Verfahren zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen

Einsatzstoffen, insbesondere von Biomasse.

Solche Vergasungsverfahren werden z.B. zur Erzeugung von Brenngas aus wasser- und ballasthaltigen organischen Stoffen, wie Kohle, kommunale und industrielle Schlämme, Holz und Biomassen, kommunaler und industrieller Müll und Abfall sowie Abprodukte, Reststoffe und anderes eingesetzt. Sie können zur energetischen

Verwertung von Biomassen und Holz von zyklisch bebauten landwirtschaftlichen Flächen, insbesondere rekultivierten Bergbauflächen und damit zur Gestaltung kohlendioxidneutraler Umwandlung natürlicher Brennstoffe in mechanische und Wärmeenergie sowie für die nutzbringende Entsorgung von Kommunen, Gewerbe, Landwirtschaft und Industrie von Müll, sonstigen organischen Abfällen, Reststoffen, Neben- und Abprodukten verwendet werden.

Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Vorschlägen und praktischen Anwendungen zur energetischen Nutzung von Pflanzen sowie organischen Abfällen bis hin zum Müll aus Kommunen, Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft. Ein im November 1981 von der Kernforschungsanlage Jülich GmbH durchgeführtes

Seminar fasst den Stand der Technik zur thermischen Gaserzeugung aus Biomasse, d. h. der Ver- und Entgasung zusammen, der auch heute noch den Stand der Technik weitgehend charakterisiert (Bericht der Kernforschungsanlage Jülich - JülConf-46). Dementsprechend bestimmen Verfahren zur Verbrennung, Entgasung und Vergasung einzeln oder in Kombination den Stand der Technik mit folgenden Zielen: - Produktion von Verbrennungsgas als Wärmeenergieträger zur Dampferzeugung durch

Verbrennung, - Produktion von hochkalorischen festen und flüssigen Brennstoffen, wie Koks, Holzkohle und flüssigen, ölähnlichen Teeren durch Schwelung, Ent- und

Vergasung, - Produktion von Brenngas unter Vermeidung fester und flüssiger

Brennstoffe durch vollständige Vergasung.

Bei den Vergasungsverfahren entscheidet die Prozessführung darüber, ob die flüssigen und grossmolekularen Schwelprodukte erhalten oder ebenfalls durch Oxidation vergast werden.

Die älteste Art der Vergasung ist die Vergasung im Festbett, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel im Gegenstrom zueinander bewegt werden. Diese Verfahren erreichen den höchstmöglichen Vergasungswirkungsgrad bei geringstmöglichem Sauerstoffbedarf. Der Nachteil dieser Art der Vergasung besteht darin, dass im Vergasungsgas die Brennstoffeuchte und alle bekannten flüssigen Schwelprodukte enthalten sind. Ausserdem erfordert diese Art der Vergasung stückigen Brennstoff. Die Vergasung in der Wirbelschicht, bekannt als Winklervergasung, beseitigte diesen Mangel der Festbettvergasung weitestgehend, aber nicht vollständig. Bei der

Vergasung bituminöser Brennstoffe wird z. B. nicht immer die notwendige Teerfreiheit des Vergasungsgases, wie sie für die Anwendung des Gases als Brennstoff für Verbrennungskraftmaschinen erforderlich ist, erreicht. Darüber hinaus ist aufgrund des höheren durchschnittlichen Temperaturniveaus bei der Prozessführung gegenüber der Festbettvergasung der Sauerstoffverbrauch deutlich höher. Ausserdem hat das Temperaturniveau der Winklervergasung zur Folge, dass ein Grossteil des

eingetragenen Kohlenstoffes nicht in Brenngas umgesetzt, sondern in Form von Staub und, gebunden an die Asche, aus dem Prozess wieder ausgetragen wird. Dieser Mangel der Vergasungstechnik kann mit den

Hochtemperaturflugstromvergasungsverfahren die in der Regel oberhalb des

Schmelzpunktes der Asche arbeiten, vermieden werden. Der Preis dafür sind weiter steigender Sauerstoffbedarf und sinkender Vergasungswirkungsgrad, obwohl die organische Substanz so gut wie vollständig in Brenngas umgewandelt wird. Die Ursachen liegen im hohen Temperaturniveau dieser Vergasungsverfahren, die zur Folge haben, dass ein Grossteil der Brennstoffwärme in physikalische Enthalpie des Brenngases umgewandelt wird.

Obwohl die Produktion von Holzkohle und ölähnlichen Teeren einen Beitrag zur Deckung des Brenn- und Treibstoffbedarfes in den Entwicklungsländern leisten kann, stehen die Verfahren, die Schwelprodukte abgeben, das sind vor allem

Festbettvergaser, die nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, aus Sicht der

Umweltbelastung immer unter Kritik. Das betrifft insbesondere die anfallenden wässrigen Gaskondensate und produktionsbedingten Verunreinigungen, die mit der Teerproduktion im Zusammenhang stehen. Gleichstrom- und

Wirbelschichtvergasungsverfahren ermöglichen die Erzeugung von annähernd teerfreien Brenn- und Synthesegasen. Es zeichnet sich ab, dass diesen Verfahren aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit die Zukunft gehört, insbesondere auch deshalb, weil über bekannte Syntheseverfahren auf diesem Wege aus Biomassen auch flüssige Grundstoffe, wie Methanol, Brennstoffe wie Benzin, aber auch Eiweiss, erzeugt werden können. Der Übergang zu solchen Produktionszielen und zur planmässig zyklischen Produktion von Biomassen für die energetische und ggf. stoffliche Nutzung ist verbunden mit der Forderung nach leistungsfähigen, umweltschonenden Verfahren, geeignet für Biomassen unterschiedlicher Qualität und unterschiedlichen Ursprungs sowie industrieller Realisierbarkei auch in weniger entwickelten Ländern.

Festbettvergaser mit Gleichstrom- oder Doppelfeuertechnologie sichern zwar ein annähernd teerfreies Vergasungsgas, aber in bezug auf Leistung - wirkungsgradbezogen auf das Endprodukt - und Umweltschutz entsprechen diese Verfahren nicht den derzeitigen und zukünftigen Anforderungen. So erreichen

Kraftanlagen auf der Basis von Verfahren zur Verbrennung oder Vergasung von Biomasse heute energetische Wirkungsgrade - bezogen auf die mögliche technische Arbeit - zwischen 20 und 30%. Aber auch die Flugstrom- und

Wirbelschichtvergasungsverfahren haben ihre spezifischen Mängel. So arbeiten die Flugstromvergasungsverfahren bei hohen Temperaturen, meist oberhalb des

Schmelzpunktes der anorganischen Bestandteile der festen, zur Vergasung bestimmten Stoffe. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass der anorganische Anteil der Brennstoffe als verglaste, eluierfeste Schlacke den Vergasungsprozess verlässt.Der Preis dafür sind jedoch hohe exergetische Verluste, die bei der Abkühlung des Vergasungsgases meist im Rahmen der erforderlichen Gasreinigung auftreten.

Wirbelschichtvergasungsverfahren dagegen sind bekannterweise nicht immer in der Lage, die für die Verwendung des Vergasungsgases als Brennstoff, z. B. in

Gasturbinen und Gasmotoren, notwendige Teerfreiheit zu gewährleisten. Darüber hinaus sind sie durch unvollständigen Umsatz des Kohlenstoffes gekennzeichnet.

Die Firma CHOREN hat eine Technologie entwickelt, mit der in einem mehrstufigen Verfahren zunächst ein teerfreies Synthesegas erzeugt wird. Nach der Reinigung und Konditionierung kann das Synthesegas mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese in ein flüssiges Kohlenwasserstoffgemisch (Biomass-to-Liquids, BTL) umgewandelt werden. Im Folgenden werden die einzelnen Verfahrensstufen des so genannten Carbo-V- Verfahrens, das z.B. in der EP 0745 114 B1 beschrieben ist, kurz dargestellt:

a) In einer ersten Prozessstufe wird die Biomasse in einem

Niedertemperaturvergaser (LTG) durch Teilverbrennung mit einem

Vergasungsmittel bei Temperaturen zwischen 400 Ό u nd 500"Ό zu Biokoks und Schwelgas umgesetzt. Das Schwelgas wird anschließend in der

Brennkammer eines Hochtemperaturvergasers (HTG) mit reinem Sauerstoff partiell oxidiert. Die durch diese Oxidation frei werdende Wärme erhitzt das Schwelgas auf Temperaturen oberhalb von 1400Ό. Be i diesen Bedingungen werden im Schwelgas enthaltene Aromaten, Teere und Oxoverbindungen vollständig zersetzt. Es bildet sich ein Gas, das im Wesentlichen aus CO, H2, C02 und Wasserdampf besteht. In einem dritten Prozessschritt wird der vermahlene Biokoks in den Heißgasstrom aus der Brennkammer eingeblasen. Durch die energieverbrauchende (endotherme) Reaktion zwischen Biokoks und Brennkammergas sinkt die Gastemperatur in Sekundenbruchteilen auf etwa 900 "C ab („chemisches Quenchen").

b) Das Rohgas wird gekühlt, entstaubt und in einer Gaswäsche von Chloriden, salzartigen Bestandteilen und anderen wasserlöslichen Begleitstoffen befreit. Der Staub aus dem Filter wird in die Brennkammer zurückgeführt und bei den dort herrschenden sehr hohen Temperaturen zu flüssiger Schlacke

aufgeschmolzen. Die an der kühleren Wand des Vergasers erstarrte Schlacke bildet einen glasartigen Überzug, der die Ausmauerung des

Hochtemperaturvergasers (HTG) vor den hohen Temperaturen der

Brennkammer schützt. An der Grenzschicht zum Gasraum fließt flüssige Schlacke ab und wird durch Abschrecken in einem Wasserbad zu einem eluierfesten Granulat umgewandelt.

Nach der Gaswäsche enthält das Synthesegas bis auf Spuren anderer Stoffe nur noch CO, H2 und C02. Durch katalytische Wassergas-Shift-Reaktion wird das Verhältnis zwischen H2 und CO für die Anforderungen der Fischer-Tropsch-Reaktion eingestellt. Nach weiteren Reinigungsschritten (z.B. Auswaschen von C02 und S-Verbindungen) werden aus dem reinen Synthesegas am Fischer-Tropsch-Katalysator aliphatische Kohlenwasserstoffe aufgebaut. Bei den geschilderten Verfahren zur Hochtemperaturvergasung und Niedertemperaturvergasung in alleiniger oder kombinierter Form können Probleme bezüglich der Temperierung der Vergasungsreaktoren auftreten. Auch bei der Überleitung von Pyrolysegas von der Niedertemperaturvergasung zur

Hochtemperaturvergasung kann es zu temperaturbedingten Problemen kommen. Im Einzelnen stellt sich die Problemlage folgendermaßen dar:

1. Hochtemperaturvergasung (allgemein): Im Bereich der Hochtemperaturvergasung ist häufig ein separater Schutz des

Vergasermantels vor aggressiven Medien und heißen Temperaturen erforderlich. Dieser kann durch eine Ausmauerung oder einen wassergekühlten Kühlschirm oder eine Kombination aus beidem realisiert werden. Die Temperatur des Kühlwassers liegt aufgrund der Begrenzung des Dampfdruckes unterhalb der optimalen Temperatur für den Betrieb der Vergasung. Eine wärmeisolierende Beschichtung (Ausmauerung) zwischen Kühlschirm und Reaktionsraum ist notwendig. Die Beschichtung erlaubt beim Anfahren nur einen begrenzten Temperaturgradienten. Dadurch wird das Anfahren zeitaufwendig. Die Ausmauerung hat eine sehr begrenzte Haltbarkeit und muss regelmäßig ersetzt werden. Das schränkt die erreichbaren Betriebsstunden ein.

Schäden im Druckmantel führen zum Eindringen von Wasser in den Reaktionsraum, was Wasserdampfexplosionen zur Folge haben kann.

2. Niedertemperaturvergasung (allgemein): Im Bereich der Niedertemperaturvergasung ist eine Auslegung des Vergasermantels auf die zu erwartenden Temperaturen und Medien möglich. Das Problem hierbei besteht jedoch in Hot-Spots, für die eine Auslegung nicht möglich ist. Hot-Spots oder Rückströmung aus dem Hochtemperaturvergaser führen zur Überschreitung der Designtemperatur. Die ungleiche Temperaturverteilung über den Behälter wirkt auf die Lager der Paddelwelle und verursacht erhöhten Verschleiß. Wärmeverluste über die Behälterwandung müssen durch eine erhöhte Oxidation von Kohlenstoff ausgeglichen werden, was den Wirkungsgrad mindert. 3. Pyrolysegasleitung (Carbo-V-Verfahren):

Beim Carbo-V Prozess wird das im Niederdruckvergaser erzeugte Pyrolysegas über die Pyrolysegasleitung zum Hochtemperaturvergaser transportiert. Erfahrungen aus dem Betrieb einer Beta-Anlage zeigen folgende zwei Probleme: a) Ablagerung von Pyrolysekoks und Teer: Zur Vermeidung von Ablagerungen wurde in der Beta-Anlage Sauerstoff in die Pyrolysegasleitung eingebracht, wodurch eine Überhitzung erreicht wurde. Neben sicherheitstechnischen Problemen konnte das Verfahren nicht ausreichend erprobt werden. Das Pyrolysegas ist teergesättigt. Die Teere kondensieren an der inneren

Oberfläche des Rohres und führen im Extremfall zum Verschluss.

b) Rückströmung von heißem Vergasungsgas aus dem Hochtemperaturvergaser:

Bei dieser Art der Rückströmung muss mit Materialversagen (Loss of

Containment) gerechnet werden. Zur Vermeidung dieses Szenarios wird derzeit bei Verdacht auf Rückströmung die gesamte Anlage in die Fackel entspannt. Eine Wiederinbetriebnahme gestaltet sich schwierig und ist zeitaufwendig. Rückströmung aus dem Hochtemperaturvergaser führt zur Überschreitung der Designtemperatur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperierung der Vergasung zur Verfügung zu stellen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der Vergasung eingesetzte Anlagenteile mittels einer Salzschmelze temperiert werden. Die Anlagenteile, insbesondere der Reaktormantel des Vergasungsreaktor und/oder Pyrolysegas führende Leitungen, werden durch Wärmetausch mit der Salzschmelze je nach Bedarf gekühlt oder erwärmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Vergasermantel eines

Hochtemperaturvergasungsreaktors mittels der Salzschmelze temperiert. Hierzu kann z.B. der üblicherweise vorgesehene Wasserkühlmantel durch einen Salzkühlmantel ersetzt werden. Gemäß einer anderen Variante wird der Vergasermantel eines

Niedertemperaturvergasungsreaktors mittels der Salzschmelze temperiert. Hierzu kann z.B. ein Salzkühlmantel an den Niedertemperaturvergasungsreaktors angebracht werden. Dadurch kann eine Vergleichmäßigung der Temperatur erzielt werden.

Auch eine kombinierte Temperierung von Hoch- und Niedertemperaturreaktor ist möglich. Hierzu können getrennte oder kombinierte Salzschmelzkreisläufe vorgesehen sein. Bei einer Nacheinanderschaltung von Niedertemperaturvergasungsreaktor und Hochtemperaturvergasungsreaktor wie beim Carbo-V-Verfahren wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die vom Niedertemperaturreaktor zum Hochtemperaturreaktor für den Transport von Pyrolysegas führende

Pyrolysegasleitung mittels der Salzschmelze temperiert. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, eine Begleitheizung mittels der Salzschmelze zur Verfügung zu stellen, um die Kondensation von Teer zu vermeiden. Die bestimmende Temperatur der Rohroberfläche der Pyrolysegasleitung liegt in der Temperatur der Salzschmelze.

Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die durch den

Hochtemperaturvergasungsreaktor erhitzte Salzschmelze zur Temperierung der Pyrolysegasleitung und des Niedertemperaturvergasungsreaktors verwendet. Die Salzschmelzkreisläufe werden also so verschaltet, dass das im

Hochtemperaturvergasungsreaktor erhitzte Salz anschließend über den Mantel der Pyrolysegasleitung und des Niedertemperaturvergasungsreaktors geführt wird. Dies hat zusätzlich einen erhöhten Wirkungsgrad der Vergasung zur Folge, da weniger Biomasse zur Haltung der Temperatur oxidiert werden muss.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Salzschmelze zum Anwärmen der Anlagenteile beim Anfahren genutzt wird.

Außerdem kann die Salzschmelze auch als Wärmeenergiespeicher für das

Wiederanfahren nach einem Ausfall genutzt werden.

Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von weiteren Vorteilen, von denen im Folgenden nur einige wenige beispielhaft genannt werden: Die Temperierungsmethode erlaubt einen einfachen und robusten Aufbau der Kühlbzw. Heizeinrichtungen, wobei preiswerte Materialien genutzt werden können.

Darüberhinaus bietet diese Methode einen geringen mechanischen Verschleiß. Der Wirkungsgrad kann gegenüber herkömmlichen Temperiermethoden, z.B. mittels Kühlwasser, erheblich erhöht werden. Dabei wirkt sich auch günstig aus, dass das Kühlsystem auf Niederdruck ausgelegt werden kann. Außerdem werden alle sicherheitstechnischen Probleme in Bezug auf die Designtemperatur für verschiedene Szenarien gelöst.