DE102004055407A1

DE102004055407A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors

Info

Publication number: DE102004055407A1
Application number: DE102004055407A
Authority: DE
Inventors: Arno Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein organischer Brennstoff, insbesondere Biomasse, bereitgestellt wird. Der Brennstoff wird einer Vergasungseinrichtung zugeführt, in der eine autotherme Vergasung des Brennstoffes zu einem Synthesegas erfolgt. Nach erfolgter Reinigung und Verdichtung des Synthesegases wird das Synthesegas einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbolader zugeführt, wobei das Synthesegas einer verdichteten Ansaugluft zugeführt wird.

Description

Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors.

Im Zuge der Entwicklung dezentraler Energieversorgungskonzepte sind Verfahren zur Vergasung von biologischen Reststoffen entwickelt worden. Bei den biologischen Reststoffen kann es sich beispielsweise um Klärschlamm handeln. So beschreibt die EP 0 958 332 A1 ein Verfahren, bei dem entwässerter Klärschlamm in einem Wirbelschichttrockner getrocknet wird. Der getrocknete Klärschlamm wird in einem Wirbelschichtvergaser unter Sauerstoffmangel vergast, wobei ein Produktgas entsteht. Dieses Produktgas wird zum Betreiben eines Blockheizkraftwerks betrieben. Die Abwärme des Wirbelschichtvergasers sowie die Abwärme des Blockheizkraftwerks werden über geschlossene Rohrsysteme von Wärmetauschern dem Wirbelschichttrockner oder dem Wirbelschichtvergaser zugeführt. Durch diese Maßnahme wird ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad der Anlage erreicht.

Die Vergasung biologischer Stoffe, bei denen es sich beispielsweise auch um Holz handeln kann, ist auch durch die DE 101 43 427 A1 bekannt. Die Vergasung findet dabei in einem stationären Wirbelschichtvergaser statt. Das in dem Wirbelschichtvergaser entstehende Produktgas wird einem Zündstrahl-Blockheizkraftwerk zugeführt, in dem elektrische Energie und Wärme gewonnen wird.

Die energetische Nutzung biologischer Stoffe ist derzeit weitgehend auf die Verbrennung beschränkt. Die durch eine Vergasung der organischen Brennstoffe gewonnenen Synthesegase weisen einen relativ geringen Heizwert auf.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Zielsetzung zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors zur dezentralen Energieversorgung anzugeben, bei dem die Verbrennungskraftmaschine mit dem Synthesegas betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein organischer Brennstoff, insbesondere Biomasse, bereitgestellt wird. Bei dem Brennstoff kann es sich vorteilhafterweise um Holz in Form von Holzhackschnitzeln handeln. Dieser Brennstoff wird einer Vergasungseinrichtung zugeführt, in der eine autotherme Vergasung des Brennstoff zu einem Synthesegas erfolgt. Bei dem Synthesegas handelt es sich vorzugsweise um ein mittelkaloriges Synthesegas mit einem Heizwert von ≥ 2,2 KWh/Nm³ (8,0 MJ/Nm³). Das in der Vergasungseinrichtung gewonnene Synthesegas wird anschließend einer Reinigung unterzogen. Die Reinigung des Synthesegases kann mehrere unterschiedliche Reinigungsstufen aufweisen. Vorzugsweise erfolgt eine Abtrennung von Reststaub und höhersiedenden Kohlenwasserstoffen in entsprechenden Reinigungseinrichtungen. Bevorzugt erfolgt zunächst eine Reinigung des heißen Synthesegases in einer Heißgaszyklone, die zur Abscheidung grober Partikel geeignet ist.

Nach erfolgter Reinigung wird das Synthesegas verdichtet. Hierbei erfolgt eine Verdichtung des Synthesegases auf ein Druckniveau, das für die Nutzung im Gasmotor geeignet ist. Vorzugsweise wird das Synthesegas auf einen Druck von größer 3,5 bar gebracht.

Das so aufbereitete Synthesegas wird anschließend einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Gasmotor, zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine dezentrale Energieversorgung in einem Leistungsbereich zwischen 0,5 und 20 MW_th bis ca. 5 MW elektrischer Leistung.

Die Vergasung des organischen Brennstoffes erfolgt vorzugsweise in einer Festbett-Vergasungseinrichtung. Alternativ kann die Vergasung in einem Wirbelschichtvergaser erfolgen. Die dort erfolgende autotherme Vergasung (d.h. unter partieller Verbrennung) erfolgt vorzugsweise in einem atmosphärischen Wirbelschichtreaktor bei möglichst hohen Temperaturen. Die brennbaren Hauptbestandteile dieses Gases sind Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂) und Methan (CH₄). Durch die bei der partiellen Verbrennung freigesetzten Wärmemengen wird vorzugsweise die zur Vergasung notwendige Temperatur erzeugt und aufrechterhalten.

Die Vergasung des organischen Brennstoffes erfolgt unter Verwendung eines Vergasungsmittels, bei dem es sich um Luft handeln kann. Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der das Vergasungsmittel Sauerstoff mit bis zu 90 Vol. % enthält. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um technischen Sauerstoff, der aus einer angeschlossenen Sauerstofferzeugungsanlage als Vergasungsmittel in die Vergasungseinrichtung eingebracht wird. Die Zuführung des Vergasungsmittels erfolgt vorzugsweise durch Bodendüsen, die gleichzeitig zur Fluidisierung des zu Bettbildung im Primärbereich eingesetzten feinkörnigen Inertmaterials verwendet wird. Bei dem Inertmaterial kann es sich um Sand, Kalkstein oder andere Stoffe handeln. Das Inertmaterial kann auch Katalysatoren aufweisen.

Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades wird nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, dass das Vergasungsmittel vorgewärmt wird. Die zur Vorwärmung des Vergasungsmittels notwendige Wärme wird vorzugsweise aus der Abwärme des Synthesegases gewonnen.

Zum Cracken von höhermolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen, die beispielsweise Teere bilden könnten, wird nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, dass wenigstens ein Katalysator der Vergasungseinrichtung zugeführt wird. Bei dem Katalysator kann es sich beispielsweise um einen Eisenoxydkatalysator handeln.

In Abhängigkeit von dem verwendeten organischen Brennstoff kann es zweckmäßig sein, wenigstens einen Zusatzstoff der Vergasungseinrichtung zuzuführen, der geeignet ist, eine Schlackebildung zu verringern. Bei dem Zusatzstoff handelt es sich vorzugsweise um Kalk, der den Ascheerweichungspunkt erhöht, um ohne Schlackebildung eine möglichst hohe Vergasungstemperatur zu erreichen.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Vergasung bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1000°C durchgeführt wird. Hierfür ist der Reaktionsraum der Vergasungseinrichtung entsprechend ausgekleidet, insbesondere ausgemauert.

Das heiße Synthesegas, welches vorzugsweise über den Kopf der Vergasungseinrichtung abgezogen wird, wird vor oder nach der Reinigung angekühlt. Es besteht auch die Möglichkeit, das zwischen einzelnen Reinigungsschritten eine Abkühlung des Synthesegases erfolgt. Bevorzugt wird das Synthesegas einer Heißgas zyklone zugeführt, in der eine Abscheidung grober Partikel aus dem Synthesegas erreicht wird. Das die Heißgaszyklone verlassende Synthesegas wird bevorzugt in einem Abhitzewärmetauscher auf eine Temperatur zwischen 200°C und 250°C abgekühlt. Die im Abhitzewärmetauscher übertragene Wärme wird zur Vorwärmung des Brennstoffs, des Vergasungsmittels und/oder des Zusatzstoffes verwendet. Eine mögliche Wärmerestmenge wird vorzugsweise gemeinsam mit aus dem Motorabgas rückgewonnenen Wärme zur Prozesswärmeerzeugung genutzt.

Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass ein Teil des Synthesegases in die Vergasungseinrichtung rückgeführt wird. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass die zur Fluidisierung erforderlichen Gasströme, zur Homogenisierung der Gaszusammensetzung und/oder zur Kontrolle und Regelung der Betttemperatur notwendigen Gasströme vorliegen. Durch das fluidisierte Bettmaterial wird eine zeitlich stabile und räumlich homogene Temperaturverteilung und somit verbesserte Bedingungen für die Vergasungsreaktionen erreicht.

Das Synthesegas wird vorzugsweise nach Abrennung von Reststaub und höhersiedenen Kohlenwasserstoffen auf eine Temperatur von ca. 50°C abgekühlt und in einem Druckbehälter gespeichert. Das Synthesegas wird vorzugsweise einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbolader zugeführt, wobei das Synthesegas einer verdichteten Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Der Vorteil dieser Verfahrensführung kann darin gesehen werden, dass Ablagerungen im Turbolader vermieden werden. Darüber hinaus findet keine Kondensation von Naphthalinen und Teeren im Ladeluftkühler und in der Verbrennungskraftmaschine statt. Durch diese Verfahrensführung kann auf eine aufwändige Gasreinigung im wesentlichen verzichtet werden, da der Turbolader und gegebenenfalls ein Ladeluftkühler bei einer solchen Verfahrensführung umgangen wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des Verfahrens und einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung erläutert.
In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors dargestellt. Die Vorrichtung weist einen ersten Vorratsbehälter 1 auf, in dem der organische Brennstoff, insbesondere Holzhackschnitzel bevorratet. Der Brennstoff, insbesondere die Holzhackschnitzel werden mittels einer Fördereinrichtung 3 in den unteren Teil (Primärbereich) einer Vergasungseinrichtung 4 eingetragen. Bei der Vergasungseinrichtung 4 handelt es sich um einen stationären atmosphärischen Wirbelschichtvergaser. Die Fördereinrichtung 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine motorbetriebene Förderschnecke ausgebildet. Ferner wird vorgewärmter technischer Sauerstoff (60–94 Vol. % O₂) als Vergasungsmittel in den Vergasungsraum eingetragen. Der Gaseintrag dient gleichzeitig der Fluidisierung des zur Bettbildung im Primärbereich eingesetzten feinkörnigen Inertmaterials (Sand/Kalkstein/Katalysator). Es kann zusätzlich Luft und auch Wasserdampf (H₂O) eingedüst werden.
Parallel zum Brennstoff wird über die Fördereinrichtung 3 Bettmaterial, Katalysatormaterial und/oder Zusatzstoffe in die Vergasungseinrichtung 4 eingebracht. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eisenoxydhaltige Katalysatoren zum Cracken von höhermolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen, die beispielsweise Teer bilden könnten. Falls erforderlich, wird durch Zugabe von Kalk der Ascheerweichungspunkt erhöht, um ohne Schlackebildung eine möglichst hohe Vergasungstemperatur zu erreichen. Darüber hinaus kann Bettmaterial zu Bettbildung im Primärbereich eingebracht werden. Bei dem Bettmaterial handelt es sich vorzugsweise um feinkörniges Inertmaterial wie z. B. Sand, Kalkstein, etc.
In dem Innenraum der Vergasungseinrichtung 4 findet eine autotherme Vergasung bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1000°C statt. Die zur autothermen Vergasung (d.h. unter partieller Verbrennung) im Reaktionsraum der Vergasungseinrichtung erforderliche Temperatur wird durch die bei einer Teil- bzw. teilweisen Verbrennung des eingebrachten organischen Brennstoffes (HHS) freigesetzte Wärmeenergie erzeugt und aufrechterhalten. Durch das fluidisierte Bettmaterial wird auch für eine zeitlich stabile und räumlich homogene Temperaturverteilung damit verbesserte Bedingungen für die Vergasungsreaktionen gesorgt.
Das heiße Synthesegas verlässt die Vergasungseinrichtung 4 über dessen Kopf und wird zu einem Heißgaszyklon 5 geleitet, in dem grobe Partikel abgeschieden werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die abgeschiedenen Partikel in Vergasungseinrichtung 4 rückgeführt. Dies ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend. Das aus der Heißgaszyklone verlassende Synthesegas wird durch einen Wärmetauscher 6 geführt. Im Wärmetauscher 6 wird das Synthesegas auf eine Temperatur zwischen ca. 200°C und 250°C abgekühlt. Das so abgekühlte Synthesegas wird einer weiteren Gasreinigung zugeführt. In der Darstellung wird das Synthesegas durch einen Filter 7 hindurchgeleitet, in dem insbesondere Reststaub und höhersiedende Kohlenwasserstoffe aus dem Synthesegas herausgefiltert werden. Nach einer weiteren Abkühlung des Synthesegases im Wärmetauscher 8 wird das Synthesegas auf den für die Nutzung im Gasmotor erforderlichen Vordruck von wenigstens 3,5 bar verdichtet. Die Abkühlung des Synthesegases vor der Verdichtung hat auch den Vorteil, dass eine geringere Verdichterarbeit geleistet werden muss. Das verdichtete Synthesegas wird auf eine Syntesegastemperatur von ca. 50°C im Wärmetauscher 10 abgekühlt und danach in einen Snythesegas-Vorratsbehälter 11 gespeichert.
Der Synthesegas-Vorratsbehälter 11 ist über eine Leitung 12 und eine Gasregelstrecke 13 mit einem Gasmotor 14 verbunden. Der Gasmotor 14 weist einen Tur bolader 15 auf. Durch den Turbolader 15 wird die Ansaugluft des Gasmotors 14 angesaugt und verdichtet. In Strömungsrichtung der Ansaugluft ist dem Turbolader 15 ein Luftkühler 16 nachgeordnet. Das Synthesegas wird der Ansaugluft nach dem Turbolader 1S und dem Luftkühler 16 zugemischt. Dieses Gasgemisch gelangt in den Gasmotor. Die Synthesegastemperatur ist so hoch geregelt, dass keine Kondensation von Teeren, Naphthalinen oder Kohlenstoffverbindungen im Gasmotor auftritt.
Die Zündung des Gasgemisches erfolgt direkt über Zündkerzen oder indirekt über ca. 3 % Zündgas aus Erdgas, Flüssiggas oder Biogas. Die Zumischung des Synthesegases erfolgt über wenigstens ein separates Einlassventil. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass in dem Synthesegas bis zu 50 mg/Nm³ Staubpartikel zulässig sind.
Das den Gasmotor verlassende Abgas kann durch einen Katalysator 17 hindurchgeleitet werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen SCR-Katalysator oder Oxidationskatalysator handeln. Das den Gasmotor verlassende Abgas kann zur Vorwärmung des Vergasungsmittels genutzt werden.
Die übertragene Wärme in den Wärmetauschern 6, 8 und 10 und gegebenenfalls die Wärme des Abgases des Gasmotors können auch zur Prozesswärmeerzeugung oder im Rahmen der Kraftwärmekopplung genutzt werden.
Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass ein Teil des Synthesegases über eine Leitung 17 nach Verdichtung im Verdichter 18 in die Vergasungseinrichtung 4 geleitet wird. Mit dem Bezugszeichen 19 ist eine Sauerstofferzeugungsanlage bezeichnet. In der Sauerstofferzeugungsanlage 19 wird vorzugsweise technischer Sauerstoff bereitgestellt, der dem Teilstrom des Synthesegases, der in die Vergasungseinrichtung geleitet wird, beigemischt wird.
Die Zuführung des Gasgemisches enthaltend Synthesegas und Sauerstoff erfolgt unterhalb des Bettes. Das Gasgemisch tritt durch Düsen 20 im Boden des Vergasungsraums der Vergasungeinrichtung heraus. Der Boden des Vergasungsraums liegt dabei ca. 0,5 m unterhalb der Ebene des Brennstoffeintrags.
Die Vergasungseinrichtung 4 hat einen sich verjüngenden Endbereich, in dem die Asche gesammelt und über eine Austrageinrichtung 21 ausgetragen wird. Hierbei wird die Asche über eine Förderschnecke in einen Bunker gefördert.
Die Vorrichtung sowie das Verfahren haben zahlreiche Vorteile. Insbesondere wird eine dezentrale Energieversorgung in einem Leistungsbereich von 0,5 bis 20 MW_th ermöglicht. Vorzugsweise kommt hierbei oft Holz als Brennstoff zum Einsatz, wobei andere nachwachsende Rohstoffe als Brennstoffe geeignet sind.

1: erster Vorratsbehälter
2: zweiter Vorratsbehälter
3: Fördereinrichtung
4: Vergasungseinrichtung
5: Heißgaszyklon
6: Wärmetauscher
7: Filter
8: Wärmetauscher
9: Verdichter
10: Wärmetauscher
11: Vorratsbehälter
12: Leitung
13: Gasregelstrecke
14: Gasmotor
15: Turbolader
16: Luftkühler
17: Leitung
18: Verdichter
19: Sauerstofferzeugungsanlage
20: Düsen
21: Ascheaustrageinrichtung

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines organischen Brennstoffes, insbesondere von Biomasse; b) Zuführen des Brennstoffes in eine Vergasungseinrichtung; c) Ganz oder teilweise autotherme Vergasung des Brennstoffes zu einem Synthesegas; d) Reinigung des Synthesegases e) Verdichtung des Synthesegases f) Zuführung des Synthesegases einer Verbrennungskraftmaschine.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vergasung in einer Festbett-Vergasungseinrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vergasung in einer atmosphärischen Festbettvergasungseinrichtung autotherm durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vergasung in einem atmosphärischen stationären Wirbelschichtvergaser durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Vergasung in dem Wirbelschichtvergaser autotherm durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 bei dem ein Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel der Vergasungseinrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Vergasungsmittel 60–94 Vol. % technischen Sauerstoff (O₂) enthält.
Verfahren nach Anspruch 6 der 7, bei dem das Vergasungsmittel vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem wenigstens ein Katalysator der Vergasungseinrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 9, bei dem wenigstens ein Zusatzstoff der Vergasungseinrichtung zugeführt wird, der geeignet ist eine Schlackenbildung zu verringern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Vergasung bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1000°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 11, bei dem vor oder nach der Reinigung das Synthesegas abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei das Synthesegas auf eine Temperatur von bis zu 50°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Abwärme des Synthesesegases zur Vorwärmung des Brennstoffes, des Vergasungsmittels und/oder des Zusatzstoffes verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem ein Teil des Synthesegases in die Vergasungseinrichtung rückgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 15, bei dem das Synthesegas einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbolader zugeführt wird, wobei das Synthesegas einer verdichteten Ansaugluft zugeführt wird.