AT501131A1

AT501131A1 - Druckaufgeladene thermochemische energieumwandlungsanlage mit festbett-fliessbett-reaktor

Info

Publication number: AT501131A1
Application number: AT20002004A
Authority: AT
Inventors: Armin Dipl Ing Faltl
Original assignee: Armin Dipl Ing Faltl
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15
Also published as: AT501131B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor'für F^fuid-FeststofT^R'eakuonen mit innerer Strömungsumlenkung, die einen Übergang von einem Festbett- in einen Hiessbett-Teil ermöglicht, sowie dessen Einsatz zur Vergasung von Feststoffen und seine Einbindung in eine druckaufgeladene Anlage zur Energiegewinnung aus biogenen Rohstoffen oder anderen Kohlenstoffträgern.
Hintergrund der Erfindung
Verfahren zur Biomasse- bzw. Holzvergasung sind seit langem bekannt. Eines der wesentlichen Probleme bekannter Vergasungsverfahren ist die Bildung von Teer neben den erwünschten Produktgasen. Der mögliche Wasseranteil im Rohstoff stellt ebenfalls ein einschränkendes Kriterium dar. Hoher Wasseranteil senkt wesentlich die sich einstellende Prozesstemperatur, der Teer ist eine Folge zu niedriger Temperatur und zu geringer Verweilzeiten.

Bisherige Reaktoren, sowohl Festbett- als auch Fliessbett- benötigen einen permeablen Boden oder ein Düsensysteme. Bei Festbett-Reaktoren führt der permeable Boden oder Rost und die sich darauf bildende Schicht feinkörnigen Materials zu hohen Druckverlusten oder Material Verlusten je nach Feinheit des Rosts. Das Durchströmen des Rosts bei Gleichstrom-Festbettreaktoren belastet diesen auch thermisch und chemisch.

Bei einfachen Wirbelschichten besteht keine Möglichkeit, das Aufgabegut räumlich getrennte Reaktionszonen durchlaufen zu lassen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu gründe, eine Huid-Feststoff -Reaktion in mehreren Zonen ablaufen zu lassen, die Ausbeute zu maximieren, Nebenprodukte zu vermeiden, den Druckverlust in der Strömung klein zu halten und thermisch/chemisch hochbelastete Anlagenteile zu vermeiden.
Die Erfindung löst diese Aufgaben, indem sie einen neuen Reaktortyp hoher Temperaturfestigkeit und langer Verweilzeit mit einem Aufladesystem zur teilweisen Erzeugung dieser Temperatur durch die adiabate Erwärmung des Huids bei der Verdichtung verbindet.

Die Neuerung im Reaktor besteht in einer Umkehr der Strömungsrichtung des Huids aus der Sinkrichtung von Feststoffpartikeln in dem Huid in die Gegenrichtung, sowie der gezielten Ausnutzung des Übergangs aus dem grobkörnigen zum feinkörnigen Feststoff und einer damit einhergehende Auftrennung in zwei strömungsmechanisch unterschiedene Teile - dem Festbett und dem Fliessbett - sowie der damit gegebenen Verlängerung des Gaswegs durch den Feststoff.
Der erfindungsgemässe Reaktortyp kann für innerhalb des Reaktionsgefässes autotherme Verfahren eingesetzt werden.

Beispielsweise zur Erzeugung von Schwachgas (Generatorgas) durch partielle Verbrennung, Pyrolyse und Vergasung von biogenen Einsatzstoffen oder anderen Kohlenstoffträgern durch Luft oder Luft und Dampf.
Das bei autothermer Feststoffvergasung eingesetzte Huid wird normaler weise vorgewärmt, und der zur Vorwärmung eingesetzte Wärmetauscher kann ganz oder Teilweise im Freiraum nach dem Hiessbett oder im Hiessbett selbst im Reaktor integriert sein und das Produktgas vor dem Austritt aus dem Reaktor kühlen.
In den Reaktor können über die Feststoffbeschickung oder separat ins Hiessbett Katalysatoren zugegeben werden. Wenn die Temperatur im Reaktor für einen Katalysator ungeeignet erscheint, lässt sich eine Zone optimaler Temperatur durch Aufteilen des Fluid- Wärmetauschers in einen Teil vor und einen Teil nach dem Katalysator schaffen.

Es ist auch denkbar, einen sandförmigen Katalysator an einer geeigneten Stelle in Form eines Hiessbetts in einen externen Wärmetauscher zu integrieren.
Bei hohen Mediumstemperaturen können das Festbett-Gefäss, die Umlenkeinheit und und der innere Reaktormantel ganz oder teilweise aus Feuerfest-Material (z.B.

Keramik, Graphit, ...) bestehen.
Der Reaktor kann mit mehreren Festbett-Hiessbett-Zellen in einer gemeinsamen Reaktorhülle
3 ausgeführt sein.
Der Reaktor kann mit einem U-Rohr anstelle zweier konzentrischer rotationssymetrischer Gefässe (A und B) ausgeführt sein und muss keine kreisförmigen Querschnitte aufweisen.
Der äussere Reaktormantel kann als Wassermantel und ein externer Gaskühler als Verdampfer ausgeführt sein, und sich bildender Dampf zur Kühlung des Festbett-Gefässes dienen, und/oder in den Reaktionsraum eingeblasen werden.
Zur Aufladung kann ein herkömmlicher Abgas-Turbolader für Verbrennungskraftmaschine verwendet werden, wobei das charakteristische der Anlage in der Schaltung des Reaktors zwischen den Verdichter des Abgas-Turboladers und die Verbrennungskraftmaschine liegt.
In die Umlenkeinheit kann eine Rostsystem (B4)

zur Abfuhr fester oder flüssiger Reaktionsprodukte (z.B. Aschen, Schlacken) integriert sein.
Der Prozess wird laufend mit Sensoren erfasst und elekttonisch geregelt, wobei in die Regelung auch die vom Gas versorgte Verbrennungskraftmaschine und die angeschlossenen Arbeitsmaschine (z.B. Generator) integriert sein können.
Wenn das Koksbett im Schacht (AI -A3) zur Erzielung einer verwendbaren Gasqualität ausreichend lang ist, kann der untere Becher (B2) durch einen den Schacht abschliessenden normalen Rost ersetzt werden. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist dann nur mehr das Schaltbild der Anlage. Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt einen möglichen inneren Aufbau des Kombinationsreaktors.

Figur 2 zeigt den wesentlichen Teil des Prozessschaltbilds ohne Nebenaggregate
Der in der Figur 1 beispielhaft gezeigte Vergasungsreaktor für biogene Feststoffe besteht aus:
A) dem Festbett-Gefäss mit (von oben nach unten):
AI) einem nach oben offenen trichterförmigen Rand (optional)
A2) einem nach unten erweiterten oder zylindrischen Schacht (Trockungs- und
Pyrolyse-Zone)
A3) einem zylindrischen oder nach unten verengtem oder erweitertem Schacht
(Vergasungszone)
B) der Umlenkeinheit bestehend aus:
B 1) einem Becherförmigen Herd der an obigen Schacht (A3) so angesetz ist, dass B2) ein ringförmiger Spalt ensteht in dem das Gas umkehrt und durch ausgeglühte Holzkohle in einer
B3) Wirbelschicht wieder nach oben strömt (Teerspalt-Zone).

In diesen Ringspalt können bei Bedarf Katalysatoren zugegeben und Dampf eingeblasen werden, B4) einem optionalen Rostsystem
C) der heissen inneren Reaktorhülle, die der Gasführang dient und die Isolation nach innen begrenzt
D) dem Reaktormantel, der kühl bleibt und den Gasdruck aufnimmt
E) einem optionalen integrierten Luft- Vorwärmer.
F) einem Rohr zur Feststoffzufuhr
G) der Zufuhr des Vergasungsfluids und Abfuhr des Produktgases H) einem Rohr zur Aschen- oder Schlackenabfuhr. Die in Figur 2 gezeigte Anlage hat als wesentliche E[iota]ge'[eta]s'chart die Anordnung der Aggregate im Stoff ström des Gases:
1. Luftfilter
2. Verdichter des Abgas-Turboladers (ATL) (oder ein anderer Verdichter)
3. Luftstromteiler
4. Luftvorwärmer Heizseite (optional integriert, optional geteilt)
5. Gasgenerator (Reaktor) mit Einsatz- und Aschenschleuse
6. Grobfilter (Zyklon)
7.

Luftvorwärmer Kühlseit (optional integriert, optional geteilt mit Katalysator)
8. Gaskühler (optional als Verdampfer ausgebildet)
9. Feinfilter lO.Schwachgas/Startgas-Luft-Mischer 11.Verbrennungskraftmaschine
12. Turbine des Turboladers (soweit keine anderer Verdichter verwendet wird) 13. Abgas-Wärmetauscher (optional)
Im Luftweg zwischen Luftstromteiler (3) und Gas-Luft-Mischer (10) oder der Verbrennungskraftmaschine (11) kann optional ein Ladeluftkühler (LLK) bzw. Gemischkühler vorhanden sein. An Stelle von Propan kann jedes geeignete Gas zum Starten des Prozesses verwendet werden.
Die dargestellten Ausformungen stellen bevorzugte Bauformen dar, und haben nicht den Zweck, die allgemeinen Prinzipien der Erfindung einzuschränken.

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage für die thermochemischen Vergasung von Biomasse und anderer Kohlenstoffträger, gekennzeichnet durch die Verwendung des Abgas-Turboladers der das Gas nutzenden Verbrennungskraftmaschine zur Drackaufladung des Vergasungsreaktors in der Anlage.

2. Reaktor für Huid-Feststoffreaktionen, gekennzeichnet durch einen Festbett-Gleichsttomteil, eine Umlenkung und einen anschliessenden Hiessbett-Teil, indem sich der Feststoff weitgehend verbraucht.

3. Reaktor nach Ansprach 2, gekennzeichnet durch eine Druckaufladung mit einem näherangsweise adiabat arbeitenden Verdichter.

4. Reaktor nach Ansprach 2, gekennzeichnet durch die Integration eines Wärmetauschers in den Reaktor.

5. Anlage für die thermochemischen Vergasung von Biomasse und anderer Kohlenstoffttäger, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Reaktors nach Ansprach 2 als Vergasungsreaktor.

6. Anlage zum drackaufgeladenen Betrieb eines Reaktors nach Ansprach 2, gekennzeichnet durch die Nutzung des Reaktor-Produktfluids vor und/oder während des Abbaus des Anlagedrucks in einer Turbine des Verdichter-Turbinen-Systems zur Erzeugung des Anlagendracks.

7. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch die gleichzeitige Nutzung der Abwärme der Anlage, neben der Verwendung des erzeugte Heizgases zur Erzeugung mechanischer Energie oder Strom .

8. Anlage nach Ansprach 5, gekennzeichnet dadurch die gleichzeitige Nutzung der Abwärme der Anlage, neben der Verwendung des erzeugte Heizgases als solches, zur Erzeugung mechanischer Energie oder Strom .

9. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein elektronisches Mess- und Regelsystem. 1 O.Reaktor nach Ansprach 2, gekennzeichnet durch ein elektronisches Mess- und Regelsystem. Patentansprüche:

1- Anl ge für die thermochemischen Vergasung von Biomasse und anderer Kohlenstoffträger gekennzeichne, durch die Verwendung eines Abgas-Turboladers der das Gas "uzenden Verbrennungskrataaschine zur Druckaufladung des Vergasungsreaktors in der Aniage.

2. Vergasungsreaktor für Fluid-Feststoffreaktionen, gekennzeichne, durch einen Festbe,,G,eichs,romteil und einen über eine Umlenkung unmittelbar anschliessenden F"essbe,,-Teil, in welchem sich der Feststoff weitgehend verbraucht.

3. Vergasungsreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Druckaufladung mit einem näherungsweise adiabat arbeitenden Verdichter.

4. Vergasungsreaktor "ach Anspruch 2, gekennzeichne, durch die Integration eines Wärmetauschers in den Vergasungsreaktor.

5. Verfahren zum druckaufgeladenen Betrieb eines Vergasungsreaktors "ach Anspruch 1 oder 2 geke""zeichne, durch di, Nutzung des Reaktor-Produktfluids vor und/oder während des Abbaus des Anlagedrucks in einer Turbine des Verdtchter-Turbinen-Systems zur Erzeugung des Anlagendrucks.

6. Verfahren zum Betrieb einer Anlage "ach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichne, dadurch d,e gleichzöge Nu,zung der Abwärme der Anlage, "ebe" der Verwendung des erzeug,e Heizgases als solches, zur Erzeugung mechanischer Energie oder Strom .

7. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichne, durch ein elektronisches Mess- und Regelsys.cn,

8. Vergasungsreaktor "ach Anspruch 2, gekennze.chne, durch ein elektronisches Mess- und Regelsystem.

NACHGERBCHT Die in Figur 2 gezeigte Anlage hat als wesentliche Eigenschaft die Anordnung der Aggregate im Stoffstrom des Gases:

1. Luftfilter

2. Verdichter des Abgas-Turboladers (ATL) (oder ein anderer Verdichter)

3. Luftstromteiler

4. Luftvorwärmer Heizseite (optional integriert, optional geteilt)

5. Vergasungsreaktor mit Einsatz- und Aschenschleuse (Schleusen nur angedeutet)

6. Grobfilter (Zyklon)

7. Luftvorwärmer Kühlseit (optional integriert, optional geteilt mit Katalysator)

8. Gaskühler (optional als Verdampfer ausgebildet)

9. Feinfilter lO.Schwachgas/Startgas-Luft-Mischer 11. Verbrennungskraftmaschine

12.Turbine des Turboladers (soweit keine anderer Verdichter verwendet wird) 13. Abgas- Wärmetauscher (optional)

Im Luftweg zwischen Luftstromteiler (3) und Gas-Luft-Mischer (10) oder der Verbrennungskraftmaschine (11) kann optional ein Ladeluftkühler (LLK) bzw. Gemischkühler vorhanden sein. An Stelle von Propan kann jedes geeignete Gas zum Starten des Prozesses verwendet werden.

Die dargestellten Ausformungen stellen bevorzugte Bauformen dar, und haben nicht den Zweck, die allgemeinen Prinzipien der Erfindung einzuschränken.