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Dokumentenidentifikation DE10030778A1 17.01.2002
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen
Anmelder Gesellschaft für Nachhaltige Stoffnutzung mbH, 06120 Halle, DE
Erfinder Spindler, Herbert, Prof. Dr., 06120 Halle, DE;
Bauermeister, Ute, Dr., 04207 Leipzig, DE;
Ferges, Johannes, Dipl.-Ing., 51429 Bergisch Gladbach, DE
Vertreter Schinke, H., Dr.rer.nat. Dr.jur., Pat.-Anw., 06237 Leuna
DE-Anmeldedatum 23.06.2000
DE-Aktenzeichen 10030778
Offenlegungstag 17.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.01.2002
Addition 10127138.7
IPC-Hauptklasse C10J 3/26
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen, insbesondere Holz, in einem Festbettreaktor mit Wasserdampf und Luft als Vergasungsmittel. Ziel ist es, ein heizwertreiches motorfähiges Brenngas zu erzeugen, dessen motorischer Einsatz nicht zu Abgasen mit Inhaltsstoffen in gefahrdrohender Menge führt.
Erfindungsgemäß gelingt das durch ein Verfahren in einem Festbettvergasungsreaktor mit Waaserdampf und Luft als Vergasungsmittel unter Normaldruck, bei dem die gestückte feste Biomasse mit einem anorganischen Katalysator versetzt,
auf einen Restgehalt von bis zu 18 Gew.-% Wasser getrocknet, in vorgewärmter Form mit Temperaturen von 80 bis 150°C in einen Vergasungsreaktor eingeführt und mit Heißdampf und heißer Luft auf 230 bis 450°C aufgeheizt wird, wobei
die Menge des eintretenden Luftstromes 5 bis 20 Vol-% des austretenden Rohgasstromes und die Menge des zugesetzten Wasserdampfes 10 bis 30 Masse-% der eingesetzten Biomasse, bezogen auf Trockensubstanz, beträgt und anschließend die als Koks verbleibende Biomasse durch Zugabe von heißer Luft in Mengen von 10 bis 30 Vol-% des austretenden Rohgasstromes bis höchstens 900°C aufgeheizt und daß der gebildete, im unteren Teil des Reaktors abgenommene Brenngasstrom zum motorfähigen Brenngas gereinigt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens wurd ein spezieller Vergasungsreaktor für absteigende Vergasung entwickelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen, insbesondere Holz, in einem Festbettreaktor mit Wasserdampf und Luft als Vergasungsmittel unter Normaldruck mit dem Ziel, ein Brenngas mit einer solchen Zusammensetzung zu erzeugen, daß es motorfähig ist und sein motorischer Einsatz nicht zu Abgasen mit Inhaltsstoffen in gefahrdrohender Menge führt.

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Biomassevergasung, speziell in Festbettvergasern, bekannt. Einen Überblick über den Stand der Technik geben die Übersichtsarbeiten von

  • - Th. Nussbaumer, Grundlagen der Holzvergasung, HeizungKlima Nr. 7/1990, S. 3-11,
  • - R. Bühler, Stand der Technik von Holzvergasungsanlagen, in: Neue Erkenntnisse zur thermischen Nutzung von Holz, Tagungsband zum 3. Holzenergiesymposium, 21. Okt. 1994, S. 195-223, ETH Zürich und
  • - die Monographie von J. Obernberger und A. Hammerschmid, Dezentrale Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungstechnologien, Schriftenreihe Thermische Biomassenutzung, Bd. 4, dbv-Verlag, Graz 1999.

Die Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Materials kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, je nachdem ob das Vergasungsmittel Luft, Sauerstoff, Wasserdampf oder Gemische daraus verwendet werden, ob die Reaktionswärme beim Vergasungsprozeß selbst erzeugt (autotherm) oder von außen zugeführt wird (allotherm). Ferner ist zu unterscheiden zwischen der Vergasung in einem Festbett oder in einer Wirbelschicht. Die Vergasung kann auch unter Druck durchgeführt werden. Am häufigsten sind jedoch Ausführungsformen, die unter Normaldruck und mit Luft als Vergasungsmedium arbeiten.

Die Qualität des erhaltenen Gases hängt stark ab von der Prozeßtemperatur und dem Vergasungsmedium. Wird Luft verwendet, ist in dem Produktgas eine große Menge Stickstoff enthalten. Der Heizwert Hu des Brenngases liegt dann zwischen 4 bis 6 MJ/Nm3 (Schwachgas). Seine Hauptbestandteile sind Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, etwas Methan und andere Kohlenwasserstoffe. Das Brenngas enthält immer Teere und andere Verunreinigungen wie Schwefelverbindungen und Stäube mit Metallfrachten.

Bei allen Verfahren geht der eigentlichen Vergasung stets eine Trocknung des zu vergasenden Materials voraus, die im wesentlichen bei 170°C abgeschlossen ist. Es folgt bei Temperaturen oberhalb 200°C die Entgasung (Schwelung, Pyrolyse, neuerdings auch Thermolyse genannt), bei der in teils exothermer, teils endothermer Reaktion Gase und organische Verbindungen (Kohlenwasserstoffe, Säuren) gebildet werden. Bei 500 bis 600°C ist dieser Vorgang beendet, und es bleibt Koks (Holzkohle) zurück. Dieser Koks wird bei weiter steigender Temperatur entweder vergast oder verbrannt, je nachdem ob mit Sauerstoffunterschuß oder Sauerstoffüberschuß gearbeitet wird.

Während der Vergasung laufen verschiedene chemische Reaktionen ab. Allerdings stellen sich die thermodynamischen Gleichgewichte, die mit den Reaktionen verbunden sind und sich in komplexer Weise überlagern, gar nicht vollständig ein noch lassen sich aus ihnen zwingende Schlüsse für den Ablauf des Gesamtgeschehens in einem Vergasungsreaktor ziehen. Denn durch die der eigentlichen Vergasung vorgelagerte Thermolyse werden bereits zwei Drittel bis drei Viertel der Biomasse zu gasförmigen Verbindungen mit einem außerordentlich weitgefächerten Produktspektrum umgesetzt, die dann im glühenden Koksbett vielfältigen Sekundärreaktionen unterliegen und zu teilweise sehr unerwünschten Substanzen führen, die ungenau unter den Begriff "Teere" zusammengefaßt werden.

Für eine motorische Nutzung von Holzgas wird eine Reinheit von < 50 mg/Nm3 Teer im Brenngas gefordert, die von den meisten Vergasertypen nicht erreicht wird. Wirbelschichtvergaser liefern ein Gas mit mehr als 10 g/Nm3 Teer. Ähnliche Werte werden für Festbettvergaser angegeben, die nach dem Gegenstromprinzip arbeiten. Nur mit Gleichstromvergasern und sogenannten Doppelfeuervergasern werden Reinheitsgrade erreicht, die in die Nähe der angegebenen Forderung kommen. Inzwischen sind von verschiedenen Motorenherstellern die Reinheitsanforderungen noch verschärft worden; für Gasturbinen gelten generell höhere Anforderungen an die Gasqualität als für Motoren.

Für die Lösung des Reinheitsproblems sind mehrere Verfahren bekannt, die sich in drei Gruppen einordnen lassen:

  • 1. Verfahren, die nach dem Grundprinzip der Gleichstromvergasung mit absteigender Vergasung arbeiten, wobei in der Oxidationszone durch Sondermaßnahmen sehr hohe Temperaturen oberhalb 1000°C erreicht werden, um die "Teere" thermisch zu cracken, z. B. durch einen keramischen Gegenkegel beim HTV- Verfahren nach Juch, wobei über 2000°C erreicht werden sollen, oder eine spezielle Zusatzheizstufe, wie beim Doppelfeuervergaser, wodurch Temperaturen über 1200°C eingestellt werden (USP 5.571.294, USP 5.580.361).
  • 2. Verfahren, bei denen der Gesamtvorgang der Biomassevergasung in mehreren apparativ getrennten Stufen durchgeführt wird, z. B. Durchführung der Pyrolyse zur Erzeugung von Pyrolysegas und Koks und gesonderte Vergasung dieses Kokses unter kalorischer Nutzung der Verbrennungswärme des Pyrolysegases, wie beim Carbo-V-Verfahren der UET Freiberg oder Durchführung einer dreistufigen Vergasung wie beim EASYMOD-Vergaser nach Michel-Kim (DE 196 53 901 A1).
  • 3. Verfahren, bei denen das vorgereinigte Holzgas in einem nachgeschalteten Reaktor einer katalytischen Heißgasreinigung unterzogen wird, z. B. mit Dolomit oder Nickelverbindungen als Katalysatoren (vgl. Beenackers und Maniatis, Gas cleaning in electricity production via gasification of biomass: Conclusions of the workshop. In: Bridgwater (Hrg), Advances in thermochemical Biomass conversion, S. 540-546, Blackie 1994).

Alle diese Verfahren sind unwirtschaftlich und auf dem Markt gegenüber herkömmlichen Energieerzeugungsverfahren, insbesondere Stromerzeugungsverfahren, nicht konkurrenzfähig. Dies ist bedingt durch hohe investive Kosten, den hohen Aufwand für die Gasreinigung und den insgesamt noch niedrigen Wirkungsgrad der Umwandlung der chemischen Energie der Biomasse über die motorische Nutzung des erzeugten Brenngases in mechanische bzw. elektrische Energie.

Bei diesen Verfahren wird ein Schwachgas mit einem (unteren) Heizwert Hu von 4 bis 6 MJ/Nm3 und einer in weiten Grenzen schwankenden Zusammensetzung von etwa 12 bis 22 Vol-% CO, 12 bis 22 Vol-% H2, 10 bis 15 Vol-% CO2, 1 bis 4 Vol-% CH4 und 50 bis 55 Vol-% N2 erzeugt. Der Motorenwirkungsgrad ηmot einer Schwach- Gasanlage liegt bei ca. 30%, der Vergasungswirkungsgrad ηV meist nicht höher als 60%, woraus ein elektrischer Anlagenwirkungsgrad, definiert als ηel = ηV ηmot, von höchstens 18% resultiert.

Dieser niedrige Umwandlungsgrad der chemischen Energie des Brennstoffs in universell nutzbare elektrische Energie ist durchaus unbefriedigend, wenn er auch etwa doppelt so hoch liegt wie beim Dampfprozeß, bei welchem der im Kessel erzeugte Dampf für den Antrieb eines Dampfmotors verwendet wird. Dies wird auch nicht wesentlich günstiger, wenn mit dem höchsten derzeit realisierbaren Motorenwirkungsgrad von ηmot = 35% gerechnet wird. Eine wesentliche Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades ist nur über die Erhöhung der Vergasungseffektivität zu erreichen.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, diese Nachteile bei der Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen, insbesondere aus Holz, zu beseitigen. Es bestand die Aufgabe, das Verfahren technisch vergleichsweise einfach und insgesamt wirtschaftlich zu gestalten.

Erfindungsgemäß gelingt das durch ein Verfahren in einem Festbettvergasungsreaktor mit Wasserdampf und Luft als Vergasungsmittel unter Normaldruck, bei dem

  • - die gestückte feste Biomasse mit einem anorganischen Katalysator versetzt,
  • - auf einen Restgehalt von bis zu 18 Masse% Wasser getrocknet,
  • - in vorgewärmter Form mit Temperaturen von 80 bis 150°C in einen Vergasungsreaktor eingeführt und
  • - mit Heißdampf und heißer Luft auf 230 bis 450°C aufgeheizt wird, wobei
  • - die Menge des eintretenden Luftstromes 5 bis 20 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen umgerechnet, und
  • - die Menge des zugesetzten Wasserdampfes 10 bis 30 Masse-% der eingesetzten Biomasse, bezogen auf Trockensubstanz, beträgt und
  • - anschließend die als Koks verbleibende Biomasse durch Zugabe von heißer Luft
  • - in Mengen von 10 bis 30 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen,
  • - bis höchstens 900°C aufgeheizt und
  • - daß der gebildete, im unteren Teil des Reaktors abgenommene Brenngasstrom in an sich bekannter Weise zum motorfähigen Brenngas gereinigt wird.

Überraschend wurde gefunden, daß sich die komplexen Vorgänge in der Pyrolyse- oder Thermolysestufe des Gesamtprozesses der Vergasung im Temperaturbereich von etwa 230 bis 450°C katalytisch steuern lassen, und zwar in Richtung zu mehr niedermolekularen Gasen und mehr Koks. Es handelt sich bei dieser Art von Katalyse nicht um eine katalytische Crackung oder ähnliche Reaktionen in einer gesonderten Apparatur, sondern um einen Prozeß, bei dem der Katalysator der Biomasse zugesetzt wird.

Der anorganische Katalysator wird der feuchten oder getrockneten Biomasse als wäßrige Lösung als Suspension, als Slurry oder feste Mischung vorzugsweise in solcher Menge zugegeben, daß der Anteil des Katalysators an der so dotierten Biomasse 0,1 bis 3 Masse-%, bezogen auf die Trockensubstanz der Biomasse, beträgt.

Als anorganische Katalysatoren werden insbesondere Gemische von Verbindungen der I. und II. Hauptgruppe des Periodensystems des Elements (PSE) und/oder der VIII. Nebengruppe des PSE verwendet.

Besonders geeignete anorganische Katalysatoren sind Gemische von einzelnen oder mehreren Verbindungen des Natriums, Kaliums, Magnesiums, Calciums und Eisens. Es ist zweckmäßig, hierbei die Carbonate, Hydroxide, Oxide, Aquo-, Hydrogen- und Hydroxiverbindungen gegenüber den Halogen- und Schwefelverbindungen zu bevorzugen.

Völlig unerwartet zeigte sich, daß bereits ab 230°C katalytisch wirkende Zusätze in kleinen Mengen ab 0,1 Masse-%, bezogen auf die Trockensubstanz, die Thermolyse von Biomasse günstig beeinflussen. Die katalytische Wirkung nimmt zwar mit der Menge zu, aber immer langsamer, so daß eine Zugabemenge über 3 Masse-% zwar an sich unschädlich, aber ungünstig ist, da sie den Vergasungsrückstand unnötig vermehrt.

Der Wirkungsmechanismus dieser Zusätze ist zwar noch unklar, doch lassen sich vorteilhafte Wirkungen beschreiben, welche die Erfindung begründen. Die katalytisch wirkenden Stoffe verschieben das Maximum der Thermolyse nach tieferen Temperaturen und zwar in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung, ihrer Konzentration und der Art ihrer Aufbringung auf die Biomasse, so daß bei den als besonders vorteilhaft angegebenen Durchführungsformen die Thermolyse im wesentlichen bereits bei 320 °C abgeschlossen ist, wie durch thermoanalytische Zusatzuntersuchungen nachgewiesen werden konnte.

Für die erfindungsgemäße Aufbringung der Katalysatoren ist es vorteilhaft, diese Stoffe auf die in gestückter Form, vorzugsweise als gebrochenes Holz mit Maximallängen der Teile von 5 bis 10 cm oder als Pellets ähnlicher Dimensionierung, vorliegende ungetrocknete Biomasse in Form einer konzentrierten Lösung, als Suspension als Slurry oder auch in fester Abmischung in der gewünschten Menge so zuzugeben, daß durch Tränkung oder einfache Durchmischung eine möglichst gleichmäßige Verteilung erreicht wird.

Es ist günstig, die Biomasse erst nach ihrer Beaufschlagung mit dem Katalysator zu trocknen, weil auf diese Weise eine weitere Homogenisierung der Zusätze erreicht wird. Erfindungsgemäß soll der Restwassergehalt der getrockneten Biomasse nur noch höchstens 18 Masse-% betragen, günstig ist es, ihn auf 8 bis 12 Masse-% einzustellen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, diese Trocknung mit Abwärme aus der Vergasungsanlage durchzuführen und die so vorbehandelte Biomasse noch heiß, bei Temperaturen zwischen 80 und 150°C, zweckmäßig zwischen 100 und 120°C, in den Reaktor einzugeben. In der dem Reaktoreingang naheliegenden Zone sollte sie durch die Zufuhr der heißen Medien auf 280 bis 350°C aufgeheizt werden.

Zweckmäßig erfolgt die Aufheizung des Reaktors durch gleichzeitige Zufuhr von überhitztem Wasserdampf und heißer Luft mit Temperaturen beider Medien von 300 bis 600°C.

Die heiße Luft wird in der Nähe des Wasserdampfeintritts auf mindestens 300°C aufgeheizt und eingeleitet, ihre Menge beträgt 10 bis 15 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen.

Der Gesamtwassergehalt des Vergasungsgutes im Reaktor wird etwa auf 20 bis 40 Masse-% eingestellt, wobei die Wasserzugabe in Form von Dampf bereits 12 bis 32 Masse-% der eingesetzten Biomasse, bezogen auf die Trockensubstanz, ausmacht.

Die abschließende Zugabe heißer Luft zu der dann als Koks vorliegenden Biomasse erfolgt vorzugsweise in Mengen von 20 bis 25 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen.

Eine energetisch besonders vorteilhafte Verfahrensweise besteht darin, daß das austretende Rohgas bzw. das gereinigte Brenngas und/oder das Abgas nach einer motorischen Nutzung ganz oder teilweise zur Trocknung und Vorwärmung der Biomasse nach den Ansprüchen 5 und 6 zur Erzeugung von Dampf bzw. zur Lufterhitzung gemäß Anspruch 6 genutzt wird.

Das erhaltene Brenngas enthält wesentlich weniger Stickstoff als vergleichbare Schwachgase nach bekannten Vergasungsverfahren. Nach einer mit herkömmlichen Methoden durchgeführten Gaswäsche ist es voll motorfähig. Bereits im Rohgas sind höhere, insbesondere mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffe mit einer Siedetemperatur > 220°C nicht mehr nachweisbar, wobei die Nachweisgrenze der angewandten Analysenmethode bei 0,1 mg/Nm3 liegt. Dagegen wurde ein deutlicher Mehrgehalt an niederen Kohlenwasserstoffen bis C7, insbesondere Benzol, gefunden.

Ein Schema für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens einschließlich der Energienutzung zeigt Abb. 1. Darin bedeuten: 1 Vergasungsreaktor insgesamt

2 Materialeintragschleuse im Vergasungsreaktor

3 Heißdampfdüsen im Vergasungsreaktor

4, 5, 7 Heißluftdüsen im Vergasungsreaktor

6 Rohgasaustritt im Vergasungsreaktor

8 Aschesammler im Vergasungsreaktor

9 Aschaustrag

10 Aschebehälter

11 Materialanlieferung

12 Materialzerkleinerungsanlage

13 gestücktes Material

14 Abluft aus Zerkleinerungsanlage

15 Mischanlage

16 Katalysatoreintrag

17 dotiertes Material

18 Trockner

19 getrocknetes Material

20 Abgasbrüden

21 Rohgaskühler

22 gekühltes Rohgas

23 Abwärme aus Gaskühler

24 Gaswäscher

25 Reingas

26 Gasmotor-Generatorblock

27 Verbrennungsluft

28 Motorabwärme

29 Heißes Abgas

30 Nachbrennkammer

31 gereinigtes heißes Abgas

32 Abhitzenutzung

33 Heißdampf zum Vergaser

34 Heißluft zum Vergaser

35 Abgas zum Trockner

36 Überschußwärme

37 Filter

38 gereinigte Abluft

39 Waschwasserzugabe

40 Waschwasseraustrag

41 Waschwasseraufbereitung



Erfindungsgemäß läßt sich das Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomassen, insbesondere aus Holz, mit Wasserdampf und Luft in einem zylindrischen Vergasungsreaktor für absteigende Vergasung mit der Höhe h mit folgenden - von oben nach unten vorhandenen - Merkmale durchführen:

  • - Materialeintragschleuse 2 am obersten Teil (Position A),
  • - Heißdampfdüsen 3 im oberen Teil (Position B),
  • - darunter liegenden Heißluftdüsen 4 im oberen Teil (Position C),
  • - zusätzlichen Heißluftdüsen 5 im mittleren Teil (Position D),
  • - Gasaustritt 6 im unteren Teil (Position E) und
  • - Aschesammler 8 und -austritt 9 im untersten Teil (oberhalb Position G)
  • - ggfs. weiteren Heißluftdüsen 7 (im unteren Teil/Position F) zwischen Gasaustrittsventil 6 und Ascheaustritt 9 (Position G) und
  • - einem (gestrichelt eingezeichneten) Ascherost zwischen den Positionen E bzw. F und G.

Zweckmäßig ist der Vergasungsreaktor so ausgebildet, daß

  • a) die Position der oberen Heißluftdüsen 4 und die Position der mittleren Heißluftdüsen 5 einen Abstand b haben, der das 2,3- bis 2,7-fache des Abstandes a der Position A der Materialeintragschleuse 2 und der Position E der oberen Heißluftdüsen 4 und
  • b) der Abstand a + b der Position A der Materialeintragschleuse 2 und der Position D der mittleren Heißluftdüsen 5 0,4 bis 0,6 der Höhe h des Vergasers
betragen.

Diese Variante wird schematisch in Abb. 2 dargestellt.

Dieser Vergasungsreaktor ist in einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung als Gleichstromvergaser mit absteigender Vergasung ausgeführt, in den die vorgewärmte dotierte Biomasse durch die Eingabeschleuse 2 gelangt, die an der Stelle A des Reaktors, also an dessen oberen Ende, angeordnet ist. Sie tritt damit nach einer kurzen Pufferzone unmittelbar in die Thermolysezone ein, in die durch die Düsen 3 an der Position B und 4 an der Position C heißer Dampf bzw. heiße Luft zudosiert wird, wobei der Reaktor insgesamt die Höhe h hat. Die genannten Medien besitzen Temperaturen von 300°C bis 600°C und erhitzen die Biomasse auf 230 bis 450°C, zweckmäßig auf 280 bis 350°C. Mit dieser Maßnahme wird der Ablauf der gesamten Thermolyse erreicht, und es verbleibt ein reaktiver Koks in einer deutlich größeren Menge als dies bei einer Pyrolyse nach dem Stand der Technik der Fall ist und ebenso entstehen deutlich mehr niedermolekulare Gase als erwartet.

Das feste Produkt der Thermolyse ist ein reaktiver Koks, der nun im Reaktor 1 in die Oxidationszone sinkt. An der Position D tritt durch die Heißluftdüsen 5 heiße Luft, deren Temperatur aber erfindungsgemäß nicht entscheidend ist, in einer Menge von 10 bis 30 Vol.-%, vorzugweise 20 bis 25 Vol.-%, des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen, ein, wodurch der Koks auf höchstens 900°C aufgeheizt wird. Diese Temperatur ist aber unter den erfindungsgemäßen Bedingungen vollständig ausreichend. Durch die dadurch mögliche Absenkung der Vergasungstemperatur um mehrere hundert Kelvin wird auch entscheidend weniger Energie verbraucht als nach Verfahren entsprechend dem Stand der Technik, was zur Erhöhung des Vergasungswirkungsgrades beiträgt.

In einer Vorzugsvariante gemäß Abb. 2 wird dies dadurch erreicht, daß die oberen Heißluftdüsen 4 und die unteren Heißluftdüsen 5 an den Positionen C und D mindestens doppelt, aber höchstens dreimal so weit auseinander liegen, wie der Abstand der oberen Heißluftdüsen von der Position A des als zylindrisch gedachten, aber nicht notwendig zylindrisch ausgeführten Reaktors beträgt, wobei für den Abstand A - C = a und C - D = b vorzugsweise gilt b = 2,4 bis 2,7 mal a und h = 1,6 bis 2,3 mal (a + b). Dabei sollte der Abstand zwischen den Heißdampfdüsen 3 und den oberen Heißluftdüsen 4 höchstens den Wert 2a2/h annehmen.

Abb. 3 zeigt die Variante, daß bei einem Vergasungsreaktor mit weiteren Heißluftdüsen 7 in der Position F (Doppelfeuervergaser) der Abstand c der Position der mittleren Heißluftdüsen 5 und der Position der unteren Heißluftdüsen 7 das 0,8- bis 1,3-fache des Abstandes b zwischen den Positionen der oberen Heißluftdüsen 6 und den mittleren Heißluftdüsen 7 beträgt, wobei der Gasaustritt 6 an der Stelle E etwa in der Mitte zwischen F und D liegt.

Die Gestaltung der Zufuhr von Dampf und Luft an den Positionen B und C bleibt gegenüber der vorigen Ausführungsform ungeändert, dagegen teilt sich die Zugabe heißer Luft auf zwei Stellen auf; so beträgt die Zugabe heißer Luft an der Position 5 vorzugsweise 10 bis 20 Vol.-% und an der Position F durch die Düsen 7 5 bis 10 Vol.-% des austretenden Rohgasstromes, bezogen auf die gleichen Bedingungen. Durch diese Gestaltung wird die Ausnutzung des Brennstoffs noch verbessert, und die Betriebsbedingungen werden homogenisiert.

In beiden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verläßt das Rohgas an der Position E durch den Gasaustritt den Reaktor mit einer Temperatur von 500 bis 600°C. Nach einer mit herkömmlichen Methoden durchgeführten Gaswäsche ist es voll motorfähig. Bereits im Rohgas sind höhere, insbesondere mehrkernige aromatische Kohlenwasserstoffe mit einer Siedetemperatur > 220°C nicht mehr nachweisbar, wobei die Nachweisgrenze der angewandten Analysenmethode bei 0,1 mg/Nm3 liegt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, dass der gesamte komplizierte Vorgang der Vergasung in einer Stufe, also einem Einstufenfestbettreaktor, durchgeführt werden kann. Dadurch werden Investkosten eingespart; in einem Schritt wird ein sehr reines heizwertreiches Gas erzeugt, das auf Grund der erfindungsgemäßen katalytisch-partiellallothermen Steuerung gegenüber den bisher bekannten Verfahren mit einer nur etwa halb so großen Menge des Vergasungsmittels Luft auskommt, wodurch das erzeugte Brenngas nur etwa die Hälfte der üblichen Stickstoffmengen enthält. Außerdem wird auf diese Weise der CO2-Ausstoß in die Atmosphäre reduziert.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen näher beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein:

Beispiel 1

Eine größere Menge eines gebrochenen Altholzes, dessen Splitter eine mittlere Länge von 4 cm hatten, wurden in einem Trommelmischer mit konzentrierter Sodalösung beaufschlagt und mit dem heißen Abgas eines Gasmotors auf einen Restwassergehalt von 12 Masse-% getrocknet und mit einer Temperatur von 105°C über die Materialeingabeschleuse 2 in den Reaktor nach Abb. 2 eingegeben. Das getrocknete Holz wies eine Konzentration von 0,8 Masse-% Na2CO3 auf und wurde kontinuierlich mit einer Menge von 50 kg/h in den Reaktor eingeschleust.

Durch die Heißdampfdüsen 3 an der Position B wurden 7 kg/h Dampf von 400°C und durch die Heißluftdüsen 4 an der Position C 10 Nm3/h Luft von 500°C zugegeben. In der Mitte des Reaktors kurz unterhalb der Höhe C wurde eine Temperatur von 305°C gemessen. Durch die unteren Heißluftdüsen 5 an der Position D wurden 18 Nm3/h heiße Luft eingedüst.

Am Gasaustritt 6 an der Position E traten 95 Nm3/h Rohgas aus, korrigiert auf den Wasserdampfgehalt. Das Brenngas war nach Reinigung und Trocknung voll motorfähig. Es hatte eine Zusammensetzung (in Vol-%, gerundet) von 29 H2, 26 CO, 4 CH4, 1 C2-C7, 14 CO2, 27 N2, woraus sich ein Heizwert Hu = 8,4 MJ/Nm3 errechnet.

Beispiel 2

Aus Holzspänen hergestellte Preßlinge in Form von 4 cm starken Pellets wurden mit einer Slurry aus dem anorganischen Anteil eines Ablaufs dotiert, dessen Eindampfrückstand auf die Oxide umgerechnet und normiert (in Masse-%) 55 Na2O, 12 K2O, 20 CaO, 3 MgO, 5 Fe2O3 (Rest Al2O3, SiO2, TiO2, Spuren Schwermetalle wie Mn, Zn, Cu, Pb, Cr) enthielt. Nach der Trocknung auf einen Restwassergehalt von 8 Masse- % machten die Zusätze, auf die Trockensubstanzen bezogen, 2,1 Masse-% aus. Die dotierten Pellets wurden in Mengen von 50 kg/h mit einer Temperatur von 120°C über die Materialeintragsschleuse 2 in einen Reaktor entsprechend Abb. 3 eingetragen.

Über die Heißdampfdüsen 3 wurden 16 kg/h Dampf von 500°C und 15 Nm3/h Luft von 550°C über die oberen Luftdüsen 4 zugegeben. In der Mitte des Reaktors, kurz unterhalb der Position C, wurde eine Temperatur von 350°C gemessen. Durch die mittleren Heißluftdüsen 5 und die unteren Heißluftdüsen 7 wurden 12 bzw. 6 Nm3/h heiße Luft zugegeben.

Am Gasaustritt 6 traten 104 Nm3/h heißes Rohgas aus, korrigiert auf den Wasserdampfgehalt. Es war nach Reinigung und Trocknung voll motorfähig und hatte eine Zusammensetzung (in Vol-%, gerundet) von 30 H2, 24 CO, 5 CH4, 2 C2-C7, 15 CO2, 24 N2, woraus sich ein Heizwert von Hu = 8,9 MJ/Nm3 errechnet.

Beispiel 3

Zum Vergleich wurden Pellets analog Beispiel 2 ohne Dotierung und ohne Trocknung mit einem Wassergehalt von 20 Masse-% in einer Menge von 50 kg/h in einen Doppelfeuervergaser ohne die oberen Heißluft- und Heißdampfdüsen gegeben. Durch die Luftdüsen in der Mitte des Reaktors und in seinem unteren Teil wurden 40 bzw. 25 Nm3/h vorgewärmte Luft zugegeben. Am Gasaustritt traten 91 Nm3/h Rohgas, korrigiert auf den Wasserdampfgehalt, aus, das nach Reinigung motorfähig war. Es hatte eine Zusammensetzung von (in Vol-%, gerundet) 13 H2, 17 CO, 2 CH4. 1 C2-C7, 12 CO2, 56 N2, woraus sich ein Heizwert von Hu = 4,8 MJ/Nm3 errechnet.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomassen, insbesondere aus Holz, in einem Festbettvergasungsreaktor mit Wasserdampf und Luft als Vergasungsmittel unter Normaldruck, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die gestückte feste Biomasse mit einem anorganischen Katalysator versetzt,
    2. - auf einen Restgehalt von bis zu 18 Masse% Wasser getrocknet,
    3. - in vorgewärmter Form mit Temperaturen von 80 bis 150°C in einen Vergasungsreaktor eingeführt und
    4. - mit Heißdampf und heißer Luft auf 230 bis 450°C aufgeheizt wird, wobei
    5. - die Menge des eintretenden Luftstromes 5 bis 20 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen umgerechnet, und
    6. - die Menge des zugesetzten Wasserdampfes 10 bis 30 Masse-% der eingesetzten Biomasse, bezogen auf Trockensubstanz, beträgt und
    7. - anschließend die als Koks verbleibende Biomasse durch Zugabe von heißer Luft
    8. - in Mengen von 10 bis 30 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen,
    9. - bis höchstens 900°C aufgeheizt und
    10. - daß der gebildete, im unteren Teil des Reaktors abgenommene Brenngasstrom in an sich bekannter Weise zum motorfähigen Brenngas gereinigt wird.
  2. 2. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchten oder getrockneten Biomasse anorganischer Katalysator als wäßrige Lösung, als Suspension, als Slurry oder feste Mischung in solcher Menge zugegeben wird, daß der Anteil des Katalysators an der so dotierten Biomasse 0,1 bis 3 Masse-%, bezogen auf die Trockensubstanz der Biomasse, beträgt.
  3. 3. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Katalysatoren Gemische von Verbindungen der I. und II. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (PSE) und/oder der VIII. Nebengruppe des PSE verwendet werden.
  4. 4. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Katalysatoren Gemische von einzelnen oder mehreren Verbindungen des Natriums, Kaliums, Magnesiums, Calciums und Eisens verwendet werden.
  5. 5. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtegehalt der dotierten und getrockneten Biomasse zwischen 8 und 12 Masse-% liegt.
  6. 6. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte und getrocknete Biomasse bei Temperaturen zwischen 100 bis 120°C in den Reaktor eingeführt und in der dem Reaktoreingang naheliegenden Zone durch Zufuhr heißer Medien auf 280° bis 350°C aufgeheizt wird.
  7. 7. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Reaktors durch gleichzeitige Zufuhr von überhitztem Wasserdampf und heißer Luft mit Temperaturen beider Medien von 300 bis 600°C erfolgt.
  8. 8. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Luft auf mindestens 300°C aufgeheizt und in der Nähe des Wasserdampfeintritts eingeleitet wird und ihre Menge 10 bis 15 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen, beträgt.
  9. 9. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwassergehalt des Vergasungsgutes im Reaktor auf 20 bis 40 Masse-% eingestellt wird, wobei die Wasserzugabe in Form von Dampf bereits 12 bis 32 Masse-% der eingesetzten Biomasse, bezogen auf die Trockensubstanz, ausmacht.
  10. 10. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abschliessende Zugabe heißer Luft zu der dann als Koks vorliegenden Biomasse in Mengen von 20 bis 25 Vol-% des austretenden Rohgasstromes, auf gleiche Bedingungen bezogen, erfolgt.
  11. 11. Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das austretende Rohgas bzw. das gereinigte Brenngas und/oder das Abgas nach einer motorischen Nutzung ganz oder teilweise zur Trocknung und Vorwärmung der Biomasse nach den Ansprüchen 5 und 6 zur Erzeugung von Dampf bzw. zur Lufterhitzung gemäß Anspruch 6 genutzt wird.
  12. 12. Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomassen, insbesondere aus Holz, zur Festbettvergasung von Biomasse mit Wasserdampf und Luft in Form eines zylindrischen modifizierten Gleichstromvergasungsreaktors für absteigende Vergasung mit der Höhe h, gekennzeichnet durch folgende - von oben nach unten vorhandene - Merkmale
    1. - Materialeintragschleuse 2 am obersten Teil (Position A),
    2. - Heißdampfdüsen 3 im oberen Teil (Position B),
    3. - darunter liegenden Heißluftdüsen 4 im oberen Teil (Position C),
    4. - zusätzlichen Heißluftdüsen 5 im mittleren Teil (Position D),
    5. - Gasaustritt 6 im unteren Teil (Position E) und
    6. - Aschesammler 8 und -austritt 9 im untersten Teil (oberhalb Position G) und
    7. - ggfs. weiteren Heißluftdüsen 7 (im unteren Teil/Position F) zwischen Gasaustritt 6 und Ascheaustritt 9 (Position G)
  13. 13. Vorrichtung bzw. Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomassen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) die Position der oberen Heißluftdüsen 4 und die Position der mittleren Heißluftdüsen 5 einen Abstand b haben, der das 2,3- bis 2,7-fache des Abstandes a der Position A der Materialeintragschleuse 2 und der Position C der oberen Heißluftdüsen 4 und
    2. b) der Abstand a + b der Position A der Materialeintragschleuse 2 und der Position D der mittleren Heißluftdüsen 50,4 bis 0,6 der Höhe h des Vergasers betragen.
  14. 14. Vorrichtung bzw. Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomassen nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Gleichstromvergasers mit weiteren Heißluftdüsen 7 in der Position F (Doppelfeuervergaser) der Abstand c der Position der mittleren Heißluftdüsen 5 und der Position der unteren Heißluftdüsen 7 das 0,8- bis 1,3-fache des Abstandes b zwischen den Positionen der oberen Heißluftdüsen 4 und den mittleren Heißluftdüsen 5 beträgt, wobei der Gasaustritt 6 an der Stelle E etwa in der Mitte zwischen D und F liegt.
  15. 15. Vorrichtung bzw. Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Brenngasen aus Biomassen nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißdampfdüsen 3 und die oberen Heißluftdüsen 4 alternierend in der Position B und C angeordnet sind.






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