EP1485448A2 - Vorrichtung und ein verfahren zur erzeugung von gas - Google Patents

Vorrichtung und ein verfahren zur erzeugung von gas

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EP1485448A2
EP1485448A2 EP02742810A EP02742810A EP1485448A2 EP 1485448 A2 EP1485448 A2 EP 1485448A2 EP 02742810 A EP02742810 A EP 02742810A EP 02742810 A EP02742810 A EP 02742810A EP 1485448 A2 EP1485448 A2 EP 1485448A2
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EP
European Patent Office
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fluidized bed
heating tubes
heating
reactor
gas
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Withdrawn
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EP02742810A
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English (en)
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Hubertus Winkler
Rolf Schmitt
Harald Hensler
Helmut WÖRZ
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Bu Bioenergie & Umwelttechnik AG
Original Assignee
Bu Bioenergie & Umwelttechnik AG
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Publication date
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    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1807—Recycle loops, e.g. gas, solids, heating medium, water

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating gas, in particular hydrogen-rich synthesis gas from biogenic or other carbon-containing material, the material being gasified allothermally in a reactor to produce a fluidized bed and the fluidized bed being heated.
  • Biogenic substances such as biomass, organic waste, sewage sludge or liquid manure, animal waste and other carbon-containing compounds are gasified using different processes and devices.
  • Autothermal heating means direct heating of the material to be gasified, for example by combustion with air or oxygen.
  • Autothermal systems are mainly implemented for small, decentralized applications and can only be used to a very limited extent with regard to downstream work machines due to the tar produced during the gasification reaction and the low calorific value of the gas generated. Gas engines can be significantly damaged by the tar in the gas produced.
  • the material to be gasified is indirectly heated by external heat.
  • external heat For example, it is conceivable to heat the walls of a reactor and thus transfer the heat to the material to be gasified.
  • water vapor gasification in a fluidized bed reactor supplies medium to high calorific gases with a high hydrogen content.
  • gas generated from biogenic substances corresponds to the syngas known in the chemical and petrochemical industry.
  • This gas offers great advantages in terms of energy use, since it has a very low tar content but a high hydrogen content having.
  • a gas of this composition can be used particularly well to generate electrical and thermal energy.
  • the heat can be introduced into the material to be gasified by circulating hot bed material.
  • the bed material is heated externally to high temperatures.
  • the second known method for introducing the required heat of reaction uses heating surfaces which are integrated into the fluidized bed of a fluidized bed reactor.
  • the external heating of bed material can result in high heat losses, so that complex insulation measures are necessary to prevent heat loss.
  • the other known technology which aims to integrate heating surfaces into the fluidized bed, geometrically complicated, extensive heating surfaces often have to be formed in order to realize a large heat exchange surface and an effective heat transfer. Because of these requirements for the heating surfaces, they have to be manufactured in a complex manner and often represent a considerable flow resistance in the fluidized bed.
  • the heating surfaces are often heated by external energy sources, for example electrically, and in this case large energy losses due to resistances, Thermal bridges or similar transport losses arise.
  • the present invention is therefore based on the object of designing a device and a method of the type mentioned at the outset and to further develop that an economical and effective production of gas can be realized.
  • a device for generating gas is characterized in that heating pipes in the area of the fluidized bed extend at least partially through the fluidized bed.
  • heating tubes enables a wide variety of media to be passed through the heating tubes, the media being able to heat the heating tubes. All fluid media are conceivable, so that a particularly effective heat transfer is made possible by choosing an appropriate flow rate of the media.
  • the use of heating pipes allows a high throughput of fluid, hot media, so that cooling of the heating pipes can be prevented very easily. As a result, effective heat transfer to the material to be gasified is possible.
  • heating tubes can be positioned in a fluidized bed reactor without any problems, since, owing to their aerodynamically favorable geometry, they hardly disturb the fluidized bed. It has also been ingeniously recognized that the use of heating tubes realizes a particularly high availability of the reactor, since each heating tube can be replaced and repaired individually without switching off the reactor.
  • a device for generating gas is specified in which an economical and effective generation of gas is realized.
  • the heating tubes could extend through the entire fluidized bed. With this configuration, an optimized heat transfer is also possible in the center of the reactor or the fluidized bed, since the heating tubes are, for example extend from one reactor wall to the opposite. A cylindrical configuration of the reactor or a configuration as a sphere is of course also possible.
  • the heating pipes could be oriented horizontally. This ensures that heat radiation can be emitted vertically upwards over a maximum area and thus a particularly effective heat transfer from the heating pipes to the material is possible.
  • the heating pipes could be oriented vertically. This embodiment realizes a low flow resistance, since flows running from bottom to top can form streamlines along the heating pipes.
  • the heating pipes could be oriented parallel to one another. In this way, for example in the case of vertical arrangement of the heating tubes, it is possible to stabilize the flow in the fluidized bed, since the tubes serve as a guide for the streamlines.
  • the heating tubes could form one or more different angles with the horizontal.
  • the effective heat radiation surface of the heating pipes acting vertically upwards can be set, so that areas of different heat radiation can be defined in the reactor.
  • the heating pipes could also enclose one or more different angles with one another.
  • the heating tubes could form the sides of a triangle or rectangle. This ensures that the material can flow through the surfaces spanned by the triangles or quadrilaterals. Here, the material can reach high speeds and is only disturbed by the pipes in its movement.
  • the heating pipes could be arranged in a star shape.
  • the tubes could converge in the middle of the star in a beam and touch or define a round or other shaped opening with their ends. If an opening is formed, a focusing effect on the flow of the fluidized bed can occur can be achieved, which causes a particularly suitable speed profile with regard to the gasification reaction. Material can pass through the opening at high speed and collide with other hot material particles. As a result, special effects can be achieved in certain reactions at phase interfaces, which can bring about an increase in sales.
  • the heating tubes could be arranged in mutually parallel or inclined planes. This configuration results in an even temperature distribution in the reactor.
  • the material to be gasified can collide several times in succession with the hot surfaces of the heating pipes and be stimulated to react.
  • the surfaces of heating tubes which only partially protrude into the fluidized bed and do not extend from the reactor wall to the reactor wall overlap those of other heating tubes.
  • the heating pipes could be heated by a flame burning in the heating pipe to radiate heat.
  • This specific configuration enables a uniform temperature profile along a heating tube, since the flame can burn in an elongated form along the heating tube. In this respect, there is no temperature gradient along the heating pipe.
  • a flame burning in the heating pipe can heat the heating pipe to such an extent that the radiant heat from the heating pipe enables effective heat transfer to the material to be gasified.
  • the wavelength of the thermal radiation can be influenced.
  • free convection can occur in the fluidized bed due to density differences within the fluidized bed. For example, it is conceivable that the density of the fluidized bed in the immediate vicinity of a heating pipe is significantly lower than at some distance.
  • the heat transfer coefficient could be significantly influenced by the resulting convection, which can ultimately have a positive effect on the effectiveness of the entire process.
  • the heating pipes could be heated by burning gas.
  • gas advantageously makes it possible that even process gas generated in the gasification process can be circulated and used for heating material to be gasified.
  • a modification of the flame could be created by adding air to the heating tubes. The addition of air could change the gas concentration and thus the temperature of the flame, so that the radiation characteristics of the heat radiation can be influenced. It is also conceivable that the air is supplied at a certain flow rate, so that the shape of the flame within the heating tube is modeled by the air flow. The shape of the flame has a significant influence on the heat transfer from the flame to the heating tube material.
  • Gases could be conducted in countercurrent in the heating pipes. This measure has the advantage that the temperatures of different gases can be used to heat or cool the heating pipes. For example, it is conceivable that hot gases flow along one side of the heating tube and cool gases along another. A spiral guide around the axis of the heating tube is also conceivable, which enables a particularly uniform temperature distribution in the entire heating tube.
  • Burnt gas especially flue gas
  • Burnt gas could be drawn out of the heating pipes in countercurrent to fresh gas to be burned. This measure effectively uses the temperature of the hot flue gas burned to heat the heating pipe and freshly supplied gas. In addition, a rapid supply of fuel to the flame is possible.
  • the temperature distribution in the fluidized bed and its fluidization could be adjusted by arranging the heating pipes in the reactor. It is conceivable that the heating tubes are arranged in any orientation within the reactor. For example, it is conceivable that the heating pipes define different levels in the fluidized bed. Triangular or rectangular fields or frames that are delimited by the heating pipes are also conceivable in any orientation. A suitable geometric arrangement of the heating pipes can prevent temperature gradients or unfavorable flows from forming inside the reactor. In this respect, an even temperature distribution and suitable swirling is always guaranteed.
  • the fluidized bed could be generated or fluidized by supplying water vapor. The use of water vapor in allothermal gasification processes enables the gas produced to be nitrogen-free and low in tar. In addition, it has a low dust load. The water vapor could be generated by waste heat from the process, the water vapor having a temperature between 650 ° C and 670 ° C degrees Celsius. This ensures an economic process while reducing the supply of external energy.
  • the water vapor could be introduced into the reactor from below.
  • This embodiment of the method effectively uses the effort of the water vapor to escape upwards, so that a fluidized bed is generated in a particularly favorable manner in terms of flow and energy.
  • the steam could be blown into the reactor through steam nozzles.
  • the provision of steam nozzles allows the fluidized bed to be modified so that the water vapor can be blown into the fluidized bed at different speeds.
  • various characteristic forms of the flow characteristics of the fluidized bed are conceivable, which can be adjusted depending on the application and reactivity of the material to be gasified.
  • the fluidized bed could be generated by injecting water vapor with the addition of the material to be gasified into the fluidized bed. This measure ensures that the material to be gasified is swirled immediately and is therefore subjected to heat exchange particularly quickly. This ensures that the desired reactions are particularly homogeneous and rapid.
  • a heating tube for radiating heat could be introduced.
  • the heat distribution could be adjusted both in the fluidized bed and in the rest of the reactor space through the heating tube. It is conceivable that there is a feedback between the individual heating pipes, which regulates the temperatures of the individual heating pipes according to a predetermined algorithm. It is advantageous here that overheating of the fluidized bed or similar undesirable effects can be regulated and controlled by an inherently dynamic process. In addition, suitable temperatures can be used to avoid or selectively limit undesirable post-reactions both in the fluidized bed and in the fluidized bed-free reactor space.
  • Solid particles could be introduced into the reactor space above the fluidized bed. Fine ash and coke particles in particular have a high surface area due to their very fine grain size and can therefore absorb heat radiation very well. The defined entry of solid particles in the expansion space allows very special reactions that can take place independently or overlaid to reactions in the fluidized bed.
  • the solid particles could be exposed to a higher temperature than that of the fluidized bed. This measure enables selective reactions which are not possible in the fluidized bed due to the lower temperature.
  • Particularly reactive gas components can advantageously be treated and possibly selectively subjected to a rapid aftertreatment.
  • a method for producing gas of the type mentioned at the outset is characterized in that heating tubes which extend at least partially through the fluidized bed are used in the region of the fluidized bed.
  • Fig. 1 is a sectional view of the reactor of the device, in which a
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the inventive method for
  • FIG. 1 shows a sectional view of the reactor 1 of the device, in which a fluidized bed 2 is generated.
  • the fluidized bed 2 is heated by individual heating tubes 3 which extend through the fluidized bed 2.
  • the heating tubes 3 are arranged one above the other, horizontally and parallel to one another in the fluidized bed 2 and extend through the entire fluidized bed 2.
  • the heating tubes 3 are heated by a flame burning in the heating tube 3 to radiate heat.
  • Gas 4 is introduced into the heating pipes 3 and is burned by a flame.
  • Air 5 is also supplied to the heating pipes. Flue gas 6 is led out of the heating pipes 3 in countercurrent to fresh gas 4.
  • the fluidized bed 2 is fluidized by supplying water vapor 7.
  • the steam 7 is introduced into the reactor 1 from below.
  • the steam 7 is blown into the reactor 1 through steam nozzles 8.
  • the material 9 to be gasified is added to the fluidized bed 2 while injecting water vapor 7.
  • the material 9 is gasified in the reactor 1 allothermally Gas 10 is generated.
  • the generated gas 10 leaves the reactor 1 at its upper end via an outlet and can be treated further.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the device in which a heating tube 11 is arranged in the reactor space above the fluidized bed 2.
  • the heat distribution both in the fluidized bed 2 and in the rest of the reactor space is adjusted by the heating tube 11. Undesired post-reactions are avoided by choosing suitable temperatures. Solids that are deposited on the bottom of the fluidized bed can optionally be removed by clocked slides.
  • Solid particles in particular ash or coke, are introduced into the reactor space above the fluidized bed 2. Due to their large surface area, the solid particles absorb heat radiation, the solid particles taking on a higher temperature than the fluidized bed temperature. This increases the conversion of carbon, which leads to an increase in the efficiency of gasification.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gas (10), insbesondere von wasserstoffreichem Synthesegas aus biogenem oder sonstigem kohlenstoffhaltigen Material (9), wobei das Material (9) in einem Reaktor (1) unter Erzeugung einer Wirbelschicht (2) allotherm vergast und wobei die Wirbelschicht (2) beheizt wird, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine ökonomische und effektive Erzeugung von Gas zu realisieren, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Wirbelschicht (2) Heizrohre (3) zumindest teilweise durch die Wirbelschicht (2) hindurch erstrecken. Des Weiteren ist ein Verfahren zur Erzeugung von Gas (10), insbesondere von wasserstoffreichem Synthesegas aus biogenem oder sonstigem kohlenstoffhaltigen Material (9), angegeben, wobei das Material (9) in einem Reaktor (1) unter Erzeugung einer Wirbelschicht (2) allotherm vergast und wobei die Wirbelschicht (2) beheizt wird und wobei zur Beheizung der Wirbelschicht (2) sich zumindest teilweise durch die Wirbelschicht (2) hindurch erstreckende Heizrohre (3) verwendet werden.

Description

„Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Gas'
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Gas, insbesondere von wasserstoffreichem Synthesegas aus biogenem oder sonstigem kohlenstoffhaltigen Material, wobei das Material in einem Reaktor unter Erzeugung einer Wirbelschicht allotherm vergast und die Wirbelschicht beheizt wird.
Vorrichtungen und Verfahren der in Rede stehenden Art sind aus der Praxis bereits bekannt. So werden biogene Stoffe wie Biomasse, Biomüll, Klärschlamm oder Gülle, tierische Abfälle und sonstige kohlenstoffhaltige Verbindungen mit unterschiedlichen Verfahren und Vorrichtungen vergast.
Als wesentliche Verfahren sind hier sogenannte autotherme und allotherme Vergasungen bekannt. Unter einer autothermen Beheizung versteht man eine direkte Beheizung des zu vergasenden Materials, beispielsweise durch Verbrennung mit Luft oder Sauerstoff. Autotherme Systeme werden hauptsächlich für kleine dezentrale Anwendungen realisiert und sind aufgrund des bei der Vergasungsreaktion anfallenden Teers sowie des geringen Heizwerts des erzeugten Gases nur sehr eingeschränkt hinsichtlich nachgeschalteter Arbeitsmaschinen einsetzbar. Gasmotoren können durch den Teer im erzeugten Gas erheblich geschädigt werden.
Bei allothermen Vergasungsverfahren erfolgt eine indirekte Beheizung des zu vergasenden Materials durch Fremdwärme. Beispielsweise ist denkbar, die Wände eines Reaktors zu erhitzen und so die Wärme auf das zu vergasende Material zu übertragen.
Vor diesem Hintergrund liefert die Wasserdampfvergasung in einem Wirbelschichtreaktor mittel- bis hochkalorische Gase mit hohem Wasserstoff anteil. Aus biogenen Stoffen erzeugtes Gas entspricht aufgrund seiner wesentlichen Komponenten, die Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umfassen, den in der chemischen und petrochemischen Industrie bekannten Syn|hesegasen. Dieses Gas bietet hinsichtlich der energetischen Nutzung große Vorteile, da es einen sehr geringen Teeranteil aber einen hohen Wasserstoff anteil aufweist. In Gasmotoren, Gasturbinen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen kann ein Gas dieser Zusammensetzung besonders gut zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie verwendet werden.
Um ein solches hochenergetisches Gas zu erzeugen, muss bei endothermen Vergasungsreaktionen Wärme in den Vergasungsreaktor eingebracht werden, ohne eine Verdünnung des zu erzeugenden Gases zu bewirken. Hierzu sind aus der Praxis zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahrensweisen bekannt:
Im Vergasungsreaktor kann durch Zirkulation von heißem Bettmaterial die Wärme in das zu vergasende Material eingebracht werden. Das Bettmaterial wird dabei extern auf hohe Temperaturen aufgeheizt.
Die zweite bekannte Methode zum Einbringen der erforderlichen Reaktionswärme verwendet Heizflächen, die in das Wirbelbett eines Wirbelschichtreaktors integriert sind.
Diese bekannten Technologien und Vorrichtungen, die bei allothermen Vergasungsverfahren in Wirbelschichtreaktoren Anwendung finden, sind jedoch in vielerlei Hinsicht nachteilig.
Bei der externen Beheizung von Bettmaterial können hohe Wärmeverluste auftreten, so dass hier aufwendige Isolierungsmaßnahmen notwendig sind, um den Wärmeverlust zu verhindern. Bei der anderen bekannten Technologie, die darauf abstellt Heizflächen in das Wirbelbett zu integrieren, müssen oftmals geometrisch komplizierte, ausgedehnte Heizflächen ausgebildet werden, um eine große Wärmeaustauschfläche und einen effektiven Wärmeübergang zu realisieren. Aufgrund dieser Anforderungen an die Heizflächen, müssen diese aufwendig gefertigt werden und stellen häufig einen erheblichen Strömungswiderstand in der Wirbelschicht dar. Darüber hinaus ist nachteilig, dass die Heizflächen oft über externe Energiequellen, bspw. elektrisch, erwärmt werden und hierbei große Energieverluste infolge von Widerständen, Wärmebrücken oder ähnlichen Transportverlusten entstehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine ökonomische und effektive Erzeugung von Gas realisierbar ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gas mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gas dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Wirbelschicht Heizrohre zumindest teilweise durch die Wirbelschicht hindurch erstrecken.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass durch die Verwendung einzelner Heizrohre eine Wärmeübertragung auch mit kleinen Heizflächen einfacher Geometrie möglich ist. Insofern ist eine aufwendige Fertigung vermieden.
Darüber hinaus ist erkannt worden, dass die Verwendung von Heizrohren ein Durchleiten verschiedenster Medien durch die Heizrohre ermöglicht, wobei die Medien die Heizrohre erhitzen können. Sämtliche fluiden Medien sind denkbar, so dass durch Wahl einer entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit der Medien eine besonders effektive Wärmeübertragung ermöglicht ist. Die Verwendung von Heizrohren erlaubt einen hohen Durchsatz fluider, heißer Medien, so dass ein Abkühlen der Heizrohre sehr leicht unterbunden werden kann. Folglich ist eine effektive Wärmeübertragung auf das zu vergasende Material möglich.
Schließlich ist erkannt worden, dass Heizrohre problemlos in einem Wirbelschichtreaktor positioniert werden können, da sie aufgrund ihrer strömungstechnisch günstigen Geometrie die Wirbelschicht nahezu nicht stören. In raffinierter Weise ist auch erkannt worden, dass die Verwendung von Heizrohren eine besonders hohe Verfügbarkeit des Reaktors realisiert, da jedes Heizrohr einzeln ausgewechselt und repariert werden kann, ohne den Reaktor abzuschalten.
Folglich ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gas angegebenen, bei dem eine ökonomische und effektive Erzeugung von Gas realisiert ist.
Die Heizrohre könnten sich durch die gesamte Wirbelschicht hindurch erstrecken. Durch diese Ausgestaltung ist eine optimierte Wärmeübertragung auch im Zentrum des Reaktors bzw. der Wirbelschicht möglich, da sich die Heizrohre beispielsweise von einer Reaktorwand zur gegenüberliegenden erstrecken. Hierbei ist selbstverständlich auch eine zylinderförmige Ausgestaltung des Reaktors oder eine Ausgestaltung als Kugel möglich.
Die Heizrohre könnten horizontal orientiert sein. Hierdurch ist gewährleistet, dass Wärmestrahlung über eine maximale Fläche vertikal nach oben abgegeben werden kann und somit ein besonders effektiver Wärmeübergang von den Heizrohren auf das Material möglich ist.
Die Heizrohre könnten vertikal orientiert sein. Diese Ausgestaltung realisiert einen geringen Strömungswiderstand, da von unten nach oben verlaufende Strömungen längs der Heizrohre Stromlinien ausbilden können.
Die Heizrohre könnten parallel zueinander orientiert sein. Hierdurch ist beispielsweise im Fall vertikaler Anordnung der Heizrohre eine Stabilisierung der Strömung in der Wirbelschicht möglich, da die Rohre als Führung für die Stromlinien dienen.
Die Heizrohre könnten einen oder mehrere verschiedene Winkel mit der Horizontalen einschließen. Je nach Wahl des Winkels kann die vertikal nach oben wirkende effektive Wärmestrahlungsfläche der Heizrohre eingestellt werden, so dass hierbei Bereiche unterschiedlicher Wärmestrahlung im Reaktor definierbar sind. Vor dem Hintergrund dieses Effekts könnten die Heizrohre auch miteinander einen oder mehrere verschiedene Winkel einschließen.
Die Heizrohre könnten die Seiten eines Dreiecks oder Rechtecks bilden. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Material durch die von den Dreiecken oder Vierecken aufgespannten Flächen hindurchströmen kann. Hierbei kann das Material hohe Geschwindigkeiten erreichen und wird nur im Randbereich durch die Rohre in seiner Bewegung gestört.
Die Heizrohre könnten sternförmig angeordnet sein. Die Rohre könnten in der Mitte des Sterns strahlförmig zusammenlaufen und sich berühren oder mit ihren Enden eine runde oder anders geformte Öffnung definieren. Wenn eine Öffnung ausgebildet wird, kann ein Fokussierungseffekt der Strömung der Wirbelschicht erzielt werden, der ein hinsichtlich der Vergasungsreaktion besonders geeignetes Geschwindigkeitsprofil bewirkt. Durch die Öffnung kann Material mit hoher Geschwindigkeit passieren und mit anderen heissen Materialteilchen kollidieren. Hierdurch sind bei bestimmten Reaktionen an Phasengrenzflächen besondere Effekte erzielbar, die eine Umsatzsteigerung bewirken können.
Die Heizrohre könnten in zueinander parallelen oder geneigten Ebenen angeordnet sein. Diese Ausgestaltung bewirkt eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Reaktor. Darüber hinaus kann das zu vergasende Material mehrmals hintereinander mit den heissen Flächen der Heizrohre kollidieren und zur Reaktion angeregt werden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass sich die Flächen von Heizrohren, die nur teilweise in die Wirbelschicht hineinragen und sich nicht von Reaktorwand zu Reaktorwand erstrecken, mit denen anderer Heizrohre überlappen.
Die Heizrohre könnten durch eine im Heizrohr brennende Flamme zur Abstrahlung von Wärme erhitzt werden. Diese konkrete Ausgestaltung ermöglicht ein gleichmäßiges Temperaturprofil entlang eines Heizrohrs, da die Flamme in gestreckter Form entlang des Heizrohrs brennen kann. Insofern entsteht kein Temperaturgradient entlang des Heizrohrs. Eine im Heizrohr brennende Flamme kann das Heizrohr so stark erhitzen, dass durch die AbStrahlungswärme des Heizrohrs ein effektiver Wärmeübergang in das zu vergasende Material möglich ist. Je nach Temperatur der Flamme kann die Wellenlänge der Wärmestrahlung beeinflusst werden. Vorteilhaft ist auch, dass in der Wirbelschicht eine freie Konvektion aufgrund von Dichteunterschieden innerhalb der Wirbelschicht entstehen kann. So ist beispielsweise denkbar, dass die Dichte der Wirbelschicht in der unmittelbaren Nähe eines Heizrohrs deutlich geringer ist als in einiger Entfernung. Die Wärmeübergangszahl könnte durch die entstehende Konvektion erheblich beeinflusst werden, wodurch letztlich die Effektivität des gesamten Verfahrens positiv beeinflusst werden kann.
Die Heizrohre könnten durch Verbrennen von Gas erhitzt werden. Die Verwendung von Gas ermöglicht vorteilhaft, dass sogar im Vergasungsprozess entstandenes Prozessgas im Kreis gefördert werden kann und zur Erhitzung zu vergasenden Materials verwendet werden kann. Eine Modifizierung der Flamme könnte dadurch erzeugt werden, dass den Heizrohren Luft zugeführt wird. Die Zuführung von Luft könnte die Gaskonzentration und damit die Temperatur der Flamme ändern, so dass die Abstrahicharakteristik der Wärmestrahlung beeinflusst werden kann. Darüber hinaus ist denkbar, dass die Luft unter einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird, so dass die Form der Flamme innerhalb des Heizrohrs durch die Luftströmung modelliert wird. Die Form der Flamme hat erheblichen Einfluss auf den Wärmeübergang aus der Flamme auf das Heizrohrmaterial.
In den Heizrohren könnten Gase im Gegenstrom geführt werden. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Temperaturen verschiedener Gase genutzt werden können, um die Heizrohre zu erwärmen oder abzukühlen. Beispielsweise ist denkbar, dass an einer Seite des Heizrohrs heiße, an einer anderen kühle Gase entlang strömen. Auch eine spiralförmige Führung um die Achse des Heizrohrs ist denkbar, wodurch eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Heizrohr möglich ist.
Verbranntes Gas, insbesondere Rauchgas, könnte in Gegenstrom zu frischem, zu verbrennendem Gas aus den Heizrohren herausgeführt werden. Durch diese Maßnahme wird die Temperatur verbrannten heißen Rauchgases effektiv zur Erwärmung des Heizrohrs und frisch zugeführten Gases genutzt. Darüber hinaus ist eine rasche Versorgung der Flamme mit Brennstoff möglich.
Die Temperaturverteilung in der Wirbelschicht und deren Fluidisierung könnten durch die Anordnung der Heizrohre im Reaktor eingestellt werden. Dabei ist denkbar, dass die Heizrohre in jeglicher Orientierung innerhalb des Reaktors angeordnet sind. Beispielsweise ist denkbar, dass die Heizrohre verschiedene Ebenen in der Wirbelschicht definieren. Auch dreieckige oder rechteckige Felder oder Rahmen, die durch die Heizrohre begrenzt werden, sind in jeglicher Orientierung denkbar. Durch eine geeignete geometrische Anordnung der Heizrohre kann vermieden werden, dass sich innerhalb des Reaktors Temperaturgradienten oder ungünstige Strömungen ausbilden. Insofern ist immer eine gleichmäßige Temperaturverteilung und geeignete Verwirbelung gewährleistet. Die Wirbelschicht könnte durch Zufuhr von Wasserdampf erzeugt bzw. fluidisiert werden. Die Verwendung von Wasserdampf bei allothermen Vergasungsverfahren ermöglicht, dass das erzeugte Gas stickstofffrei und teerarm ist. Darüber hinaus weist es eine geringe Staubfracht auf. Der Wasserdampf könnte durch Abwärme aus dem Verfahren erzeugt werden, wobei der Wasserdampf eine Temperatur zwischen 650° C und 670° C Grad Celsius aufweist. Hierdurch wird ein ökonomischer Prozess unter Verminderung von Fremdenergiezufuhr gewährleistet.
Der Wasserdampf könnte von unten in den Reaktor eingebracht werden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens nutzt in effektiver Weise das Bestreben des Wasserdampfs, nach oben zu entweichen, so dass in strömungstechnisch und energetisch besonders günstiger Weise eine Wirbelschicht erzeugt wird.
Der Wasserdampf könnte durch Dampfdüsen in den Reaktor eingeblasen werden. Die Vorkehrung von Dampfdüsen ermöglicht eine Modifizierung der Wirbelschicht dahingehend, dass der Wasserdampf mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in die Wirbelschicht eingeblasen werden kann. Insofern sind verschiedene charakteristische Ausprägungen der Strömungscharakteristik der Wirbelschicht denkbar, die je nach Anwendungsfall sowie Reaktivität des zu vergasenden Materials eingestellt werden kann.
Die Wirbelschicht könnte durch Eindüsen von Wasserdampf unter Zugabe des zu vergasenden Materials in die Wirbelschicht erzeugt werden. Diese Maßnahme stellt sicher, dass das zu vergasende Material sofort verwirbelt und dadurch besonders schnell einem Wärmeaustausch unterworfen wird. Hierdurch ist gewährleistet, dass die gewünschten Reaktionen besonders homogen und rasch ablaufen.
Im Reaktorraum über der Wirbelschicht, dem sogenannten „Freeboard" könnte ein Heizrohr zur Abstrahlung von Wärme eingebracht werden. Es könnte sich hierbei um ein Heizrohr mit Ummantelung handeln, wodurch das Heizrohr in besonders vorteilhafter Weise geschützt wird. Das Einbringen des Heizrohrs ermöglicht eine Einstellung der Wärmeverteilung zwischen Wirbelschicht und restlichem Reaktorraum, so dass sich im gesamten Reaktorraum kein unerwünschter Temperaturgradient bilden kann. Ganz im Gegenteil können beliebige Gradienten erzeugt werden, die es ermöglichen der Wirbelschicht ganz spezielle Strömungseigenschaften aufzuprägen.
Durch das Heizrohr könnte die Wärmeverteilung sowohl in der Wirbelschicht als auch im übrigen Reaktorraum eingestellt werden. Es ist denkbar, dass zwischen den einzelnen Heizrohren eine Rückkopplung besteht, die die Temperaturen der einzelnen Heizrohre nach einem vorgegebenen Algorithmus regelt. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine Überhitzung der Wirbelschicht oder ähnliche unerwünschte Effekte durch einen eigendynamischen Prozess regel- und steuerbar sind. Darüberhinaus können durch geeignete Temperaturen unerwünschte Nachreaktionen sowohl in der Wirbelschicht als auch im wirbelschichtfreien Reaktorraum vermieden oder selektiv begrenzt werden.
In den Reaktorraum über der Wirbelschicht könnten definiert Feststoffteilchen eingetragen werden. Gerade feine Asche- und Koksteilchen haben aufgrund Ihrer sehr feinen Körnung eine hohe Oberfläche und können daher sehr gut Wärmestrahlung absorbieren. Das definierte Eintragen von Feststoffteilchen in den Expansionsraum lässt ganz spezielle Reaktionen zu, die unabhängig oder überlagert zu Reaktionen in der Wirbelschicht ablaufen können.
Die Feststoffteilchen könnten mit einer höheren Temperatur als die der Wirbelschicht beaufschlagt werden. Diese Maßnahme ermöglicht selektive Reaktionen, die in der Wirbelschicht aufgrund geringerer Temperatur nicht möglich sind. In vorteilhafter Weise können besonders reaktive Gasbestandteile behandelt werden und eventuell selektiv einer zügigen Nachbehandlung unterworfen werden.
Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zur Erzeugung von Gas mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Erzeugung von Gas der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wirbelschicht sich zumindest teilweise durch die Wirbelschicht hindurch erstreckende Heizrohre verwendet werden.
Um Wiederholungen zu vermeiden sei hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Ausführungen bezüglich der Vorrichtung verwiesen. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht des Reaktors der Vorrichtung, in dem eine
Wirbelschicht erzeugt wird, und
Fig. 2 ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Reinigung von Gas, wobei eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung verwendet wird.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht den Reaktor 1 der Vorrichtung, in dem eine Wirbelschicht 2 erzeugt wird. Die Wirbelschicht 2 wird durch einzelne Heizrohre 3, die sich durch die Wirbelschicht 2 hindurch erstrecken, beheizt. Die Heizrohre 3 sind übereinander, horizontal und parallel zueinander in der Wirbelschicht 2 angeordnet und erstrecken sich durch die gesamte Wirbelschicht 2.
Die Heizrohre 3 werden durch eine im Heizrohr 3 brennende Flamme zur Abstrahlung von Wärme erhitzt. In die Heizrohre 3 wird Gas 4 eingeleitet, das durch eine Flamme verbrannt wird. Den Heizrohren wird außerdem Luft 5 zugeführt. Rauchgas 6 wird im Gegenstrom zu frischem Gas 4 aus den Heizrohren 3 herausgeführt.
Die Wirbelschicht 2 wird durch Zufuhr von Wasserdampf 7 fluidisiert. Der Wasserdampf 7 wird von unten in den Reaktor 1 eingebracht. Der Wasserdampf 7 wird durch Dampfdüsen 8 in den Reaktor 1 eingeblasen.
In die Wirbelschicht 2 wird unter Eindüsen von Wasserdampf 7 das zu vergasende Material 9 zugegeben. Das Material 9 wird im Reaktor 1 allotherm vergast, wobei Gas 10 erzeugt wird. Das erzeugte Gas 10 verlässt den Reaktor 1 an dessen oberen Ende über einen Auslass und kann weiterbehandelt werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei dem im Reaktorraum über der Wirbelschicht 2 ein Heizrohr 11 angeordnet ist. Die Wärmeverteilung sowohl in der Wirbelschicht 2 als auch im übrigen Reaktorraum wird durch das Heizrohr 11 eingestellt. Unerwünschte Nachreaktionen werden durch Wahl geeigneter Temperaturen vermieden. Feststoffe, die sich am Boden des Wirbelbetts ablagern, können optional durch getaktete Schieber entfernt werden.
In den Reaktorraum über der Wirbelschicht 2 werden definiert Feststoffteilchen, insbesondere Asche oder Koks, eingetragen. Die Feststoffteilchen absorbieren aufgrund ihrer großen Oberfläche Wärmestrahlung, wobei die Feststoffteilchen eine höhere Temperatur als die Wirbelschichttemperatur annehmen. Hierdurch wird die Umsetzung des Kohlenstoffs gesteigert, was zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Vergasung führt.
Abschließend sei hervorgehoben, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die beanspruchte Lehre erörtern, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Gas (10), insbesondere von wasserstoffreichem Synthesegas aus biogenem oder sonstigem kohlenstoffhaltigen Material (9), wobei das Material (9) in einem Reaktor (1) unter Erzeugung einer Wirbelschicht (2) allotherm vergast und die Wirbelschicht (2) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Wirbelschicht (2) Heizrohre (3) zumindest teilweise durch die Wirbelschicht (2) hindurch erstrecken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heizrohre (3) durch die gesamte Wirbelschicht hindurch erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) horizontal orientiert sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) vertikal orientiert sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) parallel zueinander orientiert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) einen oder mehrere verschiedene Winkel mit der Horizontalen und/oder miteinander einschließen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) die Seiten eines Dreiecks oder Rechtecks bilden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) sternförmig angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) in zueinander parallelen oder geneigten Ebenen angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) durch eine im Heizrohr (3) brennende Flamme zur Abstrahlung von Wärme erhitzbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) durch Verbrennen von Gas (4) erhitzbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass den Heizrohren (3) Luft (5) zuführbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Heizrohren (3) Gase im Gegenstrom führbar sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass verbranntes Gas (6), insbesondere Rauchgas, im Gegenstrom zu frischem, zu verbrennendem Gas aus den Heizrohren (3) herausführbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung in der Wirbelschicht (2) durch die Anordnung der Heizrohre (3) im Reaktor (1) einstellbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht (2) durch Zufuhr von Wasserdampf (7) erzeugbar bzw. fluidisierbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (7) von unten in den Reaktor (1) einbringbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (7) durch Dampfdüsen (8) in den Reaktor (1) einblasbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht (2) durch Eindüsen von Wasserdampf (7) unter Zugabe des zu vergasenden Materials (9) in die Wirbelschicht erzeugbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktorraum über der Wirbelschicht (2) ein Heizrohr (11) angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Heizrohr (11) die Wärmeverteilung sowohl in der Wirbelschicht (2) als auch im übrigen Reaktorraum einstellbar ist.
22. Verfahren zur Erzeugung von Gas (10), insbesondere von Wasserstoff reichem Synthesegas aus biogenem oder sonstigem kohlenstoffhaltigen Material (9), insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , wobei das Material (9) in einem Reaktor (1) unter Erzeugung einer Wirbelschicht (2) allotherm vergast und die Wirbelschicht (2) beheizt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Bereich der Wirbelschicht (2) sich zumindest teilweise durch die Wirbelschicht (2) hindurch erstreckende Heizrohre (3) verwendet werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) durch eine im Heizrohr (3) brennende Flamme zur Abstrahlung von Wärme erhitzt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (3) durch Verbrennen von Gas (4) erhitzt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass den Heizrohren (3) Luft (5) zugeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in den Heizrohren (3) Gase im Gegenstrom geführt werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass verbranntes Gas (6), insbesondere Rauchgas, im Gegenstrom zu frischem, zu verbrennendem Gas aus den Heizrohren (3) herausgeführt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung in der Wirbelschicht (2) durch die Anordnung der Heizrohre (3) im Reaktor (1) eingestellt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht (2) durch Zufuhr von Wasserdampf (7) erzeugt bzw. fluidisiert wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (7) von unten in den Reaktor (1) eingebracht wird.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (7) durch Dampfdüsen (8) in den Reaktor (1) eingeblasen wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht (2) durch Eindüsen von Wasserdampf (7) unter Zugabe des zu vergasenden Materials (9) in die Wirbelschicht erzeugt wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktorraum über der Wirbelschicht (2) ein Heizrohr (11) verwendet wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Heizrohr (11) die Wärmeverteilung sowohl in der Wirbelschicht (2) als auch im übrigen Reaktorraum eingestellt wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktorraum über der Wirbelschicht (2) definiert Feststoffteilchen eingetragen werden.
36. Verfahren nach Anspruch 35 dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffteil- chen mit einer höheren Temperatur als der Wirbelschichttemperatur beaufschlagt werden.
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