DE102007002895B4

DE102007002895B4 - Vorrichtung zur Holzvergasung

Info

Publication number: DE102007002895B4
Application number: DE102007002895.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: ATHMANN, UWE, DE; KUHLES, ALFONS, DE
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: DE102007002895A1

Abstract

Vorrichtung zur Holzvergasung mit einem einen feuerfesten Mantel (112) aufweisenden Gaserzeuger (100), einem Gaskühler und einem einen Hochleistungsgaswäscher aufweisenden Gasreiniger, wobei zur Gruppe der Hochleistungsgaswäscher zumindest ein Rotationswäscher (400), der zumindest einstufig ist, ein Venturiwäscher (410) mit fester oder verstellbarer Kehle und einschließlich Multiventuriwäscher (420) und ein Bayer-Reither-Wäscher (420) gehören, dadurch gekennzeichnet, dass durch Löcher im feuerfesten Mantel (112) hindurchragende, sich oberhalb eines Bereichs eines geringsten Durchmessers befindende, radial angeordnete Düsen (120) vorgesehen sind, wobei die radial angeordneten Düsen (120) ein metallisches Doppelmantelrohr aufweisen, das einen Innenraum hat, und in dem Innenraum ein Wärmeleitmedium (125) vorgesehen ist, das ein besseres Wärmeleitvermögen als das Material des Doppelmantelrohres aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Holzvergasung mit einem Gaserzeuger, einem Gaskühler und einem Gasreiniger. Sie bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe, insbesondere Holz und zur Erzeugung mechanischer, elektrischer und/oder thermischer Energie mit derartigem Gas. Ausgegangen wird dabei von einem Gaserzeuger, wie er durch Imbert entwickelt geworden ist und beispielsweise aus CH 228 879 A und FR 765 369 A 369 bekannt ist. Es handelt sich dabei um einen Gaserzeuger mit absteigender Vergasung, vorzugsweise zur Vergasung teerbildender Stoffe, mit einem Schachthohlraum, der sich im Wesentlichen diaboloförmig verjüngt, also eine Einschnürung aufweist.
Die CH 226 879 A offenbart einen mit absteigender Vergasung arbeitenden Gaserzeuger mit einem an eine Verjüngung des Schachtes angeschlossenen und in den Schachthohlraum hineinragenden Fortsatz, dessen Durchgangsquerschnitte sich von der Schachtverjüngung ab verengen und von einer hierdurch gebildeten Einschnürung ab unter diaboloförmiger Ausbildung des Fortsatzes erweitern, wobei die Luftzuführung in Höhe der Einschnürung des Fortsatzes erfolgt.
Die FR 765 369 A offenbart einen zylindrischen Gaserzeugerofen, der mit dem Trichter des Beschickungsschachtes für Gaserzeuger ohne Rost und mit umgekehrter Verbrennung verbunden ist, wobei zur vollständigen Zerstörung der teerhaltigen Substanzen, die in den durch eine hohe Temperatur erzeugten Gasen enthalten sind, der Ofen unmittelbar unter dem Vergasungslufteinlass eine Verengung aufweist, die von zwei kegelstumpfförmigen Wänden mit einer kleinen gemeinsamen Basis gebildet und durch den Verbrennungskegel geschnitten wird.
Die DE 201 09 084 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aus einem kohlestoffhaltigen Ausgangsstoff mit einer Zufuhreinheit zur Zufuhr des Ausgangsstoffs zu einem Reaktor, wobei der Reaktor wenigstens eine Oxidationszone zur Oxidation des Ausgangsstoffes und eine Reduktionszone zur Reduktion wenigstens eines Zwischenprodukts der Oxidation umfasst, wobei die Zufuhreinheit in horizontaler Richtung seitlich am Reaktor angeordnet ist.
Die CH 226 887 A offenbart einen Gaserzeuger zum Betrieb mit Holz, Holzkohle oder dergleichen, mit absteigender Vergasung und einem gegenüber dem Herdstutzen pendelnd angeordneten Feuerkorb, wobei der Feuerkorb mittels Zugorganen aufgehängt ist.
Die CH 631 738 A5 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Holzgas als Motorentreibstoff nach dem kombinierten Generatorgas- und Wassergasprozess mittels Luft und/oder Wasserdampf und/oder Teerdampf, wobei die fühlbare Wärme des erzeugten Gases zur Vorwärmung der Verbrennungsluft benutzt wird, die Gaserzeugung unter gegenüber der Atmosphäre erhöhtem Druck in einer Zone glühenden Kohlenstoffes derart durchgeführt wird, dass bei Dauerbetrieb im Wesentlichen ein Luft-Generatorgas erzeugt und nur zeitweise oder kein Wasserdampf in die Zone glühenden Kohlenstoffs eingeblasen wird und bei erhöhter Leistungsanforderung unter Ausnutzung der Wärmekapazität der gesamten Glühzone in der Herdpartie zusätzlich zur normalen Verbrennungsluft Wasserdampf und/oder Teerdampf in die Zone des glühenden Kohlenstoffs eingeblasen wird.
Die EP 0 839 893 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von teerfreiem, kaltem Schwelgas wobei Holzbriketts durch eine Umlenkschleuse automatisch beschickt werden können und sich eine Sicherheitsklappe, auch bei Stromausfall, selbsttätig schließt.
Die DE 101 49 649 A1 offenbart ein Verfahren zur hocheffizienten Stromerzeugung aus Biomassen oder sonstigen kohlenstoffhaltigen Rohstoffen, mittels welchem Prozessgas aus einem allothermen Vergaser in mehreren Stufen abgekühlt und gewaschen wird, wobei anschließend ein Teil des Prozessgases in Brennern zum indirekten Erwärmen eines Wirbelbettes in einem allothermen Vergaser verbrannt wird. Der übrige Teil des Gases wird in Verbrennungsmotoren verbrannt bzw. elektro-chemisch verwertet, wobei die Abgase der Verbrennungsmotoren und der Brenner in einen Abhitzekessel zur Dampferzeugung geleitet werden, welche eine ein- oder mehrstufige Kondensationsdampfturbine antreibt.
Holzgasgeneratoren sind für den mobilen Einsatz seit langem bekannt und wurden im zweiten Weltkrieg vielfach eingesetzt, wobei sich das Imbert-Prinzip der absteigenden Gleichstromvergasung mit Herdeinschnürung durchgesetzt hat. Die Erfindung richtet sich im Wesentlichen auf stationäre Anlagen, sie schließt aber mobile Anlagen nicht aus. Für den mobilen Einsatz müssen die Anlagen vor allem klein, leicht und einfach ausgeführt sein, wodurch viele Kompromisse gemacht werden müssen. Die historischen Anlagen waren sehr wartungsintensiv, üblicherweise war nach einem Arbeitstag eine gründliche Reinigung, vor allem der Ansaugkanäle der Motoren, notwendig, da das Gas nur mangelhaft gesäubert wurde. Das Wartungsintervall der alten Imbert-Anlagen beträgt typischerweise 1 bis 2 Volllaststunden.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein deutlich längeres Wartungsintervall, beispielsweise mindestens 100 bis 200 Volllaststunden, zu erreichen. Ungefähr linear zu den Betriebsstunden steigen auch die erzeugten Mengen an Asche und Schlacke, sodass auch insoweit eine Modifikation des ursprünglichen Imbert-Vergasers unerlässlich ist. Zusätzliche Weiterentwicklungen resultieren aus der Forderung nach einem möglichst vollautomatischen Betrieb.
Die Erfindung hat das Ziel, die Gasreinigung deutlich zu verbessern. Sie hat erkannt, dass gerade im Bereich der Gasreinigung ein Nachteil der historischen Imbert-Anlagen liegt. Die Erfindung hat aber auch die Verbesserung des eigentlichen Gaserzeugers nach Imbert zum Ziel, wobei die Geometrie des eigentlichen Imbert-Gaserzeugers weitgehend beibehalten wird. Es werden Verbesserungen des Imbert-Gaserzeugers angestrebt, die die höheren Wartungsintervalle erreichbar machen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Holzvergasung der eingangs genannten Art hinsichtlich des Gaserzeugers und/oder des Gasreinigers so weiterzubilden, dass längere Wartungsintervalle möglich sind und ein weitgehend automatisierter Betrieb erreichbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Holzvergasung gemäß Patentanspruch 1, durch welchen der Schutzumfang des vorliegenden Patents definiert wird. Der Gasreiniger weist einen Hochleistungsgaswäscher auf, wobei die Gruppe der Hochleistungsgaswäscher einen Rotationswäscher, der zumindest einstufig ist, einen Venturiwäscher mit fester oder verstellbarer Kehle und einschließlich Multiventuriwäscher und einen Bayer-Reither-Wäscher umfasst. Zu diesen Hochleistungsgaswäschern wird auf Hersteller wie Lufttechnik Bayreuth (siehe www.ltb.de) und Mikropul (siehe wwww.mikropul.de, dort Mikro-vane Zyklonwäscher LPS, Dynamikwäscher DS, Multiventuriwäscher MVS, Waschturm MAW) verwiesen.
Erfindungsgemäß werden Nassentstauber, also nassarbeitende Gasreinigungsverfahren eingesetzt. Trockenfilternde Gasreinigungsverfahren sind für die Holzgasreinigung problematische, da bei Taupunktunterschreitung Teer in den Filtermedien kondensiert und diese verklebt. Die darauf anhaftende Staubschicht, die sich sehr schwer entfernen lässt, führt meist zur Unbrauchbarkeit des Filters. Nasse Gasreinigungsverfahren sind dagegen unempfindlicher gegen staub- und teerbeladene Heizgase und führen zu sehr guten Reinigungsergebnissen. Die Erfindung schlägt daher Hochleistungsgaswäscher vor, die nass arbeiten und zu denen Rotationswäscher, welche zumindest einstufig sind, Venturiwäscher unterschiedlicher Bauart und der Bayer-Reither-Wäscher gehören. Mit diesen wird eine hochwertige Reinigung des Holzgases erreicht, sodass die nachgeschalteten Vorrichtungen, insbesondere ein Gasmotor, mit deutlich geringeren Gasverunreinigungen belastet werden als bisher.
Vorzugsweise ist dem Hochleistungsgaswäscher eine Vorrichtung zur Abscheidung der Waschwassertröpfchen nachgeschaltet. Sie ermöglicht eine Aufbereitung des Waschwassers für einen Kreislaufbetrieb sowie eine Entsorgung von ausgeschleustem Waschwasser. Die Anforderungen für den kontinuierlichen Betrieb werden von ihr erfüllt.
Vorzugsweise liegt der vorliegenden Erfindung eine Kombination aus einem verbesserten Gaserzeuger nach dem Imbert-Prinzip und einem nass arbeitenden Gasreiniger vom Typ Hochleistungsgaswäscher zugrunde.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den sonstigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu vorstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

1: eine prinzipielle, im Wesentlichen als Schnittbild ausgeführte Seitenansicht eines Gaserzeugers nach dem Imbert-Prinzip und entsprechend der Erfindung,
2: eine prinzipielle Darstellung einer kompletten Vorrichtung zur Holzvergasung mit schematisch gargestellten Bauteilen Gaserzeuger, Gaskühler und Gasreiniger sowie einen nachgeschalteten Motor mit Zubehör,
3: ein Detail aus einer Darstellung entsprechend 1 in Form eines Schnittbildes und für den vorderen Bereich von Düsen mit ihrer unmittelbaren Umgebung,
4: eine Darstellung wie 3, jedoch in einer anderen Ausführung für die Montage der Düsen an einem Gehäuse,
5: ein Schnittbild wie 3 für eine andere Ausbildung der Düsen,
6: ein Schnittbild wie 5, jedoch in einer anderen Ausführung,
7: ein Schnittbild wie 5, nun mit zusätzlicher Verwirbelung der einströmenden Luft,
8: ein Schnittbild wie 5, nun mit zusätzlicher mechanischer Reinigungsvorrichtung,
9: eine Darstellung wie 8, jedoch mit einer pneumatisch arbeitenden Reinigungsvorrichtung und zusätzlich mit einer optischen Erfassung und
10: eine Darstellung wie 5 für eine Düse, bei der das Außenrohr das Innenrohr übergreift.

In 1 ist der Gaserzeuger 100 schematisch dargestellt, er wird auch Holzvergaser genannt, er ist in 2 zudem schematisch innerhalb der Gesamtvorrichtung gezeigt. Er hat ein gasdichtes Gehäuse 99, das im Wesentlichen aus zwei Rohren, von denen das untere abgeschrägt ist, gebildet wird. Das gasdichte Gehäuse 99 hat ein oberes Außenrohr 113 und ein unteres Ascheaustragsgehäuse 116. Im Betrieb befindet sich leichter Unterdruck im gasdichten Gehäuse. Von oben wird entsprechend einem Pfeil 101 Brennstoff in Form von Holzhackschnitzel zugegeben, Holzhackschnitzel sind größenmäßig nach unten begrenzt durch Sägemehl, das nicht in Holzhackschnitzeln enthalten ist, zudem sind in Holzhackschnitzel keine langen Spleiße enthalten. Holzhackschnitzel sind im Wesentlichen erbsengroße bis faustgroße Holzstücke, auch Pellets.
Der Brennstoff wird in ein konisches Rohr 110 von oben eingegeben, dieses konische Rohr befindet sich innerhalb des gasdichten Gehäuses 99 und ist ein Teil des eigentlichen Vergasungsraumes. Da sich das Rohr 110 nach unten hin konisch erweitert, ist ausgeschlossen, dass sich irgendwelche Brücken bilden oder Holzstücke verkeilen können. Bei dem ursprünglichen Imbert-Holzvergaser ist der entsprechende Bereich rein zylindrisch.
Unterhalb des Rohres 110 befindet sich ein zylindrisches Rohr 111, das mit dem konischen Rohr 110 verbunden ist. Im zylindrischen Rohr 111 befindet sich ein feuerfester Mantel bzw. Betonkern 112 besonderer Formgebung entsprechend dem Imbert-Prinzip. Das zylindrische Rohr 111 ist nach unten durch eine Bodenplatte 117 abgeschlossen, die eine Ringscheibe ist. Auf dieser ruht der feuerfeste Mantel 112, er kann aus seiner Metallummantelung 111, 117 entnommen werden, beispielsweise durch Entfernen des konischen Rohres 110, Öffnen des zylindrischen Rohres 111 oder Entfernen der Bodenplatte 117. Der feuerfeste Mantel 112 hat, wie beispielsweise 3 zeigt, gegenüber dem zylindrischen Rohr 111 ausreichend Spiel für thermische Ausdehnung. Innerhalb des feuerfesten Mantels 112 befinden sich die Oxidations- und Reduktionszonen 108. Die Teile 110, 111, 112 und 117 bilden den eigentlichen Vergasungsraum. Sie sind zumindest in ihrem Innenraum rotationssymmetrisch zu einer zentralen Achse 98, die vertikal verläuft.
Ausgehend vom unteren Ende des konischen Rohrs 110 wird nach unten der Querschnitt des Innenraums des eigentlichen Vergasungsraumes enger. Die Verengung erfolgt im Bereich des feuerfesten Mantels 112. Alle Querschnittsverengung verlaufen stark abgerundet. Die Querschnittsverengung führt zunächst bis zu einer Engstelle bzw. bis zu einem Bereich geringsten Innendurchmessers 97, von da ab erfolgt wieder eine Aufweitung und nach unten hin eine untere Verengung bis nahezu auf den Durchmesser der Engstelle 97.
Etwas oberhalb der Engstelle 97 sind im feuerfesten Mantel 112 mehrere, radial nach innen weisende Bohrungen vorgesehen, beispielsweise sieben Bohrungen, die gleich verteilt sind. In ihnen sind Düsen 120 angeordnet. Über sie wird Luft entsprechend dem Pfeil 104 zugeführt. Zusätzlich kann Luft von unten in das Ascheaustragsgehäuse 116 und entsprechend dem Pfeil 105 zugeführt werden für eine Doppelfeuerfahrweise für einen besseren Ausbrand der Asche. Die Luftzufuhr erfolgt zentral entsprechend dem Pfeil 103. Es ist eine zentrale Absperrung durch ein Ventil vorgesehen. Weiterhin ist für jede einzelne Düse 120 ein Ventil 120a zur individuellen Absperrung vorgesehen.
Durch die Düsen 120 gelangt die Luft in die Oxidationszone, wo sie den Verbrennungsprozess unterhält. Durch die Wärmeeinwirkung entgast das Holz in der darüberliegenden Pyrolysezone. Das Pyrolysegas wird zusammen mit dem CO₂ der Holzverbrennung nach unten in die Reduktionszone 108 gesaugt, wo das eigentliche Holzgas in mehreren chemischen Gleichgewichtsreaktionen erzeugt wird.
Das Holzgas, hauptsächlich CO und H₂, tritt unterhalb der Reduktionszone durch einen umlaufenden Gasaustrittspalt 145 in das Außenrohr 113. Es hat sich gezeigt, dass dieser Ringspalt sehr vorteilhaft ist, er trennt die Flussrichtung von Gas und Asche. Dadurch ist die Vorrichtung deutlich beständiger gegen Verstopfungen bei großen Mengen von Schlacke, Verunreinigungen usw. verglichen mit dem ursprünglichen Imbert-Gaserzeuger, der unterhalb der Reduktionszone einen Rost vorsieht.
Das aus dem Gasaustrittsspalt 145 austretende Gas steigt innerhalb des Außenrohres 113 nach oben und gibt auf seinem Weg zum Gasaustritt 106 einen Teil seiner Wärme an die Bauteile des eigentlichen Vergasungsraumes ab. Die Wärmeabgabe an das gasdichte Gehäuse kann dadurch verringert werden, dass letzteres wärmegedämmt ist. Durch die übertragene Wärme wird der im Vergasungsprozess des Holzes unterstützt. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf das konische Rohr 110 sind in Höhe der Pyrolysezone Wärmeleitprofile 140 angebracht, die die Wärme des Gases zum Teil über die Oberfläche des konischen Rohres 110 an den Brennstoff abgeben. Durch Variation des Winkels der Wärmeleitprofile wird die Gasströmung in Richtung Gasaustritt 106 beeinflusst, hierzu wird auch auf die DE 698 16 033 T2 verwiesen.
Die verbrannte und entgaste Holzkohlenasche tritt unterhalb der Reduktionszone aus und gelangt zu einem pyramidal ausgebildeten Rost 130, der Teil des Austragteils ist. Auf diesem Rost 130 werden Holzkohlenreste unter Zugabe von Luft von unten durch die Doppelfeuerdüse 105 vollständig zu Asche umgesetzt. Der Rost wird bei Bedarf über eine Welle 132, die über eine Stopfbuchsenpackung gelagert von einem Getriebemotor 134 angetrieben ist, bewegt. Wird der Rost gedreht, so bewegt sich auch ein Kratzer 131, der den Gasaustrittspalt reinigt. Die Gasaustrittstemperatur aus der Reduktionszone ist eine wichtige Regelgröße und ermöglicht eine Störfallerkennung im automatischen Getriebe. Es ist ein Temperaturfühler 105 vorgesehen, der beispielsweise die Temperatur an der Bodenplatte 117 misst. Jedenfalls ist er im Bereich des Gasaustrittsspaltes 145 aktiv.
Da die Temperaturen in der Oxidations- und Reduktionszone besonders hoch sind, sie betragen bis 1300° C, werden hohe Anforderungen an das Material gestellt. Der feuerfeste Mantel 112, der die Form eines separaten Einsatzes hat, ist aus Feuerzement gefertigt und für die entsprechenden Temperaturen ausgelegt. Durch seine spezielle Geometrie im Innenraum werden die Temperaturprofile und Verweilzeiten bestimmt und damit die Holzgasbildung maßgeblich beeinflusst.
Auch die Anforderungen an die Verbrennungsdüsen 120 sind hoch, da gerade an ihrem innseitigen Ende die höchsten Temperaturen auftreten und zudem eine sauerstoffhaltige Atmosphäre vorliegt. Im Ausführungsbeispiel sind die Düsen 120 als Doppelmantelrohre aus Stahl gefertigt. Damit der Stahl nicht verbrennt, ist eine intensive Wärmeabfuhr bzw. Kühlung erforderlich. Hierzu befindet sich im Innenraum der Doppelmantelrohre ein Material mit möglichst guter Wärmeleitung, beispielsweise ein Metall wie Kupfer, Silber usw.. Insbesondere kann aber auch auf Natriumkühlung, wie sie bei Ventilen von Brennkraftmaschinen bekannt ist, zurückgegriffen werden.
Der Innenaufbau der Düsen ist schematisch aus den 3 bis 5 ersichtlich. Die Düse 120 besteht aus einem äußeren Stahlrohr 123 und einem inneren Stahlrohr 124 und optional 124a und schließt mit einer Frontpartie 122 aus Stahl in Form einer Schweißnaht, einer Scheibe oder dergleichen zum Verbrennungsraum hin ab. Alle Bauteile sind miteinander verschweißt. Der Innenraum ist mit dem Wärmeleitmaterial 105 ausgefüllt, das die Wärme von der inneren Düsenöffnung 121 nach außen ableitet. Die 5 und 6 zeigen Variationen des Düsenaufbaus mit anders ausgestaltetem Wärmeübergang. Gemäß 4 erstreckt sich das Innenrohr 124 nicht über die volle Düsenlänge und ist ein direkter Kontakt mit dem Wärmeleitmaterial 125, beispielsweise Kupfer, für die nachströmende Verbrennungsluft möglich. 5 zeigt einen Düsenaufbau mit sich verjüngendem Innendurchmesser, während der Innendurchmesser in 6 konstant ist. Zur zusätzlichen Verbesserung des Wärmeüberganges können, wie in 7 schematisch dargestellt, Turbulatoren 136 im Inneren der Düse 120 für turbulente Strömungseigenschaften sorgen. Diese Turbulatoren können fest mit dem Düsenkörper verbunden sein oder lose eingesetzt werden, wobei eine Sicherung gegen ein Herausrutschen notwendig ist.
Zur Wartung der Düsen 120 können diese von außen gereinigt und/oder komplett demontiert werden. Zur Reinigung kann in einer ersten Ausführung eine Reinigungsstange 137 von einem Stellmotor 138, beispielsweise einem Pneumatikzylinder oder einem Elektromotor, im Inneren die Düse vor- und zurückbewegt werden, um die innere Düsenöffnung 121 von Verschmutzungen, insbesondere Schlacke, zu befreien, siehe 8. In einer Alternative kann anstelle der Reinigungsstange 137 der Turbulatoren 136 bewegt werden. Wiederum alternativ kann eine Reinigung der Düsen 120 durch einen Druckgasstoß erfolgen, siehe 9. Als Gas kann Luft, Inertgas, Holzgas, Motorenabgas benutzt werden. Von einem Druckspeicher über ein geöffnetes Magnetventil 141 gelangt das Gas über ein Blasrohr 142 ins Düseninnere. Das außenseitige Ende der Düse 120 kann dabei gestopft werden. Durch die erzeugte Druckwelle wird die innere Düsenöffnung 121 gereinigt, es werden Rückenbildungen im Brennstoff zerstört und es können so Hohlbrenner bekämpft werden.
Der Verbrennungsprozess wird optisch überwacht, mittels eines Lichtleiterkabels 144 wird die Helligkeit im Düseninneren aufgenommen und auf eine Fotozelle 143 geleitet. Schlacke vor der Düsenöffnung 121 beeinträchtigt die Helligkeit ebenso wie eine Parzelle schlechter Verbrennung vor der jeweiligen Düse 120.
Damit die in vertikaler Richtung von oben nach unten sich bewegenden Feststoffe sich nicht an der Düsenvorderseite anlagern können und auch Schlacke sich nicht dort anlagern kann, sind die innenseitigen Enden vorzugsweise abgeschrägt, siehe 10. Die Montage der Düsen ist aus den 2 und 4 ersichtlich. Am Außenrohr 113 der Düse 120 ist eine Dichtscheibe 127 angeschweißt, die gehalten durch eine umlaufende Verschraubung 128 die Düse am gasdichten Behälter hält. Die Düsen 120 können damit von außen demontiert werden. Im Einbauzustand sind der Innenraum und der Mantelraum des Vergasers und dessen Umgebung voneinander getrennt. Das im Mantelraum und damit innerhalb des gasdichten Gehäuses aufwärtsströmende Holzgas wird nicht behindert, da die Montagerohre nur einen kleinen Teil der zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche einnehmen.
Zur Vermeidung von Kurzschlussgasströmungen zwischen dem Mantel 112 und den Gehäuseteilen 111 und 117 befindet sich eine Dichtung zwischen dem feuerfesten Mantel 112 und der Bodenplatte 117 bzw. eine weitere Dichtung an der Oberkante des Mantels 112 und unterhalb eines Schutzkragens 109. Zur Erhöhung der Dichtigkeit kann Dichtfläche als Nut auf der einen Seite und Feder auf der anderen Seite ausgeführt werden, indem ein umlaufender Ring 119 (siehe 3) auf die bodenplatte 117 aufgeschweißt wird und der Mantel 112 eine entsprechende Nut hat. Um zu verhindern, dass Feststoff von oben in den Zwischenraum zwischen feuerfestem Mantel 112 und Vergaserinnenrohr 111 gelangt, ist der Schutzkragen 109 in Form eines umlaufenden Ringes oberhalb des Eintrittsendes des Mantels 112 am Rohr 111 angeschweißt.
Zur Automatisierung des Vergasungsprozesses wird mit einer Differenzdrucksonde 152 im Gasaustritt 106 die Aschebeladung des Raumes oberhalb des Rostes gemessen und bei Überschreiten des Grenzwertes wird der Getriebemotor 134 eingeschaltet. Ein Drehflügelstandschalter 153 überwacht die Füllhöhe des Holzes und fordert gegebenenfalls über die zentrale Steuerung (nicht dargestellt) Nachschub an.
Der Temperaturfühler 150 an der Bodenplatte und ein Temperaturfühler 151 am Gasaustritt ermöglichen die Überwachung des Holzvergasungsprozesses. Bei Problemen des Brennstofftransportes, durch Ausfall der Beschickung oder durch Brückenbildung im Vergaserinneren (so genannte Hohlbrenner) sackt der heiße Kern des Brennstoffes in der Oxidations- und Reduktionszone tiefer, ohne dass er seine Wärme an den darüberliegenden Brennstoff abgeben kann. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Temperatur in der Reduktionszone. Hohlbrenner, die ansonsten kaum zu diagnostizieren sind, werden zuverlässig über den Sensor 150 überwacht.
Es ist möglich, die Düsen 120 nicht aus Metall, sondern aus einem keramischen Material, Feuerfestzement usw. herzustellen. Die Dichtscheibe 127 kann einstückig mit einem der Rohre der Düse 120 verbunden sein. Bei Herstellung aus Feuerzement ist eine Armierung vorteilhaft. Es muss nur der innere Bereich der Düsen 120 feuerfest sein, beispielsweise aus Feuerfestzement oder Keramik bestehen, der übrige Teil der Düsen kann aus einem weniger feuerfesten Material, beispielsweise auch Stahl, gefertigt sein.
Auch der aus Feuerzement hergestellte Mantel 112 kann eine Armierung aufweisen. Die Wärmeleitprofile 140 im Bereich der Pyrolysezone 107 können in einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Horizontalen befestigt sein. Dabei haben sich als Profile L- oder U-förmige Winkelprofile, Kastenprofile, Rohre, Rohrsegmentprofile oder wellenförmige Profile bewährt.
Die Temperaturüberwachung mittels des Sensors 150 in Nähe des Gasaustritts der Reduktionszone 108 kann wie folgt eingesetzt werden: Im Dauerbetrieb macht sich ein Hohlbrenner durch einen Temperaturanstieg bekannt und kann entsprechend erkannt werden. Während der Aufheizphase kann ein Hohlbrenner durch eine sprunghaft ansteigende Aufheizrate erkannt werden. Schließlich ist eine Sicherheitsüberwachung gegen Beschickungsfehler möglich.
Der pyramidale Verbrennungsrost 130 hat eine mehreckige Grundfläche, zumindest eine dreieckige Grundfläche. Die konische Doppelfeuerzone 135 befindet sich unterhalb der Reduktionszone 108.
2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahrensflussbild. Die einzelnen Prozessschritte sind in I bis IX unterteilt und dargestellt. Oberhalb der gestrichelten Linie ist jeweils der Hauptprozess dargestellt. Unterhalb der gestrichelten Linie sind Verfahrensoptionen für die Prozessstufen II, IV, V und IX dargestellt. Diese Optionen dienen zur Anpassung an individuelle Präferenzen des Anlagenbetreibers hinsichtlich Kosten, Temperaturniveau und Art der Energiezugabe bei der Gasaufbereitung (über Pumpen (z.B. Strahlwäscher), Motoren (z.B. Rotationswäscher) oder Ventilatoren (z.B. Venturiwäscher)). Ebenfalls kann die Wahl des Kondensatentsorgungsverfahrens individuell angepasst werden.
Prozessstufe I ist die Gaserzeugung im Holzvergaser 100, wie zuvor beschrieben. Ein Teilstrom 910 des Gases kann direkt für die Abwasserverbrennung in Prozessstufe IX abgezogen werden. Das erzeugte Gas muss vor der motorischen Verwertung gekühlt und von Staub und Teer in den folgenden Stufen gereinigt werden.
Die Vorabscheidung in Stufe II kann unterbleiben. Alternativ hierzu kann eine trockene Entstaubung mittels Zyklon stattfinden oder es kommen als nasse Vorbehandlungsverfahren eine Quenche mit Ein- oder Zweistoffdüse, ein Strahlwäscher, ein Wirbelwäscher oder ein Schaumwäscher auch in Betracht. Bei allen nassen Verfahren wird das Waschwasser ausgeschleust und im Prozessschritt VIII gereinigt und wieder in den Kreislauf gegeben.
Die Gaskühlung erfolgt in Stufe III zweistufig in einem Vorkühler 300, einem Rohrbündelwärmeübertrager mit gasseitig wassergespülten Rohren, Wärmeübergang von Gas auf Kühlwasser und einem Nachkühler 310, ebenfalls einem Rohrbündelwärmeübertrager mit gasseitig ungespülten Rohren, Wärmeübergang Gas/Wasser oder Gas/Luft, bei dem die Kühlmediumtemperatur unterhalb von 50 °C liegt. Entstehendes Kondensat aus 300 und 310 wird dem Wasserkreislauf VIII zugegeben, aus dem die Rohrinnenwandspülung gespeist wird. Alternativ hierzu kann die Gaskühlung einstufig erfolgen und/oder die Wärmerückgewinnung aus dem Waschwasser der Prozessstufe II erfolgen. In der ersten Stufe wird das Gas unterhalb der Kondensationstemperatur abgekühlt, die für Holzgas bei ca. 60 bis 65 °C liegt. In der zweiten Stufe erfolgt eine weitere Abkühlung um mindestens 10 °C.
In der Prozessstufe IV findet die eigentliche Gasreinigung mittels eines ein- oder mehrstufigen Rotationswäschers 400 statt. Zusätzlich findet eine Vorbedüsung mit einer Ein- oder Zweistoffdüse 401 statt. Die Zweistoffdüse wird mit Prozesswasser und gereinigtem Holzgas durch den Kompressor 404 über den Filter 405 versorgt. Das Waschwasser wird auf ein motorgetriebenes Laufrad 402 zur Zerstäubung aufgegeben und die beladenen Tropfen anschießend von einem Drallerzeugerkranz aus Gasleitschaufeln vorabgeschieden. Alternativ zum Rotationswäscher kann ein Venturiwäscher 410 mit fester oder verstellbarer Kehle, sowie ein Multiventuri 420 oder Bayer-Reither-Wäscher 420 eingesetzt werden. Der Wäscher 420 verfügt über zwei gegeneinander verschiebbare Rohrebenen 421, bei denen sich die Venturikehlen in den Rohrzwischenräumen variabel ausbilden, die Wasserzugabe erfolgt über eine Bedüsung 422.
Im Prozessschritt V findet die Tropfenabscheidung statt, bei der das staub- und teerbeladenen Waschwasser ausgeschleust wird. Dies geschieht in einem konischen Zentrifugalabscheider 500, bei dem für schwankende Volumenströme entsprechende Krümmungsradien der Gasbewegung für die Abscheidung sorgen. Alternativ hierzu kann die Tropfenabscheidung in einem zylindrischen Zentrifugalabscheider 510 oder einem Lamellen- oder Gestrickabscheider 520 stattfinden.
Die Prozessstufen VI und VII beinhalten die Gasstrecke und die Verstromung. Das gereinigte Holzgas wird vom Ventilator 600 angesaugt und kann wahlweise auf die Fackel 610 gegeben (bei An- und Abfahrvorgängen) oder nach Zumischen von Verbrennungsluft in der Venturidüse 620 auf den Verbrennungsmotor 700 gegeben werden, der einen Elektrogenerator 710 zur Stromerzeugung antreibt. Die Prozessabwärme des Motors 700, Stufe II, III und VIII wird mittels Wärmetauschern ausgekoppelt und kann räumlich und zeitlich direkt an der Anlage genutzt oder räumlich und zeitlich entfernt durch Wärmespeicher genutzt werden.

Claims

Vorrichtung zur Holzvergasung mit einem einen feuerfesten Mantel (112) aufweisenden Gaserzeuger (100), einem Gaskühler und einem einen Hochleistungsgaswäscher aufweisenden Gasreiniger, wobei zur Gruppe der Hochleistungsgaswäscher zumindest ein Rotationswäscher (400), der zumindest einstufig ist, ein Venturiwäscher (410) mit fester oder verstellbarer Kehle und einschließlich Multiventuriwäscher (420) und ein Bayer-Reither-Wäscher (420) gehören, dadurch gekennzeichnet, dass durch Löcher im feuerfesten Mantel (112) hindurchragende, sich oberhalb eines Bereichs eines geringsten Durchmessers befindende, radial angeordnete Düsen (120) vorgesehen sind, wobei die radial angeordneten Düsen (120) ein metallisches Doppelmantelrohr aufweisen, das einen Innenraum hat, und in dem Innenraum ein Wärmeleitmedium (125) vorgesehen ist, das ein besseres Wärmeleitvermögen als das Material des Doppelmantelrohres aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasreiniger einen Abscheider aufweist, der dem Hochleistungsgaswäscher nachgeschaltet ist, wobei zu der Gruppe der Abscheider Zentrifugalabscheider (500, 510), Lamellenabscheider (520) und Gestrickabscheider (520) gehören.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem feuerfesten Mantel (112) eine Oxidationszone (108) und darunter eine Reduktionszone (108) befindet, dass unterhalb des feuerfesten Mantels (112) ein Austragsteil vorgesehen ist, und dass sich oberhalb des Austragsteils ein ringförmiger Spalt für Gasaustritt (145) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Mantel (112) eine rotationssymmetrische innere Oberfläche hat und als separater Körper aus einem Feuerfestmaterial ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuerfestmaterial ein Feuerzement ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Mantel im Bereich der Oxidationszone (108) sich etwa diaboloförmig, aber gerundet, von oben gesehen zunächst verjüngt und dann wieder erweitert, wobei er den Bereich des geringsten Durchmessers ausbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelmantelrohr ein inneres Rohr (124) und ein äußeres Rohr (123) aufweist und dass das äußere Rohr (123) das innere Rohr (124) übergreift.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Düse (120) eine Vorrichtung zur Düsenreinigung angeordnet ist, die eine Reinigungsstange mit Antrieb oder ein Blasrohr (142) aufweist, das über ein Ventil an einen Druckspeicher angeschlossen ist, in dem sich Gas unter Druck befindet, wobei das Blasrohr (142) in Richtung einer inneren Öffnung des Doppelmantelrohres hin offen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (120) gerade ist und dass am außenseitigen Ende des Doppelmantelrohres eine Einrichtung zur Lichterfassung vorgesehen ist, die das am inneren Ende der Düse (120) vorhandene Licht einfängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserzeuger (100) ein gasdichtes Gehäuse (113, 116) aufweist und dass Dichtungen (118, 119) vorgesehen sind, die sich zwischen dem feuerfesten Mantel (112) und dem gasdichten Gehäuse (113, 116) befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Mantel (112) lösbar mit dem gasdichten Gehäuse (113, 116) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserzeuger (100) ein gasdichtes Gehäuse (113, 116) und ein konisches Innenohr (110) aufweist, das sich oberhalb des feuerfesten Mantels (112) befindet, und dass sich Leitkörper (140) im Bereich der Pyrolysezone (107) befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich des ringförmigen Spaltes (145) ein Temperatursensor (150) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler einen Rohrbündelwärmeübertrager (300) aufweist, und dass die Oberflächen des Rohrbündels des Rohrbündelwärmeübertragers (300), die mit dem Holzgas in Kontakt kommen, mit einem Wasserfilm belegt sind.