Verfahren zur automatischen Entfernung eines Kohlenstoffüberschusses in einem Vergasungsreaktor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Entfernung eines Kohlenstoffüberschusses in einem Vergasungsreaktor mit einer Reaktionskammer für die autotherme und/oder allotherme Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennmaterial zu Nutzgasen.

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 CO2 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 O 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 Festbettvergasungsreaktor 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 als Kohlenstof- füberschuss 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 Ver- gasungsprozess 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 daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das einen besonders hohen Wirkungsgrad sowie besonders hohe Betriebsstabilität bei niedrigeren Anforderungen an den verwendeten Brennstoff im Betrieb eines Vergasungsreaktors ermöglicht. 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 die Idee zugrunde, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad ebenso wie eine besonders hohe Betriebsstabilität dadurch erreichbar wäre, wenn eine automatische Entfernung von Kohlenstoffüberschüssen, welche zum Verstopfen des Reaktors führen können, möglich wäre. Dabei liegt der Erfindung 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 Vergasungsreaktor kann auch vollständig als Reaktionskammer ausgeführt sein.

Als wesentliches Merkmal der Erfindung werden nach Anspruch bei der Überschreitung eines vorgegebenen, für die Menge des Kohlenstoffüberschusses in der Reaktionskammer charakteristischen Werts Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls eines der Reaktionskammer zugegebenen Vergasungsmittels derart geändert, dass eine Verbrennung des Kohlenstoffüberschusses verstärkt wird. Mit anderen Worten: Der Vergasungsreaktor wird nicht wie sämtliche bekannten Reaktoren in einem bestimmten Betriebszustand betrieben, sondern bei Erkennung eines übermäßigen Kohlenstoffüberschusses in der Reaktionskammer werden die Reaktionsbedingungen in der Kammer derart geändert, dass dieser Kohlenstoffüberschuss abgebaut, d.h. verbrannt wird. Der Reaktor schaltet somit von einem Vergasungs- in einen Kohlenstoffverbrennungs-Betriebszustand um.

Vorteilhafterweise wird die Änderung bei der Unterschreitung eines zweiten vorgegebenen, für die Menge des Kohlenstoffüberschusses in der Reaktionskammer charakteristischen Werts wieder rückgängig gemacht. D.h., sobald erkannt wird, dass eine ausreichende Menge Kohlenstoffüberschuss verbrannt ist und die Kohlenstoffmenge keinen kritischen Wert mehr hat, wird in den„normalen" Betriebszustand des Reaktors zurückgeschaltet. Dadurch wird gewährleistet, dass der Betriebszustand für die Verbrennung des Kohlenstoffüberschusses, der temporär einen niedrigeren Wirkungsgrad bedeutet als der normale, auf optimale Vergasung ausgelegte Betriebszustand, nur für einen minimalen Zeitpunkt aufrechterhalten wird, aber gerade lang genug, um eine Entfernung von Kohlenstoff ausreichend zu gewährleisten.

Die Feststellung eines übermäßigen Kohlenstoffüberschusses im Reaktor wird anhand eines für die Menge des Kohlenstoffüberschusses charakteristischen Werts getroffen. Hier können vielfältige Werte zur Anwendung kommen. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn jeweils eine vorgegebene Druckdifferenz über eine gasdurchlässige Rückhaltevorrichtung zwischen der Reaktionskammer und einem Aschekasten des Vergasungsreaktors als ein solcher Wert verwendet wird. Ein Kohlenstoffüberschuss wird sich nämlich bevorzugt an einer derartigen Rückhaltevorrichtung ablagern. Durch die verklebenden Eigenschaften des Kohlenstoffüberschusses verringert sich dann die Gasdurchlässigkeit der Rückhaltevorrichtung, das in der Reaktionskammer entstehende Nutzgas kann somit schlechter entweichen. Dadurch steigt die Druckdifferenz über die Rückhaltevorrichtung, die mit entsprechenden Drucksensonser vergleichsweise einfach nachweisbar ist. Dies ist ein einfaches und zugleich zuverlässiges Maß für die Menge des Kohlenstoffüberschusses in der Reaktionskammer. Die beschriebene hauptsächliche Ansammlung des Kohlenstoffüberschusses in der Rückhaltevorrichtung erlaubt eine weitere Optimierung des Verfahrens: In vorteilhafter Ausgestaltung werden Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls eines der Reaktionskammer im Bereich einer gasdurchlässigen Rückhaltevorrichtung zwischen der Reaktionskammer und dem oder einem Aschekasten des Vergasungsreaktors zugegebenen Vergasungsmittels geändert. Damit werden insbesondere im Bereich verstärkter Ansammlungen von Kohlenstoffüberschuss die Betriebsparameter derart geändert, dass hier der Kohlenstoff vergast wird. Dies ermöglicht es auch, in anderen Bereichen, in denen die Ansammlung von Kohlenstoff weniger hoch ist, die Vergasungsreaktion mit normalen Betriebsbedingungen aufrecht zu erhalten.

In besonder einfacher Weise lässt sich die Verbrennung von Kohlenstoff dadurch erreichen, dass vorteilhafterweise die Menge des zugegebenen Vergasungsmittels erhöht wird. Ein größerer Eintrag von Sauerstoff ermöglicht nämlich die Oxida- tion des Kohlenstoffs.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird auch der Wasserdampfanteil im Vergasungsmittel reduziert. Dadurch wird die energieverbrauchende Reduktionsreaktion eingedämmt, die Temperatur erhöht und somit eine Verbrennung von Kohlenstoff begünstigt.

Die bislang beschriebenen Merkmale des Verfahrens lassen sich über vorgegebene Betriebsparameter hinsichtlich der Zugabe von Vergasungsmittel etc. verwirklichen. So können z.B. zwei Sätze von Betriebsparametern vorgegeben werden, einer für den Vergasungs- und einer für den Kohlenstoffverbrennungsbetrieb, zwischen denen dann nach dem beschriebenen Verfahren bedarfsweise umgestaltet wird.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das Verfahren jedoch in eine übergeordnete Regelung eingebettet, wobei die Reaktionskammer dabei (vorzugsweise mehrere) Regelungseingänge aufweist und Zusammensetzung, Menge, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und/oder spezifischer Austrittspuls des Vergasungsmittels variabel anhand einer Anzahl von in der Reaktionskammer ermittelten Regelgrößen gesteuert werden. Bei mehreren Regelungseingängen wird das über den jeweiligen Regelungseingang zugegebene Vergasungsmittel vorteilhafterweise mindestens teilweise unabhängig von den jeweils anderen Regelungseingängen gesteuert. Im Betrieb des Vergasungsreaktors sind folglich mehrere, im Idealfall 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.

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.

Konstruktiv kann dies dadurch realisiert sein, dass die Seitenwände der Reaktionskammer mit einer Vielzahl von solchen Regelungseingängen durchsetzt sind oder 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 die Kombination beider konstruktiver Möglichkeiten zur Anordnung der Regelungseingänge als vorteilhaft, wodurch die Zugänglichkeit des gesamten Reaktionsraumes gewährleistet ist.

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- 8 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 C0 ₂ 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 H ₂ O, wobei das Vergasungsmittel CO ₂ 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 beschriebene Regelung ermöglicht es nun, die Kohlenstoffverbrennung nicht über eine Einstellung vorgegebener Verbrennungsparameter zu erreichen, sondern über die Vorgabe eines oder mehrerer Sollwerte für die jeweiligen Regelgrößen. Dadurch bleibt die übergeordnete Regelung erhalten und der Betrieb kann auch im Verbrennungs-Betriebszustand optimal aufrecht erhalten werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird dabei der Sollwert der Temperatur als Regelgröße verändert. Eine derartige Veränderung wird von der Regelung entsprechend mit einer Erhöhung der Verbrennungsmittelmenge und der Reduktion des Wasserdampfanteils beantwortet, da diese Maßnahmen die Temperatur erhöhen. Die Einbettung des beschriebenen Verfahrens in eine übergeordnete Regelung erlaubt auch auf besonders einfache Weise die Aufrechterhaltung der Vergasung in Bereichen der Reaktionskammer mit geringeren Kohlenstoffablagerungen. Vorteilhafterweise wird dazu an einem Regelungseingang, der ausserhalb des Bereichs der gasdurchlässigen Rückhaltevorrichtung zwischen der Reaktionskammer und dem Aschekasten des Vergasungsreaktors angeordnet ist, der Sollwert der Temperatur als Regelgröße gesenkt. Dadurch wird die Vergasung hier fortgeführt, während im Bereich der Rückhaltevorrichtung die Kohlenstoffverbrennung erfolgt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens bei Erkennung des Kohlenstoffüberschusses, d.h. bei Überschreitung des vorgegebenen Werts die Menge des der Reaktionskammer zugeführten Brennmaterials reduziert. Hierdurch wird temporär der Brennmaterialgehalt in der Reaktionskammer reduziert, da die Vergasung zunächst weiterläuft. Dies begünstigt die leichtere Verbrennung von Kohlenstoff.

Zusammengefasst erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine optimale und beschleunigte Entfernung von Kohlenstoffüberschüssen in der Reaktionskammer durch die geregelte und dem Verlauf angepasste Umschaltung in einen die Verbrennung begünstigenden Betriebszustand.

Die geregelte Verbrennung von Kohlenstoff durch zeitlich und örtlich individuell dosierte Zugabe von Vergasungsmitteln in dem der Erfindung zugrundeliegenden Vergasungsreaktor ersetzt die beim Winkler-Generator notwendige, äußerst ener- gieaufwändige Erhaltung der Wirbelschicht für eine optimale und kondensatfreie Vergasung der Brennstoffe.

Das Verfahren gewährt insgesamt einen stabilen und vollständig autothermen Betrieb des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad, insbesondere als Teilsystem eines BHKW. Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren 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. Es können auch wesentlich feinkörnigere Hackschnitzel anstelle der traditionell verwendeten grobkörnigen Hackschnitzel verwendet werden, da die durch die Verwendung des billigeren feinkörnigen Brennstoffs hervorgerufene Verstopfung des Reaktors mit dem beschriebenen Verfahren beseitigt werden kann.

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

Fig. 1 einen Vergasungsreaktor mit Ringleitungen,

Fig. 2 einen Vergasungsreaktor mit zentraler igelartiger Zuleitung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Regel- und Steuergrößen im Falle der Einbindung in eine Regelung mit ihrer gegenseitigen Beeinflussung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der unterschiedlichen Betriebszu- stände für Vergasung und Kohlenstoffverbrennung.

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 nach Fig. 1 eignet sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 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.

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 Ausge

is staltung 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 Vergasungsreaktors 1. Im Übrigen entspricht der Vergasungsreaktor 1 gemäß Fig. 2 in seinem Aufbau demjenigen in Fig. 1.

Die über die Regelungseingänge 10 des Vergasungsreaktors ermittelten Regelgrößen zusammen mit den sie beeinflussenden Steuergrößen bezüglich des Vergasungsmittels sind in Fig. 3 dargestellt. Durch die Regelung direkt beeinflussbare Steuergrößen sind hier die Vergasungsmittelgesamtmenge 20, der Vordruck 22 des Vergasungsmittels an den Düsen- bzw. Regelungseingänge 10, 13, die jeweilige Verteilung 24 des Vergasungsmittels auf die einzelnen Düsen- bzw. Regelungseingänge 10, 13, die einer räumlichen Verteilung entspricht, die Temperatur 26 des Vergasungsmittels und der Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel.

Als im Reaktor 1 gemessene Regelgrößen werden erfasst: der Volumenstrom 30 des erzeugten Nutzgases, der Differenzdruck 32 über den unteren Zwischenboden 5, die chemische Nutzgaszusammensetzung 34, der Druck 36 in der Reaktionskammer 4, die Temperatur 38 in der Reaktionskammer 4 am jeweiligen Regelungseingang 10 sowie die Art der ablaufenden Reaktionen 40. Letztere kann typischerweise nicht direkt gemessen werden sondern ist lediglich als abgeleitete Regelgröße ermittelbar.

Fig. 3 stellt nun die jeweiligen Zusammenhänge zwischen Regel- und Steuergrößen dar, wie sie in dem Verfahren gemäß der Erfindung bei Einbindung in eine Regelung bedarfsweise verwendet werden: Der Volumenstrom 30 des Nutzgases wird von der Vergasungsmittelgesamtmenge 20 beeinflusst, da vermehrt zugeführtes gasförmiges Vergasungsmittel den Volumenstrom durch den gesamten Reaktor 1 erhöht. Weiterhin wird er vom Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel beeinflusst, da eingeführter Wasserdampf hydrolytisch gespalten wird und so eine Erhöhung des Volumens und somit des Volumenstroms 30 des austretenden Nutzgases bewirkt.

Der Differenzdruck 32 über die Rückhaltevorrichtung 7, die gasdurchlässig ist, ist im im Wesentlichen ein Indikator für eine verstärkte Ablagerung von Kohlenstoffresten, die den Gasdurchsatz der Rückhaltevorrichtung 7 blockieren. Kohlenstoffreste fallen bei niedrigeren Temperaturen an, wenn der Kohlenstoff nicht verbrannt wird. Dies ist insbesondere der Fall bei einem hohen Wasserdampfanteil 28. Somit beeinflusst der Wasserdampfanteil 28 den Differenzdruck 32. Wird die Verteilung 24 des zugeführten Vergasungsmittels derart geändert, dass an Regelungseingängen 10 im Bereich der Rückhaltevorrichtung 7 mehr Vergasungsmittel eingebracht wird und sich die Temperatur hier erhöht, so wird der angefallene Kohlenstoff verbrannt und der Differenzdruck 32 sinkt. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.

Die Gaszusammensetzung des Nutzgases 34 hängt im Wesentlichen vom Anteil des Wasserdampfes 28. Eine höhere Menge Wasserdampf führt zu einem höheren Anteil von Wasserstoff im Nutzgas.

Der Druck 36 in der Reaktorkammer 4 sollte nicht zu weit vom Umgebungsdruck abweichen. Er wird im Wesentlichen beeinflusst von der Gesamtmenge 20 des zugeführten Vergasungsmittels, weiterhin von der räumlichen Verteilung 24 des Vergasungsmittels.

Die Temperaturen 38 in den verschiedenen Bereichen der Reaktorkammer 4 wird vor allem von der räumlichen Verteilung 24 des Vergasungsmittels beeinflusst, aber auch von Vordruck 22 und Temperatur 24 des Vergasungsmittels, sowie dem Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel, wie oben erläutert. Die Art der ablaufenden chemischen Reaktionen 40 wird ebenfalls, wie bereits erläutert, im Wesentlichen durch den Wasserdampfanteil 28 im Vergasungsmittel bestimmt, weiterhin auch durch die Temperatur des eingeführten Vergasungsmittels.

Die beschriebene Regelung ist während des Betriebs des Reaktors 1 aktiv. Bedarfsweise wird nun bei Feststellung eines zu hohen Differenzdrucks 32, wobei hierfür ein Grenzwert vorgegeben ist, eine gezielte Verbrennung von Kohlenstoff eingeleitet. Ziel ist hierbei eine Temperaturerhöhung im Bereich der Rückhaltevorrichtung 7. Diese kann entweder durch Vorgabe von entsprechenden Temperatursollwerten bei aktiver Regelung erreicht werden, oder aber durch direkte Steuerung des zugeführten Vergasungsmittels. Das sich dabei einstellende Temperaturprofil ist in Fig. 4 dargestellt.

Fig. 4 zeigt ein für die beiden Betriebszustände charakteristisches Temperaturprofil innerhalb der Reaktionskammer 4. Dabei ist auf der Abszisse die Hochachse der Reaktionskammer aufgetragen, wobei links der obere Bereich mit der Brennmaterialzufuhr liegt, während rechts der untere Bereich mit der Rückhaltevorrichtung 7 liegt. Die Linien 42 zeigen jeweils die Lage der unabhängig voneinander steuerbaren Regelungseingänge 10 an, die Linie 44 markiert die grobe Unterscheidung in mehr (rechts) und weniger (links) von Kohleüberschussablagerungen betroffenen Bereichen.

Die Linie 46 zeigt das von der Regelung einzuhaltende Maximum der Temperaturverteilung an, die Linie 48 das Minimum derselben, um einen reibungslosen Betrieb des Reaktors 1 zu gewährleisten. Innerhalb der Grenzen 46 und 48 wird nun die Temperatur den beiden Betriebszuständen angepasst.

Temperaturlinie 50 zeigt die Temperaturverteilung während des Normalbetriebs. Im unteren Bereich ist die Temperatur am niedrigsten, um hier eine optimale Zusammensetzung des Nutzgases zu gewährleisten. Im oberen Bereich ist die Temperatur vergleichsweise hoch. Im unteren Bereich kann es hier aber zu einem Kohlenstoffüberschuss kommen, der sich auf der Rückhaltevorrichtung 7 ablagert. Dies wird in Form einer Erhöhung der Druckdifferenz 32 festgestellt.

Bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts wird in den Freibrennbetriebs- zustand umgeschaltet. Die sich einstellende Temperaturverteilung stellt Temperaturlinie 52 dar. Im oberen Bereich ist die Temperatur nun niedriger, während sie im unteren Bereich, d.h. an der Rückhaltevorrichtung 7 fast auf das durch Linie 46 gegebene Maximum ansteigt. Dadurch wird hier Kohlenstoff oxidiert. Sobald die Rückhaltevorrichtung 7 wieder frei von Kohlenstoff ist, was durch Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes der Druckdifferenz 32 festgestellt wird, wird wieder in den Normalzustand der Temperaturlinie 50 geschaltet.

Die kontrollierte Umschaltung in den Freibrennbetriebszustand nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung der Regelung, die die im Reaktor 1 aufgenommenen Regelgrößen berücksichtigt, stellt die Steuergrößen bedarfsweise für eine optimierte Verbrennung von Kohlenstoffüberschuss ein. Der Vergasungsreaktor 1 , betrieben mit einem Verfahren unter Regelung der beschriebenen Größen 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 >85% 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

13 Düseneingang

20 Vergasungsmittelgesamtmenge

22 Vordruck

24 Verteilung

26 Temperatur

28 Wasserdampfanteil

30 Volumenstrom

32 Differenzdruck

34 Nutzgaszusammensetzung

36 Druck

38 Temperatur

40 Reaktionsart

42 Linie

44 Linie

46 Linie

48 Linie

50 Temperaturlinie

52 Temperaturlinie