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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse
mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung
sowie auf eine Anlage zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Es
gibt Festbettverfahren, stationäre
und umlaufende Wirbelbettverfahren zur Vergasung von Biomasse bzw.
Braunkohle.
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Heute üblich sind
so genannte Wirbelschicht- und Flugstromverfahren. Bei den Wirbelbettverfahren wird
zerkleinerte Biomasse (Braunkohle) in einen Reaktor transportiert,
die dort durch von unten zugegebenen Sauerstoff bzw. zugegebener
Luft bei 800°C
bis 1000°C
vergast wird. Sind die Partikel sehr klein und ist der Vergasungsvorgang
am oberen Ende des Reaktors weitgehend abgeschlossen, spricht man
von stationärer Wirbelschicht.
Ist dagegen, wie bei größeren Partikeln
der Vergasungsvorgang nur teilweise abgeschlossen, werden die nicht
ganz vergasten Teilchen durch einen Zyklon separiert, ausgeschieden
und dann in den Vergasungsprozess zurück transportiert. Diesen Vorgang
nennt man umlaufendes Wirbelschichtverfahren. Dabei werden die Partikel
in einem heißen
Bett durch das aufströmende
Vergasungsmittel in ein brennbares Gas überführt. Typische Merkmale des
Reaktors sind:
- • Gleichmäßige Temperaturverteilung auf
Grund der großen
Wärmekapazität der im
Wirbelbett befindlichen Teilchen, die meist aus Sand oder anderem
Material bestehen. und
- • gute
Durchmischung der Vergasungskomponenten (Luft-Dampf) und der der
Pyrolyse und Vergasungsprodukte.
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Beim
Flugstromverfahren werden dagegen Sauerstoff bzw. Luft mit dem zu
vergasenden Produkt gleichzeitig eingegeben und meist bei etwa 1400°C vergast.
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Die
in jüngster
Zeit bekannt gewordenen, zurzeit betriebenen Versuchsanlagen für Biomasse
sind im Bereich Flugstromvergasung beispielsweise das „Carbo
V-Verfahren" der
Firma Choren und im Bereich der Wirbelschicht eine Anlage in „Güssing" der TU Wien und
Austrian Energy sowie der Heatpipe-Reformer der TU München. Eine
weitere in Betrieb befindliche Pilotanlage, allerdings mit einem
komplett anderen Konzept, ist die gestufte Reformierung „Blauer
Turm" von DTM. Im
Versuchsstadium befinden sich des Weiteren das „AER-Verfahren" sowie die Wirbelschichtvergasung
des Instituts „Umsicht" der Fraunhofergesellschaft.
All diese Anlagen arbeiten im dezentralen Arbeitsschritt drucklos
und mit konventioneller, sehr teuerer Gasreinigung, die eine Abkühlung unmittelbar
nach der Vergasung zwingend vorschreibt. Das Forschungszentrum Karlsruhe verwendet
eine bestehende Versuchsanlage mit Flugstromdruckvergasung der Fa.
Future Energy (Freiberg/Sachsen). Dabei wird ein zuvor durch Pyrolyse
hergestelltes Kohlenstoff-Teergemisch in quasi flüssiger Form
eingegeben. Neben den atmosphärisch
betriebenen Anlagen gibt es noch Anlagen, die bei Drücken von 20-30
bar arbeiten. Dazu zählen
das Värnamo
CFB Project und die stationäre
Wirbelschicht in Tampere. Einen Überblick über die
genannten Anlagentechnologien ist in einschlägiger Literatur [bzw. auf den
Internetseiten der Anlagenbetreiber} zu finden.
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Jedoch
befinden sich die hier genannten Anlagen nur erst im Pilot- bzw.
Versuchsstadium und weisen bereits jetzt teils gravierende Unzulänglichkeiten
und Fehler auf. Entscheidende kritische Punkte sind dabei:
- a) Der Biomasseeintrag: Die üblicherweise
zur Beschickung druckaufgeladener Vergaser genutzten Druckschleusen
(Look-Hopper) sind sehr teuer und verlieren beim Schleusvorgang
so genanntes Schleusengas (z.B. N2). Dadurch
wird die Effizienz der Gesamtanlage bei kleiner Schüttdichte
der Biomasse stark verringert.
- b) Die Heißgasreinigung:
Die Reinigung des erzeugten Synthesegases aus der thermochemischen
Umwandlung von Biomasse wurde zwar technisch, nicht aber wirtschaftlich
gelöst.
Zum Einhalten der von den anschließenden Konversionsanlagen geforderten
Grenzwerte für
die Weiterverarbeitung werden hauptsächlich Crackstufen zum Entfernen
von Teer, entweder innerhalb des Reaktors oder in einem separaten Reaktor
verwendet. Diese Reaktion findet bei ähnlichen Temperaturen wie bei
der Vergasung statt. Alternativ besteht die Möglichkeit, Waschsysteme zu
verwenden. Dazu muss das das heiße Gas vor dem Waschen abgekühlt werden.
Diese bewährten
Technologien sind zwar für
die Gasreinigung grundsätzlich
geeignet, haben jedoch, wie bereits erwähnt, sowohl unter energetischen
als auch unter Kostengesichtspunkten große Nachteile.
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Partikel
werden üblicherweise
an Kerzenfiltern aus Keramik oder Sintermetallen abgeschieden. Die Betriebstemperatur
dieser Filter liegt in reduzierender Atmosphäre aufgrund ihrer Materialeigenschaften
maximal bei 650°C.
Die Entfernung von Schwefel bei Kohle- oder Ölvergasungsanlagen findet bei
Umgebungstemperatur unter Zuhilfenahme eines chemischen oder eines
physikalischen Sorbens statt. In verschiedenen Pilot- und Demonstrationsanlagen
wird hierfür
meistens Kalk als Bettmaterial verwendet.
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Ammoniak,
Blausäure
und Halogene werden in großen
Anlagen grundsätzlich
nur ausgewaschen. Hierbei wird das Reinigungsproblem in das Wassermanagement
verschoben.
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Über den
neuesten Stand der Technik der Biomassevergasung- und Reinigung
wurde ausführlich
auf einer Fachtagung, die vom 27.-28. September 2001 in Oberhausen
stattfand, berichtet. Besonders interessant ist dabei eine Zusammenfassung
von Dr. Nußbauer.
Er kommt zu dem Ergebnis, dass, bezogen auf die Leistung, kleinere
Anlagen viel zu teuer, moderne, große dagegen technisch nicht
ausgereift sind. Er nennt jedoch eine Ausnahme; das Holz-GuD-Kraftwerk
der Sydkraft in Schweden. Es wurde jedoch, wie später noch
erwähnt
wird, bereits vor mehreren Jahren aus Kostengründen stillgelegt.
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Es
gibt hunderte, möglicherweise
sogar tausende von Veröffentlichungen über das
Thema Vergasung von Biomasse. Auf der alle zwei Jahre stattfindenden
Konferenz „Biomass
for Energy and Industry" der
EU wird darüber
immer wieder ausführlich
berichtet. Das Ergebnis: Zu wenig praxisnah, zu teuer und zu kompliziert.
Vor allem fehlt dabei die gesamte Logistik, von der Wahl geeigneter
Pflanzen, ihrer Aufbereitung und Lagerung bis zur kostengünstigen
Umsetzung in Strom und Kraftstoffe wie Benzin und Diesel. Wie bereits
erwähnt,
ist dabei fast immer nur von Holz die Rede, obwohl man weiß, dass
es davon in Westeuropa kaum Potentiale gibt.
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Auch
die Kommission in Brüssel
hat festgestellt, dass es u. a. zur Stromerzeugung aus Biomasse
bis heute auf der ganzen Welt noch kein größeres Biomassevergasungsprojekt
gegeben hat. Eine Ausnahme war, wie bereits erwähnt, die Anlage in Vänamo, die
nach Überwindung
großer
technischer Schwierigkeiten wenigstens zwei Monate lang gelaufen
ist. Das hatte jedoch seinen Preis.
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Damit
nicht schon bei relativ hoher Temperatur kondensierende Teergase
entstehen, wurde in dem Fall das Holz bei über 1.000°C vergast. Um Ascheagglomerationen
zu vermeiden (was bei dieser Temperatur leicht vorkommt) und um
eine gleichmäßige Temperaturverteilung
zu erreichen, hat man der hier angewandten umlaufenden Wirbelschicht
Sand als Wärmeträger beigegeben.
Das führte
zu relativ hohen Druckverlusten im Vergaser. Ferner war das Ein-
und Ausschleusen des Sandes sehr kompliziert. Die Anlage hätte vielleicht
für einen
Dauerbetrieb tauglich gemacht werden können. Dazu kam es aber nicht.
Das hatte ökonomische
Gründe.
Die verwendete Technologie war nämlich
viel zu teuer und zu umständlich
und ist deswegen nicht weiter verfolgt worden. Man hatte sich auf
meist bereits vorhandene technische Elemente gestützt und
nicht ein von Grund auf neues technisches Konzept zu realisieren
versucht.
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Wie
bereits erwähnt,
wurde noch nie eine kommerziell größere Anlage zur Vergasung von
Biomasse gebaut.
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Das
hatte folgende Gründe:
- • Die
Biomasse wurde meistens bei Atmosphärendruck in den Vergaser transportiert.
Entsprechend groß sind
das Volumen des Vergasungsraumes und somit die Kosten.
- • Bei
Druckvergasung wird dagegen abwechselnd jeweils aus einem von zwei
Behältern über Schleusen die
Biomasse in den Reaktor transportiert. Trotz erheblich kleineren
Volumens des Reaktors fallen infolge der Schleusen erhebliche Zusatzkosten
an.
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Die
bisherigen vielen negativen Erfahrungen bei der Biomassevergasung
und Gasreinigung haben gezeigt, dass die dabei verwendete Technik
offenbar nicht geeignet war, einen wirtschaftlich und technisch
angemessenen Erfolg zu erreichen.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vergasen
und zur Gasreinigung von Biomasse zu schaffen, die (A) kompakt gebaut
ist, (B) kostengünstig
in großen
Mengen herstellbar ist, (C) einfach konstruiert ist, (D) eine geringe
Störanfälligkeit
aufweist und (E) umweltfreundlich ist.
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Die
Punkte (A) und (B) sind dann erfüllt,
wenn ein schneller Durchsatz erfolgt. Das kann man durch hohe Temperaturen,
mittels einer großen
Oberfläche
des Reaktionsgutes bzw. der Biomasse und durch erhöhtem Druck
erreichen.
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Wegen
des von Natur aus vorgegebenen Ascheschmelzpunktes und aus chemisch-thermodynamischen
Gründen
kann man eine Temperatur von etwa 900°C normalerweise nicht wesentlich überschreiten.
Will man dagegen eine möglichst
große
Oberfläche
erreichen, ist es vorteilhaft, die Lignocellulose bzw. Biomasse (auch
Braunkohle) in ihre elementaren Bestandteile, den Faserelementen,
zu zerlegen. Sie haben bei Gräsern eine
Länge von
nur 2 mm und einen Durchmesser von 25 μ.
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Eine
einfache Konstruktion gemäß Punkt
(C.) ist dann gegeben, wenn die erforderlichen Prozessschritte auf
engstem Raum in einer Einheit unmittelbar hintereinander stattfinden.
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Eine
geringe Störanfälligkeit
gemäß Punkt
(D) ist dann gegeben, wenn die Anlage elektronisch einfach überwacht
werden kann und der Prozess möglichst
geringen Schwankungen seiner Parameter unterworfen ist.
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Umweltschutz
gemäß Punkt
(E). sollte mit möglichst
geringen Kosten verbunden sein. Bei bisher üblichen Vergasungsanlagen ist
das nicht der Fall. Vielmehr ist die Gasreinigung dabei der Hauptkostenfaktor, was
unbedingt vermieden werden sollte und deswegen neue Lösungen notwendig
sind.
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Die
dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Sie wird durch die in 1 und 2 gezeigte
Darstellung zusätzlich
verdeutlicht.
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Biomasseeintrag und Vergasung:
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Bisher
war es üblich,
Energieträger
wie Biomasse mittels Druckschleusen (Lock-hopper-Systeme) in den
unter Druck stehenden Vergaser zu transportieren. Das ist teuer
und erfordert sehr viel Platz. Außerdem müssen die dazu notwendigen Vorratsbehälter aus
Sicherheitsgründen
bei jeder Wiederauffüllung
mit reinem Stickstoff gefüllt
werden. Idealist daher ein kontinuierlicher Eintrag, wie er in 1 und 2 dargestellt
ist. Danach werden während
der Ernte aus Halmgütern
hergestellte Briketts zunächst
grob zerkleinert und dann mittels einer Stopfschnecke verdichtet.
Es bildet sich ein Pfropf, der, falls notwendig, anschließend durch
einen so genannten Knollenbrecher wieder zerkleinert wird. In dieser
Form gelangt die Biomasse dann in einen Ein- bzw. Doppelschnecken-Extruder, dem bei
einem Druck von etwa 30 bar und ca. 220°C zusätzlich Heißdampf zugegeben wird. Der
Pfropf hat den Zweck, dass der Heißdampf nicht rückwärts zur
Eingabestelle hin entweichen kann.
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Aufgrund
der starken Erwärmung
der Biomasse erweicht dessen Lignin (Lignin ist der „Kitt" zwischen den Fasern).
Durch Scherung können
die Fasern dann leicht voneinander getrennt werden. Das wird bei
Einwellen-Extrudern durch so genannte Paddel erreicht, die weniger
dem Transport dienen sondern den Zweck haben, das Fördergut
stark zu durchmischen (wie z. B. in der Futtermittelindustrie üblich).
Dabei entstehen große
Scherkräfte.
Aufgrund des erweichten Lignins können dann die Fasern leicht
voneinander getrennt werden. Bei Doppelschnecken-Extrudern sind
solche Maßnahmen
nicht notwendig. Sie sind jedoch teuerer als Einwellen-Extruder.
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Die
Arbeitsweise des Eintragssystem lässt sich folgendermaßen darstellen:
Die Biomasse wird zunächst
durch eine Stopfschnecke so sehr verdichtet, dass ein gasundurchlässiger Pfropf
entsteht. Dies ist möglich,
da die Biomasse leicht verformbar ist. Der Pfropf wird anschließend, falls
notwendig, durch ein Schneidmesser, auch Knollenbrecher genannt,
fein zerkleinert.
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Das
Material gelangt anschließend
in eine Zerfaserungsschnecke.
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Alternativ
wäre es
möglich,
ohne Stopfschnecke und Knollenbrecher auszukommen, wenn man die
Biomasse stufenweise durch Zugabe von Sauerstoff und Wasserdampf
erwärmt
angefangen mit beispielsweise 100°C,
dann 140°C
bis sie im Extruder eine Temperatur von etwa 200 bis 250°C und einem
Druck von etwa 25-30 bar erreicht hat und danach durch hohe Scherkräfte in der
Extruderschecke zerkleinert wird wie anschließend erläutert. Dies führt zu einer
erheblichen Verringerung der Kosten.
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Die
Biomasse wird am Anfang dieser Schnecke durch Zugabe von Wasserdampf
bzw. reinem Sauerstoff (oder eine Kombination von beiden Komponenten)
auf eine Temperatur von etwa 200 bis 250°C bei einem Druck von etwa 25-30 bar erwärmt.
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Während Sauerstoff
und Wasserdampf die Biomasse erwärmen
wodurch das Lignin („Kitt” zwischen den
Pflanzenfasern) erweicht, wird die Biomasse durch den Sauerstoff
zusätzlich
teilweise chemisch zersetzt (insbesondere die Epidermishülle und
die Nodien bei Gräsern).
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Durch
die sehr hohen Scherkräfte,
die zum Beispiel mit Einwellenextrudern durch verschiedene in die Schnecke
eingebaute so genannte Paddel (Scherelemente) erzeugt werden, erfolgt
eine Trennung der Fasern voneinander und eine weitere Zerkleinerung
der chemisch zersetzten Biomasse. Die Fasern haben bei Gräsern (C4-Schilf
Pflanzen, die vorzugsweise Anwendung finden) zum Beispiel einen
Durchmesser von nur 25 Mikrometer und sind ca. 2 mm lang wodurch
eine sehr große
Oberfläche
entsteht.
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Vor
Ende der Schnecke wird zusätzlich
soviel Wasser rundherum eingesprüht,
dass es bei anschließender
Zugabe des für
die Vergasung notwendigen Sauerstoffs nicht zur Selbstentzündung vor
Eintritt in die Vergasungskammer kommt.
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Außerdem kann
man gesättigten
Wasserdampf (der nicht kondensiert) zugeben. Das führt zusätzlich zu
größerem Auseinanderdriften
des „Explosionsgemisches", sofern ein nennenswerter
Druckunterschied zwischen dem Austritt der Biomasse am Extruderende
und der Vergasungskammer besteht. Da dann am Ende der Schnecke Biomasse
und Sauerstoff homogen miteinander gleichmäßig vermischt sind, kommt es
anschließend
in der Brennkammer zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) bei
ca. 900°C, ähnlich wie
bei einem Sprengstoff (vollständige
Verbrennung).
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Alternativ
ist es natürlich
auch möglich,
den Sauerstoff erst innerhalb der Brennkammer getrennt zuzugeben.
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Die
Vergasung verläuft
in Bruchteilen von einer Sekunde („Explosionsvergasung"). Entsprechend klein wird
die Anlage (um den Faktor 100-500 im Vergleich zu der bisher üblichen
Technik).
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Unmittelbar
danach findet die Gasreinigung aus technischen Gründen bei
900°C statt,
wie später
noch näher
erläutert
wird.
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Um
diesen Anforderungen zu genügen,
sind metallische Membranfilter, die zur Stabilisierung auf Gitternetze
geschweißt
sind, notwendig.
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Beschreibung der Membranfilter:
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In
Zusammenarbeit mit der Industrie wurde ein Hochtemperatur-Filter
entwickelt, das sich bis 1.000°C für Vergasungszwecke
eignet. Es besteht aus einer dünnen
Membran, deren Fläche
bis zu 40 % 1-3 μm
große Öffnungen
aufweist (s. 4). Dadurch entsteht trotz dieser
kleinen Abmessungen ein extrem geringer Druckverlust, der bei Keramikfiltern
um 1-2 Zehnerpotenzen größer ist.
Außerdem
ist dabei die chemische Beständigkeit
im Gegensatz zu Keramikfiltern ausreichend.
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Bei
dem neuen Filter sind mehrere unterfütterte Filtermembranen dieser
Art konzentrisch zueinander angeordnet (s. 5 und 6).
Dadurch entsteht auf engstem Raum eine sehr große Oberfläche. Bei einem für industrielle
Zwecke geeignetem Filter von 1 m Länge, 0,8 m ⌀ und 4 Filterkörpern (ohne
Isolierung) sind das mindestens 6 m2.
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Aufgrund
der dünnen
Membran und sehr glatten Oberfläche
kann man den Filterkuchen bereits bei geringer Druckdifferenz sehr
leicht entfernen.
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Dieses
Filter kann industriell Anwender-spezifisch hergestellt werden.
Wie wir jedoch von dem Hersteller erfahren haben, ist es Angelegenheit
des Auftraggebers, die für
eine Bestellung wichtigen Parameter selber vorher zu ermitteln bzw.
ermitteln zu lassen.
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Bei
gleicher Größe der Filterporen
und Verwendung von Feinstaub aus Biomassevergasungsprozessen beträgt der günstigste
Durchmesser 1-3 μm.
Das ist 10-mal kleiner, als die mittlere Porengröße vergleichbarer keramischer
Abgasfilter. Die optimalen Schlitzabmessungen und die Anordnung
der Öffnungen
können erst
endgültig
ermittelt und die entsprechende Membran hergestellt werden, wenn
die Kornverteilung des Staubes der Biomasse bekannt ist. Dazu müssen verschiedene
Masken mit unterschiedlichen Designs bzw. Layouts geschrieben werden,
um unterschiedliche Folientypen verschiedener Dicke zu Testzwecken
zu erhalten.
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Im
Vorfeld wurden bereits vorhandene Folien erworben (bzw. Silizium-Wafer
auf die gewünschte
Stärke
heruntergeätzt)
und diese mit lithographischen Methoden perforiert, so wie auch
Masken für
die Ionenprojektionslithographie (sog. Stencilmasken) hergestellt
werden. Das heißt,
die Prozesse (Belacken der Si-Scheibe,
Belichten mittels einer Maske, Plasmaätzen der Strukturen bei hohem
Aspektverhältnis)
zur Herstellung solcher dünnen
perforierten Silizium- Folien sind bekannt. Erfahrung aus der Stencilmasken-Entwicklung
haben gezeigt, dass das Silizium sehr spröde ist und bei den erforderlichen
Foliendicken von nur wenigen Mikrometern (μm) sehr schwer zu handhaben
ist.
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Es
wurden daher Versuche mit metallischen und damit duktileren Materialien
unternommen. Dabei bot es sich an, die Perforierungen mittels Laser
vorzunehmen. Es stellte sich aber bald heraus, dass dies eine Sackgasse
war. Die erforderlichen Strukturgrößen von 1 μm bis 3 μm waren einfach bei weitem nicht
erreichbar.
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Deswegen
wurde versucht, die Prozesse ähnlich
denen in der Mikroelektronik anzuwenden. Hierbei ist es wichtig,
dass das Material beim Plasmaätzen
mit Fluor- oder Chlorhaltigen Prozessgasen eine flüchtige Verbindung
eingeht, die dann leicht abgepumpt werden kann. Neben Silizium kommen
hierfür
noch Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Hafnium, Wolfram Chrom etc. sowie
auch Aluminium infrage, wobei letzteres wohl mangels Beständigkeit
bei den angestrebten hohen Temperaturen wegfällt.
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Von
der Form her angestrebt wurde ein ideales Filter, das einen sehr
niedrigen Druckverlust hat, leicht gereinigt werden kann und eine
so große
Durchlassfläche
hat, dass möglichst
geringe Druckverluste entstehen.
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Dies
ist eine ganz neue Technik, die im Gegensatz zu Filterkerzen aus
Sintermetall oder Keramik sehr Platz sparend ist. Außerdem eignen
sie sich bei wesentlich höherer
Temperaturbelastung (bis 1000°C
in reduzierender Atmosphäre)
im Vergleich zu üblichen
Filtern, die unter gleichen Bedingungen nur bis 500-600°C geeignet
sind. Das ist das Besondere an diesen neuen Filtern.
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Die
Gasreinigung auf Basis dieser Filter verläuft in drei Stufen, wie 5–7 zeigt.
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Detailbeschreibung von Filterstufe 1:
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Die
Filterstufe 1 ist als redundantes System mit zwei Filtern ausgeführt. Diese
beiden Filter werden abwechselnd betrieben, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung
stattfindet. In 5 sowie in der Tabelle 2 ist
das Prinzip dieser Filtereinheit dargestellt
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Das
Gesamtfilter besteht (wie bereits erwähnt) aus mehreren konzentrisch
zueinander angeordneten zylindrischen Filtereinheiten. Sobald der
voreingestellte maximale Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht ist, wird der Gasstrom
auf das zweite baugleiche Filter geleitet und das bisherige „on-line" Filter durch das
Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt.
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Der
Abwurf der Asche erfolgt durch erzeugen eines Druckunterschiedes
zwischen Filterkuchen und Filtermembran.
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Unter
Umständen
besteht die Möglichkeit,
dass bei ausreichend schneller Erzeugung der Druckdifferenz Δp, die Filterstufe
1 nur mit einem Filter zu betreiben. Hierbei verringert sich die
Anzahl der Ventile auf nur ein Auslassventil für den Ascheaustrag. Dies ist
eine wesentliche Vereinfachung des Filtersystem und ist außerdem mit
erheblichen Kosteneinsparungen verbunden.
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Solch
ein Filter ist sehr kompakt. Bei gleicher Leistung ist es um eine
Größenordnung
kleiner als entsprechende Filter mit Keramikkerzen. Außerdem sind
die neuen Membranfilter chemisch resistenter als herkömmliche
Keramikkerzen. Keramik hat den Nachteil, dass bei hoher Temperatur
Alkalien langsam in sie eindringen und dadurch ihr Schmelzpunkt
sinkt, was gleichzeitig zu einem Verlust an Festigkeit führt.
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Detailbeschreibung Filterstufe 2:
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Aufbau
und der Betrieb („on-live", „off-line") sind identisch
dem Aschefilter. Einziger Unterschied: Auf der Filtermembran befindet
sich ein künstlich
aufgebrachter Filterkuchen, der in der Hauptsache aus Dolomit besteht
und zur Neutralisierung der Sauergase, Spaltung der Teerverbindungen
und Bindung der Halogene dient. Um dies zu erreichen, ist eine Temperatur
von 900°C
optimal.
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Das
Gas wird einem von zwei parallelen Filtern der Stufe 2 zugeführt. In 6 sowie
in der Tabelle 3 ist das Prinzip dieser Filtereinheit bzw. Filterstufe
2 dargestellt.
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Die
Kalk- bzw. Dolomitschicht, bestehend aus feinen Partikeln, wird über einen
Gasstrom auf die Membran aufgebracht. Beim Durchströmen dieser
Schicht werden Schadgase wie HCl und H2S
chemisch gebunden. Hierbei reagieren Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff
mit Calciumoxid zu Calciumchlorid und Calciumsulfid.
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Bei
eintretender Sättigung
des Filters durch HCl und H2S können diese
Komponenten am Filterausgang gemessen werden. Ab einer noch zu ermittelnden
Konzentration muss der Filterkuchen ausgetauscht werden.
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Bei
Vorhandensein ausreichender Mengen Alkalien (natürlich oder künstlich
zugegeben) kann man wahrscheinlich auf die zweite Filterstufe verzichten,
(d.h. die Filterstufe 1 ersetzt die Filterstufe 2). Dies führt zu einer
zusätzlichen
erheblichen Kostenersparnis.
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Die
Filterstufe 3 ist ähnlich
aufgebaut wie die Filterstufen 1 und 2, enthält jedoch anstatt 2 nur einen Strang
(sh. 7). Hier befindet sich auf der Membran eine Schicht
feinster Nickelpartikel von etwa 20-50 μ Größe, die mittels eines Gases
als Transportmittel aufgebracht und dann versintert werden. Der
Vorteil: das Volumen bzw. Oberfläche
dieser Katalysatorschicht ist bei gleicher Wirkung mehrere Hundert
mal kleiner, als sonst üblich.
Die wirksame Oberfläche
pro Filtereinheit, die insgesamt nur ein Volumen von z. B. 0,7 m3 hat ist sogar 6-10 m2 groß und dadurch
bei gleicher Leistung um ein Vielfaches kleiner, als sonst bei Katalysatoren üblich. Dadurch
werden alle restlichen Kohlenwasserstoffe, vor allem Methan und
möglicherweise
noch vorhandene Teergase, vollständig
in CO und H2 umgewandelt, wofür ebenfalls
eine Temperatur von 900°C
optimal ist.
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Der
Grund: Das Gas muss (wie auch schon bei den vorgeschalteten zwei
Doppelfiltern) durch sehr feine Poren strömen. Dadurch findet ein intensiver
Kontakt zwischen Gas- und Katalysatorfläche statt, was bei üblichen
Katalysatoren in dieser Form nicht stattfindet.
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Außerdem werden
durch den Nickelkatalysator alle Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak
(NH3) und Blausäure (HCN) in Luftstickstoff
umgewandelt. Das so behandelte Synthesegas ist dann so rein, dass
es für Synthesezwecke
oder zur Verbrennung in Gasturbinen verwendet werden kann.
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In
Tabelle 4 wird noch einmal zusammengefasst, welche Verunreinigungen
in welcher Filterstufe aus dem Synthesegas entfernt werden.
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Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind:
- (1) Kompakte Einschleusung der Biomasse
mittels Stopfschnecke;
- (2) schnelle momentane Erwärmung
durch Druckerhöhung
mit. Wasserdampf;
- (3) gleichzeitige Erweichung des Lignins (der „Kitt" der die Zellstofffasern
zusammenhält);
- (4) anschließende
Scherung und Trennung der Pflanzenfasern.
- (5) Zugabe kleinerer Mengen Sauerstoff und Dampf (Dampf, der
nicht mehr kondensiert aufgrund konstanter Temperatur);
- (6) Verringerung des Druckes um ca. 1-5 bar bei Eintritt der
Fasern in den Vergasungsraum und dadurch bedingt; explosionsartiges
Auseinandertreiben und Vergasung der Pflanzenfasern;
- (7) keine vorherige Temperaturabsenkung des erzeugten Gases
bei Gasturbinen notwendig und
- (8) kompakte, sehr Kosten günstige
Gasreinigung an Stelle der sonst üblichen, sehr aufwendigen chemischen
Gaswäsche.
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Der
besondere Vorteil ist, dass die Schritte von 1-10 unmittelbar hintereinander
auf engstem Raum erfolgen und dadurch die gesamte Anlage um ein
Vielfaches kleiner und kostengünstiger
wird als sonst üblich. Diese
Methode ist dadurch besonders gut für kleine, dezentrale Anlagen
geeignet, die man daher, in Containern montieren und in Serie herstellen
kann. Das verbilligt die Produktion noch einmal um ein Vielfaches.
Da diese Einheiten alle gleich sind, ist im Gegensatz zu Großanlagen
nur einmal eine Zulassung von Seiten der Behörden notwendig. Das spart Zeit
und weitere Kosten. Es ist sogar möglich, falls notwendig, größere Anlagen
zu bauen, indem man mehrere kleinere Anlagen zu einer größeren Einheit
zusammenfügt.
Die Dezentrale Anwendung hat darüber
hinaus den Vorteil, Kraft-Wärmekoppelung
anzuwenden. Das ist bei großen
Anlagen, wegen der Entfernung zwischen Erzeuger und Nutzer (zu hoher
Wärmeverlust
der Leitungen), nicht möglich. Außerdem kann
man solche Anlagen (weil alle gleich sind) einfach mit der gleichen
Fernsteuerung betreiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass der ländliche
Raum auf die Weise wirtschaftlich belebt wird.
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Durch
die Gasreinigung bei einer Temperatur von 900°C ist keine vorherige Temperaturabsenkung
des erzeugten Gases vor allem für
Gasturbinen notwendig.
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Dadurch
wird ein Wirkungsgrad erreicht, der ähnlich hoch ist, wie mit Erdgas
betriebenen Turbinen.
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Der
Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer Biomasse-Druckvergasungsanlage mit Heißgasreinigung;
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2 eine
Detailansicht der Zerfaserung und Ligninverflüssigung;
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3 ein
Prinzip der Reinigung des Synthese-Rohgases;
-
4 Ausschnitt
einer 10μ dicken
perforierten Titan-Folie (Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen);
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5 eine
Prinzipskizze einer Filterstufe 1 (Aschefilter);
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6 eine
Prinzipskizze einer Filterstufe 2 (Alkalischer Katalysator und chemischer
Filter) und
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7 eine
Prinzipskizze einer Filterstufe 3 (Nickelkatalysator).
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Die
in 1 dargestellte Biomasse-Druckvergasungsanlage
mit Heißgasreinigung
weist einen Vorratsbehälter
(1) auf. Dort werden die grob zerkleinerten, aus Halmgütern hergestellten
Briketts gleichmäßig in eine
Stopfschnecke (2) in Förderrichtung
(P) eingeführt.
Gemäß der Erfindung
wird durch diese Stopfschnecke (3) mittels eines Antriebes
(2) die Biomasse kontinuierlich verdichtet, so dass sich
am Ausgang der Stopfschnecke in der Verdichtungszone (4)
ein für
Gas undurchlässiger
Pfropf bildet, der den Zweck hat, dass der später vorzugsweise zugegebene
heiße
Wasserdampf (11) und Gase nicht entgegengesetzt der Förderichtung zur
Eingabestelle hin entweichen können.
Er wird dann durch ein Schneidmesserrad (5), einen so genannten Knollenbrecher,
mit Hilfe eines Antriebes (6) wieder zerkleinert. Die so
zerkleinerte Biomasse gelangt anschließend in einen Schneckenextruder
(7). Die darin befindliche Extruderschnecke (8)
ist mit einem Antrieb (9) versehen. Sie besteht aus einer
Anordnung von unterschiedlichen Förderelementen (10)
und Scherelementen (12). Der Vortrieb und die weitere Verdichtung
der Biomasse erfolgt hierbei zunächst
durch die Förderelemente (10).
Erfindungsgemäß wird kurz
nach dem Einlass des Schneckenextruders (7) die Biomasse
in Förderichtung
(Q) durch Zugabe von Wasserdampf (11) bzw. reinem Sauerstoff
(oder eine Kombination von beiden Komponenten) auf eine Temperatur
von bis zu ca. 250°C
bei einem Druck von etwa 25-30 bar erwärmt. Aufgrund der starken Erwärmung der
Biomasse durch Wasserdampf und Sauerstoff erweicht dessen Lignin
(der „Kitt" zwischen den Fasern).
Zusätzlich
wird die Biomasse durch den Sauerstoff teilweise chemisch zersetzt. Durch
Scherung können
die Fasern dann leicht voneinander getrennt werden. Das wird im
Schneckenextruder (7) durch die Scherelemente (12),
so genannte Paddel erreicht, die weniger dem Transport dienen, sondern den
Zweck haben, das Fördergut
stark zu durchmischen. Dabei entstehen große Scherkräfte. Die Fasern haben nach
der Trennung einen Durchmesser von nur 25 Mikrometer und sind ca.
2 mm lang. Dadurch entsteht eine sehr große Oberfläche.
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Gemäß der Erfindung
wird kurz vor dem Ausgang in den Schneckenextruder (7)
gesättigter
oder überhitzter
Wasserdampf (13) zugegeben. Das führt aufgrund des dadurch entstehenden,
größeren Volumens
zu einem Auseinanderdriften des Faser-Dampfgemisches.
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Am
Ausgang der Extruderschnecke (8) wird dann der zur Vergasung
notwendige Sauerstoff (15) zugegeben. Dort werden Biomasse
und Sauerstoff gleichmäßig miteinander
vermischt, und es kommt anschließend in der Vergasungskammer
(16) zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) bei
ca. 900°C.
Um eine Selbstentzündung
vor Eintritt des „Explosionsgemisches" in die Vergasungskammer
zu verhindern, werden vor der Sauerstoffzugabe (15) zusätzlich winzige
Mengen Wasser (14) rundherum eingesprüht.
-
Alternativ
ist es natürlich
auch möglich,
Sauerstoff (15a) erst innerhalb der Brennkammer getrennt
zuzugeben. Die Mischung ist dann allerdings inhomogen und vergast
deswegen ungleichmäßiger mit
den bekannten Nachteilen.
-
Die
Vergasung verläuft
beiden Fällen
in Bruchteilen von einer Sekunde („Explosionsvergasung"). Entsprechend klein
wird die Anlage (um den Faktor 100-500 im Vergleich zu der bisher üblichen
Technik).
-
Es
entsteht nach der Vergasung ein Gemisch aus Syntheserohgas und Asche
(17), das nach oben strömt.
Wenn jedoch die Temperatur ein gewisses Niveau übersteigt, wird die Asche flüssig. Diese
Flüssigasche
(18) kann dann nach unten in einen Entsorgungsbehälter (20)
ablaufen.
-
Gemäß der Erfindung
werden von dem Syntheserohgas (22) bei einer Temperatur
von ca. 900°C
in den Filtern (21) der Filterstufe 1 (Detail X) die Feststoffe
entfernt und in den Filtern (30) der Filterstufe 2 (Detail Y)
die Halogenverbindungen und Sauergase absorbiert. Das Anfallende
Filtrat (28) wird in einem Entsorgungsbehälter (20)
aufgefangen. Darin wird durch Zugabe von Sauerstoff (19)
Sulfit in Sulfat umgewandelt.
-
Anschließend werden
in dem Katalysator (33) der Filterstufe 3 (Detail Z) die
restlichen Kohlenwasserstoffe und möglicherweise noch vorhandenen
Teergase vollständig
in CO und H2 umgewandelt. Außerdem erfolgt
eine Umwandlung aller Stickstoffverbindungen in Luftstickstoff.
Es entsteht ein reines Synthesegas. Die Gasreinigung vom Syntheserohgas
(22) bis zum reinen Synthesegas (35) mittels der
Filterstufen 1 (Detail X), 2 (Detail Y) und 3 (Detail Z) sind in 5–7 näher erläutert.
-
In 2 (Detail
A) ist noch einmal der in 1 erfindungsgemäß beschriebene,
kontinuierliche Biomasseeintrag mit der Stopfschnecke (3),
der Verdichtungszone der Biomasse (4), den Knollenbrecher
(5) mit Antrieb (6), vergrößert dargestellt. Sie zeigt
ebenfalls einen Teil des Schneckenextruders (7) mit einer
Extruderschnecke (8), die mit einem Antrieb (9)
versehen ist und aus einer Anordnung unterschiedlicher Förder- und Scherelemente
(10, 12) besteht. Die Zugabe von Wasserdampf (11)
bzw. reinem Sauerstoff (oder eine Kombination von beiden Komponenten)
bis zu ca. 250°C
am Anfang der Extruderschnecke (8) dient, wie bereits erwähnt, der
Erweichung des Lignins.
-
4 zeigt
gemäß der Erfindung
als Beispiel eine über
Lithographie und Plasmaätztechnik
hergestellte perforierte Titan-Folie. Die Minimalöffnungen
an der Unterseite der Folie (dunkle Rechtecke im linken Bild) entsprechen
den ursprünglichen Öffnungen
im Lack; während
des Ätzvorgangs
wird der Lack ebenfalls geätzt und
weicht etwas zurück
und mit ihm die Ätzfront,
so dass eine schräge
Kante im geätzten
Material entsteht (graue Fläche
zwischen dunklen Öffnungen
und heller unberührter
Oberseite der Folie). Die Abmessungen der in
-
4 gezeigten
Membran sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Abbmessung der Membran
| 1.
Muster Schlitzmembranfilter | Maßstab: 1:1.750 | |
| Dicke
der Membran | 5 μm | |
| | unten | oben |
| Schlitzbreite | 2 μm | 3 μm |
| Schlitzlänge | 10 μm | 12 μm |
-
In 5 ist
die Filterstufe 1 (Detail X) als redundantes System mit zwei Filtern
(21) ausgeführt,
die abwechselnd betrieben werden, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung
stattfindet.
-
Die
Filterkörbe
(23) bestehen erfindungsgemäß aus mehreren konzentrisch
zueinander angeordneten zylindrischen Filtereinheiten.
-
Beim „on-line" Filter (links dargestellt)
strömt
das Syntheserohgas (22) durch die geöffneten Ventile (24)
und wird im Filterkorb (23) gefiltert, so dass ein von
Feststoffen gereinigtes Synthesegas (29) nach der 1. Filterstufe
entsteht. Durch die zunehmende Filterkuchenschichtdicke an der Filtermembran
entsteht eine Druckdifferenz. Sobald der voreingestellte maximale
Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht
ist, wird der Gasstrom gemäß der Erfindung
auf das zweite baugleiche Filter geleitet und das bisherige „on-line" Filter durch das
Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt. Der „on-line" Filter geht dann in den „off-line" Modus der rechts dargestellt
ist. Hierbei sind die Absperrventile (25) geschlossen.
Es gibt hier keinen Gasfluss. Durch den eingeschalteten Druckunterschied Δp (26)
fällt der
Filterkuchen ab und das Filtrat (28) gelangt über die
geöffnete Klappe
(Ventil) für
den Filtrataustrag (27) in einen Entsorgungsbehälter (20)
(s. 1). Anschließend
werden die Absperrventile (25) wieder geöffnet und
der Filter geht wieder „online".
-
Tabelle
2: Darstellung der Funktionsweise der Filterstufe 1
-
Der
in 6 gezeigte Aufbau und der Betrieb („on-line", „off-line") der Filterstufe
2 (Detail Y) mit zwei Filtern (30) ist im Wesentlichen
identisch mit dem der Filterstufe 1. Das von Feststoffen gereinigte
Synthesegas (29) strömt
beim „on-line" Filter (links dargestellt)
auch hier durch die geöffneten
Ventile (24) und wird im Filterkorb (23) gefiltert.
Es entsteht ein vorgereinigtes Synthesegas (32) nach der
2. Filterstufe. Im rechts dargestellten „off-line" Modus sind die Absperrventile (25)
ebenfalls geschlossen.
-
Der
Unterschied zur Filterstufe 1 besteht darin, dass sich auf der Filtermembran
am Filterkorb (23) ein künstlich aufgebrachter Filterkuchen
befindet. Diese aus feinen Partikeln bestehende Kalk- bzw. Dolomitschicht
wird erfindungsgemäß über einen
Gasstrom (31) auf die Membran aufgetragen. Der vorwiegend
aus Dolomit bestehende Filterkuchen dient der Absorption der Sauergase
und Halogenverbindungen und der Spaltung der möglicherweise nochvorhandenen
Teergase bei einer Temperatur von ca. 900°C. Beim Durchströmen dieser
Schicht werden Schadgase wie HCl und H2S
chemisch gebunden. Hierbei reagieren Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff
mit Calciumoxid zu Calciumchlorid und Calciumsulfid. Aufgrund des
Druckunterschiedes Δp
(26) fallen Calciumchlorid und Calciumsulfid als Filtrat
(28) über
die geöffnete
Klappe (Ventil) (27) ab. Bei eintretender Sättigung
des Filters durch HCl und H2S können diese
Komponenten am Filterausgang gemessen werden. Ab einer noch zu ermittelnden
Konzentration muss der Filterkuchen rechtzeitig ausgetauscht werden.
-
Tabelle
3: Darstellung der Funktionsweise der Filterstufe 2
-
Die
in 7 gezeigte Filterstufe 3 ist ähnlich aufgebaut wie die Filterstufen
1. und 2 enthält
jedoch anstatt 2 nur einen Strang, den Nickelkatalysator (33).
Hier befindet sich gemäß der Erfindung
auf der Membran (34) eine Schicht feinster Nickelpartikel
von etwa 20-50 μ Größe, durch
die das vorgereinigte Synthesegas (32) nach der Filterstufe
2 strömt.
Dort werden alle restlichen Kohlenwasserstoffe vor allem Methan
und möglicherweise
noch vorhandene Teergase vollständig
in CO und H2 bei einer Temperatur von ca.
900°C umgewandelt.
-
Außerdem werden
alle Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH3)
und Blausäure
(HCN) in Luftstickstoff umgewandelt. Das so entstandene reine Synthesegas
(35) kann entweder zur Verbrennung in Gasturbinen oder
für Synthesezwecke
(Herstellung von Benzin oder Diesel) verwendet werden.
-
Tabelle
4: Übersicht
der entfernten Verunreinigungen in den 3 Filterstufen
-
- 1
- Vorratsbehälter
- 2
- Antrieb
Stopfschnecke
- 3
- Stopfschnecke
- 4
- Verdichtungszone
der Biomasse
- 5
- Knollenbrecher
(Schneidmesserrad)
- 6
- Antrieb
Schneidmesserrad
- 7
- Schneckenextruder
- 8
- Extruderschnecke
- 9
- Antrieb
Extruderschnecke
- 10
- Förderelemente
zum Vortrieb der Biomasse
- 11
- Wasserdampf
bis zu ca. 250°C
bzw. reiner Sauerstoff (oder Kombination)
- 12
- Scherelemente
zur Zerfaserung
- 13
- gesättigter
bzw. überhitzter
Wasserdampf
- 14
- Zugabe
winziger Mengen Wasser
- 15
- Sauerstoff
für Vergasung
- 15a
- alternative
Sauerstoffzugabe für
Verg.
- 16
- Vergasungskammer
(ca. 900°C)
- 17
- Syntheserohgas
und Asche
- 18
- Ablauf
Flüssigasche
- 19
- Zugabe
von Sauerstoff für
Umwandlung von Sulfit in Sulfat
- 20
- Entsorgungsbehälter
- 21
- Filter
der Filterstufe 1 (Aschefilter) – Detail X
- 22
- Syntheserohgas
- 23
- Filterkorb
- 24
- Absperrventile
geöffnet
- 25
- Absperrventile
geschlossen
- 26
- Druckunterschied Δp für Filtratabwurf
- 27
- Klappe
(Ventil) geöffnet
für Filtrataustrag
- 28
- Filtrat
zum Auffangbehälter
- 29
- von
Feststoffen gereinigtes Synthesegas
- 30
- Filter
der Filterstufe 2 (Halogen- und Sauergas-Absorber) – Detail
Y
- 31
- Gasstrom
für die
Erneuerung der Kalk-Dolomit-Schicht
- 32
- vorgereinigtes
Synthesegas
- 33
- Nickelkatalysator
der Filterstufe 3 – Detail
Z
- 34
- Membran
mit Schicht feinster Nickelpartikel
- 35
- reines
Synthesegas (ca. 900°C)