DE10031501A1

DE10031501A1 - Verfahren der flexiblen und integrierten Abfallvergasung

Info

Publication number: DE10031501A1
Application number: DE2000131501
Authority: DE
Inventors: Werner Hauptmann; Wolfgang Seifert; Bernhard Pocher; Frank Kamka
Original assignee: Energiewerke Schwarze Pumpe AG
Current assignee: Sustec Schwarze Pumpe GmbH
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: DE10031501B4; CZ20012371A3

Abstract

Die Erfindung beschreibt die Vergasung von Abfallstoffen aus Industrie, Gewerbe und Haushalt durch eine Kombination von Festbettdruckvergasung und Flugstromdruckvergasung auf der Gaserzeugungsseite und einem GuD-Kraftwerk und einer Methanolanlage auf der Gasverwertungsseite. DOLLAR A Das in den Anlagen der Festbettdruckvergasung und der Flugstromdruckvergasung erzeugte Gas wird als Mischgas über eine Gaswäsche zur fast vollständigen Abtrennung von Schwefelverbindungen und halogenierten Kohlenwasserstoffen gefahren und anstelle von Schwefel wird Gips erzeugt. Über Regelung der Gaszusammensetzung wird erreicht, dass für jeden Gasverbraucher ein jeweils qualitätsgerechtes Gas zur Verfügung steht.

Description

Das Verfahren bezieht sich auf das Gebiet der Vergasung von Abfallstoffen insbe sondere durch eine Kombination von Festbettdruckvergasung und Flugstromdruck vergasung auf der Gaserzeugungsseite und mit einem GuD-Kraftwerk sowie einer Methanolanlage auf der Gasverwertungsseite.

Aus dem Stand der Technik ist die DE-OS 43 17 319 bekannt, in der eine Lösung vor gestellt wird, nach der eine flexible Kopplung von Verfahrensstufen zur Aufbereitung und Verarbeitung der bei der Vergasung von Abfällen in Festbettdruckvergasungs- und Flugstromdruckvergasungsanlagen anfallenden Gase betrieben wird, wobei die Stufen Gaskühlung, Gaswäsche, Hydrolyse und CO-Konvertierung so neben- und hintereinander und miteinander verflochten sind, dass letztlich eine Kraftwerkseinheit betrieben werden kann und CO₂ und Synthesegas für einen weiteren Einsatz ge wonnen werden. Die im DE 43 17 319 vorgestellte Lösung weist eine Reihe von Nachteilen auf.

So ist die Gasaufbereitung sehr anlagen-, bedien- und energieaufwendig. Weiterhin fällt bei der Festbettdruckvergasung bei der Einschleusung der Abfallstoffe in den Druckreaktor ein druckloses Schleusengas und bei der Entspannung der Kondensate der Festbett- und Flugstromdruckvergasung ein druckloses Dämpfegas an. Beide Gase besitzen einen relativ hohen Heizwert und sind mit verschiedenartigen Kohlen wasserstoffen sowie Schwefelverbindungen verunreinigt. Nach dem DE 43 17 319 können diese Gase nur derart verwendet werden, dass sie auf den Druck des Roh gases der Gaserzeuger verdichtet und mit über die Gasreinigungsanlagen geführt werden. Die Verdichtung derart verschmutzter Gase ist sehr aufwendig an Investitio nen und Energie. Bei der Gasreinigung fällt Schwefel an, der entsprechend des er reichbaren Reinheitsgrades schwer absetzbar ist. Der energetische Vorteil des ho hen CO₂-Gehaltes des Brenngases für die Stromerzeugung der Gasturbine wird durch den hohen Strom- und Dampfbedarf bei der Verdichtung des drucklosen Ga ses bzw. den Desorptionsprozessen der Gasreinigungsstufen aufgehoben. Bisher wurde es als nicht lösbar angesehen, die Gase aus unterschiedlichen Abfallstoffen und aus verschiedenen Arten von Gaserzeugern mit unterschiedlicher Zusammensetzung der Gase und stark schwankenden Leistungen der Gaserzeuger zu mischen, gemeinsam über eine Gasreinigungsanlage zu fahren und anschließend in Gas verbrauchern wie Methanolanlage, Gasturbine, Kesselanlagen, die sehr unterschied liche und stark begrenzte Anforderungen an die Gasqualität stellen, einzusetzen.

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen also darin, den Gasverbund der Gaserzeu gungs- und Gasverwerteranlagen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, weiter zu optimieren, Verfahrensstufen einzusparen, das gesamte erzeugte Gas als Mischgas über eine Gaswäsche zur annähernd vollständigen Abtrennung von Schwefelverbin dungen und halogenierten Kohlenwasserstoffen zu fahren, für verschiedene Gas verbraucher jeweils ein qualitätsgerechtes Gas einzuregeln und anstelle von Schwe fel Gips zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird das Gas der Flugstromvergasungsanlage mit Quenchung des ca. 1500°C heißen Gases und damit Sättigung mit Wasserdampf sowie nach Aus waschen des Rußes einer CO-Konvertierungsanlage zugeführt, wobei ein mengen geregelter Teilstrom durch einen CO-Konvertierungsreaktor und der restliche Teil strom um den CO-Konvertierungsreaktor gefahren werden kann. Anschließend wird dieses Gas bis auf ca. 30°C gekühlt. Das in der Festbettdruckvergasungsanlage erzeugte Rohgas wird ebenfalls gequencht, gewaschen und bis auf ca. 30°C ge kühlt. Die auf ca. 30°C gekühlten Gase der Festbett- und Flugstromvergasung wer den vereinigt und einer physikalischen Tieftemperatur-Gaswäsche zugeführt. Hierbei wird das Gas auf -50 bis -60°C gekühlt, wobei verflüssigbare Kohlenwasserstoffe insbesondere halogenierte Kohlenwasserstoffe in hohem Maße abgetrennt werden. Als Absorbens dient Methanol. Im Ergebnis der Gaswäsche entsteht ein reines Syn thesegas mit 2 bis 3% CO₂ und < 1 ppm Schwefel sowie praktisch frei von haloge nierten Kohlenwasserstoffen und ein Entspannungsgas mit ca. 80 bis 90% CO₂ und einen relativ hohen Anteil an höherwertigen Kohlenwasserstoffen. Diese Kohlenwas serstoffe entstehen insbesondere bei der Vergasung von Abfallkunststoffen in der Festbettdruckvergasung und werden zum erheblichen Anteil mit dem Absorbens Me thanol aus dem Gas gewaschen. Das erzeugte Synthesegas wird einer Methanolan lage zugeführt. Hierbei wird das notwendige CO/H₂-Verhältnis zunächst über die Hö he des über den CO-Konvertierungsreaktor geführten Teilstromes eingestellt. Das gereinigte Synthesegas besitzt ebenfalls noch einen hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen, der insbesondere bei der Festbettvergasung in das Gas gelangt und über die Zusammensetzung der vergasten Reststoffe beeinflusst werden kann. Dieser Koh lenwasserstoffgehalt des Synthesegases bildet einen beträchtlichen Anteil des bei der Methanolsynthese anfallenden Überschussgases (Purgegas), das damit einen hohen Heizwert besitzt und sogleich über eine hohe Reinheit verfügt. Das Purgegas wird zur Einstellung der erforderlichen Qualität speziell für die Gasturbineneinheit mit oder ohne überschüssigem Synthesegas und/oder Erdgas vermischt und dem GuD- Kraftwerk zugeführt. Das GuD-Kraftwerk besteht aus einer Gasturbineneinheit, einem Abhitzekessel mit oder ohne Zusatzfeuerung und einer Dampfturbineneinheit.

Die drucklosen Schleusen- und Dämpfegase der Festbett- und Flugstromdruckver gasung werden mit den drucklosen Entspannungsgasen der Tieftemperaturwäsche, die die abgetrennten Schwefelverbindungen mitführen, vermischt. Dieses Mischgas besitzt so relativ hohe Anteile an Schwefel- und Kohlenwasserstoffverbindungen und wird in einer Kesselanlage mit nachgeschalteter Rauchgasreinigung verbrannt.

Dieses Mischgas soll für die Verbrennung eine ausreichende Heizkraft, jedoch mit begrenzter Schwankungsbreite derselben, besitzen. Dies wird u. a. erreicht durch die Einstellung des bei der Festbettvergasung eingesetzten Altkunststoffanteils, durch das Verhältnis der Gasmengen aus Flugstrom und Festbettvergasung und durch Veränderung der Absorptionsbedingungen bei der Methanoltieftemperaturgaswä sche. Der in der Kesselanlage erzeugte Dampf wird in der Dampfturbineneinheit des GuD-Kraftwerkes zur Erzeugung von Strom eingesetzt. Die Schwefelverbindungen des Mischgases werden zu SO₂/SO₃ verbrannt, mit Kalksuspension aus dem Rauch gas gewaschen und als Gips abgetrennt.

Die Festbettvergasung kann gemäß den vorstehenden Ausführungen aus Vergasern mit festen oder flüssigen Schlackeabzug bestehen. Festbettvergaser mit flüssigen Schlackeabzug erzeugen ein Rohgas mit höheren CO-Gehalt als Festbettvergaser mit festen Ascheabzug. In Abhängigkeit vom Rohgasanteil der Vergasereinheit mit flüssigen Schlackeabzug ist es damit zur Einstellung der Synthesegasqualität not wendig, den Anteil Flugstromvergasungsgas, der über die CO-Konvertierungsanlage gefahren wird, anzupassen und/oder einen Teil des Gases der Schlackebadverga sung über den CO-Konvertierungsreaktor zu leiten. Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des H₂/CO-Verhältnisses des Synthesegases besteht in der Zuführung von Wasserdampf in die Schüttung des Schlackebadvergasers zur Anhebung des H₂- Anteiles dieses Gases oder von CO₂-haltigen Restgasen in die Schüttung des Fest bettvergasers mit festen Ascheabzug zur Anhebung des CO-Anteiles dieses Gases. Damit gelingt es bei allen Mengenverhältnissen von Gasen aus der Flugstromverga sung, der Festbettvergasung mit festen und der mit flüssigen Schlackeabzug die notwendige Synthesegasqualität einzustellen.

Eine weitere Steuerungsmöglichkeit, die nur bei besonderen Betriebssituationen ge nutzt wird, besteht darin, dass das Rohgas der Gaserzeugungsverfahren teilweise in das drucklose Gasnetz entspannt und so in der Kesselanlage mit Rauchgasreinigung verbrennt. Auf diese Art kann ebenfalls das H₂/CO-Verhältnis des Synthesegases, die Qualität des Gases des GuD-Kraftwerkes und die Qualität sowie Menge des drucklosen Gases geregelt werden.

Durch Erfassung und Auswertung der verschiedenen Einflussgrößen über Rechner- und Leitsysteme ist es möglich, bei einem breiten Spektrum der Gasmengen der ver schiedenen Vergasungseinheiten über eine Steuermatrix sowohl ein qualitätsgerech tes Synthesegas für die Methanolanlage, ein qualitätsgerechtes Brenngas für den GuD-Block als auch ein qualitätsgerechtes Brenngas für die Kesselanlage mit Rauchgasreinigung zu erzeugen und gleichzeitig bei hohem energetischem Wir kungsgrad die Emission an Schadstoffen zu minimieren.

Die Kesselanlage für das drucklose Gas dient hierbei auch zur Besicherung des Ab hitzekessels des GuD-Kraftwerkes. Die Leistung beider Kesselanlagen kann durch Einsatz unterschiedlicher Anteile an Synthese- und Erdgas geregelt und den Ver bunderfordernissen angepasst werden.

Das Verfahren ist durch einen hohen Umweltstandard gekennzeichnet, da

- das Synthesegas kleiner 0,1 ppm Schwefel besitzt und so die GuD- Kraftwerkseinheit eine sehr geringe Emission an SO₂ aufweist
- halogenierte Kohlenwasserstoffe praktisch vollständig in flüssiger Form abgetrennt werden
- die Kraftwerkseinheit mit nachgeschalteter Rauchgasreinigung eine fast vollstän dige Umwandlung der Schwefelverbindungen in Gips ermöglicht.

Die Erfindung soll am nachfolgenden Beispiel eines Anlagenkomplexes zur Abfall verwertung erläutert werden. Dazu sind in Fig. 1 die wesentlichen technologischen Einheiten dargestellt. In der Festbettvergasung, bestehend aus Vergasern mit festen Ascheabzug 1 und einem Vergaser mit flüssigem Schlackeabzug 2 werden 50 t/h Altkunststoffe, Klärschlamm, Müllpellets, Teerpellets und kontaminiertes Holz zu sammen mit 20% Steinkohle vergast. Mit den beiden Vergasereinheiten 1 und 2 werden 30.000 m³i. N./h bzw. 40.000 m³i. N./h Rohgas mit folgender Zusammenset zung erzeugt:

Vergasungseinheit 1	Vergasungseinheit 2
30.000 m³i. N./h	40.000 m³i. N./h
33% CO₂	6% CO₂
37% H₂	30% H₂
13% CO	51% CO
12% CH₄	8% CH₄
3% C_nH_m	2% C_nH_m
2% Sonst.	3% Sonst.

Beide Rohgase werden in den Kondensationsanlagen 3, 4 gequencht, gewaschen sowie durch Abhitzerückgewinnung und indirekt mit Kühlwasser auf ca. 30°C ge kühlt. Die Flugstromdruckvergasungsanlage 5 erzeugt 35.000 m³i. N./h Rohgas mit folgender Zusammensetzung:

Vergasungseinheit 5
35.000 m³i. N./h
8% CO₂
44% H₂
45% CO
1% CH₄
2% Sonst.

Dieses Rohgas wird gequencht und dabei mit Wasserdampf in für die CO- Konvertierung erforderlichem Maße angereichert. Es wird in der Rußwäsche 6 von Ruß befreit. Von dem gereinigten Gas werden 35.000 m³i. N./h durch den Konvertie rungsreaktor und im Anwendungsbeispiel 0 m³i. N./h um den Konvertierungsreaktor 7 geleitet. Dem zu konvertierenden Gas aus der Flugstromdruckvergasung werden 5.000 m³i. N./h Gas aus der Festbettdruckvergasung mit flüssigem Schlackeabzug zugeleitet. Das konvertierte Gas wird in einer Kühlstufe 8 auf ca. 30°C gekühlt und besitzt folgende Zusammensetzung:

Konvertgas
44.640 m³i. N./h
32,6% CO₂
57,8% H₂
6,5% CO
1,4% CH₄
1,7% Sonst.

Dieses Gas wird mit 60.000 m³i. N./h gekühlten Rohgasen der Festbettdruckverga sungsanlagen vermischt und zur Reinigung und Aufbereitung über die Tieftempera turwäsche 9 gefahren. Das erzeugte Synthesegas von 76.500 m³i. N./h hat folgende Zusammensetzung:

Synthesegas
76.500 m³i. N./h
2,3% CO₂
62,2% H₂
26,0% CO
6,2% CH₄
3, 3% Sonst.
0,1 ppm Schwefel
und liegt im erforderlichen Toleranzbereich von

Von dem Synthesegas werden 50.000 m³i. N./h zur Methanolanlage 10 und 10.000 m³i. N./h zum GuD-Kraftwerk 11 gefahren. In der Methanolanlage werden 14,5 t/h Methanol erzeugt und es fallen 17.400 m³i. N./h Purgegas mit folgender Zu sammensetzung an:

Purgegas
17.400 m³i. N./h
4,4% CO₂
52,0% H₂
14,5% CO
17,8% CH₄
2,6% C_nH_m
8,7% Sonst.

Die 17.400 m³i. N./h Purgegas werden mit den 10.000 m³i. N./h Synthesegas sowie mit 3.000 m³i. N./h Erdgas zur Einhaltung einer Wobbezahl von 1650 KJ/m³i. N..K^⊃ bis 1900 KJ/m³i. N..K^⊃ vermischt und zur Gasturbine im GuD-Kraftwerk und zur Zusatz feuerung des Abhitzekessels für die Erzeugung von Strom und Dampf gefahren.

Bei den Festbettdruckvergasungsanlagen und der Flugstromdruckvergasungsanlage falten ca. 3.000 m³i. N./h Schleusen- und Dämpfegase drucklos mit folgender Zu sammensetzung an:

Schleusen- und Dämpfegas
3.000 m³i. N./h
16,5% CO₂
18,5% H₂
6,0% CO
6,5% CH₄
52,5% Sonst.

Dieses Gas wird in einer Kühlstufe 13 auf ca. 20 bis 30°C gekühlt. Es wird vermischt mit 5.000 m³i. N./h Rohgas aus der Vergasungsstufe 2, 28.500 m³i. N./h Entspannungsgas aus der Tieftemperaturwäsche sowie dem restlichen Synthesegas von 16.500 m³i. N./h.

Das Entspannungsgas und das Mischgas haben folgende Zusammensetzungen:

Entspannungsgas	Mischgas
28.500 m³i. N./h	53.000 m³i. N./h
89,0% CO₂	49,9% CO₂
2,2% H₂	24,5% H₂
1,8% CO	14,3% CO
3,2% CH₄	4,7% CH₄
2,9% C_nH_m	2,0% C_nH_m
0,9% Sonst.	4,6% Sonst.

Das drucklose Mischgas wird in einer Kesselanlage mit nachgeschalteter Rauchgas reinigung 12 verbrannt. Der erzeugte Dampf wird zum GuD-Kraftwerk 11 geführt und in der Dampfturbine in Strom und Prozessdampf umgewandelt. Die Schwierigkeit des Gesamtprozesses liegt in der Beherrschung der Vergasungsverfahren mit sehr un terschiedlichen Abfallstoffen. Hier sind wiederholt Leistungsveränderungen und Aus fälle zu verzeichnen. Auch hängt in gewissen Grenzen die Gasqualität von der Fahr weise der Vergasungsanlagen und der eingesetzten Abfallstoffe ab. Das bedeutet, dass die erzeugten Gasmengen und auch die Gasqualitäten erheblichen Schwan kungen unterliegen. Eine weitere Schwierigkeit, aber auch unbedingte Notwendigkeit des Prozesses besteht darin, dass alle erzeugten Druckgase über eine Tieftempera tur-Gaswäsche bei Temperaturen von -50 bis -60°C gefahren werden und so eine selektive Wäsche verschiedener Gasarten nicht möglich ist. Die Notwendigkeit be steht darin, dass es nur auf diese Art gelingt, das hohe Schadstoffpotential der halo genierten Kohlenwasserstoffe abzutrennen. Da aber andererseits die Gasverbrau cher Gasqualitäten mit sehr engen Tolleranzbereichen erfordern, gelingt die Beherr schung des Gesamtprozesses nur über eine Steuerung bzw. Regelung mittels einer Matrix von folgenden Einflussgrößen:

- Zusammensetzung Reststoffe für die Vergaser 1, 2, 5
- Leistung der Vergaser 1, 2, 5
- Menge Gas über bzw. um die CO-Konvertierung 7 von Vergaser 5 und/oder Ver gaser 2
- Fahrweise Tieftemperaturwäsche 9
- Dampfzuführung in die Schüttung Schlackebadvergaser 2
- CO₂-Zuführung zum Vergasungsmittel Vergaser 1
- Rohgasentspannung in das drucklose Gasnetz 13
- Erdgaseinsatz zum Gas für GuD-Kraftwerk 11
- Erdgaseinsatz in Kesselanlage 12
- Aufteilung Synthesegas auf Methanolanlage 10, GuD-Kraftwerk 11 und Kesselan lage 12

In Abhängigkeit von der Art der Leistungsänderung der Vergaser und/oder der Art der Änderung der Gasqualität haben vorstehende Einflussgrößen eine unterschiedli che Priorität. Die Auswertung und Steuerung erfolgt mittels eines Prozessleitsystems.

Bezugszeichenliste

1

Vergaser mit festem Ascheabzug

2

Vergaser mit flüssigem Schlackeabzug

3

Kondensationsanlage

4

Kondensationsanlage

5

Flugstromdruckvergasungsanlage

6

Rußwäsche

7

Konvertierungsreaktor

8

Kühlstufe

9

Tieftemperaturwäsche

10

Methanolanlage

11

GuD-Kraftwerk

12

Rauchgasreinigung/druckloses Gasnetz Kesselanlage

13

Kühlstufe

Claims

1. Verfahren der flexiblen und integrierten Abfallvergasung bestehend aus Fest bettdruckvergasungseinheit, Flugstromdruckvergasungseinheit, GuD- Kraftwerk und stofflichen Synthesegasverwerter, wobei

- die Festbettvergasungseinheit sowohl aus Vergasern mit festem Ascheab zug als auch mit flüssigen Schlackeabzug bestehen kann, wobei in Abhän gigkeit der Art der Abtrennung der Asche/Schlacke das erzeugte Gas ein sehr unterschiedliches H₂/CO-Verhältnis besitzt,
- die Flugstromdruckvergasungseinheit vorzugsweise bei Temperaturen grö ßer 1400°C arbeitet und das heiße Spaltgas mit Wasser gequencht und damit in hohem Maße mit Wasserdampf gesättigt wird,
- eine CO-Konvertierungsanlage, über die vorzugsweise das Gas der Flug stromdruckvergasungseinheit vollständig oder teilweise und bei Erfordernis das Gas der Festbettdruckvergasungsanlage mit flüssigem Schlackeabzug teilweise gefahren wird,
- alle erzeugten Druckgase inclusive das konvertierte Gas gemischt und in einer Tieftemperaturwäsche bei Temperaturen bei -50°C, vorzugsweise von -50 bis -60°C, gewaschen werden,
- das erzeugte Synthesegas überwiegend einer stofflichen Synthesegasver wertungseinheit, vorzugsweise einer Methanolanlage, zur weitgehenden Umwandlung der Gasbestandteile H₂, CO, CO₂ in synthetische Produkte zugeführt wird,
- das Überschussgas der Synthesegasverwertungseinheit, bei Erfordernis vermischt mit Teilmengen Synthesegas und/oder Erdgas zur Einstellung der Brenngasqualität, einer Gasturbineneinheit zugeführt wird,
- die drucklose Schleusen- und Dämpfegase der Druckvergasungsanlagen mit den Entspannungsgasen der Tieftemperaturwäsche vermischt werden und dieses Mischgas bei Erfordernis zur Qualitätseinstellung der Gase des Prozesses eine Zumischung von Roh- und/oder Synthese- und/oder Purge- und/oder Erdgas erfährt und in einer Kesselanlage mit nachgeschalteter Rauchgasreinigung verbrannt wird, wobei aus den Schwefelverbindungen Gips entsteht,
- die engen Toleranzbereiche der Gase für die Gasverwertungsanlagen nach einer Matrix von Einflussgrößen mit kostenrelevanten, energetischen sowie umwelttechnischen Prioritäten mit Hilfe eines Leitsystems geregelt wird, wobei folgende Einflussgrößen ständig oder zeitweise einbezogen werden
- wechselweiser Einsatz von Teilmengen der Gasarten Rohgas, Synthesegas, Überschussgas der Synthesegasverwertungsein heit, Erdgas bei den Gasverbrauchern entsprechend ihren Quali tätsanforderungen
- Zusammensetzung Reststoffe für die Vergaser
- Leistung und Fahrweise der Vergaser
- Menge Gas über bzw. um die CO-Konvertierungseinheit
- Fahrweise Tieftemperaturwäsche
- erhöhte Dampf- und/oder Kohlendioxidzuführung in die Schüt tung der Festbettdruckvergaser.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch andere Gas erzeugungsverfahren wie die Wirbelschichtvergasung eingesetzt werden kön nen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die CO- Konvertierungsanlage nach der Tieftemperaturwäsche der Gase angeordnet wird und der Teilstrom des gereinigten Gases über die CO- Konvertierungsanlage entsprechend des notwendigen H₂/CO-Verhältnisses der Synthesegasverwertungsanlage eingestellt wird.