AT518210A1

AT518210A1 - Verfahren zur Gasaufbereitung von Schwachgasen zur Erzeugung von DME (Dimethylether) und DEE (Diethylether)

Info

Publication number: AT518210A1
Application number: ATA35/2016A
Authority: AT
Inventors: Gruber-Schmidt Johann
Original assignee: Gs-Gruber-Schmidt
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-08-15

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gasaufbereitung von Schwachgasen zur Erzeugung von DME ( Dirnethylether ) und DEE ( Diethylether ) umfasst die Unterkühlung des Schwachgases aus der thermochemischen Umwandlung und die Anwendung der Gaswäsche mit MeOH ( Methanol ), zur Entfernung des in der thermochemischen Umwandlung anfallenden Teers, die Verwendung eines Vorverdichters (22) zur Beförderung des Schwachgases, eines Staubfilters (23), eines Aktivkohlefilters (24), eines Verdichters (26) mit Rückkühlung (27), einer Verdichters (28) mit Rückkühlung (29) und integrierter KohlendioxidabtrennunQ in flüssiger Phase, der Abtrennung des Stickstoffes (N2) aus der Oxidationsluft (18) über ein Druckwechseladsorptionsverfahren, das Gewinnen des Sauerstoffes (21) die Zumischung von Kohlendioxid (C02) zum Sauerstoff (21), um so ein von Partikel und Teer gereinigtes Schwachgas, ein von Störgasen wie Schwefelwasserstoff gereinigtes Schwachgas, mit einem geringen Anteil an Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (C02) und einem definierten Heizwert zu erzeugen. Die Erfindung umfasst auch die Verwertung der aus dem thermochemischen Prozess anfallende Kohle und Aschegemisch durch eine thermochemische Umwandlung zusammen mit Wasserdampf (33} in einem Reaktor (35) zur Erzeugung eines Wasserstoffreichen Schwachgases (38), dass zusammen mit dem Schwachgas (10) zur Verwertung in einem Gas BHKW (15) und zur Verwertung zu DME(Dimethylether) und DEE (Diethylether) aufbereitet wird.

Description

Verfahren zur Gasaufbereitung von Schwachgasen zur Erzeugung von DME (Dimethylether) und DEE (Diethylether)

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gasaufbereitung von Schwachgasen zur Erzeugung von DME ( Dimethylether) und DEE (Diethylether) umfasst die Unterkühlung des Schwachgases aus der thermochemischen Umwandlung und die Anwendung der Gaswäsche mit MeOH (Methanol), zur Entfernung des in der thermochemischen Umwandlung anfallenden Teers, die Verwendung eines Vorverdichters (22) zur Beförderung des Schwachgases, eines Staubfilters (23), eines Aktivkohlefilters (24), eines Verdichters (26) mit Rückkühlung (27), einer Verdichters (28) mit Rückkühlung (29) und integrierter Kohlendioxidabtrennung in flüssiger Phase, der Abtrennung des Stickstoffes (N2) aus der Oxidationsluft (18) über ein Druckwechseladsorptionsverfahren, das Gewinnen des Sauerstoffes (21) die Zumischung von Kohlendioxid (C02) zum Sauerstoff (21), um so ein von Partikel und Teer gereinigtes Schwachgas, ein von Störgasen wie Schwefelwasserstoff gereinigtes Schwachgas, mit einem geringen Anteil an Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (C02) und einem definierten Heizwert zu erzeugen. Die Erfindung umfasst auch die Verwertung der aus dem thermochemischen Prozess anfallende Kohle und Aschegemisch durch eine thermochemische Umwandlung zusammen mit Wasserdampf (33) in einerrt-Reaktor (35) zur Erzeugung eines Wasserstoffreichen Schwachgases (38), dass zusammen mit dem Schwachgas (10) zur Verwertung in einem Gas BHKW (15) und zur Verwertung zu DME(Dimethylether) und DEE (Diethylether) aufbereitet wird.

Unter thermochemischer Umwandlung von Biomasse versteht man die Umwandlung in ein Schwachgas und in ein Kohle und Asche Gemisch. Eine bekannte verfahrenstechnische Möglichkeit ist die Anwendung von Festbettreaktoren in der Bauweise als Schachtreaktoren. In den Festbettreaktoren wird die Biomasse getrocknet, pyrolytisiert und das Pyrolysegas über ein Kohlebett zu einem Schwachgas umgewandelt. Um die Trocknung, Pyrolyse und die Umwandlung im Kohlebett durchführen zu können, wird Wärme im Reaktor (2) benötigt, die entweder extern zugeführt wird, oder durch die interne Erzeugung mit Hilfe von Sauerstoff in einer Oxidationszone aufgebracht wird.

Diese Oxidationszone ist bei Festbettreaktoren eine Glutzone, in der Biomasse zum Teil verbrannt wird, und die dabei entstehende Wärme wird für die thermochemische Umwandlung verwendet. Der benötigte Luftsauerstoff wird in der Oxidationszone mit Düsen eingebracht. Da der Wärmebedarf geringer ist als die dem Reaktor zugeführte gesamte Biomasse, wird nur ein geringer Anteil an Luftsauerstoff benötigt. In der Regel wird der Festbettreaktor mit einem Luftverhältnis von λ=0,2 bis 0,3 betrieben.

Bei der thermochemischen Umwandlung von Biomasse in einem Festbettreaktor entstehen Schwachgase, die eine Mischung aus CO ( Kohlenmonoxid ), H2 ( Wasserstoff ), sowie in geringen Mengen CH4(Methan) und CxHy( höherwertige Kohlenwasserstoffe ), neben C02 ( Kohlendioxid ) und N2 ( Stickstoff ) ergeben. Diese Gaszusammensetzung ist bei Erzeugung von Wärme aus zugeführtem Sauerstoff über die eingebrachte Luft einstellbar und regelbar. Die Gaszusammensetzung des Schwachgases stellt sich bei Luftsauerstoff in der üblichen Zusammensetzung dar: CO 20% C02 12% H2 23% N2 45%

In der Regel sind Störstoffe, wie Teer und Kohle und Aschestaub vorhanden:

Teer 50 mg/Nm3 CH4 1Vol% H20 < 1Vol%

Staub 50 mg/Nm3

Diese Störstoffe werden mittels Waschverfahren und Filterverfahren aus dem Gas entfernt, und stellen in der weiteren Betrachtung keine Größe dar. In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist diese Gasreinigung (45) als Stand der Technik bezeichnet und behandelt. Die Gasreinigung findet gemäß dem Stand der Technik bei Umgebungsdruck und bis Schwachgastemperaturen in der Größenordnung von 50°C statt.

Von Bedeutung sind in der weiteren Betrachtung für die Erfindung die Gaskomponerrterr CO crrref K2, dre den Heizwert des Schwachgases bestimmen. Die Gaskomponenten N2 und C02 des Schwachgases sind Ballastgase, die keinen Heizwert besitzen, die in der energetischen Verwertung in einem Gas BHKW oder bei der Verflüssigung von Schwachgas zu DME(Dimethylether) und DEE(Diethylether) nichts beitragen.

In dem Patent US 2015/0299597 A1 wird zum Trocknen vom synthetischen Gas bei der Herstellung von synthetischen Methan (SNG) Methanol(MeOH) verwendet.

Es ist bekannt, daß Methanol(MeOH) eine Affinität zu Kohlendioxid(C02) und Wasserdampf (H20) aufweist. Diese Eigenschaft des Mediums wird auch bei diesem hier dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren zur Gasaufbereitung ausgenutzt. Zudem wird erfindungsgemäß die Affinität von Methanol zu Kohlenwasserstoffen(CxHy) und zu Kohlenstoffpartikel(C) ausgenutzt. Da zudem Methanol(MeOH) bei Temperaturen unter 0°C flüssig bleibt, und die Viskosität nur unmerklich zunimmt, eignet sich Methanol zur Gaswäsche bei Temperaturen unter 0°C und bei Schwachgasen die zudem Kohlenwasserstoffe(CxHy) als Störgase und Kohlenstaub(C) als Störpartikel beinhalten.

Das in dem russischen Patent RU 2 567 317 C1 dargestellte Waschsystem beruht auf der Ausnutzung der Rotationswirkung bei Gastrennung und der Ausnutzung von Methanol(MeOH) zur Absorption von Gasen zur Trennung von Gasgemischen. Das hier erfindungsgemäße Verfahren verwendet Methanol(MeOH) nicht zur Gastrennung, sondern zum Waschen und somit zum Reinigen des Gases um die Konzentrationen an Störgasen und Störkomponenten und Störpartikel zu reduzieren und so die Gasqualität und Gasreinheit zu verbessern. Das mit Störgasen und Störstoffen verbrauchte Waschfluid Methanol(MeOH) wird im Rahmen der thermochemischen Umwandlung von Biomasse mit in den Reaktor (2) eingebracht. Das hat den erfindungsgemäßen Vorteil, dass keine Emission an Waschfluid anfällt.

Das in dem Kanadischen Patent CA 2 385 673 dargestellte Verfahren verflüssigt Kohlendioxid(C02), verwendet aber Kohlendioxid(C02) als Waschflüssigkeit zum Reinigen von mechanischen Komponenten. Im Zuge der Reinigung verdampft Kohlendioxid(C02), welches später wieder verflüssigt wird. Das hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung von Schwachgasen nutzt die bekannte thermodynamische Eigenschaft von Kohlendioxid(C02) aus, dass Kohlendioxid(C02) ein ausgeprägtes Zweiphasengebiet besitzt, mit einem kritischen Druck pk = 73.7 bara und einer kritischen Temperatur Tk = 30.9°C. Daraus kann man, dass bei einem Druck vorr 10 bar» KoWendk>xtd(C02) bei Raumtemperatur T=25°C verflüssigt werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht nun darin, den Gasanteil an N2 und CQ2 auf einen Anteil kleiner als 2 Vol% zu senken, das restliche Gasgemisch zu verdichten, zu trocknen und zu reinigen, sodass das gereinigte und aufbereitete Gasgemisch dem DME Syntheseprozess zugeführt werden kann: CO 44% - 46% H2 51% - 54% N2 2% - 0% C02 2% - =5 Für die Erzeugung von DME ( Dimethylether ) wird ein Mischung aus den Gaskomponenten CO ( Kohlenmonoxid ) und H2 ( Wasserstoff) benötigt. Dabei gibt es zwei bekannte Verfahren, die direkte Synthese aus einem Gemsich aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff(H2) in einem molaren Verhältnis von 1 : 1 und der indirekten Synthese über die Erzeugung von MeoH ( Methanol ) als Zwischenschritt, mit der nachfolgenden bekannten Dehydration ( Entfernung von Wasser }.

Das molare Verhältnis von 1:1 bedingt für Kohlenmonoxid und Wasserstoff folgenden Zusammenhang:

Kohlenmonoxid (CO) M = 28 g pn = 1,25 kg/m3

Wasserstoff (H2) M = 2 g pn = 0,089 kg/m3

Molares Verhältnis 1:1 entsprecht einem Volumenverhältnis von 1m3 CO : 1m3 H2. Die Anforderungen an die aufbereiteten Gasgemische also sind: CO 50 Vol% H2 50 Vol%

Störstoffe, die in dem aufbereiteten Schwachgasgemisch zugelassen sind, um den Erzeugungsprozess für DME (Dimethylether) und DEE(Diethylether) nicht zu beeinträchtigen:

Staub: <0,1mg/Nm3

Teer: <100ppm H2S: <1-10 ppm CH4: <100 ppm CH30H: < 1 mg/Nm3 N2: < 2% C02: < 2%

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Abtrennung des Stickstoffes (N2) aus der Luft. Stickstoff bringt in dem thermochemischen Prozess keinen Vorteil, auch bei der nachfolgenden Gasreinigung und bei der Verwertung des Schwachgases in einem BHKW bringt der Stickstoffanteil nur Nachteile, da dieser Gasanteil den Volumenstrom erhöht ohne energetisch einen Beitrag zu leisten. Analysiert man die Gaszusammensetzung der klassischen Schwachgaszusammensetzung, dann stellt man fest, dass die Gasanteile folgenden Moleküldurchmesser besitzen: CO 2,8 A° C02 3,2 A° H2 2,4 A° N2 3 A°

Damit zeigt, sich dass mit der Abtrennung von N2 aus dem Schwachgas auch der Gasanteil CO ( Kohlenmonoxid ) mittels Adsorption oder Absorption und Kohlendioxid (C02) abgetrennt wird. Es erfolgt also eine Trennung Gaskomponenten H2 zu dem Gasgemisch von N2 und CO und C02. In der weiteren Folge wird die Abtrennung von N2 aus dem verbleibenden Gasgemisch schwierig ist, da die Moleküldurchmesser von N2, CO, C02 nahezu ident sind. In der Folge kann man nur mehr die

Adsorptionsgeschwindigkeit zwischen N2 und CO, C02 ausnutzen, also den Stickstoff(N2) von dem Gasgemisch Kohlenmonoxid(CO) und Kohlendioxid(C02) abzutrennen. Man erkennt der energetische und verfahrenstechnische Aufwand zur Auftrennung von Gasgemischen ist sehr groß und aufwendig ist.

Die Erfindung umfasst, dass die Abtrennung des Stickstoffes (N2) schon vor Eintritt in den Prozess der thermochemischen Umwandlung erfolgen muss.

Erfindungsgemäß wird daher auf das bekannte und stabile Verfahren der Lufttrennung mit Druckwechseladsorption zurückgegriffen mit der Zielsetzung den notwendigen Volumenstrom an Sauerstoff (02) zu gewinnen. Der Stickstoff wird bis auf 2 Vol% abgetrennt. Um den Sauerstoffvolumenstrom zu vergrößern wird ein Anteil an Kohlendioxid beigemischt. Ein weiterer Einfluss den das zugemischte Kohlendioxid mit sich bringt, man kann damit den Heizwert des Gases auf einen Bezugswert regeln. Das ist notwendig, denn das Gas BHKW ist nicht beliebig auf jeden Heizwert des Schwachgases anwendbar. Ändert sich der Heizwert des Substrates dann ändert sich auch der Heizwert des Schwachgases. Durch die Änderung des Anteiles an Kohlendioxid kann der Heizwert innerhalb einer Toleranzgrenze eingeregelt werden.

Schwachgas mit Stickstoffanteil ( N2) unter Verwendung von Luftsauerstoff: CO 20% C02 12% H2 23% N2 45%

Das ergibt einen Heizwert von 1,4 kWh/Nm3. Reduziert man den Stickstoffanteil aus dem Luftsauerstoff, dann ergibt sich folgende Gaszusammensetzung: CO 20% (36%) C02 12% (23%) H2 23% (41%)

Das ergibt einen Heizwert von 2,5 kWh/Nm3. Daraus erkennt man, dass mit einem C02 Anteil der Heizwert in einem Bereich von 1,4 kWh/Nm3 bis 2,5 kWh/Wnv5 eingestellt werden kann. Erfindungsgemäß kann durch den Einsatz der Druckwechseladsorption der volumetrische Anteil an Stickstoff der Verwendung des Schwachgases zur Erzeugung von DME ( Dimethylether) und DEE ( Diethylether ). Industriestandard ist ein Volumetrischer Anteil von 2%, das Adsorptionsverfahren ermöglicht eine Reduktion auf einen volumetrischen Anteil von 0,1%.

Die Erfindung löst die Aufgabe den volumetrischen Anteil an Kohlendioxid (C02) im Schwachgas unter einen Wert von 2Vol% zu senken, unter Ausnutzung der Eigenschaft, dass Kohlendioxid in Abhängigkeit des Druckes eine entsprechende Kondensationstemperatur aufweist:

Kohlendioxid (C02)

P=55bara T = 20°C

P=20bara T = - 25°C

P=1 Obara T = -40°C

Aus diesen Thermodynamischen Eigenschaften ergeben sich erfindungsgemäß zwei Lösungen, das Kohlendioxid aus dem Schwachgas mittels Kondensation zu entfernen. Eine erfindungsgemäße Lösung ist die Kondensation von Kohlendioxid auf dem Druckniveau von 50 bara. Diese verfahrenstechnische Erfindung hat den Vorteil, dass man mit Kühlwasser in einem Temperaturniveau in der Vorlauftemperatur von 15°C und einer Rücklauftemperatur von 25°C den Kondensator (29) betreiben kann. Bei einem Druck von 50 bara scheidet sich Kohlendioxid (C02) bei einer Temperatur von 20°C in flüssiger Phase ab.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht darin bei einem Druck vom 20 bara das Kohlendioxid in flüssiger Phase abzuscheiden, indem das Schwachgas auf T=-25°C unterkühlt wird. Die Möglichkeit der Unterkühlung ist im Zusammenhang mit der Gasreinigung des Schwachgases aus. dem Reaktor (3) zu sehen. Um den Teergehalt zu reduzieren, wird das Schwachgas auf T=-22°C unterkühlt, um Kohlenwasserstoffe ( Teer ) in der flüssigen oder festen Phase auszuscheiden. Mit dieser erfindungsgemäßen Unterkühlung des Schwachgases kann der Teergehafr atrh« tööpprrr/ htm1 gesenkt werden.

Die Gasaufbereitung von Schwachgas aus der thermochemischen Umwandlung von Biomasse ist für kleine Leistungseinheiten der Biomasseverwertung im Zusammenhang mit der Gasreinigung für die Verwertung von Gas BHKW in der bekannten KWK (Kraft Wärme Kopplung )Anwendung von besonderer Bedeutung. Die Gasaufbereitung ist die Voraussetzung für die Verwertung von Schwachgasen zur Erzeugung von DME (Dimethylether) und DEE (Diethylether). Die Erzeugung von DME ermöglicht es Biomasse auf erneuerbarer Basis zu verflüssigen. DME (Dimethylether) und DEE (Diethylether) sind als Treibstoffersatz für fossilen Diesel verwendbar. Ein weiterer Vorteil der Verflüssigung von Biomasse ist die Lagerfähigkeit und Speicherfähigkeit des erneuerbaren Treibstoffes.

Um den Teergehalt im Schwachgas zu senken, nutzt man die thermodynamischen chemischen Eigenschaften von Teerkomponenten aus. Teer besteht in der Regel aus Kohlenwasserstoffverbindungen, Kohlenwasserstoffsauerstoff Verbindungen, die eine Dampftemperatur kleiner als die Umgebungstemperatur haben. Die Erfindung nutzt nun diese Eigenschaften aus, indem das Schwachgas auf T=-25°C unterkühlt wird. Für die Gaswäsche kann man dann weder RME (

Rapsmethylester) aber auch keine Bioöle ( Rapsöl, Palmöl, Sonnenblumenöl) verwenden, da diese Öle bei Temperaturen unter Null eine zu hohe Viskosität annehmen. Die Erfindung nutzt die Eigenschaften von Methanol ( MeOH ) als Waschfluid für Gase aus. Methanol kann auf T=-25°C unterkühlt werden, und behält den flüssigen Zustand bei. Unter Anwendung der Unterkühlung des Schwachgases auf T=-25°C kann der Teergehalt auf 1mg/Nm3 gesenkt werden.

Nutzt man die Unterkühlung bei der Schwachgasreinigung aus, dann kann man die Unterkühlung auch bei der Schwachgasaufbereitung für die DME (Dimethylether) Erzeugung oder für die DEE ( Diethylether) Erzeugung ausnutzen. Man verdichtet das Schwachgas auf einen Druck von 20 bara und unterkühlt auf eine Temperatur von T=-25°C. Unter diesen thermodynamischen Zuständen, scheidet sich Kohlendioxid (C02) in flüssiger Phase vom Schwachgas ab.

Erfindungsgemäß hat diese Variante der Verfahrensführung den Vorteil, dass das Schwachgas nicht bis zum Verwertungsdruck von 55 bara verdichtet werden muss, um dann das Kohlendioxid in flüssiger Form abscheiden zu können. Durch die Verdichtung auf einen Druck von 20 bar spart man 50% der für die Verdichtung notwendig Energie.

Die Verwendung von Biomasse und die damit verbunden mögliche Verflüssigung von Biomasse findet bei kleinen Leistungseinheiten der Größenordnung von 100 kW eie bis 500 kW eie statt. Diese Leistungseinheiten benötigen 200 Nm3/h Schwachgas bis 1000 Nm3/h. Geht man von einer Zusammensetzung des Schwachgases ( CO 20%, H2 23% ) aus, dann ergeben sich damit folgende Gasvolumenstromanteile CO 40 Nm3/h, H2 46 Nm3/h bis CO 200Nm3/h, 230 Nm3/h, das ergibt eine theoretische Produktionsmenge an DME (Dimethylether) 40 L/h bis 200 L/h. Berücksichtigt man den Umsetzungswirkungsgrad dann verbleiben an DME (Dimethylether) 20 L/h bis 100 L/h. Um aber die Syntheseprozesse stabil betreiben zu können, dann bedarf es einer Gasaufbereitung, wie diese in dieser Erfindung beschrieben worden sind.

Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass mit der Gasaufbereitung neben der Verbesserung der Lebensdauer der Gas BHKW erreicht werden kann, kann zudem mit der Reduktion des Stickstoffanteiles auch eine Verkleinerung der Gasmotoren BHKW erreicht werden, was wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Diese erfindungsgemäßen Vorteile überwiegen die mit der Gasaufbereitung verbundenen energetischen und wirtschaftlichen Kosten.

Abbildungen

Abbildung 1

Die Abbildung 1 umfasst den Stand der Technik in der Schwachgaserzeugung. Die Biomasse (1) wird in einen Reaktor (2) eingebracht, aus dem das Kohle und Asche Gemisch (3) ausgetragen wird, und das Rohgas (4) über einen Zyklon (5) gereinigt wird, die dabei abgeschiedene Kohle Asche (6) in den Reaktor rückgeführt wird. Das Rohgas wird über einen Gas Gas Wärmetauscher (8) abgekühlt wird. Das abgekühlte Rohgas (10) wird nach dem Stand der Technik aufbereitet und als gereinigtes Schwachgas von einem Verdichter (12) angesaugt und verdichtet wird. Das gereinigte und verdichtete Schwachgas wird über einen Filter (13) dem Gas BHKW (15) zugeführt, um in dem BHKW in Strom (16) und Wärme (17) verwertet wird. Die für den Reaktor (2) benötigte Luft (7) wird über den Wärmetauscher (8) vorgewärmt und dem Reaktor zugeführt. Die Luft besteht vorrangig aus einem Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff. Benötigt wird der Sauerstoff, der in der Oxidationszone des Reaktors einen Teil der eingebrachten Biomasse verbrennt, um so Wärme und Gas zu erzeugen. Die in der Abbildung 1 dargestellte verfahren und die damit verbundenen Komponenten sind bekannt und stellen den Stand der Technik dar.

Abbildung 2

Die Abbildung 2 stellte einen üblichen Druckverlauf einer Vergasungsanlage im Festbettverfahren dar. Dabei wird das Schwachgas erzeugt im Reaktor (2) mit einem Vakuumverdichter (12) herausgesaugt. Das Rohgas (4) wird mit einem Wärmetauscher (8) abgekühlt, und mittel Gaswäscher gereinigt und vom Vakuumverdichter (12) auf einen Überdruck verdichtet.

Abbildung 3

Die Abbildung 3 stellt den Druckverlauf der Gasaufbereitung des Schwachgases für die Verwertung zu DME ( Dimethylether) oder DEE ( Diethylether) dar. Das gereinigte Schwachgas (14) wird mit einem Verdichter (22) angesaugt und zu einem Fein und Tiefenfilter (23) befördert. Vom Fein und Tiefenfilter (23) wird das reine Schwachgas einem Aktivkohlefilter (24) zugeführt und die Gaskomponenten wie die Kohlenwasserstoffe und der Schwefelwasserstoff aus dem reinen Schwachgas entfernt. Wasserkondensat (25) wird aus dem Aktivkohlefilter (24) abgeleitet. Das Schwachgas wird in der ersten Stufe auf einen Druck von 5 bara verdichtet (26) und über den Wärmetauscher (27) rückgekühlt. In der zweiten Verdichtung (28) wird das Schwachgas auf 55 bar verdichtet. In der nachfolgenden Wärmetauscher (29) wird das Gas auf 20°C abgekühlt. Dabei scheidet sich das C02 ( Kohlendioxid ) in flüssiger Form ab. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das verbleibende Schwachgas auf 85°C erwärmt.

Abbildung 4

Die Abbildung 4 stellt das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von N2 aus der Luft und zur Abtrennung von C02 aus dem Schwachgas dar. Der benötigte Sauerstoff (02) wird als Luft (19) angesaugt. Die angesaugte Luft wird in einer Druckwechselabsorption (PSA) (18) in den Sauerstoff (21) und in den Stickstoff (20) aufgetrennt. Der Sauerstoff (21) wird mit einem Teil des aus der Schwachgasaufbereitung gewonnenen C02 ( Kohlendioxid ) (32) angereichert. Das Gasgemisch aus Sauerstoff (02) (21) und Kohlendioxid (C02) (32) wird dem Reaktor (3) zugeführt, und dient dazu die in der Oxidationszone benötigte Wärme für die thermochemische Umwandlung zu erzeugen. Das gereinigte Schwachgas (14) wird mit einem Verdichter (22) angesaugt und zu einem Fein und Tiefenfilter (23) befördert. Vom Fein und Tiefenfilter (23) wird das reine Schwachgas einem Aktivkohlefilter (24) zugeführt und die Gaskomponenten wie die Kohlenwasserstoffe und der Schwefelwasserstoff aus dem reinen Schwachgas entfernt. Wasserkondensat (25) wird aus dem Aktivkohlefilter (24) abgeleitet. Das Schwachgas wird in der ersten Stufe verdichtet (26) und über den Wärmetauscher (27) rückgekühlt. In der zweiten Verdichtung (28) wird das Schwachgas auf den Enddruck verdichtet. In der nachfolgenden Wärmetauscher (29) wird das Gas abgekühlt. Dabei scheidet sich das C02 ( Kohlendioxid ) in flüssiger Form ab. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das verbleibende Schwachgas erwärmt. Das nicht benötigte Kohlendioxid (C02) (30) wird abgeleitet.

Abbildung 5

Die Abbildung 5 stellt das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von N2 aus der Luft und zur Abtrennung von C02 aus dem Schwachgas dar. Der benötigte Sauerstoff (02) wird als Luft (19) angesaugt. Die angesaugte Luft wird in einer Druckwechselabsorption (PSA) (18) in den Sauerstoff (21} und in den Stickstoff (20) aufgetrennt. Der Sauerstoff (21) wird mit einem Teil des aus der Schwachgasaufbereitung gewonnenen C02 ( Kohlendioxid ) (32) angereichert. Das Gasgemisch aus Sauerstoff (02) (21) und Kohlendioxid (C02) (32) wird dem Reaktor (3) zugeführt, und dient dazu die in der Oxidationszone benötigte Wärme für die thermochemische Umwandlung zu erzeugen. Die aus dem Reaktor (2) im thermochemischen Prozess anfallende Kohle und Asche (3) wird in einem weiteren Reaktor (34) zusammen mit Wasserdamof (33) und zu einem Schwachgas bestehend aus Kohlendioxid (C02) und Wasserstoff (H2) umgewandelt. Die dazu benötigte Wärme wird extern (35) zugeführt. Das so gewonnene Schwachgas (36) wird über einen Zyklon (37) geführt. Der Kohle und Ascheanteil (38) wird dem Reaktor zurückgeführt. Das Schwachgas (39) aus dem Zyklon wird mit dem Schwachgas (IQ) zusammengeführt und der Gasreinigung zugeführt. Das so gewonnene gereinigte Schwachgas (14) wird mit einem Verdichter (22) angesaugt und zu einem Fein und Tiefenfilter (23) befördert. Vom Fein und Tiefenfilter (23) wird das reine Schwachgas einem Aktivkohlefilter (24) zugeführt und die Gaskomponenten wie die Kohlenwasserstoffe und der Schwefelwasserstoff aus dem reinen Schwachgas entfernt. Wasserkondensat (25) wird aus dem Aktivkohlefilter (24) abgeleitet. Das Schwachgas wird in der ersten Stufe verdichtet (26) und über den Wärmetauscher (27) rückgekühlt. In der zweiten Verdichtung (28) wird das Schwachgas auf den Enddruck verdichtet. In der nachfolgenden Wärmetauscher (29) wird das Gas abgekühlt. Dabei scheidet sich das C02 ( Kohlendioxid ) in flüssiger

Form ab. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das verbleibende Schwachgas erwärmt. Das nicht benötigte Kohlendioxid (C02) (30) wird abgeleitet.

Abbildung 6

Die Abbildung 6 stellt das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von N2 aus der Luft und zur Abtrennung von C02 aus dem Schwachgas dar. Der benötigte Sauerstoff (02) wird als Luft (19) angesaugt. Die angesaugte Luft wird in einer Druckwechselabsorption (PSA) (18) in den Sauerstoff (21) und in den Stickstoff (20) aufgetrennt. Der Sauerstoff (21) wird mit einem Teil des aus der Schwachgasaufbereitung gewonnenen C02 ( Kohlendioxid ) (32) angereichert. Das Gasgemisch aus Sauerstoff (02) (21) und Kohlendioxid (C02) (32) wird dem Reaktor (3) zugeführt, und dient dazu die in der Oxidationszone benötigte Wärme für die thermochemische Umwandlung zu erzeugen. Die aus dem Reaktor (2) im thermochemischen Prozess anfallende Kohle und Asche (3) wird in einem weiteren Reaktor (34) zusammen mit Wasserdampf (33) und zu einem Schwachgas bestehend aus Kohlendioxid (C02) und Wasserstoff (H2) umgewandelt. Die dazu benötigte Wärme wird extern (35) zugeführt. Das so gewonnene Schwachgas (36) wird über einen Zyklon (37) geführt. Der Kohle und Ascheanteil (38) wird dem Reaktor zurückgeführt. Das Schwachgas (39) aus dem Zyklon wird mit dem Schwachgas (10) zusammengeführt und der Gasreinigung zugeführt. Das so gewonnene gereinigte Schwachgas (14) wird mit einem Verdichter (22) angesaugt und zu einem Fein und Tiefenfilter (23) befördert. Vom Fein und Tiefenfilter (23) wird das reine Schwachgas einem Aktivkohlefilter (24) zugeführt und die Gaskomponenten wie die Kohlenwasserstoffe und der Schwefelwasserstoff aus dem reinen Schwachgas entfernt. Wasserkondensat (25) wird aus dem Aktivkohlefilter (24) abgeleitet. Das Schwachgas wird in der ersten Stufe verdichtet (26) und über den Wärmetauscher (27) rückgekühlt. In dem nachfolgenden Wärmetauscher (29) wird das Gas unterkühlt. Dabei scheidet sich das C02 ( Kohlendioxid ) in flüssiger Form ab. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das verbleibende Schwachgas erwärmt. Das restliche Schwachgas wird in der zweiten Verdichterstufe (28) auf den benötigten Enddruck verdichtet. Das so gewonnene Kohlendioxid wird aufgetrennt in einen Anteil (32), der dem Sauerstoff (21) beigemischt wird und in einen nicht benötigten Anteil an Kohlendioxid (C02) (30), das wird abgeleitet.

Abbildung 7

Die Abbildung 7 stellt das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von N2 aus der Luft und zur Abtrennung von C02 aus dem Schwachgas dar. Der benötigte Sauerstoff (02) wird als Luft (19) angesaugt. Die angesaugte Luft wird in einer Druckwechselabsorption (PSA) (18) in den Sauerstoff (21) und in den Stickstoff (20) aufgetrennt. Der Sauerstoff (21) wird mit einem Teil des aus der Schwachgasaufbereitung gewonnenen C02 ( Kohlendioxid ) (32) angereichert. Das Gasgemisch aus Sauerstoff (02) (21) und Kohlendioxid (C02) (32) wird dem Reaktor (3) zugeführt, und dient dazu die in der Oxidationszone benötigte Wärme für die thermochemische Umwandlung zu erzeugen. Die aus dem

Reaktor (2) im thermochemischen Prozess anfallende Kohle und Asche (3) wird in einem weiteren Reaktor (34) zusammen mit Wasserdampf (33) und zu einem Schwachgas bestehend aus Kohlendioxid (C02) und Wasserstoff (H2) umgewandelt. Die dazu benötigte Wärme wird extern (35) zugeführt. Das so gewonnene Schwachgas (36) wird über einen Zyklon (37) geführt. Der Kohle und Ascheanteil (38) wird dem Reaktor zurückgeführt. Das Schwachgas (39) aus dem Zyklon wird mit dem Schwachgas (10) zusammengeführt und der Gasreinigung zugeführt. Das Schwachgas wird in einem Wärmetauscher (41) abgekühlt und in einem eigenen Wäscher (42) mit einem Kältetauscher (43) unterkühlt und das kalte Schwachgas in einem nachfolgenden Wärmetauscher (44) wieder auf Umgebungstemperatur aufgewärmt. Das so gewonnene gereinigte Schwachgas (14) wird mit einem Verdichter (22) angesaugt und zu einem Fein und Tiefenfilter (23) befördert. Vom Fein und Tiefenfilter (23) wird das reine Schwachgas einem Aktivkohlefilter (24) zugeführt und die Gaskomponenten wie die Kohlenwasserstoffe und der Schwefelwasserstoff aus dem reinen Schwachgas entfernt. Wasserkondensat (25) wird aus dem Aktivkohlefilter (24) abgeleitet. Das Schwachgas wird in der ersten Stufe verdichtet (26) und über den Wärmetauscher (27) rückgekühlt. In dem nachfolgenden Wärmetauscher (29) wird das Gas unterkühlt. Dabei scheidet sich das C02 ( Kohlendioxid ) in flüssiger Form ab. Im nachfolgenden Wärmetauscher wird das verbleibende Schwachgas erwärmt. Das restliche Schwachgas wird in der zweiten Verdichterstufe (28) auf den benötigten Enddruck verdichtet. Das so gewonnene Kohlendioxid wird aufgetrennt in einen Anteil (32), der dem Sauerstoff (21) beigemischt wird und in einen nicht benötigten Anteil an Kohlendioxid (C02) (30), das wird abgeleitet.

Zeichen und Symbole 1 Biomasse 2 Reaktor 3 Kohle und Asche Austrag aus dem Reaktor 4 Rohgas - Schwachgas 5 Zyklon 6 Kohle Asche Rückführung aus dem Zyklon 7 Luft ( Luftsauerstoff) 8 Luftvorwärmer ( Sauerstoffvorwärmer) 9 Luft (Sauerstoff) in Reaktor 10 Schwachgas vor Reinigung 11 gereinigtes Schwachgas 12 Vakuumverdichter 13 Tiefenfilter und Feinfilter

14 Schwachgas vor BHKW

15 GasBHKW 16 Strom 17 Wärme 18 Druckwechseladsorption ( PSA) 19 Luft 20 Stickstoff (N2) 21 Sauerstoff aus dem Druckwechseladsorptionsprozess ( PSA > 22 Gas Verdichter 23 Staubfilter 24 Aktiv Kohle Filter 25 Kondensat 26 Verdichter - Stufe 1 27 Rückkühler Syngas 28 Verdichter - Stufe 2 29 Rückkühlung Syngas - C02 ( Kohlendioxid ) Ausschleusung 30 verbleibendes C02 ( Kohlendioxid ) 31 verwertbares Schwachgas 32 Kohlendioxid ( C02 ) 33 Wasserdampf 34 Reaktor 35 Wärmetauscher - externe Wärmezuführung 36 Schwachgas 37 Zyklon 38 Kohle und Asche Rückführung 39 Schwachgas aus Kohle und Wasser ( = Wassergas ) 40 Schwachgas Vorwärmetauscher 41 Wärmetauscher vor MeOH Wäscher 42 MeOH Wäscher 43 Unterkühlung Wärmetauscher 44 Wärmetauscher Rückenwärmung 45 Gasreinigung ( Stand der Technik)

Claims

Ansprüche

1. Das Verfahren zur Aufbereitung von Schwachgasen für die Erzeugung von DME ( Dimethylether ) und DEE ( Diethylether) umfasst die Abtrennung des Sauerstoffes(02)(21) aus der Luft, die Bemischung von Kohlendioxid(C02)(32), den Vorverdichter für Schwachgas(22), Tiefenfilter und Feinstfilter (23), einen Aktivkohlefilter(24) mit Kondensatableitung (25), einen Verdichter(26) für die erste Stufe mit einem nachgeschalteten Rückkühler(27), einem Verdichter(28) für die zweite Stufe mit einem nachgeschalteten Rückkühler(29), Gekennzeichnet dadurch, dass - Zur Abtrennung des Sauerstoffes(21) aus der Luft(19) das Druckwechseladsorptionsverfahren (PSA) verwendet wird - Der Sauerstoff aus dem PSA in einem Bereich von 90% bis 99% aufkonzentriert wird, bevorzugt sind 98% - Das aus der Rückkühlung (29) durch Verflüssigung gewonnene Kohlendioxid in einem Anteil von 0% bis 40% dem Sauerstoff(21) beigemischt wird, bevorzugt in der volumetrischen Größenordnung von 10% - Der Vorverdichter das Schwachgas(14) auf einen Druck bis zu 1,4 bara verdichtet, bevorzugt auf 1,25 bara. - Der Fein und Tiefenfilter eine Filterqualität in dem Bereich von dp ~ 1 pm bis 0,001 pm aufweist, bevorzugt dp ~ 0,01 pm - Der Fein und Tiefenfilter eine Gasreinheit im dem Bereich von 0,1 mg/Nm3 bis 10 mg/Nm3 ermöglicht, bevorzugt 1 mg/Nm3. - Der AK Filter den Anteil der Störgase wie Schwefelwasserstoffes), Kohlenwasserstoffe(CxHy) reduziert, o Schwefelwasserstoff in einem Bereich minimal 1ppm/Nm3 bis maximal 10 ppm/Nm3, bevorzugt 3ppm/Nm3 o Kohlenwasserstoffe in einem Bereich minimal 1 ppm/Nm3 bis maximal 100ppm/Nm3, bevorzugt 10 ppm/Nm3 - Der Verdichter (26) der ersten Stufe auf einen Druck verdichtet minimal 4 bara bis 20 bara, bevorzugt 20 bara Die Rückkühlung des Schwachgases(27) in einem Temperaturbereich minimal 10°C bis maximal 40°C, bevorzugt 25°C erfolgt Der Verdichter (28) der zweiten Stufe auf einen Druck verdichtet minimal 30 bara bis maximial 55 bara, bevorzugt 50 bara. - Die Rückkühlung des Schwachgases (29) in einem Temperaturbereicch von minimal 10°C bis maximal 25°C erfolgt, bevorzugt 20°C, sodass das Kohlendioxid(C02) (30) flüssig abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, erweitert durch die Erzeugung eines Schwachgases (38), umfassend einen Reaktor (35), der Zuführung von Wasserdampf(33), einer Gasreinigung druch einen Zyklon(37), der Zuführung der Kohle und Asche(3) aus dem Reaktor (2), der Rückführung der Kohle und Asche aus dem Zyklon (37), gekennzeichnet durch, dass - Die Kohle und Asche aus dem Reaktor(2) eine Größenordnung von 5% bis 15% der eingebrachten Biomasse(2) beträgt, bevorzugt 10% - Der Anteil an Kohle in dem Kohle und Aschegemisch aus dem Reaktor (2), einen Anteil von 60% bis 90% aufweist, bevorzugt 80% - Das Schwachgas (38) bekannt als Wassergas eine wesentliche Zusammensetzung aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) besitzt, o Kohlenmonoxid in einem Bereich minimal von 10% bis maximal 40%, bevorzugt 25% o Wasserstoff in einem Bereich minimal von 10% bis maximal 40%, bevorzugt 25% o Kohlendioxid in einem Bereich minimal von 5% bis maximal 20%, bevorzugt 10% o Wasserdampf in einem Bereich minimal von 1% bis maximal 5%, bevorzugt 1% - Das Schwachgas(38) aus dem Reaktor(34) dem Schwachgas (14) beigemischt wird - Die für den Prozess notwendige Wärme im Reaktor (35) extern erzeugt und eingebracht wird, bevorzugt durch elektrische Heizstäbe im Reaktor (35) - Die Reaktortemperatur zur Erzeugung von Wassergas minimal 500°C maximal 800°C besitzt, bevorzugt 600°C
3. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, dass nach der Verdichtung der ersten Stufe (26) des Schwachgases, das Schwachgas rückgekühlt wird (27), die Unterkühlung des Schwachgases (29) erfolgt, und das unterkühlte Schwachgas wieder über den Wärmetauscher (40) rückgewärmt, gekennzeichnet dadurch, dass - Die Unterkühlung des Schwachgases zur Verflüssigung von Kohlendioxid eine Temperatur erfolgt minimal -20°C maximal -30°C, bevorzugt -25°C - Verdichtung der ersten Stufe (26) auf einen Druck erfolgt minimal 15bara bis 25 bara, bevorzugt 20 bara
4. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, dass das Schwachgas nach der Reinigung (45) über einen Wärmetauscher (41) abgekühlt wird, einem Gaswäscher (42) zugeführt wird, in dem das Schwachgas (43) unterkühlt wird, und das unterkühlte und gewaschene Schwachgas rückerwärmt (44) wird, gekennzeichnet dadurch, dass - Als Waschfluid des Gaswäschers Methanol(MeOH) verwendet wird Die Abkühlung des Schwachgases in dem Wärmetauscher (41) auf eine Temperatur erfolgt minimal 10°C maximal 75°C, bevorzugt 50°C - Die Unterkühlung des Schwachgases in dem Gaswäscher (42) auf eine Temperatur erfolgt minimal -15°C maximal -30°C, bevorzugt -25°C - Die Rückerwärmung des Schwachgases in dem Wärmetauscher (44) auf eine Temperatur erfolgt minimal 10°C maximal 30°C, maximal 25°C Die Verwendung von Methanol(MeOH) als Waschmedium es ermöglicht, Kohlenwasserstoffe(CxHy), Teerkomponenten, Kohlepartikel aus dem Schwachgas auszuwaschen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass - Kohlendioxid(C02)(32) dem Sauerstoff(21) beigemischt wird minimal 0% maximal mit 40%, bevorzugt 10% Mit der Beimischung von Kohlendioxid(C02)(32) der Heizwert des Schwachgases in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Schwachgases als eine Funktion der in den Reaktor(2) eingebrachten Biomasse eingestellt werden kann, minimal 1,4 kWh/Nrrv5, maximal 2,5 kWh/Nm3, bevorzugt 2,0 kWh/Nm3.