DE102005053526A1

DE102005053526A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas

Info

Publication number: DE102005053526A1
Application number: DE102005053526A
Authority: DE
Inventors: Horst Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-05-10
Also published as: NO20082478L; EP1948764A1; CA2628866A1; US20080313961A1; WO2007054276A1; JP2009515017A; BRPI0618366A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngasen aus kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere ein Holzgasgenerator, mit einem Entgasungsbereich und einem Oxidationsbereich sowie ein Verfahren, um mit einfachen Mitteln ein Brenngas mit hohem Brennwert zu erzeugen, wozu der Entgasungsbereich aus einer Entgasungskammer, enthaltend ein geschmolzenes Metall, vorzugsweise Zinn, besteht, wobei die Entgasungskammer unter Luftausschluss arbeitend ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngasen aus kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere ein Holzgasgenerator, mit einem Entgasungsbereich und einem Oxidationsbereich. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus kohlenstoffhaltigem Material.
Ein Holzgasgenerator ist ein Gerät, das es ermöglicht, aus Holz mittels trockener Destillation ein brennbares Gas zu gewinnen. Dieses brennbare Gas wird unter anderem zum Betreiben von Kraftfahrzeugen oder Blockheizkraftwerken verwendet und als Holzgas bezeichnet. Der Bildung des Holzgases durch Erhitzung von Holz liegen komplexe chemische Reaktionen, wie beispielsweise homogene und heterogene Vergasungsreaktionen und Pyrolyseprozesse zugrunde, wobei ein entsprechendes Verfahren bereits 1920 von Georges Imbert entwickelt wurde. Die Komplexizität der chemischen Reaktionen ist nicht zuletzt darauf zurückzuführen, dass der Werkstoff Holz aus einer Vielzahl von chemischen Spezies mit unterschiedlichsten Reaktionsmöglichkeiten besteht. Zu diesen Spezies zählen insbesondere Zellulose, Lignin, Hemicellulose, akzessorische Holzbestandteile wie Fette, Stärke, Zucker, Eiweiß, Phenole, Wachse, Pektine, Gerbstoffe, Sterine, Harze, Terpene und Mineralstoffe. Aus diesem vielfältigen Gemisch wird durch Aufbrechen der Brennstoffstruktur das Holzgas erzeugt, dessen Hauptbestandteile Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Methan, Ethen, Wasserstoff und gasförmiges Wasser sind. Üblicherweise wird das Holz unter Sauerstoffausschluss bis auf etwa 700–800°C erhitzt, wobei 100 kg Holz in einer Stunde etwa 35 m³ Holzgas ergeben und einen Rückstand von 25 kg Holzkohle hinterlassen. Weiterhin entstehen etwa 4 kg hochmolekulare aromatische Kohlenwasserstoffe (Teere) und etwa 40 kg Holzessig (ein Gemisch aus Wasser, Teerbestandteilen wie Phenolen, Kreosot, sowie Essigsäure, Methanol, Aceton, Propionsäure, Methylacetat und weiteren Substanzen). Die Entfernung der Teere aus dem Holzgas oder besser die Verhinderung ihrer Bildung sind von großer Bedeutung für die Alltagstauglichkeit eines solchen Holzvergasers. Dies liegt vor allem daran, dass Teere bei Temperaturen unterhalb von etwa 200°C auskondensieren und daher in Rohrleitungen oder Holzgasmotoren dicke Beläge bilden.

Holzvergaser sind bislang Festbett-, Wirbelschicht- oder Flugstromvergaser. Aus der EP 1 323 810 A1 ist ein Holzvergaser bekannt, der in einem Eingangstrichter vorgelockertes Holz mittels einer Transportschnecke in einen Rohrvergaser überführt, wobei dem Holz auf der Transportstrecke zum Rohrvergaser Feuchtigkeit entzogen wird. Der auf etwa 1000°C erhitzte Rohrvergaser besteht aus zwei konzentrischen, miteinander verbundenen Rohren, wobei der Vergasungsprozeß vor allem im inneren Rohr stattfindet, an dessen Ende das teilentgaste Holz in das äußere Rohr überführt und dort endverascht wird. Diese Schrift lehrt weiterhin, dass entstandene Holzgas in einer Industriekoksschnecke im Gegenstrom von Teerbestandteilen zu reinigen und das gereinigte Holzgas einem Blockheizkraftwerk zuzuführen. Gemäß dieser Schrift soll der kontaminierte Industriekoks dem Rohrvergaser im Wechsel mit Holz zugeführt werden. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist die dadurch erforderliche komplizierte Ventilsteuerung, die aufwendige Reinigung und der relativ geringe Brennwert des resultierenden Holzgases.

Aus der DE 198 30 765 A1 ist bekannt, das Holzgas für eine bestimmte Zeit auf einer bestimmten Temperatur zu halten, so dass die im Holzgas enthaltenen langkettigen oder zyklischen hochmolekularen Kohlenwasserstoffe (Teere) thermisch aufgespalten werden. Diese Schrift schlägt weiterhin die Trennung der Schritte Oxidation des Brennstoffes und Entgasung des Brennstoffes vor. Die Holzentgasung erfolgt durch Erwärmung an gegebenenfalls katalytisch aktiven Wärmeaustauscherflächen ohne Verdünnung durch Oxidationsmittel wie Luft, wobei die Wärmeaustauscherflächen durch die Verbrennung des entgasten Holzes erhitzt werden und wobei das so erzeugte Schwachgases zur thermischen Reinigung in einer Spiralleitung durch die Oxidationszone geleitet wird. Nachteilig an dieser Erfindung ist die konstruktiv aufwendige Trennung von Entgasungs- und Oxidationszone mit der beim jeweiligen Übergang des Brenngutes auftretenden Dichtungsproblematik.

Aus der DE 694 04 861 T2 ist schließlich bekannt, kohlenstoffhaltiges Material mittels einer Lanze in eine Metallschmelze einzuspritzen, den im Metall gelösten Kohlenstoff anschließend mit eingeblasenem Sauerstoff zu Kohlenmonoxid umzusetzen und das so erzeugte CO-haltige Gas als Brennstoffgas zu verwenden. Für dieses Verfahren ist eine aufwendige apparative Ausstattung vonnöten und das erzeugte Brennstoffgas weist einen geringen Brennwert auf.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Vorrichtung anzugeben, die ein Holzgas mit hohem Heizwert zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Entgasungsbereich aus einer Entgasungskammer enthaltend ein geschmolzenes Metall, vorzugsweise Zinn, besteht, wobei die Entgasungskammer unter Luftabschluss arbeitend ausgebildet ist. Durch die vorteilhafte Merkmalskombination der Erfindung wird auf einfache Weise ein Brenngas mit hohem Heizwert erzeugt. Der hohe Heizwert beruht in erster Linie darauf, dass eine Verdünnung des Brenngases mit Luft, die etwa 79 Vol-% des Inertgases Stickstoff enthält, vermieden wird. Dadurch, dass als Temperaturüberträger ein flüssiges Metall, vorzugsweise Zinn, verwendet wird, kann mit Vorteil dessen hohe Wärmekapazität genutzt werden. Der flüssige Aggregatzustand des Zinns wird bei Temperaturen zwischen 231,9°C und 2602°C erreicht. Es steht somit erfindungsgemäß ein breiter Temperaturbereich zur Verfügung der eine thermische Steuerung der Entgasungsreaktionen in Abhängigkeit vom Brenngut ermöglicht. Darüber hinaus ist metallisches Zinn auch in größeren Mengen an sich ungiftig. Die Giftwirkung einfacher Zinnverbindungen und Salze ist gering. Die wenigen toxischen organischen Zinnverbindungen wie Trialkyl-Zinn, insbesondere TBT werden entweder nicht oder nur in äußerst geringem Maße gebildet.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Entgasungskammer Metallspäne und/oder Katalysatoren, vorzugsweise im Metallbad, enthält. Die Metallspäne sind dabei aus solchen Metallen gewählt, die bei der Betriebstemperatur des Metallschmelzbades im festen Aggregatzustand verbleiben. Die Späne dienen der besseren Durchmischung der Schmelze und funktionieren gleichzeitig als Siedesteinchen, an denen sich die entstandenen Brenngase sammeln und von denen sie in Blasenform aufsteigen können.

Wenn eine, die Entgasungskammer durchdringende Förderschnecke vorgesehen ist, die vorzugsweise in ihrem außerhalb der Entgasungskammer liegenden Bereichen thermisch isoliert ausgebildet ist wird mit Vorteil auf einfache Weise ein kontinuierlicher Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht. Die Isolation verhindert einen zu hohen Wärmeaustrag. Sie ermöglicht gleichzeitig eine Vortrocknung des Brenngutes im Bereich der Förderschnecke vor der Entgasungskammer.

Ist die Förderschnecke im Bereich des Metallbades siebartig ausgebildet, kommt das Brenngut leicht und vollständig mit der Metallschmelze in Kontakt. Das Brenngut wird dabei so durch das Metallbad geführt, dass ein kontinuierlicher Austrag erfolgt. Es kommt nicht zu einer Anreicherung an entgastem Brenngut in der Entgasungskammer.

Die zur Erreichung und Beibehaltung der erforderlichen Betriebstemperatur Wärmemenge wird erfindungsgemäß dadurch bereitgestellt, dass der Oxidationsbereich aus einer Oxidationskammer besteht, die die Entgasungskammer wenigstens teilweise umschließt. Das entgaste Brenngut wird in der Oxidationskammer unter Luftzufuhr verbrannt und die freigesetzte Wärmemenge über die Wandungen der Entgasungskammer in die Metallschmelze geleitet.

Mit großem Vorteil ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Brenngasreinigung aufweist, wobei diese vorzugsweise durch Festphasenadsorption beispielsweise an Aktivkohle erfolgt. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch denkbar, das erzeugte Brenngas thermisch so zu behandeln, dass sich die gebildeten Teere zersetzen, insbesondere unter Zuhilfenahme von Katalysatoren.

Die Verfahrensaufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass es die Schritte umfasst: Vortrocknung des Brennguts, Entgasung des Brennguts in einem Metallbad unter Luftausschluß, Oxidation des entgasten Brennguts sowie Reinigung des Brenngases, vorzugsweise thermisch. Die Verfahrensstufe der Entgasung in einem Metallbad unter Luftausschluß erlaubt mit großem Vorteil die Bildung eines Brenngases mit hohem Brennwert, da eine Verdünnung der brennbaren Gase durch Sauerstoff oder inerten Stickstoff unterbleibt.

Die Erfindung wird anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei diese Erläuterung nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen ist.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Sie besteht aus einer angetriebenen Förderschnecke 1, einer Brenngutzufuhr 2, einer Entgasungskammer 3, die eine Zinnschmelze 4 und einen Gasraum 5 enthält sowie einem Brenngutaustrag 6 und einer Oxidationskammer 7. Das Brenngut wird aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter, der beispielsweise als Schüttguttrichter oberhalb der Förderschnecke 1 angeordnet sein kann, über die Förderschnecke 1 entnommen. Dem Schüttguttrichter kann erfindungsgemäß auch eine Brenngutzerkleinerungsvorrichtung vorgeschaltet sein, falls dies erforderlich sein sollte. Das Brenngut in passender Größe und Menge, beispielsweise Holzschnitzel, -presslinge oder dergleichen, wird kontinuierlich mittels der Förderschnecke 1 aus dem Vorratsbehälter entnommen und zur Entgasungskammer 3 transportiert. Mindestens im zur Entgasungskammer 3 benachbarten Bereich der Förderschnecke 1 weist diese eine nicht dargestellte thermische Isolierung auf, so dass die durch die Entgasungskammer 3 übertragene Wärme zur Vortrocknung der Holzstücke verwendet werden kann. Gleichzeitig wird so ein Erstarren des Zinns an den Förderschneckenwänden verhindert. Das Brenngut gelangt trocken in die Entgasungskammer 3, so daß explosionsartige Verdampfungen und Reaktionen des Zinns mit freigesetztem Wasser oder dessen Zersetzungsprodukten vermieden werden. Im Inneren der Entgasungskammer 3 ist die Förderschnecke 1 siebartig ausgeführt, so dass das flüssige Zinn in Kontakt mit den Holzstücken treten kann. Im Zinnbad enthaltene feste Metallspäne sorgen für eine gute Durchmischung und bilden Oberflächen, an denen sich die erzeugten Brenngase sammeln und blasenförmig aufsteigen können. Das freigesetzte Brenngas sammelt sich im Gasraum 5, von wo es aktiv oder passiv entnommen werden kann. Dieser Gasraum 5 ist vollständig von Brenngas gefüllt, er enthält keinerlei Luftanteile. Dies gewährleistet eine Brenngas mit hohem Brennwert. Die Förderschnecke 1 durchdringt die Entgasungskammer 3 und endet in einem Brenngutaustrag 6. Dieser ist ebenfalls thermisch isoliert, um ein Erstarren des in ihm befindlichen Zinns zu verhindern. Der Brenngutaustrag 6 endet in einer Oxidationskammer 7, in der das entgaste Brenngut oxidiert wird. Eventuell durch die entgasten Holzstücke mit ausgetragenes Zinn kann in der Oxidationskammer 7 zurückgehalten werden. Die Oxidationskammer 7 umgibt die Entgasungskammer, so dass die freigesetzte Wärme über die Wände der Entgasungskammer 3 die Zinnschmelze 4 auf Betriebstemperatur hält. In diesem Fall erwärmt die Oxidationskammer 7 auch einen Abschnitt der Förderschnecke 1, so dass die Gefahr der Erstarrung des flüssigen Zinns weiter gemindert ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Oxidationskammer 7 unterhalb der Entgasungkammer 3 angeordnet ist oder diese durchdringt, insbesondere durch den oder die Rauchabzüge. In diesem Fall wird Wärme der Entgasungskammer 3 besonders homogen zugeführt. Das Brenngas wird aus dem Gasraum 5 entnommen und durch eine nicht dargestellte Reinigungsvorrichtung geleitet. Diese Reinigungsvorrichtung kann eine Aktivkohleschüttung sein oder aus einer thermischen Nachbehandlung bestehen. Eine verbrauchte Aktivkohleschüttung kann erfindungsgemäß als zusätzlicher Brennstoff für die Oxidationskammer 7 verwendet werden. Zu entsorgende Abfälle fallen daher nicht an.

1: Förderschnecke
2: Brenngutzufuhr
3: Entgasungskammer
4: Metallschmelze
5: Gasraum
6: Brenngutaustrag
7: Oxidationskammer

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngasen aus kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere ein Holzgasgenerator, mit einem Entgasungsbereich und einem Oxidationsbereich, dadurch gekennzeichnet dass der Entgasungsbereich aus einer Entgasungskammer enthaltend ein geschmolzenes Metall, vorzugsweise Zinn, besteht, wobei die Entgasungskammer unter Luftauschluss arbeitend ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungskammer Metallspäne und/oder Katalysatoren, vorzugsweise im Metallbad, enthält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Entgasungskammer durchdringende Förderschnecke vorgesehen ist, die vorzugsweise in ihrem außerhalb der Entgasungskammer liegenden Bereichen thermisch isoliert ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke im Bereich des Metallbades siebartig ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsbereich aus einer Oxidationskammer besteht, die die Entgasungskammer wenigstens teilweise umschließt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Brenngasreinigung aufweist.
Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen aus kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere von Holzgas, vorzugsweise unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte Vortrocknung des Brennguts, Entgasung des Brennguts in einem Metallbad unter Luftausschluß, Oxidation des entgasten Brennguts sowie Reinigung des Brenngases, vorzugsweise thermisch.