GAUBE GERALD (DE)
KLEEBERG JÖRG (DE)
KITTELMANN ROBERT (DE)
WO2010086008A2 | 2010-08-05 |
EP0333991A1 | 1989-09-27 | |||
DE102007020333A1 | 2008-11-06 | |||
DE102005041931A1 | 2007-03-08 | |||
DE102009036973A1 | 2011-02-17 |
Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Einbringung von festem organischen Einsatzmaterial in eine Vergasungsanlage, mit - einer ersten Schleuse (1 10) zum Einschleusen des organischen Einsatzmaterials in einen Druckraum (1 15), einer Fördereinrichtung (120), wobei die Fördereinrichtung (120) zur Beaufschlagung des in den Druckraum (115) eingebrachten Einsatzmaterials mit Fördergas, welches eine höhere Temperatur als das in den Druckraum (115) eingebrachte Einsatzmaterial aufweist, und - einer zweiten Schleuse (130) zum Einschleusen von mittels des Fördergases erwärmtem Einsatzmaterial aus dem Druckraum (115) in die Vergasungsanlage. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (120) aus der Vergasungsanlage gewonnenes und abgezweigtes Kohlenstoffdioxid als Fördergas einsetzt. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung (140) zum Trennen des Fördergases von dem erwärmten Einsatzmaterial vor dem Einschleusen des erwärmten Einsatzmaterials in die Vergasungsanlage. 4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schleuse (110) und/oder die zweite Schleuse (130) als Zellradschleuse ausgebildet ist bzw. sind. 5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sichtervorrichtung (150) zum Abscheiden einer ersten Einsatzmaterial-Fraktion mit Partikeln einer einstellbaren Maximalgröße von einer zweiten Einsatzmaterial- Fraktion mit Partikeln, welche größer als die Maximalgröße sind. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fördergasverdichter (152) und/oder einen Fördergaserwärmer (154) zum Verdichten bzw. Erwärmen des Fördergases. 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen der ersten Schleuse (110) vorgeschalteten Schneckenwärmetauscher (160). 8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Einbringung von Einsatzmaterial in eine Anzahl von Vergasungsanlagen und/oder eine Anzahl von Vergasern einer Vergasungsanlage ausgebildet ist. 9. Verfahren zur Einbringung von festem organischem Einsatzmaterial in eine Vergasungsanlage, mit folgenden Schritten: - Einbringung des Einsatzmaterials über eine erste Schleuse (110) in einen Druckraum (115) einer Fördereinrichtung (120), - Beaufschlagung des Einsatzmaterials mit einem Fördergas, welches eine höhere Temperatur als das in den Druckraum (115) eingebrachte Einsatzmaterial aufweist, und - Einschleusen des erwärmten Einsatzmaterials über eine zweite Schleuse (130) in die Vergasungsanlage. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördergas aus der Vergasungsanlage gewonnenes und abgezweigtes Kohlenstoffdioxid verwendet wird. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördergas einen höheren Druck aufweist als in der Vergasungsanlage herrscht, und dadurch Rückströmung von heißem Gas aus der Vergasungsanlage in die Fördereinrichtung wirksam verhindert wird. 12. Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem organischem Einsatzmaterial, bei dem aus dem Einsatzmaterial in einem Niedertemperaturvergaser durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas gewonnen wird, und das Schwelgas anschließend in einem Hochtemperaturvergaser durch partielle Oxidation und anschließend teilweise Reduktion zu einem Synthesegas umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 aufweist, und/oder zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 11 eingerichtet ist. |
Vorrichtung zur Einbringung von festem organischen Einsatzmaterial in eine
Vergasungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einbringung von festem organischen Einsatzmaterial in eine Vergasungsanlage.
Stand der Technik
Verfahren zur Herstellung von unterschiedlichen Gasgemischen aus festem
organischen Einsatzmaterial, auch kurz als Vergasungsverfahren bezeichnet, sind bekannt. Vorteilhafterweise kommt als Einsatzmaterial Biomasse zum Einsatz.
Beispielsweise können Alt- und Waldrestholz oder sogenannte Energiehölzer, aber auch Agrarreststoffe wie beispielsweise Stroh oder Häcksel verwendet werden. Durch eine Vergasung von Biomasse zu Synthesegas und nachgeschaltete
Verfahrensschritte (sogenannte Biomass-to-Liquids-Verfahren, BTL) kann
beispielsweise synthetischer Biokraftstoff gewonnen werden, der in seinen
physikochemischen Eigenschaften bekannten Gas-to-Liquids-(GTL-) und Coal-to- Liquids-(CTL-)Kraftstoffen ähnlich ist. Ein Beispiel einer Anlage zur Herstellung von BTL-Kraftstoffen ist bei Kiener, C. und Bilas, I.: Synthetischer Biokraftstoff der zweiten Generation. Weltweit erste kommerzielle BTL-Produktionsanlage. Energy 2.0, Juli 2008, S. 42 - 44, gezeigt.
Verfahren und Anlagen zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischen Einsatzmaterial sind auch beispielsweise aus EP 0 745 114 B1 , DE 41 39 512 A1 und
DE 42 09 549 A1 bekannt. Die vorliegende Anmeldung betrifft hierbei solche Verfahren bzw. Anlagen, die einen Niedertemperaturvergaser und einem
Hochtemperaturvergaser aufweisen, wie nachfolgend erläutert. Gegenüber älteren
Verfahren wie der sogenannten Festbett- oder der Flugstromvergasung ermöglichen diese u.a. einen niedrigeren Verbrauch an Vergasungsmittel und weisen einen höheren
Vergasungswirkungs-grad, bezogen auf die ausgebrachte chemische Enthalpie des
Brenngases, auf. In einem Niedertemperaturvergaser wird das feste organische Einsatzmaterial, beispielsweise die Biomasse, durch Teilverbrennung mit einem Vergasungsmittel bei Temperaturen zwischen 400 °C und 500 °C zu Koks (im Fall von Biomasse dann sogenanntem Biokoks) und Schwelgas umgesetzt. Diese Umsetzung wird im Rahmen dieser Anmeldung als "Schwelen" bzw. als "Pyrolyse" bezeichnet. Schwelen zeichnet sich bekanntermaßen durch unterstöchiometnsches Sauerstoffangebot und damit eine unvollständige Verbrennung bei vergleichsweise geringer Temperatur aus.
Das Schwelgas wird anschließend in eine Brennkammer des
Hochtemperaturvergasers überführt und dort mit einem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise mit mehr oder weniger reinem Sauerstoff, aber auch mit Luft und/oder sauerstoffhaltigen Abgasen, z.B. aus Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren, partiell oxidiert. Durch diese Oxidation freiwerdende Wärme bewirkt einen Temperaturanstieg auf 1.200 °C bis 2.000 °C, beispielsweise 1.400 °C. Bei derartigen Bedingungen werden in dem Schwelgas enthaltene Aromaten, Teere und Oxoverbindungen vollständig zersetzt. Hierdurch bildet sich ein Gas, das im Wesentlichen nur noch Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist.
In einer weiteren Stufe wird, beispielsweise in einer in dem Hochtemperaturvergaser integrierten oder in einer diesem nachgeschalteten Quencheinheit, das partiell oxidierte Schwelgas mit Koks aus dem Niedertemperaturvergaser in Kontakt gebracht. Der Koks wird zuvor vermählen und dann in die Quencheinheit eingeblasen. Durch endotherme Reaktionen zwischen dem Koks und dem partiell oxidierten Schwelgas wird dieses in Sekundenbruchteilen auf etwa 900 °C abgekühlt. Dies wiederum bewirkt eine zumindest teilweise Umsetzung des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid und des
Wasser-dampfs zu Wasserstoff, also eine zumindest teilweise Reduktion.
Bei herkömmlichen Verfahren werden die Einsatzstoffe, beispielsweise
Holzhackschnitzel, in den Niedertemperaturvergaser ohne Vorwärmung eingebracht. Dadurch steht der Volumenanteil des Niedertemperaturvergasers, der für die
Anwärmung des Holzes benötigt wird, nicht für die eigentliche Pyrolyse ("Schwelen") zur Verfügung. Hierdurch muss der Niedertemperaturvergaser insgesamt größer ausgeführt werden. Üblicherweise werden heute für die Zuführung der Holzhackschnitzel mechanische Förderanlagen, beispielsweise Bandförderanlagen mit mehreren hintereinander geschalteten Bandförderern verwendet. Für die Anforderungen einer BTL-Anlage (Biomass-to-Liquid) ist diese Art der Förderung nicht ausreichend zuverlässig.
Aufgabe der Erfindung ist daher die effektive, zuverlässige Bereitstellung von
Einsatzmaterial, insbesondere Holzhackschnitzeln, für eine Vergasungsanlage.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung zur Einbringung von festem organischen Einsatzmaterial in eine Vergasungsanlage (im Folgenden auch als Förderanlage bezeichnet) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechend ausgebildete Vergasungsanlage vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass bereits vorerwärmtes Einsatzmaterial, insbesondere Holzhackschnitzel, in den Vergaser, insbesondere einen Niedertemperaturvergaser einer Vergasungsanlage, eingebracht wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine sehr effektive Umsetzung des
Einsatzmaterials zu Koks im Niedertemperaturvergaser durchgeführt werden kann. Durch die Förderung in inerter Atmosphäre kann vermieden werden, dass
beispielsweise Holzhackschnitzel bei der Förderung in Brand geraten.
Erfindungsgemäß muss in dem Vergaser kein Raum für die Anwärmung des
Einsatzmaterials bereitgestellt werden, so dass insgesamt eine kompaktere Bauweise eines Vergasers möglich ist.
Es ist bevorzugt, dass die Fördereinrichtung aus der Gaskonditionierung downstream bzw. stromabwärtig der Vergasungsanlage gewonnenes und abgezweigtes
Kohlenstoffdioxid als Fördergas (Inertgas) einsetzt. Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung eine Trenneinrichtung zum Trennen des Fördergases von dem erwärmten Einsatzmaterial vor dem Einschleusen des
Einsatzmaterials in die Vergasungsanlage auf. Mit dieser Maßnahme kann vermieden werden, dass das Fördergas wieder in die Vergasungsanlage transportiert wird.
Zweckmäßigerweise wird das so über den Wärmetausch mit dem Einsatzmaterial abgekühlte Kohlenstoffdioxid über eine Leitung zu einem Fördergasgebläse
zurückgeführt.
Besonders bevorzugt ist, dass die erste Schleuse und/oder die zweite Schleuse als Zellradschleuse ausgebildet ist bzw. sind. Mit derartigen Zellradschleusen ist
Transportgut in effektiver und kontinuierlicher weise zwischen Räumen, welche unter unterschiedlichen Drücken stehen, transportierbar.
Die Vorrichtung weist vorteilhafterweise eine Sichtervorrichtung zum Abscheiden von unterschiedlichen Einsatzmaterial-Fraktionen (mit Partikeln unterschiedlicher Größe) auf. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass z. B. nur eine Fraktion mit Partikeln einer bestimmten Maximalgröße in den Vergaser eingebracht wird.
Die Fördereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist vorteilhafterweise einen Fördergasverdichter und/oder einen Fördergaserhitzer auf. Hiermit ist es möglich den Druck und/oder die Temperatur des Fördergases, mit dem die zu erwärmenden Einsatzstoffe beaufschlagt werden, bei Bedarf zu erhöhen bzw. einzustellen.
Insbesondere kann hiermit ein Druck für das Fördergas bereitgestellt werden, der höher als der im Vergaser herrschende Druck ist. Hierdurch kann in wirksamer Weise verhindert werden, dass heißes Gas aus dem Vergaser in die Fördereinrichtung oder andere vorgelagerte Systeme zurückströmt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen der ersten Schleuse vorgeschalteten Schneckenwärmetauscher auf. Ein derartiger Schneckenwärmetauscher kann ebenfalls mit Abwärme aus der Vergasungsanlage beaufschlagt werden, um durch den Schneckenwärmetauscher beförderte
Einsatzstoffe vorzuwärmen. Hiermit ist Abwärme aus der Vergasungsanlage in effektiver Weise nutzbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie in konstruktiv einfacher Weise in der Lage ist, Einsatzmaterial in eine Anzahl von Vergasungsanlagen und/oder eine Anzahl von Vergasern einer Vergasungsanlage einzubringen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Vorrichtung 100 dient zur Einbringung von festem, organischen Einsatzmaterial in eine Vergasungsanlage 200. Die Vergasungsanlage 200 weist einen
Niedertemperaturvergaser 201 auf, in welchen das Einsatzmaterial eingebracht wird. In dem Niedertemperaturvergaser 201 wird das Einsatzmaterial durch Teilverbrennung mit einem Vergasungsmittel bei Temperaturen zwischen 400°C und 500°C zu Koks und Schwelgas umgesetzt.
An den Niedertemperaturvergaser 201 schließt sich ein Hochtemperaturvergaser 202 an. Das Schwelgas wird aus dem Niedertemperaturvergaser 201 in eine Brennkammer des Hochtemperaturvergasers 202 überführt, und dort mit einem sauerstoffhaltigen Gas partiell oxidiert. Durch diese Oxidation freiwerdende Wärme erfolgt ein
Temperaturanstieg auf 1200°C bis 2000°C, insbesondere etwa 1400°C. In einer dem Hochtemperaturvergaser 202 nachgeschalteten Quencheinheit (endothermer
Vergaser) 203 wird das partiell oxidierte Schwelgas mit Koks aus dem
Niedertemperaturvergaser 201 kontaktiert. Durch endotherme Reaktionen zwischen dem Koks und dem partiell oxidierten Schwelgas wird dieses auf etwa 900°C abgekühlt. In einer weiteren nachgeschalteten Stufe, beispielsweise einer
Gaskühlungs- und/oder Entstaubungsein chtung 21 1 erfolgt eine weitere Abkühlung des so erhaltenen Schwelgases bzw. Synthesegases. Das Synthesegas kann anschließend in einer Gasreinigungsanlage bzw. Gaskonditionierungseinrichtung 221 gereinigt werden. Als Beispiel für eine derartige Gasreinigungsanlage sei eine Rektisolwäsche genannt, in der das Synthesegas von nicht für die Synthese benötigten Stoffen befreit wird. Über eine Leitung 231 kann dann gereinigtes Synthesegas weiteren Einrichtungen zugeführt werden, beispielsweise einer Einrichtung zur
Durchführung einer Fischer-Tropsch-Synthese (nicht dargestellt).
Die Vorrichtung zur Einbringung von Einsatzmaterial in die Vergasungsanlage 200 weist einen Schneckenwärmetauscher 160 auf, über den Einsatzstoffe, also
insbesondere feste Biomasse wie Holzhackschnitzel, unter Erwärmung in einen Aufgabetrichter 165 einbringbar sind (mittels Pfeil dargestellt). Die Einsatzstoffe weisen bei ihrem Eintritt in den Schneckenwärmetauscher 160 typischerweise
Umgebungstemperatur auf. Die Erwärmung erfolgt im Schneckenwärmetauscher 160 mittels Wärmetausch beispielsweise mit Abwärme von der Vergasungsanlage 200 z. B. unter Einsatz von in der Gaskühlungseinrichtung (sogenannter Economiser) 21 1 erzeugtem Wasserdampf oder Warmwasser, welches dem Schneckenwärmetauscher 160 über eine Leitung 212 zugeführt wird. Bei diesem Wärmetausch in dem
Schneckenwärmetauscher 160 entstehendes Kondensat kann über eine Leitung 213 wieder in die Gaskühlungseinrichtung 21 1 zurückgeführt werden. Der den
Schneckenwärmetauscher 160 verlassende Einsatzstoff weist vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 90°C bis 130°C auf.
Der Aufgabetrichter 165 kann mit einer Leckagegasableitung 168 ausgebildet sein, über den Leckagegase mittels eines Gebläses 169 abgezogen werden können.
Der Schneckenwärmetauscher 160 arbeitet unter Umgebungsdruckbedingungen. Der Aufgabetrichter 165 arbeitet unter leichtem Unterdruck. An der Ausgangsseite des Aufgabetrichters 165 ist eine erste als Zellradschleuse ausgebildete Schleuse 1 10 vorgesehen, über welche Einsatzstoffe in einen (symbolisch dargestellten) Druckraum 1 15 einer Fördereinrichtung 120 eingebracht werden. In dem Druckraum 1 15 herrschen bis zu 20 bar Überdruck.
Aus der Zellradschleuse 1 10 gelangen die Einsatzstoffe (ggf. über eine
Absperrvorrichtung wie etwa ein Kugelventil 1 18) in eine Sichtervorrichtung 150. In dieser Sichtervorrichtung 150 werden die Einsatzstoffe in zwei Fraktionen mit unterschiedlichen Teilchengrößen aufgeteilt, wobei eine erste Fraktion (bei der die Teilchengröße eine maximale Größe bzw. Masse nicht überschreitet) mittels eines Fördergases zu einem Zyklon 140 gefördert wird. Als Fördergas wird gemäß der vorliegenden Erfindung in der Konditionierungseinrichtung 221 aus dem
Synthesegasstrom abgetrenntes und in der Vergaseranlage generiertes
Kohlenstoffdioxid verwendet.
Dieses Kohlenstoffdioxid wird über eine Leitung 222 von der
Gaskonditionierungseinrichtung in den Fördergaskreislauf zugespeist und ersetzt das durch Undichtigkeiten in den Zellradschleusen verlorengegangene und das zu
Spülzwecken abgeführte Fördergas.
Die mittels des Fördergases beförderte Fraktion der Einsatzstoffe wird über eine
Leitung 124 einem Zyklon 140 zugeführt, in dem eine Trennung des Einsatzstoffes von dem Kohlenstoffdioxid erfolgt. Dieses Kohlenstoffdioxid wird über eine Leitung 122 in die Leitung 121 transportiert, so dass insgesamt ein Fördergaskreislauf bereitgestellt ist.
Das somit erwärmte und von Fördergas befreite Einsatzmaterial wird (gg. unter Zwischenschaltung weiterer Kugelventile 138, 139) über eine weitere Zellradschleuse 130 in einem Druckraum und der Vergaseranlage, insbesondere des
Niedertemperaturvergasers 201 , zugeführt. Da in der Vergaseranlage wiederum unterschiedliche Druckverhältnisse verglichen mit der Fördereinrichtung herrschen, erweist sich die Zwischenschaltung der Zellradschleuse 130 wiederum als vorteilhaft.
Die in der Sichtereinrichtung 150 isolierte weitere Fraktion von Einsatzmaterial wird (unter Zwischenschaltung eines Kugelventils 171) in einem Behälter 170 gesammelt, und, ggf. nach Verkleinerung und der Enfernung von Störstoffen wie z.B. Steinen, dem Schneckenwärmetauscher 160 erneut zugeführt. Diese weitere Fraktion kann hier auch aus dem System ausgeschleust werden.
Das als Fördergas verwendete Kohlenstoffdioxid kann insbesondere bei einer
Gaswäsche, der ein in der Vergasungsanlage erzeugter Synthesegasstrom
unterworfen wird, gewonnen werden. Die Förderung findet, wie erwähnt, z. B. bei etwa 0-20 bar Überdruck und einer Fördertemperatur von etwa 100-300°C statt.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch die Beschickung einer Anzahl von Niedertemperaturvergasern 201 durch entsprechende Umschaltung der Förderwege möglich. Vorteilhafterweise werden zu einer Umsetzung einer derartigen Beschickung mehrerer Niedertemperaturvergaser 201 mehrere parallel geschaltete Zyklone 140 eingesetzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus, da gegenüber herkömmlichen Lösungen die Anzahl bewegter Teile durch Einsatz einer Förderung mittels unter Druck stehenden Fördergases vermindert ist. Die Erfindung erlaubt eine einfache Implementation von Redundanzkonzepten durch die
Parallelschaltung von einzelnen Komponenten der Föderanlage oder der gesammten Förderanlage. Dies ist bei Förderung durch Rohrleitungen wesentlich einfacher zu realieseiren als bei mechanischen Fördern wie z.B. Bandförderern.
Da es sich bei Kohlenstoffdioxid um ein inertes Gas handelt, kann die Sicherheit der Förderung von Einsatzstoffen zu einer Vergasungsanlage gegenüber herkömmlichen Lösungen verbessert werden. Ein In-Brand-Geraten von Holzhackschnitzeln, insbesondere innerhalb der Förderanlage, kann wirksam vermieden werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Förderung mittels unter Druck stehendem Fördergas erlaubt geringere Gasgeschwindingkeiten gegenüber herkömmlichen drucklosen Fördersystemen.
Ein positiver Differenzdruck von der Förderanlage hin zur Vergasungsanlage dient zweckmäßigerweise als Sicherung gegen Rückströmung von heißem Gas aus der Vergasungsanlage in vorgelagerte Systeme.
Die Vorwärmung des Einsatzstoffes für die Pyrolyse z.B. der Holzhackschnitzel erfolgt erfindungsgemäß in zwei Schritten, nämlich zunächst in einem
Schneckewärmtauscher, und anschließend durch Kontakt, mit dem erhitzten
Fördergas, wobei der zweite Schritt unter inerten Bedingungen stattfindet. Dadurch kann die Erwärmung bis an die Pyrolysationtemperatur von 200°C - 250°C
durchgeführt werden, ohne dass die Holzkackschnitzel in Brand geraten.