DE102006050603A1 - Gasifying biomass comprises compression in a crammer screw press, processing in a shredder screw press and partial combustion in a gasification chamber - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse mit kontinuierlichem Eintrag, anschließender Zerkleinerung und Gasreinigung sowie auf eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.The The invention relates to a process for the gasification of biomass with continuous feed, subsequent comminution and gas cleaning as well as a facility for implementation this procedure.
Es gibt Festbettverfahren, stationäre und umlaufende Wirbelbettverfahren zur Vergasung von Biomasse bzw. Braunkohle.It gives fixed bed process, stationary and circulating fluidized bed processes for the gasification of biomass or Brown coal.
Heute üblich sind so genannte Wirbelschicht- und Flugstromverfahren. Bei den Wirbelbettverfahren wird zerkleinerte Biomasse (Braunkohle) in einen Reaktor transportiert, die dort durch von unten zugegebenen Sauerstoff bzw. zugegebener Luft bei 800°C bis 1000°C vergast wird. Sind die Partikel sehr klein und ist der Vergasungsvorgang am oberen Ende des Reaktors weitgehend abgeschlossen, spricht man von stationärer Wirbelschicht. Ist dagegen, wie bei größeren Partikeln der Vergasungsvorgang nur teilweise abgeschlossen, werden die nicht ganz vergasten Teilchen durch einen Zyklon separiert, ausgeschieden und dann in den Vergasungsprozess zurück transportiert. Diesen Vorgang nennt man umlaufendes Wirbelschichtverfahren. Dabei werden die Partikel in einem heißen Bett durch das aufströmende Vergasungsmittel in ein brennbares Gas überführt. Typische Merkmale des Reaktors sind:
- • Gleichmäßige Temperaturverteilung auf Grund der großen Wärmekapazität der im Wirbelbett befindlichen Teilchen, die meist aus Sand oder anderem Material bestehen. und
- • gute Durchmischung der Vergasungskomponenten (Luft-Dampf) und der der Pyrolyse und Vergasungsprodukte.
- • Uniform temperature distribution due to the large heat capacity of the particles in the fluidized bed, which are usually made of sand or other material. and
- • good mixing of the gasification components (air-steam) and of the pyrolysis and gasification products.
Beim Flugstromverfahren werden dagegen Sauerstoff bzw. Luft mit dem zu vergasenden Produkt gleichzeitig eingegeben und meist bei etwa 1400°C vergast.At the Air flow method, however, are oxygen or air with the too Gasifying product entered simultaneously and usually gassed at about 1400 ° C.
Die in jüngster Zeit bekannt gewordenen, zurzeit betriebenen Versuchsanlagen für Biomasse sind im Bereich Flugstromvergasung beispielsweise das „Carbo V-Verfahren" der Firma Choren und im Bereich der Wirbelschicht eine Anlage in „Güssing" der TU Wien und Austrian Energy sowie der Heatpipe-Reformer der TU München. Eine weitere in Betrieb befindliche Pilotanlage, allerdings mit einem komplett anderen Konzept, ist die gestufte Reformierung „Blauer Turm" von DTM. Im Versuchsstadium befinden sich des Weiteren das „AER-Verfahren" sowie die Wirbelschichtvergasung des Instituts „Umsicht" der Fraunhofergesellschaft. All diese Anlagen arbeiten im dezentralen Arbeitsschritt drucklos und mit konventioneller, sehr teuerer Gasreinigung, die eine Abkühlung unmittelbar nach der Vergasung zwingend vorschreibt. Das Forschungszentrum Karlsruhe verwendet eine bestehende Versuchsanlage mit Flugstromdruckvergasung der Fa. Future Energy (Freiberg/Sachsen). Dabei wird ein zuvor durch Pyrolyse hergestelltes Kohlenstoff-Teergemisch in quasi flüssiger Form eingegeben. Neben den atmosphärisch betriebenen Anlagen gibt es noch Anlagen, die bei Drücken von 20-30 bar arbeiten. Dazu zählen das Värnamo CFB Project und die stationäre Wirbelschicht in Tampere. Einen Überblick über die genannten Anlagentechnologien ist in einschlägiger Literatur [bzw. auf den Internetseiten der Anlagenbetreiber} zu finden.The in the most recent Time known, currently operated pilot plants for biomass In the field of entrainment gasification, for example, the "Carbo V-method "the Choren and in the field of fluidized bed a plant in "Güssing" of the Vienna University of Technology and Austrian Energy and the heat pipe reformer of the TU Munich. A another pilot plant in operation, but with one completely different concept, the stepped reforming is "Blue Tower "by DTM The experimental stage also includes the "AER process" and fluidized bed gasification the Institute "circumspection" of the Fraunhofergesellschaft. All these systems work without pressure in a decentralized work step and with conventional, very expensive gas cleaning, the immediate cooling mandatory after gasification. The research center Karlsruhe used an existing pilot plant with flystream pressure gasification of the Fa. Future Energy (Freiberg / Saxony). This is a previously by pyrolysis produced carbon-tar mixture in quasi-liquid form entered. In addition to the atmospheric There are still plants operating at pressures of 20-30 working bar. These include the Värnamo CFB Project and the stationary Fluidized bed in Tampere. An overview of the mentioned plant technologies is in relevant literature [resp. on the Internet sites of the plant operators} to find.
Jedoch befinden sich die hier genannten Anlagen nur erst im Pilot- bzw. Versuchsstadium und weisen bereits jetzt teils gravierende Unzulänglichkeiten und Fehler auf. Entscheidende kritische Punkte sind dabei:
- a) Der Biomasseeintrag: Die üblicherweise zur Beschickung druckaufgeladener Vergaser genutzten Druckschleusen (Look-Hopper) sind sehr teuer und verlieren beim Schleusvorgang so genanntes Schleusengas (z.B. N2). Dadurch wird die Effizienz der Gesamtanlage bei kleiner Schüttdichte der Biomasse stark verringert.
- b) Die Heißgasreinigung: Die Reinigung des erzeugten Synthesegases aus der thermochemischen Umwandlung von Biomasse wurde zwar technisch, nicht aber wirtschaftlich gelöst. Zum Einhalten der von den anschließenden Konversionsanlagen geforderten Grenzwerte für die Weiterverarbeitung werden hauptsächlich Crackstufen zum Entfernen von Teer, entweder innerhalb des Reaktors oder in einem separaten Reaktor verwendet. Diese Reaktion findet bei ähnlichen Temperaturen wie bei der Vergasung statt. Alternativ besteht die Möglichkeit, Waschsysteme zu verwenden. Dazu muss das das heiße Gas vor dem Waschen abgekühlt werden. Diese bewährten Technologien sind zwar für die Gasreinigung grundsätzlich geeignet, haben jedoch, wie bereits erwähnt, sowohl unter energetischen als auch unter Kostengesichtspunkten große Nachteile.
- a) The biomass entry: The pressure locks normally used to charge supercharged carburetors (look-hopper) are very expensive and lose so-called lock gas (eg N 2 ) during the lock process. As a result, the efficiency of the entire system is greatly reduced with low bulk density of the biomass.
- b) Hot gas purification: The purification of the generated synthesis gas from the thermochemical conversion of biomass was solved technically, but not economically. In order to comply with the limits for further processing required by the subsequent conversion plants, cracker stages are mainly used to remove tar, either inside the reactor or in a separate reactor. This reaction occurs at temperatures similar to gasification. Alternatively, it is possible to use washing systems. For this, the hot gas must be cooled before washing. Although these proven technologies are generally suitable for gas purification, they have, as already mentioned, great disadvantages both in terms of energy and cost.
Partikel werden üblicherweise an Kerzenfiltern aus Keramik oder Sintermetallen abgeschieden. Die Betriebstemperatur dieser Filter liegt in reduzierender Atmosphäre aufgrund ihrer Materialeigenschaften maximal bei 650°C. Die Entfernung von Schwefel bei Kohle- oder Ölvergasungsanlagen findet bei Umgebungstemperatur unter Zuhilfenahme eines chemischen oder eines physikalischen Sorbens statt. In verschiedenen Pilot- und Demonstrationsanlagen wird hierfür meistens Kalk als Bettmaterial verwendet.Particles are usually deposited on candle filters made of ceramic or sintered metals. The operating temperature of these filters is in a reducing atmosphere due to their material properties a maximum of 650 ° C. The removal of sulfur from coal or oil gasification plants takes place at ambient temperatures temperature with the aid of a chemical or a physical sorbent instead. In various pilot and demonstration plants mostly lime is used as bed material for this purpose.
Ammoniak, Blausäure und Halogene werden in großen Anlagen grundsätzlich nur ausgewaschen. Hierbei wird das Reinigungsproblem in das Wassermanagement verschoben.Ammonia, cyanide and halogens are turning into big ones Investments basically just washed out. This is the cleaning problem in the water management postponed.
Über den neuesten Stand der Technik der Biomassevergasung- und Reinigung wurde ausführlich auf einer Fachtagung, die vom 27.-28. September 2001 in Oberhausen stattfand, berichtet. Besonders interessant ist dabei eine Zusammenfassung von Dr. Nußbauer. Er kommt zu dem Ergebnis, dass, bezogen auf die Leistung, kleinere Anlagen viel zu teuer, moderne, große dagegen technisch nicht ausgereift sind. Er nennt jedoch eine Ausnahme; das Holz-GuD-Kraftwerk der Sydkraft in Schweden. Es wurde jedoch, wie später noch erwähnt wird, bereits vor mehreren Jahren aus Kostengründen stillgelegt.On the state of the art biomass gasification and purification technology was detailed at a symposium that took place from 27.-28. September 2001 in Oberhausen took place, reports. Particularly interesting is a summary from dr. Nußbauer. He comes to the conclusion that, in terms of performance, smaller Facilities far too expensive, modern, but large technically not mature. He calls, however, an exception; the wood-fired power plant Sydkraft in Sweden. It became, however, as later mentioned is shut down for cost reasons several years ago.
Es gibt hunderte, möglicherweise sogar tausende von Veröffentlichungen über das Thema Vergasung von Biomasse. Auf der alle zwei Jahre stattfindenden Konferenz „Biomass for Energy and Industry" der EU wird darüber immer wieder ausführlich berichtet. Das Ergebnis: Zu wenig praxisnah, zu teuer und zu kompliziert. Vor allem fehlt dabei die gesamte Logistik, von der Wahl geeigneter Pflanzen, ihrer Aufbereitung und Lagerung bis zur kostengünstigen Umsetzung in Strom und Kraftstoffe wie Benzin und Diesel. Wie bereits erwähnt, ist dabei fast immer nur von Holz die Rede, obwohl man weiß, dass es davon in Westeuropa kaum Potentiale gibt.It there are hundreds, maybe even thousands of releases about that Topic gasification of biomass. At the biennial Conference "Biomass for Energy and Industry " EU is about it again in detail reported. The result: too little practical, too expensive and too complicated. Above all, the entire logistics are missing, from the choice of suitable Plants, their preparation and storage to cost-effective Implementation into electricity and fuels such as gasoline and diesel. As already mentioned, is almost always only talk about wood, although you know that there are hardly any potentials of this in Western Europe.
Auch die Kommission in Brüssel hat festgestellt, dass es u. a. zur Stromerzeugung aus Biomasse bis heute auf der ganzen Welt noch kein größeres Biomassevergasungsprojekt gegeben hat. Eine Ausnahme war, wie bereits erwähnt, die Anlage in Vänamo, die nach Überwindung großer technischer Schwierigkeiten wenigstens zwei Monate lang gelaufen ist. Das hatte jedoch seinen Preis.Also the Commission in Brussels has determined that it u. a. for power generation from biomass There is no major biomass gasification project around the world today has given. An exception was, as already mentioned, the plant in Vänamo, the after overcoming greater technical difficulties for at least two months is. But that had its price.
Damit nicht schon bei relativ hoher Temperatur kondensierende Teergase entstehen, wurde in dem Fall das Holz bei über 1.000°C vergast. Um Ascheagglomerationen zu vermeiden (was bei dieser Temperatur leicht vorkommt) und um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, hat man der hier angewandten umlaufenden Wirbelschicht Sand als Wärmeträger beigegeben. Das führte zu relativ hohen Druckverlusten im Vergaser. Ferner war das Ein- und Ausschleusen des Sandes sehr kompliziert. Die Anlage hätte vielleicht für einen Dauerbetrieb tauglich gemacht werden können. Dazu kam es aber nicht. Das hatte ökonomische Gründe. Die verwendete Technologie war nämlich viel zu teuer und zu umständlich und ist deswegen nicht weiter verfolgt worden. Man hatte sich auf meist bereits vorhandene technische Elemente gestützt und nicht ein von Grund auf neues technisches Konzept zu realisieren versucht.In order to not already at a relatively high temperature condensing tar gases In this case, the wood was gassed at over 1,000 ° C. To ash agglomerations to avoid (which is easy at this temperature) and around a uniform temperature distribution To reach, one has the applied here circulating fluidized bed Sand added as heat transfer. That led to relatively high pressure losses in the carburetor. Furthermore, the and discharging the sand very complicated. The plant might have for one Continuous operation can be made suitable. But this did not happen. That had economic Reasons. The technology used was namely too expensive and too complicated and therefore has not been followed up. One had got up mostly already existing technical elements supported and not to realize a fundamentally new technical concept tries.
Wie bereits erwähnt, wurde noch nie eine kommerziell größere Anlage zur Vergasung von Biomasse gebaut.As already mentioned, has never been a commercially larger facility for the gasification of Biomass built.
Das hatte folgende Gründe:
- • Die Biomasse wurde meistens bei Atmosphärendruck in den Vergaser transportiert. Entsprechend groß sind das Volumen des Vergasungsraumes und somit die Kosten.
- • Bei Druckvergasung wird dagegen abwechselnd jeweils aus einem von zwei Behältern über Schleusen die Biomasse in den Reaktor transportiert. Trotz erheblich kleineren Volumens des Reaktors fallen infolge der Schleusen erhebliche Zusatzkosten an.
- • The biomass was mostly transported to the carburetor at atmospheric pressure. Correspondingly large are the volume of the gasification space and thus the costs.
- • In pressure gasification, on the other hand, the biomass is transported alternately from one of two containers via sluices to the reactor. Despite much smaller volume of the reactor fall due to the locks considerable additional costs.
Die bisherigen vielen negativen Erfahrungen bei der Biomassevergasung und Gasreinigung haben gezeigt, dass die dabei verwendete Technik offenbar nicht geeignet war, einen wirtschaftlich und technisch angemessenen Erfolg zu erreichen.The So far, many negative experiences with biomass gasification and gas cleaning have shown that the technique used apparently was not suitable, an economic and technical to achieve reasonable success.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vergasen und zur Gasreinigung von Biomasse zu schaffen, die (A) kompakt gebaut ist, (B) kostengünstig in großen Mengen herstellbar ist, (C) einfach konstruiert ist, (D) eine geringe Störanfälligkeit aufweist und (E) umweltfreundlich ist.Therefore the invention has the object, a device for gasification and to create biomass gas purification, which (A) built compact is, (B) inexpensive in big Quantities can be produced, (C) is simply constructed, (D) a low susceptibility and (E) is environmentally friendly.
Die Punkte (A) und (B) sind dann erfüllt, wenn ein schneller Durchsatz erfolgt. Das kann man durch hohe Temperaturen, mittels einer großen Oberfläche des Reaktionsgutes bzw. der Biomasse und durch erhöhtem Druck erreichen.The Points (A) and (B) are then fulfilled when a fast throughput occurs. You can do that with high temperatures, by means of a big one surface of the reaction mixture or biomass and by increased pressure to reach.
Wegen des von Natur aus vorgegebenen Ascheschmelzpunktes und aus chemisch-thermodynamischen Gründen kann man eine Temperatur von etwa 900°C normalerweise nicht wesentlich überschreiten. Will man dagegen eine möglichst große Oberfläche erreichen, ist es vorteilhaft, die Lignocellulose bzw. Biomasse (auch Braunkohle) in ihre elementaren Bestandteile, den Faserelementen, zu zerlegen. Sie haben bei Gräsern eine Länge von nur 2 mm und einen Durchmesser von 25 μ.Because of the inherently predetermined ash melting point and for chemical-thermodynamic reasons, a temperature of about 900 ° C. can not normally be significantly exceeded. Want On the other hand, to achieve the largest possible surface area, it is advantageous to disassemble the lignocellulose or biomass (also lignite) into their elemental components, the fiber elements. With grasses they have a length of only 2 mm and a diameter of 25 μ.
Eine einfache Konstruktion gemäß Punkt (C.) ist dann gegeben, wenn die erforderlichen Prozessschritte auf engstem Raum in einer Einheit unmittelbar hintereinander stattfinden.A simple construction according to point (C.) is given when the required process steps up narrowest space in one unit immediately after one another.
Eine geringe Störanfälligkeit gemäß Punkt (D) ist dann gegeben, wenn die Anlage elektronisch einfach überwacht werden kann und der Prozess möglichst geringen Schwankungen seiner Parameter unterworfen ist.A low susceptibility to interference according to point (D) is given when the system is electronically easily monitored can be and the process as possible subject to slight fluctuations in its parameters.
Umweltschutz gemäß Punkt (E). sollte mit möglichst geringen Kosten verbunden sein. Bei bisher üblichen Vergasungsanlagen ist das nicht der Fall. Vielmehr ist die Gasreinigung dabei der Hauptkostenfaktor, was unbedingt vermieden werden sollte und deswegen neue Lösungen notwendig sind.environmental Protection according to point (E). should be with as possible be associated with low costs. In previously conventional gasification systems that is not the case. Rather, the gas cleaning is the main cost factor, which should definitely be avoided and therefore new solutions necessary are.
Die
dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Sie wird durch die in
Biomasseeintrag und Vergasung:Biomass entry and gasification:
Bisher
war es üblich,
Energieträger
wie Biomasse mittels Druckschleusen (Lock-hopper-Systeme) in den
unter Druck stehenden Vergaser zu transportieren. Das ist teuer
und erfordert sehr viel Platz. Außerdem müssen die dazu notwendigen Vorratsbehälter aus
Sicherheitsgründen
bei jeder Wiederauffüllung
mit reinem Stickstoff gefüllt
werden. Idealist daher ein kontinuierlicher Eintrag, wie er in
Aufgrund der starken Erwärmung der Biomasse erweicht dessen Lignin (Lignin ist der „Kitt" zwischen den Fasern). Durch Scherung können die Fasern dann leicht voneinander getrennt werden. Das wird bei Einwellen-Extrudern durch so genannte Paddel erreicht, die weniger dem Transport dienen sondern den Zweck haben, das Fördergut stark zu durchmischen (wie z. B. in der Futtermittelindustrie üblich). Dabei entstehen große Scherkräfte. Aufgrund des erweichten Lignins können dann die Fasern leicht voneinander getrennt werden. Bei Doppelschnecken-Extrudern sind solche Maßnahmen nicht notwendig. Sie sind jedoch teuerer als Einwellen-Extruder.by virtue of the strong warming the biomass softens its lignin (lignin is the "putty" between the fibers). By shearing can the fibers are then easily separated from each other. That will be included Single-shaft extruders achieved through so-called paddles, the less serve the transport but have the purpose, the conveyed to be mixed thoroughly (as is usual, for example, in the animal feed industry). This creates great Shearing forces. Due to the softened lignin fibers can then easily be separated from each other. For twin screw extruders are such measures unnecessary. However, they are more expensive than single-screw extruders.
Die Arbeitsweise des Eintragssystem lässt sich folgendermaßen darstellen: Die Biomasse wird zunächst durch eine Stopfschnecke so sehr verdichtet, dass ein gasundurchlässiger Pfropf entsteht. Dies ist möglich, da die Biomasse leicht verformbar ist. Der Pfropf wird anschließend, falls notwendig, durch ein Schneidmesser, auch Knollenbrecher genannt, fein zerkleinert.The Operation of the entry system can be represented as follows: The biomass is first so compacted by a plug screw that a gas-impermeable plug arises. This is possible, because the biomass is easily deformable. The graft will then, if necessary, called by a cutting knife, also Knollenbrecher, finely chopped.
Das Material gelangt anschließend in eine Zerfaserungsschnecke.The Material then passes in a shredding screw.
Alternativ wäre es möglich, ohne Stopfschnecke und Knollenbrecher auszukommen, wenn man die Biomasse stufenweise durch Zugabe von Sauerstoff und Wasserdampf erwärmt angefangen mit beispielsweise 100°C, dann 140°C bis sie im Extruder eine Temperatur von etwa 200 bis 250°C und einem Druck von etwa 25-30 bar erreicht hat und danach durch hohe Scherkräfte in der Extruderschecke zerkleinert wird wie anschließend erläutert. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung der Kosten.alternative would it be possible, to get along without a stuffing screw and tuber breaker, if you have the Biomass gradually by adding oxygen and water vapor heated starting at, for example, 100 ° C, then 140 ° C until in the extruder a temperature of about 200 to 250 ° C and a Pressure has reached about 25-30 bar and then by high shear forces in the Extruder check is crushed as explained below. This leads to a significant reduction in costs.
Die Biomasse wird am Anfang dieser Schnecke durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff (oder eine Kombination von beiden Komponenten) auf eine Temperatur von etwa 200 bis 250°C bei einem Druck von etwa 25-30 bar erwärmt.The Biomass is at the beginning of this snail by adding water vapor or pure oxygen (or a combination of both components) heated to a temperature of about 200 to 250 ° C at a pressure of about 25-30 bar.
Während Sauerstoff und Wasserdampf die Biomasse erwärmen wodurch das Lignin („Kitt” zwischen den Pflanzenfasern) erweicht, wird die Biomasse durch den Sauerstoff zusätzlich teilweise chemisch zersetzt (insbesondere die Epidermishülle und die Nodien bei Gräsern).While oxygen and water vapor to heat the biomass whereby the lignin ("putty" between the Vegetable fibers), the biomass is replaced by the oxygen additionally partially chemically decomposed (especially the epidermis and the Nodien with grasses).
Durch die sehr hohen Scherkräfte, die zum Beispiel mit Einwellenextrudern durch verschiedene in die Schnecke eingebaute so genannte Paddel (Scherelemente) erzeugt werden, erfolgt eine Trennung der Fasern voneinander und eine weitere Zerkleinerung der chemisch zersetzten Biomasse. Die Fasern haben bei Gräsern (C4-Schilf Pflanzen, die vorzugsweise Anwendung finden) zum Beispiel einen Durchmesser von nur 25 Mikrometer und sind ca. 2 mm lang wodurch eine sehr große Oberfläche entsteht.Due to the very high shear forces, for example, with single-shaft extruders through various in the Slug built-in so-called paddle (shear elements) are generated, there is a separation of the fibers from each other and further comminution of chemically decomposed biomass. The fibers of grasses (C4 reed plants, which are preferably used), for example, have a diameter of only 25 micrometers and are about 2 mm long, resulting in a very large surface area.
Vor Ende der Schnecke wird zusätzlich soviel Wasser rundherum eingesprüht, dass es bei anschließender Zugabe des für die Vergasung notwendigen Sauerstoffs nicht zur Selbstentzündung vor Eintritt in die Vergasungskammer kommt.In front End of the snail is added so much water sprayed around, that at subsequent Adding the for the gasification of necessary oxygen is not for self-ignition Entry into the gasification chamber comes.
Außerdem kann man gesättigten Wasserdampf (der nicht kondensiert) zugeben. Das führt zusätzlich zu größerem Auseinanderdriften des „Explosionsgemisches", sofern ein nennenswerter Druckunterschied zwischen dem Austritt der Biomasse am Extruderende und der Vergasungskammer besteht. Da dann am Ende der Schnecke Biomasse und Sauerstoff homogen miteinander gleichmäßig vermischt sind, kommt es anschließend in der Brennkammer zu einer homogenen „Explosion" (optimale partielle Verbrennung) bei ca. 900°C, ähnlich wie bei einem Sprengstoff (vollständige Verbrennung).In addition, can one saturated Add water vapor (which does not condense). This leads in addition to greater divergence of the "explosive mixture", if significant Pressure difference between the exit of the biomass at the end of the extruder and the gasification chamber is made. Because then at the end of the slug biomass and oxygen are homogeneously mixed with each other uniformly, it comes subsequently in the combustion chamber to a homogeneous "explosion" (optimal partial combustion) at about 900 ° C, similar to with an explosive (complete Combustion).
Alternativ ist es natürlich auch möglich, den Sauerstoff erst innerhalb der Brennkammer getrennt zuzugeben.alternative it is natural also possible, to add the oxygen separately only within the combustion chamber.
Die Vergasung verläuft in Bruchteilen von einer Sekunde („Explosionsvergasung"). Entsprechend klein wird die Anlage (um den Faktor 100-500 im Vergleich zu der bisher üblichen Technik).The Gasification runs in fractions of a second ("explosion gasification") the plant (by a factor of 100-500 compared to the usual Technology).
Unmittelbar danach findet die Gasreinigung aus technischen Gründen bei 900°C statt, wie später noch näher erläutert wird.immediate Thereafter, the gas purification for technical reasons 900 ° C instead, how later even closer explained becomes.
Um diesen Anforderungen zu genügen, sind metallische Membranfilter, die zur Stabilisierung auf Gitternetze geschweißt sind, notwendig.Around to meet these requirements, are metallic membrane filters that stabilize on grids welded is needed.
Beschreibung der Membranfilter:Description of the membrane filter:
In
Zusammenarbeit mit der Industrie wurde ein Hochtemperatur-Filter
entwickelt, das sich bis 1.000°C für Vergasungszwecke
eignet. Es besteht aus einer dünnen
Membran, deren Fläche
bis zu 40 % 1-3 μm
große Öffnungen
aufweist (s.
Bei
dem neuen Filter sind mehrere unterfütterte Filtermembranen dieser
Art konzentrisch zueinander angeordnet (s.
Aufgrund der dünnen Membran und sehr glatten Oberfläche kann man den Filterkuchen bereits bei geringer Druckdifferenz sehr leicht entfernen.by virtue of the thin one Membrane and very smooth surface you can the filter cake already at low pressure difference very remove easily.
Dieses Filter kann industriell Anwender-spezifisch hergestellt werden. Wie wir jedoch von dem Hersteller erfahren haben, ist es Angelegenheit des Auftraggebers, die für eine Bestellung wichtigen Parameter selber vorher zu ermitteln bzw. ermitteln zu lassen.This Filter can be manufactured industrially user-specific. However, as we have learned from the manufacturer, it is a matter of the principal, for to determine an order important parameters beforehand to be determined.
Bei gleicher Größe der Filterporen und Verwendung von Feinstaub aus Biomassevergasungsprozessen beträgt der günstigste Durchmesser 1-3 μm. Das ist 10-mal kleiner, als die mittlere Porengröße vergleichbarer keramischer Abgasfilter. Die optimalen Schlitzabmessungen und die Anordnung der Öffnungen können erst endgültig ermittelt und die entsprechende Membran hergestellt werden, wenn die Kornverteilung des Staubes der Biomasse bekannt ist. Dazu müssen verschiedene Masken mit unterschiedlichen Designs bzw. Layouts geschrieben werden, um unterschiedliche Folientypen verschiedener Dicke zu Testzwecken zu erhalten.at same size of the filter pores and use of particulate matter from biomass gasification processes is the cheapest Diameter 1-3 μm. This is 10 times smaller than the average pore size of comparable ceramic Exhaust filter. The optimal slot dimensions and arrangement the openings can first finally determined and the appropriate membrane are manufactured, if the grain distribution of dust of biomass is known. This must be different Masks are written with different designs or layouts, different film types of different thickness for testing purposes to obtain.
Im Vorfeld wurden bereits vorhandene Folien erworben (bzw. Silizium-Wafer auf die gewünschte Stärke heruntergeätzt) und diese mit lithographischen Methoden perforiert, so wie auch Masken für die Ionenprojektionslithographie (sog. Stencilmasken) hergestellt werden. Das heißt, die Prozesse (Belacken der Si-Scheibe, Belichten mittels einer Maske, Plasmaätzen der Strukturen bei hohem Aspektverhältnis) zur Herstellung solcher dünnen perforierten Silizium- Folien sind bekannt. Erfahrung aus der Stencilmasken-Entwicklung haben gezeigt, dass das Silizium sehr spröde ist und bei den erforderlichen Foliendicken von nur wenigen Mikrometern (μm) sehr schwer zu handhaben ist.Previously, existing films were purchased (or silicon wafers etched down to the desired thickness) and perforated with lithographic methods, just as masks for ion projection lithography (so-called stencil masks) are produced. That is, the processes (coating of the Si wafer, mask exposure, high aspect ratio plasma etching of the structures) for producing such thin perforated silicon films are known. Experience from stencil mask development ha ben shown that the silicon is very brittle and with the required film thickness of only a few microns (microns) is very difficult to handle.
Es wurden daher Versuche mit metallischen und damit duktileren Materialien unternommen. Dabei bot es sich an, die Perforierungen mittels Laser vorzunehmen. Es stellte sich aber bald heraus, dass dies eine Sackgasse war. Die erforderlichen Strukturgrößen von 1 μm bis 3 μm waren einfach bei weitem nicht erreichbar.It Therefore, attempts were made with metallic and thus more ductile materials made. It was possible, the perforations by laser make. It soon turned out that this was a dead end was. The required feature sizes of 1 μm to 3 μm were simply not nearly enough reachable.
Deswegen wurde versucht, die Prozesse ähnlich denen in der Mikroelektronik anzuwenden. Hierbei ist es wichtig, dass das Material beim Plasmaätzen mit Fluor- oder Chlorhaltigen Prozessgasen eine flüchtige Verbindung eingeht, die dann leicht abgepumpt werden kann. Neben Silizium kommen hierfür noch Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Hafnium, Wolfram Chrom etc. sowie auch Aluminium infrage, wobei letzteres wohl mangels Beständigkeit bei den angestrebten hohen Temperaturen wegfällt.therefore was trying to similar the processes those used in microelectronics. Here it is important that the material during plasma etching with fluorine- or chlorine-containing process gases a volatile compound enters, which can then be easily pumped out. Come in addition to silicon therefor nor titanium, tantalum, zirconium, niobium, hafnium, tungsten chromium etc. as well also aluminum in question, the latter probably for lack of durability falls away at the desired high temperatures.
Von der Form her angestrebt wurde ein ideales Filter, das einen sehr niedrigen Druckverlust hat, leicht gereinigt werden kann und eine so große Durchlassfläche hat, dass möglichst geringe Druckverluste entstehen.From The aim of the form was an ideal filter that a very has low pressure drop, can be easily cleaned and one so big Passage area has that as possible low pressure losses occur.
Dies ist eine ganz neue Technik, die im Gegensatz zu Filterkerzen aus Sintermetall oder Keramik sehr Platz sparend ist. Außerdem eignen sie sich bei wesentlich höherer Temperaturbelastung (bis 1000°C in reduzierender Atmosphäre) im Vergleich zu üblichen Filtern, die unter gleichen Bedingungen nur bis 500-600°C geeignet sind. Das ist das Besondere an diesen neuen Filtern.This is a whole new technique that unlike filter candles Sintered metal or ceramic is very space-saving. Also suitable they are at much higher Temperature load (up to 1000 ° C in a reducing atmosphere) compared to usual Filters suitable under the same conditions only up to 500-600 ° C are. That's the special thing about these new filters.
Die
Gasreinigung auf Basis dieser Filter verläuft in drei Stufen, wie
Detailbeschreibung von Filterstufe 1:Detailed description of filter level 1:
Die
Filterstufe 1 ist als redundantes System mit zwei Filtern ausgeführt. Diese
beiden Filter werden abwechselnd betrieben, wobei jeweils im „off-line" Filter die Abreinigung
stattfindet. In
Das Gesamtfilter besteht (wie bereits erwähnt) aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten zylindrischen Filtereinheiten. Sobald der voreingestellte maximale Differenzdruck beim „on-line" Filter erreicht ist, wird der Gasstrom auf das zweite baugleiche Filter geleitet und das bisherige „on-line" Filter durch das Einlassventil vom Gasstrom abgetrennt.The Total filter consists (as already mentioned) of several concentric mutually arranged cylindrical filter units. As soon as the preset maximum differential pressure when "on-line" filter is reached, the gas flow passed on the second identical filter and the previous "on-line" filter by the Inlet valve separated from the gas stream.
Der Abwurf der Asche erfolgt durch erzeugen eines Druckunterschiedes zwischen Filterkuchen und Filtermembran.Of the The ash is discarded by creating a pressure difference between filter cake and filter membrane.
Unter Umständen besteht die Möglichkeit, dass bei ausreichend schneller Erzeugung der Druckdifferenz Δp, die Filterstufe 1 nur mit einem Filter zu betreiben. Hierbei verringert sich die Anzahl der Ventile auf nur ein Auslassventil für den Ascheaustrag. Dies ist eine wesentliche Vereinfachung des Filtersystem und ist außerdem mit erheblichen Kosteneinsparungen verbunden.Under circumstances it is possible, that at sufficiently fast generation of the pressure difference .DELTA.p, the filter stage 1 to operate only with a filter. This reduces the Number of valves on only one exhaust valve for the ash discharge. This is a major simplification of the filter system and is also with associated with significant cost savings.
Solch ein Filter ist sehr kompakt. Bei gleicher Leistung ist es um eine Größenordnung kleiner als entsprechende Filter mit Keramikkerzen. Außerdem sind die neuen Membranfilter chemisch resistenter als herkömmliche Keramikkerzen. Keramik hat den Nachteil, dass bei hoher Temperatur Alkalien langsam in sie eindringen und dadurch ihr Schmelzpunkt sinkt, was gleichzeitig zu einem Verlust an Festigkeit führt.Such a filter is very compact. For the same performance it is one Magnitude smaller than corresponding filters with ceramic candles. Besides, they are The new membrane filters are chemically more resistant than conventional ones Ceramic candles. Ceramic has the disadvantage that at high temperature Alkalis slowly penetrate into them and thereby their melting point decreases, which at the same time leads to a loss of strength.
Detailbeschreibung Filterstufe 2:Detailed description filter level 2:
Aufbau und der Betrieb („on-live", „off-line") sind identisch dem Aschefilter. Einziger Unterschied: Auf der Filtermembran befindet sich ein künstlich aufgebrachter Filterkuchen, der in der Hauptsache aus Dolomit besteht und zur Neutralisierung der Sauergase, Spaltung der Teerverbindungen und Bindung der Halogene dient. Um dies zu erreichen, ist eine Temperatur von 900°C optimal.construction and the operation ("on-live", "off-line") are identical the ash filter. Only difference: Located on the filter membrane an artificial one Applied filter cake, which consists mainly of dolomite and to neutralize the acid gases, cleavage of tar compounds and binding of the halogens. To achieve this is a temperature from 900 ° C optimal.
Das
Gas wird einem von zwei parallelen Filtern der Stufe 2 zugeführt. In
Die Kalk- bzw. Dolomitschicht, bestehend aus feinen Partikeln, wird über einen Gasstrom auf die Membran aufgebracht. Beim Durchströmen dieser Schicht werden Schadgase wie HCl und H2S chemisch gebunden. Hierbei reagieren Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff mit Calciumoxid zu Calciumchlorid und Calciumsulfid.The lime or dolomite layer, consisting of fine particles, is transferred to the meme via a gas stream bran applied. As it flows through this layer harmful gases such as HCl and H 2 S are chemically bound. Hydrogen chloride and hydrogen sulfide react with calcium oxide to form calcium chloride and calcium sulfide.
Bei eintretender Sättigung des Filters durch HCl und H2S können diese Komponenten am Filterausgang gemessen werden. Ab einer noch zu ermittelnden Konzentration muss der Filterkuchen ausgetauscht werden.When saturation of the filter by HCl and H 2 S occurs, these components can be measured at the filter outlet. From a still to be determined concentration of the filter cake must be replaced.
Bei Vorhandensein ausreichender Mengen Alkalien (natürlich oder künstlich zugegeben) kann man wahrscheinlich auf die zweite Filterstufe verzichten, (d.h. die Filterstufe 1 ersetzt die Filterstufe 2). Dies führt zu einer zusätzlichen erheblichen Kostenersparnis.at Presence of sufficient quantities of alkalis (natural or artificial added) you can probably do without the second filter stage, (i.e., filter stage 1 replaces filter stage 2). This leads to a additional considerable cost savings.
Die
Filterstufe 3 ist ähnlich
aufgebaut wie die Filterstufen 1 und 2, enthält jedoch anstatt 2 nur einen Strang
(sh.
Der Grund: Das Gas muss (wie auch schon bei den vorgeschalteten zwei Doppelfiltern) durch sehr feine Poren strömen. Dadurch findet ein intensiver Kontakt zwischen Gas- und Katalysatorfläche statt, was bei üblichen Katalysatoren in dieser Form nicht stattfindet.Of the Reason: The gas must (as already with the upstream two Double filtering) through very fine pores. This will find an intense Contact between the gas and catalyst surface instead, which is common Catalysts in this form does not take place.
Außerdem werden durch den Nickelkatalysator alle Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH3) und Blausäure (HCN) in Luftstickstoff umgewandelt. Das so behandelte Synthesegas ist dann so rein, dass es für Synthesezwecke oder zur Verbrennung in Gasturbinen verwendet werden kann.In addition, the nickel catalyst converts all nitrogen compounds such as ammonia (NH 3 ) and hydrogen cyanide (HCN) into atmospheric nitrogen. The synthesis gas treated in this way is then so pure that it can be used for synthesis purposes or for combustion in gas turbines.
In Tabelle 4 wird noch einmal zusammengefasst, welche Verunreinigungen in welcher Filterstufe aus dem Synthesegas entfernt werden.In Table 4 summarizes what impurities in which filter stage are removed from the synthesis gas.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
- (1) Kompakte Einschleusung der Biomasse mittels Stopfschnecke;
- (2) schnelle momentane Erwärmung durch Druckerhöhung mit. Wasserdampf;
- (3) gleichzeitige Erweichung des Lignins (der „Kitt" der die Zellstofffasern zusammenhält);
- (4) anschließende Scherung und Trennung der Pflanzenfasern.
- (5) Zugabe kleinerer Mengen Sauerstoff und Dampf (Dampf, der nicht mehr kondensiert aufgrund konstanter Temperatur);
- (6) Verringerung des Druckes um ca. 1-5 bar bei Eintritt der Fasern in den Vergasungsraum und dadurch bedingt; explosionsartiges Auseinandertreiben und Vergasung der Pflanzenfasern;
- (7) keine vorherige Temperaturabsenkung des erzeugten Gases bei Gasturbinen notwendig und
- (8) kompakte, sehr Kosten günstige Gasreinigung an Stelle der sonst üblichen, sehr aufwendigen chemischen Gaswäsche.
- (1) Compact introduction of the biomass by means of plug screw;
- (2) rapid instantaneous heating by pressure increase with. Steam;
- (3) simultaneous softening of the lignin (the "putty" that holds the pulp fibers together);
- (4) subsequent shearing and separation of the plant fibers.
- (5) adding smaller amounts of oxygen and steam (vapor that no longer condenses due to constant temperature);
- (6) reducing the pressure by about 1-5 bar when the fibers enter the gasification chamber and thereby conditional; explosive dispersal and gasification of plant fibers;
- (7) no previous temperature reduction of the gas generated in gas turbines necessary and
- (8) compact, very cost-effective gas cleaning instead of the usual, very expensive chemical gas scrubbing.
Der besondere Vorteil ist, dass die Schritte von 1-10 unmittelbar hintereinander auf engstem Raum erfolgen und dadurch die gesamte Anlage um ein Vielfaches kleiner und kostengünstiger wird als sonst üblich. Diese Methode ist dadurch besonders gut für kleine, dezentrale Anlagen geeignet, die man daher, in Containern montieren und in Serie herstellen kann. Das verbilligt die Produktion noch einmal um ein Vielfaches. Da diese Einheiten alle gleich sind, ist im Gegensatz zu Großanlagen nur einmal eine Zulassung von Seiten der Behörden notwendig. Das spart Zeit und weitere Kosten. Es ist sogar möglich, falls notwendig, größere Anlagen zu bauen, indem man mehrere kleinere Anlagen zu einer größeren Einheit zusammenfügt. Die Dezentrale Anwendung hat darüber hinaus den Vorteil, Kraft-Wärmekoppelung anzuwenden. Das ist bei großen Anlagen, wegen der Entfernung zwischen Erzeuger und Nutzer (zu hoher Wärmeverlust der Leitungen), nicht möglich. Außerdem kann man solche Anlagen (weil alle gleich sind) einfach mit der gleichen Fernsteuerung betreiben. Ein weiterer Vorteil ist, dass der ländliche Raum auf die Weise wirtschaftlich belebt wird.Of the special advantage is that the steps from 1-10 immediately after one another in a confined space and thereby the entire system by one Many times smaller and cheaper is considered usual. These This method is especially good for small, decentralized systems suitable, which are therefore mounted in containers and mass produced can. This makes production even cheaper many times over. Because these units are all the same, unlike large-scale facilities only once approval from the authorities necessary. That saves time and further costs. It is even possible, if necessary, larger systems to build by adding several smaller facilities to a larger unit assembles. The decentralized application has it In addition, the advantage of combined heat and power apply. That's great Plants, because of the distance between producer and user (too high heat loss the lines), not possible. In addition, can you have such facilities (because they are all the same) simply with the same Operate remote control. Another advantage is that of the rural Room in the way is economically revitalized.
Durch die Gasreinigung bei einer Temperatur von 900°C ist keine vorherige Temperaturabsenkung des erzeugten Gases vor allem für Gasturbinen notwendig.By the gas cleaning at a temperature of 900 ° C is no previous temperature reduction of the gas generated, especially for Gas turbines necessary.
Dadurch wird ein Wirkungsgrad erreicht, der ähnlich hoch ist, wie mit Erdgas betriebenen Turbinen.Thereby an efficiency is achieved that is similar to that of natural gas operated turbines.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigen:Of the The invention is described below with reference to the description a preferred embodiment described in more detail. Show it:
Die
in
Gemäß der Erfindung
wird kurz vor dem Ausgang in den Schneckenextruder (
Am
Ausgang der Extruderschnecke (
Alternativ
ist es natürlich
auch möglich,
Sauerstoff (
Die Vergasung verläuft beiden Fällen in Bruchteilen von einer Sekunde („Explosionsvergasung"). Entsprechend klein wird die Anlage (um den Faktor 100-500 im Vergleich zu der bisher üblichen Technik).The Gasification runs both cases in fractions of a second ("explosion gasification") is the plant (by a factor of 100-500 compared to the usual Technology).
Es
entsteht nach der Vergasung ein Gemisch aus Syntheserohgas und Asche
(
Gemäß der Erfindung
werden von dem Syntheserohgas (
Anschließend werden
in dem Katalysator (
In
In
Die
Filterkörbe
(
Beim „on-line" Filter (links dargestellt)
strömt
das Syntheserohgas (
Tabelle 2: Darstellung der Funktionsweise der Filterstufe 1 Table 2: Illustration of the functioning of filter stage 1
Der
in
Der
Unterschied zur Filterstufe 1 besteht darin, dass sich auf der Filtermembran
am Filterkorb (
Tabelle 3: Darstellung der Funktionsweise der Filterstufe 2 Table 3: Illustration of the functioning of filter stage 2
Die
in
Außerdem werden
alle Stickstoffverbindungen, wie Ammoniak (NH3)
und Blausäure
(HCN) in Luftstickstoff umgewandelt. Das so entstandene reine Synthesegas
(
Tabelle 4: Übersicht der entfernten Verunreinigungen in den 3 Filterstufen Table 4: Overview of the removed impurities in the 3 filter stages
- 11
- Vorratsbehälterreservoir
- 22
- Antrieb Stopfschneckedrive stuffing screw
- 33
- Stopfschneckestuffing screw
- 44
- Verdichtungszone der Biomassecompression zone the biomass
- 55
- Knollenbrecher (Schneidmesserrad)lump breaker (Schneidmesserrad)
- 66
- Antrieb Schneidmesserraddrive Schneidmesserrad
- 77
- SchneckenextruderScrew extruder
- 88th
- Extruderschneckeextruder screw
- 99
- Antrieb Extruderschneckedrive extruder screw
- 1010
- Förderelemente zum Vortrieb der Biomasseconveying elements to advance the biomass
- 1111
- Wasserdampf bis zu ca. 250°C bzw. reiner Sauerstoff (oder Kombination)Steam up to approx. 250 ° C or pure oxygen (or combination)
- 1212
- Scherelemente zur Zerfaserungshearing elements for defibration
- 1313
- gesättigter bzw. überhitzter Wasserdampfsaturated or overheated Steam
- 1414
- Zugabe winziger Mengen Wasserencore tiny amounts of water
- 1515
- Sauerstoff für Vergasungoxygen for gasification
- 15a15a
- alternative Sauerstoffzugabe für Verg.alternative Oxygen addition for Verg.
- 1616
- Vergasungskammer (ca. 900°C)gasification chamber (about 900 ° C)
- 1717
- Syntheserohgas und Aschesynthesis gas and ashes
- 1818
- Ablauf Flüssigascheprocedure liquid ash
- 1919
- Zugabe von Sauerstoff für Umwandlung von Sulfit in Sulfatencore of oxygen for Conversion of sulphite into sulphate
- 2020
- Entsorgungsbehälterdisposal containers
- 2121
- Filter der Filterstufe 1 (Aschefilter) – Detail Xfilter Filter stage 1 (ash filter) - Detail X
- 2222
- Syntheserohgassynthesis gas
- 2323
- Filterkorbfilter basket
- 2424
- Absperrventile geöffnetShut-off valves open
- 2525
- Absperrventile geschlossenShut-off valves closed
- 2626
- Druckunterschied Δp für FiltratabwurfPressure difference Δp for filtrate discharge
- 2727
- Klappe (Ventil) geöffnet für Filtrataustragflap (Valve) opened for filtrate discharge
- 2828
- Filtrat zum Auffangbehälterfiltrate to the collection container
- 2929
- von Feststoffen gereinigtes Synthesegasfrom Solids purified synthesis gas
- 3030
- Filter der Filterstufe 2 (Halogen- und Sauergas-Absorber) – Detail Yfilter the filter stage 2 (halogen and sour gas absorber) - detail Y
- 3131
- Gasstrom für die Erneuerung der Kalk-Dolomit-Schichtgas flow for the Renewal of the lime dolomite layer
- 3232
- vorgereinigtes Synthesegasprepurified synthesis gas
- 3333
- Nickelkatalysator der Filterstufe 3 – Detail Znickel catalyst the filter level 3 - detail Z
- 3434
- Membran mit Schicht feinster Nickelpartikelmembrane with layer of the finest nickel particles
- 3535
- reines Synthesegas (ca. 900°C)pure Synthesis gas (about 900 ° C)
Claims (22)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102006050603A DE102006050603A1 (en) | 2006-10-26 | 2006-10-26 | Gasifying biomass comprises compression in a crammer screw press, processing in a shredder screw press and partial combustion in a gasification chamber |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=39244329
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Country | Link |
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