (H 2 O) to CO and H 2 , then CH 4 with O 2 to CO.
  • gasification agents for example carbon with a deficiency of O 2 to CO, then carbon with water (H 2 O) to CO and H 2 , then CH 4 with O 2 to CO.
  • the gasification reactions of carbonaceous fuel with H 2 O are endothermic.
  • a natural gasification agent is used in particular air, which may also be enriched with H 2 O, for example as an aerosol or vapor.
  • a gasification agent is understood to mean a pure substance or substance mixture whose addition to the carbonaceous fuel material increases the conversion into useful gases.
  • the gasification of carbonaceous fuel to Nutzgas is predominantly economical only if the fuel is not only readily available or cheap, but the gasification in their energy balance depends solely on the energy content of the fuel.
  • This relates in particular to the use of the useful gas as actual fuel for internal combustion engines, for example for the operation of a gas engine or a gas turbine.
  • the gasification of carbonaceous fuel to Nutzgas then requires a total exothermic running overall process, the energetic itself as long as enough fuel is available.
  • the heat released can also be used, for example, for heating residential buildings, as is the case with combined heat and power in combined heat and power plants (CHP).
  • CHP combined heat and power plants
  • an internal combustion engine is in turn coupled to a generator, which then finally converts mechanical energy into electrical energy.
  • wood is a carbonaceous fuel, like a normal grate on a grid.
  • air is sucked through the grate and the burning wood as a gasifying agent.
  • the upper layers of wood burn only partially and pyrolyze at the same time to Nutzgas, which is sucked off at the upper end of the furnace.
  • Air and natural gas move countercurrently in the opposite direction to the slowly sinking wood.
  • the resulting useful gas has a relatively low temperature of about 100 ° C and contains due to the ongoing drying and pyrolysis of the wood correspondingly much water vapor and organic constituents, which condense on further cooling to an acidic wood tar.
  • the wood tar produced in the countercurrent and DC wood gasification processes is not suitable for internal combustion engines, but damages them due to its adhesive properties.
  • similar high-viscosity residues occur, which are generally referred to as condensate in the present invention.
  • the resulting condensate not only reduces the efficiency with respect to material utilization balance of the gasification reactor, but must be removed from the useful gas by a gas scrubber. This additionally reduces the energy balance of the entire system and additionally requires washing liquid, for example water. Since the condensate is not only corrosive due to its pH, but also toxic and difficult to biodegrade, this results in a disposal problem.
  • fluidized bed gasification reactors in which the fuel is converted into useful gases in an incomplete fluidized bed furnace. In this case, no condensate is generated, since this is also converted to Nutzgasen.
  • gasification in fluidized-bed gasification reactors is restricted to solid fuel materials having a particle size of less than 40 mm with a water content of at least 25% by weight, the particles being suspended by a fluid medium that constantly swirls, for example air. have to. To maintain the fluidized bed, therefore, an external fluid supply with a high flow rate is necessary, which corresponds to an externally supplied work.
  • fluidized-bed gasification reactors can not be operated autothermally, but only allothermally, ie with the supply of external heat energy.
  • the total supply of these two types of energy shall be deducted from the total efficiency of the installation.
  • This gasification technology is only economical for power plants in the power range of 1, 5 to 3 MW, whereby the overall efficiency is only about 30%.
  • a special form of the fluidized-bed gasification reactor is the Winkler generator, in which the fluidized bed can be maintained even better in the entire reactor space by means of ring loops arranged in series around the reactor body.
  • Advantages of the Winkler generator are a homogeneous temperature distribution and better mixing of the particles compared to other fluidized bed gasification reactors.
  • the Winkler reactor is only suitable for the gasification of coal, especially lignite, limited to the smallest possible particle size.
  • a significant improvement of the fluidized bed gasification reactor is provided by the entrained flow gasification reactor in which the carbonaceous
  • Fuel is introduced as dust, slurry or paste as a burner in the gasification room.
  • the gasification processes take place in a cloud of dust.
  • This form of supply requires a corresponding pretreatment of the fuel, especially in biomass as a fuel to be introduced via a pneumatic system in the carburetor and gasified there in a very short time. Even such systems can be operated only with supply of work and heat energy.
  • the supply of heat energy by a continuous ignition with a Zündfackel.
  • the Koppers-Trotzek reactor as a special form of entrained flow gasification reactor is particularly suitable for the gasification of finely ground coal to useful gas.
  • the coal dust is fed in laterally at high speed, so that only a single ignition is needed and the gasification process otherwise autothermal can be performed.
  • operation of the Koppers-Trotzek reactor still requires the supply of work to maintain the flow of air.
  • the gasification processes can not be maintained solely by the supply of fuel.
  • the overall efficiency is limited to a maximum of 30 to 40% by the necessary supply of work to maintain the vortex or flight flow.
  • fluidized bed and entrained flow gasification reactors are limited to the specific nature of the carbonaceous fuel material, in principle, a pretreatment of the respective carbonaceous fuel material is required. Necessary pretreatments of the fuel material also considerably limit the cost-effectiveness of gasification plants, in particular CHP plants.
  • the invention has for its object to improve the efficiency of a gasification reactor for the gasification of carbonaceous fuel to Nutzgasen with respect to Nutzgas- and heat yield and its operational stability by a corresponding operating method.
  • This object is achieved by the combination of features of claim 1 in an inventive manner
  • the back-related claims include some advantageous and partially for themselves inventive developments of the invention.
  • the invention is based on a gasification reactor with a reaction chamber for the gasification of carbonaceous fuel by adding gasification agents to Nutzgasen.
  • the reaction chamber is the carbonaceous fuel.
  • a continuous supply can take place via a reservoir connected to the reaction chamber.
  • the conversion to the Nutzgasen as the sum of all individual pyrolysis and gasification reactions therefore takes place predominantly in the reaction chamber.
  • the gasification reactor according to the invention can also be designed completely as a reaction chamber.
  • composition, amount, pressure, velocity, temperature and / or specific exit pulse of a gasification agent added via control inputs of the reaction chamber are variably controlled according to claim 1 by means of a number of controlled variables determined in the reaction chamber.
  • a variable adjustment of the operation of the respective present states in the reactor is possible and it can be done an optimized gasification of the fuel.
  • Another important feature is the composition, in particular the calorific value of the useful gas used as a controlled variable. This is essentially influenced by the proportion of the water fed to the reaction chamber. By reduction of hydrogen and carbon monoxide are generated from water and carbon, which have a high calorific value. For example, if the calorific value of the useful gas is too low, the supply of water vapor in the gasification agent can be increased.
  • the volume flow of the Nutzgases is used as a control variable. This is also influenced by the proportion of the water fed to the reaction chamber, but in addition also by the total amount of the supplied gasification agent. A higher amount of gasification agent increases namely the gas volume in the reaction chamber and thus also the volume flow at the outlet.
  • the respective pressure in a reservoir for the fuel, in the reaction chamber and / or in a gas outlet is used as a controlled variable.
  • the pressure in the reaction chamber is influenced essentially by the total amount of the gasification agent supplied, but also by the respective distribution of the gasification agent via the various control inputs.
  • the reaction chamber in this case has a plurality of control inputs and composition, amount, pressure, speed, temperature and / or specific exit pulse of the added via the respective control input gasification agent will be controlled at least partially independently of the other control inputs. Consequently, during operation of the gasification reactor, several, ideally every position within the reaction chamber are accessible through these control inputs.
  • Each individual control input thus defines a reaction zone, all reaction zones thereby forming the reaction space which completely fills the reaction chamber. Since the control inputs are at least partially controlled independently of one another, in each reaction zone of the reaction space, the addition of gasification agent with respect to its composition, speed, temperature, pressure and amount as well as with respect to the specific exit pulse is variable over time.
  • this can be realized in that the side walls of the reaction chamber are interspersed with a multiplicity of such control inputs or that a holder with a plurality of recessed control inputs projects into the reaction chamber.
  • the side walls of the reaction chamber are interspersed with a multiplicity of such control inputs or that a holder with a plurality of recessed control inputs projects into the reaction chamber.
  • the combination of both constructive possibilities for the arrangement of the control inputs proves to be advantageous, whereby the accessibility of the entire reaction space is.
  • the nature of the fuel material changes.
  • a coking gradient which decreases vertically from the lower to the upper part of the reaction chamber is formed during the progress of the gasification process. Therefore, in the progressing gasification process in the lower reaction zones for gasification of the resulting pure carbon increased water vapor is supplied together with the hot reactor internal gas.
  • C0 2 can be regarded as a gasification agent itself from 600 ° C itself, since then its equilibrium reaction with carbon according to Boudouard to 23% on the side of CO.
  • the gasification means comprise at least one of the components O 2 or H 2 O, the gasification agent CO 2 being generated during the gasification process itself.
  • the amount of the carbonaceous fuel material supplied to the reaction chamber is also variably controlled on the basis of a number of controlled variables determined in the gasification reactor. This allows a further influencing of the parameters within the reaction chamber by externally controllable variables.
  • a temperature in the reaction chamber is used as a controlled variable.
  • a plurality of temperatures in different areas eg the reaction zones described can be used.
  • composition, amount, pressure, speed, temperature and / or specific exit pulse of the gasification agent added via the respective control input are advantageously controlled by means of the temperature in the reaction chamber at the respective control input as a control variable.
  • the respective temperature substantially influences the type of reactions which occur in the respective zone. Higher temperatures, for example, allow the combustion of carbon residues, while comparatively lower temperatures improve the formation of useful gases.
  • the temperature in the respective reaction zone can be influenced by the admission pressure, temperature and the proportion of the water vapor of the gasification agent supplied at the respective control input. If the pressure and temperature of the gasification agent supplied increase, the temperature in this area also increases, while the increase in the means a reduction in the temperature by heat energy consuming reduction operations.
  • the pressure difference should be used as a control variable via a gas-permeable retention device between the reaction chamber and an ash box of the gasification reactor in an advantageous embodiment.
  • An increase in the pressure difference here indicates a blockage of the retention device with carbon residues. These carbon residues arise in particular at comparatively low temperatures, which in turn are generated by a high water vapor content in the gasification agent. An increase in the pressure difference should therefore be counteracted here by reducing the water vapor content.
  • the composition, moisture, lumpiness and / or dust content of the fuel are used as controlled variables.
  • the respective parameters within the reaction chamber can be optimally adapted to the fuel used.
  • such operated gasification reactor is suitable for a variety of different fuel materials.
  • the inventive method allows an optimal and accelerated reaction of the gasification process with respect to Nutzgasausbeute in its entire time through the regulated, locally varied and the history adapted supply of gasification agent.
  • the formation of condensate is avoided, since the residence time of the hydrocarbons can be made as long as possible by regulating the process, so that the cracking of hydrocarbons (tars) in as small as possible Pieces can be done.
  • the regulation of the process ensures that the temperatures in the flowed through spatial areas are uniformly high so that the cracking reaction of the condensate takes place as quickly as possible.
  • gasification reactor replaces the Winkler generator necessary, extremely energy-consuming preservation of the fluidized bed for optimal and condensate-free gasification of the fuels. Furthermore, a gasification reactor operated according to the invention does not require continuous ignition of the fuel material operated with it, for example by means of an ignition flare.
  • the process according to the invention combines the advantages of fluidized-bed and air-current gasification reactors with those of fixed-bed gasification reactors, whereby only a fraction of external work for supplying the gasification agent and recycling the internal reactor gas must be supplied in comparison to maintaining a fluidized bed or a flow stream. For this external work, a fraction of the generated useful gas is sufficient.
  • the useful gas generated by the method according to the invention can be supplied to an internal combustion engine, which in turn is coupled to a generator. The work necessary to control the reactor is then provided by a fraction of the electrical energy converted by the generator.
  • the performance of the inventively operated reactor depends solely on the chemical energy content of the carbonaceous fuel. Overall, the method provides a stable and completely autothermal operation of the gasification reactor according to the invention with a high overall efficiency, in particular as a subsystem of a CHP.
  • each type and form of carbonaceous fuel material can be used in any state of aggregation for gasification.
  • a DC fixed bed reactor designed according to the invention may additionally have a gas feed device in the reaction chamber.
  • plastic waste and household waste as an example of extremely inhomogeneous mixtures of carbonaceous fuel materials can be gasified with a high overall efficiency in a DC fixed bed reactor according to the invention.
  • the variation of process characteristics is possible. First, it is possible to vary the number of reaction zones.
  • the initially independent control inputs may be controlled to form either a single total reaction zone or a plurality of arbitrarily partitionable partial reaction zones. If, for example, the control inputs are combined into independent independent reaction zones by means of horizontal loops circulating over the reaction chamber, the reaction zones which are independent of one another can be operated in parallel and thus combined to form a larger reaction zone.
  • This variation of the geometry of reaction zones can also be realized by the change, amount and composition of the gasification agent in the radial direction. In this way, inactive, "cold" interior areas are avoided, the entire reaction space is thus activated in terms of process technology, and finally it is possible to vary the respective chemical reaction in the individual reaction zones During operation of the reactor, it is possible to change, change, spatially expand or accelerate the reactions at any point in the reaction space during operation of the reactor.
  • the melting of the solid fuel into readily volatile pyrogas, charcoal, water, higher-chain hydrocarbons, ie a so-called pyrolysis reaction may be mentioned.
  • the aim is to achieve a high heat input with as little air supply as possible. This is done by preheating the gasification agent, by supplying superheated steam and by external preheating of the solid fuel.
  • Switching the zone reaction of pyrolysis in the solid fuel to oxidation in the coal bed occurs when, after filling and during start-up of the reactor, the lower zones are initially filled with solid fuel and pyrogenic be operated table. After the outgassing of the volatile pyrogase, the zone is then switched to oxidative or reductive operation.
  • the gas phase reaction can take place both oxidatively in the solid fuel-free and carbon-free regions produced by intermediate bottoms.
  • the gas phase reaction can be proportionally reduced by greatly increasing the velocity of the gasifying agents by supplying them by means of controllable nozzles without increasing the mass flow, as long as the stream, so-called “sharp jet", strikes the coal bed located behind the cavity.
  • the reaction rate in the reaction zones can be varied.
  • the gasification agent supply in the coal bed is increased.
  • the reduction in the supply of gasification equals a reduction in its geometry and / or a reduction in the reaction rate in this zone.
  • the increase in the supply of gasification is associated with an increase in their geometry and / or with an increase in the reaction rates of the reactions occurring therein, so that the carbon is degraded oxidatively or reductively.
  • the pyrozone is geometrically reduced or reduced in intensity, while the reaction zones for coal mining increased, or increased in intensity.
  • the amount, composition, temperature or pressure of the gasifying agent in the reaction zones can be varied.
  • a variation of the amount of the gasifying agent essentially affects the Reaction speed and partly on the nature of the reaction.
  • the composition of the gasifying agent also affects the nature of the reaction.
  • the temperature variation causes a change in the reaction rate.
  • a variation of the pressure in turn affects the speed and amount of the gasifying agent.
  • a - as far as possible - decoupling of all influencing variables is achieved via adjustable nozzles.
  • Fig. 2 is a gasification reactor with central hedgehog-like supply line
  • Fig. 3 is a schematic representation of the control and control variables with their mutual influence.
  • the embodiment in Fig. 1 relates to a gasification reactor 1, which is designed in particular for the gasification of solid carbonaceous fuel.
  • the gasification reactor 1 is designed as a fixed bed reactor according to the DC principle.
  • the gasification reactor according to FIG. 1 is suitable for carrying out the process according to the invention.
  • the gasification reactor 1 has a permeable intermediate bottom 2, which divides the gasification reactor 1 into an upper reservoir 3 and into a lower reaction chamber 4. Another permeable intermediate bottom 5 separates the reaction chamber 4 from the ash box 6 as the lowest subspace of the entire gasification reactor 1 from.
  • a gas-permeable retention device 7 in the form of a grate between the reaction chamber 4 and the ash box 6 ensures that the fuel remains in the reaction chamber 4.
  • a gas outlet 8 is attached. Via the reservoir 3, the carbonaceous, solid fuel is fed to the reaction chamber 4, the useful gas is discharged via the gas outlet 8. After filling reservoir 3 and reacting Onshunt 4 with the carbonaceous solid fuel, the gasification reactor is ignited once in the lower reaction zones and then started by air.
  • the side wall 9 of the reaction chamber 4 of the gasification reactor 1 is interspersed with a plurality of control inputs 10 in such a way that in the operation of the gasification reactor each position within the reaction chamber 4 is accessible through the control inputs 10.
  • the control inputs 10 are horizontally over the reaction chamber circulating ring lines 11 to flat, but summarized independent reaction zones. By the respective independent ring lines 11 the addition of gasification agent or the return of the reactor internal gas with respect to composition, temperature and pressure and thus quantity is then controlled via the combined via web connections 12 control inputs 10.
  • the control is individual for each area reaction zone.
  • the reservoir 3 of the gasification reactor 1 has a larger diameter and a larger volume than the reaction chamber 4, wherein the permeability of the intermediate bottom 2 is given by an opening with a diameter which is smaller than that of the reservoir 3 and the reaction chamber 4, but greater than the opening of the intermediate bottom 5 is.
  • the reactor with its reservoir 3, the reaction chamber 4 and its ash box 6 are cylindrical, the openings of the shelves 2 and 5 are circular.
  • This embodiment of the gasification reactor 1 allows its embedding in a vollum passerde insulation, whereby the reactor efficiency is further increased.
  • the gasification reactor 1 is designed to withstand deflagration of the gasification products as well as the fuel.
  • the gasification reactor 1 according to FIG. 2 likewise has an upper reservoir 3 and a permeable intermediate bottom 2.
  • the reaction chamber 4 is charged by nozzle-shaped nozzle entrances 13 arranged in the form of a nozzle.
  • the nozzle entrances 13 form the control inputs 10 of the embodiment in FIG.
  • the gasification reactor 1 according to Hg. 2 corresponds in its construction to that in FIG. 1.
  • Control parameters which can be directly influenced by the control are here the total amount of gasification agent 20, the admission pressure 22 of the gasification agent at the nozzle or control inputs 10, 13, the respective distribution 24 of the gasification agent to the individual nozzle or control inputs 0, 3, that of a spatial distribution corresponds to the temperature 26 of the gasifying agent and the water vapor content 28 in the gasification agent.
  • controlled variables are detected: the flow 30 of the generated Nutzgases, the differential pressure 32 on the lower shelf 5, the chemical Nutzgaszusammen substance 34, the pressure 36 in the reaction chamber 4, the temperature 38 in the reaction chamber 4 at the respective control input 10 and the type of reactions occurring 40.
  • the latter can typically not be measured directly but can only be determined as a derived controlled variable.
  • the volume flow 30 of the useful gas is influenced by the total amount of gasification agent 20, since an increased supply of gaseous gasification agent via a gain factor Nutzgases increased. Furthermore, this is influenced by the water vapor content 28 in the gasification agent, since introduced water vapor is split reductively and thus causes an increase in the volume and thus the volume flow 30 of the exiting useful gas.
  • the differential pressure 32 across the intermediate bottom 5, which is permeable to gas, is essentially an indicator of an increased deposition of carbon residues blocking the gas throughput of the intermediate bottom 5. Carbon remains at lower temperatures when the carbon is not burned. This is particularly the case with a high water vapor content 28. Thus, the water vapor fraction 28 influences the differential pressure 32. If the distribution 24 of the supplied gasification agent is changed such that more gasification agent is introduced at control inputs 10 in the region of the intermediate bottom 5 and the temperature here increases, the accumulated carbon is burned and the differential pressure 32 decreases.
  • the gas composition of the useful gas 34 depends essentially on the proportion of the water vapor 28. A higher amount of water vapor leads to a higher proportion of hydrogen in the useful gas.
  • the pressure 36 in the reactor chamber 4 should not deviate too far from the ambient pressure. It is essentially influenced by the total quantity 20 of the gasification agent supplied, and also by the spatial distribution 24 of the gasification agent.
  • the temperatures 38 in the various regions of the reactor chamber 4 are influenced above all by the spatial distribution 24 of the gasification agent, but also by admission pressure 22 and temperature 24 of the gasification agent, as well as the water vapor fraction 28 in the gasification agent, as explained above.
  • the type of chemical reactions occurring 40 is also, as already explained, essentially determined by the water vapor content 28 in the gasification agent, and also by the temperature of the introduced gasification agent.
  • the control according to the inventive method now takes into account the control variables recorded in the reactor 1 and accordingly sets the control variables for optimized gasification.
  • the gasification reactor 1, operated with a method under control of the variables described in this embodiment is designed for a CHP, so for the heat and power.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors (1) mit einer Reaktionskammer (4) für die autotherme und/oder allotherme Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen soll den Wirkungsgrad eines Vergasungsreaktors für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen bezüglich Nutzgas- und Wärmeausbeute sowie dessen Betriebsstabilität verbessern. Dazu werden Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls eines über Regelungseingänge (10) der Reaktionskammer (4) zugegebenen Vergasungsmittels variabel anhand einer Anzahl von in der Reaktionskammer (4) ermittelten Regelgrößen gesteuert, wobei die Zusammensetzung (34) des Nutzgases und/oder der Volumenstrom (30) des Nutzgases und/oder der jeweilige Druck (36) in einem Reservoir (3) für das Brennmaterial, in der Reaktionskammer (4) und/oder in einem Gasaustritt (8) als Regelgröße (30, 32, 34, 36, 38, 40) verwendet werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors (1) mit einer Reaktionskammer (4) für die autotherme und/oder allotherme Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen, wobei Zusammensetzung (28), Menge (20), Druck (22), Geschwindigkeit, Temperatur (26) und/oder spezifischer Austrittspuls eines über Regelungs-eingänge (10) der Reaktionskammer (4) zugegebenen Vergasungsmittels variabel anhand einer Anzahl von in der Reaktionskammer (4) ermittelten Regelgrößen (30, 32, 34, 36, 38, 40) gesteuert werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2004 020 919 A1 bekannt.
Definitionen
In der vorliegenden Erfindung wird allgemein unter einem Reaktor ein Teil einer Anlage verstanden, in dem chemische Reaktionen von einem oder mehreren Ausgangsmaterialien zu einem oder mehreren Produkten durchgeführt werden. Daher wird in dieser Erfindung unter einem Vergasungsreaktor ein Behälter als ein Teil einer Anlage verstanden, in dem kohlenstoffhaltiges Brennmaterial zu Nutzgasen umgesetzt, also dazu vergast wird.
In der vorliegenden Erfindung wird unter einem Nutzgas eine Substanz oder ein Substanzgemisch verstanden, die oder das sich sowohl selbst als Brennstoff für Brennkraftmaschinen und auch als Rohstoff für weitere chemische Herstellungsverfahren eignet.
In der vorliegenden Erfindung wird unter einem kohlenstoffhaltigen Brennmaterial ein solches Material verstanden, dessen enthaltender Kohlenstoff in Form einer exothermen Reaktion zu Kohlendioxid (C02) an Luft oxidiert, also verbrannt werden kann. In diesem Sinne umfasst das kohlenstoffhaltige Brennmaterial insbe-
BESTÄTIGUNGSKOPIE sondere Biomasse, fossile Brennstoffe und synthetisch-organische Stoffe, speziell entsprechend kohlenstoffhaltige Kunststoffe. In der vorliegenden Erfindung wird unter Biomasse allgemein jedwede kohlenstoffhaltige Substanz verstanden, die direkt oder indirekt aus physiologischen Prozessen von lebenden Organismen, insbesondere aus pflanzlicher Photosynthese stammt, nicht dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf entzogen ist und sich auch durch Organismen exotherm zu CO2 umsetzen lässt. Beispiele für Biomasse sind Gärreste, Holz, Laub, Heu, Stroh, Papier, Pappe, Kompost, Fäkalien und Klärschlamm.
In der vorliegenden Erfindung werden unter fossilen Brennstoffen solche Formen von Biomasse verstanden, die sich in einer geologischen Senke befinden und somit dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind. Beispiele für fossile Brennstoffe sind Asphalt, Teer, Bitumen, Torf, Braunkohle, Steinkohle und Graphit.
Unter einem kohlenstoffhaltigem Brennmaterial kann auch eine Mischung verschiedener kohlenstoffhaltiger Brennmaterialien, beispielsweise aus Biomasse, aus synthetisch-organischen Stoffen und speziell aus Kunststoffen verstanden werden. Ein weiteres Beispiel für ein kohlenstoffhaltiges Brennmaterial ist daher Hausmüll als Gemisch von solchen Brennstoffen. Damit ist die Form des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials unabhängig von seiner Form anzusehen, ein weiteres Beispiel ist Holz in Form von Stämmen, Hackschnitzeln variierender Größe, Sägemehl oder in Form von Pellets.
Technischer Hintergrund
Die Pyrolyse als rein thermische Zersetzung von Biomasse, Stein- und Braunkohle verläuft vorwiegend endotherm in Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes und der Bindungsart des Sauerstoffes. Innerhalb des Brennstoffs kann die Pyrolyse auch exotherm verlaufen. Insbesondere bei der Pyrolyse von Stein- oder Braunkohle entstehen neben Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Methan (CH4) beispielsweise noch flüchtige Kohlenwasserstoffe. Kunststoffe, die beispielsweise nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, pyrolysieren unter Luftausschluss ausschließlich zu niederen Kohlenwasserstoffen. Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Methan (CH4) und flüchtige Kohlenwasserstoffe sind brennbar, eignen sich bestens als Treibstoffe für Brennkraftmaschinen, sind wichtige Ausgangsubstanzen für viele chemische Herstellungsprozesse und sind damit wertvolle Nutzgase. Methan (CH4) und reiner Kohlenstoff, beispielsweise in Form von mineralischem Graphit oder synthetischem Koks, sind nicht bzw. nicht mehr weiter pyrolysierbar.
Kohlenstoffhaltige Brennmaterialien lassen sich aber mit Vergasungsmitteln zu Nutzgasen umsetzen, beispielsweise Kohlenstoff mit einem Unterschuss an O2 zu CO, dann Kohlenstoff mit Wasser (H2O) zu CO und H2, dann CH4 mit O2 zu CO. Allerdings verlaufen die Vergasungsreaktionen von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial mit H2O endotherm. Als natürliches Vergasungsmittel dient insbesondere Luft, die auch mit H2O, beispielsweise als Aerosol oder Dampf, angereichert sein kann. In der vorliegenden Erfindung wird daher unter einem Vergasungsmittel ein Reinstoff oder Stoffgemisch verstanden, dessen Zugabe zum kohlenstoffhaltigen Brennmaterial den Umsatz zu Nutzgasen erhöht.
Die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgas ist überwiegend erst dann wirtschaftlich, wenn das Brennmaterial nicht nur leicht verfügbar bzw. billig ist, sondern die Vergasung in ihrer Energiebilanz ausschließlich vom Energiegehalt des Brennmaterials abhängt. Dies betrifft insbesondere die Verwendung des Nutzgases als eigentlichen Brennstoff für Brennkraftmaschinen, beispielsweise für den Betrieb eines Gasmotors oder einer Gasturbine. Die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgas erfordert dann einen insgesamt exotherm ablaufenden Gesamtprozess, der sich solange energetisch selbst erhält, wie genügend Brennmaterial vorhanden ist. Zusätzlich lässt sich auch die abgegebene Wärme beispielsweise zum Heizen von Wohngebäuden nutzen, wie dies durch Kraft-Wärmekopplung in Blockheizkraftwerken (BHKW) erfolgt. In einem BHKW ist eine Brennkraftmaschine wiederum an einen Generator gekoppelt, der dann schließlich mechanische in elektrische Energie wandelt. Die Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial mit O2 zu CO ist jedoch so schwach exotherm, dass die frei werdende Energie nicht ausreicht, gleichzeitig ablaufende Pyrolysen und / oder Vergasungsreaktionen mit H2O dauerhaft aufrecht zu erhalten. Die für den gesamten Vergasungsprozess notwendige Energie muss daher durch die stark exotherme Verbrennungsreaktion von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial mit O2 zu CO2 aufgebracht werden. Der höchst mögliche Wirkungsgrad bezüglich Nutzgas- und Wärmeausbeute einer solchen autothermen Vergasung wird bei einem Optimum erreicht, bei dem das Ausmaß der Verbrennung zu CO2 gerade ausreicht, um für Pyrolysen und Vergasungsreaktionen den notwendigen Energiebeitrag zu liefern. Dieses Optimum im Sinne einer unvollständigen Verbrennung hängt von der Zusammensetzung und Beschaffenheit des Brennmaterials, der Zufuhr bzw. optimalen Dosierung des Vergasungsmittels, der Beschaffenheit sowie Isolierung des Vergasungsreaktors und damit zusammenge- fasst von der gesamten Reaktionsführung ab. Dabei ist die Veränderung des Brennmaterials während des gesamten Vergasungsprozesses ebenfalls zu berücksichtigen bzw. nicht zu vernachlässigen.
Im klassischen Festbettvergasungsreaktor liegt Holz als kohlenstoffhaltiges Brennmaterial wie in einem normalen Feuerofen auf einem Gitterrost. Im Gegen- stromverfahren wird Luft als Vergasungsmittel durch den Gitterrost und das verbrennende Holz gesaugt. Die oberen Holzschichten verbrennen nur teilweise und pyrolysieren gleichzeitig zu Nutzgas, das am oberen Ende des Ofens abgesaugt wird. Luft und Nutzgas bewegen sich als Gegenstrom in entgegengesetzter Richtung zum langsam absinkenden Holz. Das entstehende Nutzgas hat eine relativ niedrige Temperatur von etwa 100 °C und enthält wegen der stattfindenden Trocknung und Pyrolyse des Holzes entsprechend viel Wasserdampf und organische Bestandteile, die bei weiterer Abkühlung zu einem sauren Holzteer kondensieren.
Im Gleichstromverfahren zur Holzvergasung wird Luft als Vergasungsmittel unmittelbar über dem Gitterrost direkt in die heiße Vergasungsreaktionszone des im Festbettvergasungsreaktors zugeführt und unter dem Gitterrost abgesaugt. Das Reaktorinnengas bzw. Nutzgas und Luft bewegen sich im Bereich des Gitterrostes in gleicher Richtung, also im Gleichstrom. Die Temperatur des Reaktorinnengases bzw. Nutzgases liegt hier wesentlich höher als beim Gegenstromverfahren. Das Nutzgas als Endprodukt aus dem Reaktorinnengas enthält deutlich weniger Holzteer, wobei der im Gleichstromverfahren anfallende Holzteer einen basischen pH- Wert aufweist.
Der im Gegenstrom- und im Gleichstromholzvergasungsverfahren anfallende Holzteer eignet sich nicht für Brennkraftmaschinen, sondern schädigt diese aufgrund seiner verklebenden Eigenschaften. Auch bei der Vergasung anderer kohlenstoffhaltiger Brennstoffe fallen ähnliche hochviskose Rückstände an, die in der vorliegenden Erfindung allgemein als Kondensat bezeichnet werden. Das anfallende Kondensat mindert nicht nur den Wirkungsgrad bezüglich Stoffverwertungsbilanz des Vergasungsreaktors, sondern muss aus dem Nutzgas durch eine Gaswäsche entfernt werden. Dies mindert zusätzlich die Energiebilanz der Gesamtanlage und benötigt zusätzlich Waschflüssigkeit, beispielweise Wasser. Da das Kondensat aufgrund seines pH-Wertes nicht nur korrosiv, sondern auch toxisch und schwer biologisch abbaubar ist, ergibt sich hier ein Entsorgungsproblem. In US 2010/0107494 A1 wird ein Festbettvergaser für Biomasse mit einer sukzessiven Brennstoffzuführung vorgeschlagen, der zwar bezüglich Brennstoffumsatzbilanz eine höhere Effizienz verspricht, jedoch nicht die Bildung von Kondensat eliminiert bzw. das anfallende Kondensat nicht im Vergasungsprozess weiter verwerten kann.
Ein Lösungsansatz für die Vergasung von kohlenstoffhaltigen, festen Brennmaterialien bieten Wirbelschichtvergasungsreaktoren, in denen die Brennmaterialien in einer unvollständigen Wirbelschichtfeuerung zu Nutzgasen umgesetzt werden. Hierbei fällt kein Kondensat an, da dieses ebenfalls zu Nutzgasen umgesetzt wird. Allerdings ist die Vergasung in Wirbelschichtvergasungsreaktoren auf feste Brennmaterialien mit einer Partikelgröße von weniger als 40 mm mit einem Wassergehalt von mindestens 25 Gew.% beschränkt, wobei die Partikel durch ein konstant wirbelndes Fluidmedium, beispielweise Luft, in Schwebe gehalten wer- den müssen. Zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht ist also eine externe Fluid- zufuhr mit einer hohen Flussrate notwendig, was einer extern zugeführten Arbeit entspricht. Weiter können Wirbelschichtvergasungsreaktoren nicht autotherm, sondern nur allotherm, d.h. unter Zufuhr von äußerer Wärmeenergie betrieben werden. Die Gesamtzufuhr dieser beiden Energiearten ist vom Gesamtwirkungsgrad der Anlage abzuziehen. Diese Vergasungstechnik gestaltet sich nur bei Energieanlagen im Leistungsbereich von 1 ,5 bis 3 MW als wirtschaftlich, wobei der Gesamtwirkungsgrad bei nur ca. 30% liegt.
Eine besondere Form des Wirbelschichtvergasungsreaktors stellt der Winkler- Generator dar, bei dem die Wirbelschicht durch hintereinander gereihte Ringleitungen um den Reaktorkörper herum noch besser im gesamten Reaktorraum aufrechterhalten werden kann. Vorteile des Winkler-Generators sind eine homogene Temperaturverteilung und bessere Durchmischung der Partikel im Vergleich zu anderen Wirbelschichtvergasungsreaktoren. Der Winkler-Reaktor eignet sich jedoch nur für die Vergasung von Kohle, insbesondere Braunkohle, beschränkt auf eine möglichst kleine Partikelgröße.
Eine wesentliche Verbesserung des Wirbelschichtvergasungsreaktors ist durch den Flugstromvergasungsreaktor gegeben, bei dem das kohlenstoffhaltige
Brennmaterial als Staub, Slurry oder als Paste über einen Brenner in den Vergasungsraum eingebracht wird. Hierbei finden die Vergasungsprozesse in einer Staubwolke statt. Diese Form der Zuführung bedarf einer entsprechenden Vorbehandlung des Brennmaterials, insbesondere bei Biomasse als Brennmaterial, um über ein pneumatisches System in den Vergaser eingebracht und dort in sehr kurzer Zeit vergast zu werden. Auch solche Systeme können nur unter Zufuhr von Arbeit sowie Wärmeenergie betrieben werden. Hierbei erfolgt die Zufuhr der Wärmeenergie durch eine kontinuierliche Zündung mit einer Zündfackel.
Der Koppers-Trotzek-Reaktor als besondere Form des Flugstromvergasungsreak- tors eignet sich insbesondere für die Vergasung von fein gemahlener Kohle zu Nutzgas. Die Einspeisung des Kohlestaubes erfolgt seitlich mit hoher Geschwindigkeit, so dass nur eine einmalige Zündung benötigt wird und der Vergasungs- prozess ansonsten autotherm geführt werden kann. Allerdings benötigt der Betrieb des Koppers-Trotzek-Reaktors immer noch die Zufuhr von Arbeit zur Aufrechterhaltung des Flugstromes.
Sowohl bei den verschiedenen Ausführungen des Wirbelschichtvergasungsreaktors als auch bei denen des Flugstromvergasungsreaktors können die Vergasungsprozesse nicht allein durch die Zufuhr von Brennmaterial aufrechterhalten werden. In allen Ausführungen dieser Reaktortypen ist der Gesamtwirkungsgrad durch die notwendige Zufuhr von Arbeit zur Aufrechterhaltung des Wirbel- bzw. Flugstromes auf maximal 30 bis 40% beschränkt. Nach dem Stand der Technik sind Festbettvergasungsreaktoren mit Gleich- oder Gegenstromprinzip, Wirbelschicht- und Flugstromvergasungsreaktoren auf spezifische Beschaffenheit des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials beschränkt, wobei grundsätzlich eine Vorbehandlung des jeweiligen kohlenstoffhaltigen Brennmaterials erforderlich ist. Auch notwendige Vorbehandlungen des Brennmaterials schränken die Wirtschaftlichkeit von Vergasungsanlagen, insbesondere von BHKW, erheblich ein. Zwar beschränkt sich in Festbettvergasungsreaktoren im Vergleich zu den Wirbelschicht- und Flugstromvergasungsreaktoren die Zufuhr von äußerer Arbeit lediglich auf die des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials und des Vergasungsmittels, jedoch ist die Einhaltung optimaler Bedingungen für die Pyrolyse- als auch Vergasungsreaktionen generell schwieriger. Bei Festbettvergasungsreaktoren mit Gleich- oder Gegenstromprinzip ist die Festlegung auf eine vorgegebene Brennstoffqualität und Stückgröße, beispielsweise auf sogenannte G50-Holzhackschnitzel, besonders nachteilig. Abweichungen davon, insbesondere in der Stückigkeit, im Wassergehalt und im Staubanteil, verursachen variierende Druck- und Temperaturbedingungen. Solche Abweichungen erfordern dann beispielsweise eine überhöhte Zufuhr von Luft als Vergasungsmittel. Dies führt zu einer starken Verdünnung des Nutzgases durch Luftstickstoff und Wasserdampf sowie einer vermehrten Bildung von mitgeschlepptem Kondensat. Qualität und Ausbeute des Nutzgases sind dann so weit herabgesetzt, dass vor dessen Verwertung eine aufwändige Gaswäsche erfolgen muss. Eine erhöhte Bildung von Kondensat erniedrigt nicht nur signifikant den Gesamtwirkungsgrad der Anlage, sondern führt auch zu Verstopfungen im Reaktor, was zu einem kompletten Ausfall der gesamten Anlage führen kann. Zu- sätzlich ist die Reinigung von Festbettvergasungsreaktoren von Kondensat sehr aufwändig.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Vergasungsreaktors für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen bezüglich Nutzgas- und Wärmeausbeute sowie dessen Betriebsstabilität durch ein entsprechendes Betriebsverfahren zu verbessern. Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 in erfinderischer Weise gelöst Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen der Erfindung.
Der Erfindung liegt ein Vergasungsreaktor mit einer Reaktionskammer für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial durch Zugabe von Vergasungsmitteln zu Nutzgasen zugrunde. In der Reaktionskammer liegt das kohlenstoffhaltige Brennmaterial ein. Bei festen Brennmaterialien kann eine kontinuierliche Zuführung über ein mit der Reaktionskammer verbundenes Reservoir erfolgen. Der Umsatz zu den Nutzgasen als Summe aller einzelnen Pyrolyse- als auch Vergasungsreaktionen findet daher überwiegend in der Reaktionskammer statt. Der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor kann auch vollständig als Reaktionskammer ausgeführt sein.
Als wesentliches Merkmal der Erfindung werden nach Anspruch 1 Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls eines über Regelungseingänge der Reaktionskammer zugegebenen Vergasungsmittels variabel anhand einer Anzahl von in der Reaktionskammer ermittelten Regelgrößen gesteuert. Dadurch ist eine variable Anpassung des Betriebs an die jeweils vorliegenden Zustände im Reaktor möglich und es kann eine optimierte Vergasung des Brennmaterials erfolgen. Als weiteres wesentliches Merkmal wird die Zusammensetzung, und zwar insbesondere der Heizwert des Nutzgases als Regelgröße verwendet. Dieser wird im Wesentlichen vom Anteil des der Reaktionskammer zugeführten Wasserdampfs beeinflusst. Durch Reduktion werden aus Wasser und Kohlenstoff Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt, welche einen hohen Heizwert haben. So kann z.B. bei einem zu geringen Heizwert des Nutzgases die Zufuhr von Wasserdampf im Vergasungsmittel erhöht werden.
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung wird der Volumenstrom des Nutzgases als Regelgröße verwendet. Dieser wird ebenfalls vom Anteil des der Reaktionskammer zugeführten Wasserdampfs beeinflusst, zusätzlich aber auch von der Gesamtmenge des zugeführten Vergasungsmittels. Eine höhere Menge von Vergasungsmittel erhöht nämlich das Gasvolumen in der Reaktionskammer und damit auch den Volumenstrom an deren Austritt.
In weiterer alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung wird der jeweilige Druck in einem Reservoir für das Brennmaterial, in der Reaktionskammer und/oder in einem Gasaustritt als Regelgröße verwendet. So wird z.B. der Druck in der Reaktionskammer im Wesentlichen von der Gesamtmenge des zugeführten Vergasungsmittels, aber auch von der jeweiligen Verteilung des Vergasungsmittels über die verschiedenen Regelungseingänge beeinflusst.
Vorteilhafterweise weist die Reaktionskammer dabei mehrere Regelungseingänge auf und Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls des über den jeweiligen Regelungseingang zugegebenen Vergasungsmittels werden mindestens teilweise unabhängig von den jeweils anderen Regelungseingängen gesteuert werden. Im Betrieb des Vergasungsreaktors sind folglich mehrere, im Idealfall jede Position innerhalb der Reaktionskammer durch diese Regelungseingänge zugänglich. Jeder einzelne Regelungseingang definiert damit eine Reaktionszone, alle Reaktionszonen bilden dabei den Reaktionsraum, der die Reaktionskammer vollständig ausfüllt. Da die Regelungseingänge mindestens teilweise voneinander unabhängig gesteuert sind, ist in jeder Reaktionszone des Reaktionsraumes die Zugabe von Vergasungsmittel bezüglich dessen Zusammensetzung, Geschwindigkeit, Temperatur, Druck und Menge sowie hinsichtlich des spezifischen Austrittsimpulses zeitlich variabel.
Konstruktiv kann dies dadurch realisiert sein, dass die Seitenwände der Reaktionskammer mit einer Vielzahl von solchen Regelungseingängen durchsetzt sind oder dass in die Reaktionskammer eine Halterung mit einer Vielzahl von eingelassenen Regelungseingängen hineinragt. Je nach überwiegender Beschaffenheit des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials im Zusammenspiel mit der Geometrie der Reaktionskammer, insbesondere wenn der Durchmesser der Reaktionskammer größer als deren Höhe ist, erweist sich die Kombination beider konstruktiver Möglichkeiten zur Anordnung der Regelungseingänge als vorteilhaft, wodurch die Zu- gänglichkeit des gesamten Reaktionsraumes gewährleistet ist.
Während des gesamten Vergasungsprozesses verändert sich die Beschaffenheit des Brennmaterials. Insbesondere bei der Vergasung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien in einem erfindungsgemäß ausgeführten Gleichstrom- Festbettvergasungsreaktor bildet sich im Fortgang des Vergasungsprozesses ein vom unteren zum oberen Teil der Reaktionskammer vertikal abnehmender Ver- kohlungsgradient aus. Daher wird im fortschreitenden Vergasungsprozess in die unteren Reaktionszonen zur Vergasung der entstandenen Reinkohle vermehrt Wasserdampf zusammen mit dem heißen Reaktorinnengas zugeführt. Hierbei kann C02 ab 600° C selbst als Vergasungsmittel aufgefasst werden, da dann dessen Gleichgewichtsreaktion mit Kohlenstoff nach Boudouard zu 23% auf der Seite von CO liegt. Zusammengefasst umfassen daher die Vergasungsrnittel mindestens eine der Komponenten O2 oder H2O, wobei das Vergasungsmittel CO2 während des Vergasungsprozesses selbst erzeugt wird.
Da der Vergasungsprozess von festen, kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien in erfindungsgemäß ausgeführten Gleichstrom-Festbettvergasungsreaktoren durch einen überwiegend vertikal verlaufenden Reaktionsverlaufsgradienten bestimmt ist, ist eine konstruktive Vereinfachung möglich. Diese konstruktive Vereinfachung besteht darin, dass die Regelungseingänge dadurch horizontal zu flächigen, aber voneinander unabhängigen, Reaktionszonen zusammengefasst sind, indem diese horizontal durch Ringleitungen verbunden vorliegen, die wiederum den Vergasungsreaktor bzw. die Reaktionskammer umlaufen. Hierbei ist wiederum in jeder flächigen Reaktionszone des Reaktionsraumes die Zugabe von Vergasungsmittel bzw. die Rückführung des Reaktorinnengases bezüglich Zusammensetzung, Temperatur sowie Druck und damit Menge zeitlich variabel.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich auch die die der Reaktionskammer zugeführte Menge des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials variabel anhand einer Anzahl von im Vergasungsreaktor ermittelten Regelgrößen gesteuert. Dies ermöglicht eine weitere Beeinflussung der Parameter innerhalb der Reaktionskammer durch extern steuerbare Größen.
Vorteilhafterweise wird eine Temperatur in der Reaktionskammer als Regelgröße verwendet. Hier kann, wie oben dargestellt, vorteilhafterweise auch eine Mehrzahl von Temperaturen in verschiedenen Bereichen, z.B. den beschriebenen Reaktionszonen verwendet werden. Dabei werden vorteilhafterweise Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls des über den jeweiligen Regelungseingang zugegebenen Vergasungsmittels anhand der Temperatur in der Reaktionskammer an dem jeweiligen Regelungseingang als Regelgröße gesteuert In jeder Reaktionszone beeinflusst die jeweilige Temperatur nämlich wesentlich die Art der Reaktionen, die in der jeweiligen Zone ablaufen. Höhere Temperaturen ermöglichen z.B. die Verbrennung von Kohlenstoffrückständen, während vergleichsweise niedrigere Temperaturen die Bildung von Nutzgasen verbessern. Beeinflussbar ist die Temperatur in der jeweiligen Reaktionszone durch den Vordruck, Temperatur und den Anteil des Wasserdampfs des am jeweiligen Regelungseingang zugeführten Vergasungsmittels. Werden Druck und Temperatur des zugeführten Vergasungsmittels erhöht, erhöht sich auch die Temperatur in diesem Bereich, während die Erhöhung des Wasser- dampfanteils eine Erniedrigung der Temperatur durch Wärmeenergie verbrauchende Reduktionsvorgänge bedeutet.
Insbesondere sollte hierbei in vorteilhafter Ausgestaltung die Druckdifferenz über eine gasdurchlässige Rückhaltevorrichtung zwischen der Reaktionskammer und einem Aschekasten des Vergasungsreaktors als Regelgröße verwendet werden. Eine Erhöhung der Druckdifferenz deutet hier nämlich auf eine Verstopfung der Rückhaltevorrichtung mit Kohlenstoffresten hin. Diese Kohlenstoffreste entstehen insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, die wiederum durch einen hohen Wasserdampfanteil im Vergasungsmittel erzeugt werden. Einer Erhöhung der Druckdifferenz sollte hier also durch eine Reduzierung des Wasserdampfanteils entgegengewirkt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung werden dem Zusammensetzung, Feuchtigkeit, Stückigkeit und/oder Staubgehalt des Brennmaterials als Regelgrößen verwendet. Durch eine Erfassung dieser Größen können die jeweiligen Parameter innerhalb der Reaktionskammer optimal auf das verwendete Brennmaterial ange- passt werden. Somit ist ein derartig betriebener Vergasungsreaktor für eine Vielzahl unterschiedlicher Brennmaterialien geeignet.
Zusammengefasst erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine optimale und beschleunigte Reaktionsführung des Vergasungsprozesses bezüglich Nutzgasausbeute in seinem gesamten Zeitablauf durch die geregelte, örtlich variierte und dem Verlauf angepasste Zufuhr von Vergasungsmittel. Selbst bei der Verwendung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien, wie beispielsweise Biomasse, wird die Bildung von Kondensat vermieden, da die Aufenthaltszeit der Kohlenwasserstoffe durch die Regelung des Prozesses so lang wie möglich gemacht werden kann, damit die Crackung der Kohlenwasserstoffe (Teere) in möglichst kleine Stücke erfolgen kann. Weiterhin sorgt die Regelung des Prozesses dafür, dass die Temperaturen in den durchströmten räumlichen Bereichen gleichmäßig hoch sind damit die Crackreaktion des Kondensats möglichst schnell abläuft. Die zeitlich und örtlich individuell dosierte Zugabe von Vergasungsmitteln in dem der Erfindung zugrundeliegenden Vergasungsreaktor ersetzt die beim Winkler- Generator notwendige, äußerst energieaufwändige Erhaltung der Wirbelschicht für eine optimale und kondensatfreie Vergasung der Brennstoffe. Weiter benötigt ein nach der Erfindung betriebener Vergasungsreaktor keine kontinuierliche Zündung des mit ihm betriebenen Brennmaterials, beispielsweise durch eine Zündfackel.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Vorteile von Wirbel- und Flug- stromvergasungsreaktoren mit denen von Festbettvergasungsreaktoren, wobei nur ein Bruchteil an externer Arbeit zur Zuführung des Vergasungsmittels und Rückführung des Reaktorinnengases im Vergleich zur Erhaltung einer Wirbelschicht oder eines Flugstromes zugeführt werden muss. Für diese externe Arbeit reicht ein Bruchteil des erzeugten Nutzgases aus. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Nutzgas kann einer Brennkraftmaschine zugeführt werden, die wiederum an einen Generator gekoppelt ist. Die zur Regelung des Reaktors notwendige Arbeit wird dann durch einen Bruchteil der durch den Generator gewandelten elektrischen Energie geleistet. Damit hängt die Leistung des erfindungsgemäß betriebenen Reaktors ausschließlich vom chemischen Energiegehalt des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials ab. Das Verfahren gewährt insgesamt einen stabilen und vollständig autothermen Betrieb des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad, insbesondere als Teilsystem eines BHKW.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber allen Ausführungen von Wirbel- und Flugstromvergasungsreaktoren dadurch besonders vorteilhaft herausgestellt, dass jede Art und Form von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial im beliebigen Aggregatzustand zur Vergasung verwandt werden kann. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäß gestalteter Gleichstrom-Festbettreaktor zusätzlich eine Gaseinspeisungsvorrichtung in der Reaktionskammer besitzen. Auch Kunst- stoffabfälle und Hausmüll als Beispiel für äußerst inhomogene Mischungen von kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien lassen sich mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad in einem erfindungsgemäßen Gleichstrom-Festbettreaktor vergasen. Während des Betriebs des erfindungsmäßig betriebenen Vergasungsreaktors ist die Variation von verfahrenstechnischen Merkmalen möglich. Zunächst ist es möglich, die Anzahl der Reaktionszonen zu variieren. Die zunächst voneinander unabhängigen Regelungseingänge können so gesteuert sein, dass sie entweder eine einzige Gesamtreaktionszone bilden oder mehrere beliebig einteilbare Teilreaktionszonen. Sind beispielsweise die Regelungseingänge mittels horizontal über die Reaktionskammer umlaufender Ringleitungen zu flächigen unabhängigen Reaktionszonen zusammengefasst, können die voneinander unabhängigen Reaktionszonen gleichsam parallel betrieben werden und so zu einer größeren Reaktionszone zusammengefasst werden.
Diese Variation der Geometrie von Reaktionszonen kann auch durch die Änderung, Menge und Zusammensetzung des Vergasungsmittels in radialer Richtung realisiert sein. Auf diese Weise werden inaktive,„kalte" Innenbereiche vermieden. Der gesamte Reaktionsraum wird auf diese Weise prozesstechnisch aktiviert. Schließlich ist es möglich, die jeweilige chemische Reaktion in den einzelnen Reaktionszonen zu variieren. Durch die Änderung der in der jeweiligen Reaktionszone stattfindenden Reaktion kann die Schichtung bzw. die Abfolge der Reaktionszonen im Betrieb geändert werden. Es besteht also die Möglichkeit, die Reaktionen im Betrieb des Reaktors an beliebigen Stellen im Reaktionsraum zu wechseln, zu ändern, räumlich auszudehnen oder zu beschleunigen.
Beispielhaft sei das Aufschmelzen des Festbrennstoffs in leicht flüchtiges Pyro- gas, Holzkohle, Wasser, höherkettige Kohlenwasserstoffe, also eine so genannte Pyrolysereaktion, erwähnt. Ziel ist es, mit möglichst wenig Luftzufuhr einen hohen Wärmeeintrag zu erreichen. Dies geschieht durch Vorwärmung des Vergasungsmittels, durch Zufuhr von überhitztem Wasserdampf und durch externe Vorwärmung des Festbrennstoffs.
Ein Umschalten der Zonenreaktion von Pyrolyse im Festbrennstoff auf Oxidation im Kohlebett stellt sich ein, wenn nach dem Befüllen und während des Anfahrens des Reaktors die unteren Zonen zunächst mit Festbrennstoff gefüllt sind und pyro- l tisch betrieben werden. Nach der Ausgasung der flüchtigen Pyrogase wird die Zone sodann in den oxidativen oder reduktiven Betrieb umgeschaltet.
Die Gasphasenreaktion kann sowohl oxidativ in den durch Zwischenböden erzeugten festbrennstofffreien und kohlefreien Bereichen stattfinden. Die Gasphasenreaktion kann durch starke Erhöhung der Geschwindigkeit der Vergasungsmittel durch Zufuhr mittels regelbarer Düsen ohne Erhöhung des Massenstroms anteilig vermindert werden, sofern der Strom, so genannter„scharfer Strahl", auf das hinter dem Hohlraum liegende Kohlebett trifft.
Des Weiteren ist es möglich, überwiegend mit Oxidation bzw. überwiegend mit Reduktion im Kohlebett zu variieren. Auch ist es möglich, Oxidation und Reduktion gleichzeitig im selben Raumvolumen im Kohlebett zu realisieren. Auch ist es möglich, Oxidation und Reduktion alternierend im selben Raumvolumen im Kohlebett zu betreiben. Dies erfolgt durch Beschickung einer Zone mit Luft unter Freisetzung von Wärme. Anschließend wird dieselbe Zone mit Wasserdampf beschickt und erzeugt so eine Wassergasreaktion unter Verbrauch von Wärme. Der Wechsel beider Reaktionen erfolgt im Betrieb intermittierend.
Schließlich kann die Reaktionsgeschwindigkeit in den Reaktionszonen variiert werden. Zum Beispiel wird bei der Pyrolyse durch Reduzierung der Vergasungsmittelzufuhr die Pyrolysereaktion gestoppt und stark verringert. Gleichzeitig wird die Vergasungsmittelzufuhr im Kohlebett gesteigert. Die Reduzierung der Vergasungsmittelzufuhr kommt einer Verkleinerung ihrer Geometrie gleich und/oder einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit in dieser Zone. Die Steigerung der Vergasungsmittelzufuhr ist mit einer Vergrößerung ihrer Geomtrie verbunden und/oder mit einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeiten der darin ablaufenden Reaktionen, so dass der Kohlenstoff oxidativ oder reduktiv abgebaut wird. Die Pyrozone wird geometrisch verkleinert bzw. in Ihrer Intensität reduziert, während die Reaktionszonen zum Kohleabbau vergrößert, bzw. in ihrer Intensität gesteigert werden. Schließlich kann die Menge, die Zusammensetzung, die Temperatur oder der Druck des Vergasungsmittels in den Reaktionszonen variiert werden. Eine Variation der Menge des Vergasungsmittels wirkt sich im Wesentlichen auf die Reaktionsgeschwindigkeit und zum Teil auch auf die Art der Reaktion aus. Die Zusammensetzung des Vergasungsmittels wirkt sich ebenso auf die Art der Reaktion aus. Die Temperaturvariation bewirkt eine Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Variation des Drucks wirkt sich wiederum auf Geschwindigkeit und Menge des Vergasungsmittels aus. Eine - möglichst weitgehende - Entkoppelung sämtlicher Einflussgrößen wird über regelbare Düsen erreicht.
Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vergasungsreaktor mit Ringleitungen,
Fig. 2 einen Vergasungsreaktor mit zentraler igelartiger Zuleitung und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Regel- und Steuergrößen mit ihrer gegenseitigen Beeinflussung.
Gleiche Teile sind stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 bezieht sich auf einen Vergasungsreaktor 1 , der insbesondere zur Vergasung von festem kohlenstoffhaltigem Brennmaterial ausgelegt ist. Dazu ist der Vergasungsreaktor 1 als Festbettreaktor nach dem Gleichstromprinzip ausgeführt. Der Vergasungsreaktor nach Fig. 1 eignet sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Vergasungsreaktor 1 weist einen durchlässigen Zwischenboden 2 auf, der den Vergasungsreaktor 1 in ein oberes Reservoir 3 und in eine untere Reaktionskammer 4 unterteilt. Ein weiterer durchlässiger Zwischenboden 5 trennt die Reaktionskammer 4 vom Aschekasten 6 als untersten Teilraum des gesamten Vergasungsreaktors 1 ab. Eine gasdurchlässige Rückhaltevorrichtung 7 in Form eines Rostes zwischen der Reaktionskammer 4 und dem Aschekasten 6 stellt einen Verbleib des Brennmaterials in der Reaktionskammer 4 sicher. An dem Aschekasten 6 ist ein Gasaustritt 8 angebracht. Über das Reservoir 3 wird das kohlenstoffhaltige, feste Brennmaterial der Reaktionskammer 4 zugeführt, das Nutzgas wird über den Gasaustritt 8 abgeführt. Nach dem Befüllen von Reservoir 3 und Reakti- onskammer 4 mit dem kohlenstoffhaltigen, festen Brennmaterial wird der Vergasungsreaktor in den unteren Reaktionszonen einmalig gezündet und dann durch Luftzufuhr angefahren.
Die Seitenwand 9 der Reaktionskammer 4 des Vergasungsreaktors 1 ist mit einer Vielzahl von Regelungseingängen 10 in der Weise durchsetzt, dass im Betrieb des Vergasungsreaktors jede Position innerhalb der Reaktionskammer 4 durch die Regelungseingänge 10 zugänglich ist. Die Regelungseingänge 10 sind horizontal über die Reaktionskammer umlaufende Ringleitungen 11 zu flächigen, aber voneinander unabhängigen Reaktionszonen zusammengefasst. Durch die jeweiligen voneinander unabhängigen Ringleitungen 11 ist dann über die via Stegverbindungen 12 zusammengefassten Regelungseingänge 10 die Zugabe von Vergasungsmittel bzw. die Rückführung des Reaktorinnengases bezüglich Zusammensetzung, Temperatur sowie Druck und damit Menge gesteuert. Die Steuerung ist für jede flächige Reaktionszone individuell.
Das Reservoir 3 des Vergasungsreaktors 1 besitzt einen größeren Durchmesser und ein größeres Volumen als die Reaktionskammer 4, wobei die Durchlässigkeit des Zwischenbodens 2 durch eine Öffnung mit einem Durchmesser gegeben ist, der kleiner als der des Reservoirs 3 und der der Reaktionskammer 4, aber größer als der Öffnung des Zwischenbodens 5 ist. Der Reaktor mit seinem Reservoir 3, der Reaktionskammer 4 und mit seinem Aschekasten 6 sind zylinderförmig ausgestaltet, die Öffnungen der Zwischenböden 2 und 5 kreisförmig. Diese Ausgestaltung des Vergasungsreaktors 1 erlaubt dessen Einbettung in eine vollumschließende Isolierung, wodurch der Reaktorwirkungsgrad zusätzlich erhöht wird. Bezüglich der Stabilität in seiner Konstruktion ist der Vergasungsreaktor 1 so ausgelegt, dass er einer Verpuffung der Vergasungsprodukte als auch des Brennmaterials standhält.
Der Vergasungsreaktor 1 gemäß Fig. 2 weist ebenfalls ein oberes Reservoir 3 und einen durchlässigen Zwischenboden 2 auf. Die Reaktionskammer 4 wird beschickt von igelförmig angeordneten Düseneingängen 13. Die Düseneingänge 13 bilden beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die Regelungseingänge 10 des Verga- sungsreaktors 1. Im Übrigen entspricht der Vergasungsreaktor 1 gemäß Hg. 2 in seinem Aufbau demjenigen in Fig. 1.
Die über die Regelungseingänge 10 des Vergasungsreaktors ermittelten Regelgrößen zusammen mit den sie beeinflussenden Steuergrößen bezüglich des Vergasungsmittels sind in Fig. 3 dargestellt. Durch die Regelung direkt beeinflussbare Steuergrößen sind hier die Vergasungsmittelgesamtmenge 20, der Vordruck 22 des Vergasungsmittels an den Düsen- bzw. Regelungseingänge 10, 13, die jeweilige Verteilung 24 des Vergasungsmittels auf die einzelnen Düsen- bzw. Regelungseingänge 0, 3, die einer räumlichen Verteilung entspricht, die Temperatur 26 des Vergasungsmittels und der Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel.
Als im Reaktor 1 gemessene Regelgrößen werden erfasst: der Volumenstrom 30 des erzeugten Nutzgases, der Differenzdruck 32 über den unteren Zwischenboden 5, die chemische Nutzgaszusammensetzung 34, der Druck 36 in der Reaktionskammer 4, die Temperatur 38 in der Reaktionskammer 4 am jeweiligen Regelungseingang 10 sowie die Art der ablaufenden Reaktionen 40. Letztere kann typischerweise nicht direkt gemessen werden sondern ist lediglich als abgeleitete Regelgröße ermittelbar.
Fig. 3 stellt nun die jeweiligen Zusammenhänge zwischen Regel- und Steuergrößen dar, wie sie in dem Verfahren gemäß der Erfindung bedarfsweise verwendet werden: Der Volumenstrom 30 des Nutzgases wird von der Vergasungsmittelgesamtmenge 20 beeinflusst, da vermehrt zugeführtes gasförmiges Vergasungsmittel über einen Verstärkungsfaktor den Volumenstrom des Nutzgases erhöht. Weiterhin wird dieser vom Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel beeinflusst, da eingeführter Wasserdampf reduktiv gespalten wird und so eine Erhöhung des Volumens und somit des Volumenstroms 30 des austretenden Nutzgases bewirkt.
Der Differenzdruck 32 über den Zwischenboden 5, der gasdurchlässig ist, ist im im Wesentlichen ein Indikator für eine verstärkte Ablagerung von Kohlenstoffresten, die den Gasdurchsatz des Zwischenbodens 5 blockieren. Kohlenstoffreste fallen bei niedrigeren Temperaturen an, wenn der Kohlenstoff nicht verbrannt wird. Dies ist insbesondere der Fall bei einem hohen Wasserdampfanteil 28. Somit be- einflusst der Wasserdampfanteil 28 den Differenzdruck 32. Wird die Verteilung 24 des zugeführten Vergasungsmittels derart geändert, dass an Regelungseingängen 10 im Bereich des Zwischenbodens 5 mehr Vergasungsmittel eingebracht wird und sich die Temperatur hier erhöht, so wird der angefallene Kohlenstoff verbrannt und der Differenzdruck 32 sinkt.
Die Gaszusammensetzung des Nutzgases 34 hängt im Wesentlichen vom Anteil des Wasserdampfes 28. Eine höhere Menge Wasserdampf führt zu einem höheren Anteil von Wasserstoff im Nutzgas.
Der Druck 36 in der Reaktorkammer 4 sollte nicht zu weit vom Umgebungsdruck abweichen. Er wird im Wesentlichen beeinflusst von der Gesamtmenge 20 des zugeführten Vergasungsmittels, weiterhin von der räumlichen Verteilung 24 des Vergasungsmittels.
Die Temperaturen 38 in den verschiedenen Bereichen der Reaktorkammer 4 wird vor allem von der räumlichen Verteilung 24 des Vergasungsmittels beeinflusst, aber auch von Vordruck 22 und Temperatur 24 des Vergasungsmittels, sowie dem Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel, wie oben erläutert.
Die Art der ablaufenden chemischen Reaktionen 40 wird ebenfalls, wie bereits erläutert, im Wesentlichen durch den Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel bestimmt, weiterhin auch durch die Temperatur des eingeführten Vergasungsmittels.
Die Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt nun die im Reaktor 1 aufgenommenen Regelgrößen und stellt die Steuergrößen demnach für eine optimierte Vergasung ein. Der Vergasungsreaktor 1 , betrieben mit einem Verfahren unter Regelung der beschriebenen Größen in diesem Ausführungsbeispiel ist für ein BHKW, also für die Wärme- und Stromversorgung ausgelegt.
Durch thermische Integration aller Teilsystemeinheiten der Gesamtanlage wird durch Kraft-Wärme-Kopplung ein Gesamtwirkungsgrad von >90% erreicht. Bezugszeichenliste
1 Vergasungsreaktor
2 Zwischenboden
3 Reservoir
4 Reaktionskammer
5 Zwischenboden
6 Aschekasten
7 Rückhaltevorrichtung
8 Gasaustritt
9 Seitenwand
10 Regelungseingang
11 Ringleitung
12 Stegverbindung
13 Düseneingang
20 Vergasungsmittelgesamtmenge
22 Vordruck
24 Verteilung
26 Temperatur
28 Wasserdampfanteil
30 Volumenstrom
32 Differenzdruck
34 Nutzgaszusammensetzung
36 Druck
38 Temperatur
40 Reaktionsart

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors (1) mit einer Reaktionskammer (4) für die autotherme und/oder allotherme Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen, wobei
Zusammensetzung (28), Menge (20), Druck (22), Geschwindigkeit, Temperatur (26) und/oder spezifischer Austrittspuls eines über Regelungseingänge (10) der Reaktionskammer (4) zugegebenen Vergasungsmittels variabel anhand einer Anzahl von in der Reaktionskammer (4) ermittelten Regelgrößen (30, 32, 34, 36, 38, 40) gesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zusammensetzung (34) des Nutzgases und/oder
der Volumenstrom (30) des Nutzgases und/oder
der jeweilige Druck (36) in einem Reservoir (3) für das Brennmaterial, in der Reaktionskammer (4) und/oder in einem Gasaustritt (8)
als Regelgröße (30, 32, 34, 36, 38, 40) verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet dadurch,
dass die Reaktionskammer (4) mehrere Regelungseingänge (10) aufweist und Zusammensetzung (28), Menge (20), Druck (22), Geschwindigkeit, Temperatur (26) und/oder spezifischer Austrittspuls des über den jeweiligen Regelungseingang (10) zugegebenen Vergasungsmittels mindestens teilweise unabhängig von den jeweils anderen Regelungseingängen (10) gesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch, dass die der Reaktionskammer (4) zugeführte Menge des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials variabel anhand einer Anzahl von im Vergasungsreaktor (1) ermittelten Regelgrößen (30, 32, 34, 36, 38, 40) gesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet dadurch,
dass eine Temperatur (38) in der Reaktionskammer (4) als Regelgröße (30, 32, 34, 36, 38, 40) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
gekennzeichnet dadurch,
dass Zusammensetzung (28), Menge (20), Druck (32), Geschwindigkeit, Temperatur (26) und/oder spezifischer Austrittspuls des über den jeweiligen Regelungseingang (10) zugegebenen Vergasungsmittels anhand der Temperatur (38) in der Reaktionskammer (4) an dem jeweiligen Regelungseingang (10) als Regelgröße (30, 32, 34, 36, 38, 40) gesteuert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet dadurch,
dass die Druckdifferenz (32) über eine gasdurchlässige Rückhaltevorrichtung (7) zwischen der Reaktionskammer (4) und einem Aschekasten (6) des Vergasungsreaktors (1) als Regelgröße (30, 32, 34, 36, 38, 40) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Zusammensetzung, Feuchtigkeit, Stückigkeit und/oder Staubgehalt des Brennmaterials als Regelgrößen (30, 32, 34, 36, 38, 40) verwendet werden.
8. Vergasungsreaktor (1) mit Mitteln zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
PCT/EP2012/004503 2011-10-28 2012-10-26 Verfahren zum betreiben eines vergasungsreaktors WO2013060474A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12783523.9A EP2771437A1 (de) 2011-10-28 2012-10-26 Verfahren zum betreiben eines vergasungsreaktors

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011117140A DE102011117140A1 (de) 2011-10-28 2011-10-28 Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors
DE102011117140.5 2011-10-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013060474A1 true WO2013060474A1 (de) 2013-05-02

Family

ID=47146329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/004503 WO2013060474A1 (de) 2011-10-28 2012-10-26 Verfahren zum betreiben eines vergasungsreaktors

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2771437A1 (de)
DE (1) DE102011117140A1 (de)
WO (1) WO2013060474A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202012008777U1 (de) * 2012-09-13 2015-10-06 Big Dutchman International Gmbh Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas aus einem festen Brennstoff
CN106753578A (zh) * 2016-12-16 2017-05-31 四川雷鸣环保装备有限公司 脉冲式循环流化床气化炉及使用该气化炉的气化系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5607487A (en) * 1993-03-17 1997-03-04 Taylor; Leland T. Bottom feed - updraft gasification system
DE102004020919A1 (de) 2004-04-28 2005-12-01 Kbi International Ltd. Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung mit Eindüsungsmitteln
WO2007002844A2 (en) * 2005-06-28 2007-01-04 Community Power Corporation Method and apparatus for automated, modular, biomass power generation
US20070289216A1 (en) * 2006-06-05 2007-12-20 Plasco Energy Group Inc. Gasifier comprising vertically successive processing regions
WO2009009693A1 (en) * 2007-07-10 2009-01-15 Granite Energy, Inc. Parallel path, downdraft gasifier apparatus and method
US20100107494A1 (en) 2007-03-26 2010-05-06 Litelis Method and installation for variable power gasification of combustible materials

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5607487A (en) * 1993-03-17 1997-03-04 Taylor; Leland T. Bottom feed - updraft gasification system
DE102004020919A1 (de) 2004-04-28 2005-12-01 Kbi International Ltd. Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung mit Eindüsungsmitteln
WO2007002844A2 (en) * 2005-06-28 2007-01-04 Community Power Corporation Method and apparatus for automated, modular, biomass power generation
US20070289216A1 (en) * 2006-06-05 2007-12-20 Plasco Energy Group Inc. Gasifier comprising vertically successive processing regions
US20100107494A1 (en) 2007-03-26 2010-05-06 Litelis Method and installation for variable power gasification of combustible materials
WO2009009693A1 (en) * 2007-07-10 2009-01-15 Granite Energy, Inc. Parallel path, downdraft gasifier apparatus and method

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011117140A1 (de) 2013-05-02
EP2771437A1 (de) 2014-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007062414B4 (de) Autothermes Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von kohlenstoffreichen Substanzen
WO2010003968A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von teerarmem synthesegas aus biomasse
WO2005113732A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines teerfreien schwachgases durch vergasung von biomasse
DE102010012487A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Nutzenergiegewinnung aus Bioenergieträgern und anderen organischen Stoffen
WO2010015316A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von synthesegas aus biomasse
DE102010018197A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung von Biomasse
DE102009032524B3 (de) Reaktor zur Erzeugung eines Produktgases durch allotherme Vergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen
DE19925316A1 (de) Verfahren und Anlage zur autothermen Vergasung von festen Brennstoffen
EP3358253A1 (de) Verkohlungsanlage
DE102005006305A1 (de) Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegasen mit Hochdruckdampferzeugung
DE102008043131B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum thermochemischen Vergasen fester Brennstoffe
DE102008027858A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines teerfreien Brenngases
EP3548587B1 (de) Verfahren und anlage zur kohlenstoff-reduzierung im bodenprodukt eines wirbelschichtvergasers
EP2325288A1 (de) Verfahren und Anlage zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen
DE102016008289B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur allothermen Festbettvergasung von kohlenstoffhaltigem Material
EP2771437A1 (de) Verfahren zum betreiben eines vergasungsreaktors
DE10030778C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen
DE4226015C1 (de) Verfahren zur Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen im Vergasungsprozeß bei der Festbettdruckvergasung
DE102011011521A1 (de) Erzeugung von Kohlenstoff und brennbaren Gasen aus Braunkohle
EP3067407B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum vergasen von kohlenstoffhaltigem material
EP2771436A1 (de) Vergasungsreaktor für kohlenstoffhaltiges brennmaterial
EP2771438A1 (de) Verfahren zur automatischen entfernung eines kohlenstoffüberschusses in einem vergasungsreaktor
DE102015215143B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Schwachgaserzeugung durch thermochemische partielle Oxydation fester Biomasse
WO2012110236A1 (de) Erzeugung von kohlenstoff und brennbaren gasen aus braunkohle
DE102006058673A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Schwachgaserzeugung aus organischen Energieträgern

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12783523

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2012783523

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012783523

Country of ref document: EP