DE102006050603A1

DE102006050603A1 - Verfahren zur Vergasung von Biomasse mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung sowie Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102006050603A1
Application number: DE102006050603A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Staender
Original assignee: Stander Wolfgang Dring
Current assignee: Stander Wolfgang Dring
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-04-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Vergasung von Biomasse mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung, wobei die Biomasse einer Stopfschnecke zugeführt und darin kontinuierlich verdichtet wird, wobei die Biomasse entweder einer Zerfaserungsschnecke kontinuierlich unter Druck zugeführt wird und durch Zugabe von Wasserdampf oder reinem Sauerstoff (oder von beidem) von 100°C bis auf ca. 200-250°C erwärmt wird oder die Biomasse nach dem Einlass der Zerfaserungsschnecke durch Zugabe von Wasserdampf oder reinem Sauerstoff (oder von beidem) auf eine Temperatur von ca. 200-250°C erwärmt und bis auf einen Druck von ca. 25-30 bar gebracht wird, wobei durch die Erwärmung das in der Biomasse enthaltene Lignin erweicht wird, wobei die Biomasse durch den zugeführten Sauerstoff zusätzlich teilweise chemisch zersetzt wird, wobei die Scherkräfte der Zerfaserungsschnecke die Biomassefasern voneinander trennen und Epidermishülle und Nodien ebenfalls fein zerkleinert werden, wobei vor dem Ausgang in den Schneckenextruder zusätzlich Wasserdampf gegeben wird, wobei am Extruderausgang der Biomasse Sauerstoff zugegeben wird, sich beide gleichmäßig miteinander mischen und dann einer Brennkammer zugeführt werden, in der es bei ca. 900°C zu einer homogenen "Explosion" kommt, oder der Sauerstoff erst innerhalb der Brennkammer getrennt zugegeben wird, wobei die Zuführung der Biomasse in die Vergasungskammer durch einen oder eine ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung sowie auf eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es gibt Festbettverfahren, stationäre und umlaufende Wirbelbettverfahren zur Vergasung von Biomasse bzw. Braunkohle.
Heute üblich sind so genannte Wirbelschicht- und Flugstromverfahren. Bei den Wirbelbettverfahren wird zerkleinerte Biomasse (Braunkohle) in einen Reaktor transportiert, die dort durch von unten zugegebenen Sauerstoff bzw. zugegebener Luft bei 800°C bis 1000°C vergast wird. Sind die Partikel sehr klein und ist der Vergasungsvorgang am oberen Ende des Reaktors weitgehend abgeschlossen, spricht man von stationärer Wirbelschicht. Ist dagegen, wie bei größeren Partikeln der Vergasungsvorgang nur teilweise abgeschlossen, werden die nicht ganz vergasten Teilchen durch einen Zyklon separiert, ausgeschieden und dann in den Vergasungsprozess zurück transportiert. Diesen Vorgang nennt man umlaufendes Wirbelschichtverfahren. Dabei werden die Partikel in einem heißen Bett durch das aufströmende Vergasungsmittel in ein brennbares Gas überführt. Typische Merkmale des Reaktors sind:

• Gleichmäßige Temperaturverteilung auf Grund der großen Wärmekapazität der im Wirbelbett befindlichen Teilchen, die meist aus Sand oder anderem Material bestehen. und
• gute Durchmischung der Vergasungskomponenten (Luft-Dampf) und der der Pyrolyse und Vergasungsprodukte.

Beim Flugstromverfahren werden dagegen Sauerstoff bzw. Luft mit dem zu vergasenden Produkt gleichzeitig eingegeben und meist bei etwa 1400°C vergast.
Die in jüngster Zeit bekannt gewordenen, zurzeit betriebenen Versuchsanlagen für Biomasse sind im Bereich Flugstromvergasung beispielsweise das „Carbo V-Verfahren" der Firma Choren und im Bereich der Wirbelschicht eine Anlage in „Güssing" der TU Wien und Austrian Energy sowie der Heatpipe-Reformer der TU München. Eine weitere in Betrieb befindliche Pilotanlage, allerdings mit einem komplett anderen Konzept, ist die gestufte Reformierung „Blauer Turm" von DTM. Im Versuchsstadium befinden sich des Weiteren das „AER-Verfahren" sowie die Wirbelschichtvergasung des Instituts „Umsicht" der Fraunhofergesellschaft. All diese Anlagen arbeiten im dezentralen Arbeitsschritt drucklos und mit konventioneller, sehr teuerer Gasreinigung, die eine Abkühlung unmittelbar nach der Vergasung zwingend vorschreibt. Das Forschungszentrum Karlsruhe verwendet eine bestehende Versuchsanlage mit Flugstromdruckvergasung der Fa. Future Energy (Freiberg/Sachsen). Dabei wird ein zuvor durch Pyrolyse hergestelltes Kohlenstoff-Teergemisch in quasi flüssiger Form eingegeben. Neben den atmosphärisch betriebenen Anlagen gibt es noch Anlagen, die bei Drücken von 20-30 bar arbeiten. Dazu zählen das Värnamo CFB Project und die stationäre Wirbelschicht in Tampere. Einen Überblick über die genannten Anlagentechnologien ist in einschlägiger Literatur [bzw. auf den Internetseiten der Anlagenbetreiber} zu finden.
Jedoch befinden sich die hier genannten Anlagen nur erst im Pilot- bzw. Versuchsstadium und weisen bereits jetzt teils gravierende Unzulänglichkeiten und Fehler auf. Entscheidende kritische Punkte sind dabei:

a) Der Biomasseeintrag: Die üblicherweise zur Beschickung druckaufgeladener Vergaser genutzten Druckschleusen (Look-Hopper) sind sehr teuer und verlieren beim Schleusvorgang so genanntes Schleusengas (z.B. N₂). Dadurch wird die Effizienz der Gesamtanlage bei kleiner Schüttdichte der Biomasse stark verringert.
b) Die Heißgasreinigung: Die Reinigung des erzeugten Synthesegases aus der thermochemischen Umwandlung von Biomasse wurde zwar technisch, nicht aber wirtschaftlich gelöst. Zum Einhalten der von den anschließenden Konversionsanlagen geforderten Grenzwerte für die Weiterverarbeitung werden hauptsächlich Crackstufen zum Entfernen von Teer, entweder innerhalb des Reaktors oder in einem separaten Reaktor verwendet. Diese Reaktion findet bei ähnlichen Temperaturen wie bei der Vergasung statt. Alternativ besteht die Möglichkeit, Waschsysteme zu verwenden. Dazu muss das das heiße Gas vor dem Waschen abgekühlt werden. Diese bewährten Technologien sind zwar für die Gasreinigung grundsätzlich geeignet, haben jedoch, wie bereits erwähnt, sowohl unter energetischen als auch unter Kostengesichtspunkten große Nachteile.

Partikel werden üblicherweise an Kerzenfiltern aus Keramik oder Sintermetallen abgeschieden. Die Betriebstemperatur dieser Filter liegt in reduzierender Atmosphäre aufgrund ihrer Materialeigenschaften maximal bei 650°C. Die Entfernung von Schwefel bei Kohle- oder Ölvergasungsanlagen findet bei Umgebungstemperatur unter Zuhilfenahme eines chemischen oder eines physikalischen Sorbens statt. In verschiedenen Pilot- und Demonstrationsanlagen wird hierfür meistens Kalk als Bettmaterial verwendet.
Ammoniak, Blausäure und Halogene werden in großen Anlagen grundsätzlich nur ausgewaschen. Hierbei wird das Reinigungsproblem in das Wassermanagement verschoben.
Über den neuesten Stand der Technik der Biomassevergasung- und Reinigung wurde ausführlich auf einer Fachtagung, die vom 27.-28. September 2001 in Oberhausen stattfand, berichtet. Besonders interessant ist dabei eine Zusammenfassung von Dr. Nußbauer. Er kommt zu dem Ergebnis, dass, bezogen auf die Leistung, kleinere Anlagen viel zu teuer, moderne, große dagegen technisch nicht ausgereift sind. Er nennt jedoch eine Ausnahme; das Holz-GuD-Kraftwerk der Sydkraft in Schweden. Es wurde jedoch, wie später noch erwähnt wird, bereits vor mehreren Jahren aus Kostengründen stillgelegt.
Es gibt hunderte, möglicherweise sogar tausende von Veröffentlichungen über das Thema Vergasung von Biomasse. Auf der alle zwei Jahre stattfindenden Konferenz „Biomass for Energy and Industry" der EU wird darüber immer wieder ausführlich berichtet. Das Ergebnis: Zu wenig praxisnah, zu teuer und zu kompliziert. Vor allem fehlt dabei die gesamte Logistik, von der Wahl geeigneter Pflanzen, ihrer Aufbereitung und Lagerung bis zur kostengünstigen Umsetzung in Strom und Kraftstoffe wie Benzin und Diesel. Wie bereits erwähnt, ist dabei fast immer nur von Holz die Rede, obwohl man weiß, dass es davon in Westeuropa kaum Potentiale gibt.
Auch die Kommission in Brüssel hat festgestellt, dass es u. a. zur Stromerzeugung aus Biomasse bis heute auf der ganzen Welt noch kein größeres Biomassevergasungsprojekt gegeben hat. Eine Ausnahme war, wie bereits erwähnt, die Anlage in Vänamo, die nach Überwindung großer technischer Schwierigkeiten wenigstens zwei Monate lang gelaufen ist. Das hatte jedoch seinen Preis.
Damit nicht schon bei relativ hoher Temperatur kondensierende Teergase entstehen, wurde in dem Fall das Holz bei über 1.000°C vergast. Um Ascheagglomerationen zu vermeiden (was bei dieser Temperatur leicht vorkommt) und um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, hat man der hier angewandten umlaufenden Wirbelschicht Sand als Wärmeträger beigegeben. Das führte zu relativ hohen Druckverlusten im Vergaser. Ferner war das Ein- und Ausschleusen des Sandes sehr kompliziert. Die Anlage hätte vielleicht für einen Dauerbetrieb tauglich gemacht werden können. Dazu kam es aber nicht. Das hatte ökonomische Gründe. Die verwendete Technologie war nämlich viel zu teuer und zu umständlich und ist deswegen nicht weiter verfolgt worden. Man hatte sich auf meist bereits vorhandene technische Elemente gestützt und nicht ein von Grund auf neues technisches Konzept zu realisieren versucht.
Wie bereits erwähnt, wurde noch nie eine kommerziell größere Anlage zur Vergasung von Biomasse gebaut.
Das hatte folgende Gründe:

• Die Biomasse wurde meistens bei Atmosphärendruck in den Vergaser transportiert. Entsprechend groß sind das Volumen des Vergasungsraumes und somit die Kosten.
• Bei Druckvergasung wird dagegen abwechselnd jeweils aus einem von zwei Behältern über Schleusen die Biomasse in den Reaktor transportiert. Trotz erheblich kleineren Volumens des Reaktors fallen infolge der Schleusen erhebliche Zusatzkosten an.

Die bisherigen vielen negativen Erfahrungen bei der Biomassevergasung und Gasreinigung haben gezeigt, dass die dabei verwendete Technik offenbar nicht geeignet war, einen wirtschaftlich und technisch angemessenen Erfolg zu erreichen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vergasen und zur Gasreinigung von Biomasse zu schaffen, die (A) kompakt gebaut ist, (B) kostengünstig in großen Mengen herstellbar ist, (C) einfach konstruiert ist, (D) eine geringe Störanfälligkeit aufweist und (E) umweltfreundlich ist.
Die Punkte (A) und (B) sind dann erfüllt, wenn ein schneller Durchsatz erfolgt. Das kann man durch hohe Temperaturen, mittels einer großen Oberfläche des Reaktionsgutes bzw. der Biomasse und durch erhöhtem Druck erreichen.
Wegen des von Natur aus vorgegebenen Ascheschmelzpunktes und aus chemisch-thermodynamischen Gründen kann man eine Temperatur von etwa 900°C normalerweise nicht wesentlich überschreiten. Will man dagegen eine möglichst große Oberfläche erreichen, ist es vorteilhaft, die Lignocellulose bzw. Biomasse (auch Braunkohle) in ihre elementaren Bestandteile, den Faserelementen, zu zerlegen. Sie haben bei Gräsern eine Länge von nur 2 mm und einen Durchmesser von 25 μ.
Eine einfache Konstruktion gemäß Punkt (C.) ist dann gegeben, wenn die erforderlichen Prozessschritte auf engstem Raum in einer Einheit unmittelbar hintereinander stattfinden.
Eine geringe Störanfälligkeit gemäß Punkt (D) ist dann gegeben, wenn die Anlage elektronisch einfach überwacht werden kann und der Prozess möglichst geringen Schwankungen seiner Parameter unterworfen ist.
Umweltschutz gemäß Punkt (E). sollte mit möglichst geringen Kosten verbunden sein. Bei bisher üblichen Vergasungsanlagen ist das nicht der Fall. Vielmehr ist die Gasreinigung dabei der Hauptkostenfaktor, was unbedingt vermieden werden sollte und deswegen neue Lösungen notwendig sind.
Die dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Sie wird durch die in 1 und 2 gezeigte Darstellung zusätzlich verdeutlicht.
Biomasseeintrag und Vergasung:
Bisher war es üblich, Energieträger wie Biomasse mittels Druckschleusen (Lock-hopper-Systeme) in den unter Druck stehenden Vergaser zu transportieren. Das ist teuer und erfordert sehr viel Platz. Außerdem müssen die dazu notwendigen Vorratsbehälter aus Sicherheitsgründen bei jeder Wiederauffüllung mit reinem Stickstoff gefüllt werden. Idealist daher ein kontinuierlicher Eintrag, wie er in 1 und 2 dargestellt ist. Danach werden während der Ernte aus Halmgütern hergestellte Briketts zunächst grob zerkleinert und dann mittels einer Stopfschnecke verdichtet. Es bildet sich ein Pfropf, der, falls notwendig, anschließend durch einen so genannten Knollenbrecher wieder zerkleinert wird. In dieser Form gelangt die Biomasse dann in einen Ein- bzw. Doppelschnecken-Extruder, dem bei einem Druck von etwa 30 bar und ca. 220°C zusätzlich Heißdampf zugegeben wird. Der Pfropf hat den Zweck, dass der Heißdampf nicht rückwärts zur Eingabestelle hin entweichen kann.
Aufgrund der starken Erwärmung der Biomasse erweicht dessen Lignin (Lignin ist der „Kitt" zwischen den Fasern). Durch Scherung können die Fasern dann leicht voneinander getrennt werden. Das wird bei Einwellen-Extrudern durch so genannte Paddel erreicht, die weniger dem Transport dienen sondern den Zweck haben, das Fördergut stark zu durchmischen (wie z. B. in der Futtermittelindustrie üblich). Dabei entstehen große Scherkräfte. Aufgrund des erweichten Lignins können dann die Fasern leicht voneinander getrennt werden. Bei Doppelschnecken-Extrudern sind solche Maßnahmen nicht notwendig. Sie sind jedoch teuerer als Einwellen-Extruder.
Die Arbeitsweise des Eintragssystem lässt sich folgendermaßen darstellen: Die Biomasse wird zunächst durch eine Stopfschnecke so sehr verdichtet, dass ein gasundurchlässiger Pfropf entsteht. Dies ist möglich, da die Biomasse leicht verformbar ist. Der Pfropf wird anschließend, falls notwendig, durch ein Schneidmesser, auch Knollenbrecher genannt, fein zerkleinert.
Das Material gelangt anschließend in eine Zerfaserungsschnecke.
Alternativ wäre es möglich, ohne Stopfschnecke und Knollenbrecher auszukommen, wenn man die Biomasse stufenweise durch Zugabe von Sauerstoff und Wasserdampf erwärmt angefangen mit beispielsweise 100°C, dann 140°C bis sie im Extruder eine Temperatur von etwa 200 bis 250°C und einem Druck von etwa 25-30 bar erreicht hat und danach durch hohe Scherkräfte in der Extruderschecke zerkleinert wird wie anschließend erläutert. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung der Kosten.
Die Biomasse wird am Anfang dieser Schnecke durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff (oder eine Kombination von beiden Komponenten) auf eine Temperatur von etwa 200 bis 250°C bei einem Druck von etwa 25-30 bar erwärmt.
Während Sauerstoff und Wasserdampf die Biomasse erwärmen wodurch das Lignin („Kitt” zwischen den Pflanzenfasern) erweicht, wird die Biomasse durch den Sauerstoff zusätzlich teilweise chemisch zersetzt (insbesondere die Epidermishülle und die Nodien bei Gräsern).
Durch die sehr hohen Scherkräfte, die zum Beispiel mit Einwellenextrudern durch verschiedene in die Schnecke eingebaute so genannte Paddel (Scherelemente) erzeugt werden, erfolgt eine Trennung der Fasern voneinander und eine weitere Zerkleinerung der chemisch zersetzten Biomasse. Die Fasern haben bei Gräsern (C4-Schilf Pflanzen, die vorzugsweise Anwendung finden) zum Beispiel einen Durchmesser von nur 25 Mikrometer und sind ca. 2 mm lang wodurch eine sehr große Oberfläche entsteht.
Vor Ende der Schnecke wird zusätzlich soviel Wasser rundherum eingesprüht, dass es bei anschließender Zugabe des für die Vergasung notwendigen Sauerstoffs nicht zur Selbstentzündung vor Eintritt in die Vergasungskammer kommt.
Außerdem kann man gesättigten Wasserdampf (der nicht kondensiert) zugeben. Das führt zusätzlich zu größerem Auseinanderdriften des „Explosionsgemisches", sofern ein nennenswerter Druckunterschied zwischen dem Austritt der Biomasse am Extruderende und der Vergasungskammer besteht. Da dann am Ende der Schnecke Biomasse und Sauerstoff homogen miteinander gleichmäßig vermischt sind, kommt es anschließend in der Brennkammer zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) bei ca. 900°C, ähnlich wie bei einem Sprengstoff (vollständige Verbrennung).
Alternativ ist es natürlich auch möglich, den Sauerstoff erst innerhalb der Brennkammer getrennt zuzugeben.
Die Vergasung verläuft in Bruchteilen von einer Sekunde („Explosionsvergasung"). Entsprechend klein wird die Anlage (um den Faktor 100-500 im Vergleich zu der bisher üblichen Technik).
Unmittelbar danach findet die Gasreinigung aus technischen Gründen bei 900°C statt, wie später noch näher erläutert wird.
Um diesen Anforderungen zu genügen, sind metallische Membranfilter, die zur Stabilisierung auf Gitternetze geschweißt sind, notwendig.
Beschreibung der Membranfilter:
In Zusammenarbeit mit der Industrie wurde ein Hochtemperatur-Filter entwickelt, das sich bis 1.000°C für Vergasungszwecke eignet. Es besteht aus einer dünnen Membran, deren Fläche bis zu 40 % 1-3 μm große Öffnungen aufweist (s. 4). Dadurch entsteht trotz dieser kleinen Abmessungen ein extrem geringer Druckverlust, der bei Keramikfiltern um 1-2 Zehnerpotenzen größer ist. Außerdem ist dabei die chemische Beständigkeit im Gegensatz zu Keramikfiltern ausreichend.
Bei dem neuen Filter sind mehrere unterfütterte Filtermembranen dieser Art konzentrisch zueinander angeordnet (s. 5 und 6). Dadurch entsteht auf engstem Raum eine sehr große Oberfläche. Bei einem für industrielle Zwecke geeignetem Filter von 1 m Länge, 0,8 m ⌀ und 4 Filterkörpern (ohne Isolierung) sind das mindestens 6 m².
Aufgrund der dünnen Membran und sehr glatten Oberfläche kann man den Filterkuchen bereits bei geringer Druckdifferenz sehr leicht entfernen.
Dieses Filter kann industriell Anwender-spezifisch hergestellt werden. Wie wir jedoch von dem Hersteller erfahren haben, ist es Angelegenheit des Auftraggebers, die für eine Bestellung wichtigen Parameter selber vorher zu ermitteln bzw. ermitteln zu lassen.
Bei gleicher Größe der Filterporen und Verwendung von Feinstaub aus Biomassevergasungsprozessen beträgt der günstigste Durchmesser 1-3 μm. Das ist 10-mal kleiner, als die mittlere Porengröße vergleichbarer keramischer Abgasfilter. Die optimalen Schlitzabmessungen und die Anordnung der Öffnungen können erst endgültig ermittelt und die entsprechende Membran hergestellt werden, wenn die Kornverteilung des Staubes der Biomasse bekannt ist. Dazu müssen verschiedene Masken mit unterschiedlichen Designs bzw. Layouts geschrieben werden, um unterschiedliche Folientypen verschiedener Dicke zu Testzwecken zu erhalten.
Im Vorfeld wurden bereits vorhandene Folien erworben (bzw. Silizium-Wafer auf die gewünschte Stärke heruntergeätzt) und diese mit lithographischen Methoden perforiert, so wie auch Masken für die Ionenprojektionslithographie (sog. Stencilmasken) hergestellt werden. Das heißt, die Prozesse (Belacken der Si-Scheibe, Belichten mittels einer Maske, Plasmaätzen der Strukturen bei hohem Aspektverhältnis) zur Herstellung solcher dünnen perforierten Silizium- Folien sind bekannt. Erfahrung aus der Stencilmasken-Entwicklung haben gezeigt, dass das Silizium sehr spröde ist und bei den erforderlichen Foliendicken von nur wenigen Mikrometern (μm) sehr schwer zu handhaben ist.
Es wurden daher Versuche mit metallischen und damit duktileren Materialien unternommen. Dabei bot es sich an, die Perforierungen mittels Laser vorzunehmen. Es stellte sich aber bald heraus, dass dies eine Sackgasse war. Die erforderlichen Strukturgrößen von 1 μm bis 3 μm waren einfach bei weitem nicht erreichbar.
Deswegen wurde versucht, die Prozesse ähnlich denen in der Mikroelektronik anzuwenden. Hierbei ist es wichtig, dass das Material beim Plasmaätzen mit Fluor- oder Chlorhaltigen Prozessgasen eine flüchtige Verbindung eingeht, die dann leicht abgepumpt werden kann. Neben Silizium kommen hierfür noch Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Hafnium, Wolfram Chrom etc. sowie auch Aluminium infrage, wobei letzteres wohl mangels Beständigkeit bei den angestrebten hohen Temperaturen wegfällt.
Von der Form her angestrebt wurde ein ideales Filter, das einen sehr niedrigen Druckverlust hat, leicht gereinigt werden kann und eine so große Durchlassfläche hat, dass möglichst geringe Druckverluste entstehen.
Dies ist eine ganz neue Technik, die im Gegensatz zu Filterkerzen aus Sintermetall oder Keramik sehr Platz sparend ist. Außerdem eignen sie sich bei wesentlich höherer Temperaturbelastung (bis 1000°C in reduzierender Atmosphäre) im Vergleich zu üblichen Filtern, die unter gleichen Bedingungen nur bis 500-600°C geeignet sind. Das ist das Besondere an diesen neuen Filtern.
Die Gasreinigung auf Basis dieser Filter verläuft in drei Stufen, wie 5–7 zeigt.
Detailbeschreibung von Filterstufe 1:
Die Filterstufe 1 ist als redundantes System mit zwei Filtern ausgeführt. Diese beiden Filter werden abwechselnd betrieben, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung stattfindet. In 5 sowie in der Tabelle 2 ist das Prinzip dieser Filtereinheit dargestellt
Das Gesamtfilter besteht (wie bereits erwähnt) aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten zylindrischen Filtereinheiten. Sobald der voreingestellte maximale Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht ist, wird der Gasstrom auf das zweite baugleiche Filter geleitet und das bisherige „on-line" Filter durch das Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt.
Der Abwurf der Asche erfolgt durch erzeugen eines Druckunterschiedes zwischen Filterkuchen und Filtermembran.
Unter Umständen besteht die Möglichkeit, dass bei ausreichend schneller Erzeugung der Druckdifferenz Δp, die Filterstufe 1 nur mit einem Filter zu betreiben. Hierbei verringert sich die Anzahl der Ventile auf nur ein Auslassventil für den Ascheaustrag. Dies ist eine wesentliche Vereinfachung des Filtersystem und ist außerdem mit erheblichen Kosteneinsparungen verbunden.
Solch ein Filter ist sehr kompakt. Bei gleicher Leistung ist es um eine Größenordnung kleiner als entsprechende Filter mit Keramikkerzen. Außerdem sind die neuen Membranfilter chemisch resistenter als herkömmliche Keramikkerzen. Keramik hat den Nachteil, dass bei hoher Temperatur Alkalien langsam in sie eindringen und dadurch ihr Schmelzpunkt sinkt, was gleichzeitig zu einem Verlust an Festigkeit führt.
Detailbeschreibung Filterstufe 2:
Aufbau und der Betrieb („on-live", „off-line") sind identisch dem Aschefilter. Einziger Unterschied: Auf der Filtermembran befindet sich ein künstlich aufgebrachter Filterkuchen, der in der Hauptsache aus Dolomit besteht und zur Neutralisierung der Sauergase, Spaltung der Teerverbindungen und Bindung der Halogene dient. Um dies zu erreichen, ist eine Temperatur von 900°C optimal.
Das Gas wird einem von zwei parallelen Filtern der Stufe 2 zugeführt. In 6 sowie in der Tabelle 3 ist das Prinzip dieser Filtereinheit bzw. Filterstufe 2 dargestellt.
Die Kalk- bzw. Dolomitschicht, bestehend aus feinen Partikeln, wird über einen Gasstrom auf die Membran aufgebracht. Beim Durchströmen dieser Schicht werden Schadgase wie HCl und H₂S chemisch gebunden. Hierbei reagieren Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff mit Calciumoxid zu Calciumchlorid und Calciumsulfid.
Bei eintretender Sättigung des Filters durch HCl und H₂S können diese Komponenten am Filterausgang gemessen werden. Ab einer noch zu ermittelnden Konzentration muss der Filterkuchen ausgetauscht werden.
Bei Vorhandensein ausreichender Mengen Alkalien (natürlich oder künstlich zugegeben) kann man wahrscheinlich auf die zweite Filterstufe verzichten, (d.h. die Filterstufe 1 ersetzt die Filterstufe 2). Dies führt zu einer zusätzlichen erheblichen Kostenersparnis.
Die Filterstufe 3 ist ähnlich aufgebaut wie die Filterstufen 1 und 2, enthält jedoch anstatt 2 nur einen Strang (sh. 7). Hier befindet sich auf der Membran eine Schicht feinster Nickelpartikel von etwa 20-50 μ Größe, die mittels eines Gases als Transportmittel aufgebracht und dann versintert werden. Der Vorteil: das Volumen bzw. Oberfläche dieser Katalysatorschicht ist bei gleicher Wirkung mehrere Hundert mal kleiner, als sonst üblich. Die wirksame Oberfläche pro Filtereinheit, die insgesamt nur ein Volumen von z. B. 0,7 m³ hat ist sogar 6-10 m² groß und dadurch bei gleicher Leistung um ein Vielfaches kleiner, als sonst bei Katalysatoren üblich. Dadurch werden alle restlichen Kohlenwasserstoffe, vor allem Methan und möglicherweise noch vorhandene Teergase, vollständig in CO und H₂ umgewandelt, wofür ebenfalls eine Temperatur von 900°C optimal ist.
Der Grund: Das Gas muss (wie auch schon bei den vorgeschalteten zwei Doppelfiltern) durch sehr feine Poren strömen. Dadurch findet ein intensiver Kontakt zwischen Gas- und Katalysatorfläche statt, was bei üblichen Katalysatoren in dieser Form nicht stattfindet.
Außerdem werden durch den Nickelkatalysator alle Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH₃) und Blausäure (HCN) in Luftstickstoff umgewandelt. Das so behandelte Synthesegas ist dann so rein, dass es für Synthesezwecke oder zur Verbrennung in Gasturbinen verwendet werden kann.
In Tabelle 4 wird noch einmal zusammengefasst, welche Verunreinigungen in welcher Filterstufe aus dem Synthesegas entfernt werden.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

(1) Kompakte Einschleusung der Biomasse mittels Stopfschnecke;
(2) schnelle momentane Erwärmung durch Druckerhöhung mit. Wasserdampf;
(3) gleichzeitige Erweichung des Lignins (der „Kitt" der die Zellstofffasern zusammenhält);
(4) anschließende Scherung und Trennung der Pflanzenfasern.
(5) Zugabe kleinerer Mengen Sauerstoff und Dampf (Dampf, der nicht mehr kondensiert aufgrund konstanter Temperatur);
(6) Verringerung des Druckes um ca. 1-5 bar bei Eintritt der Fasern in den Vergasungsraum und dadurch bedingt; explosionsartiges Auseinandertreiben und Vergasung der Pflanzenfasern;
(7) keine vorherige Temperaturabsenkung des erzeugten Gases bei Gasturbinen notwendig und
(8) kompakte, sehr Kosten günstige Gasreinigung an Stelle der sonst üblichen, sehr aufwendigen chemischen Gaswäsche.

Der besondere Vorteil ist, dass die Schritte von 1-10 unmittelbar hintereinander auf engstem Raum erfolgen und dadurch die gesamte Anlage um ein Vielfaches kleiner und kostengünstiger wird als sonst üblich. Diese Methode ist dadurch besonders gut für kleine, dezentrale Anlagen geeignet, die man daher, in Containern montieren und in Serie herstellen kann. Das verbilligt die Produktion noch einmal um ein Vielfaches. Da diese Einheiten alle gleich sind, ist im Gegensatz zu Großanlagen nur einmal eine Zulassung von Seiten der Behörden notwendig. Das spart Zeit und weitere Kosten. Es ist sogar möglich, falls notwendig, größere Anlagen zu bauen, indem man mehrere kleinere Anlagen zu einer größeren Einheit zusammenfügt. Die Dezentrale Anwendung hat darüber hinaus den Vorteil, Kraft-Wärmekoppelung anzuwenden. Das ist bei großen Anlagen, wegen der Entfernung zwischen Erzeuger und Nutzer (zu hoher Wärmeverlust der Leitungen), nicht möglich. Außerdem kann man solche Anlagen (weil alle gleich sind) einfach mit der gleichen Fernsteuerung betreiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass der ländliche Raum auf die Weise wirtschaftlich belebt wird.
Durch die Gasreinigung bei einer Temperatur von 900°C ist keine vorherige Temperaturabsenkung des erzeugten Gases vor allem für Gasturbinen notwendig.
Dadurch wird ein Wirkungsgrad erreicht, der ähnlich hoch ist, wie mit Erdgas betriebenen Turbinen.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer Biomasse-Druckvergasungsanlage mit Heißgasreinigung;
2 eine Detailansicht der Zerfaserung und Ligninverflüssigung;
3 ein Prinzip der Reinigung des Synthese-Rohgases;
4 Ausschnitt einer 10μ dicken perforierten Titan-Folie (Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen);
5 eine Prinzipskizze einer Filterstufe 1 (Aschefilter);
6 eine Prinzipskizze einer Filterstufe 2 (Alkalischer Katalysator und chemischer Filter) und
7 eine Prinzipskizze einer Filterstufe 3 (Nickelkatalysator).
Die in 1 dargestellte Biomasse-Druckvergasungsanlage mit Heißgasreinigung weist einen Vorratsbehälter (1) auf. Dort werden die grob zerkleinerten, aus Halmgütern hergestellten Briketts gleichmäßig in eine Stopfschnecke (2) in Förderrichtung (P) eingeführt. Gemäß der Erfindung wird durch diese Stopfschnecke (3) mittels eines Antriebes (2) die Biomasse kontinuierlich verdichtet, so dass sich am Ausgang der Stopfschnecke in der Verdichtungszone (4) ein für Gas undurchlässiger Pfropf bildet, der den Zweck hat, dass der später vorzugsweise zugegebene heiße Wasserdampf (11) und Gase nicht entgegengesetzt der Förderichtung zur Eingabestelle hin entweichen können. Er wird dann durch ein Schneidmesserrad (5), einen so genannten Knollenbrecher, mit Hilfe eines Antriebes (6) wieder zerkleinert. Die so zerkleinerte Biomasse gelangt anschließend in einen Schneckenextruder (7). Die darin befindliche Extruderschnecke (8) ist mit einem Antrieb (9) versehen. Sie besteht aus einer Anordnung von unterschiedlichen Förderelementen (10) und Scherelementen (12). Der Vortrieb und die weitere Verdichtung der Biomasse erfolgt hierbei zunächst durch die Förderelemente (10). Erfindungsgemäß wird kurz nach dem Einlass des Schneckenextruders (7) die Biomasse in Förderichtung (Q) durch Zugabe von Wasserdampf (11) bzw. reinem Sauerstoff (oder eine Kombination von beiden Komponenten) auf eine Temperatur von bis zu ca. 250°C bei einem Druck von etwa 25-30 bar erwärmt. Aufgrund der starken Erwärmung der Biomasse durch Wasserdampf und Sauerstoff erweicht dessen Lignin (der „Kitt" zwischen den Fasern). Zusätzlich wird die Biomasse durch den Sauerstoff teilweise chemisch zersetzt. Durch Scherung können die Fasern dann leicht voneinander getrennt werden. Das wird im Schneckenextruder (7) durch die Scherelemente (12), so genannte Paddel erreicht, die weniger dem Transport dienen, sondern den Zweck haben, das Fördergut stark zu durchmischen. Dabei entstehen große Scherkräfte. Die Fasern haben nach der Trennung einen Durchmesser von nur 25 Mikrometer und sind ca. 2 mm lang. Dadurch entsteht eine sehr große Oberfläche.
Gemäß der Erfindung wird kurz vor dem Ausgang in den Schneckenextruder (7) gesättigter oder überhitzter Wasserdampf (13) zugegeben. Das führt aufgrund des dadurch entstehenden, größeren Volumens zu einem Auseinanderdriften des Faser-Dampfgemisches.
Am Ausgang der Extruderschnecke (8) wird dann der zur Vergasung notwendige Sauerstoff (15) zugegeben. Dort werden Biomasse und Sauerstoff gleichmäßig miteinander vermischt, und es kommt anschließend in der Vergasungskammer (16) zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) bei ca. 900°C. Um eine Selbstentzündung vor Eintritt des „Explosionsgemisches" in die Vergasungskammer zu verhindern, werden vor der Sauerstoffzugabe (15) zusätzlich winzige Mengen Wasser (14) rundherum eingesprüht.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, Sauerstoff (15a) erst innerhalb der Brennkammer getrennt zuzugeben. Die Mischung ist dann allerdings inhomogen und vergast deswegen ungleichmäßiger mit den bekannten Nachteilen.
Die Vergasung verläuft beiden Fällen in Bruchteilen von einer Sekunde („Explosionsvergasung"). Entsprechend klein wird die Anlage (um den Faktor 100-500 im Vergleich zu der bisher üblichen Technik).
Es entsteht nach der Vergasung ein Gemisch aus Syntheserohgas und Asche (17), das nach oben strömt. Wenn jedoch die Temperatur ein gewisses Niveau übersteigt, wird die Asche flüssig. Diese Flüssigasche (18) kann dann nach unten in einen Entsorgungsbehälter (20) ablaufen.
Gemäß der Erfindung werden von dem Syntheserohgas (22) bei einer Temperatur von ca. 900°C in den Filtern (21) der Filterstufe 1 (Detail X) die Feststoffe entfernt und in den Filtern (30) der Filterstufe 2 (Detail Y) die Halogenverbindungen und Sauergase absorbiert. Das Anfallende Filtrat (28) wird in einem Entsorgungsbehälter (20) aufgefangen. Darin wird durch Zugabe von Sauerstoff (19) Sulfit in Sulfat umgewandelt.
Anschließend werden in dem Katalysator (33) der Filterstufe 3 (Detail Z) die restlichen Kohlenwasserstoffe und möglicherweise noch vorhandenen Teergase vollständig in CO und H₂ umgewandelt. Außerdem erfolgt eine Umwandlung aller Stickstoffverbindungen in Luftstickstoff. Es entsteht ein reines Synthesegas. Die Gasreinigung vom Syntheserohgas (22) bis zum reinen Synthesegas (35) mittels der Filterstufen 1 (Detail X), 2 (Detail Y) und 3 (Detail Z) sind in 5–7 näher erläutert.
In 2 (Detail A) ist noch einmal der in 1 erfindungsgemäß beschriebene, kontinuierliche Biomasseeintrag mit der Stopfschnecke (3), der Verdichtungszone der Biomasse (4), den Knollenbrecher (5) mit Antrieb (6), vergrößert dargestellt. Sie zeigt ebenfalls einen Teil des Schneckenextruders (7) mit einer Extruderschnecke (8), die mit einem Antrieb (9) versehen ist und aus einer Anordnung unterschiedlicher Förder- und Scherelemente (10, 12) besteht. Die Zugabe von Wasserdampf (11) bzw. reinem Sauerstoff (oder eine Kombination von beiden Komponenten) bis zu ca. 250°C am Anfang der Extruderschnecke (8) dient, wie bereits erwähnt, der Erweichung des Lignins.
4 zeigt gemäß der Erfindung als Beispiel eine über Lithographie und Plasmaätztechnik hergestellte perforierte Titan-Folie. Die Minimalöffnungen an der Unterseite der Folie (dunkle Rechtecke im linken Bild) entsprechen den ursprünglichen Öffnungen im Lack; während des Ätzvorgangs wird der Lack ebenfalls geätzt und weicht etwas zurück und mit ihm die Ätzfront, so dass eine schräge Kante im geätzten Material entsteht (graue Fläche zwischen dunklen Öffnungen und heller unberührter Oberseite der Folie). Die Abmessungen der in
4 gezeigten Membran sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Abbmessung der Membran

1. Muster Schlitzmembranfilter Maßstab: 1:1.750

Dicke der Membran 5 μm

unten oben

Schlitzbreite 2 μm 3 μm

Schlitzlänge 10 μm 12 μm
In 5 ist die Filterstufe 1 (Detail X) als redundantes System mit zwei Filtern (21) ausgeführt, die abwechselnd betrieben werden, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung stattfindet.
Die Filterkörbe (23) bestehen erfindungsgemäß aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten zylindrischen Filtereinheiten.
Beim „on-line" Filter (links dargestellt) strömt das Syntheserohgas (22) durch die geöffneten Ventile (24) und wird im Filterkorb (23) gefiltert, so dass ein von Feststoffen gereinigtes Synthesegas (29) nach der 1. Filterstufe entsteht. Durch die zunehmende Filterkuchenschichtdicke an der Filtermembran entsteht eine Druckdifferenz. Sobald der voreingestellte maximale Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht ist, wird der Gasstrom gemäß der Erfindung auf das zweite baugleiche Filter geleitet und das bisherige „on-line" Filter durch das Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt. Der „on-line" Filter geht dann in den „off-line" Modus der rechts dargestellt ist. Hierbei sind die Absperrventile (25) geschlossen. Es gibt hier keinen Gasfluss. Durch den eingeschalteten Druckunterschied Δp (26) fällt der Filterkuchen ab und das Filtrat (28) gelangt über die geöffnete Klappe (Ventil) für den Filtrataustrag (27) in einen Entsorgungsbehälter (20) (s. 1). Anschließend werden die Absperrventile (25) wieder geöffnet und der Filter geht wieder „online".
Tabelle 2: Darstellung der Funktionsweise der Filterstufe 1
Der in 6 gezeigte Aufbau und der Betrieb („on-line", „off-line") der Filterstufe 2 (Detail Y) mit zwei Filtern (30) ist im Wesentlichen identisch mit dem der Filterstufe 1. Das von Feststoffen gereinigte Synthesegas (29) strömt beim „on-line" Filter (links dargestellt) auch hier durch die geöffneten Ventile (24) und wird im Filterkorb (23) gefiltert. Es entsteht ein vorgereinigtes Synthesegas (32) nach der 2. Filterstufe. Im rechts dargestellten „off-line" Modus sind die Absperrventile (25) ebenfalls geschlossen.
Der Unterschied zur Filterstufe 1 besteht darin, dass sich auf der Filtermembran am Filterkorb (23) ein künstlich aufgebrachter Filterkuchen befindet. Diese aus feinen Partikeln bestehende Kalk- bzw. Dolomitschicht wird erfindungsgemäß über einen Gasstrom (31) auf die Membran aufgetragen. Der vorwiegend aus Dolomit bestehende Filterkuchen dient der Absorption der Sauergase und Halogenverbindungen und der Spaltung der möglicherweise nochvorhandenen Teergase bei einer Temperatur von ca. 900°C. Beim Durchströmen dieser Schicht werden Schadgase wie HCl und H₂S chemisch gebunden. Hierbei reagieren Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff mit Calciumoxid zu Calciumchlorid und Calciumsulfid. Aufgrund des Druckunterschiedes Δp (26) fallen Calciumchlorid und Calciumsulfid als Filtrat (28) über die geöffnete Klappe (Ventil) (27) ab. Bei eintretender Sättigung des Filters durch HCl und H₂S können diese Komponenten am Filterausgang gemessen werden. Ab einer noch zu ermittelnden Konzentration muss der Filterkuchen rechtzeitig ausgetauscht werden.
Tabelle 3: Darstellung der Funktionsweise der Filterstufe 2
Die in 7 gezeigte Filterstufe 3 ist ähnlich aufgebaut wie die Filterstufen 1. und 2 enthält jedoch anstatt 2 nur einen Strang, den Nickelkatalysator (33). Hier befindet sich gemäß der Erfindung auf der Membran (34) eine Schicht feinster Nickelpartikel von etwa 20-50 μ Größe, durch die das vorgereinigte Synthesegas (32) nach der Filterstufe 2 strömt. Dort werden alle restlichen Kohlenwasserstoffe vor allem Methan und möglicherweise noch vorhandene Teergase vollständig in CO und H₂ bei einer Temperatur von ca. 900°C umgewandelt.
Außerdem werden alle Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH₃) und Blausäure (HCN) in Luftstickstoff umgewandelt. Das so entstandene reine Synthesegas (35) kann entweder zur Verbrennung in Gasturbinen oder für Synthesezwecke (Herstellung von Benzin oder Diesel) verwendet werden.
Tabelle 4: Übersicht der entfernten Verunreinigungen in den 3 Filterstufen

1: Vorratsbehälter
2: Antrieb Stopfschnecke
3: Stopfschnecke
4: Verdichtungszone der Biomasse
5: Knollenbrecher (Schneidmesserrad)
6: Antrieb Schneidmesserrad
7: Schneckenextruder
8: Extruderschnecke
9: Antrieb Extruderschnecke
10: Förderelemente zum Vortrieb der Biomasse
11: Wasserdampf bis zu ca. 250°C bzw. reiner Sauerstoff (oder Kombination)
12: Scherelemente zur Zerfaserung
13: gesättigter bzw. überhitzter Wasserdampf
14: Zugabe winziger Mengen Wasser
15: Sauerstoff für Vergasung
15a: alternative Sauerstoffzugabe für Verg.
16: Vergasungskammer (ca. 900°C)
17: Syntheserohgas und Asche
18: Ablauf Flüssigasche
19: Zugabe von Sauerstoff für Umwandlung von Sulfit in Sulfat
20: Entsorgungsbehälter
21: Filter der Filterstufe 1 (Aschefilter) – Detail X
22: Syntheserohgas
23: Filterkorb
24: Absperrventile geöffnet
25: Absperrventile geschlossen
26: Druckunterschied Δp für Filtratabwurf
27: Klappe (Ventil) geöffnet für Filtrataustrag
28: Filtrat zum Auffangbehälter
29: von Feststoffen gereinigtes Synthesegas
30: Filter der Filterstufe 2 (Halogen- und Sauergas-Absorber) – Detail Y
31: Gasstrom für die Erneuerung der Kalk-Dolomit-Schicht
32: vorgereinigtes Synthesegas
33: Nickelkatalysator der Filterstufe 3 – Detail Z
34: Membran mit Schicht feinster Nickelpartikel
35: reines Synthesegas (ca. 900°C)

Claims

Verfahren zur Vergasung von Biomasse mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung, dadurch gekennzeichnet, (a) dass die Biomasse einer Stopfschnecke zugeführt und dadurch kontinuierlich so verdichtet wird, dass ein gasundurchlässiger Pfropf entsteht, wodurch Dampf und Gase nicht entgegengesetzt der Förderrichtung entweichen können, (b) dass die Biomasse entweder einer Zerfaserungsschnecke kontinuierlich unter Druck zugeführt wird und stufenweise durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff oder einer Kombination von beidem von 100°C bis auf etwa 200-250°C erwärmt wird, (c) oder dass die Biomasse kurz nach dem Einlass der Zerfaserungsschnecke durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff oder einer Kombination von beidem auf eine Temperatur von etwa 200-250°C erwärmt und bis auf einen Druck von etwa 25-30 bar gebracht wird, (d) dass durch die Erwärmung das in der Biomasse enthaltene Lignin (Kitt zwischen den Pflanzenfasern) erweicht bzw. flüssig wird, (e) dass die Biomasse (insbesondere die Epidermishülle und die Nodien von Gräsern) durch den zugeführten Sauerstoff zusätzlich teilweise chemisch zersetzt wird, (f) dass die durch die Scherelemente der Zerfaserungsschnecke erzeugten Scherkräfte, die Biomassefasern voneinander trennen und Epidermishülle und Nodien aufgrund der Versprödung durch den Sauerstoff ebenfalls fein zerkleinert werden, (g) dass kurz vor dem Ausgang in den Schneckenextruder zusätzlich Wasserdampf gegeben wird, was aufgrund des dadurch entstehenden, größeren Volumens zu einem Auseinanderdriften des Faser-Dampfgemisches führt, (h) dass am Extruderausgang der zur Vergasung notwendige Sauerstoff der Biomasse zugegeben wird und wodurch sich beide gleichmäßig miteinander vermischen und anschließend einer Brennkammer zugeführt werden, so dass es darin bei ca. 900°C zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) kommt, (i) oder dass der zur Vergasung notwendige Sauerstoff erst innerhalb der Brennkammer getrennt zugegeben wird, wodurch die Mischung allerdings dann inhomogen ist und deswegen ungleichmäßiger vergast, (j) dass die Zuführung der Biomasse (bzw. das Vergasungsgemisch) in die Vergasungskammer durch einen oder eine Anordnung von mehreren Extrudern erfolgen kann, (k) dass das hierbei entstehende Gas bei 900°C durch einen Hochtemperaturfilter (metallischen Membranfilter) geführt und hierbei in mehreren Stufen gereinigt wird, und (l) dass das Gas zum Schluss eine katalytische Vorrichtung durchläuft, wobei die restlichen Schadstoffe unschädlich gemacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verdichtung der Biomasse der Pfropf durch einen Knollenbrecher (Schneidmesser) fein zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Sauerstoffzugabe zusätzlich winzige Mengen Wasser rundherum eingesprüht werden, damit eine Selbstentzündung des „Explosionsgemisches" vor Eintritt in die Vergasungskammer verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Gasreinigung verwendete Hochtemperaturfilter aus einer dünnen Membran besteht, deren Fläche bis zu 40% 1-3 μm große Öffnungen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochtemperaturfilter mehrere zylindrische Membrane verwendet werden, die konzentrisch zueinander angeordnet und mit Gitternetzen unterfüttert sind, wodurch auf engstem Raum eine große Oberfläche entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe 1 als redundantes System mit zwei Filtern ausgeführt ist und diese beiden Filter abwechselnd betrieben werden, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung stattfindet und dass sobald der voreingestell te maximale Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht ist, der Gasstrom auf ein zweites baugleiches Filter geleitet und das bisherige „on-line" Filter durch ein Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt wird und dass der Abwurf des Filtrats durch Erzeugen eines Druckunterschiedes zwischen Filterkuchen und Filtermembran erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichend schneller Erzeugung der Druckdifferenz Δp, die Filterstufe 1 nur mit einem Filter betrieben werden kann, wobei sich die Anzahl der Ventile auf nur ein Auslassventil für den Filtrataustrag verringert.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Aufbau und der Betrieb Filterstufe 2 („on-line", „off-line") identisch dem Aschefilter (Filterstufe 1) sind und dass der Unterschied lediglich darin besteht, dass sich auf der Filtermembran ein künstlich über einen Gasstrom aufgebrachter, aus feinen Partikeln bestehender Filterkuchen befindet, der vorzugsweise aus Dolomit besteht und zur Neutralisierung der Sauergase, Spaltung der Teergase und Absorption der Halogenverbindungen dient und bei Sättigung des Filters ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein ausreichender Mengen Alkalien (natürlich vorhanden oder künstlich zugegeben) auf die zweite Filterstufe verzichtet werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe 3 ähnlich aufgebaut ist wie die Filterstufen 1 und 2 und nur einen Strang enthält, und dass sich auf der Membran eine Schicht feinster Nickelpartikel von etwa 20-50 μ Größe befindet, die mittels eines Gases als Transportmittel aufgebracht und dann versintert werden, dass das Volumen bzw. die Oberfläche dieser Katalysatorschicht bei gleicher Wirkung mehrere hundert mal kleiner ist als sonst üblich und dadurch alle restlichen Kohlenwasserstoffe, vor allem Methan und möglicherweise noch vorhandene Teergase, vollständig in CO und H₂ umgewandelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Nickelkatalysator durch sehr feine Poren strömt, in folge dessen ein intensiver Kontakt zwischen Gas- und Katalysatorfläche stattfindet und wobei die Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH₃) und Blausäure (HCN) in Luftstickstoff umgewandelt werden.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Vergasung von Biomasse mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet (α) durch eine Stopfschnecke (3), welcher die Biomasse zugeführt und dadurch kontinuierlich so verdichtet wird, dass ein gasundurchlässiger Pfropf entsteht, wodurch Dampf und Gase nicht entgegengesetzt der Förderrichtung entweichen können, (β) in einem Schneckenextruder (7) durch eine Zerfaserungsschnecke (8), welcher die Biomasse entweder kontinuierlich unter Druck zugeführt wird, und in welcher die Biomasse stufenweise durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff oder einer Kombination von beidem von 100°C bis auf etwa 200-250°C erwärmt wird, oder die Biomasse kurz nach dem Einlass des Schneckenextruders (7) durch Zugabe von Wasserdampf (11) bzw. reinem Sauerstoff oder einer Kombination von beidem auf eine Temperatur von etwa 200-250°C erwärmt und bis auf einen Druck von etwa 25-30 bar gebracht wird, wobei (in beiden Fällen) – durch die Erwärmung das in der Biomasse enthaltene Lignin (Kitt zwischen den Pflanzenfasern) erweicht bzw. flüssig wird, – die Biomasse (insbesondere die Epidermishülle und die Nodien von Gräsern) durch den zugeführten Sauerstoff zusätzlich teilweise chemisch zersetzt wird, – die durch die Scherelemente (12) der Zerfaserungsschnecke (8) erzeugten Scherkräfte, die Biomassefasern voneinander trennen und Epidermishülle und Nodien aufgrund der Versprödung durch den Sauerstoff ebenfalls fein zerkleinert werden, – kurz vor dem Ausgang in den Schneckenextruder (7) zusätzlich Wasserdampf (13) gegeben wird, was aufgrund des dadurch entstehen den, größeren Volumens zu einem Auseinanderdriften des Faser-Dampfgemisches führt, und wobei – am Ausgang des Schneckenextruders (7) der zur Vergasung notwendige Sauerstoff (15) der Biomasse zugegeben wird, (γ) durch eine Brennkammer (16), welcher entweder das gleichmäßig miteinander vermischte Biomasse-Sauerstoff-Gemisch zugeführt wird, so dass es darin bei ca. 900°C zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) kommt, oder alternativ der zur Vergasung notwendige Sauerstoff (15a) erst innerhalb der Brennkammer (16) getrennt zugegeben wird, wodurch die Mischung allerdings dann inhomogen ist und deswegen ungleichmäßiger vergast, (δ) durch einen Extruder (7) oder eine Anordnung von mehreren Extrudern (7), durch den/die Biomasse (bzw. das Vergasungsgemisch) der Vergasungskammer (16) zugeführt wird, (ε) durch Hochtemperaturfilter (metallische Membranfilter) durch die das hierbei entstehende Gas bei 900°C geführt und hierbei in mehreren Stufen gereinigt wird, und (ζ) durch eine katalytische Vorrichtung (33), in welcher zum Schluss die restlichen Schadstoffe im durchlaufenden Gas unschädlich gemacht werden.
Anlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Knollenbrecher (ein Schneidmesser) (5), durch den nach Verdichtung der Biomasse der Pfropf fein zerkleinert wird.
Anlage nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14), durch die vor der Sauerstoffzugabe zusätzlich winzige Mengen Wasser mit rundherum eingesprüht werden, damit eine Selbstentzündung des „Explosionsgemisches" vor Eintritt in die Vergasungskammer (16) verhindert wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch für die Gasreinigung verwendete Hochtemperaturfilter aus einer dünnen Membran bestehend, deren Fläche bis zu 40% 1-3 μm große Öffnungen aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperaturfilter aus mehreren zylindrischen Membranen (23) besteht, die konzentrisch zueinander angeordnet und mit Gitternetzen unterfüttert sind, wodurch auf engstem Raum eine große Oberfläche entsteht.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe 1 (Detail X) als redundantes System mit zwei Filtern (21) ausgeführt ist und diese beiden Filter abwechselnd betrieben werden, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung stattfindet und dass sobald der voreingestellte maximale Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht ist, der Gasstrom auf ein zweites baugleiches Filter geleitet und das bisherige „online" Filter durch ein Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt wird und dass der Abwurf des Filtrats (28) durch Erzeugen eines Druckunterschied Δp (26) zwischen Filterkuchen und Filtermembran erfolgt.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichend schneller Erzeugung der Druckdifferenz Δp, die Filterstufe 1 (Detail X) nur ein Filter vorgesehen ist, wobei sich die Anzahl der Ventile (24, 25) auf ein Auslassventil (27) für den Filtrataustrag verringert.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Aufbau und der Betrieb Filterstufe 2 („on-line", „off-line") (Detail Y) identisch dem Aschefilter (Filterstufe 1) sind und dass der Unterschied lediglich darin besteht, dass sich auf der Filtermembran ein künstlich über einen Gasstrom (31) aufgebrachter, aus feinen Partikeln bestehender Filterkuchen befindet, der vorzugsweise aus Dolomit besteht und zur Neutralisierung der Sauergase, Spaltung der Teergase und Absorption der Halogenverbindungen dient und bei Sättigung des Filters ausgetauscht wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Gasfilterstufe vorgesehen ist, sofern ausreichende (natürlich vorhandene oder künstlich zugegebene) Mengen Alkalien zur Verfügung stehen, so dass auf die zweite Filterstufe verzichtet werden kann.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe 3 (Detail Z) ähnlich aufgebaut ist, wie die Filterstufen 1 und 2, und nur einen Strang enthält, und dass sich auf der Membran (34) eine Schicht feinster Nickelpartikel von etwa 20-50 μ Größe befindet, die mittels eines Gases als Transportmittel aufgebracht und dann versintert werden, dass das Volumen bzw. die Oberfläche dieser Katalysatorschicht bei gleicher Wirkung mehrere hundert mal kleiner ist als sonst üblich und dadurch alle restlichen Kohlenwasserstoffe, vor allem Methan und möglicherweise noch vorhandene Teergase, vollständig in CO und H₂ umgewandelt werden.
Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickelkatalysator feinste Poren aufweist, durch die das Gas strömt, wobei ein intensiver Kontakt zwischen Gas- und Katalysatorfläche stattfindet, und wobei die Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH₃) und Blausäure (HCN) in Luftstickstoff umgewandelt werden.