DE102016207538A1

DE102016207538A1 - Rostloser Hochtemperatur-Holzvergaser

Info

Publication number: DE102016207538A1
Application number: DE102016207538.1A
Authority: DE
Inventors: Norbert Lehmann
Original assignee: Howast Holz-Warme-Strom GmbH
Current assignee: Howast Holz-Warme-Strom GmbH
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-05-03
Also published as: EP3241881A1; DE102016207538B4

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Vergasung von Biomasse, insbesondere Holzspänen oder Holzpellets, die einen Steuerkopf, ein vertikales Vergasungsrohr, ein horizontales Querrohr und ein vertikales Endrohr aufweist. Der Steuerkopf steuert die Zufuhr des Brennstoffs am oberen Ende des Vergasungsrohres. Der Vergasungsprozess erfolgt im vertikalen Vergasungsrohr. Das Rohgas wird über das horizontale Querrohr am unteren Ende des Vergasungsrohres abgezogen. In dem Querrohr bewegt eine Räumschnecke auch die Reststoffe des Vergasungsprozesses zum vertikalen Endrohr. Im vertikalen Endrohr trennen sich Feststoffe und Rohgas. Das Rohgas wird einer Gasreinigung und -kühlung sowie nachfolgend einer Verwertung zugeführt.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung (im Folgenden auch als Holzvergaser bezeichnet) zur Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holz, in ein brennbares Gas und diverse Abprodukte.
Die Erzeugung eines brennbaren Gases aus Biomasse, insbesondere Holz, ist ein bekanntes Verfahren und wird häufig mittels Holzvergasungsanlagen umgesetzt. Das erzeugte Gas wird meist gereinigt und einer Nutzung zugeführt. Die Nutzung erfolgt vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk (Gasmotor mit Generator) durch Umwandlung der im Gas enthaltenen Energie in Strom und Wärme.
Die bei der Biomassevergasung auftretenden chemischen Reaktionen, wie Pyrolyse, Oxidation und Reduktion, sind für alle Arten von Holzvergasungsanlagen ähnlich. Meist finden diese Reaktionen in Reaktionszonen, die übereinander oder nebeneinander in einem oder mehreren Reaktionsbehältern angeordnet sind, statt.

Die Lage der Reaktionszonen (Pyrolyse, Oxidation und Reduktion) richtet sich dabei nach dem Vergasertyp. Diese werden nach dem Fluss des Brennstoffs im Verhältnis zum Fluss des erzeugten Rohgases unterschieden:

Gleichstromvergaser:	der Brennstoff und das Rohgas bewegen sich in die gleiche Richtung
Gegenstromvergaser:	der Brennstoff und das Rohgas bewegen sich in entgegengesetzter Richtung
Querstromvergaser:	die Fließrichtung zwischen Brennstoff und Rohgas ist um 90° versetzt

Die heute gebräuchlichsten Holzvergaser sind die Gleichstromvergaser. Allen voran der so genannte Imbert Vergaser, benannt nach seinem Erfinder, Georges lmbert.
Dieser Holzvergaser wurde um 1920 entwickelt, ist sehr gut dokumentiert und heute mit den unterschiedlichsten Modifikationen der am häufigsten im Einsatz befindliche Holzvergaser.
Als Beispiel für diesen Vergasertyp wird hier die WO 2008/006049 A2 angeführt. Die Zufuhr des Brennstoffs erfolgt über eine zweistufige Schneckenförderung, wobei den Schnecken eine Luftschleuse zwischengeschaltet ist. Der Brennstoff gelangt dann in einen Reaktionsbehälter, in dem die Pyrolyse, die Teeraufspaltung und die Kohlevergasung erfolgen. Der mittlere Teil des Reaktionsbehälters dient der Teeraufspaltung und ist als perforierte Wandung mit einer äußeren umlaufenden Kammer ausgeführt. Der untere Teil dient der Kohlevergasung. Die aus dem Oberteil nach unten sackende Kohle lagert auf einem starren Rost, durch den das entstandene Gas ab- und einer Reinigung zugeführt wird. Zur Reinigung wird ein Zyklon eingesetzt. Das Anheizen erfolgt mittels einer Propangasheizung.
Trotz seiner langen Entwicklungszeit besitzt der lmbert Vergaser eine Reihe von unerwünschten Eigenschaften, die heute zwar weitestgehend behoben sind, dazu aber einen hohen technischen Aufwand erfordern.
Der Vergasungsprozess findet in einem luftdicht geschlossenen Reaktor statt, die notwendige Luftzufuhr erfolgt über einen Düsenkranz, die kontinuierliche Förderung von Brennstoff muss über ein Schleusensystem erfolgen, wie in der WO 2008/006049 A2 beispielhaft durch die zweistufige Schneckenförderung und die Luftschleuse realisiert.
In dem verschlossenen Reaktor können sich Brennstoffbrücken bilden, die den Prozess durch Brennstoffmangel zum Abbruch bringen
Im Bereich der Luftdüsen muss eine sehr hohe Temperatur bei der Oxidation entstehen, damit die Teerbestandteile der Biomasse gespalten werden – der Brennstofffluss ist im Bereich der Luftdüsen schwer kontrollierbar und hängt auch von der Beschaffenheit des Brennstoffes ab, die Aufspaltung der Teerbestandteile ist nicht immer sichergestellt – eine aufwendige Teerfilterung ist nötig.
Unterhalb der Reduktionszone befindet sich ein Rost, unter dem das Rohgas abgesaugt wird – im Betrieb können sich aus der Holzasche Klinker bilden und diese, wie auch Verschmutzungen im Brennstoff (Steine, Nägel ...), das Rost zusetzen – der Vergasungsprozess muss dann zur Reinigung des Rostes abgebrochen werden.
Wie erwähnt, existiert eine Vielzahl von Lösungen, die die unerwünschten Eigenschaften des lmbert Vergasers kompensieren. Der dafür nötige technische Aufwand treibt jedoch die Kosten dieser Anlagen in die Höhe. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist es daher notwendig, die Anlagenleistung entsprechend hoch auszulegen. Derzeit liefern die kleinsten industriell genutzten Holzvergaser eine elektrische Leistung von ca. 20kW und eine thermische Leistung von ca. 50–60kW bzw. Elektroenergie von 20kWh und Wärmeenergie von ca. 50–60kWh. Mögliche Kleinbetreiber, deren Leistungsbedarf unterhalb der genannten Zahlen liegt, sind bei diesen Leistungen ausgeschlossen.
Es stellt sich somit die Aufgabe, einen wirtschaftlich arbeitenden Holzvergaser für Abnehmer mit einem Energiebedarf unterhalb von ca. 20kW und einer thermischen Leistung von ca. 50–60kW bzw. Elektroenergie von 20kWh und Wärmeenergie von ca. 50–60kWh anzubieten. Der Holzvergaser soll robust, einfach zu bedienen und im intermittierenden Betreib nutzbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.
Der erfindungsgemäße Holzvergaser besteht aus einem Vergaserrohr mit auf diesem aufgesetzten Steuerkopf mit Brennstoffzufuhr. An das senkrechte Vergaserrohr schließt sich nach unten hin ein waagerechtes Querrohr an. In dem Querrohr verläuft eine Förderschnecke. Am Ende des Querrohres, das in Förderrichtung der Schnecke liegt, ist ein senkrechtes Endrohr angeordnet.
Die Brennstoffzufuhr erfolgt über einen Einfülltrichter für den Brennstoff, der am oberen Ende des Vergaserrohres gemeinsam mit dem Steuerkopf angeordnet ist. Der Brennstoff wird in den Einfülltrichter geschüttet bzw. durch eine geeignete Vorrichtung zugeführt. Dazu können bspw. Förderbänder oder Förderschnecken dienen. Als Brennstoff kommen bevorzugt Holzpellets oder Holzschnitzel zum Einsatz. Besonders bevorzugt werden als Brennstoff für den erfindungsgemäßen Holzvergaser Holzpellets oder Holzhackschnitzel mit der Größe G30 genutzt. Prinzipiell sind jedoch auch andere Stückungen geeignet.
Der gesamte Steuerkopf mit dem Einfülltrichter ist bevorzugt drehbar auf dem Vergaserrohr aufgesetzt und kann frei um 360° um die Längsachse des Vergaserohres gedreht werden.
Der Steuerkopf weist eine in der Höhe verstellbare Zündeinrichtung, einen Fotosensor, einen Füllstandssensor (bevorzugt mechanisch), einen Brennstoffverdichter und einen Füllstandsmotor auf.
Die Zündeinrichtung dient der Inbetriebnahme der Vergasungsvorrichtung. Bevorzugt kommen dazu keramische Heißluftdüsen zum Einsatz. Es sind jedoch auch andere entsprechende Vorrichtungen aus dem Stand der Technik geeignet.
Mittels des Fotosensors wird erkannt, ob der Zündvorgang durch die Zündeinrichtung erfolgreich war, d.h. ob der Vergasungsprozess begonnen hat. Weiter wird der Fotosensor zum Erkennen des Ausschaltpunktes des Holzvergasers verwendet.
Der Füllstandssensor erkennt den Füllstand im Vergaserrohr. Der Füllstandssensor ist im Steuerkopf angeordnet und fungiert auch als Brennstoffverdichter. Dazu weist der Füllstandssensor an seinem unteren Ende einen Kugelkopf auf. Der Füllstandssensor wird durch einen am Füllstandsmotor angebrachten Exzenter kontinuierlich angehoben und auf das Glutbett im oberen Teil des Vergaserrohrs (Pyrolyse/ Oxidationsrohr), unterhalb des Einfülltrichters, aufgesetzt. Sinkt das Glutbett in Folge der Holzvergasung ab, wird dies durch den Füllstandssensor erkannt und eine geringe Menge Brennstoff wird durch eine externe Fördereinrichtung zugeführt. Aufgrund der Einstellung des Füllstandssensors wird immer nur so viel Brennstoff zugeführt, wie auch sofort oxidiert werden kann, ohne eine Verringerung der Temperatur im Glutbett herbeizuführen. Das Aufsetzen des Kugelkopfes des Füllstandssensors erfolgt mit einer einstellbaren Kraft. Dabei kommt es zu einer oberflächlichen Verdichtung des Brennstoffes. Diese Homogenisierung erzeugt ein gleichmäßiges Glutbett und verhindert wirkungsvoll Hohlbrände. Die Aufsetzkraft ist abhängig von der Struktur des Brennstoffes. Bei Holzpellets wird nur eine sehr geringe Aufsetzkraft benötigt, bei Holzhackschnitzel ist diese Kraft wesentlich höher. Der Füllstandssensor ist bevorzugt in der Höhe verstellbar. In einer ersten besonders einfachen Ausführungsform wird der Füllstandsensor über einen Exzenter vom Füllstandsmotor kontinuierlich angehoben und auf dem Glutbett aufgesetzt. Ein Absinken des auf dem Glutbett aufsitzenden Kugelkopfes wird dabei als Signal zur Brennstoffförderung verwendet. Eine fortgeschrittene Ausführungsform sieht eine elektronische Füllstandsüberwachung und die weitere Verarbeitung über eine Datenverarbeitungsvorrichtung vor.
Statt eines Kugelkopfes können auch ähnliche Vorrichtungen, wie bspw. stempelförmige oder halbkugelförmige Aufsätze genutzt werden, die in dieser Anmeldung unter dem Begriff „Kugelkopf“ subsummiert sind.
Das Vergaserrohr besteht bevorzugt aus zwei Teilen unterschiedlichen Durchmessers.
Der erste, obere Teil, ist ein Rohr mit einem wesentlich größeren Durchmesser (Pyrolyse/Oxidationsrohr), als der dann folgende untere, jedoch ebenfalls rohrförmige Teil. Der obere Teil ist am Boden mit einer Platte verschlossen. In der Mitte der Platte befindet sich ein Loch, bevorzugt mit dem gleichen Innendurchmesser wie das obere Ende des auf dem Querrohr sitzenden unteren Teils des Vergaserrohres. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Übergang vom oberen Teil zum unteren Teil nicht durch eine Platte, sondern durch ein trichterförmiges Übergangsstück, in dem sich der Durchmesser von dem des oberen Teils zu dem des unteren Teils verjüngt.
Im oberen Teil des Vergaserrohres (großer Durchmesser) läuft die Pyrolyse und Oxidation ab. Von der Reaktionsfläche (Rohrdurchmesser) wird die erzeugte Gasmenge in Abhängigkeit vom Brennstoff bestimmt. Bei der Verwendung von Holzpellets kann ein kleinerer Durchmesser gewählt werden, bei der Verwendung von Holzhackschnitzel wird ein größerer Durchmesser benötigt, da Holzpellets verdichtetes Holz sind und bei geringerem Volumen einen höheren Energiegehalt aufweisen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der obere Teile des Vergaserrohres austauschbar. Insbesondere können obere Teile des Vergaserrohres mit unterschiedlichen Innendurchmessern genutzt werden. Dies ermöglicht vorteilhaft die Anpassung an unterschiedliche Brennstoffe. Zu beachten ist dabei, dass die Verbindung zwischen oberem Teil des Vergaserrohres und dem unteren Teil gasdicht erfolgt.
Der untere, auf dem Querrohr sitzende Teil des Vergasersrohres ist bevorzugt als sich nach unten erweiternder Kegelstumpf ausgebildet. Das Verhältnis der Grundfläche zur Deckfläche beträgt mindestens 1,1:1, bevorzugt mindestens 1,5:1 und ganz besonders bevorzugt mindestens 2,5:1. Besonders bevorzugt ist der untere Teil des Vergaserrohres so ausgeführt, dass im Querschnitt der Durchmesser, der parallel zur Längsachse des Querrohres verläuft größer ist, als der Durchmesser, der senkrecht zur Längsachse des Querrohres ausgerichtet ist. Dies wird erreicht, indem der Kegelstumpf seitliche Abflachungen aufweist oder im Querschnitt oval geformt ist. So bildet der auf dem Querrohr aufsitzende Teil des Vergaserrohres eine längliche Übergangsöffnung zum Querrohr aus. Die größere Längserstreckung der Übergangsöffnung verläuft dabei parallel zur Längsachse des Querohres. Im Querschnitt des unteren Teils des Vergaserrohres ist im Bereich des Überganges des Vergaserrohres zum Querrohr das Verhältnis des Durchmesser, der parallel zur Längsachse des Querrohres verläuft zu dem Durchmesser, der senkrecht zur Längsachse des Querrohres ausgerichtet ist mindestens 1,1:1, bevorzugt mindestens 1,5:1 und ganz besonders bevorzugt mindestens 2:1. Der Durchmesser, der senkrecht zur Längsachse des Querrohres verläuft, übersteigt den Durchmesser des Querrohres nicht.
Der größere Durchmesser des unteren Teils des Vergaserrohres ist im Bereich der Übergangsöffnung mit dem Querrohr verbunden, bevorzugt verschweißt.
Im unteren Teil des Vergaserrohres erfolgt die Reduktion des Gases. Der komplette Reaktionsprozess ist im Wesentlichen an der Verbindungsstelle zum Querrohr abgeschlossen. Die spezielle Ausführung als Kegelstumpf mit seitlichen Abflachungen bzw. ovalem Querschnitt verbessert das Fließverhalten der Restholzkohle und verhindert wirkungsvoll Hohlbrände. Weiterhin hat sich überraschend gezeigt, dass die Förderung reibungsloser und ohne eine unerwünschte, den Gasfluss reduzierende, zusätzliche Verdichtung der Holzkohle beim Übergang vom Vergaserrohr zum Querrohr möglich wird.
Durch diese spezielle Ausführung des Vergaserrohres baut sich darin ein Gleichgewicht zwischen der in der Reduktion verbrauchten Holzkohle und der fein dosierten Brennstoffzufuhr auf. Das heißt, das Glutbett bleibt auf einem konstanten Höhenniveau im Vergaser. Wichtig ist, dass nur so viel Brennstoff zugeführt wird, wie Rohgas produziert und Holzkohle verbraucht wird. Die Kontrolle dafür erfolgt durch den Füllstandssensor/ Brennstoffverdichter wie oben beschrieben.
Im erfindungsgemäßen Vergaserrohr erhält man ein hell glühendes Glutbett mit Temperaturen von ca. 1200°C. Der Vergaser wird zu einem Festbettvergaser mit einem fixierten Glutbett. Der fein dosierte Brennstoff gelangt in dieses heiße Glutbett und durchläuft sofort die Pyrolyse und Oxidation d.h. er wird sofort umgesetzt. Durch die fein dosierte Brennstoffzufuhr wird auch erreicht, dass die Temperatur im Glutbett nicht absinkt. Dies führt weiter dazu, dass im Holz enthaltene Teere durch die hohen Temperaturen sofort aufgespalten werden. Das erzeugte Rohgas ist so teerfrei. Vorteilhaft ist daher keine weitere Nachbehandlung zur Teerabscheidung notwendig.
Bevorzugt bestehen alle Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus hitzefestem Edelstahl und sind miteinander verschweißt.
An das untere Ende des unteren Teils des Vergaserrohres schließt sich das waagerecht verlaufende Querrohr an. Im Querrohr befindet sich die Räumschnecke. Diese ist im Endrohr gelagert. Das freie Wellenende der Räumschnecke ist durch eine gasdichte Stopfbuchse geführt und über eine Kupplung mit dem Räummotor verbunden, der die Räumschnecke antreibt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Teil der Räumschnecke, der in das Endrohr hineinragt, keine Gänge auf. Die dann glatte Achse der Räumschnecke kann optional durch einen Abstreifer von Anhaftungen befreit werden.
Die Windungen der Räumschnecke sind mit Holzkohle gefüllt, die beim Abschluss des Reduktionsprozesses als Reststoff anfällt. Da die Gänge der Räumschnecke nur einen geringen Abstand zur Wandung des Querrohres aufweisen (bevorzugt geringer als 3 mm, besonders bevorzugt geringer als 1,5 mm), wird das Rohgas durch die Windungen der Räumschnecke und die dort befindliche Restholzkohle geführt, d.h. das Rohgas durchläuft die Windungen der Räumschnecke mit der darin enthaltenen Holzkohle um die Räumschneckenachse umlaufend. Hier erfolgt eine, aufgrund der niedrigeren Temperatur langsamer verlaufende, fortgesetzte Aufspaltung letzter noch im Rohgas enthaltener Teerreste.
Die Windungen der Räumschnecke mit der Restholzkohle fungieren bei diesem Vergaser als natürlicher Rost, d.h. der im Vergaserrohr befindliche Brennstoff stützt sich auf den Windungen der Räumschnecke und der Holzkohle ab.
Die Steigung der Räumschnecke ist bevorzugt auf den Brennstoff ausgelegt. Holzpellets bestehen aus gepresstem Sägemehl und zerfallen nach der Holzvergasung in kleinste Holzkohlestückchen und viel Holzkohlenstaub. Bei diesem Brennstoff wird eine kleine Steigung der Räumschnecke verwendet. Bei Holzhackschnitzeln verbleiben größere Holzkohlestücke und die Steigung der Räumschnecke kann größer gewählt werden.
Im Laufe des Vergaserbetriebes lagern sich Kohlenstaub, Asche und evtl. Fremdkörper in dem Holzkohlebett der Räumschnecke ab. Mit dem an der Räumschnecke angebauten Räummotor wird durch kurze Drehimpulse die überschüssige Holzkohle mit den enthaltenen Reststoffen (Kohlenstaub, Asche und evtl. Fremdkörper) in den Reststoffbehälter unterhalb des Endrohres befördert. Die Förderung der überschüssigen Holzkohle und der Reststoffe erfolgt somit diskontinuierlich.
Die Ansteuerung des Räummotors erfolgt unterdruckgesteuert. Im Laufe des Betriebes steigt der Unterdruck im Holzvergaser an, da immer mehr Holzkohle und Asche sich in den Gängen der Räumschnecke absetzt und vom Rohgas mitgeführte Asche- und Staubpartikel die Gaswegsamkeit der Holzkohle reduzieren. Der Unterdruck wird mittels eines Drucksensors erfasst und bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes erfolgt die Ansteuerung des Räummotors, so dass dieser kurze Drehimpulse ausführt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis sich wieder der Unterdruck des unverschmutzten Systems eingestellt hat. Bevorzugt ist der Drucksensor am Endrohr angeordnet. Optional weist das System mehrere Drucksensoren auf, die die Druckverhältnisse in den verschiedenen Abschnitten erfassen.
Die kurzen Drehimpulse erfolgen in längeren zeitlichen Abständen. Diese Ansteuerung hat keine oder nur geringste Auswirkungen auf den Vergasungsprozess selbst, insbesondere weil die Reduktion im Wesentlichen bereits im Vergaserrohr abgeschlossen ist.
Das Rohgas durchläuft den Bereich der Räumschnecke und gelangt in das wieder senkrecht verlaufende Endrohr. Hier dehnt sich das Gas aus und verliert damit einen Teil des Kohlenstaubs und der Ascheteile, die als Schwebstoffe im Gasstrom enthalten sind.
Reststoffe, wie Holzkohle, Kohlenstaub, Asche und Fremdstoffe werden durch die Räumschnecke in das Endrohr befördert und fallen dort in den Reststoffbereich. Dieser ist bevorzugt als luftdicht geschlossener Behälter ausgeführt. Die Reststoffe können dort bei Notwendigkeit aus dem System entfernt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der untere Teil des Endrohres als Reststoffbereich ausgeführt. Die Reststoffe können in dieser Ausführungsform bei Bedarf über Räumklappen entnommen oder über eine Schleuse (bspw. Zellradschleuse) abgezogen werden.
Am oberen Ende des Endrohres, dem Gasaustritt, verlässt das Rohgas den eigentlichen Vergaser und gelangt in eine Vorrichtung zur weiteren Abscheidung von Kohlenstaub und Asche. Bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Zyklon und/oder geeignete Filter nach dem Stand der Technik. Außerhalb des Holzvergasers wird das Rohgas weiter gereinigt und abgekühlt. Danach steht es als Brennstoff für ein Blockheizkraftwerk zur Verfügung. Die Bewegung des Rohgases durch den Vergaser und die anschließende Gasreinigung und – kühlung erfolgt bevorzugt mittels eines Saugzuges. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, das Rohgas mittels der Saugwirkung des nachgeschalteten Verbrennungsmotors zu bewegen. Kommt hier eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Asynchrongenerator zum Einsatz, kann der Asynchrongenerator vorteilhaft im Anfahrbetrieb als Motor den Verbrennungsmotor antreiben und somit die nötige Saugwirkung aufbauen. Mit der Produktion des ersten Gases treibt der Verbrennungsmotor den Asynchrongenerator an, der dann Elektroenergie erzeugt.
Wird eine andere Kombination aus Verbrennungsmotor und Generator verwendet, ist eine unabhängige Lösung für den Anfahrbetrieb des Holzvergasers zu nutzen. Bevorzugt wird dazu ein Seitenkanalverdichter in Verbindung mit einer Gasfackel verwendet. Wird das erste brennbare Gas erzeugt, wird das Gas zu dem Verbrennungsmotor umgeleitet und dieser über einen Anlasser gestartet
Nach dem Start des Holzvergasers steht nach ca. 3 Minuten das erste nutzbare Gas zur Verfügung.
Bei dem Betrieb mit der Kombination Verbrennungsmotor und Asynchrongenerator erkennt man am beginnenden Einspeisen von Elektroenergie in das Netz, dass der Holzvergaser gestartet ist.
Bei dem Betrieb über einen Seitenkanalverdichter und der Gasfackel wird das erste erzeugte Gas an der Gasfackel mit einer Hochspannungszündeinrichtung entzündet. Ein Temperatursensor erzeugt das Signal zum Umschalten und Starten des Verbrennungsmotors.
Das durch den erfindungsgemäßen Holzvergaser, mit seinen speziellen Eigenschaften erzeugte Gas ist sofort nach dem Start zur Energieerzeugung verwendbar.
In einer besonders einfachen bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Vorrichtung, indem der Füllstandssensor, der Drucksensor und der Zündsensor, unabhängig voneinander Regelkreise bilden. So prüft der Zündsensor den Zündzustand des Brennstoffs im oberen Teil des Vergasungsrohres und entzündet den Brennstoff mittels der Zündvorrichtung, falls ein Startsignal vorliegt und der Brennstoff noch nicht gezündet ist. Der Füllstandssensor arbeitet als Tastelement und detektiert den Füllstand im oberen Teil des Vergaserrohres. Die optimale Höhe des Füllstandes kann manuell mittels einer Höhenverstellung eingestellt werden. Der Sensor zur Füllstandshöhe detektiert ein Unterschreiten der voreingestellten Füllstandshöhe und initiiert die Zufuhr von Brennstoff in den Einfülltrichter. Das periodische Anheben des Füllstandssensors mit Kugelkopf durch den Füllstandsmotor mit Exzenter bewirkt eine Verdichtung des eingefüllten Brennstoffs. Der Drucksensor wiederum überwacht den Druck im Endrohr und initiiert die kurzzeitige Bewegung der Räumschnecke, falls ein zulässiger Unterdruck im Endrohr unterschritten wird.
Bevorzugt werden alle Funktionen des Holzvergasers mittels einer Datenverarbeitungsanlage, besonders bevorzugt einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), gesteuert und überwacht.
Die Datenverarbeitungsanlage erlaubt das manuelle oder automatische Starten des Holzvergasers und auch das manuelle oder automatische Herunterfahren. So ist es weitestgehend möglich, einen automatischen Betrieb zu gewährleisten. Betriebszustände, wie Temperatur, Druck und Wartungsintervalle werden erfasst, protokolliert und angezeigt. Auch die im System eingesetzten Sensoren liefern ihre Daten zur Speicherung und Verarbeitung an die Datenverarbeitungsanlage.
Bevorzugt sind die zentralen Komponenten des Holzvergasers wie, Vergaserrohr, Querrohr mit Räumschnecke und Endrohr gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet. Optional sind auch der Zyklon, und/oder der Reststoffbereich für den Holzvergaser und den Zyklon in dem Gehäuse untergebracht. Für den Fall, dass der Reststoffbereich nicht im Gehäuse angeordnet ist, sind vorteilhaft unterhalb des Vergasers Behälter oder ähnliches angeordnet. In diesen Behältern werden die Reststoffe der Vergasung gesammelt und bei Bedarf entfernt.
Zur Wärmeisolierung nach außen und zur Erhaltung einer hohen Oxidationstemperatur im Vergaserrohr ist das Gehäuse wärmegedämmt, bevorzugt mit Perlite aufgefüllt.
Die Leistung des erfindungsgemäßen Holzvergasers erreicht etwa 3–4 kWh Elektroenergie und ca. 10 kWh Wärmeenergie. Beides wird vorzugsweise in einem, dem Holzvergaser nachgeschalteten Blockheizkraftwerk erzeugt. Ein Einfamilienhaus benötigt ca. 20 kWh Elektroenergie am Tag. Somit ergibt sich eine Laufzeit von ca. 2 × 2,5 Stunden am Tag zur Erzeugung der nötigen Elektroenergie, die bevorzugt in einen Batteriespeicher gespeichert oder das öffentliche Netz eingespeist wird. Die Wärmeenergie wird vorzugsweise an einen Pufferspeicher übergeben.
Der Holzvergaser kann sowohl Elektro- als auch Wärmeenergie geführt betrieben werden. D.h., dass bei Bedarf einer dieser Energiearten der Holzvergaser gestartet und nach Erreichen der benötigten Menge gestoppt wird.
Weiterhin ist eine kontinuierliche Versorgung mit Brennstoff ohne Schleusensysteme möglich. Die Brennstoffzufuhr erfolgt so, dass sich keine Brücken und Hohlbrände bilden.
Die Temperatur in der Pyrolyse- und Oxidationszone ist vorteilhaft so hoch, dass Teerbestandteile sicher aufgespalten werden.
Da der Holzvergaser keinen Rost aufweist, sind Verunreinigungen, die den Vergaserbetrieb stören könnten, ausgeschlossen.
Aufgrund der zentralen Steuerung über eine Datenverarbeitungsanlage läuft der Holzvergaser weitestgehend automatisch. Der Wartungsaufwand ist gering.
Der Holzvergaser ist ein oben offenes System und ermöglicht somit eine kontinuierliche Beschickung mit Brennstoff.
Die genannten Vorteile ermöglichen einen wirtschaftlichen Betrieb auch unterhalb der Leistungsdaten der bekannten großtechnisch genutzten Holzvergaser. Zusammenfassend weist der erfindungsgemäße Holzvergaser die folgenden Vorteile auf:

• Der Holzvergaser ist ein oben offener Festbettvergaser mit einer sich selbst fixierenden Glutzone, in der Temperaturen von ca. 1200°C herrschen. Möglich wird dies durch die spezielle Ausführung des Vergaserrohres in Verbindung mit dem Füllstandssensor und der rostlosen Ausführung.
• Der Füllstandssensor ermöglicht eine Feindosierung des Brennstoffs
• Der Holzvergaser ist rostlos mit einer Räumschnecke ausgeführt, Reststoffe und Verschmutzungen werden aus dem System entfernt und können zu keinen Störungen führen.
• Die Prozessführung über den Unterdruck ermöglicht eine gleichmäßige Gaserzeugung.
• Die hohe Temperatur in der Glutzone bewirkt ein sofortiges Umsetzen des Brennstoffs.
• Teerbestandteile werden sofort aufgespalten, eine nachträgliche Teerfilterung ist nicht notwendig.
• Die spezielle Form des Vergaserrohres und die Verdichtung der Glutzone durch den Kugelkopf des Füllstandssensors verhindern Hohlbrände.
• Der Holzvergaser kann automatisch gestartet und gestoppt werden. Erstmals ist ein aussetzender Betrieb, Energiebedarfs geführt, eines Holzvergasers möglich.
• Der Holzvergaser kann sehr leicht an andere Brennstoffe und Gasmengen durch Verändern der Pyrolyse-Oxidationsfläche angepasst werden.
• Die technische Ausführung des Holzvergasers ermöglicht erstmals einen wirtschaftlichen Einsatz eines Holzvergasers geringer Leistung.

Figuren
1 zeigt schematisch die Hautkomponenten des erfindungsgemäßen Holzvergasers. Das obere Teil 1 des Vergaserrohres sitzt mittels der Bodenplatte 2 auf dem unteren Teil 3 des Vergaserohres auf. Deutlich erkennbar nimmt der Querschnitt des unteren Teils 3 des Vergaserrohres in Richtung auf das vertikal verlaufende Querrohr 4 zu. Im Querrohr 4 verläuft die Förderschnecke 5, auch Räumschnecke genannt, die durch die gasdichte Stopfbuchse 6 und über eine Kupplung mit dem Räummotor 7 verbunden ist. Die durch die Förderschnecke bewegten Reststoffe sowie das Rohgas gelangen zum Endrohr 8. Dort fallen die Reststoffe sowie Flugasche aufgrund der Schwerkraft durch den Übergang 9 in den Reststoffbehälter. Das Rohgas steigt im Endrohr 8 auf und wird über den Gasaustritt 10 der Reinigung, Kühlung und Verwertung zugeführt. (Klarstellung zur 1: das Endrohr 10 stellt keine Verbindung zum unteren Teil 3 des Vergaserrohres her.)
2 zeigt schematisch den Steuerkopf 11 und die dort angeordneten Vorrichtungsteile. Der Steuerkopf 11 ist um 360° um seine vertikale Achse drehbar und sitzt auf dem oberen Teil des Vergaserrohres auf. Über den Einfülltrichter 12 wird der Vorrichtung der Brennstoff zugeführt, Der Füllstandssensor (Kugelkopf) 15 wird durch den Füllstandsmotor 16 und den Exzenter 17 periodisch angehoben und abgesenkt. Der Kugelkopf 15 sitzt auf der Brennstoffoberfläche auf und ermittelt so die Füllhöhe im Vergaserrohr. Die angestrebte Füllstandshöhe kann mittels der Füllstandshöhenverstellung 18 vorgewählt werden. Beim Unterschreiten dieser Füllstandshöhe wird über den Füllstandssensor (Kugelkopf) 15 und den Sensor zur Füllstandshöhe 19 die Brennstoffförderung aktiviert und Brennstoff rieselt durch den Einfülltrichter 12 nach.
Der Fotosensor 14 liefert Informationen über den Zündzustand des Brennstoffes. Zu Betriebsbeginn kann mittels der Zündvorrichtung 13 der Brennstoff im oberen Teil des Vergaserrohres entzündet werden.
3 zeigt schematisch die Anordnung des Vergasers in einem Gehäuse 22. Dieses weist im unteren Teil einen Reststoffsammelbehälter 21 auf. Aus diesem werden über die verschließbare Öffnung 20 die Reststoffe des Vergasungsprozesses abgezogen. Wenn kein Abzug der Reststoffe erfolgt, ist die Öffnung 20 gasdicht verschlossen.
Ausführungsbeispiel
Die gesamte Konstruktion ist in einem Gehäuse 22 aus Baustahl (2mm Wandstärke) angeordnet. Der obere Teil 1 des Vergaserrohrs besteht aus hitzefestem Edelstahl 1.4828 und hat einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Innendurchmesser von 125 mm. Die Höhe des oberen Teils 1 des Vergaserrohres beträgt 300 mm. Über eine Bodenplatte 2 mit einer kreisförmigen Öffnung (Durchmesser 83 mm) gelangen die Pyrolysegase aus dem oberen Teil 1 des Vergaserrohres in den unteren Teil 3 des Vergaserrohres. Der untere Teil 3 des Vergaserrohres erweitert sich nach unten von einer Querschnittsfläche von 54 cm² zu einer Querschnittsfläche von 79 cm², wobei beim Übergang in das Querrohr 4 ein seitliche Abflachung des unteren Teils 3 des Vergaserrohres gewährleistet, dass die Breite des Überganges zum Querrohr 4 dessen Durchmesser nicht übersteigt. Das Querrohr 4 weist einen Innendurchmesser von 83 mm auf. Im Querrohr 4 verläuft die Förderschnecke 5 (Räumschnecke) mit einem Anstieg von 50 mm und einem Abstand zur Wandung des Querrohres 4 von 1,5 mm. Als Räummotor 7 kommt ein Schneckengetriebe-Motor zum Einsatz. Rohgas und Reststoffe erreichen das vertikale Endrohr 8, das einen quadratischen Querschnitt von 100 mm. aufweist. Der Abzug des Rohgases erfolgt über den Gasaustritt 10 der einen Durchmesser von 25,4 mm. aufweist. Dem Gasaustritt 10 sind die Gasreinigung und -kühlung sowie ein Motor zur Verwertung nachgeschaltet.
Die Gasreinigung besteht aus zwei Reinigungsstufen. Die erste Reinigung erfolgt in einem Zyklon und die zweite Reinigung in einem Schlauchfilter. Im Schlauchfilter werden mehrere Filterschläuche auf Stützkörpern eingesetzt. Als Filtermaterial wird Aramidfilz verwendet. Beide Filterstufen sind Heißgasfilter.
Die anschließende Gaskühlung erfolgt in einem Rohrbündelwärmetauscher.
Das gereinigte und gekühlte Prozessgas wird dann in einem Gasmotor zum Antrieb eines Generators verwendet. Hierbei handelt es sich um Bauteile aus dem Stand der Technik.
Der obere Teil 1, die Bodenplatte 2 und der untere Teil 3 des Vergaserrohres sowie das Querrohr 4 bestehen aus Edelstahl 1.4828. Das Endrohr 8, der Gasaustritt 10, die Flansche sowie die Stopfbuchse 6 sind aus Edelstahl 1.4307 hergestellt. Die Förderschnecke 5 zum Räumen der Reststoffe besteht aus Baustahl.
Der Füllstandssensor 15 arbeitet als Tastelement und detektiert den Füllstand im oberen Teil des Vergaserrohres. Die optimale Höhe des Füllstandes kann manuell mittels der Höhenverstellung 18 eingestellt werden. Der Füllstandssensor (Kugelkopf) 15 wird durch den Füllstandsmotor 16 und dem Exzenter 17 periodisch angehoben und abgesenkt. Der Kugelkopf 15 sitzt auf der Brennstoffoberfläche auf und ermittelt so die Füllhöhe im Vergaserrohr. Beim Unterschreiten dieser Füllstandshöhe wird über den Füllstandssensor (Kugelkopf) 15 und den Sensor zur Füllstandshöhe 19 die Brennstoffförderung aktiviert und Brennstoff rieselt durch den Einfülltrichter 12 nach. Der Drucksensor (nicht in den Figuren dargestellt) überwacht den Unterdruck im Endrohr 8. Aufgrund von Staub und Asche, die das Rohgas mit sich führt, setzen sich die Gaswege im Reststoff innerhalb der Förderschnecke 5 zu. Ein Anstieg des Druckverlustes in diesem Abschnitt des Vergasers, und damit ein Abfall des Druckes im Endrohr 8 sind die Folge. Sobald der Druck im Endrohr 8 einen Sollwert unterschreitet, wird die Förderschnecke 5 für eine achtel Umdrehung in Betrieb gesetzt. Der Drucksollwert ist abhängig vom Saugzug des Seitenkanalverdichters oder des Gasmotors. Als Richtwert gilt ein um 10–20 mbar niedrigerer Druckwert als das unverschmutzte System aufweist. Die Förderschnecke 5 wird in einem zeitlichen Abstand von 30s bis 60s um jeweils eine weitere achtel Umdrehung angesteuert, bis sich der Systemdruck auf den Druck des unverschmutzten Systems eingestellt hat. Die lange zeitliche Streckung des Räumvorganges bewirkt nur geringste Störungen des Vergasungsprozesses, da das abtransportierte Material durch neuen Brennstoff zwischen den Räumimpulsen ersetzt wird. Ein Absinken des Glutbettes wird dadurch verhindert. Das Räumgut wird aus dem vertikalen Querrohr 4 in das Endrohr 8 befördert. Dort fällt dieses aufgrund der Schwerkraft in den Reststoffsammelbehälter 21. Auch vom Rohgas mitgeführte Flugasche fällt in den Reststoffsammelbehälter 21.
Als Brennstoff kommen Holzpellets oder Hackschnitzel der Größe G30 zum Einsatz. Der beispielhaft vorgestellt Holzvergaser setzt 4 kg Holzpellets pro Stunde um. Er erzeugt daraus ca. 25 m³ Rohgas, dass zur Erzeugung von ca. 4,4 kWh Elektroenergie und ca. 11 kWh Wärme genutzt wird.
Bezugszeichenliste

1: oberes Teil des Vergaserrohres; Pyrolyse/ Oxidationsrohr
2: Bodenplatte
3: unteres Teil des Vergaserrohres; Reduktionsrohr
4: Querrohr
5: Förderschnecke
6: gasdichte Stopfbuchse
7: Räummotor mit Kupplung
8: Endrohr
9: Übergang zum Reststoffbehälter
10: Gasaustritt
11: Steuerkopf um 360° drehbar
12: Einfülltrichter
13: Zündeinrichtung, höhenverstellbar
14: Fotosensor
15: Füllstandssensor/ Verdichter mit Kugelkopf
16: Füllstandsmotor
17: Exzenter
18: Füllstandssensor Höhenverstellung
19: Sensor zur Füllstandshöhe
20: Verschließbare Öffnung zum Reststoffabzug
21: Reststoffsammelbehälter
22: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/006049 A2 [0007, 0009]

Claims

Vorrichtung zur Vergasung von Biomasse, aufweisend: – einen Steuerkopf mit Brennstoffzufuhr, Zündvorrichtung und Füllstandssensor – ein vertikales Vergaserrohr, in dem die Verbrennungs-, Pyrolyse- und Reduktionsvorgänge ablaufen und das den Steuerkopf und die Brennstoffzufuhr trägt, – ein horizontales Querrohr mit Räumschnecke, auf das das Vergaserrohr aufgesetzt ist, – einen Räummotor zum Antrieb der Räumschnecke, – ein vertikales Endrohr, in das das Querrohr mündet – einen gegen die Außenluft abgeschlossenen Reststoffbehälter, in dem das untere Ende des vertikalen Endrohres endet – eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung zur Bewegung des Rohgases durch die Vorrichtung – mindestens einen Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass – das Vergaserrohr einen oberen Teil und einen unteren Teil aufweist, wobei der Durchmesser des oberen Teils größer ist, als der des unteren Teils, – der Übergang vom oberen Teil des Vergaserrohres zum unteren Teil mittels einer Platte erfolgt, in der sich ein Loch, als Durchlass für das Rohgas in den unteren Teil befindet. oder durch ein trichterförmiges Übergangsstück, in dem sich der Durchmesser von dem des oberen Teils zu dem des unteren Teils verjüngt, erfolgt, – der Steuerkopf geeignet ist, in Abhängigkeit vom Füllstand des Vergaserrohres Brennstoff in einen oberen Teil des Vergaserrohres zuzuführen und die Oberfläche des Brennstoffs mit einem Kugelkopf zu verdichten, – der untere Teil des Vergaserrohres, der auf dem Querrohr aufsitzt, sich in Richtung auf das Querrohr erweitert und eine längliche Übergangsöffnung zum Querrohr ausbildet, wobei die größere Längserstreckung der Übergangsöffnung parallel zur Längsachse des Querohres verläuft, – die Räumschnecke in Abhängigkeit von den Messergebnissen des Drucksensors angesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin einen Fotosensor zur Erkennung des Zündzustandes und/oder zur Erkennung des Ausschaltzeitpunktes aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung ein keramisches Heißluftgebläse ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Endrohr eine Gasreinigungs- und/oder Gaskühlungsvorrichtung nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasreinigungsvorrichtung mindestens einen Zyklon und/oder mechanische Filter aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterdruckerzeugungsvorrichtung ein Saugzug oder der Saugmotor zur energetischen Nutzung des Rohgases genutzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Endrohres als Reststoffbehälter dient und luftdicht verschließbare Räumklappen oder eine Schleusenvorrichtung zur Entnahme der Reststoffe aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung die Daten der Sensoren erfasst, verarbeitet und die Vorrichtung steuert.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte des Füllstandssensors genutzt werden, um bei einer vorgegebenen Abweichung vom vorgegebenen Sollfüllstand die Brennstoffförderung so anzusteuern, dass Brennstoff nachrieselt und durch die periodische Bewegung des Kugelkopfes der Brennstoff verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte des mindestens einen Drucksensors verarbeitet werden und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Unterdrucksollwertes der Räummotor so angesteuert wird, dass dieser die Räumschnecke antreibt, welche die Reststoffe zum Endrohr befördert und so den Druckverlust im Gasweg des Rohgases reduziert.