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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein einstufiges Verfahren zum thermochemischen
Vergasen fester Brennstoffe nach dem Prinzip einer aufsteigenden
Gleichstromvergasung. Der Brennstoff wird bei diesem Verfahren entgegen
der Schwerkraft einem Vergasungsraum zugeführt und von
einem Vergasungsmedium und einem entstehenden Produktgas in gleicher
Richtung durchströmt. Ein entsprechender Vergaser zum thermochemischen
Vergasen fester Brennstoffe weist einen Vergasungsraum und eine Brennstoffzuführung
auf, welche den Brennstoff entgegen der Schwerkraft dem Vergasungsraum
zuführt sowie eine Zuführung für ein
Vergasungsmedium in den Vergasungsraum. Weiterhin weist der Vergaser einen
oberseitig an dem Vergasungsraum angeordneten Auslass für
ein Produktgas auf.
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Verfahren
der thermochemischen Vergasung sind im Stand der Technik seit langem
bekannt, wobei in Zusammenhang mit der regenerativen Energieerzeugung
sowie der Abfall- und Reststoffentsorgung seit längerem
ein großes Potential in der Vergasung gesehen wird. Dennoch
konnte sich bis jetzt kein derartiges Verfahren in größeren
Stückzahlen am Markt etablieren.
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Wirbelschichtvergaser
nach dem Stand der Technik bedingen eine relativ komplexe Anlagentechnik
und der Teergehalt der produzierten Gase macht für die
meisten Anwendungen eine weitere, aufwändige Gasreinigung
nötig. Sie werden daher üblicherweise nur für
Anlagengrößen größer 1 MW elektrisch
eingesetzt.
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Festbettvergaser
werden gewöhnlich in Gegenstrom- und Gleichstromvergaser
unterteilt, Kreuzstromvergaser und Doppelfeuervergaser stellen die
häufigsten Misch- und Sonderformen dar, kämpfen
aber im Wesentlichen mit den gleichen Problemen wie die beiden Grundformen.
Die Gegenstromvergaser haben zwar einen sehr guten Wirkungsgrad,
sind aber wegen der extremen Teerbeladung des Produktgases für
kleine und mittlere Anlagen völlig ungeeignet.
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Absteigende
Gleichstromvergaser sind in Form des Imbertvergasers und ähnlicher
Geräte während des 2. Weltkrieges in großen
Stückzahlen betrieben worden und werden in dieser oder
leicht abgewandelter Form für die meisten kleineren Vergaseranlagen
eingesetzt, da sie ein teerarmes Gas liefern. Sie sind dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoff durch die Schwerkraft nach unten sinkt und der
Vergaser vom Vergasungsmittel und Produktgas ebenfalls in dieser
Richtung durchströmt wird. Sie erfordern grobstückigen
Brennstoff mit relativ enger Korngrößenverteilung,
da sonst die untenliegende Reduktionszone durch Feinanteile ”verstopft” und
damit für das Produktgas nicht mehr durchlässig
genug ist. Zudem kann es zu einer Bildung von Brücken und
Gaskanälen in Oxidations- und Reduktionszonen kommen, so
dass ein mit einem hohen Teergehalt belastetes Brenngas erzeugt wird.
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Zur
Behebung dieser Probleme verwenden zahlreiche Erfindungen Rührwerke
oder Vibratoren, wie z. B.
DE
197 55 700 C2 , wo mittels eines Rührwerkes die
Kanalbildung verhindert werden soll. Die
EP 0 955 350 B1 schlägt
hingegen vor, mittels einer Drallbildung mit Hilfe der zugeführten
Luft das Durchleiten ungecrackten Teers aus dem Pyrolysegas zu verhindern.
Unterhalb der Oxidationszone wird hierbei ein Diaphragma eingesetzt,
an welchem sich feste Partikel ansammeln sollen.
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Weiterhin
sind aufsteigende Gleichstromvergaser bekannt, bei welchen der Brennstoff
von unten zugeführt wird. Auch hier kann es zu einer Kanal-
und Brückenbildung und zu Problemen durch die Teerbeladung
des Produktgases kommen. Die
DE 44 17 082 C1 beschreibt einen aufsteigenden
Gleichstromvergaser mit einem luftgekühlten Rührwerk
zur Vermeidung von Kanal- und Brückenbildung. Das Rührwerk
trägt mittels eines Drehflügels gleichzeitig die Asche
durch eine seitliche Öffnung aus dem Reaktionsbehälter
aus. Weiterhin ist eine Nachverbrennungskammer mit Sekundärluftzuführung
oberhalb der Pyrolysezone vorgesehen, um die teerbeladenen Pyrolysegase
zu cracken und staubförmigen Pyrolysekoks abzuscheiden.
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Bauteile
im Bereich der Oxidationszone sind hohen thermischen Belastungen
sowie einem starken Verschleiß ausgesetzt. Zudem sind Einbauten bei
Temperaturen deutlich über 1.000°C teuer und besitzen
eine geringe Lebenserwartung.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vergasungsverfahren
und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche bei
einfacher Anlagentechnik die Erzeugung eines teerarmen Produktgases
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Bei
einem einstufigen Verfahren zum thermochemischen Vergasen fester
Brennstoffe nach dem Prinzip einer aufsteigenden Gleichstromvergasung
wird ein Brennstoff entgegen der Schwerkraft einem Vergasungsraum
zugeführt und von einem Vergasungsmedium und einem entstehenden
Produktgas in gleicher Richtung durchströmt. Als Brennstoffe
kommen hierbei sämtliche kohlenstoffhaltige Feststoffe
wie Biomasse, Klärschlamm, Kunststoffe und dgl. in Frage.
Bei einem einstufigen Vergaser ist ein Vergasungsraum vorgesehen,
eine Brennstoffzuführung, welche den Brennstoff entgegen
der Schwerkraft dem Vergasungsraum zuführt sowie eine Zuführung
für ein Vergasungsmedium. Oberseitig an dem Vergasungsraum
ist weiterhin ein Auslass für ein Produktgas angeordnet.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Brennstoff
dem Vergasungsraum kontinuierlich oder zumindest quasikontinuierlich
zugeführt wird, dass das Vergasungsmedium durch den zugeführten
Brennstoff hindurch einer sich schichtförmig ausbildenden
Oxidationszone zugeführt wird und hierbei die Menge des
zugeführten Vergasungsmediums durch eine Regeleinheit derart eingestellt
wird, dass in einer Reduktionszone oberhalb der Oxidationszone eine
stationäre Wirbelschicht ausgebildet wird.
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Die
Brennstoffzuführung ist hierbei vorzugsweise regelbar zur
kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Brennstoffzufuhr ausgebildet.
Die Zuführung für das Vergasungsmedium ist unterhalb
von sich im Vergasungsraum schichtförmig ausbildenden Reaktionszonen
angeordnet, um eine gleichmäßige Durchströmung
der sich im Wesentlichen homogen ausbildenden Pyrolyse-, Oxidations-
und Reduktionszone zu erzielen. Durch die kontinuierliche Zuführung
des Brennstoffes wird der Brennstoff in dem Vergasungsraum weitgehend
homogen von unten nach oben durch den Vergasungsraum gefördert
und durch das Vergasungsmedium von unten angeströmt. Der
Brennstoff selbst bildet hierdurch einen Anströmboden zur
Erzeugung einer stationären Wirbelschicht. Die zugeführte
Menge des Vergasungsmediums ist hierbei durch eine Regeleinheit
derart regelbar, dass in den unteren Bereichen des Vergasers in
der Brennstoffzuführung und der Pyrolysezone ein Festbett
vorliegt, in der oben liegenden Reduktionszone sich jedoch eine
Wirbelschicht ausbilden kann. Dies wird ermöglicht durch
die Volumenvergrößerung des durchströmenden
Vergasungsmediums in Folge des starken Temperaturanstiegs in der
Oxidationszone und durch die sich bildenden Pyrolyse- und Verbrennungsgase.
So ist es möglich, ohne Verwendung eines mechanischen Anströmbodens
und ohne weitere Fluidisierungsmittel im gleichen Reaktorgefäß,
ohne mechanische Trennung, gleichzeitig eine Pyrolyse im Festbett
und eine Koksvergasung durch Reduktion im Fließbett durchzuführen.
Durch die Verwendung des Brennstoffes als Anströmboden bzw.
die entsprechende Zuführung des Vergasungsmediums kann
eine über einen breiten Luftmengenbereich stabile Wirbelschicht
erzeugt werden. Hierdurch ist eine wesentlich verbesserte Umsetzung
des in der Oxidationszone gebildeten Pyrolysekokses in Gas und Flugasche
möglich. Durch die gleichmäßi ge Durchströmung
der Pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszone kann hierbei ein vergleichsweise
teerarmes Gas erzeugt werden, wobei durch die kontinuierliche Brennstoffzufuhr
und die nahezu vollständige Umsetzung des Pyrolysekokses
eine sehr gleichmäßige Qualität des Gases
erzielt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
bzw. der erfindungsgemäße Vergaser arbeitet somit
nach dem Grundprinzip einer aufsteigenden Gleichstromvergasung,
welches kombiniert ist mit einer integrierten Wirbelschicht.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Reduktionszone
oberhalb der Oxidationszone vollständig als stationäre
Wirbelschicht ausgebildet. Die Umsetzung des Brennstoffes bzw. des
Pyrolysekokses kann hierdurch in günstiger Weise und in
kurzer Zeit erfolgen.
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Vorteilhafterweise
wird der Brennstoff in dem Vergasungsraum berührungslos
aufgelockert und durchmischt. Die Auflockerung und Durchmischung des
Brennstoffes erfolgt nicht aktiv vermischend, sondern ausschließlich
passiv, indem kontinuierlich hinreichend rieselfähiger,
frischer Brennstoff zugeführt wird. Durch die gleichmäßige
Durchströmung der Reaktionszonen und die Einleitung des
Vergasungsmediums von unten durch den Brennstoff hindurch wird die
Vermischung und Auflockerung weiter unterstützt.
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Der
Brennstoff wird hierdurch ständig in Bewegung gehalten,
wodurch eine Kanal- und Brückenbildung im Brennstoff vermieden
werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie des erfindungsgemäßen Vergasers gelingt
es daher, ohne mechanische Teile im Vergasungsraum, welche stets
hohen Belastungen ausgesetzt sind, ein teerarmes Gas gleichmäßiger
Qualität bei einem hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
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Vorrichtungen
zur Förderung und/oder Durchmischung des Brennstoffes sind
hierbei ausschließlich außerhalb des Vergasungsraumes
angeordnet, so dass in den temperaturbelasteten Zonen des Vergasungsraumes
keine Bauteile liegen. Der erfindungsgemäße Vergaser
kann hierdurch störungsarm betrieben werden und ist nur
geringem Verschleiß ausgesetzt. Zudem ist der bauliche
Aufwand eines derartigen Vergasers gering. Je nach Art des verwendeten
Brennstoffes können jedoch auch zusätzliche Mischeinrichtungen
verwendet werden.
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Vorzugsweise
wird das Verfahren hierbei derart geführt, dass der Brennstoff
in der Oxidationszone mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit
von oben nach unten verbrannt wird. Dies kann durch eine entsprechende
kontinuierliche Zuführung des Vergasungsmediums erzielt
werden, so dass sich bei einem gleichbleibenden Verhältnis
der Zufuhr des Vergasungsmediums und des Brennstoffes eine schichtförmige
Oxidationszone ausbildet.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn als Brennstoff ein pelletförmiger
Brennstoff verwendet wird, wobei vorzugsweise Holzpellets zum Einsatz
kommen. Insbesondere mit Holzpellets steht ein genormter Brennstoff
mit definierten Eigenschaften zur Verfügung, der in großer
Menge am Markt verfügbar ist. Die Homogenität
und Rieselfähigkeit pelletierter Brennstoffe ermöglicht
eine relativ einfache Vergaserkonstruktion unter Verwendung einfacher
Fördertechnik und führt so zu kostengünstigen
Gesamtanlagen. Der Mehrpreis gegenüber nicht pelletierten Brennstoffen
wird damit mehr als wett gemacht. Hackschnitzel kleiner Körnung
sind jedoch ebenso denkbar und geeignet.
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Vorzugsweise
wird das Vergasungsmedium gemeinsam mit dem Brennstoff zugeführt
und durchströmt nacheinander eine Pyrolysezone, die Oxidationszone
und die Reduktionszone. Bei einer Vorrichtung zum Vergasen fester
Brennstoffe ist die Zuführung für das Vergasungsmedium
vorzugsweise gemeinsam mit der Brennstoffzuführung ausgebildet.
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Eine
Ausführung mit einer getrennten Zuführung für
das Vergasungsmedium ist ebenso möglich. Vorzugsweise erfolgt
jedoch auch hier die Zufuhr des Vergasungsmediums von ganz unten,
da hierdurch die Durchmischung des Brennstoffs unterstützt
wird. Weiterhin wird die Entstehung von Kanälen und das Zurückrieseln
von Feinanteilen verhindert. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich,
das Vergasungsmedium unterhalb der Pyrolysezone beispielsweise über
eine Ringdüse seitlich zuzuführen.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn der Vergaser mit unterschiedlicher Leistung
betreibbar ist. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Brennstoff mit
nach oben hin abnehmender Geschwindigkeit durch den Vergasungsraum
gefördert wird. Durch den Abbrand des Brennstoffes in der
Oxidationszone mit weitgehend konstanter Geschwindigkeit nach unten
hin verschiebt sich hierbei lediglich die Lage der Oxidationszone
innerhalb des Vergasungsraumes, wobei sich jedoch stets selbstregelnd
ein stabiler Betriebspunkt einstellt.
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Um
den Vergaser mit unterschiedlicher Leistung betreiben zu können,
ist es vorteilhaft, wenn der Vergasungsraum einen sich nach oben
erweiternden Querschnitt aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass der
Brennstoff mit nach oben hin abnehmender Geschwindigkeit durch den
Vergaser geführt wird. Hierdurch ist in günstiger
Weise eine Anpassung an die in den einzelnen Reaktionszonen mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit ablaufenden Prozesse möglich.
Die Lage der Oxidationszone in dem Vergasungsraum stellt sich hierbei
stets an der Stelle ein, wo Abbrandgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit übereinstimmen.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
eine Ascheaustragvorrichtung lediglich durch den Auslass für
das Produktgas und das austretende Produktgas gebildet ist. Die entstehende
Asche wird hierbei vollständig durch das austretende Produktgas
ausgetragen. Durch den oberen Abbrand und die nahezu vollständige
Stoffumsetzung sind keine weiteren Austragvorrichtungen für
die Asche erforderlich.
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Nach
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der
Vergasungsraum von einer Isolierung vorzugsweise aus keramischen
Fasern um geben. Die thermische Belastung der Vergaseraußenwand
kann hierdurch reduziert werden.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das Vergasungsmedium und/oder der Brennstoff
vorgewärmt werden. Ein Teil der benötigten Prozesswärme
kann hierdurch von außen in den Prozess eingebracht werden.
Ebenso kann die benötigte Prozesswärme jedoch
auch vollständig autotherm durch unterstöchiometrische
Verbrennung eines Teiles des Brennstoffes erfolgen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn im Bereich der Reduktionszone eine Zuführung
für überhitzten Wasserdampf und/oder Luft angeordnet
ist. Die Reduktion der Oxidationsprodukte kann hierdurch günstig
beeinflusst und die Gaszusammensetzung an die Erfordernisse angepasst
werden.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn in dem Vergasungsraum wenigstens ein Temperatursensor
angeordnet ist, welcher den Füllstand des Vergasungsraumes überwacht.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn in dem Vergasungsraum eine Mehrzahl
von Sensoren angeordnet ist, welche die Lage der sich ausbildenden
Reaktionszonen, insbesondere der Oxidationszone, erfassen. Da sich
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung die einzelnen Reaktionszonen
sehr homogen und schichtförmig ausbilden, weisen diese
deutliche Temperaturdifferenzen auf. Die Lage der Reaktionszonen
sowie der Füllstand in dem Vergasungsraum kann hierdurch
einfach, kostengünstig und ohne die Anordnung bewegter
Teile durch Temperatursensoren erfasst werden.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn eine Wand des Vergasungsraumes aus einem
herkömmlichen Stahl ausgeführt ist. Durch die
gleichmäßige Durchströmung der Reaktionszonen
sowie den hohen Stoffumsatz in der Wirbelschicht kann in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ein teerarmes Produktgas bei vergleichsweise niedrigen
Temperaturen von maximal etwa 850°C erzeugt werden. Dabei
liegt im Bereich der hohen Temperaturen eine redu zierende Atmosphäre
vor. Der bauliche Aufwand des Vergasers kann somit durch Verwendung
eines herkömmlichen Stahls gering gehalten werden. Besondere
Feuerfestauskleidung, hochtemperaturbeständige Stähle oder
Keramiken sind nicht erforderlich.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn die mit dem Produktgas ausgetragene Asche
mittels einer Abscheideeinrichtung aus dem Produktgas abgeschieden
wird. Dies kann mit einfachen Mitteln, beispielsweise einem Zyklonabscheider,
bewerkstelligt werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Vergasers in einem schematischen Vertikalschnitt sowie eine schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wobei die Reduktionszone in Form einer Wirbelschicht
ausgebildet ist.
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In
beiden Figuren weist der Vergaser 1 eine Brennstoffzuführung 2 im
Vergaserboden mit einer Fördereinheit 5 für
den Brennstoff auf. Im Inneren des Vergasers 1 ist ein
Vergasungsraum 3 angeordnet, welcher im gezeigten Beispiel
einen veränderlichen Querschnitt aufweist. Vorliegend ist
der Vergasungsraum 3 kegelstumpfförmig ausgeführt
und von der äußeren Vergaserwandung durch eine
Isolierung 4 getrennt.
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Im
oberen Bereich des Vergasungsraumes 3 ist ein Gassammelraum 12 ausgebildet,
in welchem die entstehenden Gase 14 gesammelt und durch
den oberseitig an dem Vergasungsraum 3 angeordneten Auslass 7 abgezogen
werden. Weiterhin weist der Vergaser 1 eine Zuführung 6 für
ein Verga sungsmedium 16 auf, welche mit einer Regeleinheit 15 in Wirkverbindung
steht. Durch die Regeleinheit 15 ist erfindungsgemäß die
Menge des zugeführten Vergasungsmediums 16 derart
steuerbar, dass sich selbsttätig ohne mechanische Anströmböden
in dem Vergasungsraum und ohne zusätzliche Fluidisierungsmittel
eine Wirbelschicht 17 ausbildet.
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1 zeigt
hierbei einen Vergaser 1, bei welchem die Zuführung 6 für
das Vergasungsmedium 16 gemeinsam mit der Zuführung 2 für
den Brennstoff 8 ausgebildet ist. Hierdurch wird der Brennstoff 8 von unten
von dem Vergasungsmedium 16 durchströmt, so dass
die Durchmischung des Brennstoffes 8 unterstützt
und eine gleichmäßige Verteilung des Vergasungsmediums 16 über
den gesamten Querschnitt sichergestellt wird.
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Die
Zufuhr des Vergasungsmediums 16 kann jedoch auch, wie in 2 gezeigt,
unterhalb der Pyrolysezone 9 seitlich durch eine Ringdüse
erfolgen. Auch hier erfolgt jedoch die Zufuhr des Vergasungsmediums 16 durch
den Brennstoff 8 hindurch, um hierdurch eine Durchmischung
des Brennstoffes 8 und gleichmäßige Verteilung
des Vergasungsmediums 16 zu erzielen. Zusätzliche
mechanische Mischeinrichtungen sind somit nicht erforderlich. Zudem kann
hierdurch verhindert werden, dass Feinanteile aus den obenliegenden
Reaktionszonen 9, 10, 11 zurück
in den Brennstoff 8 gelangen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Brennstoff 8 entgegen
der Schwerkraft kontinuierlich oder quasikontinuierlich, d. h. die
gleiche Menge an Brennstoff je Zeiteinheit, durch die Brennstoffzuführung 2 in
den Vergasungsraum 3 gedrückt und durch den Vergaser 1 gefördert.
Der Brennstoff 8 wird hierbei vom Vergasungsmedium 16 und
Produktgas 14 in der gleichen Richtung durchströmt.
Es handelt sich in dieser Hinsicht also um eine aufsteigende Gleichstromvergasung.
Als Vergasungsmedium 16 kommt vorteilhafterweise vorgewärmte
Luft zum Einsatz. Der Prozess kann jedoch auch vollständig
autotherm geführt werden.
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Der
Abbrand des Brennstoffes 8 erfolgt dabei von oben nach
unten, wobei sich bei einem geeigneten gleichbleibenden Verhältnis
Luftzufuhr zu Brennstoffzufuhr eine schichtförmige Oxidationszone 10 ausbildet.
Durch die in der Oxidationszone 10 herrschenden Temperaturen
von über 800°C bildet sich unterhalb derselben
eine ebenfalls schichtförmige Pyrolysezone 9,
in welcher sich der Brennstoff 8 bei Temperaturen um 500°C
in Pyrolysekoks und gasförmige Verbindungen zersetzt. Das
mit der von unten durch den Brennstoff 8 strömenden
Luft 16 in der Pyrolysezone 9 gebildete Gas-Luftgemisch
unterhält die Energieerzeugung in der Oxidationszone 10,
wo ein Teil dieser Gase und des Pyrolysekokses verbrennt. Der verbleibende
in der Pyrolysezone 9 gebildete Pyrolysekoks wandert allmählich
durch die Oxidationszone 10 nach oben und bildet darüber
eine Reduktionszone 11 aus. Die Darstellung der 2 zeigt
hierbei einen Prozess, bei welchem die Reduktionszone 11 im
Wesentlichen vollständig in Form einer Wirbelschicht 17 ausgebildet
ist. Hierdurch kann eine besonders gute und schnelle Umsetzung des Pyrolysekokses
erzielt werden. Je nach Prozessführung und evtl. auch baulichen
Gegebenheiten des Vergasers 1 ist jedoch auch ein Verfahren
nach 1 möglich, wobei die Reduktionszone 11 oberhalb
der Oxidationszone 10 zunächst schichtförmig ausgebildet
wird. Im oberen Bereich des Vergasungsraumes liegt die Reduktionszone 11 hingegen als
Wirbelschicht 17 vor. In jedem Falle wird die Vergasung
nach dem Prinzip einer aufsteigenden Gleichstromvergasung durchgeführt,
welche jedoch erfindungsgemäß mit einer integrierten
Wirbelschicht 17 in der Reduktionszone 11 kombiniert
ist.
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In
der Reduktionszone 11, 17 wird der Pyrolysekoks
unter anderem von CO2 und H2O
aus der Pyrolysezone 9 und der Oxidationszone 10 durchströmt,
wobei diese endotherm zu den brennbaren Gasen CO und H2 reduziert
werden, wodurch der Pyrolysekoks vergast wird.
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Wenn
sich nun in der Reduktionszone 11 durch Feinanteile die
Zwischenräume im Pyrolysekoks zusetzen, so führt
der dadurch ansteigende Gasdruck dazu, dass der Pyrolysekoks angehoben und
damit gelockert wird. Es bildet sich erfindungsgemäß durch
die entspreche Einstellung der zugeführten Menge des Vergasungsmediums 16 und
die Anströmung des Brennstoffs 8 von unten ein
Gleichgewicht zwischen Gasdruck und Gewichtskraft des Pyrolysekokses
bis hin zum Fließbett.
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Das
von unten zugeführte Vergasungsmedium 16, vorzugsweise
Luft, erfährt in der Oxidationszone 10 einen sprunghaften
Temperaturanstieg und damit verbunden eine Volumenvergrößerung.
Zusammen mit den entstehenden Pyrolyse- und Verbrennungsgasen führt
dies insbesondere beim bevorzugten Einsatz handelsüblicher
Holzpellets als Brennstoff zur dauerhaften Ausbildung einer Wirbelschicht 17 in
der Reduktionszone 11. Damit wird die von Festbettvergasern
bekannte kritische Kanalbildung in diesem Bereich vollständig
unterbunden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Vergasungsverfahren bzw.
dem erfindungsgemäßen Vergaser 1 bildet
der Brennstoff 8 durch seine kontinuierliche Förderung
bei entsprechender Regelung der Zufuhr des Vergasungsmediums 16 einen
Anströmboden zur Wirbelschichterzeugung. Die Wirbelschicht 17 kann
hierbei ohne weitere Fluidisierungsmittel erzeugt werden. Hierdurch
ist es möglich, den in der Oxidationszone 10 gebildeten
Pyrolysekoks nahezu vollständig zu Gas und Flugasche umzusetzen
und damit einen hohen Wirkungsgrad des Gesamtverfahrens zu erreichen.
Es hat sich gezeigt, dass die Wirbelschicht 17 in dem erfindungsgemäßen
Vergaser 1 über einen relativ breiten Luftmengenbereich
stabil ist und damit die Regelung der Luftmenge durch die Regeleinheit 15 auf
die für die thermochemische Vergasung nötigen
Luftraten problemlos möglich ist.
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Die
entstehende Asche wird vorzugsweise als Flugasche ohne zusätzliche
Austragsvorrichtungen mit dem Prozessgas 14 ausgetragen
und danach mit einfachen Mitteln, beispielsweise durch einen Zyklonabscheider,
aus dem Produktgas 14 abgeschieden. Durch den oberen Abbrand
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie die
Führung des Vergasungsmediums 16 sowie das Produktgas 14 durch den
Vergaser 1 und die gute Umsetzung des Brennstoffs 8 ist
das Produktgas 14 mit dem Auslass 7 als Austragvorrichtungen
für die Asche vollkommen ausreichend. Sofern dennoch überschüssiger
Pyrolysekoks entsteht oder gezielt erzeugt werden soll, kann dieser
ebenfalls zusammen mit der entstehenden staubförmigen Asche
mit dem Produktgas 14 abgezogen werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Vergasungsverfahren führt
die gleichmäßige Durchströmung der sich
sehr homogen ausbildenden Pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszonen 9, 10, 11 zur
Erzeugung eines teerarmen Gases sehr gleichmäßiger
Qualität bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von etwa
850°C in der Oxidationszone 10. Dadurch wird es
möglich, einen erfindungsgemäßen Vergaser 1 ohne
Verwendung spezieller hochtemperaturbeständiger Stähle
oder Keramiken auszuführen. Selbst herkömmlicher
Baustahl ist verwendbar, da durch die reduzierende Atmosphäre
der unterstöchiometrischen Verbrennung keine nennenswerte
Oxidation stattfindet. Die Vermeidung der im Stand der Technik üblichen
keramischen Bauteile führt zudem bedingt durch geringe
Wärmekapazitäten vorteilhafterweise zu kurzen
Aufheiz- und Abkühlzeiten beim An- und Abfahren erfindungsgemäßer
Vergaser 1.
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Eine
bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen
Vergasers 1 besitzt wie im Beispiel dargestellt einen sich
nach oben erweiternden Querschnitt des Vergasungsraumes 3.
Dies erlaubt den Betrieb mit unterschiedlicher Leistung, denn es
bewirkt, dass der Brennstoff 8 mit abnehmender Geschwindigkeit
durch den Vergaser 1 nach oben wandert. Der in der Oxidationszone 10 mit
weitgehend konstanter Geschwindigkeit nach unten zu erfolgende Abbrand
führt nun dazu, dass sich selbstregelnd ein stabiler Betriebspunkt
einstellt, bei dem die Oxidationszone 10 an der Stelle
verharrt, wo Abbrandgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit
des Brennstoffes 8 übereinstimmen.
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Weiterhin
sorgt die kontinuierliche oder quasikontinuierliche Zufuhr neuen
Brennstoffes 8 insbesondere in Verbindung mit dem wechselnden
Querschnitt des Vergasungsraumes 3 für eine ständige Bewegung
und Durchmischung des Materials und verhindert damit ohne weitere
mechanische Vorrichtungen die Kanal- und Brückenbildung
in Oxidations- und Reduktionszone 10, 11.
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Im
Vergasungsraum ist weiterhin eine Mehrzahl übereinander
angeordneter Temperatursensoren 13 angeordnet, welche mit
der Regeleinheit 15 zusammenwirken und den Füllstand
des Vergasungsraumes 3 sowie die Lage der Reaktionszonen (9, 10, 11)
messtechnisch erfassen. Die Grenzen zwischen dem Brennstoff 8 und
der Pyrolyse- und Oxidationszone (9, 10) sowie
zwischen der Reduktionszone (11) und dem darüber
liegenden Gassammelraum (12) sind aufgrund der sehr homogenen
Ausbildung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
und dem erfindungsgemäßen Vergaser 1 durch
deutliche Temperaturdifferenzen gekennzeichnet. Die regelungstechnisch
wichtige Lage der Reaktionszonen 9, 10, 11,
insbesondere der Oxidationszone 10, sowie die Füllhöhe
können somit kostengünstig und ohne bewegte Teile
in einfacher Weise erfasst werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass ein erfindungsgemäßer Vergaser 1 ohne
bewegte Teile im heißen Bereich auskommt und keine mechanisch
belasteten heißen Teile aufweist, welche im Stand der Technik häufig
eine Störquelle darstellen. Der erfindungsgemäße
Vergaser 1 findet durch selbstregelnde Eigenschaften bei
geringem mechanischen und/oder elektronischen Regelungsaufwand einen
stabilen Betriebspunkt und liefert damit dauerhaft ein teerarmes Produktgas
mit nur geringfügig schwankender Qualität. Kanal-
und Brückenbildung sowie Teerschlupf können vermieden
werden. Der erfindungsgemäße Vergaser 1 ist
daher insbesondere für kleine und mittlere Anlagen bis
ca. 1 MW elektrisch geeignet, da keine aufwändige Gasnachbehandlung
erforderlich ist. Ebenso ist es möglich, direkt ein motorfähiges
Produktgas zu erzeugen. Weiterhin ist mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei entsprechender Prozessführung auch die
Herstellung von Holzkohle möglich.
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Der
eingesetzte Brennstoff 8 braucht nicht grobstückig
zu sein und darf hohe Mengen Feinanteil enthalten, da durch die
erfindungsgemäße Vorrichtung und Prozessführung
eine Verstopfungsneigung vermieden wird. Somit können Brennstoffe 8 verwendet
werden, die in ausreichender Menge am Markt verfügbar sind.
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Durch
den einfachen konstruktiven Aufbau und eine einfache Regelungstechnik
mittels der Regeleinheit 15 kann der erfindungsgemäße
Vergaser 1 zudem kostengünstig hergestellt und
betrieben werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Abwandlungen und Kombinationen im Rahmen der
Patentansprüche fallen ebenfalls unter die Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19755700
C2 [0006]
- - EP 0955350 B1 [0006]
- - DE 4417082 C1 [0007]