AT507068A4

AT507068A4 - Anlage zur erzeugung von holzgas

Info

Publication number: AT507068A4
Application number: AT13642008A
Authority: AT
Inventors: Rudolf Berger
Original assignee: Rudolf Berger; Berger Manfred Dipl Ing Dr Tec
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-02-15
Also published as: DE102009039845A1; AT507068B1

Description

Einführung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Erzeugung von Holzgas aus Holzhackgut. Kernstück ist ein Gasreaktor ausgeführt als Festbettreaktor auf dem Querstromprinzip. Im Anschluss daran befindet sich eine Aufbereitungsanlage bestehend aus den Komponenten Zyklon, Gebläse mit Zentrifugalwirkung, Nassreiniger und Feinfilter.

Stand der Technik

Seitens der Möglichkeiten zur Vergasung unterscheidet man prinzipiell Festbettvergasung und Wirbelschichtvergasung. Bei der konstruktiven Gestaltung des Vergasers ist darauf zu achten, dass sich die 4 Prozesszonen der Trocknung, Pyrolyse, Reduktion und Oxidation ausbilden können. In der Trocknungszone erfolgt durch Verdampfung eine Reduzierung des Feuchteanteils des Brennstoffes. In der Pyrolysezone läuft ein chemischer Prozess ab, in dem bei Zuführung thermischer Energie und unter Luftabschluss der Brennstoff zersetzt wird. Im Bereich der Primärluftzufuhr bildet sich die Oxidationszone aus. Hier wird autotherm der Energiebedarf für Vergasung, Zersetzung und Reduktion zur Verfügung gestellt. In der Reduktionszone reagieren die Oxidationsprodukte am Kohlenstoffbett zum eigentlichen Brenngas (Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan).

Die Wirbelschichtvergasung ist durch den hohen konstruktiven und betrieblichen Aufwand nur im höheren Leistungsbereich (> 10MW) sinnvoll einsetzbar. Bei der Festbettvergasung unterscheidet man grob zwischen Gegenstrom- und Gleichstromvergasung.

Bei der Gegenstromvergasung wird das Brenngas gegen die Füllrichtung des Brennstoffes abgeführt. Wird das Brenngas dabei aufsteigend abgeführt, so spricht man genaugenommen von aufsteigender Gegenstromvergasung. Die Vorteile liegen in der hohen Toleranz des Vergasungsprozesses bezüglich Feuchte und Körnung beziehungsweise Beschaffenheit des Brennstoffes. Die Ausbildung einer räumlich ausgedehnten Oxidationszone zieht nachteilig einen hohen Anteil an Kondensaten wie Teer und Essigsäure mit sich.

Bei der Gleichstromvergasung durchwandern Brennstoff und Brenngas den Gasreaktor in gleicher Richtung. Dieser Vergasungstyp ist nach derzeitigem Stand der zumeist angewandte. Das Brenngas wird dabei durch das heisse Glutbett geleitet, sodass Teere und Kohlewasserstoff-Verbindungen überwiegend gespalten werden können. Dies mündet vorteilhafterweise in einem niedrigen Teergehalt des Rohbrenngases. Die Wärmeübertragung zur Bereitstellung der thermischen Reaktionsenergie für Vergasung, Zersetzung und Reduktion ist nicht so gut wie bei der Gegenstromvergasung. Dies resultiert in einem schlechteren Vergasungswirkungsgrad und höheren Anforderungen an die Brennstoffqualität.

Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht einen Holzgasreaktor konstruktiv so zu gestalten, dass dieser einfach im Aufbau ist und die thermische Materialbeanspruchung im Betrieb in Grenzen gehalten wird. Damit der

Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger Holzgasreaktor breite Anwendung im untersten Leistungsbereich finden kann, soll dieser geringe Anforderungen an die Brennstoffqualität stellen und das abgeleitete Holzrohgas soll möglichst geringe Mengen an Staub, Asche, Kondensate und Teer mit sich bringen. Die nachgeschaltete mehrstufige Aufbereitungsanlage bestehend aus Zyklon, Gebläse mit Zentrifugalwirkung, Nassreiniger und Feinfilter hat die Aufgabe das Holzgas für den Betrieb eines Verbrennungsmotors zu reinigen und abzukühlen.

Lösung

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Gliederung des Holzgasreaktors in Brennstoffraum, Fliesstrichter mit Glutbettzone und Gasraum. Die trichterförmige Gestaltung des Brennraumes im Bereich der Oxidationszone und die Zuführung der Primärluft von 3 Seiten in die Glutbettzone gewähren einen reibungslosen Brennstofffluss und eine räumlich begrenzte Hochtemperaturzone, sodass die Materialbeanspruchung in Grenzen gehalten werden kann. An der Seite ohne Primärluftzuführung aus der heissen Glutbettzone erfolgt die Ableitung der Oxidationsprodukte durch ein Fenster in der Trennwand zwischen Brennstoffraum und Gasraum. Durch die räumliche Gestaltung der heissen Glutbettzone ist dieser Gasreaktor unempfindlich gegenüber schwankende Hackgutqualität, es können auch Äste und Rindenteile verarbeitet werden.

Die räumlich begrenzte Glutbettzone und der ausgedehnte Gasraum ermöglichen eine durchwegs vollständige Ausbildung der Reduktionsprozesse, sodass das den Gasreaktor verlassende Holzrohgas nur geringe Mengen an Staub, Teer und Kondensaten beinhaltet. Die Aufbereitung des Holzrohgases für den Betrieb eines Verbrennungsmotors wird durch eine mehrstufige Aufbereitungsanlage gelöst. Diese besteht aus einem üblichen Massenträgheitsabscheider (Zyklon) zur Staubabscheidung, einem Gebläse mit Zentrifugalwirkung, einem Nassreiniger und einem Feinfilter. Das Gebläse saugt das Holzrohgas aus dem Gasreaktor und drückt es durch die folgenden Reinigungsstufen und scheidet gleichzeitig Mithilfe der Zentrifugalkraft grob Teer und Kondensate ab. Im Nassreiniger erfolgt eine abschliessende Reinigung und Abkühlung des Holzgases.

Im Feinfilter erfolgt noch eine Entfeuchtung, sodass das Holzgas bereit für den Betrieb eines Verbrennungsmotors ist.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung des Holzgasreaktors auf dem Prinzip der Querstromvergasung, wobei das Holzgas quer zur Bewegungsrichtung des Brennstoffes (Hackgut) strömt. Die Skizze ist nicht massstäblich und entspricht der ausgeführten Anlage. Fig. 2 zeigt die Holzgasaufbereitung der ausgeführten Anlage, welche in mehreren Stufen erfolgt. Fig. 3 zeigt die schematische, nicht massstäbliche Skizze des Gebläses mit Zentrifugalwirkung. Fig. 4 zeigt schematisch und nicht massstäblich die Nassreinigungsanlage.

Ausführungsbeispiel

Der Holzgasreaktor ist ein auf Stellfüsse 11 gestellter, geschlossener Hohlzylinder. Dieser ist unterteilt in einen Brennstoffraum 1 und in einen Gasraum 2. Die Aufteilung

Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger 3 des Volumens zwischen Brennstoffraum und Gasraum ist ca. 2/3 zu 1/3. An der oberen Stirnseite des Zylinders befindet sich auf der Seite des Brennstoffraumes ein Deckel zur Brennstoffzufuhr 6 in dichter Ausführung. In der ausgeführten Anlage erfolgt die Brennstoffzufuhr manuell. Eine Nachbefüllung während dem laufenden Betrieb ist dabei möglich, wobei darauf zu achten ist, dass der Deckel 6 nicht zu lange offen bleibt. Die Anlage könnte auch mit einer automatischen Brennstoffzufuhr ausgestattet werden, es ist lediglich darauf zu achten, dass der Reaktor luftdicht bleibt. Am unteren Ende des Brennstoffraumes verjüngt sich dieser im Fliesstrichter 3 zum Rost 8. Dadurch ist ein reibungsloser Brennstofffluss gewährleistet. Die ausgeführte Anlage besitzt eine Förderschnecke 7 um Störungen im Brennstofffluss aufzulösen.

Diese Förderschnecke wurde jedoch im Betrieb in keinem Fall benötigt. Die Maschenweite des Rostes ist an die Körnung des Brennstoffes anzupassen. Unter dem Rost befindet sich die Aschenlade 9 ebenfalls in luftdichter Ausführung.
<EMI ID=3.1>

Fig. 1

Die heisse Glutbettzone des Oxidationsprozesses befindet sich am unteren Ende des Fliesstrichters über dem Rost. Die Primäriuftzufuhr 4 für den Oxidationsprozess erfolgt von zwei Seiten. Auf der einen Seite gelangt die Primärluft direkt in die Glutbettzone 14. Auf der anderen Seite gelangt die Primärluftzuleitung in den Gasraum, teilt sich dort und führt die Primärluft jeweils von beiden Seiten von der Längsseite an den Rost. Beim Durchgang durch den Gasraum wird dabei die Primärluft vorgewärmt. Die

Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger 4 Primärluftzuleitungen sind etwas Richtung Rost geneigt, damit keine Kondensate über die Zuleitungen nach aussen gelangen können (Brandgefahr!). In der Glutbettzone wird die thermische Energie für die Oxidationsprozesse bereitgestellt. Durch die Gestaltung des Fliesstrichters samt Rost und Primäriuftzufuhr kann die räumliche Ausdehnung der birnenförmigen, heissen Oxidationszone gut gesteuert und begrenzt werden. Von der heissen Glutbettzone gelangen die Oxidationsprodukte über ein Fenster 10 in der Trennwand zwischen Brennstoffraum 1 und Gasraum 2 in den Gaszwischenraum 12 und von hier aus in den Gasraum 2. Das Fenster 10 hat in der ausgeführten Anlage eine Grösse von ca. 100x150mm. Die Öffnung zwischen Gaszwischenraum und Gasraum ist etwas kleiner. Im Gaszwischenraum und Gasraum laufen die Reduktionsprozesse ab.

Der Gaszwischenraum soll ein Rückzünden der Reduktionsgase über die Primärluftzuleitungen bei Entnahmestop verhindern. Am oberen Ende des Gasraumes befindet sich der Entnahmestutzen 5 für das Holzrohgas.

In der Aschenlade des Holzgasreaktors, welcher so wie der gesamte Reaktor luftdicht ausgeführt sein muss, sammeln sich aufgrund der vollständigen Verbrennung nur sehr geringe Mengen an Asche ab. Der grösste Anteil an Teer und Kondensaten wird bereits im Gebläse mit Zentrifugalwirkung abgeschieden, sodass das Wasser der Nassreinigung nur gering belastet wird. Die birnenförmige Glutbettzone passt sich in der räumlichen Ausbreitung auf die Gasentnahme an. Bei höherer Gasentnahme wird eine höhere Menge Primärluft angesaugt und die Oxidationszone breitet sich weiter aus.

Für die Nutzung des Holzgases zum Antrieb eines Ottomotors ist eine Gasaufbereitung notwendig. Diese besteht aus einer Abkühlung zur Erhöhung der Energiedichte und einer Reinigung von Staub- und Aschepartikeln sowie Kondensaten.

Vom Holzgasreaktor gelangt das Holzrohgas in einen Zyklon, wo das Gas mittels Zentrifugalkraft von Staubteilchen befreit wird. Im Anschluss daran befindet sich ein Gebläse mit Zentrifugalwirkung. Dieses Gebläse saugt einerseits das Holzgas aus dem Gasreaktor und drückt es durch die folgenden Aufbereitungsstufen. Nach dem Gebläse befindet sich die Nassreinigung. Im Nassreiniger wird das Holzgas durch ein Wasserbad geblasen, dies hat einen reinigenden und kühlenden Effekt. In der letzten Reinigungsstufe des Feinfilters erfolgt eine Entfeuchtung sowie abschliessende Abscheidung von Kondensaten. Der Feinfilter ist in der ausgeführten Anlage ein mit Holzwolle befüllter Behälter.

Holzrohgas von Gasreaktor

-

1

MassenträgheitsZentrifuge,

- > abscheider (Zyklon) Geblase
<EMI ID=4.1>

Nassreiniger

Feinfilter

I

Holzgas zu Ottomotor

Flg.2

Das Gebläse wird von einem Elektromotor 15 angetrieben und besteht aus zwei Kammern 21, 23. Das Holzrohgas vom Zyklon kommend strömt über den Ansaugstutzen 16 in die erste Kammer 21. Die erste Kammer (Schnittbild A) ist als

Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger Zentrifuge ausgeführt und besteht aus vier gekrümmten Schaufeln 19 auf einer an der Achse montierten Platte. Die Aufgabe der Zentrifuge ist Kondensate und Teeranteile an die Aussenwand zu schleudern und über das bodenseitige Rohr abzuleiten. Zwischen erster und zweiter Kammer befindet sich eine Trennwand mit einer Öffnung in Achsnähe. So ist das Gas gezwungen die Montageplatte der Schaufeln (19) zu umstreifen und zurück durch die achsnahe Öffnung der Trennwand in die zweite Kammer zu gelangen. Durch diese Umleitung erfolgt eine gute Abscheidung der Teer- und Kondensatanteile. In der zweiten Kammer (Schnittbild B) befinden sich acht gerade Schaufeln 22 ebenfalls auf einer Platte montiert. Die Aufgabe dieser Schaufeln ist die, eine Gebläsewirkung bereitzustellen.

An beiden Kammern befinden sich bodenseitig Abflüsse für Teer und Kondensate, welche im Abscheidebehälter 18 gesammelt werden. An der zweiten Kammer befindet sich diese Ableitung am unteren Knickpunkt 20 der Gasableitung 17.

B [iota]

A ^i <:>

150
<EMI ID=5.1>

B

Fig. 3

Diese besteht aus einem teilweise mit Wasser befüllten, geschlossenen Zylinder. Die Gaszuführung 24 erfolgt von unten ansteigend in die Mitte des Zylinders mit der Rohröffnung oberhalb des Wasserspiegels. Über diese Rohröffnung ist ein hutförmiger Zylinder 25 gestülpt, der ca. 30mm in das Wasser reicht. Reicht der Zylinder tiefer ins Wasser, so steigt der Widerstandsdruck der Gasdurchleitung. Reicht der Zylinder dagegen weniger als 30mm ins Wasser, so sinkt die Reinigungswirkung. Mittels der doppelschirmförmigen Abdeckung 28 wird das Gas zwangsweise umgeleitet und ein beträchtlicher Anteil der Feuchte im Gas wird hier bereits abgeschieden. Die Anlage besitzt ein Schauglas 27 zur Wasserstandskontrolle. Die Gasableitung 26 erfolgt am oberen Ende des Behälters.

Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger

Claims

Patentansprüche

(1) Anlage zur Erzeugung von Holzgas, wobei ein Holzgasreaktor zur Anwendung kommt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein stehender Hohizylinder dicht ausgeführt ist und durch eine Trennwand in Brennstoffraum (1) und Gasraum (2) unterteilt ist, wobei das Volumenverhältnis ca. 2/3 zu 1/3 ist und im unteren Teil des Brennstoffraumes dieser trichterförmig zur Glutbettzone (3) mit Rost (8) und Aschenlade (9) zusammenläuft sowie der Primäriuftzufuhr (4) die einerseits direkt in die Glutbettzone (14) und andererseits die Zuleitung über den Gasraum aufgeteilt jeweils auf die Längsseite der Glutbettzone (13) geführt wird und der Ableitung der Oxidationsprodukte durch ein Fenster (10) in der Trennwand zwischen Brennstoffraum und Gasraum, der Anbringung eines Gaszwischenraumes (12) sowie der Gasableitung (5) am oberen Ende des Gasraumes.
(2) Anlage zur Erzeugung von Holzgas, wobei eine mehrstufige Aufbereitungsanlage zur Anwendung kommt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Holzrohgas aus dem Holzgasreaktor in einen Massenträgheitsabscheider (Zyklon) geleitet wird und danach von einem zweistufigen Gebläse angesaugt wird, welches zusätzlich als Zentrifuge zur Teer- und Kondensatabscheidung fungiert, sowie das Holzgas durch das Gebläse anschliessend in einen Nassreiniger und abschliessend in einen Feinfilter gedrückt wird.
(3) Anlage zur Erzeugung von Holzgas nach Anspruch 2, wobei ein Gebläse zur Anwendung kommt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei Kammern (21 ,23) ausgeführt sind, welche durch eine Trennwand geteilt sind, die in Achsnähe eine Öffnung besitzt und welches in der ersten, saugseitigen Kammer (21) in Achsrichtung gekrümmte Schaufeln (19) besitzt welche auf einer trennwandseitigen Grundplatte montiert sind sowie in der zweiten, druckseitigen Kammer (23) gerade Schaufeln (22) besitzt welche ebenfalls auf einer Grundplatte montiert sind und bodenseitig in beiden Kammern eine Teer- und Kondensatableitung (18) besitzt welche in der Ableitung der zweiten Kammer im untersten Knickpunkt (20) der Gasableitung (17) erfolgt.
(4) Anlage zur Erzeugung von Holzgas nach Anspruch 2 wobei eine Nassreinigungsanlage zur Anwendung kommt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Holzgas seitlich von unten ansteigend (24) in den Behälter über den Wasserspiegel geleitet wird und über die Gaseinleitung ein hutförmiger Zylinder (25) gestülpt ist, welcher in das Wasser ragt sowie einer sich über dem Wasserspiegel befindlichen doppelschirmförmigen Abdeckung (28).

Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger 8 Patentanspruch^ tH^Anla[alpha]e zur Erzeugung von Holzgas, wobei ein Holzgasreaktor zur ^Anwendung kommt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass en stehender Hohizylinder luftdicht ausgeführt ist und durch eine Trennwand n Brennstoffraum (1) und Gasraum (2) unterteilt ist, wobe das Volumenverhältnis ca. 2/3 zu 1/3 ist und im l unteren Te[Lambda] des Brennstoffraumes dieser trichterförmig zur Glutbettzone (3) mt Rost (8) und AscheS (9) zusammenläuft sowie der Primäriuftzufuhr (4) die enersets dSkt in di Glutbettzone (14) und andererseits die Zuleitung Ober den

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Rudolf Berger/Dr. Manfred Berger

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