TATSCHKE RALF (DE)
KLEEBERG JÖRG (DE)
| WO2012068931A1 | 2012-05-31 | |||
| WO2000071644A2 | 2000-11-30 |
| EP1136542A1 | 2001-09-26 | |||
| EP0846748A1 | 1998-06-10 |
| Patentansprüche 1 . Verfahren zur zumindest teilweisen Vergasung von festem organischen Einsatzmaterial (A), bei dem aus dem Einsatzmaterial (A) in einem Niedertemperaturvergaser (1 ) durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas gewonnen wird, und das Schwelgas (B) anschließend in einem Hochtemperaturvergaser (2) durch partielle Oxi- dation und anschließend teilweise Reduktion zu einem Synthesegas (D) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer stromabwärtig des Hochtemperaturvergasers (2) vorgesehenen Kühleinrichtung (30) das Synthesegas auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der im Synthesegas vorhandene Alkalien wenigstens teilweise in der gasförmigen Phase verbleiben, und im Synthesegas vorhandene Kokspartikel keine Klebrigkeit mehr aufweisen, und das in einer stromabwärtig der Kühleinrichtung (30) vorgesehenen Zykloneinrichtung (4) eine Grobfraktion von Kokspartikeln aus dem Synthesegas abgeschieden wird, wobei eine Feinfraktion der Kokspartikel die Zykloneinrichtung (4) mit dem Synthesegas passiert. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das die Zykloneinrichtung passierende Synthesegas in einem stromabwärtig der Zykloneinrichtung (4) vorgesehenen Kühler (19) abgekühlt wird. 3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zykloneinrichtung abgeschiedene Grobfraktion der Kokspartikel in den Hochtemperaturvergaser (2) zurückgeführt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobfraktion der Kokspartikel insbesondere unter Anwendung der Schwerkraft in einen Pufferbehälter (15) und anschließend in ein senkrecht angeordnetes Standrohr (25) überführt wird, wobei die Höhe des Standrohres so gewählt ist, dass im untersten Teil des Standrohres ein für ein Fluidisieren ausreichender Druck bereitstellbar ist, um eine Dichtstromförderung einzuleiten und den Eintritt des hierdurch bereitgestellten Kokses in den Hochtemperaturvergaser (2) zu gewährleisten. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Standrohres so gewählt ist, dass eine Brückenbildung der Kokspartikel vermieden wird. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung von Koks über den Pufferbehälter (15) und das Standrohr (25) bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche im Wesentlichen der Tempe- ratur in der Zykloneinrichtung (4) entspricht. 7. Anlage, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit einem Niedertemperaturvergaser (1 ), in dem durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas aus einem festen organischen Einsatzmaterial gewonnen werden kann und einen Hochtemperaturvergaser, in dem das Schwelgas durch partielle Oxidation und anschließend teilweiser Reduktion zu einem Synthesegas umgesetzt werden kann, wobei stromabwärtig des Hochtemperaturvergasers eine Kühleinrichtung (30) vorgesehen ist, welche den Hochtemperaturvergaser verlassendes Synthesegas derart abkühlt, dass im Synthesegas vorhandene Alkalie in einem gas- förmigen Zustand verbleiben, wobei im Synthesegas vorhandene Kokspartikel bereits keine Klebrigkeit mehr aufweisen, und eine stromabwärtig der Kühleinrichtung (30) vorgesehene Zykloneinrichtung (4), mittels der eine Grobfraktion von Kokspartikeln aus dem Synthesegas abgeschieden wird, wobei eine Feinfraktion der Kokspartikel die Zykloneinrichtung mit dem Synthesegas passiert. |
Verfahren und Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem organischen
Einsatzmaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen Verga- sung von festem organischen Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, mit einem Niedertemperaturvergaser und einem Hochtemperaturvergaser.
Stand der Technik Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus festem organischen 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 ähn- lieh 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 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 unterstöchiometri- sches Sauerstoffangebot und damit eine unvollständige Verbrennung bei vergleichs- weise 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 Oxida- tion 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 Wei- se 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 (sogenanntem chemischem Quench) wird letzteres auf eine Zieltemperatur von etwa 900 °C abgekühlt. Dies bewirkt auch eine teilwei- se 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 Restkoh- lendioxid.
Die Konditionierung umfasst insbesondere die Abtrennung von Restkoks aus dem Synthesegas. Dies wird in der Praxis mittels eines Zyklons und eines diesem nachgeschalteten Filters bewerkstelligt. Der so abgetrennte Restkoks wird anschließend in Kühl- Schnecken gekühlt und über eine Behälterschleuse aus dem Druckraum ausge- schleust. Ein Teil des Restkokses wird über Behälterschleusen wieder in den Druckraum eingeschleust und über eine Dichtstromförderung zum Brenner (Hochtemperaturvergaser) geführt. Während der Abkühlung des Synthesegases kommt es jedoch zu einer Kondensation von Alkalien auf dem Restkoks, so dass zur Vermeidung einer zu großen Alkaliaufkonzentration im Hochtemperaturvergaser nicht der gesamte Restkoks rückgeführt werden kann. Bei herkömmlichen Systemen wird daher ein Teil des mit Alkalien belasteten Restkokses aus dem System entfernt bzw. verworfen.
Durch diese teilweise Nichtweiterverwendung von Restkoks wird jedoch der Wirkungsgrad der Anlage insgesamt vermindert.
Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen beim Betrieb entsprechender Anla- gen, insbesondere nach einer Möglichkeit einer effektiveren Verwertung von Restkoks.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem organischen 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 organischen Einsatzmaterial, beispielsweise Biomasse, aus. Aus dem Einsatzmaterial wird in einem Niedertemperaturvergaser durch Schwelen ein teerhalti- ges 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. Das Synthesegas wird nach Verlassen des Hochtemperaturvergasers zunächst in einer Kühleinrichtung auf eine Temperatur von etwa 600-800°C gekühlt. Die Abkühlung erfolgt erfindungsgemäß derart, d. h. auf eine derartige Temperatur, dass ein wesentlicher Anteil (insbesondere wenigstens Gew.-% 10%, Gew.-% 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder 90%) der im Synthesegas vorhandenen Alkalien in der gasförmigen Phase verbleiben, Kokspartikel aber bereits nicht mehr klebrig sind. Bei höheren Temperaturen ist zwar ein Großteil der Alkalien in der gasförmigen Phase, die Klebrigkeit der Kokspartikel jedoch zu ausgeprägt, was zu Problemen bei der weiteren Handhabung führen kann.
Die konkrete Temperatur, auf die hier abgekühlt wird, kann von der Zusammensetzung des Einsatzmaterials und/oder von Umgebungsbedingungen abhängen. Zur Einstellung einer geeigneten Temperatur kann auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. Es ist auch denkbar, entsprechende Sensoren bzw. Messeinrichtungen vorzusehen, welche die Phase der Alkalien bzw. die Klebrigkeit der Kokspartikel erfassen, und die erfassten Werte an eine Steuereinrichtung, über welche die Temperatur einstellbar ist, geben.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einer stromabwärtig des Hochtempe- raturvergasers und der Kühleinrichtung vorgesehenen Zykloneinrichtung eine Grobfraktion von Kokspartikeln aus dem Synthesegas abgeschieden wird, wobei eine Feinfraktion der Kokspartikel die Zykloneinrichtung mit dem Synthesegas passiert. Die Feinfraktion von Kokspartikeln verlässt mit dem Synthesegas, welches die gasförmigen Alkalien enthält, die Zykloneinrichtung und kann aus dem System entfernt werden. Die Grobfraktion der Kokspartikel, welche im Wesentlichen alkalifrei ist, kann dem Hochtemperaturvergaser wieder zugeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das die Zykloneinrichtung passierende Synthesegas in einem stromab- wärtig der Zykloneinrichtung vorgesehenen Kühler weiter abgekühlt. Die im Synthesegas vorhandenen Kokspartikel der Feinfraktion weisen hierbei beispielsweise Durchmesser von 0,1 bis 10 pm auf. Bei der weiteren Abkühlung kondensieren die ebenfalls im Synthesegas vorhandenen Alkalien auf der Oberfläche dieser Kokspartikel. Hiermit erfolgt eine gezielte Abscheidung der Alkalien auf den Partikeln der Feinfraktion, wel- che die Zykloneinrichtung mit dem Synthesegasstrom passiert. Die Partikel der Fein- fraktion eignen sich besonders gut für eine Alkaliabscheidung, da sie eine relativ große Oberfläche bei relativ geringer Masse aufweisen. Hierdurch steht für die Kondensation eine relativ große Oberfläche zur Verfügung, wobei der Heizwertverlust relativ gering ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Grobfraktion der Kokspartikel, insbesondere unter Ausnutzung der Schwerkraft, in einem Pufferbehälter und anschließend in ein senkrecht angeordnetes Standrohr überführt, wobei die Höhe des Standrohres so gewählt ist, dass in dessen unterstem Teil ein für eine Fluidisie- rung ausreichender Druck bereitgestellt wird, um eine Dichtstromförderung zu ermöglichen und den Eintritt des hierdurch bereitgestellten Kokses in den Hochtemperaturvergaser zu gewährleisten. Der Durchmesser des Standrohres wird so gewählt, dass eine Brückenbildung der Kokspartikel der Grobfraktion vermieden werden kann. In besonders vorteilhafter Weise kann der unterste Teil des Standrohres mit einem weiter verringerten Durchmesser ausgebildet sein, wodurch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bereitgestellt werden kann, so dass die für die Dichtstromförderung erforderliche Fluidisierung nur in diesem untersten Bereich des Standrohres gewährleistet ist.
Der im Pufferbehälter bzw. im Standrohr vorhandene Restkoks wirkt als Drucksperre, so dass vom untersten Teil des Standrohres in den Hochtemperaturvergaser zurückgeführter Koks unter einem geeigneten Förderdruck gefördert werden kann. Gegenüber dem Druck in der Zykloneinrichtung herrscht im untersten Teil des Standrohres bevor- zugt ein Überdruck von etwa 0,2 bis 1 bar.
Zweckmäßigerweise wird die Rückführung von Koks über den Pufferbehälter und das Standrohr bei einer Temperatur durchgeführt, welche im Wesentlichen der Temperatur in der Zykloneinrichtung entspricht. Hierdurch kann Koks auf sehr hoher Temperatur in den Hochtemperaturvergaser zurückgeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vergasung entsprechend verbessert ist, beispielsweise 0,5% bis 1%.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren weiter erläutert, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Anlage, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung.
Ausführungsform der Erfindung
In Figur 1 ist eine Anlage dargestellt, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Anlage 10 um- fasst einen Niedertemperaturvergaser 1 und einen Hochtemperaturvergaser 2.
In den Niedertemperaturvergaser 1 kann ein Einsatzmaterial, beispielsweise Biomasse wie Holz oder entsprechende Abfälle, wie zuvor erläutert, eingespeist werden (mittels Pfeil 1 1 veranschaulicht). Über eine Leitung 12 kann beispielsweise Sauerstoff einge- speist werden. Der Niedertemperaturvergaser 1 ist zum Verschwelen des festen organischen Einsatzmaterials A eingerichtet. Hierzu kann der Niedertemperaturvergaser 1 extern, beispielsweise mit Abwärme des Hochtemperaturvergasers 2, auf eine geeignete Temperatur, beispielsweise 300 °C bis 600 °C, aufgeheizt werden. In einer Anfahrphase der Anlage können hierbei auch Anfahrbrenner des Hochtemperaturverga- sers 2 eingesetzt werden.
Über eine Leitung 13 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 teilweise oxidiert, wodurch sich, Temperaturen von beispielsweise 1.400 °C bis 2.000 °C ergeben. Hierdurch wird ein Synthesegas erhalten. In diesem Synthesegas enthaltene Kokspartikel weisen aufgrund der hohen Temperatur eine starke Klebrikeit auf. Das am Ausgang des Hochtemperaturvergasers 2 erhal- tene Synthesegas wird einem Kühler 30 zugeführt, und dort beispielsweise auf eine Temperatur von 600 bis 800°C abgekühlt.
Diese Temperatur ist so gewählt, dass im Synthesegas vorhandene Alkalien zu einem wesentlichen Anteil in der gasförmigen Phase verbleiben, und in dem Synthesegas enthaltene Kokspartikel bereits keine Klebrigkeit mehr aufweisen. Nach dieser Kühleinrichtung wird das Synthesegas einer Zykloneinrichtung 4 zugeführt wo eine Grobfraktion des Restkokses in einem Pufferbehälter 15 abgeschieden wird, während das Synthesegas, welches unter Anderem eine Feinfraktion von Koksparti- kein (beispielsweise mit Durchmessern 0,1 - 10 μηη) und gasförmige Alkalien erhält, über eine Leitung 17 einer weiteren Kühleinrichtung 19 zugeführt wird.
In der Kühleinrichtung 19 wird das Synthesegas derart gekühlt, beispielsweise auf Temperaturen von 100°C bis 200°C, so dass die Alkalien auf den Partikeln der Fein- fraktion der Kokspartikel kondensieren. Dieser mit Alkalien kontaminierte Restkoks kann z. B. mittels (nicht dargestellter) nasser Gaswäsche aus dem Synthesegasstrom entfernt werden.
Die Grobfraktion des Restkokses, welche im Wesentlichen frei von Alkalien ist, gelangt, wie erwähnt, durch Schwerkraft in den Pufferbehälter 15 und anschließend in ein unterhalb des Pufferbehälters 15 senkrecht angeordnetes Standrohr 25. Der Durchmesser des Standrohres wird dazu gewählt, dass eine Brückenbildung der Kokspartikel vermieden werden kann. Bevorzugte Durchmesser des Standrohres sind hierbei 300 mm bis 1.000 mm.
Die Höhe h des Standrohres, beispielsweise 5 bis 50 Meter, wird so gewählt, dass bei einem Fluidisieren der im untersten Teil des Standrohres vorhandenen bzw. sich befindlichen Kokspartikel ein ausreichend großer Druckaufbau erreicht wird, so dass eine Dichtstromförderung mittels eines geeigneten Fördergases (Inertgas, beispielsweise C02) betrieben werden kann. Eine derartige Dichtstromförderung stellt eine besonders effektive Form der Förderung des Kokses zurück in den Hochtemperaturvergaser dar. Der unterste Teil 25a des Standrohres 25 wird durch eine Durchmesserverringerung so ausgebildet, dass hier die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Gases für die Fluidisierung ausreichend ist, für den darüber befindlichen größeren Querschnitt aber nicht.
Die Förderung des Kokses von dem Standrohr 25 zu dem Hochtemperaturvergaser erfolgt über eine Leitung 30, welche beispielsweise über ein Ventil 32, mit einem Fördergas beaufschlagbar ist. Es ist bevorzugt, dass die Förderung auf dem Temperatur- niveau der Zykloneinrichtung erfolgt. Dies bedeutet, dass der rückgeführte Koks bei seiner Rückführung in die in den Hochtemperaturvergaser im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie während seiner Abscheidung in der Zykloneinrichtung 4 aufweist.
Die dargestellte Anlage somit ist in der Lage, gezielt Alkalien aus dem zurückzuführen- den Restkoks auszuschleusen.
Sie ist ferner in der Lage, Restkoks mit hoher Temperatur in den Hochtemperaturvergaser zurückzuführen, wodurch insgesamt der Wirkungsgrad der Vergasung erhöht ist. Eine derartige Anlage ist in sehr kostengünstiger Weise bereitstellbar. Die Anlage weist keine mechanisch bewegten Teile auf, und ist daher im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen sehr zuverlässig und wartungsarm. Der Wirkungsgrad des Vergasers ist gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht, da ein geringerer Anteil von Koks verworfen werden muss. Die dargestellten Komponenten Zykloneinrichtung 4, Pufferbehälter 15 und Standrohr 25 können auch weiter stromabwärtig im System vorgesehen sein, beispielsweise stromabwärtig der Kühlungseinrichtung 19. In diesem Fall entfällt allerdings der Vorteil der effektiven Wärmerückführung und der gezielten Alkaliausschleusung. Der Vorteil der Zuverlässigkeit durch Abwesenheit bzw. Minimierung der Anzahl bewegter Teile bleibt erhalten.