DE102004030368A1

DE102004030368A1 - Kontinuerlich arbeitender Gleichstrom-Festbettvergaser für Festbrennstoffe mit Mantelrohrwärmetauscher

Info

Publication number: DE102004030368A1
Application number: DE200410030368
Authority: DE
Inventors: Hans Walter Kirchner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kontinuierlich arbeitenden Gleichstrom-Festbettvergaser mit vorgeschaltetem Mantelrohrwärmetauscher zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen, insbesondere Holz. DOLLAR A Bei Gleichstromvergasern ist eine hohe Vergasungstemperatur erforderlich, um möglichst geringe Teerkonzentrationen für die Weiterverwendung des Brenngases zu erhalten. Diese Vergasungstemperatur wird durch Energiezufuhr aus der Teilverbrennung des Brenngases gewonnen, was eine Minderung der Qualität des Brenngases im Hinblick auf Brennwert und Zusammensetzung zur Folge hat. DOLLAR A Setzt man nun als Festbettvergaser ein Unterschubreaktor ein, in den die Zufuhr des Festbrennstoffs mittels einer Transportschnecke erfolgt, die auf dem Weg von der Brennstoffzuführung zum Festbettvergaser einen Mantelrohrwärmetauscher durchläuft, erreicht man neben der erforderlichen Kühlung des Brenngases eine Wärmezufuhr zum Brennstoff. DOLLAR A Die hier beschriebene Erfindung stellt eine Verbesserung der üblichen Gleichstromvergaser dar, da die benötigte Energie zur Erwärmung des Brennstoffs und zur Pyrolyse aus der bislang nicht genutzten Brenngaswärme der Gleichstromvergasung gewonnen wird, wodurch der Brennwert ansteigt und die Zusammensetzung im Hinblick auf die Verwendung in Gasmotoren verbessert wird.

Description

Bei Vergasung fester Brennstoffe ist vor der eigentlichen Vergasung der festen Brennstoffe, welche innerhalb von 700°C bis 1200°C erfolgt, zunächst eine Erwärmung des Brennstoffs erforderlich. Dabei werden zwei Teilschritte durchlaufen und zwar zunächst die Trocknung der Festbrennstoffe, die bei etwa 170°C abgeschlossen ist und danach die Pyrolyse, die zwischen 400°C bis 600°C erfolgt. Die Trocknung ist vollständig endotherm, und auch der Vergasungsprozess, der sich aus endothermen und exothermen Reaktionen zusammensetzt, ist in der Summe endotherm. Lediglich der Vorgang der Pyrolyse ist im diesbezüglich neutral bis schwach exotherm. Für den Gesamtprozess der Vergasung ist daher Wärme zuzuführen, die typischerweise aus der Teilverbrennung (unterstöchiometrische Verbrennung) des zu vergasenden Brennstoffes gewonnen wird.

Um diese Teilverbrennung zu optimieren bietet es sich an, die in den heißen Brenngasen bei 700° bis 1.200°C enthaltene Wärme für die ersten Teilschritte Trocknung und Pyrolyse zu nutzen. Dies geschieht häufig in den so genannten Gegenstromvergasern. Bei der Gegenstromvergasung wird das erzeugte heiße Brenngas über den in der Trocknungs- und Pyrolysephase befindlichen Brennstoff geführt. Das Verfahren hat den erheblichen Nachteil, dass Teerverbindungen, welche in der Pyrolysezone entstehen, in hohen Konzentrationen von etwa 10–100 g/Nm³ das Brenngas belasten. Um z. B. eine motorische Nutzung des Brenngases zu ermöglichen, die einen geringen Teergehalt von < 50 mg/Nm³ voraussetzt, ist bei Gegenstromvergasung eine aufwendige Nachbehandlung des Brenngases erforderlich. Hingegen ist bekannt, dass im Gleichstromvergaser durch eine geeignete Zuführung des Vergasungsmittels eine Verbrennung der Schwelprodukte (Pyrolyseprodukte) erzielt werden kann, so dass auch bei Einsatz von Biomasse als Festbrennstoff die bei der weiteren Verwertung der Brenngase störenden Teerdämpfe auf weniger als 0,1 % des Brennstoffeinsatzes verringert werden können. (Prof. Dr. H. Selzer „Unterschied der Biomassevergasung zur Kohlevergasung" Dokumentation der ZIRP – Fachtagung Holzvergasung, 13. Februar 1997 Bingen). Dies entspricht einem Teergehalt im Rohgas von unter 500 mg/Nm³. Nachteilig beim Gleichstromvergaser ist, dass er konventionell, das heißt ohne Wärmerückgewinnung, einen höheren Anteil des Brennstoffs für die Vergasung verbraucht, durch den höheren Anteil an Verbrennungsprodukten und den höheren Anteil an Stickstoff, der mit der größeren Verbrennungsluftmenge eingetragen wird, das Brenngas stärker verdünnt ist und einen niedrigeren Heizwert hat.

Dieser Nachteil der Gleichstromvergasung wird durch den im Patentanspruch 1 aufgeführten Einsatz des vorgeschalteten Mantelrohrwärmetauschers gelöst.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, dass die benötigte Wärme für die Verdampfung des im Brennstoff enthaltenen Wassers, die Erwärmung des Brennstoffs und die Pyrolyse aus der bislang bei der Gleichstromvergasung nicht genutzten Wärme des Brenngases gewonnen wird. Gegenüber der Vergasung ohne Wärmerückgewinnung wird ein erheblich kleinerer Teil des Brennstoffes für die Teilverbrennung zur Zufuhr der erforderlichen Wärme benötigt.

Die geringere Teilverbrennung hat neben dem geringeren Energieverbrauch als zweite positive Auswirkung zur Folge, dass durch die geringere Zufuhr an Verbrennungsluft die Verdünnung des Brenngases durch Stickstoff – N₂ ist zu 78 % in der Verbrennungsluft enthalten – reduziert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Als Festbettvergaser wird eine Unterschubfeuerung eingesetzt, die in der Art der Brennstoffzufuhr der bekannten Bauart im Bereich der Holzhackschnitzel- bzw. Pelletfeuerung entspricht. Im Gegensatz zur Verbrennung in einer Kesselanlage arbeitet der Gleichstromfestbettvergaser in unterstöchiometrischem Betrieb, das heißt es wird immer nur eine so große Teilmenge des Brennstoffs verbrannt, wie es der erforderlichen Wärmezufuhr zum Erreichen der Vergasungstemperatur des Festbrennstoffs entspricht.

Die Größe der verbrannten Teilmenge wird durch stufenlose Regelung der zugeführten Verbrennungsluft dem jeweiligen Bedarf angepasst. Die Zufuhr des Festbrennstoffs erfolgt mittels einer Transportschnecke, die auf dem Weg von der Brennstoffzuführung zum Festbettvergaser einen Mantelrohrwärmetauscher durchläuft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben:
Zeichnung: Schema des Festbettvergasers mit Mantelrohrwärmetauscher
Die Zufuhr des Brennstoffs zum Reaktor (in Form von Holzhackschnitzeln) wird wie in 1 dargestellt über eine mehrere Meter lange Schnecke realisiert. Im Bereich vor dem Reaktor wird die Ummantelung der Brennstoffschnecke von einem zusätzlichen Mantelrohr umgeben, durch welches sich das im Reaktor erzeugte Brenngas im Gegenstrom bewegt. Während die Holzhackschnitzel mit einer Temperatur von etwa 30°C der Brennstoffschnecke zugeführt werden, erreicht das Brenngas am Eintritt des Mantelrohrwärmetauschers Temperaturen von 700°C bis 1200°C. Der dadurch auftretende hohe Temperaturgradient bewirkt einen Wärmeübergang zum Brennstoff, so dass dieser auf Temperaturen von 200°C bis 400°C aufgeheizt wird. Damit wird Trocknung und Pyrolyse des Brennstoffs in der Schnecke ermöglicht. Der Gasstrom wird nach dem Wärmetauscher zur Weiterverarbeitung gekühlt. Der nun koksartige Brennstoff erreicht den Vergaser mit Hilfe der Brennstoffschnecke. Da der Reaktor mit geregeltem Unterdruck (50 bis 100 mbar gegen Normaldruck) gefahren wird, ist eine geregelte Reaktorzufuhr der während der Pyrolyse im Schneckenrohr entgasten Bestandteile möglich.

Claims

Kontinuierlich arbeitender Gleichstrom-Festbettvergaser für Festbrennstoffe, insbesondere aus Holz, mit vorgeschaltetem Mantelrohrwärmetauscher zur Erzeugung eines Brenngases, dadurch gekennzeichnet dass dem Festbettvergaser für Festbrennstoffe ein Mantelrohrwärmetauscher vorgeschaltet wird, der einen Teil der in dem heißen Brenngas enthaltenen Enthalpie (Wärme) zur Verdampfung des im Festbrennstoff enthaltenen Wasseranteils und zur Pyrolyse nutzt.
Festbettvergaser nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Festbettvergaser ein Unterschubreaktor eingesetzt wird, in den die Zufuhr des Festbrennstoffs mittels einer Transportschnecke erfolgt, die auf dem Weg von der Brennstoffzuführung zum Festbettvergaser einen Mantelrohrwärmetauscher durchläuft. Die Vergasungstemperatur im Reaktor wir dabei durch stufenlose Regelung der Verbrennungsluftzufuhr konstant gehalten wird.