[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zum Betrieb eines Schwebebettvergasers
und eine dementsprechend ausgebildete Vorrichtung in Form eines Schwebebettreaktors.
[0002] Aus der
DE 10 2007 012 452 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung organischer Stoffe in einem
Schwebebett bekannt. Die Schwebebettvergasung beschreibt ein gestuftes Vergasungsverfahren,
bei dem nach erfolgter Pyrolyse bzw. Verkohlung eines kohlenstoffhaltigen Materials
eine möglichst vollständige Vergasung des erzeugten Koks zusammen mit einem Pyrolysegas
in einem Schwebebettreaktor in ein sog. Produktgas erfolgt. Dieser Schwebebettreaktor
umfasst einen an einen Einlass anschließenden und sich kegelstumpfförmig weitenden
Bereich, der in einen endseitig mit einem Auslass versehenen Zylinderabschnitt übergeht.
Dieser Körper beinhaltet ein im Zustrom eines Vergasungsmittels in der Schwebe gehaltenes
Festbett, das aus Koks des vorangegangenen Pyrolyseprozesses gebildet wird. Dieser
Koks wird durch eine entsprechende Einbringung und Dosierung eines Vergasungsmittels,
wie z.B. Luft, in einer erhöhten Position in Schwebe gehalten und kontinuierlich in
ein Produktgas umgesetzt bzw. vergast.
[0003] In einem Gleichgewichtsbetrieb eines Schwebebetts wird genau so viel Vergasungsmittel
eingebracht, dass die Menge an Koks im Schwebebettreaktor konstant gehalten wird.
Abbau durch eine kontinuierliche Umsetzung von Koks in Produktgas und Zugang von neuen
Bio-Koks-Stücken halten sich also die Waage. Aufgrund einer i.d.R. inhomogenen Zusammensetzung
der zugeführten Biomasse, aber auch aufgrund von Messtoleranzen bei der Biomassebeschickung
und Vergasungsmitteldosierung ist dieser Gleichgewichtsbetrieb praktisch aber nicht
konstant über eine lange Zeit zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Aus diesem Grund
muss das Schwebebett intermittierend in einem Aufbau- und Abbaubetrieb gefahren werden.
Dieser Auf- und Abbau wird jeweils über die Mengenänderung der Vergasungsmitteldosierung
gesteuert und über eine Füllstandsmessung im Vergaser überwacht. Diese Änderungen
sind innerhalb des laufenden Verfahrens aber nicht ohne eine nahezu ständige Überwachung
und Eingriffe von geschultem Überwachungspersonal möglich. Unter Bezugnahme auf Figuren
der beigefügten Zeichnung sollen nun die Vorgänge während des Aufbau- und Abbaubetriebs
in einem bekannten Schwebebettvergaser kurz dargestellt werden:
Beschreibung des Aufbaubetriebs:
[0004] Während des Aufbaubetriebs gelangt mehr Koks in den Schwebebettreaktor, als jeweils
aktuell abgebaut wird. Wie in der Abbildung von Figur 3 der beiliegenden Zeichnung
durch einen Pfeil angedeutet steigt damit die Menge an Vergasungskoks im Reaktor an.
Ein Bereich im Schwebebettreaktor, in Figur 3 durch einen enge Schraffur gekennzeichnet,
wird dadurch ständig durch frisches Material ersetzt, wobei überschüssiges Material
aus dieser Zone nach oben hin in das Schwebebett eingebaut wird. Der Füllstand im
Reaktor steigt also immer weiter an, wie durch die weitere Schraffur und den Pfeil
angedeutet. Um ein Überlaufen des Schwebebettreaktors zu verhindern, ist an seinem
oberen Ende durch einen Sensor eine Füllstandsmessung vorgesehen.
Beschreibung des Abbaubetriebs:
[0005] Während des Abbaubetriebs gelangt weniger Koks in den Schwebebettreaktor, als abgebaut
wird, siehe Figur 4. Das wird durch Beschränkung des Kokseintrags und/oder Erhöhung
des Einsatzes von Vergasungsmittel erreicht. In jedem Fall sinkt die Menge an Vergasungskoks
im Reaktor und damit die Schichtmächtigkeit des Schwebebetts immer weiter ab. Die
durch enge Schraffur gekennzeichnete Schicht eines fortlaufenden Abbaus der Schwebeschicht
wird im Schwebebettreaktor dadurch i.d.R. von unten her reduziert. Innerhalb der in
dem Schwebebettreaktor in der Schwebe gehaltenen Koksteilchen bildet sich jedoch auch
eine charakteristische Korngrößen-Verteilung der Teilchen aus: Von unten her neu eintretende
Teilen sind in der Regel viel größer, als Teilchen am oberen Ende des Schwebebetts.
Nimmt im Zuge des Abbaubetriebs die gesamt Mächtigkeit des Schwebebetts von unten
her ab, werden also vor allem Koksteilen mit größerem Korndurchmesser in Koksteilchen
mit kleinerem Korndurchmesser umgewandelt. Und damit verliert das Schwebebett fortschreitend
an Schüttungsporosität und Durchlässigkeit für das produzierte Gas. Diese reduzierte
Durchlässigkeit hat einen erhöhten Druckverlust zur Folge, weshalb das Schwebebett
insgesamt nach oben wandert, ohne dabei den von oben her als Füllhöhe im Schwebebettreaktor
messbaren Füllstand wesentlich zu beeinflussen, da das Bett von unten abgearbeitet
wird. Ein derartiger verschobener Bereich ist in Figur 4 als schraffierte zusätzliche
Schicht angedeutet.
[0006] Erreicht dieser Abbaueffekt ein kritisches Maß, so kollabiert das Schwebebett und
geht über in eine Wirbelschicht. Von einem Wirbelschicht-Vergaser sind neben vergleichsweise
geringerer Effizienz jedoch noch weitere negative Effekte bekannt, z.B. eine damit
einhergehende Verschmutzung der dem Reaktor nachgeschalteter Komponenten durch anhaftende
organische Rest-Abbauprodukte, insbesondere in der Wirbelschicht gebildetes Teer.
Bleibt diese Instabilität nun über eine gewisse Zeit aufrechterhalten, so ist diese
auch durch das Umschalten auf einen neuerlichen Aufbaumodus nicht mehr umkehrbar.
Das Schwebebett muss unter hoher Stillstandszeit des Reaktors neu aufgebaut werden.
[0007] Ein Zeitpunkt für eine Umschaltung von einem Aufbau- in einen Abbaubetrieb ist also
grundsätzlich leichter erkennbar und mit weniger schwerwiegenden Konsequenzen verbunden,
als eine Beendigung eines Abbaubetriebs. Im Rahmen eines möglichst effizienten Langzeitbetriebs
sind aber Umschaltungen in beide Richtungen erforderlich. Aktuell werden die jeweils
erforderlichen Entscheidungen i.d.R. durch besonders geschultes Überwachungs- und
Fachpersonal getroffen.
[0008] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelungsverfahren und eine dementsprechend
ausgebildete Vorrichtung zum Betrieb eines Schwebebettvergasers zu schaffen, das einen
zuverlässigen und sicheren Langzeitbetrieb einer vorstehend beschriebenen Anlage bei
deutlich reduzierten Anforderungen an Überwachung und geschulte Eingriffe von Überwachungspersonal
sicherstellt.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 und einer
Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
[0010] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein möglichst dauerhaft stabiler
Betrieb eines vorstehend beschriebenen SchwebebettReaktors einen Betrieb im Aufbaumodus
voraussetzt. Hier wird durch Zugabe von Vergasungsmittel ein hoher Materialumsatz
bei hoher Gasausbeute erzielt. Um nun aber kein immer weiteres Ansteigen einer Mächtigkeit
des Schwebebetts zu bewirken, muss gezielt auch für einen Abbau des Schwebebetts gesorgt
werden. Um aber eine Effizienzminderung des Vergasungsprozesses oder gar ein Kollabieren
des Schwebebetts bzw. irreversibles Umkippen in eine Wirbelschicht-Vergasung zu verhindern,
wird also im Gegensatz zu einer bekannten Regelung kein Eingriff am Reaktor-Eingang
durch Beschränkung des Kokseintrags und/oder Erhöhung des Einsatzes von Vergasungsmittel
vorgenommen. Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass für einen gezielten Abbau des
Schwebebetts zusätzlich Vergasungsmittel direkt in das Schwebebett eingebracht werden
kann, was zudem gut regelbar ist.
[0011] Demnach zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass eine tragende
Schicht des Schwebebetts in dem Schwebebettreaktor ständig in einem Aufbaumodus betrieben
und dazu zeitlich überlappend ein Abbau des Schwebebetts durch Einbringen von zusätzlichem
Vergasungsmittel durchgeführt wird.
[0012] Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Basis einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Einführung einer Unterscheidung
in einen sog. "tragenden" Teil des Schwebebetts und einen "nicht-tragenden" Teil des
Schwebebetts oder entsprechende Schichten, die bereichsweise einen ineinander fließenden
Übergang aufweisen. Die tragende Schicht des Schwebebetts ist gekennzeichnet durch
ständigen Material-Zuwachs an neuem und damit vergleichsweise grobkörnigem Bio-Koks,
während die nicht-tragende Schicht überwiegend aus kleinkörnigen, weitgehend umgesetzten
Koks-Körnern besteht.
[0013] Darauf aufbauend wird in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
während eines im Aufbaumodus befindlichen Betriebs der Vorrichtung zusätzliches Vergasungsmittel
in die nicht-tragende Schicht des Schwebebetts eingebracht. Vorzugsweise findet dieser
Vorgang unter Verwendung mindestens einer Düse oder Lanze statt. In einer Weiterbildung
der Erfindung werden Lanzen verwendet, die mit dem zusätzlichen positiven Effekt der
deutlichen Minimierung einer an einer benachbarten Wandung des Reaktors während der
Eindüsung auftretenden lokalen Erwärmung um eine Länge von ca. 10 cm bis vorzugsweise
mehr als 20 cm in einen zylindrischen Teil des Reaktors hinein ragen, wobei der Durchmessers
eines Reaktors in diesem Bereich z.B. bei ca. 1,5 m und mehr liegen kann.
[0014] Besonders vorteilhafter Weise sind diese Lanzen im Betrieb von einer Koks-Schüttung
bzw. Dicke der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts überdeckt, die ausreichend
ist, um eine möglichst vollständige Umsetzung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels
in Produktgas zu gewährleisten. Die Temperaturen in diesem Bereich des Reaktors liegen
auch ohne zusätzliche Eindüsung bereits bei rund 600°C, also oberhalb der Selbstzündungstemperatur
des Koks. Wird an dieser Stelle somit zusätzlich Vergasungsmittel eingedüst, so reagiert
das Vergasungsmittel umgehend mit dem Koks und vergast diesen. Die Eindüsung muss
demnach innerhalb des Schwebebetts und damit direkt in den Koks hinein erfolgen. Die
Schüttung oberhalb der Eindüsung muss aber noch derart hoch sein, dass eine weitgehende
bis möglichst vollständige Umsetzung des eingebrachten Vergasungsmittels gewährleistet
ist, um eine Umsetzung des Vergasungsmittels mit Produktgas und mithin eine Effizienzminderung
zu verhindern und den Ausstoß der Anlage an Produktgas effektiv zu erhöhen. Diese
Parameter können z.B. im Zuge eines Lernprozesses in einer jeweiligen Anlage im Zuge
der Erstinbetriebnahme ermittelt und eingestellt werden.
[0015] Es wird bevorzugt eine Aufteilung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels
auf zwei bis ca. 15 Lanzen, vorzugsweise etwa sechs Lanzen verwendet, die in einer
Ausführungsform der Erfindung über eine kreisförmige Querschnittsebene äquidistant
verteilt angeordnet sind. Die Lanzen werden vorteilhafter Weise einzeln und insbesondere
in zeitlichen Intervallen zur Eindüsung des zusätzlichen Vergasungsmittels in die
nicht-tragende Schicht des Schwebebetts verwendet. Hierdurch wird ein lokal begrenzter
übergroßer Abbau der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts verhindert und zudem
auch eine jeweilige lokale Erhitzung innerhalb der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts
begrenzt. Besonders bevorzugt werden direkt benachbarte Lanzen im Zuge eines fortlaufenden
Wechsels der Eindüsung des zusätzlichen Vergasungsmittels quasi übersprungen, um bei
möglichst gleichmäßigem bzw. ebenmäßigem Abbau der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts
ein direktes Angrenzen lokaler Überhitzungen zu unterbinden. Bei homogenisierter Verteilung
eines zusätzlichen Abbaus der nicht-tragenden Schicht des Schwebebetts erzielt ein
im Wesentlichen konstanter Eintrag von zusätzlichen Vergasungsmittel einen gleichbleibenden
zusätzlichen Ertrag an Produktgas.
[0016] Aufgrund des ständigen Schwebebettaufbaus in der tragenden Schicht kann der Reaktor,
bezogen auf die jeweils verarbeitete bzw. eingebrachte Biomasse, bei maximaler Leistung
betrieben werden, da eine maximale Durchlässigkeit der Schwebeschicht für Produktgas
durchgehend gewährleistet ist. Durch ein vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes
Verfahren wird neben einer Stabilisierung eines Dauerbetriebes eine effektive Leistung
der Gesamtanlage gesteigert.
[0017] Durch den ständigen Aufbau der tragenden Schicht bleibt die Gasdurchlässigkeit der
tragenden Schicht weitgehend konstant bei hohen Werten erhalten. Instabilitäten der
Schüttung bis hin zu einem Übergang zur Wirbelschicht werden, vor allem während des
nun vorgestellten Bettabbaus, weitgehend unterbunden. Zudem bewirkt die Eindüsung
des zusätzlichen Vergasungsmittels durch den gezielten Abbau im Bereich der nicht-tragenden
Schicht eine Erhöhung der Umsetzung kleinkörniger Koks-Partikel in Produktgas. Damit
werden die Gasausbeute und damit die Gesamtleistung der Anlage bei geringer baulicher
Anpassung also noch erhöht.
[0018] Der wesentliche Parameter bei der Vergasung von Biomasse ist der Lambdawert bzw.
das Luftverhältnis, welcher bei Vergasungsanlagen üblicherweise im Bereich von etwa
0,3 und etwa 0,4 liegt. Der Lambdawert ist dabei abhängig von dem eingesetzten Vergasungsmittel,
für das Luft, Sauerstoff, Dampf oder gar Wassernebel eingesetzt werden können. In
einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden entsprechende Anlagen in
einem Lambdafenster von ca. 0,31 bis etwa 0,36 betrieben, wobei der Lambdawert von
ca. 0,31 einen klassischer Aufbaubetrieb und der Lambdawert von ca. 0,36 einen klassischer
Abbaubetrieb kennzeichnet. In einem Regelbetrieb mit der zusätzlichen Eindüsung von
Vergasungsmittel wird der Lambdawert unterhalb des Schwebebetts, also am Reaktor-Eingang,
konstant bei etwa 0,31 gehalten. Die zusätzliche Eindüsung von Vergasungsmittel in
der nicht-tragenden Schicht wird im Zuge der Regelung in einem Lambdafenster von ca.
0,00 - ca. 0,05 variiert.
[0019] Wann in einem Schwebebettreaktor, genauer gesagt in dessen nichttragender Schicht
durch geregeltes Einleiten zusätzlichen Vergasungsmittels, zwischen Auf- und Abbau
hin und her geschaltet wird, wird auf Basis einer Füllstandsmessung im Schwebebettreaktor
entschieden. Hierzu ist ein Sensor bzw. Füllstandssensor vorgesehen. Diese Füllstandsmessung
erfolgt vorzugsweise über einen Radarsensor, einen oder mehrere Drehflügelschalter
oder über eine Kombination aus einem Radarsensor und mindestens einen Drehflügelschalter.
Erreicht der Füllstand ein gewisses Niveau, so kann nach Blockieren des Drehflügelschalters
als unabhängige Bestätigung einer Messung des Radarsensors auf einen insbesondere
geregelten Abbau des Schwebebetts im nicht-tragenden Teil umgeschaltet werden. Dabei
sind im Schwebebettreaktor vorzugsweise mindestens zwei auf unterschiedlichen Höhen
im Bereich der nicht tragenden Schicht eingerichtete Drehflügelschalter zur Mittelung
von Signalen für eine Regelung des Füllstandes vorgesehen.
[0020] Für die Dimensionierung einer idealen Schüttungshöhe oberhalb der Lanzen gibt es
diverse Möglichkeiten, die auch von der Gestaltung, einer jeweiligen Anzahl der Lanzen
sowie von den Abmessungen und der Leistungsklasse des Reaktors abhängig sind. Die
Ausführung muss derart erfolgen, dass eine weitgehende Umsetzung des eingebrachten
Vergasungsmittels gewährleistet wird. Eine Eindüsung oberhalb des Schwebebetts würde
nämlich lediglich zu einer Teilverbrennung des Produktgases führen, ohne die erwünschten
zusätzlich ablaufenden Vergasungsreaktionen in der Koksfüllung. Sämtliche relevanten
Vergasungsreaktionen benötigen nämlich die Anwesenheit von festem Kohlenstoff, der
hier in Form der Kokskörner der nicht-tragenden Schicht vorliegen, aber aufgrund der
Strömungsrichtung des Produktgases durch das zusätzlich eingedüste Vergasungsmittel
nicht erreicht werden können.
[0021] Aufgrund des direkten Kontakts von Vergasungsmittel mit Koks kann es im Bereich der
Eindüsung lokal zu Temperaturen größer 1000°C und damit, je nach eingesetzter Biomasse,
zu örtlichen Verschlackungen kommen. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, kann je
nach eingesetzter Biomasse, eine Temperatursenkung durch Zugabe von z.B. Wasserdampf,
Wassernebel, mit Wasser angereichtem Vergasungsmittel oder aber auch durch die Rückführung
von reaktionstemperaturmindernden, ggf. auch inerten Gasen, wie zum Beispiel Abgas
aus dem Gasmotor oder bereits produziertes Produktgas durch die Lanzen in die Schüttung
hinein erfolgen. Eine Beimischung zu dem Vergasungsmittel ist dabei nicht zwingend
erforderlich, aber zumindest mit Blick auf eine Temperaturbegrenzung vorteilhaft.
[0022] Eine zweite Möglichkeit stellt die intermittierende Taktung der über die Lanzen bewirkten
Eindüsung dar, die alternativ oder zusätzlich zu einer vorstehenden ausgeführten lokalen
Temperaturabsenkung insbesondere durch Beimischungen eingesetzt werden kann. Weiter
stellt auch eine räumliche und/oder zeitliche Diversifizierung der Eindüsung eine
Möglichkeit zur lokalen Begrenzung einer Erhitzung dar. Dabei wird eine Lanze nur
eine kurze Zeit betrieben und dann auf die nächste Lanze umgeschaltet, z.B. bei einer
gleichmäßigen Anordnung von z.B. sieben Lanzen über den Umfang verteilt. Weiter kann
eine räumliche Trennung der lokalen Erhitzungen dadurch erreicht werden, dass jeweils
unmittelbar benachbarte Lanzen übersprungen werden, also bei im Wesentlichen gleich
bleibender Eindüsungsmenge von einer ersten auf eine dritte Lanze usw. umgeschaltet
wird.
[0023] Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einer bekannten Vorrichtung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- Figur 1a:
- eine Schnittdarstellung einer Reduktionseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 1b:
- ein Temperaturverlauf innerhalb der Reduktionseinheit von Figur 1a;
- Figur 1c:
- eine Einzelheit aus Figur 1a;
- Figur 2:
- eine Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur
Schwebebett-Vergasung von Biomasse;
- Figur 3:
- eine Skizze zum Aufbau des Schwebebetts in der Reduktionseinheit und
- Figur 4:
- analog der Darstellung von Figur 3 eine Skizze zum Abbau des Schwebebetts in der Reduktionseinheit.
[0024] Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente und Verfahrensschritte
stets die gleichen Bezeichnungen und Bezugszeichen verwendet.
[0025] Die Skizze von Figur 2 zeigt eine aus der
DE 10 2007 012 452 A1, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird, bekannte Vorrichtung 1 zur Schwebebett-Vergasung
eines kohlenstoffhaltigen Materials bzw. von Biomasse als vollständige Anlage in einer
Schnittdarstellung. Hier ist der gesamte Prozessweg von der Zuführung einer Biomasse
B in eine Pyrolyseeinheit 2 mit Gasdüsen 3, von dort über eine Oxidationseinheit bzw.
Transportstrecke 4 mit Düseneinheit 5 bis zum Austritt eines Produktgases P aus einer
Reduktionseinheit 6 mit Düseneinheit 7 zur Einbringung und Dosierung von Vergasungsmittel
V im Zusammenhang dargestellt.
[0026] Wie durch die gestrichelte Linie in Figur 2 angedeutet wird nachfolgend nur noch
auf die Reduktionseinheit 6 als Schwebebettreaktor eingegangen werden: Die Reduktionseinheit
6 umfasst an die Düseneinheit 7 anschließend einen sich ungefähr kegelstumpfförmig
weitenden ersten Abschnitt 8, der in einen Zylinderabschnitt 9 mündet, der über einen
sich nun kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 10 in einen Auslass 11 für Produktgas
P hin ausläuft. Ein normaler Füllgrad der Reduktionseinheit 6 mit einer Schüttung
aus Koks-Stückchen in Form einer hier schraffiert dargestellten Schwebeschicht 12
ist in Figur 2 angedeutet.
[0027] Eingangs wurden bereits die grundlegend zu unterscheidenden Zustände des Aufbau-
und Abbaubetriebs unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Figuren 3 und 4 beschrieben.
Auch wenn über einen Füllstandssensor 13 an dem sich nun kegelstumpfförmig verjüngenden
Abschnitt 10 eine ungefähre Füllhöhe der Schwebeschicht 12 in der Reduktionseinheit
6 aus Gründen der Redundanz hier durch eine Kombination aus Radarsensor und mindestens
zwei auf unterschiedlichen Höhen im Bereich der nicht tragenden Schicht 16 eingerichteten
Drehflügelschalter gemessen wird kann und damit ein Überlaufen während eine Aufbaubetriebes
relativ sicher ausgeschlossen werden kann, so birgt jedes Umschalten auf einen Abbaubetrieb
über die Düseneinheit zur Einbringung und Dosierung von Vergasungsmittel V in die
Reduktionseinheit 6 aufgrund drohender Instabilität der Schwebeschicht 12 zumindest
die Eingangs beschriebenen und mit längeren Stillstandszeiten verbundenen Produktions-Risiken.
Um ein Regelungsverfahren und eine dementsprechend ausgebildete Vorrichtung zum Betrieb
eines Schwebebettvergasers zu schaffen, das einen zuverlässigen und sicheren Langzeitbetrieb
einer vorstehend beschriebenen Anlage bei deutlich reduzierten Anforderungen an Überwachung
und geschulte Eingriffe von Überwachungspersonal sicherstellt, wird nachfolgend ein
Ausführungsbeispiel eines verbesserten Regelungsverfahrens und eine angepasste Vorrichtung
beschrieben. Eine wesentliche Grundlage ist die Erkenntnis, dass das Schwebebett 12
in eine tragende Schicht 15 und eine nicht tragende Schicht 16 unterteilt werden kann.
Zwischen diesen Schichten ist ein Übergang in der Regel fließend und kann sich über
einen größeren Abschnitt erstrecken. Als gesichert können für diese Schichten 15,
16 aber die in dem Schwebebett von Figur 1a eingezeichneten jeweiligen Bereiche gelten.
[0028] Zudem ist von der Anmelderin erkannt worden, dass die nicht tragende Schicht 16 separat
gezielt abgebaut werden kann, um eine Mächtigkeit des Schwebebetts 12 zu verringern.
Hierzu ist gemäß der Abbildung von Figur 1a vorgesehen, dass zusätzliches Vergasungsmittel
Vz in die nicht-tragende Schicht 16 des Schwebebetts 12 in den Schwebebettreaktor
bzw. die Reduktionseinheit 6 eingebracht wird.
[0029] Parallel hierzu wird die tragende Schicht 15 des Schwebebetts 12 in der Reduktionseinheit
6 durch eine entsprechende Regelung der Düseneinheit 7 ständig in dem Aufbaumodus
betrieben. Zeitlich überlappend hierzu wird ein Abbau des Schwebebetts 12 durch Einbringen
von zusätzlichem Vergasungsmittel Vz in die nicht-tragende Schicht 16 durchgeführt.
So wird bei insgesamt erhöhtem Umsatz des erweiterten Schwebebettreaktors 6 ein Überlaufen
bzw. Überfüllen mit Koks-Stückchen vermieden.
[0030] Gemäß vorstehender Beschreibung erfolgt gemäß Figur 1a eine Eindüsung von zusätzlichem
Vergasungsmittel Vz im oberen Reaktordrittel und idealer Weise in dem zylindrischen
Teil 9 des Reaktors 6. Damit erfolgt die Eindüsung in die Koks-Schüttung immer sicher
in den nicht tragenden Teil 16 des Schwebebetts 12 hinein.
[0031] Die Abbildung von Figur 1b zeigt einen qualitativen Verlauf der Temperatur T über
die Höhe des erweiterten Schwebebettreaktors 6. In einem Regelbetrieb mit zusätzlicher
Eindüsung von Vergasungsmittel Vz wird unterhalb des Schwebebetts 12 ein Lambdawert
bei ca. 0,31 gehalten, wobei die zusätzliche Eindüsung von Vergasungsmittel Vz in
der nicht-tragenden Schicht 16 in einem Lambdafenster von ca. 0,00 bis etwa 0,05 variiert
wird. Demnach steigt ab der Position der Düseneinheit 7 eine Temperatur T durch das
dosierte Einbringung von Vergasungsmittel V sprunghaft auf nahezu konstante Werte
von ca. 1.000°C an und sinkt erst mit Erreichen einer Unterkante der sich stetig neu
aufbauenden tragenden Schicht 15 deutlich auf Werte größer als ca. 600 °C ab. Über
den restlichen Teil des sich ungefähr kegelstumpfförmig weitenden ersten Abschnitts
8 bis in dessen Einmündung in den Zylinderabschnitt 9 sinkt die Temperatur T auf Werte
um ca. 600°C ab. Damit ist ein Bereich der nicht tragenden Schicht 16 erreicht, in
den zusätzliches Vergasungsmittel Vz eingebracht wird. Die Temperatur T steigt hin
fast impulsartig wieder auf Werte von ca. 1.000°C an, um dann über eine kurze Strecke
h einer Überdeckung mit Koks bis zum Verlassen der nicht tragenden Schicht 16 wieder
auf ca. 600°C abzukühlen.
[0032] Figur 1c stellt eine Einzelheit aus Figur 1a mit Details zur Eindüsung zusätzlichen
Vergasungsmittels Vz in die nicht tragende Schicht 16 im Bereich des Zylinderabschnitts
9 dar. Demnach ragt ein als Lanze 17 ausgebildetes Rohrstück um eine Länge L von mehr
als ungefähr 20 cm und einem Durchmesser d von ca. 25 mm in den einen Durchmesser
von mehr als ca. 1,5 m aufweisenden Zylinderabschnitt 9 und damit in den Koks der
nicht tragenden Schicht 16 hinein. Wie vorstehend beschrieben liegt die Temperatur
T hier immer noch bei ca. 600°C und damit deutlich über einer Selbstentzündungstemperatur
von Koks. Das Eindüsen zusätzlichen Vergasungsmittels Vz führt zu einer umgehenden
Reaktion und Vergasung des umliegenden Koks. Ein bereits die nicht tragende Schicht
16 mit einer Geschwindigkeit v durchströmendes Produktgas P drängt eine heiße Umsetzungszone
18 in ihre Strömungsrichtung ab. Auch wenn die Umsetzungszone 18 in einem geringen
Umkreis unmittelbar an einen Auslass der Lanze 17 anschließend Temperaturen von ca.
1.000 °C erreicht, so verfügt Koks über eine so gute Wärmedämmung, dass ein Abstand
L der Umsetzungszone 18 von einer Wandung des Zylinderabschnitts 9 bereits ausreicht,
um hier keine wesentliche Erwärmung hervorzurufen.
[0033] Da eine Eindüsung oberhalb des Schwebebetts 12 bzw. dessen nicht tragenden Teils
16 lediglich zu einer Teilverbrennung des erwünschten Produktgases P aufgrund des
Fehlens festen Kohlenstoffs bzw. Koks ohne nennenswerte zusätzliche Vergasungsreaktionen
führen würde, ist auch eine ausreichend mächtige Überdeckungsschicht über der Lanze
17 zu achten. Eine Mächtigkeit h der Überdeckungsschicht ist dann ausreichend, wenn
das eingedüste zusätzliche Vergasungsmittel Vz im Wesentlichen vollständig in Produktgas
P umgesetzt worden ist. Das ist messtechnisch erfassbar, so dass eine entsprechende
Überdeckungshöhe h der Lanzen 17 mit Koks des nicht tragenden Teils 16 des Schwebebetts
12 eingeregelt werden kann.
[0034] Eine weitere Regelung betrifft einen möglichst homogenen bzw. ebenen und gleichmäßigen
Abbau der nicht tragenden Schicht 16 durch die Eindüsung von zusätzlichem Vergasungsmittel
Vz. Hierzu sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht nur die in Figur 1a
angedeuteten zwei Lanzen 17, sondern 6 äquidistant am Umfang des Zylinderabschnitts
9 verteil angeordnete Lanzen 17 vorgesehen. Diese Lanzen können grundsätzlich gleichzeitig
betrieben werden. Aufgrund der Möglichkeit von hohen, lokalen Temperaturen kann es
dadurch aber über längere Zeit gesehen zu Verklumpungen oder Verschlackungen des Koks
im Bereich der jeweiligen Umsetzungszonen 18 kommen. Diese Verschlackungen können
in weiterer Folge zu einer Beeinträchtigung des Betriebes führen.
[0035] Um dem entgegen zu wirken werden die Lanzen 17 zeitlich intermittierend mit einem
zusätzlich einzudüsenden Vergasungsmittel Vz beaufschlagt, d.h. es wird von einer
aktiv eindüsenden Lanze 17 auf eine nächste umgeschaltet. Zudem liegen aneinander
folgend mit zusätzlich einzudüsendem Vergasungsmittel Vz beaufschlagte Lanzen 17 nicht
unmittelbar benachbart, so dass sich in der nicht tragenden Schicht 16 keine größeren
Bereiche von Anhaftungen oder Koks-Verklumpungen ausbilden können. So können z.B.
eine erste, dritte und fünfte Lanze 17 aufeinander folgend oder zeitgleich zusätzliches
Vergasungsmittel Vz eindüsen, dem folgen dann nach kurzer Laufzeit des Eindüsungsprozesses
die zweite, vierte und sechse Lanze 17 und so fort.
[0036] Alternative wird die Temperatur in der Umsetzungszone 18 dadurch herabgesetzt, dass
dem zusätzlich eingedüsten Vergasungsmittel Vz Wasserdampf oder gar Wassertröpfen
in Form von Nebel zugegeben werden. Dem Fachmann sind neben einer Variation des Lamba-Wertes
weitere Möglichkeiten zur Absenkung einer Temperatur in der Umsetzungszone 18 bis
hin zu einer Beimischung inerter Abgase aus der thermischen Umsetzung des Produktgases
P in das zusätzlich eingedüste Vergasungsmittel Vz bekannt.
Bezugszeichenliste
[0037]
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Pyrolyseeinheit
- 3
- Gasdüsen
- 4
- Oxidationseinheit / Transportstrecke / Transporteinheit
- 5
- Düseneinheit
- 6
- Reduktionseinheit / Schwebebettreaktor
- 7
- Düseneinheit zur Einbringung und Dosierung von Vergasungsmittel V in die Reduktionseinheit
6
- 8
- sich ungefähr kegelstumpfförmig weitender erster Abschnitt der Reduktionseinheit 6
- 9
- Zylinderabschnitt der Reduktionseinheit 6
- 10
- sich kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 10 der Reduktionseinheit 6
- 11
- Auslass der Reduktionseinheit 6
- 12
- Schüttung aus Koks-Stückchen in Form einer Schwebeschicht
- 13
- Füllstandssensor
- 14
- 15
- tragende Schicht
- 16
- nicht tragende Schicht
- 17
- Lanze
- 18
- heiße Umsetzungszone in der nicht tragenden Schicht 16
- B
- Biomasse
- P
- Produktgases
- d
- Durchmesser
- h
- Mächtigkeit / Höhe der Überschüttung der Lanze 17
- L
- Länge einer Lanze 17 in der Schwebeschicht 12
- V
- Vergasungsmittel
- Vz
- zusätzliches Vergasungsmittel
- v
- Strömungsgeschwindigkeit des Produktgases P in der nicht tragenden Schicht 16
1. Regelungsverfahren zum Betrieb eines Schwebebettvergasers, bei dem verkohlte Biomasse
bzw. Koks im Zustrom eines Vergasungsmittels (V) als Bett (12) in der Schwebe gehalten
und in ein Produktgas (P) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine tragende Schicht (15) des Schwebebetts (12) in dem Schwebebettreaktor (6) ständig
in einem Aufbaumodus betrieben und dazu zeitlich überlappend ein Abbau des Schwebebetts
(12) durch Einbringen von zusätzlichem Vergasungsmittel (Vz) durchgeführt wird.
2. Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während eines im Aufbaumodus befindlichen Betriebs des Schwebebettreaktors (6) zusätzliches
Vergasungsmittel (Vz) in eine nicht-tragende Schicht (16) des Schwebebetts (12) in
den Schwebebettreaktor (6) eingebracht wird.
3. Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen von zusätzlichem Vergasungsmittel (Vz) unter Verwendung mindestens
einer in den Schwebebettreaktor (6) hineinragenden Düse und/oder Lanze (17) vorgenommen
wird.
4. Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzen (17) im Betrieb von einer Koks-Schüttung bzw. einer Dicke (h) der nicht-tragenden
Schicht (16) des Schwebebetts (12) überdeckt werden, die ausreichend ist, um eine
möglichst vollständige Umsetzung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels (Vz)
in ein Produktgas (P) zu gewährleisten.
5. Regelungsverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (h) als Parameter im Zuge eines Lernprozesses in einer jeweiligen Anlage
im Zuge der Erstinbetriebnahme ermittelt und vorzugsweise anhand einer Feststellung
einer möglichst vollständigen Umsetzung des zusätzlich eingebrachten Vergasungsmittels
(Vz) eingestellt wird.
6. Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzen (17) einzeln und insbesondere in zeitlichen Intervallen zur Eindüsung
des zusätzlichen Vergasungsmittels (Vz) in die nicht-tragende Schicht (16) des Schwebebetts
(12) verwendet werden.
7. Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eindüsen des zusätzlichen Vergasungsmittels (Vz) in Abhängigkeit einer Höhenregelung
vorzugsweise unter Verwendung mindestens eines als Radarsensor, als Drehflügelschalter
oder als Kombination aus einem Radarsensor und mindestens einem Drehflügelschalter
ausgebildeten Füllstandssensors (13) erfolgt.
8. Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zusätzlich eingedüsten Vergasungsmittel (Vz) Wasserdampf oder gar Wassertröpfen
in Form von Nebel und/oder inerte Abgase aus der thermischen Umsetzung des Produktgases
(P) zugegeben werden.
9. Regelungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Regelbetrieb mit zusätzlicher Eindüsung von Vergasungsmittel (Vz) ein Lambdawert
unterhalb des Schwebebetts (12) bei ca. 0,31 gehalten und die zusätzliche Eindüsung
von Vergasungsmittel (Vz) in der nicht-tragenden Schicht (16) in einem Lambdafenster
von ca. 0,00 bis etwa 0,05 variiert wird.
10. Schwebebettreaktor (6), der als Hohlkörper einen an einen Einlass mit einer Düseneinheit
(7) anschließenden und sich ungefähr kegelstumpfförmig weitenden Bereich (8) umfasst,
der in einen endseitig mit einem Auslass (11) versehenen Zylinderabschnitt (9) übergeht,
wobei dieser Hohlkörper ein im Zustrom von Vergasungsmittel (V) in der Schwebe gehaltenes
Festbett (12) beinhaltet, das aus Koks eines vorangegangenen Pyrolyseprozesses gebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass an diesem Schwebebettreaktor (6) Mittel zum Eindüsen von zusätzlichem Vergasungsmittel
(Vz) vorgesehen sind, die in einen nicht tragenden Teil (16) des Schwebebetts (12)
hineinragen.
11. Schwebebettreaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Düsen oder Lanzen (17) ausgebildet sind.
12. Schwebebettreaktor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in dem zylindrischen Teil (9) des Hohlkörpers des Reaktors (6) angeordnet
sind.
13. Schwebebettreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Rohre sind, die um eine Länge (L) von ca. 10 cm und vorzugsweise eine
Länge (L) von über 20 cm in einen zylindrischen Teil (9) des Reaktors (6) hinein ragen
und 2 bis ca. 15 Lanzen (17), vorzugsweise etwa 6 Lanzen (17) vorgesehen sind, die
über eine kreisförmige Querschnittsebene vorzugsweise äquidistant verteilt angeordnet
sind.
14. Schwebebettreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstandssensor (13) zum Messen einer Füllhöhe der Schwebeschicht (12) in der
Reduktionseinheit (6) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Füllstandssensor (13)
als Radarsensor, als Drehflügelschalter oder als Kombination aus einem Radarsensor
und mindestens einem Drehflügelschalter ausgebildet ist.
15. Schwebebettreaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei auf unterschiedlichen Höhen im Bereich der nicht tragenden Schicht
(16) eingerichtete Drehflügelschalter zur Regelung des Füllstandes vorgesehen sind.