DE102010045917A1 - Vorrichtung und Verfahren zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen mit anschließender Vergasung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen mit anschließender Vergasung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren unter dem Einsatz einer Vorrichtung zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen, wobei die thermischen, unbehandelten Biomassen in mindestens einer Zerkleinerungsvorrichtung (35) gleichzeitig getrocknet und zerkleinert werden. Parallel werden die festen Brennstoffe in einer Mahl- oder Zerkleinerungsvorrichtung (2, 35) gleichzeitig getrocknet und auch gemahlen. Die zerkleinerten Biomassen werden mit den gemahlenen festen Brennstoffen in einer Mischvorrichtung vermischt. Anschließend wird das Gemisch mit einem Druck von mindestens 1 bar über dem normalen Vergaserdruck über einen der Schleusbehälter (19a, 19b) in einen Vorlagebehälter (37) gebracht und von dort aus pneumatisch in den Flugstromvergaser gefördert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen, zur Herstellung eines Gemisches, das anschließend als Schüttgut in einen Vergaser gefördert wird.
  • Zu den Energierohstoffen zählen primäre fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas, Kohle und behandelte sekundäre Brennstoffe wie Petrolkokse, Teer und andere Industrierückstände, sowie die regenerativen Energielieferanten wie Biomasse. Bei der Biomasse handelt es sich vorwiegend um nachwachsende Rohstoffe pflanzlicher Herkunft, die mit Nahrungsmitteln nicht in Konkurrenz stehen. Zum Beispiel ist das Zuckerrohr ein wichtiger Lieferant von Biomasse, der daraus gewonnene Zucker dient als Nahrungsmittel, die entsafteten Zuckerrohre samt der Zuckerrohrreste werden nicht wie bisher einfach verbrannt oder anderweitig entsorgt, sie können weiter energetisch oder zur Herstellung des Synthesegases genutzt werden. Die vollständige Verwertung der zur Verfügung stehenden Energierohstoffe wird angestrebt.
  • Mit dem Schrumpfen der primären fossilen Rohstoffvorräte hat die Verwertung der sekundären Brennstoffe neue wirtschaftliche Bedeutung gewonnen. Ebenso wird der Ausbau der Nutzung von regenerativen Energierohstoffen weltweit angestrebt. Dabei kann auf eine energetische oder stoffliche Nutzung abgezielt werden. Im Rahmen der energetischen Verwertung der oben genannten Einsatzstoffe bietet sich beispielsweise die Mitverbrennung in bestehenden Feuerungsanlagen oder die Monoverbrennung in eigens dafür vorgesehenen und ausgelegten Anlagen an. Die stoffliche Nutzung dagegen wird durch die thermische Vergasung ermöglicht. Das so erzeugte Synthesegas stellt den Einsatzstoff für nachgeschaltete chemische Synthesen dar, wie beispielsweise für Fischer-Tropsch-, Methanol- oder Ammoniaksynthesen.
  • Für eine effektive Nutzung mit thermischer Vergasung ist die Flugstromvergasung besonders vorteilhaft, wobei Anlagen zur Flugstromvergasung üblicherweise sehr große Leistungen aufweisen und auch mit Kohlen betrieben werden können. Ebenfalls geeignet ist der Einsatz von Problemstoffen in Flugstromverbrennungsanlagen bzw. Kesselanlagen, Problemstoffe in diesem Sinne sind zum Beispiel die faser- und holzartigen Bestandteile in Biomasse oder auch in jüngeren Kohlen.
  • Um feste Brennstoffe wie die primären fossilen oder die behandelten sekundären Brennstoffe im Flugstromvergaser einsetzen zu können, müssen sie auf eine geeignete Partikelgröße zerkleinert werden, außerdem ist eine Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts vorteilhaft. Darum werden die festen Brennstoffe in einer geeigneten Mühle getrocknet und gemahlen, hierzu sind die Vertikalmühlen zum Mahlen von spröden Materialien, wie beispielsweise Kohlen, besonders geeignet. Die Vertikalmühlen werden meistens in Verbindung mit internen Sichtern betrieben. Hauptbestandteil solcher Mühlen ist ein rotierender Mahlteller, auf den die Mahlwerkzeuge mit Eigengewicht und oft zusätzlicher Kraft aus Hydraulikzylindern angepresst werden. Diese Mahlwerkzeuge können kugelige, zylindrische, oder kegelige Walzen sein.
  • Bei Energierohstoffen wie Biomassen, darunter biogenen Reststoffen und Abfällen sind Mahlungen aufgrund der zähen und faserigen Struktur ohne Vorbehandlungen in einer der obengenannten Mühlen in der Regel nicht möglich. Neuere Entwicklungen sehen eine thermische Vorbehandlung der Biomasse durch eine milde Pyrolyse vor, mit dem Ziel, die Zellstrukturen derart zu schwächen, dass der mechanische Aufwand für eine nachfolgende Zerkleinerung. stark reduziert wird und eine Mahlung in den oben erwähnten Mühlen möglich wird. Unter dieser Form der Pyrolyse, auch Torrefizierung genannt, wird eine milde thermische Behandlung der Biomasse unter Sauerstoffabschluss bei einer Temperatur von 220°C bis 350°C verstanden. Eine Übersicht dazu gibt Kaltschmitt et al. in „Energie aus Biomasse", ISBN 978-3-540-85094-6, 2009, Seiten 703–709. Bei idealen Reaktionsbedingungen wird die eingesetzte Biomasse um ca. 20% bis 30% reduziert, bei einer gleichzeitigen Abnahme des Energiegehaltes um etwa 10%.
  • Die Offenlegung DE 102007050985 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse in einem Flugstromreaktor, in dem die Biomasse zuerst gedörrt bzw. torrefiziert und dann gemahlen wird, anschließend mit einer Flüssigkeit gemischt und als Suspension dem Vergasungsreaktor zugeführt wird.
  • Die DE 102007034524 A1 richtet sich auf ein Verfahren zur Flugstromvergasung von Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, die Kohlen werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften in getrennten Trocknung- und Mahlanlagen auf die entsprechenden Wassergehalte und Körnungsspektren gebracht, anschließend werden sie gemischt und über ein gemeinsames Dosiersystem dem Vergaser zugeführt.
  • Ein Verfahren zur gemeinsamen Vergasung von Kohlenhaltigen Stoff und Biomasse offenbart die Schrift US 2010/0083575 A1 . Hierzu wird die Biomasse zuerst unter Pyrolysebedingungen torrefiziert, dann mit den festen Brennstoffen wie Kohle und Koks zu einem Schlamm vermischt und das Gemisch dem Vergaser zum Vergasen zugeleitet.
  • Bei der US 2008/0022595 A1 wird die Biomasse getrocknet, torrefiziert, gemahlen und in Form einer Suspension in einen Flugstromvergaser zur Vergasung eingespeist.
  • Ebenso ist in DE 10151054 A1 auch ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse vorgeschlagen, wobei die Biomasse einer Schnellpyrolyse unterworfen wird und die dabei entstandenen Produkte Bioöl und Pyrolysekoks zu einem Ölschaum aufgeschlämmt und in einem Flugstromvergaser thermisch zu Synthesegas umgesetzt werden.
  • In der WO 2010015316 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas aus Biomasse vorgestellt worden, wobei es sich hauptsächlich um eine Teerreduzierung während des Vergasungsprozesses handelt.
  • Wegen der zähen und faserigen Struktur der naturbelassenen Biomasse verheddert sich diese bei der Zugabe in einer Vertikalmühle. Daher müsste die Biomasse in einer Zerkleinerungsanlage wie einer Schneid- oder Prallmühle so zerkleinert werden, dass die zerkleinerte Biomasse als Schüttgut eines Flugstromvergasers taugt. Schneid- oder Prallmühlen sind geeignet zur Zerkleinerung von mittelharten bis weichen und elastischen Materialien, wobei die Schneidmühle mittels Rotor- und Statormessern durch die Scherwirkung das Gut zerkleinert, und in der Prallmühle das Gut gegen eine Panzerung geschleudert wird und dabei zerbricht.
  • Experimentelle Versuche haben gezeigt, dass das so erzeugte Schüttgut eine hohe Porosität und Fluidisierungsgeschwindigkeit aufweist, wodurch der Gasbedarf für die Schleusung und den pneumatischen Transport in den Vergaser sehr hoch ist. Die in den Vergaser eingeleiteten großen Mengen Transportgase, vorwiegend Stickstoff oder Kohlendioxid, werden im Reaktor mit erhitzt, wobei ein Teil des in den Vergaser eingetragenen Kohlendioxids mit dem Kohlenstoff reagiert und das erwünschte Kohlenmonoxid bildet. Bei größeren Kohlendioxid-Mengen bleibt jedoch das meiste Kohlendioxid unverändert, dadurch wird das erzeugte Synthesegas verdünnt.
  • In einem mit Flugstromverfahren betriebenen Reaktor mit gekühlten Wänden wird eine isolierende Schlackeschicht bei der Vergasung von festen Brennstoffen bei Temperaturen von 1200°C bis 2000°C an den Wänden aufgebaut. Die Schichtstärke der Schlacke und ihre isolierende Wirkung sind von der Menge der Schlacke abhängig. Biomassen weisen zumeist einen geringen Aschegehalt, häufig weniger als 2% bei der Vergasung auf, dies führt zu einer sehr dünnen Schlackeschicht an den Wänden oder sogar zu nicht vollständig mit Schlacke benetzten Wänden, wodurch die Wärmestromdichte hoch ist und die Wände durch die aggressiven Gase, beispielsweise HCl und H2S, beschädigt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine vereinfachte und effiziente Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die oben aufgeführten Mängel zu beseitigen und ein wirtschaftliches Verfahren zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen durchzuführen, ferner die Schüttgüter so zusammenzumischen, dass sie zur Vergasung in einem Flugstromreaktor optimal eingesetzt werden.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe mittels einer Vorrichtung für die Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen und das Herstellen eines Gemisches, wobei das Gemisch anschließend als Schüttgut in den Vergaser gefördert wird, aufweisend
    • • mindestens eine Zerkleinerungsvorrichtung für die Zerkleinerung von Biomassen,
    • • mindestens eine Mahlvorrichtung für das Mahlen der festen Brennstoffe,
    • • mindestens eine Mischvorrichtung zur Mischung der zerkleinerten Biomassen und der gemahlenen festen Brennstoffe,
    • • mindestens eine Abscheidevorrichtung zum Trennen von Gas und Feststoff,
    • • mindestens einen Schleusbehälter mit Druckgasbeaufschlagung zur pneumatischen Förderung von pulverförmigen, körnigen Gütern,
    • • mindestens einen Behälter zur Versorgung eines Flugstromvergasers mit pulverförmigem Brenstoffgemisch,
    • • mindestens einen Rückführgaskreislauf, gezeichnet durch eine Kreislaufschaltung, umfassend zusätzlich eine Druckerhöhungsvorrichtung und einen Aufheizbrenner,
    • • sowie Vorrichtungen zum Fördern von Gas und Feststoff zwischen den Apparaten, wobei
    • • mindestens ein Staubabscheider (5) nach der Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2) vorgesehen ist, wobei der Eingang des Staubabscheiders (5) über eine Feststoff-/Gasstrom-Leitung mit der Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2), und der Feststoff-Ausgang des Staubabscheiders (5) mit dem Eingang eines Vorratsbehälters (17) verbunden sind,
    • • mindestens ein Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zur Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2) vorgesehen ist, wobei der Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) mit dem Gas-Ausgang des Staubabscheiders (5) und der Gaszufuhr-Leitung der Zerkleinerungs-(35), Mahlvorrichtung (2) verbunden ist,
    • • mindestens ein Schleusbehälter (19a, 19b) mit Druckgasventilen vorgesehen ist, wobei der Eingang des Schleusbehälters (19a, 19b) mit dem Ausgang des Vorratsbehälters (17) und der Ausgang des Schleusbehälters (19a, 19b) über eine Nachförderleitung (36) mit dem Eingang eines Vorlagebehälters (37) verbunden sind, und
    • • mindestens eine Mischvorrichtung vor dem Schleusbehälter (19a, 19b) vorgesehen ist.
  • Die Vorrichtung für die parallele Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen ist ausgestaltet mit mindestens einem Staubabscheider (5) und einem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zur Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2). Sowohl die Zerkleinerungs-(35) als auch die Mahlvorrichtung (2) verfügen jeweils über einen eigenen Staubabscheider und einen Rückführgaskreislauf. Je nach dem Bedarf kann auch ein gemeinsam genutzter Staubabscheider (5) vorteilhaft sein. Natürlich dürfte hierbei eine Mischvorrichtung zum Vermischen der gemahlenen festen Brennstoffen und zerkleinerten Biomasse nicht fehlen, ebenso sind ein Schleusbehälter und ein Vorlagebehälter mit Druckgasventilen vorgesehen.
  • In Ausgestaltungen der Vorrichtung ist vorgesehen, dass eine Schneid- oder Prallmühle als Zerkleinerungsvorrichtung (35) vorgesehen ist Und der Vorratsbehälter (17) als Mischvorrichtung ausgeführt ist. Nach einem gemeinsam genutzten Staubabscheider (5) ist es vorteilhaft, den Vorratsbehälter (17) auch als eine Mischvorrichtung zu verwenden.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe ebenfalls mittels eines Verfahrens zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen und zum Herstellen eines Gemisches, wobei das Gemisch anschließend als Schüttgut in den Vergaser gefördert wird, unter Einsatz der beanspruchten Vorrichtung, wobei
    • • die thermischen, unbehandelten Biomassen in mindestens einer Zerkleinerungsvorrichtung (35) gleichzeitig getrocknet und zerkleinert werden,
    • • die festen Brennstoffe in einer Mahl- oder Zerkleinerungsvorrichtung (2, 35) gleichzeitig getrocknet und gemahlen werden, und
    • • die zerkleinerten Biomassen mit den gemahlenen, feinkörnigen, und aschehaltigen, festen Brennstoffen in einer Mischvorrichtung vermischt werden.
  • Die Biomasse kann roh, getrocknet oder auch in anderen thermischen vorbehandelten Form wie torrefiziert oder pyrolysiert vorliegen. Die torrefizierte oder pyrolysierte Biomasse sind spröde, können in einer Mahlvorrichtung für feste Brennstoffe zermahlen werden.
  • Ohne jegliche Vorbehandlung werden die Biomassen in einer Zerkleinerungsvorrichtung durch die Zufuhr von Trocknungsgas (3, 34) gleichzeitig getrocknet und zerkleinert, parallel werden die festen Brennstoffe in einer Mahlvorrichtung (2) auch gleichzeitig getrocknet und zermahlen, wobei die Mahlung der festen Brennstoffe eventuell auch in einer gemeinsamen Zerkleinerungsvorrichtung (35) durchgeführt werden kann. Die zerkleinerten staubförmigen Biomassen werden mit den gemahlenen feinkörnigen, und aschehaltigen, festen Brennstoffen in einer dafür vorgesehenen Mischvorrichtung vermischt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Biomasse Mineralien oder Asche in der Mahl- oder Zerkleinerungsvorrichtung (2, 35) beigemischt, so dass das Basen-Säuren-Verhältnis der im Vergaser gebildeten Schlacke im Bereich von 0,3 bis zu 1,5 liegt.
  • Die Zugabe der Mineralien oder Asche in einen Flugstromvergaser beeinflusst die Zähigkeit der geschmolzenen Schlacke. Bei hohem Anteil von sauren Komponenten wie SiO2, Al2O3 und TiO2 im aschehaltigen Brennstoff ist ein Zumischen von Kalkstein oder Dolomit von Vorteil, damit das Basen-Säuren-Verhältnis angehoben wird. Gleichfalls ist bei hohem Gehalt der basischen. Bestandteile wie CaC, MagO, Fe2O3, Na2O und K2O im aschehaltigen Brennstoff wiederum ein Hinzufügen von Al2O3- und SiO2-haltigen Mineralien vorteilhaft. Das Basen-Säuren-Verhältnis der im Vergaser gebildeten Schlacke soll idealerweise im Bereich von 0,3 bis zu 1,5 liegen.
  • Um die nötige Schlackemenge im Flugstromvergaser zu bilden, ist ein ausreichender Anteil der Asche notwendig. Darum wird den festen Brennstoffen und Biomassen soviel Asche oder aus der Vergasung zurückgeführte Schlacke, Filterkuchen oder Flugasche beigemischt, dass der Anteil der Asche des in den Vergaser geförderten Gemisches mindestens 6% beträgt. So wird die Innenwand des Vergasers ausreichend mit Schlacke benetzt.
  • Deutliche Verbesserung der Förder- und Vergasungsbedingungen wird durch Beimischung der Mineralien oder Asche oder der aus der Vergasung zurückgeführten Schlacke, Filterkuchen oder Flugasche erreicht, wenn der Anteil der Biomasse des in den Vergaser geförderten Gemisch zwischen 20% und 80% variiert.
  • Das Gemisch des Schüttguts eines Flugstromvergasers ist entscheidend für die Leistung des Flugstromvergasers. Falsches Basen-Säuren-Verhältnis oder zu wenig Asche im Gemisch können zur Beschädigung des Vergasers führen. Darum ist das optimale Verhältnis aller Bestandteile im Gemisch sehr wichtig. Die Kohlen haben sich bereits im Stand der Technik als bewährtes Schüttgut bewiesen. Um die richtige Verwertung der behandelten sekundären Brennstoffe wie Koks, Teer und andere Industrierückstände wurde sich in der Vergangenheit ebenso bemüht. In der Gegenwart wird die Nutzung der regenerativen Energierohstoffe verstärkt erprobt. Die vollständige Verwertung sowie die optimale Kombination der Energierohstoffe des in den Vergaser geförderten Gemisches, gehören ebenfalls zur Umsetzung der Erfindung.
  • Flugasche aus einem Flugstromvergaser oder einem herkömmlichen Kessel kann nach einem Trennverfahren abgeschieden und direkt in einen Staubabscheider eingespeist werden. Der Filterkuchen aus einer Vergasung oder Verbrennung besteht typischerweise aus ca. 60% Asche, 10% Kohlenstoff und 30% Wasser, somit kann er entweder direkt in eine Zerkleinerungsvorrichtung oder in eine Mahlvorrichtung eingeleitet werden. Mineralien, die die Zähigkeit der Schlacke beeinflussen, werden ebenso entsprechend benötigt.
  • Die unbehandelte Biomasse kann somit vorteilhaft mit einem festen fossilen Brennstoff oder einem behandelten sekundären Brennstoff in einem Verhältnis von ca. 1:1 zu einem Gemisch für die Vergasung gemischt werden. Das Kohlendioxid aus dem Transportgas und die Feuchtigkeit der Biomasse nehmen an den Vergasungsreaktionen teil, dies führt zu einer Erhöhung der Synthesegasmenge, ohne das erzeugte Synthesegas übermäßig mit Kohlendioxid zu verdünnen.
  • Die Verfügbarkeit der Energiestoffe ist in der Praxis unterschiedlich. Je nach den anfallenden Einsatzstoffen kann das Biomasse-Brennstoff-Verhältnis im Gemisch für die Vergasung variiert werden. Unter der Berücksichtigung des Basen-Säuren-Verhältnisse der Biomasse und der festen Brennstoffen und der Schlackebildung kann der Anteil der Biomasse im Gemisch für die Vergasung zwischen 20% und 80% variieren.
  • Die zerkleinerten Biomassen und die gemahlenen, feinkörnigen, aschehaltigen, festen Brennstoffe werden jeweils über einen Feststoff-/Gas-Strom dem Staubabscheider (5) zum Trennen von Feststoff und Gas zugeführt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein Teil der entstaubten Gase (6) aus dem Staubabscheider (5) dem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zugeführt. Die zerkleinerten, staubförmigen Biomassen und die feinkörnigen, aschehaltigen Brennstoffe passieren jeweils einen vorgesehenen Staubabscheider, wobei zumindest ein Teil der entstaubten Gase aus dem Staubabscheider dem Rückführgaskreislauf zugeführt werden und der feine Feststoff mit Hilfe der übriggebliebenen Gase in eine Mischvorrichtung eingetragen wird.
  • Das dem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zugeführte Rückführgas wird erneut aufgeheizt, unter Druck gesetzt und anschließend als Trocknungsgas (3, 34) der Zerkleinerungs- oder Mahlvorrichtung zugeführt. Das aus dem Staubabscheider kommende entstaubte Gas wird dem Rückführgaskreislauf zugeführt, durchläuft eine Druckerhöhungsvorrichtung und einen Wärmetauscher, anschließend noch einen Brenner (33, 32), um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Hierbei hängt die Temperatur von dem Feuchtigkeitsgehalt des eingesetzten Rohstoffs ab. Je höher der Feuchtigkeitsgehalt des Einsatzstoffs ist, desto höher ist die Temperatur des Trocknungsgases, die verlangt wird.
  • Die Rohstoffe werden zermahlen, entstaubt und vermischt. Nach dem Mischen wird das Gemisch der aschehaltigen pulverförmigen Stoffe von einem Vorratsbehälter (17) zyklisch in einen Schleusbehälter (19a, 19b) transportiert. Durch die Druckgasventile wird dem Schleusbehälter (19a, 19b) Druckgas, nämlich Stickstoff oder Kohlendioxid, zugeführt, um das Gemisch in den Vorlagebehälter (37) der Vergasung zu fördern. Dabei wird mindestens ein Teil des Entspannungsgases (27), das durch Entspannen aus dem Schleusbehälter (19a, 19b) entsteht, dem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zugeführt.
  • Zu dieser Erfindung gehört auch die Verwendung des nach dem Verfahren erhaltenen Gemisches in einem Flugstromvergaser bei Temperaturen zwischen 1200°C und 2000°C und Drücken bis zu 10 MPa mit einem Vergasungs- oder Oxidationsmittel, wobei das Gemisch mit einem Druck von mindestens 1 bar über dem normalen Vergaserdruck von einem der Schleusbehälter (19a, 19b) über eine Nachförderleitung (36) in einen Vorlagebehälter (37) gebracht und von dort pneumatisch in den Vergaser gefördert wird.
  • Das zu vergasende Gemisch wird mit einem Druck von mindestens 1 bar über dem normalen Vergaserdruck von einem der Schleusbehälter (19a, 19b) über eine Nachförderleitung (36) in einen Vorlagebehälter (37) gebracht und von dort aus pneumatisch in den Vergaser gefördert. Im Flugstromvergaser wird das Gemisch mit einem Vergasungs- oder Oxidationsmittel bei Temperaturen zwischen 1200°C und 2000°C und Drücken bis zu 10 MPa thermisch umgewandelt, als Vergasungs- oder Oxidationsmittel kann üblicherweise Luft, Sauerstoff und Wasserdampf oder sogar Kohlendioxid eingesetzt werden. Das dabei gewonnene Synthesegas steht für weitere Synthesen zur Verfügung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels in 1 näher erläutert. 1 zeigt die Vorrichtung zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen.
  • Der Brennstoff (14), also die Biomasse, wird einer Zerkleinerungsvorrichtung (35), in diesem Ausführungsbeispiel einer Schneid- oder Prallmühle, zugeführt und dort gleichzeitig getrocknet und zerkleinert. Die Trocknung erfolgt durch die Zufuhr von Trocknungsgas (34). Parallel erfolgt die Trocknung und gleichzeitige Mahlung des aschehaltigen Brennstoffs (1), wie zum Beispiel Braun- oder Steinkohle, unter Zugabe des Trocknungsgases (3). Der staubförmige, aschehaltige feste Brennstoff wird aus der Mahlvorrichtung (2) durch einen Gasstrom (4) ausgetragen und gelangt in einen Staubabscheider (5). Die staubförmige Biomasse wird ebenfalls mit einem Gasstrom (15) aus der Zerkleinerungsvorrichtung (35) ausgetragen und gelangt in den gemeinsam genutzten Staubabscheider (5). Dort werden die Partikel gemeinsam abgeschieden und gelangen als Mischung in den Vorratsbehälter (17). Das im Staubabscheider (5) entstaubte Gas (6) wird teilweise dem Rückführgaskreislauf (8) zugeführt. In diesem Rückführgaskreislauf wird der Druck des Gases erhöht (9) und das Gas erneut aufgeheizt (10), dann aufgeteilt, so dass ein Teilstrom des Rückführgases (13) zur Zerkleinerungsvorrichtung (35) und ein anderer Teilstrom des Rückführgases (12) zur Mahlvorrichtung (2) geleitet wird. Vorteilhaftweise wird das Rückführgas vorher jeweils noch mit dem Teilstrom des Entspannungsgases (29, 31), welches aus dem Schleusbehälter (19a, 19b) zum Druckausgleich ausgetragen wird, gemischt, bevor es in einem Brenner (32, 33) aufgeheizt wird. Das aufgeheizte Gas wird als Trocknungsgas (34, 3) bezeichnet. Das Trocknungsgas (34, 3) kann durch den Brenner (32, 33) vor der Zufuhr in die Mahlvorrichtung (2) und Zerkleinerungsvorrichtung (35) auf eine individuell erforderliche Temperatur gebracht werden, die sich nach dem jeweils zu mahlenden bzw. zu zerkleinernden Brennstoff (1, 14) und dessen Feuchtigkeitsgehalt richtet.
  • Vom Vorratsbehälter (17) aus werden zyklisch die Schleusbehälter (19a, 19b) unter atmosphärischen Bedingungen befüllt. Die Schleusbehälter (19a, 19b) werden dann mit einem Gas – Stickstoff oder Kohlendioxid – (20a, 20b, und 21a, 21b) unter Druck gesetzt und dann unter Zugabe von weiterem Fördergas, Stickstoff oder Kohlendioxid (23a, 23b), und Auflockerungsgas, Stickstoff oder Kohlendioxid (21a, 21b), über eine Brennstoffleitung (22a, 22b) per Dichtstromförderung über das Vereinigungselement (25) und die Nachförderleitung (36) in den permanent unter Betriebsdruck stehenden Vorlagebehälter (37) transportiert. Die in der 1 dargestellten zwei Schleusbehälter (19a, 19b) können abwechselnd betrieben werden. Abhängig von der gewünschten Vergaserleistung und den Brennstoffeigenschaften können natürlich auch weitere Schleusbehälter angeschlossen werden. Zwischen dem Vorlagebehälter (37) und Schleusbehälter (19a, 19b) ist eine Ausgleichsleitung (26) mit einer Druckregelvorrichtung vorgesehen, um die Drücke in den Behältern zu steuern, dabei fällt ein Entspannungsgas (27) an, das in de Entspannungsgaspuffer (30) eingespeist wird, und von dort aus wird ein Teilstrom des Entspannungsgases (29, 31) dem Rückführgaskreislauf zugeführt, ein anderer Teilstrom des Entspannungsgases (28) wird dem Staubabscheider (5) zugeleitet.
  • Der Vorlagebehälter (37) steht kontinuierlich unter dem Betriebsdruck, also auf einem Druckniveau oberhalb des Vergasers (39). Die Brenner (40) des Vergasers (39) werden mit Brennstoff aus dem Vorlagebehälter (37) kontinuierlich über zwei separate Leitungen (38a, 38b) versorgt. Ebenso hängt die Anzahl der Brenner von der Leistung des Vergasers ab.
  • Das zu vergasende Gemisch wird zusammen mit einem Vergasungs- oder Oxidationsmittel im Vergaser (39) bei einer Temperatur von 1200°C bis 2000°C und Drücken bis zu 10 MPa thermisch umgesetzt. Das so erzeugte Rohgas (41) wird mit Quenchwasser gekühlt und verlässt den Vergaser (39), wird gereinigt und ist dann bereit für eine nachfolgende Nutzung. Die abgekühlte Schlacke (42) verfestigt sich und wird als festes granulares Material (50) aus dem Vergaser (39) abgezogen. Das zum Quenchen eingesetzte Wasser ist mit Feststoff beladen und wird als sogenanntes Schlackewasser (43) abgezogen und einer Wasseraufbereitung (44) unterzogen. Dabei wird ein Teil des Wassers als Abwasser (51) dem Prozess entzogen, wobei gleichzeitig ein entsprechender Frischwasseranteil zugeführt wird (in 1 nicht dargestellt). Der größte Teil des aufbereiteten Wassers wird als Quenchwasser-Kreislaufstrom (49) wieder dem Vergaser zum Quenchen des Gases und der Schlacke zugeführt. Die während der Schlackewasseraufbereitung entfernten Feststoffanteile fallen als sogenannter Filterkuchen (45) an. Ein Teil des Filterkuchens (46) kann als Feststoffrückführung wieder mit in die Zerkleinerungs- oder Mahlvorrichtung (2, 35) gegeben werden, der Rest wird aus dem Prozess abgeführt. Ebenso kann die aus dem Vergasungsprozess anfallende Schlacke (50) mindestens teilweise in die Zerkleinerungs- oder Mahlvorrichtung (2, 35) wieder verwendet werden, auch hierbei wird der Rest der Schlacke (51) aus dem Prozess genommen.
  • Nicht in 1 dargestellt ist, dass sowohl die Zerkleinerungsvorrichtung (35) als auch die Mahlvorrichtung (2) jeweils über einen eigenen Staubabscheider (5) verfügen können. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn das Mengenverhältnis von dem festen Brennstoff und der Biomasse nicht 1:1 ist. Aus regelungstechnischen Gründen soll die Zerkleinerungs- oder die Mahlvorrichtung einen separaten Rückführgaskreislauf besitzen. Somit erfolgt die Mischung der gemahlenen Brennstoffe und der zerkleinerten Biomassen entweder im Vorratsbehälter (17) durch eine möglichst gleich verteilte Zufuhr oder mechanisch bewegte Einbauten wie z. B. Rührer oder die unterschiedlichen Stoffströme werden erst mindestens einem Mischer zugeführt, bevor die Mischung in den Vorratsbehälter (17) übergeben wird. Alle bekannten kontinuierlich oder diskontinuierlich betriebenen Feststoffmischer sind geeignet.
  • Ebenfalls nicht in 1 dargestellt ist, dass es mehr als eine Vorrichtung der Zerkleinerungs- oder Mahlvorrichtung (35, 2) zur Versorgung eines Vergasers geben kann. Dies hängt von der Leistung aller beteiligten Vorrichtungen ab. Natürlich kann auch eine bestehende Anlage der Flugstromvergasung für Kohle entsprechend der Erfindung aufgerüstet werden.
  • Die Vorbehandlung der Biomasse durch Pyrolyse oder Torrefizierung führt zu hohen Anlagekosten und großen Anlageausmaßen. Vorteile der vorliegenden Erfindung sind das Entfallen der Vorbehandlungsstufen für Biomasse, die simultane Aufbereitung der festen Brennstoffe und Biomassen, das optimierte Mischverhältnis der Bestandteile des Vergasungsgemisches und der vereinfachte apparative Aufwand.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 14
    Brennstoff
    2
    Mahlvorrichtung
    3, 34
    Trocknungsgas
    4, 15
    Feststoff-/Gas-Strom
    5
    Staubabscheider
    6
    Entstaubtes Gas
    7
    Abgas
    8
    Rückführgas
    9
    Druckerhöhungsvorrichtung
    10
    Wärmetauscher
    11
    Kreislaufgas
    12, 13
    Teilstrom des Kreislaufgases
    16, 18
    Feinkörniger Feststoff
    17
    Vorratsbehälter
    19a, 19b
    Schleusbehälter
    20a, 20b
    Einleitungsvorrichtung für Gas
    21a, 21b
    Einleitungsvorrichtung für Gas
    22a, 22b
    Brennstoffleitung
    23a, 23b
    Einleitungsvorrichtung für Gas
    24
    Einleitungsvorrichtung für Gas
    25
    Vereinigungselement
    26
    Ausgleichsleitung
    27
    Entspannungsgas
    28, 29, 31
    Teilstrom Entspannungsgas
    30
    Entspannungsgaspuffer
    32, 33
    Brenner
    35
    Zerkleinerungsvorrichtung
    36
    Nachförderleitung
    37
    Vorlagebehälter
    38a, 38b
    Brennstoffleitungen
    39
    Vergaser
    40
    Brenner für den Vergaser
    41
    Rohgas
    42
    Feste Schlacke
    43
    Schlackewasser
    44
    Wasseraufbereitung
    45
    Filterkuchen
    46
    Filterkuchen zum Recycle
    47
    Filterkuchen zum Entsorgen
    48
    Abwasser
    49
    Quenchwasser zum Recycle
    50
    Schlacke zum Recycle
    51
    Schlacke zum Entsorgen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (12)

  1. Vorrichtung für die simultane Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen und das Herstellen eines Gemisches, wobei das Gemisch anschließend als Schüttgut in den Vergaser gefördert wird, aufweisend • mindestens eine Zerkleinerungsvorrichtung für die Zerkleinerung von Biomassen, • mindestens eine Mahlvorrichtung für das Mahlen der festen Brennstoffe, • mindestens eine Mischvorrichtung zur Mischung der zerkleinerten Biomassen und der gemahlenen festen Brennstoffe, • mindestens eine Abscheidevorrichtung zum Trennen von Gas und Feststoff, • mindestens einen Schleusbehälter mit Druckgasbeaufschlagung zur pneumatischen Förderung von pulverförmigen, körnigen Gütern, • mindestens einen Behälter zur Versorgung eines Flugstromvergasers mit pulverförmigem Brenstoffgemisch, • mindestens einen Rückführgaskreislauf, gezeichnet durch eine Kreislaufschaltung umfassend zusätzlich eine Druckerhöhungsvorrichtung und einen Aufheizbrenner, • sowie Vorrichtungen zum Fördern von Gas und Feststoff zwischen den Apparaten, dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein Staubabscheider (5) nach der Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2) vorgesehen ist, wobei der Eingang des Staubabscheiders (5) über eine Feststoff-/Gas-Strom-Leitung mit der Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2), und der Feststoff-Ausgang des Staubabscheiders (5) mit dem Eingang eines Vorratsbehälters (17) verbunden sind, • mindestens ein Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zur Zerkleinerungs-(35) und Mahlvorrichtung (2) vorgesehen ist, wobei der Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) mit dem Gas-Ausgang des Staubabscheiders (5) und der Gaszufuhr-Leitung der Zerkleinerungs-(35), Mahlvorrichtung (2) verbunden ist, • mindestens ein Schleusbehälter (19a, 19b) mit Druckgasventilen vorgesehen ist, wobei der Eingang des Schleusbehälters (19a, 19b) mit dem Ausgang des Vorratsbehälters (17), und der Ausgang des Schleusbehälters (19a, 19b) über eine Nachförderleitung (36) mit dem Eingang eines Vorlagebehälters (37) verbunden ist, und • mindestens eine Mischvorrichtung vor dem Schleusbehälter (19a, 19b) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneid- oder Prallmühle als Zerkleinerungsvorrichtung (35) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (17) als Mischvorrichtung ausgeführt ist.
  4. Verfahren zur simultanen Aufbereitung von festen Brennstoffen und Biomassen und zum Herstellen eines Gemisches, wobei das Gemisch anschließend als Schüttgut in den Vergaser gefördert wird, unter Einsatz der Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • die thermischen, unbehandelten Biomassen in mindestens einer Zerkleinerungsvorrichtung (35) gleichzeitig getrocknet und zerkleinert werden, • die festen Brennstoffe in einer Mahl- oder Zerkleinerungsvorrichtung (2, 35) gleichzeitig getrocknet und gemahlen werden, und • die zerkleinerten Biomassen mit den gemahlenen, feinkörnigen, und aschehaltigen, festen Brennstoffen in einer Mischvorrichtung vermischt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomasse Mineralien oder Asche in der Mahl- oder Zerkleinerungsvorrichtung (2, 35) beigemischt werden, so dass das Basen-Säuren-Verhältnis der im Vergaser gebildeten Schlacke im Bereich von 0,3 bis zu 1,5 liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den festen Brennstoffen und Biomassen soviel Asche oder aus der Vergasung zurückgeführten Schlacke, Filterkuchen oder Flugasche beigemischt wird, dass der Anteil der Asche des in den Vergaser geförderten Gemisches mindestens 6% beträgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Biomasse des in den Vergaser geförderten Gemisches zwischen 20% und 80% variiert.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zerkleinerten Biomassen und die gemahlenen, feinkörnigen, aschehaltigen, festen Brennstoffe jeweils über einen Feststoff-/Gas-Strom dem Staubabscheider (5) zum Trennen von Feststoff und Gas zugeführt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der entstaubten Gase (6) aus dem Staubabscheider (5) dem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zugeführt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zugeführte Rückführgas erneut aufgeheizt und unter Druck gesetzt und anschließend als Trocknungsgas (3, 34) der Zerkleinerungs- oder Mahlvorrichtung zugeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Entspannungsgases (27) aus dem Schleusbehälter (19a, 19b) dem Rückführgaskreislauf (8, 11, 12, 13) zugeführt wird.
  12. Verwendung des nach einem der Ansprüche 4 bis 11 erhaltenen Gemisches in einem Flugstromvergaser bei Temperaturen zwischen 1200°C und 2000°C und Drücken bis zu 10 MPa mit einem Vergasungs- oder Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch mit einem Druck von mindestens 1 bar über dem normalen Vergaserdruck von einem der Schleusbehälter (19a, 19b) über eine Nachförderleitung (36) in einen Vorlagebehälter (37) gebracht und von dort pneumatisch in den Vergaser gefördert wird.
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