WO2015054710A1 - Vorrichtung und verfahren zur vergasung eines rohmaterials - Google Patents

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WO2015054710A1
WO2015054710A1 PCT/AT2014/000187 AT2014000187W WO2015054710A1 WO 2015054710 A1 WO2015054710 A1 WO 2015054710A1 AT 2014000187 W AT2014000187 W AT 2014000187W WO 2015054710 A1 WO2015054710 A1 WO 2015054710A1
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heat
raw material
heat exchange
product gas
unit
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PCT/AT2014/000187
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Clara Panning
Peter Panning
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Hinterecker, Claus
Faltl, Armin
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    • C10J2300/1892—Heat exchange between at least two process streams with one stream being water/steam

Definitions

  • the invention relates to a device for the complete gasification of a raw material, comprising a first pyrolysis unit, which has a reaction space for converting the raw material into a product gas, with a feed device, with which the raw material is fed into the second pyrolysis, with a discharge device, with which the Product gas from the pyrolysis unit can be discharged, and with a preheater for preheating the raw material in the
  • Feeding device with heat energy of the product gas
  • the invention relates to a method for gasification of a raw material, wherein the raw material is fed into a reaction space of a pyrolysis unit, wherein the raw material in the
  • Pyrolysis unit is converted into a product gas, wherein the product gas is discharged from the pyrolysis unit, wherein the raw material supplied is preheated with heat energy of the product gas.
  • WO 2012/068252 relates to a two-stage pyrolysis device with the aid of which synthesis gas can be obtained from biological material.
  • the device has at several points
  • the heat exchangers can be used to temper the particles present in the gas produced, the particles present in a first part of the reactor before they are transferred to a second part and / or the biomass before they are introduced into the reactor. This form of temperature control can not significantly increase the cold gas efficiency of the process.
  • a pyrolysis plant for biomass in which the heat extracted in the gas cooling heat can be used via a heat exchanger for heating purposes.
  • the heating purposes also include heating the biomass within the described device.
  • DE 601 20 957 discloses inter alia a method and a device for the gasification of biomass, such as wood chips or wood pellets. This document describes that pre-dried biofuel prior to introduction into gasification reactors
  • the fuel can be dried by means of superheated steam.
  • the circulation steam used for the drying may be overheated by heat exchange with the product gas produced and / or by heat exchange with exhaust gases from the combustion unit.
  • the fuel can be dried with this method, a substantial part of the waste heat is lost for autothermal use.
  • the object of the present invention is to provide an apparatus and a method, as stated above, with which the cold gas efficiency in the gasification of the raw material can be increased by largely autothermal pyrolysis.
  • a heat emitting unit for delivering heat energy to the raw material in the feeder wherein between the heat receiving unit and the heat releasing unit, a closed loop for a heat exchange medium is formed such that the heat exchange medium in the heat receiving unit is at least partially vaporized by heat exchange with the product gas and the heat exchange medium in the Heat output unit is at least partially condensed by heat exchange with the raw material.
  • the invention is therefore based on the fact that the heat energy of the product gas is used to heat the raw material by a heat exchange medium in a closed circuit between a heat receiving unit for receiving heat energy from the product gas and a heat emitting unit for delivering this heat energy to the raw material.
  • the closed circuit has at least two lines between the heat absorption unit and the heat dissipation unit, wherein the heat exchange medium is circulated via these lines. It is essential here that the heat exchange medium is alternately vaporized or condensed as it flows through the closed circuit, wherein the heat of vaporization is used to absorb heat energy from the product gas or the heat of condensation for the release of heat energy to the raw material.
  • Heat exchange medium is separated from the flow of product gas, which is the
  • the energy required for processing the raw material can hereby be recovered in a particularly efficient manner.
  • the cold gas efficiency can be significantly increased compared to the known systems, whereby the
  • the feeding device by means of
  • Preheating device formed as Vorpyrolysecut in which the raw material in
  • the feed device in this case has a reactor in the form of a heated pressure screw. in which the pre-pyrolysis of the raw material takes place. At the exit of this reactor, the
  • Raw material already mostly as a mixture of different gases, containing for example
  • the pre-pyrolysis is carried out autothermally without supply of air or oxygen.
  • the pre-pyrolyzed raw material is converted into the product gas at comparatively high temperatures.
  • the pyrolysis temperature may be, for example, about 1400 ° C.
  • Feeding means a conveyor, in particular a screw conveyor, which is coupled to the heat-emitting unit of the preheater.
  • the heat dissipation unit can in this case form the heating jacket of the screw conveyor.
  • the screw conveyor can also be designed as a pressure lock. For preheating or prepyrolysis of the raw material, it is advantageous if the
  • Heat exchange medium preferably water
  • Heat exchange medium in the heat-emitting unit of the preheater in countercurrent to the raw material can be driven.
  • the heat exchange medium gives off heat to the raw material.
  • the flow of the heat exchange medium is designed in this case that in the heat dissipation unit
  • Phase transition from the vapor to the liquid state takes place. By transferring the heat of condensation, rapid pyrolysis of the raw material can be ensured.
  • a steam supply for introducing a gasification agent in the vaporous state, in particular water vapor, into the reaction space of the pyrolysis unit is also preferably provided.
  • Reaction space of the pyrolysis unit is connected to an oxygen supply.
  • the losses on the heat exchanger can be compensated by oxidation of small amounts of the product gas and in this way the temperature level of the necessary pyrolysis temperature can be maintained.
  • a particularly energy-efficient design can be achieved if the at least one
  • Heat exchanger for recovering heat of the product gas is connected to the discharge device. Accordingly, the heat exchanger for heat exchange between the product gas and the
  • Heat exchange medium preferably water
  • the supply line for the gasification means has a first or second heat exchanger in the flow direction of the product gas after or before the heat absorption unit of the preheater device.
  • the product gas has a higher temperature before the heat receiving unit of the preheater than after the heat receiving unit.
  • the first heat exchanger as evaporator for evaporating the gasification agent and the second heat exchanger as a superheater for superheating the gasification agent in
  • the superheated steam can enter when entering the
  • Reaction space of the pyrolysis have a temperature of more than 600 ° C.
  • the object underlying the invention is achieved in that heat energy of the product gas from a heat exchange medium,
  • water is taken up and then discharged to the raw material, wherein the heat exchange medium
  • Circulation is performed, wherein the heat exchange medium is evaporated by heat exchange with the product gas and is at least partially condensed by heat exchange with the raw material.
  • the raw material is subjected to a pre-pyrolysis by heat exchange with the heat exchange medium, in particular at a temperature between 200 ° C and 800 ° C, preferably between 400 ° C and 600 ° C.
  • the heat exchange medium is conducted in countercurrent to the raw material.
  • the pressure of the heat exchange medium is in the
  • the pressure of the heat exchange medium in the closed circuit is between 15 and 100 bar.
  • the pressure in the closed circuit in stationary operation is essentially independent of location. Slight pressure differences can, however, result from flow losses.
  • the reaction chamber of the pyrolysis a gasification agent in the vapor state, in particular steam, is supplied.
  • the pressure of the vaporous gasification agent is substantially between 5 bar and 30 bar. The system pressure is determined in particular by structural considerations and the use of the product gas.
  • a raw material solid biomass in particular wood waste, straw, or other organic waste.
  • the raw material is supplied in the wet state and dried by heat exchange with waste heat from the energy recovery, such as motor-generator. Accordingly, it can be advantageously used moist raw material, with a complex predrying by
  • Heating energy required to heat up the raw material is substantially completely recovered.
  • the energy losses of the gasification can be significantly reduced.
  • a liquid or gaseous fuel may be provided.
  • FIG. 1 is a functional diagram of a device according to the invention for the gasification of a raw material.
  • Fig. 1 shows an apparatus 1 for gasification of a raw material 2, wherein as raw material, a solid fuel, such as wood, is provided.
  • the device 1 further comprises a pyrolysis unit 3 au. which a reaction space 4 for the conversion of the raw material 2 into a product gas
  • the device 1 has a
  • the temperature Tho-1 may be ambient, for example about 15 ° C.
  • preheated wood can be used at ambient pressure, the temperature being chosen so that no volatile components just escapes, for example about 90 ° C.
  • Raw material 2 is conveyed by means of the feed device 6 into the pyrolysis unit 3, in which a number of chemical reactions known per se for the production of the product gas 5 take place.
  • the finished product gas 5 is finally drawn off with a discharge device 7 from the pyrolysis unit 3.
  • the device 1 further comprises a preheating device 8 for preheating or prepyrolising the raw material 2 as it passes through the feeding device 6, which is supplied with heat energy of the product gas 5.
  • the raw material 2 is increased from the temperature Tho-1 to a higher temperature Tho-2 of, for example, about 500 to 600 ° C before entering the pyrolysis unit 3.
  • the preheater 8 has a heat receiving unit 9 connected to the discharger 7 for absorbing heat energy from the product gas 5 and a heat releasing unit 10 connected to the feeder 6 for discharging heat energy to the raw material 2 in the feeder 6.
  • the heat absorption unit 9 is connected via lines 11, 1 ⁇ with the heat emitting unit 10. The heat receiving unit 9 and the heat dissipation unit
  • the lines 11, 11 ' form a closed circuit 12, in which a heat exchange medium 12' is circulated.
  • a pump (not shown) may be provided.
  • the closed circuit 12 after the
  • the heat exchange medium 12 'water can be provided.
  • the heat exchange medium 12 ' is at least partially vaporized by heat exchange with the product gas 5, with the heat exchange medium 12' via the conduit
  • the heat-emitting unit 10 is at least partially condensed, the heat of condensation is released, which is absorbed by the raw material 2.
  • the heat exchange medium 12 'in the heat-emitting unit 10 of the preheater 8 is guided in countercurrent to the raw material 5.
  • Recovery of the heat energy of the product gas 5 are used for the pre-pyrolysis of the raw material 2.
  • the pre-pyrolysis in the feeder 6 takes place at temperatures between 200 ° C and 600 ° C.
  • the feed device 6 has a conveying device 6 'for conveying the raw material 2 in the direction of the pyrolysis unit 3, which in the embodiment shown is formed by a screw conveyor.
  • the screw conveyor is coupled to the heat-emitting unit 10 of the preheater 8 such that a heat exchange between the
  • Heat exchange medium and the raw material 2 can be done.
  • the reaction space 4 of the pyrolysis unit 3 is connected to an oxygen feed 17, with which a partial oxidation of the raw material 2 in the
  • Pyrolysis unit 3 is effected.
  • the oxygen supply serves to supply energy to losses
  • the device 1 also has a steam supply 13 for introducing a gasification agent 13 'in the vapor state, in particular water vapor, in the
  • the steam supply 13 is connected to a supply line 14 for the gasification agent 13 'in the liquid state.
  • the supply line 14 for the gasification agent 13 ' has a first heat exchanger 15 which, viewed in the flow direction of the product gas 5, is arranged downstream of the heat absorption unit 9 of the preheater device 8, and a second heat exchanger 15
  • Heat receiving unit 9 of the preheater 8 is arranged on.
  • the first heat exchanger 1 is in this case designed as an evaporator for evaporating the gasification agent 13 'and the second heat exchanger 16 as a superheater for top heating of the gasification agent 13' in the vapor state.
  • the gasification agent 13 ' is therefore introduced as superheated steam having a temperature Tueh of, for example, about 600 ° C in the reaction chamber 4 of the pyrolysis unit 3.
  • the product gas 5 leaves the pyrolysis unit 3 at a temperature Tgas-1 of, for example, approximately 1400 ° C., before the product gas 5 in the second heat exchanger 16 delivers a portion of its heat energy to the gasification agent 13 '. Subsequently, will
  • Heat receiving unit 9 of the preheater 8 out in which the product gas 5 emits a further portion of its heat energy to the heat exchange medium 12 'within the closed circuit 12.
  • the product gas 5 leaves the heat receiving unit 9 at a temperature Tgas-3 of, for example, about 500 ° C. Subsequently, the product gas 5 is passed into the first heat exchanger 15, with which the gasification agent 13 'evaporates ird.
  • the pressure pic in the circuit 12 may also be smaller than the pressure pmf in the primary circuit.
  • the pressure of the heat exchange medium in the closed circuit 12 is between 15 and 100 bar.
  • the pressure is always on the boiling temperature coupled.
  • a pressure of about 55 bar When using water as a heat exchange medium results for a temperature of 270 ° C, a pressure of about 55 bar. The actual operating point is on

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung (1) zur Vergasung eines Rohmaterials (2), mit einer Pyrolyseeinheit (3), welche einen Reaktionsraum (4) zur Umsetzung des Rohmaterials (2) in ein Produktgas (5) aufweist, mit einer Zufuhreinrichtung (6), mit welcher das Rohmaterial (2) in die Pyrolyseeinheit (3) zufuhrbar ist, mit einer Abführeinrichtung (7), mit welcher das Produktgas (5) aus der Pyrolyseeinheit (3) abfuhrbar ist, und mit einer Vorwarmereinrichtung (8) zum Vorwarmen des Rohmaterials (2) in der Zufuhreinrichtung (6) mit Warmeenergie des Produktgases (5), wobei die Vorwarmereinrichtung (8) eine mit der Abfuhreinrichtung (7) verbundene Warmeaufnahmeeinheit (9) zur Aufnahme von Warmeenergie aus dem Produktgas (5) und eine mit der Zufuhreinrichtung (6) verbundene Warmeabgabeeinheit (10) zur Abgabe von Warmeenergie an das Rohmaterial (2) in der Zufuhreinrichtung (6) aufweist, wobei zwischen der Warmeaufnahmeeinheit (9) und der Warmeabgabeeinheit (10) ein geschlossener Kreislauf (12) für ein Warmeaustauschmedium (12') derart gebildet ist, dass das Warmeaustauschmedium (12') in der Warmeaufnahmeeinheit (9) durch Warmeaustausch mit dem Produktgas (5) verdampft wird und das Warmeaustauschmedium (12') in der Warmeabgabeeinheit (10) durch Warmeaustausch mit dem Rohmaterial (2) zumindest teilweise kondensiert wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Vergasung eines Rohmaterials
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur vollständigen Vergasung eines Rohmaterials, mit einer ersten Pyrolyseeinheit, welche einen Reaktionsraum zur Umsetzung des Rohmaterials in ein Produktgas aufweist, mit einer Zuführeinrichtung, mit welcher das Rohmaterial in die zweite Pyrolyseeinheit zufuhrbar ist, mit einer Abführeinrichtung, mit welcher das Produktgas aus der Pyrolyseeinheit abführbar ist, und mit einer Vorwärmereinrichtung zum Vorwärmen des Rohmaterials in der
Zuführeinrichtung mit Wärmeenergie des Produktgases.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vergasung eines Rohmaterials, wobei das Rohmaterial in einen Reaktionsraum einer Pyrolyseeinheit zugeführt wird, wobei das Rohmaterial in der
Pyrolyseeinheit in ein Produktgas umgesetzt wird, wobei das Produktgas aus der Pyrolyseeinheit abgeführt wird, wobei das zugeführte Rohmaterial mit Wärmeenergie des Produktgases vorgewärmt wird.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind im Stand der Technik in verschiedensten Ausführungen bekannt.
In der WO 2005/028595 werden Verfahren und Vorrichtungen geoffenbart, mit deren Hilfe Gase aus organischem Material hergestellt werden können. Dabei wird das organische Material mithilfe einer Beschickungsvorrichtung in einen Pyrolysereaktor eingebracht. Das in diesem Reaktor erzeugte Gas wird schließlich über ein Ausgangsrohr und einen Wärmetauscher aus dem Reaktor herausgebracht und einer Verwertung zugeführt. Der Wärmetauscher dient dazu, die dem Reaktor über die Zuleitung zugeführte Luft vorzuheizen. Somit wird bei diesem Stand der Technik lediglich die für die Vergasung zugeführte Luft mithilfe des aus dem Reaktor austretenden Gases erwärmt. Nachteiligerweise ist hiefür ein großer Energieaufwand erforderlich, da das Produktgas mit Stickstoffballast verdünnt wird.
Die WO 2012/068252 betrifft eine zweistufige Pyrolysevorrichtung, mit deren Hilfe Synthesegas aus biologischem Material gewonnen werden kann. Die Vorrichtung weist an mehreren Stellen
Wärmetauscher auf. Die Wärmetauscher können eingesetzt werden, um die im erzeugten Gas befindlichen Partikel, die in einem ersten Teil des Reaktors befindlichen Partikel vor deren Überführung in einen zweiten Teil und/oder die Biomasse vor deren Einbringung in den Reaktor zu temperieren. Auch diese Form der Temperierung kann den Kaltgaswirkungsgrad des Verfahrens nicht wesentlich erhöhen.
In der AT 1 1 742 U l wird eine Pyrolyseanlage für Biomasse beschrieben, bei der die bei der Gaskühlung entzogene Wärme über einen Wärmetauscher für Beheizungszwecke eingesetzt werden kann. Die Beheizungszwecke umfassen hierbei auch das Erhitzen der Biomasse innerhalb der beschriebenen Vorrichtung. Dieses Vorwärmverfahren ist zwar einfach, kann jedoch den Wirkungsgrad nicht wesentlich verbessern, da bei der Pyrolyse Stickstoffballast zugeführt wird.
Die DE 601 20 957 offenbart unter anderem ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Vergasung von Biomasse, wie zum Beispiel Holzschnitzel oder Holzpellets. In diesem Dokument wird beschrieben, dass biologische Brennstoffe vor dem Einbringen in Vergasungsreaktoren vorgetrocknet
werden müssen. Hiefür kann der Brennstoff mithilfe von überhitztem Dampf getrocknet werden. Der Zirkulationsdampf, der für die Trocknung verwendet wird, kann durch Wärmeaustausch mit dem produzierten Produktgas und/oder durch Wärmeaustausch mit Abgasen aus der Verbrennungseinheit überhitzt werden. Mit diesem Verfahren kann zwar der Brennstoff getrocknet werden, ein wesentlicher Teil der Abwärme geht jedoch für eine autotherme Nutzung verloren.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie eingangs angegeben, zu schaffen, mit welchem der Kaltgaswirkungsgrad bei der Vergasung des Rohmaterials durch größtenteils autotherme Pyrolyse gesteigert werden kann.
Das Patent US 2013230815-A1 führt aus, dass im sogenannten geschlossenen Kreislauf überhitzter Wasserdampf dem Pyrolysereaktor mit dem getrockneten Pyrolysegut zugeführt wird und dort eine Pyrolysereaktion auslöst. Dabei werden gasförmige organische Verbindungen freigesetzt wodurch des Partial druck des Wasserdampfs herabgesetzt wird. Die Kondensation des Wasserdampfs findet dadurch nur bei niedriger Temperatur statt und die Reaktionsbedingungen reichen nicht zur vollständigen Vergasung des Pyrolysegutes aus. Der Kreislauf ist auch nicht geschlossen, da dem Pyrolysereaktor laufend kondensiertes bzw. festes Material aus dem Vorprozess zugeführt wird, und andererseits das gasförmige Produkt ausgeschleust wird, während die zurückbleibenden Stoffe, bestehend aus Kondensat und Feststoffen dem Pyrolysereaktor wieder zugeführt werden.
Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass die
Vorwärmeinrichtung eine mit der Abführeinrichtung verbundene Wärmeaufnahmeeinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Produktgas und eine mit der Zuführeinrichtung verbundene
Wärmeabgabeeinheit zur Abgabe von Wärmeenergie an das Rohmaterial in der Zuführeinrichtung aufweist, wobei zwischen der Wärmeaufnahmeeinheit und der Wärmeabgabeeinheit ein geschlossener Kreislauf für ein Wärmeaustauschmedium derart gebildet ist, dass das Wärmeaustauschmedium in der Wärmeaufnahmeeinheit durch Wärmeaustausch mit dem Produktgas zumindest teilweise verdampft wird und das Wärmeaustauschmedium in der Wärmeabgabeeinheit durch Wärmeaustausch mit dem Rohmaterial zumindest teilweise kondensiert wird. Die Erfindung beruht daher darauf, dass die Wärmeenergie des Produktgases zur Aufheizung des Rohmaterials genutzt wird, indem ein Wärmeaustauschmedium in einem geschlossenen Kreislauf zwischen einer Wärmeaufnahmeeinheit zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Produktgas und einer Wärmeabgabeeinheit zur Abgabe dieser Wärmeenergie an das Rohmaterial geführt wird. Dafür weist der geschlossene Kreislauf zumindest zwei Leitungen zwischen der Wärmeaufnahmeeinheit und der Wärmeabgabeeinheit auf, wobei das Wärmeaustauschmedium über diese Leitungen im Kreis geführt wird. Wesentlich ist hierbei, dass das Wärmeaustauschmedium beim Durchströmen des geschlossenen Kreislaufes abwechselnd verdampft bzw. kondensiert wird, wobei die Verdampfungswärme zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Produktgas bzw. die Kondensationswärme zur Abgabe von Wärmeenergie an das Rohmaterial verwendet wird. Der geschlossene Kreislauf für das
Wärmeaustauschmedium ist hierbei getrennt von der Strömung des Produktgases, welches den
Primärstrom der Anlage bildet. Vorteilhafterweise kann hiermit die zur Aufbereitung des Rohmaterials erforderliche Energie in besonders effizienter Weise rückgewonnen werden. Der Kaltgaswirkungsgrad kann gegenüber den bekannten Anlagen wesentlich gesteigert werden, wodurch auch die
Wirtschaftlichkeit der Vergasung, insbesondere von Biomasse, verbessert werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Zuführeinrichtung mittels der
Vorwärmereinrichtung als Vorpyrolysestufe ausgebildet, in welcher das Rohmaterial im
Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium einer Vorpyrolyse, insbesondere bei einer
Temperatur zwischen 200°C und 800°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 600°C, unterzogen wird. Die Zutuhreinrichtung weist dabei einen Reaktor in Form einer beheizbaren Druckschnecke auf. in welcher die Vorpyrolyse des Rohmaterials stattfindet. Am Ausgang dieses Reaktors kann das
Rohmaterial bereits mehrheitlich als Gemisch verschiedener Gase, enthaltend beispielsweise
Kohlenmonoxid, Wasserstoff, verschiedene organische Verbindungen und Wasserdampf, vorliegen, wobei jedoch noch Reste von festen bzw. flüssigen Stoffen, beispielsweise Aerosole, Kohlenstaub und Asche, vorhanden sein können. Die Vorpyrolyse wird erfolgt autotherm ohne Zufuhr von Luft oder Sauerstoff. In der Pyrolyseeinheit wird das vorpyrolysierte Rohmaterial bei vergleichsweise hohen Temperaturen in das Produktgas umgesetzt. Hierbei werden insbesondere die organischen Verbindungen und Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff
umgesetzt werden. Die Pyrolysetemperatur kann beispielsweise ca. 1400°C betragen.
Um das Rohmaterial in Richtung der Pyrolyseeinheit zu fördern, ist es günstig, wenn die
Zuführeinrichtung eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Förderschnecke, aufweist, welche mit der Wärmeabgabeeinheit der Vorwärmereinrichtung gekoppelt ist. Die Wärmeabgabeeinheit kann hierbei den Heizmantel der Förderschnecke bilden. Die Förderschnecke kann zudem als Druckschleuse ausgebildet sein. Zum Vorwärmen bzw. Vorpyrolysieren des Rohmaterials ist es günstig, wenn das
Wärmeaustauschmedium, vorzugsweise Wasser, in der Wärmeabgabeeinheit der Vorwärmereinrichtung im Gegenstrom zum Rohmaterial fuhrbar ist. Beim Durchströmen der Wärmeabgabeeinheit entgegen der Strömungsrichtung
des Rohmaterials gibt das Wärmeaustauschmedium Wärme an das Rohmaterial ab. Die Strömung des Wärmeaustauschmediums ist hierbei darauf ausgelegt, dass in der Wärmeabgabeeinheit ein
Phasenübergang vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand stattfindet. Durch die Übertragung der Kondensationswärme kann eine rasche Pyrolyse des Rohmaterials sichergestellt werden.
Zur Umsetzung des Rohmaterials in das Produktgas ist zudem bevorzugt eine Dampfzufuhr zum Einleiten eines Vergasungsmittels im dampfförmigen Zustand, insbesondere Wasserdampf, in den Reaktionsraum der Pyrolyseeinheit vorgesehen.
Zur Kompensation der Wärmeverluste im Wärmetauscher und Wand ist es günstig, wenn der
Reaktionsraum der Pyrolyseeinheit mit einer Sauerstoffzufuhr verbunden ist. Damit können die Verluste am Wärmetauscher durch Oxidation geringer Mengen des Produktgases kompensiert und auf diese Weise das Temperaturniveau der notwendigen Pyrolysetemperatur gehalten werden.
Eine besonders energieeffiziente Ausführung kann erzielt werden, wenn der zumindest eine
Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärme des Produktgases mit der Abführeinrichtung verbunden ist. Demnach ist der Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen dem Produktgas und dem
Vergasungsmittel eingerichtet. Bei dieser Ausführung wird daher die Wärmeenergie des
Produktgases einerseits für das Wärmeaustauschmedium der Vorwärmereinrichtung und andererseits für das Vergasungsmittel, vorzugsweise Wasser, genutzt. Der geschlossene Kreislauf für das
Wärmeaustauschmedium, vorzugsweise Wasser, ist hierbei von dem Strömungsweg des
Vergasungsmittels getrennt.
Zur Bereitstellung des Vergasungsmittels im dampfförmigen Zustand ist es besonders günstig, wenn die Zuleitung für das Vergasungsmittel einen ersten bzw. zweiten Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Produktgases gesehen nach bzw. vor der Wärmeaufnahmeeinheit der Vorwärmereinrichtung aufweist. Das Produktgas weist vor der Wärmeaufnahmeeinheit der Vorwärmereinrichtung eine höhere Temperatur als nach der Wärmeaufnahmeeinheit auf. Um den Reaktionsraum der Pyrolyseeinheit mit überhitztem Wasserdampf zu versorgen, ist es vorteilhaft, wenn der erste Wärmetauscher als Verdampfer zum Verdampfen des Vergasungsmittels und der zweite Wärmetauscher als Überhitzer zum Überhitzen des Vergasungsmittels im
dampfförmigen Zustand ausgebildet ist. Der überhitzte Wasserdampf kann beim Eintritt in den
Reaktionsraum der Pyrolyseeinheit eine Temperatur von mehr als 600°C aufweisen.
Im Hinblick auf das eingangs angeführte Verfahren wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass Wärmeenergie des Produktgases von einem Wärmeaustauschmedium,
vorzugsweise Wasser, aufgenommen und anschließend an das Rohmaterial abgegeben wird, wobei das Wärmeaustauschmedium
zwischen der Wärmeaufnahme und der Wärmeabgabe in einem geschlossenen
Kreislauf geführt wird, wobei das Wärmeaustauschmedium durch Wärmeaustausch mit dem Produktgas verdampft und durch Wärmeaustausch mit dem Rohmaterial zumindest teilweise kondensiert wird.
Damit können dieselben Vorteile und technischen Effekte wie bei der oben beschriebenen
Vergasungsanlage erzielt werden, so dass auf die Ausführungen in diesem Zusammenhang verwiesen werden kann.
Zur effizienten Umsetzung des Rohmaterials in das Produktgas ist es günstig, wenn das Rohmaterial durch Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium einer Vorpyrolyse, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 200°C und 800°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 600°C, unterzogen wird.
Um das Rohmaterial auf die für die Vorpyrolyse notwendige Temperaturen zu bringen, ist es von Vorteil, wenn das Wärmeaustauschmedium im Gegenstrom zum Rohmaterial geführt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der Druck des Wärmeaustauschmediums in dem
geschlossenen Kreislauf höher als der Druck des Produktgases. Dadurch kann der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeaustauschmedium und dem Rohmaterial besonders effizient gestaltet werden.
Besonders bevorzugt ist hierbei, wenn der Druck des Wärmeaustauschmediums in dem geschlossenen Kreislauf zwischen 15 und 100 bar beträgt. Der Druck im geschlossenen Kreislauf im stationären Betriebs/u stand ist hierbei im Wesentlichen vom Ort unabhängig. Geringfügige Druckunterschiede können sich allerdings durch Strömungsverluste ergeben.
Zur Umsetzung der Pyrolysegase ist es günstig, wenn dem Reaktionsraum der Pyrolyseeinheit ein Vergasungsmittel im dampfförmigen Zustand, insbesondere Wasserdampf, zugeführt wird. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Druck des dampfförmigen Vergasungsmittels im Wesentlichen zwischen 5 bar und 30 bar, beträgt. Der Anlagendruck wird insbesondere von baulichen Überlegungen und der Verwendung des Produktgases bestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als Rohmaterial feste Biomasse, insbesondere Holzabfälle, Stroh, oder anderer organischer Abfall, vorgesehen.
In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn das Rohmaterial im feuchten Zustand zugeführt und durch Wärmeaustausch mit Abwärme aus der Energieverwertung, beispielsweise Motor-Generator, getrocknet wird. Demnach kann vorteilhafterweise feuchtes Rohmaterial verwendet werden, wobei auf eine aufwändige Vortrockung durch
eine gesonderte Vorrichtung verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise wird daher die zum
Aufheizen des Rohmaterials erforderliche Wärmeenergie im Wesentlichen vollständig rückgewonnen. Damit können die Energieverluste der Vergasung wesentlich reduziert werden.
Alternativ kann als Rohmaterial aber auch ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten
Ausführungsbeispiels, auf das sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt in der Zeichnung:
Fig. 1 ein Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vergasung eines Rohmaterials.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Vergasung eines Rohmaterials 2, wobei als Rohmaterial ein fester Brennstoff, beispielsweise Holz, vorgesehen ist. Die Vorrichtung 1 weist weiters eine Pyrolyseeinheit 3 au . welche einen Reaktionsraum 4 zur Umsetzung des Rohmaterials 2 in ein Produktgas
5, insbesondere ein Synthese- oder Brenngas, aufweist. Zudem weist die Vorrichtung 1 eine
Zuführeinrichtung 6 auf, welcher das Rohmaterial 2 mit einer Temperatur Tho-1 zugeführt wird. Bei der Temperatur Tho-1 kann es sich um Umgebungstemperatur , beispielsweise ca. 15°C, handeln. Alternativ kann bei Umgebungsdruck vorgewärmtes Holz verwendet werden, wobei die Temperatur so gewählt wird, dass gerade noch keine flüchtigen Bestandteile austreten, beispielsweise ca. 90°C. Das
Rohmaterial 2 wird mittels der Zuführeinrichtung 6 in die Pyrolyseeinheit 3 gefördert, in welcher eine Reihe von an sich bekannten chemischen Reaktionen zur Herstellung des Produktgases 5 stattfinden. Das fertige Produktgas 5 wird schließlich mit einer Abführeinrichtung 7 aus der Pyrolyseeinheit 3 abgezogen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Vorrichtung 1 weiters eine Vorwärmereinrichtung 8 zum Vorwärmen bzw. Vorpyrolisieren des Rohmaterials 2 beim Durchtritt durch die Zuführeinrichtung 6 auf, welche mit Wärmeenergie des Produktgases 5 versorgt wird. Dadurch wird das Rohmaterial 2 von der Temperatur Tho-1 auf eine höhere Temperatur Tho-2 von beispielsweise ca. 500 bis 600°C vor dem Eintritt in die Pyrolyseeinheit 3 erhöht.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Vorwärmereinrichtung 8 eine mit der Abführeinrichtung 7 verbundene Wärmeaufnahmeeinheit 9 zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Produktgas 5 und eine mit der Zuführeinrichtung 6 verbundene Wärmeabgabeeinheit 10 zur Abgabe von Wärmeenergie an das Rohmaterial 2 in der Zuführeinrichtung 6 auf. Die Wärmeaufnahmeeinheit 9 ist über Leitungen 11 , 1 Γ mit der Wärmeabgabeeinheit 10 verbunden. Die Wärmeaufnahmeeinheit 9 und die Wärmeabgabeeinheit
10 sind als Wärmetauscher ausgebildet. Die Leitungen 11, 11 ' bilden einen geschlossenen Kreislauf 12, in welchem ein Wärmeaustauschmedium 12' im Kreis geführt wird. Zu diesem Zweck kann eine Pumpe (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Alternativ kann der geschlossene Kreislauf 12 nach dem
Naturumlaufprinzip arbeiten. Als Wärmeaustauschmedium 12' kann Wasser vorgesehen sein. In der Wärmeaufnahmeeinheit 9 wird dasWärmeaustauschmedium 12' durch Wärmeaustausch mit dem Produktgas 5 zumindest teilweise verdampft, wobei das Wärmeaustauschmedium 12' über die Leitung
1 1 zu der Wärmeabgabeeinheit 10 geführt wird. Durch Wärmeaustausch mit dem Rohmaterial 2 wird das Wärmeaustauschmedium in
der Wärmeabgabeeinheit 10 zumindest teilweise kondensiert, wobei die Kondensationswärme frei wird, welche vom Rohmaterial 2 aufgenommen wird. Dabei wird das Wärmeaustauschmedium 12' in der Wärmeabgabeeinheit 10 der Vorwärmereinrichtung 8 im Gegenstrom zum Rohmaterial 5 geführt.
Anschließend wird das Wärmea u sta u sc h med i u m 12' über die Leitung 11' in die Wärmeaufnahmeeinheit 9 rückgeführt. Demnach kann der Phasen Übergang zwischen dem gasförmigen
und dem flüssigen Zustand beim Durchlaufen des geschlossenen Kreislaufes 12 zur effizienten
Rückgewinnung der Wärmeenergie des Produktgases 5 für die Vorpyrolyse des Rohmaterials 2 genützt werden. Die Vorpyrolyse in der Zuführeinrichtung 6 findet bei Temperaturen zwischen 200°C und 600°C statt.
Wie aus Fig 1 schematisch ersichtlich, weist die Zuführeinrichtung 6 eine Fördereinrichtung 6' zum Fördern des Rohmaterials 2 in Richtung der Pyrolyseeinheit 3 auf, welche in der gezeigten Ausführung durch eine Förderschnecke gebildet ist. Die Förderschnecke ist mit der Wärmeabgabeeinheit 10 der Vorwärmereinrichtung 8 derart gekoppelt, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem
Wärmeaustauschmedium und dem Rohmaterial 2 erfolgen kann. Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, ist der Reaktionsraum 4 der Pyrolyseeinheit 3 mit einer Sauerstoffzufuhr 17 verbunden, mit welcher eine Teiloxidation des Rohmaterials 2 in der
Pyrolyseeinheit 3 bewirkt wird. Die Sauerstoffzufuhr dient der Energiezufuhr, um Verluste
auszugleichen.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, weist die Vorrichtung 1 zudem eine Dampfzufuhr 13 zum Einleiten eines Vergasungsmittels 13' im dampfförmigen Zustand, insbesondere Wasserdampf, in den
Reaktionsraum 4 der Pyrolyseeinheit 3 auf. Die Dampfzufuhr 13 ist mit einer Zuleitung 14 für das Vergasungsmittel 13' im flüssigen Zustand verbunden. Die Zuleitung 14 für das Vergasungsmittel 13' weist einen ersten Wärmetauscher 15, welcher in Strömungsrichtung des Produktgases 5 gesehen nach der Wärmeaufnahmeeinheit 9 der Vorwärmereinrichtung 8 angeordnet ist, und einen zweiten
Wärmetauscher 16, welcher in Strömungsrichtung des Produktgases 5 gesehen vor der
Wärmeaufnahmeeinheit 9 der Vorwärmereinrichtung 8 angeordnet ist, auf. Der erste Wärmetauscher 1 ist hierbei als Verdampfer zum Verdampfen des Vergasungsmittels 13' und der zweite Wärmetauscher 16 als Überhitzer zum Oberhitzen des Vergasungsmittels 13' im dampfförmigen Zustand ausgebildet. Das Vergasungsmittel 13' wird daher als überhitzter Dampf mit einer Temperatur Tueh von beispielsweise ca. 600°C in den Reaktionsraum 4 der Pyrolyseeinheit 3 eingebracht.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, verlässt das Produktgas 5 die Pyrolyseeinheit 3 mit einer Temperatur Tgas-1 von beispielsweise ca. 1400°C, bevor das Produktgas 5 in dem zweiten Wärmetauscher 16 einen Teil seiner Wärmeenergie an das Vergasungsmittel 13' abgibt. Anschließend wird
das Produktgas 5 mit einer Temperatur Tgas-2 von beispielsweise ca.l 000°C in die
Wärmeaufnahmeeinheit 9 der Vorwärmereinrichtung 8 geführt, in welcher das Produktgas 5 einen weiteren Teil seiner Wärmeenergie an das Wärmeaustauschmedium 12' innerhalb des geschlossenen Kreislaufes 12 abgibt. Das Produktgas 5 verlässt die Wärmeaufnahmeeinheit 9 mit einer Temperatur Tgas-3 von beispielsweise ca. 500°C. Anschließend wird das Produktgas 5 in den ersten Wärmetauscher 15 geführt, mit welchem das Vergasungsmittel 13' verdampft ird.
Wie aus Fig. 1 weiters schematisch ersichtlich, wird das Wärmeaustauschmedium 12' in dem
geschlossenen Kreislauf 12 mit einem Druck pic geführt, welcher im stationären Betriebszustand höher als ein Druck pmf im Hauptstrom (Strömung des Rohmaterials 2 durch die Zuführeinrichtung, Strömung des Produktgases 5. Strömung des Vergasungsmittels 13') ist. Nur beim Anfahrvorgang, wenn im Sekundärkreislauf ein Teilvakuum herrschen kann, während im Hauptstrom
Normaldruck vorliegt, kann der Druck pic im Kreislauf 12 auch kleiner sein als der Druck pmf im Primärkreislauf. Insbesondere beträgt der Druck des Wärmeaustauschmediums in dem geschlossenen Kreislauf 12 zwischen 15 und 100 bar. Bei jedem Wärmeaustauschmedium ist der Druck hierbei stets an die Siedetemperatur gekoppelt. Bei Verwendung von Wasser als Wärmeaustauschmedium ergibt sich für eine Temperatur von 270°C ein Druck von etwa 55 bar. Der tatsächliche Betriebspunkt ist ein
Kompromiss zwischen dem apparativen Aufwand für den Wärmeübergang und der Druckfestigkeit, wobei die Erfordernisse der chemischen Reaktionen im
Primärstrom zu berücksichtigen sind.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (1 ) zur Vergasung eines Rohmaterials (2), mit einer Pyrolyseeinheit (3), welche einen Reaktionsraum (4) zur Umsetzung des Rohmaterials (2) in ein Produktgas (5) aufweist, mit einer Zuführeinrichtung (6), mit welcher das Rohmaterial (2) in die Pyrolyseeinheit (3) zuführbar ist, mit einer Abführeinrichtung (7), mit welcher das Produktgas (5) aus der Pyrolyseeinheit (3) abfuhrbar ist, und mit einer Vorwärmereinrichtung (8) zum Vorwärmen des Rohmaterials (2) in
der Zuführeinrichtung (6) mit Wärmeenergie des Produktgases (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmereinrichtung (8) eine mit der Abführeinrichtung (7) verbundene Wärmeaufnahmeeinheit (9) zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Produktgas (5) und eine mit der Zuführeinrichtung (6) verbundene Wärmeabgabeeinheit (10) zur Abgabe von Wärmeenergie an das Rohmaterial (2) in der Zuführeinrichtung (6) aufweist, wobei zwischen der Wärmeaufnahmeeinheit (9) und der
Wärmeabgabeeinheit (10) ein geschlossener Kreislauf (12) für ein Wärmeaustauschmedium (12') derart gebildet ist, dass das Wärmeaustauschmedium (12') in der Wärmeaufnahmeeinheit (9) durch
Wärmeaustausch mit dem Produktgas (5) zumindest teilweise verdampft wird und das
Wärmeaustauschmedium (12') in der Wärmeabgabeeinheit (10) durch Wärmeaustausch mit dem Rohmaterial (2) zumindest teilweise kondensiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu fuhreinrichtung (6) mittels der Vorwärmereinrichtung (8) als Vorpyrolysestufe ausgebildet ist, in welcher das Rohmaterial (2) im Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium (12') einer Vorpyrolyse, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 200°C und 600°C, vorzugsweise zwischen 250°C und 450°C, unterzogen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium (12') in der Wärmeabgabeeinheit (10) der Vorwärmereinrichtung (8) im Gegenstrom zum Rohmaterial (2) führbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (6) eine Fördereinrichtung (6'), insbesondere eine Förderschnecke, aufweist, welche mit der
Wärmeabgabeeinheit (10) der Vorwärmereinrichtung (8) gekoppelt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum (4) der Pyrolyseeinheit (3) mit einer Sauerstoffzufuhr (17) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dampfzufuhr (13) zum Einleiten eines Vergasungsmittels (13') im dampfförmigen Zustand, insbesondere Wasserdampf, in den Reaktionsraum (4) der Pyrolyseeinheit (3) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzufuhr (13) mit einer Zuleitung (14) für das Vergasungsmittel (13') im flüssigen Zustand verbunden ist, wobei die
Zuleitung(14) zumindest einen Wärmetauscher (15, 16) zum Verdampfen des Vergasungsmittels (13') aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (15, 16) zur Rückgewinnung von Wärme des Produktgases (5) mit der Abführeinrichtung (7) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (14) für das
Vergasungsmittel (13') einen ersten (15) bzw. zweiten Wärmetauscher (16) in Strömungsrichtung des Produktgases (5) gesehen nach bzw. vor der Wärmeaufnahmeeinheit (9) der Vorwärmereinrichtung (8) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (15) als Verdampfer zum Verdampfen des Vergasungsmittels (13') und der zweite Wärmetauscher (16) als Überhitzer zum Überhitzen des Vergasungsmittels (13') im dampfförmigen Zustand ausgebildet ist.
11. Verfahren zur Vergasung eines Rohmaterials, wobei das Rohmaterial (2) in einen Reaktionsraum (4) einer Pyrolyseeinheit (3) zugeführt wird, wobei das Rohmaterial (2) in der Pyrolyseeinheit (3) in ein Produktgas (5) umgesetzt wird, wobei das Produktgas (5) aus der Pyrolyseeinheit (3) abgeführt wird, wobei das zugeführte Rohmaterial (2) mit Wärmeenergie des Produktgases (5) vorgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie des Produktgases (5) von einem Wärmeaustauschmedium (12') aufgenommen und anschließend an das Rohmaterial (2) abgegeben wird, wobei das
Wärmeaustauschmedium (12') zwischen der Wärmeaufnahme und der Wärmeabgabe in einem geschlossenen Kreislauf ( 12) geführt wird, wobei das Wärmeaustauschmedium (12') durch
Wärmeaustausch mit dem Produktgas (5) verdampft und durch Wärmeaustausch mit dem Rohmaterial (2) zumindest teilweise kondensiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial (2) durch
Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium (12') einer Vorpyrolyse, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 200°C und 800°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 600°C, unterzogen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium ( 12') im Gegenstrom zum Rohmaterial (2) geführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Wärmeaustauschmediums ( 12') in dem geschlossenen Kreislauf (12) höher als der Druck des Produktgases (5) ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Wärmeaustauschmediums (12') in dem geschlossenen Kreislauf (12) zwischen 15 und 100 bar beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsraum (4) der Pyrolyseeinheit (3) ein Vergasungsmittel (13') im dampfförmigen Zustand, insbesondere Wasserdampf, zugeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des dampfförmigen Vergasungsmittels (13') im Wesentlichen zwischen 5 bar und 30 bar. beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohmaterial (2) feste Biomasse, insbesondere Holz, Stroh, oder organischer Abfall, vorgesehen ist.
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