AT405937B

AT405937B - Verfahren zur erzeugung eines stickstoffarmen gases und vergasungsanlage

Info

Publication number: AT405937B
Application number: AT0181695A
Authority: AT
Inventors: Erich Dipl Ing Dr Fercher; Herbert Dr Mackinger; Karl Dipl Ing Voigtlaender; Alfred Dipl Ing Glasner; Georg Dipl Ing Obwaller
Original assignee: Austrian Energy & Environment
Priority date: 1995-11-03
Filing date: 1995-11-03
Publication date: 1999-12-27
Also published as: ATA181695A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstoffreien Gases durch Vergasung von Brennstoffen, insbesondere heterogener, biogener Brennstoffe und Kunststoffe, in einem Reaktor bestehend aus einer Vergasungs- und einer Verbrennungszone, wobei der Reaktor ein fluldisiertes Bettmaterial enthält, welches kontinuierlich in erhitztem Zustand von der Verbrennungszone in die Vergasungszone und von der Vergasungszone Im abgekühlten Zustand mitsamt dem nicht vergasten Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone geführt wird.

Es ist bekannt, Brennstoffe bei Temperaturen von etwa 800 Grad durch Einwirkung einer gesteuerten Luftmenge und gegebenenfalls Wasserdampf zu vergasen. Dies hat den Nachteil, dass das erzeugte Brenngas einen hohen Stickstoffgehalt aufweist, sodass dessen Brennwert gering ist
Es Ist ferner aus der EP 302 849 A 1 bekannt, bei einer Wirbelbettverbrennung den zu verbrennenden Brennstoff zuerst zu pyrolisieren, anschliessend zu verbrennen und schliesslich das Pyrolysegas in die Brennkammer einzuleiten und zu verbrennen. Dieses Verfahren führt zu keiner Brenngasgewinnung.

Die US 3 853 498 A offenbart ein Verfahren, bei dem Hausmüll in inerter Atmosphäre pyrolisiert und das Bettmaterial in einer getrennten Verbrennungszone erhitzt wird. Die US 4 405 339 A schlägt eine Wirbelbettvorrichtung vor, die eine Zone zum Cracken von Brennmatenal und eine Aufheizzone zum Erhitzen des Wärmeträgermediums durch Verbrennung der Reststoffe aus der Crackzone. Die Verfahren der beiden letztgenannten Patentschriften führen zu einem Produktgas, dass eine für unsere Zwecke zu hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen enthält.

Die EP 202 215 A2 offenbart ein Verbrennungsverfahren in einem Wirbelschichtofen mit interner Zirkulation des Feststoffes. Es wird jedoch kein Produktgas erzeugt. Die GB 2 203 445 A schlägt ein Verfahren zur Erzeugung von Methan vor, bei dem die Vergasung in einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, heterogene, biogene Brennstoffe und Kunststoffe zu verwerten und daraus ein möglichst stickstofffreies Brenngas mit hohem Brennwert oder Synthesegas zu gewinnen, dass zur Stromerzeugung oder zur Synthese organischer Produkte geeignet ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in eine als stationäres Wirbelbett ausgebildete Vergasungszone, die durch Wasserdampf und/oder C02 fluidisiert ist, eingebracht wird, dieser durch Reaktion mit den Fluidisierungsgasen bzw. Vergasungsmittel Wasserdampf und/oder C02 und mit Hilfe der Wärme des Bettmaterials unter Luftabschluss entgast und teilweise vergast wird, wobei das aufsteigende Produktgas abgezogen wird, das abgekühlte Bettmaterial mit dem nicht vergasten Restbrennstoff über schleusenartige Vorrichtungen wie eine Engstelle in die Verbrennungszone gelangen, in der Verbrennungszone das Bettmaterial mit dem Restbrennstoff durch Luft unter Bildung eines schnellen Wirbelbettes fluidisiert und der Restbrennstoff verbrannt wird,

das Bettmaterial nach Abscheidung vom Verbrennungsabgas über schleusenartige Vorrichtungen wie einen Siphon auf die stationäre Wirbelschicht der Vergasungszone aufgegeben wird. Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die erfindungsgemässe Vergasungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe vom Gehäuse einer intern zirkulierenden Wirbelschicht gebildet ist, deren Vorraum für die Rückführung des heissen Bettmaterials als Vergasungszone mit stationärem Wirbelbett und das eigentliche Wirbelbett als Verbrennungszone ausgebildet ist, wobei bei der Einbindung sowohl des Brennstoffbettmaterialgemisches in das eigentliche Wirbelbett als auch bei der Rückführung des heissen Bettmaterials in den Vorraum schleusenartige Vorrichtungen, wie eine Engstelle oder ein Siphon, vorgesehen sind. Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht dann, dass als Bettmaterial insbesondere in Mischung mit Sand, ein katalytisch wirkendes Agens insbesondere Nickel - und/oder Niobverbindungen, in Verwendung ist.

Durch die Verwendung eines katalytisch wirkenden Bettmaterials, insbesondere auf Nickel- und/oder
Niobbasis, lässt sich das bei der Entgasung und Vergasung gebildete Gas veredeln, indem praktisch nur mehr CO, C02 und H2 als brennbare Bestandteile, sowie Wasserdampf vorhanden sind oder ein methanreiches Gas mit hohem Brennwert erzeugt wird. Darüber hinaus lässt sich die Vergasungstemperatur von etwa 800. C auf 650. C absenken.

Die Erfindung wird anhand der angeschlossenen schematischen Figur beispielhaft erklärt.

Bei der Vergasung von kohlenstoffhältigem Material mit Luft und Wasserdampf oder C02, insbesondere von heterogenen oder biogenen Brennstoffen, wie zum Beispiel Biomasse, Kohle, Kunststoffe oder vorsortierter Müll entsteht ein Mischgas, welches CO, C02, H2 und eventuell CH4 und höhere Kohlenwasserstoffe enthält. Findet die ganze Vergasung in Gegenwart eines Nickel- oder Niobkatalysators statt, so werden auch die Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel das CH4 in CO und H2 umgewandelt. Durch die Vermei- dung von Luftzutritt lässt sich praktisch ein stickstofffreies Produktionsgas herstellen, weiches einen hohen
Heizwert aufweist.

In Figur 1 ist beispielsweise und schematisch ein Vergasungsreaktor dargestellt, der aus einem Gehäuse besteht, weiches einen als stationäre Wirbelschicht ausgebildeten Vorraum 1 und ein Wirbelbett 2 als eigentliche Verbrennungszone aufweist. Im Vorraum wird der zu vergasende Brennstoff mit dem heissen Bettmaterial und H20-Dampf oder C02 unter Luftabschluss in Berührung gebracht, sodass dieser als Vergasungsraum bezeichnet werden kann. Dieser Vergasungsraum ist im unteren Bereich als langsamer Teil einer zirkulierenden Wirbelschicht ausgebildet, in dem das Bettmaterial mit dem Restbrennstoff langsam nach unten sinkt und in das eigentliche Wirbelbett übergeführt wird, wo das Gemisch durch Luftzufuhr fluidisiert wird und dadurch der entgaste Brennstoff und teilvergaste Brennstoff verbrennt.

Durch die Verbrennung steigt die Sandtemperatur, sodass nach einer Abtrennung des Abgases vom Sand in einem sogenannten U-Beam (17), bzw. an einer Prallwand (18) über einen Siphon (15) wieder in den Vorraum zurückgeführt wird. Zur Unterstützung des Siphons (15) ist diesem ein Sandraum (16) vorgeschaltet, sodass der Siphon die Vergasungskammern von Fremdgasbeimischungen freihält. Eine ähnliche Abdichtung wird auch im unteren Teil beim Eintritt in das Wirbelbett vorgesehen, in dem das Brennstoffsandgemisch durch eine Engstelle (8) geführt wird, bevor es mit der Pnmärluft, bzw. Förderluft (11) in Verbindung kommt. Entstehende Aschenpartikel werden über den Stutzen (10) abgezogen. Der Vorraum (1) kann durch Wasserdampf oder C02 fluidisiert werden. Zu diesem Zweck ist eine Anströmkammer (7) und ein spezieller Düsenboden (6) vorgesehen.

Durch den Stutzen (9) kann eventuell angesammeltes Kondensat abgezogen werden. Der zur Vergasung notwendige Brennstoff, wie zum Beispiel Hackschnit- zel, wird beispielsweise über die Schnecke (5) in zerkleinerter Form aufgegeben. Der Vorraum (1) weist im Bereich der Austrittsöffnung des Siphons (15) eine speziell geformte Nase (3) auf, über die der heisse rückgeführte Sand gleichmässig auf das Vergasungsbett (4) aufgeteilt wird. Der Vorraum (1) weist schliesslich eine getrennte Gasabfuhr (20) auf, durch die das Gas der Verwertung zugeführt wird. Das im Wirbelbett entstehende Abgas wird über den Gasabzug (19) abgeleitet.

Der erfindungsgemässe Reaktortyp bietet die Möglichkeit katalytisch wirksames Bettmaterial zu verwenden und damit die Vergasungstemperatur auf etwa 650. C zu senken, die Vergasungsgeschwindigkeit zu erhöhen und auch die Gasqualität zu verbessern bzw. zu verändern. Dies ist besonders günstig wenn das Gas anschliessend beispielsweise in einer Brennstoffzelle verwertet wird. Ein weiterer Vorteil dieses Reaktortyps ist, dass sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen Verbrennungs- und Vergasungsreaktion einstellt, wodurch sich der Betrieb stabilisiert. Vergasungstemperatur durch Wasserdampfzufuhr geregelt wird indem durch endotherme Reaktionen ein Teil des Wasserdampfes mit Kohlenstoff reagiert.

Da die Vergasungsreaktion endotherm ist. wird bei sinkender Temperatur weniger Brennstoff zersetzt und es geht ein höherer Anteil des nicht vergasten Kohlenstoffs in den Verbrennungsteil über, dadurch wird dort mehr Energie an das Bettmaterial (Sand) abgegeben und so wird die Temperatur im Vergasungstell wieder erhöht und damit die Vergasungsleistung erhöht. Durch Zufeuerung mit anderen festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in den Verbrennungsteil kann die Temperatur im Vergasungsteil erhöht werden.

Anwendungsmöglichkeiten für dieses Verfahren sind die Synthesegaserzeugung, Brenngaserzeugung und die Strom- und Wärmeerzeugung in der sogenannten Kraftwärmekopplung. Zur Synthesegaserzeugung eignet sich besonders die Vergasung von Kunststoffen. Die Brenngaserzeugung ist besonders wirtschaftlich, wenn das Gas ohne Abkühlung und Reinigung als Heissgas in einer Gasturbine zum Beispiel eines Kraftwerkes, verbrannt werden kann.

Die Verwendung von Katalysatoren im Bettmateria) einer zirkulierenden Wirbelschicht erlaubt nicht nur die Gewinnung eines veredelten Gases, sondern auch die automatische Regenerierung des Katalysators, indem dieser in der Verbrennungszone eine höhere Temperatur in oxidierender Atmosphäre zu seiner Regenerierung erreicht, als bei seiner Verwendung im Vergasungsteil in reduzierender Atmosphäre.

Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung eines stickstoffarmen, bzw. nahezu stickstoffreien Gases durch Vergasung von Brennstoffen, insbesondere heterogener, biogener Brennstoffe und Kunststoffe, in einem Reaktor bestehend aus einer Vergasungs- und einer Verbrennungszone, wobei der Reaktor ein fluidisiertes
Bettmaterial enthält, welches kontinuierlich in erhitztem Zustand von der Verbrennungszone in die
Vergasungszone und von der Vergasungszone im abgekühlten Zustand mitsamt dem nicht vergasten
Restbrennstoff zurück in die Verbrennungszone geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennstoff in eine als stationäres Wirbelbett ausgebildete Vergasungszone (1), die durch Wasserdampf und/oder C02 fluidisiert ist, eingebracht wird. dieser durch Reaktion mit den Fluidisierungsgasen bzw.

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Claims

Vergasungsmittel Wasserdampf und/oder C02 und mit Hilfe der Wärme des Bettmaterials unter Luftabschluss entgast und teilweise vergast wird, wobei das aufsteigende Produktgas (20) abgezogen <Desc/Clms Page number 3> wird, das abgekühlte Bettmaterial mit dem nicht vergasten Restbrennstoff über schleusenartige Vorrichtun- gen, wie eine Engstelle (8), in die Verbrennungszone (2) gelangen, in der Verbrennungszone (2) das Bettmaterial mit dem Restbrennstoff durch Luft (11) unter Bildung eines schnellen Wirbelbetts fluidisiert und der Restbrennstoff verbrannt wird, das Bettmaterial nach Abscheidung vom Verbrennungsabgas (19) über schleusenartige Vorrichtungen, wie einen Siphon (15), auf die stationäre Wirbelschicht der Vergasungszone (1) aufgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zuführung des Bettmateri- als mit dem Restbrennstoff in die Verbrennungszone (2) der Fluss des Bettmaterialbrennstoffgemisches durch eine Verengung (8) des Strömungskanals beschleunigt wird und das Bettmaterial nach der Verbrennung des Restbrennstoffes durch Feststoffabscheider (17,18) vom Verbrennungsgas (19) getrennt und über einen Siphon (15) In die Vergasungszone (1) zurückgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des erzeugten Gases (20) durch das Verhältnis Brennstoff-Vergasungsmittel und durch die Vergasungstem- peratur geregelt wird
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB als Bettmaterial ein katalytisch wirkendes Agens, Insbesondere Nickel und/oder Niobverbindungen verwendet wird, mit welchen die bei der Vergasung entstehenden Kohlenwasserstoffe gespalten werden und dadurch ein CO-, C02- und H2- Mischgas erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirkende Agens In der Verbrennungszone (2) regeneriert wird.
6. Vergasungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe vom Gehäuse einer intern zirkulierenden Wirbelschicht gebildet ist, deren Vorraum (1) für die Rückführung des heissen Bettmaterials als Vergasungszone mit stationärem Wirbelbett und das eigentliche Wirbelbett (2) als Verbrennungszone ausgebildet ist, wobei bei der Einbindung sowohl des Brennstoffbettmaterialgemisches in das eigentliche Wirbelbett (2) als auch bei der Rückführung des heissen Bettmatenals in den Vorraum (1) schleusenartige Vorrichtungen, wie eine Engstelle (8) oder ein Siphon (15), vorgesehen sind.
7. Vergasungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Bettmaterial insbesondere in Mischung mit Sand, ein katalytisch wirkendes Agens insbesondere Nickel - und/oder Niobverbindun- gen, in Verwendung ist.