DE102011075438A1 - Process and apparatus for producing synthesis gas from carbon dioxide-containing educts by gasification - Google Patents
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Abstract
Zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Edukten durch Vergasung in einem Wirbelschichtreaktor (2) wird zunächst ein erster, tief gelegener Wirbelschicht-Bereich (7) des Wirbelschichtreaktors (2) auf eine erste Vergasungstemperatur durch externe Energiezufuhr erwärmt. Dieser tief gelegene Wirbelschicht-Bereich (7) ist in einem ersten, tief gelegenen Wirbelschicht-Gehäuseabschnitt (4) eines Gehäuses (3) des Wirbelschicht-Reaktors (2) aufgenommen. Die erste Vergasungstemperatur ist niedriger ist als eine Erweichungstemperatur der Edukte oder ihrer Asche. Diese Erwärmung auf die erste Vergasungstemperatur geschieht mit einer ersten Heizeinrichtung (12). Ein zweiter Reaktor-Gehäuseabschnitt (5), der höher liegt als der erste Wirbelschicht-Bereich, wird auf eine zweite Vergasungstemperatur durch externe Energiezufuhr erwärmt. Diese Erwärmung auf die zweite Vergasungstemperatur geschieht mit einer zweiten Heizeinrichtung (18). Die Edukte werden dem ersten Wirbelschicht-Bereich (7) über eine Zuführeinrichtung (20) zugeführt. Eine Abführeinrichtung (22) dient zum Abführen des erzeugten Synthesegases. Es resultieren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synthesegaserzeugung aus kohlenstoffhaltigen Edukten, wobei auch bei Einsatz von erweichungskritischen Edukten eine unerwünschte Verklebung bei ordentlichem Vergasungs-Wirkungsgrad verringert oder nach Möglichkeit ganz vermieden ist.To generate synthesis gas from carbonaceous starting materials by gasification in a fluidized bed reactor (2), a first, low-lying fluidized bed region (7) of the fluidized bed reactor (2) is first heated to a first gasification temperature by external energy supply. This low-lying fluidized bed region (7) is received in a first, low-lying fluidized bed housing section (4) of a housing (3) of the fluidized bed reactor (2). The first gasification temperature is lower than a softening temperature of the educts or their ashes. This heating to the first gasification temperature takes place with a first heating device (12). A second reactor housing section (5), which is higher than the first fluidized bed area, is heated to a second gasification temperature by external energy supply. This heating to the second gasification temperature takes place with a second heating device (18). The educts are fed to the first fluidized bed region (7) via a feed device (20). A discharge device (22) serves to discharge the synthesis gas generated. The result is a method and a device for the production of synthesis gas from carbon-containing educts, whereby even when using softening-critical educts, undesired adhesion with a proper gasification efficiency is reduced or, if possible, completely avoided.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Edukten durch Vergasung in einem Wirbelschichtreaktor.The invention relates to a method and an apparatus for producing synthesis gas from carbonaceous educts by gasification in a fluidized bed reactor.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind bekannt aus
Abhängig vom zu vergasenden Edukt kommt es bei der Vergasung zu unerwünschten Verklebungen von Asche und/oder von Eduktmaterial, beispielsweise von Biomasse, mit dem Wirbelschichtmaterial und/oder mit Komponenten der Erzeugungsvorrichtung. Dies führt entweder dazu, dass bestimmte Edukte mit den Verfahren und Vorrichtungen zur Synthesegaserzeugung nach dem Stand der Technik nicht zum Einsatz kommen können, oder dass diese Verfahren und Vorrichtungen nur mit geringem und damit unwirtschaftlichem Wirkungsgrad betrieben werden können.Depending on the starting material to be gasified, the gasification leads to undesired adhesions of ash and / or starting material, for example biomass, to the fluidized bed material and / or to components of the generating device. This leads either to the fact that certain starting materials can not be used with the methods and apparatuses for synthesis gas generation according to the prior art, or that these methods and devices can only be operated with low and thus uneconomic efficiency.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Edukten durch Vergasung in einem Wirbelschichtreaktor derart weiterzubilden, dass auch bei Einsatz von erweichungskritischen Edukten eine unerwünschte Verklebung bei ordentlichem Vergasungs-Wirkungsgrad verringert oder nach Möglichkeit ganz vermieden ist.It is therefore an object of the present invention to develop a process for the production of synthesis gas from carbonaceous reactants by gasification in a fluidized bed reactor such that even with the use of softening critical educts unwanted bonding with proper gasification efficiency is reduced or avoided as far as possible.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.This object is achieved by a method having the features specified in
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Verfahren mit zwei Erwärmungsstufen zur Möglichkeit führt, zunächst einen ersten Pyrolyse-Vergasungsschritt bei der ersten, niedrigeren Vergasungstemperatur durchzuführen. Diese erste Vergasungstemperatur wird so gewählt, dass sie niedriger ist als eine Ascheerweichungstemperatur der Edukte bzw. niedriger ist als eine Erweichungstemperatur der Edukte generell. Bei dem Pyrolyse-Vergasungsschritt ergibt sich entsprechend eine Verringerung einer Agglomeration von Asche bzw. Edukten im ersten, tief gelegenen Wirbelschicht-Bereich. Durch den Pyrolyseschritt können 50 % bis 80 % der Edukte vergast werden. Durch die Vorgabe einer Höhenerstreckung einer Heizwirkung bei der Erwärmung des ersten, tief gelegenen Wirbelschicht-Bereichs kann eine entsprechende Höhenerstreckung desjenigen Wirbelschicht-Bereiches vorgegeben werden, in dem aufgrund der Erwärmung auf die erste Vergasungstemperatur der Pyrolyseschritt erfolgt. In diesem ersten, tief gelegenen und auf die erste Vergasungstemperatur erwärmten Wirbelschicht-Bereich wird nach Möglichkeit eine homogene erste Vergasungstemperatur eingestellt. Die erste Vergasungstemperatur kann im Bereich zwischen 600 °C und 770 °C liegen und kann insbesondere im Bereich zwischen 700 °C und 770 °C liegen. Die nach dem Pyrolyseschritt noch verbleibenden restlichen und leichteren Edukte-Partikel werden durch die Wirbelschicht nach oben in den zweiten Reaktor-Gehäuseabschnitt getragen und dann im zweiten Reaktor-Gehäuseabschnitt bei der höheren zweiten Vergasungstemperatur mit höherer Umsatzgeschwindigkeit vergast. In dem zweiten Reaktor-Gehäuseabschnitt können bei der zweiten Vergasungstemperatur weiterhin homogene Gasphasenreaktionen ablaufen, die im ersten, tief gelegenen Wirbelschicht-Bereich erzeugte Pyrolysegase weiter zu dem zu erzeugenden Synthesegas umsetzen. Zudem kann schon im zweiten Reaktor-Gehäuseabschnitt bei der höheren zweiten Vergasungstemperatur eine Reduktion eines unerwünschten Teergehalts im erzeugten Synthesegas erfolgen. Die zweite Vergasungstemperatur kann im Bereich zwischen 770 °C und 1000 °C oder im Bereich zwischen 770 °C und 900 °C liegen und liegt bevorzugt im Bereich zwischen 770 °C und 810 °C. Die Wirbelschicht kann bei der Synthesegaserzeugung stationär sein und kann Blasen bilden. Alternativ zu einer stationären Wirbelschicht kann im Wirbelschichtreaktor auch eine zirkulierende Wirbelschicht vorliegen. Der erste Wirbelschicht-Bereich und der zweite Reaktor-Gehäuseabschnitt können in ein und demselben Gehäuse vorliegen. Grundsätzlich können diese beiden Temperaturzonen aber auch in unterschiedlichen, durch Verbindungsleitungen voneinander getrennten Gehäusen eines Reaktors vorgesehen sein, in dem das Synthesegas-Erzeugungsverfahren abläuft. Als Edukte zur Synthesegas-Erzeugung kann Biomasse oder auch Kohle zum Einsatz kommen. Je nach Ausführung kann es sich bei dem tief gelegenen Wirbelschicht-Bereich um einen Teil der gesamten Wirbelschicht oder um die gesamte Wirbelschicht handeln. Bei der Erwärmung auf die erste Vergasungstemperatur und bei der Erwärmung auf die zweite Vergasungstemperatur handelt es sich jeweils um eine aktive Erwärmung, also um eine Erwärmung unabhängig von einer beim Erzeugungsverfahren etwa entstehenden Reaktionswärme. Das Erwärmen kann durch externe Energiezufuhr geschehen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erwärmen durch Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases, durch Zufuhr eines Synthesegases und/oder durch Zufuhr von Dampf erfolgen.According to the invention, it has been recognized that a process with two heating stages leads to the possibility of first carrying out a first pyrolysis gasification step at the first, lower gasification temperature. This first gasification temperature is chosen so that it is lower than an ash softening temperature of the starting materials or lower than a softening temperature of the starting materials in general. In the pyrolysis gasification step, a corresponding reduction in the agglomeration of ash or educts in the first, deep-bed fluidized bed region results. By the pyrolysis step, 50% to 80% of the reactants can be gasified. By specifying a vertical extent of a heating effect during the heating of the first, deep-bed fluidized bed region, a corresponding vertical extent of that fluidized bed region can be predetermined, in which the pyrolysis step takes place due to the heating to the first gasification temperature. In this first, low-lying and heated to the first gasification temperature fluidized bed region, a homogeneous first gasification temperature is set as far as possible. The first gasification temperature may be in the range between 600 ° C and 770 ° C and may, in particular, be in the range between 700 ° C and 770 ° C. The remaining after the pyrolysis step remaining lighter and educt particles are carried by the fluidized bed up in the second reactor housing section and then gasified in the second reactor housing section at the higher second gasification temperature with higher turnover speed. In the second reactor housing section, homogeneous gas phase reactions can continue to proceed at the second gasification temperature, which further convert pyrolysis gases generated in the first, deep-bed fluidized bed region to the synthesis gas to be generated. In addition, even in the second reactor housing section at the higher second gasification temperature, a reduction of an undesirable tar content in the synthesis gas produced can take place. The second gasification temperature can be in the range between 770 ° C and 1000 ° C or in the range between 770 ° C and 900 ° C and is preferably in the range between 770 ° C and 810 ° C. The fluidized bed may be stationary during syngas production and may form bubbles. As an alternative to a stationary fluidized bed, a circulating fluidized bed can also be present in the fluidized-bed reactor. The first fluidized bed region and the second reactor housing section may be in one and the same housing. In principle, however, these two temperature zones can also be provided in different housings of a reactor, which are separated from one another by connecting lines, in which the synthesis gas production process takes place. As starting materials for syngas production biomass or coal can be used. Depending on the design, the deep fluidized bed area may be part of the entire fluidized bed or the entire fluidized bed. The heating to the first gasification temperature and the heating to the second gasification temperature is in each case an active heating, that is to say a heating independent of any heat of reaction which arises in the production process. The heating can be done by external energy supply. alternative or in addition, the heating may be carried out by supplying an oxygen-containing gas, by supplying a synthesis gas and / or by supplying steam.
Bei einem Verfahren nach Anspruch 2 ist die Wirbelschicht selbst in zwei Temperaturzonen, also in zwei Wirbelschicht-Bereiche unterteilt, wobei der erste, tief gelegene Wirbelschicht-Bereich auf die erste Vergasungstemperatur und der zweite, höher liegende Wirbelschicht-Bereich auf die höhere zweite Vergasungstemperatur erwärmt wird. Sowohl der Pyrolyseschritt als auch die Umsetzung der restlichen, leichteren Partikel und die homogenen Gasphasenreaktionen zur Umsetzung der zunächst erzeugten Pyrolysegase können dann innerhalb der Wirbelschicht ablaufen. Alternativ ist es möglich, den zweiten Reaktor-Gehäuseabschnitt in Form eines Flugstromreaktor-Gehäuseabschnitts zu erwärmen. Der zweite Reaktor-Gehäuseabschnitt, der auf die zweite Vergasungstemperatur erwärmt wird, muss also nicht zwingend eine Wirbelschicht beinhalten.In a method according to
Bei einem Verfahren nach Anspruch 3 wird oberhalb der zweiten Temperaturzone, die auf die zweite Vergasungstemperatur erwärmt ist, eine dritte Temperaturzone zur Nachreaktion vorgesehen, wobei die Nachreaktionstemperatur höher ist als die zweite Vergasungstemperatur. In diesem weiteren Reaktor-Gehäuseabschnitt wird ein unerwünschter Teergehalt im erzeugten Synthesegas durch Nachreaktion nochmals reduziert. Die Nachreaktionstemperatur kann im Bereich zwischen 830 °C und 1000 °C, kann im Bereich zwischen 830 °C und 900 °C und kann im Bereich zwischen 830 °C und 850 °C liegen. Beim erfindungsgemäßen Synthesegas-Erzeugungsverfahren können auch mehr als drei Temperaturzonen bzw. mehr als drei Temperaturstufen zum Einsatz kommen. Der weitere, auf die Nachreaktionstemperatur erwärmte Reaktor-Gehäuseabschnitt kann, soweit mehrere, unterschiedlich temperierte Wirbelschicht-Bereiche vorliegen, direkt an die Wirbelschicht angrenzen. Alternativ kann der weitere, auf die Nachreaktionstemperatur erwärmte Reaktor-Gehäuseabschnitt von der Wirbelschicht beabstandet sein. Zwischen der Wirbelschicht und dem weiteren, auf die Nachreaktionstemperatur erwärmten Reaktor-Gehäuseabschnitt kann beispielsweise der zweite, auf die zweite Vergasungstemperatur erwärmte Reaktor-Gehäuseabschnitt liegen. Beim Erwärmen auf die Nachreaktionstemperatur handelt es sich um eine aktive Erwärmung. Es gilt, was vorstehend in Bezug auf die Erwärmung auf die erste bzw. auf die zweite Vergasungstemperatur schon ausgeführt wurde.In a method according to
Bei einem Verfahren nach Anspruch 4 können restliche Asche/Edukte-Agglomerate, die sich ggf. am Boden des Wirbelschichtreaktors anreichern, vom Boden des Wirbelschichtreaktors her entnommen werden, sodass diese Agglomerate einen Wärmeeintrag in die Wirbelschicht nicht unerwünscht erschweren. Die Entnahme der Agglomerate kann periodisch erfolgen. Diese Entnahme kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Diese Entnahme kann insbesondere geregelt, also beispielsweise abhängig von einer gemessenen Wirbelschichttemperatur oder einem gemessenen Wirbelschicht-Temperaturprofil erfolgen. Das Nachfüllen des Wirbelschicht-Bettmaterials dient dazu, dass im Wirbelschichtreaktor innerhalb vorgegebener Grenzen eine konstante Menge Wirbelschichtmaterial enthalten ist, sodass im Wirbelschichtreaktor konstante Verhältnisse herrschen. Durch das kontrollierte Entnehmen und Nachfüllen können Eduktmaterialien verwertet und Wirbelschichtmaterialien verwendet werden, die allgemein, also unabhängig von einer Erweichung der Materialien, Sinkstoffe beinhalten, die zum unerwünschten bodenseitigen Anreichern neigen. In a process according to
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Synthesegas-Erzeugungsverfahrens bereitzustellen.Another object of the invention is to provide an apparatus for carrying out the synthesis gas production process.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Synthesegas-Erzeugungsvorrichtung mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen. This object is achieved by a synthesis gas generating device having the features specified in
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Synthesegas-Erzeugungsvorrichtung entsprechen denjenigen, die vorstehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Synthesegas-Erzeugungsverfahren bereits erläutert wurden. Der erste, tief gelegene Wirbelschicht-Gehäuseabschnitt einerseits und der zweite, höher gelegene Reaktor-Gehäuseabschnitt andererseits, die auf die beiden Vergasungstemperaturen über die beiden Heizeinrichtungen erwärmt werden können, können Abschnitte ein und desselben Reaktorgehäuses sein. Dies ist aber nicht zwingend.The advantages of the synthesis gas producing apparatus of the present invention are the same as those already explained above with reference to the synthesis gas producing method of the present invention. The first, deep-bed fluidized bed housing section, on the one hand, and the second, higher-lying reactor housing section, on the other hand, which can be heated to the two gasification temperatures via the two heaters may be sections of one and the same reactor housing. This is not mandatory.
Die Vorteile der Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7 entsprechen denen, die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren nach Ansprüchen 2 und 3 erläutert wurden. The advantages of the device according to
Eine Querschnittsabweichung innerhalb des Reaktorgehäuses nach Anspruch 8 kann zur Optimierung der Reaktionsbedingungen in den verschiedenen Reaktorgehäuseabschnitten genutzt werden. Ein Entgasungs-Gehäuseabschnitt kann beispielsweise einen größeren Querschnitt aufweisen als ein Wirbelschicht-Gehäuseabschnitt. Dies führt zu einem großen möglichen Reaktionsvolumen bei der Nachreaktion. Alternativ kann ein Entgasungs-Gehäuseabschnitt auch sich zu einem rohrförmigen Gehäuseabschnitt mit im Vergleich zum sonstigen Reaktorgehäuse geringen Rohrdurchmesser verjüngen. Dies kann zur erwünschten Beschleunigung eines Synthesegas/Feststoffgemisches genutzt werden. A cross-sectional deviation within the reactor housing according to
Ein Wärmetauscher nach Anspruch 9 kann durch einen Brenner geheizt werden. Auch eine anderweitige Beheizung des Wärmetauschers ist möglich. Als Brenngas kann ein Erdgas/Luftgemisch und/oder ein Synthesegas/Luftgemisch zum Einsatz kommen. Auch ein anderes Brenngas kann zum Einsatz kommen. Der Wärmetauscher kann die erzeugte Wärme über eine Wärmeübertragungsfläche, beispielsweise über eine Brenner-Mantelfläche, im Wirbelschicht-Gehäuseabschnitt abgeben. Die Wärmeübertragungsfläche, beispielsweise die Brenner-Mantelfläche, kann mit großer Oberfläche gestaltet sein. A heat exchanger according to
Eine Heizeinrichtung nach Anspruch 10 lässt sich durch Zugabe insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gases in ihrer Heizleistung mit geringer Reaktionszeit steuern und/oder regeln. Die Zuführeinheit kann die einzige Wärmequelle der jeweiligen Heizeinrichtung sein. Die Heizeinrichtung kann auch eine Kombination eines Wärmetauschers mit einer derartigen Zuführeinheit für ein insbesondere sauerstoffhaltiges Gas darstellen.A heater according to
Die Vorteile einer Vorrichtung nach Anspruch 11 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf den Anspruch 4 bereits erläutert wurden.The advantages of a device according to
Ein Wirbelschicht-Kreislauf nach Anspruch 12 kann zur Erhöhung eines Reaktor-Wirkungsgrades eingesetzt werden. In den Wirbelschicht-Kreislauf kann das Wirbelschichtmaterial einschließlich von noch nicht vergasten Kohlenstoffresten sowie Asche in einem Abscheider, insbesondere einem Zyklon, abgeschieden und mit Luft nachverbrannt werden. Dies kann dazu genutzt werden, das Wirbelschichtmaterial wieder zu erhitzen, bevor dieses innerhalb des Kreislaufs der Wirbelschicht wieder zugeführt wird. A fluidized bed circuit according to
Ein Flugstromreaktor nach Anspruch 13 stellt eine Variante zur Umsetzung restlicher, leichterer Partikel nach dem Pyrolyseschritt und/oder zur Reduzierung des Teergehaltes über eine Nachreaktion dar.A flow reactor according to
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
Eine Vorrichtung
Der erste, tief gelegene Wirbelschicht-Gehäuseabschnitt
Oberhalb des zweiten Reaktor-Gehäuseabschnitts
Die Vorrichtung
Der Brenner
Die Heizeinrichtung
Die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung
Die Vorrichtung
Die zweite Heizeinrichtung
Die zweite Heizeinrichtung
Im Entgasungs-Gehäuseabschnitt
Die Nachreaktions-Heizeinrichtung
Die Zuführeinheit
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Bei der Pyrolyse im Gehäuseabschnitt
Aufgrund der höheren zweiten Vergasungstemperatur wird ein Teergehalt im erzeugten Synthesegas reduziert. Durch die Nachreaktion im Entgasungs-Gehäuseabschnitt
Restliche Asche- und/oder Biomassen-Agglomerationen bzw. Verklebungen mit dem Bettmaterial der Wirbelschicht
Anhand der
Bei der Vorrichtung
Abgesehen davon, dass zum Erwärmen des Reaktor-Gehäuseabschnitts
Anhand der
Im Unterschied zur Vorrichtung
In Abwandlung zur Ausführung nach
Anhand der
Die Vorrichtung
Grundsätzlich läuft die Vergasungsreaktion in der Vorrichtung
Anhand der
Bei der Vorrichtung
Die erste Heizeinrichtung
Ein zweiter Reaktor-Gehäuseabschnitt ist bei der Vorrichtung
Der Auslassabschnitt
Der Auslassabschnitt
Beim Synthesegas-Erzeugungsverfahren mit der Vorrichtung
Anhand der
Im Bereich der Wirbelschicht
Der Auslassabschnitt
Dem Flugstromreaktor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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