Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biomassevergaser zur Pyrolyse und Vergasung von Biomasse zur Erzeugung eines Brenngases bzw. Brenngasgemisches und ein Verfahren zur Gewinnung solcher Brenngase.
Biomassevergaser sind als solche bekannt. Aus der
Bei der Apparatur nach
Der vorliegenden Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zu Grunde, einen Biomassevergaser zu schaffen, der sowohl einen höheren Umsatz durch Vergasung erreicht, als auch ein vergleichsweise sauberes Brenngas mit hohem Wasserstoff- und/oder Kohlenmonoxid - Anteil und mit nur geringen Verunreinigungen, insbesondere an Teer, erzeugt, welches ggf. sogar ohne weitere Gasreinigung durch Reaktoren oder Wäscher, beispielsweise in einem Verbrennungsmotor, Stirlingmotor, einer Gasturbine oder Brennstoffzelle (insbesondere nach Abspaltung des Nicht-Wasserstoffanteils) eingesetzt werden kann.
Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Biomassevergaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen bzw. nachfolgend erläutert.
Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine pyrolytische, allotherme Vergasung. Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist eine gestufte Umsetzung in eine Anlage mit Vor- und Hauptreaktor und Sekundärreaktor.
Biomasse im Sinne der vorliegenden Erfindung sind u.a. biogene und tierische Abfallprodukte oder industrielle Neben- oder Abfallprodukte aus biogenen Ausgangsstoffen. Insbesondere ist der Prozess für feuchte Biomasse geeignet, wobei in der Biomasse enthaltenes Wasser das im Hauptreaktor eingesetzte Vergasungsmittel darstellt und bei ausreichender Feuchte der Biomasse kein weiteres Vergasungsmittel zugegeben werden muss.
Das erhältliche Brenngas ist besser zur Nutzung in der Verbrennung in Wärmekraftmaschinen geeignet, als das vergleichbarer bekannter Verfahren, im weiteren ist das Produkt des Prozesses ein fester kohlenstoffhaltiger Rückstand, der als hochwertiger Brennstoff geeignet ist.
Ein nach der erfindungsgemäßen Lehre ausgeführter Biomassevergaser hat den Vorteil, dass das Gas gemeinsam mit dem Feststoff in einer temperierten Förderleitung ausgetragen wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Austragsleitung über den ganzen Querschnitt mit der Feststoffschüttung gefüllt ist und somit das Gas durch diese Schüttung strömen muss. Durch den intensiven Gas-Feststoffkontakt bei hohen Temperaturen in dieser Austragsleitung erfolgt die Sekundärdegradation der höheren Kohlenwasserstoffe, insbesondere Teere. Diese Austragsleitung stellt im Sinne der Erfindung den Sekundärreaktor dar. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise hat den Vorteil, dass der apparative Aufwand zur Erzeugung eines wirtschaftlich nutzbaren Produktgases gering gehalten werden kann.
Der Vorreaktor hat die Funktion Biomasse zu komprimieren, zu erwärmen und ggf. Wasser bis zu einer definierten Feuchte zu entziehen. Im Vorreaktor findet aber gleichzeitig eine Pyrolyse der Biomasse unter Sauerstoffmangel statt. Sauerstoffmangel bedeutet, dass nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird, verglichen mit der Menge die erforderlich wäre zu einer Oxidation des Kohlenstoffs zu CO2, so dass die Reaktion in Bezug auf den Kohlenstoff im Wesentlichen zu CO geführt wird.
Der Hauptreaktor des Biomassevergasers weist erfindungsgemäß ein oder mehrere lang gestreckte Heizelemente in der Seele(n) der Transportschnecke(n) auf, die zusätzlich zu der Beheizung von außen den Innenraum des Hauptreaktors beheizt/beheizen ohne dass ein Austausch des Wärmeträgermediums mit dem Innenraum des Hauptreaktor erfolgt, d.h. der Wärmeübergang findet durch die Wandungen der Seele in das Reaktorinnere statt. Soweit erwünscht, kann auch der Sekundärreaktor und/oder der Vorreaktor derartige Heizelemente in der Seele(n) der Transportschnecke(n) aufweisen, insbesondere gilt dies für den Sekundärreaktor, weil in diesem höhere Temperaturen als im Vorreaktor benötigt werden.
Die Transportschnecke des Hauptreaktors hat eine Misch- und Förderfunktion und kann in Form eines Wendelförderers ausgebildet sein. Der Vorreaktor weist vorzugsweise eine Doppelschnecke auf und ggf. ein oder zwei langgestreckte Heizelemente in den Seelen der Doppelschnecke.
Durch die beheizte Seele ist es möglich, dem Prozess mehr Energie zuzuführen, als dieses allein durch die äußere Beheizung möglich wäre, und somit kann der durch den höheren Vergasungsumsatz des erfindungsgemäßen Biomassevergasers erhöhte Energiebedarf gedeckt werden, ohne die Temperatur der äußeren Mantelbeiheizung anheben zu müssen, was in den heißen Randzonen zu Verkokungen, ungewünschten Spaltprodukten oder Materialermüdung führen würde.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Biomassevergasers weist die Transportschnecke des Hauptreaktors Schaufeln auf, um die zu vergasenden Massen gegen die Schwerkraft anzuheben und um diese bei weiterlaufender bestimmter Schaufelstellung wieder in das Schüttbett zurückfallen zu lassen. Dadurch wird der Gasfeststoffkontakt deutlich erhöht, so dass die Vergasung besser und intensiver erfolgen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann mittels des Ausmaßes des Abtransports im Sekundärreaktor, z.B. mit der Transportschnecke im Sekundärreaktor, der Füllungsgrad des Hauptreaktors beeinflusst werden, so dass sich am Ende des Hauptreaktors ein Rückstau einstellt und sich zumindest im Sekundärreaktor ein vollständig gefüllter Querschnitt einstellen lässt, so dass dort das Gas vollflächig durch die Feststoffschüttung strömen muss, was sowohl die Vergasungsreaktionen, als auch die Sekundärdegradation positiv beeinflusst.
Der Sekundärreaktor muss nicht zwangsläufig ein vom Hauptreaktor separater Reaktor sein, sondern Hauptreaktor und Sekundärreaktor können auch zwei Zonen eines Reaktors sein. Der Sekundärreaktor (bzw. in diesem Sinne gleichbedeutend mit der Sekundärreaktorzone) weist einen höheren Füllgrad (vorzugsweise 100 Vol.%) als der Hauptreaktor (bzw. die Hauptreaktorreaktorzone) auf, wobei der Hauptreaktor stets zuerst von dem Füllgut durchlaufen wird.
Der Vorteil des hohen Befüllungsgrades im Sekundärreaktor ist:
Die Pyrolyse / Vergasung der Biomasse im erfindungsgemäßen Biomassevergaser verläuft wie folgt:
Im erfindungsgemäßen Biomassevergaser können sämtliche nachwachsenden Rohstoffe, biogenen Rest- und Abfallstoffe und Mischungen aus und mit diesen - im Sinne der vorliegenden Erfindung auch allgemein als Biomasse bezeichnet - vergast werden, solange diese in einer schüttfähigen Form vorliegen. Dabei spielt der Zustand, z.B. die Feuchte oder Korngrößenverteilung der Biomasse keine Rolle, da der Biomassevergaser auch feuchte und inhomogene Stoffe sehr gut und wirtschaftlich vergasen kann. Außerdem ist es möglich, der Biomasse andere, nicht biogene Stoffe beizumischen.
Dies können beispielsweise Haushaltsabfälle, Faulschlämme oder andere reaktionsfähige kohlenstoffhaltige Materialien sein. Auch eine Verunreinigung der Biomasse mit nichtreaktionsfähigem Material, wie beispielsweise Metallen, ist bis zu einem Anteil von 20 Masse%, vorzugsweise 5 Masse%, unschädlich für die Vergasung, wenn sie in einer Stückigkeit anfallen, die für die Fördereinrichtungen (Schnecken) unkritisch ist, da diese Materialien nach der Vergasung der eigentlichen Biomasse wieder ausgetragen werden. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass auch eine Beimengung von bis zu 40 Gew.%, vorzugsweise bis zu 10 Gew.%, von Brennstoffen, die keine nachwachsenden Rohstoffe sind, möglich ist, und dass der Biomassevergaser dennoch wirtschaftlich betrieben werden kann. Somit können in dem erfindungsgemäßen Biomassevergaser auch Stoffe oder Mischungen aus verschiedenen Stoffen als Brennstoff verwendet werden, die in autothermen oder allothermen Vergasern nach dem Stand der Technik sowie in Feuerungsanlagen evtl. nicht als Brennstoff geeignet sind.
Die schüttgutfähige Biomasse wird in einem Bunker, Silo oder Vorlagebehälter zwischengelagert und über die Restenergie im Rauchgas beheizt.
Die vorbeheizte Biomasse wird über eine Schleuse und Fördereinrichtung in einen Vorreaktor gegeben. Im Vorreaktor findet vorzugsweise eine Trocknung, Entgasung und Pyrolyse statt. Der Vorreaktor wird z.B. auf Temperaturen von 200°C bis 700°C, insbesondere 200°C bis 400°C oder auch nur 200°C bis 300°C beheizt. Hierzu wird vorteilhaft das aus dem Hauptreaktor-Mantel austretendes Heizgas mit z.B. 700 bis 500°C als Heizmedium eingesetzt.. Das Heizgas kann das Rauchgas des nachgeschalteten Prozesses der Verbrennung des Pyrolysekokses sein.
Der Vorreaktor weist vorzugsweise eine mehrwellige Förder- und Mischanlage auf, insbesondere als Doppelschnecke ausgebildet, um die Biomasse einzutragen und insbesondere Anbackungsprobleme zu vermeiden. Der Vorreaktor ist insbesondere als zwangsfördernde extern beheizte Doppelschnecke ausgebildet. Die Zwangsförderung hat den Vorteil, dass insbesondere komplexe, feuchte bis hin zu schlammiger Biomasse problemlos im Vorreaktor auf eine definierte Restfeuchte getrocknet und gleichzeitig pyrolysiert wird und somit zur Zufuhr eines Feststoffes (Pyrolysekoks) und Gases (Pyrolysegas, das bei der hohen Temperatur auch das Pyrolyseöl enthält) dem Hauptreaktor dient.
Eine Doppelschnecke oder allgemein mehrwellige Schnecken sind Schnecken, welche um mehrere Achsen rotieren, wobei die Schneckenflügel ineinander greifen.
Das den Vorreaktor verlassende Gas ist ein Pyrolysegas (im Wesentlichen wasserstofffrei), das aufgrund der hohen Temperaturen ebenfalls Pyrolyseöl enthält. Der Vorreaktor weist stets niedrigere Temperaturen als der Hauptreaktor und der Sekundärreaktor auf und wird vorzugsweise von der Restwärme des Hauptreaktors beheizt.
Der Hauptreaktor wird über eine Heizvorrichtung beheizt, so dass sich im Hauptreaktor eine heiße Reaktionszone ausbildet, in der Temperaturen von 700° bis 950°C, insbesondere 800 bis kleiner 900°C, vorzugsweise etwa 825°C, vorherrschen. In dem Hauptreaktor liegt eine durch einen Motor angetriebene und von innen durch eine zusätzliche Heizvorrichtung beheizte Transport- und Mischschnecke, die den Brennstoff axial durch den Hauptreaktor transportiert und dabei mischt.
Die Umsetzung im Hauptreaktor ist eine allotherme Vergasung in Gegenwart von Wasserdampf. Die Wärme wird von Außen zugeführt, wobei entweder ein Wärmeübergang durch die Reaktorwände erfolgt und/oder Wärme über Strahlung eingebracht wird. Heizgase werden nicht in den Reaktionsraum des Hauptreaktors geführt, zumindest nicht in dem Sinne als dass zugeführte Gase eine Temperatur aufweisen, die gleich oder höher ist als am Einspeiseort des Hauptreaktors. Erwünscht ist es aber ggf. im Sekundärreaktor, vorzugsweise am Ende des Sekundärreaktors Gase zur Sauerstoff-Bereitstellung, ggf. vorgewärmt, zuzuführen. Die Gase enthaltend oder bestehend aus Sauerstoff sind hierbei kein Heizgase sondern ein Reaktionsgas.
Der Hauptreaktor wird extern über heiße Rauchgase beheizt. Die Umsetzung erfolgt in Form einer allothermen Wasserdampfreformierung, dabei wird vorzugsweise die Restfeuchte der zu vergasenden Biomasse aus dem Vorreaktor als Vergasungsmittel eingebracht, soweit erforderlich kann Wasser aber auch zugegeben werden. Das im Hauptreaktor und Sekundärreaktor gewonnene Synthesegas weist einen hohen Wasserstoffgehalt von z.B. bis zu 50 Vol.% (bezogen auf das Gas) auf oder auch darüber.
Zur Unterstützung der externen Beheizung insbesondere des Haupt- und Sekundärreaktors können auch andere Energieeintragsverfahren zusätzlich verwendet werden, wie Mikrowellen, Plasma, Induktion oder interne Wärmeträgermaterialien, die extern beheizt werden und intern im Reaktor zur Wärmeabgabe herangezogen werden, z.B. CaO aus dem im Hauptreaktor CaCO3 nach CO2 Aufnahme wird.
Im Hauptreaktor findet eine weitere Pyrolyse des teilumgewandelte Biomasse aus dem Vorreaktor statt, bei der sich verschiedene gasförmige und kondensierbare Stoffe und ein festes im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehendes Pyrolysat bilden. Dies läuft im Hauptreaktor ohne Zugabe von Luft oder Sauerstoff ab. Des Weiteren findet die Vergasung des Pyrolysats mit Wasser(dampf) aus der Trocknung und der Pyrolyse des Brennstoffs und mit Kohlendioxid aus der Pyrolyse des Brennstoffs statt.
Der Hauptreaktor ist so benannt, weil hier entsprechend des Verfahrenszieles die Hauptreaktion abläuft, nämlich die Vollpyrolyse und die Primärvergasung (anteilig Erzeugung der höchsten Wasserstoffmenge).
Der in den Hauptreaktor eingetragene Feststoff enthält Pyrolysekoks und Asche, welcher im Vorreaktor bei Temperaturen von 200°C bis 700°C neben Pyrolysegas und Pyrolyseöl entsteht.
Der Hauptreaktor weist einen Mantel auf, geeigneter Weise mit Heizgasführungsblechen im Mantel. Vorzugsweise wird Heizgas, z.B. heißes Rauchgas aus der Anlage, über den Reaktor verteilt eingespeist. Zusätzlich beheizend wirkt die in der Seele der Schnecke angeordnete "Hotpipe", die ebenfalls mit Heizgas beschickt wird.
Der im Hauptreaktor befindliche Feststoff kann als Pyrolysatschüttung bezeichnet werden und enthält Asche und Koks. Die Schaufeln der Schnecke sind derart gestaltet, dass diese Schöpfschaufeln aufweisen mit parallel zur Reaktorwand angeordneten Schöpfkanten, um den wandnahen Feststoff aufzunehmen und nach oben zu fördern, wo sich die Schöpfschaufel wieder entleert.
Vergasungsmittel, das in den Hauptreaktor geführt wird, ist in erster Linie überhitzter Wasserdampf und stammt vorzugsweise aus dem Vorreaktor bzw. aus der Biomasse, die aus dem Vorreaktor in den Hauptreaktor eingetragen wird. Eine gesonderte Zufuhr von Luft bzw. Sauerstoff in den Hauptreaktor ist unerwünscht. Typisch für die Umsetzung im Hauptreaktor ist ein Mangel an Sauerstoff damit durch unterstöchiometrische Verbrennung des Kohlenstoffs Kohlenmonoxid bzw. durch allotherme Wasserdampfreformierung Wasserstoff entsteht.
An den Hauptreaktor schließt sich der auf 600 bis 950°C, vorzugsweise 800°C bis 850°C, temperierte Sekundärreaktor an, durch den mittels einer Fördervorrichtung, z. B. einer Transportschnecke, der Restkohlenstaub mit einem Füllungsgrad von 80 bis 100 Vol.%, vorzugsweise 100 Vol.% (zumindest zum Ende hin), transportiert wird. Das Gas strömt durch die Vollfüllung
Haupt- und Sekundärreaktor können Zonen eines Reaktors sein, dahingehend, dass der Hauptreaktor dem Vorreaktor zugewandt ist und der sich dem Hauptreaktor anschließende Teil der Sekundärreaktor ist und z.B. beide Teil eines Rohrreaktors sind, wobei sich der Sekundärreaktor vom Hauptreaktor durch seinen Füllungsgrad unterscheidet. Der Hauptreaktor weist im Mittel Füllungsgrade von vorzugsweise unter 80 Vol.% auf, während der Sekundärreaktor im Mittel Füllungsgrade von 80 Vol.% bis 100 Vol.% aufweist, vorzugsweise zumindest am Ende des Sekundärreaktors 100 Vol.%. Der zunehmende Füllungsgrad im Sekundärreaktor bzw. längs des Hauptreaktors kann durch Gravitation (Schrägstellung des Reaktorrohres), Geometrie (Verringerung des Reaktionsraumes) und/oder durch Förderwinkel der Schnecke bewirkt sein.
Im Einzelnen sind es z.B. folgende Maßnahmen, welche einen erhöhten Füllungsgrad bewirken:
Durch diesen Stau, bzw. durch den hohen Füllungsgrad ist das Gas gezwungen den Feststoff zu durchqueren, wodurch eine optimale Gasmenge und eine optimale Gasqualität erreicht werden kann.
Im Sekundärreaktor wird Wasserdampf benötigt. Dieser Wasserdampf kann auch durch ein Drehventil in die Vergasermisch- und Förderwelle dergestalt eingebracht werden, dass der Wasserdampf optimal von innen zentral (z.B. entlang der Drehachse mit ggf. mehreren Auslassstellen) in den Sekundärreaktor für den Wasserdampfreformierungs- und Vergasungsprozess eingebracht wird.
Durch die gleiche Leitung und/oder eine zweite Leitung von der Gegenseite kann zusätzlich reiner Sauerstoff als Vergasungsmittel hinzugemischt werden
In dem Sekundärreaktor kann als Vergasungsmittel Luft (bzw. Heißluft), Wasser (bzw. Heißdampf) oder sogar reiner Sauerstoff bzw. deren Mischung zugesetzt werden, vorzugsweise am Ende des Sekundärreaktors. Bevorzugt und eher typisch für die Umsetzung im Sekundärreaktor ist aber ebenfalls ein Mangel an Sauerstoff, damit durch unterstöchiometrische Verbrennung des Kohlenstoffs Kohlenmonoxid entsteht.
Der Auslass der Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid reichen Gases befindet sich am Ende des Sekundärreaktors oder im Anschluss an den Sekundärreaktor. Gas und Feststoff können gemeinsam aus dem Sekundärreaktor geführt werden. Im Anschluss werden Gas und Feststoff getrennt und ihrer weiteren Verwendung zugeführt.
Der Feststoff liegt in Pulverform vor und kann mittels Verbrennung zur Heißgaserzeugung genutzt werden. Hiefür ist es vorteilhaft, dass die Anlage so betrieben wird, dass das Feststoffpulver noch Kohlenstoff enthält, um einen gewissen Brennwert zur Heißgaserzeugung aufzuweisen.
Aufgrund der Tatsache, dass der Sekundärreaktor temperiert wird, erfolgt eine Sekundärdegradation der längerkettigen Kohlenwasserstoffe, z.B. Teer, des Produktgases innerhalb des Sekundarreaktors, so dass das fertige Produktgas fast keine Verunreinigungen und nur sehr wenig Teer aufweist. Dieses Produktgas kann nach Filterung ohne weitere Nachbehandlung in Reaktoren oder Wäschern zum Beispiel in einem Verbrennungsmotor genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Der ausgetragene Reststoff kann ggf. verwendet werden, um die Heizvorrichtung zu betreiben. Alternativ, oder falls ein Überschuss vorhanden ist, kann der Reststoff als Brenn- oder Wertstoff anderweitig wirtschaftlich genutzt werden.
Im Anschluss an den Sekundärreaktor werden austretendes Gas und Feststoff getrennt. Das Gas wird anschließend einer Heißgasentstaubung zugeführt und der Kohlenstaub und die Asche werden zur Heizgasherstellung nutzbar gemacht. Durch Luftverbrennung kann die Heißluft hergestellt werden. Die Anlage kann sogar so eingestellt werden, dass immer eine ausreichende Menge an Restkoks aus dem Sekundärreaktor ausgetragenen Feststoff vorhanden ist, die zur externen Beheizung des Haupt- und Sekundärreaktors über das Heizgas genutzt werden kann.
Soweit gewünscht, kann ein Wärmeträgermaterial eingesetzt werden. Wird CaO eingesetzt, so wird dieses z.B. von dem Verbrennungsprozess erwärmt, der mit ausgetragenem Biokoks oder Pyrolysekoks aus der Anlage unterhalten wird, und in den Hauptreäktor eingetragen oder ggf. auch über den Vorreaktor. Hieraus entsteht durch Umsetzung mit CO2 CaCO3 und (Pyrolyse)Koks, der wiederum verbrannt, bzw. das CaCO3 beheizt wird, wobei CaO erneut gewonnen wird, so dass CaO / CaCO3 im Kreislauf gefahren werden können. Hierdurch wird CO2 aus dem Prozess ausgetragen, weil CaO als chemisch aktiver Wärmeträger fungiert. Damit erhöht sich der Anteil der brennbaren Gase bzw. der Heizwert des Synthesegases (reicher an Kohlenmonooxid und Wasserstoff). Durch Zumischung von Kalkpulver kann überdies die Teerreduzierung zusätzlich gefördert werden.
Der erfindungsgemäße Biomassevergaser wird weiter beispielhaft erläutert durch die beigefügten Figuren. Es zeigen:
In
Die Hotpipe erstreckt sich über die Länge des Rohreaktors ggf. wie gezeigt bis hinein in den Sekundärreaktor. Die Schnecke fördert das Vergasungsprodukt und komprimiert dies zum Ende des Hauptreaktors hin. Hauptreaktor und Sekundärreaktor sind Teil eines Rohreaktors und von einem Heizmantel umgeben. Die Hotpipe ist als Lanze ausgeprägt. Das Heizgas (6) wird in der Mitte eingeleitet, prallt gegen das Lanzenende (heißester Punkt entlang der Hotpipe) und wird im Inneren außen entlang der Innenoberfläche der Lanze abgeleitet. Über ein Drehventil (7) können in den Sekundärreaktor Vergasungsmittel (Wasserdampf, Sauerstoff und/oder Luft) zudosiert werden, um im Sekundärreaktor, wenn gewünscht auch eine partielle authotherme Oxidation durch die Anwesenheit von Sauerstoff zu bewirken. Der Sekundärreaktor weist über zumindest die Hälfte der Förderstrecke einen Füllungsgrad von etwa 100% auf. Mit schwarzen Pfeilen ist der Eintrag und der Austrag aus dem Rohrreaktor gekennzeichnet. Graue Pfeile gegeben die Heizgasströme (6) wieder. Hauptreaktor und Sekundärreaktor haben ein unterschiedliches Temperaturprofil sind, aber von einem gemeinsamen Heizmantel (8) umgeben.
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