DE10144290C1

DE10144290C1 - Verfahren zur Herstellung eines nahezu kondesatfreien und staubfreien Pyrolysegases aus biogenen Ausganggstoffen

Info

Publication number: DE10144290C1
Application number: DE10144290A
Authority: DE
Inventors: Joachim Otschik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-08
Filing date: 2001-09-08
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-09-09

Abstract

Der Erfindung liegt ein Verfahren zugrunde, mit dessen Hilfe ein nahezu kondensat- und staubfreies Pyrolysegas erzeugt wird. Dies gelingt in überraschender Weise durch die gezielte Steuerung der Aufheizraten, des zu pyrolysierenden biogenen Ausgangsstoffes in Verbindung mit Aufheizraten die kleiner als 1 K/min sind. Durch die Steuerung der Aufheizraten wird ein Reaktionsweg zu nichtkondensierbaren Gasbestandteilen über die Zwischenstufe der Hydrolysierung bevorzugt und damit die Bildung von kondensierbaren Teeren weitestgehend unterdrückt. DOLLAR A Geringe Anteile an gebildeten Teeren und Staub werden dadurch sicher abgeschieden, daß das gebildete Pyrolysegas durch eine Schüttung von biogenem Ausgangsmaterial geleitet wird. DOLLAR A Von überraschendem zusätzlichen Vorteil ist der Effekt, daß die Pyrolyse der biogenen Ausgangsstoffe im Temperaturbereich zwischen 250 DEG C und 500 DEG C exotherm ist.

Description

Es ist bekannt, daß die Pyrolyse von biogenen Ausgangstoffen (z. B. Zellulose) unter weitestgehendem Ausschluß von Sauerstoff und unter Einwirkung von Wärmeenergie zur Bildung von Pyrolysegas und Pyrolysekoks führt. Die für diesen Prozeß eingesetzten Verfahren sind vielfältig und erprobt. Bei der Analyse dieser Verfahren kann prinzipiell zwischen der "Blitzpyrolyse" und einer "langsamen" Pyrolyse unterschieden werden (siehe: Suuberg, E. M.; Dalal, V. F.: A study on the effects of heating rate and ambient oxygen on the global rates of cellulose pyrolysis. Chem. Phys. Processes Combust. (1987), 65/1-65/4 und Broido, A.: Kinetics of solid phase cellulose pyrolysis Therm. Uses Pro perties Carbohydr. Lignins, Symp. (1976), 19-36). Bei beiden Verfahrensgruppen wird die Geschwindigkeit der Erwärmung durch Wärmetransportrandbedingungen, wie z. B. Temperaturdifferenzen, Gasgrenzschichtdicken, Teilchengrößen bestimmt, wobei in der Regel ein wesentliches verfahrenstechnisches Ziel darin besteht, hohe Aufheizraten und damit kleine Reaktionsvolumina zu realisieren. Die Aufheizraten oder Aufheizgeschwin digkeiten liegen meistens zwischen 10 K/min und 1000 K/min. Die Produkte beider Verfahren sind ein Pyrolysegas mit großen Anteilen an kondensierbaren Kohlenwasser stoffen (Teeren) und Pyrolysekoks. In der Regel ist das Pyrolysegas staubbeladen. Die kondensierbaren und festen (Staub) Gasbestandteile erfordern einen hohen technischen Aufwand für die Gasreinigung, wenn das Pyrolysegas zum Beispiel direkt in einem Gas motor verbrannt werden soll. Bei beiden Verfahrensgruppen muß Energie für die Erwär mung der biogenen Ausgangsstoffe zugeführt werden.

Der angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein na hezu kondensatfreies und staubfreies Pyrolysegas aus biogenen Ausgangsstoffen herzu stellen.

Dies gelingt in überraschender Weise dadurch, daß die Aufheizgeschwindigkeit des Einsatzgutes in allen Verfahrensstufen kleiner 1 K/min ist.

Die geringen Aufheizgeschwindigkeiten der biogenen Ausgangsstoffe begünstigen deren Hydrolysierung in einem Temperaturbereich von ca. 100°C bis 200°C und ermöglichen damit die nahezu vollständige nachgeschaltete Aufspaltung (ab einer Temperatur von 200°C) der dann hydrolisierten Biopolymere in festen Kohlenstoff und nichtkondesier bare Gase, wie zum Beispiel Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Von überra schendem Vorteil ist auch der Effekt, daß die Pyrolyse der hydrolisierten Biopolymere weitestgehend exotherm ist und damit der Prozeß ohne externe Energie auskommt. Zu sätzlich kann ein fast staubfreies Pyrolysegas hergestellt werden, da die Gasbildungsrate und damit die Gasgeschwindigkeiten im Reaktor klein (laminar) sind. Mit der Leitung des entstehenden Pyrolysegases durch eine kältere Schüttung, bestehend aus dem Aus gangsmaterial, kann bei Bedarf die Kondensat- und Staubfrei heit des Pyrolysegases zusätzlich abgesichert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen (Fig. 1 bis Fig. 5.4) dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Für das Ausführungsbeispiel wurde eine diskontinuierliche Verfahrensvariante gewühlt. Die für diesen Prozeß verwendeten Reaktoren (Fig. 1) verfügen über eine Gasumwäl zung mit der Möglichkeit das strömende Gas zu kühlen und zu beheizen. Dadurch ist die Einstellung gezielter Aufheizgeschwindigkeiten technisch realisierbar. Innerhalb der Reaktoren ist ein Schüttung (Festbett) der biogenen Ausgangsstoffe installiert, welche von dem Heiz- oder Kühlgas durchströmt wird.

In der Fig. 2 sind alle wesentlichen Verfahrensetappen zusammengefaßt. Sie bestehen aus dem Befüllen eines Reaktors, der Erwärmung des Festbettes bis auf 100°C, der Trocknung des Festbettes bei 100°C, der Hydrolyse und Pyrolyse bei gezielter Erwär mung von 100°C auf etwa 500°C, der Abkühlung und Entleerung der festen Pyrolyse produkte. In allen Temperaturbereichen sind die Aufheizraten kleiner als 1 K/min. Im Temperaturbereich zwischen 100°C und 250°C wird die Hydrolisierung der biogenen Ausgangsstoffe durch die lange Verweilzeit in diesem Temperaturbereich gefördert. Da durch wird die anschließende Pyrolyse bis zu einer Temperatur von ca. 500°C zu nicht kondensierbaren Gasbestandteilen und festem Kohlenstoff bevorzugt, die Bildung von Teeren (kondensierbare Gasbestandteile) wird unterdrückt.

Damit das Verfahren energieeffizient realisiert werden kann, sind in den Fig. 3 bis 5.4 beispielhaft drei Reaktoren (R1, R2, R3) gasseitig verbunden. Ein "Kreisprozeß" mit verschiedenen Takten wird dadurch technisch realisierbar. Das entstehende Pyrolysegas wird einem Gasspeicher mit vorgeschalteter Wasserabscheidung zugeführt. Das abge schiedene Wasser kann vorteilhaft in einer kommunalen Abwasserreinigung aufbereitet werden. Das gebildete Pyrolysegas wird dann in einem Gasmotor verbrannt.

In den Fig. 3, 4, 5.1 wird eine mögliche Anfahrsituation dargestellt. Der Ausgangs zustand sind drei Reaktoren bei Umgebungstemperatur. Nach dem Anfahren, gelingt es durch geschickte Verschaltung (Taktung) der Reaktoren (Fig. 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4) alle Verfahrensstufen des Gesamtprozesses (Fig. 2) zu realisieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung nahezu kondensat- und staubfreien Pyrolysega ses aus biogenen Ausgangsstoffen mit den Stufen Erwärmung, Trocknung Hydrolyse und Pyrolyse, wobei die Aufheizgeschwindigkeit des Einsatzgutes in allen Verfahrensstufen kleiner 1 K/min gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Prozeß der Pyro lyse der biogenen Ausgangsstoffe diskontinuierlich oder kontinuierlich abläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die entstehenden gasförmigen Pyrolyseprodukte durch eine Schüttung aus den biogenen Ausgangsstoffen geleitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß verschiedene Reaktionsgefäße und Speichergefäße gasseitig verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil der festen Pyrolyseprodukte in einem nachfolgenden Prozeß vergast wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die gas förmigen Produkte der Pyrolyse und der Vergasung jeweils einzeln oder auch gemeinsam in beliebiger Mischung zur Gewinnung von Wärmeenergie und mechanischer Energie verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Pyrolyseprozeß im Temperaturbereich zwischen 250°C und 500°C exotherm abläuft und Teile der entstehenden Wärme für externe Heizzwecke genutzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß biogenen Ausgangsstoffe in getrocknetem Zustand verwendet werden.