Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Reaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone, in der eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, sowie mit mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone nachgeordneten Bereich, in dem mittels wenigstens eines Plasmabrenners eine Nachvergasung des aus der Wirbelschicht austretenden Fluidstroms erfolgt.

HINTERGRUND

Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in der Wirbelschicht sind seit langem bekannt. Insbesondere ist hier das Hochtemperatur-Winkler-Verfahren (HTW- Verfahren) zu nennen, welches als erprobte Technologie gilt, mit der sowohl stückige als auch flüssige oder pastöse Brennstoffe in Synthesegas umgewandelt werden. Als Brennstoff kommen auch schwierige Brennstoffe mit sehr hohem Ascheanteil sowie biologisch basierte Brennstoffe zur Anwendung. Diese werden in eine Wirbelschicht, die als blasenbildende Wirbelschicht betrieben wird, eingeführt und mit Sauerstoff vergast. Das HTW-Verfahren arbeitet gegenüber anderen Vergasungsverfahren bei vergleichsweise moderaten Temperaturen, bei denen die entstehende Asche nicht schmelzflüssig den Vergasungsreaktor verlässt. Dies hat insbesondere bei korrosiven Aschen betriebliche Vorteile.

Bei den bekannten HTW-Verfahren erfolgt die Vergasung in der Regel über getrennte Düsen mit den Vergasungsmitteln, beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Luft. Diese Düsen sind beispielsweise in verschiedenen Ebenen angeordnet, zum Beispiel sowohl in der Wirbelbettzone als auch in der so genannten Freibordzone (FB). In dieser Freibordzone (FB) wird eine hohe Material- und Energieübertragungsrate erreicht und über die Rückführung der nicht umgesetzten Feststoffanteile über den Zyklon und Rückführleitung in die Wirbelschicht kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Wirbelschicht gesichert werden. Um die Bildung von Partikelagglomerationen zu vermeiden, sollte die Temperatur des Wirbelbettes unter der Temperatur des Ascheerweichungspunktes gefahren werden.

Zusätzlich werden beim herkömmlichen HTW-Verfahren Vergasungsmittel, in der Regel Sauerstoff, in die FB-Zone, die sich über dem Wirbelbett befindet, eingetragen. Durch die Injektion dieses„sekundären" Sauerstoffs werden verschiedene Effekte erreicht, nämlich zum einen die Umsetzung eines Teils des fein verteilten Brennstoffes, welcher aus dem Wirbelbett ausgetragen wird und zum anderen soll die Temperatur der Gase erhöht werden, so dass eine weitere Oxidation und/oder ein Cracken der aus dem Einsatzstoff ausgetriebenen flüchtigen Substanzen (Teere und Kohlenwasserstoffe) erfolgen kann. Gleichzeitig erfolgt eine Reaktion der feinen verteilten Brennstoffpartikel mit Dampf und CO2.

Der Anteil des Gesamtsauerstoffs oberhalb der Wirbelschicht liegt bei einem HTW-Verfahren beispielsweise zwischen etwa 40 % und etwa 10 %. Um die Verschlackung in der Nachvergasungszone zu vermeiden, sollten die Temperaturen vorzugsweise bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, dabei sollte die Betriebstemperatur vorzugsweise mindestens etwa 100 °C unter dem Ascheerweichungspunkt liegen. Hierzu kann man Dampf mit Sauerstoff mischen und in den Reaktor einbringen. Die Zugabe von Sauerstoff in die Nachvergasungszone führt jedoch dazu, dass es zu einer teilweisen Verbrennung des Synthesegasreservoirs (CO + H ₂ ) kommt und folglich zu einer Reduzierung der Synthesegas- Ausbeute.

Grundsätzlich ist die Plasmavergasung aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise wird in der US 5,958,264 ein Verfahren zur Vergasung brennbarer Abfallstoffe beschrieben, bei dem eine Verglasung der Asche aus einem vorhergehenden Vergasungsprozess in einem weiteren Ofen erfolgt, in dem ein Lichtbogenplasma erzeugt wird. Ein solcher Plasmaofen arbeitet bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1700 °C, so dass die Asche geschmolzen wird. Aufgrund der hohen Temperaturen muss der außen aus Stahl bestehende Ofen mit einem feuerfesten Material ausgekleidet werden. Über die Lichtbogenelektroden wird hier ein Plasma in dem gesamten Ofen erzeugt. Das bekannte Verfahren ist zweistufig und verwendet zwei separate Reaktoren/Öfen. Die Asche aus dem ersten Prozessschritt muss von oben her in den zweiten Ofen überführt werden, in dem die Verglasung erfolgt. Außerdem muss aus diesem Ofen, in dem das Plasma erzeugt wird, die geschmolzene Schlacke im unteren Bereich abgeführt werden. Das Verfahren ist somit insgesamt apparativ aufwändig und erfordert einen hohen Energieeinsatz.

Die DE 35 37 758 AI beschreibt einen Kohlevergaser mit einem Wirbelschichtbett, wobei das Gas über einen Auslass abgeführt und über die Leitungen wieder in den Vergaser zurückgeführt wird und wobei außerdem über eine Leitung Sauerstoff zugeführt wird. In dieser Druckschrift wird auch die Möglichkeit erwähnt, das Vergasungsmittel durch einen Plasmabrenner vorzuwärmen. Dadurch ist es möglich, rückgeführtes Prozessgas auf diese Weise vorzuwärmen und zum Wärmeeintrag in den Vergaser zu benutzen. Der dazu verwendete Plasmabrenner befindet sich somit außerhalb des Reaktors, in dem die Wirbelschichtvergasung stattfindet. Das aus dem Wirbelschichtreaktor austretende Gas wird zur Abscheidung von Staub durch einen Heißzyklon geführt und dann über eine Leitung in Höhe des Wirbelbetts wieder in den Reaktor zurückgeführt. Dabei erfolgt die Vergasung des Staubes mittels über eine Leitung zugeführten Sauerstoffs. Der Reaktor ist hier durchgehend von unten nach oben sich konisch erweiternd ausgebildet.

Die EP 0 153 235 Bl beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, bei dem die Vergasung zunächst bei moderater Temperatur von 700 bis 800 °C erfolgt, wobei in einem Wirbelbett gearbeitet wird. Um anschließend den Synthesegas-Anteil zu erhöhen, wird ein zweiter so genannter Konversionsreaktor eingesetzt, in den die Abgase aus dem Vergasungsreaktor eingeführt werden. Wie man in Figur 2 dieser Schrift erkennt, wird am Eingang des Konversionsreaktors das eingedüste Gas auf eine sehr hohe Temperatur gebracht, wozu ein Plasmabrenner verwendet werden kann. Die Temperatur kann dadurch in der Eintrittszone des zweiten Reaktors auf 3000 bis 5000 °C gebracht werden. Der zweite Konversionsreaktor dient bei diesem bekannten Verfahren dazu den im Synthesegas enthaltenen Anteil an Methan und höheren Kohlenwasserstoffen durch Reaktion mit ebenfalls im Gasstrom enthaltenem Wasserdampf zu senken. Die Temperatur im Konversionsreaktor liegt bei 1200 °C bis 1500 °C. Nachteilig ist allerdings, dass dadurch der CGrAnteil im Gas ansteigt. In dieser Schrift wird weiter vorgeschlagen, einerseits den Gasstrom aus der Wirbelschichtvergasung in den Konversionsreaktor einzuleiten und andererseits ein weiteres Gas über einen Plasmabrenner auf eine sehr hohe Temperatur zu erhitzen und in den Konversionsreaktor zu injizieren. Das injizierte weitere Gas kann Wasserstoff oder Stickstoff sein. Da bei dieser bekannten Anlage zwei separate Reaktoren verwendet werden, ergibt sich ein höherer apparativer Aufwand.

Weitere Anordnungen, insbesondere Wirbelschicht-Reaktoren, sowie weitere Arten von Vergasungsmittel-Zufuhr werden in den Veröffentlichungen DE 10 2007 006 982 B4, AT 503 517 AI, DE 10 2011 051 906 AI, DE 10 2013 107 311 AI oder EP 1 201 731 AI beschrieben.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anlage sowie ein entsprechendes Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, mittels derer sich unterschiedliche Einsatzstoffe in einer Wirbelschicht gegebenenfalls bei höheren Drücken bei hoher Sicherheit und Verfügbarkeit vergasen lassen und welche wirtschaftlich arbeiten.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage ist wenigstens ein Plasmabrenner derart angeordnet, dass dessen Flamme in den Reaktor, welcher die Wirbelschichtzone aufweist, hinein abgegeben wird. Die Anlage umfasst somit einen Reaktor, in dem sowohl die Wirbelschichtvergasung erfolgt als auch die Nachvergasung mittels wenigstens eines Plasmabrenners erfolgt. Auch die Wirbelschichtvergasung kann ggf. mittels wenigstens eines Plasmabrenners erfolgen. Durch den Einsatz eines Plasmabrenners erhält man eine bessere Umsetzung der flüchtigen Substanzen, spart aber das Vergasungsmittel Sauerstoff ein. Da beide Prozesse in nur einem Reaktor ablaufen, erreicht man dies mit einem reduzierten apparativen Aufwand.

Die Kosten für die Produktion des reinen Sauerstoffs bei einem herkömmlichen HTW- Vergasungsverfahren sind extrem hoch und beeinflussen daher erheblich die Wirtschaftlichkeit des HTW-Vergasungsverfahrens. Reiner Sauerstoff wird beispielsweise durch kryogene Luftzerlegung gewonnen. Dabei muss die zugeführte Luft gefiltert, verdichtet und auf ca. - 185 °C abgekühlt werden. Der verflüssigte Luftstrom muss anschließend in Destillationstürmen destilliert werden. Danach erfolgt die Trennung je nach Siedepunkt in Einzelkomponenten. Daher ist die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft, denn die sonst verwendeten Sauerstofflanzen können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig oder teilweise durch Plasmabrenner ersetzt werden.

Vorzugsweise ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Bereich, in dem die Nachvergasung erfolgt, in dem gleichen Reaktor oberhalb der Wirbelschichtzone angeordnet. Dies ermöglicht es, mit zwei unterschiedlichen Temperaturzonen in einem Reaktor zu arbeiten, wobei die Temperatur in der Wirbelschichtzone geringer ist als in dem Bereich der Nachvergasung. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens eine Plasmabrenner beispielsweise mindestens teilweise in der Wandung des Reaktors angeordnet sein, welcher auch die mindestens eine Wirbelschichtzone aufweist.

Beispielsweise kann der (oder die) Plasmabrenner derart angeordnet sein, dass das Plasma/die Flamme in etwa radialer Richtung bezogen auf den Reaktor und/oder etwa quer zur Strömungsrichtung des Fluids im Bereich der Nachvergasung in den Reaktor abgegeben wird.

Der bzw. die Plasmabrenner ist/sind bevorzugt derart angeordnet, dass das Plasma/die Flamme oberhalb der Wirbelschichtzone in den Reaktor hinein abgegeben wird. Der aus der Wirbelschichtzone nach oben hin (in der Regel axial bezogen auf den Reaktor) austretende Fluidstrom wird dann bevorzugt etwa quer zu seiner Strömungsrichtung von der Flamme des Plasmabrenners beaufschlagt.

Vorzugsweise ist dabei der Bereich des Reaktors, in dem die Nachvergasung erfolgt, etwa zylindrisch ausgebildet und/oder der Reaktor ist im Bereich der Wirbelschichtzone etwa konisch sich in Strömungsrichtung des Fluids erweiternd ausgebildet.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anlage einen im Strömungsweg dem Bereich, in dem die Nachvergasung erfolgt, nachgeschalteten Zyklonabscheider umfasst. Nach Durchlaufen des Bereichs der Nachvergasung kann dann eine Abscheidung von Feststoffanteilen in diesem Zyklonabscheider erfolgen und anschließend kann der so gereinigte Fluidstrom über eine von dem Zyklonabscheider ausgangsseitig abgehende Rückführleitung, welche in die Wirbelschichtzone des Reaktors mündet in die Wirbelschichtzone zurückgeführt werden, so dass erneut sowohl der Bereich der Wirbelschicht als auch die Nachvergasungszone durchlaufen werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas, bei dem in einem Reaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, wobei in mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone nachgeordneten Bereich mittels wenigstens eines Plasmabrenners eine Nachvergasung des aus der Wirbelschichtzone austretenden Fluidstroms vorgesehen ist, wobei erfindungsgemäß die Nachvergasung mittels des wenigstens einen Plasmabrenners in dem Reaktor erfolgt, welcher die Wirbelschichtzone umfasst. Bevorzugt erfolgt gemäß der Erfindung die Nachvergasung in dem Bereich, der von wenigstens einem Plasmabrenner beaufschlagt wird, bei einer höheren Temperatur als die Vergasung in der Wirbelschichtzone.

Beispielsweise erfolgt die Vergasung in der Wirbelschichtzone bei einer Temperatur von etwa 750 °C bis 850 °C und die Nachvergasung bei einer um wenigstens etwa 100 °C höheren Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens etwa 900 °C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von etwa 950 °C bis etwa 1200 °C. Es bilden sich also zwei unterschiedliche Temperaturzonen aus, nämlich die Wirbelschichtzone mit Temperaturen von beispielsweise um die 800° +/- etwa 50 °C und die Nachvergasungszone mit beispielsweise etwa 1000 °C +/- etwa 100 °C.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Flamme des Plasmabrenners zum Beispiel eine maximale Temperatur im Flammenkern von etwa 3500 °C bis etwa 4500 °C auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der wenigstens eine Plasmabrenner mit wenigstens einem reduzierenden und/oder wenigstens einem oxidierenden Gas betrieben werden.

Beispielsweise kann der wenigstens eine Plasmabrenner mit einem Fluidstrom umfassend wenigstens eines der Fluide ausgewählt aus Dampf, Luft, Sauerstoff, Stickstoff und CO2 betrieben werden. Die Verwendung von Dampf ist vorteilhaft, weil dessen Produktion besonders kostengünstig ist, außerdem ist er besonders reaktiv. Die Flamme des Plasmabrenners enthält Radikale wie zum Beispiel 0, H, OH, O2, H ₂ und H ₂ 0 und eine Temperatur von beispielsweise im Bereich von etwa 4000 °C. Als Resultat der sehr heißen lokalen Flammentemperatur und des hohen Angebots an hochreaktiven Radikalen können Teere und Kohlenwasserstoffe gekrackt werden. Zusätzlich wird die erhöhte Synthesegastemperatur und die Konversion des Bettmaterials positiv durch die heterogene Reaktion von Dampf und C0 ₂ beeinflusst.

Die Plasmatemperatur lässt sich vorzugsweise dadurch kontrollieren, dass im Bereich des Plasmabrenners, Dampf und/oder C0 ₂ eingedüst wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bevorzugt die Vergasung in einer druckaufgeladenen Wirbelschicht, wobei die Vergasung in der Wirbelschichtzone vorzugsweise bei einem Druck von wenigstens etwa 1 bar, insbesondere von wenigstens etwa 5 bar bis etwa 40 bar erfolgt.

FIGURENBESCHREIBUNG

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Figur 1 eine schematisch vereinfachte Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage im teilweisen Längsschnitt;

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Details II von Figur 1;

Figur 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Plasmabrenners.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen und anhand dieser wird beispielhaft der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage erläutert. Die Anlage umfasst einen Reaktor 10, in dem die Vergasung der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe erfolgt. Dieser Reaktor 10 umfasst in einem unteren konisch sich nach oben hin erweiternden Abschnitt eine Wirbelschichtzone I I . Der Brennstoff wird der Wirbelschicht beispielsweise über eine dort seitlich angeordnete Zuführeinrichtung 17 zugeführt, die hier nur schematisch durch einen Pfeil angedeutet ist. Im Bereich dieser Wirbelschichtzone 11, in der die Vergasung der Brennstoffe erfolgt, sind weiterhin am Reaktor 10 diverse Zuführeinrichtungen wie Leitungen und/oder Düsen vorgesehen, mittels derer die Zufuhr der Vergasungsmittel erfolgt, wobei auch diese Zuführeinrichtungen nur jeweils durch Pfeile schematisch angedeutet sind. Dies sind beispielsweise mehrere Zuführeinrichtungen 18 a, 18 b für Sauerstoff und/oder Dampf, die am Reaktor 10 in unterschiedlichen Höhenabständen zum unteren Ende der Wirbelschichtzone 11 und voneinander beabstandet angeordnet sein können.

Weiterhin ist eine Zuführeinrichtung 19 für CO2, beispielsweise im unteren Endbereich der Wirbelschichtzone 11 vorgesehen, wobei mehrere Zugänge für CO2 vorhanden sein können. Insbesondere können ein oder zwei Ascheabzüge für die Zufuhr von CO2 in die Wirbelschicht vorgesehen sein. Am oberen Ende der Wirbelschichtzone 11 geht die sich zunächst kontinuierlich konisch nach oben hin erweiternde Form des Reaktors 10 in einen zylindrischen Bereich 12 mit dann in Strömungsrichtung gleichbleibendem Querschnitt über. In diesem zylindrischen Bereich 12 erfolgt die Nachvergasung. Dazu ist beispielsweise in der Wandung 14 des Reaktors 10 im Bereich 12 ein Plasmabrenner 13 angeordnet, welcher seine Flamme etwa in radialer Richtung in den Innenraum des Reaktors 10 hinein abgibt, so dass die Flamme des Plasmabrenners 13 etwa in Querrichtung bezogen auf die axiale Strömung des Fluids ausgerichtet ist, welches im Reaktor in dem Bereich der Nachvergasung in Längsrichtung des Reaktors 10 nach oben hin strömt. Am oberen Ende tritt der Fluidstrom aus dem Reaktor seitlich aus und gelangt über eine Verbindungsleitung 21 in einen Zyklonabscheider 15, in dem eine Abscheidung von Feststoffanteilen erfolgen kann. Die abgeschiedenen Feststoffe treten nach unten hin aus dem Zyklonabscheider 15 aus und strömen über die Rückführleitung 16 zurück, wobei diese Rückführleitung 16 stromabwärts im Bereich der Wirbelschichtzone 11 in den Reaktor 10 mündet, so dass die abgeschiedenen Feststoffe erneut in die Wirbelschichtzone eingebracht und dort einer erneuten Vergasung zugeführt werden können.

Am oberen Ende des Zyklonabscheiders kann wie durch den Pfeil 22 angedeutet der gereinigte Gasstrom dem Kreislauf entnommen werden.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur l. In Figur 2 kann man den Plasmabrenner 13 in der Wandung 14 des Reaktors in vergrößertem Maßstab erkennen, wobei hier der Plasmabrenner 13 nur schematisch dargestellt ist. Man sieht, dass die Flamme/das Plasma 23 von der seitlichen Wandung 14 ausgehend in etwa in radialer Richtung in das Innere des Reaktors eintritt, und zwar vorzugsweise mit etwas Abstand oberhalb des oberen Endes der Wirbelschichtzone 11 des Reaktors 10.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 3 der Aufbau eines beispielhaft in einer Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Plasmabrenners 13 näher erläutert. Dieser umfasst ein beispielsweise etwa zylindrisches Gehäuse 24, in dem über eine Stromzuführeinrichtung 25 eine ringförmige Elektrode 26 versorgt wird. Diese Elektrode umgibt konzentrisch ein Magnet 30, welcher ein magnetisches Feld erzeugt. Weiterhin ist eine beispielsweise etwa ringförmige Kühleinrichtung 27 für die Kühlung des Magneten 30 vorgesehen. Im Inneren der ringförmigen Elektrode 26 wird eine Plasmasäule 31 erzeugt. Dem Inneren des Gehäuses 24 wird von radial außen her ein Prozessgas 28 zugeführt, welches dann mit der Plasmasäule 31 in axialer Richtung im Gehäuse strömt und in eine Düse 29 eintritt, aus der dann das heiße Prozessgas, wie durch die Pfeile 23 in Figur 3 angedeutet ist, austritt. Ein solches heißes Prozessgas gelangt dann als Flamme 23 des Plasmabrenners 13, so wie dies oben unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben wurde, in den Reaktor 10.

Bezugszeichenliste:

10 Reaktor

11 Wirbelschichtzone

12 Bereich der Nachvergasung

13 Plasmabrenner

14 Wandung des Reaktors

15 Zyklonabscheider

16 Rückführleitung

17 Zuführeinrichtung für Brennstoff

18a Zuführeinrichtungen für Sauerstoff und/oder Dampf

18b Zuführeinrichtungen für Sauerstoff und/oder Dampf

19 Zuführeinrichtung für C0 ₂

20 Zuführeinrichtung für Dampf

21 Verbindungsleitung

22 Pfeil

23 Plasma/Flamme

24 Gehäuse

25 Stromzuführeinrichtung

26 Elektrode

27 Kühleinrichtung

28 Prozessgas

29 Düse Magnet Plasmasäule