DE102012002712A1 - Verfahren zur Schwermetall-Abscheidung bei einer Wirbelschichtvergasung - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Schmermetallabscheidung bei einer Wirbelschichtvergasung von Kohle- und Biomasse wird dadurch erreicht, dass das den Vergaser verlassende Gas gekühlt und dann einer Entstaubung und nachfolgend weiteren Behandlungsschritten zugeführt wird, wobei dem Gasstrom vor der Entstaubung Sorptionsmittel zugeführt werden.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Schwermetall-Abscheidung bei einer Wirbelschichtvergasung von Kohle- oder Biomasse.
  • Man ist bestrebt, den Klimawandel zu verlangsamen und die Ressourcen an fossilen Brennstoffen, wie Kohle, Öl und Gas, zu schonen. Es ist daher eine effizientere Nutzung der entsprechenden Brennstoffe ebenso notwendig, wie auch eine Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen. Dabei ist bekannt, Kohle und Biomasse mittels Vergasungsverfahren in ein Synthesegas zu überführen. Eine solche Verfahrensweise hat den Vorteil, dass eine Diversifizierung durchgeführt werden kann, weil man nicht nur Strom und Wärme durch entsprechende Umwandlung des Produktgases erzeugen kann, sondern auch Chemikalien und Biokraftstoff.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Kohlen und die Biomasse in einer Wirbelschicht zu vergasen, weil die Anforderungen an die Zerkleinerung nicht so hoch sind, wie etwa bei einer Flugstromvergasung, weil man in einer Wirbelschicht Partikel bis zu 1 bis 5 mm einsetzen kann, während eine Flugstromvergasung Partikelgrößen um 100 μm benötigt.
  • Bei der thermischen Umsetzung von Brennstoffen werden Spurenelemente freigesetzt, zu der Schwermetalle gehören, die es abzuscheiden gilt.
  • Die bei der thermischen Umsetzung der Brennstoffe freigesetzten Spurenelemente reichern sich in den verschiedenen Rückständen an, wobei man grob drei Gruppen unterscheiden kann. Eine erste Gruppe (vorwiegend Lithophil) erreicht die Gasphase aufgrund ihres hohen Siedepunktes nicht und reagiert zudem nicht zu flüchtig mit Halogeniden oder Sulfiden. Sie finden sich daher in der Bodenasche bzw. Schlacke wieder, wobei es sich im Wesentlichen um Elemente, wie Eu, Hf, La, Mn, Rb, Sc, Sm, Th und Zr handelt, aber auch um Ba, Be, Bi, Co, Cr, Cs, Cu, Mo, Ni, Sr, Ta, U, V, W, die aber auch teilweise unter eine zweite Gruppe von Elementen fallen, die einen niedrigeren Siedepunkt haben bzw. mit Chlor oder Fluor reagieren können.
  • Fällt die Temperatur, kondensieren die Verbindungen dieser Elemente homogen zu separaten Partikeln. Zu dieser zweiten Gruppe gehören auch As, Cd, Ga, Ge, Pb, Sb, Sn, Te, Tl, Zn.
  • Schließlich gibt es eine dritte Gruppe von Elementen, die leicht verdampft und sich zum größten Teil auch noch bei niedrigen Temperaturen in der Gasphase befindet, etwa Hg, Br, Cl, F und B, Se, I, wobei die letzten drei auch noch teilweise in Gruppe 2 enthalten sind (Dissertation Michael Rieß: ”Freisetzung und Einbindung von Schwermetallen bei der Hochtemperaturvergasung”, RWTH Aachen, 16.07.2010).
  • Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere eine Schmermetallabscheidung bei einer Wirbelschichtvergasung von Kohle- und Biomasse mit einfachen Mitteln zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, dass das den Vergaser verlassende Gas gekühlt und dann einer Entstaubung und nachfolgend weiteren Behandlungsschritten zugeführt wird, wobei dem Gasstrom vor der Entstaubung Sorptionsmittel zugeführt werden.
  • In besonderer Ausgestaltung ist nach der Erfindung auch vorgesehen, dass eine Abkühlung des Gases von ca. 1.100°C auf ca. 250°C zur Taupunktunterschreitung der gasförmigen Schwermetalle und zu deren Kondensation an den im Gas befindlichen Staubpartikeln vorgenommen wird.
  • Das Hinzufügen eines Sorptionsmittels kann die Schwermetall-Abscheidung vorteilhaft beeinflussen. Eine Temperaturabsenkung Von ca. 1.100°C auf ca. 250°C bewirkt eine Taupunktunterschreitung der gasförmigen Schwermetallspezies, wobei die sich im Gas befindenden Staubpartikel dann als Kondensationskeime für die Schwermetalldämpfe dienen. Die Schwermetalle lagern sich an diesen Staubpartikeln an, die dann einfach in einer nachgeschalteten Staubfiltration vom Gasstrom getrennt werden können, d. h. ein beträchtlicher Teil der dampfförmigen Schwermetallverbindungen kann durch Kühlung des Gases relativ einfach aus dem Produktgasstrom abgeschieden werden. Der bei der Abkühlung produzierte Dampf kann darüber hinaus vorteilhaft im Vergasungsprozess eingesetzt werden.
  • Je nach Art der Prozessführung kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sorptionsmittel im Vergaser zugeführt werden und/oder vor der Kühlung des Gases und/oder nach der Kühlung.
  • In Betracht kommen dabei folgende Sorptionsmittel:
    Aktiviertes Al2O3, Kaolin, Bauxit, Emathlite, Bentonit, Tonerde, Kieselgur, Bimsstein, Diatomeenerde, Attapulgit, Pyrophyllit, Andalusit, Sillimantin, Mullit, Bariumsulfat, Fullerde, Siliciumoxid, natürliche und synthetische Zeolithe, Ca(OH)2, Ca(CO)3.
  • Wird das Sorptionsmittel in den Vergaser eingebracht, so bestehen da zwei erfindungsgemäß unterschiedliche Möglichkeiten, nämlich dass die Zugabe zur Zerkleinerungsvorrichtung erfolgt und/oder zur Torrefizierungseinheit und/oder zum Feedingsystem (Wiegebehälter/Eintragsschleuse/Vorlagebehälter) und/oder direkt zum Brennstoff (Schnecken- und/oder Schrägrohreintrag) und/oder als separate Zugabe oberhalb des Eintragsystems in den Vergaser.
  • Wird die Kohle oder Biomasse in Form von Pellets dem System zugeführt, so kann auch eine Sorptionsmittelzugabe direkt in die Pellet-Presse erfolgen, wie dies in weiterer Ausgestaltung diese Erfindung ebenfalls vorsieht.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in einem einfachen Flussdiagramm die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Wie sich aus dem Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ergibt, wird der zu vergasende Stoff, auch als Feed bezeichnet, einem Wirbelschichtvergaser 1 bei 2 zugeführt. Die Zufuhr der Gase ist mit einem Pfeil 3 bezeichnet, wobei es sich um O2, Luft, CO2 und Dampf handelt. Das den Vergaser 1 verlassende Gas wird einem Gaskühler 4 zugeleitet, wo es von einer Temperatur von ca. 1.100°C auf ca. 250°C gekühlt wird und in diesem gekühlten Zustand dann einer Entstaubungseinrichtung 5 zugeleitet wird, die bei einer Temperatur von ungefähr 250°C arbeitet. Ein nachfolgender Quench ist mit 6 bezeichnet, dem wiederum ein CO-Shift-Conversation 7 nachfolgt, die Abscheidung von CO2/H2S ist im Flussdiagramm mit 8 bezeichnet. Der Ausgang ist mit einem Pfeil 9 gekennzeichnet.
  • Wie das Flussdiagramm ebenfalls zeigt, kann an unterschiedlichen Stellen der Verfahrensweise ein Sorptionsmittel, allgemein mit 10 bezeichnet, zugeführt werden, nämlich unmittelbar in den Vergaser (Pfeil 10), hinter den Vergaser vor Eintritt in die Gaskühlung (Pfeil 10a) oder auch hinter der Gaskühlung (Pfeil 10b). Bei der Entstaubung ist noch durch einen Pfeil 11 der Schwermetall- und Staubabzug angedeutet,
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wirbelschichtvergaser
    2
    Feedzufuhr
    3
    Pfeil
    4
    Gaskühler
    5
    Entstaubungseinrichtung
    6
    Quench
    7
    CO-Shift-Conversation
    8
    CO2/H2S-Abscheidung
    9
    Pfeil
    10
    Sorptionsmittelzuführung
    11
    Pfeil

Claims (7)

  1. Verfahren zur Schwermetall-Abscheidung bei einer Wirbelschichtvergasung von Kohle- oder Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass das den Vergaser verlassende Gas gekühlt und dann einer Entstaubung und nachfolgend weiteren Behandlungsschritten zugeführt wird, wobei dem Gasstrom vor der Entstaubung Sorptionsmittel zugeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abkühlung des Gases von ca. 1.100°C auf ca. 250°C zur Taupunktunterschreitung der gasförmigen Schwermetalle und zu deren Kondensation an den im Gas befindlichen Staubpartikeln vorgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionsmittel im Vergaser zugeführt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionsmittel vor der Kühlung des Gases zugeführt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionsmittel nach der Kühlung zugeführt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Sorptionsmittels zur Zerkleinerungsvorrichtung und/oder zur Torrefizierungseinheit und/oder zum Feedingsystem (Wiegebehälter/Eintragsschleuse/Vorlagebehälter) und/oder direkt zum Brennstoff (Schnecken- und/oder Schrägrohreintrag) und/oder als separate Zugabe oberhalb des Eintragsystems in den Vergaser erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zuführung des zu vergasenden Stoffes in Form von Pellets die Zugabe des Sorptionsmittels unmittelbar in die Pellet-Presse erfolgt.
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DE4441508A1 (de) * 1994-11-22 1996-05-23 Georg Dr Gebhard Insitu- Bildung von Speichermineralen zur Schadstoffbindung bei Verbrennungsanlagen
DE102009007880A1 (de) * 2009-02-06 2010-08-12 Eta Ag Engineering Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von chlorhaltigem Rohgas aus Vergasungsanlagen

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