WO2015058864A1 - Reaktor sowie verfahren zur vergasung von brennstoffen - Google Patents

Reaktor sowie verfahren zur vergasung von brennstoffen Download PDF

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WO2015058864A1
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muffle tube
muffle
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PCT/EP2014/002880
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Bernhard BÖCKER-RIESE
Michael Niederbacher
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Böcker-Riese Bernhard
Michael Niederbacher
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    • C10J2300/0959—Oxygen

Definitions

  • the invention relates to a reactor for the gasification of fuels, in particular of biomass, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a process for the gasification of fuels, in particular of biomass according to claim 18.
  • Reactors for the gasification of fuels in particular of carbonaceous solid fuels (for example biomass or waste and in particular wood or the like substances), with the purpose to use the fuel gases generated in the reactor for energy production or power generation (in particular by means of internal combustion engines, such as gas engines) are well known.
  • the gas produced from the solid fuels is referred to differently as product gas, lean gas, wood gas or syngas, wherein the gasification in the reactor provides the product gas, the main components carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, methane, water vapor and gasification with air as a gasification agent also contains considerable amounts of nitrogen.
  • tars or condensates, ashes and dust are produced as undesirable by-products in varying amounts.
  • the gasification process in the reactor itself can be roughly divided into the areas of heating or drying, pyrolytic decomposition, oxidation and reduction. This is explained in more detail below on the basis of biomass:
  • the biomass is heated, whereby the water therein is evaporated to a temperature level of about 200 ° C. After the heating or drying phase of the biomass takes place at temperatures between 150 ° C and
  • Components of the product gas such as carbon monoxide, hydrogen, and methane, are then formed in a reduction zone adjoining the oxidation zone.
  • the products formed in the oxidation and drying carbon dioxide and water with solid carbon to carbon monoxide and hydrogen are reduced.
  • tars require the use of scrubbers in order, for example, to be able to supply gases released from such residues to the downstream engines.
  • DE 100 37 762 B4 specifically proposes connecting a gas purification unit downstream of a gasification reactor which has catalytically active material which is directly exposed to the gases leaving the gasification unit. Furthermore, a gas cooling unit connected downstream of this gas cleaning unit is provided, which in turn is followed by a filter. Specifically, in this case, the gas cleaning unit should have a thermally insulated, vertically from top to bottom flow-through full-room reactor, which has a supply line through which the gases exiting the gasifier unit can be introduced into the full-room reactor.
  • Flow direction of the gases flow channels are arranged within the full-space reactor of the gas cleaning unit, which have honeycomb-shaped flow cross-sections and which are formed by a support frame, on which the catalytically active material is provided. Furthermore, a discharge is provided at the full-space reactor, through which the catalytically split gases emerge from the full-space reactor, while in the floor space of the full-room reactor can accumulate flue dust, which in turn can be discharged through a drain port.
  • a discharge is provided at the full-space reactor, through which the catalytically split gases emerge from the full-space reactor, while in the floor space of the full-room reactor can accumulate flue dust, which in turn can be discharged through a drain port.
  • Such a structure is obviously expensive and inexpensive.
  • a shaft furnace in which a tower-like supply for air or gasification means projects into the bulk layer above a ember bed to there, that is, to blow air into the bulk material layer, so that the supplied air here in addition to the fuel gas produced must flow through the bed.
  • the fuel gas is also withdrawn ash ash discharge side, that is, after flowing through the entire bed, by means of a fuel gas line, which is connected to a heat exchanger which heats the bulk material layer.
  • This preheating zone is used only for drying and preheating, pyrolysis and reduction does not take place in this area.
  • a separate muffle tube is not provided here.
  • DE 199 16 931 A1 shows a carburettor with a filling zone forming a drying zone and a pyrolysis zone and tapering conically downwards, which merges into a cylindrical region containing the oxidation and reduction zone.
  • the fuel gas produced flows through an annealed thermally separated or isolated annulus up to the drying zone upwards, where it is then withdrawn.
  • a heat transfer from the raw gas into the bed takes place only in the region of the drying zone.
  • the heat supply into the pyrolysis and reduction zone takes place autothermally within the cylindrical shaft via the oxidation zone. Consequently, here too gasification agent and all gas components formed must flow completely through the bed, so that the fuel gas in the region of the grate can flow into the annulus.
  • An apparatus for wood gasification which is identical in principle to DE 199 16 931 A1 is also known from DE 10 2007 002 895 A1.
  • An essential difference to DE 199 16 931 A1 is that here the gasification agent is supplied via nozzles from the outside and not from the inside.
  • a reactor for the gasification of fuels, in particular of biomass which has a reactor interior. Furthermore, the reactor has at least one fuel metering device for adding fuel to be gasified into the interior of the reactor. In addition, a grate arranged in the interior of the reactor, preferably on the bottom side, is provided on which the fuel metered into the interior of the reactor and to be gasified rests.
  • the reactor according to the invention comprises at least one gas outlet for discharging the gas generated in the interior of the reactor from the interior of the reactor
  • Grating disposed muffle tube is provided, which preferably extends in the direction of the vertical axis, wherein in the muffle tube of the fuel to be gasified is received Hochachsencardi lower or free, rust-side muffle tube in an indirectly or directly acted upon by air from the at least one air supply and formed as an autothermal gasification zone lower reactor area in which the fuel to be gasified or already resulting from this product gases partially oxidize.
  • the muffle tube is received in an upper annular region opening into the lower reactor region in an upper reactor region forming a muffle housing such that the gas emerging from the muffle tube in the region of the lower or free muffle tube, preferably with mixing with gas from the autothermal gasification zone, enters the muffle housing-side annular gap and there flows at least partially along with heat and along the upper Muffelrohr Anlagen, so this forms an allothermal gasification zone for heating, pyrolysis and reduction of fuel to be gasified.
  • the hot gas generated in the reactor is further used here for heating the upper muffle tube end receiving the fuel to be gasified, thereby forming an allothermal gasification zone in the upper muffle tube region, which essentially requires no external energy and external heat input, and, secondly Also, the reactor gases are already cooled to the gas outlet, so that the reactor Downstream cooling costs significantly reduced or possibly even completely eliminated.
  • the temperature of the gas or of the gas mixture of autothermal and allothermal gases can be adjusted to a desired level, for example to at least 1,050.degree C, which in turn means that the tars contained in the gas can be cracked.
  • the gas is thus heated again after the pyrolysis in order to crack the tars.
  • the resulting hot gases are then advantageously cooled when flowing through the annular gap, wherein the heat extracted for heating, pyrolysis and reduction of the fuel is used in the muffle tube, as has already been explained above.
  • a reactor which also ensures a higher fuel flexibility at higher water content and is also insensitive to a certain fines. In addition, this results in a better scalability of the reactor, as well as a higher cold gas efficiency.
  • annular gap does not completely surround the muffle tube runs, but for example, the muffle tube rests on the associated muffle tube housing in a system connection, so that then just no completely circumferential annular gap is formed.
  • circumferential annular gap is preferably at least one Flow guide arranged so that the gas flowing into the annular gap a turbulent flow is impressed, resulting in a better heat transfer into the muffle tube inside.
  • the at least one flow-guiding element is formed by a gas-conducting spiral spiraling at least partially and / or at least in sections in the annular gap at least around a subregion of the upper muffle tube region.
  • a gas-conducting spiral which extends over the entire annular gap and / or upper muffle tube region.
  • Such a Gasleitspirale effected in an advantageous manner an excellent uniform heat transfer over the entire muffle tube circumference and over the entire muffle tube length, which is particularly advantageous effect on the reliability of drying, pyrolysis and reduction in the allothermal gasification zone of the upper muffle tube area.
  • the gas-conducting spiral can be firmly connected, for example, to an outer wall region of the muffle tube, in particular of the upper muffle tube region.
  • the Gasleitspirale is arranged by a stationary in the annular gap, in particular connected to the muffle housing or connected, component is formed, so that the muffle tube, in particular for cleaning and inspection work, relative to the Gasleitspirale displaced or rotatable is.
  • the gas-conducting spiral can also be connected directly or indirectly to the grate, in particular be connected to a rotatably mounted grate and thus even be moved, for example, via the grate preferably arranged on the bottom side.
  • a particularly stable and inherently rigid configuration of the gas-conducting spiral is achieved in that in the direction of extension adjacent helix regions of the gas-conducting spiral are partially stiffened by supporting elements spaced apart from one another in the helical direction. These support elements may be formed, for example, by support rods having defined low flow resistance. The Spacing can preferably take place in such a way that the individual support elements or support rods are also offset from each other at least partially on the circumference.
  • the entire reactor is provided with a thermal insulation, which is preferably formed as an outer insulation, for example of a ceramic layer and a rock wool layer.
  • a thermal insulation is ensured in a simple and reliable manner that the heat is maintained in the reactor, for example in the region of the allothermal gasification zone.
  • the muffle housing preferably in the region of the upper end of the muffle tube, has at least one gas outlet opening opening into the annular gap. This ensures that the useful gas is withdrawn from the reactor only after complete flow through the annular gap and thus after the desired heat release to the upper Muffelrohr Anlagen.
  • the muffle housing preferably has a head-side reactor opening, via which the muffle tube can be inserted into the interior of the reactor.
  • the muffle tube can then be suspended and fixed to the muffle housing with at least one muffle tube-side fastening device, for example with a muffle tube flange. This ensures in a simple manner that the muffle tube is a simple from the reactor on or to be removed component, which is for example particularly in cleaning or inspection work of advantage.
  • the head-side reactor opening is then preferably closed by means of a preferably provided with a thermal head part, in which the biomass dosing, which is formed for example by a metering screw, opens.
  • the muffle housing may also have an upper or head-side reactor opening through which the muffle tube can be inserted into the interior of the reactor, the muffle tube projecting beyond the head-side reactor opening with an upper muffle tube end, preferably in the same way in that the upper end of the muffle tube projecting beyond the head-side reactor opening is accommodated in a head part, preferably provided with thermal insulation, by means of which the head-side reactor opening can be closed and into which the fuel metering device, preferably a metering screw, opens.
  • the head part can be fixed by means of a Kopfteilflansches on a mounting flange of the muffle housing, which ensures a stable and reliable and easy to manufacture connection.
  • the muffle tube with a head end or upper reactor opening superior Muffelrohrende is received in a head portion into which the fuel metering device, ensures that the metered fuel in a simple and reliable manner directly into the desired Area of the muffle tube passes.
  • the muffle tube protrudes beyond the head-side reactor opening with an upper muffle tube end in such a way that the Fuel metering device, preferably a metering screw, directly into the upper end of the muffle tube protruding above the head-side reactor opening opens.
  • the lower, free Muffelrohrende in the interior of the lower reactor area into the region of, preferably arranged on the bottom side in the interior of the lower reactor region grate, preferably a grate cone of the grate, out there and there, that is in the interior or interior the lower reactor region, preferably annular, surrounded by a, for example cylindrical, reaction space into which the muffelgeotrouse concentratede annular gap, preferably spaced in the vertical axis direction above the lower free Muffelrohrendes, and into the, leaving the lower Muffelrohrende gas, preferably with deflection around the the lower end of the muffle tube flows in, before it flows into the annular gap, preferably with thorough mixing with the gas from the autothermal gasification zone.
  • the at least one air supply device is designed according to a preferred embodiment so that air (as described above, representative of any suitable gasification agent) outside the allothermal gasification zone and / or outside the muffle raw res in one or the surrounding the Muffelrohrende reaction space of the lower Reactor region can be introduced.
  • air as described above, representative of any suitable gasification agent
  • the at least one air supply device is arranged outside the allothermal gasification zone and / or outside the muffle tube.
  • the air supply can take place, for example, in such a way that a circumferentially distributed air supply takes place into the reaction space, in particular in the region of the widening, via a plurality of air inlet openings or air nozzles spaced apart from one another in the circumferential direction of the reaction space.
  • a circumferentially distributed air supply takes place into the reaction space, in particular in the region of the widening, via a plurality of air inlet openings or air nozzles spaced apart from one another in the circumferential direction of the reaction space.
  • Such a targeted introduction of air into the reaction space, in particular in the upper area of the reaction space near the annular gap makes it possible to keep the temperature in this area very high in order to achieve the desired cracking of the tars.
  • the air or the gasification agent can also be supplied to the grate via an air supply device.
  • the grate which is preferably arranged on the bottom side in the lower reactor region or in the lower reaction chamber region, has a grate plate rotatably drivable by means of a grate drive, preferably with a grate cone projecting upwards in the direction of the muffle tube, wherein the grate plate is mounted in a grate casing connectable to the lower reactor region and / or is arranged.
  • peripherally spaced distribution elements in particular in the form of distribution rods, are disposed on the edge of the grate plate, by means of which the carbon remaining on the grate plate can be evenly distributed in the lower reactor region.
  • the distribution elements are formed by distribution bars, is preferred provided that the distribution bars protrude away from the grate plate around the lower muffle tube end up into the reaction space.
  • the grate preferably has an air supply device, for example a feed line opening at the grate and / or in the region of the grate, by means of which the grate region air (here too the term air is representative of any suitable gasification agent) can be supplied to the grate side to ensure ash ash. Heat and carbon dioxide are also advantageously produced for the autothermal gasification zone.
  • an air supply device for example a feed line opening at the grate and / or in the region of the grate, by means of which the grate region air (here too the term air is representative of any suitable gasification agent) can be supplied to the grate side
  • the grate region air here too the term air is representative of any suitable gasification agent
  • the grate can also be coupled to an ash discharge device or have such, by means of which the ash can then be removed from the grate.
  • at least one, in particular no air supply enabling, stirring and / or mixing device may be arranged in the muffle tube receiving the fuel to be gasified. This is advantageous to ensure the heat transfer from the externally heated muffle tube in the bed to a sufficient extent (for the gasification reaction, drying, pyrolysis and reduction).
  • This at least one stirring and / or mixing device extends from the upper or head side of the muffle tube, viewed in the direction of the vertical axis, and / or from the lower or rust side of the muffle tube, as seen in the vertical axis direction, along a defined path in the interior the muffle tube, preferably over substantially the entire Muffelrohrauer, but possibly also only over half or 2/3 of the Muffelrohraci.
  • the stirring and / or mixing device is preferably elongated or cylinder-like, for example in the manner of a tower, formed, and may be designed basically arbitrary on the outer circumference, for example round, oval or angular.
  • At least one stirring element can protrude from the at least one stirring and / or mixing device, for example at least one stirring rod projecting like a rod.
  • the at least one mixing and / or stirring device is rotationally drivable by means of a suitable drive, preferably at intervals or at predetermined times.
  • a suitable drive preferably at intervals or at predetermined times.
  • the rotary drive from above through the muffle tube and thus done from the reactor head ago or from the bottom of the grate side.
  • the means that a stirring and / or mixing device introduced into the muffle tube from the top of the muffle tube can be rotationally driven by means of a drive arranged in the region of the top side of the muffle tube and / or a stirring element introduced into the muffle tube from the bottom of the muffle tube.
  • a rotary-driven grate plate of a grate in particular with the grate cone, rotatably connected so that when turning the grate plate at the same time also actuates the at least one mixing and / or stirring device or rotationally driven.
  • the upper reactor area designed as a muffle housing and the lower reactor area adjoining it downwards can basically be formed essentially of the same material and / or in one piece.
  • the muffle housing is formed by a separate component by means of at least one fastening device, preferably by means of a flange, with which form a reactor housing lower reactor area is connected.
  • the reactor housing has a muffle tube receiving opening, through which the lower muffle tube end projects into the lower reactor area formed by the reactor housing.
  • this reactor housing can have a bottom-side grate receiving opening, via which the grate can be used on the bottom side in the lower reactor area and can be arranged in the area below the lower muffle tube end.
  • the individual components can be assembled easily modular and also replace or disassemble.
  • the reactor housing has an inner lining with an outer insulation surrounding it also in the area of the flange connection between the muffle housing and the reactor housing, namely such that the flange connection between the reactor housing and muffle housing lies in the area outside the thermal insulation on the reactor housing side ., Is in the cold area outside the reactor housing side insulation. That's what happens in this Connection area to no significant heat conduction to the outside and thus the fittings are not hot.
  • the method according to the invention proposes a method for gasifying fuels, in particular biomass, by means of a reactor in which the fuel to be gasified is heated in the upper muffle tube region forming an allothermal gasification zone, at least partially by means of the gas flowing to the gas outlet via the muffle housing-side annular gap. then pyrolyzed and then reduced.
  • the remaining carbon is preferably distributed by means of circumferentially spaced distributing elements arranged on a grate plate of the grate, in particular upwardly projecting grate-side distributing rods, in the lower reactor region. If necessary, this is also possible without distribution bars, if the distance between muffle tube end and grate is increased.
  • an air feed in a lower reactor region forming a reaction space be controlled and / or regulated such that the gas leaving the lower reactor region and thus the autothermal gasification zone and flowing into the muffle housing side annular gap has a temperature of at least 1050 ° C has.
  • the air supply takes place outside the allothermal gasification zone and / or outside the muffle tube, preferably in an upper subarea in the vertical axis direction, in particular in an upper widening region of the reaction space.
  • the air supply preferably takes place by means of an edge air supply by means of a plurality of circumferentially spaced apart air inlet openings or air nozzles.
  • the air or the gasification agent can also be supplied to the grate via an air supply device.
  • an ash supply in accordance with a particularly preferred process control provided an air supply in the region of the grate.
  • FIG. 1 shows schematically a schematic sectional view of a device according to the invention
  • Fig. 2 shows schematically an alternative flange connection of the muffle tube on
  • FIG. 1 schematically shows a sectional view of an exemplary embodiment of a reactor 1 according to the invention, which has, as the lower reactor region, a reactor housing 2 which has an inner lining 4 delimiting a reaction space 3 in regions and in the bottom side a grate 5 is received and arranged.
  • the reactor housing 2 is also provided on the outside with a thermal insulation 6.
  • the bottom side arranged in the reaction chamber 3 of the reactor housing 2 grate 5 has a rotatably driven by a grate drive 7 grate plate 8 with a projecting from this upwards in the vertical direction z grate 9, wherein the grate plate 8 is mounted in a connected to the reactor housing 2 grate housing 10.
  • a plurality of circumferentially spaced distribution bars 11 are arranged, which project away from the grate plate 8 upwards into the reaction space 3.
  • an air supply line 12 can be supplied by means of the air 13 or any other suitable gasification agent in the region of the grate 5, in order to ensure there in particular ash ash.
  • a ash discharge device 14 which is only shown schematically here, is mounted or arranged on the grate housing 10 by means of which the ash 15 can be removed from the grate 5.
  • the reactor housing 2 further has a muffle tube receiving opening 6 in a housing region in the direction of the vertical axis z, via which a preferably cylindrical muffle tube 17 with a lower muffle tube end 18 is guided into the region of the grate cone 9 and thus of the bottom grate 5, wherein the Distributed rods 11 spaced around the lower muffle tube end 18 are arranged around.
  • the muffle tube 17 is accommodated with a muffle tube region 19 in the vertical axis direction z, forming an annular gap 20 opening into the reaction space 3 and thus the reactor housing 2, in an upper reactor region of the reactor 1 forming a muffle housing 21.
  • the muffle housing 21 may be formed by a lining.
  • This muffle housing 21, which has an exemplary cylindrical shape here, is surrounded by a thermal insulation 6.
  • the muffle housing 21 is connected to the reactor housing 2 by means of a flange connection 22 shown here only extremely schematically, wherein, as can be clearly seen from Figure 1, the screws 23 of this flange 22 are outside the insulation 6, and thus in a cool and easily accessible Area of the reactor 1 lie.
  • the annular gap 20, which is embodied here as an annular gap which completely surrounds the muffle tube 17, opens into the reactor housing 2 or into the reaction space 3 in the area of the muffle tube receiving opening 16, whereby the gases accumulating in the reaction space 3 ultimately flow into the annular gap 20 and along the muffle tube 17 and in particular of the upper muffle tube portion 19 to a preferably on the head side of the muffle housing 21 arranged gas outlet opening 24 can flow.
  • the free muffle tube end 18 preferably annular or cylindrical surrounding the reaction chamber 3 of the reactor housing 2, which forms a heating and mixing zone in which the allothermal and autothermal Brenng. Product gases can heat and mix before passing into the annular gap, in an upper region of the reaction chamber optionally has an enlargement widening in the direction of muffle housing 21, which widens approximately from the upper end of the optional distribution bars 11 in the region of the inner lining 4 widened up to a trained here as peripheral air supply air supply 26 steadily.
  • upper air supply means 26 consists for example of a here exemplified as a ring line second air supply 27, from which air (or any other suitable gasification agent) controlled by a plurality of spaced apart circumferentially of the reaction chamber 3 air nozzles 28 can be controlled by means of a control and / or regulating device not shown in detail in the reaction chamber 3. It is understood that by means of this control and / or regulating device or by means of a separate control and / or regulating device, the supply of the air or the gasification agent via the first air supply line 12 in the region of the grate 5 can be controlled or regulated in order to achieve a suitable air and thus temperature management for the reaction chamber 3 forming an autothermal gasification zone.
  • a gas-conducting spiral 29 is arranged in the area of the annular gap 20, which is connected, for example, neither to the muffle housing 21 nor to the muffle tube 17, but constitutes an independent, separate component which, for example, is described below In principle, however, this Gasleitspirale 29 may be at least partially connected to the muffle tube 17 and / or with the inner wall portion of the muffle housing 21.
  • This Gasleitspirale 29 extends here substantially over the entire received in the muffle housing 21 upper muffle tube portion 19 to the head side of the muffle housing 21 arranged gas outlet opening 24, which ensures that the flowing from the reactor housing 2 and the reaction chamber 3 in the annular gap 20 hot gas , which has a temperature of preferably greater than 1050 ° C, has a sufficiently long flow contact with the muffle tube 17 in the upper muffle tube portion 19.
  • This in particular also for setting a turbulent flow along the muffle tube 17 to the gas outlet opening 24, so that a sufficiently high heat transfer between the hot gas and the allotherm gasification zone forming upper muffle tube portion 19, in which not shown here, to be gasified fuel as a fuel layer in Area is recorded above the grate cone 9, is ensured.
  • the muffle housing 21 has an upper reactor opening 32 through which the muffle tube is inserted into the muffle housing 21 and thus into the reactor interior, the muffle tube 17 having a top muffle tube end 33 projecting above the upper reactor opening 32 also provided with a heat insulation 6 head part 34 is received, by means of which the upper reactor opening 32 is closed.
  • this head part 34 opens as a metering screw 35 formed fuel metering device, via which, for example, in turn controlled or controlled by means of the control and / or regulating device, not shown, a defined amount of fuel 36 at predetermined times in a predetermined amount in the reactor interior of the reactor 1 can be introduced to form the muffle tube side to be gasified fuel layer.
  • the head part 34 is in turn also connected to the muffle housing 21 with an outside flange connection 37, wherein an upper cover 38 can also be arranged on the head part 34, which closes a head part-side access opening, via which access to the mouth region of the metering screw 35 is possible.
  • the muffle tube 17 can be easily removed from the muffle housing 21 together with it when the head part 34 is removed. Furthermore, after a removal of the muffle housing 21 and / or the grate housing 10, a very good access to the reaction space 3 of the reactor housing 2 is also possible. This results in particular in terms of maintenance and inspection work a considerable flexibility, which leads to a total maintenance-friendly and user-friendly reactor 1, without this required safety measures would be affected.
  • the Gasleitspirale 29 formed by a separate component can be defined in the region of the flange 37 between the head part 34 and muffle housing 21 or optionally also be connected directly to the head part.
  • the gas-conducting spiral 29 could also be connected to the grate 5 or the grate cone 9.
  • the upper muffle tube end 33 itself forms the head part or, as shown only very schematically in FIG 2, that the muffle tube 17 is not guided into the head part 34, but is fixed by means of a Muffelrohrflansches 39 to a mounting flange 40 of the muffle housing 21, preferably such that the Muffelrohrflansch 39 between the mounting flange 40 of the muffle housing 21 and a headboard flange 41 of the head part 34 is clamped.
  • the gas guide coil 29 formed, for example, by a separate component can then also be fixed in the region of this flange connection, which is shown only schematically and dashed in FIG.
  • this embodiment shown in FIG. 2 it should also be mentioned that in such a separate embodiment of the head part 34 on the one hand and the muffle tube 17 on the other hand, no steps or edges, the metering of the fuel to be gasified into the muffle tube 17 into it affect.
  • a smooth transition between the muffle tube 17 and the inner part of the headboard is preferred, as seen in the vertical axis direction or extension direction of the muffle tube 17.
  • an embodiment in which the head part 34 is slightly smaller in diameter than the muffle tube 17 is particularly preferred.
  • the gas to be gasified in the upper muffle tube region 19 forming an allothermal gasification zone is at least partially dried or heated by means of the gas flowing through the muffle housing-side annular gap 20 to the gas outlet or to the gas outlet opening 24, then pyrolysed and then is reduced, wherein the reduction is carried out with steam from the drying or heating zone.
  • the gas is then deflected upwards and the remaining carbon is evenly distributed with the distribution rods 11 in the region of the reaction chamber 3 of the reactor housing 2, whereby air or a corresponding gasification agent is simultaneously supplied via the grate 5 via the first air supply line 12 to the ash burn in the reactor sure.
  • carbon dioxide is also formed for the autothermal gasification zone formed in the reaction chamber 3 of the reactor housing 2, in which appropriately controlled or regulated by the control and / or regulating device so much air through the air supply means 26 and thus the air nozzles 28 in the widening region 25 of the reaction space 3 is blown in that there the temperature of the gas increases to at least 1050 "Celsius and thus the tars contained in the gas, preferably substantially completely, can be cracked Air supply 12 can be accomplished.
  • the optional widening 25 of the reaction space 3 in the region near the annular gap also causes the separation of particles from the gas, so that a particle-free hot gas flows into the annular gap 20 in a defined extent and upwards in the direction of the gas outlet opening 24 as it travels along the muffle tube 17 cools with heat to the upper Muffelrohr Society 19.
  • the temperature of the raw gas 43 may be in the range of about 250 ° Celsius, so that the required post-treatment effort is significantly reduced.
  • an elongated or cylinder-like and designed in the manner of a tower agitator 44 may be arranged, protrude by way of example, a plurality of stirring rods 45 here.
  • the agitator 44 is here for example rotatably connected to the grate cone 9, so that when turning the grate plate 8 at the same time the agitator 44 is actuated or rotated. This makes it possible to achieve a good redistribution or mixing in the biomass to be gasified.
  • the stirring and / or mixing device 44 may also protrude into the muffle tube 17 from the upper or head side of the muffle tube 17 viewed in the vertical axis direction.
  • a stirring and / or mixing device 44 projects from the head part 38 downwards into the muffle tube 17 in the direction of the vertical axis, and here likewise extends, for example only, essentially over the entire length of the muffle tube.
  • the rotary drive of this stirring and / or mixing device 44 is not shown here, but may also be arranged on the head part.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor (1) sowie ein Verfahren zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse, bei dem im Reaktorinnenraum ein oberhalb des Rostes (5) angeordnetes Muffelrohr (17) vorgesehen ist, in dem der zu vergasende Brennstoff (36) aufgenommen ist. Das Muffelrohr (17) mündet in einen als autotherme Vergasungszone ausgebildeten unteren Reaktorbereich (2) ein, in dem der zu vergasende Brennstoff oxidiert. Mit einem oberen Muffelrohrbereich (19) ist das Muffelrohr (17), unter Ausbildung eines in den unteren Reaktorbereich (2) mündenden Ringspaltes (20), in einem ein Muffelgehäuse (21) ausbildenden oberen Reaktorbereich dergestalt aufgenommen, dass das in den Ringspalt (20) eintretende Gas unter Wärmeabgabe wenigstens bereichsweise entlang und/oder um den oberen Muffelrohrbereich (19) strömt, so dass dieser eine allotherme Vergasungszone zur Aufheizung, Pyrolyse und Reduktion des zu vergasenden Brennstoffes ausbildet.

Description

Beschreibung Reaktor sowie Verfahren zur Vergasung
von Brennstoffen
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse nach Anspruch 18.
Reaktoren zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffen (beispielsweise Biomasse oder Abfallstoffe und hier insbesondere Holz oder dergleichen Stoffe), mit dem Zweck, die im Reaktor erzeugten Brenngase zur Energiegewinnung bzw. Stromerzeugung (insbesondere mittels Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Gasmotoren) zu nutzen, sind allgemein bekannt. Das aus den Festbrennstoffen produzierte Gas wird unterschiedlich als Produktgas, Schwachgas, Holzgas oder aber als Synthesegas bezeichnet, wobei die im Reaktor erfolgende Vergasung das Produktgas liefert, das als Hauptkomponenten Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Methan, Wasserdampf sowie bei der Vergasung mit Luft als Vergasungsmittel auch erhebliche Anteile an Stickstoff enthält. Im Rahmen der Vergasung entstehen als unerwünschte Nebenprodukte in unterschiedlichen Mengen Teere bzw. Kondensate, Asche und Staub.
Der Vergasungsprozess im Reaktor selbst lässt sich grob in die Bereiche Aufheizung bzw. Trocknung, pyrolytische Zersetzung, Oxidation und Reduktion aufteilen. Dies wird nachfolgend anhand von Biomasse näher erläutert:
Zunächst wird die Biomasse aufgeheizt, wodurch das darin befindliche Wasser bis zu einem Temperaturniveau von ca. 200°C verdampft. Nach der Aufheizungs- bzw. Trocknungsphase der Biomasse erfolgt bei Temperaturen zwischen 150°C und
BESTÄTIGUNGSKOPIE 500°C eine thermisch induzierte pyrolytische Zersetzung der Makromoleküle, aus denen Biomasse besteht. Hierbei entstehen gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen, Wasserdampf und Pyrolysekoks. Bei der anschließenden Oxidation werden Teile der entstandenen gasförmigen, und festen Pyrolyseprodukte durch weitere Wärmeeinwirkung zur Reaktion mit Sauerstoff gebracht, der in einer Oxidationszone mittels einer Luftzuführeinrichtung über die zugeführte Luft eingebracht wird. Dadurch wird eine Erhöhung der Temperatur auf zum Beispiel über 1000°C bewirkt, wodurch ein Großteil der höheren Kohlenwasserstoffverbindungen (Teere) in kleinere gasförmige Moleküle gespalten werden. Partiell kann es hier auch zur Verbrennung von Kohlenstoff kommen. Es entsteht zudem Kohlendioxid.
In einer sich an die Oxidationszone anschließenden Reduktionszone werden dann Bestandteile des Produktgases wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff, und Methan gebildet. Insbesondere werden hierbei die bei der Oxidation und Trocknung entstehenden Produkte Kohlenstoffdioxid und Wasser mit festem Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff reduziert. Bei einer derartigen herkömmlichen Verfahrensführung besteht jedoch die Problematik, dass sich in den den Reaktor verlassenden Gasen nach wie vor ein relativ hoher Teerbestandteil findet. Diese Teere machen den Einsatz von Wäschern erforderlich, um zum Beispiel den nachgeschalteten Motoren von derartigen Rückständen befreite Gase zuführen zu können.
Zur Vermeidung einer derartigen Teerbildung schlägt die DE 100 37 762 B4 konkret vor, einem Vergasungsreaktor eine Gasreinigungseinheit nachzuschalten, die katalytisch aktives Material aufweist, das unmittelbar den aus der Vergasereinheit austretenden Gasen exponiert ist. Ferner ist eine dieser Gasreinigungseinheit nachgeschaltete Gaskühleinheit vorgesehen, der wiederum ein Filter nachgeschaltet ist. Konkret soll hierbei die Gasreinigungseinheit einen thermisch isolierten, vertikal von oben nach unten durchströmbaren Vollraumreaktor aufweisen, der über eine Zuleitung verfügt, durch die die aus der Vergasereinheit austretenden Gase in den Vollraumreaktor eingebracht werden können. In vertikal nach unten gerichteter Strömungsrichtung der Gase sind innerhalb des Vollraumreaktors der Gasreinigungseinheit Strömungskanäle angeordnet, die wabenartige Strömungsquerschnitte aufweisen und die von einem Tragegestell gebildet werden, auf dem das katalytisch aktive Material vorgesehen ist. Ferner ist eine Ableitung am Vollraumreaktor vorgesehen, durch die die katalytisch gespaltenen Gase aus dem Vollraumreaktor austreten, während sich im Bodenraum des Vollraumreaktors Flugstaub ansammeln kann, der wiederum durch einen Ablassstutzen ausgeschleust werden kann. Ein derartiger Aufbau ist ersichtlich aufwendig und wenig preiswert. Weiter ist aus der DE 31 12 975 A1 ein Schachtofen bekannt, bei dem eine turmartige Zuführung für Luft bzw. Vergasungsmittel in die Schüttgutschicht oberhalb eines Glutbettes einragt, um dort, das heißt, in die Schüttgutschicht hinein Luft einzublasen, so dass die zugeführte Luft hier zusätzlich zum erzeugten Brenngas durch die Schüttung hindurchströmen muss. Dies führt zu einem nachteiligen Druckabfall, insbesondere bei Verwendung von feinstückigen Brennstoffen. Das Brenngas wird hier zudem ascheaustragsseitig, das heißt nach Durchströmen der gesamten Schüttung, mittels einer Brenngasleitung abgezogen, die an einen die Schüttgutschicht erwärmenden Wärmetauscher angeschlossen ist. Diese Vorwärmzone dient lediglich der Trocknung und Vorerwärmung, eine Pyrolyse und Reduktion findet in diesem Bereich nicht statt. Ein separates Muffelrohr ist hier nicht vorgesehen.
Die DE 199 16 931 A1 zeigt einen Vergaser mit einem eine Trocknungszone und eine Pyrolysezone ausbildenden und sich nach unten konisch verengenden Befüllschacht, der in einen zylinderförmigen, die Oxidations- und Reduktionszone enthaltenden Bereich übergeht. Das erzeugte Brenngas strömt hier durch einen mittels Ausmauerung thermisch abgegrenzten bzw. isolierten Ringraum bis zur Trocknungszone nach oben, wo es dann abgezogen wird. Somit findet ein Wärmeübergang vom Rohgas in die Schüttung nur im Bereich der Trocknungszone statt. Die Wärmezuführung in die Pyrolyse- und Reduktionszone erfolgt autotherm innerhalb des zylinderförmigen Schachtes über die Oxidationszone. Folglich müssen auch hier Vergasungsmittel und sämtliche entstehenden Gaskomponenten die Schüttung vollständig durchströmen, damit das Brenngas im Bereich des Rostes in den Ringraum überströmen kann. Eine vom Prinzip her mit der DE 199 16 931 A1 identische Vorrichtung zur Holzvergasung ist auch aus DE 10 2007 002 895 A1 bekannt. Ein wesentlicher Unterschied zur DE 199 16 931 A1 besteht darin, dass hier das Vergasungsmittel über Düsen von außen und nicht von innen her zugeführt wird.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse zu schaffen, mittels dem, insbesondere in Verbindung mit einer hohen Brennstoffflexibilität, eine sehr gute Gasqualität auf einfache und funktionssichere Weise erzielbar ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hierfür geeignete Verfahrensführung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Reaktor zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse, vorgeschlagen, der einen Reaktorinnenraum aufweist. Weiter weist der Reaktor wenigstens eine Brennstoff-Zudosiereinrichtung zur Zudosierung von zu vergasenden Brennstoff in den Reaktorinnenraum auf. Zudem ist ein im Reaktorinnenraum, vorzugsweise bodenseitig, angeordneter Rost vorgesehen, auf den der in den Reaktorinnenraum zudosierte und zu vergasende Brennstoff aufliegt. Weiter ist wenigstens eine Luftzuführeinrichtung zur Luftzuführung in den Reaktorinnenraum vorgesehen, wobei die Begrifflichkeit „Luft" hier in einem umfassenden Sinne zu verstehen ist und stellvertretend für jedwedes geeignete Vergasungsmittel (also ausdrücklich auch für solche die keine Luft sind) steht. So kann zum Beispiel anstelle von reiner Umgebungsluft auch mit Sauerstoff angereicherte Luft bzw. reiner Sauerstoff oder Wasserdampf zugeführt werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Ferner umfasst der erfindungsgemäße Reaktor wenigstens einen Gasauslass zum Abführen des im Reaktorinnenraum erzeugten Gases aus dem Reaktorinnenraum. Erfindungsgemäß ist im Reaktorinnenraum ein oberhalb des Rostes angeordnetes Muffelrohr vorgesehen, das sich bevorzugt in Hochachsenrichtung erstreckt, wobei in dem Muffelrohr der zu vergasende Brennstoff aufgenommen ist. Das Muffelrohr mündet mit einem in Hochachsenrichtung unteren bzw. freien, rostseitigen Muffelrohrende in einen mittelbar oder unmittelbar mit Luft von der wenigstens einen Luftzuführeinrichtung beaufschlagbaren und als autotherme Vergasungszone ausgebildeten unteren Reaktorbereich, in dem der zu vergasende Brennstoff oder bereits aus diesem entstandene Produktgase teilweise oxidieren.
Weiter erfindungsgemäß ist das Muffelrohr mit einem in Hochachsenrichtung oberen Muffelrohrbereich, unter Ausbildung eines in den unteren Reaktorbereich mündenden Ringspaltes, in einem, ein Muffelgehäuse ausbildenden oberen Reaktorbereich dergestalt aufgenommen, dass das im Bereich des unteren bzw. freien Muffelrohrendes aus dem Muffelrohr austretende Gas, vorzugsweise unter Durchmischung mit Gas aus der authothermen Vergasungszone, in den muffelgehäuseseitigen Ringspalt eintritt und dort unter Wärmeabgabe wenigstens bereichsweise entlang und/oder um den oberen Muffelrohrbereich strömt, so dieser eine allotherme Vergasungszone zur Aufheizung, Pyrolyse und Reduktion des zu vergasenden Brennstoffes ausbildet.
Durch das Einragen des unteren Muffelrohrendes in den mit Luft bzw. Vergasungsmittel beaufschlagten unteren Reaktorbereich erfolgt eine vorteilhafte Umlenkung des in der allothermen Vergasungszone erzeugten Brenngases vor dessen Eintritt in den Ringspalt, was dazu beiträgt, die Reinheit des Gases zu erhöhen, indem zum Beispiel schwerere Partikel, wie zum Beispiel Schwebstoffe bzw. Kohlestoffpartikel, in der autothermen Vergasungszone verbleiben. In diesem Bereich kommt es außerdem zu einer Durchmischung der aus der allothermen (muffelrohrseitigen) und autothermen (rostseitigen) Vergasungszone austretenden Gase. Dabei kann schon die für die Crackung der Teere notwendige Temperatur von wenigstens 1050°C ohne weitere Zugabe von Vergasungsmittel erreicht werden.
Vorteilhaft wird hier weiter das im Reaktor erzeugte heiße Gas zur Beheizung des, den zu vergasenden Brennstoff aufnehmenden, oberen Muffelrohrendes verwendet, so dass dadurch im oberen Muffelrohrbereich zum einen eine allotherme Vergasungszone ausgebildet wird, die im Wesentlichen ohne Fremdenergie und Fremdwärmeeinkopplung auskommt, und zum anderen auch die Reaktorgase bereits zum Gasauslass hin abgekühlt werden, so dass sich der dem Reaktor nachgeschaltete Kühlaufwand deutlich reduziert beziehungsweise gegebenenfalls sogar vollständig entfallen kann.
Dadurch, dass die Luftzuführung erst im sich an die allotherme Vergasungszone anschließenden und eine autotherme Vergasungszone ausbildenden unteren Reaktorbereich erfolgt, lässt sich dort die Temperatur des Gases bzw. des Gasgemisches aus autothermen und allothermen Gasen auf eine gewünschte Höhe einregeln, zum Beispiel auf wenigstens 1.050°C, was wiederum zur Folge hat, dass die im Gas enthaltenen Teere gecrackt werden können.
In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung wird somit das Gas im Anschluss an die Pyrolyse nochmals aufgeheizt, um die Teere zu cracken. Die sich dadurch ergebenden heißen Gase werden dann beim Durchströmen des Ringspaltes vorteilhaft abgekühlt, wobei die entzogene Wärme zur Aufheizung, Pyrolyse und Reduktion des Brennstoffes im Muffelrohr herangezogen wird, wie dies bereits zuvor erläutert worden ist.
Mit einem derartigen Aufbau wird ein Reaktor zur Verfügung gestellt, der zudem eine höhere Brennstoffflexibilität bei höherem Wassergehalt gewährleistet und der zudem unempfindlich gegenüber einem bestimmten Feinanteil ist. Zudem wird hierdurch eine bessere Skalierbarkeit des Reaktors erzielt, ebenso wie ein höherer Kaltgaswirkungsgrad.
Auch wenn hier vorliegend grundsätzlich ein den oberen Muffelrohrbereich vollständig ringförmig umlaufender Ringspaltbereich von Vorteil ist, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag von allen Seiten in den eine allotherme Vergasungszone ausbildenden oberen Muffelrohrbereich zu erhalten, ist es grundsätzlich auch denkbar, dass der Ringspalt nicht vollständig um das Muffelrohr herum verläuft, sondern zum Beispiel das Muffelrohr am zugeordneten Muffelrohrgehäuse in einer Anlageverbindung anliegt, so dass dann eben kein vollständig umlaufender Ringspalt ausgebildet ist.
In dem, vorzugsweise vollständig um das Muffelrohr bzw. den oberen Muffelrohrbereich umlaufenden Ringspalt ist vorzugsweise wenigstens ein Strömungsleitelement so angeordnet, dass dem in den Ringspalt einströmenden Gas eine turbulente Strömung aufgeprägt wird, was zu einem besseren Wärmeübergang in das Muffelrohr hinein führt. Insbesondere in Verbindung mit einem vollständig um den oberen Muffelrohrbereich umlaufenden Ringspalt ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der das wenigstens eine Strömungsleitelement durch eine sich im Ringspalt wenigstens bereichsweise und/oder wenigstens abschnittsweise spiralförmig wenigstens um einen Teilbereich des oberen Muffelrohrbereichs windende Gasleitspirale gebildet ist. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine Gasleitspirale, die sich über den gesamten Ringspalt und/oder oberen Muffelrohrbereich erstreckt. Eine derartige Gasleitspirale bewirkt auf vorteilhafte Weise einen ausgezeichneten gleichmäßigen Wärmeübergang über den gesamten Muffelrohrumfang sowie über die gesamte Muffelrohrlänge, was sich besonders vorteilhaft auf die Funktionssicherheit der Trocknung, Pyrolyse und Reduktion in der allothermen Vergasungszone des oberen Muffelrohrbereichs auswirkt.
Die Gasleitspirale kann dabei zum Beispiel mit einem Außenwandbereich des Muffelrohres, insbesondere des oberen Muffelrohrbereichs, fest verbunden sein. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei der die Gasleitspirale durch ein ortsfest im Ringspalt angeordnetes, insbesondere mit dem Muffelgehäuse verbindbares oder verbundenes, Bauteil gebildet ist, so dass das Muffelrohr, insbesondere zur Reinigungs- und Revisionsarbeiten, relativ zu der Gasleitspirale verlagerbar bzw. drehbar ist. Alternativ kann die Gasleitspirale aber auch mit dem Rost unmittelbar oder mittelbar verbunden sein, insbesondere mit einem drehbar gelagerten Rost verbunden sein und somit selbst beispielsweise über den vorzugsweise bodenseitig angeordneten Rost bewegt werden. Dazu ist dann eine kraftschlüssige Verbindung zum Rost erforderlich, eine Anbindung an den Außenwandbereich des Muffelrohres oder -gehäuses entfällt in diesem Fall. Eine besonders stabile und in sich steife Ausgestaltung der Gasleitspirale wird dadurch erreicht, dass in Erstreckungsrichtung benachbarte Wendelbereiche der Gasleitspirale abschnittsweise durch voneinander in Wendelrichtung beabstandete Stützelemente versteift sind. Diese Stützelemente können beispielsweise durch definiert geringen Strömungswiderstand aufweisende Stützstäbe gebildet sein. Die Beabstandung kann dabei vorzugsweise so erfolgen, dass die einzelnen Stützelemente bzw. Stützstäbe auch zumindest zum Teil umfangsseitig gegeneinander versetzt sind. Es versteht sich, dass vorzugsweise der gesamte Reaktor mit einer Wärmedämmung versehen ist, die bevorzugt als Außendämmung, zum Beispiel aus einer Keramikschicht und einer Steinwollschicht, ausgebildet ist. Mit einer derartigen Wärmedämmung wird auf einfache und funktionssichere Weise sichergestellt, dass die Wärme im Reaktor gehalten wird, zum Beispiel im Bereich der allothermen Vergasungszone.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Muffelgehäuse, vorzugsweise im Bereich des oberen Muffelrohrendes, wenigstens eine in den Ringspalt einmündende Gasauslassöffnung auf. Dadurch ist sichergestellt, dass das Nutzgas erst nach vollständigem Durchströmen des Ringspaltes und damit nach der erwünschten Wärmeabgabe an den oberen Muffelrohrbereich aus dem Reaktor abgezogen wird. Gegebenenfalls können aber auch mehrere in unterschiedlichen Höhen entlang des Ringspaltes angeordnete Gasauslassöffnungen vorgesehen sein, beispielsweise zur Herstellung eines Gasgemisches mit bestimmter Temperatur.
Das Muffelgehäuse weist bevorzugt eine kopfseitige Reaktoröffnung auf, über die das Muffelrohr in den Reaktorinnenraum einsetzbar ist. Das Muffelrohr kann dann mit wenigstens einer muffelrohrseitigen Befestigungseinrichtung, zum Beispiel mit einem Muffelrohrflansch, am Muffelgehäuse eingehängt und festgelegt werden. Dadurch wird auf einfache Weise sichergestellt, dass das Muffelrohr ein einfach aus dem Reaktor ein- bzw. auszubauendes Bauteil ist, was zum Beispiel insbesondere bei Reinigungs- bzw. Revisionsarbeiten von Vorteil ist. Die kopfseitige Reaktoröffnung wird dann bevorzugt mittels eines, vorzugsweise mit einer Wärmedämmung versehenen Kopfteils verschlossen, in das die Biomasse- Zudosiereinrichtung, die zum Beispiel durch eine Zudosierschnecke gebildet ist, mündet. Besonders bevorzugt ist hierbei eine solche Festlegung des Kopfteils am Muffelgehäuse, bei dem das Kopfteil mittels eines Kopfteilflansches unter Verklemmung des Muffelrohrflansches an einem Befestigungsflanschbereich des Muffelgehäuses festgelegt ist. Der Vorteil dieser Festlegung liegt insbesondere darin, dass hier dann gleichzeitig das Kopfteil als auch das Muffelrohr mittels einer einzigen Flanschverbindung funktionssicher im bzw. am Reaktor festgelegt werden können. Insbesondere für den Fall, dass eine durch ein separates Bauteil gebildete Gasleitspirale vorgesehen ist, kann in diesem Bereich dann auch die Festlegung der Gasleitspirale erfolgen. Mit einem derartigen Aufbau lässt sich zudem auf einfache Weise sicherstellen, dass die Zudosierung der Brennstoffe unmittelbar in das Muffelrohr hinein erfolgt und somit in diesem die gewünschte Brennstoffschicht ausgebildet wird. Ein weiterer Vorteil dieses eben beschriebenen Aufbaus liegt darin, dass hier dann beispielsweise das Kopfteil innenwandseitig aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden kann als das Muffelrohr selbst, was die konstruktive Flexibilität erhöht.
Alternativ zu dieser eben beschriebenen konkreten Ausführungsform kann aber auch vorgesehen sein, dass das Muffelgehäuse eine obere bzw. kopfseitige Reaktoröffnung aufweist, über die das Muffelrohr in den Reaktorinnenraum einsetzbar ist, wobei das Muffelrohr die kopfseitige Reaktoröffnung mit einem oberen Muffelrohrende überragt, und zwar bevorzugt dergestalt, dass das die kopfseitige Reaktoröffnung überragende obere Muffelrohrende in einem, vorzugsweise mit einer Wärmedämmung versehenen, Kopfteil aufgenommen ist, mittels dem die kopfseitige Reaktoröffnung verschließbar ist und in das die Brennstoff-Zudosiereinrichtung, vorzugsweise eine Zudosierschnecke, mündet. Auch hier kann dann wiederum das Kopfteil mittels eines Kopfteilflansches an einem Befestigungsflanschbereich des Muffelgehäuses festgelegt sein, was eine stabile und funktionssichere sowie einfach herzustellende Verbindung sicherstellt.
Zudem ist bei einem derartigen Aufbau, bei dem das Muffelrohr mit einem die kopfseitige bzw. obere Reaktoröffnung überragenden Muffelrohrende in einem Kopfteil aufgenommen ist, in das die Brennstoff-Zudosiereinrichtung einmündet, sichergestellt, dass der zudosierte Brennstoff auf einfache und funktionssichere Weise unmittelbar in den gewünschten Bereich des Muffelrohrs gelangt. Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass das Muffelrohr die kopfseitige Reaktoröffnung mit einem oberen Muffelrohrende dergestalt überragt, dass die Brennstoff-Zudosiereinrichtung, vorzugsweise eine Zudosierschnecke, direkt in das die kopfseitige Reaktoröffnung überragende obere Muffelrohrende mündet.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das untere, freie Muffelrohrende im Innenraum des unteren Reaktorbereichs bis in den Bereich des, vorzugsweise bodenseitig im Innenraum des unteren Reaktorbereichs angeordneten Rosts, vorzugsweise eines Rostkegels des Rosts, geführt und dort, das heißt im Inneren bzw. Innenraum des unteren Reaktorbereichs, vorzugsweise ringförmig, von einem, zum Beispiel zylindrischen, Reaktionsraum umgeben, in den der muffelgehäuseseitige Ringspalt, vorzugsweise in Hochachsenrichtung beabstandet oberhalb des unteren freien Muffelrohrendes, einmündet und in den das, das untere Muffelrohrende verlassende Gas, vorzugsweise unter Umlenkung um das untere Muffelrohrende herum, einströmt, bevor es, vorzugsweise unter Durchmischung mit dem Gas aus der authothermen Vergasungszone, in den Ringspalt überströmt.
Mit einem derartig ausgebildeten Reaktionsraum im unteren Reaktorbereich wird eine vorteilhafte Aufheiz- und Durchmischungszone ausgebildet, in der sich die Nutzgase vor dem Übertritt in den Ringspalt aufheizen und durchmischen können, wobei die Nutzgase zudem durch eine entsprechend gesteuerte bzw. geregelte optionale Luftzuführung in diesem Bereich zudem dort gegebenenfalls auch noch oxidiert und dadurch weiter erhitzt werden können. Wie bereits zuvor ausgeführt, bringt die in diesem Reaktionsraum erzielbare hohe Temperatur von 1.050°C und mehr den Vorteil mit sich, dass dort die Teere im Gas zuverlässig gecrackt werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Aus- und Weiterbildung weist der das untere freie Muffelrohrende zylindrisch und/oder ringförmig umgebende Reaktionsraum wenigstens in einem Teilbereich, insbesondere in einem in Hochachsenrichtung oberen Reaktionsraumbereich, also im Übergangsbereich zum Ringspalt, eine Verbreiterung auf, insbesondere eine sich nach oben in Richtung Muffelgehäuse konisch erweiternde Verbreiterung auf. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases reduziert und es kommt somit zu einer Partikalabscheidung, wodurch ein mit weniger Partikeln beladener Gasstrom in den Ringspalt des Muffelgehäuses überströmt. Die wenigstens eine Luftzuführeinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung so ausgebildet, dass Luft (steht hier, wie vorbeschrieben, stellvertretend für jedes geeignete Vergasungsmittel) außerhalb der allothermen Vergasungszone und/oder außerhalb des Muffel roh res in einen bzw. den das Muffelrohrende umgebenden Reaktionsraum des unteren Reaktorbereichs einleitbar ist. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass die wenigstens eine Luftzuführeinrichtung außerhalb der allothermen Vergasungszone und/oder außerhalb des Muffelrohres angeordnet ist. DieLuftzuführung kann gemäß einer ersten Ausführungsform zum Beispiel dergestalt erfolgen, dass mittels der Luftzuführeinrichtung eine umfangsverteilte Luftzuführung über mehrere voneinander in Umfangsrichtung des Reaktionsraums beabstandete Lufteinlassöffnungen bzw. Luftdüsen in den Reaktionsraum, insbesondere im Bereich der Verbreiterung, erfolgt. Eine derartige gezielte Luftzuführung in den Reaktionsraum, insbesondere im ringspaltnahen oberen Bereich des Reaktionsraums, ermöglicht es, die Temperatur in diesem Bereich sehr hoch zu halten, um die gewünschte Crackung der Teere zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Luft bzw. das Vergasungsmittel jedoch auch über eine Luftzuführeinrichtung am Rost zugeführt werden. Das heißt, dass auch durch die alleinige Zugabe der Luft bzw. des Vergasungsmittels am Rost, oberhalb der auf dem Rost aufliegenden Schüttung (autotherme Vergasungszone) in dem zuvor beschriebenen, das Muffelrohrende umgebenden Reaktionsraum (Bereich der Mischung der allothermen und autothermen Gasfraktionen) ausreichend hohe Temperaturen erreicht werden können.
Der vorzugsweise bodenseitig im unteren Reaktorbereich bzw. im unteren Reaktionsraumbereich angeordnete Rost weist einen mittels eines Rostantriebs drehantreibbaren Rostteller, vorzugsweise mit einem von diesem nach oben in Richtung Muffelrohr abragenden Rostkegel auf, wobei der Rostteller in einem mit dem unteren Reaktorbereich verbindbaren Rostgehäuse gelagert und/oder angeordnet ist. Besonders bevorzugt sind randseitig am Rostteller umfangsseitig voneinander beabstandete Verteilelemente, insbesondere in der Form von Verteilstangen, angeordnet, mittels denen der auf dem Rostteller verbleibende Kohlenstoff gleichmäßig im unteren Reaktorbereich verteilt werden kann. Für den Fall, dass die Verteilelemente durch Verteilstangen gebildet sind, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verteilstangen vom Rostteller weg um das untere Muffelrohrende herum nach oben in den Reaktionsraum ragen.
Ferner weist der Rost bevorzugt eine Luftzuführeinrichtung, zum Beispiel eine am Rost und/oder im Bereich des Rostes mündende Zuführleitung, auf, mittels der dem Rostbereich Luft (auch hier steht der Begriff Luft stellvertretend für jedwedes geeignetes Vergasungsmittel) rostseitig zugeführt werden kann, um den Ascheausbrand sicherzustellen. Dabei entsteht femer vorteilhaft Wärme und Kohlendioxid für die autotherme Vergasungszone.
Weiter kann der Rost auch mit einer Ascheaustragseinrichtung gekoppelt sein bzw. eine solche aufweisen, mittels der dann die Asche aus dem Rost entfernt werden kann. Des Weiteren kann in dem, den zu vergasenden Brennstoff aufnehmenden Muffelrohr wenigstens eine, insbesondere keine Luftzuführung ermöglichende, Rühr- und/oder Mischeinrichtung angeordnet sein. Diese ist vorteilhaft, um den Wärmeübergang vom außenseitig beheizten Muffelrohr in die Schüttung in einem ausreichenden Maße (für die Vergasungsreaktion, Trocknung, Pyrolyse und Reduktion) sicherzustellen. Diese wenigstens eine Rühr- und/oder Mischeinrichtung erstreckt sich von der, in Hochachsenrichtung gesehen, Ober- bzw. Kopfseite des Muffelrohres her und/oder von der, in Hochachsenrichtung gesehen, Unter- bzw. Rostseite des Muffelrohres her entlang einer definierten Wegstrecke im Inneren des Muffelrohres, vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Muffelrohrlänge, gegebenenfalls aber auch bloß über die Hälfte oder 2/3 der Muffelrohrlänge. Die Rühr- und/oder Mischeinrichtung ist bevorzugt länglich bzw. zylinderartig, zum Beispiel in der Art eines Turms, ausgebildet, und kann am Außenumfang grundsätzlich beliebig gestaltet sein, zum Beispiel rund, oval oder eckig. Weiter kann von der wenigstens einen Rühr- und/oder Mischeinrichtung wenigstens ein Rührelement abragen, zum Beispiel wenigstens ein Rührstab stabartig abragen. Die wenigstens eine Misch- und/oder Rühreinrichtung ist mittels eines geeigneten Antriebs drehantreibbar, und zwar bevorzugt intervallartig bzw. zu vorgegebenen Zeiten. Beispielsweise kann der Drehantrieb von oben durch das Muffelrohr her und damit vom Reaktorkopf her erfolgen oder aber von unten von der Rostseite her. Das heißt, dass eine von der Oberseite des Muffelrohrs her in das Muffelrohr eingeführte Rühr- und/oder Mischeinriehtung mittels eines im Bereich der Oberseite des Muffelrohres angeordneten Antriebs drehantreibbar sein kann und/oder dass eine von der Unterseite des Muffelrohrs her in das Muffelrohr eingeführte Rühr- und/oder Mischeinrichtung von der Rostseite her drehantreibbar sein kann, insbesondere dort mit einem drehangetriebenen Rostteller eines Rostes, insbesondere mit dessen Rostkegel, drehfest verbunden sein kann, so dass bei einem Drehen des Rosttellers gleichzeitig auch die wenigstens eine Misch- und/oder Rühreinrichtung betätigt bzw. drehangetrieben wird.
Der als Muffelgehäuse ausgebildete obere Reaktorbereich und der sich daran nach unten anschließende untere Reaktorbereich können grundsätzlich im Wesentlichen materialeinheitlich und/oder einstückig ausgebildet sein. Insbesondere im Hinblick auf den einfachen Austausch von Bauteilen bzw. die Vereinfachung von Reinigungs- und Revisionsarbeiten, ist es jedoch vorteilhaft, dass das Muffelgehäuse durch ein separates Bauteil gebildet ist, das mittels wenigstens einer Befestigungseinrichtung, vorzugsweise mittels einer Flanschverbindung, mit dem ein Reaktorgehäuse ausbildenden unteren Reaktorbereich verbunden ist. Besonders bevorzugt kann hierbei vorgesehen sein, dass das Reaktorgehäuse eine Muffelrohraufnahmeöffnung aufweist, durch die das untere Muffelrohrende in den durch das Reaktorgehäuse ausgebildeten unteren Reaktorbereich einragt. Weiter kann dieses Reaktorgehäuse eine bodenseitige Rostaufnahmeöffnung aufweisen, über die der Rost im unteren Reaktorbereich bodenseitig einsetzbar und im Bereich unterhalb des unteren Muffelrohrendes anordenbar ist. Mit einer derartigen Ausbildung des Reaktorgehäuses lassen sich die einzelnen Bauteile leicht modulartig zusammenfügen und auch wieder austauschen bzw. auseinanderbauen.
Gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Reaktorgehäuse eine innere Ausmauerung mit einer diese auch im Bereich der Flanschverbindung zwischen Muffelgehäuse und Reaktorgehäuse umgebenden Außendämmung aufweist, und zwar dergestalt, dass die Flanschverschraubung zwischen Reaktorgehäuse und Muffelgehäuse im Bereich außerhalb der reaktorgehäuseseitigen Wärmedämmung liegt bzw. im kalten Bereich außerhalb der reaktorgehäuseseitigen Wärmedämmung liegt. Dadurch kommt es in diesem Verbindungsbereich zu keiner wesentlichen Wärmeleitung nach außen und sind somit die Verschraubungen nicht heiß.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung wird ein Verfahren zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse, mittels eines Reaktors vorgeschlagen, bei dem der zu vergasende Brennstoff in dem eine allotherme Vergasungszone ausbildenden oberen Muffelrohrbereich, zumindest teilweise mittels des über den muffelgehäuseseitigen Ringspalt zum Gasauslass strömenden Gases aufgeheizt, dann pyrolysiert und anschließend reduziert wird. Die Begrifflichkeit „zumindest teilweise" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Aufheizen, Pyrolysieren und anschließende Reduzieren des zu vergasenden Brennstoffes in dem oberen Muffelrohrbereich sowohl vollständig als auch lediglich zum Teil durch das durch den Ringspalt zum Gasauslass strömende heiße Gas erfolgen kann. Das im Bereich des unteren Muffelrohrendes aus dem Muffelrohr austretende Gas tritt dann in den muffelgehäuseseitigen Ringspalt ein und strömt im Ringspalt unter Wärmeabgabe an das Muffelrohr bzw. den oberen Muffelrohrbereich wenigstens bereichsweise entlang und/oder um den Muffelrohrbereich herum, wie dies bereits zuvor ausführlich erläutert worden ist. Die sich mit einer derartigen erfindungsgemäßen Verfahrensführung ergebenden Vorteile wurden bereits zuvor in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Reaktors ausführlich dargestellt, so dass an dieser Stelle auf die zuvor gemachten Ausführungen verwiesen wird. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Verfahrensführung, bei der das Gas am unteren Muffelrohrende umgelenkt wird. Bevorzugt wird hier der verbleibende Kohlenstoff mittels umfangsseitig beabstandet an einem Rostteller des Rostes angeordneter Verteilelemente, insbesondere nach oben abragener rosttellerseitiger Verteilstangen, im unteren Reaktorbereich verteilt. Gegebenenfalls ist dies aber auch ohne Verteilstangen möglich, wenn die Distanz zwischen Muffelrohrende und Rost erhöht wird. Auch hier wurden die damit erzielbaren Vorteile bereits zuvor ausführlich dargestellt. Desweiteren wird gemäß einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensführung vorgeschlagen, dass eine Luftzuführung in einem, einen Reaktionsraum ausbildenden unteren Reaktorbereich so gesteuert und/oder geregelt wird, dass das den unteren Reaktorbereich und damit die autotherme Vergasungszone verlassende sowie in den muffelgehäuseseitigen Ringspalt einströmende Gas eine Temperatur von wenigstens 1.050°C aufweist. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Luftzuführung außerhalb der allothermen Vergasungszone und/oder außerhalb des Muffelrohres, vorzugsweise in einem in Hochachsenrichtung oberen Teilbereich, insbesondere in einem oberen Verbreiterungsbereich, des Reaktionsraumes erfolgt. Die Luftzuführung erfolgt vorzugsweise mittels einer Randluftzufuhr mittels mehrerer umfangsseitig voneinander beabstandeter Lufteinlassöffnungen bzw. Luftdüsen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Luft bzw. das Vergasungsmittel jedoch auch über eine Luftzuführeinrichtung am Rost zugeführt werden.
Ferner für einen Ascheausbrand gemäß einer besonders bevorzugten Verfahrensführung eine Luftzuführung im Bereich des Rostes vorgesehen. Auch hier wird bezüglich der sich dadurch ergebenden Vorteile wieder auf die bereits zuvor gemachten Ausführungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine prinzipielle Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Reaktors, und
Fig. 2 schematisch eine alternative Flanschanbindung des Muffelrohres am
Muffelgehäuse.
In der Fig. 1 ist schematisch eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors 1 gezeigt, der als unteren Reaktorbereich ein Reaktorgehäuse 2 aufweist, das eine einen Reaktionsraum 3 bereichsweise begrenzende innere Ausmauerung 4 aufweist und in dem bodenseitig ein Rost 5 aufgenommen und angeordnet ist. Das Reaktorgehäuse 2 ist zudem außenseitig mit einer Wärmedämmung 6 versehen.
Der bodenseitig im Reaktionsraum 3 des Reaktorgehäuses 2 angeordnete Rost 5 weist einen mittels eines Rostantriebs 7 drehantreibbaren Rostteller 8 mit einem von diesem nach oben in Hochachsenrichtung z abragenden Rostkegel 9 auf, wobei der Rostteller 8 in einem mit dem Reaktorgehäuse 2 verbundenen Rostgehäuse 10 gelagert ist. Randseitig sind am Rostteller 8 mehrere umfangsseitig voneinander beabstandete Verteilstangen 11 angeordnet, die vom Rostteller 8 weg nach oben in den Reaktionsraum 3 einragen.
Am Rostgehäuse 10 mündet eine Luftzuführleitung 12, mittels der Luft 13 oder jedes andere geeignete Vergasungsmittel in den Bereich des Rostes 5 zugeführt werden kann, um dort insbesondere den Ascheausbrand sicherzustellen.
Ferner ist am Rostgehäuse 10 noch eine hier lediglich schematisch gezeigte Ascheaustragseinrichtung 14 gelagert bzw. angeordnet, mittels der Asche 15 vom Rost 5 entfernt werden kann.
Das Reaktorgehäuse 2 weist weiter in einem in Hochachsenrichtung z oberen Gehäusebereich eine Muffelrohraufnahmeöffnung 6 auf, über die ein hier bevorzugt und beispielhaft zylindrisches Muffelrohr 17 mit einem unteren Muffelrohrende 18 bis in den Bereich des Rostkegels 9 und damit des bodenseitigen Rosts 5 geführt ist, wobei die Verteilstangen 11 beabstandet um das untere Muffelrohrende 18 herum angeordnet sind.
Das Muffelrohr 17 ist mit einem in Hochachsenrichtung z oberen Muffelrohrbereich 19, unter Ausbildung eines in den Reaktionsraum 3 und damit das Reaktorgehäuse 2 mündenden Ringspaltes 20, in einem, ein Muffelgehäuse 21 ausbildenden oberen Reaktorbereich des Reaktors 1 aufgenommen. Auch das Muffelgehäuse 21 kann durch eine Ausmauerung gebildet sein. Auch dieses Muffelgehäuse 21 , das hier eine beispielhaft zylindrische Form aufweist, ist mit einer Wärmedämmung 6 umgeben.
Das Muffelgehäuse 21 ist mit dem Reaktorgehäuse 2 mittels einer hier lediglich äußerst schematisch dargestellten Flanschverbindung 22 verbunden, wobei, wie aus der Figur 1 gut ersichtlich ist, die Schrauben 23 dieser Flanschverbindung 22 außerhalb der Wärmedämmung 6 liegen, und damit in einem kühlen und gut zugänglichen Bereich des Reaktors 1 liegen. Der Ringspalt 20, der hier als vollständig um das Muffelrohr 17 umlaufender Ringspalt ausgebildet ist, mündet im Bereich der Muffelrohraufnahmeöffnung 16 in das Reaktorgehäuse 2 bzw. in den Reaktionsraum 3 ein, wodurch die sich im Reaktionsraum 3 ansammelnden Gase letztendlich in den Ringspalt 20 einströmen und entlang des Muffelrohrs 17 bzw. insbesondere des oberen Muffelrohrbereichs 19 zu einer bevorzugt kopfseitig am Muffelgehäuse 21 angeordneten Gasauslassöffnung 24 strömen können.
Der das freie Muffelrohrende 18 bevorzugt ringförmig bzw. zylindrisch umgebende Reaktionsraum 3 des Reaktorgehäuses 2, der eine Aufheiz- und Durchmischungszone ausbildet, in der sich die allothermen und autothermen Brennbzw. Produktgase vor dem Übertritt in den Ringspalt aufheizen und durchmischen können, weist in einem oberen Reaktionsraumbereich optional eine sich hier beispielhaft nach oben in Richtung Muffelgehäuse 21 konisch erweiternde Verbreiterung 25 auf, die sich ungefähr vom oberen Ende der optionalen Verteilstangen 11 ausgehend im Bereich der inneren Ausmauerung 4 nach oben bis zu einer hier als Randluftzufuhr ausgebildeten Luftzuführeinrichtung 26 stetig verbreitert. Diese, mit Bezug zum Reaktionsraum 3, obere Luftzuführeinrichtung 26 besteht beispielsweise aus einer hier beispielhaft als Ringleitung ausgebildeten zweiten Luftzuführleitung 27, von der ausgehend Luft (bzw. jedes andere geeignete Vergasungsmittel) über mehrere voneinander in Umfangsrichtung des Reaktionsraums 3 beabstandete Luftdüsen 28 gesteuert bzw. geregelt mittels einer hier nicht im Detail dargestellten Steuer- und/oder Regelungseinrichtung in den Reaktionsraum 3 zugedüst werden kann. Es versteht sich, dass mittels dieser Steuer- und/oder Regeleinrichtung bzw. auch mittels einer separaten Steuer- und/oder Regeleinrichtung auch die Zuführung der Luft bzw. des Vergasungsmittels über die erste Luftzuführleitung 12 im Bereich des Rostes 5 gesteuert bzw. geregelt werden kann, um für den eine autotherme Vergasungszone ausbildenden Reaktionsraum 3 ein geeignetes Luft- und damit Temperaturmanagement erreichen zu können.
Wie dies der Figur 1 weiter entnommen werden kann, ist im Bereich des Ringspalts 20 eine Gasleitspirale 29 angeordnet, die zum Beispiel weder mit dem Muffelgehäuse 21 noch mit dem Muffelrohr 17 verbunden ist, sondern ein eigenständiges, separates Bauteil darstellt, das zum Beispiel in nachfolgend noch näher beschriebener Weise im bzw. am Reaktor gehaltert ist, zum Beispiel am Rost 5. Grundsätzlich kann aber diese Gasleitspirale 29 auch mit dem Muffelrohr 17 und/oder mit dem Innenwandbereich des Muffelgehäuses 21 wenigstens bereichsweise verbunden sein.
Diese Gasleitspirale 29 erstreckt sich hier im Wesentlichen über den gesamten im Muffelgehäuse 21 aufgenommenen oberen Muffelrohrbereich 19 bis zur kopfseitig des Muffelgehäuses 21 angeordneten Gasauslassöffnung 24, wodurch sichergestellt ist, dass das aus dem Reaktorgehäuse 2 bzw. dem Reaktionsraum 3 in den Ringspalt 20 einströmende heiße Gas, das eine Temperatur von bevorzugt größer 1.050°C aufweist, einen ausreichend langen Strömungskontakt mit dem Muffelrohr 17 im oberen Muffelrohrbereich 19 aufweist. Dies insbesondere auch zur Einstellung einer turbulenten Strömung entlang des Muffelrohrs 17 bis zur Gasauslassöffnung 24, so dass ein ausreichend hoher Wärmeübergang zwischen dem heißen Gas und dem eine allotherme Vergasungszone ausbildenden oberen Muffelrohrbereich 19, in dem der hier nicht dargestellte, zu vergasende Brennstoff als Brennstoffschicht im Bereich oberhalb des Rostkegels 9 aufgenommen ist, sichergestellt ist.
Wie dies der Fig. 1 weiter entnommen werden kann, sind in Erstreckungsrichtung benachbarte Wendelbereiche 30 der Gasleitspirale 29 abschnittsweise durch voneinander in Wendelrichtung beabstandete Stützstäbe 31 , die einen definiert geringen Strömungswiderstand aufweisen, versteift. Im in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Muffelgehäuse 21 eine obere Reaktoröffnung 32 auf, über die das Muffelrohr in das Muffelgehäuse 21 und damit in den Reaktorinnenraum einsetzbar ist, wobei das Muffelrohr 17 mit einem die obere Reaktoröffnung 32 überragenden oberen Muffelrohrende 33 in einem ebenfalls mit einer Wärmedämmung 6 versehenen Kopfteil 34 aufgenommen ist, mittels dem die obere Reaktoröffnung 32 verschließbar ist.
In dieses Kopfteil 34 mündet eine als Zudosierschnecke 35 ausgebildete Brennstoff- Zudosiereinrichtung ein, über die, zum Beispiel wiederum geregelt bzw. gesteuert mittels der hier nicht dargestellten Steuer- und/oder Regeleinrichtung, eine definierte Menge an Brennstoff 36 zu vorgegebenen Zeiten in vorgegebener Menge in den Reaktorinnenraum des Reaktors 1 eingebracht werden kann, um die muffelrohrseitige zu vergasende Brennstoffschicht auszubilden. Das Kopfteil 34 ist ebenfalls wiederum mit einer außenseitigen Flanschverbindung 37 mit dem Muffelgehäuse 21 verbunden, wobei am Kopfteil 34 ferner ein oberer Deckel 38 angeordnet sein kann, der eine kopfteilseitige Zugangsöffnung verschließt, über die ein Zugang zum Mündungsbereich der Zudosierschnecke 35 möglich ist.
Mit einem derartigen modular aufgebauten Reaktor 1 kann bei einer Entfernung des Kopfteils 34 das Muffelrohr 17 zusammen mit diesem einfach aus dem Muffelgehäuse 21 entfernt werden. Weiter ist nach einer Entfernung des Muffelgehäuses 21 und/oder des Rostgehäuses 10 auch ein sehr guter Zugang zum Reaktionsraum 3 des Reaktorgehäuses 2 möglich. Dadurch ergibt sich insbesondere im Hinblick auf Wartungs- und Revisionsarbeiten eine erhebliche Flexibilität, die insgesamt zu einem wartungs- und bedienerfreundlichen Reaktor 1 führt, ohne dass hierbei erforderliche Sicherheitsmaßnahmen beeinträchtigt werden würden. Die durch ein separates Bauteil gebildete Gasleitspirale 29 kann dabei im Bereich der Flanschverbindung 37 zwischen Kopfteil 34 und Muffelgehäuse 21 festgelegt sein oder aber gegebenenfalls auch direkt mit dem Kopfteil verbunden sein. Ebenso könnte die Gasleitspirale 29 aber auch mit dem Rost 5 beziehungsweise dem Rostkegel 9 verbunden sein. Alternativ zu der eben beschriebenen Ausgestaltung des oberen Muffelrohrendes 33, das im Kopfteil 34 aufgenommen ist bzw. das die Innenwandung des Kopfteils 34 ausbildet, kann aber auch vorgesehen sein, dass das obere Muffelrohrende 33 selbst das Kopfteil bildet oder, wie dies lediglich äußerst schematisch in der Fig. 2 gezeigt ist, dass das Muffelrohr 17 nicht bis in das Kopfteil 34 geführt ist, sondern mittels eines Muffelrohrflansches 39 an einem Befestigungsflanschbereich 40 des Muffelgehäuses 21 festgelegt ist, und zwar bevorzugt dergestalt, dass der Muffelrohrflansch 39 zwischen dem Befestigungsflanschbereich 40 des Muffelgehäuses 21 und einem Kopfteilflansch 41 des Kopfteils 34 verklemmt wird. In Verbindung mit einer derartigen Ausführungsform kann dann die zum Beispiel durch ein separates Bauteil gebildete Gasleitspirale 29 ebenfalls im Bereich dieser Flanschverbindung festgelegt sein, was in der Fig. 2 lediglich schematisch und strichliert eingezeichnet ist. In Verbindung mit dieser in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sei ferner noch erwähnt, dass bei einer derartigen separaten Ausbildung des Kopfteils 34 einerseits und des Muffelrohrs 17 andererseits, keine Stufen oder Kanten entstehen, die die Zudosierung des zu vergasenden Brennstoffes in das Muffelrohr 17 hinein beeinträchtigen. Bevorzugt ist hierbei, wie in der Fig. 2 schematisch dargestellt, ein in Hochachsenrichtung bzw. Erstreckungsrichtung des Muffelrohrs 17 gesehen glatter Übergang zwischen Muffelrohr 17 und Kopfteilinnenwand. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführung, in der das Kopfteil 34 im Durchmesser geringfügig kleiner ist, als das Muffelrohr 17.
Mit einem derartig aufgebauten Reaktor 1 wird erreicht, dass der zu vergasende Brennstoff in dem eine allotherme Vergasungszone ausbildenden oberen Muffelrohrbereich 19 zumindest teilweise mittels des über den muffelgehäuseseitigen Ringspalt 20 zum Gasauslass bzw. zur Gasauslassöffnung 24 strömenden Gases getrocknet bzw. aufgeheizt, dann pyrolysiert und anschließend reduziert wird, wobei die Reduktion mit Wasserdampf aus der Trocknungs- bzw. Aufheizzone erfolgt.
Am unteren Muffelrohrende 18 wird das Gas dann nach oben umgelenkt und der verbleibende Kohlenstoff mit den Verteilstangen 11 gleichmäßig im rostseitigen Bereich des Reaktionsraums 3 des Reaktorgehäuses 2 verteilt, wobei gleichzeitig über den Rost 5 Luft bzw. ein entsprechendes Vergasungsmittel über die erste Luftzuführleitung 12 zugeführt wird, um den Ascheausbrand im Reaktor sicherzustellen. Dabei entsteht neben Wärme vor allem auch Kohlendioxid für die im Reaktionsraum 3 des Reaktorgehäuses 2 ausgebildete autotherme Vergasungszone, in die entsprechend gesteuert bzw. geregelt mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung so viel Luft über die Luftzuführeinrichtung 26 und damit die Luftdüsen 28 in den Verbreiterungsbereich 25 des Reaktionsraum 3 eingeblasen wird, dass sich dort die Temperatur des Gases auf mindestens 1050 "Celsius erhöht und somit dadurch die im Gas enthaltenen Teere, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, gecrackt werden können. Die hierfür erforderliche Luftzufuhr kann grundsätzlich aber auch ausschließlich über die erste Luftzuführleitung 12 bewerkstelligt werden.
Die optionale Verbreiterung 25 des Reaktionsraums 3 im ringspaltnahen Bereich bewirkt dabei zudem die Abscheidung von Partikeln aus dem Gas, so dass ein in einem definierten Maße partikelfreies heißes Gas in den Ringspalt 20 einströmt und bei seinem Weg entlang des Muffelrohrs 17 nach oben in Richtung Gasauslassöffnung 24 unter Wärmeabgabe an den oberen Muffelrohrbereich 19 abkühlt.
Dadurch wird somit erreicht, dass relativ kühles und reines Rohgas 43 als Nutzgas aus dem Reaktor 1 abgezogen und einer weiteren Verwertung zugeführt werden kann, insbesondere in einem Gasmotor zur Energieerzeugung verbrannt werden kann.
Die Temperatur des Rohgases 43 kann dabei im Bereich von ca. 250°Celsius liegen, so dass der erforderliche Nachbehandlungsaufwand erheblich reduziert ist.
Weiter kann im Muffelrohr 17 ein hier länglich bzw. zylinderartig und in der Art eines Turms ausgebildetes Rührwerk 44 angeordnet sein, von dem hier beispielhaft mehrere Rührstäbe 45 abragen. Das Rührwerk 44 ist hier beispielhaft mit dem Rostkegel 9 drehfest verbunden, so dass bei einem Drehen des Rosttellers 8 gleichzeitig auch das Rührwerk 44 betätigt bzw. drehangetrieben wird. Dadurch lässt sich eine gute Umverteilung bzw. Vermischung in der zu vergasenden Biomasse erzielen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich die Rühr- und/oder Mischeinrichtung 44 aber auch von der in Hochachsenrichtung gesehen Ober- bzw. Kopfseite des Muffelrohres 17 her in das Muffelrohr 17 einragen. Lediglich beispielhaft ist in der Fig. 1 strichliert eingezeichnet, dass eine Rühr- und/oder Mischeinrichtung 44 von dem Kopfteil 38 her in Hochachsenrichtung nach unten in das Muffelrohr 17 einragt und sich hier ebenfalls wiederum lediglich beispielhaft im Wesentlichen über die gesamte Muffelrohrlänge erstreckt. Der Drehantrieb dieser Rühr- und/oder Mischeinrichtung 44 ist hier nicht eingezeichnet, kann aber ebenfalls am Kopfteil angeordnet sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor und mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann somit sichergestellt werden, dass alles das, was über die rostseitige Ascheaustragseinrichtung 14 abgezogen wird, auch im Wesentlichen vollständig ausgebrannt ist, so dass die Asche weniger umweltschädlich ist und zudem der Wirkungsgrad der Gesamtanlage erheblich erhöht ist.

Claims

Patentansprüche
Reaktor (1 ) zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse, mit einem Reaktorinnenraum, mit wenigstens einer Brennstoff-Zudosiereinrichtung (35) zur Zudosierung von zu vergasendem Brennstoff (36) in den Reaktorinnenraum, mit einem im Reaktorinnenraum, vorzugsweise bodenseitig, angeordneten Rost (5), auf dem der in den Reaktorinnenraum zudosierte und zu vergasende Brennstoff (36) aufliegt, mit wenigstens einer Luftzuführeinrichtung (12, 26) zur Luftzuführung in den Reaktorinnenraum, und mit wenigstens einem Gasauslass (24) zum Abführen des im Reaktorinnenraum erzeugten Gases aus dem Reaktorinnenraum, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktorinnenraum ein oberhalb des Rostes (5) angeordnetes, sich vorzugsweise in Hochachsenrichtung erstreckendes, Muffelrohr (17) vorgesehen ist, in dem der zu vergasende Brennstoff (36) aufgenommen ist, dass das Muffelrohr (17) mit einem in Hochachsenrichtung unteren, rostseitigen Muffelrohrende (18) in einen mittelbar oder unmittelbar mit Luft von der wenigstens einen Luftzuführeinrichtung beaufschlagbaren und als autotherme Vergasungszone ausgebildeten unteren Reaktorbereich (2) einmündet, in dem der zu vergasende Brennstoff oxidiert, und dass das Muffelrohr (17) mit einem in Hochachsenrichtung oberen Muffelrohrbereich (19), unter Ausbildung eines in den unteren Reaktorbereich (2) mündenden Ringspaltes (20), in einem, ein Muffelgehäuse (21 ) ausbildenden oberen Reaktorbereich dergestalt aufgenommen ist, dass das im Bereich des unteren Muffelrohrendes (18) aus dem Muffelrohr (17) austretende Gas in den muffelgehäuseseitigen Ringspalt (20) eintritt und im Ringspalt (20) unter Wärmeabgabe wenigstens bereichsweise entlang und/oder um den oberen Muffelrohrbereich (19) strömt, so dass dieser eine allotherme Vergasungszone zur Aufheizung, Pyrolyse und Reduktion des zu vergasenden Brennstoffes ausbildet.
2. Reaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt (20) um den oberen Muffelrohrbereich (19) wenigstens ein Strömungsleitelement (29) angeordnet ist, mittels dem dem in den Ringspalt (20) einströmenden Gas eine turbulente Strömung aufprägbar ist.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungsleitelement durch eine sich im Ringspalt (20) wenigstens bereichsweise und/oder wenigstens abschnittsweise spiralförmig um einen Teilbereich des oberen Muffelrohrbereichs windende Gasleitspirale (29) gebildet ist, vorzugsweise durch eine sich entlang des gesamten Ringspalts (20) und/oder oberen Muffelrohrbereichs (19) erstreckende Gasleitspirale (29) gebildet ist.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitspirale (29) durch ein ortsfest im Ringspalt (20) angeordnetes, insbesondere mit dem Muffelgehäuse (21 ) verbindbares oder verbundenes, Bauteil gebildet ist, so dass das Muffelrohr (17) relativ zu der Gasleitspirale (29) verlagerbar und/oder drehbar ist, oder dass die Gasleitspirale (29) mit dem Rost (5), insbesondere mit einem als drehbarer Rost ausgebildeten Rost (5), verbunden ist.
5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Erstreckungsrichtung benachbarte Wendelbereiche (30) der Gasleitspirale (29) abschnittsweise durch voneinander in Wendelrichtung beabstandete Stützelemente (31 ), vorzugsweise durch einen definiert geringen Strömungswiderstand aufweisende Stützstäbe, versteift sind.
Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das, vorzugsweise zylindrisch ausgebildete, Muffelgehäuse (21 ) wenigstens eine in den Ringspalt einmündende Gasauslassöffnung (24) aufweist, vorzugsweise dergestalt, dass wenigstens eine im Bereich des oberen Muffelrohrendes in den Ringspalt einmündende Gasauslassöffnung (24) vorgesehen ist und/oder dass mehrere in unterschiedlichen Höhen entlang des Ringspaltes angeordnete Gasauslassöffnungen vorgesehen sind.
Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muffelgehäuse (21 ) eine kopfseitige Reaktoröffnung (32) aufweist, über die das Muffelrohr (17) in den Reaktorinnenraum einsetzbar ist, wobei das Muffelrohr (17) mit wenigstens einer muffelrohrseitigen Befestigungseinrichtung (37), insbesondere mit einem Muffelrohrflansch (39), am Muffelgehäuse (21 ) festlegbar ist, insbesondere das Kopfteil (34) mittels eines Kopfteilflansches unter Verklemmung des Muffelrohrflansches (39) an einem Befestigungsflanschbereich (40) des Muffelgehäuses (21 ) festgelegt ist, und dass die kopfseitige Reaktor-Öffnung (32) mittels eines, vorzugsweise mit einer Wärmedämmung (6) versehenen, Kopfteils (34) verschließbar ist, in das die Brennstoff-Zudosiereinrichtung (35), vorzugsweise eine Zudosierschnecke, mündet.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Muffelgehäuse (21 ) eine kopfseitige Reaktoröffnung (32) aufweist, über die das Muffelrohr (17) in den Reaktorinnenraum einsetzbar ist, wobei das Muffelrohr (17) die kopfseitige Reaktoröffnung (32) mit einem oberen Muffelrohrende (33) überragt dergestalt, dass die Brennstoff- Zudosiereinrichtung (35), vorzugsweise eine Zudosierschnecke, direkt in das die kopfseitige Reaktoröffnung (32) überragende obere Muffelrohrende (33) mündet und/oder dass das die kopfseitige Reaktoröffnung (32) überragende obere Muffelrohrende (33) in einem, vorzugsweise mit einer Wärmedämmung (6) versehenen, Kopfteil (34) aufgenommen ist, mittels dem die kopfseitige Reaktoröffnung (32) verschließbar ist und in das die Brennstoff- Zudosiereinrichtung (35), vorzugsweise eine Zudosierschnecke, mündet.
9. Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (34) durch wenigstens eine mittels einer Abdeckung abdeckbare Zugangsöffnung zugänglich ist.
10. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Muffelrohrende (18) im unteren Reaktorbereich (2) bis in den Bereich des, vorzugsweise bodenseitig im Innenraum des unteren Reaktorbereichs (2) angeordneten, Rosts (5), vorzugsweise in den Bereich eines Rostkegels (9) des Rosts (5), geführt ist und, vorzugsweise ringförmig, von einem Reaktionsraum (3) umgeben ist, in den der muffelgehäuseseitige Ringspalt (20), vorzugsweise in Hochachsenrichtung beabstandet oberhalb des unteren Muffelrohrendes (18), einmündet und in den das, das untere Muffelrohrende (18) verlassende Gas, vorzugsweise unter Umlenkung um das untere Muffelrohrende (18) herum, einströmt, bevor es, vorzugsweise unter Durchmischung mit Gas aus der authothermen Vergasungszone, in den Ringspalt (20) überströmt.
11. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der das untere Muffelrohrende (18), vorzugsweise zylindrisch und/oder ringförmig, umgebende Reaktionsraum (3) wenigstens in einem Teilbereich, insbesondere in einem in Hochachsenrichtung oberen Reaktionsraumbereich, eine Verbreiterung (25), insbesondere eine sich nach oben in Richtung Muffelgehäuse (21 ) konisch erweiternde Verbreiterung (25), aufweist.
12. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Luftzuführeinrichtung (12, 26) Luft außerhalb der allothermen Vergasungszone und/oder außerhalb des Muffelrohres (17) in einen das untere Muffelrohrende (18) umgebenden Reaktionsraum (3) des unteren Reaktorbereichs (2) einleitbar ist, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass mittels der Luftzuführeinrichtung (26) eine umfangsverteilte Luftzuführung über mehrere voneinander in Umfangsrichtung des Reaktionsraumes (3) beabstandete Lufteinlassöffnungen (28) in den Reaktionsraum (3), vorzugsweise in einem verbreiterten Bereich des Reaktionsraumes (3), erfolgt und/oder mittels der Luftzuführeinrichtung (12) rostseitig Luft zuführbar ist, von der wenigstens ein Teil in den Reaktionsraum (3) überströmt.
13. Reaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der, vorzugsweise bodenseitig im unteren Reaktionsraumbereich angeordnete, Rost (5) einen mittels eines Rostantriebs (7) drehantreibbaren Rostteller (8), vorzugsweise mit einem von diesem nach oben in Richtung Muffelrohr (17) abragenden Rostkegel (9), aufweist, wobei der Rostteller (8) in einem mit dem unteren Reaktorbereich (2) verbindbaren Rostgehäuse (10) gelagert und/oder angeordnet ist, wobei bevorzugt vorgesehen ist dass randseitig am Rostteller (8) umfangsseitig voneinander beabstandete Verteilelemente (11 ), insbesondere Verteilstangen, angeordnet sind, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die Verteilstangen vom Rostteller (8) weg um das untere Muffelrohrende (18) herum nach oben in den Reaktionsraum (3) ragen und/oder dass der Rost (5) eine Luftzuführeinrichtung (12) aufweist, mittels der dem Rostbereich Luft (13) rostseitig zuführbar ist und/oder dass der Rost (5) mit einer Ascheantragseinrichtung (14) gekoppelt ist oder eine solche aufweist.
14. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den zu vergasenden Brennstoff aufnehmenden Muffelrohr (17) wenigstens eine Rühr- und/oder Mischeinrichtung (44) angeordnet ist.
15. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rühr- und/oder Mischeinrichtung (44) von der, in Hochachsenrichtung gesehen, Ober- bzw. Kopfseite des Muffelrohres (17) her und/oder von der, in Hochachsenrichtung gesehen, Unter- bzw. Rostseite des Muffelrohres (17) her entlang einer definierten Wegstrecke im Inneren des Muffelrohres (17), vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Muffelrohrlänge, erstreckt, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die wenigstens eine Rühr- und/oder Mischeinrichtung (44) zylinderartig ausgebildet ist und/oder dass von der wenigstens einen Rühr- und/oder Mischeinrichtung (44) wenigstens ein Rührelement (45) abragt.
16. Reaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Misch- und/oder Rühreinrichtung (44) mittels eines Antriebs drehantreibbar ist, insbesondere dergestalt, dass eine von der Oberseite des Muffelrohrs (17) her in das Muffelrohr (17) eingeführte Rühr- und/oder Mischeinrichtung (44) mittels eines im Bereich der Oberseite des Muffelrohres (17) angeordneten Antriebs drehantreibbar ist und/oder dass eine von der Unterseite des Muffelrohrs(17) her in das Muffelrohr (17) eingeführte Rühr- und/oder Mischeinrichtung (44) von der Rostseite her drehantreibbar ist, insbesondere mit einem drehangetriebenen Rostteller (8) eines Rostes (5), insbesondere mit dessen Rostkegel (9), drehfest verbunden ist.
17. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muffelgehäuse (21 ) durch ein separates Bauteil gebildet ist, das mittels wenigstens einer Befestigungseinrichtung (22) vorzugsweise mittels einer Flanschverbindung, mit dem ein Reaktorgehäuse ausbildenden unteren Reaktorbereich (2) verbunden ist, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass das Reaktorgehäuse (2) eine Muffelrohraufnahme- Öffnung (16) aufweist, durch die das untere Muffelrohrende (18) in den durch das Reaktorgehäuse (2) ausgebildeten unteren Reaktorbereich einragt, und das Reaktorgehäuse (2) eine bodenseitige Rostaufnahmeöffnung aufweist, über die der Rost im unteren Reaktorgehäusebereich bodenseitig einsetzbar und im Bereich unterhalb des unteren Muffelrohrendes (18) anordenbar ist.
18. Verfahren zur Vergasung von Brennstoffen, insbesondere von Biomasse, insbesondere mittels eines Reaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu vergasende Brennstoff (36) in dem eine allotherme Vergasungszone auszubildenden oberen Muffelrohrbereich (19), zumindest teilweise mittels des über den muffelgehäuseseitigen Ringspalt (20) zum Gasauslass (24) strömenden Gases, aufgeheizt, dann pyrolysiert und anschließend reduziert wird, und dass das im Bereich des unteren Muffelrohrendes (18) aus dem Muffelrohr (17) austretende Gas in den muffelgehäuseseitigen Ringspalt (20) eintritt und im Ringspalt (20) unter Wärmeabgabe an das Muffelrohr (17) bzw. an den oberen Muffelrohrbereich (19) wenigstens bereichsweise entlang und/oder um den oberen Muffelrohrbereich (19) strömt.
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