DE102010007588A1 - Herstellungsverfahren für ein Synthesegas aus einer Biomasse - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Herstellungsverfahren für ein Synthesegas aus einer Biomasse, bei dem die Biomasse in einem Brennstoffvergaser mit einem Vergasungsmittel zu einem Brenngas vergast wird, welches durch eine Gasaufbereitung in das Synthesegas umgewandelt wird, wobei die Gasaufbereitung folgende Schritte beinhaltet: eine Hochtemperatur-Reinigung mittels eines Zentrifugalabscheiders, eine Hochtemperatur-Teerreformierung mittels eines Katalysators, eine Hochtemperatur-Schwefel- und -Halogenentfernung mittels Trockensorption an Sorbentien. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Anlage zur Herstellung eines Synthesegases aus einer Biomasse.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Synthesegas aus einer Biomasse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anlage zur Herstellung eines Synthesegases aus einer Biomasse gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
  • Ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie eine entsprechende Anlage sind beispielsweise aus der Druckschrift WO 2009/013233 A2 bekannt. In dem dort beschriebenen Herstellungsverfahren wird eine Biomasse, also ein regeneratives, biogenes Material, in einem Brennstoffvergaser, z. B. in einem Wirbelschichtvergaser, zunächst zu einem Brenngas vergast, welches anschließend in einer Gasaufbereitung zu einem Synthesegas aufbereitet wird. Das Brenngas ist vor der Gasaufbereitung ein Gasgemisch mit einem Gehalt an Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Teerkomponenten, Kohlendioxid, Wasser, ggf. Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen (vor allem Schwefel- und Halogenverbindungen, Staub, Ruß). Die Gasaufbereitung ist eine Abfolge verschiedener Verfahrensschritte, wie etwa Abscheiden von Staub und Ruß, Reformieren von Teeranteilen und/oder Auswaschen von Halogenen bei niedrigen Temperaturen, in welchen das Brenngas zu dem Synthesegas aufbereitet wird. Das Synthesegas selbst ist ein wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Gasgemisch. Das Synthesegas wird anschließend nach Einstellen eines geeigneten Verhältnisses von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu einem flüssigen Kraftstoff weiterverarbeitet.
  • Neben der Fischer-Tropsch-Synthese sind für das Synthesegas eine große Anzahl weiterer chemischtechnischer Verwendungen bekannt, insbesondere die Methanolsynthese, die Ammoniak- und die Oxosynthese, die Wasserstoff- sowie Brenngasherstellung, letztere insbesondere für Gasmotoren oder Brennstoffzellen. Ferner wird Synthesegas auch in biotechnologischen Verfahren verwendet, etwa in der Fermentation zur Erzeugung von Alkoholen oder organischen Säuren.
  • Die Verwendung von Biomasse als Brennstoff für die Herstellung eines Synthesegases hat gegenüber der Verwendung fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle den Vorteil der Einsparung nicht nachwachsender Rohstoffe und außerdem eine bessere CO2-Bilanz. Ein weiterer Vorteil besteht in der Unabhängigkeit von Importen fossiler Rohstoffe.
  • Neben diesen wichtigen Vorteilen sind mit der Verwendung von Biomasse aber auch Probleme verbunden. Zum einen kann die Produktion von Biomasse durch den Anbau geeigneter Pflanzen, bspw. Rapspflanzen für die Produktion von Biodiesel, eine Verknappung von Anbauflächen zur Folge haben und somit in einer Nutzungskonkurrenz zur Lebensmittelproduktion stehen. Ferner fällt Biomasse häufig an dezentralen Orten an, so dass die angefallene Biomasse unter Umständen zunächst über lange Transportwege zu einer zentralen Verarbeitungsanlage transportiert werden muss, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit wie auch die CO2-Bilanz der Herstellung von Synthesegas aus der Biomasse verschlechtert. Die Errichtung und Verwendung von kleineren, dezentralen Anlagen, die lange Transportwege überflüssig machen könnten, scheitert aber häufig an zu hohen Investitions- und/oder Betriebskosten für solche Anlagen, so dass kleinere, dezentrale Anlagen häufig entweder wirtschaftlich nicht sinnvoll sind oder durch eine zu einfache Technik eine unbefriedigende Effizienz aufweisen. Dabei wird unter Effizienz das Verhältnis der Menge der eingesetzten Biomasse, Energie und anderer zu verbrauchenden Materialien zur Menge des gewonnenen Synthesegases verstanden.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Synthesegas aus einer Biomasse vorzuschlagen, welches die genannten Probleme löst oder zumindest abmildert. Das vorgeschlagene Verfahren soll also dazu geeignet sein, bei möglichst geringen Investitions- und Betriebskosten auf möglichst effiziente Weise aus Biomasse ein Synthesegas herzustellen. Das vorgeschlagene Verfahren soll also auch mit kleinen, dezentralen Anlagen wirtschaftlich und effizient durchführbar sein. Ferner soll eine entsprechende Anlage vorgeschlagen werden, die mit möglichst geringen Investitionskosten aufgebaut und betrieben werden kann und sich somit insbesondere auch in einer kleinen, dezentrale Ausführungsform wirtschaftlich sinnvoll und effizient einsetzen lässt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie durch eine Anlage gemäß dem Nebenanspruch. Weiterentwicklungen und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich mit den Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für ein Synthesegas aus einer Biomasse, bei dem die Biomasse in einem Brennstoffvergaser mit einem Vergasungsmittel zu einem Brenngas vergast wird, welches durch eine Gasaufbereitung in das Synthesegas umgewandelt wird, ist also vorgesehen, dass die Gasaufbereitung folgende Schritte beinhaltet:
    • – eine Hochtemperatur-Reinigung mittels eines Zentrifugalabscheiders,
    • – eine Hochtemperatur-Teerreformierung mittels eines Katalysators für eine Umsetzung von Teeranteilen und/oder Kohlenwasserstoffanteilen,
    • – eine Hochtemperatur-Schwefel- und -Halogenentfernung mittels Trockensorption an Sorbentien.
  • Durch die Gasaufbereitung des Brenngases mittels der oben genannten Schritte sind zusätzliche Kühlungsschritte oder Wärmeauskopplungen aus dem Brenngas vor oder während der Gasaufbereitung des Brenngases nicht notwendig. Durch eine Vermeidung von Wärmeauskopplungen und/oder Kühlungsschritten lässt sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die Wärmeauskopplungen und/oder Kühlungsschritte vorsehen, mit einem deutlich geringeren apparativen Aufwand durchführen.
  • Außerdem lassen sich auf diese Weise Übertragungsverluste einsparen, welche unvermeidbar mit Wärmeauskopplungen und Kühlungsschritten einhergehen, wodurch sich die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren verbessert. Hinzu kommt, dass nach einer solchen Kühlung (Wärmeauskopplung) des Brenngases für anschließende Aufbereitungsschritte des Brenngases oder Verarbeitungsschritte des Synthesegases häufig ein nachträgliches Wiederaufheizen des Brenn- oder Synthesegases notwendig wird, wofür wiederum Energie verbraucht wird, so dass sich die Effizienz eines entsprechenden herkömmlichen Verfahrens in der Regel verschlechtert. Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden.
  • So wird beispielsweise in der Druckschrift WO 2009/013233 A2 zur Halogen- und Schwefelentfernung lediglich ein Auswaschverfahren vorgeschlagen, welches ein starkes Abkühlen des Brenngases erfordert. Dahingegen benötigt die Hochtemperatur-Schwefel- und -Halogen-entfernung mittels Trockensorption an Sorbentien gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren keine vorausgehende Abkühlung des Brenngases und ist somit sehr viel energieeffizienter als herkömmliche Verfahren, welche eine solche Abkühlung vorsehen. Zwar werden üblicherweise auch für Halogen- und Schwefelentfernung mittels Trockensorption niedrige Temperaturen eingestellt, um eine befriedigende Abscheiderate in der Halogen- und Schwefelentfernung zu erzielen. Zudem sprechen auch thermodynamische Gründe für niedrige Temperaturen zur Erzielung hoher Abscheideraten. Überraschenderweise zeigt sich aber, dass mit der vorgeschlagene Hochtemperatur-Halogen- und Schwefelentfernung mittels Trockensorption eine ausreichende Entfernung von Halogenen und Schwefel erreicht wird.
  • Dabei kann die Hochtemperatur-Halogen- und Schwefelentfernung in einem einzigen Schritt oder in mehreren Schritten, bei denen Halogene und Schwefel nacheinander entfernt werden, durchgeführt werden. Die Durchführung der Hochtemperatur-Halogen- und -Schwefelentfernung in einem einzigen Schritt lässt sich vorteilhafterweise mit einem besonders einfachen Aufbau einer entsprechenden Anlage erreichen, bei dem zwei oder mehrere Apparateeinheiten der Anlage in eine Apparateeinheit integriert werden können zur Einsparung von Investitionskosten.
  • Auch die anderen beiden Schritte der Gasaufbereitung, also die Hochtemperatur-Reinigung mittels eines Zentrifugalabscheiders und die Hochtemperatur-Teerreformierung benötigen keinerlei vorangegangene Kühlung des Brenngases. Dabei wird durch den Zentrifugalabscheider (Zyklon) eine Abtrennung von Asche, Additiven, Katalysatoren, Staub aus dem Brenngas erzielt. Vorteilhafterweise stellt diese Hochtemperatur-Reinigung des Brenngases den ersten Schritt der Gasaufbereitung dar (Vorreinigung eines Rohbrenngasstromes).
  • Dadurch, dass eine Kühlung des Brenngases vor oder während der Gasaufbereitung nicht notwendig ist, ist das beanspruchte Verfahren zudem auch einfacher, kostengünstiger, mit einem geringeren apparativen Aufbau und mit kürzeren Gaswegen als herkömmliche Verfahren durchführbar. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Synthesegas lässt sich prinzipiell für alle bekannten Syntheseverfahren verwenden, insbesondere zur Methanolsynthese oder für ein anderes der oben genannten Syntheseverfahren. Insbesondere kann das Verfahren durch eine direkt angeschlossene Methanolsynthese erweitert werden, in der das hergestellte Synthesegas direkt zu Methanol synthetisiert wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Brenngas während der Vergasung sowie direkt nach der Vergasung in dem Brennstoffvergaser eine Gastemperatur zwischen 700°C und 900°C aufweist. Diese Gastemperatur wird auch als Vergasungstemperatur bezeichnet. Zum einen sind Gastemperaturen in diesem Temperaturbereich für Vergasungsreaktionen hinreichend hoch. Zum anderen sind die Vergasungstemperaturen in diesem Bereich niedrig genug, um ein unerwünschtes Schmelzen von Asche und Bilden von Aschekonglomeraten zu vermeiden.
  • In einer besonders einfachen und effizienten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass weder vor noch während der Gasaufbereitung des Brenngases zum Synthesegas eine Wärmeauskopplung aus dem Brenngas durchgeführt wird. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gasaufbereitung bei einer Gastemperatur des Brenngases zwischen 700°C und 900°C durchgeführt wird.
  • Damit liegt die Gastemperatur des Brenngases bei jedem der drei genannten Schritte der Gasaufbereitung in dem auch für die Vergasungstemperatur genannten Bereich. Insofern lässt sich bei der Gasaufbereitung in dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren auch von einer Hochtemperatur-Gasaufbereitung (bzw. Hochtemperatur-Gasreinigung) sprechen. Es kann auch vorgesehen sein, dass für ein Ausgleichen eines Abfalls in der Gastemperatur durch Wärmeverluste während der Gasaufbereitung (etwa durch endotherme Reformierreaktionen in der Teerreformierung oder Wärmeverluste an die Umgebung) eine entsprechende Zuheizung durchzuführen ist, so dass die Gastemperatur während der Gasaufbereitung in dem oben genannten Bereich zwischen 700°C und 900°C gehalten wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass die Gasaufbereitung als einen weiteren Schritt eine Hochtemperatur-Feinstaubabscheidung beinhaltet zur Entfernung von Feinstäuben aus dem Brenngas. Die Hochtemperatur-Feinstaubabscheidung kann direkt nach der Hochtemperatur-Reinigung mittels des Zentrifugalabscheiders oder nach einem der weiteren Schritte der der Gasaufbereitung durchgeführt werden, beispielsweise mittels eines Festbettfilters.
  • In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass im Katalysator für die Hochtemperatur-Teerreformierung Nickel, ein Edelmetall und/oder ein Erdalkalimineral als Katalysatormaterial verwendet wird bzw. werden. Somit kommen also insbesondere Materialien wie Nickel bzw. Palladium, Platin als Edelmetalle oder zum Beispiel Dolomit oder Kalkstein als Erdalkalimineralien in Frage. Als Sorbentien für die Hochtemperatur-Schwefelentfernung und die Hochtemperatur Halogenentfernung mittels Trockensorption kommen jeweils Metalloxide wie z. B. Zinkoxid oder Calciumoxid in Betracht.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Vergasungsmittel mittels einer Primärenergie aufgeheizt wird, die aus der Biomasse gewonnen wird, indem ein Teil der Biomasse in dem Brennstoffvergaser exothermen Oxidationsreaktionen unterworfen wird. Eine so erzeugte Wärmeenergie wird sodann zur Aufrechterhaltung von endothermen Vergasungsreaktionen (Brennstoffvergasung) eingesetzt. Durch Einstellen definierter Zusammensetzungen und Zuführen definierter Mengen des Vergasungsmittels in den Brennstoffvergaser kann eine Wärmetönung und das Verhältnis zwischen den ablaufenden Oxidations- und Vergasungsreaktionen beeinflusst werden.
  • Auf diese Weise kann auf eine Verwendung zusätzlicher Energiequellen, insbesondere auf fossile Energiequellen (Kohle, Öl, Gas) verzichtet werden. Falls es zur Einstellung der Vergasungstemperatur notwendig ist, ist es aber natürlich auch möglich, zusätzlich zur Biomasse weitere (z. B. fossile) Energiequellen hinzuzunehmen und diese der Biomasse beizumischen oder getrennt von dieser in den Brennstoffvergaser einzubringen. Als Vergasungsmittel können Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, rezirkuliertes Brenngas oder ein Gemisch daraus verwendet werden. Durch ein Rezirkulieren eines Teilstromes des Brenngases, also ein Rückführen eines Teilstromes des Brenngases in den Brennstoffvergaser, kann der für eine Fluidisierung des Brennstoffs benötigte Gasvolumenstrom eingestellt werden. Weiterhin wird durch diese Maßnahme eine Verweilzeit des rezirkulierten Brenngases unter Vergasungsbedingungen (insbesondere Vergasungstemperatur, Vergasungsdruck) vergrößert, so dass ein Umsatz zu gewünschten Brenngaskomponenten (insbesondere Wasserstoff, Kohlenmonoxid) positiv beeinflusst wird.
  • In einer besonders energieeffizienten Ausführungsform wird das Vergasungsmittel unter Verwendung einer Prozessenergie aus einem dem Herstellungsverfahren nachgelagerten Syntheseverfahren (bspw. eine Abwärme aus einer exothermen Reaktion) aufgeheizt. Auf diese Weise kann durch Nutzung von Abwärme aus dem Syntheseverfahren Primärenergie zum Aufheizen des Vergasungsmittels eingespart werden. Dabei kommen als Syntheseverfahren alle bekannten Syntheseverfahren mit einer Abwärmeentwicklung in Frage, insbesondere eine Methanolsynthese. Außerdem kann auch vorgesehen sein, dass die Biomasse vor der Vergasung einem Trocknungsprozess unterzogen und dabei aufgewärmt wird. Die Verwendung von auf diese Weise vorgewärmter Biomasse beeinflusst die Energiebilanz des Brennstoffvergasers ebenfalls positiv.
  • In einer Ausführungsform wird als Brennstoffvergaser ein Wirbelschichtvergaser eingesetzt, in dem die Biomasse in einer Wirbelschicht fluidisiert wird. Solche Wirbelschichtvergaser zeichnen sich im Allgemeinen durch ein besonders gutes Mischungsverhalten, eine hohe Gleichmäßigkeit in der Reaktionskinetik sowie im Stoff- und Wärmeübergang und eine Möglichkeit einer einfachen Zumischung von Additiven und/oder Katalysatoren aus. Es ist aber auch möglich, einen anderen Vergasertyp zu verwenden, etwa einen Festbettvergaser oder Flugstromvergaser. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Biomasse außerhalb des Brennstoffvergasers oder innerhalb des Brennstoffvergasers über ein Eintragsorgan Additive und/oder Katalysatoren zugefügt werden für eine In-Situ-Gasreinigung innerhalb des Brennstoffvergasers und/oder zur Beschleunigung einer Teerumsetzung (wie z. B. Dolomit, Olivin, Kalkstein o. a.) in gewünschte Brenngasanteile. Zu diesem Zweck werden vorzugsweise Wirbelschichtvergaser verwendet aufgrund ihres besonders guten Mischungsverhaltens.
  • In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird das Brenngas (ggf. nach Durchströmen der Wirbelschicht in dem Wirbelschichtvergaser) einem Freiraum-Bereich (Freeboard-Zone) zugeführt. Dies ist ein Gasraum, in welchem dem Brenngas eine Verweilzeit gegeben wird bevor es zur Gasaufbereitung weitergeleitet wird und in dem eine möglichst vollständige Vergasung (Umsetzung in gewünschte Brenngaskomponenten) von aus der Wirbelschicht mitgerissenen Partikeln (Kohlenstoff-Partikel, Pyrolysepartikel, etc.) stattfindet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Synthesegas durch eine angeschlossene Methanolsynthese zu Methanol weiterverarbeitet wird. Dabei wird vorzugsweise ein Stöchiometriefaktor S = ([H2] – [CO2])/([CO] + [CO2]) des Synthesegases über eine Wassergas-Shift-Reaktion und durch Auswaschen von Kohlendioxid aus dem Synthesegas auf einen Wert von etwa 2 bis 2,1 eingestellt. Bedarfsweise geschieht dies unter Zusatz von Wasserdampf. Selbstverständlich sind an das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für das Synthesegas genauso gut auch alle anderen bekannten Syntheseverfahren, welche Synthesegas als Ausgangsstoff benötigen, anschließbar, insbesondere alle der eingangs genannten Syntheseverfahren. Der Stöchiometriefaktor wird dann jeweils mit der Wassergas-Shift-Reaktion auf einen geeigneten Wert eingestellt. Für die Ammoniak-Synthese wird S vorzugsweise auf einen möglichst großen Wert eingestellt (reiner Wasserstoff bzw. Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch bei Luftvergasung), für die Fischer-Tropsch-Synthese wird S vorzugsweise auf einen Bereich zwischen 1,6 bis 2,3 und für die Oxo-Synthese vorzugsweise auf einen Bereich zwischen 1,0 und 1,3 eingestellt. Für die die Herstellung von Brenngas wird S je nach Bedarf auf einen Wert zwischen 0 und unendlich groß eingestellt.
  • In einer Ausführungsform werden als Biomasse Teile der Rapspflanze, insbesondere Rapsstroh und/oder Rapsreststoffe, verwendet. üblicherweise wird von der Rapspflanze ausschließlich eine Rapssaat bzw. Rapssamen verwendet, insbesondere zur Herstellung von Biodiesel. Eine Verwendung von Rapstroh oder Rapsreststoffe ist bislang kaum verbreitet aufgrund der eingangs genannten Probleme. Mit dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren ist nun auch eine Verwertung des Rapsstrohs möglich und zwar auf effiziente und wirtschaftliche Weise mittels kleiner, dezentraler Anlagen.
  • Eine Verwendung von Rapsstroh/Rapsreststoffen für die Herstellung von Synthesegas mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und eine nachgeschaltete Methanolsynthese ist insbesondere im Hinblick auf die Biodieselproduktion aus Raps vorteilhaft. Zum einen kann auf diese Weise das bei der Biodieselproduktion anfallende Rapsstroh sowie Rapsreststoffe verwertet werden, wodurch eine effizientere Nutzung der Rapspflanze und der genutzten Anbauflächen erreicht wird. Außerdem wird dabei vorteilhafterweise gleichzeitig das zur Herstellung des für die Biodieselproduktion notwendige Methanol (Umesterung von Rapsöl zu Rapsmethylester) bereitgestellt.
  • So lässt sich mit Hilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens ein Pflanzennutzungsgrad der Rapspflanze in der Biodieselproduktion von momentan 20% auf nahezu 80% steigern. Ferner muss das Methanol für die Biodieselproduktion nicht mehr wie üblich auf dem Weltmarkt hinzugekauft werden. Dadurch kann sich zum einen die Wirtschaftlichkeit der Biodieselproduktion durch das hier vorgeschlagene kostengünstige Herstellungsverfahren verbessern und eine Unabhängigkeit von Weltmarktpreisen für Methanol erreicht werden. Da außerdem hinzugekauftes Methanol in aller Regel aus einer auf fossilen Rohstoffen basierenden Produktion stammt, wird mittels des vorgeschlagenen Verfahrens außerdem die CO2-Bilanz der Biodieselproduktion verbessert und die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen und Energiequellen reduziert. Schließlich lässt sich zeigen, dass sich durch Verwendung des hier vorgeschlagenen Verfahrens in der Biodieselproduktion aus Raps ein Überschuss an Methanol erzielen lässt. Es kann also aus den anfallenden Restoffen der verarbeiteten Rapspflanzen mehr Methanol hergestellt werden als in der Biodieselproduktion aus Rapspflanzen benötigt wird. Das überschüssige Methanol lässt sich als wertvoller Rohstoff und Energieträger natürlich vielseitig verwerten, z. B. in der chemischen Industrie, in der Kraftstoffindustrie und von Endverbrauchern als Treibstoff von entsprechend modifizierten Verbrennungsmotoren.
  • Prinzipiell sind mit dem Verfahren alle Biomassen, ggf. nach einer entsprechenden Aufbereitung, verwertbar, vorzugsweise aber solche, die mittels eines Wirbelschichtvergasers fluidisiert werden können. Für eine gleichmäßige Fluidisierung sind solche Biomassen besonders gut geeignet, die eine nicht zu breite Partikelgrößenverteilung aufweisen, da auf diese Weise ein vorzeitiger Austrag feiner Partikel und eine mangelnde Fluidisierung zu großer Partikel besonders gut vermieden werden können, was andernfalls zu unvollständigem Umsatz der eingesetzten Biomasse und einem hohen Anteil an nicht umgesetzter Biomasse/Kohlenstoff in der Asche und außerdem zu Betriebsstörungen des Vergasers durch Akkumulation zu großer Partikel führen kann. Im Fall von Rapsstroh ist daher ein Aufbereiten durch Schreddern des Strohs zu einer Halmlänge von bis zu ca. 10 cm vorteilhaft. Enthält die Biomasse zu viel Staub bzw. feines Material, ist ggf. eine Siebung oder Pelletierung vorzusehen. Weitere Aufbereitungsschritte können ferner eine Fremdkörperentfernung beinhalten.
  • In einer Ausführungsform wird die Vergasung der Biomasse drucklos durchgeführt, also bei einem Gasdruck, der dem Atmosphärendruck entspricht. Auf diese Weise können Investitionskosten insbesondere bei dem Brennstoffvergaser eingespart werden. In einer Weiterentwicklung wird das auf diese Weise drucklos hergestellte Synthesegas nachträglich komprimiert auf ein Druckniveau, welches auf eine dem Herstellungsverfahren nachgeschaltete Weiterverarbeitung des Synthesegases abgestimmt ist. In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Brennstoffvergaser ein Druckvergaser verwendet wird und die Biomasse unter einem gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhten Druck vergast wird (Vergasungsdruck). Dies hat den Vorteil, dass Kosten für ein nachträgliches Komprimieren des Synthesegases eingespart werden können, falls der Vergasungsdruck hinreichend hoch gewählt wird. Ob ein Vergasen der Biomasse bei Atmosphärendruck oder bei einem erhöhten Vergasungsdruck vorteilhafter ist, kann somit in Abhängigkeit vom erforderlichen Druckniveau der nachgeschalteten Synthese und ökonomischen Rahmenbedingungen (Investitionskosten vs. Betriebskosten) entschieden werden. Vorteilhafterweise bestehen bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren keine Einschränkungen in der Wahl des Gasdrucks des Brenn- oder Synthesegases durch prozesschemische Bedingungen.
  • In einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines Synthesegases aus einer Biomasse mit einem Brennstoffvergaser für ein Vergasen der Biomasse zu einem Brenngas und mit einem Gasaufbereitungssystem für ein Umwandeln des Brenngases in das Synthesegas ist vorgesehen, dass das Gasaufbereitungssystem folgende Einheiten beinhaltet:
    • – eine Hochtemperatur-Reinigungseinheit mit einem Zentrifugalabscheider,
    • – eine Hochtemperatur-Teerreformiereinheit mit einem Katalysators für eine Umsetzung von Teeranteilen,
    • – eine Hochtemperatur-Schwefelentfernungseinheit und eine Hochtemperatur-Halogenentfernungseinheit, welche jeweils Sorbentien für eine Trockensorption beinhalten.
  • Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich ebenso wie das oben beschriebene erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dazu, ohne eine Kühlung des Brenngases dieses zu einem Synthesegas aufzubereiten. Die erfindungsgemäße Anlage ist somit im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen besonders effizient, zeichnet sich durch geringe Investitions- und Betriebskosten aus und eignet sich somit für kleine, dezentrale Ausführungsformen.
  • In einer besonders kompakten Ausführungsform der Anlage ist zur Einsparung von Investitionskosten vorgesehen, dass mindestens zwei der Einheiten des Gasaufbereitungssystems in einer Apparateeinheit integriert sind. Beispielsweise können die Hochtemperatur-Schwefelentfernungseinheit und die Hochtemperatur-Halogenentfernungseinheit in einer Apparateeinheit integriert werden. Ferner ist es möglich einen Feinstaubreiniger innerhalb des Gasaufbereitungssystems, beispielsweise in Form eines Festbettfilters, in die Hochtemperatur-Teerreformiereinheit zu integrieren. Zusätzlich oder alternativ zu dem Feinstaubreiniger kann auch ein Hochtemperatur-Feinstaubabscheider (z. B. ein Festbettfilter) vorgesehen sein, der direkt nach dem Zentrifugalabscheider oder nach einer der weiteren Einheiten des Gasaufbereitungssystems angeordnet ist.
  • In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass der Brennstoffvergaser durch einen Wirbelschichtvergaser gegeben ist für ein besonders gutes Mischungsverhalten der Biomasse, eine hohe Gleichmäßigkeit in der Reaktionskinetik und im Stoff- und Wärmeübergang. Ferner erlaubt ein Wirbelschichtvergaser eine besonders einfache Zumischung von Additiven und/oder Katalysatoren zur Biomasse.
  • In einer Weiterentwicklung der Anlage umfasst diese eine Methanolsyntheseeinheit zur Synthetisierung von Methanol aus dem Synthesegas. Ferner kann eine Kondensiereinheit vorgesehen sein für ein Kondensieren des Methanols, an die vorzugsweise ein Kondensationswärmeauskoppler angeschlossen ist für ein Auskoppeln von Kondensationswärme.
  • In einer Ausführung des hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens für Synthesegas aus einer Biomasse wird das Verfahren mit einer Anlage hier vorgeschlagener Art durchgeführt.
  • Im Folgenden wird ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von 1 beschrieben. Es zeigt:
  • 1: die Herstellung von Methanol aus Rapsstroh mit einem Herstellungsverfahren hier vorgeschlagener Art in einer Anlage hier vorgeschlagener Art.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines speziellen Ausführungsbeispiels des Herstellungsverfahrens hier vorgeschlagener Art mit einem speziellen Ausführungsbeispiel einer Anlage hier vorgeschlagener Art. Die Anlage beinhaltet eine Aufbereitungseinheit 1 zur Aufbereitung, in der Rapsstroh zunächst getrocknet, von Fremdkörpern gereinigt, geschreddert, gesiebt und ggf. pelletiert wird. Ferner werden zu der Biomasse Additive und Katalysatoren hinzugefügt für eine In-Situ-Gasreinigung innerhalb eines Brennstoffvergasers 3 der Anlage und zur Beschleunigung einer Teerumsetzung in Brenngasanteile.
  • Anschließend wird das aufbereitete Rapsstroh durch eine Schleuse 2 in den Brennstoffvergaser 3 befördert, der in diesem Beispiel durch einen Wirbelschichtvergaser gegeben ist. In dem Wirbelschichtvergaser wird das Rapsstroh unter Atmosphärendruck zu einer Wirbelschicht fluidisiert und bei einer Vergasungstemperatur bei etwa 800°C zu einem Brenngas vergast. Das Brenngas wird anschließend in einen Freiraum-Bereich (Freeboard-Zone) 4 geleitet, in dem noch nicht vollständig umgesetzte Bestandteile des Brenngases möglichst vollständig umgesetzt werden.
  • Ein Gasaufbereitungssystem der Anlage umfasst eine als Zentrifugalabscheider 5 ausgestaltete Hochtemperatur-Reinigungseinheit, in der in einem ersten Schritt einer Gasaufbereitung des Brenngases Feststoffanteile wie Asche, Staub, Ruß, die zugesetzten Additive und Katalysatoren aus dem Brenngas möglichst weitgehend entfernt werden, eine Hochtemperatur-Teerreformiereinheit 6, in der in einem zweiten Schritt der Gasaufbereitung eine Hochtemperatur-Teerreformierung mittels eines Katalysators durchgeführt wird. Der Katalysator ist durch Nickel gegeben. In die Hochtemperatur-Teerreformiereinheit 6 kann als eine weitere Einheit des Gasaufbereitungssystems ein Feinstaubreiniger integriert werden, in dem eine Feinreinigung bzw. Feinstaubentfernung durchgeführt wird.
  • Das Gasaufbereitungssystem der Anlage umfasst ferner einen zusätzlichen Hochtemperatur-Feinstaubabscheider 7 in Form eines Festbettfilters, der der Hochtemperatur-Teerreformiereinheit nachgelagert ist und in dem evt. vorhandene Reste von Feinstäuben oder andere feste Substanzen aus dem Brenngas entfernt werden. Dieser Hochtemperatur-Feinstaubabscheider kann evt. entfallen, wenn in die Hochtemperatur-Teerreformiereinheit 6 ein Feinstaubreiniger integriert ist.
  • Das nun weitgehend staub- und teerfreie Brenngas wird anschließend in einem weiteren Schritt der Gasaufbereitung in eine weitere Einheit des Gasaufbereitungssystems der Anlage geleitet, in eine kombinierte Hochtemperatur-Schwefel- und -Halogenentfernungseinheit 8, in der mittels Trockensorption an einem durch Zinkoxid gegebenen Sorbens Schwefel- und Halogenanteile aus dem Brenngas entfernt werden.
  • Bei Bedarf kann dem Brenngas im Anschluss an die Entfernung der Schwefel- und Halogenanteile aus dem Brenngas und vor Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion zusätzlicher Wasserdampf zugeführt werden.
  • Das Gasaufbereitungssystem der Anlage umfasst ferner einen Hochtemperatur-Wassergas-Shift-Reaktor 9, in dem über eine Wassergas-Shift-Reaktion das für die Methanolsynthese benötigte Verhältnis zwischen Kohlenmonoxid und Wasserstoff eingestellt wird.
  • Das Brenngas hat innerhalb des Gasaufbereitungssystems eine Gastemperatur von etwa 700°C bis 800°C, bei der die beschriebene Gasaufbereitung durchgeführt wird.
  • In einer Methanolsyntheseeinheit 10 der Anlage wird aus dem Synthesegas schließlich Methanol nach einem der bekannten Verfahren synthetisiert, wobei das Synthesegas zunächst auf einen für die Methanolsynthese geeigneten Gasdruck komprimiert und zwischengepuffert wird. Der Gasdruck liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 50 bar. Das Verfahren kann aber durchaus auch bei höheren oder niedrigeren Drücken durchgeführt werden. Das erzeugte Methanol wird in einer Kondensiereinheit 11 auskondensiert und am Methanolaustrag 12 ausgegeben. Ferner wird über die Synthesegasrezirkulierungseinheit 13 nicht kondensiertes Synthesegas aus der Kondensiereinheit in die Syntheseeinheit zurückgeführt und dort wieder der Methanolsynthese zugeführt. Ferner weist die Synthesegasrezirkulierungseinheit 13 einen Synthesegasauskoppler 14 auf, über den rezirkuliertes Synthesegas ausgekoppelt werden kann, beispielsweise zur Weiterverwendung als Energieträger für Brennstoffzellen. Über einen Kondensationswärmeauskoppler 15 wird Kondensationswärme aus der Kondensiereinheit 11 ausgekoppelt. Ein erster Teil dieser wärme wird über einen Wärmeauskoppler 16 aus der Anlage ausgeführt, ein zweiter Teil dieser Kondensationswärme wird über eine Prozesswärmeeinspeisung 17 in einen Vorheizer 18 eingeleitet, in dem das Vergasungsmittel vorgeheizt wird. Dieses wird über den Vergasungsmitteleinlass 19 in den Vorheizer 18 gelassen und von dort über eine Vergasungsmittelleitung 20 in den Brennstoffvergaser 3 geführt.
  • Ferner ist ein Prozesswärmeauskoppler 21 vorgesehen, mit dem Prozesswärme aus der Methanolsyntheseeinheit 10 ausgekoppelt wird, wobei die Prozesswärme über die Prozesswärmeeinspeisung 17 dem Vorheizer 18 zugeführt wird.
  • Es wird zusätzlich eine Brenngasrezirkulation über eine Brenngasrezirkulierungseinheit 22 durchgeführt, die einen Teil des Brenngases nach dem Zentrifugalabscheider 5 in den Brennstoffvergaser 3 zurückführt (rezirkuliert). Aus dem Zentrifugalabscheider 5 werden ferner über einen Ascheabzug 23 Feststoffe wie Asche, Additive, Katalysatoren sowie Staub abgezogen. Diese Feststoffe werden außerdem auch direkt aus dem Brennstoffvergaser 3 über einen Ascheablass abgelassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Aufbereitungseinheit
    2
    Schleuse
    3
    Brennstoffvergaser
    4
    Freiraum-Bereich (Freeboard-Zone)
    5
    Zentrifugalabscheider
    6
    Hochtemperatur-Teerreformiereinheit
    7
    Hochtemperatur-Feinstaubabscheider
    8
    Hochtemperatur-Schwefel- und -Halogenentfernungseinheit
    9
    Hochtemperatur-Wassergas-Shift-Reaktor
    10
    Methanolsyntheseeinheit
    11
    Kondensiereinheit
    12
    Methanolaustrag
    13
    Synthesegasrezirkulierungseinheit
    14
    Synthesegasauskoppler
    15
    Kondensationswärmeauskoppler
    16
    Wärmeauskoppler
    17
    Prozesswärmeeinspeisung
    18
    Vorheizer
    19
    Vergasungsmitteleinlass
    20
    Vergasungsmittelleitung
    21
    Prozesswärmeauskoppler
    22
    Brenngasrezirkulierungseinheit
    23
    Ascheabzug
    24
    Ascheablass
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2009/013233 A2 [0002, 0011]

Claims (13)

  1. Herstellungsverfahren für ein Synthesegas aus einer Biomasse, bei dem die Biomasse in einem Brennstoffvergaser mit einem Vergasungsmittel zu einem Brenngas vergast wird, welches durch eine Gasaufbereitung in das Synthesegas umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitung folgende Schritte beinhaltet: – eine Hochtemperatur-Reinigung mittels eines Zentrifugalabscheiders, – eine Hochtemperatur-Teerreformierung mittels eines Katalysators, – eine Hochtemperatur-Schwefel- und -Halogenentfernung mittels Trockensorption an Sorbentien.
  2. Herstellungsverfahren aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitung bei einer Gastemperatur des Brenngases zwischen 700°C und 900°C durchgeführt wird.
  3. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während der Gasaufbereitung des Brenngases zum Synthesegas keine Wärmeauskopplung aus dem Brenngas durchgeführt wird.
  4. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitung als einen weiteren Schritt eine Hochtemperatur-Feinstaubabscheidung beinhaltet.
  5. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergasungsmittel unter Verwendung einer Prozessenergie aus einem dem Herstellungsverfahren nachgelagerten Syntheseverfahren aufgeheizt wird.
  6. Herstellungsverfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Aufheizen des Vergasungsmittels eine Primärenergie verwendet wird, die aus der Biomasse gewonnen wird.
  7. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomasse außerhalb des Brennstoffvergasers oder innerhalb des Brennstoffvergasers über ein Eintragsorgan Additive und/oder Katalysatoren zugefügt werden für eine In-Situ-Gasreinigung innerhalb des Brennstoffvergasers und/oder zur Beschleunigung einer Teerumsetzung in Brenngasanteile.
  8. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffvergaser ein Wirbelschichtvergaser eingesetzt wird, in dem die Biomasse in einer Wirbelschicht fluidisiert wird.
  9. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomasse Teile der Rapspflanze, insbesondere Rapsstroh, verwendet wird.
  10. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas durch eine angeschlossene Methanolsynthese zu Methanol weiterverarbeitet wird.
  11. Anlage zur Herstellung eines Synthesegas aus einer Biomasse mit einem Brennstoffvergaser für ein Vergasen der Biomasse zu einem Brenngas und mit einem Gasaufbereitungssystem für ein Umwandeln des Brenngases in das Synthesegas, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasaufbereitungssystem folgende Einheiten beinhaltet: – eine Hochtemperatur-Reinigungseinheit mit einem Zentrifugalabscheider, – eine Hochtemperatur-Teerreformiereinheit mit einem Katalysators für eine Umsetzung von Teeranteilen, – eine Hochtemperatur-Schwefelentfernungseinheit und eine Hochtemperatur-Halogenentfernungseinheit, welche jeweils Sorbentien für eine Trockensorption beinhalten.
  12. Anlage aus Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasaufbereitungssystem einen Hochtemperatur-Feinstaubabscheider beinhaltet.
  13. Anlage nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Methanolsyntheseeinheit zur Synthetisierung von Methanol aus dem Synthesegas umfasst.
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