AT526333A4 - Verfahren zur Herstellung von Kraftstoff aus kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Kraftstoff aus kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen, umfassend: a) Pyrolysieren der Ausgangsstoffe in einem Pyrolysereaktor unter Sauerstoffausschluss zur Herstellung von Kohle und Rohgas, wobei das Rohgas CO, H2 sowie gasförmige Kohlenwasserstoffe , wie z.B. C2H2 und CH4, enthält, b) Abtrennen der gasförmigen Kohlenwasserstoffe aus dem Rohgas und Verbrennen derselben, wobei die dabei entstehende thermische Energie zumindest teilweise der Pyrolyse zugeführt wird, c) Durchführen einer Fischer-Tropsch-Synthese, um aus dem aus dem Rohgas stammenden H2 und aus CO den Kraftstoff oder ein Vorprodukt des Kraftstoffs zu erhalten.
Description
ı 5
verfügbar und kosten zwischen 2- und 10-Mal mehr als Fossiles
Flugkerosin.
Momentan sind verschiedene Technologieverfahren zur Produktion von SAF (Sustainable Aviation Fuels) zugelassen. Im
Nachfolgenden werden die vier häufigsten beschrieben.
HEFA (hydroprocessed esters and fatly acids):
Nachhaltige Flugzeugtreibstoffe werden momentan zu 95% durch das HEFA-VerfFfahren produziert. Dabei werden Öle und Fette mittels Zugabe von Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen verarbeitet, Als nächster Schritt werden die paraffinähnliichen Kohlenwasserstoffe durch Isomerisierung und Spaltung in Flugzeugkerosin umgewandelt. Diese Technologie hat jedoch wesentliche Nachteile, Erstens ist sie auf Öle angewiesen, weiche als Abfallprodukte eine geringe Verfügbarkeit aufweisen oder als Neuprodukte mit Nahrungsmitteln und Landflächen konkurrieren. Zweitens benötigt der Prozess Wasserstoff, welcher gegenwärtig größtenteils aus fossilen Quellen gewonnen wird. Drittens kostet das Produkt rund doppelt so viel wie herkömmliches Flugzeugkerosin.
Biomasse-Vergasung mit Fischer-Tropsch-Synthese:
interessant.
Strom-zu-Treibstoff (Power-to-Liquid):
In diesem Verfahren wird mit Strom und Wasser eine Elektrolyse
durchgeführt, um dabei Wasserstoff herzustellen. Dieser
Wasserstoff wird anschließend mit CO» gemischt und in einer RWGS-Reaktion {reverse water gas shift reaction) in Syntchesegas verwandelt. Das Synthesegas wird danach ebenfalls mittels FT-Verfahren in Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass Strom verwendet wird, welcher aus erneuerbaren Quellen kommen muss, um das Verfahren umweltfreundlich zu gestalten, Einen konstanten Überfluss an erneuerbarem Strom ist jedoch in den nächsten Jahren nicht zu erwarten. Zudem wird Preisparität mit herkömmlichem Kerosin
erst in 2040 erwartet.
Lartreibstoffe:
In diesem Verfahren werden CO2 und Wasser, welche aus der Atmosphäre gewonnen werden, mittels Hitze aus Sonnenkollektoren gespalten, Das entstehende Synthesegas wird danach ebenfalls mittels FT-Verfahren zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt. Diese Technologie ist jedoch noch nicht kommerziell verfügbar. Zudem kann sie nur in sehr sonnigen Orten zum Einsatz kommen, was die weltweite Skalierung erschwert, Bezüglich Preis kann diese Technologie ebenfalls
nicht mit herkömmlichem Filugzeugkerosin mithalten.
Alle oben beschriebenen Technologien können in der Theorie praktisch klimaneutral betrieben werden, sofern die Ausgangsstoffe wie der Strom und der Wasserstoff klimaneutrai hergestellt werden. Bei den gegenwärtig am häufigsten eingesetzten HEFA-Verfahren wird eine CO2-Reduktion von 80% gegenüber fossilem Kerosin erreicht. Diese Verfahren genügen also nicht, um die benötigten Negativemissionen zu erreichen,
wie sie der Weltklimarat ab Mitte des Jahrhunderte verlangt.
Die vorliegende Erfindung soll die Produktion von nachhaltigen Kohlenwasserstoffen z.B. für den Einsatz als Flugzeugkerosin ermöglichen, welches mit fossilem Kerosin konkurrenzfähig ist. Mit der vorliegenden Erfindung soll ein neues Verfahren bereitgestellt werden, um einen Kraftstoff, insbesondere für die Verwendung als Flugzeugkerosin, herzustellen, welcher über den gesamten Lebenszyklus, also inklusive Verbrennung, C0O2neutral, vorzugsweise CO,-negativ, ist. Dabei sollen die Kosten vergleichbar mit herkömmlichen Flugkerosin sein, also in der Größenordnung von ca, 1 CHF/Liter Flugkerosin. Dies kann nur durch eine hohe Effizienz der Anlage sowie durch kostengünstige Ausgangsstoffe sichergestellt werden. Die Wirtschaftlichkeit soll damit gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich verbessert werden, welche momentan zwischen 1,5 und 10 USD/Liter kosten. Ebenfalls soll es diese Erfindung ermöglichen, CO, aus der Atmosphäre zu sequestrieren, Beim heutigen Stand der Technik werden immer noch mehr CO2Emissionen frei, als gebunden werden, Um das Pariser Klimaabkommen zu erreichen, sind jedoch gemäß dem LPCC negative Emissionen nötig.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Kraftstoff aus
kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen bereit, umfassend:
b) Abtrennen der gasförmigen Kohlenwasserstoffe aus dem Rohgas und Verbrennen derselben, wobei die dabei entstehende thermische Energie zumindest teilweise der Fyrolyse zugeführt Wird,
c} Durchführen einer Fischer-Tropsch-Synthese, um aus dem aus dem Rohgas stammenden H2 und aus CO, beispielsweise dem aus dem aus dem Rohgas stammenden CO, den Kraftstoff oder ein Vorprodukt des Kraftstoffs zu erhalten, wobei das Vorprodukt gg£. einer fraktionierten Destillation und/oder Raffination
unterworfen wird,
Als Ausgangsstoffe für den Kraftstoff werden somit kohlenwasserstoffhaltige Produkte, insbesondere Abfallstoffe verwendet, Bevorzugt werden als Ausgangsstoffe Biomasse (Holz Grünschnitt, Landwirtschaftsabfälle, Lebensmittelabfälle),
Klärschlamm, Haushaltsmüll, Kunststoff und/oder deren Mischungen verwendet. Im Pyrolysereaktor werden die Ausgangsstoffe dann unter Ausschluss von Sau arstoff und unter mehreren Hundert Grad Celsius prozessiert, Die Pyrolyse wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 200 bis 1000°C vorgenommen. Dabei entstehen Rohgas und Kohle. Der ideale Temperaturbereich ist abhängig von den Ausgangsstoffen und der erwünschten Zusammensetzung der erhaltenen Stoffe. Die Pyrolyse von Hemicellulose findet vorzugsweise ca. zwischen 290°C und 300°C statt. Cellulose wird hingegen vorzugsweise
zwischen ca. 300°C bis 400°C zersetzt. Die Zersetzung von Lignin findet vorzugsweise zwischen 200°C und ca. 1000°
att. Verschiedene Arten von Kunststoffen zersetzen sich
ebenfalls bei unterschiedlichen Temperaturen, wobei die
Das Rohgas ist eine Mischung aus verschiedenen gasförmigen Molekülen, nämlich HE, und CO sowie gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie z.B. CHs und C,H2, sowie gg£. CO und No. Je nach Ausgangstoff und Prozesstemperatur können jedoch auch andere Moleküle entstehen. In einer herkömmlichen Pyrolilyseanlage wird das komplette Prozessgas verbrannt, um daraus Wärme zu gewinnen, Diese wird sowohl für den eigenen Prozess als auch in Wärmeverbunden eingesetzt. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen wird das gesamte Rohgas nicht verbrannt, sondern mittels einer Gastrennung aufgeteilt. Dabei werden HE, und ygf. CO vom Rest des Gemisches getrennt. Die verbleibenden gasförmigen Kohlenwasserstoffe wie z.B. CoH2g und CHy werden in einen Brenner geleitet und verbrannt. Die Verbrennungswärme wird zumindest teilweise dazu eingesetzt, den Pyrolyseprozess weiterzuführen und, falls nötig, die Ausganugsstoffe zu trocknen. Zudem kann die Verbrennungs- bZw. Prozesswärme verwendet werden, um den Fischer-Tropsch Prozess zu ermöglichen, welcher ebenfalls Wärme im Bereich von ca.
150°C und 300°C benötigt.
Im Pyrolyseprozess entsteht außerdem Kohle, welche aus dem Prozess extrahiert wird. Die Kohle bindet CO2 aus den Ausgangsstoffen für mehrere Hundert Jahre und dient Somit dazu, CO,-Emissionen aus der Atmosphäre zu entfernen. Mit diesem gebundenen CO, können zudem handelbare Zertifikate generiert werden, welche zu zusätzlichen Einnahmequellen führen. Ebenfalls dient Kohle z.B. in der Landwirtschaft dazu,
den Einsatz von Düngemitteln zu reduzieren, da sie Nährstoffe
KARA
möglich.
Das aus dem Rohgas stammende H; sowie CO, beispielsweise das aus dem aus dem Rohgas stammende CO, werden mitteis einer Fischer-Tropsch-Synthese in Kohlenwasserstoffe umgewandelt, die den Kraftstoff oder ein Vorprodukt des Kraftstoffes darstellen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens Liegt unter anderem darin, dass das Ha nicht verflüssigt und transportiert werden muss, was Zu erheblichen
Energieeinsparungen Führt.
Das in der Fischer-Tropsch-Synthese entstehende Vorprodukt kann mittels herkömmlicher Methoden einer fraktionierten Destillation und/oder Raffination unterworfen werden, um so die gewünschten Destillate zu erhalten. Wenn als Kraftstoff Kerosin erhalten werden soll, wird die Destiliation so ausgelegt, dass die Ausbeute an Flugkerosin möglichst groß ist. Um dies zu ermöglichen, kann z.B. zusätzlicher Wasserdampf in den Pyroiysereaktor eingeleitet werden, was auf Grund der Wassergas-Shift-Reaktion zu einem verringert Anteil
von CO und einem erhöhten Anteil von H2 im Rohgas führt.
Die Pyrolyse wird bevorzugt derart gesteuert, dass der Anteil an H; im Rohgas maximiert wird, um die Energiedichte zu erhöhen, und der Anteil an CO2 minimiert wird, um die Ausbeute an Pflanzenkohle zu erhöhen. Versuche zeigen, dass die Ausbeute am H; mit der Erhöhung der Pyrolysetemperatur einhergeht, Bei Versuchstemperaturen von 1000°C konnte somit
a
eine Ausbeute von H, von bis zu 50% erzielt werden. Diese hohen
Versuchsanlage
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Ausgangsstoffe, sofern erforderlich, vor Schritt a) zerkleinert werden um eine Partikelgröße mit einem Durchmesser
von 0,1-20mm zu erhalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
können die Ausgangsstoffe, sofern erforderlich, vor Schritt a)
ON
A
einer Trocknung auf einen Wassergehalt von z.B. < 35 Gew.-% unterworfen werden, wobei vorzugsweise ein Teil der in Schritt rt}
b) entstehenden thermischen Energie für die Trocknung genutzt
wird.
In Schritt b) können entweder H, und CO oder es kann nur Hz aus dem Rohagas abgetrennt werden, Wenn lediglich H2 aus dem Rohgas abgetrennt wird, kann eine externe CO-Quelle genutzt werden, um die für die Fischer-Tropsch-Synthese erforderliche Mischung aus Ho und CO zu erhalten. Zur Abtrennung des Was serstoffs und Kohlenmonoxids aus dem Rohgas wurden verschiedene Möglichkeiten getestet: Eine erfolgreiche Variante ist die
Gastrennung mittels Membranen. Da Wasserstoff das kleinste
Element im Periodensystem ist, kann mittels Membranen (z.B. Keramikmembran}) der Wasserstoff vom restlichen Gasgemisch
getrennt werden. Nach der Trennung mittels Metal lmembranen (z.B. aus Palladium) weist das abgetrennte Gas ebenfalls einen hohen Reinheitsarad an Wasserstoff auf. Diese Metallmenbrane können jedoch vom vorhandenen Kohlenmonoxid beschädigt werden, Fine weitere getestete Möglichkeit der Gastrennung ist besteht in der Ausnutzung eines Phasenwechsels,. Eine Abkühlung des Gasgemisches auf unter -205°C führt dazu, dass größtenteils
Wasserstoff, Kohlenmonoxid, und Stickstoff in der gasförmigen
Phase zurückbleibt. Das Gasgemisch muss danach in einem weiteren Schritt vom Stickstoff getrennt werden, z.B. mittels einer Membran. CO, Methan und andere Bestandteile des Rohgases sind bei diesen Temperaturen nicht mehr gasförmig,. Die benötigte Kälte für diesen Prozess kann teilweise durch die
Abwärme der Pyrolyseanlage hergestellt werden,
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockfließbild einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit 1 ist eine Zerkleinerungsanlage bezeichnet, weicher die das Ausgangsstoffe a zugeführt werden. Die zerkleinerten Ausgangsstoffe b werden in eine Trocknungsanlage 2 verbracht, worauf die getrockneten Ausgangsstoffe c in den Pyrolysereaktor 3 gelangen. Im Pyrolysereaktor 3 erfolgt die Pyrolyse der Ausgangsstoffe unter Sauerstoffausschluss, wobei optional heißer Wasserdampf m aus einem Wasserdampfreaktor 9
zugeführt wird.
Aus der Pyrolyse entstehen Rohgas d, Kohle e und Abgas 1. Das entstandene Rohgas d wird mittels eines Gastrenners 4 aufgeteilt und der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid werden aus dem Rohgas extrahiert. Die restlichen Bestandteile f£ des Rohgases werden zur Gewinnung der Prozesswärme h in einem
Brenner 5 verbrannt. Ein Teil qg der Prozesswärme kann für die Trocknung der Ausgangsstoffe in der Trocknungsanlage 2 verwertet werden, Das verbleibende Gasgemisch i aus H, und CO wird mittels Fischer-Tropsch-Synthese 7 und in einer Raffinerie 8 zu Flugzeugkerosin k umgewandelt. Die in der
Pyrolyse entstehende Kohle «& wird als CO,-Speicher 6
ausgeschieden.
angereichert, mittels FT-Verfahren prozessiert und danach
raffiniert.
Beispielsweise entstehen in der Pyrolyse durch das Einbringen von 1L500kW Biomassenstrom rund 600 kW Kohle und 800kW Rohgas plus Verluste, Die Energie- und Materialflüsse sind hierbei abhängig von der Art der Ausgangsstoffe, den Prozesstemperaturen und der Anlagegröße, Für den Erhalt des Pyrolyseprozesses werden in dieser Beispielanlage rund Z200kW benötigt. Diese Energie wird aus der Teilverbrennung des Rohgases gewonnen. Dabei verbleiben in der Beispielanlage rund 4A00kW Rohgas, welches in Kohlenwasserstoffe, wie z.B.
Fiugzeugkerosin, prozessiert werden kann.
10713
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Kraftstoff aus
kohlenwassersto£ffhaltigen Ausgangsstoffen, umfassend:
a) Pyrolysieren der Ausgangsstoffe in einem Pyrolysereaktor unter Sauerstoffausschluss zur Herstellung von Kohle und Rohgas, wobei das Rohgas CO, Hz sowie gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie z.B. CH und CHa, enthält,
b) Abtremen der gasförmigen Kohlenwasserstoffe aus dem Rehgas und Verbrennen derseiben, wobei die dabei entstehende thermische Energie zumindest teilweise der Pyrolyse zugeführt wird,
c} Durchführen einer Fischer-Tropsch-53ynthese, um aus dem aus dem Rohgas stammenden H, und aus CO, beispielsweise dem aus dem Rohgas stammenden CO, den Kraftstoff oder ein Vorprodukt des Kraftstoffs zu erhalten, wobei das Vorprodukt gg£. einer fraktionierten Destillation und/oder Raffination
unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoffe Biomasse, Klärschlamm, Haushaltsmüll,
Kunststoff und/oder deren Mischungen verwendet werden,
3, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe vor Schritt a) einer Trocknung auf einen Wassergehalt von < 35 Gew.-% unterworfen werden, wobei vorzugsweise ein Teil der in Schritt b) entstehenden
thermischen Energie für die Trocknung genutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fraktionierte Destillation und/oder
die Raffination in Schritt cc) durchgeführt wird, um Kerosin zu
erhalten.
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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass dem Pyrolysereaktor während der FPyrolyse
Wasserdampf zugegeben wird, 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b}) zusätzlich CO aus dem
Rohgas abgetrennt wird.
Wien, am 18. August 2022 Anmelder 7 f# S ) - 3 $ durch: Sf SS ET
$ a ; Bf E Haffnerf und“ Keschmann Patentanwälte GmbH
$
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2023
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