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Title:
DOWNDRAFT FIXED-BED GASIFIER FOR GENERATING A PRODUCT GAS FROM POURABLE BIOMASS PARTICLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/091835
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a downdraft fixed-bed gasifier for generating a product gas from pourable biomass particles, to a method for operating such a downdraft fixed-bed gasifier, to a method for starting such a downdraft fixed-bed gasifier, and to a method for shutting down such a downdraft fixed-bed gasifier. By supplying air through the bed of biomass particles in the tubular gasifier component, a uniform distribution of the air is produced. Hardly any temperature differences occur in the oxidation zone by virtue of the uniform distribution. As a result, even pyrloysis gases produced over the oxidation zone flow through the oxidation zone in a uniform manner. The uniformity of the gas and the air flows allows a product gas to be generated with low tar quantities. The oxidation zone is locally connected by means of a cross-sectional jump between the gasifier component and the gasifier container at the open end of the gasifier component, different flow speeds resulting from said cross-sectional jump. By expanding the cross-section, the flow speed is slowed compared to conventional fixed-bed gasifiers. The different flow speeds within and outside the tubular gasifier component virtually fix the oxidation zone in front of the open end of the tubular gasifier component. Another advantage of the expanded cross-section is that the pyrolysis gases are not delimited by a tube wall while flowing through the oxidation zone. The flow conditions on tube walls are not uniform, and thus the temperatures there are not uniformly high. When pyrolysis gas flows on the edge of a tube wall through the oxidation zone, as is the case in the prior art, the long-chain hydrocarbons are not completely broken down. Additional long-chain hydrocarbon compounds are broken down by virtue of the absence of the tube wall, thus leading to an improvement of the motor efficiency when using the product gas.

Inventors:
SENGER MARCO (DE)
HOFMEISTER MICHAEL (DE)
DRESSLER HORST (DE)
UHLIG JULIEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/078888
Publication Date:
June 16, 2016
Filing Date:
December 07, 2015
Export Citation:
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Assignee:
AUTARK ENERGY GMBH (DE)
International Classes:
C10J3/26; C10J3/40
Domestic Patent References:
WO2010114400A22010-10-07
WO2008006049A22008-01-10
WO2008059109A12008-05-22
Foreign References:
DE202010013745U12010-12-30
Attorney, Agent or Firm:
BRANDL, Ferdinand (DE)
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Claims:
Ansprüche . Gleichstrom-Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren Biomasseteilchen (50) mit

einem Vergaserbehälter (2),

einer Zuführung (14) für die Biomasseteilchen im oberen Bereich des Vergaserbehälters (2),

einem im unteren Bereich des Vergaserbehälters (2) angeordnetem Rost (10) zur Abstützung der Biomasseteilchen (50),

einer Luftzuführung (16) zur Zuführung von Verbrennungsluft in den Vergaserbehälter (2), und

einem aus dem Vergaserbehälter (2) aus dem Bereich unter dem Rost (10) herausführenden Produktgasabzug (24) zum Abführen des Produktgases aus dem Vergaserbehälter, dadurch gekennzeichnet,

dass ein rohrförmiges Vergaserbauteil (6) in den Vergaserbehälter (2) hineinragt, dass das rohrförmige Vergaserbauteil (6) ein offenes Ende (8) aufweist, das im Vergaserbehälter (2) angeordnet ist,

dass das rohrförmige Vergaserbauteil (6) ein geschlossenes Ende (9) aufweist, das aus dem Vergaserbehälter (2) herausragt oder mit der Oberseite des Vergaserbehälters (6) abschließt,

dass der Innendurchmesser (d) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6) kleiner als der Innendurchmesser (D) des Vergaserbehälters (2) ist,

dass das rohrförmige Vergaserbauteil (6) so im Vergaserbehälter (2) angeordnet ist, dass zwischen dem offenen Ende (8) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6) und dem Rost (10) ein Abstand (h) verbleibt,

dass die Zuführung (14) für die Biomasseteilchen in das geschlossenen Ende (9) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6) mündet, und

dass die Luftzuführung (16) in das geschlossene Ende (9) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6) mündet.

2. Gleichstrom-Festbettvergaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaserbehälter (2) und/oder das rohrförmige Vergaserbauteil (6) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

3. Gleichstrom-Festbettvergaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Vergaserbauteil (6) mit kreisförmigem Querschnitt koaxial zu dem Vergaserbehälter (2) mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist.

4. Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Vergaserbauteil (6) und/oder der Vergaserbehälter (2) einen konstanten Durchmesser aufweisen.

5. Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Rost (10) beweglich und insbesondere drehbeweglich ausgebildet ist.

6. Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand (h) zwischen dem offenen Ende (8) des rohrförmi- gen Vergaserbauteils (6) und dem Rost ( 0) und dem Innendurchmesser (d) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6) folgender Zusammenhang gilt: h = d ± 10%.

7. Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (d) des rohrförmigen Vergaserbauteils 80% bis 50% des Innendurchmesser (D) des Vergaserbehälters beträgt.

8. Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass den Vergaserbehälter (2) im Bereich des offenen Endes (8) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6) eine Zündvorrichtung (20) durchsetzt.

9. Gleichstrom-Festbettvergaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (20) eine Einspritzeinrichtung für heiße Luft umfasst.

10. Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Biomasseteilchenspeicher (32), der mit einer Biomasseteilchen-Fördereinrichtung (30) gekoppelt ist, wobei die Biomasseteilchen- Fördereinrichtung (30) über ein gasdichtes Sperrmittel (28) mit der Zuführung (14) für Biomasseteilchen verbunden ist, und wobei der Biomasseteilchenspeicher (32) eine gasdichte Beladöffnung (34) umfasst.

1 1 . Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass dem Produktgasabzug (24) eine Gasaufbereitungseinrichtung (36) nachgeschaltet ist, dass die Gasaufbereitungseinrichtung (36) über eine Produktgasleitung (38) mit einer Gasmischstrecke (40) eines Verbrennungsmotors (42) verbunden ist, dass die Gasmischstrecke (40) eine Verbrennungsluftzufuhr (44) umfasst, und das in einer Mischgasleitung (46) für Verbrennungsluft (L) und Produktgas (PG) ein Kondensat-Abscheider (48) angeordnet ist.

12. Gleichstrom-Festbettvergaser nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitungseinrichtung (36) zur Kühlung des Produktgases (PG) einen Wärmetauscher umfasst.

13. Gleichstrom-Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Biomasseteilchen-Fördereinrichtung (30) ansteuert und einen Füllstandsensor (18) zum Erfassen des Füllstands (SP) der Biomasseteilchen (50) in dem rohrförmigen Vergaserbauteil (6) aufweist.

14. Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom-Festbettvergasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Verfahrensschritten:

- Einstellen und Aufrechterhalten eines bestimmten Füllstandes (SP) an Biomasseteilchen in dem rohrförmigen Vergaserbauteil (6),

- kontinuierliche Zuführung von Luft (L) über die Luftzuführung (16), und

- kontinuierliche Abnahme von Produktgas (PG) über den Produktgasabzug (24).

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rost (10) in zeitlichen Abständen bewegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Biomassepellets als Biomasseteilchen eingesetzt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasseteilchen einen Kaolinanteil von 1 Ma% bis 5 Ma% und vorzugsweise von 1 ,5 Ma% bis 3 Ma% enthalten. 8. Verfahren zum Anfahren eines Gleichstrom-Festbettvergasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 mit den Verfahrensschritten:

- Befüllen des Vergaserbauteils (6) mit Biomasseteilchen bis zu einer vorbestimmten Höhe (SP); und

-Entzündung der Biomasseteilchen durch Einblasen von heißer Luft mit einer Temperatur größer 300°C in den Bereich der Biomasseteilchenschüttung (50) unter dem offenen Ende (8) des rohrförmigen Vergaserbauteils (6).

19. Verfahren zum Herunterfahren eines Gleichstrom-Festbettvergasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 mit den Verfahrensschritten:

- Beenden der Zufuhr von Biomasseteilchen,

- Fortsetzen der Zufuhr von Verbrennungsluft (L) für eine vorbestimmte Zeitdauer oder bis der Füllstand von Biomasseteilchen auf einen festgelegten minimalen Stand abgesunken ist, und

- Beenden der Zufuhr von Verbrennungsluft (L).

Description:
Beschreibung

Gleichstrom-Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren Biomasseteilchen

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren Biomasseteilchen nach Anspruch 1 , ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gleichstrom-Festbettvergasers nach Anspruch 14, ein Verfahren zum Anfahren eines solchen Gleichstrom-Festbettvergasers nach Anspruch 18 und ein Verfahren zum Herunterfahren eines solchen Gleichstrom-Festbettvergasers nach Anspruch 19.

Festbettvergaser zur Erzeugung eines brennbaren Produktgases aus Biomassepellets, insbesondere aus Hackschnitzel oder Holzpellets, zeichnen sich durch einen vergleichsweise einfachen Aufbau aus. Man unterscheidet Gegenstrom- und Gleichstromvergaser. Beim Gegenstromvergaser ist die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft und des Produktgases einerseits und der Zuführrichtung der Biomasseteilchen entgegengesetzt und beim Gleichstromvergaser stimmt die Zuführrichtung der Biomasseteilchen mit der Strömungsrichtung von Verbrennungsluft und Produktgas überein. In Festbettvergasern werden verschiedene Reaktionszonen, nämlich Trock- nungs-, Pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszone unterschieden, in denen verschieden thermochemische Reaktionen ablaufen.

Eine Übersicht zum Thema Festbettvergasung von Biomasseteilchen ist aus dem Vortrag„Festbett-Vergasung -Stand der Technik (Überblick)" von Lettner, Haselbacher und Timmerer auf der Tagung„ Thermo-chemische Biomasse-Vergasung für eine effiziente Strom/Kraftstoffbereitstellung - Erkenntnisstand 2007" im Februar 2007 in Leipzig (http://www.holzgasjournal.de/download/2_Stufen_vergaser_1.p df) bekannt. In dieser Übersicht ist ein Gleichstromschachtvergaser erläutert, bei dem die Biomasseteilchen von oben mit der Schwerkraft dem Vergaserbehälter zugeführt werden. Die Verbrennungsluft wird im mittleren Bereich über Düsen zugeführt und das Produktgas wird aus dem unteren Bereich des Vergaserbehälters abgezogen. In diesem bekannten Festbettvergaser bildet sich von oben nach unten die Trocknungs- Pyrolyse-, Oxida- tions- und Reduktionszone aus. Die Oxidationszone bildet sich im Bereich der Luftzuführung aus und soll auf diese Zone begrenzt bleiben, die Reduktionszone darunter, unmittelbar über dem Rost. Der Produktgasabzug erfolgt aus dem Bereich des Vergaserbehälters unter dem Rost in dem sich auch die durch den Rost fallende kleinteilige Asche ansammelt.

Um eine stabile Prozessführung zur erhalten wird angestrebt, dass diese verschiedenen Zonen nahezu ortsfest im Vergaserbehälter sind. Bei Gleichstromvergasern wird die Lage der Oxidationszone durch die Lage der Luftzuführung mittels Düsen festgelegt. Die Luftzuführung mittels Düsen hat den Nachteil, dass im Bereich der Oxidationszone keine homogene Luftverteilung stattfindet und Temperaturunterschiede von bis zu 400 Grad lokal entstehen können. Dies kann zu Ablagerungen von Verbrennungsrückständen (Schlacke) an unerwünschten Orten im Vergaserraum führen, dies beeinträchtigt die Bewegung der Biomasseteilchen und verursacht eine inhomogene Gasströmung welche zu erhöhten Teerwerten im Produktgas führt.

Ausgehend von dem Gleichstrom-Festbettvergaser gemäß dem Vortrag„Festbett- Vergasung -Stand der Technik (Überblick)" ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Gleichstrom-Festbettvergaser sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gleichstrom-Festbettvergasers anzugeben, bei dem schädliche Temperaturgradienten im Bereich die Oxidationszone vermieden werden. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Anfahren und zum Herunterfahren eines solchen Festbettreaktors anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 , 14, 18 bzw. 19.

Dadurch, dass die Luftzufuhr durch die Biomasseteilchenschüttung in dem rohrförmigen Vergaserbauteil erfolgt, ergibt sich eine Gleichverteilung der Luft. Durch diese Gleichverteilung sind in der Oxidationszone kaum Temperaturunterschiede vorhanden. Dies hat zur Folge, dass auch Pyrolysegase, welche über der Oxidationszone entstehen, gleichmäßig durch die Oxidationszone strömen. Durch diese Gleichmäßigkeit der Gas und Luftströmungen lässt sich ein Produktgas mit geringen Teermengen erzeugen.

Durch die Luftzufuhr von oben und den Abzug des Produktgases unten unterhalb des Rostes wird der Festbettvergaser nur von oben nach unten durchströmt. Hierbei bildet sich die Trocknungszone und die Pyrolysezone in dem Vergaserbauteil aus, das in den Vergaserbehälter hineinragt, die Oxidationszone bildet sich unter dem offenen Ende des Vergaserbauteils aus gefolgt von der Reduktionszone über dem Rost. Die örtliche Bindung der Oxidationszone erfolgt durch die Gasströmung von oben nach unten und mittels eines Querschnittsprungs zwischen Vergaserbauteil und Vergaserbehälter am offenen Ende des Vergaserbauteils, aus dem unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten resultieren. Durch die Erweiterung des Querschnitts wird im Gegensatz zu herkömmlichen Festbettvergasern die Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt. Herkömmliche Festbettvergaser haben unter der Oxidationszone eine Einschnürung, welche die Strömungsgeschwindigkeit des Gases erhöht. Durch die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb und außerhalb des rohrförmigen Vergaserbauteils wird die Oxidationszone quasi vor dem offenen Ende des rohrförmigen Vergaserbauteils fixiert.

Ein weiterer Vorteil der Querschnittserweiterung besteht darin, dass die Pyrolysegase beim Durchströmen der Oxidationszone durch keine Rohrwandung begrenzt sind. An Rohrwandungen herrschen keine gleichmäßigen Strömungsverhältnisse und dadurch auch keine gleichmäßig hohen Temperaturen vor. Strömt Pyrolysegas am Rand einer Rohrwandung durch die Oxidationszone, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, werden die langkettigen Kohlenwasserstoffe nicht vollständig aufgebrochen. Durch das nicht vorhanden sein der Rohrwandung, werden zusätzliche langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen aufgebrochen, was zu einer Verbesserung der Motorfähigkeit des Produktgases führt.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bis 4 vereinfacht den Aufbau des Gleichstrom-Fettbettvergasers und ermöglicht eine gleichmäßige Luft- sowie Produktgasströmung mit einer temperatur-homogenen Oxidationszone die einen Großteil der langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen aufbricht und somit ein hochwertiges Produktgas erzeugt.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird ein Zusetzen des Rostes verhindert, sowie eine Reduktion der Restagglomeration vorgenommen, was einen Ascheabzug durch den Rost als Partikelbeladung des Produktgases ermöglicht.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 entspricht der Abstand h des offenen Endes des Vergaserbauteils in etwa dem Durchmesser d des Vergaserbauteils. Dieses Optimum wurde empirisch aufgefunden. Wird der Abstand h kleiner als dieses Optimum, verkleinert sich die Reduktionszone, was sich negativ auf die Produktgasqualität auswirkt. Wird der Abstand h größer als dieses Optimum vergrößert sich die Reduktionszone, was sich ebenfalls ungünstig auf die Produktgasqualität auswirkt. Der Gleichstrom-Festbettvergaser funktioniert auch noch bei einem 40%igem Abweichen (h = d ± 40%) von dem Optimum, jedoch verschlechtert sich die Produktgasqualität und -ausbeute.

Je kleiner der Innendurchmesser d des Vergaserbauteils im Vergleich zum Innendurchmesser D des Vergaserbehälters ist, desto größer ist der Unterschied der Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb und außerhalb des rohrförmigen Vergaserbauteils. Wird der Geschwindigkeitsunterschied zu groß, reduziert sich die Brennstoff- und Materialeffizienz, wird der Geschwindigkeitsunterschied zu klein, ist die Strömungsgeschwindigkeit außerhalb des Vergaserbauteils zu hoch. Zusätzlich muss der Innendurchmesser d des rohrförmigen Vergaserbauteils so groß sein, dass sich im Vergaserbauteil eine Schüttung der Biomasseteilchen ausbilden kann. Das in Anspruch 7 angegebene empirisch aufgefundene Verhältnisintervall von Innendurchmesser D des Vergaserbehälters zu Innendurchmesser d des Vergaserbauteils ergeben einen funktionsfähigen Gleichstrom-Festbettvergaser.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 wird die Biomasseteilchen-Fördereinrichtung als Schleuse zur Zuführung der Biomasseteilchen in das rohrförmige Vergaserbauteil genutzt. Diese Ausgestaltung kann auch unabhängig von der vorliegenden Erfindung in anderen Festbettvergasern genutzt werden.

Das in dem Gleichstrom-Festbettvergaser erzeugte Produkt- bzw. Holzgas wird vorzugsweise in einem BHKW mit Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle zur Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie genutzt. Das in dem Gleichstrom-Festbettvergaser erzeugte Produktgas wird in einer nachgeschalteten Gasaufbereitungseinrichtung gekühlt und gereinigt. In der Gasmischstrecke des Verbrennungsmotors wird dieses gekühlte und gereinigte Produktgas mit im Vergleich zum dem Produktgas aus der Gasaufbereitungseinrichtung kalter Verbrennungsluft vermischt, wodurch eine weitere Abkühlung erfolgt. Diese weitere Abkühlung kann zu unerwünschtem Ausfallen von Feststoffen oder Flüssigkeiten und insbesondere von Teer führen. Durch das Vorsehen eines Kondensat-Abscheiders nach dem Zumischen von Verbrennungsluft zu dem Produktgas bzw. Holzgas, also unmittelbar vor der Verbrennung im Gasmotor werden diese festen und/oder flüssigen Ausfällungen abgeschieden und können somit im Gasmotor keinen Schaden anrichten - Anspruch 11. Diese Ausgestaltung kann auch unabhängig von der vorliegenden Erfindung in anderen Festbettvergasern genutzt werden.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12 wird das Produktgas auf Temperaturen gekühlt, so dass es z. b. in einem BHKW als Treibstoff genutzt werden kann.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 wird gewährleistet, dass die Biomasseteilchenschüttung im Vergaserbauteil hoch genug ist, um die durch die Biomasseteilchenschüttung strömende Luftmenge ausreichend und gleichmäßig vor der ersten Reaktionszone über den gesamten Querschnitt zu verteilen. Durch die kontinuierliche Zuführung von Verbrennungsluft über die Biomasseteilchenschüttung und der kontinuierlichen Abfuhr des Produktgases bleiben die verschiedenen Reaktionszonen des Gleichstrom-Festbettvergasers ortsfest und es bilden sich definierte Verhältnisse heraus. Vorteilhaft ist die Verwendung von Biomassepellets als Biomasseteilchen - Anspruch 16.

Durch den Zusatz von Kaolin zu den Biomassepellets bei deren Herstellung erhöht sich der Schmelzpunkt der bei der Biomassevergasung anfallenden Asche, so dass ein Zusetzen des Rostes weniger wahrscheinlich ist bzw. vermieden wird - Anspruch 17. Derartige Pellets können auch unabhängig von der vorliegenden Erfindung in anderen Holzvergasern vorteilhaft eingesetzt werden.

Das Verfahren zum Anfahren eines Gleichstrom-Festbettvergasers nach Anspruch 18 betrifft eine einfache und bevorzugte Art und Weise des Startens des mit Biomasseteilchen befüllten Gleichstrom-Festbettvergasers. Die Zündung der Biomasseteilchen erfolgt in vorteilhafter Weise durch das Einblasen von heißer Luft in den Bereich unter dem offenen Ende des rohrförmigen Vergaserbauteils. Die Temperatur der heißen Luft wird so gewählt, dass die Biomasseteilchen sicher gezündet werden.

Dadurch, dass in dem Verfahren zum Herunterfahren eines Gleichstrom- Festbettvergasers nach Anspruch 19 die Biomassevergasung nach dem Beenden der Biomasseteilchenzufuhr fortgesetzt wird, sinkt der Pegel der Biomasseteilchenschüt- tung in dem rohrförmigen Vergaserbauteil ab und es verbleiben möglichst wenig unverbrauchte Biomasseteilchen. Würde nach dem Beenden der Luftzufuhr ein Großteil unverbrauchter Biomasseteilchen in dem rohrförmigen Vergaserbauteil verbleiben, würden diese Ausgasen und das feuchte Gas würde zum Aufquellen der darüber liegenden Biomasseteilchen führen. Dieses Aufquellen kann dann beim Wiederanfahren zu einer Verstopfung des rohrförmigen Vergaserbauteils führen.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung mit den wesentlichen Komponenten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kombination des Gleichstrom- Festbettvergasers nach Fig. 1 mit Gasaufbereitung und BHKW; und

Fig. 3 zeigt die Biomasseteilchenschüttung im Vergaser und die verschiedenen Reaktionszonen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Der Gleichstrom-Festbettvergaser gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen rohrförmigen Vergaserbehälter 2, dessen Enden mit einem oberen Deckel 4 und einen unteren Deckel 5 verschlossen sind. Ein rohrförmiges Vergaserbauteil 6 mit einem offenen Ende 8 und einem geschlossenen Ende 9 ragt mit dem offenen Ende 8 in den Vergaserbehälter 2 hinein. Das geschlossene Ende 9 des Vergaserbauteils 6 ragt durch den oberen Deckel 4 aus dem Vergaserbehälter 2 heraus. Das offene Ende 8 des Vergaserbauteils 6 kommt in etwa in der Mitte des Vergaserbehälters 2 zu liegen. Im Abstand h unter dem offenen Ende 8 des Vergaserbauteils 6 ist ein drehbeweglicher Rost 10 angeordnet, der durch einen motorischen Antrieb 12, der den unteren Deckel 5 durchsetzt, periodisch bewegt werden kann. In das aus dem Vergaserbehälter 2 herausragende geschlossene Ende 9 des Vergaserbauteils 6 münden eine Zuführung für Biomasseteilchen 14, eine Luftzuführung 16 zur Zuführung von Verbrennungsluft L in den Vergaserbehälter 2 und ein Füllstandssensor 18, mit dem sich der Füllstand von Biomasseteilchen im rohrförmigen Vergaserbauteil 6 ermitteln und überwachen lässt. Im Bereich des offenen Endes 8 des Vergaserbauteils 6 ist eine Zündvorrichtung 20 und ein geschlossener Revisionsschacht 22 vorgesehen, die die Außenwand des Vergaserbehälters 2 durchdringen. Die Zündvorrichtung 20 dient zur Erzeugung von heißer Luft in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 600°C, um beim Anfahren des Gleichstrom-Festbettvergasers die Biomasseteilchen im Bereich des unter dem offenen Ende 8 des Vergaserbauteils, d. h. im Bereich der Oxidationszone zu entzünden. Die Zündvorrichtung 20 umfasst eine Luftdüse 21 für heiße Luft, die den Vergaserbehälter 2 durchsetzt. Durch die Luftdüse 21 aus Keramik werden die Teile der Zündvorrichtung 20, die innerhalb des Vergaserbehälters 2 angeordnet sind von den Teilen außerhalb des Vergaserbehälters 2 thermisch entkoppelt. Über dem Revisionsschacht 22 können bei Stillstand des Reaktors, Wartungsarbeiten, Reinigungsarbeiten im Reaktorbehälterinneren vorgenommen werden. Im Bereich unter dem Rost 10 wird über einen Produktgasabzug 24 Produktgas PG aus dem Vergaserbehälter 2 abgezogen. Die durch den Rost 10 fallende Asche wird durch den Produktgasstrom PG über den Produktgasabzug 24 aus dem Festbettvergaser ausgetragen.

Sowohl der rohrförmige Vergaserbehälter 2 als auch das rohrförmige Vergaserbauteil 6 weisen einen kreisringförmigen Querschnitt auf und sind konzentrisch zueinander angeordnet. Das rohrförmige Vergaserbauteil 6 weist einen Innendurchmesser d auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser D des rohrförmigen Vergaserbehälters 2.

Die Zuführung für Biomasseteilchen 14 ist über ein erstes Schleusenventil 28 mit einer Biomasseteilchenfördereinrichtung 30 in Form eines Schneckenförderers verbunden. Der Schneckenförderer 30 ist gasdicht mit einem Biomasseteilchenvorratsbehälter 32 verbunden der nach außen über ein zweites Schleusenventil 34 gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Durch die unmittelbare gasdichte Verbindung des Biomasseteilchenvorratsbehälters 32 mit dem Schneckenförderer 30 wirken diese beide Komponenten zwischen den beiden Schleusenventilen 28, 34 als Schleuse für die Zuführung von Biomasseteilchen in den Festbettvergaser.

Fig. 2 illustriert die Kombination des Festbettvergasers nach Fig. 1 mit einer nachgeschalteten Gasaufbereitungseinrichtung und einem BHKW. Das aus dem Produktgasabzug 24 austretende Produktgas PG wird einer Gasaufbereitungseinrichtung 36 zugeführt. In der Gasaufbereitungseinrichtung 36 wird das Produktgas in einem Wärmetauscher gekühlt und feste und flüssige Verunreinigungen werden soweit möglich abgeschieden.

Über eine Produktgasleitung 38 wird das gekühlte und aufbereitete Produktgas aus der Produktgasaufbereitungseinrichtung 36 einer Gasmischstrecke 40 eines Gasmotors 42 zugeführt. Die Gasmischstrecke 40 umfasst auch eine Zuführung für Verbrennungsluft 44. Durch die Mischung von vergleichsweise kalter Außenluft und vergleichsweise heißem Produktgas aus der Produktgasaufbereitungseinrichtung 36 in einer Mischgasleitung 46 wird das entstehende Gasgemisch weiter gekühlt, so dass weiter flüssige Verunreinigungen ausfallen können. Diese flüssigen Verunreinigungen setzen sich in einem Kondensat-Abscheider 48 am Ende der Mischgasleitung 46 unmittelbar vor Zuführung des Gasgemisches zu dem Gasmotor 42 ab und können ausgeschleust werden. Hierdurch erhöht sich die Mischgasqualität und schädliche Verunreinigungen im Gasmotor werden vermieden.

Fig. 3 zeigt den Gleichstrom-Festbettvergaser im stationären Betriebszustand mit der Biomasseteilchenschüttung 50 im Vergaserbehälter 2 und im Vergaserbauteil 6 und die Lage der verschiedenen Reaktionszonen. Unmittelbar unter dem offenen Ende 8 des Vergaserbauteils 6 bildet sich die Oxidationszone OZ aus. Unter der Oxidationszone OZ liegt die Reduktionszone RZ, die sich bis zum Rost 10 erstreckt. Über der Oxidationszone OZ erstreckt sich die Pyrolysezone PZ und den Abschluss bildet die Trocknungszone TZ.

Zum Anfahren des Gleichstrom-Festbettvergasers wird der Vergaserbehälter 2 über die Zuführung 14 zunächst bis zu einem Sollpegel SP mit Biomasseteilchen gefüllt, so dass sich die Biomasseschüttung 50 ergibt. Durch das Einblasen heißer Luft mittels der Zündvorrichtung 20 werden die Biomasseteilchen unmittelbar unter dem offenen Ende 8 des Vergaserbauteils 6 entzündet, so dass sich die Oxidationszone OZ ausbilden kann. Sobald die Verbrennung der Biomasseteilchen in der Oxidationszone OZ selbsterhaltend ist, wird die Zündvorrichtung 20 abgeschaltet und bereits zuvor wird nunmehr Verbrennungsluft L über die Luftzuführung 16 zugeführt. Durch die in der Oxidationszone OZ frei werdende Verbrennungswärme bilden sich nach und nach die übrigen Reaktionszonen aus. Der Produktgasstrom aus dem Produktgasabzug 24 wird der Gasaufbereitungseinrichtung 36 zugeführt. In der Gasaufbereitungseinrichtung 36 wird die Produktgasqualität überwacht. Während des Anfahrens wird der Produktgasstrom aus dem Produktgasabzug 24 aufgrund seiner schlechten Qualität in einer Abgasfackel (nicht dargestellt) abgefackelt. Sobald sich eine ausreichende Produktgasqualität eingestellt hat, wird das Produktgas in der Gasaufbereitungseinrichtung 36 gekühlt und soweit wie möglich von festen und flüssigen Verunreinigungen befreit. Während des stationären Betriebs wird der Sollpegel SP der Biomasseteilchen in dem Vergaserbauteil durch den Füllstandsensor 18 überwacht und falls nötig werden über die Biomasseteilchenförder- einrichtung 30, über das erste Schleusenventil 28 und die Zuführung 14 Biomasseteilchen nachgefüllt.

Beim Herunterfahren des Festbettvergasers wird zunächst die Zufuhr von Biomasseteilchen beendet, so dass der Pegel der Biomasseteilchen im Vergaserbauteil 6 unter den Sollpegel SP absinkt. Würde nach dem Beenden der Luftzufuhr ein Großteil unverbrauchter Biomasseteilchen in dem rohrförmigen Vergaserbauteil verbleiben, würden diese Ausgasen und das feuchte Gas würde zum Aufquellen der darüber liegenden Biomasseteilchen führen. Dieses Aufquellen kann dann beim Wiederanfahren zu einer Verstopfung des rohrförmigen Vergaserbauteils führen. Ist ein minimaler Biomasseteilchen-Pegel MP erreicht, werden die Luftzufuhr und die Gasproduktion beendet. Dieser minimale Pegel MP entspricht in etwa der Obergrenze der Pyrolysezone PZ im stationären Betriebszustand. Auf diese Weise verbleiben möglichst wenig unverbrauchte Biomasseteilchen im Vergaserbehälter 2 und im Vergaserbauteil 6.

Besonders geeignet für den Festbettvergaser gemäß der vorliegenden Erfindung sind Holzpellets oder Biomassepellets. Den Biomassepellets wird bei der Herstellung Kaolin zugesetzt wird, so dass die fertigen Pellets einen Kaolinanteil von 1 Ma% bis 5 Ma% und vorzugsweise von 1 ,5 Ma% bis 3 Ma% enthalten. Durch den Kaolinzusatz erhöht sich der Schmelzpunkt der bei der Biomassevergasung anfallenden Asche, so dass ein Zusetzen des Rostes 0 oder eine unerwünschte Anlagerung der Asche an sonstigen Komponenten des Festbettvergasers weniger wahrscheinlich ist bzw. vermieden wird.

Bezugszeichenliste:

L Luft

PG Produktgas

SP Biomasseteilchen-Sollpegel

MP minimaler Biomasseteilchen-Pegel beim Herunterfahren

d Innendurchmesser Vergaserbauteil 6

D Innendurchmesser Vergaserbehälter 2 TZ Trockenzone

PZ Pyrolysezone

OZ Oxidationszone

RZ Reduktionszone

2 Vergaserbehälter

4 oberer Deckel

5 unterer Deckel

6 Vergaserbauteil

8 offenes Ende von 6

9 geschlossenes Ende von 6

10 Rost

12 motorischer Rostantrieb

14 Zuführung für Biomasseteilchen

16 Luftzuführung

18 Füllstandsensor

20 Zündvorrichtung

21 Luftdüse aus Keramik

22 Revisionsschacht

24 Produktgasabzug

28 erstes Schleusenventil

30 Biomasseteilchenfördereinrichtung, Schneckenförderer

32 Biomasseteilchenvorratsbehälter

34 zweites Schleusenventil

36 Gasaufbereitungseinrichtung

38 Produktgasleitung

40 Gasmischstrecke

42 Gasmotor

4 Verbrennungsluftzufuhr

46 Mischgasleitung

8 Kondensat-Abscheider

50 Biomasseteilchenschüttung