Vergasungsreaktor für kohlenstoffhaltiges Brennmaterial

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsreaktor für die autotherme Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Vergasungsreaktors, ein Verfahren zur automatischen Entfernung von Kondensat aus einem derartigen Vergasungsreaktor sowie Verfahren zu dessen Anfahren und Notabfahren.

Definitionen

In der vorliegenden Erfindung wird allgemein unter einem Reaktor ein Teil einer Anlage verstanden, in dem chemische Reaktionen von einem oder mehreren Ausgangsmaterialien zu einem oder mehreren Produkten durchgeführt werden. Daher wird in dieser Erfindung unter einem Vergasungsreaktor ein Behälter als ein Teil einer Anlage verstanden, in dem kohlenstoffhaltiges Brennmaterial zu Nutzgasen umgesetzt, also dazu vergast wird.

In der vorliegenden Erfindung wird unter einem Nutzgas eine Substanz oder ein Substanzgemisch verstanden, die oder das sich sowohl selbst als Brennstoff für Brennkraftmaschinen und auch als Rohstoff für weitere chemische Herstellungsverfahren eignet.

In der vorliegenden Erfindung wird unter einem kohlenstoffhaltigen Brennmaterial ein solches Material verstanden, dessen enthaltender Kohlenstoff in Form einer exothermen Reaktion zu Kohlendioxid (C0 ₂ ) an Luft oxidiert, also verbrannt werden kann. In diesem Sinne umfasst das kohlenstoffhaltige Brennmaterial insbesondere Biomasse, fossile Brennstoffe und synthetisch-organische Stoffe, speziell entsprechend kohlenstoffhaltige Kunststoffe. In der vorliegenden Erfindung wird unter Biomasse allgemein jedwede kohlenstoffhaltige Substanz verstanden, die direkt oder indirekt aus physiologischen Prozessen von lebenden Organismen,

BESTÄTIGUNGSKOPIE insbesondere aus pflanzlicher Photosynthese stammt, nicht dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf entzogen ist und sich auch durch Organismen exotherm zu CO ₂ umsetzen lässt. Beispiele für Biomasse sind Gärreste, Holz, Laub, Heu, Stroh, Papier, Pappe, Kompost, Fäkalien und Klärschlamm.

In der vorliegenden Erfindung werden unter fossilen Brennstoffen solche Formen von Biomasse verstanden, die sich in einer geologischen Senke befinden und somit dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind. Beispiele für fossile Brennstoffe sind Asphalt, Teer, Bitumen, Torf, Braunkohle, Steinkohle und Graphit.

Unter einem kohlenstoffhaltigem Brennmaterial kann auch eine Mischung verschiedener kohlenstoffhaltiger Brennmaterialien, beispielsweise aus Biomasse, aus synthetisch-organischen Stoffen und speziell aus Kunststoffen verstanden werden. Ein weiteres Beispiel für ein kohlenstoffhaltiges Brennmaterial ist daher Hausmüll als Gemisch von solchen Brennstoffen. Damit ist die Form des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials unabhängig von seiner Form anzusehen, ein weiteres Beispiel ist Holz in Form von Stämmen, Hackschnitzeln variierender Größe, Sägemehl oder in Form von Pellets.

Technischer Hintergrund

Die Pyrolyse als rein thermische Zersetzung von Biomasse, Stein- und Braunkohle verläuft vorwiegend endotherm in Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes und der Bindungsart des Sauerstoffes. Innerhalb des Brennstoffs kann die Pyrolyse auch exotherm verlaufen. Insbesondere bei der Pyrolyse von Stein- oder Braunkohle entstehen neben Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H ₂ ) und Methan (CH ₄ ) beispielsweise noch flüchtige Kohlenwasserstoffe. Kunststoffe, die beispielsweise nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, pyrolysieren unter Luftausschluss ausschließlich zu niederen Kohlenwasserstoffen. Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H ₂ ) und Methan (CH ₄ ) und flüchtige Kohlenwasserstoffe sind brennbar, eignen sich bestens als Treibstoffe für Brennkraftmaschinen, sind wichtige Ausgangsubstanzen für viele chemische Herstellungsprozesse und sind damit wert- volle Nutzgase. Methan (CH ₄ ) und reiner Kohlenstoff, beispielsweise in Form von mineralischem Graphit oder synthetischem Koks, sind nicht bzw. nicht mehr weiter pyrolysierbar.

Kohlenstoffhaltige Brennmaterialien lassen sich aber mit Vergasungsmitteln zu Nutzgasen umsetzen, beispielsweise Kohlenstoff mit einem Unterschuss an O2 zu CO, dann Kohlenstoff mit Wasser (H ₂ O) zu CO und H ₂ , dann CH ₄ mit O ₂ zu CO. Allerdings verlaufen die Vergasungsreaktionen von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial mit H ₂ O endotherm. Als natürliches Vergasungsmittel dient insbesondere Luft, die auch mit H ₂ O, beispielsweise als Aerosol oder Dampf, angereichert sein kann. In der vorliegenden Erfindung wird daher unter einem Vergasungsmittel ein Reinstoff oder Stoffgemisch verstanden, dessen Zugabe zum kohlenstoffhaltigen Brennmaterial den Umsatz zu Nutzgasen erhöht.

Die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgas ist überwiegend erst dann wirtschaftlich, wenn das Brennmaterial nicht nur leicht verfügbar bzw. billig ist, sondern die Vergasung in ihrer Energiebilanz ausschließlich vom Energiegehalt des Brennmaterials abhängt. Dies betrifft insbesondere die Verwendung des Nutzgases als eigentlichen Brennstoff für Brennkraftmaschinen, beispielsweise für den Betrieb eines Gasmotors oder einer Gasturbine. Die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgas erfordert dann einen insgesamt exotherm ablaufenden Gesamtprozess, der sich solange energetisch selbst erhält, wie genügend Brennmaterial vorhanden ist. Zusätzlich lässt sich auch die abgegebene Wärme beispielsweise zum Heizen von Wohngebäuden nutzen, wie dies durch Kraft-Wärmekopplung in Blockheizkraftwerken (BHKW) erfolgt. In einem BHKW ist eine Brennkraftmaschine wiederum an einen Generator gekoppelt, der dann schließlich mechanische in elektrische Energie wandelt.

Die Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial mit O ₂ zu CO ist jedoch so schwach exotherm, dass die frei werdende Energie nicht ausreicht, gleichzeitig ablaufende Pyrolysen und / oder Vergasungsreaktionen mit H ₂ O dauerhaft aufrecht zu erhalten. Die für den gesamten Vergasungsprozess notwendige Energie muss daher durch die stark exotherme Verbrennungsreaktion von kohlenstoffhal- tigern Brennmaterial mit 0 ₂ zu C0 ₂ aufgebracht werden. Der höchst mögliche Wirkungsgrad bezüglich Nutzgas- und Wärmeausbeute einer solchen autothermen Vergasung wird bei einem Optimum erreicht, bei dem das Ausmaß der Verbrennung zu CO ₂ gerade ausreicht, um für Pyrolysen und Vergasungsreaktionen den notwendigen Energiebeitrag zu liefern. Dieses Optimum im Sinne einer unvollständigen Verbrennung hängt von der Zusammensetzung und Beschaffenheit des Brennmaterials, der Zufuhr bzw. optimalen Dosierung des Vergasungsmittels, der Beschaffenheit sowie Isolierung des Vergasungsreaktors und damit zusammenge- fasst von der gesamten Reaktionsführung ab. Dabei ist die Veränderung des Brennmaterials während des gesamten Vergasungsprozesses ebenfalls zu berücksichtigen bzw. nicht zu vernachlässigen.

Im klassischen Festbettvergasungsreäktor liegt Holz als kohlenstoffhaltiges Brennmaterial wie in einem normalen Feuerofen auf einem Gitterrost. Im Gegen- stromverfahren wird Luft als Vergasungsmittel durch den Gitterrost und das verbrennende Holz gesaugt. Die oberen Holzschichten verbrennen nur teilweise und pyrolysieren gleichzeitig zu Nutzgas, das am oberen Ende des Ofens abgesaugt wird. Luft und Nutzgas bewegen sich als Gegenstrom in entgegengesetzter Richtung zum langsam absinkenden Holz. Das entstehende Nutzgas hat eine relativ niedrige Temperatur von etwa 100 °C und enthält wegen der stattfindenden Trocknung und Pyrolyse des Holzes entsprechend viel Wasserdampf und organische Bestandteile, die bei weiterer Abkühlung zu einem sauren Holzteer kondensieren.

Im Gleichstromverfahren zur Holzvergasung wird Luft als Vergasungsmittel unmittelbar über dem Gitterrost direkt in die heiße Vergasungsreaktionszone des im Festbettvergasungsreaktors zugeführt und unter dem Gitterrost abgesaugt. Das Reaktorinnengas bzw. Nutzgas und Luft bewegen sich im Bereich des Gitterrostes in gleicher Richtung, also im Gleichstrom. Die Temperatur des Reaktorinnengases bzw. Nutzgases liegt hier wesentlich höher als beim Gegenstromverfahren. Das Nutzgas als Endprodukt aus dem Reaktorinnengas enthält deutlich weniger Holz- teer, wobei der im Gleichstromverfahren anfallende Holzteer einen basischen pH- Wert aufweist.

Der im Gegenstrom- und im Gleichstromholzvergasungsverfahren anfallende Holzteer eignet sich nicht für Brennkraftmaschinen, sondern schädigt diese aufgrund seiner verklebenden Eigenschaften. Auch bei der Vergasung anderer kohlenstoffhaltiger Brennstoffe fallen ähnliche hochviskose Rückstände an, die in der vorliegenden Erfindung allgemein als Kondensat bezeichnet werden. Das anfallende Kondensat mindert nicht nur den Wirkungsgrad bezüglich Stoffverwertungsbilanz des Vergasungsreaktors, sondern muss aus dem Nutzgas durch eine Gaswäsche entfernt werden. Dies mindert zusätzlich die Energiebilanz der Gesamtanlage und benötigt zusätzlich Waschflüssigkeit, beispielweise Wasser. Da das Kondensat aufgrund seines pH-Wertes nicht nur korrosiv, sondern auch toxisch und schwer biologisch abbaubar ist, ergibt sich hier ein Entsorgungsproblem. In US 2010/0107494 A1 wird ein Festbettvergaser für Biomasse mit einer sukzessiven Brennstoffzuführung vorgeschlagen, der zwar bezüglich Brennstoffumsatzbilanz eine höhere Effizienz verspricht, jedoch nicht die Bildung von Kondensat eliminiert bzw. das anfallende Kondensat nicht im Vergasungsprozess weiter verwerten kann.

Ein Lösungsansatz für die Vergasung von kohlenstoffhaltigen, festen Brennmaterialien bieten Wirbelschichtvergasungsreaktoren, in denen die Brennmaterialien in einer unvollständigen Wirbelschichtfeuerung zu Nutzgasen umgesetzt werden. Hierbei fällt kein Kondensat an, da dieses ebenfalls zu Nutzgasen umgesetzt wird. Allerdings ist die Vergasung in Wirbelschichtvergasungsreaktoren auf feste Brennmaterialien mit einer Partikelgröße von weniger als 40 mm mit einem Wassergehalt von mindestens 25 Gew.% beschränkt, wobei die Partikel durch ein konstant wirbelndes Fluidmedium, beispielweise Luft, in Schwebe gehalten werden müssen. Zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht ist also eine externe Fluid- zufuhr mit einer hohen Flussrate notwendig, was einer extern zugeführten Arbeit entspricht. Weiter können Wirbelschichtvergasungsreaktoren nicht autotherm, sondern nur allotherm, d.h. unter Zufuhr von äußerer Wärmeenergie betrieben werden. Die Gesamtzufuhr dieser beiden Energiearten ist vom Gesamtwirkungs- grad der Anlage abzuziehen. Diese Vergasungstechnik gestaltet sich nur bei Energieanlagen im Leistungsbereich von 1 ,5 bis 3 MW als wirtschaftlich, wobei der Gesamtwirkungsgrad bei nur ca. 30% liegt.

Eine besondere Form des Wirbelschichtvergasungsreaktors stellt der Winkler- Generator dar, bei dem die Wirbelschicht durch hintereinander gereihte Ringleitungen um den Reaktorkörper herum noch besser im gesamten Reaktorraum aufrechterhalten werden kann. Vorteile des Winkler-Generators sind eine homogene Temperaturverteilung und bessere Durchmischung der Partikel im Vergleich zu anderen Wirbelschichtvergasungsreaktoren. Der Winkler-Reaktor eignet sich jedoch nur für die Vergasung von Kohle, insbesondere Braunkohle, beschränkt auf eine möglichst kleine Partikelgröße.

Eine wesentliche Verbesserung des Wirbelschichtvergasungsreaktors ist durch den Flugstromvergasungsreaktor gegeben, bei dem das kohlenstoffhaltige

Brennmaterial als Staub, Slurry oder als Paste über einen Brenner in den Vergasungsraum eingebracht wird. Hierbei finden die Vergasungsprozesse in einer Staubwolke statt. Diese Form der Zuführung bedarf einer entsprechenden Vorbehandlung des Brennmaterials, insbesondere bei Biomasse als Brennmaterial, um über ein pneumatisches System in den Vergaser eingebracht und dort in sehr kurzer Zeit vergast zu werden. Auch solche Systeme können nur unter Zufuhr von Arbeit sowie Wärmeenergie betrieben werden. Hierbei erfolgt die Zufuhr der Wärmeenergie durch eine kontinuierliche Zündung mit einer Zündfackel.

Der Koppers-Trotzek-Reaktor als besondere Form des Flugstromvergasungsreak- tors eignet sich insbesondere für die Vergasung von fein gemahlener Kohle zu Nutzgas. Die Einspeisung des Kohlestaubes erfolgt seitlich mit hoher Geschwindigkeit, so dass nur eine einmalige Zündung benötigt wird und der Vergasungs- prozess ansonsten autotherm geführt werden kann. Allerdings benötigt der Betrieb des Koppers-Trotzek-Reaktors immer noch die Zufuhr von Arbeit zur Aufrechterhaltung des Flugstromes. Sowohl bei den verschiedenen Ausführungen des Wirbelschichtvergasungsreaktors als auch bei denen des Flugstromvergasungsreaktors können die Vergasungsprozesse nicht allein durch die Zufuhr von Brennmaterial aufrechterhalten werden. In allen Ausführungen dieser Reaktortypen ist der Gesamtwirkungsgrad durch die notwendige Zufuhr von Arbeit zur Aufrechterhaltung des Wirbel- bzw. Flugstromes auf maximal 30 bis 40% beschränkt. Nach dem Stand der Technik sind Festbettvergasungsreaktoren mit Gleich- oder Gegenstromprinzip, Wirbelschicht- und Flugstromvergasungsreaktoren auf spezifische Beschaffenheit des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials beschränkt, wobei grundsätzlich eine Vorbehandlung des jeweiligen kohlenstoffhaltigen Brennmaterials erforderlich ist. Auch notwendige Vorbehandlungen des Brennmaterials schränken die Wirtschaftlichkeit von Vergasungsanlagen, insbesondere von BHKW, erheblich ein. Zwar beschränkt sich in Festbettvergasungsreaktoren im Vergleich zu den Wirbelschicht- und Flugstromvergasungsreaktoren die Zufuhr von äußerer Arbeit lediglich auf die des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials und des Vergasungsmittels, jedoch ist die Einhaltung optimaler Bedingungen für die Pyrolyse- als auch Vergasungsreaktionen generell schwieriger. Bei Festbettvergasungsreaktoren mit Gleich- oder Gegenstromprinzip ist die Festlegung auf eine vorgegebene Brennstoffqualität und Stückgröße, beispielsweise auf sogenannte G50-Holzhackschnitzel, besonders nachteilig. Abweichungen davon, insbesondere in der Stückigkeit, im Wassergehalt und im Staubanteil, verursachen variierende Druck- und Temperaturbedingungen. Solche Abweichungen erfordern dann beispielsweise eine überhöhte Zufuhr von Luft als Vergasungsmittel. Dies führt zu einer starken Verdünnung des Nutzgases durch Luftstickstoff und Wasserdampf sowie einer vermehrten Bildung von mitgeschlepptem Kondensat. Qualität und Ausbeute des Nutzgases sind dann so weit herabgesetzt, dass vor dessen Verwertung eine aufwändige Gaswäsche erfolgen muss. Eine erhöhte Bildung von Kondensat erniedrigt nicht nur signifikant den Gesamtwirkungsgrad der Anlage, sondern führt auch zu Verstopfungen im Reaktor, was zu einem kompletten Ausfall der gesamten Anlage führen kann. Zusätzlich ist die Reinigung von Festbettvergasungsreaktoren von Kondensat sehr aufwändig. Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Vergasungsreaktors für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen bezüglich Nutzgas- und Wärmeausbeute konstruktiv zu verbessern. Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 in erfinderischer Weise gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt ein Vergasungsreaktor mit einer Reaktionskammer für die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial durch Zugabe von Vergasungsmitteln zu Nutzgasen zugrunde. In der Reaktionskammer liegt das kohlenstoffhaltige Brennmaterial ein. Bei festen Brennmaterialien kann eine kontinuierliche Zuführung über ein mit der Reaktionskammer verbundenes Reservoir erfolgen. Der Umsatz zu den Nutzgasen als Summe aller einzelnen Pyrolyse- als auch Vergasungsreaktionen findet daher überwiegend in der Reaktionskammer statt. Der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor kann auch vollständig als Reaktionskammer ausgeführt sein.

Als wesentliches Merkmal der Erfindung weist nach Anspruch 1 die Reaktionskammer des Vergasungsreaktors eine Vielzahl mindestens teilweise voneinander unabhängiger Regelungseingänge derart auf, dass die Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennmittel durch die Rückführung des Reaktorinnengases und/oder durch die Zugabe von variierenden Vergasungsmitteln über die Regelungseingänge gesteuert ist. Im Betrieb des Vergasungsreaktors ist folglich jede Position innerhalb der Reaktionskammer durch diese Regelungseingänge zugänglich. Jeder einzelne Regelungseingang definiert damit eine Reaktionszone, alle Reaktionszonen bilden dabei den Reaktionsraum, der die Reaktionskammer vollständig ausfüllt.

Konstruktiv ist dies dadurch realisiert, dass in die Reaktionskammer eine Halterung mit einer Vielzahl von eingelassenen Regelungseingängen hineinragt. Je nach überwiegender Beschaffenheit des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials im Zusammenspiel mit der Geometrie der Reaktionskammer, insbesondere wenn der Durchmesser der Reaktionskammer größer als deren Höhe ist, erweist sich diese Anordnung der Regelungseingänge als vorteilhaft, wodurch die Zugänglichkeit des gesamten Reaktionsraumes gewährleistet ist. Zusätzlich können vorteilhafterweise die Seitenwände der Reaktionskammer mit einer Vielzahl von solchen Regelungseingängen durchsetzt sein oder eine Kombination beider konstruktiver Möglichkeiten vorgesehen sein.

Die Ausführung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors kann dadurch optimiert sein, dass im Verhältnis zur Größe der Reaktionskammer eine möglichst hohe Vielzahl von Regelungseingängen dadurch realisierbar ist, indem die Regelungseingänge möglichst klein ausgeführt werden, also der Reaktionsraum in möglichst viele Reaktionszonen unterteilt ist. Auf diese Weise wird eine besonders vorteilhafte Feinjustierung des Vergasungsprozesses in Bezug auf optimale Wärme- und Nutzgasausbeute erreicht und eine Beeinflussung der im Reaktionsraum ablaufenden thermochemischen Prozesse insbesondere ihrer Art und ihrer Intensität erreicht wird.

Da die Regelungseingänge mindestens teilweise voneinander unabhängig gesteuert sind, ist in jeder Reaktionszone des Reaktionsraumes die Zugabe von Vergasungsmittel bezüglich dessen Zusammensetzung, Geschwindigkeit, Temperatur, Druck und Menge sowie hinsichtlich des spezifischen Austrittsimpulses zeitlich variabel.

Während des gesamten Vergasungsprozesses verändert sich die Beschaffenheit des Brennmaterials. Insbesondere bei der Vergasung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien in einem erfindungsgemäß ausgeführten Gleichstrom- Festbettvergasungsreaktor bildet sich im Fortgang des Vergasungsprozesses ein vom unteren zum oberen Teil der Reaktionskammer vertikal abnehmender Ver- kohlungsgradient aus. Daher wird im fortschreitenden Vergasungsprozess in die unteren Reaktionszonen zur Vergasung der entstandenen Reinkohle vermehrt Wasserdampf zusammen mit dem heißen Reaktorinnengas zugeführt. Hierbei kann CO2 ab 600° C selbst als Vergasungsmittel aufgefasst werden, da dann dessen Gleichgewichtsreaktion mit Kohlenstoff nach Boudouard zu 23% auf der Seite von CO liegt. Zusammengefasst umfassen daher die Vergasungsmittel mindestens eine der Komponenten O ₂ oder H2O, wobei das Vergasungsmittel CO2 während des Vergasungsprozesses selbst erzeugt wird.

Da der Vergasungsprozess von festen, kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien in erfindungsgemäß ausgeführten Gleichstrom-Festbettvergasungsreaktoren durch einen überwiegend vertikal verlaufenden Reaktionsverlaufsgradienten bestimmt ist, ist eine konstruktive Vereinfachung möglich. Diese konstruktive Vereinfachung besteht darin, dass die Regelungseingänge dadurch horizontal zu flächigen, aber voneinander unabhängigen, Reaktionszonen zusammengefasst sind, indem diese horizontal durch Ringleitungen verbunden vorliegen, die wiederum den Vergasungsreaktor bzw. die Reaktionskammer umlaufen. Hierbei ist wiederum in jeder flächigen Reaktionszone des Reaktionsraumes die Zugabe von Vergasungsmittel bzw. die Rückführung des Reaktorinnengases bezüglich Zusammensetzung, Temperatur sowie Druck und damit Menge zeitlich variabel.

Die Ausführungsformen des Reaktors und / oder dessen Reaktionskammer können auch bezüglich der überwiegenden Beschaffenheit des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials angepasst werden. Bei wechselnder Konsistenz und wechselndem Aggregatzustand des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials orientieren sich die Ausführungsformen nur an baulichen Zweckmäßigkeiten, beispielsweise in der Ausführungsform als Polygone oder Zylinder.

Zusammengefasst erlaubt der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor eine optimale und beschleunigte Reaktionsführung des Vergasungsprozesses bezüglich Nutzgasausbeute in seinem gesamten Zeitablauf durch die geregelte und dem Verlauf angepasste Zufuhr von Vergasungsmittel als durch das gleichzeitige Umwälzen des Reaktorinnengases. Selbst bei der Verwendung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien, wie beispielsweise Biomasse, wird die Bildung von Kondensat vermieden, da die Aufenthaltszeit der Kohlenwasserstoffe durch die Regelung des Prozesses so lang wie möglich gemacht werden kann, damit die Cra- ckung der Kohlenwasserstoffe (Teere) in möglichst kleine Stücke erfolgen kann. Weiterhin sorgt die Regelung des Prozesses dafür, dass die Temperaturen in den durchströmten räumlichen Bereichen gleichmäßig hoch sind damit die Crackreak- tion möglichst schnell abläuft.

Die kompakte Beschaffenheit des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors, insbesondere von dessen Reaktionskammer, gewährleistet eine nahezu verlustfreie, kontrollierbare Nutzgasabfuhr durch eine Vorrichtung für einen Gasaustritt. Die kompakte Beschaffenheit gestattet ebenfalls die Ausführung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors mit einer Wärmeaustauschvorrichtung. Insbesondere bei einer vollumschließenden Thermoisolierung des Reaktors kann beim Vergasungsprozess entstehende Wärme einerseits wieder dem Vergasungsprozess zur Steigerung der Nutzgasausbeute durch Verringerung des Stickstoffeintrags zugeführt und deren Exzessanteil zur weiteren Nutzung, insbesondere in einem

BHKW, abgeführt werden.

Die zeitlich und örtlich individuell dosierbare Zugabe von Vergasungsmitteln in dem der Erfindung zugrundeliegenden Vergasungsreaktor ersetzt die beim Winkler-Generator notwendige, äußerst energieaufwändige Erhaltung der Wirbelschicht für eine optimale und kondensatfreie Vergasung der Brennstoffe. Weiter benötigt der der Erfindung zugrunde liegende Vergasungsreaktor keine kontinuierliche Zündung des mit ihm betriebenen Brennmaterials, beispielsweise durch eine Zündfackel.

Der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor verbindet die Vorteile von Wirbel- und Flugstromvergasungsreaktoren mit denen von Festbettvergasungsreaktoren, wobei nur ein Bruchteil an externer Arbeit zur Zuführung des Vergasungsmittels und Rückführung des Reaktorinnengases im Vergleich zur Erhaltung einer Wirbelschicht oder eines Flugstromes zugeführt werden muss. Für diese externe Arbeit reicht ein Bruchteil des erzeugten Nutzgases aus. Das im erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor erzeugte Nutzgas kann einer Brennkraftmaschine zugeführt werden, die wiederum an einen Generator gekoppelt ist. Die zur Regelung des Reaktors notwenige Arbeit wird dann durch einen Bruchteil der durch den Generator gewandelten elektrischen Energie geleistet. Damit hängt die Leistung des er- findungsgemäßen Reaktors ausschließlich vom chemischen Energiegehalt des kohlenstoffhaltigen Brennmaterials ab. Die konstruktiv bedingten Vorteile gewähren insgesamt einen stabilen und vollständig autothermen Betrieb des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad, insbesondere als Teilsystem eines BHKW.

Schließlich ist der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor, insbesondere in einer Ausführung als Gleichstrom-Festbettreaktor, gegenüber allen Ausführungen von Wirbel- und Flugstromvergasungsreaktoren dadurch besonders vorteilhaft herausgestellt, dass jede Art und Form von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial im beliebigen Aggregatzustand zur Vergasung verwandt werden kann. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäß gestalteter Gleichstrom-Festbettreaktor zusätzlich eine Gaseinspeisungsvorrichtung in der Reaktionskammer besitzen. Auch Kunststoffabfälle und Hausmüll als Beispiel für äußerst inhomogene Mischungen von kohlenstoffhaltigen Brennmaterialien lassen sich mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad in einem erfindungsgemäßen Gleichstrom-Festbettreaktor vergasen.

Während des Betriebs des erfindungsmäßigen Vergasungsreaktors ist die Variation von verfahrenstechnischen Merkmalen möglich. Zunächst ist es möglich, die Anzahl der Reaktionszonen zu variieren. Die zunächst voneinander unabhängigen Regelungseingänge können so gesteuert sein, dass sie entweder eine einzige Gesamtreaktionszone bilden oder mehrere beliebig einteilbare Teilreaktionszonen. Sind beispielsweise die Regelungseingänge mittels horizontal über die Reaktionskammer umlaufender Ringleitungen zu flächigen unabhängigen Reaktionszonen zusammengefasst, können die voneinander unabhängigen Reaktionszonen gleichsam parallel betrieben werden und so zu einer größeren Reaktionszone zusammengefasst werden.

Diese Variation der Geometrie von Reaktionszonen kann auch durch die Änderung, Menge und Zusammensetzung des Vergasungsmittels in radialer Richtung realisiert sein. Auf diese Weise werden inaktive,„kalte" Innenbereiche vermieden. Der gesamte Reaktionsraum wird auf diese Weise prozesstechnisch aktiviert. Schließlich ist es möglich, die jeweilige chemische Reaktion in den einzelnen Re- aktionszonen zu variieren. Durch die Änderung der in der jeweiligen Reaktionszone stattfindenden Reaktion kann die Schichtung bzw. die Abfolge der Reaktionszonen im Betrieb geändert werden. Es besteht also die Möglichkeit, die Reaktionen im Betrieb des Reaktors an beliebigen Stellen im Reaktionsraum zu wechseln, zu ändern, räumlich auszudehnen oder zu beschleunigen.

Beispielhaft sei das Aufschmelzen des Festbrennstoffs in leicht flüchtiges Pyro- gas, Holzkohle, Wasser, höherkettige Kohlenwasserstoffe, also eine so genannte Pyrolysereaktion, erwähnt. Ziel ist es, mit möglichst wenig Luftzufuhr einen hohen Wärmeeintrag zu erreichen. Dies geschieht durch Vorwärmung des Vergasungsmittels, durch Zufuhr von überhitztem Wasserdampf und durch externe Vorwärmung des Festbrennstoffs.

Ein Umschalten der Zonenreaktion von Pyrolyse im Festbrennstoff auf Oxidation im Kohlebett stellt sich ein, wenn nach dem Befüllen und während des Anfahrens des Reaktors die unteren Zonen zunächst mit Festbrennstoff gefüllt sind und pyro- lytisch betrieben werden. Nach der Ausgasung der flüchtigen Pyrogase wird die Zone sodann in den oxidativen oder reduktiven Betrieb umgeschaltet.

Die Gasphasenreaktion kann sowohl oxidativ in den durch Zwischenböden erzeugten festbrennstofffreien und kohlefreien Bereichen stattfinden. Die Gasphasenreaktion kann durch starke Erhöhung der Geschwindigkeit der Vergasungsmittel durch Zufuhr mittels regelbarer Düsen ohne Erhöhung des Massenstroms anteilig vermindert werden, sofern der Strom, so genannter„scharfer Strahl", auf das hinter dem Hohlraum liegende Kohlebett trifft.

Des Weiteren ist es möglich, überwiegend mit Oxidation bzw. überwiegend mit Reduktion im Kohlebett zu variieren. Auch ist es möglich, Oxidation und Reduktion gleichzeitig im selben Raumvolumen im Kohlebett zu realisieren. Auch ist es möglich, Oxidation und Reduktion alternierend im selben Raumvolumen im Kohlebett zu betreiben. Dies erfolgt durch Beschickung einer Zone mit Luft unter Freisetzung von Wärme. Anschließend wird dieselbe Zone mit Wasserdampf beschickt und erzeugt so eine Wassergasreaktion unter Verbrauch von Wärme. Der Wechsel beider Reaktionen erfolgt im Betrieb intermittierend.

Schließlich kann die Reaktionsgeschwindigkeit in den Reaktionszonen variiert werden. Zum Beispiel wird bei der Pyrolyse durch Reduzierung der Vergasungsmittelzufuhr die Pyrolysereaktion gestoppt und stark verringert. Gleichzeitig wird die Vergasungsmittelzufuhr im Kohlebett gesteigert. Die Reduzierung der Vergasungsmittelzufuhr kommt einer Verkleinerung ihrer Geometrie gleich und/oder einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit in dieser Zone. Die Steigerung der Vergasungsmittelzufuhr ist mit einer Vergrößerung ihrer Geomtrie verbunden und/oder mit einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeiten der darin ablaufenden Reaktionen, so dass der Kohlenstoff oxidativ oder reduktiv abgebaut wird. Die Pyrozone wird geometrisch verkleinert bzw. in Ihrer Intensität reduziert, während die Reaktionszonen zum Kohleabbau vergrößert, bzw. in ihrer Intensität gesteigert werden. Schließlich kann die Menge, die Zusammensetzung, die Temperatur oder der Druck des Vergasungsmittels in den Reaktionszonen variiert werden. Eine Variation der Menge des Vergasungsmittels wirkt sich im Wesentlichen auf die Reaktionsgeschwindigkeit und zum Teil auch auf die Art der Reaktion aus. Die Zusammensetzung des Vergasungsmittels wirkt sich ebenso auf die Art der Reaktion aus. Die Temperaturvariation bewirkt eine Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Variation des Drucks wirkt sich wiederum auf Geschwindigkeit und Menge des Vergasungsmittels aus. Eine - möglichst weitgehende - Entkoppelung sämtlicher Einflussgrößen wird über regelbare Düsen erreicht.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vergasungsreaktor mit Ringleitungen und

Fig. 2 einen Vergasungsreaktor mit zentraler igelartiger Zuleitung.

Gleiche Teile sind stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 bezieht sich auf einen Vergasungsreaktor 1 , der insbesondere zur Vergasung von festem kohlenstoffhaltigem Brennmaterial ausgelegt ist. Dazu ist der Vergasungsreaktor 1 als Festbettreaktor nach dem Gleichstromprinzip ausgeführt.

Der Vergasungsreaktor 1 weist einen durchlässigen Zwischenboden 2 auf, der den Vergasungsreaktor 1 in ein oberes Reservoir 3 und in eine untere Reaktionskammer 4 unterteilt. Ein weiterer durchlässiger Zwischenboden 5 trennt die Reaktionskammer 4 vom Aschekasten 6 als untersten Teilraum des gesamten Vergasungsreaktors 1 ab. Eine gasdurchlässige Rückhaltevorrichtung 7 in Form eines Rostes zwischen der Reaktionskammer 4 und dem Aschekasten 6 stellt einen Verbleib des Brennmaterials in der Reaktionskammer 4 sicher. An dem Aschekasten 6 ist ein Gasaustritt 8 angebracht. Über das Reservoir 3 wird das kohlenstoffhaltige, feste Brennmaterial der Reaktionskammer 4 zugeführt, das Nutzgas wird über den Gasaustritt 8 abgeführt. Nach dem Befüllen von Reservoir 3 und Reaktionskammer 4 mit dem kohlenstoffhaltigen, festen Brennmaterial wird der Vergasungsreaktor in den unteren Reaktionszonen einmalig gezündet und dann durch Luftzufuhr angefahren.

Der Vergasungsreaktor arbeitet als Ofen im überstöchiometrischen Betrieb und wird dadurch zusammen mit den anderen Anlagenkomponenten auf Betriebstemperatur gebracht. Anschließend wird der Vergasungsreaktor durch weitere Zugabe von Brennstoff oder durch Verringerung der Luftzufuhr in dem unterstöchiometri- schen Vergasungsbetrieb gebracht. Dieser Betriebsablauf verhindert das Entweichen unverbrannten Gases in der Warmlaufphase durch den Kamin oder das Abfackeln über eine spezielle Fackel. In vorteilhafter Weise kann die Umschaltbar- keit des Vergasungsreaktors vom unterstöchiometrischen in den überstöchiometrischen Betrieb oder vom überstöchimetrischen in den unterstöchiometrischen Betrieb auch genutzt werden, um Wartungsarbeiten an einem angeschlossenen Blockheizkraftwerk durchzuführen oder einen Wärmebedarf ohne Stromerzeugung zu decken. Weiterhin können der Vergasungsreaktor und die angeschlossenen Komponenten zur Schnellabschaltung vollständig von der Außenluft abge- trennt werden, so dass die Prozesse im Reaktor schnell zu erliegen kommen und zum Austritt von unverbranntem Gas in dem Kamin erfolgt.

Die Seitenwand 9 der Reaktionskammer 4 des Vergasungsreaktors 1 ist mit einer Vielzahl von Regelungseingängen 10 in der Weise durchsetzt, dass im Betrieb des Vergasungsreaktors jede Position innerhalb der Reaktionskammer 4 durch die Regelungseingänge 10 zugänglich ist. Die Regelungseingänge 10 sind horizontal über die Reaktionskammer umlaufende Ringleitungen 11 zu flächigen, aber voneinander unabhängigen Reaktionszonen zusammengefasst. Durch die jeweiligen voneinander unabhängigen Ringleitungen 11 ist dann über die via Stegverbindungen 12 zusammengefassten Regelungseingänge 10 die Zugabe von Vergasungsmittel bzw. die Rückführung des Reaktorinnengases bezüglich Zusammensetzung, Temperatur sowie Druck und damit Menge gesteuert. Die Steuerung ist für jede flächige Reaktionszone individuell.

Das Reservoir 3 des Vergasungsreaktors 1 besitzt einen größeren Durchmesser und ein größeres Volumen als die Reaktionskammer 4, wobei die Durchlässigkeit des Zwischenbodens 2 durch eine Öffnung mit einem Durchmesser gegeben ist, der kleiner als der des Reservoirs 3 und der der Reaktionskammer 4, aber größer als der Öffnung des Zwischenbodens 5 ist. Der Reaktor mit seinem Reservoir 3, der Reaktionskammer 4 und mit seinem Aschekasten 6 sind zylinderförmig ausgestaltet, die Öffnungen der Zwischenböden 2 und 5 kreisförmig. Diese Ausgestaltung des Vergasungsreaktors 1 erlaubt dessen Einbettung in eine vollumschließende Isolierung, wodurch der Reaktorwirkungsgrad zusätzlich erhöht wird. Bezüglich der Stabilität in seiner Konstruktion ist der Vergasungsreaktor 1 so ausgelegt, dass er einer Verpuffung der Vergasungsprodukte als auch des Brennmaterials standhält.

Der Vergasungsreaktor 1 gemäß Fig. 2 weist ebenfalls ein oberes Reservoir 3 und einen durchlässigen Zwischenboden 2 auf. Die Reaktionskammer 4 wird beschickt von igelförmig angeordneten Düseneingängen 13. Die Düseneingänge 13 bilden beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die Regelungseingänge 10 des Verga- sungsreaktors 1. Im Übrigen entspricht der Vergasungsreaktor 1 gemäß Fig. 2 in seinem Aufbau demjenigen in Fig. 1.

Der Vergasungsreaktor in diesem Ausführungsbeispiel ist für ein BHKW, also für die Wärme- und Stromversorgung ausgelegt. Durch thermische Integration aller Teilsystemeinheiten der Gesamtanlage wird durch Kraft-Wärme-Kopplung ein Gesamtwirkungsgrad von >90% erreicht.

Bezugszeichenliste

1 Vergasungsreaktor

2 Zwischenboden

3 Reservoir

4 Reaktionskammer

5 Zwischenboden

6 Aschekasten

7 Rückhaltevorrichtung

8 Gasaustritt

9 Seitenwand

10 Regelungseingang

11 Ringleitung

12 Stegverbindung