Verfahren und Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischem

Einsatzmaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen

Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, m/t einem Niedertemperaturvergaser und einem Hochtemperaturvergaser.

Stand der Technik

Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus festem, organischem Einsatzmaterial, auch kurz als Vergasungsverfahren bezeichnet, sind bekannt. Vorteilhafterweise kommen als Einsatzmaterial für solche Verfahren Kohle oder Biomasse zum Einsatz. Bei Biomassevergasungsverfahren werden beispielsweise Alt- und Waldrestholz oder sogenannte Energiehölzer, aber auch Agrarreststoffe wie Stroh oder Häcksel verwendet.

Durch eine Vergasung von Biomasse zu Synthesegas mit nachgeschalteten

Verfahrensschritten (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 1 14 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 einen Hochtemperaturvergaser aufweisen, wie nachfolgend erläutert. Gegenüber anderen Verfahren ermöglichen diese u.a. einen niedrigeren Verbrauch an Einsatzmaterial und weisen einen höheren Kaltgaswirkungsgrad auf. In einem Niedertemperaturvergaser wird das Einsatzmaterial, beispielsweise

Biomasse, durch Teilvergasung mit einem Vergasungsmittel bei Temperaturen zwischen ca. 300 °C und 600 °C zu Koks (im Fall von Biomasse sogenanntem

Biokoks) und Schwelgas umgesetzt. Die Umsetzung wird im Rahmen dieser

Anmeldung als "Schwelen" bezeichnet. Schwelen zeichnet sich bekanntermaßen durch unterstöchiometrisches 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 Synthesegas, das im Wesentlichen nur noch Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist. Das Synthesegas kann an dieser Stelle auch als (Synthese-)Rohgas bezeichnet werden. In einer weiteren Stufe, beispielsweise in einer in dem Hochtemperaturvergaser integrierten oder in einer diesem nachgeschalteten Quencheinheit, kann das auf diese Weise erzeugte Synthesegas mit Koks aus dem Niedertemperaturvergaser in Kontakt gebracht werden. Der Koks kann zuvor gesondert (z.B. durch Mahlen und Sichten) aufbereitet und dann in die Quencheinheit eingebracht werden. Durch endotherme Reaktionen zwischen Koks und Synthesegas (sogenannten chemischem Quench) wird letzteres auf eine Temperatur von beispielsweise 800 °C bis 1200 °C abgekühlt. Dies bewirkt auch eine teilweise Umsetzung des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid.

Das auf diese Weise erzeugte kohlenmonoxidreiche Synthesegas kann anschließend weiter konditioniert werden. Die Konditionierung umfasst beispielsweise eine weitere Abkühlung, eine Entstaubung, eine Verdichtung und/oder die Abtrennung von

Restkohlendioxid.

In Anlagen gemäß dem Stand der Technik wird der in dem Niedertemperaturvergaser erzeugte Koks bzw. Pyrolysekoks über Schleusensysteme in eine drucklose Atmosphäre ausgeschleust, und in dieser drucklosen Atmosphäre aufbereitet und transportiert. Über ein weiteres Schleusensystem erfolgt anschließend (wenigstens teilweise) die Einbringung dieses aufbereiteten Pyrolysekokses in die

Druckatmosphäre der Quencheinheit. Diese Bereitstellung von mehreren

Schleusensystemen erweist sich in der Praxis als aufwendig, da zusätzliche

Vorrichtungen, welche eine relativ intensive Wartung benötigen, zur Verfügung gestellt werden müssen. Durch das Ausschleusen von Pyrolysekoks kommt es auch, wenn man die drucklose Atmosphäre, in welcher die Aufbereitung stattfindet, nicht entsprechend erwärmt, zu einer Abkühlung, sodass der in die Quencheinheit rückgeführte Pyrolysekoks zunächst wieder auf die Prozesstemperatur erwärmt werden muss. Hierdurch verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Anlage bzw. des Verfahrens insgesamt.

Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen bei Betrieb entsprechender Anlagen, insbesondere nach einer Möglichkeit einer effektiveren Einbringung von Pyrolysekoks in die Quencheinheit.

Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen

Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, mit einem Niedertemperaturvergaser und einem Hochtemperaturvergaser mit den

Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte

Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht von einem bekannten Verfahren zur zumindest teilweisen

Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, beispielsweise Biomasse, aus. Aus dem Einsatzmaterial wird in einem Niedertemperaturvergaser durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas gewonnen, wie zuvor erläutert. Das Schwelgas wird

anschließend in einem Hochtemperaturvergaser durch partielle Oxidation und anschließend teilweise Reduktion zu einem Synthesegas umgesetzt und stromab des Hochtemperaturvergasers in entsprechenden Aufbereitungseinrichtungen weiter aufbereitet.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem

Niedertemperaturvergaser anfallender bzw. entstehender Pyrolysekoks nicht über ein Schleusensystem in eine drucklose Atmosphäre ausgeschleust, sondern in der Druckatmosphäre belassen und dort aufbereitet und transportiert wird. Hierdurch ist eine wesentliche Reduzierung der Anzahl an Schleusensystemen erzielbar, wodurch insgesamt eine Reduzierung des apparatetechnischen Aufwandes ermöglicht wird. Erfindungsgemäß wird die Sicherheit eines Verfahrens zur Vergasung von festem organischen Einsatzmaterial gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht, da kein Ausschleusen und anschließendes Wiedereinschleusen von Pyrolysekoks in die Druckatmosphäre vorgesehen ist. Eine erfindungsgemäß eingesetzte Anlage weist weniger mechanisch bewegte Teile als herkömmliche Anlagen auf, und ist daher zuverlässiger. Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der im Niedertemperaturvergaser anfallende bzw. entstehende Pyrolysekoks in heißem Zustand, beispielsweise bei 250 °C bis 400 °C, aufbereitet und transportiert wird.

Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht. Unter der "im Wesentlichen gleichen Temperatur, wie sie im Niedertemperaturvergaser herrscht", wird insbesondere die gleiche Temperatur sowie auch eine

Temperaturdifferenz von z. B. +-10X, +-20°C, +-30°C, +-40°C, +-50°C oder +-100°C verstanden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise erfolgt in der Druckatmosphäre, in welcher der Pyrolysekoks nach dem Niedertemperaturvergaser verbleibt, die Zuführung des Pyrolysekokses in den Hochtemperaturvergaser mittels pneumatischer Förderung. Bei einer derartigen pneumatischen Förderung kann auf mechanisch bewegte Teile weitgehend verzichtet werden, wodurch wiederum die Zuverlässigkeit der Anlage verbessert wird.

Es wird bevorzugt, als Fördergas zur pneumatischen Förderung in der

Druckatmosphäre Kohlendioxid zu verwenden, welches in einem dem

Hochtemperaturvergaser nachgeschalteten Gaswäscher aus dem zu waschenden Synthesegas abgetrennt wird. Da Kohlendioxid ein Inertgas darstellt, kann der Verbrauch an extern bereitzustellenden Inertgasen (z.B. Stickstoff) für eine derartige pneumatische Förderung signifikant verringert werden. Zweckmäßigerweise wird der Pyrolysekoks in einer in der Druckatmosphäre befindlichen Trenneinrichtung in eine Grob- und Feinfraktion aufgeteilt, wobei lediglich die Feinfraktion dem Hochtemperaturvergaser zugeführt wird. Feinere bzw. kleinere Partikel weisen ein günstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Masse auf, so dass die in dem Hochtemperaturvergaser ablaufende Reduktion des Synthesegases besonders effektiv durchgeführt werden kann.

Es ist bevorzugt, dass die Grobfraktion des Pyrolysekokses aus der Druckatmosphäre ausgeschleust wird, und/oder nach Zerkleinerung mittels einer in der Druckatmosphäre vorgesehenen Zerkleinerungseinrichtung ein weiteres Mal der Trenneinrichtung zugeführt wird. Durch Steuerung dieser beiden Maßnahmen kann die dem

Hochtemperaturvergaser zugeführte Pyrolysekoksqualität und -menge optimiert werden.

Es ist ferner in vorteilhafter Weise möglich, eine Speichereinrichtung zur

Zwischenspeicherung von Pyrolysekoks in der Druckatmosphäre vorzusehen.

Hierdurch kann ein schwankender Bedarf an Pyrolysekoks in einfacher Weise kompensiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Anlage, die zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, und Figur 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Anlage, die zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, und

Ausführungsform der Erfindung In Figur 1 ist eine Anlage dargestellt, welche zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Anlage umfasst einen

Niedertemperaturvergaser 1 und einen Hochtemperaturvergaser 2. In den Niedertemperaturvergaser 1 kann ein festes organisches Einsatzmaterial A, beispielsweise Biomasse wie Holz oder entsprechende Abfälle, wie zuvor erläutert, eingespeist werden. Der Niedertemperaturvergaser 1 ist zum Verschwelen des festen organischen Einsatzmaterials A eingerichtet. Hierzu kann der

Niedertemperaturvergaser 1 extern, d.h. allotherm, beispielsweise auf 300 bis 600 °C aufgeheizt werden. Die Bereitstellung der Wärme kann beispielsweise durch die Abwärme des Hochtemperaturvergasers 2 erfolgen. Des Weiteren kann der

Niedertemperaturvergaser 1 auch autotherm, beispielsweise durch Teiloxidation des im festen organischen Einsatzmaterials A befindlichen Kohlenstoffes mit einem separat zugeführten Sauerstoff G aufgeheizt werden.

Über eine Leitung kann aus dem Niedertemperaturvergaser 1 ein Schwelgas B ausgeleitet und in den Hochtemperaturvergaser 2 überführt werden. Der

Hochtemperaturvergaser 2 ist zweiteilig ausgebildet. Er umfasst eine Oxidationseinheit

21 und eine Quencheinheit 22. In der Oxidationseinheit 21 wird das Schwelgas B mit einem zugeführten sauerstoffhaltigen Gas H teilweise oxidiert, wodurch sich,

Temperaturen von beispielsweise 1.400 °C bis 2.000 °C ergeben. In der Quencheinheit

22 wird das Synthesegas D mit Pyrolysekoks C aus dem Niedertemperaturvergaser 10 in Kontakt gebracht. Durch endotherme Reaktionen (sog. chemischer Quench) zwischen diesem Pyrolysekoks C und dem Synthesegas D wird letzteres

beispielsweise auf eine Temperatur von 800 °C bis 1200 °C abgekühlt. Dies bewirkt auch eine teilweise Umsetzung von im Synthesegas D vorhandenem Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid.

Das auf diese Weise erzeugte kohlenmonoxidreiche Synthesegas D wird anschließend in einer der Quencheinheit 22 nachgeschalteten Kühleinrichtung 3 beispielsweise auf eine Temperatur von 600 bis 800°C abgekühlt. Der Kühleinrichtung 3 nachgeschaltet sind eine Entstaubungseinrichtung 4, beispielsweise ein Zyklon, und ein Gaswäscher 5. In der Entstaubungseinrichtung 4 wird der in der Quencheinheit 22 teilweise abreagierte Koks, der sogenannte Restkoks E, abgetrennt und zur Oxidationseinheit 21 des Hochtemperaturvergasers 2 geleitet. Im nachgeschalteten Gaswäscher 5 wird der Synthesegasstrom mit einem Waschflüssigkeitsstrom in Kontakt gebracht, um unerwünschte Bestandteile des Synthesegasstroms in die Flüssigkeit aufzunehmen. Ausreichend gereinigtes und konditioniertes Synthesegas E kann anschließend der Anlage entnommen und nachgeschalteten Verfahren, beispielsweise zur Gewinnung von synthetischen Biokraftstoffen, zugeführt werden.

Durch die in dem Gaswäscher 5 erfolgende Kontaktierung von kontaminiertem

Synthesegas mit Waschflüssigkeit (beispielsweise Wasser oder Methanol) erhält man, neben dem gereinigten Synthesegas, eine kontaminierte Waschflüssigkeit, welche insbesondere Kohlendioxid enthält. Dieses Kohlendioxid wird gemäß der vorliegenden Erfindung aus der Waschflüssigkeit entfernt, beispielsweise durch Strippen und weiter verwendet, wie weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Eine entsprechende Regenerationseinheit (Stripper) kann in den Gaswäscher 5 integriert ausgebildet sein. Die In Figur 1 dargestellte Anlage weist ferner eine Einrichtung 6 zur Trennung

(Klassierung), Förderung und Lagerung des Pyrolysekokses C in einer

druckaufgeladenen Atmosphäre (im Folgenden kurz als Druckatmosphäre 6

bezeichnet) auf, wobei der in dieser Einrichtung herrschende Druck beispielsweise einen höheren, mindestens aber den gleichen Druck aufweist, wie er in dem

Niedertemperaturvergaser 1 herrscht.

In dieser Druckatmosphäre 6 sind eine Trenneinrichtung 61 , eine pneumatische Fördereinrichtung 62 und eine Speichereinrichtung 63 vorgesehen.

Der in dem Niedertemperaturvergaser 1 entstehende Pyrolysekoks C wird zunächst beispielsweise über eine mechanische Fördereinrichtung oder eine Freifallleitung der Trenneinrichtung 61 zugeführt, welche als Klassierer, insbesondere Sichter ausgebildet ist. Diese Zuführung von Pyrolysekoks C erfolgt unter einer leichten Erhöhung mindestens aber unter Beibehaltung der Druckverhältnisse sowie unter Beibehaltung der Temperaturen, wie sie im Niedertemperaturvergaser 1 herrschen. Es kommt hierbei also nicht, wie gemäß dem Stand der Technik, zu einem Ausschleusen in eine drucklose Atmosphäre und zu einer Abkühlung. Hierdurch kann auf aufwendige Schleuseneinrichtungen und Kühlsysteme verzichtet werden.

In der Trenneinrichtung 61 wird der Pyrolysekoks in eine Grobfraktion und eine

Feinfraktion unterteilt, wobei die Grobfraktion, zusammen mit unerwünschten Fremdstoffen J, über ein Schleussystem 65 aus der Druckatmosphäre 6 entfernt wird. Die Feinfraktion wird mittels der pneumatischen Fördereinrichtung 62, gegebenenfalls unter Zwischenspeicherung in der Speichereinrichtung 63, der Quencheinheit 22 des Hochtemperaturvergasers 2 zugeführt. Diese Zuführung von Pyrolysekoks mittels der pneumatischen Fördereinrichtung 62 in die Quencheinheit 22 ist mittels einer Leitung 64 schematisch dargestellt. Auch diese Zufuhr von Pyrolysekoks über die Leitung 64 erfolgt unter den Bedingungen der Druckatmosphäre 6. Somit kann auch hier auf ein Schleusensystem verzichtet werden. Zweckmäßigerweise wird der Druck in dem Drucksystem 6 so gewählt, dass sich stets ein positives Druckgefälle gegenüber dem Vergasungsprozess in dem

Niedertemperaturvergaser 1 und dem Hochtemperaturvergaser 2 einstellt, und dadurch eine Strömung in Richtung des Niedertemperaturvergasers 1 bzw.

Hochtemperaturvergasers 2 erzeugt wird. Hierdurch kann vermieden werden, dass heiße toxische Gase aus dem System austreten, wodurch die Sicherheit der Anlage insgesamt verbessert wird.

Wie bereits erwähnt, wird zur Förderung in der Druckatmosphäre 6 mittels der pneumatischen Fördereinrichtung 62 als Fördergas Kohlendioxid, welches bei der Gaswäsche in dem Gaswäscher 5 entsteht bzw. aus dem Synthesegas entfernt wird, verwendet. Dieses Kohlendioxid wird über eine Leitung 51 der Trenneinrichtung 61 bzw. der pneumatischen Fördereinrichtung 62 zugeführt.

Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage

unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 1 lediglich dadurch, dass die Grobfraktion des Pyrolysekokses nicht über ein Schleussystem 65 aus der

Druckatmosphäre 6 ausgeschleust wird, sondern in einer der Trenneinrichtung 61 nachgeschalteten Zerkleinerungseinrichtung 66 zerkleinert und der Trenneinrichtung 61 erneut zugeführt wird. Auch die Zerkleinerungseinrichtung 66 arbeitet in einer druckaufgeladenen Atmosphäre und unter Beibehaltung der hohen Temperatur.