WO2021105171A1 - Festbettvergaser zum erzeugen eines produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen teilchen - Google Patents

Festbettvergaser zum erzeugen eines produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen teilchen Download PDF

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WO2021105171A1
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fuel
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Michael Hofmeister
Horst Dressler
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MFC Multi Fuel Conversion GmbH
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    • C10J3/40—Movable grates
    • C10J3/42—Rotary grates

Definitions

  • the present invention relates to a fixed bed gasifier according to the preamble of claim 1.
  • a device In order to prevent clogging of the gasifier, a device is needed that breaks up the slag so that combustion air can flow into the fuel particle bed and the product gas can flow out of the fuel particle bed. Only if the reaction in the gasifier is maintained can the slag be transported further in the direction of the support device.
  • a fork element with a plurality of Zin ken is known, which is intermittently retracted into the fuel particle bed and breaks up slag.
  • the prongs of the fork element are distributed over the entire horizontal cross-section of the carburetor. This also leads to an excessive disruption of the gasification process and an increased tar load on the product gas and thus a deterioration in the product gas quality.
  • the piercing element Due to the possibility of positioning the piercing element at different points above the fuel particle fill, the piercing element can be made small and nevertheless all areas of the fuel particle fill can be reached.
  • the stitch element moves intermittently into the fuel part chen serialung in the gasification operation.
  • the tine pierces the material column linearly from above and also moves out the same way.
  • the drive means changes the position of the stitch element so that it does not enter the same stitch channel again. This repeated local piercing, staggered in time at different locations of the fuel particle bed, moves the gasifier bed and the sintering process of slag particles, which would clog the entire cross-section of the gasifier, is disrupted.
  • Biomass particles, particles made of crushed plastics or crushed waste particles that contain carbon are suitable as pourable fuel particles.
  • the advantageous embodiment according to claim 2 provides a structurally simple possibility explanation to position the stitch element at different locations over the fuel particle bulk.
  • the thermal load on the support device is reduced and the service life of the support device is enlarged.
  • 1a is a schematic representation of a fixed bed gasifier in a 39an view according to a first embodiment with a rotatable stitch element, wherein the stitch element is not retracted into the biomass;
  • Fig. 1b is a schematic representation of the first embodiment, wherein the Sti chelement is retracted in the fuel particle bed;
  • FIG. 2a shows a view from above of a second embodiment with two slag breaking devices arranged next to one another;
  • Figures 2b and 2c are side views of the second embodiment; 3 shows a third embodiment;
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment
  • FIG. 6 shows a sixth embodiment of the invention.
  • FIG. 1a and 1b schematically show a first embodiment of a fixed bed gasifier according to the present invention for generating product gas from pourable carbon-containing fuel particles 1 in the form of biomass particles, particles made of plastic or other carbon-containing fuel particles.
  • the fixed bed gasifier comprises a gasifier container 2 with a rectangular cross-section with side walls 4, an air supply 6 in the upper area of the gasifier 2, a fuel supply 8 which opens laterally into the gasifier 2, a support device 10 for the fuel particle bulk in the form of a flat, horizontally arranged grate 101, a product gas and ash extractor 12 from the area under the grate 10 and a slag breaking device 14.
  • the slag breaking device 14 comprises a stitch element 16 and a drive means 18.
  • the drive means 18 comprises a rotatable shaft 20 for rotating the stitch element in a horizontal plane and a vertical movement means 22 for linearly reciprocating movement of the stitch element 16 in the vertical direction.
  • the piercing element 16 comprises a vertically aligned prong 24 which is mounted on one end of a flat cross member 26. At its other end, the flat cross member 26 is mounted on the rotatable shaft 20.
  • a vertical movement means 22 can for example be designed as a double hydraulic cylinder.
  • the rotatable shaft 20 is preferably rotated by an electric motor.
  • the rotatable shaft 20 with stitch element 16 is arranged centrally in the carburetor 2 above the fixed bed of fuel particles 1. With this embodiment, only local points on a circular line can be approached. In the case of small carburetors with horizontal cross-sectional areas in the range from 10,000 to 25600 mm 2 , this restriction is harmless. With even larger carburetor cross-sectional areas from 25600 to 42300 mm 2 , instead of one prong 24, two or three prongs can be attached to the flat cross member 26. In the case of even greater carburetor output and cross-sectional areas from 42300 mm 2 , it makes sense to arrange two slag breaking devices 14 next to one another that are operated in parallel. From carburetor cross-sectional areas of 85000 mm 2 , it makes sense to use two slag breaking devices 14 with two or three prongs 24 arranged next to one another.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c This use of two slag breaking devices 14-1 and 14-2 arranged next to one another is shown schematically as a second embodiment of the invention in FIGS. 2a, 2b and 2c.
  • 2a shows a plan view of the open carburetor 2 from above with a rectangular cross section with the sides a and b, with a> b.
  • the two slag breaking devices 14-1 and 14-2 are shown.
  • FIG. 2b shows the second embodiment in a view perpendicular to the view in FIG. 2a
  • FIG. 2c shows the second embodiment in a view perpendicular to the views in FIGS. 2a and 2b.
  • FIG. 3 shows a third embodiment which differs from the first embodiment according to FIG. 1 in that instead of the horizontal grate 101, a roller 102 which rotates in a termitting manner is provided as the support device 10.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment which differs from the third embodiment according to FIG. 3 in that, instead of one roller, two rollers 102 rotating intermittently with respect to one another are provided as the support device 10.
  • the rollers 102 are provided with teeth 28 to break up any lumps of slag that are present.
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment, which differs from the first embodiment according to FIG. 1 in that instead of the horizontal grate 101, a ge inclined grate 103 is provided as a support device 10, as is known in DE 102018 205 115 A1.
  • 6 shows a sixth embodiment which differs from the first embodiment according to FIG. 1 in that, instead of the horizontal grate 101, a cone crusher 104 that moves in a tumbling motion is provided as the support device 10.
  • the slag crushing devices 14 can also be used to distribute the fuel particles 1 in the gasifier by turning the stitch elements 16 when the fuel particles are filled.

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Abstract

Es wird ein Festbettvergaser zur Erzeugung eines Produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen angegeben, der eine Schlackeaufbrecheinrichtung aufweist und bei der durch das Schlackeaufbrechen die Qualität des Produktgases dennoch möglichst wenig verschlechtert wird. Durch die Möglichkeit des Positionierens des Stichelements der Schlackeaufbrecheinrichtung an verschiedenen Punkten über der Brennstoffteilchenschüttung kann das Stichelement klein ausgebildet sein und es können dennoch alle Bereiche der Brennstoffteilchenschüttung erreicht werden. Das Stichelement fährt im Vergasungsbetrieb intermittierend in die Brennstoffteilchenschüttung ein. Vor dem nächsten Einfahren ändert das Antriebsmittel die Position des Stichelements, damit es nicht wieder in den gleichen Stichkanal einfährt. Dieses wiederholte lokale Einstechen, zeitlich versetzt an unterschiedlichen Orten der Brennstoffteilchenschüttung bewegt das Vergaserbett und der Sintervorgang von Schlacketeilchen, der den kompletten Vergaserquerschnitt verstopfen würde, wird gestört. Dies hat auch zur Folge, dass das Gas weiterhin über den gesamten Querschnitt durch die einzelnen Zonen strömen kann, und nicht nur in dem „gestochenen Kanal". Außerdem werden inzwischen zusammengesinterte Schlackebrocken weitergefördert – in Richtung Abstützeinrichtung - oder auch wieder zerbrochen.

Description

Beschreibung
Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Teilchen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festbettvergaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Vergasung von Abfällen, so wie Biomasse mit niedrig schmelzenden Aschen entsteht in der Oxidationszone, welche bei über 900°C betrieben werden muss Schlacke. Diese Schlacke hat ja nach Brennstoff unterschiedliches Verhalten. Der Brennstoff kann in seiner ursprünglichen Form verschlacken. Das heißt, wenn man den Brennstoff in Pel letform aufgibt, verschlacken erst mal die Pellets in ihrer ursprünglichen Form, bevor die Schlackepellets beginnen zusammenzukleben. Es kann aber auch ein Schlackesee, oder eine direkte Schlackeschicht über den ganzen Vergaserquerschnitt entstehen. Das pas siert zum Beispiel bei Grascops. Was immer passiert, ist, dass die einzelnen verschla ckenden Teilchen im Vergaser zusammensintern. Um nun ein Verstopfen des Vergasers zu verhindern, braucht es eine Vorrichtung, die die Schlacke aufbricht, damit Verbren nungsluft in die Brennstoffteilchenschüttung einströmen und das Produktgas aus der Brennstoffteilchenschüttung ausströmen kann. Nur wenn die Reaktion im Vergaser auf recht erhalten bleibt, kann die Schlacke weiter in Richtung Abstützeinrichtung befördert werden. Aus der DE 102018205115 A1 ist ein Gabelelement mit einer Mehrzahl von Zin ken bekannt, das intermittierend in die Brennstoffteilchenschüttung eingefahren wird und Schlacken aufbricht. Allerdings sind die Zinken des Gabelelements über den gesamten horizontalen Querschnitt des Vergasers verteilt. Flierdurch kommt es zu einer übermäßi gen Störung des Vergasungsprozesses und zu einer erhöhten Teerbeladung des Pro duktgases und somit zu einer Verschlechterung der Produktgasqualität.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Festbettvergaser mit einer Schlackeaufbrecheinrichtung anzugeben, die die Qualität des Produktgases möglichst wenig verschlechtert. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 .
Durch die Möglichkeit des Positionierens des Stichelements an verschiedenen Punkten über der Brennstoffteilchenschüttung kann das Stichelement klein ausgebildet sein und es können dennoch alle Bereiche der Brennstoffteilchenschüttung erreicht wer den. Das Stichelement fährt im Vergasungsbetrieb intermittierend in die Brennstoffteil chenschüttung ein. Dabei sticht der Zinken linear von oben in die Materialsäule und fährt auch auf dem gleichen Weg wieder heraus. Vor dem nächsten Einfahren ändert das An triebsmittel die Position des Stichelements, damit es nicht wieder in den gleichen Stich kanal einfährt. Dieses wiederholte lokale Einstechen, zeitlich versetzt an unterschiedli chen Orten der Brennstoffteilchenschüttung bewegt das Vergaserbett und der Sintervorgang von Schlacketeilchen, der den kompletten Vergaserquerschnitt verstopfen würde, wird gestört. Dies hat auch zur Folge, dass das Gas weiterhin über den gesamten Querschnitt durch die einzelnen Zonen strömen kann, und nicht nur in dem „gestochenen Kanal“. Außerdem werden inzwischen zusammengesinterte Schlackebrocken weiterge fördert - in Richtung Abstützeinrichtung - oder auch wieder zerbrochen. Durch die Bewe gung im Vergaserbett werden zusätzlich durch das wiederholte Einstechen, sowie durch den Vergasungs- und Sintervorgang entstandene Hohlräume im Vergaserbett wieder ge schlossen. Da das Vergaserbett so wenig wie möglich gestört werden soll, ist es wichtig, die Anzahl der Zinken an dem Stichelement so gering wie möglich zu halten, so dass der Bereich in dem das Stichelement in die Biomasseschüttung eindringt möglichst klein und lokal ist. Es muss allerdings über einen gewissen Zeitraum an jeder Stelle eingestochen werden, damit der gesamte Vergaserquerschnitt freigehalten werden kann und dies wird durch den Ortswechsel des Stichelements nach jedem Einsteichen erreicht.
Als schüttbare Brennstoffteilchen eignen sich Biomasseteilchen, Teilchen aus zer kleinerten Kunststoffen oder auch zerkleinerte Abfallteilchen, die kohlenstoffhaltig sind.
Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 stellt eine konstruktiv einfache Mög lichkeit dar, das Stichelement an unterschiedlichen Orten über der Brennstoffteilchen schüttung zu positionieren. Bei Vergasern mit großer Leistung und damit mit großer horizontaler Querschnitts fläche ist es vorteilhaft ein Stichelement mit zwei oder drei Zinken einzusetzen - An spruch 3.
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird das Schließen von Hohlräumen in dem Vergaserbett, die durch den Vergasungs- und Sintervorgang entstanden sind geför dert.
Bei Vergasern mit sehr großer Leistung und damit sehr großer horizontaler Quer schnittsfläche hat es sich als vorteilhaft herausgestellt mehrere Schlackebrecheinrichtun gen vorzusehen, die parallel betrieben werden - Anspruch 5.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 6 verringert sich die thermische Belastung der Abstützeinrichtung und die Standzeit der Abstützeinrichtung wird vergrö ßert.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüche 7 bis 10 beziehen sich auf verschiedene vorteilhafte Ausbildungen der Abstützeinrichtung.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines Festbettvergasers in einer Seitenan sicht gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem verdrehbaren Stichelement, wobei das Stichelement nicht in die Biomasse eingefahren ist;
Fig. 1 b eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform, wobei das Sti chelement in Brennstoffteilchenschüttung eingefahren ist;
Fig. 2a eine Ansicht von oben einer zweiten Ausführungsform mit zwei nebenei nander angeordneten Schlackebrecheinrichtungen;
Fig. 2b und 2c Seitenansichten der zweiten Ausführungsform; Fig. 3 eine dritte Ausführungsform;
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform;
Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform; und
Fig. 6 eine sechste Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1a und Fig. 1b zeigen schematisch eine erste Ausführungsform eines Festbe ttvergasers gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen von Produktgas aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen 1 in Form von Biomasseteilchen, Teilchen aus Plastik oder sonstigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen. Der Festbe ttvergaser umfasst einen Vergaserbehälter 2 mit einem rechteckigen Querschnitt mit Seitenwänden 4, einer Luftzuführung 6 im oberen Bereich des Vergasers 2, einer Brennstoffzuführung 8, die seitlich in der Vergaser 2 mündet, einer Abstützeinrichtung 10 für die Brennstoffteilchenschüttung in Form eines ebenen horizontal angeordneten Rostes 101 , einem Produktgas- und Ascheabzug 12 aus dem Bereich unter dem Rost 10 und einer Schlackenbrecheinrichtung 14.
Die Schlackebrecheinrichtung 14 umfasst ein Stichelement 16 und ein Antriebs mittel 18. Das Antriebsmittel 18 umfasst eine drehbare Welle 20 zum Verdrehen des Stichelements in einer horizontalen Ebene und ein Vertikalbewegungsmittel 22 zur line aren Hin- und Her-Bewegung des Stichelements 16 in vertikaler Richtung. Das Stichele ment 16 umfasst einen vertikal ausgerichteten Zinken 24, der an einem Ende eines fla chen Querträgers 26 montiert ist. Mit seinem anderen Ende ist der flache Querträger 26 an der drehbaren Welle 20 montiert. Mit eine Vertikalbewegungsmittel 22 kann bei spielsweise als doppelter Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Die drehbare Welle 20 wird vorzugsweise durch einen Elektromotor verdreht.
Die drehbare Welle 20 mit Stichelement 16 ist mittig im Vergaser 2 über dem Festbett aus Brennstoffteilchen 1 angeordnet. Damit lassen sich bei dieser Ausfüh rungsform nur lokale Punkte auf einer Kreislinie anfahren. Bei kleinen Vergasern mit ho rizontalen Querschnittsflächen im Bereich von 10000 bis 25600 mm2 ist dies Einschrän kung unbedenklich. Bei noch größeren Vergaserquerschnittsflächen von 25600 bis 42300 mm2 können anstatt einem Zinken 24 zwei oder drei Zinken an dem flachen Querträger 26 befestigt sein. Bei noch größerer Vergaserleistung und Vergaserquer schnittsflächen ab 42300 mm2 ist es sinnvoll zwei Schlackebrecheinrichtungen 14 ne beneinander anzuordnen, die parallel betrieben werden. Ab Vergaserquerschnittsflä chen von 85000 mm2 ist es sinnvoll zwei nebeneinander angeordnete Schlackebrecheinrichtungen 14 mit zwei oder drei Zinken 24 einzusetzen.
Dieser Einsatz von zwei nebeneinander angeordneten Schlackebrecheinrichtung 14-1 und 14-2 ist als zweite Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 2a, 2b und 2c schematisch dargestellt. Fig. 2a zeigt eine Aufsicht auf den offenen Vergaser 2 von oben mit einem rechteckigen Querschnitt mit den Seiten a und b, mit a > b. In dem rechteckigen Vergaserquerschnitt 2 sind die zwei Schlackebrecheinrichtungen 14-1 und 14-2 gezeigt. Fig. 2b zeigt die zweite Ausführungsform in einer Ansicht senkrecht zu der Ansicht in Fig. 2a und Fig. 2c zeigt die zweite Ausführungsform in einer Ansicht senk recht zu den Ansichten in Fig. 2a und 2b.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des waagrechten Rostes 101 eine in termittierend drehende Walze 102 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist.
Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform, die sich von der dritten Ausführungsform nach Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer Walze zwei gegeneinander inter mittierend drehende Walzen 102 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist.
Die Walzen 102 sind mit Zähnen 28 versehen, um vorhanden Schlackeklumpen zu zerkleinern.
Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des waagrechten Rostes 101 ein ge neigter Rost 103 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist, wie er in der DE 102018 205 115 A1 bekannt ist. Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungs form nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des waagrechten Rostes 101 ein sich taumelnd bewegender Kegelbrecher 104 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist.
Beim Beladen bzw. Anfahren des Festbettvergasers können die Schlackebrech einrichtungen 14 auch zur Verteilung der Brennstoffteilchen 1 im Vergaser genutzt wer den, indem die Stichelemente 16 beim Einfüllen der Brennstoffteilchen verdreht werden.
Bezugszeichen
1 Brennstoffteilchenschüttung
2 Vergaserbehälter
4 Seitenwände des Vergasers 2
6 Luftzuführung
8 Brennstoffzuführung,
10 Abstützeinrichtung
101 waagrechter Rost
102 intermitierend drehende Walzen
103 geneigter Rost
104 Kegelbrecher
12 Produktgas- und Ascheabzug
14 Schlackebrecheinrichtung
14-i Schlackebrecheinrichtung
16 Stichelement
18 Antriebsmittel
20 drehbare Welle
22 Vertikalbewegungsmittel
24 Zinken
26 flacher Querträger
28 Zähne an 102

Claims

Ansprüche
1. Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren kohlenstoff haltigen Brennstoffteilchen (1) mit einem Vergaserbehälter (2), einer Zuführung (8) für Brennstoffteilchen, einer Abstützeinrichtung (10) zur Abstützung der Brennstoffteilchen (1) in dem Vergaserbehälter (2), wobei die Abstützeinrichtung (10) bewegbar und für Gas und verbrauchte Brennstoffteilchen durchlässig ausgebildet ist, einer Luftzuführung (6) im Bereich über der Brennstoffteilchenschüttung zur Zufüh rung von Verbrennungsluft in die Brennstoffteilchenschüttung, einem aus dem Bereich unter der Abstützeinrichtung (10) aus dem Vergaserbehäl ter (2) herausführenden Produktgas- und Ascheabzug (12), und einer Schlackeaufbrecheinrichtung (14), die ein Stichelement (16) und ein An triebsmittel (18) umfasst, wobei das Stichelement (16) durch das Antriebsmittel (18) in die Brennstoffteilchenschüttung einführbar und wieder herausziehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel (18) der Schlackeaufbrecheinrichtung (14) zum Positionie ren des Stichelements (16) über der Brennstoffteilchenschüttung an verschiede nen Punkten im horizontalen Querschnitt des Vergasers (2) ausgelegt ist.
2. Festbettvergaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebs mittel (18) der Schlackeaufbrecheinrichtung (14) ein Drehmittel (20) umfasst, durch das das Stichelement (16) in eine andere Position über der Brennstoffteil chenschüttung in dem Vergaser (2) verdrehbar ist.
3. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Stichelement (16) ein oder mehrerer Zinken (24) umfasst.
4. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der oder die Zinken (24) an einem flachen Querträger (26) montiert sind, und dass das Antriebsmittel (18) so ausgelegt ist, dass auch der flache Quer träger (26) in die Brennstoffteilchenschüttung eindringt.
5. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Festbettvergasern mit größerer Leistung und damit mit einer größeren horizontalen Querschnittsfläche des Festbettvergasers mehrere Schla- ckeaufbrecheinrichtungen (14-1, 14-2) über der Brennstoffteilchenschüttung ange ordnet sind.
6. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) eine Wasserkühlung umfasst.
7. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) wenigstens eine drehbare Walze (102) umfasst, deren Oberfläche mit Zähnen (28) versehen ist.
8. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) als Kegelbrecher (104) ausgebildet ist.
9. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) als Rost (101, 103) ausgebildet ist, der horizontal oder schräg im Vergaserbehälter angeordnet ist.
10. Festbettvergaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rost (101 , 103) mehrere Roststäbe umfasst, die gegeneinander bewegbar sind.
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