Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Vergasen von Biomasse. Unter Biomasse ist jede kohlenstoffhaltige biogene Masse wie etwa Holzabfälle, Ernteabfälle, Grasschnitt, Gärreste, Klärschlamm oder dergleichen zu verstehen.

In der Praxis kommen vorrangig dezentrale kleine Anlagen mit einem Durchsatz von unter 200 Kg Biomasse pro Stunde zum Einsatz, beispielsweise an Bauernhöfen oder im kommunalen Bereich, um den Transport für die Biomasse und die Reststoffe zu vermeiden und die Abwärme vor Ort nutzen zu können. Die Akzeptanz solcher Anlagen im Markt fehlt bis heute. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der Teer, der bei der Pyrolyse und Vergasung von Biomasse entsteht. Der Teer muss bislang aufwendig entfernt werden und erfordert in der Regel einen hohen Wartungsaufwand für die Anlagen. Wenn das bei der Vergasung erzeugte Gas anschließend in einem Blockheizkraftwerk verwendet werden soll, ist es sogar notwendig den Teer vollständig aus dem erzeugten Produktgas zu entfernen. Nicht nur die Wartung sondern auch die Anschaffung solcher Anlagen ist bislang teuer.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von Biomasse unter Verwendung eines Gleichstromvergasers ist aus DE 10 2008 043 131 A1 bekannt. Zur Vermeidung der Teerbeladung des Produktgases wird dort ein einstufiges Verfahren mit Hilfe des Gleichstromvergasers vorgeschlagen, wobei Brennstoff entgegen der Schwerkraft dem Vergasungsraum zugeführt wird. In der Reduktionszone wird oberhalb der Oxidationszone eine stationäre Wirbelschicht ausgebildet. Dadurch soll die bei Festbettvergasern bekannte kritische Kanalbildung im Bereich der Reduktionszone vermieden und auf diese Weise die Teerbeladung des Produktegases reduziert werden. Allerdings erfordert die Erzeugung einer solchen Wirbelschicht das Beschränken der Vergasung auf bestimmte biogene Reststoffe bzw. Partikelgrößen, da ansonsten eine stabile Wirbelschicht nicht erreicht werden kann.

EP 1 436 364 B1 beschreibt eine Vorrichtung mit einer Reaktionskammer bei der die Zufuhr von Biomasse seitlich erfolgt. In der Reaktionskammer können die Teer enthaltenden Gase an dem geschlossenen Deckel kondensieren. Dies ermöglicht entweder das Entfernen des kondensierten Teers aus der Reaktionskammer oder das Zurückführen des Teers in die Reaktionszonen innerhalb der Reduktionskammer. Dadurch soll der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden. Eine ähnliche Einrichtung beschreibt auch EP 2 522 707 A2. Dort ist zusätzlich eine Nachbehandlungseinheit vorhanden, mit der der Reststoff möglichst vollständig mineralisiert und "weiße Asche" erzeugt werden soll.

Eine weitere Lösung zur Biomassevergasung ist in DE 20 2009 008 671 U1 beschrieben. Dort wird ein Gleichstromvergaser mit einer Pyrolysekammer und einem Vergaser vorgeschlagen. In der Oxidationszone des Vergasers wird das teerhaltige Pyrolysegas bei 1200°C verbrannt. Demensprechend sind sehr hohe Temperaturen in der Oxidationszone erforderlich.

EP 2 636 720 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Synthesegas durch eine Dampfreformierung aus Biomasse erzeugt wird. Dafür sind sehr große Heizflächen zur indirekten Beheizung erforderlich. In Vergaserrohren bzw. Vergaserspiralen soll durch bewegte Paddel eine Wirbelschicht erzeugt werden. Das Synthesegas wird anschließend in einem Kohlefilter im Gegenstromverfahren gereinigt und kühlt dabei auch ab.

DE 198 46 805 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung und Verbrennung von Biomasse. In dem Verfahren wird in einem Entgasungsofen Pyrolysegas und Koks erzeugt, das in einen Vergasungsreaktor gefördert wird, in dem der Koks teilweise vergast wird, wobei Aktivkohle entsteht. Die Aktivkohle wird über eine Fördereinrichtung aus dem Brennraum entfernt und in einen Filter außerhalb des Brennraums transportiert. Das aus dem Verfahren entstehende Produktgas wird gesondert von der Aktivkohle aus dem Vergasungsreaktor entfernt und in einem Wärmetauscher abgekühlt. Anschließend wird das abgekühlte Produktgas durch den mit der Aktivkohle gefüllten Filter geleitet. Dabei sollen Schadstoffe in der Aktivkohle zurückbleiben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von Biomasse zu schaffen, das unterschiedlichste biogene Reststoffe unabhängig von der Partikelgröße verarbeitet und ein teerarmes Produktgas wirtschaftlich erzeugen kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Produktgas aus der Biomasse, die einer Vorrichtung zum Vergasen von Biomasse, beispielsweise gemäß Patentanspruch 13, zugeführt wird, in wenigstens drei Verfahrensstufen erzeugt. In einer ersten Verfahrensstufe wird aus der zugeführten Biomasse ein Rohgas und ein kohlenstoffhaltiger Reststoff erzeugt.

Dazu wird die Biomasse beispielsweise in einer Oxidationszone durch Zufuhr von einem sauerstoffhaltigen Gas, insbesondere Luft, unterstöchiometrisch oxidiert. Das zuzuführende sauerstoffhaltige Gas kann dafür vorgewärmt sein. Bei der unterstöchiometrischen Oxidation entstehen das Rohgas und ein koksartiger, kohlenstoffhaltiger Reststoff.

In einer Abwandlung des Verfahrens wird in der ersten Verfahrensstufe die zugeführte Biomasse in einer ersten Teilstufe in einer Erhitzungszone getrocknet und/oder derart erhitzt, dass die flüchtigen Bestandteile aus der Biomasse entweichen, wobei ein Pyrolysegas und der kohlenstoffhaltiger Reststoff entstehen. Trocknung und Pyrolyse können in einer gemeinsamen Erhitzungszone durchgeführt werden. Alternativ können die Trocknung der Biomasse und die Pyrolyse in voneinander getrennten Zonen durchgeführt werden. In einer zweiten Teilstufe wird das Pyrolysegas aus der ersten Verfahrensstufe in einer Oxidationszone durch Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases unterstöchiometrisch oxidiert, wodurch das Rohgas entsteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet, dass kohlenstoffhaltiger Reststoff und das Rohgas aus der ersten Verfahrensstufe in einer zweiten Verfahrensstufe teilweise derart vergast werden, dass Aktivkohle entsteht. Dabei werden vorzugsweise bis zu maximal 75% und weiter vorzugsweise bis zu maximal 60 bis 65% des kohlenstoffhaltigen Reststoffes in der Vergasungszone vergast. Die Temperatur in der Vergasungszone kann bei einem Ausführungsbeispiel mindestens 800°C und maximal 1000°C betragen. In der Vergasungszone wird ein heißes Produktgas und Aktivkohle erzeugt.

In der dritten Verfahrensstufe werden in einer Kühlzone das heiße Produktgas und wenigstens eine Teil der Aktivkohle gemeinsam abgekühlt. Dabei findet ein Adsorptionsprozess statt, bei dem sich der Teer aus dem heißen Produktgas an der Aktivkohle anlagert. Somit wird der Teer aus dem heißen Produktgas entfernt und das im Anschluss an die dritte Verfahrensstufe bereitgestellte Produktgas ist teerarm bzw. im Wesentlichen frei von Teerbestandteilen. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet, dass eine bestimmte Menge der in der Vergasungszone erzeugten Aktivkohle und das heiße Produktgas, zu denen die zugeführte Biomasse geführt hat, der Kühlzone zugeführt und in der Kühlzone zusammen abgekühlt werden, so dass ein Adsorptionsprozess während des Abkühlens stattfindet, bei dem die bestimmte Menge Aktivkohle während des Abkühlens durch Teer aus dem heißen Produktgas angereichert wird.

Die bestimmte Menge Aktivkohle weist eine Masse mAK2 auf, die von minimal 2% bis maximal 10% der Masse mBwaf der zugeführten Biomasse bezogen auf den Bezugsstand wasser- und aschefrei (waf) beträgt. Beispielsweise werden je Kilogramm zugeführter Biomasse bezogen auf den Bezugszustand wasser- und aschefrei 0,05 Kilogramm Aktivkohle in die Kühlzone zum gemeinsamen Abkühlen mit dem anfallenden Produktgas gefördert. Wenn beispielsweise ein Massenstrom von Biomasse mBroh der Vorrichtung zugeführt wird, so weist die Biomasse in der Regel Wasser und Mineralstoffe auf. Der Massenstrom mBroh zugeführter Biomasse entspricht daher einem Massenstrom mBwaf von Biomasse im Bezugszustand wasser- und aschefrei, der in der Regel kleiner ist als der Massenstrom mBroh. Bei konstantem Massenstrom zugeführter Biomasse wird ein bestimmter Massenstrom mAK2 Aktivkohle aus der Vergasungszone in die Kühlzone gefördert, wobei der bestimmte Massenstrom mAK2 mindestens 2% und höchstens 10% des Massenstroms mBwaf der Biomasse bezogen auf den Bezugszustand wasser- und aschefrei beträgt: $$\mathrm{mAK}2=0,02\dots 0,1\mathrm{mBwaf}\mathrm{.}$$

Um zu erreichen, dass nur eine bestimmte Menge Aktivkohle zusammen mit dem Produktgas der Kühlzone zugeführt und dort zusammen mit dem Produktgas abgekühlt wird, kann der Prozess zur Vergasung von Biomasse beispielsweise derart gesteuert oder geregelt werden, dass nur die bestimmte Menge Aktivkohle in der Vergasungszone erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann überschüssige Aktivkohle aus der Vergasungszone und/oder zwischen der Vergasungszone und der Kühlzone abgezweigt werden.

Im Falle einer Änderung der Nachfrage nach reinem Produktgas, beispielsweise bei einer Laständerung eines damit gespeisten Motors, muss die Zeitverzögerung berücksichtigt werden, mit der eine Erhöhung oder Verminderung der Zufuhr an Biomasse am Eingang der Vorrichtung zur Anpassung des Bedarfs an Produktgas zu einer erhöhten oder verminderten Erzeugung von Aktivkohle in dem Vergasungsreaktor führt. Deshalb wird die Menge Aktivkohle, die abzuzweigen ist, an Hand der Menge der Biomasse bestimmt, aus der die momentan anfallende Aktivkohle und das momentan anfallende heiße Produktgas entstanden sind.

Mit Hilfe dieses Verfahrens bzw. einer entsprechenden Vorrichtung, die die Verfahrensstufen bereitstellt, kann wirtschaftlich und einfach ein teerarmes Produktgas bei der Biomassevergasung erzeugt werden. Durch das gemeinsame Abkühlen wenigstens eines Teils der Aktivkohle und des heißen teerbehafteten Produktgases schlägt sich der Teer nicht oder nur in unwesentlichen Mengen an der Wand der Kammer ab, in der das teerbehaftete heiße Produktgas und der Teil der Aktivkohle gemeinsam abgekühlt werden. Vielmehr nimmt die bestimmte Menge Aktivkohle den Teer aus dem heißen Produktgas während des Abkühlens auf. Eine aufwendige Reinigung der Kammer von dem Teer ist daher nur selten bis gar nicht erforderlich.

Die Temperatur auf die das Produktgas in der Kühlzone abgekühlt wird beträgt beispielsweise höchstens 50°C. Die Reinigung wird besonders effizient, wenn das Produktgas und die bestimmte Menge der Aktivkohle in der dritten Verfahrensstufe für den Adsorptionsprozess in der Kühlzone zusammen nicht unter eine Grenztemperatur abgekühlt werden, die größer ist als die Taupunkttemperatur des Produktgases. Auf diese Weise bleibt eine hohe Beladekapazität der Aktivkohle nutzbar. Vorzugsweise ist die untere Grenztemperatur von minimal 10 bis maximal 20 Kelvin größer als die Taupunkttemperatur des Produktgases.

Das durch den Adsorptionsprozess gereinigte Produktgas kann einer Vorrichtung, beispielsweise einer Gasturbine oder einem Gasmotor, als Brennstoff zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Massenstrom zugeführter Biomasse proportional an die Leistungsanforderung der mit gereinigtem Produktgas zu speisenden Vorrichtung angepasst. Der aus der Vergasungszone der Kühlzone zugeführte bestimmte Massenstrom Aktivkohle, die aus der proportional erhöhten oder verminderten Menge zugeführter Biomasse entstanden ist, wird vorzugsweise entsprechend proportional angepasst.

Es ist außerdem von Vorteil, wenn die Vergasung unter einem gegenüber Umgebungsdruck erhöhten Druck ausgeführt wird. Beispielsweise bei einem Druck in einem Bereich von etwa 5 Bar. Das erzeugte abgekühlte Produktgas kann dann ohne Zwischenverdichtung in Gasturbinen oder druckaufgeladenen Motoren verwendet werden. Um dies zu erreichen, kann die wenigstens eine Reaktionskammer unter einen entsprechenden Druck gesetzt werden. Beispielsweise kann das sauerstoffhaltige Gas (zum Beispiel Luft) über einen Kompressor oder eine andere geeignete Verdichtungseinheit unter Druck in die wenigstens eine Reaktionskammer eingeleitet werden. Durch die Durchführung des Verfahrens bei erhöhtem Druck kann außerdem die Beladekapazität der Aktivkohle erhöht werden.

Bevorzugt wird die Vergasung der Biomasse in einem gestuften Verfahren durchgeführt. Beispielsweise wird ein wenigstens zweigestuftes Verfahren erhalten, wenn die Erhitzung zur Trocknung und Pyrolyse einerseits und die Verarbeitung des daraus entstehenden Pyrolysegases und des kohlenstoffhaltigen Reststoffs mittels Oxidation und/oder Vergasung andererseits in separaten Kammern durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ist es beispielsweise, wenn die Erhitzungszone für die Trocknung und/oder Pyrolyse einerseits und die Oxidationszone andererseits in separaten Kammern angeordnet sind. Wenn die Erhitzung der Biomasse und/ oder die Freisetzung der flüchtigen Bestandteile aus der Biomasse zur Erzeugung des Pyrolysegases einerseits und die unterstöchiometrische Oxidation andererseits in einem gestuften Verfahren in voneinander getrennten Zonen durchgeführt werden, kann die gewünschte Temperatur in der Oxidationszone weitgehend unabhängig von der Stückgröße der Biomasse und der Feuchtigkeit der Biomasse erreicht und eingestellt werden. Ein dreigestuftes Verfahren wird erhalten, wenn zusätzlich die unterstöchiometrische Oxidation einerseits und die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Reststoffs andererseits in getrennten Zonen in voneinander gesonderten Kammern durchgeführt werden.

Es ist bevorzugt, wenn die Temperatur in der Oxidationszone kleiner ist als der Ascherweichungspunkt oder der Ascheschmelzpunkt der Asche des kohlenstoffhaltigen Reststoffes. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur in der Oxidationszone möglichst nahe an dem Ascherweichungspunkt bzw. dem Ascheschmelzpunkt liegt. Beispielsweise wird die unterstöchiometrische Oxidation bei einer Temperatur von minimal 1000°C bis maximal 1200°C durchgeführt.

Bei einigen Ausführungsbeispielen beträgt der Heizwert des Produktgases zwischen 1,5 und 2 kWh pro Kubikmeter. Der Kaltgaswirkungsgrad des Verfahrens kann mehr als 80% betragen.

Mit diesem Verfahren können alle Arten und Größen von biogenen Reststoffen als Biomasse vergast werden. Die Ausbildung einer Wirbelschicht entfällt. Es entsteht kein belastetes Abwasser. Die Teerentfernung ist aus dem Produktgas ist auch bei kleinen Anlagen wirtschaftlich möglich, da weder hohe Investitionskosten in die Teerentfernung erforderlich sind und auch der Betrieb keinen hohen Wartungsaufwand mit sich bringt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Mischform aus autothermer und allothermer Vergasung arbeiten. Die Temperatur in der Oxidationszone wird bei einem Ausführungsbeispiel durch die Menge und vorzugsweise auch durch die Temperatur des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases eingestellt. Dadurch lässt sich die Gasproduktion an den Bedarf anpassen, ohne die Temperatur in der Vergasungszone zu beeinflussen. Die Temperatur in der Vergasungszone kann durch indirektes Beheizen mit einer Heizeinrichtung eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Wärme für die Vergasungszone durch Wärmeeintrag von der Oxidationszone, beispielsweise durch dort teiloxidierten kohlenstoffhaltigen Reststoff und/oder Pyrolysegas, bereitgestellt.

Für ein indirektes Heizen der Vergasungszone werden bei einem Ausführungsbeispiel weniger als 10% des Energiegehalts der zugeführten Biomasse benötigt. Gegenüber einer rein allothermen Vergasung können daher kleinere Heizflächen in der Vergasungszone bereitgestellt werden.

Die Aktivkohle und das heiße Produktgas werden in der Kühlzone vorzugsweise durch indirektes Kühlen abgekühlt. Das abgekühlte Produktgas, das auch als Reingas bezeichnet werden kann, kann im Anschluss an die Kühlzone einer Filter- und/oder Staubabscheidereinheit zugeführt werden, um die Staubbelastung des Produktgases zu verringern. Der Filter kann mit Aktivkohle gespeist werden, die vor der Kühlzone als überschüssige Aktivkohle abgezweigt und daher nicht zusammen mit dem teerbehafteten Produktgas abgekühlt wurde. Für die Feinreinigung kann eine Reinigungseinrichtung mit Wechselbehältern für die Aktivkohle verwendet werden, wie sie an sich bekannt ist.

Es ist bevorzugt, wenn aus dem Verfahren entstehende Aktivkohle, zumindest der Teil mit dem daran adsorbierten Teer aus der dritten Verfahrensstufe, in einem Reaktor mit der Luft verbrannt wird, die in der dritten Verfahrensstufe zuvor zur Abkühlung des Produktgases und der Aktivkohle verwendet wurde. Bevorzugt wird das Abgas der Verbrennung zur Beheizung der Erhitzungszone verwendet. Der Gesamtwirkungsgrad wird dadurch erhöht. Der Brennstoff für einen Reaktor zur Erzeugung der Wärme zur Trocknung oder Freisetzung der flüchtigen Bestandteile der Biomasse bei der Pyrolyse muss nicht gesondert zugeführt werden, sondern fällt automatisch an.

Die Vergasungszone kann durch die Wärme eines Reaktors beheizt werden. Dies kann insbesondere durch das indirekte Beheizen einer die Vergasungszone aufweisenden Reaktionskammer bzw. des Reaktionskammerabschnitts erfolgen, in dem die Vergasungszone vorhanden ist. Als Brennstoff für den Reaktor kann bei einem Ausführungsbeispiel die nach dem Abkühlen aus der Kühlzone entnommene Aktivkohle verwendet werden.

Bei der Verbrennung der Aktivkohle in dem Reaktor kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche der Aktivkohle vor dem Zuführen zu dem Brenner zu vergrößern, beispielsweise indem die Aktivkohle nach der Entnahme aus der Kühlzone gemahlen bzw. feingemahlen wird. Durch ein oder mehrere der genannten Maßnahmen kann die Effizienz des Verfahrens bzw. der Vorrichtung weiter erhöht werden.

Es ist weiter vorteilhaft, ein bei der Verbrennung in dem Reaktor entstehendes Abgas zur Vorwärmung des sauerstoffhaltigen Gases vor dessen Zufuhr in die Oxidationszone zu verwenden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vergasen von Biomasse mit der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden kann, weist wenigstens eine erste Kammer auf, in der eine Erhitzungszone für die Biomasse bereitgestellt wird. In der Erhitzungszone kann die Biomasse getrocknet und/oder pyrolisiert werden. Die Vorrichtung kann eine Erhitzungszone mit separaten Teilzonen für die Trocknung und die Pyrolyse bereitstellen. Die Teilzonen können beispielsweise in voneinander gesonderten ersten Kammern der Vorrichtung angeordnet sein. Die Vorrichtung weist eine Zuführeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Biomasse der Erhitzungszone zuzuführen, um Pyrolysegas und kohlenstoffhaltigen Reststoff zu erzeugen. Die Vorrichtung weist ferner wenigstens eine zweite Kammer auf, die eine Oxidationszone für die Oxidation des Pyrolysegases und eine Vergasungszone für die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Reststoffs bereitstellt. Die Vorrichtung kann voneinander gesonderte zweite Kammern aufweisen, so dass die Oxidationszone und die Vergasungszone in getrennten Kammern bereitgestellt werden. Die zweite Kammer bzw. zweiten Kammern mit der Oxidationszone und der Vergasungszone sind vorzugsweise gesondert von der ersten Kammer mit der Erhitzungszone, so dass die Erhitzungszone einerseits und die Oxidationszone sowie die Vergasungszone andererseits voneinander getrennt sind. Die Vorrichtung weist eine Gaszufuhreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, der Oxidationszone ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, in einer Menge zuzuführen, so dass das in der Oxidationszone vorhandene Pyrolysegas unterstöchiometrisch oxidiert, wodurch ein Rohgas entsteht. Über die Menge des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases und der zugeführten Biomasse lässt sich die Produktion des Produktgases an den Bedarf anpassen. Die Vorrichtung weist ein Fördermittel auf, das dazu eingerichtet ist, das Pyrolesegas aus der Erhitzungszone in die Oxidationszone und das Rohgas aus der Oxidationszone in die Vergasungszone zu fördern und die dazu eingerichtet ist, den kohlenstoffhaltigen Reststoff aus der Erhitzungszone in die Vergasungszone zu fördern. Das Fördermittel arbeitet beispielsweise mit wenigstens einer Fördereinrichtung und/oder mittels der herrschenden Gewichtskraft. Die Vorrichtung weist weiter ein Heizmittel auf, das dazu eingerichtet ist, die Temperatur in der Vergasungszone derart einzustellen, dass der kohlenstoffhaltige Reststoff, gegebenenfalls mit Gasbestandteilen des Rohgases, die dazu in die Vergasungszone gefördert werden, teilweise vergast wird, wodurch Aktivkohle und ein heißes Produktgas entstehen. Das Heizmittel kann eine Heizeinrichtung zum, beispielsweise indirekten, Beheizen der Vergasungszone sein. Alternativ oder zusätzlich kommt als Heizmittel beispielsweise Wärmeeintrag von der Oxidationszone in Frage. Die durch die exotherme unterstöchiometrische Oxidation von Pyrolysegas und gegebenenfalls auch von kohlenstoffhaltigem Reststoff in der Oxidationszone entstehende Wärme kann aus der Oxidationszone in die Vergasungszone beispielsweise durch Wärmestrahlung und/oder durch das heiße Rohgas oder den erhitzten kohlenstoffhaltigen Reststoff, eingetragen werden.

Das durch die Vergasung erzeugte Produktgas ist noch teerbehaftet. Die Vorrichtung ist deshalb dazu eingerichtet, eine bestimmte Menge - beispielsweise einen bestimmten Massenfluss - der Aktivkohle aus der Vergasungszone und das Produktgas aus der Vergasungszone in einer Kühlzone der Vorrichtung bereitzustellen. Beispielsweise ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, eine bestimmte Menge der Aktivkohle und das heiße Produktgas mit einem Fördermittel aus der Vergasungszone in eine Kühlzone zu fördern. Das Fördermittel weist beispielsweise eine Fördereinrichtung auf und/oder arbeitet mittels der herrschenden Gewichtskraft. Die bestimmte Menge Aktivkohle weist eine Masse von minimal 2% bis maximal 10% der zugeführten Masse der Biomasse (mwaf) bezogen auf den Bezugszustand wasser- und aschefrei auf, aus der die Aktivkohle und das heiße Produktgas entstanden sind. Die bestimmte Menge weist beispielsweise eine Masse von 5% der Masse mwaf der zugeführten Biomasse bezogen auf den Bezugszustand wasser- und aschefrei auf.

Wenn der Vorrichtung beispielsweise ein Massestrom mBroh an Biomasse zugeführt wird, entsprich dies einem Massestrom mBwaf an Biomasse bezogen auf den Bezugszustand wasser- und aschefrei, der in der Regel kleiner ist als mBroh, da die der Vorrichtung zugeführte Biomasse in der Regel Wasser und Asche (Mineralstoffe) enthält. In der Vorrichtung entsteht aus dem Massestrom mBroh ein Massestrom an Aktivkohle mAK in der Vergasungszone. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, eine bestimmte Menge Aktivkohle in Form eines bestimmten Massenstroms mAK2 der Kühlzone zuzuführen. Und zwar wird eine bestimmte Menge Aktivkohle mit einem Massenstrom mAK2 von minimal 2% bis maximal 10% des Massenstroms an Biomasse bezogen auf den wasser- und aschefreien Bezugszustand der Kühlzone zugeführt. Die Vorrichtung ist für den Fall einer geänderten Nachfrage nach reinem Produktgas, beispielsweise bei einer Laständerung des damit gespeisten Gasmotors, dazu eingerichtet, die in die Kühlzone zu fördernde Menge Aktivkohle nach der Menge der Biomasse (waf) zu bestimmen, die zu der erzeugten Aktivkohle geführt hat, wie auch im Rahmen der Beschreibung des Verfahrens erläutert.

Die Vorrichtung kann beispielsweise dadurch zur Förderung nur einer bestimmten Menge, beispielsweise eines bestimmten Massenstroms, in die Kühlzone eingerichtet sein, dass die Vorrichtung, beispielsweise mittels einer Prozesssteuerungseinrichtung, den Prozess derart steuert, dass nur ein bestimmter Massenstrom mAK2 Aktivkohle aus dem Bereich zwischen minimal 2% mBwaf bis maximal 10% mBwaf in der Vergasungszone erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung beispielsweise eine Abzweigeinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, überschüssige Aktivkohle vor der Kühlzone abzuzweigen, so dass die überschüssige Aktivkohle nicht in die Kühlzone gefördert wird.

Die Vorrichtung weist außerdem eine Kühleinrichtung auf, die eine Kühlkammer zum gemeinsamen Abkühlen der abgezweigten bestimmten Menge Aktivkohle und des Produktgases aufweist. Die Kühleinrichtung ist dazu eingerichtet, die bestimmte abgezweigte Menge Aktivkohle und das heiße Produktgas in der Kühlzone, die die Kühlkammer bereitstellt, gemeinsam derart abzukühlen, dass ein Adsorptionsprozess während des Abkühlens in der Kühlzone stattfindet, bei dem die Aktivkohle während des Abkühlens durch Teer aus dem heißen Produktgas angereichert wird.

Da die bestimmte Menge Aktivkohle und das heiße Produktgas in der Kühlkammer zusammen abgekühlt werden und es während der Abkühlung zu einer Adsorption des in dem Produktgas enthaltenen Teers an die Aktivkohle kommt, setzt sich der Teer überhaupt nicht oder nur zu einem vernachlässigbaren Anteil an der Wand der Kühlkammer der Kühleinrichtung ab. Folglich muss die Kühlkammer nicht aufwendig gereinigt werden. Es ist damit sogar ein mannloser Betrieb der Vorrichtung möglich.

Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Vorrichtung eine gemeinsame Reaktionskammer für die Oxidation und die Vergasung. Die Förderung des Rohgases und des kohlenstoffhaltigen Reststoffes von der Oxidationszone in die Vergasungszone findet zumindest unterstützt durch die Gewichtskraft im Wesentlichen in vertikaler Richtung statt. Gleichermaßen kann der Transport des heißen Produktgases und der Aktivkohle von der Vergasungszone in die Kühlzone zumindest unterstützt durch die Gewichtskraft erfolgen. Es ist bevorzugt die Oxidationszone und die Vergasungszone in einer Kammer und die Kühlzone in einer davon gesonderten weiteren Kammer anzuordnen. Zur Förderung der Stoffe zwischen den Kammern und/oder innerhalb der Kammern können entsprechende Fördermittel wie etwa Förderschnecken oder dergleichen vorhanden sein.

Bevorzugt sind die Oxidations- und Vergasungszonen einerseits und die Kühlzone andererseits voneinander getrennt. Durch die Anordnung der Zonen in separaten Kammern ist die Vorrichtung zur Durchführung eines gestuften Verfahrens eingerichtet.

Es bevorzugt, wenn die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Vergasung der Biomasse bei gegenüber Umgebungsdruck erhöhtem Druck durchführen zu können. Beispielsweise sind dazu an einem Eingang der Vorrichtung zum Zuführen von Biomasse, einem Auslass der Vorrichtung zum Ableiten des gereinigten Produktgases und/oder einem Ausgang der Vorrichtung zum Abführen von Asche jeweils Schleusen angeordnet, die derart eingerichtet sind, die Vorrichtung zwischen Eingang und Ausgang bzw. Auslass bei gegenüber Umgebungsdruck erhöhtem Druck betreiben zu können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

• Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Figur 2 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einer gesonderten Erhitzungskammer zur Trocknung und Pyrolyse und einer gemeinsamen Reaktionskammer für eine Oxidationszone und eine Vergasungszone sowie einer separaten Kühlzone in einer gesonderten Kühlkammer.

Der Figur 1 ist schematisch ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht. Das Blockschaltbild zeigt ein Verfahren 10 bzw. eine Vorrichtung 11 zum Vergasen einer Biomasse B. Das Verfahren weist im Wesentlichen drei aufeinanderfolgende Verfahrensstufen 12, 13, 14 auf. In einer ersten Verfahrensstufe 12 wird die Biomasse B gemeinsam mit einem sauerstoffhaltigen Gas, einer Oxidationszone ZO zugeführt. Als sauerstoffhaltiges Gas wird beim Ausführungsbeispiel Luft L verwendet. Die Menge an zugeführter Luft L wird abhängig vom Bedarf an einem zu erzeugenden Produktgas eingestellt. Außerdem kann über die Menge an Luft L eine Temperatur TO in der Oxidationszone ZO eingestellt werden.

In dieser ersten Verfahrensstufe 12 oxidiert die Biomasse B in der Oxidationszone ZO unterstöchiometrisch. Dabei entsteht ein Rohgas R und ein kohlenstoffhaltiger Reststoff RK. Die Temperatur TO in der Oxidationszone wird unterhalb, aber möglichst nahe am Ascheschmelzpunkt oder am Ascherweichungspunkt der Asche des kohlenstoffhaltigen Reststoffes RK eingestellt. Dadurch wird vermieden, dass die Asche des kohlenstoffhaltigen Reststoffes in der Oxidationszone ZO schmilzt bzw. erweicht und ist zur Verklebung und im Bereich der Oxidationszone ZO kommt. Andererseits wird durch eine sehr hohe Temperatur TO in der Oxidationszone ZO bereits eine Reduzierung des Teergehalts im Rohgas R erreicht. Das Rohgas R und der kohlenstoffhaltige Reststoff RK werden anschließend in einer zweiten Verfahrensstufe 13 in einer Vergasungszone ZV teilweise vergast. Vergasungszone ZV kann mit Hilfe einer Heizeinrichtung 15 indirekt beheizt werden. Andernfalls kann die Temperatur TV in der Vergasungszone ZV beispielsweise durch Eintrag von Wärme aus der Oxidationszone ZO, insbesondere durch den Eintrag von heißem kohlenstoffhaltigem Reststoff RK sowie heißem Rohgas R eingestellt werden. Die Heizeinrichtung 15 kann bei dem bevorzugten Ausführungsbeispielen wenigstens einen Brenner 16 aufweisen.

Die Temperatur TV in der Vergasungszone ZV kann über die Heizeinrichtung 15 unabhängig von der Temperatur in der Oxidationszone ZO eingestellt werden. Die Temperatur TV in der Vergasungszone ZV beträgt beim Ausführungsbeispiel wenigstens 800°C und maximal 1000°C. Der kohlenstoffhaltige Reststoff RK wird in der Vergasungszone ZV mit Gasbestandteilen des Rohgases teilweise vergast, wobei beim Ausführungsbeispiel bis zu etwa 75% des kohlenstoffhaltigen Reststoffes RK vergast werden. Die Gasbestandteile, die zu der Vergasung des kohlenstoffhaltigen Reststoffes RK verwendet werden, sind hauptsächlich Wasserdampf und Kohlendioxid.

Unter diesen Bedingungen entsteht in der Vergasungszone ZV ein heißes Produktgas PH, das noch einen unerwünscht hohen Anteil Teer aufweist, sowie Aktivkohle AK. Das heiße Produktgas PH und eine bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 werden daraufhin der Kühlzone ZK zugeführt, um das Produktgas PH und die bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 gemeinsam abzukühlen, so dass der Teer aus dem heißen Produktgas PH auf die Menge Aktivkohle MAK2 während des gemeinsamen Abkühlens auf die bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 übertragen wird. Auf diese Weise kann ein Niederschlag des Teers auf der Wand der Kammer, die die Kühlzone ZK bereitstellt, verhindert werden, da die bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 den Teer aufnimmt. Andererseits wir die Aktivkohle AK effizient genutzt.

Die Menge Aktivkohle MAK2, die gemeinsam mit dem Produktglas PH abgekühlt wird, bestimmt sich nach der Menge zugeführter Biomasse MB, die zu der Aktivkohle AK sowie dem Produktglas PH geführt haben. Die zugeführte Menge Biomasse MB enthält in der Regel Wasser und Asche und weist eine Masse mBroh auf. Dies entspricht einer Masse mBwaf bei einem Bezugszustand wasser- und aschefrei (waf). Die Menge Aktivkohle MAK2, die der Kühlzone zugeführt wird, weist eine Masse mAK2 auf, die minimal 2% bis maximal 10% der Masse mWAF der zugeführten Biomasse B bezogen auf einen wasser-und aschefreien Bezugszustand der zugeführten Biomasse B entspricht.

In einer dritten Verfahrensstufe 14 wird das heiße Produktgas PH und die bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 und die im Vergaser entstehende Asche mit Hilfe einer Kühleinrichtung 17 indirekt abgekühlt. Dabei findet in der Kühlzone ZK ein Adsorptionsprozess statt, bei dem sich der Teer aus dem Produktgas PH während des gemeinsamen Abkühlens mit der bestimmten Menge Aktivkohle MAK2 bindet. Die Menge Aktivkohle MAK2 wird durch den Teer aus dem Produktgas PH während des Abkühlens in einer gemeinsamen Kammer angereichert.

Das heiße Produktgas PH kann innerhalb der Kühlzone ZK beispielsweise auf eine Temperatur von unter 50°C abgekühlt werden. Das Produktgas PH und die bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 werden in der dritten Verfahrensstufe für den Adsorptionsprozess vorzugsweise zusammen nicht unter eine untere Grenztemperatur abgekühlt, die größer ist als die Taupunktemperatur des Produktgases PH. Auf diese Weise kann ein hoher Nutzen aus der Beladekapazität der Aktivkohle gezogen werden. Durch das Anreichern der Aktivkohle MAK2 durch den Teer aus dem Produktgas PH entsteht am Ende der Kühlzone ZK ein abgekühltes Produktgas PA, das auch als Reingas PR bezeichnet werden kann. Das Reingas PR ist vollständig teerfrei oder enthält lediglich noch einen vernachlässigbaren Teeranteil. Das Reingas PR kann zur Energiegewinnung verwendet werden und bedarf insbesondere keiner weiteren aufwendigen Nachbehandlung zur Teerentfernung. Insbesondere kann das Reingas PR unmittelbar in Heizkraftwerken eingesetzt werden.

Neben der bestimmten Menge Aktivkohle MAK2 zum gemeinsamen Abkühlen bleibt möglicherweise eine überschüssige Menge Aktivkohle MAK1 aus der Vergaserzone ZV übrig. Diese kann, wie durch den Pfeil P in Figur 1 angedeutet, vor der Kühlzone ZK abgezweigt bzw. entnommen werden. Die überschüssige Teilmenge MAK1 mit einem Massenstrom mAK1 kann zur weiteren Feinreinigung des Reingases PR einer Reinigungsbehälteranordnung zugeführt werden, um den Restteergehalt des Reingases PR nach dem gemeinsamen Abkühlen noch weiter zu reduzieren. Solche Reinigungsbehälteranordnung zur Gasreinigung sind an sich bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.

Wie in Figur 1 gestrichelt veranschaulicht, kann das abgekühlte Produktgas PA bzw. das Reingas PR in einer geeigneten Staubabscheideeinheit 18 von Staub befreit werden, beispielsweise durch Filter, elektrostatische Einrichtungen, Zyklone oder dergleichen.

Die Menge Aktivkohle MAK2 kann aus der Kühlzone ZK entnommen und mit Hilfe einer Mahleinrichtung 19 gemahlen bzw. feingemahlen werden. Die gemahlene Aktivkohle, die nachfolgend als Kohlenstaub SK bezeichnet wird, kann als Energieträger für eine Verbrennung eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Kohlestaub SK oder zumindest ein Teil davon dem Brenner der Heizeinrichtung 15 zur indirekten Beheizung der Vergasungszone ZV zugeführt werden.

In Figur 1 sind außerdem zwei Möglichkeiten zur Verwendung eines Abgases G des wenigstens eines Brenners 16 der Heizeinrichtung veranschaulicht. Das Abgas G kann zum einen in einer Trocknungseinrichtung 20 zur Trocknung der Biomasse B vor dem Zuführen in die Oxidationszone ZO verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Abgas G in einer Vorwärmeinrichtung 21 zum Vorwärmen der Luft L bzw. des sauerstoffhaltigen Gases vor dem Zuführen zur Oxidationszone ZO eingesetzt werden.

Das Verfahren kann als eine Mischform aus einer autothermen und allothermen Vergasung durchgeführt werden. Für die optionale indirekte Beheizung der Vergasungszone ZV in der zweiten Verfahrensstufe 13 werden in einem Beispiel höchstens 10% des Energiegehalts der Biomasse benötigt. Das Reingas PR hat einen Heizwert zwischen 1,5 und 2 kWh/m³. Es lassen sich Kaltwirkungsgrade von über 80% erreichen. Das Entnehmen des Teers aus dem Produktgas PH durch die Adsorption beim gemeinsamen Abkühlen des Produktgases PH und der bestimmten Menge Aktivkohle MAK2 in der dritten Verfahrensstufe 14 ist äußerst wirtschaftlich und erfordert weder hohe Investitionskosten, noch einen hohen Wartungsaufwand.

In Figur 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht. Im Folgenden werden die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 beschrieben. Ansonsten gilt die Beschreibung zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1.

Die erste Verfahrensstufe 12 ist in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 in eine Erhitzungsstufe 12i und eine Oxidationsstufe 12ii unterteilt. In der Erhitzungsstufe 12i wird die Biomasse B einer Erhitzungszone ZE zugeführt. In der Erhitzungszone ZE wird die Biomasse B getrocknet und derart erhitzt, dass die flüchtigen Bestandteile aus der Biomasse B entweichen. Dabei entsteht ein Gas aus den flüchtigen Bestandteilen PY (Pyrolysegas) und ein kohlenstoffhaltiger Reststoff RK. Wie veranschaulicht, kann die Erhitzungszone ZE mit dem Abgas G des Brenners 16 der Heizeinrichtung 15 erhitzt werden. Alternativ oder zusätzlich, jedoch nicht dargestellt, kann die Erhitzungszone ZE mit Abgas eines Gasmotors beheizt werden, der mit dem Reingas PR aus dem Verfahren gespeist wird. Die Temperatur TE in der Erhitzungszone beträgt beispielsweise etwa 500°C. Das Pyrolysegas PY wird der Oxidationszone ZO zugeführt. Der Oxidationszone ZO wird außerdem ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft L, in einer Menge zugeführt, dass das Pyrolysegas PY in der Oxidationszone ZO unterstöchiometrisch oxidiert. Die Luft L kann in einer mit dem Abgas des Brenners 16 wärmegespeisten Vorwärmeinrichtung 21 vorgewärmt werden.

Der kohlenstoffhaltige Reststoff RK kann zusammen mit dem Pyrolysegas PY der Oxidationszone ZO geführt werden und/oder unter Umgehung der Oxidationszone ZO direkt der Vergasungszone ZV zugeführt werden. Ein Teil des kohlenstoffhaltigen Reststoffs RK kann in der Oxidationszone ZO unterstöchiometrisch oxidieren.

Das Abgas des Brenners 16 der Heizeinrichtung 15 kann optional zur Beheizung der Vergasungszone ZV verwendet werden.

Durch eine räumliche Trennung von Erhitzung zur Trocknung und Pyrolyse einerseits und Oxidation andererseits wird das Verfahren gestuft ausgeführt. Die gewünschte Temperatur TO in der Oxidationszone ZO kann dadurch weitgehend unabhängig von der Stückgröße der Biomasse B sowie der Feuchtigkeit der Biomasse erreicht und eingestellt werden.

In Figur 3 ist schematisch in einer teilgeschnittenen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 11 zur Vergasung von Biomasse B veranschaulicht. Die Vorrichtung 11 weist einen im Wesentlichen vertikal angeordneten, beispielsweise zylindrischen Reaktionsbehälter 22 auf, der eine gemeinsame Reaktionskammer 23 begrenzt. In einem oberen Abschnitt der Reaktionskammer 23 bzw. des Reaktionsbehälters 22 ist die Oxidationszone ZO und in einem sich daran anschließenden Abschnitt die Vergasungszone ZV gebildet. Durch die vertikale Anordnung lässt sich ein vereinfachter Transport innerhalb der Reaktionskammer 23 ohne aufwendige Fördereinrichtungen erreichen. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Reaktionskammer 23 horizontal oder schräg zu der Vertikalen und Horizontalen geneigt ausgerichtet sein.

Die Oxidationszone ZO und die Vergasungszone ZV können alternativ auch in voneinander gesonderten Reaktionskammern gebildet sein (in Figur 3 nicht dargestellt). Die gesonderten Reaktionskammern können in voneinander gesonderten Reaktionsbehältern angeordnet sein.

Beim vertikal oberen Ende des Reaktionsbehälters 22 kann der Reaktionskammer 23 kohlenstoffhaltiger Reststoff RK sowie Pyrolysegas PY zugeführt werden. Der kohlenstoffhaltige Reststoff RK und das Pyrolysegas PY können in einer von der Reaktionskammer 23 gesonderten Erhitzungskammer 24 der Vorrichtung 11, die eine Erhitzungszone ZE in der Erhitzungskammer 24 zur Trocknung und Pyrolyse der Biomasse B bereitstellt, erzeugt werden. Die Erhitzungskammer ist über eine Leitung 25 für Pyrolysegas PY und kohlenstoffhaltigen Reststoff RK mit der Reaktionskammer 23 verbunden.

Die Erhitzungskammer 24 wird aus einem Silo 26 oder einem Zwischenbehälter mit Biomasse B gespeist. Dazu ist, dass Silo 26 bzw. der Zwischenbehälter mit dem Eingang 27 der Erhitzungskammer 24 verbunden. Zwischen dem Silo 26 und der Erhitzungskammer 24 zur Trocknung und Pyrolyse ist eine erste Schleuse 28 angeordnet. Beispielsweise kann mit dieser ersten Schleuse 28 der Massenstrom mBroh an Biomasse B, der der Erhitzungskammer 24 zugeführt wird, eingestellt werden. In der Erhitzungskammer 24, die gegenüber der Vertikalen bzw. Horizontalen schräg angestellt ist, ist eine Fördereinrichtung 29, beispielsweise eine Förderschnecke angeordnet, um die Biomasse B von dem Eingang 27 der Erhitzungskammer 24 durch die Erhitzungskammer 24 zu fördern. Am Ausgang 30 der Erhitzungskammer 24 ist diese über die Leitung 25 mit der Reaktionskammer 23 verbunden, die die Oxidationszone ZO und die Vergasungszone ZV bereitstellt. Die Erhitzungskammer ZE und die Reaktionskammer 23 sind voneinander gesonderte Kammern, so dass die Temperatur in der Reaktionskammer 23 und der Erhitzungskammer 24 weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden können. Im oberen Abschnitt des Reaktionsbehälters 22 ist außerdem eine Gaszufuhreinrichtung 31 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases bzw. der Luft L in die Oxidationszone ZO vorhanden. Die Luft wird beispielsweise mittels einer Leitung 32 der Gaszufuhreinrichtung 31 direkt in die Oxidationszone ZO geleitet. In der Reaktionskammer 23 ist ein Temperatursensor 33 zur Erfassung der Temperatur TO in der Oxidationszone ZO vorhanden. Die erfasste Temperatur wird zur Regelung der Temperatur an eine nicht näher dargestellte Prozesssteuereinrichtung übermittelt. Ebenso können in der Erhitzungszone ZE sowie in der Vergasungszone ZV nicht näher dargestellte Temperatursensoren angeordnet sein, die die Temperatur in der Erhitzungszone ZE bzw. in der Vergasungszone ZV erfassen und an die Prozesssteuereinrichtung weiterleiten können.

An dem in Förderrichtung liegenden Ende 34 der Reaktionskammer 23 kann eine durch den Pfeil in Figur 3 angedeutete Abzweigeinrichtung 35 angeordnet sein, die dazu eingerichtet ist, überschüssige Aktivkohle AK, die nicht für die gemeinsame Kühlung von Aktivkohle AK und Produktgas PH in der Kühlzone ZK verwendet werden soll, vor der Kühlzone ZK abzuzweigen. An dem Ende 34 der Reaktionskammer 23 ist diese mit einer Kühlkammer 36 verbunden, die in einem Kühlkammerbehälter 37 enthalten ist. Die Kühlkammer 36 stellt eine Kühlzone ZK bereit. Die Kühlkammer 36 ist ebenfalls gegenüber der Vertikalen und Horizontalen schräg angestellt. Alternativ kann diese beispielsweise vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. In der Kühlkammer 36 ist eine Fördereinrichtung 38, beispielsweise eine Förderschnecke, angeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine bestimmte Menge, beispielsweise einen bestimmten Massenfluss, der in der Reaktionskammer 23 erzeugten Aktivkohle AK durch die Kühlkammer 36 zu führen. Außerdem kann die Fördereinrichtung 38 zur Förderung des heißen Produktgases PH in die Kühlkammer 36 bzw. die Kühlzone ZK beitragen. An dem in Förderrichtung der Aktivkohle AK bzw. des Produktgases PH liegenden Ende 39 der Kühlkammer 36 ist diese mit einer Abscheidekammer 40 verbunden, die einen Filter 18 sowie einen Auslass 41 für das Reingas PR aufweist. Der Filter 18 kann beispielsweise mit vor der Kühlzone ZK abgezweigter Aktivkohle AK gespeist werden. An dem Auslass 41 ist ein Temperatursensor 42 angeordnet, der die Gasaustrittstemperatur des gereinigten Produktgases PR erfasst und an die Prozesssteuereinrichtung übermittelt. Die Abscheidekammer 40 weist außerdem an ihrem unteren Ende einen Auslass 43 für die mit Teer beladene Aktivkohle AK auf. An dem Auslass 43 ist die Abscheidekammer 40 mit einem Reaktor 44 zur Verbrennung der mit Teer beladenen Aktivkohle AK verbunden. Zwischen der Abscheidekammer 40 sowie dem Reaktor 44 ist eine zweite Schleuse 45 angeordnet, durch die die teerbehaftete Aktivkohle AK in den Reaktor 44 zur Verbrennung der teerbeladenen Aktivkohle befördert wird. Der Reaktor 44 kann in einem Ausführungsbeispiel außerdem mit vor der Kühlzone ZK abgezweigter überschüssiger Aktivkohle AK gespeist werden, wobei eine entsprechende Zuleitung in Figur 3 nicht dargestellt ist. Die zweite Schleuse 45 ist ebenso wie die erste Schleuse 28 am Eingang 27 der Erhitzungskammer 24 dazu eingerichtet, dass die Vorrichtung 11 in der Erhitzungskammer 24, der Reaktionskammer 23 der Kühlkammer 36 sowie der Abscheidekammer 40 bei gegenüber Umgebungsdruck erhöhtem Druck, beispielsweise bei 5 Bar, betrieben werden kann.

Der Reaktor 44 zur Verbrennung der mit der beladenen Aktivkohle AK weist einen Auslass 46 für die Asche auf, wobei die Asche beispielsweise mittels eines Drehtellers 47 zum Ausgang befördert werden kann. An dem Auslass 46 weist der Reaktor 44 eine dritte Schleuse 48 auf, die wie die anderen Schleusen 28, 45 derart eingerichtet ist, so dass die Vorrichtung 11 bei gegenüber Umgebungsdruck erhöhtem Druck betrieben werden kann.

Die Erhitzungskammer 24, die die Erhitzungszone ZE bereitstellt, ist von einem Isolationsmantel 49 umschlossen. Zwischen der Isolationsmantel 49 und der Außenwand des Behälters 50 für die Erhitzungskammer 24 ist ein Heizraum 51 gebildet. Der Heizraum 51 ist beim Ausführungsbeispiel mit dem Reaktor 44 zur Verbrennung der teerbeladenen Aktivkohle über eine entsprechende Leitung 52 verbunden, über die der Heizraum 51 mit Abgas G des Reaktors 44 gespeist werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Heizraum 51, wie durch den Pfeil 52 angedeutet, mit Abgasen eines Gasmotors (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung beheizt werden, der beispielsweise mit dem gereinigten Produktgas PA, PR als Brennstoff gespeist wird. Das Abgas G kann aus dem Heizraum 51 über einen Auslass 53 in dem Isolationsmantel 49 abgeleitet werden.

Die Reaktionskammer 23 wird ebenfalls von einem Isolationsmantel 54 umgeben, der sowohl die Oxidationszone ZO, als auch die Vergasungszone ZV umschließt. Zwischen dem Isolationsmantel 54 und der Reaktionskammer 23 kann ein Heizraum zur indirekten Heizung der Vergasungszone ZV und/oder der Oxidationszone ZO angeordnet sein (nicht dargestellt), der ebenfalls mit Abgas G des Reaktors 44 gespeist werden kann.

Der Kühlkammerbehälter 37 ist von einem Mantel 56 umschlossen, wobei zwischen dem Mantel 56 und dem Kühlkammerbehälter 37 ein Kühlraum 57 ausgebildet ist, der über einen Eingang 58 mit einem Kühlmittel C, im Ausführungsbeispiel Luft, gespeist werden kann. Der Kühlraum 57 weist einen Auslass 59 zum Auslassen der Luft C aus dem Kühlraum 57 auf. Die durch indirekte Kühlung der Kühlkammer 36 aufgewärmte Luft C kann über eine zwischen dem Auslass 59 und dem Reaktor 44 angeordnete Leitung 60 dem Reaktor 44 zur Verbrennung von Aktivkohle AK zugeführt werden.

Der Auslass 41 zur Ableitung des Reingases PR kann beispielsweise mit einem Gasmotor (nicht dargestellt) verbunden sein, der mit dem Reingas PR betrieben werden soll. Zur Erzeugung des Reingases PR arbeitet die Vorrichtung 11 beispielsweise wie folgt:

Im stationären Zustand, wenn der Gasmotor eine konstante mechanische Leistung liefern soll, wird in der Regel die kontinuierliche Erzeugung von Reingas PR durch die Vorrichtung 11 bzw. durch das Verfahren 10 nachgefragt. Zur Erzeugung des Reingases PR wird in der Regel ein konstanter Massenstrom Biomasse mBroh (Bezugszustand roh) aus dem Silo 26 für die Biomasse B mit Hilfe der ersten Schleuse 28 und beispielsweise der Schwerkraft sowie der Fördereinrichtung 29 der Erhitzungskammer 24 zur Trocknung und Pyrolyse der Biomasse B zugeführt. Dem Biomassestrom mBrohr entspricht ein Biomassestrom mBwaf (Bezugszustand wasser- und aschefrei). In der Erhitzungskammer 24 bzw. der Erhitzungszone ZE wird die Biomasse B durch indirekte Beheizung der Erhitzungszone ZE durch das Abgas G des Reaktors 44 und/oder des Gasmotors bei beispielsweise etwa 500°C getrocknet und derart erhitzt, dass die flüchtigen Bestandteile aus der Biomasse B entweichen (Pyrolyse). Dabei entsteht kohlenstoffhaltiger Reststoff RK sowie Pyrolysegas PY, das einen Teeranteil von mehreren Gramm pro Kubikmeter aufweisen kann.

Der kohlenstoffhaltige Reststoff RK sowie das Pyrolysegas PY werden mit Hilfe der Fördereinrichtung 29 in die Oxidationszone ZO gefördert. Dort wird das Pyrolysegas PY unter Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases, beispielsweise Luft L, bei etwa 1000 bis 1200°C unterstöchiometrisch oxidiert, wobei ein Rohgas R entsteht. Die Teerbestandteile in dem Pyrolysegas PY werden dabei zum größten Teil gecrackt. Die Luft des sauerstoffhaltigen Gases L wird zur Einstellung der Temperatur TO in der Oxidationszone ZO geregelt. Es wird beispielsweise 1 Kubikmeter Luft je Kilogramm Biomasse (waf) benötigt. Durch Vorwärmung kann die Luftmenge noch reduziert und der Heizwert des Reingases PR erhöht werden. In der Oxidationszone ZO bzw. der Oxidationsstufe 12ii wird der Teeranteil im Rohgas R auf deutlich unter 500 mg pro Kubikmeter abgesenkt.

Der Gastransport des Rohgases R in die unter der Oxidationszone ZO angeordnete Vergasungszone ZV wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das sauerstoffhaltige Gas L am vertikal oberen Ende 61 der Reaktionskammer 23 zugeführt wird und das Gas L somit in der Reaktionskammer 23 vorhandene Gase vertikal nach unten drückt. Alternativ oder zusätzlich kann an dem Ende 34 der Reaktionskammer 23 oder der Vorrichtung 11 eine nicht dargestellte Absaugvorrichtung für das Produktgas PH angeschlossen sein, um den Gastransport innerhalb der Reaktionskammer 23 herbeizuführen oder zu unterstützen.

In der Vergasungszone ZV, die auch als Reduktionszone bezeichnet werden kann, wird der überwiegende Teil des kohlenstoffhaltigen Reststoffes RK endotherm vergast, wobei die Gastemperatur entsprechend bis auf beispielsweise 700°C fällt. Dabei kann der Anteil an kohlenstoffhaltigem Reststoff RK von ursprünglich 20% nach der Pyrolyse auf beispielsweise 5% bezogen auf den zugeführten Biomassestrom mBwaf (Bezugsstand wasser- und aschefrei) sinken. Es entsteht Kohle AK mit einer stark porösen Struktur (Aktivkohle).

Die Prozesssteuerungseinrichtung der Vorrichtung 11 ist dazu eingerichtet, durch Steuerung der Prozessparameter, wie beispielsweise Temperatur und ggf. auch Druck, und/oder mittels der Abzweigeinrichtung 35 und/oder der Fördereinrichtung 38 der Kühlkammer 36 einen bestimmten Massenstrom Aktivkohle MAK2 aus einem Bereich von minimal 0,02 Kilogramm bis maximal 0,1 Kilogramm je Kilogramm zugeführter Biomasse B (bezogen auf den Bezugszustand wasserund aschefrei), aus der die Aktivkohle AK erzeugt wurden, von der Vergasungszone ZV in die Kühlzone ZK der Kühlkammer 36 zu fördern und dort gemeinsam mit dem bei der Vergasung aus der zugeführten Biomasse B erzeugten teerbehafteten Produktgas PH bis in die Nähe der Umgebungstemperatur indirekt abzukühlen. Während der gemeinsamen Abkühlung wird das Produktgas PH durch den Adsorptionsprozess vom Teer gereinigt und daraufhin dem Gasmotor als Reingas PR zugeführt.

Bei Änderung der Nachfrage nach Reingas PR oder bei sich stark änderndem Heizwert der momentan bereitgestellten Biomasse B wird der Massenstrom mBroh zugeführter Biomasse B entsprechend geändert. Mit Zeitverzögerung wird dadurch ein geänderter Massenstrom Aktivkohle mAK in der Vergasungszone erzeugt. Die Prozesssteuerungseinrichtung ist dazu eingerichtet, zu berücksichtigen, dass die Änderung des Massenstroms mAK erzeugter Aktivkohle AK verzögert zu der Änderung des Massenstroms zugeführter Biomasse mBroh auftritt. Daher wird auch bei sich ändernder Nachfrage nach Reingas PR die Menge MAK2 bzw. der Massenstrom mAK2, der der Kühlzone ZK aus dem momentan in der Vergasungszone ZV bereitgestellten Massestrom mAK Aktivkohle zuzuführen ist, an Hand der Menge bzw. dem zugeführten Massenstrom Biomasse (Menge bzw. Massenstrom bezogen auf Bezugszustand waf) bestimmt, aus der der momentan in der Vergasungszone ZV erzeugte Aktivkohlemassestrom mAK erzeugt wurde.

Die Teerbestandteile und andere Schadstoffe aus dem Produktgas PH werden während der gemeinsamen Abkühlung von der Aktivkohle MAK2 adsorbiert. Die Beladekapazität (Adsorptionskapazität) der Aktivkohle AK ist derart hoch, dass bei einer Beladung von nur 2 Gewichtsprozent je Kilogramm Biomasse B (waf) beispielsweise 1 Gramm Teerbestandteile aus dem Produktgas PH entfernt werden können. Das Produktgas PH und die bestimmte Menge Aktivkohle MAK2 werden bei der gemeinsamen Abkühlung vorzugsweise nicht unter eine untere Grenztemperatur oberhalb des Taupunkts des Produktgases PH abgekühlt, da die Beladekapazität der Aktivkohle AK hin zu einer relativen Feuchtigkeit des Produktgases PH von 100% stark abfällt. Beim Ausführungsbeispiel wird für die indirekte Kühlung der Kühlzone ZK Luft C verwendet, wobei die erhitzte Kühlluft C dem Reaktor zur Verbrennung der teerbehafteten Aktivkohle MAK2 zugeführt wird.

Das Produktgas PA, PR wird in dem Ausführungsbeispiel nach der Kühlzone ZK mit einem Staubfilter 18 von der mit Schadstoff beladenen Aktivkohle MAK2 abgetrennt. Die mit Schadstoff beladene Aktivkohle MAK2 wird dem Reaktor 22 über die zweite Schleuse 45 zugeführt und mit der verbrauchten Kühlluft C verbrannt. Die Asche wird zum Beispiel über den Drehteller 47 und die dritte Schleuse 48 abgeschieden.

Bei hoher Feuchtigkeit der Biomasse B kann es zweckmäßig sein, die Erhitzungszone ZE durch indirekte Beheizung sowohl mit den Abgasen des Gasmotors als auch mit den Abgases des Reaktors 44 zur Verbrennung der teerbehafteten Aktivkohle MAK2 zu beheizen.

Die Vergasung bei erhöhtem Druck mit entsprechenden Schleusen 28, 45, 48 am Ein- und Ausgang des Vergasers 11 hat den Vorteil, dass das gereinigte Produktgas PR dem Druck aufgeladenen Gasmotor ohne Kompressor zugeführt werden kann. Außerdem kann dadurch die Beladekapazität der Aktivkohle AK erhöht werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 10 und erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur Feinreinigung kann motortaugliches Produktgas PR erzeugt werden, ohne dass eine nachgeschaltete Reinigung (zum Beispiel mittels Nasswäscher, Elektrofilter oder dergleichen) erforderlich wäre. Der Kaltgaswirkungsgrad des Vergasers liegt selbst bei sehr feuchter Biomasse über 80%.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 10 zur Vergasung von Biomasse B sowie eine dazu eingerichtete Vorrichtung 11. Das Verfahren erfolgt in mindestens drei Verfahrensstufen 12, 12i, 12ii, 13, 14. In einer ersten Verfahrensstufe 12 kann in einem Ausführungsbeispiel biogener Reststoff Biomasse einer Erhitzungszone ZE zugeführt werden, um die Biomasse B zu trocken und die flüchtigen Bestandteile entweichen zu lassen, um einen Pyrolysegas PY daraus zu erzeugen. Das Pyrolysegas PY wird einer Oxidationszone ZO zugeführt und dort unterstöchiometrisch oxidiert, wobei ein Rohgas R erzeugt wird. Der koksartige, kohlenstoffhaltige Reststoff RK, der in der Erhitzungszone ZE erzeugt wird, wird zusammen mit dem Rohgas R in einer zweiten Verfahrensstufe 13 in einer Vergasungszone ZV teilweise vergast. Die Erhitzungszone ZE kann indirekt beheizt werden. Die Vergasungszone ZV kann ebenso indirekt beheizt werden. Die Erhitzungszone ZE und die Oxidationszone ZO sind vorzugsweise voneinander separate Zonen in separaten Kammern 23, 24. Durch die Vergasung entsteht Aktivkohle AK sowie ein heißes Prozessgas PH. Das erfindungsgemäße Verfahren 10 beinhaltet bzw. die Vorrichtung 11 ist dazu eingerichtet, eine bestimmte Menge der Aktivkohle von minimal 0,02 Kilogramm bis maximale 0,1 Kilogramm je Kilogramm zugeführter Biomasse (wasser- und aschefrei, waf), aus der die Aktivkohle in der Vergasungszone ZV entstanden ist, sowie das heiße Produktgas PH in einer dritten Verfahrensstufe 14 in einer Kühlzone ZK, beispielsweise auf höchstens 50°C, abzukühlen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart eingerichtet bzw. beinhaltet das Verfahren, dass die Aktivkohle AK sowie das heiße Prozessgas PH derart gemeinsam abgekühlt werden, dass die Temperatur des Prozessgases PH in der Kühlzone ZK beim gemeinsamen Abkühlen mit der Aktivkohle AK oberhalb einer unteren Grenztemperatur bleibt, die größer ist als die Taupunkttemperatur des Produktgases PH. Der während der gemeinsamen Abkühlung von Aktivkohle AK und Produktgas PH stattfindende Adsorptionsprozess führt dazu, dass sich Teer während der Abkühlung aus dem heißen Prozessgas PH an der Aktivkohle AK in der Kühlzone anlagert. Dadurch wird im Anschluss an die dritte Verfahrensstufe 14 ein Reingas PR, PA erhalten, das im Wesentlichen teerfrei ist. Die teerangereichte Aktivkohle AK kann zumindest teilweise zur Beheizung der Erhitzungszone ZE und/oder der Vergasungszone ZV verbrannt werden. 10 Verfahren 11 Vorrichtung 12 erste Verfahrensstufe 12i Erhitzungsstufe 12ii Oxidationsstufe 13 zweite Verfahrensstufe 14 dritte Verfahrensstufe 15 Heizeinrichtung 16 Brenner 17 Kühleinrichtung 18 Staubabscheideeinheit 19 Mahleinrichtung 20 Trocknungseinrichtung 21 Vorwärmeinrichtung 22 Reaktionsbehälter 23 Reaktionskammer 24 Erhitzungskammer 25 Leitung 26 Silo 27 Eingang 28 erste Schleuse 29 Fördereinrichtung 30 Ausgang 31 Gaszufuhreinrichtung 32 Leitung 33 Temperatursensor 34 Ende 35 Abzweigeinrichtung 36 Kühlkammer 37 Kühlkammerbehälter 38 Fördereinrichtung 39 Ende 40 Abscheidekammer 41 Auslass 42 Temperatursensor 43 Auslass 44 Reaktor 45 zweite Schleuse 46 Auslass 47 Drehteller 48 Dritte Schleuse 49 Isolationsmantel 50 Behälter für die Erhitzungskammer 51 Heizraum 52 Pfeil 53 Auslass 54 Isolationsmantel 56 Mantel 57 Kühlraum 58 Eingang 59 Auslass 60 Leitung 61 oberes Ende B Biomasse L Luft R Rohgas RK Kohlenstoffhaltiger Reststoff PH Produktgas AK Aktivkohle PA, PR Abgekühltes Produktgas, Reingas SK Kohlestaub G Abgas PY Pyrolysegas MB Menge zugeführter Biomasse MAK2 bestimmte Menge Aktivkohle MAK1 überschüssige Menge Aktivkohle mBroh Masse, Massenstrom Biomasse (Bezugszustand roh) mBwaf Masse, Massenstrom Biomasse (Bezugszustand wasser- und aschefrei) mAK Masse, Massenstrom in der Vergasungszone entstehender Aktivkohle mAK2 Masse, Massenstrom der Aktivkohle für die gemeinsame Abkühlung mAK1 Masse, Massestrom an überschüssiger Aktivkohle ZO Oxidationszone TO Temperatur Oxidationszone ZV Vergasungszone TV Temperatur in Vergasungszone ZK Kühlzone ZE Erhitzungszone TE Temperatur Erhitzungszone P Pfeil