DE202009008671U1

DE202009008671U1 - Vergaser zur Erzeugung von Schwachgas

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Publication number: DE202009008671U1
Application number: DE202009008671U
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Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: DE112010002725A5; WO2010149148A2; WO2010149148A3

Abstract

Vergaser, insbesondere Gleichstromvergaser, zur Erzeugung von Schwachgas, mit einer Zuführeinrichtung (2) zur Zuführung von Festbrennstoffen (1), mit einem Füllschacht (9) zur Aufnahme des Festbrennstoffes (1) und mit einer Oxidationszone, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Vergaser (10) eine Pyrolysekammer (3) zur Verkohlung von Festbrennstoffen (1) zu Holzkohle (12) angeschlossen ist und dass sich die Pyrolysekammer (3) mittels dem aus dem Vergaser (10) stammenden Schwachgas erwärmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vergaser, insbesondere einen Gleichstromvergaser, zur Erzeugung von Schwachgas gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus dem DE 20 2004 011 213 U1 ist ein Gleichstromvergaser bekannt, der in die Gattung der Reduktionsvergaser fällt. Mit diesem Reduktionsvergaser wird aus Holzhackschnitzeln ein Schwachgas gewonnen, welches nach einer Feststoffabscheidung so sauber und frei von Rückständen ist, dass es direkt in einem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann.
Um einen wirtschaftlichen Gesamtwirkungsgrad des Vergaser zu erreichen, sollten die hierbei verwendeten Holzhackschnitzel einerseits aus hochwertigem Rohholz, zum Beispiel Buchenholz, bestehen und andererseits sollte zur Erhöhung des Heizwertes die Brennstofffeuchte des Rohholzes beim Eintritt in den Vergaser weniger als 15% betragen. Hierzu werden die Holzhackschnitzel in einem dem Vergaser vorgeschalteten Silo unter Ausnutzung der Abwärme des Vergasers entsprechend getrocknet.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die allgemeine Aufgabe zu Grunde, einen Vergaser der eingangs genannten Art zu schaffen, der noch effizienter genutzt werden kann.
Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die beim Betrieb des Vergasers im Füllschacht befindlichen Holzhackschnitzel durch die Erwärmung zumindest teilweise verkohlen, bevor Diese das Glutbett erreichen. Diese verkohlten Holzhackschnitzel könnten als Holzkohle wirtschaftlich genutzt werden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die spezielle Aufgabe zu Grunde, einen Vergaser der eingangs genannten Art zu schaffen, der neben einem sauberen Schwachgas auch wirtschaftlich verwertbare Holzkohle erzeugt.
Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Vergaser mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Vergasers sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein nach dieser technischen Lehre ausgebildeter Vergaser hat den Vorteil, dass unter Ausnutzung der Abwärme des Vergasers die Pyrolysekammer auf 400°C und teilweise mehr erwärmt wird, so dass in der Pyrolysekammer eine unterstöchiometrische Reaktion erfolgt, die aus dem Rohholz Holzkohle werden lässt. Es versteht sich, dass die Pyrolysekammer ent sprechend luftdicht abgeschlossen ist, so dass eine unterstöchiometrische Reaktion möglich ist. Ein Teil dieser Holzkohle wird dann im Vergaser zu Schwachgas vergast, während der größere Teil der Holzkohle als Produkt verkauft wird.
Durch diese Symbiose von Vergaser und Pyrolysekammer verbleibt der Festbrennstoff eine längere Zeit in einer erwärmten Zone, was neben der Verkohlung und dem ausgasen von Pyrolysegas auch zu einer Trocknung des Festbrennstoffes führt. Dies hat den Vorteil, dass auf eine dem Vergaser vorgeschaltete Trocknung verzichtet werden kann, was bei gleichem oder sogar verbessertem Heizwert des Festbrennstoffes die apparativen Kosten des Vergasers reduziert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass neben den Holzhackschnitzeln auch andere Festbrennstoffe, wie zum Beispiel Pellets aus nachwachsenden Rohstoffen, Pellets aus Klärabfällen (Klärschlamm), Gartenabfälle oder minderwertiges Holz eingesetzt werden können.
Ein anderer Vorteil besteht darin, dass beim Verkohlen aus den Festbrennstoffen austretende Pyrolysegas ebenfalls zu sauberem Schwachgas umgewandelt wird, was die Effizienz des Vergasers weiter erhöht.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die längere Verweildauer des Festbrennstoffes in einer warmen oder heißen Zone eventuel vorhandener Festbrennstoffstaub verkohlt oder verbrennt, so dass der die Glutzone erreichende Festbrennstoff einen Staubanteil von unter 2% aufweist und somit ein verstopfen des Vergasers vermieden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pyrolysekammer von einer Heizkammer umgeben, durch die das heiße, aus dem Vergaser stammende Schwachgas geführt wird. Das mit etrwa 700°C aus dem Vergaser kommende Schwachgas muss auf ca. 70°C abgekühlt werden, um im Verbrennungsmotor genutzt werden zu können, so dass hier der Vorteil entsteht, dass die Energie des Schwachgases ohne großen apparativen Aufwand zur Pyrolyse genutzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pyrolysekammer derart an den Vergaser angeschlossen, dass ein Teil der vorerwärmten Festbrennstoffe aus der Pyrolysekammer in den Vergaser gelangt, während der größere Teil der Festbrennstoffe in der Pyrolysekammer verbleibt. Dies hat den Vorteil, dass in einer einzigen Anlage aus den Festbrennstoffen sowohl wirtschaftliche verwertbare Holzkohle als auch ein in einem Verbrennungsmotor nutzbares Schwachgas entsteht. Im Ergebnis führt dies zu einer sehr viel höheren Effizienz des Vergasers, da ein zweites Produkt, nämlich Holzkohle geschaffen wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung derart an die Pyrolysekammer angeschlossen, dass die Festbrennstoffe zunächst in die Pyrolysekammer gelangen, wobei die Pyrolysekammer vorzugsweise oberhalb des Vergasers angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Festbrennstoffe eine längere Zeit in einer heißen Zone verweilen und dort trocknen und verkohlen können.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Pyrolysekammer länglich auszubilden und horizontal anzuordnen, so dass die von der Zuführeinrichtung zugeführten Festbrennstoffe in der länglichen Pyrolysekammer horizontal verschoben werden, wobei ein Teil der zwischenzeitlich erwärmten und teilweise verkohlten Festbrennstoffe in den Vergaser gelangen und wobei die verbleibenden Festbrennstoffe weiter verkohlen, um am Ende der Pyrolysekammer als Holzkohle ausgetragen zu werden.
Die Ausbildung des Vergasers als Reduktionsvergaser hat dabei den Vorteil, dass das entstehende Schwachgas frei von Teer und anderen Verunreinigungen ist und nach Feststoffabscheidung sofort in einem Verbrennungsmotor in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Ein solcher Reduktionsvergaser ist beispielsweise aus der DE 20 2004 011 213 U1 vorbekannt, auf die an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen wird.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist an der Pyrolysekammer ein, vorzugsweise an deren Oberseite, eine Pyrolysegasleitung angebracht, die in eine Reduktionszone des Vergasers, vorteilhafterweise in die Oxidationszone des Vergasers mündet. Dies hat den Vorteil, dass das im Rahmen der Pyrolyse entstehende Pyrolysegas im Vergaser nachbehandelt wird, wobei das Pyrolysegas seine Verunreinigung, insbesondere den Teer, verliert mit dem Ergebnis, dass dieses Pyrolysegas zusammen mit dem Produktgas des Vergasers als gereinigtes Schwachgas die Anlage verlässt und in dieser Form nach der Feststoffabscheidung ohne weitere Nachbehandlung in einem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung von Holzkohle und Schwachgas wird wie folgt beschrieben:
Verfahren zur Erzeugung von Holzkohle und Schwachgas, bei dem über eine Zuführeinrichtung Festbrennstofffe in eine Pyrolysekammer geleitet werden, wobei ein Teil der Festbrennstoffe von der Pyrolysekammer in einen separaten, benachbarten Vergaser gelangen und dort vergasen, wobei im Vergaser anfallende Abwärme den in der Pyrolysekammer befindlichen Festbrennstoffen zugeführt wird, um diese zu erwärmen und wobei die in der Pyrolysekammer befindlichen Festbrennstoffe unterstöchiometrisch mit der Abwärme des Vergasers zu Holzkohle verkohlen.
Die Vergasung des Holzes und anderer Festbrennstoffe erfolgt in verschiedenen Stufen. Zunächst werden die Festbrennstoffe in der Pyrolysekammer auf ca. 400°C erwärmt, so dass eine Verkohlung einsetzt, bei der die Festbrennstoffe auch Pyrolysegase freisetzen, die dem Vergaser zugeführt und in der Oxidationszone des Vergasers mit dem Produktgas des Vergasers bei ca. 1200°C verbrannt werden, wobei CO₂, Wasserdampf und andere Gase entstehen. Diese Gase werden dann in der Reduktionszone aufgrund des Kohlenstoffs und der hohen Temperaturen durch chemische Reaktionen in Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt. Das hierbei erzeugte Schwachgas verlässt den Vergaser dann mit einer Temperatur von ca. 700°C und wird in der Heizkammer an der Pyrolysekammer unter Erwärmung der Festbrennstoffe abgekühlt.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Vergasers ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.
Die Zeichnung zeigt eine schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Vergasers zur Erzeugung von Holzkohle und Schwachgas.
In der Zeichnung ist in schematischer Darstellung eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Vergasers abgebildet, bei dem Festbrennstoffe 1 über eine als Stockerkolben ausgeführte Zuführeinrichtung 2 in eine Pyrolysekammer 3 gelangen. Die Zuführeinrichtung 3 umfasst einen Auffangtrichter 4, der von einer Schütte kommende Festbrennstoffe 1 einer Zylinderkammer 5 zuführt und einen Vorschubkolben 6, der die Festbrennstoffe 1 von der Zylinderkammer 5 in ein Zylinderrohr 7 schiebt und dabei leicht verdichtet. Mit jedem weiteren Hub des Vorschubkolbens 6 werde die Festbrennstoffe 1 weiter vorgeschoben und gelangen dann in die Pyrolysekammer 3. Diese Pyrolysekammer 3 ist eingangsseitig sich konisch erweiternd ausgebildet und im übrigen ebenfalls zylindrisch ausgebildet, weist jedoch einen größeren Durchmesser als das Zylinderrohr 7 auf.
An einer Unterseite der Pyrolysekammer 3 ist ein Austragsstutzen 8 ausgebildet, an dem das obere Ende eines Füllschachtes 9 eines Vergasers 10 angeschlossen ist. Es versteht sich, dass die Pyrolysekammer 3 oberhalb des Vergasers 10 angeordnet ist.
In Fließrichtung der Festbrennstoffe 1 hinter dem Austragsstutzen 8 ist an der Pyrolysekammer 3 eine Austragsöffnung 11 ausgebildet, aus der die dann fertige Holzkohle 12 ausgetragen werden kann. Dabei ist die Austragsöffnung 11 ebenfalls an einer Unterseite der Pyrolysekammer 3 angebracht, so dass die Holzkohle 12 aufgrund der Schwerkraft in einen Transportbehälter 13 gelangt, ohne dass hierfür spezielle Apparate oder Hilfsmittel erforderlich sind.
An einer Oberseite der Pyrolysekammer 3, vorzugsweise am hinteren Ende der Pyrolysekammer 3, ist eine Pyrolysegasleitung 14 angeschlossen, die im Vergaser 10 mündet. In der hier dargestellten Ausführungsform mündet die Pyrolysegasleitung 14 unmittelbar in eine hier nicht näher dargestellte Oxidationszone des Vergasers 10.
Mit der Pyrolysegasleitung 14 wird das in der Pyrolysekammer 3 entstehende Pyrolysegas in den Vergaser 10 geleitet, wo das Pyrolysegas auf bis zu 1200°C erhitzt mit den Verunreinigungen verbrannt werden. Anschließend werden die Verbrennungsabgase CO₂ und Wasserdampf in der Reduktionszone mit der Verbrennungswärme auf die brennbaren Stoffe Kohlenmonoxid und Wasserstoff unter Mitwirkung des Kohlenstoffes umgewandelt. Das sogenannte Schwachgas verlässt den Vergaser 10 mit einer Temperatur von ca. 700°C. Anschließend wird das Schwachgas über eine Schwachgasleitung 16 in eine um die Pyrolysekammer 3 herum angeordnete Heizkammer 17 geführt, wo das Schwachgas unter Erwärmung der Pyrolysekammer 3 abkühlt. Von der Heizkammer 17 wird das Schwachgas in einen Staubabscheider 15 geleitet, bevor dieses Schwachgas dann einer hier nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird.
Die einzelnen, im erfindungsgemäßen Vergaser ablaufenden Vorgänge werden nachfolgend detailliert erläutert:
Der Zuführeinrichtung 2 werden Festbrennstoffe 1 zugeführt. Dies kann beispielsweise über einen trichterförmigen Vorratsbehälter, ein Förderband oder dergleichen geschehen. Die Festbrennstoffe 1 können dabei eine vergleichsweise hohe Feuchtigkeit aufweisen, da die Verweildauer der Festbrennstoffe 1 in der warmen Zone der Anlage so hoch ist, dass hier eine angemessene Trocknung erfolgen kann. Die in der Zylinderkammer 5 befindlichen Festbrennstoffe 1 werden über den Vorschubkolben 6 gegen den Widerstand der bereits in der Pyrolysekammer 3 befindlichen Festbrennstoffe 1 vorangeschoben, wobei die Festbrennstoffe 1 verdichtet werden. Dabei gelangen die Festbrennstoffe 1 über das Zylinderrohr 7 in die Pyrolysekammer 3. Das Zylinderrohr 7 ist direkt an der Pyrolysekammer 3 angeflanscht, wobei sich die Pyrolysekammer 3 von diesem Flansch an betrachtet konisch erweitert bis auf ihren Solldurchmesser.
Das bei der Vergasung im Vergaser 10 erzeugte Schwachgas wird über die Schwachgasleitung 17 in die die Pyrolysekammer 3 umgebende Heizkammer 16 geführt und erwärmt die darin befindlichen Festbrennstoffe 1, wobei in der Pyrolysekammer 3 Temperaturen von ca. 400°C und mehr entstehen. Da die Pyrolysekammer 3 luftdicht abgeschlossen ist, erfolgt nun eine Ausgasung des Brennstoffs unter Sauerstoffmangel (unterstöchimetrisch), so dass die Festbrennstoffe 1 verkohlen. Das dabei entstehende Pyrolysegas steigt auf und wird über die Pyrolysegasleitung 14 dem Vergaser 10 zugeführt. Dieses Pyrolysegas gelangt in die Oxidationszone des Vergasers 10 und verbrennt hier bei einer Temperatur von ca. 1200°C, so dass im Pyrolysegas befindlichen Teere und andere Verunreinigungen komplett verbrannt werden. Diese Verbrennungsgase werden in der Reduktionszone des Vergasers 10 in brennbare Gase umgewandelt und verlassen den Vergaser 10 als sogenanntes Schwachgas. In einem Staubabscheider 15 kann dieses Schwachgas dann von mechanischen Bestandteilen befreit werden, bevor es in einem Verbrennungsmotor zur Erzeugung elektrischer Energie geleitet wird.
Mit der Zeit verglühen die im Vergaser 10 befindlichen Festbrennstoffe 1, so dass über den Austragsstutzen 8 weitere Festbrennstoffe 1 in den Vergaser 10 gelangen. Dabei ist der gesamte Vergaser 10 und die Pyrolysekammer 3 so ausgelegt, dass nur ein Bruchteil der Festbrennstoffe 1 von der Pyrolysekammer 3 in den Vergaser 10 gelangen. In der hier dargestellten Ausführungsform gelangen etwa 1/4 der Festbrennstoffe 1 in den Vergaser 10 und werden vergast, während 3/4 der Festbrennstoffe 1 zur Holzkohle verkohlen.
Mit weiterer Zuführung der frischen Festbrennstoffe 1 werden die in der Pyrolysekammer 3 befindlichen, mittlerweile bereits teilweise verkohlten Festbrennstoffe 1 in horizontaler Richtung vorangeschoben. Dabei ist die gesamte Anlage so ausgelegt, dass die Verweildauer der Festbrennstoffe 1 in der Pyrolysekammer 3 ausreicht, um vollständig zu verkohlen. Diese fertige Holzkohle 12 wird dann am Ende der Pyrolysekammer 3 über die Austragsöffnung 11 in einen Transportbehälter 13 geleitet, wobei hier die Schwerkraft ausgenutzt wird. Über den Transportbehälter 13 kann die Holzkohle 12 dann einer weiteren Nutzung, beispielsweise in der Land- und Forstwirtschaft zugeführt werden.

1: Festbrennstoffe
2: Zuführeinrichtung
3: Pyrolysekammer
4: Auffangtrichter
5: Zylinderkammer
6: Vorschubkolben
7: Zylinderrohr
8: Austragsstutzen
9: Füllschacht
10: Holzvergaser
11: Austragsöffnung
12: Holzkohle
13: Transportbehälter
14: Pyrolysegasleitung
15: Staubabscheider
16: Heizkammer
17: Schwachgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202004011213 U1 [0002, 0017]

Claims

Vergaser, insbesondere Gleichstromvergaser, zur Erzeugung von Schwachgas, mit einer Zuführeinrichtung (2) zur Zuführung von Festbrennstoffen (1), mit einem Füllschacht (9) zur Aufnahme des Festbrennstoffes (1) und mit einer Oxidationszone, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Vergaser (10) eine Pyrolysekammer (3) zur Verkohlung von Festbrennstoffen (1) zu Holzkohle (12) angeschlossen ist und dass sich die Pyrolysekammer (3) mittels dem aus dem Vergaser (10) stammenden Schwachgas erwärmt.
Vergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysekammer (3) von einer Heizkammer (16) umgeben ist, durch die das heiße, aus dem Vergaser (10) stammende Schwachgas hindurchströmt.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der vorerwärmten Festbrennstoffe (1) aus der Pyrolysekammer (3) zwecks Vergasung in den Vergaser (10) gelangt.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (2) derart an die Pyrolysekammer (3) angeschlossen ist, dass der Festbrennstoff (1) zunächst in die Pyrolysekammer (3) gelangt.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysekammer (3) oberhalb des Vergasers (10) angeordnet ist.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite der Pyrolysekammer (3) ein Austragsstutzen (8) ausgebildet ist, an den der Füllschacht (9) des Vergasers (10) angeschlossen ist.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysekammer (3) länglich ausgebildet ist.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysekammer (3) horizontal angeordnet ist
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite der Pyrolysekammer (3) eine Austragsöffnung (11) zum Austragen der Holzkohle (12) vorgesehen ist.
Vergaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragsöffnung (11) in Fließrichtung der Festbrennstoffe (1) gesehen hinter dem Austragsstutzen (8) angeordnet ist.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (10) als Reduktions-Vergaser ausgebildet ist.
Vergaser nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Pyrolysekammer (3) ausgehende Pyrolysegasleitung (14) in den Vergaser (10), insbesondere in die Oxidationszone des Vergasers (10) mündet.