DE102006049781A1 - Gasification of organic materials by air, comprises gasifying the organic materials to a raw product gas in a first gasification reactor, separating the coke from the product gas by a cyclone and feeding the coke to a further reactor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von organischen Stoffen, die niedrige Ascheschmelzpunkte unter 800°C aufweisen, mit Hilfe von Luft.The The invention relates to a method and a device for gasification of organic substances with low ash melting points below 800 ° C, with the help of air.
In Zeiten der Verknappung fossiler Energiereserven werden Möglichkeiten gesucht, andere Energiequelle zu erschließen. Hier bieten sich insbesondere organische Stoffe an. Das energetische Potential pflanzlicher Biomassen, insbesondere das von Stroh, ist vergleichbar mit dem von Holz oder sogar größer. Insofern liegt es nahe, Stroh energetisch zu nutzen. Im Folgenden wird der Begriff „Stroh" synonym für alle organischen Stoffe, insbesondere alle pflanzlichen Biomassen mit niedrigen Ascheschmelzpunkten verwendet.In Times of shortage of fossil energy reserves become possibilities sought to tap other source of energy. Here in particular offer organic substances. The energetic potential of plant biomass, especially that of straw, is comparable to that of wood or even bigger. insofar it makes sense to use straw energetically. The following is the Term "straw" synonymous with all organic Substances, in particular all vegetable biomasses with low ash melting points used.
Ein generelle Problem liegt dabei jedoch in den niedrigen Ascheschmelzpunkten, die wegen des hohen Kaliumgehaltes teilweise deutlich unter 800°C liegen können und damit in einer konventionellen Feuerung unweigerlich zur Verschmutzung und Verschlackung der Anlage führen. Dabei beinhaltenden alle gängigen Strohfeuerungen eine Luftstufung dergestalt, dass das Stroh zunächst unterstöchiometrisch, d. h. mit einer Luftmenge verbrannt wird, die deutlich unter dem stöchiometrischen Luftbedarf der vollständigen Verbrennung von Stroh liegt, so dass ein Abgas mit verbrennbaren Anteilen entsteht, das dann durch Zugabe der restlichen Luft bis hin zur angestrebten Gesamtluftzahl der Verbrennung ausgebrannt wird. Diese Vorgehensweise hat inzwischen zu ausgereiften Verbrennungssystemen für Stroh geführt. Die Vergasungsstufe kann auch mehrstufig ausgeführt sein.One However, the general problem lies in the low ash melting points, some of which are well below 800 ° C due to the high potassium content can and thus in a conventional firing inevitably to pollution and slagging the plant. This includes all common Straw firing an air grading such that the straw is initially substoichiometric, d. H. is burned with an amount of air that is well below the stoichiometric Air requirement of the complete Combustion of straw lies, leaving an exhaust with combustible Shares is formed, then by adding the remaining air until Burned out to the desired total air combustion becomes. This procedure has now become mature combustion systems for straw guided. The gasification stage can also be designed in several stages.
Es liegt nahe, lediglich die Vergasung von Stroh nutzbar zu machen, um auf diese Art und Weise ein Brenngas herzustellen, dass zur Stromerzeugung mit Hilfe von Gasturbinen, Gasmotoren oder ähnlichen Vorrichtungen geeignet ist. Dies könnten die vorgenannten Verbrennungssysteme jedoch nicht leisten, selbst wenn auf die Zugabe von Ausbrandluft verzichtet werden würde. Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich lediglich schlecht definierte Brenngase mit einem sehr geringen Heizwert erzielen, der sehr viel kleiner als 4 MJ/Nm3 ist. Zudem wird in den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren vielfach die unterstöchiometrisch betriebene Brennermuffel mit Wasser gekühlt, um die Verschlackung zu vermindern, was jedoch nur bei Heißwasser- oder Dampferzeugung des betrachteten Energiesystems nicht zu inakzeptablen Einbußen beim Nutzungswirkungsgrad führt. Daher kann Stroh nicht unter Nutzung strohspezifischer Feuerungssysteme und Weglassung der Zugabe von Ausbrandluft vergast werden.It is natural to use only the gasification of straw in order to produce in this way a fuel gas that is suitable for power generation by means of gas turbines, gas engines or similar devices. However, this could not be done by the aforementioned combustion systems, even if the addition of burnout air were not required. In the methods known from the prior art, only poorly defined fuel gases can be achieved with a very low calorific value, which is much smaller than 4 MJ / Nm 3 . In addition, in the methods known in the art, the stoichiometrically operated burner muffle is often cooled with water in order to reduce the slagging, which, however, does not lead to unacceptable losses in the efficiency of use only in hot water or steam generation of the considered energy system. Therefore, straw can not be gasified using straw-specific firing systems and omitting the addition of burnout air.
Konventionelle Vergasersysteme, die beispielsweise für Holz geeignet sind, kommen indessen genauso wenig für die Strohvergasung in Betracht: Mit Hilfe der Wasserdampfvergasung gelingt zwar die Vergasung von Stroh, aber diese Art der Vergasung ist für kleine dezentrale Energiegewinnungsanlagen in der Regel zu aufwendig und zu teuer. Eine Luftvergasung im Festbett ist für Stroh nicht durchführbar, da eine gleichmäßige Verteilung des Luftdurchtritts in der Schüttung selbst bei Holzhackschnitzeln nur dann gelingt, wenn vorher Unterkorn abgeschieden wird. Daher ist nicht zu erwarten, dass es gelingt, Stroh so gleichmäßig zu verteilen, dass der Luftdurchtritt über den Vergaser querschnittsgleich verteilt ist. Die Folge einer Ungleichverteilung ist jedoch, dass örtlich Temperaturspitzen mit den vorgenannten Verschlackungsproblemen auftreten, während an anderen Orten Luft in so geringem Maße zutritt, dass es höchsten zu einer Verschwelung kommt, was wiederum zu inakzeptabler Teerproduktion des Vergasers führt. Daher bleibt als Möglichkeit der preiswerten Luftvergasung nur die Durchführung der Reaktion in der dispersen oder fluiden Phase. Auch hier ist es erforderlich, durch eine entsprechende Luftzuführung und Luftverteilung Temperaturspitzen zu vermeiden. Bei Wirbelschichtverfahren ist bekannt, dass zwar die Längsvermischung in Strömungsrichtung, also auch die Rückvermischung sehr gut ist, während die Quervermischung deutlich geringer ist. Es ist also auch hier damit zu rechnen, dass die Luftvermischung nicht optimal, die Gefahr von Temperaturspitzen folglich hoch ist. Eine an sich nach dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit ist in diesem Zusammenhang die Rezirkulation eines Vergasungsproduktgases, die zweierlei erlaubt: Zum einen können durch die so herbeigeführte Verdünnung der Vergasungsluft mögliche Temperaturspitzen etwas geglättet werden, zum anderen lassen sich die Aerodynamik des Vergasungsreaktors und die Vergasungsstöchiometrie unabhängig voneinander variieren. Eine solche Rezirkulation ist jedoch sehr aufwendig und eventuell sogar undurchführbar.conventional Carburetor systems that are suitable for wood, come just as little for the straw gasification into consideration: with the help of steam gasification Although the gasification of straw succeeds, but this kind of gasification is for Small decentralized power generation plants usually too expensive and too expensive. An air gasification in a fixed bed is for straw not feasible, because a uniform distribution the air passage in the bed Even with woodchips only succeed if previously separated undersized becomes. Therefore it is not to be expected that straw will be distributed so evenly that the air passage over the carburetor is distributed cross-section same. The consequence of an unequal distribution is however, that locally Temperature peaks with the aforementioned slagging problems occur while on In other places, air is so infrequently admitted that it is highest a smoldering comes, which in turn leads to unacceptable tar production of the carburetor leads. Therefore, as a possibility remains cheap air gasification only the implementation of the reaction in the disperse or fluid phase. Again, it is necessary by a corresponding air supply and air distribution to avoid temperature peaks. In fluidized bed process is known that although the longitudinal mixing in the flow direction, So also the backmixing is very good while the cross-mixing is significantly lower. So it's here too to be reckoned with that the air blending is not optimal, the danger temperature peaks is therefore high. One in itself according to the state the technique known possibility in this context is the recirculation of a gasification product gas, which allows two things: On the one hand, the dilution of the Gasification possible Temperature peaks somewhat smoothed second, the aerodynamics of the gasification reactor and the gasification stoichiometry independently vary from each other. However, such a recirculation is very consuming and possibly even impracticable.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit die Vergasung von Stroh und anderen Biomassen mit niedrigen Ascheschmelzpunkten in der dispersiven bzw. fluiden Phase unter Vermeidung von Verschlackungen und Verschmutzungen möglich ist, auch dann, wenn eine Rezirkulation des Produktgases nicht möglich oder unzumutbar erschwert ist.It The object of the present invention is a method and a device to cope with what the gasification of straw and other biomass with low ash melting points in the dispersive or fluid phase while avoiding slagging and soiling is possible, too then, if a recirculation of the product gas is not possible or unreasonably difficult.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren sowie die Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 13 gelöst.These The object is achieved by the method and the device according to claims 1 and 13 solved.
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.developments The invention are set forth in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft zweistufig ab, wobei in einer ersten Stufe a) der organische Stoff oder die organischen Stoffe unvollständig in einem ersten Vergasungsreaktor zu einem rohen Produktgas vergast wird/werden, so dass ein Flugkoks mit einem immer noch hohen Kohlenstoffanteil, vorzugsweise von 30% bis 60% erhalten wird, der noch ausreicht, um die mineralische Matrix so weit einzubinden, dass eine Verschlackung verhindert wird. In einer zweiten Stufe b) wird der Flugkoks nach der Abtrennung von dem rohen Produktgas in einen weiteren Reaktor geführt, wo der Flugkoks weiter vergast oder verbrannt wird und die entstehende Asche abgeführt wird. Die in dieser Stufe entstehenden Gase werden vorzugsweise dem ersten Vergasungsreaktor zugeführt. Wesentlich ist, dass die in den ersten Reaktor gegebene Biomasse in der dispersen Phase unter Luftzugabe nicht vollständig vergast wird. Stattdessen ist dieser Vergasungsreaktor bezüglich seiner Verweilzeit so ausgelegt, dass die Vergasung nur bis zu dem Punkt voran getrieben wird, bei dem zwar der Großteil des Verbrennlichen in das Produktgas übergegangen ist, dass aber das Kohlenstoffgerüst die mineralische Matrix so weit einschließt, dass eine Verschlackung nicht möglich ist. Dennoch wird der im Flugkoks verbliebene Anteil chemischer Energie im (weiteren) Vergasungs- oder Verbrennungsprozess selbst nutzbar gemacht.The inventive method runs two stage, wherein in a first stage a) the organic material or organic substances is incompletely gassed in a first gasification reactor to a crude product gas, so that a Flugkoks obtained with a still high carbon content, preferably from 30% to 60% which is still sufficient to incorporate the mineral matrix so far that a slagging is prevented. In a second stage b) the cokote is carried after the separation of the crude product gas in another reactor where the coke is further gasified or burned and the resulting ash is discharged. The gases produced in this stage are preferably fed to the first gasification reactor. It is essential that the biomass introduced into the first reactor is not completely gasified in the disperse phase with the addition of air. Instead, this gasification reactor is designed with respect to its residence time so that the gasification is driven only to the point at which the majority of the combustible has gone into the product gas, but that the carbon skeleton includes the mineral matrix so far that a slagging not is possible. Nevertheless, the proportion of chemical energy remaining in the cokosh is made usable in the (further) gasification or combustion process itself.
Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
unvollständige
Vergasung (in der ersten Verfahrensstufe) ist keine Pyrolyse, bei
der bekanntlich kein Vergasungsmittel, sondern lediglich Wärme zugeführt wird. Damit
unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch von den in
der
Vorzugsweise wird die Vergasung bei einer Temperatur durchgeführt, die zwischen 600°C und 950°C liegt, insbesondere zwischen 700°C bis 800°C.Preferably if the gasification is carried out at a temperature between 600 ° C and 950 ° C, especially between 700 ° C up to 800 ° C.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Vergasung ein Druck im Bereich von 105 bis 106Pa eingestellt.According to a further embodiment of the invention, a pressure in the range of 10 5 to 10 6 Pa is set in the gasification.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in dem weiteren Reaktor weitere mineralische oder brennbare Feststoffe kontinuierlich zuzugeben, z. B. jedoch in einem Anteil von 50 Massen% bezogen auf die Gesamtmasse, die in den weiteren Reaktor gegeben wird.in the Within the scope of the present invention, it is possible in the further reactor to continuously add more mineral or combustible solids, z. B. but in a proportion of 50% by mass based on the total mass, which is added to the other reactor.
Vorzugsweise erfolgt die Vergasung der organischen Stoffe in der ersten Verfahrensstufe in einem Reaktor mit Fluidisierung, insbesondere einem Wirbelschichtreaktor oder einem Zykloidreaktor, weiterhin vorzugsweise einem TORBED-Reaktor.Preferably the gasification of the organic substances takes place in the first stage of the process in a reactor with fluidization, in particular a fluidized bed reactor or a cycloid reactor, more preferably a TORBED reactor.
Nach einer weiteren Ausgestaltung wird der aus dem Vergasungsprozess zusammen mit dem Produktgas ausgeschleuste Flugkoks durch Trägheitsabscheidung, vorzugsweise mittels eines Zyklons abgetrennt. Die Abtrennung des in der Vergasung des organischen Stoffes enthaltenen Flugkokses aus dem Produktgas kann jedoch auch in einer Schüttschicht erfolgen.To a further embodiment of the gasification process coagulated coke released by inertia separation together with the product gas, preferably separated by means of a cyclone. The separation of the Flue coke contained in the gasification of organic matter however, the product gas can also be carried out in a packed bed.
Um den Energiegehalt des Flugkokses vollständig ausnutzen zu können, wird die abschließende Vergasung des Flugkokses (oder auch Verbrennung) mit einem für eine vollständige Verbrennung ausreichenden Sauerstoffgehalt durchgeführt. Es hat sich weiterhin bewährt, die Vergasung des Flugkokses in dem weiteren Reaktor mit einer bewegten Schutzschicht durchzuführen, bevorzugt auf einem Rost oder in einer durch Unterschub bestückten Retorte. Die Vergasung des Flugkokses kann auch mit einem Reaktor mit Fluidisierung durchgeführt werden, wobei die Asche des Flugkokses von einem nachgeschalteten Abscheider vom erzeugten Gas abgetrennt wird. Das Produktgas aus dem weiteren Reaktor wird entweder unmittelbar in rohem heißen Zustand, vorzugsweise bei 500°C bis 600°C in den ersten Reaktor oder mittelbar nach Abkühlung und Reinigung zurückgeführt.Around to be able to fully exploit the energy content of the flue coke the final one Gasification of the coked (or also combustion) with a sufficient for complete combustion Oxygen content is carried out. It has continued to prove itself the gasification of the coking coke in the further reactor with a moving protective layer perform, preferably on a grate or in a retort equipped with underfeed. The gasification of the coking coke can also be done with a reactor with fluidization carried out be, with the ashes of the coke from a downstream Separator is separated from the generated gas. The product gas off the further reactor is either directly in the raw, raw state, preferably at 500 ° C up to 600 ° C returned to the first reactor or indirectly after cooling and purification.
Die Grundbauelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein erster Vergasungsreaktor, der vorzugsweise ein Wirbelschichtreaktor oder ein Zykloidreaktor ist, ein Zyklon zur Gas/Flugkoks-Trennung und ein weiterer Reaktor zur vollständigen Verbrennung oder Vergasung des Flugkokses.The Basic components of the device according to the invention are a first Gasification reactor, preferably a fluidized bed reactor or a cycloid reactor is a cyclone for gas / coke separation and another reactor to complete Combustion or gasification of the coking coke.
Zur Förderung der Feststoffe vom Zyklon zum weiteren Reaktor dienen eine Zellradschleuse und/oder eine Förderstrecke, die vorzugsweise eine weitere Stoffzugabe aufweist, z. B. für Mineralien oder weitere Brennstoffe.to advancement the solids from the cyclone to the other reactor serve a rotary valve and / or a conveyor line, which preferably has a further substance addition, for. B. for minerals or other fuels.
Weitere Vorteile und Ausführungsbeispiele dieser Erfindung sind in der einzigen Zeichnung dargestellt, die einen prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.Further advantages and embodiments of this invention are illustrated in the single drawing, which inventions a basic structure of device according to the invention shows.
Biomasse
Wie
bereits erwähnt,
soll der Heizwert des Flugkokses im Prozess genutzt werden. Exergetisch sinnvoll
sind in diesem Zusammenhang die Nutzung des im Reaktor
Die für die Rückführung des Produktgases erforderlichen Apparate und Verfahrensstufen sind im Einzelnen nicht dargestellt, insbesondere kann die Gasrückführung in heißem oder kaltem Zustand des Gases mit oder ohne Reinigung erfolgen.The for the Return of the Product gases required apparatus and process stages are in Individual not shown, in particular, the gas recirculation in hot or cold state of the gas with or without cleaning.
In
einem Ausführungsbeispiel
ist Stroh mit einer Restfeuchte von 10% eingebracht worden, das
in trockenem Zustand einen Aschegehalt von 6,5% aufweist. Dieses
Stroh soll im Vergaser, beispielsweise einem Zykloidreaktor zu 95%
umgesetzt werden, d. h. 95% des verbrennbaren Anteils soll in das
Produktgas übergehen,
so dass ein Flugkoks mit 61% Ascheanteil entsteht, wobei die 39%
des verbrennbaren Materials zu 98% aus Kohlenstoff bestehen. Zunächst einmal
ist anzumerken, dass die chemische Restenergie nicht 5%, sondern
9% des mit dem Stroh zugeführten
Energieinhaltes darstellen, so dass dessen Nutzung gegenüber ansonsten
9% mehr Verbrauch an Stroh geboten erscheint. In der dargestellten
Form der Erfindung wird der Flugkoks im Reaktor
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in mehrerer Weise variiert werden: Während der Festbettvergaser
sich wegen der oben angeführten
Gründe
weniger als der eingesetzte Vergaser
Der
Reaktor
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