DE102019218310A1

DE102019218310A1 - Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Teilchen

Info

Publication number: DE102019218310A1
Application number: DE102019218310.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Hofmeister; Horst Dressler
Original assignee: Mfc Multi Fuel Conv GmbH; Mfc Multi Fuel Conversion GmbH
Current assignee: Mhr Holding Pte Ltd Sg
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US20220403265A1; WO2021105171A1; US20240059990A1; EP4065667A1; US12252653B2

Abstract

Es wird ein Festbettvergaser zur Erzeugung eines Produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen angegeben, der eine Schlackeaufbrecheinrichtung aufweist und bei der durch das Schlackeaufbrechen die Qualität des Produktgases dennoch möglichst wenig verschlechtert wird. Durch die Möglichkeit des Positionierens des Stichelements der Schlackeaufbrecheinrichtung an verschiedenen Punkten über der Brennstoffteilchenschüttung kann das Stichelement klein ausgebildet sein und es können dennoch alle Bereiche der Brennstoffteilchenschüttung erreicht werden. Das Stichelement fährt im Vergasungsbetrieb intermittierend in die Brennstoffteilchenschüttung ein. Vor dem nächsten Einfahren ändert das Antriebsmittel die Position des Stichelements, damit es nicht wieder in den gleichen Stichkanal einfährt. Dieses wiederholte lokale Einstechen, zeitlich versetzt an unterschiedlichen Orten der Brennstoffteilchenschüttung bewegt das Vergaserbett und der Sintervorgang von Schlacketeilchen, der den kompletten Vergaserquerschnitt verstopfen würde, wird gestört. Dies hat auch zur Folge, dass das Gas weiterhin über den gesamten Querschnitt durch die einzelnen Zonen strömen kann, und nicht nur in dem „gestochenen Kanal“. Außerdem werden inzwischen zusammengesinterte Schlackebrocken weitergefördert - in Richtung Abstützeinrichtung - oder auch wieder zerbrochen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festbettvergaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Vergasung von Abfällen, so wie Biomasse mit niedrig schmelzenden Aschen entsteht in der Oxidationszone, welche bei über 900°C betrieben werden muss Schlacke. Diese Schlacke hat ja nach Brennstoff unterschiedliches Verhalten. Der Brennstoff kann in seiner ursprünglichen Form verschlacken. Das heißt, wenn man den Brennstoff in Pelletform aufgibt, verschlacken erst mal die Pellets in ihrer ursprünglichen Form, bevor die Schlackepellets beginnen zusammenzukleben. Es kann aber auch ein Schlackesee, oder eine direkte Schlackeschicht über den ganzen Vergaserquerschnitt entstehen. Das passiert zum Beispiel bei Grascops. Was immer passiert, ist, dass die einzelnen verschlackenden Teilchen im Vergaser zusammensintern. Um nun ein Verstopfen des Vergasers zu verhindern, braucht es eine Vorrichtung, die die Schlacke aufbricht, damit Verbrennungsluft in die Brennstoffteilchenschüttung einströmen und das Produktgas aus der Brennstoffteilchenschüttung ausströmen kann. Nur wenn die Reaktion im Vergaser aufrecht erhalten bleibt, kann die Schlacke weiter in Richtung Abstützeinrichtung befördert werden. Aus der DE 102018205115 A1 ist ein Gabelelement mit einer Mehrzahl von Zinken bekannt, das intermittierend in die Brennstoffteilchenschüttung eingefahren wird und Schlacken aufbricht. Allerdings sind die Zinken des Gabelelements über den gesamten horizontalen Querschnitt des Vergasers verteilt. Hierdurch kommt es zu einer übermäßigen Störung des Vergasungsprozesses und zu einer erhöhten Teerbeladung des Produktgases und somit zu einer Verschlechterung der Produktgasqualität.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Festbettvergaser mit einer Schlackeaufbrecheinrichtung anzugeben, die die Qualität des Produktgases möglichst wenig verschlechtert.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Durch die Möglichkeit des Positionierens des Stichelements an verschiedenen Punkten über der Brennstoffteilchenschüttung kann das Stichelement klein ausgebildet sein und es können dennoch alle Bereiche der Brennstoffteilchenschüttung erreicht werden. Das Stichelement fährt im Vergasungsbetrieb intermittierend in die Brennstoffteilchenschüttung ein. Dabei sticht der Zinken linear von oben in die Materialsäule und fährt auch auf dem gleichen Weg wieder heraus. Vor dem nächsten Einfahren ändert das Antriebsmittel die Position des Stichelements, damit es nicht wieder in den gleichen Stichkanal einfährt. Dieses wiederholte lokale Einstechen, zeitlich versetzt an unterschiedlichen Orten der Brennstoffteilchenschüttung bewegt das Vergaserbett und der Sintervorgang von Schlacketeilchen, der den kompletten Vergaserquerschnitt verstopfen würde, wird gestört. Dies hat auch zur Folge, dass das Gas weiterhin über den gesamten Querschnitt durch die einzelnen Zonen strömen kann, und nicht nur in dem „gestochenen Kanal“. Außerdem werden inzwischen zusammengesinterte Schlackebrocken weitergefördert - in Richtung Abstützeinrichtung - oder auch wieder zerbrochen. Durch die Bewegung im Vergaserbett werden zusätzlich durch das wiederholte Einstechen, sowie durch den Vergasungs- und Sintervorgang entstandene Hohlräume im Vergaserbett wieder geschlossen. Da das Vergaserbett so wenig wie möglich gestört werden soll, ist es wichtig, die Anzahl der Zinken an dem Stichelement so gering wie möglich zu halten, so dass der Bereich in dem das Stichelement in die Biomasseschüttung eindringt möglichst klein und lokal ist. Es muss allerdings über einen gewissen Zeitraum an jeder Stelle eingestochen werden, damit der gesamte Vergaserquerschnitt freigehalten werden kann und dies wird durch den Ortswechsel des Stichelements nach jedem Einsteichen erreicht.
Als schüttbare Brennstoffteilchen eignen sich Biomasseteilchen, Teilchen aus zerkleinerten Kunststoffen oder auch zerkleinerte Abfallteilchen, die kohlenstoffhaltig sind.
Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, das Stichelement an unterschiedlichen Orten über der Brennstoffteilchenschüttung zu positionieren.
Bei Vergasern mit großer Leistung und damit mit großer horizontaler Querschnittsfläche ist es vorteilhaft ein Stichelement mit zwei oder drei Zinken einzusetzen - Anspruch 3.
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird das Schließen von Hohlräumen in dem Vergaserbett, die durch den Vergasungs- und Sintervorgang entstanden sind gefördert.
Bei Vergasern mit sehr großer Leistung und damit sehr großer horizontaler Querschnittsfläche hat es sich als vorteilhaft herausgestellt mehrere Schlackebrecheinrichtungen vorzusehen, die parallel betrieben werden - Anspruch 5.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 6 verringert sich die thermische Belastung der Abstützeinrichtung und die Standzeit der Abstützeinrichtung wird vergrößert.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüche 7 bis 10 beziehen sich auf verschiedene vorteilhafte Ausbildungen der Abstützeinrichtung.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:

1a eine schematische Darstellung eines Festbettvergasers in einer Seitenansicht gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem verdrehbaren Stichelement, wobei das Stichelement nicht in die Biomasse eingefahren ist;
1b eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform, wobei das Stichelement in Brennstoffteilchenschüttung eingefahren ist;
2a eine Ansicht von oben einer zweiten Ausführungsform mit zwei nebeneinander angeordneten Schlackebrecheinrichtungen;
2b und 2c Seitenansichten der zweiten Ausführungsform;
3 eine dritte Ausführungsform;
4 eine vierte Ausführungsform;
5 eine fünfte Ausführungsform; und
6 eine sechste Ausführungsform der Erfindung.

1a und 1b zeigen schematisch eine erste Ausführungsform eines Festbettvergasers gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen von Produktgas aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen 1 in Form von Biomasseteilchen, Teilchen aus Plastik oder sonstigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen. Der Festbettvergaser umfasst einen Vergaserbehälter 2 mit einem rechteckigen Querschnitt mit Seitenwänden 4, einer Luftzuführung 6 im oberen Bereich des Vergasers 2, einer Brennstoffzuführung 8, die seitlich in der Vergaser 2 mündet, einer Abstützeinrichtung 10 für die Brennstoffteilchenschüttung in Form eines ebenen horizontal angeordneten Rostes 101, einem Produktgas- und Ascheabzug 12 aus dem Bereich unter dem Rost 10 und einer Schlackenbrecheinrichtung 14.
Die Schlackebrecheinrichtung 14 umfasst ein Stichelement 16 und ein Antriebsmittel 18. Das Antriebsmittel 18 umfasst eine drehbare Welle 20 zum Verdrehen des Stichelements in einer horizontalen Ebene und ein Vertikalbewegungsmittel 22 zur linearen Hin- und Her-Bewegung des Stichelements 16 in vertikaler Richtung. Das Stichelement 16 umfasst einen vertikal ausgerichteten Zinken 24, der an einem Ende eines flachen Querträgers 26 montiert ist. Mit seinem anderen Ende ist der flache Querträger 26 an der drehbaren Welle 20 montiert. Mit eine Vertikalbewegungsmittel 22 kann beispielsweise als doppelter Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Die drehbare Welle 20 wird vorzugsweise durch einen Elektromotor verdreht.
Die drehbare Welle 20 mit Stichelement 16 ist mittig im Vergaser 2 über dem Festbett aus Brennstoffteilchen 1 angeordnet. Damit lassen sich bei dieser Ausführungsform nur lokale Punkte auf einer Kreislinie anfahren. Bei kleinen Vergasern mit horizontalen Querschnittsflächen im Bereich von 10000 bis 25600 mm² ist dies Einschränkung unbedenklich. Bei noch größeren Vergaserquerschnittsflächen von 25600 bis 42300 mm² können anstatt einem Zinken 24 zwei oder drei Zinken an dem flachen Querträger 26 befestigt sein. Bei noch größerer Vergaserleistung und Vergaserquerschnittsflächen ab 42300 mm² ist es sinnvoll zwei Schlackebrecheinrichtungen 14 nebeneinander anzuordnen, die parallel betrieben werden. Ab Vergaserquerschnittsflächen von 85000 mm² ist es sinnvoll zwei nebeneinander angeordnete Schlackebrecheinrichtungen 14 mit zwei oder drei Zinken 24 einzusetzen.
Dieser Einsatz von zwei nebeneinander angeordneten Schlackebrecheinrichtung 14-1 und 14-2 ist als zweite Ausführungsform der Erfindung ist in den 2a, 2b und 2c schematisch dargestellt. 2a zeigt eine Aufsicht auf den offenen Vergaser 2 von oben mit einem rechteckigen Querschnitt mit den Seiten a und b, mit a > b. In dem rechteckigen Vergaserquerschnitt 2 sind die zwei Schlackebrecheinrichtungen 14-1 und 14-2 gezeigt. 2b zeigt die zweite Ausführungsform in einer Ansicht senkrecht zu der Ansicht in 2a und 2c zeigt die zweite Ausführungsform in einer Ansicht senkrecht zu den Ansichten in 2a und 2b.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform nach 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des waagrechten Rostes 101 eine intermittierend drehende Walze 102 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform, die sich von der dritten Ausführungsform nach 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer Walze zwei gegeneinander intermittierend drehende Walzen 102 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist.
Die Walzen 102 sind mit Zähnen 28 versehen, um vorhanden Schlackeklumpen zu zerkleinern.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform nach 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des waagrechten Rostes 101 ein geneigter Rost 103 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist, wie er in der DE 10 2018 205 115 A1 bekannt ist.
6 zeigt eine sechste Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform nach 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle des waagrechten Rostes 101 ein sich taumelnd bewegender Kegelbrecher 104 als Abstützeinrichtung 10 vorgesehen ist.
Beim Beladen bzw. Anfahren des Festbettvergasers können die Schlackebrecheinrichtungen 14 auch zur Verteilung der Brennstoffteilchen 1 im Vergaser genutzt werden, indem die Stichelemente 16 beim Einfüllen der Brennstoffteilchen verdreht werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffteilchenschüttung
2: Vergaserbehälter
4: Seitenwände des Vergasers 2
6: Luftzuführung
8: Brennstoffzuführung,
10: Abstützeinrichtung
101: waagrechter Rost
102: intermitierend drehende Walzen
103: geneigter Rost
104: Kegelbrecher
12: Produktgas- und Ascheabzug
14: Schlackebrecheinrichtung
14-i: Schlackebrecheinrichtung
16: Stichelement
18: Antriebsmittel
20: drehbare Welle
22: Vertikalbewegungsmittel
24: Zinken
26: flacher Querträger
28: Zähne an 102

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018205115 A1 [0002, 0021]

Claims

Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren kohlenstoffhaltigen Brennstoffteilchen (1) mit einem Vergaserbehälter (2), einer Zuführung (8) für Brennstoffteilchen, einer Abstützeinrichtung (10) zur Abstützung der Brennstoffteilchen (1) in dem Vergaserbehälter (2), wobei die Abstützeinrichtung (10) bewegbar und für Gas und verbrauchte Brennstoffteilchen durchlässig ausgebildet ist, einer Luftzuführung (6) im Bereich über der Brennstoffteilchenschüttung zur Zuführung von Verbrennungsluft in die Brennstoffteilchenschüttung, einem aus dem Bereich unter der Abstützeinrichtung (10) aus dem Vergaserbehälter (2) herausführenden Produktgas- und Ascheabzug (12), und einer Schlackeaufbrecheinrichtung (14), die ein Stichelement (16) und ein Antriebsmittel (18) umfasst, wobei das Stichelement (16) durch das Antriebsmittel (18) in die Brennstoffteilchenschüttung einführbar und wieder herausziehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel (18) der Schlackeaufbrecheinrichtung (14) zum Positionieren des Stichelements (16) über der Brennstoffteilchenschüttung an verschiedenen Punkten im horizontalen Querschnitt des Vergasers (2) ausgelegt ist.
Festbettvergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel (18) der Schlackeaufbrecheinrichtung (14) ein Drehmittel (20) umfasst, durch das das Stichelement (16) in eine andere Position über der Brennstoffteilchenschüttung in dem Vergaser (2) verdrehbar ist.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stichelement (16) ein oder mehrerer Zinken (24) umfasst.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Zinken (24) an einem flachen Querträger (26) montiert sind, und dass das Antriebsmittel (18) so ausgelegt ist, dass auch der flache Querträger (26) in die Brennstoffteilchenschüttung eindringt.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Festbettvergasern mit größerer Leistung und damit mit einer größeren horizontalen Querschnittsfläche des Festbettvergasers mehrere Schlackeaufbrecheinrichtungen (14-1, 14-2) über der Brennstoffteilchenschüttung angeordnet sind.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) eine Wasserkühlung umfasst.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) wenigstens eine drehbare Walze (102) umfasst, deren Oberfläche mit Zähnen (28) versehen ist.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) als Kegelbrecher (104) ausgebildet ist.
Festbettvergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (10) als Rost (101, 103) ausgebildet ist, der horizontal oder schräg im Vergaserbehälter angeordnet ist.
Festbettvergaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rost (101, 103) mehrere Roststäbe umfasst, die gegeneinander bewegbar sind.