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WO2009129762A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung des feinstaubes im abgas bei der thermischen vergasung von halmförmiger oder stückiger biomasse - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verminderung des feinstaubes im abgas bei der thermischen vergasung von halmförmiger oder stückiger biomasse Download PDF

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WO2009129762A1
WO2009129762A1 PCT/DE2008/000680 DE2008000680W WO2009129762A1 WO 2009129762 A1 WO2009129762 A1 WO 2009129762A1 DE 2008000680 W DE2008000680 W DE 2008000680W WO 2009129762 A1 WO2009129762 A1 WO 2009129762A1
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water
biomass
chamber
gasification
fuel gas
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Application number
PCT/DE2008/000680
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Inventor
Christian Herlt
Original Assignee
Christian Herlt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Christian Herlt filed Critical Christian Herlt
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for reducing the dust and ash content, in particular the fine dust content of the gases resulting from the thermochemical gasification of biomass.
  • Gasification plants of smaller power are largely built so that the ashes contained in the biomass remain as completely as possible in the gasifier room, in ash rooms or settling chambers and are not discharged with the product gas.
  • Systems of this type are known, for. B. for the gasification of whole straw bales according to WO 2005/040680 or for a larger amount of lumpy logs according to EP 0 935 731.
  • the biomass to be gasified remains over a long period of time, up to many hours in the gasifier room and so The gasification process is much slower than in plants where the biomass is crushed and fed continuously.
  • the combustion processes maintained in large gasification rooms are dependent on the combustion air guidance and thus vary in intensity locally and with time. Pyrolysis and gasification take place side by side.
  • the ashes naturally contain whatever refractory components, fine particles can be held in the mechanical bond and be attached the micro ⁇ fine droplets of low-melting salts and oxides and so adhesively bonded.
  • the carbon fiber strands burning last as black fibers are a three-dimensional filter-like structure in which most of the ash is retained.
  • the still resulting fine dust consists mainly of low-melting, sometimes melted or even evaporated salts and oxides from the many substances contained ash mixture, is therefore of extremely small grain size and difficult to deposit with known filter technology, especially in the normal for small heating, periodic operation ,
  • the ashes of the stalks contain many alkaline compounds, in particular salts, many of which are very hygroscopic, so that they can easily clog the tissues of the known exhaust gas filter.
  • the addition of water causes the formation of alkalis and acids and these are the cause of corrosion on metallic and ceramic components of the plants.
  • Electrostatic precipitators must be operated at very high voltages because of the extreme fineness of the dust particles, which entails high costs and dangers.
  • the method of addition of water is also applicable to wood gasification in small units, as explained for example in the patent CH 221697. It is intended to achieve a higher hydrogen content in the fuel gas.
  • the supply of water or steam can only take place if sufficiently high temperatures exist in the gasification space. Accordingly, regulation is applied only in this aspect.
  • a water or steam feed is used, comparable to a cooling of grates and reaction chambers, but also to lower the gasification temperature in order to avoid excessive temperatures, which wear out the technical equipment. In DE 10 2005 006 3005 maximum temperatures of below 1200 0 C and minimum temperatures of 800 ° C are then specified.
  • the present invention has for its object to provide a very easy to implement method with appropriate device for reducing dust emissions in the thermal gasification of biomass, in particular of whole bales of halmartiger biomass from the field and from lumpy wood in which the formation of liquid Slag and fine dust is lowered at the place of gas formation.
  • the resulting amounts of liquid slag and fine dust should be retained as possible in the gasifier room.
  • Another task is the inclusion of a gas scrubbing in the exhaust gas purification of gasification plants also small power to remove the residual amounts of fine dust, slag and pollutants without contaminated wastewater must be treated and disposed of.
  • the ratio of the volume of the biomass charge (1, 15) in the gasifier chamber (2, 14) for heat output of the fuel gas produced per hour is at least 0.005 m 3 per KW, so that the gasification volume per m 3 biomass charge (1, 15) and thus the gassing rate is kept low.
  • the fuel gas produced is burned immediately, without intermediate cooling, in a combustion chamber (6) at temperatures above 720 0 C.
  • Water vapor has about twice as high specific heat capacity as the gas mixture initially present there, which consists in particular of nitrogen, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide and other cracking products. This allows water vapor at the same temperature a much higher amount of heat transferred to the biomass, as the other gases assets.
  • the halm-like or lumpy biomass in bales or stacks always burns or gasses unevenly, because there are only a few burns or embers in the total mass that "move" through the biomass, where the temperature is highest, in more distant layers
  • the splitting of the water releases hydrogen (H 2 ), whose thermal conductivity is about 8 times higher than the other gases mentioned above, so that hydrogen is also able to make a contribution that heat is distributed more evenly on the biomass and on whose surface temperatures rise.
  • the water entry into the gasifier space thus causes a total of more gasification takes place by an increased heat transfer to the biomass at the same or lower temperature.
  • This effect is known through the hot air sauna. If in the sweat room with near 100 0 C water is given to the heater, creates a cloud of steam, which is only a few degrees warmer than the sauna air, but is perceived as much hotter. The human body then absorbs a lot more heat energy for a while and so does the biomass in the gasifier room. There, the gasification is intensified and more biomass is turned into gas. Thereupon, the control of the carburetor with a reduction in the combustion air supply, the heat of combustion released becomes lower and so decrease the temperatures in the carburetor.
  • the steam takes up heat where the combustion takes place particularly strongly at certain points, thus ensuring a much more uniform temperature and energy distribution in the gasifier chamber.
  • a much larger amount of the biomass present in the gasification space is involved in the gasification processes.
  • pyrolysis and gasification can take place much more slowly at certain points.
  • the gasification rate as a gas amount relative to the total biomass present in the gasification chamber thus becomes considerably smaller.
  • less molten mineral is entrained in the microstructure of the biomass at the gas outlet.
  • the formation of fine dust is reduced.
  • the average temperature level in the carburetor room drops and so many mineral components are no longer melted.
  • the desired amount of gas can thus be generated in the presence of water vapor at a lower, medium temperature. It is less of the low-melting salts and oxides from the ash or just planted in gasification plant part melted, torn into the gas stream or to a lesser extent already evaporated.
  • the gasification is much more uniform over the large amount of biomass distributed over a period of many hours, as a very slow and less eruptive process. As a result, the melted material and particulate matter adhere to non-melting ash constituents and the moist biomass structure in the gasifier chamber, so it does not enter the gas flow and this removes only a fraction of the previous amount of mineral dust.
  • Cereal straw is very rich in alkali compounds, especially those of potassium and these are mainly composed of white particulate matter.
  • the potassium oxide is the exact composition of ashes in the biomass. The exact composition of ashes in the biomass is different in the different energy plants and also very soil-related.
  • the heat exchanger surfaces arranged after the combustion chamber remain clean much longer and cleaning is rarely required.
  • the object is achieved in a second variant according to the features of claim two. Accordingly, to reduce the particulate matter in the exhaust gas in the thermal gasification of chunky or lumpy biomass in the form of bales, bundles, stacks or pellets and subsequent combustion of the fuel gas, the gasification by heating by combustion of a proportion of biomass in the gasifier chamber (2, 14 ) and that the fuel gas produced is burned outside the gasifier chamber (2, 14) and passed through a heat exchanger (18), the following method steps are carried out:
  • Carburetor boilers for biomass good exhaust gas cleaning without having to treat treated wastewater or dispose of it specially.
  • the total introduction of water into the bale case space is made from stalks in an amount of 3 to 35%, in particular 20%, based on the total weight of whole bales.
  • Water vapor increasingly enters the product gas and affects the calorific value of the gas.
  • the optimum water addition is in the range of 5% to 15%, based on the total mass.
  • the water can be introduced in any state of aggregation and at any temperature in the gasifier chamber. Of course, the use of normal tap water is easiest.
  • the dependent claims 4 to 7 contain process steps for optimal introduction of water, sewage or steam in the Vergaser Hurm.
  • the subclaims 8 and 9 contain preferred control methods for the metering of water, waste water or steam and the amount of circulated air blown on the biomass in the gasification chamber.
  • Claims 10 to 13 relate to preferred embodiments of the devices for carrying out the method.
  • FIG. I shows a straw all-ball carburetor in the cross section from the front
  • the Fig. II the same straw Ganzball carburetor in a side view in section
  • Fig. III a Holzvergaserkessels smaller power in cross-section from the front.
  • example 1 shows a straw all-ball carburetor in the cross section from the front
  • the Fig. II the same straw Ganzball carburetor in a side view in section
  • Fig. III a Holzvergaserkessels smaller power in cross-section from the front.
  • example 1 shows a straw all-ball carburetor in the cross section from the front
  • the Fig. II the same straw Ganzball carburetor in a side view in section
  • Fig. III a Holzvergaserkessels smaller power in cross-section from the front.
  • example 1 shows a straw all-ball carburetor in the cross section from the front
  • the Fig. II the same straw Ganzball carburetor in a side view in section
  • a cylindrical bale 1 of straw lies in the gasifier chamber 2.
  • This bale is provided with a ceramic lining 3.
  • the bale 1 lies on a combustion grate 4.
  • Darun- ter is the fuel gas exhaust opening 5, which opens into the combustion chamber 6, not shown.
  • ashes 7 are arranged on both sides.
  • the combustion air is sucked through the channel for the air supply 8 and into this projecting into the water Einsprit z issued 9.
  • This consists of warm - and corrosion-resistant material and contains a cross-sectional constriction.
  • the pipe 13 carries the water to the water injection device 9 via a filter 10, not shown, an adjustable pressure reducer 11 and the solenoid valve 12th
  • the water is thus injected from the top of the side of the bales in gasification 1, it evaporates, the existing gas mixture in the gasifier chamber 2 is enriched with water vapor, this is overheated and then transfers more heat energy at a lower temperature to the biomass.
  • a known heat exchanger 18, which is arranged downstream of the combustion chamber 6. In this, the hot gas releases the heat to a water cycle.
  • a known quenching chamber is arranged for separating the remaining particulate matter, the resulting contaminated water is injected via the pipeline 13 and the water injection device 9 into the air supply 8.
  • the filter 10, pressure reducer 11 and the solenoid valve 12 omitted.
  • a controllable pump is used for the supply a controllable pump.
  • the carburetor chamber 14 for stack are coarse firewood pieces 15. Again, the carburetor chamber 14 has a ceramic lining 16 for heat insulation. Thus, the heat is largely retained for the gasification and the conversion reaction.
  • the combustion air is supplied from both sides of the gasifier chamber 14 through the air channels 17 to the fuel wood pieces 15 to be gasified. The generated gas is drawn down into the combustion chamber 6, not shown.
  • the carburetor chamber 14 projects from above a feed tube 19 into which a small funnel 20 is inserted. In this drips water from the dripper 21.
  • the water is supplied via the water line 25 through the adjustable pressure reducing device 23, the valve 24 and the water filter 22.
  • the dripper 21 small amounts of water can be dosed better constipation than with a then too fine water jet.
  • the water additive can be dosed and optically controlled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minderung des Staub- und Aschegehaltes, insbesondere des Feinstaubgehaltes der Gase, die bei der thermochemischen Vergasung von Biomassen entstehen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr einfach zu realisierendes Verfahren mit entsprechender Vorrichtung anzugeben, zur Verminderung der Staubemission bei der thermischen Vergasung von Biomasse, insbesondere der von Ganzballen aus halmartiger Biomasse vom Feld sowie aus grobstückigem Holz, in dem die Entstehung von flüssiger Schlacke und Feinstaub am Ort der Gasentstehung abgesenkt wird. Erfindungsgemäß wird zur Verminderung des Feinstaubes im Brenngas und Abgas bei der thermischen Vergasung halmförmiger oder stückiger Biomasse in Form von Ballen, Bündel, Stapel oder Pellets, in den Vergaserraum (2, 14) nach dem Beginn der Vergasung dosiert Wasser oder Wasserdampf in Abhängigkeit von der Raumtemperatur im Vergaserraum (2, 14) eingebracht, um eine Raumtemperatur von 280 bis 650 °C, bzw. 450 bis 800 °C im Ballen (1) zu gewährleisten.

Description

Patentanmeldung
Bezeichnung der Erfindung
Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Feinstaubes im Abgas bei der thermischen Vergasung von halmförmiger oder stückiger Biomasse
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Minderung des Staub- und Aschegehaltes, insbesondere des Feinstaubgehaltes der Gase, die bei der thermochemischen Vergasung von Biomassen entstehen.
Stand der Technik
Die Verminderung der Emission von Feinstaub aus Biomasse- Feuerungsanlagen ist beim Umweltschutz ein dringendes Anliegen geworden. Hierfür gibt es eine Vielzahl an Vorschlägen und Lösungen für die Nutzung von Abgasfiltern der verschiedensten Bauarten, von Wascheinrichtungen, Zyklonabscheidern usw. Diese Anlagen entnehmen dem staubbeladenen Produktgas, Brenngas bzw. Abgas, einen Anteil des Staubes, nehmen aber keinen Einfluss auf die Staubentstehung.
Insbesondere bei Biomasse-Vergasungsanlagen größerer Leistung zur Verarbeitung von stark zerkleinerter, feinkörniger Biomasse ist es üblich, bei Temperaturen zu arbeiten die so hoch sind, dass die Asche als flüssige Schlacke anfällt und so ausgeschleust werden kann. Die später den Feinstaub bildenden, extrem feinen, staubnebelbildenden Aschetröpfchen gehen aber mit dem Produktgas mit.
In der DE 699 11 983 T2 wird vorgeschlagen, flüssige Asche an zugegebenes, hochschmelzendes Feingut anzulagern und so aus der Vergasung auszuschleusen. Dies kann bei Flugstrom- oder Wirbelbettvergasung mit entsprechend aufwendiger Anlagentechnik realisiert werden. Bei der Vergasung in kleinen Anlagen, in der die Biomasse in Form von ganzen Ballen aus Halmen, Stückholzstapel usw. eingesetzt wird, ist der Zusatz von Feingut viel zu aufwendig die nötige Vermischung praktisch nicht möglich.
Vergasungsanlagen kleinerer Leistung werden weitgehend so gebaut, dass die in der Biomasse enthaltenen Aschen möglichst vollständig im Vergaserraum, in Ascheräumen oder Absetzkammern zurückbleiben und nicht mit dem Produktgas ausgetragen werden. Anlagen in solcher Bauart sind bekannt, z. B. für die Vergasung ganzer Strohballen gemäß WO 2005/040680 oder auch für eine größere Menge von grobstückigem Scheitholz gemäß EP 0 935 731. Bei Anlagen diesen Typs verbleibt die zu vergasende Biomasse über einen langen Zeitraum, bis zu viele Stunden, im Vergaserraum und so erfolgt der Vergasungsprozess viel langsamer als bei Anlagen, in die die Biomasse zerkleinert und kontinuierlich zugeführt wird. Die in großen Vergasungsräumen unterhaltenen Verbrennungsvorgänge sind von der Verbrennungsluftführung abhängig und so örtlich und zeitlich verschieden intensiv. Pyrolyse und Vergasung finden nebeneinander statt. Die Aschen enthalten von Natur aus auch immer hochschmelzende Bestandteile, in deren mechanischen Verbund Feinteilchen festgehalten werden können bzw. auch die mikro¬ feinen Tröpfchen aus niedrigerschmelzenden Salzen und Oxiden angelagert und so adhäsiv gebunden werden.
Insbesondere bei der Ganzballenvergasung von Stroh, Heu, Hanf und anderem halmartigen Material vom Feld bilden die erst zuletzt verbrennenden Kohlenstofffaserstränge als schwarze Fasern lange Zeit ein dreidimensionales, als Filter wirkendes Gebilde, in dem die meiste Asche zurückgehalten wird. Der trotzdem noch anfallende Feinstaub besteht hauptsächlich aus niedrigschmelzenden, zeitweise aufgeschmolzenen oder sogar verdampften Salzen und Oxiden aus dem viele Stoffe enthaltenen Aschegemisch, ist deshalb von extrem kleiner Korngröße und so mit bekannter Filtertechnik nur schwer abscheidbar, insbesondere bei dem für kleine Heizanlagen normalem, periodischen Betrieb.
Die Aschen der Halme enthalten viele alkalischen Verbindungen, insbesondere Salze, von denen wieder viele sehr hygroskopisch sind, so dass diese leicht die Gewebe der bekannten Abgasfilter verstopfen können. Die Wasseranlagerung bewirkt die Bildung von Laugen und Säuren und diese sind die Ursache von Korrosionen an metallischen und auch keramischen Bauteilen der Anlagen.
Elektrofilter müssen wegen der extremen Feinheit der Staubteilchen mit sehr hohen Spannungen betrieben werden, was hohe Kosten und Gefahren nach sich ziehen.
Die Gas- bzw. Abgasreinigung aus Verbrennungsanlagen mit Gaswäschen bzw. Quenchen ist ebenfalls seit längerem bekannt. Diese sind im industriellen Bereich oft anzutreffen, im Bereich der Gebäudeheizung aber zu kostenaufwendig und nur schwer zu handhaben. Es fallen problematische Abwässer mit unterschiedlichen, Teils giftigen, Teils unbekannten Verbindungen an. Diese müssen eingedampft oder gesammelt und spe¬ ziell entsorgt werden.
Außerdem zeigt der Schornstein dann vermehrt eine Dampffahne, was auch unerwünscht ist.
Es ist weiterhin bekannt, zusätzlich zum ohnehin immer vorhandenen Wassergehalt der Biomasse oder von Kohle, Wasser oder Wasserdampf in den Vergaserraum einzuleiten und so auch „Wassergas" mit einem größeren Anteil an Wasserstoff zu gewinnen. Auch moderne Vergasungsverfahren für große Leistungen, wie z. B. in DE 199 25 316 offenbart, bedienen sich dieser Möglichkeit zur Erzielung von mehr Brenngas. Um gleiche Gasmengen bei geringerer Vergasungstemperatur zu erzielen, wird in derselben Patentschrift auch vorgeschlagen, einen Katalysator (Kalkstein) einzusetzen. Dies ist aber aufwendig und erhöht den Ascheanfall beträchtlich.
Das Verfahren der Wasserzugabe ist auch für die Holzvergasung in kleinen Einheiten anwendbar, wie beispielsweise in der Patentschrift CH 221697 erläutert. Es wird damit bezweckt, einen höheren Wasserstoffanteil im Brenngas zu erzielen. Die Wasser- bzw. Dampfzufuhr kann nur erfolgen, wenn ausreichend hohe Temperaturen im Vergasungsraum bestehen. Dementsprechend wird eine Regelung nur unter diesem Aspekt angewendet. Eine Wasser- oder WasserdampfZuführung wird, vergleichbar einer Kühlung von Feuerrosten und Reaktionsräumen, aber auch zur Absenkung der Vergasungstemperatur genutzt, um überhöhte Temperaturen zu vermeiden, welche die technischen Einrichtungen verschleißen. In der DE 10 2005 006 3005 sind dazu maximale Temperaturen von unter 1200 0C und minimale Temperaturen von 800 °C angegeben.
Eine Wasser- oder WasserdampfZuführung bei der Vergasung von halmförmiger Biomasse, z. B. Strohballen, ist bisher nicht vorgeschlagen worden, da zu erwarten war, dass sich die bekannten ungünstigen Verbrennungs- und Vergasungsbedingungen durch die Abkühlung bzw. Wasserkondensation weiter verschlechtern werden. Temperaturen unter 800 0C bedingen auch generell eine höhere Schadstoffbildung.
Andere Verfahren zur Minderung der Staubentstehung bei der Vergasung von Ganzballen aus halmförmiger oder Stapel grobstückiger Biomasse sind nicht bekannt. Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr einfach zu realisierendes Verfahren mit entsprechender Vorrichtung anzugeben, zur Verminderung der Staubemission bei der thermischen Vergasung von Biomasse, insbesondere der von Ganzballen aus halmartiger Biomasse vom Feld sowie aus grobstückigem Holz, in dem die Entstehung von flüssiger Schlacke und Feinstaub am Ort der Gasentstehung abgesenkt wird. Die noch entstehenden Mengen von flüssiger Schlacke und Feinstaub sollen möglichst im Vergaserraum zurückgehalten werden.
Eine weitere Aufgabe ist die Einbeziehung einer Gaswäsche in die Abgasreinigung von Vergasungsanlagen auch kleiner Leistung zur Entfernung der Restmengen an Feinstaub, Schlacke und Schadstoffen, ohne dass belastetes Abwasser aufbereitet und entsorgt werden muss.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.
Demnach werden zur Verminderung des Feinstaubes im Brenngas und Abgas bei der thermischen Vergasung halmförmiger oder stückiger Biomasse in Form von Ballen, Bündel, Stapel oder Pellets, bei der die Vergasung mittels Erwärmung durch Verbrennung eines Anteils der Biomasse im Vergaserraum (2) erfolgt und dass erzeugte Brenngas außerhalb des Vergaserraumes (2) verbrannt und durch einen Wärmetauscher (18) geleitet werden, nachfolgende Verfahrensschritte durchgeführt :
In den Vergaserraum (2, 14) wird nach dem Beginn der Vergasung dosiert Wasser oder Wasserdampf in Abhängigkeit von der Raumtemperatur im Vergaserraum (2, 14) eingebracht, um eine Raumtemperatur von 280 bis 650 0C, bzw. 450 bis 800 0C im Ballen (1) zu gewährleisten. Dadurch werden nur geringe Mengen Asche geschmolzen und Feinstaub gebildet.
- Das Verhältnis des Volumens der Biomassecharge (1, 15) im Vergaserraum (2, 14) zur Wärmeleistung des erzeugten Brenngases pro Stunde beträgt dabei mindestens 0,005 m3 pro KW, so dass das Vergasungsvolumen pro m3 Biomassecharge (1, 15) und damit die Gasungsgeschwindigkeit niedrig gehalten wird.
Das erzeugte Brenngas wird unmittelbar, ohne Zwischenabkühlung, in einer Brennkammer (6) bei Temperaturen über 720 0C verbrannt.
Es hat sich überraschend gezeigt, das eine Wasser- oder Wasserdampfzugäbe auch bei der Vergasung von halmartiger Biomasse in Ballen und stückiger Biomasse im Stapel eine Verbesserung der Vergasung bewirkt, obwohl hierbei eine Temperatursenkung erfolgt.
Wasserdampf hat eine etwa doppelt so hohe spezifische Wärmekapazität als das dort zunächst vorhandene Gasgemisch, dass insbesondere aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Koh- lenmonoxid und weiteren Crackprodukten besteht. Dadurch kann Wasserdampf bei gleicher Temperatur eine viel höhere Wärmemenge auf die Biomasse übertragen, als dass die anderen Gase vermögen. Die halmartige oder stückige Biomasse in Ballen oder Stapel brennt bzw. vergast bekanntlich immer ungleichmäßig, weil sich nur einige Brandstellen, bzw. Glutstellen in der Gesamtmasse befinden, die sich durch die Biomasse „bewegen". Dort ist die Temperatur am höchsten, in entfernteren Schichten dagegen wesentlich niedriger. In unmittelbarer Nähe von Oxidationsreaktionen wird durch die Spaltung des Wassers Wasserstoff (H2) frei, dessen Wärmeleitfähigkeit etwa 8 x so hoch ist, als die anderen genannten Gase. So ist der Wasserstoff auch in der Lage einen Beitrag dafür zu leisten, dass Wärme gleichmäßiger auf die Biomasse verteilt wird und auf deren Oberfläche die Temperaturen steigen.
Der Wassereintrag in den Vergaserraum bewirkt also insgesamt, dass bei gleicher bzw. geringerer Temperatur mehr Vergasung durch eine erhöhte Wärmeübertragung auf die Biomasse erfolgt. Diesen Effekt ist durch die Heißluftsauna bekannt. Wenn im Schwitzraum mit nahe 1000C Wasser auf den Saunaofen gegeben wird, entsteht eine Dampfwolke, die nur wenige Grad wärmer ist als die Saunaluft, jedoch als viel heißer empfunden wird. Der menschliche Körper nimmt dann eine Weile viel mehr Wärmeenergie auf und ebenso ergeht es der Biomasse im Vergaserraum. Dort wird so die Vergasung intensiviert und mehr Biomasse in Gas verwandelt. Darauf reagiert die Steuerung des Vergasers mit einer Minderung der Verbrennungsluftzufuhr, die freiwerdende Verbrennungswärme wird geringer und so sinken die Temperaturen im Vergaserraum.
Der Wasserdampf nimmt dort, wo die Verbrennung punktuell besonders stark erfolgt, Wärme auf und sorgt so für eine viel gleichmäßigere Temperatur- und Energieverteilung im Vergaserraum. In der Folge davon wird eine viel größere Menge der im Vergaserraum vorhandenen Biomasse an den Vergasungsprozessen beteiligt. Dadurch können Pyrolyse und Vergasung punktuell viel langsamer erfolgen. Die Vergasungsgeschwindigkeit als Gasmenge bezogen auf die insgesamt im Vergaserraum vorhandene Biomasse wird so also erheblich geringer. Damit wird im Gefüge der Biomasse beim Gasaustritt weniger geschmolzenes Mineral mitgerissen. In der Folge sinkt die Feinstaubentstehung.
Das durchschnittliche Temperaturniveau im Vergaserraum sinkt ab und so werden schon viele mineralischen Bestandteile gar nicht mehr aufgeschmolzen. Die unerwünschten örtlichen Tempe¬ raturspitzen, dort wo die Verbrennung stattfindet werden gebrochen und so kann auch die Verdampfung niedrigschmelzen¬ der Salze weitgehend verhindert werden. Die gewünschte Gasmenge kann somit bei Anwesenheit von Wasserdampf bei tieferer, mittlerer Temperatur erzeugt werden. Es werden weniger von den niedrigschmelzenden Salzen und Oxiden aus der Asche bzw. dem eben in Vergasung befindlichen Pflanzenteil ausgeschmolzen, in den Gasstrom gerissen bzw. in geringerem Umfang auch schon verdampft. Die Vergasung erfolgt viel gleichmäßiger über die große Biomassemenge verteilt in einer Zeit von vielen Stunden, als sehr langsamer und wenig eruptiver Prozess. So bleibt Schmelzgut und Feinstaub adhäsiv an nichtschmelzenden Aschebestandteilen und der feuchten Biomassestruktur im Vergaserraum hängen, geht also nicht in den Gasstrom und mit diesem wird nur noch ein Bruchteil der bisherigen, zu Feinstaub werdenden Mineralmenge abtransportiert.
Der weitaus meiste, feinstaubbildende Anteil in der Asche bleibt im Vergaserraum in den Ascheräumen liegen und so sinkt der Staubgehalt im Abgas in überraschend hohen Maße auf nur noch einen Bruchteil des bisherigen Wertes.
Es sind die niedrigschmelzenden Salze und Oxide, die den mit einfachen. Zyklonen oder Absetzräumen kaum zu erfassenden Feinstaub erzeugen. Die Schmelzpunkte der im vorkommenden, im folgenden aufgeführten Ascheinhaltsstoffe liegen im wesentlichen im Bereich von 160-6500C:
Aluminiumchlorid, -nitrat, sulfat,
Ammoniumnitrat, -sulfat, -Eisen-sulfat
Eisen-II-chlorid
Kaliumchlorat, -sulfat, -sulfid, -nitrat, oxid
Natriumchlorat , -metaphosphat , -nitrit, -phosphat
Calciumnitrat
Magnesiumoxid, -sulfat, -Chlorid,
Kupferchlorid, -sulfat
Manganoxid, -chlorid
Phosphoroxid, -sulfid (Kaltofen, Tabellenbuch Chemie, Verlag Harri Deutsch)
Getreidestroh ist sehr reich an Alkaliverbindungen, insbesondere solche des Kaliums und aus diesen setzt sich der weiße Feinstaub hauptsächlich zusammen. Zuerst zu nennen ist das Kaliumoxid. Die genaue Aschezusammensetzung in der Biomasse ist in den verschiedenen Energiepflanzen unterschiedlich und auch sehr bodenbedingt.
Die unmittelbar nach der Vergasung anschließende Verbrennung ohne Zwischenabkühlung des Brenngases bei Temperaturen über 750 °C bewirken eine sichere Beseitigung umweltschädliche chemische Verbindungen, die bei der Vergasung mit niedrigen Temperaturen entstehen können.
Durch die Anwendung des Verfahrens bleiben die nach der Brennkammer angeordneten Wärmetauscherflächen viel länger sauber und eine Reinigung ist nur selten erforderlich.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einer zweiten Variante entsprechend den Merkmalen des Anspruchs zwei gelöst. Demnach werden zur Verminderung des Feinstaubes im Abgas bei der thermischen Vergasung von halmförmiger oder stückiger Biomasse in Form von Ballen, Bündel, Stapel oder Pellets und anschließender Verbrennung des Brenngases, wobei die Vergasung mittels Erwärmung durch Verbrennung eines Anteils der Biomasse im Vergaserraum (2, 14) erfolgt und dass erzeugte Brenngas außerhalb des Vergaserraumes (2, 14) verbrannt und durch einen Wärmetauscher (18) geleitet werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
- Das Abgas wird anschließend durch einen Quenchraum (26) zum Ausfällen der Schlacke- und Staubanteile geleitet.
In den Vergaserraum (2, 14) wird nach dem Beginn der Vergasung dosiert, belastetes Wasser aus dem Quenchraum (26) in Abhängigkeit von der Raumtemperatur im Vergaserraum (2, 14) eingebracht, um eine Raumtemperatur von 280 bis
650 0C bzw. 450 bis 800 0C im Ballen (1) zu gewährleisten.
So wird das Wasser verdampft und die Feststoffanteile und der entstehende Feinstaub und die Schlacke werden in der
Biomassecharge überwiegend festgehalten und der mit dem
Brenngas ausgetragene Anteil unmittelbar, ohne
Zwischenabkühlung in einer Brennkammer (6) bei Temperaturen über 720 0C verbrannt.
Dieses Verfahren ermöglicht auch bei kleinen
Vergaserheizkesseln für Biomasse eine gute Abgasreinigung, ohne dass belastetes Abwasser nachbehandelt oder speziell entsorgt werden muss.
Beide Verfahren nach Anspruch 1 und 2 sind auch miteinander kombinierbar .
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsverfahren nach Anspruch 3 wird der Gesamteintrag von Wasser in den Vergaserraum für Ganzballen aus Halmen in einer Menge von 3 bis 35%, insbesondere um 20%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Ganzballen, durchgeführt.
Es wurde gefunden, dass durch den Eintrag von Wasser in den Vergaserraum eines Ganzballenvergasers in einer Menge von etwa 20% bezogen auf das Gewicht der vergasten Biomasse (natürlich getrocknetes Stroh) pro Zeiteinheit eine Minderung der Feinstaubemission von vorher mehr als 90mg/Normkubikmeter Abgas auf etwa 20mg/Normkubikmeter eintritt. Damit werden die geltenden Abgasgrenzwerte eingehalten und auf die Installation eines kostenintensiven Feinstaubfilters kann verzichtet werden. Es hat sich gezeigt, dass die feinstaubmindernde Wirkung einer Wasserzugabe zur Vergasung schon bei etwa 3% bezogen auf das Gewicht der pro Zeiteinheit abbrennenden Biomasse gut messbar ist, 35% aber nicht überschritten werden sollte, weil dann kaum noch alles Wasser in der Konvertie¬ rungsreaktion (CO+H2O —H2 + CO2) umgesetzt werden kann. Dann gelangt Wasserdampf vermehrt in das Produktgas und beeinträchtigt den Brennwert des Gases. Der optimale Wasserzusatz liegt im Bereich von 5% bis 15%, bezogen auf die Gesamtmasse. Das Wasser kann in beliebigem Aggregatzustand und mit beliebiger Temperatur in den Vergaserraum eingebracht werden. Naturlich ist die Nutzung von normalem Leitungswasser am einfachsten.
Die Unteranspruche 4 bis 7 enthalten Verfahrensschritte zur optimalen Einbringung von Wasser, Abwasser oder Dampf in den Vergaserräum.
Die Unteranspruche 8 und 9 enthalten bevorzugte Steuerverfahren für die Dosierung von Wasser, Abwasser oder Dampf und der Menge der auf die Biomasse in den Vergaserraum geblasenen Umluft.
Die Ansprüche 10 bis 13 beziehen sich auf bevorzugte Ausfuhrungsformen der Vorrichtungen zur Durchfuhrung der Verfahren.
Beispiele
Nachfolgend sollen das Verfahren und die Vorrichtung an zwei Beispielen erläutert werden.
Die Figur I zeigt einen Stroh-Ganzballenvergaser im Querschnitt von vorne, die Fig. II den gleichen Stroh-Ganzballenvergaser in einer Seitenansicht im Schnitt und die Fig. III einen Holzvergaserkessels kleinerer Leistung im Querschnitt von vorne. Beispiel 1
Gemäß Fig. I liegt ein zylinderförmiger Ballen 1 aus Stroh im Vergaserraum 2. Dieser ist mit einer keramischen Auskleidung 3 versehen. Der Ballen 1 liegt auf einem Brennrost 4. Darun- ter befindet sich die Brenngasabzugsöffnung 5, die in die nicht näher dargestellte Brennkammer 6 einmündet. Im unteren Teil des Vergaserraumes 2 sind beidseitig Ascheräume 7 angeordnet .
Die Verbrennungsluft wird durch den Kanal für die Luftzuführung 8 angesaugt und in diesen hinein ragt die Wassereinsprit zeinrichtung 9. Diese besteht aus warm - und korrosionsfestem Material und enthält eine Querschnittsverengung. Die Rohrleitung 13 führt das Wasser zur Wassereinspritzeinrichtung 9 über einen nicht dargestellten Filter 10, einen einstellbaren Druckminderer 11 und das Magnetventil 12.
Im Betrieb wird das Wasser also von oben seitlich auf den in Vergasung befindlichen Ballen 1 gespritzt, es verdampft, das vorhandene Gasgemisch im Vergaserraum 2 wird mit Wasserdampf angereichert, dieser wird überhitzt und überträgt dann mehr Wärmeenergie bei geringerer Temperatur auf die Biomasse. Nicht dargestellt ist ein bekannter Wärmetauscher 18, welcher der Brennkammer 6 nachgeordnet ist. In diesem gibt das Heißgas die Wärme an einen Wasserkreislauf ab. Wird nach diesem zum Abscheiden des restlichen Feinstaubes ein bekannter Quenchraum angeordnet, so wird das anfallende belastete Wasser über die Rohrleitung 13 und die Wassereinspritzeinrichtung 9 in die Luftzuführung 8 eingespritzt. In dieser Variante entfallen der Filter 10, Druckminderer 11 und das Magnetventil 12. Für die Zuführung wird dafür eine regelbare Pumpe eingesetzt.
Beispiel 2
Mit Fig. III soll ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Es handelt sich hier um den Querschnitt eines Holzvergaserkessels kleinerer Leistung, der mit sehr grobem Scheitholz gefüllt ist, für eine Vergasungs- und Brennzeit von mindestens 7 Stunden.
Im Vergaserraum 14 für Stapel liegen grobe Brennholzstücke 15. Auch hier hat der Vergaserraum 14 eine keramische Auskleidung 16 zur Wärmeisolation. So bleibt die Wärme weitgehend für die Vergasung und die Konvertierungsreaktion erhalten. Die Verbrennungsluft wird von beiden Seiten des Vergaserraumes 14 durch die Luftkanäle 17 den zu vergasenden Brennholzstücken 15 zugeleitet. Das erzeugte Gas wird nach unten in die nicht näher dargestellte Brennkammer 6 abgezogen.
In den Vergaserraum 14 ragt von oben ein Zuführrohr 19 hinein, in dem ein kleiner Trichter 20 steckt. In diesen tropft Wasser aus der Tropfeinrichtung 21. Das Wasser wird zugeführt über die Wasserleitung 25 durch die einstellbare Druckreduziereinrichtung 23, das Ventil 24 und den Wasserfilter 22. Durch die Tropfeinrichtung 21 können geringe Wassermengen besser verstopfungssicher dosiert werden als mit einem dann zu feinen Wasserstrahl. Mit der leicht einstellbaren Anzahl an Wassertropfen pro Zeiteinheit kann der Wasserzusatz dosiert und optisch kontrolliert werden.
Für einen Holzvergaserkessel mit 20 kW Heizleistung wird ein Zusatz von ungefähr einem Liter Wasser pro Brennstunde empfohlen. Das sind ungefähr 100 Kaltwassertropfen pro Minute.
Verzeichnis der Bezugszeichen
Ballen aus Halmen Vergaserraum (für Ballen) keramische Auskleidung Brennrost Brenngasabzugsöffnung Brennkammer Ascheräume Kanal für Luftzuführung Wassereinspritzeinrichtung Filter Druckminderer Magnetventil Rohrleitung Vergaserraum (für Stapel) Brennholzstücke keramische Auskleidung Luftkanäle Wärmetauscher Zuführrohr Trichter Tropfeinrichtung Wasserfilter Druckreduziereinrichtung Ventil Wasserleitung Quenchraum

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verminderung des Feinstaubes im Abgas bei der thermischen Vergasung von halmförmiger oder stückiger Biomasse in Form von Ballen, Bündel, Stapel oder Pellets und anschließender Verbrennung des Brenngases, wobei die Vergasung mittels Erwärmung durch Verbrennung eines Anteils der Biomasse im Vergaserraum (2) erfolgt und dass erzeugte Brenngas außerhalb des Vergaserraumes (2) verbrannt und durch einen Wärmetauscher (18) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Vergaserraum (2, 14) nach dem Beginn der
Vergasung dosiert Wasser oder Wasserdampf in Abhängigkeit von der Raumtemperatur im Vergaserraum (2, 14) eingebracht wird, um eine Raumtemperatur von 280 bis 650 °C, bzw. 450 bis 800
0C im Ballen (1) zu gewährleisten, so dass nur geringe Mengen Asche geschmolzen und Feinstaub gebildet werden und das Verhältnis des Volumens der Biomassecharge (1, 15) im
Vergaserraum (2, 14) zur Wärmeleistung des erzeugten
Brenngases pro Stunde mindestens 0,005 m3 pro KW beträgt, so dass das Vergasungsvolumen pro m3 Biomassecharge (1, 15) und damit die Gasungsgeschwindigkeit niedrig gehalten wird und das erzeugte Brenngas unmittelbar, ohne Zwischenabkühlung in einer Brennkammer (6) bei Temperaturen über 750 0C verbrannt wird.
2. Verfahren zur Verminderung des Feinstaubes im Abgas bei der thermischen Vergasung von halmförmiger oder stückiger Biomasse in Form von Ballen, Bündel, Stapel oder Pellets und anschließender Verbrennung des Brenngases, wobei die Vergasung mittels Erwärmung durch Verbrennung eines Anteils der Biomasse im Vergaserraum (2, 14) erfolgt und dass erzeugte Brenngas außerhalb des Vergaserraumes (2, 14) verbrannt und durch einen Wärmetauscher (18) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas anschließend durch einen Quenchraum (26) zum Ausfällen der Schlacke- und Staubanteile geleitet wird, dass in den Vergaserraum (2, 14) nach dem Beginn der Vergasung dosiert, belastetes Wasser aus dem Quenchraum (26) in Abhängigkeit von der Raumtemperatur im Vergaserraum (2, 14) eingebracht wird, um eine Raumtemperatur von 280 bis 650 0C bzw. 450 bis 800 0C im Ballen (1) zu gewährleisten, so dass das Wasser verdampft und die Feststoffanteile und der entstehende Feinstaub und die Schlacke in der Biomassecharge überwiegend festgehalten und der mit dem Brenngas ausgetragene Anteil unmittelbar, ohne Zwischenabkühlung in einer Brennkammer (6) bei Temperaturen über 720 0C verbrannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamteintrag von Wasser in den Vergaserraum für Ganzballen aus Halmen in einer Menge von 3 bis 35%, insbesondere um 20%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Ganzballen, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Quenchraum (26) versprühte Wasser unterhalb von diesem gesammelt und dosiert in den Vergaserraum (2, 14) eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser- bzw. Dampfzusatz im Vergaserraum (2, 14) gleichmäßig verteilt, räumlich weit von der Brenngasabzugöffnung (5) entfernt erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, , dass Wasser in den Kanal für die Luftzuführung (8) der Verbrennungsluft eingesprüht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser oberhalb der im Vergaserraum (2, 14) liegenden Biomasse eingetropft oder eingesprüht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Vergaserraum (2, 14) gemessen und die Standardmenge der Wasser- oder Dampfzugäbe je kg. Biomasse und Zeiteinheit bei steigender Temperatur ab 400 0C linear erhöht wird, so dass 650 0C im Vergaserraum (2, 14) nicht überschritten werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergaserraum (2, 14) wie bekannt, Gas entnommen und auf die Biomasse in Form von Ballen(l), Bündel, Stapel (15) oder Pellets örtlich konzentriert und beschleunigt geblasen wird, um Schlacke und Asche zu entfernen, die Temperatur im Vergaserraum gemessen und die Standardmenge der Gasblasung je kg. Biomasse und Zeiteinheit bei
Temperaturen unter 400 0C linear erhöht wird, um eine Mindestmenge an Wasserdosierung in den Vergaserraum
(2, 14) aufrecht zu erhalten.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Vergaserraum (2) für die halmförmige Biomasse in Form von Ballen (1), einen im oberen Bereich angeordneten Kanal für die LuftZuführung (8) der Verbrennungsluft, einem im unteren Bereich angeordneten Brennrost (4) mit Brenngasabzugöffnung (5) und daran anschließender Brennkammer (6), dadurch gekennzeichnet, dass etwa mittig im Kanal für die LuftZuführung (8) eine Wassereinspritzeinrichtung (9) befestigt ist, die über eine Rohrleitung (13) mit einem Filter (10), Druckminderer (11) und Magnetventil (12) mit der Wasserleitung (25) oder direkt mit einer Pumpe zum Tank für Quenchwasser verbunden ist.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, bestehend aus einem Vergaserraum (14) für die Biomasse in Form von Brennholzstapel (15) , Brennholzbündel oder einer Pelletschüttung, im mittleren Bereich angeordnete Luftkanäle (17) für die Zuführung der Verbrennungsluft, einer im unteren Bereich angeordneter Brenngasabzugöffnung (5) und daran anschließender Brennkammer (6), dadurch gekennzeichnet, dass oben am Füll- und Vergaserraum (14), etwa mittig, ein Zuführrohr (19) mit Trichter (20) und darüber eine Tropfeinrichtung (21) angeordnet ist, die über eine Rohrleitung mit einem Wasserfilter (22), Druckreduziereinrichtung (23) und Ventil (24) mit der Wasserleitung (25) oder das Zuführrohr (19) direkt mit einer Pumpe zum Tank für Quenchwasser verbunden ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
2, bestehend aus einer Brenngasabzugöffnung (5) für die Biomasse, Luftkanäle (17) für die Zuführung der Verbrennungsluft, einer im unteren Bereich angeordneter Brenngasabzugöffnung (5) und daran anschließender Brennkammer
(6), und Wärmetauscher (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher stromabwärts mit einem Quenchraum (26) verbunden ist, der im unteren Bereich einen Quenchwassersammelraum besitzt, eine Abwasserleitung mit Dosierpumpe, die diesen mit dem oberen Vergaserraum (2) verbindet und dass eine Regelung für die Dosierpumpe mit einem Temperaturfühler im Vergaserraum (14) die Pumpenleistung regelt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine speicherprogrammierbare Steuerung eingangseitig mit
Temperaturfühlern im Vergaserraum (2, 14) und im beheiztem
Wasser- oder Dampfraum des Wärmetauschers und ausgangsseitig mit der Wasserdosiereinrichtung mit
Druckreduziereinrichtung (23) und Ventil (24) oder
Dosierpumpe, sowie Gebläse im Vergaserraum (2, 14) verbunden ist, ein auswählbarer Datenspeicher für die spezifischen
Dosiermengen Wasser und Gebläseluft je kg. Biomassesorte und
Zeiteinheit besteht, so dass eine Grundeinstellung und eine darauf aufbauende Regelung zur Einhaltung der Grenzwerte der
Temperaturen und Wasserzugaben ermöglicht werden.
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