DE19846805A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung und Verbrennung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung und Verbrennung

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung oder Verbrennung von trockener oder feuchter, fein- oder großstückiger Biomasse beschrieben. Das Verfahren erlaubt die Erzeugung eines teerfreien Gases. DOLLAR A Das Brenngut (9) gelangt in den über dem Vergasungsreaktor (2) angeordneten Entgasungsofen (1). Hier erfolgt eine gedrosselte Verbrennung. Es entsteht Pyrolysegas und Koks. Der Koks fällt bei Betätigung des Zerkleinerers (5) auf einen im Brennraum (3) angebrachten Brennerrost (4) und stützt die Verbrennung des in den Brennraum (3) strömenden Pyrolysegases. DOLLAR A Vom Brennerrost (4) fällt Koks auf das Glutbett (7) im Vergasungsreaktor (2). Die Reduktion von Abgas und Wasser zu CO und H¶2¶ findet im Glutbett (7) statt. Gleichzeitig oxidiert der Kohlenstoff unter Sauerstoffmangel zu CO. Das in der Erfindung vorgestellte Vergasungsverfahren erlaubt eine einfache Filtertechnik. Das sich bildende Schwachgas wird von einem Ventilator abgesaugt und in einem Filter (18) gereinigt. In den Filter (18) wird aus dem Glutbett (7) entnommene Aktivkohle eingeführt und die verbrauchte Aktivkohle wird wieder in den Vergasungsreaktor (2) zurückgeführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von biologischen Rohstoffen.
Der technische Stand für Vergaser, in denen Brennstoffe weitestgehend unabhängig von der Stückgröße eingesetzt werden, wird in den Patenten Nr. DE 41 30 416 C1 und EP 443596 A1 beschrieben. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es für kleinere, dezentrale Anlagen aufgrund des hohen apparativen Aufwandes nicht geeignet ist. Die zusätzlich erforderliche Sauerstofferzeugungsanlage und die aufwendige Filtertechnik verursachen hohe Investitionskosten und zusätzlichen Energieverbrauch, so daß in kleinen Anlagen die Wirtschaftlichkeit nicht gegeben ist.
In den Patenten DE 44 14 579 und in der Patentanmeldung 19720331 werden Verfahren beschrieben, die in kleinen, dezentralen Anlagen einsetzbar sind.
In Flugstromvergasern und Wirbelschichtvergasern kann nur kleinstückiges Brenngut eingesetzt werden. Diese Verfahren können aufgrund ihrer komplizierten Technik im kleinen Leistungsbereich nicht wirtschaftlich arbeiten. Um ein möglichst homogenes Glutbett zu erhalten, wird auch in Festbettvergasern kleinstückiger Brennstoff verwendet. Dies ist nachteilig, wenn für die Zerkleinerung des Brennstoffes viel Energie verbraucht werden muß. Örtliche Unterschiede in der Verweilzeit der Schwelgase im Glutbett und örtliche Temperaturunterschiede führen zu einem erhöhten Schad­ stoffausstoß. In Anlagen kleiner Leistung enthält deshalb das erzeugte Gas Teer und kann ungereinigt nicht einem Gasmotor zugeführt werden. In bekannten Vergasungsanlagen wird versucht, durch den Einsatz von Rührern eine Homo­ genisierung des Brennstoffgemisches zu erreichen. Mittels Förderschnecken wird der Brennstoff transportiert. Dadurch wird die Technik kompliziert und die Wirtschaftlichkeit ist im kleinen Leistungsbereich nicht mehr gegeben. In den meisten Vergasungsverfahren werden Stützbrenner eingesetzt. Diese Brenner haben den Nachteil, daß sie die Druckverhält­ nisse im Vergaser verändern, wenn sie ein- und ausgeschaltet werden. Damit wird die Steuerung der Luftzufuhr erschwert und es kann zu Schadstoffausstößen kommen. Werden solche Brenner ununterbrochen im Vergasungsprozeß eingesetzt, so wird Gas oder Öl zusätzlich benötigt, was sich auf die Wirtschaftlichkeit auswirken kann.
Ziel der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Vergasungsverfahren kleiner Anlagen zu beheben. Gelöst werden soll dies erfindungsgemäß dadurch, daß die einzelnen Vergasungsschritte - Entgasung, Ver­ brennung, Vergasung (Reduktion) - in getrennten Räumen stattfinden und somit einzeln optimiert werden können. Der Einsatz von Rührern und Förderschnecken wird vermieden, indem diese Räume übereinander angeordnet sind, so daß das Brenngut infolge der Schwerkraft von einem zum anderen Raum gelangt. Ein Zerkleinerer (5) sorgt für die dosierte Zu­ führung des Brenngutes vom oberen Entgasungsofen (1) zum unteren Brennraum (3) und Vergasungsreaktor (2). Zur Zündung des im Entgasungsofen (1) entstehenden und in den Brennraum (3) eintretenden Schwelgases und zur Aufrechterhaltung der für die Verbrennung des Schwelgases erforderlichen Tempe­ ratur kann ein Brenner (20) (z. B. Gas-, Ölbrenner) ein­ gesetzt werden. In der Erfindung wird ein Koksbrenner beschrieben, der für den Vergasungsprozeß besser geeignet ist. Sein Vorteil ist, daß die Druckverhältnisse im Vergaser nicht beeinflußt werden und daß kein zusätzlicher Brennstoff (Gas, Öl) benötigt wird. Der Koks fällt auf den Brennerrost (4), der im Brennraum (3) des Vergasungsreaktors (2) angebracht ist. Durch seine Verbrennung kann bei ent­ sprechender Luftzufuhr eine sehr hohe Temperatur entstehen.
Der Vorteil des Brennerrostes (4) ist, daß der sich im Entgasungsofen (1) bildende Teer nicht ins Glutbett gelangt, sondern auf den Brennerrost (4) tropft und hier verdampft und verbrennt. Ebenso werden die auf den Brennerrost fallenden Koksstücke weiter entgast, so daß die noch in den Koksstücken enthaltenen flüchtigen Bestandteile entweichen und verbrennen.
Um zu vermeiden, daß noch nicht vollständig entgaste Holz­ kohle auf das Glutbett fällt und einen Ausstoß teerhaltiger Produkte verursacht, kann vor jedem Betätigen des Zerklei­ nerers (5) der Brennerrost (4) um 180° gedreht werden. Dadurch fallen entgaste Holzkohle sowie Schlacke und Metallteile vom Brennerrost (4) auf das Glutbett (7). Beim anschließenden Betätigen des Zerkleinerers (5) fällt die Holzkohle auf den leeren Rost. Zum schnelleren Zünden kann kurzzeitig z. B. ein Ölbrenner eingeschaltet werden.
Vorteilhaft bei dem in der Erfindung vorgeschlagenen Ver­ fahren ist außerdem, daß im Zerkleinerer (5) Kohlenstaub entsteht, der in den Brennraum (3) rieselt und hier die Verbrennung der Schwelgase unterstützt. Im Brennraum (3) können somit sehr hohe Temperaturen erzielt werden.
Die Vorrichtung für das Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt. Die Vergasungsanlage besteht aus dem Entgasungsofen (1) und dem darunterliegenden Vergasungsreaktor (2). Im oberen Teil des Vergasungsreaktors (2) ist ein Brennraum (3) angeordnet. In ihm befindet sich ein Brennerrost (4). Das Brenngut (9) gelangt durch die Schleuse (6) in den oberen Teil des Ent­ gasungsofens (1). Im Entgasungsofen (1) findet nach Zündung des Brenngutes eine verhaltene Verbrennung durch gedrosselte Luftzufuhr statt. Aufgrund dieser leichten Verbrennung entsteht im Entgasungsofen (1) eine ausreichend hohe Temperatur, so daß die flüchtigen Bestandteile aus dem Brenngut entweichen (Pyrolysegas). Um zu vermeiden, daß nach dem mehrmaligen Nachfüllen des Brenngutes unkontrollierte Brennherde entstehen, werden in den Luftzuführungsrohren Zündbrenner (19) installiert. Diese werden nach längeren Zeitintervallen gezündet. Am unteren Ende des Entga­ sungsofens (1) befindet sich ein Zerkleinerer (5). Er bewirkt, daß der im Entgasungsofen (1) entstehende Koks zerkleinert und dosiert dem Vergasungsreaktor (2) zugeführt wird. Der Zerkleinerer (5) besteht z. B. aus zwei im ent­ gegengesetzten Drehsinn laufenden mit Zähnen besetzten Walzen. Wenn sich die Walzen des Zerkleinerers (5) drehen, fällt Koks auf den im Brennraum (3) installierten Brennerrost (4). Nachdem dieser gefüllt ist, fällt der Koks auf das Glutbett (7) des Vergasungsreaktors (2) Durch Luftzugabe mittels Lanzen brennt der Koks auf dem Brennerrost (4) und es entsteht die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung des Pyrolysegases notwendige Temperatur. Die Verbrennungstemperatur wird durch die zugegebene Luftmenge geregelt. Vom Brennerrost nicht aufgenommener Koks fällt auf das Glutbett (7).
Das im Entgasungsofen (1) entstehende Pyrolysegas gelangt durch den Zerkleinerer (5) in den Brennraum (3) des Ver­ gasungsreaktors (2). Hier wird es gezündet und verbrennt unter Luftzugabe. Das sich infolge der Verbrennung des Pyrolysegases und des Kokses im Brennraum (3) bildende Abgas (CO2) strömt zusammen mit dem Dampf des im Brennstoff enthaltenen Wassers durch das Glutbett (7). Hier findet die Reduktion von CO2 zu CO und die Verbrennung von C zu CO statt. Durch die hohe Energie der aus dem Brennraum aus­ tretenden Verbrennungsgase kann der endotherme Reduktions­ vorgang im Glutbett (7) aufrechterhalten werden.
Luft wird über dem Glutbett nur unterstöchiometrisch zuge­ führt, so daß keine vollständige Verbrennung stattfindet. Der Ausstoß von CO2 wird somit auf ein Minimum reduziert. Das Wasser wird teilweise in H2 und O2 zerlegt. Den Vergaser verläßt ein hauptsächlich aus N2 CO und H2 bestehendes Schwachgas. Das entstehende Schwachgas wird in einem Wärmetauscher (10) abgekühlt. Es wird von einem Geblä­ se (17) abgesaugt. Zusätzlich zum Sauggebläse kann für die Zufuhr von Luft (8) ein Druckgebläse eingesetzt werden.
Zur Aufrechterhaltung der hohen Temperatur im Glutbett (7) kann bei Bedarf Energie zugeführt werden, indem die Luft zu­ fuhr über dem Glutbett etwas erhöht wird. Damit findet in der oberen Glutschicht eine Verbrennung statt, die zu einer Temperaturerhöhung führt. Andererseits wird die Temperatur erniedrigt, wenn Wasserdampf in den Brennraum (3) eingedüst wird. Die wechselweise zusätzliche Zufuhr von Luft und Wasserdampf führt zur Erhöhung des Wasserstoffanteils und damit des Energieinhalts des erzeugten Gases. Durch Zufuhr von z. B. in einer Druckwechseladsorptionsanlage erzeugtem Sauerstoff wird das Temperaturniveau ebenso erhöht. Damit kann auch feuchtes Brenngut eingesetzt werden. Der Wasser­ stoffgehalt des erzeugten Gases wird erhöht und der Stick­ stoffanteil reduziert. Der Energieinhalt des Gases steigt (Kraftgas). Dieses Gas kann als Ausgangsgas zur Methanol­ synthese dienen.
Der Vorteil des in der Erfindung dargestellten Vergasungs­ verfahrens besteht darin, daß sowohl klein- als auch groß­ stückige Brennstoffe eingesetzt werden können. Durch den Zerkleinerer wird der Koks gebrochen. Die dafür aufzuwenden­ de Energie ist gering im Vergleich zur mechanischen Zerklei­ nerung von Holz. Der Brennraum des Vergasungsreaktors kann so groß ausgelegt werden, daß die Pyrolysegase genügend lang bei sehr hohen Temperaturen verweilen, so daß eine Krackung oder Verbrennung zuverlässig stattfindet. Trotz des Einsat­ zes großstückiger Brennstoffe ist im Vergleich zu herkömmli­ chen Festbettvergasern das Glutbett (7) homogen, da reiner Koks kleinstückig in den Vergasungsreaktor gelangt. Im Glut­ bett (7) werden die Reste der nicht verbrannten Schwelgase gekrackt. Das erzeugte Gas ist somit teerfrei.
Mit dem in der Erfindung vorgestellten Verfahren können Schadstoffe durch eine einfache Filtertechnik herausgefil­ tert werden. Aufgrund der Vergasung bilden sich im Koks Mikroporen aus, die die innere Oberfläche stark vergrößern. Da der Koks kleinstückig in den Vergasungsreaktor (2) gelangt, bildet sich im Glutbett Aktivkohle aus. Mit einer Förderschnecke (15) wird am Rande des Glutbettes (7) Aktiv­ kohle entnommen und über einen gekühlten Kanal in den Filter (18) befördert. Das produzierte Schwachgas (16) wird durch den Filter (18) geleitet. Schadstoffe bleiben in der Aktiv­ kohle zurück. Die verbrauchte Aktivkohle wird mittels För­ derschnecke (15) an einen Ort, der von der Aktivkohleentnah­ mestelle entfernt gelegen ist, dem Glutbett (7) wieder zuge­ führt. Letztendlich sammeln sich die Schadstoffe in der Asche an, die am Ausgang des Vergasungsreaktors (2) anfällt. Die Asche wird aus dem Vergasungsreaktor mit einer Ascheab­ führeinrichtung (13) abtransportiert.
Das in der Erfindung vorgestellte Vergasungsverfahren kann zur reinen Verbrennung eingesetzt werden. Eine zusätzliche Luftzufuhr erfolgt im Gaskanal (11). Hier verbrennt das erzeugte Schwachgas. Die hohe Temperatur entsteht somit im Gaskanal und nicht im Glutbett. Dadurch wird die Bildung von Schlacke weitestgehend vermieden.
Das in der Erfindung vorgestellte Vergasungsverfahren kann zur Holzkohleherstellung angewendet werden. Nur ein kleiner Teil der Holzkohle gelangt auf den Brennerrost (4). Die Bildung des Glutbettes (7) wird vermieden. Die Verbrennung eines kleinen Teils der Holzkohle auf dem Brennerrost (4) dient zur Unterstützung der Pyrolysegasverbrennung im Brenn­ raum (3). Die Holzkohle wird unmittelbar nach dem Zerkleine­ rer (5) mit einer Trogschnecke entnommen. Im Trog ist ein Schlitz vorhanden, der eine Siebung der Holzkohle ermög­ licht. Kohlenstaub und kleinstückige Holzkohle fallen durch den Schlitz auf den Brennerrost (4).
Ein Vorteil des in der Erfindung dargestellten Vergasungs­ verfahrens besteht auch darin, daß es zur Aktivkohleherstel­ lung angewandt werden kann. Hierzu muß der Zerkleinerer (5) wie eine Mühle arbeiten, so daß aus ihm kleinkörnige Holzkohle austritt. Die Vergasung wird nur teilweise durch­ geführt, so daß anstelle von Asche Aktivkohle aus dem Verga­ sungsreaktor (2) mit der Abführeinrichtung abtransportiert wird.
Bezugszeichen
1
Entgasungsofen
2
Vergasungsreaktor
3
Brennraum
4
Brennerrost
5
Zerkleinerer
6
Schleuse
7
Glutbett
8
Luft
9
Brenngut
10
Wärmetauscher
11
Gaskanal
13
Ascheabführeinrichtung
15
Förderschnecke
16
Schwachgas
17
Gebläse
18
Filter
19
Zündbrenner
20
Brenner

Claims (14)

1. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung von trockener oder feuchter, feinkörniger oder stückiger Biomasse sowie von Abfall, dadurch gekennzeichnet, daß das sich in einem Entgasungsofen (1) durch gedrosselte Verbren­ nung von Brenngut bildende Pyrolysegas und Koks (Kohlen­ stoff) nach Passieren eines Zerkleinerers (5), der den Ent­ gasungsofen (1) am unteren Ende abschließt, in den Verga­ sungsreaktor (2) gelangen, in dem sich im oberen Teil ein Brennraum (3) zur Verbrennung des Kokses und/oder Pyrolyse­ gases und im unteren Teil ein Glutbett (7), auf das der Koks fällt, zur Reduktion und Vergasung befinden.
2. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brenner (20) die Verbrennung des in den Brennraum (3) strömenden Pyrolysega­ ses stützen oder das Pyrolysegas-Luft-Gemisch zünden.
3. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Verbrennung von Koks und/oder Pyrolysegas im Brennraum (3) resultierende Abgas durch das Glutbett (7) des Vergasungs­ reaktors (2), in dem eine Oxidation des Kohlenstoffs zu CO bei gleichzeitiger Reduktion von Abgas (CO2) und Wasserdampf (H2O) zu einem brennbaren Schwachgas (CO, H2) stattfindet, abströmt.
4. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß über eine För­ dereinrichtung aus dem Glutbett (7) teilvergaster Koks (Aktivkohle) in den Filter (18), der vom entstehenden Schwachgas (16) durchströmt wird, zur Erneuerung des Filter­ materials transportiert wird, während mit Schadstoffen ange­ reichertes Filtermaterial (Aktivkohle) aus dem Filter (18) zurück in das Glutbett (7) gefördert wird.
5. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das entstehen­ de Schwachgas im am Ende des Vergasungsreaktors (2) angeord­ neten Gaskanal (11) durch dortige Luftzufuhr verbrennt.
6. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zer­ kleinerer (5) fein gemahlene Holzkohle aus dem Entgasungs­ ofen (1) auf das Glutbett (7) des Vergasungsreaktors (2) gefördert wird, wodurch nach einer Teilvergasung Aktivkohle entsteht, die aus dem Vergasungsreaktor (2) entnommen wird.
7. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Holzkohle nach dem Zerkleinerer (5) dem Prozeß entnommen wird.
8. Verfahren zur Entgasung und Vergasung oder Verbrennung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas am Ende des Vergasungsreaktors (2) abgesaugt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Entga­ sungsofen (1) über dem Vergasungsreaktor (2) angeordnet ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennraum (3) des Vergasungsreaktors (2) ein Brennerrost (4) angeordnet ist, auf den nach Betätigung des Zerkleinerers (5) Koks fällt, der hier durch Zufuhr von Luft verbrennt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrisch aufgebaute Brennerrost (4) vor Betätigung des Zerkleinerers um 180° gedreht wird, so daß Koks und evtl. Metallteile oder Schlacke vom Brennerrost (4) auf das Glutbett (7) fallen.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der nach Drehung des Brennerrostes (4) und Betätigen des Zerkleine­ rers (5) auf den Brennerrost (4) fallende Koks von einem Brenner gezündet wird.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerkleine­ rer (5) aus zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehen­ den Walzen, die mit Brechzähnen besetzt sind, besteht.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngut im Entgasungsofen (1) mittels Zündbrenner (19), die in den Luftzuführungsrohren installiert sind, gezündet wird.
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