DE10031501B4

DE10031501B4 - Verfahren zur qualitätsgerechten Bereitstellung von Brenn-, Synthese- und Mischgasen aus Abfällen in einem aus einer Gaserzeugungsseite und einer Gasverwertungsseite bestehenden Verbund

Info

Publication number: DE10031501B4
Application number: DE2000131501
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Hauptmann; Wolfgang Dr. Seifert; Bernhard Dr. Pocher; Frank Kamka
Original assignee: Energiewerke Schwarze Pumpe AG; Sekundarrohstoff-Verwertungszentrum Schwarze Pumpe GmbH
Current assignee: Sustec Schwarze Pumpe GmbH
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: CZ20012371A3; DE10031501A1

Abstract

Verfahren zur qualitätsgerechten Bereitstellung von Brenn-, Synthese- und Mischgasen aus Abfällen in einem aus einer Gaserzeugungsseite und einer Gasverwertungsseite bestehenden Verbund, wobei die Gaserzeugungsseite gebildet ist aus einer Festbett- und einer Flugstromdruckvergasungseinheit mit nachgeschalteten Kondensationsanlagen und die Gasverwertungsseite gebildet ist aus einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD-Kraftwerk), einer Kesselanlage mit Rauchgasreinigung sowie einer stofflichen Synthesegasvenrwertungseinheit, wobei
– in der Festbettvergasungseinheit (1, 2) unter Maßgabe der Auslegung des Asche-/Schlackeabzuges ein Rohgas mit einem breiten Spektrum des H₂/CO-Verhältnisses bereitgestellt wird,
– die Flugstromvergasungseinheit (5) bei einer Temperatur von größer 1400 °C betrieben wird, wobei nach Quenchung des erzeugten Spaltgases mit Wasser ein in hohem Maße mit Wasserdampf gesättigtes Synthesegas bereitgestellt wird,
– nach Maßgabe des geforderten H₂/CO-Verhältnisses für die stoffliche Verwertungseinheit das Synthesegas aus der Flugstromvergasungseinheit zumindest teilweise und das Rohgas aus der Festbettdruckvergasungseinheit mit flüssigem Schlackeabzug anteilig über eine CO-Konvertierungsanlage gefahren wird,
– alle Roh- und Synthesedruckgase aus...

Description

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

Aus dem Stand der Technik ist die DE A1 43 17 319 bekannt, in der eine Lösung vorgestellt 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 gewonnen werden. Die im DE 43 17 319 A1 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 Kohlenwasserstoffen sowie Schwefelverbindungen verunreinigt. Nach dem DE 43 17 319 A1 können diese Gase nur derart verwendet werden, dass sie auf den Druck des Rohgases der Gaserzeuger verdichtet und mit über die Gasreinigungsanlagen geführt werden. Die Verdichtung derart verschmutzter Gase ist sehr aufwendig an Investitionen und Energie. Bei der Gasreinigung fällt Schwefel an, der entsprechend des erreichbaren Reinheitsgrades schwer absetzbar ist. Der energetische Vorteil des hohen CO₂-Gehaltes des Brenngases für die Stromerzeugung der Gasturbine wird durch den hohen Strom- und Dampfbedarf bei der Verdichtung des drucklosen Gases 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 Gasverbrauchern wie Methanolanlage, Gasturbine, Kesselanlagen, die sehr unterschiedliche und stark begrenzte Anforderungen an die Gasqualität stellen, einzusetzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den an sich bekannten Gasverbund in Gaserzeugungs- und Gasververtungsanlagen weiter zu optimieren unter Maßgabe der Bereitstellung eines qualitätsgerechten Gases für jede der nachgeschalteten Gasverwertungseinheiten. Insbesondere soll das gesamte erzeugte Gas als Mischgas über eine Gaswäsche gefahren werden. Weiter soll statt Schwefel Gips erzeugt werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß der im Patentanspuch 1 dargelegten Verfahrensschritte und der möglichen Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll am nachfolgenden Beispiel eines Anlagenkomplexes zur Abfallverwertung erläutert werden. Dazu sind in 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 zusammen 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 Zusammensetzung 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 gekühlt. 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 Konvertierungsreaktor 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 Festbettdruckvergasungsanlagen vermischt und zur Reinigung und Aufbereitung über die Tieftemperaturwäsche 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 Zusammensetzung 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^½ bis 1900 KJ/m³i.N. · K^½ vermischt und zur Gasturbine im GuD-Kraftwerk und zur Zusatzfeuerung des Abhitzekessels für die Erzeugung von Strom und Dampf gefahren.
Bei den Festbettdruckvergasungsanlagen und der Flugstromdruckvergasungsanlage fallen ca. 3.000 m³i.N./h Schleusen- und Dämpfegase drucklos mit folgender Zusammensetzung 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 Zusammensetzung:

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 Rauchgasreinigung 12 verbrannt. Der erzeugte Dampf wird zum GuD-Kraftwerk 11 geführt und in der Dampfturbine in Strom und Prozessdampf umgewandelt, die Schwierigkeit des Gesamtsprozesses liegt in der Beherrschung der Vergasungsverfahren mit sehr unterschiedlichen Abfallstoffen. Hier sind wiederholt Leistungsveränderungen und Ausfälle zu verzeichnen. Auch hängt in gewissen Grenzen die Gasqualität von der Fahrweise der Vergasungsanlagen und der eingesetzten Abfallstoffe ab. Das bedeutet, dass die erzeugten Gasmengen und auch die Gasqualitäten erheblichen Schwankungen unterliegen. Eine weitere Schwierigkeit, aber auch unbedingte Notwendigkeit des Prozesses besteht darin, dass alle erzeugten Druckgase über eine Tieftemperatur-Gaswäsche bei Temperaturen von –50 bis –60 °C gefahren werden und so eine selektive Wäsche verschiedener Gasarten nicht möglich ist. Die Notwendigkeit besteht darin, dass es nur auf diese Art gelingt, das hohe Schadstoffpotential der halogenierten Kohlenwasserstoffe abzutrennen. Da aber andererseits die Gasverbraucher Gasqualitäten mit sehr engen Toleranzbereichen erfordern, gelingt die Beherrschung 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 Vergaser 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 Kesselanlage 12

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

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

Verfahren zur qualitätsgerechten Bereitstellung von Brenn-, Synthese- und Mischgasen aus Abfällen in einem aus einer Gaserzeugungsseite und einer Gasverwertungsseite bestehenden Verbund, wobei die Gaserzeugungsseite gebildet ist aus einer Festbett- und einer Flugstromdruckvergasungseinheit mit nachgeschalteten Kondensationsanlagen und die Gasverwertungsseite gebildet ist aus einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD-Kraftwerk), einer Kesselanlage mit Rauchgasreinigung sowie einer stofflichen Synthesegasvenrwertungseinheit, wobei – in der Festbettvergasungseinheit (1, 2) unter Maßgabe der Auslegung des Asche-/Schlackeabzuges ein Rohgas mit einem breiten Spektrum des H₂/CO-Verhältnisses bereitgestellt wird, – die Flugstromvergasungseinheit (5) bei einer Temperatur von größer 1400 °C betrieben wird, wobei nach Quenchung des erzeugten Spaltgases mit Wasser ein in hohem Maße mit Wasserdampf gesättigtes Synthesegas bereitgestellt wird, – nach Maßgabe des geforderten H₂/CO-Verhältnisses für die stoffliche Verwertungseinheit das Synthesegas aus der Flugstromvergasungseinheit zumindest teilweise und das Rohgas aus der Festbettdruckvergasungseinheit mit flüssigem Schlackeabzug anteilig über eine CO-Konvertierungsanlage gefahren wird, – alle Roh- und Synthesedruckgase aus der Festbett- und der Flugstromdruckvergasungseinheit sowie der CO-Konvertierungsanlage gemischt und einer Tieftemperaturwäsche bei minus 50 bis minus 60 °C unterworfen werden, – das gewaschene Synthesegas zum überwiegenden Teil einer stofflichen Verwertungseinheit zur weitgehenden Umwandlung der Gasbestandteile H₂, CO und CO₂ in synthetische Produkte zugeführt wird, – nach Maßgabe der Brenngasqualität das Überschussgas der Synthesegasverwertungseinheit und bei Erfordernis Teilmengen des Synthesegases und/oder Erdgas der Gasturbineneinheit des GuD-Kraftwerks zugeführt wird, – die drucklosen Schleusen- und Dämpfegase der Druckvergasungseinheiten mit den Entspannungsgasen der Tieftemperaturwäsche gemischt werden und das Mischgas unter Maßgabe der Brenngasqualität eine Zumischung von Roh- und/oder Synthese- und/oder Purge- und/oder Erdgas erfährt und einer Kesselanlage mit nachgeschalteter Rauchgasreinigung zugeführt und in dieser verbrannt wird, wobei aus den Schwefelverbindungen Gips entsteht und – vdie engen Toleranzbereiche der Gase für die Gasverwertungsanlagen unter Maßgabe der spezifischen Anforderungen nach einer Matrix von Einflussgrößen mit Hilfe eines Leitsystems derart geregelt werden, dass folgende Einflussgrößen ständig oder teilweise einbezogen werden: – Qualität von Rohgas, Synthesegas, Überschussgas der Synthesegasverwertungseinheit und Erdgas, – Zusammensetzung der Abfallvergasungsstoffe für die Vergasungseinheiten, – Leistung und Fahrweise der Vergasungseinheiten, – Quantität der Gase über bzw. um die CO-Konvertierungseinheit, – Fahrweise der Tieftemperaturwäsche und – Quantität von Dampf und/oder CO₂ in die Schüttung der Festbettdruckvergaser.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch andere Gaserzeugungsverfahren wie die Wirbelschichtvergasung eingesetzt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die CO-Konvertierung nach der Tieftemperaturwäsche der Gase erfolgt und der Teilstrom des gereinigten Gases über die CO-Konvertierungsanlage entsprechend des notwendigen H₂/CO-Verhältnisses der Synthesegasverwertungsanlage eingestellt wird.