AT500513B1 - Production of hydrogen and usable heat by iron water vapor process comprises gasifying heat low calorific value fuels to raw gas, reducing fuels in reactor and supplying the gas to heat exchangers and water vapor separator - Google Patents
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Abstract
Description
Γ i 2 AT 500 513 B12 i 2 AT 500 513 B1
Die Wasserstoffherstellung mittels des Eisen-Wasserdampf-Prozesses erfolgt durch die Oxidation einer Kontaktmasse, die zum überwiegenden Teil aus Eisen (Fe) und/oder Wüstit (FeO) besteht, mit Wasserdampf. Der entstehende Magnetit (Fe304) wird durch ein Reduktionsgas zu Eisen und/oder Wüstit reduziert. Dieser Prozeß kann kontinuierlich (z.B. in einem Wirbelbett) 5 oder diskontinuierlich (z.B. in einem Festbett) betrieben werden.The hydrogen production by means of the iron-steam process is carried out by the oxidation of a contact mass, which consists predominantly of iron (Fe) and / or wustite (FeO), with water vapor. The resulting magnetite (Fe304) is reduced by a reducing gas to iron and / or wustite. This process can be operated continuously (e.g., in a fluidized bed) 5 or discontinuously (e.g., in a fixed bed).
Ein Verfahren und System der eingangs genannten Art ist aus der Patentanmeldung EP 0 677 882 A1 bekannt. Bei dem insofern bekannten Verfahren wird zunächst die Biomasse in einem Reformer unter Zugabe von Wasserdampf oder Wasser in ein wasserstoffhältiges io Rohgas vergast und dann der Rohgasaufbereitungsvorrichtung zugeführt um dort das Brenngas zu erzeugen. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Reformierung der Biomasse mit Wasserdampf. Das dabei gewonnene Rohgas wird als Reduktionsgas im Metallschwammreaktor eingesetzt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das Rohgas, bedingt durch die Reformierung mit Wasserdampf, einen hohen Anteil an Wasserdampf beinhaltet und somit die Redukti-15 onsfähigkeit des Rohgases in bezug auf die Kontaktmasse abnimmt.A method and system of the aforementioned type is known from patent application EP 0 677 882 A1. In the process known so far, the biomass is first gasified in a reformer with the addition of water vapor or water in a hydrogen-containing raw gas io and then fed to the Rohgasaufbereitungsvorrichtung to produce there the fuel gas. In this known method, the reforming of the biomass is carried out with steam. The raw gas obtained is used as a reducing gas in the metal sponge reactor. A disadvantage of this method is that the raw gas, due to the reforming with water vapor, contains a high proportion of water vapor and thus decreases the Redukti-15 onsfähigkeit the raw gas with respect to the contact mass.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, bestehende Verfahren und Systeme auf die Produktion von Wasserstoff aus verunreinigten Rohgasen, die durch die Vergasung von heizwertarmen Brennstoffen, das sind solche, die hohe Wassergehalte und/oder anorganische 20 Anteile oder hohe Sauerstoffgehalte in der organischen Substanz aufweisen, wie die Biobrennstoffe Stroh, Holz, Gras, Laub, Rinde sowie speziell gezüchtete, für die energetische Nutzung vorgesehene Pflanzen, Abfallstoffe wie Hausmüll, Gewerbemüll, kommunaler sowie industrieller Klärschlamm, Reste aus der Aufbereitung von verwendeten Industriegütern, belastete Schwachgase, wie Deponie- und Klärgase und Feststoff/ÖL- oder Feststoff/Wasserschlämme 25 unterschiedlicher Herkunft erzeugt werden, anzuwenden.The invention is based on the technical problem of existing methods and systems for the production of hydrogen from contaminated raw gases obtained by the gasification of low-calorific fuels, those having high water contents and / or inorganic contents or high oxygen contents in the organic substance such as biofuel straw, wood, grass, leaves, bark and specially bred, intended for energy use plants, waste such as household waste, industrial waste, municipal and industrial sewage sludge, residues from the processing of used industrial goods, contaminated low-level gases, such as landfill and Clarifying gases and solid / oil or solid / water sludge 25 of different origin can be generated to apply.
Dies wird durch die Vergasung mit Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft erreicht, da so der Wasserdampfanteil im Rohgas niedrig bleibt. Die Reduzierbarkeit der Kontaktmasse wird in erster Linie durch das Partialdruckverhältnis zwischen Wasserstoff und Wasserdampf bzw. 30 zwischen Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bestimmt. Im Fall des Eisenschwammes liegen die Grenzen der Reduzierbarkeit durch ein Rohgas aus heizwertarmen Brennstoffen in der Wüstitstufe.This is achieved by gasification with air or oxygen-enriched air, as this way the water vapor content in the raw gas remains low. The reducibility of the contact mass is determined primarily by the partial pressure ratio between hydrogen and water vapor and 30 between carbon monoxide and carbon dioxide. In the case of sponge iron, the limits of reducibility by a raw gas from low-calorific fuels are in the Wüstitstufe.
Da die Reduktion der Kontaktmasse um ein Vielfaches langsamer als die Oxidation verläuft, 35 wird die Reduktion in einer oder mehreren Retorten durchgeführt, welche in Serie oder parallel geschalten werden (Fig. 2).Since the reduction of the contact mass is many times slower than the oxidation, the reduction is carried out in one or more retorts, which are connected in series or in parallel (FIG. 2).
Da die Volumenanteile der Brenngase im Rohgas aus der Vergasung durch heizwertarme Brennstoffe gering sind, ist auch die Nutzung dieser im Reduktionsverfahren niedrig, was eine 40 weitere Verwendung des Schwachgases zur Wärmegewinnung im und/oder außerhalb des Prozesses durch dessen Verbrennung und/oder Nutzung der thermischen Energie durch Wärmetauscher oder eine weitere Verwendung außerhalb des Prozesses ermöglicht.Since the volume fractions of the fuel gases in the raw gas from the gasification by low-calorific fuels are low, the use of these in the reduction process is low, resulting in further use of the lean gas for heat recovery in and / or outside the process by its combustion and / or use of thermal Energy through heat exchangers or further use outside the process allows.
Nach der Reduktion der Kontaktmassen können diese durch Ablagerungen des Rohgases 45 verunreinigt sein, weshalb ein kurzer Reinigungsschritt durch Wasserdampf oder ein anderes Oxidationsmittel eingeleitet wird. Dieses Gas wird dem Schwachgasstrom zugeleitet.After reduction of the contact masses, these may be contaminated by deposits of the raw gas 45, for which reason a brief purification step is initiated by steam or another oxidizing agent. This gas is fed to the lean gas stream.
Im folgenden wird die Erfindung an zwei zeichnerischen und vereinfachten Darstellungen erläutert. Fig. 1 zeigt ein System des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches vom grundsätzlichen so Aufbau ein Trocknungsmodul (1) für heizwertarme Brennstoffe mit hohem Wassergehalt, einen Vergaser mit Staubabscheider (3), eine Teerabscheidung (4), einem Reaktor (5), eine Schwachgasweiterverwendungseinrichtung, bestehend aus den Wärmetauschern (8), (10), (15) und (16), den Schwachgasbrennern (2) und (9) und dem Wasserabscheider (12), ein Dampferzeugermodul (6) und ein Brenngasaufbereitungsmodul, bestehend aus der Gasreinigungsein-55 heit (7) und dem Kondensationsschritt, bestehend aus den Wärmetauschern (11) und (13) und 3 AT 500 513 B1 dem Wasserabscheider (12), beinhaltet. Ein Teil der aus dem Schwachgas gewonnenen Wärme wird im Prozess weiter verwendet. Der Rest kann als nutzbare Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus abgeführt werden. 5 Im einzelnen besteht das Trocknungsmodul (1) aus einem von außen beheizten Wärmetauscher, wobei diese Wärme als letzte Ausnutzungsstufe des Schwachgases gesehen werden soll und einer kontinuierlichen Brennstoffförderung, welche die heizwertarmen Brennstoffe weiter in den Vergaser (3) bringen, in welchem sie bei Temperaturen zwischen 700°C und 900°C, vorzugsweise bei 800°C, unter Zugabe von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft io zu einem Wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Rohgas vergast werden, wobei danach ein Staubabscheider nachfolgt und das Rohgas im nachgeschaltenen Reaktor (5) zu einem Schwachgas oxidiert wird, welches zur Weiterverwendung für folgende Varianten zur Verfügung steht: 15 1. Wärmeabgabe in das System, im speziellen zur Wärmelieferung an den Vergaser (3) und nachfolgend an das Trocknungsmodul (1), wobei die Möglichkeit der Verbrennung des Schwachgases im Schwachgasbrenner (2) möglich ist. Wärme wird außerhalb oder innerhalb des Prozesses über den Wärmetauscher (8) vom Schwachgasstrom abgegeben und das Schwachgas nachfolgend in einem Schwachgasbrenner (9) vollständig verbrannt, und 20 als Wärmequelle für den Reaktor (5) verwendet und danach wird die restliche Wärme über den Wärmetauscher (10) abgegeben. 2. Das Schwachgas wird durch einen Kondensationsschritt, bestehend aus einem Kühler (15), einem Kondensatabscheider (12) und einem Überhitzer (16) in ein wasserdampfar- 25 mes Schwachgas reformiert und dem eigentlichen Rohgas, vollständig oder teilweise, bei gemischt. 3. Das Schwachgas, oder Teile davon, werden direkt oder nach einem Kondensationsschritt, wie unter Punkt 2 beschrieben in den Vergaser (3) eingeleitet. 30In the following the invention will be explained in two diagrammatic and simplified representations. 1 shows a system of the method according to the invention, which basically has a drying module (1) for low-calorie fuels with a high water content, a gasifier with a dust separator (3), a tar separation (4), a reactor (5), a lean gas further utilization device, consisting of the heat exchangers (8), (10), (15) and (16), the low-gas burners (2) and (9) and the water separator (12), a steam generator module (6) and a fuel gas treatment module, consisting of the gas purification unit 55 unit (7) and the condensation step, consisting of the heat exchangers (11) and (13) and 3 AT 500 513 B1 the water separator (12) includes. Part of the heat gained from the lean gas will continue to be used in the process. The remainder can be dissipated as usable heat at different temperature levels. 5 In detail, the drying module (1) consists of a heat exchanger heated from the outside, this heat is to be seen as the last utilization stage of the lean gas and a continuous fuel delivery, which bring the low-calorific fuels in the carburetor (3), in which they at temperatures between 700 ° C and 900 ° C, preferably at 800 ° C, with the addition of air or oxygen-enriched air io be gasified to a hydrogen and carbon monoxide-containing crude gas, followed by a dust follows and the raw gas in the downstream reactor (5) is oxidized to a weak gas, which is available for further use for the following variants: 15 1. heat dissipation into the system, in particular for heat supply to the gasifier (3) and subsequent to the drying module (1), the possibility of combustion of the lean gas in the Low gas burner (2) is possible. Heat is released from the lean gas stream outside or inside the process via the heat exchanger (8), and the lean gas is subsequently completely burned in a lean gas burner (9), and 20 is used as a heat source for the reactor (5) and thereafter the remaining heat is transferred through the heat exchanger (FIG. 10). 2. The lean gas is reformed by a condensation step, consisting of a condenser (15), a condensate (12) and a superheater (16) in a water vapor 25 me weak gas and the actual raw gas, in whole or in part, mixed. 3. The lean gas, or parts thereof, are introduced into the gasifier (3) directly or after a condensation step as described under point 2. 30
Der Oxidationsschritt erfolgt mittels überhitztem Wasserdampf welcher im Dampferzeuger <6) produziert wird. Der Wasserdampf wird über die aus dem Reduktionsschritt gewonnene reduzierte Kontaktmasse in den Reaktor (5) geleitet und bildet das Brenngas, welches ein Wasser-dampf/Wasserstoff-Gemisch ist, unter gleichzeitiger Oxidation der Kontaktmassen. 35The oxidation step is carried out by means of superheated steam produced in the steam generator < 6). The water vapor is passed through the reduced contact mass obtained from the reduction step into the reactor (5) and forms the fuel gas, which is a water vapor / hydrogen mixture, with simultaneous oxidation of the contact masses. 35
Dieses Brenngas wird kurzzeitig dem Schwachgas zugeleitet, um die Verunreinigungen, die sich auf den Kontaktmassen abgelagert haben, vom Brenngasstrom zu separieren. Danach erfolgt die Umschaltung zur Brenngasleitung. Je nach Anforderungen an die Gasreinheit kann das Gas in der Gasreinigungseinheit (7) endgereinigt werden und im Wärmetauscher (13) auf 40 die erforderliche Temperatur gebracht werden.This fuel gas is briefly fed to the lean gas to separate the impurities that have been deposited on the contact masses of the fuel gas stream. Thereafter, the switchover takes place to the fuel gas line. Depending on the requirements of the gas purity, the gas in the gas cleaning unit (7) can be finally cleaned and brought to 40 in the heat exchanger (13) to the required temperature.
Der Reaktor, gemäß Fig. 2, besteht aus zumindest zwei Retorten, wobei zumindest eine der Reduktion und zumindest eine der Oxidation dient. Da die Reduktion der Kontaktmasse wesentlich langsamer als die Oxidation abläuft, ist es vorteilhaft, für die Reduktion gleichzeitig mehrere 45 Retorten einzusetzen. Fig. 2 zeigt die mögliche Anordnung von drei Retorten, wobei in einer Retorte (22) die Oxidation, und in zwei in Serie oder parallel geschaltenen Retorten (22) die Reduktion abläuft. Insbesondere bei in Serie geschaltenen Retorten wird das zum Teil oxidierte Rohgas zwischen jeder Retorte in einem Wärmetauscher (21) erhitzt und somit eine möglichst geringe Abkühlung der Kontaktmasse während der Reduktion gewährleistet. Die Schwachgas-50 Verwertung (23) erfolgt im Anschluss. Die gewonnene Energie kann im una/oaer außerhalb des Prozesses Verwendung finden. 55The reactor, according to FIG. 2, consists of at least two retorts, at least one of which serves for the reduction and at least one of the oxidation. Since the reduction of the contact mass proceeds much more slowly than the oxidation, it is advantageous to use several 45 retorts for the reduction at the same time. Fig. 2 shows the possible arrangement of three retorts, wherein in a retort (22) the oxidation, and in two series or parallel connected retorts (22), the reduction proceeds. Particularly in the case of retorts connected in series, the partially oxidized raw gas is heated between each retort in a heat exchanger (21), thus ensuring the lowest possible cooling of the contact mass during the reduction. The low-gas 50 recovery (23) takes place afterwards. The energy gained can be used outside and outside the process. 55
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AT500513A1 AT500513A1 (en) | 2006-01-15 |
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ES2142960T3 (en) * | 1994-04-12 | 2000-05-01 | Binsmaier Hannelore | PROCEDURE FOR THE PRODUCTION OF ELECTRIC ENERGY FROM A RECOVERY BIOLOGICAL MASS. |
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