DE102008047201A1

DE102008047201A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Produktion von Synthesegas und zum Betreiben eines Verbrennungsmotors damit

Info

Publication number: DE102008047201A1
Application number: DE102008047201A
Authority: DE
Inventors: Arno Dipl.-Ing. Schneider; Ergun Dipl.-Ing. Cehreli
Original assignee: PEKTAS CEHRELI SEMIHA; PEKTAS-CEHRELI SEMIHA
Current assignee: PEKTAS CEHRELI SEMIHA; PEKTAS-CEHRELI SEMIHA
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: DE102008047201B4

Abstract

Motorbrenngase sind aus wechselnden, heterogenen organischen Brennstoffen herstellbar. Durch Reinigung des entstehenden Gasgemisches und besonderen Betrieb des Gasmotors Vermeidung von Teerablagerungen, Teere und Pyrolyseöl werden als Zusatz zum Zündöl verwendet. Erzeugung eines Synthesegases aus in einem Pyrolysereaktor (2) erzeugtem Pyrolysegas und aus einem Produktgas, entstanden durch autotherme Vergasung des entstandenen Pyrolysekokses und/oder Pyrolyseöls in einem atmosphärischen stationären Wirbelschichtvergaser (8). Reinigen des Synthesegases in einem Gaswäscher (16) und Elektrofilter (21), Leitung des Synthesegases über einen Verdichter (22) in einen separaten Injektor (24) eines Zündstrahl-Motors (30) unter Umgehung von Turbolader und Ladeluftkühler.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion von Synthesegas für eine Verbrennungskraftmaschine und zu deren Betreiben, insbesondere zur dezentralen Erzeugung von Strom und Wärme.
Gemäß der DE 42 38 934 C2 ist ein Verfahrens zur Vergasung derartiger Roh- und Abfallstoffe bekannt, bei welchem die unsortierten Stoffe durch eine Kombination von thermischer Vorbehandlung, Zerkleinerung und Flugstromvergasung vergast werden, um ein CO- und H₂-reiches Gas zu erzeugen. Es wird ein versprödetes, gemahlenes Zwischenprodukt erzeugt, das als Feingut der Flugstromvergasung unterworfen wird. Dieses Gas wird zum Betrieb von Gasmotoren und Gasturbinen oder als Synthesegas verwendet.
Gemäß der DE 10 2004 055-407 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Gasmotors mit einem aus organischem Brennstoff, insbesondere Biomasse, hergestellten Synthesegas bekannt, wobei dieser zur dezentralen Energieversorgung dient (BHKW-Anlagen). Es wird dabei eine autotherme Vergasung unter Verwendung einer Festbett-Vergasungseinrichtung durchgeführt. Die Zuführung des erzeugten Synthesegases in den Motorenbrennraum erfolgt zusammen mit der angesaugten Brennluft nach deren Vermischung.
Bei diesen Vergasungsanlagen ist für einen technisch einwandfreien Betrieb ein definierter, nicht wechselnder Brennstoff erforderlich. Sie können insofern nicht direkt variabel mit wechselnden, heterogenen organischen Brennstoffen betrieben werden. Zudem muss durch spezielle Maßnahmen verhindert werden, dass sich Teerablagerungen im Brennraum des Gasmotors bilden.
Zur Behebung dieser Nachteile bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zur Verwertung von jeglicher denkbarer Biomasse bzw. aufbereiteten organischen Abfällen als Material zur Herstellung eines Brenngases zum Betrieb von Gasmotoren, wobei derartige Materialien bisher in reinen Vergasungsanlagen der Vergasung nicht zugänglich waren. Die Gasmotoren sollen gemäß einer weiteren Aufgabe in effizienten, dezentralen Energieerzeugungsanlagen ab einer Leistung von 500 kWel, oder auch unter gleichzeitiger Wärmeauskopplung betreibbar sein.
Es soll unter Fortbildung der Aufgaben auch bei speziellen Gasmotoren deren Betrieb mit dem durch Vergasung hergestellten Brenngas und mit bei dessen Herstellung anfallenden Ölen, Kondensaten und Teeren möglich sein.
Zielsetzung ist es, ein Verfahren zur dezentralen Energieerzeugung zu realisieren, bei dem die Verbrennungskraftmaschine mit Pyrolysegas, Pyrolyseöl, Teer, Produktgas, Synthesegas oder einer Mischung aus diesen Bestandteilen betrieben werden kann. Hierbei kommt eine Technik zur Produktion von hochwertigem Synthesegas aus festen und/oder flüssigen organischen Brennstoffen, insbesondere Biomasse jeglicher Art, zum Einsatz.
Erfindungsgemäß wird die eingangs genannte Aufgabe durch das Verfahren zur Herstellung eines Synthesegases aus einem in einem Pyrolysereaktor hergestellten Pyrolysegas und einem durch Vergasung erzeugten Produktgas gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoff, z. B. gemischte organische Abfälle, auch aussortierter und getrennter Hausmüll, aber vorzugsweise Biomasse jeglicher Art bis hin zu Schweine-, Rinder- und Hühnermist, aufbereitet und in der ersten Stufe einer Pyrolyseanlage zugeführt wird.
Der in der Pyrolyse entstehende Pyrolysekoks wird zu einem Produktgas vergast.
Da die Pyrolyse ein exothermes Verfahren ist, wird dem Pyrolysereaktor die erforderliche thermische Energie in Form von Wärme in der ersten Stufe (< 300°C–450°C) durch das Motorenabgas des anzutreibenden Verbrennungsmotors und in der zweiten Stufe direkt oder indirekt durch das heiße Produktgas aus dem Vergaser oder aber einer Direktfeuerung zugeführt. Das Einbringen der thermischen Energie kann, unterstützend oder allein, auch über einen Direkteintrag der heißen, aus dem Vergaser ausgetragenen Bettasche und dem Bettmaterial erfolgen. Die Pyrolysetemperatur liegt i. d. R. zwischen 400°C und 650°C.
Das erzeugte Pyrolysegas (Heizwert > 15 MJ/Nm³) wird anschließend in einem Heißgaszyklon von mitgerissenen Staubpartikeln gereinigt.
Aus dem Pyrolysekoks wird, vorzugsweise in einem stationären Wirbelschichtvergaser, ein niederkalorisches Produktgas (Heizwert < 10 MJ/Nm³) erzeugt und anschließend ebenfalls in einem Heißgaszyklon gereinigt. Die Vergasung ist ein endothermes Verfahren. Hier wird die zur Aufrechthaltung des Prozesses erforderliche Energie aus dem erzeugten Produktgasstrang entnommen. Anstelle der zugeführten, ebenfalls erforderlichen, Luft, kann wahlweise technischer Sauerstoff und/oder Dampf eingesetzt werden.
Pyrolyse- und Produktgas werden nach der jeweiligen Reinigung und Kühlung zu Synthesegas vermischt. In einem Gaswäscher erfolgt die Reinigung von Teeren und weiteren Staubpartikeln. Dabei wird das ca. 300°C heiße Synthesegas bis auf ca. 40° heruntergekühlt. Als Waschflüssigkeit wird vorzugsweise Pflanzenöl eingesetzt. Wenn das Waschöl gesättigt ist, wird es in einer Zentrifuge gereinigt und vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, gemeinsam mit dem Pyrolyseöl, Kondensat und Teer aus dem Elektrofilter in einem Homogenisator aufgearbeitet. Dabei werden mit einem speziellen physikalischen Verfahren langkettige Moleküle verkürzt. Dies hat zur Folge, dass das Waschöl mit dem Pyrolyseöl und/oder dem Pyrolysekondensat homogen gemischt und als Pilotöl in der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann.
Nachdem das Gas so gereinigt wurde, durchläuft es zusätzlich einen elektrostatischen Teerfilter, in dem letzte verbliebene Verunreinigungen entfernt werden. Auf diese Weise von Teer und Staubpartikeln befreit, wird das Synthesegas hoch verdichtet (> 200 bar) einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt, wobei das verdichtete Gas über einen separaten Injektor direkt in den Brenn raum eingedüst wird. Die Verbrennungsluft wird über einen eigenen Kanal in den Motor eingebracht.
Als Verbrennungskraftmaschine kommen vorzugsweise langsam laufende Zweitakt-Zündstrahlmotoren zum Einsatz, jedoch ist der Einsatz von anderen Motortypen ebenfalls möglich.
Vorzugsweise können in der Vergasungsstufe technischer Sauerstoff oder Wasserdampf (H₂O) eingedüst werden. Durch die Sauerstoffeindüsung in der Vergasungsstufe wird der N₂-Anteil im Synthesegas stark reduziert. Der Heizwert Hu steigt auf über 8,0 MJ/Nm³ Synthesegas. Hauptbestandteile sind CO, H₂, CO₂, CH₄ und in kleinen Mengen andere Gase. Hierdurch verringert sich die produzierte Synthesegasmenge, sodass die nachfolgenden Vorrichtungen zur Kühlung, Reinigung, Verdichtung und Speicherung kleiner dimensioniert werden können.
Ebenfalls optional können im Normalbetrieb CO₂, H₂ und CO aus gewaschen und anderweitig verwendet werden, z. B. zur Verflüssigung. Aus der Reduktion ergeben sich Vorteile hinsichtlich der auszulegenden Dimensionen der Komponenten. So können diese auf Grund des geringeren Volumens kleiner ausgelegt werden.
Die Vorteile der Erfindung

a) Bei reinen Vergasungsanlagen ist für einen technisch einwandfreien Betrieb ein definierter, nicht wechselnder Brennstoff erforderlich. Die Pyrolyseanlage kann variabel mit wechselnden, heterogenen organischen Brennstoffen betrieben werden. Erzeugt werden in verschiedenen Anteilen hauptsächlich Pyrolysegas, Pyrolysekoks, Pyrolyseöl und Teer. Der Pyrolysekoks wird in einem zweiten Schritt in einem Vergaser vergast.
b) Einsatz von jeglicher denkbarer Biomasse bzw. aufbereiteten organischen Abfällen als Brennstoff in effizienten, dezentralen Energieerzeugungsanlagen ab einer Leistung von 500 kW_el, auch mit Wärmeauskopplung
c) Entsorgung von Problemstoffen wie z. B. Hühnermist oder ähnlichem und umfangreiche nachhaltige Vermeidung von Umweltbelastung.
d) Umweltschonende Lösung für Entsorgungsprobleme und Reduzierung von Entsorgungskosten, da Reststoffe mineralisch sind und max. 2–3% des eingesetzten Brennstoffes ausmachen.
e) Produktion von hochqualitativen Synthesegas, zusammengesetzt aus Pyrolyse und Produktgas mit einem Heizwert von > 10 kJ/Nm³. Insbesondere bei Einsatz von technischem Sauerstoff anstelle von Luft in der Vergasungsstufe wird der N₂-Anteil erheblich gesenkt. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der zu kühlenden, reinigenden, verdichtenden und, optional, speichernden Synthesegasmenge sowie eine Erhöhung des Systemwirkungsgrades.
f) Durch die aufwändige Gasreinigung und insbesondere Umgehung von Turbolader und Ladeluftkühler, werden Ablagerungen von Staub und Kondensation von Teeren nahezu vollkommen vermieden.
g) Verwendung vom Pyrolyseöl, Kondensat und Teer als Zündöl für das Synthesegas. Daher auch kein Entsorgungsaufwand.

Ausführungsbeispiel
Der Verfahrensablauf und die wesentlichen Anlagenkomponenten sind in 1, 2 und 3 der Zeichnungen dargestellt.
1 zeigt

Brennstofftrockner (1)

Der nach der Anlieferung in einem Schredder auf die gewünschte Korngröße zerkleinerte Brennstoff wird in einem Trockner (1) auf den für den jeweiligen Brennstoff erforderlichen Wassergehalt getrocknet. Die thermische Energie für den Trocknungsprozess wird aus dem Niedertemperaturkühlsystem des Motors (< 90°C) und sonstiger Systemabfallwärme gewonnen. Der Trockner kann in verschiedenen Bauformen ausgeführt sein, vorzugsweise kommt jedoch ein Bandtrockner zum Einsatz.
Aus dem Trockner wird der Brennstoff mittels Förderschnecke oder Förderband in einen Brennstoffvorlagebehälter für den Pyrolysereaktor gefördert.
Die Aufbereitung des Eingangsbrennstoffes ist daher wichtig, da hiervon die Gasqualität und der Kaltgaswirkungsgrad maßgeblich beeinflusst wird.

Pyrolysereaktor (2)

Die Pyrolyse erfolgt vorzugsweise in einem zweistufigen Drehrohrpyrolysereaktor (2).
Die Pyrolyseanlage kann mit wechselnden Brennstoffen (allen denkbaren organischen kohlenstoffhaltigen Materialien, z. B. organischen Abfällen) betrieben werden und benötigt thermische Energie von außen (exothermes Verfahren). Erzeugt werden in verschiedenen Anteilen hauptsächlich Pyrolysekoks, Pyrolyseöl und Pyrolysegas.
In der ersten Stufe wird die thermische Energie in Form von Wärme über das Motorenabgas zugeführt. In der zweiten Stufe wird vorzugsweise das Produktgas (ca. 950°C) aus der Vergasung direkt oder über Wärmetauscher zur weiteren Erhöhung der Pyrolysetemperatur eingesetzt. Auch eine Direktfeuerung oder der Eintrag von thermischer Energie in Form von heißer Bettasche und Bettmaterial aus dem Vergaser ist möglich. Hierfür ist ein Lager (37) mit Eintragvorrichtung vorgesehen. Die Pyrolysetemperatur liegt hier zwischen 400°C und 650°C. Bei dem eintretenden Zersetzungsprozess fallen jeweils ein Produkt in festem (Pyrolysekoks), flüssigem (Kondensat, Pyrolyseöl) und gasförmigem (Pyrolysegas) Aggregatzustand in verschiedenen Mengen an.
2.1. Pyrolysekoks
Der Pyrolysekoks, der in der Hauptsache aus reinem Kohlenstoff besteht, wird vorzugsweise aus dem Pyrolysereaktor in einen Vorlagebehälter (7) für den Wirbelschichtvergaser (8) gefördert. Eine andere Form der Lagerung ist ebenfalls möglich.
2.2. Pyrolyseöl
Das Pyrolyseöl wird aufgefangen und dem Zündöl für den Motor beigemischt und/oder direkt in den Vergaser (8) eingebracht.
2.3. Pyrolysegas
Das Pyrolysegas wird nach einer Grobreinigung in einem Heißgaszyklon (3) in einem Gaskühler (4) auf die erforderliche Temperatur gekühlt. Mit einem Druckerhöhungsgebläse (5) wird das Pyrolysegas mit dem Produktgas in einer gemeinsamen Leitung zusammengeführt. Optional kann eine separate Gaswäsche (51) eingesetzt werden.

Heißgaszyklon Pyrolysegasstrom (3)

In dem Heißgaszyklon werden im Gasstrom mitgerissene Staubpartikeln mit einer Korngröße > 0,1 mm ausgeschleust. Dadurch wird u. a. der abrasive Effekt im Gasstrom gemindert und das vorzeitige Verstopfen der Wärmetauscher verhindert.

Gaskühler (4)

In dem Wärmetauscher wird das Pyrolysegas von ca. 580°C auf ca. 300°C abgekühlt. Die dabei ausgekoppelte thermische Energie wird zur Erzeugung von Dampf genutzt, der wiederum eine Dampfturbine (56) zur Stromerzeugung antreibt.

Druckerhöhungsgebläse (5)

Das Druckerhöhungsgebläse dient zum Ausgleich des Druckverlustes in der Gasleitung und den Apparaten. Außerdem kann der Pyrolysegasstrang beim Zusammenführen mit dem Produktgasstrang genauer reguliert werden.

Brennstoffvorlage Vergaser (6)

In diesem Behälter wird der aus dem Pyrolysereaktor ausgetragene Pyrolysekoks (PK) aufgefangen und zwischengelagert. Der PK ist homogen und besteht aus nahezu 100% Kohlenstoff. Damit ist er ein hervorragender Brennstoff für den Vergasungsreaktor (10).

Vorlagebehälter für Bettmaterial (7)

In diesem Behälter wird das Material für die Ausbildung eines Wirbelschichtbettes aufbewahrt. Das Bettmaterial ist i. d. R. Dolomit oder ein ähnlicher Kalkstein. Durch Veränderung der Zusammensetzung des Bettmaterials werden bei Bedarf katalytische Wirkungen im Vergasungsprozess erreicht.

Atmosphärischer Vergaser (8)

Zur Vergasung wird hier ein atmosphärischer Vergaser, vorzugsweise ein stationärer Wirbelschichtvergaser mit gestufter Luftzuführung, der aufgrund der intensiven Durchmischung optimale Bedingungen für die erwarteten Gas-/Feststoff-Reaktionen liefert, einge setzt. Die Vergasung erfolgt autotherm mit Luft bei einer Temperatur von mindestens 900°C, zu deren Erreichen und Aufrechterhaltung ein Teil des zur Vergasung eingesetzten Brennstoffs verbrannt bzw. teilverbrannt wird. Die zur Fluidisierung und Vergasung erforderliche Luft wird durch gleichmäßig im unteren Primärboden und oberen Sekundärboden des Vergasers verteilte Düsen mit Hilfe eines Zuluftgebläses in den Vergasungsraum eingetragen. Optional ist hier der Einsatz von, in einem Sauerstoffgenerator (50) hergestelltem, reinem Sauerstoff anstelle von Luft möglich. Die Querschnittfläche und Höhe des Vergasungsraums sind so gewählt, dass ausreichende Kontakt- und Verweilzeiten des Produktgases von ca. 5 Sekunden bei einer Leerrohrgeschwindigkeit von < 1,5 m/s erreicht werden, bevor das Produktgas den Vergasungsraum mit über 1.000°C am Kopfende verlässt. In einem nachgeschalteten Abhitzewärmetauscher (15) wird das Produktgas auf ca. 250°C abgekühlt. Die ausgekoppelte Wärme wird wahlweise zur Vorwärmung der einzusetzenden Frischluft (12), optional Sauerstoff (50), zur Dampferzeugung für eine sekundäre Stromerzeugung (61) über eine Dampfturbine, als Prozesswärme oder zur Wasserraufwärmung für Heizzwecke genutzt.
Zur Kontrolle der Vergasungstemperatur und zur Homogenisierung des Produktgases wird eine geregelte Teilmenge I des abgeführten Produktgases nach Entstaubung (10, 13) und Abkühlung im Abhitzewärmetauscher (15) mit Hilfe eines Kreislaufgebläses (16) zusammen mit der vorgewärmten Frischluft in den Vergasungsraum zurückgeführt. Der restliche Teil 11 des Gases wird zur Nutzung im Gas-Diesel-Motor ausgeschleust, welcher als Zündstrahlmotor (30) ausgebildet ist.
Der Betrieb des Vergasers erfolgt weitgehend frei von Störungen bedingt durch inhomogenen Brennstoff, da hier hauptsächlich Pyrolysekoks als Brennstoff eingesetzt wird.

Heißgaszyklon (9) – für Produktgasstrom

Nach dem Abhitzekessel wird das Synthesegas in einem Heißgas-Zyklonabscheider entstaubt. Dabei werden im Gasstrom mitgerissene Staubpartikeln mit einer Korngröße > 0,1 mm ausgeschleust. Dadurch wird u. a. der abrasive Effekt im Gasstrom gemindert und das vorzeitige Verstopfen der Wärmetauscher vermieden.

Rezigas Vorwärmer (10)

Ein Teil des Produktgases wird rezirkuliert, d. h., es wird wieder in den Vergaser zurückgeführt, um den thermischen Prozess aufrecht zu halten. In dem Rezigas Vorwärmer erfolgt eine Temperaturerhöhung auf der Rezigas Seite bzw. der zum Vergaser rezirkulierenden Teilmenge des Produktgases und eine Abkühlung im Hauptgasstrom.

Luftvorwärmer (11)

Hier wird die hohe Wärme im Produktgasstrom genutzt, um die Temperatur der für die Vergasung erforderlichen Luftmenge zu erhöhen und dabei die Effizienz im Vergaser zu steigern.

Schlauchfilter (12)

Dieser Filter ist hochtemperaturbeständig und dient der Abscheidung der im Produktgasstrom verbliebenen feinen Staubpartikel. Der abgeschiedene Feinstaub wird in einem geschlossenen Container gesammelt und entsorgt. (Flugasche)

Gaskühler (13)

In diesem Gaskühler wird die Temperatur des Produktgases auf ca. 300°C abgesenkt. Bei dieser Temperatur sind die im Gas enthaltenen Teerpartikel noch nicht auskondensiert.

Rezigas Gebläse (14)

Ein Teil des erzeugten Produktgases wird zur Aufrechthaltung des thermischen Prozesses im Vergaser vom Hauptgasstrang abgezweigt und in den Vergaser zurückgeführt. Die Rückführung erfolgt über das Rezigas Gebläse.

Produktgas Druckerhöhungsgebläse (15)

Synthesegaswäscher (16)

Das zu reinigende Produktgas und Pyrolysegas wird über eine Sammelleitung dem Synthesegaswäscher zugeführt. Der Wäscher besteht aus einem Strahlgaswäscher mit einem nach geschalteten Entspannungsbehälter und einen Tropfenabscheider. Die Auswaschung erfolgt über einen Waschflüssigkeitskreislauf. Im Strahlgaswäscher wird ein Unterdruck von etwa 5 mbar erzeugt. Reicht dieser Unterdruck für die Absaugung aus, so kann auf einen Ventilator verzichtet werden.
Im Kolonnensumpf wird Pflanzenöl vorgelegt und damit die Prozessgasreinigung über den Waschkreislauf realisiert. Entsprechend der sich einstellenden Konzentration an Stäuben wird der Waschkreislauf beladen und über die Förderpumpe automatisch aus-gekreist und der Kolonnensumpf neu befüllt. Der Prozess kann auch kontinuierlich gestaltet werden. Zur Wärmeabführung wird ein Kühler im Waschkreislauf installiert, der mit Kühlwasser 25°C betrieben wird.
Das gereinigte Prozessgas verlässt den Wäscher mit einer Temperatur von etwa 40°C, die dem Taupunkt unter diesen Bedingungen entspricht. Die durch die Temperaturabkühlung von 300°C auf 40°C abgeführte Wärme wird in einem Wärmetauscher ausgeschleust und als Prozesswärme zur Erwärmung von Kondensat usw. eingesetzt.
Die Anlage besitzt einen Steuerkasten, von dem der automatische Betrieb sichergestellt wird. Die komplette Anlage wird als Baugruppe geliefert und kann nach Anschluss der bauseitigen Leistungen sofort in Betrieb gesetzt werden,

Frischöltank (17)

Dieser Tank dient zum Lagern des frischen Waschöls. Aus diesem Tank wird die aus dem Waschfluidtank als Zündöl entnommene Menge beladenes Öl mit frischem Öl aufgefüllt.

Waschfluidtank (18)

Hier wird das das aus dem Gaswäscher aus geschleuste, beladene Waschfluid aufgefangen und gelagert. Aus diesem Tank werden jeweils die für die Gaswäsche und zum Einsatz als Zündöl benötigte Menge Fluid entnommen.

Zündölaufbereitung (19)

Hier werden das beladene Waschfluid, das Pyrolyseöl, sowie Kondensat zusammengeführt und zuerst in einem Separator von groben Verunreinigungen gereinigt. Nach Zugabe von Teer aus dem Elektrofilter (21) werden in einem Homogenisator die langkettigen Molekularketten physikalisch zerkleinert und homogen durchmischt. Durch dieses Verfahren können auch problematische Brennstoffe eingesetzt werden. Das so aufbereitete Öl dient als Zündöl für den Zündstrahlmotor.

Puffertank für Zündöl (20)

In diesem Tank wird das aufbereitete Zündöl gelagert.

Teerelektrostatikfilter (21)

Das Teer-Elektrofilter besteht aus einem vertikal durchströmten Filterfeld mit rundem Querschnitt. Um eine gleichmäßige Gasströmung und somit optimale Abscheideleistung zu gewährleisten, wird das Rohgas vor Erreichen des Filterfeldes durch eine Gasverteilung geführt.
Das Filterfeld besteht aus in Waben ausgeführten Niederschlagselektroden, zwischen denen die Sprühelektroden angeordnet sind. Die scharfkantigen Bandelektroden gewährleisten eine höchstmögliche Filterspannung mit optimaler Koronaentladung. Ein Verschleiß der Elektroden findet praktisch nicht statt.
Das elektrische Sprühsystem wird von den Stützisolatoren getragen. Die Isolatorflächen werden, um Überschläge, besonders in den Anfahr- und Stillstandperioden zu vermeiden, ständig durch eine elektrische Begleitheizung trocken gehalten.
Zwischen den Sprüh- und Niederschlagselektroden liegt eine hohe Gleichspannung an. Durch das sich aufbauende elektrische Feld und den dabei, aus den scharfen Kanten der Sprühelektroden, austretenden Elektronen werden die abzuscheidenden Partikel ionisiert und von den Niederschlagselektroden angezogen. Hier geben sie ihre Ladung ab und lagern sich an die Elektroden an.
Die Abreinigung des Filtersystems erfolgt über eine periodisch, wiederkehrend durchzuführende Heißdampfreinigung. Anschlussflansche sind am Filter vorgesehen. Die Reinigung muss, je nach Verschmutzungsgrad vom Betreiber geregelt werden.
Das abgeschiedene Kondensatgemisch (Teer), welches von den Niederschlagselektroden abtropft, sammelt sich im unteren Bereich des Filters und wird über einen Tauchverschluss in ein bereitgestelltes Auffangbehältnis abgeleitet

Synthesegaskompressor (22)

Das Synthesegas muss bei einem Zweitakt Zündstrahlmotors mit einem Druck von ca. 200 bar in den Brennraum eingeführt werden. In diesem Kompressor können bis zu 250 bar Druck aufgebaut werden.

Synthesesgasregelstrecke (23)

Hier werden für den Motor optimierte Parameter des Synthesegases, wie z. B. Temperatur und Druck, überwacht und bei Bedarf geregelt.

Separate Synthesegaseindüsung (24)

Die separate Synthesegaseindüsung mit einem Druck von über 200 bar hat den großen Vorteil, dass es vor der Einbringung in den Motorraum zu keinerlei Kondensatbildung kommen kann. Das geschieht meistens bei der Mischung von Luft und Gas vor dem Turbolader. Hier kommt es dann regelmäßig zur Schichtbildung von Teeren und zusätzlich zur Verstopfung des Ladeluftkühlers. Das wird durch die direkte Einbringung des Gases in den Zylinder verhindert und es kommt zusätzlich zu einer besseren Ausregelung des Gasgemisches.

Zündöleindüsung (25)

Hier wird das aufbereitete Öl separat als Zündöl in den Zylinder eingedüst.

Lufteinlassschlitze (26)

Hier wird die über den Turbolader angesaugte Luft mit leichtem Überdruck eingebracht.

Auslassventil (27)
Turbolader (28)
Ladeluftkühler (29)
Zündstrahlmotor (30)

Der Zündstrahlmotor (Dual-Fuel-Engine), auch Diesel-Gas-Motor genannt, basiert thermodynamisch auf dem Prinzip des Dieselprozesses. Er vereint die Vorteile der Dieselmotorentechnik mit der von Gas-Ottomotoren. So besitzen Zündstrahlmotoren neben der Dieseleinspritzung auch immer zusätzlich eine Gasregelstrecke wie beim Gas-Ottomotor und können daher wahlweise mit zwei Brennstoffen betrieben werden.
Das Eindüsen von Zündöl ist deshalb erforderlich, da der Zündstrahlmotor keine Zündkerzen besitzt. Üblicherweise ist, abhängig vom Motor und Betriebsweise, ein Zündöleinsatz von 8% bis 20% erforderlich, damit der Gasanteil sicher gezündet wird.
Wahlweise kann der Zündstrahlmotor mit verschiedenen Diesel/Gas Anteilen (20%:80%–100%:0%) betrieben werden. Das gute Teillastverhalten und der hohe el. Wirkungsgrad des Dieselmotors werden unverändert beibehalten.
Im Falle eines Viertakt-Zündstrahl-Motors wird die Arbeitsenergie wie bei einem Ottomotor als Gas-Luft-Gemisch über das Ansaugsystem in der Zylinder eingebracht und lediglich die zum Zünden des Treibstoffgemisches benötigte Energie als Diesel eingedüst.
Bei einem Zweitakt-Zündstrahl-Motor wird lediglich die Luft über den Turbolader in den Brennraum des Zylinders gedrückt. Gas und Zündöl werden über jeweils separate Einspritzdüsen unter hohem Druck in den Brennraum eingebracht. Das hat den Vorteil, dass in Synthesegasen befindliche Partikel und Teere nicht vor der Einbringung in den Verbrennungsraum an Rohrleitungen oder Apparaten kondensieren können. Zweitakt-Motoren haben in der Regel höhere elektrische Wirkungsgrade als Viertakt-Motoren.
Der Zündstrahlmotor hat den weiteren Vorteil, dass erheblich weniger Partikel ausgestoßen werden bei einem Diesel. Die Schadstoffbilanz bezogen auf CO₂ und andere Abgaskomponenten ist ebenfalls sehr gut.
Zündstrahlmotor-BHKW-Anlagen sind wie die Dieselmotor-BHKW-Anlagen uneingeschränkt für die Notstromversorgung in z. B. Krankenhäuser, Hotels, Flughäfen, Kaufhäuser, Sprinkleranlagen etc. zugelassen.

SCR- und Oxi-Kat (31)

Da es sich bei dem Motor um einen Zündstrahlmotor mit ca. 8% Zündölanteil handelt, muss zu Einhaltung der Stickstoffgrenzwerte gemäß TA-Luft ein SCR-Katalysator eingesetzt werden.

Elektrostatikfilter (32) für das Motorabgas

Das E-Filter dient in erster Linie als Staubfilter für das Abgas, um die Partikelemissionen unter die Werte der TA-Luft zu bringen.

Abgasschalldämpfer (33)
Abgaswärmetauscher (34)
Schornstein (35)
Eintrag (36) des Pyrolyseöls und Kondensats in Zündölaufbereitung (19)
Lager (37) mit einer Eintragvorrichtung für Bettasche und Bettmaterial des Vergasers

Optionale Vorrichtungen

50. Sauerstoffgenerator (Optional)
51. Gaswäscher für Pyrolysegas (Optional)

Das Pyrolysegas wird in diesem Wäscher von langkettigen Kohlenwasserstoffen, in Form von z. B. Teeren, durch auskondensieren gereinigt. Das Waschmedium ist wahlweise Wasser, Biodiesel, Pflanzenöl oder ein anderes Fluid biogenen Ursprungs. Bei Einsatz von Pflanzenöl oder Biodiesel als Waschflüssigkeit wird das beladene Fluid gemeinsam mit dem anfallende Öl, Teer oder Kondensat dem Zündöl für den Motor beigemischt.

52. CO₂-Wäscher (Optional)

Optional kann das im Synthesegas enthaltene CO₂ ausgewaschen und direkt in flüssiger Form oder gasförmig als Kohlensäure, als Trockeneis oder in Gewächshäusern als Wachstumsfördernde Maßnahme eingesetzt werden.
Die Ausschleusung von Kohlendioxid aus dem Synthesegas hat den Vorteil, dass durch die Verringerung des Synthesegasvolumens um den Anteil von Kohlenmonoxid und Wasserstoff der energetische Aufwand für die Kompression des Gases auf über 200 bar verringert wird und. Außerdem hat das dem Motor zugeführte Gas bedingt durch den höheren Methananteil einen höheren Heizwert und verbrennt dadurch effizienter.

53. Synthesegaskompressor (Optional)
54. Gasspeicher (Optional)
55. Synthesereaktor (Optional)

Fischer-Tropsch-Verfahren
Die von Professor Franz Fischer und Dr. Hans Tropsch vor über 80 Jahren entdeckte und zum Patent angemeldete Kohlenwasserstoffsynthese ist eine zweistufige Reaktionsfolge, mit der feste Brennstoffe wie Biomasse, Koks oder andere organische Stoffe in flüssige Treibstoffe wie Dieselkraftstoff und Benzin umgewandelt werden können. Dabei werden mit Hilfe von Metallkatalysatoren flüssige Kohlenwasserstoffe aus den Kohlenmonoxid- und Wasserstoffanteilen eines Synthesegases hergestellt. Die hierbei synthetisierten Kohlenwasserstoffe bestehen hauptsächlich aus flüssigen Alkanen, auch Paraffinöle genannt. Als Nebenprodukte fallen noch Olefine, Alkohole und feste Paraffine an.
Das erforderliche Synthesegas lässt sich durch Pyrolyse bei 600°C und höher oder durch Vergasung mit Wasserdampf und/oder Sauerstoff bei Temperaturen oberhalb 900°C aus Biomasse, Koks oder anderen Kohlenstoffhaltigen organischen Stoffen erzeugen.
Die Ausschleusung von Wasserstoff und Kohlenstoff hat in dem vorgestellten System den weiteren Vorteil, dass durch die Verringerung des Synthesegasvolumens um den Anteil von Kohlenmonoxid und Wasserstoff der energetische Aufwand für die Kompression des Gases auf über 200 bar verringert wird und. Außerdem hat das dem Motor zugeführte Gas bedingt durch den höheren Methananteil einen höheren Heizwert und verbrennt dadurch effizienter.

56. Dampfturbine

Gasqualitäten

	Pyrolysegas	Produktgas aus Vergasung mit Luft	Synthesegas Mischung aus Pyrolyse- und Produktgas
LHV [kJ/Nm³]	15.691	5.230	8.717
LHV [kW/Nm³]	4,36	1,45	2,42
	[vol%]	[vol%]	[vol%]
Kohlendioxid (CO₂)	37,50	10,00	19,17
Kohlenmonoxid (CO)	27,50	27,02	27,18
Methan (CH₄)	12,00	2,02	5,35
Wasserstoff (H₂)	12,50	7,77	9,35
Sauerstoff (O₂)		0,37	0,37
Stickstoff (N₂)	2,00	47,71	32,47
Schwefeldioxid (SO₂)		0,01	0,01
Salzsäure (HCl)		0,00	0,00
Wasser (H₂O)	2,75	5,10	4,32
Ethen (C₂H₄)	1,00		1,00
Ethan (C₂H₆)	1,00		1,00
Propan (C₃H₈)			0,00
Butan (C₄H₁₀)			0,00
2,2-Dimethylpropan 2.0 (C₆H₁₂)			0,00
Benzol (C₆H₆)			0,00
2,2 Dimethylbutan (C₆H₁₄)			0,00
C_xH_y	5,50

1: Brennstofftrockner
2: Pyrolysereaktor
3: Heißgaszyklon (Pyrolysegasstrom)
4: Gaskühler
5: Druckerhöhungsgebläse
6: Brennstoffvorlage für den Vergaser
7: Vorlagebehälter für Bettmaterial des Vergasers
8: Atmosphärischer Vergaser (vorzugsweise stationärer Wirbelschichtvergaser)
9: Heißgaszyklon (Produktgasstrom)
10: Rezigasvorwärmer
11: Luftvorwärmer
12: Schlauchfilter
13: Gaskühler
14: Rezigasgebläse
15: Produktgas-Druckerhöhungsgebläse
16: Synthesegaswäscher
17: Frischöltank
18: Waschfluidtank
19: Zündölaufbereitung
20: Puffertank für Zündöl
21: Teer-Elektostatikfilter
22: Synthesegaskompressor
23: Synthesegas-Regelstrecke
24: Injektor für die Synthesegaseindüsung
25: Injektor für die Zündöleindüsung
26: Injektor für den Lufteinlass
27: Auslassventil
28: Turbolader
29: Ladeluftkühler
30: Zündstrahlmotor
31: SCR- und Oxi-Kat
32: Elektrostatikfilter für das Motorabgas
33: Abgasschalldämpfer
34: Abgaswärmetauscher
35: Schornstein
36: Eintrag in Zündölaufbereitung (19)
37: Lager mit einer Eintragvorrichtung für Bettasche und Bettmaterial des Vergasers
50: Sauerstoffgenerator
51: Gaswäscher für Pyrolysegas
52: CO₂-Gaswäscher
53: Synthesegaskompressor
54: Gasspeicher
55: Synthesereaktor
56: Dampfturbine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4238934 C2 [0002]
- DE 102004055-407 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Produktion von Synthesegas für eine Verbrennungskraftmaschine und zu deren Betreiben, insbesondere zur dezentralen Erzeugung von Strom und Wärme, mit folgenden Schritten: a. Zerkleinerung von organischen oder organisches Material enthaltenden Roh- und Abfallstoffen und Trocknung auf die gewünschte Korngröße und den erforderlichen Wassergehalt dieses Brennstoffes, b. Zuführen des organischen Brennstoffes in einen Pyrolysereaktor, c. Zuführen thermische Energie unter Durchführung einer exothermen Zersetzung des organischen Brennstoffes bei einer Pyrolysetemperatur zwischen 400°C und 650°C unter Erzeugung von Pyrolysegas, Pyrolysekoks, Kondensat und Pyrolyseöl, d. Fördern des Pyrolysekoks in einen Vorlagebehälter eines Vergasers und Auffangen des Pyrolyseöls zur Beimischung zum Zündöl der Verbrennungskraftmaschine oder zur direkten Einbringung in den Vergaser, e. ganz oder teilweise autotherme Vergasung des Brennstoffes und/oder des Pyrolyseöls unter Zuführung von Luft und/oder technischen Sauerstoff und Wasserdampf zur Bildung eines Produktgases bei Temperaturen von ca. 1000°C (endothermer Prozess) und insbesondere unter Zuführung von Energie aus dem Produktgasstrang, f. Reinigen des Produktgases, g. Zuführung des heißen Produktgases direkt oder über einen Wärmetauscher in den Pyrolysereaktor, h. Rückführung eines Teils des Produktgases zum Heizen des Vergasers, insbesondere unter Aufwärmung dieses Teilstroms in einem Rezigasvorwärmer im Hauptstrom des heißen Produktgases, i. Reinigen und Kühlen des Pyrolyse- und Produktgases, j. Zusammenführen des noch einen Heizwert von > 15 MJ/Nm³ besitzenden Pyrolysegases mit dem niederkalorischen Produktgas (Heizwert < 10 MJ/Nm³ zu einem Synthesegas k. Reinigen des Synthesegases von Teer- und weiteren Staubpartikeln in einem Synthesegaswäscher (16) mit einem Waschöl sowie Herunterkühlen des Synthesegases auf eine Temperatur von ca. 40°C, l. anschließende Reinigung des zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Synthesegases in einem Teer-Elektrofilter nahezu vollständig von allen Teer- und Staubpartikeln gemäß Motorenanforderung, m. Verdichten des gereinigten Synthesegases in einem Synthesegaskompressor auf > 200 bar zur Synthesegaseindüsung in die Verbrennungskraftmaschine.
Verfahren zur Produktion von Synthesegas für eine Verbrennungskraftmaschine und zu deren Betreiben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pyrolysereaktor die zur Pyrolyse erforderliche thermische Energie in Form von Wärme in einer ersten Stufe (< 300°C–450°C) durch das Motorenabgas der Verbrennungskraftmaschine und in einer zweiten Stufe, direkt oder über Wärmetauscher, durch das heiße Produktgas aus dem Vergaser, durch Direktfeuerung und/oder durch einbringen thermischer Energie, unterstützend oder alleine, über einen Direkteintrag der heißen, aus dem Vergaser ausgetragener Bettasche und dem Bettmaterial erfolgt, wobei die Pyrolyse bei Temperaturen zwischen 400°C und 650°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergasung in einem atmosphärischen Vergaser, insbesondere in einem stationären Wirbelschichtvergaser erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass als Waschflüssigkeit zum Waschen des Synthesegases ein Pflanzenöl verwendet wird, welches nach Sättigung in einer Zentrifuge gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Waschöl gemeinsam mit dem Pyrolyseöl, Kondensat und Teer aus dem Elektrostatikfilter in einem Homogenisator aufgearbeitet wird, in welchem eine Verkürzung der langkettigen Moleküle erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Synthesegas über einen separaten Injektor in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingedüst wird, wobei die Verbrennungsluft über einen eigenen Kanal in den Brennraum gelangt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungskraftmaschine ein Zweitakt-Zündstrahlmotor (Pilot Injection Natural Gas) mit Dieseleinspritzung und zusätzlicher Gasregelstrecke betrieben wird oder ein Viertakt-Zündstrahlmotor, wobei das mit dem Pyrolyseöl und/oder Pyrolysekondensat und/oder Teer homogen gemischte Waschöl im Zündöl des Motors beigemischt mit diesem eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das hochverdichtete Synthesegas als auch das Zündöl über separate Injektoren in den Brennraum eingedüst wird und die Verbrennungsluft, getrennt von diesen Brennstoffen ebenfalls über einen eigenen Kanal in den Zylinder eingebracht wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–8, bestehend aus: a. einem Brennstofftrockner (1) und einem Lager mit Brennstoffvorlagebehälter; b. einem Pyrolysereaktor (2) und einem Vergaser (8) für Pyrolysekoks des Pyrolysereaktors (2) zur Bildung eines Pyrolysegases und eines Produktgases, wobei diese zur Brenngaserzeugung in zwei Stufen geschaltet sind und die erste Stufe in dem Pyrolysereaktor (2) und die zweite Stufe in einem vorzugsweise als stationärer Wirbelschichtvergaser ausgebildeten Vergaser erfolgt, sowie der Pyrolysereaktor (2) einen Wärmetauscher für das Produktgas aufweist, so dass die für die Pyrolyse erforderliche thermische Energie direkt oder indirekt aus dem in dem Vergaser (8) erzeugten Produktgas gewinnbar ist, oder dass die für die Pyrolyse erforderliche thermische Energie über eine Eintragvorrichtung der in einem Lager (37) gesammelten heißen Bettasche und des Bettmaterials aus dem Vergaser (8) erfolgen kann; ferner bestehend aus: c. in die jeweiligen Pyrolyse- und Produktgasströme installierte Wärmetauscher (4, 13), vorzugsweise ein Röhrenwärmetauscher, die jeweils das Pyrolyse- und Produktgas auf ca. 300°C abkühlen; d. einem in die Pyrolyse- und Produktgasströme jeweils installierten Heißgas-Zyklonabscheider (3, 9) und aus einem im Produktgasstrom zusätzlichen Schlauchfilter (12); e. aus einem im Synthesegasstrang nach Vereinigung der Leitungen der Pyrolyse- und Produktgasströme installierten Synthesegaswäscher (16) und/oder einem Teer-Elektrofilter (21); f. einer Einrichtung über die das Synthesegas mechanisch und/oder biologisch und/oder physikalisch und/oder chemisch reinigbar ist; g. einem Kolbenverdichter (22) mittels dem das Synthesegas auf > 200 bar komprimierbar ist; h. einer Aufbereitung (19), bestehend aus einer Zentrifuge und einem Homogenisator, in dem beladenes Waschöl und/oder Pyrolyseöl/Kondensat aus dem Pyrolysereaktor (2) und/oder Teer aus dem Elektrostatikfilter zur Verwendung als Zündöl aufarbeitbar ist; i. einem Viertakt- oder Zweitakt-Zündstrahl-Motor (30) als Verbrennungskraftmaschine, welcher über separate Injektoren (24, 25, 26) für das hoch verdichtete Synthesegas, das Zündöl sowie die Verbrennungsluft verfügt, wobei das hoch verdichtete Synthesegas über den separaten Injektor (24) in den Zündstrahlmotor (30) eindüsbar ist;
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoffproduktionsanlage (50) parallel zum Vergaser (8) betreibbar ist und dieser mit entsprechenden Düsen ausgestattet ist, um als Vergasungsmittel technischen Sauerstoff und/oder Wasserdampf einzudüsen;
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein CO₂-Wäscher (52) in den Synthesegasstrom installiert ist, um den CO₂-Gehalt im Synthesegas weitgehend aus zu waschen;
Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Synthesereaktor (55) installiert ist, um den H₂- und den CO-Anteil im Synthesegas in der erforderlichen Relation aus zu schleusen und gem. Fischer-Tropsch-Verfahren zu verflüssigen;