DE102006019452B4 - biomass gasifier - Google Patents
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Abstract
Biomassevergaser
zur Pyrolyse oder zur Pyrolyse und Vergasung von Biomasse als Prozess aufweisend
einen Vorreaktor, einen Hauptreaktor und einen Sekundärreaktor,
a)
wobei der Vorreaktor außen
beheizt ist zur Trocknung und zum Vorpyrolysieren der Biomasse sowie
zum Austrag eines Feststoffes und eines Gases in den Hauptreaktor,
b)
wobei im Hauptreaktor die Pyrolyse oder die Pyrolyse und Vergasung
des Feststoffes erfolgt und dieser eine oder mehrere Transportschnecken
aufweist und durch eine außen
angebrachte Heizvorrichtung und mindestens in einem Abschnitt von
innen durch ein oder mehrere langgestreckte Heizelemente in der/den
Seele(n) einer oder mehrerer Transportsclmecke(n) beheizt ist und
der Hauptreaktor und nachfolgend
c) der Sekundärreaktor
sowohl von dem Feststoff, als auch von dem im Prozess entstehenden
Gas jeweils im Gleichstrom durchströmt sind und der Sekundärreaktor
einen höheren
Füllungsgrad
an Feststoff aufweist als der Hauptreaktor.Biomass gasifier for pyrolysis or pyrolysis and gasification of biomass as a process comprising a prereactor, a main reactor and a secondary reactor,
a) wherein the prereactor is heated externally for drying and pre-pyrolyzing the biomass and for discharging a solid and a gas into the main reactor,
b) wherein in the main reactor, the pyrolysis or pyrolysis and gasification of the solid takes place and this has one or more screw conveyor and by an externally mounted heater and at least in a section from the inside by one or more elongated heating elements in the / the soul (s) one or more Transportclmecke (s) is heated and the main reactor and subsequently
c) the secondary reactor is flowed through both the solid, as well as by the resulting gas in the process in each case in the DC flow and the secondary reactor has a higher degree of filling of solid than the main reactor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biomassevergaser zur Pyrolyse oder Pyrolyse und Vergasung von Biomasse. Es dient zur Erzeugung eines Brenngases bzw. Brenngasgemisches.The The present invention relates to a biomass gasifier for pyrolysis or pyrolysis and gasification of biomass. It is used for production a fuel gas or fuel gas mixture.
Biomassevergaser
sind als solche bekannt. Aus der
Bei
der Apparatur nach
Bauelemente
des erfindungsgemäßen Biomassevergasers
sind z.B. aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zu Grunde, einen Biomassevergaser zu schaffen, der sowohl einen höheren Umsatz durch Vergasung erreicht, als auch ein vergleichsweise sauberes Brenngas mit nur geringen Verunreinigungen, insbesondere an Teer, erzeugt, welches ohne weitere Gasreinigung durch Reaktoren oder Wäscher, beispielsweise in einem Verbrennungsmotor, Stirlingmotor oder einer Gasturbine, eingesetzt werden kann.Of the The present invention is based on the object, to create a biomass gasifier that has both higher sales through Gasification achieved, as well as a comparatively clean fuel gas produced with only minor impurities, in particular tar, which without further gas purification by reactors or scrubbers, for example in an internal combustion engine, Stirling engine or a gas turbine, can be used.
Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Biomassevergaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen die ses Biomassevergasers sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachfolgend erläutert.When technical solution This object is achieved with a biomass gasifier the features of claim 1 proposed. Advantageous developments the ses biomass gasifier are the respective dependent claims remove. The invention will be explained below.
Biomasse im Sinne der vorliegenden Erfindung sind u.a. biogene und tierische Abfallprodukte oder industrielle Neben- oder Abfallprodukte aus biogenen Ausgangsstoffen. Insbesondere ist der Prozess für feuchte Biomasse geeignet, wobei in der Biomasse enthaltendes Wasser das Vergasungsmittel darstellt und bei ausreichender Feuchte der Biomasse kein weiteres Vergasungsmittel zugegeben werden muss.biomass For the purposes of the present invention, u.a. biogenic and animal Waste products or industrial by-products or waste products biogenic raw materials. In particular, the process is damp Biomass suitable, wherein contained in the biomass water the Represents gasification agent and sufficient moisture of the biomass no further gasification agent needs to be added.
Das erhältliche Brenngas ist besser zur Nutzung in der Verbrennung in Wärmekraftmaschinen geeignet, als das vergleichbarer bekannter Verfahren, im Weiteren ist das Produkt des Prozesses ein fester kohlenstoffhaltiger Rückstand, der als hochwertiger Brennstoffgeeignet ist.The available Fuel gas is better suited for use in combustion in heat engines, as the comparable known method, hereinafter Product of the process a solid carbonaceous residue, which is suitable as a high quality fuel.
Ein nach der erfindungsgemäßen Lehre ausgeführter Biomassevergaser hat den Vorteil, dass das Gas gemeinsam mit dem Feststoff in einer temperierten Förderleitung ausgetragen wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Austragsleitung über den ganzen Querschnitt mit der Feststoffschüttung gefüllt ist und somit das Gas durch diese Schüttung strömen muss. Durch den intensiven Gas-Feststoffkontakt in dieser Austragsleitung erfolgt die katalysierte Sekundärdegradation der höheren Kohlenwasserstoffe, insbesondere Teere, so dass die Austragsleitung einen Sekundärreaktor darstellt. Dies hat den Vorteil, dass der apparative Aufwand zur Erzeugung eines wirtschaftlich nutzbaren Produktgases gering gehalten werden kann.One according to the teaching of the invention engineered Biomass gasifier has the advantage that the gas together with the Solid is discharged in a temperature-controlled conveying line. It has proved to be advantageous if the discharge via the full cross-section is filled with the solid bed and thus the gas through this pile stream got to. Due to the intensive gas-solid contact in this discharge line the catalyzed secondary degradation occurs the higher hydrocarbons, in particular tars, so that the discharge line is a secondary reactor represents. This has the advantage that the apparatus required for Production of an economically usable product gas kept low can be.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Biomassevergasers besteht darin, dass der Hauptreaktor und ggf. auch der Sekundärreaktor und/oder der Vorreaktor durch ein oder mehrere langgestreckte Heizelemente in der Seele(n) der Transportschnecke(n) den jeweiligen Reaktor zusätzlich zu der Beheizung von außen beheizt/beheizen.One Another advantage of the biomass gasifier according to the invention is in that the main reactor and possibly also the secondary reactor and / or the pre-reactor by one or more elongate heating elements in the soul (s) of the screw conveyor (s) the respective reactor additionally to the heating from the outside heated / heated.
Die Transportschnecke des Hauptreaktors hat eine Misch- und Förderfunktion und kann in Form eines Wendelförderers ausgebildet sein. Der Vorreaktor weist vorzugsweise eine Doppelschnecke und ggf. ein oder zwei langgestreckte Heizelemente in den Seelen der Doppelschnecke auf.The Transport screw of the main reactor has a mixing and conveying function and can be in the form of a spiral conveyor be educated. The prereactor preferably has a twin screw and optionally one or two elongate heating elements in the souls the twin screw on.
Dadurch ist es möglich, dem Prozess mehr Energie zuzuführen, als dieses allein durch die äußere Beheizung möglich ist, und somit kann der durch den höheren Vergassungsumsatz des erfindungsgemäßen Biomassevergasers erhöhte Energiebedarf gedeckt werden, ohne die temperatur der Beheizung anheben zu müssen. Thereby Is it possible, to add more energy to the process as this alone by the external heating possible is, and thus can by the higher Vergassungsumsatz the Biomass gasifier according to the invention increased Energy requirements are met, without raising the temperature of the heating to have to.
Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Biomassevergasers besteht darin, dass die Transportschnecke des Hauptreaktors vorzugsweise Schaufeln aufweist, um die zu vergasenden Massen gegen die Schwerkraft anzuheben und um diese bei weiterlaufender bestimmter Schaufelstellung wieder in das Schüttbett zurückfallen zu lassen. Dadurch wird der Gasfeststoffkontakt deutlich erhöht, so dass die Vergasung besser und intensiver erfolgen kann.Another advantage of the biomass gasifier according to the invention is that the transport screw of the main reactor preferably has blades around the masses to be gasified to raise against gravity and to let them fall back into the bulk bed at a certain running certain blade position. As a result, the gas solid contact is significantly increased, so that the gasification can be done better and more intense.
Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Biomassevergasers besteht darin, dass durch den mit einer Transportschnecke versehenen Sekundärreaktor der Füllungsgrad des Hauptreaktors beeinflusst werden kann, so dass sich am Ende des Hauptreaktors ein Rückstau einstellt und sich dort ein vollständig gefüllter Querschnitt einstellen lässt, so dass dort das Gas durch die Feststoffschüttung strömen muss, was sowohl die Vergasungsreaktionen, als auch die Sekundärdegradation positiv beeinflusst.Yet Another advantage of the biomass gasifier according to the invention is in that by the provided with a screw conveyor secondary reactor the degree of filling of the main reactor can be influenced, so that at the end of the Main reactor a backwater adjusts and there can be set a completely filled cross section, so that there the gas must flow through the solids bed, which is both the gasification reactions, as well as the secondary degradation positively influenced.
Der Sekundärreaktor muss nicht zwangsläufig ein vom Hauptreaktor separater Reaktor sein, sondern Hauptreaktor und Sekundärreaktor können auch zwei Zonen eines Reaktors sein. Der Sekundärreaktor (bzw. die Sekundärreaktorzone) weist einen höheren Füllgrad (vorzugsweise 100 Vol.%) bei niedrigerer Temperatur als der Hauptreaktor (bzw. die Hauptreaktorreaktorzone) auf. Der Hauptreaktor wird stets zuerst von dem Füllgut durchlaufen.Of the secondary reactor does not necessarily have to be a separate reactor from the main reactor, but main reactor and secondary reactor can also be two zones of a reactor. The secondary reactor (or secondary reactor zone) has a higher one filling level (preferably 100 vol.%) at a lower temperature than the main reactor (or the main reactor reactor zone). The main reactor will always be first of the contents run through.
Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Biomassevergasers besteht darin, dass durch den mit einer Transportschnecke versehenen Sekundärreaktor der Füllungsgrad des Hauptreaktors beeinflusst werden kann, so dass sich am Ende des Hauptreaktors ein Rückstau einstellt und sich dort ein vollständig gefüllter Querschnitt einstellt.Yet Another advantage of the biomass gasifier according to the invention is in that by the provided with a screw conveyor secondary reactor the degree of filling of the main reactor can be influenced, so that at the end of the Main reactor a backwater adjusts and there sets a completely filled cross-section.
Die
Pyrolyse/Vergasung der Biomasse im erfindungsgemäßen Biomassevergaser verläuft wie folgt:
Im
erfindungsgemäßen Biomassevergaser
können sämtliche
nachwachsenden Rohstoffe, biogenen Rest- und Abfallstoffe und Mischungen
aus und mit diesen – im
Weiteren auch allgemein als Biomasse bezeichnet – vergast werden, solange diese
in einer schüttfähigen Form
vorliegt. Dabei spielt der Zustand, z.B. die Feuchte oder Korngrößenverteilung der
Biomasse keine Rolle, da der Biomassevergaser auch feuchte und inhomogene
Stoffe sehr gut und wirtschaftlich vergasen kann. Außerdem ist
es möglich,
der Biomasse andere, nicht biogene Stoffe beizumischen. Dies können beispielsweise
Haushaltsabfälle,
Faulschlämme
oder andere reaktionsfähige kohlenstoffhaltige Materialien
sein. Auch eine Verunreinigung der Biomasse mit nichtreaktionsfähigem Material,
wie beispielsweise Metallen, ist bis zu einem Anteil von 20 Masse%,
vorzugsweise 5 Masse%, unschädlich
für die
Vergasung, wenn sie in einer Stückigkeit
anfallen, die für
die Fördereinrichtungen
(Schnecken) unkritisch ist, da diese Materialien nach der Vergasung
der eigentlichen Biomasse wieder ausgetragen werden. In der Praxis
hat sich herausgestellt, dass eine Beimengung von bis zu 40 Masse%,
vorzugsweise bis zu 10 Masse% von zu vergasenden Feststoffen, die
keine nachwachsenden Rohstoffe sind, möglich ist, und dass der Biomassevergaser
dennoch wirtschaftlich betrieben werden kann. Somit können in
dem erfindungsgemäßen Biomassevergaser
auch Stoffe oder Mischungen aus verschiedenen Stoffen als zu vergasende
Feststoffe verwendet werden, die in autothermen oder allothermen
Vergasern nach dem Stand der Technik sowie in Feuerungsanlagen evtl.
nicht als Brennstoff geeignet sind.The pyrolysis / gasification of the biomass in the biomass gasifier according to the invention proceeds as follows:
In the biomass gasifier according to the invention, all renewable raw materials, biogenic residues and waste materials and mixtures thereof and with these - also referred to below generally as biomass - can be gasified, as long as it is present in a pourable form. The state, eg the moisture or particle size distribution of the biomass, does not matter, because the biomass gasifier can also gasify moist and inhomogeneous substances very well and economically. It is also possible to mix biomass with other non-biogenic substances. These may be, for example, household waste, sludges or other reactive carbonaceous materials. Also contamination of the biomass with non-reactive material, such as metals, is up to a level of 20% by weight, preferably 5% by weight, harmless to gasification, if incurred in a piece that is not critical to the conveyors (screws), since these materials are discharged again after the gasification of the actual biomass. In practice, it has been found that an admixture of up to 40% by weight, preferably up to 10% by weight of solids to be gasified, which are not renewable raw materials, is possible, and that the biomass gasifier can still be operated economically. Thus, in the biomass gasifier according to the invention, it is also possible to use substances or mixtures of various substances as solids to be gasified, which may not be suitable as fuel in autothermal or allothermal gasifiers according to the prior art and in combustion plants.
Der
erfindungsgemäße Biomassevergaser wird
weiter beispielhaft erläutert
durch die beigefügte
Die schüttgutfähige Biomasse wird in einem Bunker, Silo, oder Vorlagebehälter zwischengelagert und über die Restenergie im Rauchgas beheizt. Die vorbeheizte Biomasse wird über eine Schleuse und Fördereinrichtung in einen Vorreaktor gegeben. Im Vorreaktor findet vorzugsweise eine Trocknung, Entgasung und Pyrolyse statt. Der Vorreaktor wird durch das aus dem Hauptreaktors austretende Rauchgas mit Temperaturen von 700°C bis 500°C (eintretend) und 300°C bis 200°C (austretend) beheizt.The Bulk biomass is stored in a bunker, silo, or storage tank and over the Remaining energy in the flue gas heated. The pre-heated biomass is over a Lock and conveyor placed in a prereactor. In the pre-reactor is preferably a Drying, degassing and pyrolysis take place. The prereactor is replaced by the emerging from the main reactor flue gas with temperatures of 700 ° C to 500 ° C (entering) and 300 ° C to 200 ° C (exiting) heated.
Der Hauptreaktor wird über eine Heizvorrichtung beheizt, so dass sich im Hauptreaktor eine heiße Reaktionszone ausbildet, in der Temperaturen von 700°C bis 950°C, vorzugsweise etwa 825°C, vorherrschen. In dem Hauptreaktor liegt eine durch einen Motor angetriebene und von innen durch eine zusätzliche Heizvorrichtung beheizte Transport- und Mischschnecke, die den zu vergasenden Feststoff axial durch den Hauptreaktor transportiert und mischt.Of the Main reactor is over heated a heater so that in the main reactor a name is Reaction zone forms, in the temperatures of 700 ° C to 950 ° C, preferably about 825 ° C, prevalence. In the main reactor is a driven by a motor and from the inside by an additional Heater heated transport and mixing screw, which the gasifying solid transported axially through the main reactor and mixes.
Im Hauptreaktor findet eine Pyrolyse des zu vergasenden Feststoffes (teilumgewandelte Biomasse) statt, bei der sich verschiedene gasförmige und kondensierbare Stoffe und ein festes im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehendes Pyrolysat bilden. Dieses läuft vorzugsweise ohne Zugabe von Luft oder Sauerstoff ab. Des Weiteren findet die Vergasung des Pyrolysats mit Wasser(dampf) aus der Trocknung und der Pyrolyse des zu vergasenden Feststoffes und mit Kohlendioxid aus der Pyrolyse des zu vergasenden Feststoffes statt.in the Main reactor finds a pyrolysis of the gasified solid (partially converted biomass), in which different gaseous and condensable Substances and a solid consisting essentially of carbon Pyrolysate form. This is running preferably without addition of air or oxygen. Furthermore the gasification of the pyrolyzate with water (steam) takes place from the drying and the pyrolysis of the solid to be gasified and with carbon dioxide from the pyrolysis of the gasified solid instead.
Am Ende des Hauptreaktors schließt sich der auf z.B. 600°C bis 850°C, vorzugsweise 800°C, temperierte Sekundärreaktor an, durch den mittels einer Fördervorrichtung, z. B. Transportschnecke, der Restkohlenstaub mit einem Füllungsgrad von 80 Vol.% bis 100 Vol.%, vorzugsweise 100 Vol.%, transportiert wird, durch den das Gas strömt.At the End of the main reactor closes which is at e.g. 600 ° C up to 850 ° C, preferably 800 ° C, tempered secondary reactor by, by means of a conveyor, z. B. screw conveyor, the residual coal dust with a degree of filling from 80% by volume to 100% by volume, preferably 100% by volume becomes, through which the gas flows.
Im Anschluss an den Sekundärreaktor werden Gas und Feststoff getrennt und ihrer weiteren Verwendung zugeführt.in the Connection to the secondary reactor gas and solid are separated and their further use fed.
Aufgrund der Tatsache, dass der Sekundärreaktor temperiert wird, erfolgt eine Sekundärdegradation der längerkettigen Kohlenwasserstoffe, z.B. Teer, des Produktgases innerhalb des Sekundärreaktors, so dass das fertige Produktgas fast keine Verunreinigungen und nur sehr wenig Teer aufweist. Dieses Produktgas kann nach Filterung ohne weitere Nachbehandlung in Reaktoren oder Wäschern zum Beispiel in einem Verbrennungsmotor genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Der ausgetragene Reststoff kann ggf. verwendet werden, um die Heizvorrichtung zu betreiben. Alternativ, oder falls ein Überschuss vorhanden ist, kann der Reststoff als Brenn- oder Wertstoff anderweitig wirtschaftlich genutzt werden.by virtue of the fact that the secondary reactor is tempered, there is a secondary degradation of the longer-chain Hydrocarbons, e.g. Tar, the product gas within the secondary reactor, so the finished product gas almost no impurities and only has very little tar. This product gas can be filtered after without further treatment in reactors or scrubbers, for example in one Internal combustion engine can be used to generate electricity. The discharged Residual material may optionally be used to heat the heater operate. Alternatively, or if there is an excess, can the residue as fuel or otherwise economically be used.
Am Anschluss an den Sekundärreaktor werden austretendes Gas und Feststoff getrennt. Das Gas wird anschließend einer Heißgasentstaubung zugeführt und der Kohlenstaub und die Asche werden zur Heißgasherstellung nutzbar gemacht.At the Connection to the secondary reactor escaping gas and solid are separated. The gas then becomes one Hot gas dedusting fed and the pulverized coal and the ash are used for hot gas production.
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