DE102011107621B4

DE102011107621B4 - Feinreinigung von Produktgasen

Info

Publication number: DE102011107621B4
Application number: DE102011107621.6A
Authority: DE
Inventors: Uwe Athmann; Jörg Tuxhorn
Original assignee: Individual
Current assignee: Athmann Uwe De; Kuhles Alfons De
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: DE102011107621A1

Abstract

Verfahren zur Reinigung eines Produktgases, welches durch Aufbereitung von Biomasse erzeugt wird, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:- Erzeugung eines Produktgases durch thermochemische Konversion von Biomasse in einem Reaktor (20),- Ableiten des erzeugten Produktgases aus der Erzeugung und Zuführen in eine nass arbeitende Gashauptreinigungsstufe (22), wobei das Produktgas in der Gashauptreinigungsstufe (22) bis mindestens zu seiner Kühlgrenztemperatur kleiner 90°C abgekühlt wird,- Zuleiten des nun auf eine Schmutzfracht von maximal 10% gereinigten Produktgases in ein nass betriebenes Filter (24), wobei dem wesentlichen Teil eines Tiefenfiltermaterials (26 bzw. 26a) des Filters (24) im Verhältnis zum wesentlichen Teil des Tiefenfilters radialsymmetrisch angeordnete Vorabscheiderschichten (26d) vorgeschaltet sind, welche vertikal gegenüber dem Filter (24) angeordnet sind, und- Zurverfügungstellen des so gereinigten Produktgases für einen Verbraucher.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine mindestens einstufige Filtereinrichtung zur filtrierenden und verstopfungsfreien Feinreinigung von Produktgasen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Reinigung eines heizwertreichen Produktgases, welches durch thermochemische Konversion (Vergasung bzw. Pyrolyse) aus Biomasse erzeugt wird. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Reinigungsverfahren für ein derartig hergestelltes Produktgas.
Heizwertreiche Produktgase können durch die Prozesse der thermochemischen Vergasung oder der Pyrolyse unter Luftmangelbedingungen aus Biomasse, wie z.B. Holz, Gärresten von Biogasanlagen, Grünschnitt, Straßenbegleitgrün, Biomassen, die typischerweise in Kompostwerken vorkommen oder Tierdung, z.B. Hühnertrockenkot, erzeugt werden. Unabhängig davon können diese Biomassen direkt der thermochemischen Konversion zugeführt werden oder zuvor durch hydrothermale Karbonisierung vorbehandelt werden. Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse sind insbesondere aus der WO 2008/095589 A1 bekannt.
Verfahren zur nassen Hochleistungsgasreinigung von derartigem Produktgas sind u.a. in der DE 10 2007 002 895 A1 beschrieben.
Die US 2007/0094929 A1 offenbart eine Vergasungstechnik zur Umwandlung schwer zu behandelnder Biomasse in einen sauberen Gasbrennstoff, der in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage verbrannt werden kann, umfassend eine erste Stufe der katalytischen Wirbelschichtvergasung und eine zweite Stufe der Vergasung von Teer und der katalytischen Reformierung.
Die DE 26 15 180 A1 offenbart ein Verfahren zum Reinigen von Abgasen, welche Nebeltröpfchen aus unter Verarbeitungsbedingungen nicht verdampfenden klebenden Stoffen enthalten, wobei die Abgase mit Wasser behandelt und gefiltert werden, wobei das Wasser derart fein verteilt nach Art eines Nebels in den Abgasstrom eingeführt wird, das anschließende Filtern des Abgasstromes unter Durchfeuchtung des Filters erfolgt, und das Filtern bei geringem Durchflusswiderstand und großer Filtertiefe vorgenommen wird.
Das Problem bei den bekannten Verfahren zur Herstellung und insbesondere zur Reinigung eines derartigen, aus Biomasse gewonnenen Produktgases liegt in den Verunreinigungen, die im Produktgas enthalten sind, und die durch Gasreinigung nach dem Stand der Technik bislang nur unzureichend bzw. aufwändig und störanfällig entfernt werden können. Bekanntlich liefert z.B. die Holzvergasung stark mit Teer und Staub beladene Produktgase, dies führt zu Verstopfungen, Beeinträchtigungen und Störungen in nachgeschalteten Maschinen, die das Produktgas verwenden. Ähnliche Probleme treten auch bei Produktgasen auf, die aus anderen Biomassen erzeugt sind. Teer ist eine Sammelbezeichnung für höhere Kohlenwasserstoffe, die überwiegend bei Umgebungstemperatur durch Kondensation als Teeraerosole anfallen. Mit Staub werden die feststoffförmigen Verunreinigungen, wie beispielsweise unverbrannter Kohlenstoff und Asche, bezeichnet, die temperaturunabhängig als feste Staubpartikel auftreten. Zur exakten Definition von Teer wird auf das sogenannte Teerprotokoll verwiesen.
Die Gasreinigung ist daher seit sehr vielen Jahren wohl der kritischste Punkt bei der Nutzung der hier in Rede stehenden Produktgase. Angestrebt wird eine Gasqualität, die so ist, dass ein Turbomotor mit dem Produktgas betrieben werden kann. Bei Turbomotoren werden Turbolader eingesetzt. Diese neigen zu Verstopfungen, es werden darin Ablagerungen gebildet usw.. All dies soll verhindert werden. Es soll aber auch eine mechanische Beeinträchtigung des Motors verhindert werden, die Schmutzfracht im Produktgas soll nicht zu mechanischen Beeinträchtigungen des Turbomotors führen. Bei Turbomotoren ist hier z.B. an Ottomotoren gedacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung und zur Reinigung des Produktgases soll so ablaufen, dass die Wartungsintervalle in einem vernünftigen Bereich liegen. Hierunter wird eine Wartung zwischen einem und drei Monaten beispielhaft verstanden. Die entsprechende Anlage soll also mindestens einen Monat störungsfrei laufen, ehe die erfindungsgemäße Feinreinigung wieder gewartet werden muss. Das Reinigungsintervall der nachgeschalteten Komponenten, insbesondere des Turboladers, kann dadurch auf bis zu einmal pro Jahr verlängert werden. Diese Wartungszyklen sind bei derzeitigen Anlagen nach dem allgemeinen Stand der derzeitigen Technik noch nicht erreicht.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Filtereinrichtung, die zur Feinreinigung eines in einem Reaktor (20) durch direkte thermochemische Konversion von Biomasse und/oder durch andere Verfahren vorbehandelte Biomasse erzeugten heizwertreichen Produktgases verwendbar ist, das vor Eintritt in die erfindungsgemäße Filtereinrichtung in einer nass arbeitenden Gashauptreinigungsstufe (22), die zumindest einen elektrostatischen Abscheider mit Vorquench oder einen Hochleistungsgaswäscher enthält, die die Schmutzfracht zumindest von 100% auf 10% reduziert (bezogen auf Staubpartikel und Teeraerosole mit einem Durchmesser von 1 µm beim Austritt des Rohgases aus dem Reaktor (20) und Austritt des vorgereinigten Produktgases aus der Gashauptreingungsstufe (22) bei Gastemperaturen von 10 bis 50°C) vorgereinigt wird und bei dieser Vorreinigung bis mindestens zu seiner Kühlgrenztemperatur kleiner 90°C, vorzugsweise unter 50°C abgekühlt wird, um die bei der Herstellung des Produktgases anfallenden unerwünschten Teere als Aerosole auskondensierbar zu machen und in der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ein faseriges Tiefenfilter mit großer Tiefe, d.h. mindestens 1,5 kg Fasern pro Quadratmeter Anströmfläche verwendbar ist, das nass betreibbar ist und mit einer Anströmgeschwindigkeit des Produktgases im Betriebszustand von 0,2 bis 20 Metern pro Minute, vorzugsweise von 2 bis 8 Metern pro Minute anströmbar ist und das im Betrieb differenzdruckgesteuert mittels einer zusätzlichen externen Flüssigkeits- und/oder Dampfaufgabe nachbefeuchtbar ist und das einem nachfolgenden Verbraucher das heizwertreiche Produktgas so gereinigt übergibt, so dass dieser mit langen Wartungsintervallen betreibbar ist, verwendbar ist.
Demzufolge hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die bekannten Verfahren zur Herstellung und Reinigung, insbesondere zur Reinigung von Produktgasen, die aus Biomasse durch thermochemische Konversion gewonnen werden, dahingehend weiterzubilden, dass die Reinigung nur in größeren Intervallen erfolgen muss und die Qualität des Produktgases in einem Bereich ist, der für den dauerhaften Betrieb von Turbomotoren geeignet ist. Große Intervalle im Sinne der Erfindung sind dabei insbesondere Wartungsintervalle von mindestens einem Monat. Ein dauerhafter Betrieb im Sinne der Erfindung ist dabei insbesondere die Möglichkeit eines ununterbrochenen Betriebs bis zur nächsten Wartung bzw. dem nächsten Wartungsintervall.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie eine Filtereinrichtung nach dem Anspruch 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Vorteilhafterweise beträgt die nach dem erfindungsgemäßen Feinreinigungsverfahren noch im Reingas verbleibende Schmutzfracht, insbesondere umfassend Staubpartikel und Teeraerosole, weniger als 1 mg/m³ _N.
Die Erfindung besteht aus einem filternden und verstopfungsresistenten Gasreinigungsverfahren, das zwei Stufen hat, nämlich eine Hauptstufe und einen Fein- oder Endabscheider, der der Hauptstufe für die Gasvorreinigung nachgeschaltet wird.
Die Feinreinigungsstufe beruht auf der nassen Tiefenfiltration und wird auch einfach als Filter bezeichnet. Die Hauptstufe beruht auf dem Prinzip der nassen Gasreinigung. Durch das erfindungsgemäße Gasreinigungsverfahren können die Emissionen von Stäuben, Aerosolen und kondensierenden Gasbestandteilen deutlich gemindert, bzw. der Wartungsaufwand an nachfolgenden Komponenten reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Feinreinigung von Produktgasen mit einem Heizwert von 3 bis 20 MJ/m³ _N, insbesondere von 4 bis 7 MJ/m³ _N, und einem Volumenstrom von 10 bis 40.000 m³ _N/h, vorzugsweise 20 bis 2.000 m³ _N/h und besonders vorzugsweise von 50 bis 1.500 m³ _N/h. Die Erfindung schließt andere Anwendungen als die Reinigung von heizwertreichen Produktgasen, insbesondere medizintechnische Anwendungen, ausdrücklich aus. Darüber hinaus schließt die Erfindung Anwendungen für die Gasreinigung im Bereich der thermochemischen Konversion von Haushalts- und vergleichbaren kommunalen Abfällen sowie überwachungspflichtigem Sondermüll aus.
Im verfahrenstechnischen Bereich der Gasreinigung werden unter anderem trocken filtrierende, elektrostatische, thermische, katalytische und nasse Abscheidungsverfahren eingesetzt. Die besten Abscheideleistungen für Stäube werden mit filtrierenden Abscheidern erreicht. Der Betrieb von herkömmlichen Filtern, beispielsweise ausgeführt als trocken betriebene Schlauch-, Patronen- oder Taschenfilter, ist bei Feuchtigkeit oder kondensierenden Bestandteilen im Gas, wie z.B. Teer, häufig problematisch, da sich die Filtermedien bei Taupunktunterschreitung durch nasse klebrige Staubanhaftungen zusetzen können. Durch dieses Zusetzen kann ein Filter nach kurzer Betriebszeit die Funktionsfähigkeit vollständig verlieren.
Auch eine Erhöhung der Gastemperatur, insbesondere nach erfolgter Taupunktunterschreitung, beseitigt die kondensierten Tröpfchen nicht vollständig, so dass sie zur Einstellung der Tröpfchenbeladung des Gases vor Eintritt in das Filter verwendet werden kann.
Insbesondere für den Betrieb von eher kleinen Energieerzeugungsanlagen wird daher nach einmaliger Taupunktunterschreitung insbesondere von Wasser und/oder Teer davon ausgegangen, dass herkömmliche Filter, z.B. Schlauchfiltersysteme, nicht mehr mit ausreichender Sicherheit betrieben werden können.
Nasse Abscheider kommen für das Verfahren in Betracht. Sie sind eher unempfindlich gegen Feuchtigkeit und kondensierende Gasbestandteile. Generell können die nassen Abscheider in normale und Hochleistungswäscher unterteilt werden. Zur Gruppe der Hochleistungswäscher zählen unter anderem Rotations- und Venturiwäscher. Allerdings haben selbst Hochleistungswäscher eine geringere Abscheideleistung für kleine Partikel als Filter.
Zur genaueren Beschreibung der bekannten Gasreinigungsverfahren wird auf die Fachliteratur, wie z.B. bei Löffler: Staubabscheiden, Vauck-Müller: Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik sowie auf die Homepages von Herstellerfirmen, wie z.B. MikroPul (www.mikropul.de), Lufttechnik Bayreuth (www.ltb.de) und DSD-ChemTech (www.dsd-chemtech.de für Brinkfilter) verwiesen.
Elektrostatische Abscheider und/oder nasse Abscheider kommen für die Hauptstufe in Betracht. Elektrostatische Abscheider sind hinsichtlich der Reinigungsleistung zwischen Wäschern und Filtern einzuordnen. Hinsichtlich der für die Reinigung von heizwertreichem Produktgas besonders wichtigen Robustheit des Betriebes können sie jedoch bei weitem nicht mit den Wäschern konkurrieren. Daher kommen elektrostatische Abscheider für die erfindungsgemäße Anwendung der Hauptreinigung von Produktgasen, nicht aber für die nachfolgende Stufe in Betracht. Darüber hinaus kann der 100%-ige Ausschluss von Explosionsgefahren durch elektrostatische Abscheider gerade bei Kleinanlagen kaum möglich, so dass die Verwendung von Wäschern zur Hauptreinigung einen weiteren verfahrensbedingten Vorteil darstellt.
Eine Möglichkeit, die robusten Betriebseigenschaften der Wäscher mit der hohen Abscheideleistung von Filtern miteinander zu kombinieren, besteht darin, das Filter dem Wäscher nachzuschalten. Die Wäscher dienen hierbei als Grob-, Vor- bzw. Hauptabscheider und das Filter als Fein- bzw. Endabscheider für Stäube, Aerosole und kondensierende Gasbestandteile.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft in diesem Fall die Nachschaltung des verstopfungsresistenten und nass betriebenen Tiefenfilters hinter einer nass arbeitenden, den Wassertaupunkt einmal unterschreitenden Hauptstufe. Die Hauptstufe verfügt zumindest über eine nasse Reinigungskomponente, wie z.B. Vorquench, Wäscher oder nass gereinigte Niederschlagselektroden des elektrostatischen Abscheiders, oder einen nassen Abscheider, vorzugsweise einen Gaswäscher, der eine vorgegebenen Mindestgrad an Vorreinigung ermöglicht. Durch die gute Vorreinigung der Hauptstufe wird die Standzeit der Feinreinigungsstufe erhöht. Ebenfalls beinhaltet die vorliegende Erfindung die Nachschaltung des verstopfungsresistenten Filters hinter jede Form der nassen Gasreinigungsverfahren mit einer Hauptstufe. Die Hauptstufe verwendet entweder einen Wäscher, insbesondere Hochleistungsgaswäscher und/oder eine elektrostatische Gasreinigung mit vorgeschalteter Nassstufe, z.B. Vorquench. Als Vorquench gilt dabei die Bedüsung des Gases mit Wasser, wie sie zum Beispiel durch Sprühtürme aber auch Stahlwäscher erfolgt.
Die beschriebene Erfindung betrifft auch ein filterndes und verstopfungsresistentes Gasreinigungsverfahren, das einer zumindest teilweise nassen Hauptstufe der Gasreinigung nachgeschaltet wird. Hierdurch wird die Abscheideleistung verbessert und Emissionen bzw. der Wartungsaufwand, insbesondere an nachgeschalteten Komponenten, werden verringert. In der Hauptstufe wird mindestens 90% der gesamten Schmutzfracht, vorzugsweise mindestens 95% und insbesondere mindestens 98% und noch mehr bevorzugt mindestens 99% zurückgehalten. Eine Abscheidung von mindestens 98% der Schmutzfracht ist ein typischer Wert für Hochleistungswäscher. Diese Angabe bezieht sich hierbei auf einen Durchmesser der Schmutzpartikel, insbesondere Staub, Teer, und/oder Aerosole, von etwa 1 µm Durchmesser.
Das anschließende Filter hält den Rest, also nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 5% und insbesondere nicht mehr als 2% zurück, wobei jeweils ein Wert von 0% hinter dem Filter erreicht wird. Als 100% wird die Schmutzfracht vor dem Eintritt in die Hauptreinigungsstufe bezeichnet. Als 0% wird eine Schmutzfracht beschrieben, die für den Betrieb eines Ottomotors, insbesondere eines mit einem Turbolader arbeitenden Motors zulässig ist. Idealerweise beträgt die Restbeladung des Reingases mit Staub und Teer bei einer Gastemperatur von etwa 10 bis 50°C weniger als 1 mg/m³ _N.
Durch die vorgeschaltete zumindest teilweise nasse Gasreinigung in der Hauptstufe vor dem Filter liegt in jedem Fall eine Unterschreitung des Wassertaupunktes im Produktgas vor. Wäre hier ein herkömmliches Filter eingesetzt, so könnte es unter diesen Betriebsbedingungen schlecht oder gar nicht betrieben werden, da sich auf der Filteroberfläche Feuchtigkeit (z.B. Wasser oder Teer) niederschlägt und mit ebenfalls im Gas vorhandenem Staub eine klebrige Schicht bildet, die sich kaum noch abreinigen lässt und damit zur Unbrauchbarkeit des Filters führt.
Es ist das Verdienst der vorliegenden Erfindung, eine glückliche Kombination zwischen nass arbeitender Hauptstufe und dem nachgeschalteten Filter erkannt zu haben. Durch diese Kombination werden sowohl lange Standzeiten als auch eine sehr gute Feinreinigung des Produktgases erreicht.
Erstmals wird in den seit langen als äußerst schwierig geltenden Verfahren der Reinigung eines aus Biomasse erzeugten Produktgases ein einfaches, betriebssicheres und robustes Verfahren angegeben, bei dem die Reinigungsstufen, also die Hauptstufe und das Filter, einen Monat und mehr betrieben werden können, ohne dass Wartungen erfolgen müssen, insbesondere, ohne dass das Material des Filters ausgetauscht werden muss bzw. dass nachfolgende Komponenten gereinigt werden müssen.
Bei dieser historischen Holzgasanwendung, die vor allem auf den nachträglichen Einbau in bestehende Fahrzeugkonzepte sowie auf Gewichtsreduktion für den mobilen Einsatz ausgelegt war, lagen die Wartungsintervalle typischerweise im Bereich von fünf bis 50 Betriebsstunden.
Konzepte, wie das dem erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahren vorgeschaltete Konzept der sehr guten Vorabscheidung kamen aufgrund des damaligen Standes der Technik, sowie der Vorgabe der für den Betrieb im Mobilbereich erforderlichen Gewichtsreduktion noch nicht in Betracht. Als Tiefenfiltermaterial wurde Kork bzw. Holzwolle eingesetzt, das nach Gebrauch verbrannt oder dem Vergasungsprozess wieder zugeführt bzw. entsorgt werden konnte.
Die langen Wartungsintervalle, die durch das erfindungsgemäße Gasreinigungsverfahren erzielt werden können, werden insbesondere dadurch erreicht, dass von der Hauptreinigungsstufe mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95% bzw. 98% der Schmutzfracht zurückgehalten werden. Unter Schmutzfracht werden Partikel und Aerosole, insbesondere Staub und Teer als Summenparamter, mit einer Größe von etwa 1 Mikrometer verstanden. Die Schmutzfracht wird in mg/m³ _N angegeben und bezieht sich auf eine Gastemperatur von 10 bis 50°C. Die Beladung des Gases mit Wassertröpfchen wird nicht als Schmutzfracht verstanden, da dieses Wasser zu keinen Verschmutzungen der nachfolgenden Komponenten, wie z.B. einem Turbolader, führt.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verstopfungsresistenz, vor allem unter für herkömmliche Filter schwierigen Betriebsbedingungen, insbesondere einer Staubbeaufschlagung bei gleichzeitiger Taupunktunterschreitung von Wasser bzw. kohlenwasserstoffhaltigem Kondensat (Teer) durch Feuchtigkeit bzw. Kondensat.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen filternden und verstopfungsresistenten Gasreinigungsverfahrens kann für das Filter beispielsweise ein stark faseriges Tiefenfiltermaterial, wie Glaswolle, eingesetzt werden. Anstelle von Glaswolle können auch andere faserige Tiefenfiltermaterialien wie Steinwolle sowie Aluminiumsilikatfasern, Schafwolle, Filze, Hanf, Flachs oder Kokosfasern sowie mit entsprechenden Parametern hinsichtlich der erfindungsgemäßen Filtereigenschaften sowie weitere biogene oder künstliche Fasermaterialien mit vergleichbaren Filtereigenschaften verwendet werden.
Durch die große innere Oberfläche des Materials vermag das Filtermaterial über eine lange Betriebszeit die durch die Vorreinigung bereits stark reduzierten Stäube, Aerosole und kondensierende Gasbestandteile aufzunehmen, ohne dass der Druckverlust des Filtermediums dadurch deutlich ansteigt. Insbesondere lässt sich die Standzeit des eingesetzten Filtermediums dadurch erhöhen, dass die Gasbeaufschlagung mit geringen Anströmgeschwindigkeiten, etwa im Bereich von wenigen Metern pro Minute erfolgt, d.h. eine ausreichend große Filterfläche zur Verfügung steht. Typische Werte der Anströmgeschwindigkeit im Betriebszustand liegen bei 0,2 bis 20 Meter pro Minute, vorzugsweise bei 2 bis 8 Meter pro Minute.
Es besteht die Möglichkeit, das Filtermedium zusätzlich zur Beladung des Gasstromes mit Resttröpfchen durch eine weitere externe Flüssigkeitsbeaufschlagung zu benetzen. Der Betrieb von flüssigkeitsbeaufschlagten Filtermedien ist in jedem Fall mit einem höheren Druckverlust im Vergleich zum trockenen Betrieb verbunden, welcher eine erhöhte Ventilatorleistung erfordert. Der Vorteil besteht dagegen in einer deutlichen Verbesserung von Reinigungsleistung, Standzeiten des erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahrens und der nachfolgenden Komponenten.
Beschreibungen von extern benetzten Filtern finden sich z.B. in EP 0 134 297 . Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahren handelt es sich hierbei um die Beschreibung eines eigenständigen Filterapparates, der generell die Benetzung von technisch ausgeformten Filterelementen, z.B. Filterschläuchen, über Düsen sowie eine Druckgasabreinigung der von außen nach innen durchströmten Filterelemente vorsieht.
In EP 0 876 190 B1 ist eine Variante des vorgenannten Filterapparates beschrieben, bei der zur Benetzung der Filterelemente Zweistoffdüsen eingesetzt werden.
In DE 196 29 500 C1 wird ein mehrstufiges, mit schräg angeordneten benetzten Stoffaustauschern, z.B. Füllkörperebenen, ausgestatteter Multiwäscher beschrieben, der zur Totalreinigung von Synthesegasen aus der Vergasung von kommunalen und anderen Abfällen eingesetzt wird und über mehrere in Gasflussrichtung horizontal hintereinander geschalteter Waschkammern verfügt.
In EP 0 249 400 B1 ist ein Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparat beschrieben, bei dem mindestens zwei geneigte scheibenförmige Kontaktebenen, die aus Stäben ausgebildet und flüssigkeitsgespült sind.
In US 3 925 040 ist ein Gaswaschverfahren mit detaillierter Beschreibung der Tropfenabscheidung und weniger spezifischer Beschreibung der Gas-Flüssigkeitskontaktzone dargestellt.
Die vorgenannten Verfahren betreffen überwiegend einzelne Apparate zur Gasreinigung.
Das der Erfindung zugrunde liegende Feinreinigungsverfahren für heizwertreiche Produktgase der thermochemischen Konversion von festen Brennstoffen bezieht sich auf die Nachschaltung des erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahrens (Feinfilter) nach einer zumindest teilweise nassen Hauptreinigung des Produktgases. Eine Anwendung des beschriebenen Feinfilters für die Reinigung von Produktgasen der Abfallpyrolyse bzw. den Einsatz im Bereich der Medizintechnik sind nicht Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung.
Ziel der Erfindung ist es, Gasreinigungsverfahren, wie sie derzeit beispielsweise in vielen Biomassevergasungsanlagen realisiert sind, sowohl durch Nachrüstung als auch bei Neuplanungen insbesondere hinsichtlich der Reinigungsleistung und des Wartungsaufwandes deutlich zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird hierzu, wie in Anspruch 1 beschrieben und 1 dargestellt, ein Filter einer zumindest teilweise nassen, in der Hauptstufe erfolgenden Gasvorbehandlung nachgeschaltet.
Die durch die Erfindung zu verbessernden Gasreinigungen, zu denen (Hochleistungs-) Gaswäscher, elektrostatische Abscheider mit Vorquench und trockener oder nasser Niederschlagselektrode und andere Gaswäscher, die die geforderte Mindestvorreinigung erfüllen, gehören, beruhen alle zumindest zum Teil auf der nassen Gasreinigung.
Das Abscheideprinzip des Filters bzw. Feinfilters kann sowohl in der Oberflächen-, (bevorzugt) Tiefenfiltration als auch in einer Kombination beider Prinzipien bestehen. In der einfachsten Form ist das erfindungsgemäße Gasreinigungsverfahren als dicke Schicht aus faserigem Tiefenfiltermaterial ohne zusätzliche externe Benetzung ausgeführt, bei dem die Benetzung durch die Resttröpfchen der nassen Hauptreinigungsstufe erfolgt. Darüber hinaus kann dieses Tiefenfilter zusätzlich mit einer Waschflüssigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich benetzt werden.
Für den Fall, dass ein Tiefenfiltermaterial mit einer großen Menge an Waschflüssigkeit belegt wird, können große Teile der abzuscheidenden Gasbestandteile bereits in der sich ausbildenden Waschflüssigkeitsschicht abgeschieden werden. In diesem Fall kommt es, physikalisch betrachtet, zu einer Kombination aus Tiefen- und Oberflächenfiltration.
Vorteilhafterweise erfolgt die Einlagerung von Staub und/oder Teer vor allem in der anströmseitigen Schicht, insbesondere mit einer Schichtstärke von etwa 1 bis 2 cm. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Feinfilters fällt auf, dass sich die Verschmutzungen überwiegend Grenzbereich zur Rohgasseite aufbauen. Dies bedeutet, dass ein durch Anstieg des Druckverlustes bedingter Wechsel des Filtermaterials überwiegend durch die dem Rohgas zugewandte Seite wenige Zentimeter dicke Schicht des verschmutzten Filtermaterials notwendig wird. Beispielsweise befinden sich bei einer von unten nach oben durchströmten Filterschicht aus drei Glaswollmatten, die im Neuzustand eine Höhe von 100 mm und ein Raumgewicht von 16 bis 25 kg/m³ haben über 50% der Ablagerungen an Staub und Teer in den untersten ein bis zwei Zentimetern.
Der Druckverlust bei der Durchströmung des Filtermediums ist stark von Verschmutzungs- und Benetzungsgrad des Feinfiltermaterials abhängig. Generell steigt der Druckverlust mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit und Benetzung und stark in Kombination mit zunehmender Verschmutzung. Es besteht ein komplexer Zusammenhang zwischen diesen Einflussgrößen.
Detaillierte Beschreibungen des verwendeten Filtermaterials und dessen Regenerierung werden in den Ansprüchen beschrieben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den sonstigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung mit Bezug zu den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Diese beispielhaften Darstellungen sind nicht als Einschränkung weiterer Variationen der Erfindung zu verstehen. Es zeigen in der Zeichnung:

1: eine prinzipielle Darstellung des Verfahrens zur Herstellung und Reinigung eines heizwertreichen Produktgases, bei der das Filter (24) einer nassen Hauptreinigungsstufe (22) nachgeschaltet ist;
2: eine prinzipielle Darstellung eines Filters in einer ersten Ausführung, mit senkrecht zum Gasstrom angeordnetem Filtermaterial;
3: eine Darstellung wie 2 des Filters in einer zweiten Ausführung, mit schräg zum Gasstrom angeordnetem Filtermaterial;
4: eine Darstellung des Filters gemäß 2 in einer dritten Ausführung, mit topfförmig ausgebildetem Filtermaterial;
5: eine Darstellung des Filters gemäß 2 in einer vierten Ausführung, mit U-förmig ausgebildetem Filtermaterial;
6: eine Darstellung des Filters gemäß 2 in einer fünften Ausführung, analog zu 2 jedoch mit zusätzlicher externer Flüssigkeitsaufgabe;
7: eine Darstellung des Filters ähnlich 2 in einer sechsten Ausführung, analog zu 4 jedoch mit zusätzlicher externer Flüssigkeitsaufgabe;
8: eine Darstellung des Filters in einer siebten Ausführung, analog zu 5 jedoch mit zusätzlicher externer Flüssigkeitsaufgabe;
9: ein Schnitt entlang der Schnittlinie VIII-VIII in 8, der die für die externe Flüssigkeitsaufgabe einsetzbare fallfilmerzeugende Ringleitung darstellt;
10: eine prinzipielle Darstellung des Filters in einer neunten Ausbildung, bei der das Filtermaterial in kleinen Stücken während des Betriebs zur Zuführung und Austrag über Fördereinrichtungen erneuert werden kann;
11: eine prinzipielle Darstellung des Filters in einer zehnten Ausführung, bei der das Filtermaterial während des Betriebs in Bahnen erneuert werden kann;
12: eine Darstellung des Filters in einer elften und detaillierteren Ausführung, die für die Ausführung des Filters für senkrecht zum Gasstrom angebrachtes den Gehäusequerschnitt ausfüllendes Filtermaterial, das in Richtung des Gasstromes an Packungsdichte zunimmt, mit externer Flüssigkeitsaufgabe und weiteren Peripheriekomponenten (Tropfenabscheider, Überlaufsiphon, Deckelschwenkvorrichtung, Differenzdrucküberwachung, Wasserkreislauf) zeigt;
13: eine prinzipielle Darstellung des Filters in einer zwölften Ausführung, analog zu 12, bei der das Filtermaterial jedoch in einzelnen Patronen eingesetzt wird;
14: eine prinzipielle Darstellung einer mit Filtermaterial bestückten Patrone;
15: eine prinzipielle Darstellung des Montagedetails einer Filterpatrone an der Kopfplatte des Filtergehäuses;
16: eine prinzipielle Darstellung einer Filterpatrone mit Haltegriffen und Auspressvorrichtung des Filtermaterials zur Erleichterung der Montage und Demontage der Patronen;
17: eine prinzipielle Darstellung von Ausführungsvarianten von Filterpatronen, hier dargestellt zum Einbau in runde Apparatequerschnitte;
18: eine prinzipielle Darstellung des Filters ähnlich 13, bei der jedoch zur Erhöhung der Standzeiten der Filterpatrone dünne Vorabscheiderschichten vorgeschaltet sind, die sowohl in fester als auch flexibler Form ausgebildet sein können und zumindest teilweise aus dem Hauptgasstrom genommen werden können;
19: eine prinzipielle Darstellung des Filters ähnlich 18, jedoch mit mehreren radialsymmetrisch angeordneten dünnen Vorabscheiderschichten, die in Richtung des Gasstromes und senkrecht zum in der Filterpatrone eingesetzten Tiefenfiltermaterial angebracht sind und im Gegensatz zu 18 über eine deutlich größere Anströmfläche als die Filterpatrone verfügen und daher nicht aus dem Gasstrom genommen werden brauchen;
20: ein Schnitt entlang der Schnittlinie B-B in 19, der den radialsymmetrischen Aufbau der Vorabscheiderschichten mit Ein- und Ausströmkammern parallel zum Filtermaterial der Vorabscheider darstellt; und
21: eine prinzipielle Darstellung des Filters bei der das Filtermaterial in Kassettenform eingebracht ist und durch die eine einfache und gezielte Demontage einzelner Ebenen des Filtermaterials erfolgen kann.

1 zeigt eine generelle Darstellung der einzelnen Teile des Verfahrens. Produktgas wird nach dem Stand der Technik in einem Reaktor 20, z.B. einem Holzvergaser nach Imbert, durch thermochemische Konversion aus einer Biomasse erzeugt. Es verlässt den Reaktor mit einer Temperatur T1 und einer Schmutzfracht von 100%. Das Produktgas wird nun in eine nass arbeitende Hauptstufe 22, auch Hauptreinigungsstufe genannt, geleitet, die einen Hochleistungsgaswäscher, beispielsweise einen Rotationswäscher, einen Venturiwäscher, oder einen entsprechenden anderen Gaswäscher, der mindestens 90% der Schmutzpartikel (Staub, Teer, Aerosole) mit einem Durchmesser von 1 µm abscheiden kann verwendet.
Für diese gibt es zwei Alternativen. Die erste Alternative, die bevorzugt ist, verwendet einen Hochleistungswäscher, beispielsweise einen Rotationswäscher, einen Venturiwäscher, oder einen entsprechenden anderen Hochleistungsgaswäscher, der mindestens 90% der Schmutzpartikel mit einem Durchmesser von 1 µm abscheiden kann. Die zweite Alternative verwendet einen Elektrofilter, dem eine Quenche vorgeschaltet ist.
Am Ausgang des Reaktors zur thermochemischen Biomassekonversion (20) verfügt das Produktgas über eine Temperatur T1, die deutlich oberhalb von 100°C liegt, und eine geringe Gasfeuchte f1. In der Hauptreinigungsstufe (22), die zumindest zum Teil nass betrieben wird, wird das Produktgas gleichzeitig stark gekühlt. Bei der ersten Benetzung des Produktgases mit Wasser verdampft ein Teil dieses Wassers. Die für die Verdampfung notwendige Wärme (Verdampfungsenthalphie) wird dem Produktgas entzogen. Gleichzeitig steigt dabei durch die Verdampfung die Feuchte des Produktgases. Dieser Abkühlungsprozess vollzieht sich so lange, bis die Feuchte des Produktgases 100% beträgt. Dieses feuchtegesättigte Gas (f2) kann keinen weiteren Wasserdampf mehr aufnehmen, so dass kein weiteres Wasser mehr verdampft wird und daher keine weitere Kühlung mehr stattfindet. Dieser Punkt wird im Allgemeinen Kühlgrenztemperatur genannt und liegt häufig im Bereich von 60 bis 70°C.
Durch eine weitere Kühlstufe, die z.B. mit gekühltem Wasser betrieben wird, kann das Produktgas weiter gekühlt werden. Dies ist vorteilhaft, da bei kühleren Gastemperaturen mehr Teerbestandteile auskondensieren und somit eine bessere Reinigung des Produktgases erzielt werden kann.
Am Ausgang der Hauptstufe 22 ist das Produktgas soweit gereinigt, dass die Schmutzfracht auf jeden Fall kleiner als 10% ist, vorzugsweise kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2%. Das Produktgas hat nun eine Temperatur T2, sie liegt höchstens im Bereich der Kühlgrenztemperatur, auf jeden Fall unter 100°C, vorzugsweise unter 65°C. Typischerweise liegt sie im Bereich 40 bis 70°C. Bevorzugte Werte sind 20 bis 50°C. Am Ausgang der Hauptstufe 22 ist das Produktgas noch mit restlichen Wassertröpfchen beladen.
Diese Wassertröpfchen stammen sowohl aus der nassen Hauptstufe als auch aus kondensiertem Wasserdampf. Diese Wassertröpfchen sind der Teil, der in dem der Gaswäsche nachgeschalteten Tropfenabscheider bzw. vom elektrostatischen Abscheider nicht abgeschieden wurde. Dieser Eintrag von Restwassertröpfchen ist vorteilhaft für das nachgeschaltete Filter 24, da es hierdurch zu einer Benetzung des nachgeschalteten Tiefenfilters kommt, wodurch die weitere Gasreinigung verbessert wird.
In der einfachsten Ausführung kann die erfindungsgemäße dicke Schicht aus faserigem Tiefenfiltermaterial (26 bzw. 26a) ohne zusätzliche äußere Flüssigkeitsbeaufschlagung eingesetzt werden (vgl. 2 bis 5). Diese Betriebsweise wird, aufgrund der Beaufschlagung mit Tröpfchen, die aus der vorgeschalteten, zumindest teilweise nassen Gasreinigung stammen und/oder aufgrund von durch Taupunktunterschreitung des Wasserdampfes gebildetem Kondensat als nass bezeichnet. Eine zusätzliche äußere Flüssigkeitsbeaufschlagung ist möglich.
In den 2 bis 5 sind unterschiedlich ausgebildete Lagen von Tiefenfiltermaterial 26 dargestellt. 2 zeigt eine zylindrische Scheibe an Tiefenfiltermaterial 26 in einem runden Gehäuse 28. Dargestellt sind auch der Eintritt, Pfeil 30, und Austritt, Pfeil 32, des Produktgases. Am Ausgang, also am Pfeil 32, kann das Produktgas in gereinigter Form abgenommen werden und steht beispielsweise für einen Ottomotor, allgemein als Verbraucher V bezeichnet, zur Verfügung. In 3 ist das Tiefenfiltermaterial 26 schräg angeordnet, dies hat den Vorteil, dass Wasser und andere Flüssigkeiten besser ablaufen können.
In 4 ist das Tiefenfiltermaterial 26 topfförmig ausgeführt, hierdurch wird eine noch größere Oberfläche als in 3 und noch größer als in 2 erreicht. In der Ausführung nach 5 ist das Tiefenfiltermaterial U-förmig angeordnet. Erkennbar ist, dass das Tiefenfiltermaterial 26 in 2 bis 5 stets von unten nach oben durchströmt wird. Andere Anordnungen und Durchströmungsrichtungen sind ebenfalls, auch ohne explizite grafische Darstellung, Bestandteil der Erfindung.
Zur gleichzeitigen Steigerung von Reinigungsleistung und Standzeit des erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahrens kann vorteilhafterweise eine zusätzliche äußere Flüssigkeitsbeaufschlagung des Filters erfolgen (vgl. 6 bis 8). Diese zusätzliche Flüssigkeitsbeaufschlagung kann beispielsweise rohgasseitig über Düsen 34 und/oder eine (fallfilmerzeugende) Ringleitung 40 erfolgen. Darüber hinaus ist auch eine reingasseitige Flüssigkeitsaufgabe möglich, siehe Düse 38 (vgl. 6, 7 und 8) und/oder eine (fallfilmerzeugende) Ringleitung 40, bei der die Waschflüssigkeit über Austrittsöffnungen 41 auf das Filtermedium 26 aufgegeben wird (vgl. Schnitt VIII-VIII in 8, dargestellt in 9).
Das Tiefenfiltermaterial 26 wird vorzugsweise von einem Auflagerost 42 getragen, dieser kann reingasseitig und/oder rohgasseitig angeordnet sein. 8 zeigt, dass zwei Düsen 34 und 35 rohgasseitig vorgesehen sind.
Bei ausreichend hoher Flüssigkeitsbeaufschlagung kommt es auf dem Filtermedium 26 zur Ausbildung einer Flüssigkeitsschicht, die als Fallfilm am Filtermedium 26 herabläuft und in der ein großer Teil von Staub, Aerosolen und kondensierenden Gasbestandteilen zurückgehalten wird. Hierdurch kann eine Einlagerung in der Tiefe des Filtermaterials nur stark verlangsamt stattfinden, und die Standzeit wird somit deutlich erhöht.
Darüber hinaus kommt es, auch bei geringer Flüssigkeitsbeaufschlagung, auch im Inneren des Filtermediums 26 zu einer verbesserten Abscheidung, da die Filterfasern durch die Benetzung über höhere Haftkräfte verfügen und der freie Porenraum zwischen den Filterfasern durch die Flüssigkeit verringert wird.
In den Beschreibungen, die das Filter 24 betreffen, wird das Gas am Eintritt in das Filter als Rohgas (dunkler Pfeil 30) und an dessen Austritt als Reingas (heller Pfeil 32) bezeichnet.
Die Filtermaterialien 26 liegen generell auf einer gasdurchlässigen rostähnlichen Auflage 42 auf, durch die sie z.B. gegen die Schwerkraft gehalten werden. Darüber hinaus sorgt eine zweite gasdurchlässige rostähnliche Auflage, der sogenannte Niederhalter 43, dafür, dass das Filtermaterial 26 nicht durch den betriebsbedingten Druckverlust aus der Form gebracht wird. Der Niederhalter 43 kann z.B. zum Wechsel des Filtermaterials 26 einfach demontierbar ausgeführt sein.
Die Montage von Filtermaterialien 26 zwischen Auflage 42 und Niederhaltern 43 ist eine Standardmethode, so dass sie nicht explizit dargestellt werden muss, d.h. in 2 bis 9 und 11 zur Erhöhung der Übersichtlichkeit weggelassen wurde. Die Darstellung von Auflage 42 und Niederhalter 43 in 10 weicht hiervon ab, da hier eine feste Auflage 42 und ein optionaler beweglicher Niederhalter 43 verwendet werden.
Gemäß 2, die eine prinzipielle, als Schnittbild ausgeführte Seitenansicht eines Gehäuses 28 des Filters 24 zeigt, ist das Filtermedium 26 (schraffiert dargestellter Bereich) im Wesentlichen flach, senkrecht zum Gasstrom eingebracht und ohne externe Benetzung ausgeführt.
In 3 ist das Filtermedium 26 schräg eingebaut, bei im Wesentlichen flachen Filtermedium 26 und ohne externe Benetzung.
In 4 ist das Filtermedium 26 räumlich profiliert, ansonsten flach, beispielsweise in Taschen- oder Schlauchform ausgeführt, ohne externe Benetzung.
In 5 hat das Filtermedium 26 eine große Raumtiefe, es verfügt über Ausbuchtungen, ohne externe Benetzung.
6 zeigt ein senkrecht zum Gasstrom eingebautes, im Wesentlichen flaches Filtermedium 26 mit externer Benetzung. Ein schräg angeordnetes, im Wesentlichen flaches Filtermedium 26, analog zu 3, ist auch ohne explizite bildliche Darstellung Bestandteil der Erfindung.
In 7 ist das Filtermedium 26 in Taschen- oder Schlauchform dargestellt, analog zu 4, jedoch mit externer Benetzung des profilierten Filtermediums.
In 8 ist das Filtermedium 26 in Taschen- oder Schlauchform dargestellt, analog zu 7, jedoch in umgedrehter Einbaurichtung und mit zusätzlicher externer Benetzung des Filtermediums 26. Eine Variante des Filtermediums 26 analog zu 5 mit Benetzungsvarianten ist auch ohne explizite graphische Darstellung Gegenstand der Erfindung.
Die zusätzliche externe Benetzung kann sowohl rohgasseitig als auch reingasseitig durch Bedüsung oder Betropfung erfolgen. Als weitere Möglichkeit kommt eine Benetzung durch aufliegende Flüssigkeitsverteiler 37, wie z.B. Schlauch- oder Rohrleitungen mit Löchern, in Betracht. Darüber hinaus ist auch eine externe Benetzung des Filtermediums mit einer fallfilmerzeugenden Vorrichtung möglich, wie beispielhaft in 7 und 8 dargestellt.
In 9 ist die fallfilmerzeugende Vorrichtung mit Ringleitung 40 mit Austrittsöffnungen 41 in der Draufsicht (in Richtung des in 8 dargestellten Schnittes VIII-VIII) dargestellt. Das in 7 und 8 beispielhaft schlauchförmig dargestellte Filtermedium 26 wird über eine Ringleitung 36 und deren Austrittsöffnungen mit Flüssigkeit beaufschlagt.
Bei rohgasseitig ausgebuchteten Filtermedien, z.B. in 8, kann die Benetzung auch über zumindest eine innenliegende Düse 35 erfolgen. Analog kann diese Art der Benetzung auch für 5 erfolgen, ohne dass dies explizit graphisch dargestellt ist.
Diese Variante der Fallfilmerzeugung ist beispielhaft und nicht ausschließlich zu verstehen. Darüber hinaus kann die Benetzung auch durch eine Kombination der dargestellten Varianten erfolgen.
In 10 ist eine weitere prinzipielle, als Schnittbild ausgeführte Seitenansicht des Filters dargestellt, bei der im Betrieb eine quasi kontinuierliche oder chargenweise diskontinuierliche Erneuerung des Filtermediums 26 erfolgen kann. Frisches kleinteiliges Filtermaterial 26 (z.B. Holzwolle) kann über eine Eintragseinrichtung 46, die hier als Förderschnecke dargestellt ist, eingebracht werden, wo es auf einem Auflagerost 42 eine Schicht aus Filtermedium ausbildet. Diese Filterschicht kann optional über einen beweglichen Niederhalter 43 fixiert oder verdichtet werden. Über eine Austragseinrichtung 52, die hier als Förderschnecke dargestellt ist, kann das beladene Filtermedium 26 ausgetragen werden. Die zusätzliche externe Benetzung des Filtermediums 26 ist auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, kommen für die in 10 dargestellte Variante die roh- bzw. reingasseitigen Benetzungen in Frage.
In 11 ist eine weitere prinzipielle, als Schnittbild ausgeführte Seitenansicht des für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Filters 24 dargestellt, bei der im Betrieb eine (quasi-)kontinuierliche Erneuerung des Filtermediums 26 erfolgen kann. Das Filtermedium 26 kann beispielsweise, wie in 11 dargestellt, von einer Vorratsrolle 54 für frisches Medium 26 abgerollt und auf einer weiteren Rolle 56 für gebrauchtes Medium aufgerollt werden.
Darüber hinaus sind weitere Möglichkeiten zur Zuführung von frischem Filtermaterial denkbar. A) Es kann eine Rolle für frisches Material vorhanden sein und das verbrauchte Material wird in ein Abfallbehältnis in loser ungeordneter Form eingebracht. B) Frisches Filtermaterial liegt in gefalteter Form von C) Das Filtermaterial liegt als „größere Platte“ vor, von der nur jeweils ein kleiner Teil vom zu reinigenden Produktgas beaufschlagt wird. Die Regeneration des Filters erfolgt durch Weiterschieben oder -drehen der ganzen Filterplatte.
Die zusätzliche externe Benetzung des Filtermediums 26 ist auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung. Diese Benetzung kann mit Wasser, Dampf, Rapsmethlyester oder einer anderen Waschflüssigkeit erfolgen, wobei Wasser bevorzugt wird.
Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, kommen für die in 10 bis 13, 18 bis 21 dargestellte Variante eine roh- bzw. reingasseitige Benetzung in Frage.
Weitere (hier nicht bildlich dargestellte) Ausführungsvarianten des Filters nach 2 bis 21 ergeben sich aus möglichen Änderungen der Strömungsrichtung des Roh- und Reingases. Beispielsweise kann dies durch die Umkehrung der Gasanströmung von oben nach unten, bzw. eine waagerechte oder schräge Anströmung, sowie eine Kombination aus senkrechter, waagerechter oder schräger An- oder Abströmung erfolgen. Darüber hinaus kann auch das Gehäuse 28 des Filters ebenfalls waagerecht oder schräg ausgeführt sein. Das Gehäuse kann sowohl rund, eckig oder in anderer Form (z.B. oval) ausgeführt sein. Diese Varianten zählen auch ohne bildliche Darstellung zum beschriebenen Umfang der Erfindung.
Weitere erfindungsgemäße Varianten, die nicht explizit graphisch dargestellt sind, bestehen in der Kombination mehrerer Ebenen des Feinfilters. Diese Ebenen können teilweise trocken und mit externer Benetzung betrieben werden, wobei auch der Einsatz unterschiedlicher Waschflüssigkeiten möglich ist.
Die Erfindung beinhaltet die Nachschaltung von Tropfenabscheidern nach dem Feinfilter, auch ohne dass dies explizit graphisch dargestellt wird, da die Tropfenabscheidung nach nassen Gasreinigungsverfahren zum Stand der Technik gehört und daher nicht gesondert erwähnt werden muss.
Die Erfindung realisiert dabei ein filterndes und verstopfungsresistentes Gasfeinreinigungsverfahren für heizwertreiche Produktgase, welche zur Energieerzeugung durch unterstöchiometrische thermochemische Konversion fester Brennstoffe erzeugt wurden, über einen Heizwert von 3 bis 20, insbesondere von 4 bis 7 MJ/m³ _N verfügen und als Volumenstrom von 10 bis 40.000, vorzugsweise 20 bis 2.000 m³ _N/h und insbesondere von 50 bis 1.500 m³ _N/h vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass es einer Gasvorbehandlung nachgeschaltet ist, welche zumindest teilweise auf dem Prinzip der nassen Gasreinigung beruht.
Das Filter 24 gemäß 12 besteht aus einem gasdichten zylindrischen Gehäuse 28 mit einer Gehäusetrennung 29, die als Gehäuseflansch ausgeführt ist und durch die die Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten gewährleistet wird.
Das Rohgas 30 strömt durch den Rohgasstutzen 31 in das zylindrische Gehäuse 28 und verlässt es als gereinigtes Reingas 32 durch den Reingasstutzen 33. In dem zylindrischen Gehäuse 28 befindet sich auf einem runden horizontalen Traggitter bzw. Rost 42 eine Schicht unverdichteter Mineralwolle als Filtermaterial 26, z.B. Glaswolle, Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m³, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m³, mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm, von etwa 10 bis 50 cm, bevorzugt 20 bis 40 cm Stärke im Neuzustand liegt.
Oberhalb der unverdichteten Mineralwollschicht 26 befindet sich eine Schicht aus verdichteter Mineralwolle 26a, z.B. Glaswolle, ebenfalls mit einer Faserdicke von 3 bis 6 µm. Die verdichtete Mineralwolle weist gegenüber dem unverdichteten Zustand ein um den Faktor 2 bis 4 höheres Raumgewicht im Neuzustand, also etwa 50 bis 100 kg/m³ auf. Die Schichtdicke der verdichteten Mineralwolle 26a beträgt ebenfalls etwa 10 bis 50 cm, bevorzugt 20 bis 40 cm Stärke im Neuzustand.
Auf den Mineralwollschichten befindet sich ein Niederhalter 43, der die Wollschichten, auch bei dem sich im Betrieb einstellenden Differenzdruck, in ihrer Position hält. Das zu reinigende Gas durchströmt von unten die Wollschichten. Das Gas strömt von unten in die Wollschichten und wird oben gereinigt abgezogen. Die Wolle wird diskontinuierlich mit einer Waschflüssigkeit, z.B. Wasser, von oben im Gegenstrom zur Flussrichtung des Gases benetzt. Hierzu ist eine Pumpe 58 installiert, die die Waschflüssigkeit über eine Wasseraufgabevorrichtung 38 auf die obere verdichtete Wolleschicht 26a bringt. Die Wasseraufgabevorrichtung 38 kann, alternativ zu den in 6 bis 8 dargestellten Varianten, auch als Rohr-, Rinnen- oder Tüllenverteiler ausgeführt sein und besitzt 20 Tropfstellen pro Quadratmeter Oberfläche der Wollpakete 26 und 26a. Der Differenzdruck über den Wollschichten wird überwacht durch einen Sensor 62.
Im oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 28 kann optional eine weitere Mineralwolleschicht 26b als Tropfenabscheider vorgesehen werden. Diese unverdichtete Mineralwollschicht 26b weist eine Schichtdicke von 50 bis 100 mm auf und ein Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m³, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m³ bei einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm auf. In dieser Schicht kann optional auch Mineralwolle mit einem größeren Faserdurchmesser als 3 bis 6 µm verwendet werden.
Es muss sicher gestellt sein, auch bei stark verschmutzten Wollschichten 26 und 26a, dass über die Wasseraufgabevorrichtung 38 auf die Wolle aufgegebene Wasser nicht so stark ansteigen kann, dass es über den oberen Gasauslass in das Reingas 32 kann. Durch dieses Wasser könnten Schäden im der Feinreinigung nachgeschalteten Motor entstehen.
Diese Sicherheit wird gewährleistet durch ein Überlaufrohr 60, dass wenige Zentimeter, z.B. 2 cm, über die obere Wollschicht 26a ragt und nach oben und unten offen ist, so dass sich kein zu hoher Wasserstand auf der oberen Wollschicht 26a aufbauen kann. Damit während des Betriebes kein Rohgas über das Überlaufrohr auf die Reingasseite gelangen kann ist das Überlaufrohr an seinem unteren offenen Ende mit einem Siphon 61 verschlossen.
Die Wartung des erfindungsgemäßen Feinfilters erfolgt vorteilhafterweise wie folgt:

Wenn nach längerer Betriebszeit so viel Staub und Teer im Filtermaterial eingelagert sind, dass der Druckverlust des Gasstromes über das Filtermaterial seinen Maximalwert von beispielsweise 25 mbar erreicht, wird ein zumindest teilweiser Wechsel des Filtermaterials notwendig.

Das in 12 dargestellte zylindrische Gehäuse 28 kann zu Wartungsarbeiten an der Gehäusetrennung 29 geöffnet werden. Hierzu wird zunächst die Verbindung vom Reingasstutzen 33 zur nachfolgenden, hier nicht bildlich dargestellten, Rohrleitung gelöst. Der obere Gehäuseteil kann Schwenkvorrichtung angehoben und zur Seite geschwenkt werden. Die Schwenkvorrichtung besteht aus einer galgenförmigen rechtwinkligen Rohrkonstruktion 70, die über eine Versteifung 71 stabilisiert ist. Das obere Gehäuseteil kann über eine Gewindestange 72 durch manuelle Betätigung des Handgriffes 73 angehoben werden. Zur besseren Kraftverteilung ist die Gewindestange 72 auf einem Futterblech 77 am oberen Gehäuseteil befestigt. Zur Erleichterung des manuellen Anhebens befindet sich unterhalb des Handgriffes 73 mindestens eine Scheibe, z.B. aus Metall oder Hart-PTFE.
Um ein Verdrehen des angehobenen oberen Gehäuseteils zu verhindern, ist am senkrechten Teil der Rohrkonstruktion 70 ein Halteblech 75 angebracht, das mit einer mit Langloch versehenen Haltelasche 76 am oberen Gehäuseteil durch eine Schraubverbindung verbunden ist.
Optional und/oder ergänzend kann der Feinfilter aus mehreren Lagen Mineralwolle bestehen. In 12 ist der Aufbau eines Feinfilters mit querschnittsfüllenden Filtermatten dargestellt. Jede der Filterschichten 26 und 26a kann aus mehreren Lagen Mineralwolle bestehen. Die untere Filterschicht 26 besteht z.B. aus 4 Lagen unverdichteter Glaswolle mit einem Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m³, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m³ mit einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm und einer Einbauhöhe von je 100 mm. Jede dieser 4 Lagen kann aus ein oder mehreren Glaswollmatten bestehen, beim Einbau ist jedoch auf ein ausreichendes Übermaß der einzelnen Matten von einigen Zentimetern zu achten, damit sich sowohl zur Gehäusewand 28 als auch zwischen den Matten keine Spalten ausbilden.
Zum Austausch vor allem der unteren Filterschichten von 26 und 26a - zum sparsamen Umgang mit Filtermaterial - ist es optional und/oder ergänzend auch möglich, die unterste am stärkten verschmutzte Filterschicht zu entfernen und durch die zweitunterste Filterschicht zu ersetzen. Als oberste Lage wird eine saubere Lage Filtermaterial eingelegt. Dieses Durchtauschen von Filtermaterialschichten kann sowohl in der loseren Schicht 26 als auch in der stärker verdichteten Schicht 26a separat erfolgen.
13 zeigt einen ähnlichen Filteraufbau wie 12, jedoch ist die Filtermaterialschicht in ein oder mehreren Filterelementen 78, die als Filterpatronen ausgebildet sind, angebracht, die an einer Kopfplatte 79, die mit Öffnungen für die Filterelemente versehen ist und ansonsten gasdicht mit der Wandung des zylindrischen Gehäuses 28 abschließt. Die Filterelemente sind z.B. mit einer Schraubverbindung an der Kopfplatte befestigt, dass das Rohgas nur durch die Filterelemente auf die Reingasseite gelangen kann.
Vorteilhaft an der in 13 dargestellten Konfiguration ist, dass die Filterelemente von oben, d.h. von der Reingasseite montiert werden können. Hierdurch wird eine Schmutzbelastung des Wartungspersonals, im Gegensatz zum händischen Wechsel von losen Filtermatten gemäß 12, weitestgehend ausgeschlossen.
Zur weiteren Steigerung der Wartungsfreundlichkeit wird das Gewicht der Filterelemente dadurch begrenzt, dass die einzelnen Elemente jeweils nur so groß sind, dass die Querschnittsfläche für die Gasströmung durch Auflagerost 42, Filtermaterial 26 bzw. 26a und Niederhalter 43 nicht größer als 0,15 m² sind. Durch diese Größenbeschränkung können die Filterelemente auch im nassen und verschmutzten Zustand noch von Hand demontiert werden.
In 14 ist die Montage eines solchen Filtersegments dargestellt. Das Filterelement besteht seitlich aus gasdichten Wänden 44, so dass das Rohgas nur durch den Auflagerost 42, die beiden Filterschichten 26 und 26a und den Niederhalter 43 auf die Reingasseite strömen kann. Seitlich am der gasdichten Wand 44 ist ein umlaufender Befestigungskragen 80 angebracht, mit dem das Filterelement über eine Schraubverbindung 84 mit der Kopfplatte 79 verbunden werden kann.
Das Überlaufrohr 60 kann sowohl in einem Filterelement als auch an der Kopfplatte montiert sein. In jedem Fall überragt es den Niederhalter 43 um einige Zentimeter, so dass sich auch oberhalb des Filtermaterials eine sprudelnde Wasserschicht ausbilden kann.
15 zeigt eine detaillierte Darstellung der Befestigungssituation 81. Das Filterelement wird mit dem Befestigungskragen 80 über eine Schraubverbindung 84 an die Kopfplatte 79 gepresst und über eine zwischen Kopfplatte und Befestigungskragen befindliche Dichtung 85 gegen Gasdurchtritt gedichtet. Die von der Reingasseite von oben zu erreichende Schraubverbindung kann z.B. über auf der Unterseite der Kopfplatte befestigten Muttern oder Muffen 86 gehalten werden. Diese Muttern oder Muffen müssen zur Rohgasseite allseitig gasdicht verschweißt sein, damit sich keine Leckageströmungen ausbilden können.
In 16 sind weitere Hilfsmittel für die Montage und die Demontage dargestellt. Die Filterelemente können über einen Tragebügel 87 in die Kopfplattenöffnungen ein- und ausgehoben werden. Zur Verringerung des Gewichts bei der Demontage ist es sinnvoll das im Filtermaterial befindliche Wasser auszupressen. Hierzu kann das Filtermaterial über ein an Griffen 88 befestigtes Gitter oder Lochblech 89 angehoben und nach oben gegen den Niederhalter 43 gedrückt werden. Hierbei wird ein großer Teil des Wassers aus dem Filtermaterial ausgepresst, so dass sich das Filterelement leichter nach oben aus der Kopfplatte ausheben lässt.
In 17 sind verschiedene Geometrien für die Filterelemente dargestellt. Diese Darstellung ist beispielhaft und nicht ausschließend zu verstehen. Das Filterelement 78a ist teilkreisförmig ausgeführt, das dass bei diesem hier dargestellten Typ vier solcher Filterelemente im zylindrischen Gehäusequerschnitt montiert werden könnten. Das Filterelement 78b ist kreisförmig ausgeführt und würde gemäß dieser Darstellung ebenfalls die Montage von vier Elementen erlauben. Die beiden Filterelemente 78c sind rechteckig ausgeführt und würden hier ebenfalls die Montage von vier Elementen im Gehäusequerschnitt erlauben. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit sind die Tragebügel 87 und Griffe 88 zum Auspressen des Filtermaterials vor der Demontage nur bei einigen der Filterelemente dargestellt.
Zur Erhöhung der Standzeiten des Feinfilters können zusätzliche dünne Schichten, z.B. von unverdichtetem Filtermaterial mit einem Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m³, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m³ mit einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm (26c bzw. 26d) verwendet werden, die in Durchströmungsrichtung nur wenige Zentimeter, wie 1 bis 2 cm, tief sind.
18 zeigt zwei Montagevarianten der Vorabscheiderschichten 26c, die sowohl in einer festen (95a) als auch einer flexiblen (95b) Begrenzungsstruktur ähnlich der Auflageroste 42 und Niederhalter 43 eingebettet sein können. In beiden Fällen werden alle Vorabscheiderschichten anfänglich durch einen Haltemechanismus 90 so fixiert, dass das Rohgas durch sie hindurchströmen muss. Auf der dem Haltemechanismus gegenüberliegenden Seite ist die Vorabscheiderschicht permanent befestigt. Dieser feste Haltepunkt kann bei der festen Begrenzungsstruktur 95a als Drehpunkt 91 und bei der flexiblen Begrenzungsstruktur durch einfache Befestigung des Materials erfolgen.
Die in 18 dargestellte Ausführung der Befestigung der Vorabscheider mit einem seitlichen Fixpunkt ist beispielhaft zu verstehen. Die Erfindung schließt andere Befestigungsarten, wie z.B. mittige, außermittige oder andere Befestigungspunkte der Vorabscheider auch ohne explizite bildliche und textliche Darstellung mit ein.
Wenn einer der Haltemechanismen 90 über einen Bowdenzug 92 ausgelöst wird, lässt er die entsprechende Vorabscheiderschicht los, die sich dann aufgrund ihrer Ausstattung mit einem Gewicht 93 nach unten bewegt. Alternativ zur Gewichtsbelastung könnte die Auslösung auch über einen Federmechanismus oder über Stangen etc. erfolgen bzw. durch direktes Abziehen der Vorabscheider über den Bowdenzug 92 ohne Haltemechanismus 90 schräg nach unten erfolgen. Diese Variationen sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, obwohl sie ebenfalls Bestandteil der Erfindung sind.
Die Bowdenzüge 92 sind werden entlang des Filterelements nach oben geführt, wo sie durch gasdichte Durchführungen 96, die z.B. als Faltenbalg ausgeführt sein können, durch das zylindrische Gehäuse des Feinfilter geführt werden, so dass sie von außen z.B. über Griffe 98 ausgelöst werden können. Zur Erleichterung der Montage der Filterelemente können die Bowdenzüge mit Kupplungen 94 versehen sein.
In 18 sind zwei Filterelemente jeweils mit fester (95a) und flexibler (95b) Begrenzung des Vorabscheidermaterials dargestellt, wobei jeweils zwei Vorabscheiderschichten vor jedem Filterelement angebracht sein, von denen eine bereits aus der Gasströmung genommen wurde und die andere noch als Vorabscheider eingesetzt ist. Diese Darstellung mit jeweils zwei Vorabscheiderschichten dient der Veranschaulichung und Erhöhung der Übersichtlichkeit. Andere Anzahlen an Vorabscheiderschichten sind möglich und ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung. In der Darstellung in 18 sind die beiden unteren Griffe 98 außerhalb des Gehäuses 28 gezogen und dadurch jeweils die untere Schicht der Vorabscheider aus der Strömung genommen.
Da trotz Vorabscheiderschichten in der Gasströmung auch die darüberliegenden Filtermaterialschichten mit Staub und Teer belastet werden, gibt es keinen linearen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Vorabscheiderschichten und der Erhöhung der Standzeiten. Darüber hinaus ist die Standzeit auch von dem Verhältnis von Staub zu Teer abhängig.
19 zeigt eine ähnliche Konfiguration des Filters wie 18, bei der jedoch die dünnen Vorabscheiderschichten 26d vertikal und in dieser graphischen Darstellung radialsymmetrisch ausgeführt sind. Durch diese radialsymmetrische Anordnung der Vorabscheiderschichten kann bei entsprechender Anzahl und Bauhöhe eine Anströmfläche erzielt werden, die deutlich größer ist als die der nachfolgenden Filterpatrone 78. Zur Standzeiterhöhung ist daher ein Herausnehmen dieser Vorabscheiderschichten nicht unbedingt erforderlich und wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auch nicht gesondert graphisch dargestellt. Es ist jedoch auch ohne graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung, ebenso wie andere ineinander geschachtelte (z.B. eckige oder ovale) Anordnungen des Vorabscheidermaterials 26d. Zur Vereinfachung der Wartung der Filterpatrone 78 und der radialsymmetrischen Vorabscheiderstufe sind beide Teile über eine Befestigung 29c, hier beispielhaft dargestellt als Flanschverbindung, miteinander verbunden, so dass die Filtermaterialien 26, 26a und 26c einfach ausgetauscht werden können.
Das Rohgas 30 gelangt durch die senkrechten radialsymmetrischen Einströmkammern 51 in die Vorabscheiderstufe, passiert die radialsymmetrischen Vorabscheider 26d und strömt durch die ebenfalls radialsymmetrischen Ausströmkammern zu den Filterpatronen 78.
In 20 ist die Draufsicht entlang des Schnittes B-B in 19 sind beispielhaft für zwei vertikale konzentrische Vorabscheiderschichten 26d pro Filterelement 78 dargestellt. Andere Anzahlen und Ausführungen der vertikalen Anordnung (z.B. eckig oder oval) der Vorabscheiderschichten sind möglich und ebenfalls Bestandteil der Erfindung.
Das Rohgas 30 strömt von außen nach innen in die Einströmkammern 51, durch die Vorabscheider 26d in die Ausströmkammern 53 und von dort aus nach oben, aus der Bildebene heraus zu den Filterpatronen.
Eine andere Anordnung, bei der das Gas von innen nach außen durch Einströmkammern, Vorabscheider und Ausströmkammern geleitet würde ist ebenfalls auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung. Da das Vorabscheidermaterial sehr dünn ausgeführt ist, sind auch die Flächenunterschiede zwischen An- und Abströmseite vergleichsweise gering.
21 zeigt eine Variation des erfindungsgemäßen Filters, bei der das Filtermaterial von festen kassettenartigen Strukturen begrenzt wird, die einen Wechsel der Kassetten zur Seite hin ermöglichen. Das Filtergehäuse 28 besitzt bei dieser Variante einen (in Strömungsrichtung des Gases) vorzugsweise eckigen Querschnitt; es können jedoch auch runde oder anders geformte Querschnitte verwendet werden. Der seitliche Wechsel der Filterkassetten hat gegenüber dem zuvor dargestellten vertikalen Wechsel den Vorteil, dass hierzu der Gehäusedeckel nicht demontiert werden muss. Der seitliche Filterwechsel ist z.B. in der Lüftungstechnik weit verbreiteter Stand der Technik. Vorteilhaft beim seitlichen Wechsel ist darüber hinaus, dass die unteren, stärker verschmutzenden Filterschichten gezielt gewechselt werden können.
Das Filtermaterial 26 bzw. 26a ist in festen Kassetten 55 bzw. 55a eingebracht, die seitlich in das Gehäuse 26 eingebracht und mit Hilfe einer Schraubverbindung 84 analog zu der Darstellung in 15 so mit dem Gehäuse verbunden werden können, dass kein Gas durch die Montageöffnung im Gehäuse ein- oder austreten kann.
Der Montageöffnung gegenüberliegend sind an der Innenseite des Gehäuses Dichtungen 85 angebracht, die verhindern, dass Rohgas 30 an den Kassetten vorbei auf die Reingasseite 32 strömen kann. Die Kassetten verfügen analog zu den zuvor genannten Varianten über Auflageroste 42 und Niederhalter 43. Unterhalb der Kassetten können Wiederverteiler 99 für die herabtropfenden Waschflüssigkeit montiert sein. Diese Wiederverteiler schließen dicht mit der Gehäusewand ab, so dass sie an der Gehäusewand herablaufendes Wasser von der Wand wegführen und weiter mittig über Öffnungen gleichverteilt an die untere Ebene abgeben. Durch diese Wiederverteiler kann die Ansammlung der Waschflüssigkeit an der Gehäusewand begrenzt werden, so dass eine gleichmäßige Befeuchtung über den gesamten Querschnitt des Filtermaterials sicher gestellt ist.
Im oberen Teil von 20 ist eine Kassette 55 dargestellt, in der eine dicke Lage Filtermaterial 26 und optional auch 26a eingebettet ist. Im unteren Teil von 20 sind mehrere flache Kassetten 55a dargestellt. Alle Formen der Kassetten sind mit einer Schraubverbindung 84 im Bereich um die Montageöffnung mit dem Gehäuse 28 gasdicht verbunden. Der Gasschlupf von der Rohrgas- zur Reingasseite an den Filterelementen vorbei wird durch Dichtungen 85 zwischen Kassetten und der Gehäuseinnenwand verhindert.
Funktion und Betriebsweise: Das Filter 24 ist ein nasses Tiefenfilter zur Abscheidung von Partikeln aus einer thermochemischen Vergasung von Biomasse. Das Filter 24 wird einem Gasreinigungssystem für die Vorreinigung, nämlich einer nassen Hochleistungsgaswäsche als Feinfilter nachgeschaltet. Das vorgereinigte Gas hat am Filtereintritt eine Temperatur von etwa 40°C und eine relative Feuchte von 100%. Es ist mit nicht vollständig in der Vorreinigung abgeschiedenen Wassertröpfchen (von Wäschern bzw. Quench) beladen. Darüber hinaus ist das Gas mit Staubpartikeln und aus der Gasphase kondensierten Aerosolen (Teer und Wasser) beladen. Durch die Vorreinigung des Gases können hohe Standzeiten des Feinfiltermaterials erreicht werden. Die Vorreinigung soll Abscheidegrade von mehr als 90%, insbesondere mehr als 95%, für Partikel und Aerosole mit einer Größe von 1 µm erzielen.
Durch die Faserdichte der Wolle werden die Partikel im hohen Maße abgeschieden. Durch die Waschflüssigkeit entsteht im Betrieb ein Schaum innerhalb der Wolle, der die Abscheidung vervielfacht und zudem eine reinigende Funktion hat. Die Tiefe des Wollpaketes bewirkt eine starke Verteilung, so dass der betriebsbedingte Schmutzeintrag nur zu einem sehr langsamen Anstieg des Druckverlustes führt.
Der gasseitige strömungsbedingte Differenzdruck steigt sowohl mit zunehmendem Flüssigkeitsgehalt als auch mit zunehmender Verschmutzung der Wolle, da in beiden Fällen der freie Raum zwischen den Wollfasern verringert wird.
Durch den Gegenstrom der Flüssigkeit zur Gasrichtung ist eine effektive Abreinigung der Wolle gegeben. Das Gas strömt von unten nach oben durch das Wollpaket und „trägt“ teilweise die Waschflüssigkeit, ein Teil fließt ab und wird differenzdruck- bzw. zeitabhängig durch die Pumpe 58 wieder aufgebracht. Das Waschmedium wird im Kreislauf- über einen Absetzbehälter 64 und einen optionalen Wasserfilter oder Hydrozyklon 66 gereinigt.
Die Größe der Anströmfläche des Wollpaketes wird so gewählt, dass pro Minute 0,2 bis 20, insbesondere 2 bis 8 (z.B. 3,7) Kubikmeter Gas pro Quadratmeter Anströmfläche durch das Wollpaket strömen. Bei Inbetriebnahme wird das Wollpaket mit etwa 35 Litern Waschflüssigkeit pro Quadratmeter Anströmfläche befeuchtet. Die Nachbefeuchtung im Betrieb beträgt 0,5 bis 10, insbesondere 2 bis 5, Liter pro Quadratmeter Anströmfläche und Stunde. Der Druckverlust liegt im Betrieb im Bereich von 10 bis 25 Millibar und steigt mit zunehmender Beladung des Tiefenfiltermaterials während der Betriebszeit an.
Das Filter 24 wurde entwickelt und zugefügt, da es mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich ist, wirtschaftlich, sicher und dauerhaft die Gasreinheit auf ein Maß zu bringen, welche den Anforderungen heutiger Verbrennungsmotoren, insbesondere Turbomotoren, entspricht. Insbesondere werden dadurch Verunreinigungen und Ablagerungen im Ansaugtrakt der Motoren vermieden und der Verschleiß wird reduziert.
Das Filter ist für den Dauerbetrieb geeignet, da sich durch die Auswaschung von Partikeln die Wartungsintervalle auf ein bis mehrere Monate verlängern lassen.
Für den Wechsel der Wolle kann das Filter durch eine Bypassleitung aus dem Gasstrom genommen werden, ohne dass die gesamte Vergasungsanlage hierfür außer Betrieb genommen werden muss. Eine schnell durchgeführte Filterwartung führt, aufgrund der installierten Vorreinigung, zu vernachlässigbaren Verschmutzungen des nachgeschalteten Verbrennungsmotors. Ebenfalls kann bei mehreren parallel zueinander geschalteten Filtern eine Wartung im laufenden Betrieb erfolgen. Hierzu wird das zu wartende Filter aus dem Gasstrom genommen. Die übrigen Filter werden während dieser Zeit mit einem höheren zu reinigenden Gasstrom betrieben.
Insbesondere durch eine nasse Gaswäsche zur Vorreinigung des Gases können, im Gegensatz zu elektrostatischen Abscheidern, wirksame Explosionszündquellen vermieden werden. Nasswäscher stellen darüber hinaus auch bei Verpuffungen im Vergaser eine Ausbreitungssperre für Flammenfronten dar.
Bei der thermochemischen Vergasung von Holz muss das Gas vor dem motorischen Einsatz von Staub und Teer gereinigt werden. Beim Einsatz anderer Biomasse für die thermochemische Vergasung kann das Gas darüber hinaus mit weiteren Stoffen, wie z.B. Ammoniak oder Harnstoff, verunreinigt sein. Der Eintrag von Ammoniak kann im Motor zu starken Korrosionserscheinungen führen.
Ebenfalls kann im Verbrennungsmotor, durch den Eintrag von Ammoniak und Harnstoff, durch De-Novo-Synthese Lachgas gebildet werden. Lachgas ist ein etwa dreihundertmal so starkes Treibhausgas wie Kohlendioxid. Darüber hinaus geht es in die Stickoxidbilanz bei der Emissionsmessung des Motorenabgases ein.
Ammoniak kann mittels saurer Waschflüssigkeit (z.B. mit Schwefelsäure angesäuertem Waschwasser) abgeschieden werden. Hierbei bildet sich gut wasserlösliches Ammoniumsulfat. Harnstoff ist ebenfalls gut wasserlöslich.
Der Waschflüssigkeitskreislauf kann durch Ausschleusung eines Teilstromes und Nachspeisung von frischer Waschflüssigkeit regeneriert werden. Da sowohl Ammoniumsulfat als auch Harnstoff in der Landwirtschaft als Stickstoffdünger verwendet werden, bestehen sinnvolle Einsatzmöglichkeiten für den ausgeschleusten Teilstrom der Waschflüssigkeit.
Vorzugsweise hat die Hauptstufe 22 zumindest einen Gaswäscher, insbesondere Hochleistungsgaswäscher, wobei zur Gruppe der Gaswäscher alle Hochleistungsgaswäscher und zudem Dynamikwäscher, benetzte Ventilatoren, Füllkörperkolonnen (z.B. auch mit Holzwolle oder -späne als Füllkörper), Sprühwäscher und Quenchen gehören. Zur Gruppe der Hochleistungsgaswäscher werden ein- oder mehrstufige Rotationswäscher, Venturiwäscher (insbesondere mit fester oder verstellbarer Venturikehle bzw. verstellbarem Kehlenquerschnitt), Multiventuriwäscher, Desintegrationswäscher und Bayer-Reither-Wäscher gezählt.
Die zusätzliche externe Flüssigkeitsbeaufschlagung kann in Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromrichtung zum Gasfluss stattfinden. Die zusätzliche externe Flüssigkeitsbeaufschlagung kann mit Wasser, Heizöl, Pflanzenöl, Biodiesel oder einer anderen Flüssigkeit stattfinden. Optional sind mehrere Filterebenen vorhanden, in denen zumindest zum Teil unterschiedliche Benetzungsflüssigkeiten eingesetzt werden. Optional ist mindestens einer Stufe, z.B. dem Filter 24, ein Tropfenabscheider nachgeschaltet. Optional besteht das Filtermaterial zumindest überwiegend aus kleinteiligem Material, wie z.B. (Aktiv-)kohle, Blähton, Schaumstoff, kleinteiligem Filtermaterial. Vorzugseise ist das Filtermaterial 26 austauschbar, insbesondere während des Betriebes erneuerbar. Vorzugseise wird Filtermaterial mit einer mittleren Schichtdicke von mindestens 2 Millimeter, insbesondere von mehr als 50 Millimeter verwendet wird und insbesondere mit 20 bis 40 cm Schichtdicke verwendet. Daten Glaswolle (www.isover.de): Raumgewichte unverdichtet: im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m³, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m³ mit einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm. Raumgewichte verdichteter Glaswolle: bis 80 kg/m3 (unter anderem für Anwendungen, die eine erhöhte Druckfestigkeit erfordern, wie bei der Dachisolation). Daten Steinwolle (www.rockwool.de): Raumgewichte unverdichtet: 30 bis 40 kg/m3. Mittlerer Faserdurchmesser: 2 bis 9 µm. Raumgewichte verdichteter Steinwolle: 80 bis 170 kg/m3 (Anwendung für Brandschutz und Schallisolierung), wie im Filter 24 eingesetzt. Der Druckverlust, wie vom Sensor 62 erfasst, beträgt: Trockene Betriebsweise: sauberer Zustand: 1 mbar, verschmutzter Zustand kurz vor Wechsel: 7 mbar. Nasse Betriebsweise: Druckverlust von 25 mbar (Spanne: 15 bis 50 mbar).
Die Verteilung der Verschmutzung innerhalb des Filtermaterials ist wie folgt:

Zur Bestimmung des Verschmutzungsvorganges wurden drei Glaswollmatten, die im Neuzustand eine Höhe von 100 mm und ein Raumgewicht von 16 bis 25 kg/m³ haben, zur Feinreinigung von Holzgas eingesetzt. Aus den drei Matten wurden gleichgroße Probestücke geschnitten und getrocknet. Die Trocknung erfolgte bei Raumtemperatur mit einem Trocknungsmittel, da bei thermischer Trocknung mit einem hohen Verlust an leichter flüchtigen Teerbestandteilen zu rechnen wäre. Durch Bestimmung der Materialdichten der verschmutzten im Vergleich zu einer sauberen Glaswollmatten wurde die Einlagerung von Staub und Teer in den einzelnen Materialtiefen bestimmt. Von der Rohgasseite aus betrachtet wurden in den ersten 10 bis 20 mm etwa 55%, in den ersten 100 mm etwa 30%, zwischen 100 und 200 mm gut 10% und zwischen 200 und 300 mm etwa 5% der insgesamt abgeschiedenen Mengen an Staub und Teer nachgewiesen (die Höhenangaben beziehen sich auf den sauberen Einbauzustand, das Zusammensinken des Filtermaterials wird für diese Betrachtung bewusst vernachlässigt).

Der Druckverlust über die Filterschichten ist beispielhaft wie folgt gegeben:

Bei sauberer Glaswolle (drei Schichten à 100 mm, 16 bis 25 kg/m³) steigt der Druckverlust bei Durchströmung des trockenen sauberen Materials nur geringfügig an. Bei einer Gasflussrate von 3 m/Min. Beträgt der Druckverlust knapp 0,5 mbar (Prüfen O-Daten) und steigt bei einer Verdoppelung der Anströmgeschwindigkeit nur auf gut 1 mbar (Prüfen, O-Daten) an. Bei einmaliger Benetzung der sauberen Glaswolle mit 25 Litern Wasser pro Quadratmetern Anströmfläche erhöht sich der Druckverlust nur geringfügig gegenüber dem trockenen Zustand. Selbst bei Verdoppelung der Benetzung erhöht sich der Druckverlust für die beiden Anströmgeschwindigkeiten gegenüber dem trockenen Zustand nur um etwa 1 mbar.

Bei einer mäßig stark verschmutzten Gaswollschicht (Original: drei Schichten à 100 mm, 16 bis 25 kg/m³, insgesamt ca. 80 kg/m³ Staub und Teer, abgetrocknet, jedoch mit Restfeuchte) liegt der Druckverlust nach durch Lagerung getrockneten Matten ohne zusätzliche Benetzung bei einer Anströmgeschwindigkeit von 3 m/Min mit 4,5 mbar bereits deutlich höher als bei den sauberen Matten. Durch zusätzliche Benetzung mit 50 Litern Wasser pro Quadratmeter Anströmfläche steigt der Druckverlust bei dieser Anströmgeschwindigkeit auf über 6 mbar.
Die Reingasmessung ist wie folgt gegeben:

Zur Bestimmung der Abscheideleistung der erfindungsgemäßen Feinreinigung wurden Messungen eines externen Dienstleisters an einer Holzgasanlage durchgeführt.

Die Holzgasanlage besteht im Wesentlichen aus einem 70 kW_el Holzvergaser nach dem Prinzip Imbert und einer nassen Vorreinigung des Gases mit wasserbeaufschlagten Rotationswäschern. Bei diesen Messungen wurde der Gehalt an Staub und Teer im Reingas als Summenparameter bestimmt. Hierzu wurden gemäß den Vorschiften der VDI-Richtlinie 2066/1 isokinetisch Gasproben aus dem Reingas genommen. Die Entnahmefilter wurden bei Raumtemperatur mit einem Trocknungsmittel getrocknet um den Verlust an leicht flüchtigen organischen Teerbestandteilen zu minimieren. Es wurden Reingaswerte bis unter 0,5 mg/ m³ _N nachgewiesen. Selbst kurz nach einem Neustart der Anlage betrugen die Reingaswerte noch unter 1 mg/ m³ _N.
Die Entnahme des Rohgases am Holzvergaser konnte konstruktionsbedingt nicht isokinetisch erfolgen. Daher wurden hier die Gasproben außerhalb des Regelwerks der VDI-Richtlinie 2066/1 genommen. Der Mittelwert der gezogenen Gasproben wies eine Staub- und Teerbeladung von gut 2 g/ m³ _N auf. Die auf die Mittelwerte der Roh- und Reingasmessungen bezogene Reinigungsleistung beträgt damit 99,97%.
Der Anmelder behält sich vor, beliebige Merkmale und Untermerkmale aus der obigen Beschreibung und/oder aus den Ansprüchen miteinander in beliebiger Weise zu kombinieren.

Claims

Verfahren zur Reinigung eines Produktgases, welches durch Aufbereitung von Biomasse erzeugt wird, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: - Erzeugung eines Produktgases durch thermochemische Konversion von Biomasse in einem Reaktor (20), - Ableiten des erzeugten Produktgases aus der Erzeugung und Zuführen in eine nass arbeitende Gashauptreinigungsstufe (22), wobei das Produktgas in der Gashauptreinigungsstufe (22) bis mindestens zu seiner Kühlgrenztemperatur kleiner 90°C abgekühlt wird, - Zuleiten des nun auf eine Schmutzfracht von maximal 10% gereinigten Produktgases in ein nass betriebenes Filter (24), wobei dem wesentlichen Teil eines Tiefenfiltermaterials (26 bzw. 26a) des Filters (24) im Verhältnis zum wesentlichen Teil des Tiefenfilters radialsymmetrisch angeordnete Vorabscheiderschichten (26d) vorgeschaltet sind, welche vertikal gegenüber dem Filter (24) angeordnet sind, und - Zurverfügungstellen des so gereinigten Produktgases für einen Verbraucher.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas in der Gashauptreinigungsstufe (22) bis mindestens unter 50°C, abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der nass arbeitenden Gashauptreinigungsstufe (22) mindestens 95% der Schmutzfracht mit einem Durchmesser von 1 µm abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Wiederaufheizung des Produktgases über die Kühlgrenztemperatur des Produktgases zwischen der Gashauptreinigungsstufe (22) und dem nass betriebenen Filter (24).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit zusätzlicher externer Befeuchtung mit Waschflüssigkeit, rohgas- und/oder reingasseitig betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche externe Befeuchtung mit Waschflüssigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Befeuchtung mit Dampf erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial des nass betriebenen Filters (24) bei einer Anströmgeschwindigkeit des Produktgases im Betriebszustand von 0,2 bis 20 Metern pro Minute, angeströmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche externe Befeuchtung des Tiefenfiltermaterials (26 bzw. 26a) über eine zusätzliche externe Flüssigkeits- und/oder Dampfaufgabe erfolgt, wenn der betriebsbedingte Druckverlust einen Minimalwert unterschritten hat.
Filtereinrichtung (24), welche dazu eingerichtet ist, nass betrieben zu werden, zur Verwendung mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein faseriges Tiefenfilter, das mindestens 1,5 kg Fasern pro Quadratmeter Anströmfläche aufweist welches dazu eingerichtet ist, - nass betrieben zu werden, - mit einer Anströmgeschwindigkeit eines Produktgases im Betriebszustand von 0,2 bis 20 Metern pro Minute angeströmt zu werden, und - im Betrieb differenzdruckgesteuert mittels einer zusätzlichen externen Flüssigkeits- und/oder Dampfaufgabe nachbefeuchtet zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem wesentlichen Teil eines Tiefenfiltermaterials (26 bzw. 26a) der Filtereinrichtung (24) im Verhältnis zum wesentlichen Teil der Filtereinrichtung (24) radialsymmetrisch angeordnete Vorabscheiderschichten (26c bzw. 26d) vorgeschaltet sind, welche vertikal gegenüber der Filtereinrichtung (24) angeordnet sind.
Filtereinrichtung (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese überwiegend Glaswolle als faseriges Tiefenfiltermaterial (26 bzw. 26a) aufweist.
Filtereinrichtung (24) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaswolle einen mittleren Faserdurchmesser von 2 bis 30 µm, mit einem Raumgewicht beim Einsatz, unverschmutzt und trocken mit 12 bis 75 kg/m³, und mit einer Schichtdicke von 20 bis 100 cm im trockenen Neuzustand als Tiefenfilter aufweist.
Filtereinrichtung (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese überwiegend Steinwolle sowie auch Aluminiumsilikatfasern, Schafwolle, Filze, Hanf, Flachs oder Kokosfasern als faseriges Tiefenfiltermaterial (26 bzw. 26a) aufweist.
Filtereinrichtung (24) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Tiefenfiltermaterials im eingebauten Zustand im sauberen und trockenen Neuzustand in Richtung des Gasflusses zunimmt.
Filtereinrichtung (24) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (26 bzw. 26a) zumindest teilweise in Form von Kassetten (55 bzw. 55a) oder Patronen (78) gepackt ist.
Filtereinrichtung (24) einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch Auspressvorrichtungen zumindest für Waschflüssigkeit aus den wesentlichen Teilen des Tiefenfiltermaterials (26 bzw. 26a), um eine Demontage zu erleichtern.