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Dokumentenidentifikation DE102009039920A1 10.03.2011
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung von Sauerstoff bei der Dampfreformierung von Biomasse
Anmelder Tetzlaff, Karl-Heinz, 65779 Kelkheim, DE
Erfinder Tetzlaff, Karl-Heinz, 65779 Kelkheim, DE
Vertreter COHAUSZ & FLORACK Patent- und Rechtsanwälte Partnerschaftsgesellschaft, 40211 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 03.09.2009
DE-Aktenzeichen 102009039920
Offenlegungstag 10.03.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.03.2011
IPC-Hauptklasse C10J 3/46  (2006.01)  A,  F,  I,  20090903,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse C10J 3/48  (2006.01)  A,  L,  I,  20090903,  B,  H,  DE
C10J 3/54  (2006.01)  A,  L,  I,  20090903,  B,  H,  DE
C10J 3/56  (2006.01)  A,  L,  I,  20090903,  B,  H,  DE
B01J 8/24  (2006.01)  A,  L,  I,  20090903,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Dargestellt und beschrieben wird eine Vorrichtung zur Nutzung von Sauerstoff zur thermochemischen Vergasung von Biomasse in mindestens einem Wirbelschichtreaktor, wobei im Wirbelbett des Wirbelschichtreaktors ein Körper angeordnet ist, der durch mindestens teilweiser Oxidation eines brennbaren Gases mit Sauerstoff beheizbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung von Sauerstoff in einem Prozess zur thermochemischen Vergasung von Biomasse in Wirbelschichtreaktoren zur Herstellung von Synthesegas.

Hintergrund der Erfindung

Die Herstellung von Synthesegas aus Biomasse ist eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Wasserstoffwirtschaft. Dabei wird die Energie überwiegend als Wasserstoff zu den Endverbrauchern transportiert. Ein Stromnetz wird in dieser wärmegeführten Energiewirtschaft dann nicht benötigt. Die als Strom geernteten Sonnenenergien müssen dann per Wasserelektrolyse zu Wasserstoff umgewandelt werden. Dabei entsteht zwangsläufig Sauerstoff. Dieser Sauerstoff kann für die thermochemische Vergasung von Biomasse nutzbar gemacht werden. Damit steht reiner Sauerstoff auch für kleinere Vergaser bis 200 MW kostengünstig zur Verfügung.

Stand der Technik

Der erste Schritt zur Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse besteht in der Herstellung von Synthesegas mittels Dampfreformierung. Dieser Prozess ist endotherm. Es muss also thermische Energie in den Prozess eingekoppelt werden. Das kann durch Teilverbrennung der Biomasse geschehen. Die Zufuhr von Sauerstoff in einen Reaktor bei einem Temperaturniveau von etwa 800°C ist aber nicht einfach, weil durch ein hohes Sauerstoffangebot die Ascheanteile der Biomasse aufschmelzen. Deshalb muss der Sauerstoff entweder mit Wasserdampf oder Stickstoff verdünnt sein oder die Biomasse muss als kleiner Anteil im inerten Bettmaterial in Form von kleinen Kokspartikeln vorliegen, welche die Wärme schnell an das Bettmaterial weitergeben. Deshalb werden Wirbelschichtreaktoren meistens mit Luft betrieben. Die bekannteste industrielle Anlage dieser Art befindet sich in Güssing, Österreich (Siehe: Zweibett Wirbelschichtvergasung in Güssung mit 2 MWe/4,5; MWt; R. Rauch, H. Hofbauer; Holzenergiesymposium 18th October 2002, ETH Zürich, Switzerland), Diese Anlage weist zwei Wirbelschichtreaktoren auf, die durch einen Sandkreislauf miteinander verbunden sind. Der Brenner genannte Reaktor wird mit Luft betrieben. Hier werden die Kokspartikel verbrannt und das umlaufende Sandbett auf ca. 950°C aufgeheizt. Die Temperatur der Kokspartikel kann unter diesen oxidierenden Bedingungen mehr als 1100°C betragen. Deshalb ist dieser Reaktortyp nur mit Holz sicher zu betreiben. Die Verwendung von halmgutartiger Biomasse würde auf Grund ihres niedrigen Ascheschmelzpunktes zur Verklumpung des Sandes führen. Für eine druckaufgeladene Vergasung, wie sie für die Herstellung von Wasserstoff vorteilhaft wäre, ist dieser Reaktortyp weniger gut geeignet. Im Prinzip kann man Wirbelschichtreaktoren auch autotherm durch direkte Zuführung von reinem Sauerstoff betreiben. In der Praxis wird dabei aber der Ascheschmelzpunkt von Biomasse überschritten, auch wenn der Sauerstoff zur Hälfte mit Wasserdampf verdünnt wird. Der autotherme Betrieb erfordert dann eine besondere Ausgestaltung der Sauerstoffzufuhr, wie sie in DE 102 42 594 A1 offenbart ist und einen speziellen Austrag für die aufgeschmolzene Asche. Diese Asche ist als Mineraldünger nicht verwertbar.

Mit reinem Sauerstoff ist also weder ein allothermer Betrieb wie beim Typ Güssing, noch ein autothermer Betrieb durch Eindüsen von reinem Sauerstoff möglich, ohne den Ascheschmelzpunkt zu überschreiten. Bereits ein Sauerstoffgehalt von 21% (Luft) ist problematisch.

Aufgabe der Erfindung und allgemeine Beschreibung

Es ist Aufgabe der Erfindung, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und die Nutzung von Sauerstoff für die Vergasung von Biomasse in Wirbelschichtreaktoren zu ermöglichen. Insbesondere soll reiner Sauerstoff für die Dampfreformierung von Biomasse mit niedrigem Ascheschmelzpunkt nutzbar gemacht werden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 sowie 7 bis 17 betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass man in die Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors eine Vielzahl von porösen Rohren einbringt und Sauerstoff so einführt, dass dieser mit dem Produktgas in den Poren der Rohre reagiert und die Rohre erwärmt. Die Wärme wird von den Rohren durch Wärmeübertragung an die Wirbelschicht abgegeben. Bedingt durch die große Oberfläche werden die Rohre nur wenig heißer als die Wirbelschicht. Dadurch wird auch Biomasse mit niedrigschmelzender Asche nutzbar.

Mit der vorliegenden Erfindung wird der direkte Kontakt von Sauerstoff mit den aus Biomasse gebildeten Kokspartikeln weitgehend vermieden. Erfindungsgemäß ist sowohl ein allothermer als auch ein autothermer Betrieb möglich. Unter Sauerstoff wird hier ein sauerstoffhaltiges Gas verstanden, vorzugsweise jedoch technisch reiner Sauerstoff.

Als Wirbelschicht wird hier jegliche Ausbildung von Reaktionszonen mit schwebenden Kokspartikeln verstanden, die sich aus Biomasse bilden. Das Wirbelbett kann inertes Material, wie Sand, enthalten, muss es aber nicht. Die Erfindung lässt sich auf eine klassische stationäre Wirbelschicht mit und ohne Sand, eine zirkulierende Wirbelschicht oder eine Kokswolke anwenden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Wirbelbett des Wirbelschichtreaktors ein Körper bzw. eine Struktur angeordnet ist. Die Begriffe ”Körper” und ”Struktur” werden hier gleichbedeutend verwendet. Vorzugsweise weist der Körper eine große Oberfläche auf. Weiter vorzugsweise ist der Körper gasdurchlässig.

Sauerstoff wird hier genutzt, um durch Oxidation oder Teiloxidation eines Gases eine Struktur aufzuheizen, die ihre Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung an die Wirbelschicht abgibt. Als Struktur für die industrielle Vergasung eignen sich vor allem Rohre, die in großer Zahl in einer Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors angeordnet werden können. Die Rohre können je nach Prozessführung gasdurchlässig oder dicht sein. Gasdurchlässig sind beispielsweise gesinterte Rohre mit verbundenem Porenraum, Gewebe oder Rohre, die perforiert sind.

Eine vorteilhafte Prozessführung kann mit Rohren erzielt werden, die eine poröse Struktur aufweisen, wie man sie von Kerzenfiltern kennt. Geeignet sind keramische und metallische Werkstoffe. In den Rohren können weitere Rohre angeordnet sein, die ebenfalls eine gasdurchlässige Struktur aufweisen. Die Aufheizung der äußeren Rohre kann beispielsweise in den folgenden Verfahren zur Führung des Sauerstoffs und des zu oxidierenden Gases erfolgen.

  • (a) Der dem Rohr zugeführte Sauerstoff strömt durch Anlegen einer Druckdifferenz von innen nach außen durch die gasdurchlässige äußere Rohrwand. Dann wird das im Wirbelschichtreaktor enthaltene Gas in den Poren der äußeren Schicht oxidieren und damit das Rohr aufheizen. Bei einem Rohr mit sehr kleinen Poren oder feiner Perforation wird die Oxidation unmittelbar in Wandnähe erfolgen, wobei der überwiegende Teil der Energie der Aufheizung des Rohres dient. Die oxidierten oder teiloxidierten Gase verbleiben damit im Wirbelschichtreaktor. Es liegt hier also eine autotherme Vergasung vor.
  • (b) Durch Anlegen einer negativen Druckdifferenz kann das im Wirbelschichtreaktor enthaltene Gas auch veranlasst werden, in den Innenraum des gasdurchlässigen äußeren Rohres zu strömen, um mit dem zugeführten Sauerstoff im Rohr zu reagieren. Die Oxidation erfolgt hier an der Innenwand analog zum Fall (a). Die oxidierten oder teiloxidierten Gase werden dabei aus dem Rohr zur weiteren Verwendung abgezogen. Die weitere Verwendung kann beispielsweise darin bestehen, die fühlbare Wärme für den Gesamtprozess nutzbar zu machen.
  • (c) Bei einer Struktur, die aus einer Vielzahl von jeweils zwei konzentrisch angeordneten gasdurchlässigen Rohren besteht, kann man zur Aufheizung der Struktur ein beliebiges brennbares Gas verwenden, das entweder in den Ringraum zwischen den Rohren oder in das innere Rohr eingeführt wird. Der Sauerstoff wird dann jeweils in den verbleibenden anderen Raum eingeführt. Wenn der Sauerstoff beispielsweise in das innere gasdurchlässige Rohr eingeführt wird und das Gas in den Ringspalt, dann strömt der Sauerstoff bei einer positiven Druckdifferenz in den Ringraum, wo das Gas mindestens teilweise oxidiert wird. Das Innenrohr wird dadurch heiß und überträgt die Wärme an das äußere Rohr, das wiederum die Wärme an die Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors abgibt. Wählt man als Gas ein teerhaltiges Pyrolysegas, ist es wünschenswert, dass das Innenrohr eine möglichst hohe Temperatur erreicht. In diesem Falle ist es vorteilhaft, im Ringraum ein zusätzliches Wärmeschild anzuordnen. Das kann beispielsweise ein gerolltes perforiertes Blech sein. Dieses Blech kann so gestaltet sein, dass eine möglichst hohe Turbulenz entsteht, damit die Gasmoleküle möglichst oft Kontakt mit der heißen Rohrwand bekommen. Zur Unterstützung der Teerzerstörung ist es vorteilhaft, mindestens das Innenrohr katalytisch zu beschichten. Geeignet sind dafür beispielsweise nickelbasierte Katalysatoren aus der Gruppe VIII des Periodensystems, die auch Ammoniak zerstören können. Auch die Dotierung nickelbasierter Katalysatoren mit MgO, ZrO2 oder ZrO2-Al2O3 ist vorteilhaft. Durch die katalytische Teerzerstörung von Pyrolysegas bei erhöhten Temperaturen erhält man ein weitgehend teerfreies Synthesegas. Falls das äußere Rohr gasdurchlässig ist, kann dieses Gas durch Anlegen einer entsprechenden Druckdifferenz in den Wirbelschichtreaktor strömen. Das weitgehend teerfreie Synthesegas kann aber auch aus dem Ringraum zur weiteren Verwendung abgezogen werden. In diesem Fall kann das äußere Rohr gasdicht sein. (d) Die mindestens teilweise Oxidation des Gases mit Sauerstoff kann auch außerhalb der Struktur erfolgen. Im einfachsten Fall heizt dieses Gas dann die äußere Struktur auf, die die Wärme an die Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors abgibt. Die mindestens teilweise Oxidation kann außerhalb des Wirbelschichtreaktors erfolgen oder unmittelbar unterhalb der Rohre. Auch in diesen Fällen kann ein gasdurchlässiges Innenrohr vorteilhaft sein, weil damit die Temperaturunterschiede in axialer Richtung verkleinert werden können. Falls als Gas ein teerhaltiges Pyrolysegas verwendet wird, ist es vorteilhaft, mindestens das Innenrohr mit einem Katalysator auszurüsten. Der besondere Vorteil der nach außen verlagerten Oxidation liegt darin, dass das gesamte teiloxidierte Pyrolysegas durch mindestens eine katalytisch aktive Struktur strömen muss und damit der Teergehalt deutlicher reduziert werden kann als bei der Passage nach Fall (c). Falls das Gas durch Anlegen einer entsprechenden Druckdifferenz durch das gasdurchlässige äußere Rohr in den Wirbelschichtreaktor strömen soll, kann auch dieses Rohr mit einem Katalysator ausgerüstet sein. Es ist indes nicht zwingend, den katalytischen Prozess in das Innere der Struktur zu verlagern. Dieser Prozess kann auch in einem Apparat außerhalb des Wirbelschichtreaktors erfolgen.

Eine Vorstufe zur Erzeugung von Pyrolysegas ist in DE 198 07 988 A1 beschrieben. Auch die Patentanmeldungen DE 10 2008 014799.8 und DE 10 2008 032 166.4 nutzen Vorstufen in denen teerhaltiges Pyrolysegas erzeugt wird.

Wenn Gas aus einem vorgelagerten Prozess, wie bei einer Pyrolyse, verwendet wird, fehlt mindestens ein Teil dieses Gases als Wirbelgas für den nachfolgenden Wirbelschichtreaktor. In diesem Fall ist möglicherweise ein Umlaufgebläse erforderlich, das Synthesegas vom Ausgang des Wirbelschichtreaktors an den Eingang zurückführt.

Soll Pyrolysegas zur Aufheizung der Struktur verwendet werden, so empfiehlt es sich, dieses Gas vorher zu entstauben und gegebenenfalls von Katalysatorgiften, wie Schwefel, zu befreien. Eine Heißgasentschwefelung ist im Allgemeinen ausreichend und an sich bekannt. Zwar lässt sich Staub von den Rohren, wie bei Filterkerzen üblich, durch einen Druckstoß ablösen, doch kann das bei niedrigschmelzenden Aschen wegen der zusätzlichen Temperaturerhöhung zu Problem führen.

Soll das eingeführte Gas mit technisch reinem Sauerstoff total oxidiert werden, so geht das möglicherweise nur mit einem Umlaufgebläse, weil sonst die hohen Temperaturen die Struktur zu stark belasten würde.

Der Erzeugung von Synthesegas folgt häufig ein weiterer Prozess zur Verarbeitung dieses Gases zu gasförmigen oder flüssigen Stoffen wie beispielsweise Wasserstoff, Methan, Methanol oder Treibstoffen. Bei der Umsetzung und Reinigung dieser Produkte fallen häufig brennbare Gase und Dämpfe an, die für die Aufheizung der Struktur im Wirbelschichtreaktor verwendbar sind. Das können auch Fraktionen mit hohem Wasserstoffanteil sein, aus denen durch Totaloxidation Wasserdampf entsteht, der für den Gesamtprozess sehr nützlich sein kann. Wasserdampf ist beispielsweise als Wirbelgas für den hier beschriebenen Wirbelschichtreaktor, für die homogene Wasserdampfreaktion (Shift) oder bei der Methanisierung gut verwendbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren sind für eine druckaufgeladene Prozessführung und ebenso für einen drucklosen Prozess geeignet. Reiner Sauerstoff wird für größere druckaufgeladene Anlagen bevorzugt eingesetzt, bei kleinen drucklosen Anlagen kann Luft vorteilhafter sein.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Kokspartikel nicht direkt mit Sauerstoff in Kontakt kommen. Während heißer Koks bei Kontakt mit Sauerstoff nach dem Stand der Technik eine sehr starke Temperaturerhöhung erfährt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kontakt mit Sauerstoff vermieden bzw. reduziert. Die Wärme wird vielmehr durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung an die Kokspartikel übertragen. Wegen der endothermen Reaktion sind die Kokspartikel vorzugsweise stets kälter als die Struktur oder ein benachbartes Sandpartikel. Die Übertemperatur lässt sich zudem durch die Größe der Strukturoberfläche zwischen 20°C und 300°C steuern. Die Erfindung ist daher auch für Biomassen mit niedrigem Ascheschmelzpunkt geeignet. Das trifft auf eine Vielzahl von ertragreichen halmgutartigen Biomassen zu. Ein weiter Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Prozess trotz Nutzung von Sauerstoff allotherm gefahren werden kann. Das erhöht die Produktqualität des Synthesegases. Die Erfindung ermöglicht auch eine thermisch katalytische Reduzierung des Teergehaltes.

Beispiele

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele darstellenden 1 bis 13 näher erläutert.

1 zeigt einen Wirbelschichtreaktor mit stationärer Wirbelschicht, bei dem Sauerstoff durch Rohre mit poröser Wand eingeleitet wird.

2 zeigt einen Längsschnitt des porösen Rohres aus 1.

3 zeigt einen Querschnitt des porösen Rohres aus 1.

4 zeigt einen Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht bei dem Sauerstoff durch Rohre mit poröser Wand eingeleitet wird.

5 zeigt einen Wirbelschichtreaktor mit außen liegender Oxidation.

6 zeigt einen Wirbelschichtreaktor mit zwei konzentrisch angeordneten gasdurchlässigen Rohren.

7 zeigt einen Längsschnitt der gasdurchlässigen Rohre aus 6.

8 zeigt einen Querschnitt der gasdurchlässigen Rohre aus 6.

9 zeigt einen Querschnitt der gasdurchlässigen Rohre aus 6 mit Wärmeschild.

10 zeigt einen kaskadierten Wirbelschichtreaktor mit zwei konzentrisch angeordneten Rohren, wobei nur das Innenrohr gasdurchlässig ist.

11 zeigt einen Längsschnitt der Rohre aus 10.

12 zeigt einen Querschnitt der Rohre aus 10.

13 zeigt einen Wirbelschichtreaktor, bei dem die Oxidation eines Gases auf der Innenseite eines porösen Rohres geschieht.

1 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 9a mit einer stationären Wirbelschicht 10 zwischen dem Düsenboden 12 und dem oberen Ende 16. Um die Zerkleinerung der Biomasse zu unterstützen, kann das Wirbelbett Sand enthalten. Die Wirbelschicht wird durch ein Wirbelgas 13, beispielsweise Wasserdampf oder Pyrolysegas, fluidisiert. Biomasse 14 wird dem Wirbelschichtreaktor über ein Förderorgan zugeführt. Das Synthesegas 15 passiert den Raum über der Wirbelschicht 11 (Freeboard) und verlässt den Wirbelschichtreaktor 9a am Kopfende. In der Wirbelschicht befindet sich eine Vielzahl von porösen Rohren 1a, denen Sauerstoff 6 über Leitungen 5 zugeführt wird. Der Sauerstoff 6 strömt durch die porösen Rohre 1a in die Wirbelschicht 10.

In die äußere Schicht der porösen Rohre 1a dringt das brennbare Gas aus der Wirbelschicht 10 durch Diffusion und Konvektion ein und wird durch den Sauerstoff 6 oxidiert. Dadurch wird das Rohr 1a aufgeheizt und gibt seine Wärme durch Wärmeübertragung an die Wirbelschicht 10 ab. Die Kokspartikel im Wirbelbett werden überwiegend indirekt durch Wärmeleitung von Sand und Gas aufgeheizt. Da die Vergasung von Koks endotherm ist, sind die Kokspartikel die kältesten Partikel im Wirbelbett 10. Porosität und Porengröße der Rohre 1a werden zweckmäßigerweise so gewählt, dass der Druckverlust des Sauerstoffs deutlich größer ist als die Druckdifferenz am oberen und unteren Ende der Wirbelschicht 10. Damit wird eine annähernd gleichmäßige Beheizung erreicht.

4 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 9b mit zirkulierender Wirbelschicht. Bei diesem Typ ist die Gasgeschwindigkeit so hoch, dass sich keine stationäre Wirbelschicht einstellt. Das Bettmaterial wird über einen Zyklon 27 und einen mit Siphongas 8 betriebenen Siphon in an sich bekannter Weise ständig umgewälzt. Die porösen Rohre 1a können daher fast den gesamten Reaktionsraum ausfüllen. Der Düsenboden 12 besteht aus einen durch die Platten 17 und 18 gebildeten Doppelboden. Dieser Doppelboden wird zur Verteilung des Sauerstoffs 6 genutzt. Erfahrungsgemäß ist die Wärmeübertragung an den Rohren 1a in den ersten Zentimetern am Düsenboden nicht so hoch wie im Mittelteil des Wirbelschichtreaktors 9b. Deshalb ist es zweckmäßig, das Rohr 1a im unteren Bereich nicht zu beheizen. Das kann durch Einstecken oder Ummanteln des Rohres 1a mit einem kurzen dichten Rohr 4 geschehen. Bedingt durch den Doppelboden wird das Wirbelgas 13 durch eine Vielzahl von Rohrdüsen 20 geleitet, die durch den von den Platten 17 und 18 gebildeten Doppelboden hindurchgehen. Die Rücklaufsperre 21 wird hier durch eine Platte angedeutet.

5 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 9a mit stationärer Wirbelschicht 10, bei der ein beliebiges Gas 7 aus dem Gesamtprozess außerhalb des Wirbelschichtreaktors in einer besonderen Apparatur 22 zumindest teilweise mit Sauerstoff 6 oxidiert wird. Das erhitzte und teiloxidierte Gas strömt durch einen Doppelboden, wie in 4 beschrieben, durch eine Vielzahl von porösen Rohren 1a in die Wirbelschicht 10. Wenn die Anzahl der Rohre 1a groß ist, wird die Wärme überwiegend durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion auf die Wirbelschicht übertragen. Bei geringer Anzahl der Rohre 1a wird die Wärme durch das teiloxidierte Gas selbst übertragen. In beiden Fällen kommen die Kokspartikel nicht mit Sauerstoff in Berührung. Diese Konstruktion ist besonders für teerhaltiges Pyrolysegas geeignet, welches vorzugsweise entstaubt sein sollte. Die erhöhte Temperatur des teiloxidierten Pyrolysegases kann man zur katalytischen Zerstörung von Teeren nutzen. Das kann geschehen, indem man die Rohre 1a mit einem Katalysator ausrüstet oder einen katalytischen Reaktor außerhalb des Wirbelschichtreaktors anordnet. Bei starker Überhitzung des Gases durch Teiloxidation oder katalytische Reaktionen sollte vorzugsweise durch eine Vielzahl von Rohren 1a dafür gesorgt werden, dass die Übertemperatur der Rohre 1a nicht so groß wird, dass die Asche in der Wirbelschicht 10 aufschmilzt.

6 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 9a mit stationärer Wirbelschicht 10, bei dem in den Rohren 1a ein weiteres poröses Rohr 2a konzentrisch angeordnet ist. Diese Konstruktion ermöglicht eine stärkere Überhitzung des brennbaren Gases 7, weil die Oxidation oder Teiloxidation mit Sauerstoff 6 am Innenrohr 2a erfolgt, das die Wärme überwiegend als Strahlung an das Außenrohr 1a abgibt. Die Temperaturerhöhung kann man verstärken, wenn im Ringraum noch ein zusätzliches gasdurchlässiges Rohr 3 angeordnet wird. Das Rohr 3 kann beispielsweise aus einem gerollten Blech gebildet sein, bei dem die Öffnungen so gestanzt wurden, dass Blechfahnen als Stromstörer am Blech verbleiben. Diese Konstruktion eignet sich besonders für die thermisch katalytische Zerstörung von Teeren. Vorzugsweise sollte mindestens das Innenrohr 2a eine katalytisch wirksame Schicht aufweisen. In diesem Fall sollte das Schutzrohr 4 vorzugsweise länger sein, weil den Teermolekülen die Gelegenheit gegeben werden sollte, mit dem heißen Innenrohr 2a Kontakt zu haben. Anstelle eines Bleches kann das Wärmeschutzschild 3 in diesem Fall auch als poröses Rohr mit katalytisch wirksamer Schicht zur Teerzerstörung ausgebildet werden.

Wie 6 bis 9 zeigen, wird das oxidierte oder teiloxidierte Gas 7 in die Wirbelschicht 10 entlassen. Die Zufuhr des Gases 7 und des Sauerstoffs 6 geschieht hier über einen Düsenboden 12, der zwei Kammern besitzt, die aus den Platten 17, 18 und 19 gebildet werden.

10 zeigt einen kaskadierten Wirbelschichtreaktor 9c mit einer stationären Wirbelschicht 10, der ein inertes Bettmaterial, wie Sand, enthält und zwei weitere Wirbelschichten 23, die nur aus Kokswolken bestehen, die aus der Wirbelschicht 10 emporgestiegen sind. Wie bei 6 wird die Struktur aus einer Vielzahl von Rohren 1b gebildet, die jeweils ein zusätzliches konzentrisch angeordnetes Innenrohr 2a oder 2b aufweisen. Das brennbare Gas 7 wird in den Ringraum eingeführt, der von den beiden Rohren gebildet wird. Der Sauerstoff 6 wird dem Innenrohr 2a zugeführt. Im Bereich der sandhaltigen Wirbelschicht 10 besteht das Innenrohr 2a aus einem porösen Rohr 2a und im oberen Bereich aus einem perforierten Rohr 2b oder einem Rohr 2b mit höherem Stömungswiderstand, das weniger Sauerstoff 6 hindurchlässt als das poröse Rohr in der Wirbelschicht 10. Das ist zweckmäßig, weil die Wärmeübertragung in der Wirbelschicht 10 deutlich höher ist als in den Gaswolken-Wirbelschichten 11 und 23. Das Rohr 1b ist gasundurchlässig. Das oxidierte oder teiloxidierte Gas 24 muss daher in den Raum 26 entlassen werden, der durch den Zwischenboden 25 gebildet wird. Es gelangt von dort zur weiteren Verwendung in den Gesamtprozess.

13 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 9a mit einer Vielzahl von porösen Rohren 1a im Bereich der Wirbelschicht 10, die im Raum über der Wirbelschicht in ein gasdichtes Rohr 1b übergehen. In jedem Rohr 1a ist ein weiteres poröses Rohr 2a konzentrisch angeordnet, das Sauerstoff 6 in den Ringraum einströmen lässt. Der Sauerstoff 6 strömt durch den Doppelboden, gebildet aus den Platten 17 und 18, in die Rohre 2a. Das brennbare Gas 7 wird in diesem Fall durch Anlegen eines Unterdrucks der Wirbelschicht 10 entnommen. Das oxidierte oder teiloxidierte Gas 24 gelangt zur weiteren Verwendung in den Gesamtprozess. Der Prozess lässt sich als allothermes Vergasungsverfahren einstufen, weil das Synthesegas nicht mit dem gebildeten Kohlendioxid belastet ist. Der oxidierte Wasserstoff und das oxidierte Kohlenmonoxid werden in der Wirbelschicht immer wieder neu gebildet, weil es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt.

Bezugszeichenliste

1a
Beheizbares poröses oder perforiertes Rohr
1b
Beheizbares Rohr
2a
Poröses Innenrohr
2b
Perforiertes Innenrohr
3
Wärmeschutzschild
4
Schutzrohr zur Abdichtung des Einlaufbereichs
5
Rohrzuführung
6
Sauerstoff
7
Brennbares Gas
8
Siphongas
9a
Wirbelschichtreaktor mit stationärer Wirbelschicht
9b
Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht
9c
Mehrstufiger Wirbelschichtreaktor
10
Stationäre Wirbelschicht
11
Raum über der Wirbelschicht (Freeboard)
12
Düsenboden
13
Wirbelgas
14
Biomasse oder Koks (Restkoks)
15
Synthesegas oder Produktgas
16
Obere Grenze der stationären Wirbelschicht
17
Obere Platte des Düsenbodens
18
Untere Platte des Düsenbodens
19
Mittelplatte des Düsenbodens
20
Düse im Düsenboden
21
Rücklaufsperre über der Düse
22
Brenner
23
Wirbelstufen für Koks
24
Gas zur weiteren Verwendung im Gesamtprozess
25
Zwischenboden
26
Gas-Sammelraum
27
Zyklon

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 10242594 A1 [0003]
  • DE 19807988 A1 [0013]
  • DE 102008014799 [0013]
  • DE 102008032166 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • R. Rauch, H. Hofbauer; Holzenergiesymposium 18th October 2002, ETH Zürich, Switzerland [0003]


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Nutzung von Sauerstoff zur thermochemischen Vergasung von Biomasse in mindestens einem Wirbelschichtreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass im Wirbelbett des Wirbelschichtreaktors ein Körper angeordnet ist, der durch mindestens teilweise Oxidation eines brennbaren Gases mit Sauerstoff beheizbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper durch eine Vielzahl von Rohren innerhalb des Wirbelschichtreaktors gebildet wird. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb eines Rohres mindestens ein konzentrisch angeordnetes weiteres Rohr befindet, das einen Ringraum und einen Innenraum bildet. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rohr gasdurchlässig ausgeführt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rohr mit Katalysatoren beschichtet ist. Verfahren zur Nutzung von Sauerstoff zur thermochemischen Vergasung von Biomasse in mindestens einem Wirbelschichtreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie aus der mindestens teilweisen Oxidation eines brennbaren Gases mit Sauerstoff von einem Körper auf das Wirbelbett eines Wirbelschichtreaktors übertragen wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas unmittelbar an oder innerhalb einer gasdurchlässigen Struktur durch Zufuhr von Sauerstoff und/oder Anlegen einer Druckdifferenz mindestens teilweise oxidiert wird. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens teilweise oxidierte Gas in den Wirbelschichtreaktor strömt. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens teilweise oxidierte Gas zur weiteren Verwendung aus der Struktur abgezogen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine äußere und eine innere Struktur umfasst, wobei die innere Struktur innerhalb der äußeren Struktur angeordnet ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff durch den Hohlraum der inneren Struktur und das Gas in den Zwischenraum von äußerer und innerer Struktur zugeführt wird und mindestens die innere Struktur gasdurchlässig ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas durch den Hohlraum der inneren Struktur und der Sauerstoff in den Zwischenraum von äußerer und innerer Struktur zugeführt wird und mindestens die innere Struktur gasdurchlässig ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas vor Eintritt in den Körper durch mindestens teilweise Oxidation mit Sauerstoff erhitzt wird. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens teilweise oxidierte Gas durch einen katalytisch aktiven Körper strömt. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Pyrolysegas aus einem vorgeschalteten Pyrolysereaktor verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Gas aus einem nachgeordneten Prozess verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Gas aus dem Wirbelschichtreaktor verwendet wird, in welchem auch der beheizbare Körper angeordnet ist.






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