DE102006017355A1

DE102006017355A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erreichen von besseren Wärmeübergängen bei der Verwendung von Impulsbrennern

Info

Publication number: DE102006017355A1
Application number: DE102006017355A
Authority: DE
Inventors: Oliver Neumann
Original assignee: SPOT SPIRIT OF TECHNOLOGY AG
Current assignee: ANTAN INVESTMENT GMBH, DE
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-18
Also published as: WO2007118737A1; EP2008023A1; US20090084036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Wärmetauscherrohre, die als Resonanzrohre eines Helmholtz Resonators wirken und die als Drallrohre eingesetzt werden. Diese sind in der Lage, durch ihre geometrisch verformte Oberfläche, den Wärmeübergang in den Grenzschichten, die den auszutauschenden Wärmestrom bestimmen, drastisch zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein einen Impulsbrenner und entsprechende Verfahren, die einen Wärmeübergang bei Vergasungsprozessen verbessern.
Gebiet der Erfindung:
Die Entwicklung thermischer Vergasungsverfahren hat im Wesentlichen drei unterschiedliche Vergasertypen hervorgebracht, den Flugstromvergaser, den Festbettvergaser und den Wirbelschichtvergaser
Für die kommerzielle Vergasung von Biomassen wurden in erster Linie der Festbettvergaser und der Wirbelschichtvergaser weiterentwickelt.
Von den vielen unterschiedlichen technischen Ansätzen im Bereich der Festbettvergasung sei an dieser Stelle das Carbo-V-Verfahren exemplarisch dargestellt.
Literatur für Wirbelschichtvergasung, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann den folgenden Stellen entnommen werden: „High-Temperature Winkler Gasification of Municipal Solid Waste"; Wolfgang Adlhoch, Rheinbraun AG, Hisaaki Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Joachim Wolff, Karsten Radtke (speaker), Krupp Uhde GmbH; Gasification Technology Conference; San Francisco, California, USA; Oktober 8-11, 2000; Conference Proceedings
Literatur für zirkulierende Wirbelschicht im Verbundsystem, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann den folgenden Stellen entnommen werden: „Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung auf Basis Biomasse-Vergasung"; R. Rauch, H. Hofbauer; Vortrag Uni Leipzig 2004. „Zirkulierende Wirbelschicht, Vergasung mit Luft Operation Experience with CfB – Technology for Waste Utilisation at a Cement Production Plant" R. Wirthwein, P. Scur, K. -F. Scharf – Rüdersdorfer Zement GmbH, H. Hirschfelder – Lurgi Energie und Entsorgungs GmbH; 7th. International Conference on Circulating Fluidized Bed Technologies; Niagara Falls Mai 2002.
Literatur für Kombination Festbett (Drehrohr), die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann den folgenden Stellen entnommen werden: 30 MV Carbo V Biomass Gasifier for Municipal CHP; The CHP Project for the City of Aachen Matthias Rudloff; Vortrag Paris Oktober 2005
Literatur für Kombination für die Festbettvergasung (chlackeabstichvergaser), die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann den folgenden Stellen entnommen werden: Operation Results of the BGL Gasifier at Schwarze Pumpe Dr. Hans-Joachim Sander SVZ; Dr. Georg Daradimos, Hansjobst Hirschfelder Envirotherm; Gasification Technologies 2003; San Francisco California; October 12-15 2003; Conference Proceedings
Bei dem Carbo-V-Verfahren findet die Vergasung in zwei Stufen statt. Zunächst wird die Biomasse bei 500°C in ihre flüchtigen und festen Bestandteile aufgespalten. Es entsteht ein teerhaltiges Gas und zusätzlich "Holzkohle". Das Gas wird bei Temperaturen von mehr als 1200°C verbrannt, wobei die Teere in CO2 und H2 zerfallen. Mit dem heißen Rauchgas und der Holzkohle wird anschließend ein CO- und H2-haltiges Produktgas erzeugt.
Aufgrund des hohen technischen und ökonomischen Aufwandes, bedingt durch das hohe Druckniveau (bis 40 bar), sind diese Vergasertypen für die Vergasung von Biomasse (die regional anfällt und bedeutenden Einfluss auf die Kosten für Logistik und Verarbeitung hat) gänzlich ungeeignet.
Die Wirbelschichtvergaser lassen sich in zwei Verfahren unterteilen, die sich in der Aufwärmung des Wirbelbettes unterscheiden, den zirkulierenden Wirbelschichtvergaser und den stationären Wirbelschichtvergaser.
Literatur für Entschwefelung in einer Wirbelschichtvergasung, die Bestandteil dieser Anmeldung ist kann den folgenden Stellen entnommen werden: Gasification of Lignite and Wood in the Lurgi Circulating Fluidized Be Gasifier; Research Project 2656-3; Final Report, August 1988, P. Mehrling, H. Vierrath; LURGI GmbH; for Electric Power Research Institute Palo Alto California: ZWS-Druckvergasung im Kombiblock Schlussbericht BMFT FB 03 E 6384-A; P. Mehrling LURGI GmbH; Bewag
In Güssing (Österreich) wurde Anfang 2002 eine allotherme, zirkulierende Wirbelschicht-Vergasungsanlage in Betrieb genommen. Die Biomasse wird in einer Wirbelschicht mit Dampf als Oxidationsmittel vergast. Zur Wärmebereitstellung für den Vergasungsprozess wird ein Teil der in der Wirbelschicht entstehenden Holzkohle in einer zweiten Wirbelschicht verbrannt. Durch die Vergasung unter Dampf wird ein Produktgas erzeugt. Nachteilig wirken sich die hohen Anschaffungskosten der Anlagentechnik und ein überhöhter Aufwand für die Prozessregelung aus.
Eines der wesentlichen Probleme bei allen Ansätzen ist der effiziente Einsatz der Brenner.
Überblick über die Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Übertragung von Wärme unter Verwendung von Impulsbrennern. Diese Impulsbrenner können in Vergasern eingesetzt werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Ein mögliches Anwendungsgebiet ist der Einsatz von Impulsbrennern bei der thermischen Vergasung von Biomasse. Kein bekanntes anderes Verfahren ist in der Lage, ein hochwertiges Synthesegas zu konkurrenzlos niedrigen Preisen – als Ergebnis verhältnismäßig geringer Investitionen – unter der Vorgabe von CO2-Reduktion herzustellen bzw. dieses einer energetischen Nutzung zuzuführen und dieses gleichzeitig – nach entsprechender Kühlung und Reinigung – als Brennstoff zu verarbeiten.
Bei dem möglichen Einsatzgebiet wird die Biomasse ebenfalls in einer Wirbelschicht mit Dampf als Oxidations- und Fluidisiermedium vergast. Allerdings handelt es sich hier um eine stationäre Wirbelschicht mit zwei eigens entwickelten Impulsbrennern, die einen indirekten Wärmeeintrag in das im Reaktor befindliche Wirbelbett ermöglichen.
Der Vorteil im Vergleich zum Festbettvergaser und zur zirkulierenden Wirbelschicht ist das Fehlen ausgeprägter Temperatur- und Reaktionszonen. Die Wirbelschicht besteht aus einem inerten Bettmaterial. Dadurch werden ein gleichzeitiger Ablauf der einzelnen Teilreaktionen und eine homogene Temperatur (ca. 800°C) gewährleistet. Das Verfahren ist nahezu drucklos (bis max. 0,5 bar) und ist somit technisch problemlos umsetzbar. Es zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Die Anschaffungskosten liegen unter den vorgenannten Vergasertypen.
Ausgangspunkt für eine weitergehende Nutzung als Treibstoff ist das mittelkalorische Gas aus der Bio-Synthesegasanlage (auf der Basis nachwachsender Rohstoffe), das nach der Entstaubung und dem Auswaschen kondensierbarer Kohlenwasserstoffe (ÖL-Quench) über einen Turboverdichter auf ca. 20 bar verdichtet und durch die folgenden Prozessschritte veredelt werden kann:

– Gasreinigung und CO2-Entfernung über eine Rectisol-Anlage
– Optimierung des Verhältnisses H2 zu CO über das Shift-Verfahren
– Fischer-Tropsch-Synthese
– Abgabe an einen favorisierten Hydro-Cracker/Produktion Diesel mit höchstem Cetan.

Als Ergebnis bleibt festzuhalten, dass das beim Einsatz der erfindungsgemäßen Gegenstände der Ablauf eines Verfahrens möglich ist, bei dem auf der Grundlage des Synthesegases aus 100 to Biomasse 23 to hochwertigen Treibstoff herzustellen ist.
Es versteht sich, dass der beanspruchte Impulsbrenner nicht auf diesen Einsatz beschränkt ist. Eine Vielzahl weiterer Einsätze ist denkbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen sind mit integrierten Pilotbrennern ausgerüstet, die eine optimale energetische Nutzung des Hauptbrennstoffes (Propan-, Erdgas- oder Synthesegas) oder die gleichzeitige Verbrennung mehrerer Gasarten gezielt mit hohen Wirkungsgraden erlauben. Die Wärme dient vorzugsweise der Erzeugung von Reaktionswärme für die Dampfumwandlung.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind darauf ausgelegt, höhere Wärmeübergänge zu erreichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist dies zwischen den Rauchgasen und der Wirbelschicht gewünscht, wobei eine gleichzeitige Verminderung der Anzahl der Resonanzrohe der Impulsbrenner sicherzustellen ist.
Insofern werden für die der Brennkammer nachgeschalteten Wärmetauscherrohre, die als Resonanzrohre des Helmholtz Resonators wirken, Drallrohre eingesetzt. Diese sind in der Lage, durch ihre geometrisch verformte Oberfläche, den Wärmeübergang in den Grenzschichten, die den auszutauschenden Wärmestrom bestimmen, drastisch zu erhöhen. Das Resultat ist eine zusätzliche Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Rauchgas und Rohrwand, die die parallele Anwendung beider Methoden Pulsation sowie Oberflächenausformung der Wärmetauscherrohre und die Verbesserung sowie Erhöhung des Wärmeüberganges im Teillastbetrieb der Impulsbrenner bewirkt. Diese Erhöhung des Lastverhaltens führt zur Verbesserung und Vereinfachung der Betriebsführung.
Die Erhöhung des Wärmeüberganges erlaubt darüber hinaus die Reduzierung der Anzahl der Impulsrohre unter Beibehaltung ihrer Funktionsfähigkeit. Durch die Verminderung der entsprechenden Anzahl wird die Gassenbreite zwischen den Rohren vergrößert, was zusätzlich den Wärmeübergang auf Seiten der Wirbelschicht erhöht.
Als Folge dieser Optimierung des Materialtransports innerhalb des Wirbelbettes erhöhen sich der Wärmeübergang sowie der Stoffaustausch und die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktionen im Rahmen des Vergasungsprozesses steigt deutlich an.
Figuren Beschreibung:
Die Figuren dienen zur Beschreibung der Erfindung und zum besseren Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt ein Impulsrohr, in dem der Impulsstoß einen Drall erlangt;
2 zeigt einen Impulsbrenner mit Pilotbrennern;
3 zeigt die Anordnung von drei Impulsbrennern in einem Vergasungsreaktor;
Bevorzugte Ausführungsform:
Die 1 zeigt ein Impulsrohr 2 dass eine Prägung aufweist, so dass der Verdichtungsstoß 1, der durch eine Verbrennung entstanden ist, einen Drall erlangt. Die Stoßwellen des Verdichtungsstoßes 3 bewegen sich spiralförmig durch das Impulsrohr. Dies wird in der Regel dadurch erreicht, dass Prägungen oder Auswölbungen innerhalb des Impulsrohrs an dessen Innenseite ausgebildet sind, die den Verdichtungsstoß in eine Rotationsbewegung versetzen. Das Impulsrohr, das den Verdichtungsstoß 1 aufnimmt, ist von einer feuerfesten Masse anfänglich umgeben und wird durch einen gekühlten Rohrboden gehalten. Aufgrund der großen Hitze des Verdichtungsstoß ist eine entsprechende Befestigung notwendig und eine Kühlung unerlässlich, damit keine Schäden am Brenner auftreten.
Die 2 zeigt einen Impulsbrenner 21, der vorzugsweise in einem Vergasungsreaktor eingesetzt wird. Dieser weist neben einem Hauptbrenner, der mit Brenngas z.B. dem durch den Vergasungsreaktor erzeugten Synthesegas betrieben wird. Ferner sind zwei Pilotbrenner 22 und 23 vorgesehen, die mit Brenngas z.B. Off-Gas I und II betrieben werden. Diese Gase sind z.B Kreislaufabstoßgas aus den nachgeschalteten Synthesen zur Erzeugung von Treibstoff (Benzin od. Diesel).
Die Pilotbrenner unterliegenden im Rahmen der Regelungslogik ebenfalls den pulsierenden Schwankungen der Impulsrohre und erfüllen primär den Zweck, die Brennkammer auf circa 1000° aufzuheizen, um optimale Voraussetzungen für das Synthesegas zu schaffen. Alternative wird die Zündung des Gases (beim Eintritt in die Brennkammer) über den Einsatz eines hoch energetischen Zündstabes erreicht. Die zur Zündung erforderliche Energie wird von einem separaten Zündgerät erzeugt. Die Zündspitze ist aus Hochtemperatur beständigen beziehungsweise keramischen Materialien gefertigt und für eine dauernde Beanspruchung von vorzugsweise über 1200° konzipiert.
Die 3 wiederum zeigt die Anordnung der Impulsrohre im Reaktor. Hierbei sind drei Impulsrohre möglichst im Dreieck angeordnet, so dass sie eine Makroströmung erzeugen, die ein statisches Wirbelbett erzeugen. Hierbei ist 31 der Gassenabstand zwischen den Impulsrohren. Das Bezugszeichen 32 bestimmt die Stromfäden der Makroströmung des Wirbelschichtmaterials. Aufgrund der Schnittdarstellung stellt 33 den Querschnitt der Impulsrohre dar.
Die bevorzugten Ausführungsformen dienen nicht zur Beschränkung des Gegenstandes. Sie dienen lediglich dem Verständnis. Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die Ansprüche bestimmt.

Claims

Impulsbrenner mit einem Resonanzrohr gekennzeichnet durch eine Oberfläche im Inneren und/oder Äußeren des Resonanzrohrs, die einen Wärmeübergang vom Inneren des Resonanzrohrs nach außen verbessert.
Der Impulsbrenner nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Oberfläche im Inneren so verformt ist, dass die Pulsation und die Oberflächenausformung des Resonanzrohrs kombiniert wird, ohne den Pulsationsbetrieb einzuschränken.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenausformung so ausgebildet ist, dass ein Verdichtungsstoß einen Drall erlangt.
Der Impulsbrenner nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine Auswölbung innerhalb des Resonanzrohrs angeordnet ist, die spiralförmig angeordnet sind.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Resonanzrohr zumindest teilweise durch einen gekühlten Rohrboden umgeben ist.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Resonanzrohr zumindest teilweise durch eine Feuerfestmasse umgeben ist.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei er in einem Vergasungsreaktor angeordnet ist.
Der Impulsbrenner nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vergasungsreaktor mit Biomasse betrieben wird.
Einen Impulsbrenner für einen Vergasungsreaktor, umfassend einen Hauptbrenner und einen Vorheizer.
Der Impulsbrenner nach Anspruch 9, umfassend einen oder mehrere Pilotbrenner, die als Vorheizer ausgebildet sind.
Der Impulsbrenner nach Anspruch 10, wobei die Pilotbrenner Vielstoffbrenner sind, die mit unterschiedlichen Gasen betrieben werden können.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Vorheizer ein Elektroheizer ist.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Merkmale einer oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8.
Vergasungsreaktor zum Vergasen von Feststoffen, umfassend: mindestens drei Impulsbrenner, die sich in den Reaktor erstrecken und die im Dreieck angeordnet sind.
Der Vergasungsreaktor nach Anspruch 14, wobei ein Impulsbrenner unterhalb der anderen Impulsbrenner zentral angeordnet ist und zwei weitere jeweils oberhalb versetzt über dem ersten Impulsbrenner, wodurch in der Längsbetrachtung ein Dreieck gebildet wird.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 15, gekennzeichnet durch Merkmale einer oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases mit einem Impulsbrenner, der ein Resonanzrohr aufweist umfassend die Schritte: – Einleiten eines Brenngases in den Impulsbrenner; – gekennzeichnet durch eine Oberfläche im inneren und/oder Äußeren des Resonanzrohrs, die einen Wärmeübergang vom inneren des Resonanzrohrs nach Außen verbessert.
Der Impulsbrenner nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Oberfläche im Inneren so verformt ist, dass die Pulsation und die Oberflächenausformung des Resonanzrohrs kombiniert wird, ohne den Pulsationsbetrieb einzuschränken.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenausformung so ausgebildet ist, dass ein Verdichtungsstoß einen Drall erlangt.
Der Impulsbrenner nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine Auswölbung innerhalb des Resonanzrohrs angeordnet ist, die spiralförmig angeordnet sind.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Resonanzrohr zumindest teilweise durch einen gekühlten Rohrboden umgeben ist.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Resonanzrohr zumindest teilweise durch eine Feuerfestmasse umgeben ist.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei er in einem Vergasungsreaktor angeordnet ist.
Der Impulsbrenner nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vergasungsreaktor mit Biomasse betrieben wird.
Einen Impulsbrenner für einen Vergasungsreaktor, umfassend einen Hauptbrenner und einen Vorheizer.
Der Impulsbrenner nach Anspruch 9, umfassend einen oder mehrere Pilotbrenner, die als Vorheizer ausgebildet sind.
Der Impulsbrenner nach Anspruch 10, wobei die Pilotbrenner Vielstoffbrenner sind, die mit unterschiedlichen Gasen betrieben werden können.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Vorheizer ein Elektroheizer ist.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Merkmale einer oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8.
Vergasungsreaktor zum Vergasen von Feststoffen, umfassend: mindestens drei Impulsbrenner, die sich in den Reaktor erstrecken und die im Dreieck angeordnet sind.
Der Vergasungsreaktor nach Anspruch 14, wobei ein Impulsbrenner unterhalb der anderen Impulsbrenner zentral angeordnet ist und zwei weitere jeweils oberhalb versetzt über dem ersten Impulsbrenner, wodurch in der Längsbetrachtung ein Dreieck gebildet wird.
Der Impulsbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 15, gekennzeichnet durch Merkmale einer oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zum Vergasen von Einsatzstoffen in einem Reaktor durch die Verwendung von Impulsbrennern, wobei der Verdichtungsstoß so gesteuert wird, dass der Verdichtungsstoß einen Drall im Resonanzrohr erlangt.
Verfahren zum Vergasen von Einsatzstoffen in einem Reaktor durch die Verwendung von Impulsbrennern, wobei der Impulsbrenner im Bereich eines Hauptbrenners vorgeheizt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Hauptbrenner durch einen Pilotbrenner, durch Gasverbrennung oder durch einen Elektrobrenner vorgeheizt wird.