EP2146143A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines stickstoffarmen bzw. nahezu stickstofffreien Gases - Google Patents

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EP2146143A2
EP2146143A2 EP09450130A EP09450130A EP2146143A2 EP 2146143 A2 EP2146143 A2 EP 2146143A2 EP 09450130 A EP09450130 A EP 09450130A EP 09450130 A EP09450130 A EP 09450130A EP 2146143 A2 EP2146143 A2 EP 2146143A2
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EP
European Patent Office
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zone
gasification
fluidized bed
gasification zone
bed
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Withdrawn
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Klaus Bosch
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Biomassekraftwerk Betriebs GmbH and KG
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Energie Oberwart Errichtungs GmbH
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Publication date
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    • F23C2206/10—Circulating fluidised bed
    • F23C2206/101—Entrained or fast fluidised bed

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a nitrogen-poor or virtually nitrogen-free gas by gasification of heterogeneous, biogenic fuels or mixtures of heterogeneous, biogenic fuels and plastics, and to an apparatus for carrying out this method.
  • the US Pat. No. 3,853,498 discloses a process in which domestic waste is pyrolyzed in an inert atmosphere and the fuel is heated in a separate combustion zone.
  • the US 4 405 339 A proposes a fluidized bed apparatus comprising a zone for cracking fuel and a heating zone for heating the heat transfer medium by combustion of the residues from the cracking zone.
  • the processes of the latter two patents lead to a product gas containing a too high proportion of hydrocarbons for our purposes.
  • the EP 202 215 A2 discloses a combustion process in a fluidized bed furnace with internal circulation of the solid. However, no product gas is generated.
  • the GB 2 203 445 A proposes a process for the production of methane, in which the gasification takes place in a circulating fluidized bed.
  • the AT 405 937 describes a process wherein, to produce a nitrogen-lean, or nearly nitrogen-free gas by gasification of heterogeneous, biogenic fuels and plastics, the fuel to be gasified first brought into contact with the hot bed material of a fluidized bed combustion under exclusion of air and thereby at least in the presence of water vapor and / or CO2 Partially degassed. The resulting residual fuel is fed to a fluidized bed (2) with circulating bed material and thereby burned, whereby the bed material is heated and is returned after its separation from the exhaust gas back into the vestibule (1).
  • the gasification plant for implementation of the method is characterized in that it is formed in a housing of an internally circulating fluidized bed, wherein the antechamber (1) is used for the return of the hot bed material and is formed as a gasification chamber, while the actual fluidized bed (2) is formed as a combustion zone , wherein for the integration of the bed material in the fluidized bed (2) and in the return of the hot bed material in the vestibule (1) lock-like devices are provided.
  • the bed material is sand mixed with catalytically active nickel and / or niobium compounds, thereby lowering the gasification temperature and controlling the gas composition, especially in the direction of reducing the CH 4 content.
  • the in AT 405 937 B described method has the disadvantage that the automatically adjusting temperatures in the gasification and combustion part can not be practically influenced. In practice, this means that the process is almost unusable, since the temperature in the gasification for the gas quality and in particular for the tar content of the product gas is crucial. The possibility of regulating the temperature to a desired value is therefore absolutely necessary.
  • Object of the present invention is to overcome the disadvantages of To avoid prior art and to provide a method and an apparatus in which the temperatures in the gasification and combustion part can be influenced.
  • a reactor comprising a gasification zone and a combustion zone
  • the reactor has a fluidized bed material which is continuously heated Condition is passed from the combustion zone into the gasification zone and from the gasification zone in the cooled state together with non-gasified residual fuel back into the combustion zone, to introduce the fuel into the gasification zone formed as a circulating fluidized bed, wherein a part of the fluidized bed is designed as a moving bed, the fuel in The circulating fluidized bed of the gasification zone at Heilab gleich to form a product gas at least partially to degas or gas and the remaining or unreacted residual fuel together with the cooled bed material on the Wanderbe to spend in the combustion zone, where the bed material is fluidized to form a fast fluidized bed, reheated by combustion of the residual fuel, and recycled to the circulating fluidized bed of the gasification zone.
  • the present invention thus provides that a portion of the fuel to be gasified is introduced directly into the combustion part together with the circulating bed material.
  • This can be realized by appropriate design measures in the gasification part, wherein the lower part of the carburetor is changed so that by suitable combination of the feed point and the fluidization, the amount of fuel flowing into the combustion chamber, can be influenced.
  • Fluidization in two levels e.g., as a two-stage supply of gasification agent
  • the circulating fluidized bed in the gasification zone of the reactor is provided by different fluidization rates over the cross section of the gasification zone of the reactor.
  • the product gas is freed from dust formed in the gasification zone, the dust being transported as additional fuel via the moving bed into the combustion zone.
  • the particle discharge from the gasification section has proven to be a major shortcoming. Even with normal wood chips, the fine fraction had to be partially screened out in order to be able to control the higher tar load associated with higher fines.
  • the problem is the too short residence time of the small fuel particles in the hot carburetor area.
  • the present invention provides an internal particle separator, whereby the fine particles thus remain in the hot gasification section and can be gasified there regularly without producing higher amounts of tar.
  • the non-gasified dust material is then used as additional fuel and spent on the moving bed in the combustion zone.
  • the formation of the above-described circulating fluidized bed in the gasification section can be useful by the deposited and tends to float dust is introduced specifically into the downward circulation flow. In this way, it is transported together with not yet gassed fuel to the transition and finally into the combustion zone. This also ensures that fine ash, which can be discharged only via the combustion part, also gets there.
  • the present invention furthermore relates to a device for producing a nitrogen-poor or virtually nitrogen-free gas by gasification of heterogeneous, biogenic fuels, residues and / or plastics in a reactor a gasification zone and a combustion zone, wherein the reactor has a bed material fluidized by inflow of fluidizing gas via feed lines, which in the heated state via a line continuously from the combustion zone into the gasification zone and in the cooled state via a line from the gasification zone together with non-gasified residual fuel is conducted into the combustion zone, characterized in that the fuel is introduced via a line in the formed as a circulating fluidized bed gasification zone, wherein a part of the fluidized bed is designed as a moving bed, the fuel in the circulating fluidized bed of the gasification zone at Lucasab gleich to form a product gas at least is partly gasified or gasified and the remaining or unreacted residual fuel is spent together with the cooled bed material on the moving bed and via the line in the combustion zone, where the Bed material fluidized to form a fast
  • the circulating fluidized bed is provided in the gasification zone of the reactor by means of suitable internals, such as baffles.
  • suitable internals such as baffles.
  • inlet nozzles for fluidizing gas are provided in the bottom region of the gasification zone of the reactor in the vicinity of the fuel feed and / or in the environment or in the line from the gasification zone into the combustion zone for the purpose of providing the moving bed.
  • the adequate circulation of the bed material is an essential part of the functionality of the process.
  • the transfer of the bed material from the gasification zone in the combustion zone is often done in practice via an inclined fluidized slide (here, the inclination angle of the slide is crucial), this is often a weak point in terms of material flow but also leakage of air into the gasification zone, which largely avoided must become.
  • the inlet nozzles by the impulse of the incoming gas actively supports the flow of solids from the gasifier zone into the combustion zone and counteracts the leakage, both requirements can be met much better.
  • a device is also provided in which the gasification zone of the reactor has on the outlet side devices for the separation of dust formed in the gasification zone, the separated dust being transported via a guiding device in the inside of the gasification zone into the circulating fluidized bed or into the moving bed.
  • the devices for separating dust formed in the gasification zone are selected from the group consisting of filtering separators, centrifugal separators and combinations thereof, and if metal or ceramic candle filters are used as filtering separators, which may be used for the Teerspaltung catalytically active materials are populated.
  • the internal separators may, as stated, be made differently and may, for example, operate on a centrifugal basis (e.g., cyclones) or as filtering separators (e.g., metallic or ceramic candle filters).
  • it is advisable to use catalytically active materials for the tar splitting which enables a significant tea reduction at suitable temperatures.
  • a combined particle and tar separation would be possible and it can downstream devices avoided and also the product gas can be cooled easily without having to fear a tar condensation.
  • Sand or catalytically active natural materials preferably calcite, dolomite or olivine or mixtures thereof may be used as the bed material.
  • nickel and / or zirconium compounds come into question.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an inventive design of a carburettor with internally circulating fluidized bed in the gasification section, moving bed and faster Fluidized bed in the combustion part and in addition an internal dust separation with return of the dust into the moving bed.
  • Fig. 2 is a schematic cross section of an embodiment of a carburetor according to the invention shown with internally circulating fluidized bed in the gasification section and combined fuel-dust return to the chute and faster fluidized bed in the combustion part.
  • FIGS. 3a and 3b show examples of inventive embodiments of the flow in the transition from the gasification in the combustion part or optionally in the moving bed ( FIG. 3a Hole bottom design in basic and elevation,
  • Fig. 3b Nozzle for nozzle bottom design in basic and elevation).
  • the gasification reactor according to Fig. 1 consists of a circulating fluidized bed (1) in the gasification region, a moving bed (2), in which the fuel is introduced, a connecting line (3) (here designed as a connection slide) between the gasification zone and formed as a fast fluidized bed combustion zone (4) and a another connecting line (5) with cyclone and siphon for the return of heated bed material in the gasification zone.
  • the fuel supply (6) takes place in the moving bed (2), which can be adjusted by suitable fluidization of the fuel input into the connecting chute (3).
  • the fluidization of the gasification fluidized bed (1) is divided and can therefore be set differently.
  • a circulation of the bed material sets in a clockwise direction.
  • particles which tend to float are carried downwards and can thus be transported via the connecting chute (3) and further into the combustion zone (4).
  • internals eg baffles (14)
  • the gas supply can be adjusted independently of each other, that the desired circulation of bed material between the gasification zone (1) and combustion zone (4) results.
  • a particle separator (15) is shown according to the invention, for example a cartridge filter with pulse cleaning.
  • This particle separator (15) By means of this particle separator (15), a dust-free and tarry raw gas can be achieved even at higher fines in the fuel.
  • the separated particles are introduced via a collecting line (16) directly into the connecting chute (3) and thus transferred into the combustion zone (4). This prevents unwanted accumulation of fine ash particles in the gasification zone.
  • the fine particles are burned out and leave the reactor via the cyclone of the combustion zone as fly ash.
  • FIG. 2 is another possible embodiment of the gasification reactor of the invention shown schematically.
  • the fuel supply (6) in the upward flow of solids of the circulating fluidized bed (1).
  • the fuel to be gasified is transported upwards, partially gassed, but when arrived at the top, it is at least partially flushed into the moving moving bed (2) and transported down there, and flows into the connecting chute (3).
  • the moving bed (2) is simultaneously used to transport the fine particle stream coming from the internal separator (15) into the connecting chute (3) and further into the combustion zone (4).
  • FIG. 3 shows inventive embodiments of inlet or inflow devices (13) of the embodiments according to Fig. 1 or 2 for the chute (3) or optionally also for the moving bed (2).
  • Fig. 3a shows a section of a perforated bottom
  • Fig. 3b a nozzle for a nozzle bottom. Both have in common that the gas flowing into the reactor exerts an impulse on the bed material in its flow direction (traveling direction), which results in advantages for the circulation of the solids and in the reduction of leaks.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe, Reststoffe und/oder Kunststoffe in einem Reaktor umfassend eine Vergasungs- und eine Verbrennungszone, wobei der Reaktor ein fluidisiertes Bettmaterial aufweist, welches kontinuierlich in erhitztem Zustand von der Verbrennungszone in die Vergasungszone und von der Vergasungszone im abgekühlten Zustand zusammen mit nicht vergasten Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in die als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildete Vergasungszone eingebracht wird, wobei ein Teil der Wirbelschicht als Wanderbett ausgelegt ist, der Brennstoff in der zirkulierenden Wirbelschicht der Vergasungszone bei Luftabschluss unter Bildung eines Produktgases zumindest teilweise ent- bzw. vergast wird und der verbliebene bzw. nicht umgesetzte Restbrennstoff zusammen mit dem abgekühlten Bettmaterial über das Wanderbett in die Verbrennungszone verbracht wird, wo das Bettmaterial unter Bildung eines schnellen Wirbelbettes fluidisiert, durch Verbrennung des Restbrennstoffes wieder erhitzt und in die zirkulierende Wirbelschicht der Vergasungszone rückgeführt wird. Weiters wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines stickstoffarmen bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe bzw. Gemische von heterogenen, biogenen Brennstoffen und Kunststoffen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Es ist bekannt, Brennstoffe bei Temperaturen von etwa 800 Grad durch Einwirkung einer gesteuerten Luftmenge und gegebenenfalls Wasserdampf zu vergasen. Dies hat den Nachteil, dass das erzeugte Brenngas einen hohen Stickstoffgehalt aufweist, sodass dessen Brennwert gering ist.
  • Es ist ferner aus der EP 302 849 A1 bekannt, bei einer Wirbelbettverbrennung den zu verbrennenden Brennstoff zuerst zu pyrolisieren, anschließend zu verbrennen und schließlich das Pyrolysegas in die Brennkammer einzuleiten und zu verbrennen. Dieses Verfahren führt zu keiner Brenngasgewinnung.
  • Die US 3 853 498 A offenbart ein Verfahren, bei dem Hausmüll in inerter Atmosphäre pyrolisiert und das Brennmaterial in einer getrennten Verbrennungszone erhitzt wird. Die US 4 405 339 A schlägt eine Wirbelbettvorrichtung vor, die eine Zone zum Cracken von Brennmaterial und eine Aufheizzone zum Erhitzen des Wärmeträgermediums durch Verbrennung der Reststoffe aus der Crackzone. Die Verfahren der beiden letztgenannten Patentschriften führen zu einem Produktgas, das eine für unsere Zwecke zu hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen enthält.
  • Die EP 202 215 A2 offenbart ein Verbrennungsverfahren in einem Wirbelschichtofen mit interner Zirkulation des Feststoffes. Es wird jedoch kein Produktgas erzeugt. Die GB 2 203 445 A schlägt ein Verfahren zur Erzeugung von Methan vor, bei dem die Vergasung in einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt.
  • Die AT 405 937 beschreibt ein Verfahren, worin zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe und Kunststoffe zuerst der zu vergasende Brennstoff unter Luftabschluss mit dem heißen Bettmaterial einer Wirbelbettverbrennung in Kontakt gebracht und dadurch in Anwesenheit von Wasserdampf und/oder CO2 zumindest teilweise entgast wird. Der entstehende Restbrennstoff wird einem Wirbelbett (2) mit zirkulierendem Bettmaterial zugeführt und hierbei verbrannt, wodurch das Bettmaterial erhitzt wird und nach seiner Abtrennung vom Abgas wieder in den Vorraum (1) zurückgeführt wird. Die Vergasungsanlage zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass sie in einem Gehäuse einer intern zirkulierenden Wirbelschicht gebildet ist, wobei der Vorraum (1) für die Rückführung des heißen Bettmaterials verwendet wird und als Vergasungsraum ausgebildet ist, während das eigentliche Wirbelbett (2) als Verbrennungszone ausgebildet ist, wobei für die Einbindung des Bettmaterials in das Wirbelbett (2) als auch bei der Rückführung des heißen Bettmaterials in den Vorraum (1) schleusenartige Vorrichtungen vorgesehen sind. Insbesondere ist das Bettmaterial Sand vermischt mit katalytisch wirkenden Nickel und/oder Niobverbindungen, sodass dadurch die Vergasungstemperatur gesenkt und die Gaszusammensetzung insbesondere in Richtung Verminderung des CH4-Gehalts geregelt wird.
  • Das beschriebene Verfahren weist jedoch Mängel auf, welche durch die gegenständliche Erfindung behoben werden können.
  • Insbesondere weist das in AT 405 937 B beschriebene Verfahren den Nachteil auf, dass die sich automatisch einstellenden Temperaturen im Vergasungs- und Verbrennungsteil praktisch nicht beeinflusst werden können. Für die Praxis bedeutet dies, dass das Verfahren nahezu unbrauchbar ist, da die Temperatur in der Vergasung für die Gasqualität und insbesondere für den Teergehalt des Produktgases entscheidend ist. Die Möglichkeit der Regelung der Temperatur auf einen gewünschten Wert ist daher unbedingt erforderlich.
  • In einem ersten Schritt zur Behebung dieses Mangels wurde bei bisher realisierten Anlagen der eingangs angegebenen Art die Rückführung von erzeugtem Produktgas zur Verbrennung in den Verbrennungsteil vorgesehen. Dies führt jedoch zu Wirkungsgradeinbußen im Vergleich zur direkten Verwendung des festen Brennstoffes, da bereits die Erzeugung des Produktgases mit Energieverlusten verbunden ist. Weiters ergab sich bei den bestehenden Anlagen das Problem, dass nur wenig bis gar kein Restbrennstoff - insbesondere bei Verwendung von Biomasse - in die Verbrennungszone übergeführt werden konnte, da der Restbrennstoff im stationären Wirbelbett der Vergasungszone des Standes der Technik aufgrund seiner vergleichsweise geringen Dichte auf der Oberfläche der Wirbelschicht sozusagen aufschwamm und somit die am Boden der Wirbelschicht vorgesehene Verbindung zwischen Vergasungszone und Verbrennungszone gar nicht erreichen konnte.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, worin die Temperaturen im Vergasungs- und Verbrennungsteil beeinflusst werden können.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe, Reststoffe und/oder Kunststoffe in einem Reaktor umfassend eine Vergasungs- und eine Verbrennungszone, wobei der Reaktor ein fluidisiertes Bettmaterial aufweist, welches kontinuierlich in erhitztem Zustand von der Verbrennungszone in die Vergasungszone und von der Vergasungszone im abgekühlten Zustand zusammen mit nicht vergasten Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone geführt wird, den Brennstoff in die als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildete Vergasungszone einzubringen, wobei ein Teil der Wirbelschicht als Wanderbett ausgelegt ist, den Brennstoff in der zirkulierenden Wirbelschicht der Vergasungszone bei Luftabschluss unter Bildung eines Produktgases zumindest teilweise zu ent- bzw. vergasen und den verbliebenen bzw. nicht umgesetzten Restbrennstoff zusammen mit dem abgekühlten Bettmaterial über das Wanderbett in die Verbrennungszone zu verbringen, wo das Bettmaterial unter Bildung eines schnellen Wirbelbettes fluidisiert, durch Verbrennung des Restbrennstoffes wieder erhitzt und in die zirkulierende Wirbelschicht der Vergasungszone rückgeführt wird. Mit anderen Worten sieht die vorliegende Erfindung also vor, dass ein Teil des zu vergasenden Brennstoffes zusammen mit dem zirkulierenden Bettmaterial direkt in den Verbrennungsteil eingebracht wird. Dies kann durch geeignete konstruktive Maßnahmen im Vergasungsteil realisiert werden, wobei der Unterteil des Vergasers so verändert wird, dass durch geeignete Kombination des Beschickungspunktes und der Fluidisierung die Brennstoffmenge, die in die Brennkammer strömt, beeinflussbar wird. Eine Fluidisierung in zwei Ebenen (z.B. als zweistufige Zuführung des Vergasungsmittels) gewährleistet die geregelte Überführung der nötigen Brennstoffmenge in den Verbrennungsteil und schafft z.B. eine zirkulierende Wirbelschicht im oberen Teil der Vergasungszone und ein Wanderbett im unteren Teil der Vergasungszone.
  • Günstig ist dabei zusätzlich auch, wenn die zirkulierende Wirbelschicht in der Vergasungszone des Reaktors durch über den Querschnitt der Vergasungszone des Reaktors unterschiedliche Fluidisierungsgeschwindigkeiten vorgesehen wird.
  • Es ist bekannt, dass es durch gezielt unterschiedliche Fluidisierung einer stationären (blasenbildenden) Wirbelschicht zu einer Bettmaterialzirkulation innerhalb der Wirbelschicht kommt. Dabei strömt das Bettmaterial im niedrig fluidisierten Bereich nach unten und im höher fluidisierten Bereich nach oben. Diese Zirkulation kann so stark ausgebildet werden - gegebenenfalls können zur Unterstützung der Wirkung die Strömung leitende Einbauten eingesetzt werden -, dass teilvergaste Brennstoffpartikel, die sonst aufschwimmen würden, mit dem nach unten gerichteten Bettmaterialstrom zum Boden der Wirbelschicht mitgenommen werden und so die Möglichkeit geschaffen wird, diese auch in den Verbrennugnsbereich zu transportieren.
  • Vorzugsweise wird das Produktgas von in der Vergasungszone gebildetem Staub befreit, wobei der Staub als zusätzlicher Brennstoff über das Wanderbett in die Verbrennungszone verbracht wird. Als ein großer Mangel hat sich in der Praxis der Partikelaustrag aus dem Vergasungsteil herausgestellt. Schon bei normalem Hackgut musste teilweise der Feinanteil ausgesiebt werden, um die bei höherem Feinanteil einhergehenden höheren Teerfrachten beherrschen zu können. Das Problem besteht in der zu kurzen Verweilzeit der kleinen Brennstoffpartikel im heißen Vergaserbereich. Die vorliegende Erfindung sieht hierzu einen internen Partikelabscheider vor, wodurch die feinen Partikel damit im heißen Vergasungsteil bleiben und dort regulär vergast werden können ohne höhere Anteile an Teer zu produzieren. Andererseits wird das nicht vergaste Staubmaterial dann als zusätzlicher Brennstoff verwendet und über das Wanderbett in die Verbrennungszone verbracht. Dazu kann die Ausbildung der oben beschriebenen zirkulierenden Wirbelschicht im Vergasungsteil dienlich sein, indem der abgeschiedene und zum Aufschwimmen neigende Staub gezielt in den abwärts gerichteten Zirkulationsstrom eingebracht wird. Auf diese Weise wird er gemeinsam mit noch unvergastem Brennstoff zum Übergang und schließlich in die Verbrennungszone transportiert. Damit wird auch sichergestellt, dass feine Asche, die nur über den Verbrennungsteil ausgetragen werden kann, auch dorthin gelangt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiters noch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe, Reststoffe und/oder Kunststoffe in einem Reaktor umfassend eine Vergasungszone und eine Verbrennungszone, wobei der Reaktor ein durch Einströmen von Fluidisierungsgas über Zuleitungen fluidisiertes Bettmaterial aufweist, welches in erhitztem Zustand über eine Leitung kontinuierlich von der Verbrennungszone in die Vergasungszone und im abgekühlten Zustand über eine Leitung von der Vergasungszone zusammen mit nicht vergasten Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff über eine Leitung in die als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildete Vergasungszone eingebracht wird, wobei ein Teil der Wirbelschicht als Wanderbett ausgelegt ist, der Brennstoff in der zirkulierenden Wirbelschicht der Vergasungszone bei Luftabschluss unter Bildung eines Produktgases zumindest teilweise ent- bzw. vergast wird und der verbliebene bzw. nicht umgesetzte Restbrennstoff zusammen mit dem abgekühlten Bettmaterial über das Wanderbett und über die Leitung in die Verbrennungszone verbracht wird, wo das Bettmaterial unter Bildung eines schnellen Wirbelbettes fluidisiert, durch Verbrennung des Restbrennstoffes wieder erhitzt und über eine Leitung in die zirkulierende Wirbelschicht in die Vergasungszone rückgeführt wird. Wie klar ersichtlich gelten für die Vorrichtung die gleichen Vorteile wie für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Günstig ist dabei, wenn die zirkulierende Wirbelschicht in der Vergasungszone des Reaktors durch geeignete Einbauten, wie beispielsweise Leitbleche, vorgesehen wird. Diese Ausführungsform ist leicht zu bewerkstelligen, auch können bestehende Anlagen dadurch leicht auf das erfindungsgemäße Verfahren umgerüstet werden.
  • Weiters ist günstig, wenn im Bodenbereich der Vergasungszone des Reaktors in Umgebung der Brennstoffzufuhr und/oder in Umgebung bzw. in der Leitung von der Vergasungszone in die Verbrennungszone zusätzliche Einlassdüsen für Fluidisierungsgas zur Vorsehung des Wanderbettes vorgesehen sind. Die ausreichende Zirkulation des Bettmaterials ist wesentlicher Bestandteil für die Funktionalität des Verfahrens. Die Überführung des Bettmaterials von der Vergasungszone in die Verbrennungszone erfolgt in der Praxis häufig über eine schräg gestellte fluidisierte Rutsche (hier ist der Neigungswinkel der Rutsche entscheidend), diese ist häufig eine Schwachstelle hinsichtlich Materialfluss aber auch Leckage an Luft in die Vergasungszone, die weitgehend vermieden werden muss. Durch geeignete Gestaltung der Einlassdüsen, indem der Impuls des einströmenden Gases die Feststoffströmung von der Vergaserzone in die Verbrennungszone aktiv unterstützt und der Leckage entgegenwirkt, können beide Anforderungen deutlich besser erfüllt werden.
  • Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung vorgesehen, worin die Vergasungszone des Reaktors austrittsseitig Vorrichtungen zur Abtrennung von in der Vergasungszone gebildeten Staub aufweist, wobei der abgeschiedene Staub über eine Leiteinrichtung im Inneren der Vergasungszone in die zirkulierende Wirbelschicht bzw. in das Wanderbett verbracht wird. Auch hier gelten für die spezielle Ausgestaltung der Vorrichtung die gleichen Vorteile wie für das entsprechende erfindungsgemäße Verfahren.
  • Wie bereits erwähnt ist es auch günstig, wenn die Vorrichtungen zur Abtrennung von in der Vergasungszone gebildeten Staub ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend filternde Abscheider, Fliehkraftabscheider und Kombinationen hiervon, und wenn als filternde Abscheider metallische oder keramische Kerzenfilter verwendet werden, welche gegebenenfalls mit für die Teerspaltung katalytisch aktiven Materialien bestückt sind. Die internen Abscheider können wie gesagt unterschiedlich ausgeführt werden und können beispielsweise auf Fliehkraftbasis (z.B. Zyklone) arbeiten oder als filternde Abscheider ausgeführt sein (z.B. metallische oder keramische Kerzenfilter). Bei den filternden Abscheidern bietet sich an, für die Teerspaltung katalytisch aktive Materialien einzusetzen, was bei geeigneten Temperaturen eine deutliche Teereduktion ermöglicht. Damit wäre eine kombinierte Partikel- und Teerabscheidung möglich und es können nachgeschaltete Einrichtungen vermieden und auch das Produktgas problemlos abgekühlt werden ohne eine Teerkondensation befürchten zu müssen.
  • Als Bettmaterial können Sand oder katalytisch wirkende natürliche Materialien, vorzugsweise Kalzit, Dolomit oder Olivin oder Mischungen davon verwendet werden. Weiters kommen auch Nickel- und/oder Zirkonverbindungen in Frage.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die gezeigten schematischen Ausführungsformen sind dabei als Beispiele zu verstehen und sollen die Erfindung in keiner Weise einschränken.
  • Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung eines Vergasers mit intern zirkulierender Wirbelschicht im Vergasungsteil, Wanderbett und schneller Wirbelschicht im Verbrennungsteil sowie zusätzlich einer interne Staubabscheidung mit Rückführung des Staubs ins Wanderbett.
  • In Fig. 2 wird ein schematischer Querschnitt einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Vergasers gezeigt mit intern zirkulierender Wirbelschicht im Vergasungsteil und kombinierter Brennstoff-Staubrückführung in die Rutsche sowie schneller Wirbelschicht im Verbrennungsteil.
  • Die Figuren 3a und 3b zeigen Beispiele für erfindungsgemäße Ausführungen der Anströmung im Übergang vom Vergasungsteil in den Verbrennungsteil bzw. gegebenenfalls im Wanderbett (Figur 3a Lochbodenausführung in Grund- und Aufriss,
  • Fig. 3b Düse für Düsenbodenausführung in Grund- und Aufriss).
  • Der Vergasungsreaktor gemäß Fig. 1 besteht aus einer zirkulierenden Wirbelschicht (1) im Vergasungsbereich, einem Wanderbett (2), in welches hier der Brennstoff eingebracht wird, einer Verbindungsleitung (3) (hier als Verbindungsrutsche ausgeführt) zwischen Vergasungszone und der als schnelle Wirbelschicht ausgebildeter Verbrennungszone (4) und einer weiteren Verbindungsleitung (5) mit Zyklon und Syphon zur Rückführung von erhitztem Bettmaterial in die Vergasungszone. Die Brennstoffzufuhr (6) erfolgt ins Wanderbett (2), wobei sich durch geeignete Fluidisierung der Brennstoffeintrag in die Verbindungsrutsche (3) einstellen lässt. Bei Steigerung der Fluidisierung über Einströmeinrichtungen (9) gelangt mehr Brennstoff in die darüber angeordnete zirkulierende Wirbelschicht (1), bei Absenkung der Fluidisierung über die Einströmeinrichtungen (9) geht ein größerer Anteil an Brennstoff direkt in die Verbindungsrutsche (3) und damit in die Verbrennungszone (4).
  • Die Fluidisierung der Vergasungswirbelschicht (1) ist unterteilt und kann daher unterschiedlich eingestellt werden. Durch höhere Fluidisierung über Einströmeinrichtungen (7) im linken Teil des unteren Bereiches der Vergasungszone (1) und geringere Fluidisierung über Einströmeinrichtungen im rechten Teil (8) stellt sich eine Zirkulation des Bettmaterials im Uhrzeigersinn ein. Durch diese Bettmaterialzirkulation werden zum Aufschwimmen neigende Partikel nach unten mitgenommen und können so über die Verbindungsrutsche (3) und weiter in die Verbrennungszone (4) transportiert werden. Zur Unterstützung der Zirkulation in der Vergasungszone können auch Einbauten (z.B. Leitbleche (14)) angebracht werden. Über Einströmeinrichtungen (10) wird eine Fluidisierung in der Verbindungsrutsche (3), über Einströmeinrichtungen (11) wird die schnelle Wirbelschicht in der Verbrennungszone (4) vorgesehen und für die Rückführleitung (5) mit Syphon kann die Gaszufuhr unabhängig von einander so eingestellt werden, dass sich der gewünschte Umlauf an Bettmaterial zwischen Vergasungszone (1) und Verbrennungszone (4) ergibt.
  • In oberen Bereich der Vergasungszone (1) des Vergasungsreaktors ist erfindungsgemäß ein Partikelabscheider (15) dargestellt, z.B ein Kerzenfilter mit Pulsabreinigung. Durch diesen Partikelabscheider (15) kann auch bei höheren Feinanteilen im Brennstoff ein staubfreies und teerarmes Rohgas erreicht werden. Die abgeschiedenen Partikel werden über eine Sammelleitung (16) direkt in die Verbindungsrutsche (3) eingeleitet und so in die Verbrennungszone (4) transferiert. Damit wird eine unerwünschte Anreicherung von feinen Aschepartikel in der Vergasungszone verhindert. In der Verbrennungszone (4) werden die feinen Partikel ausgebrannt und verlassen den Reaktor über den Zyklon der Verbrennungszone als Flugasche.
  • In Figur 2 ist eine weitere mögliche Ausbildungsform des Vergasungsreaktors der Erfindung schematisch dargestellt. Zum Unterschied von der Ausführungsform in Figur 1 mündet hier die Brennstoffzufuhr (6) in den aufwärts gerichteten Feststoffstrom der zirkulierenden Wirbelschicht (1). Dadurch wird der zu vergasende Brennstoff nach oben transportiert, dabei teilweise vergast, wird aber oben angekommen zumindest teilweise in das abwärts strömende Wanderbett (2) gespült und dort nach unten transportiert und mündet in der Verbindungsrutsche (3). Über diesen Weg gelangt ein höherer Anteil des Brennstoffes in die Verbrennungszone (4) und kann durch geeignete Einstellung der Fluidsierungen durch Einströmeinrichtungen (7,8,9) auf den gewünschten Wert angepasst werden. Das Wanderbett (2) wird gleichzeitig benutzt, um den vom internen Abscheider (15) kommenden feinen Partikelstrom in die Verbindungsrutsche (3) und weiter in die Verbrennungszone (4) zu transportieren.
  • Figur 3 zeigt erfindungsgemäße Ausführungsformen von An- bzw. Einströmeinrichtungen (13) der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 oder 2 für die Rutsche (3) bzw. gegebenenfalls auch für das Wanderbett (2). Fig. 3a zeigt einen Ausschnitt eines Lochbodens,Fig. 3b eine Düse für einen Düsenboden. Beiden ist gemein, dass das in den Reaktor einströmende Gas einen Impuls auf das Bettmaterial in dessen Strömungsrichtung (Wanderrichtung) ausübt, was Vorteile für den Feststoffumlauf und hinsichtlich einer Verminderung von Leckagen ergibt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe, Reststoffe und/oder Kunststoffe in einem Reaktor umfassend eine Vergasungs- und eine Verbrennungszone, wobei der Reaktor ein fluidisiertes Bettmaterial aufweist, welches kontinuierlich in erhitztem Zustand von der Verbrennungszone in die Vergasungszone und von der Vergasungszone im abgekühlten Zustand zusammen mit nicht vergasten Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in die als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildete Vergasungszone eingebracht wird, wobei ein Teil der Wirbelschicht als Wanderbett ausgelegt ist, der Brennstoff in der zirkulierenden Wirbelschicht der Vergasungszone bei Luftabschluss unter Bildung eines Produktgases zumindest teilweise ent- bzw. vergast wird und der verbliebene bzw. nicht umgesetzte Restbrennstoff zusammen mit dem abgekühlten Bettmaterial über das Wanderbett in die Verbrennungszone verbracht wird, wo das Bettmaterial unter Bildung eines schnellen Wirbelbettes fluidisiert, durch Verbrennung des Restbrennstoffes wieder erhitzt und in die zirkulierende Wirbelschicht der Vergasungszone rückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zirkulierende Wirbelschicht in der Vergasungszone des Reaktors durch über den Querschnitt der Vergasungszone des Reaktors unterschiedliche Fluidisierungsgeschwindigkeiten vorgesehen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas von sich in der Vergasungszone gebildetem Staub befreit wird, wobei der Staub als zusätzlicher Brennstoff über das Wanderbett in die Verbrennungszone verbracht wird.
  4. Vorrichtung zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstofffreien Gases durch Vergasung heterogener, biogener Brennstoffe, Reststoffe und/oder Kunststoffe in einem Reaktor umfassend eine Vergasungszone (1) und eine Verbrennungszone (4), wobei der Reaktor ein durch Einströmen von Fluidisierungsgas über Zuleitungen (7, 8, 9, 10, 11) fluidisiertes Bettmaterial aufweist, welches in erhitztem Zustand über eine Leitung (5) kontinuierlich von der Verbrennungszone (4) in die Vergasungszone (1) und im abgekühlten Zustand über eine Leitung (3) von der Vergasungszone (1) zusammen mit nicht vergasten Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone (4) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff über eine Leitung (6) in die als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildete Vergasungszone (1) eingebracht wird, wobei ein Teil der Wirbelschicht als Wanderbett (2) ausgelegt ist, der Brennstoff in der zirkulierenden Wirbelschicht der Vergasungszone (1) bei Luftabschluss unter Bildung eines Produktgases zumindest teilweise ent- bzw. vergast wird und der verbliebene bzw. nicht umgesetzte Restbrennstoff zusammen mit dem abgekühlten Bettmaterial über das Wanderbett (2) und über die Leitung (3) in die Verbrennungszone (4) verbracht wird, wo das Bettmaterial unter Bildung eines schnellen Wirbelbettes fluidisiert, durch Verbrennung des Restbrennstoffes wieder erhitzt und über eine Leitung (5) in die zirkulierende Wirbelschicht in die Vergasungszone (1) rückgeführt wird..
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zirkulierende Wirbelschicht in der Vergasungszone (1) des Reaktors durch geeignete Einbauten, wie beispielsweise Leitbleche (14), vorgesehen wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenbereich der Vergasungszone (1) des Reaktors in Umgebung der Brennstoffzufuhr (6) und/oder in Umgebung bzw. in der Leitung (3) von der Vergasungszone (1) in die Verbrennungszone (4) zusätzliche Einlassdüsen (9 bzw. 13) für Fluidisierungsgas zur Vorsehung des Wanderbettes (2) vorgesehen sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungszone (1) des Reaktors austrittsseitig Vorrichtungen (15) zur Abtrennung von in der Vergasungszone gebildeten Staub aufweist, wobei der abgeschiedene Staub über eine Leiteinrichtung (16) im Inneren der Vergasungszone in die zirkulierende Wirbelschicht bzw. in das Wanderbett (2) verbracht wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen (15) zur Abtrennung von in der Vergasungs-zone gebildeten Staub ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend filternde Abscheider, Fliehkraftabscheider und Kombinationen hiervon.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als filternde Abscheider metallische oder keramische Kerzenfilter verwendet werden, welche gegebenenfalls mit für die Teerspaltung katalytisch aktiven Materialien bestückt sind.
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