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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem Feststoff, wobei in einem ersten Verfahrensschritt Feststoff in einer Vergasung wenigstens teilweise zu CO und H2 umgesetzt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein wasserhaltiger Strom abgetrennt wird und wobei in einem dritten Verfahrensschritt der im zweiten Verfahrensschritt erhaltene wasserhaltige Strom einer Wasserreinigung unterzogen wird.
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Als Vergasung bezeichnet man einen chemisch-physikalischen Vorgang, bei dem wenigstens ein Teil eines Feststoffes in ein gasförmiges Endprodukt überführt wird. Das gasförmige Endprodukt ist ein Gemisch, das überwiegend aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) besteht. Dabei laufen gleichzeitig viele Reaktionen ab, die bisher nur unvollständig bekannt sind. Die eigentliche Vergasung erfolgt durch exotherme Verbrennung des Feststoffes. Die Produkte dieser Reaktion können mit dem Feststoff und zusätzlich eingebrachtem Wasserdampf oder untereinander weiter reagieren. Mit Ausnahme der Verbrennungsreaktion sind alle wesentlichen Reaktionen Gleichgewichtsreaktionen, so dass die Umsetzung auch in umgekehrter Richtung ablaufen kann. Bei den vergleichsweise hohen Temperaturen in der Kohlevergasung (700 bis 1.600°C) liegt die Zusammensetzung der Produktgase in der Regel sehr nahe am Gleichgewicht.
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Grundsätzlich sind drei verschiedene Verfahrenstypen zur Vergasung von Feststoffen bekannt: die Vergasung in Wirbelschichten, die Vergasung in einem aus dem Feststoff gebildeten Festbett und schließlich die Vergasung in einem Flugstromreaktor.
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Unabhängig davon, wie die Vergasungsreaktion erfolgt, muss das darin gewonnene Synthesegas CO und H2 anschließend aufgereinigt werden. Da während der Reaktion Wasserdampf als Edukt benötigt wird und Wasser eines der möglichen Reaktionsprodukte ist, muss u. a. das Wasser aus dem Gasstrom entfernt werden.
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In dem abgetrennten Wasserstrom sind weitere Verunreinigungen, wie Feststoffe, Ammoniak etc. enthalten, so dass der Wasserstrom gereinigt werden muss.
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Ein solches Verfahren ist bspw. aus der
DE 41 07 109 C1 bekannt. Feste Brennstoffe werden bei einem Druck im Bereich vom 10 bis 100 bar mit Sauerstoff und Wasserdampf enthaltenen Vergasungsmitteln zur Erzeugung eines Rohgases vergast. Das aus der Vergasung kommende Rohgas wird auf Temperaturen von 20 bis 220°C gekühlt, wobei ein wasserreiches Kondensat entsteht. Das Kondensat wird abgetrennt und mindestens teilweise verdampft, wobei man Kondensatdampf und eine salzhaltige Sole getrennt abzieht. Die salzhaltige Sole wird verbrannt, den Kondensatdampf gibt man teilweise dem gereinigten Rohgas zu.
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Die
DE 35 15 484 beschreibt, dass das bei der stufenweisen Kühlung des Produktgases anfallende Kondensat in einem Waschkühler gekühlt wird, der durch im Kreislauf geführtes Wasser beaufschlagt wird, wodurch Halogene weitestgehend ausgewaschen werden. Das gebrauchte Waschwasser, das Temperaturen von 120 bis 220° aufweist, wird auf einen niedrigeren Druck entspannt, wobei Entspannungsdampf und eine Flüssigphase entstehen. Der von Halogenen praktische freie Entspannungsdampf wird abgeleitet, der überwiegende Teil der Flüssigphase wird wieder in den Waschkühler geleitet und die restliche Flüssigphase wird einer Entsorgung zugeführt.
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Die
DE 32 07 779 A1 beschreibt, dass das aus dem Synthesegas gewonnene Kondensat entspannt und einer Trenneinrichtung zugeführt wird, aus welcher man eine weitestgehend aus Wasser bestehende Kondensatphase abzieht. Die Kondensatphase wird im direkten Kontakt mit kälterem Gas gekühlt, bevor man sie zum Kühlen des Rohgasstromes verwendet. Das erwärmte, wasserdampfhaltige Kühlgas wird einer Verbrennung zugeführt und bspw. zum Erwärmen des Reaktors genutzt.
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Die
DD 147679 beschreibt die Rückführung eines im Wesentlichen aus Wasser bestehenden Stromes, der aus einem Hydroclon stammt, in welchem ein feststoffreicher von einem feststoffarmer Strom getrennt wurde. Der feststoffarme Überlaufstrom wird dem Eduktstrom des Vergasers zugemischt und dient als Quelle für den benötigten Wasserdampf in der Reaktion. Der feststoffreiche Unterlaufstrom wird bei Atmosphärendruck zur weiteren Aufreinigung destilliert.
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Die
GB 2 198 744 A beschreibt schließlich eine Kohlevergasung im Festbett, bei der nach Abtrennung der Gase der Abwasserstrom in eine Verdampfungseinrichtung geführt wird. Von dort wird der gasförmige Bestandteil als Vergasungsmittel in den Reaktor zurückgeführt.
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Rückführungen von Wasserströmen die teilweise größere Mengen an Feststoff enthalten, sind ansonsten aus gänzlich anderen Verfahren bekannt. So beschreibt die
US 5,586,510 die Erzeugung von Zement in einem Drehrohrofen, wobei Schlamm, der bei der Zementerzeugung angefallen ist, in den Drehrohrofen zurückgeführt, dort zerstäubt und verbrannt wird.
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Allen Verfahren ist gemeinsam, dass große Mengen an Abwasser nicht im Verfahren weiter verwendet werden können. Deshalb ist eine aufwändige und teure Abwassernachbehandlung notwendig, um den oder die Ströme so aufzuarbeiten, dass bei der Entsorgung Umweltstandards eingehalten werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Abwasserentstehung bei der Feststoffvergasung zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein kohlenstoffhaltiger Feststoff wird vergast und unter Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserdampf wenigstens teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt. Das hierbei erzeugte Gasgemisch wird dann Trennvorrichtung zugeführt, in der flüssige Anteile von gasförmigen Anteilen abgetrennt werden, wodurch ein sogenannter Rohgasstrom und ein wasserhaltiger Strom entstehen. Der flüssige, wasserhaltige Strom wird schließlich einer Wasserreinigung unterzogen.
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Die Wasserreinigung erfolgt dabei erfindungsgemäß so, dass drei Ströme mit unterschiedlichem Reinheitsgrad entstehen. Der erste Strom hat den höchsten Reinheitsgrad, besteht fast ausschließlich aus Wasser und weist folgende Zusammensetzung auf: Tabelle 1: im ersten Strom enthaltene Stoffe.
| pH | | 7–8 |
| Gesamtmenge Eisen (Fe) | μg/l | < 20 |
| Gesamtmenge Kupfer (Cu) | μg/l | < 3 |
| Gesamtmenge Siliciumoxid (SiO2) | μg/l | < 20 |
| Gesamtmenge Natrium (Na) | μg/l | < 10 |
| Organische Komponenten (chem. Sauerstoffbedarf, kurz DOC) | μg/l | < 200 |
| Leitfähigkeit bei 25°C | μS/cm | < 0.2 |
| Sauerstoff (O2) | μg/l | 50–250 |
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Ein solcher Strom ist somit geeignet, zur Dampfgenerierung genutzt zu werden. Erreicht der Strom diese Grenzwerte nicht, so kann der erste Strom als Kühlwasser innerhalb der Anlage verwendet werden.
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Der zweite Strom weist einen mittleren Reinheitsgrad auf: Tabelle 2: im zweiten Strom enthaltene Stoffe.
| Organische Komponenten (chem. Sauerstoffbedarf, kurz DOC) | mg/l | 100–10.000 |
| Organische Komponenten (biochem. Sauerstoffbedarf, kurz BOC) | mg/l | 10–1.000 |
| Ammonium-Stickstoff (kurz NH4-N) | mg/l | 5–500 |
| Nitrat-Stickstoff (kurz NO3-N) | mg/l | 5–1000 |
| Phosphat-Phosphor (kurz PO4-P) | mg/l | 2–100 |
| Gesamtgehalt der suspendierten Feststoffe (kurz TSS) | mg/l | 5–1000 |
| Gesamtgehalt der gelösten Feststoffe (kurz TDS) | mg/l | 100–25.000 |
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Der dritte Strom weist den niedrigsten Reinheitsgrad auf und führt einen hohen Anteil Feststoffe mit sich: Tabelle 3: im dritten Strom enthaltene Stoffe.
| Organische Verbindungen | Gew.-% | 5–80 |
| Stickstoff- und oder phosphorhaltige Verbindungen | Gew.-% | 1–5 |
| Metallhydroxide | Gew.-% | 5–15 |
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Die erfindungsgemäße Verfahrensführung ermöglicht die Rückführung jedes dieser drei Ströme. Derjenige Wasserstrom, der den höchsten Reinheitsgrad aufweist, wird einem Wasserzufluss einer Dampfgenerierung zugeführt; derjenige Wasserstrom, der den mittleren Reinheitsgrad aufweist, wird einer Weiterbehandlung von im Vergasungsreaktor anfallender Asche zugeführt; und/oder derjenige Wasserstrom, der den niedrigsten Reinheitsgrad aufweist, wird zurück in die Vergasung geführt.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn alle drei Ströme in die Feststoffvergasung zurückgeführt werden. Dadurch kann die Menge des im Verfahren entstehenden Abwassers nicht nur signifikant reduziert, sondern tatsächlich vollständig auf null abgesenkt werden.
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Gleichzeitig können auch die Ströme mit dem mittleren und dem geringsten Reinheitsgrad zusammen wieder in die Vergasung zurückgeführt werden, wodurch eine besonders hohe Nutzung der enthaltenen organischen Komponenten erfolgen kann.
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Teilweise erreicht der Reinheitsgrad des ersten Stroms nicht die für die Dampferzeugung notwendige Reinheit. Es weist dann bei gleichem pH-Wert eine Zusammensetzung auf, bei dem die einzelnen Komponenten in dreifach, teilweise sogar sechsfach höherer Konzentration vorliegen als in Tabelle 1 angegeben. Ein Strom mit dieser Zusammensetzung kann an einer beliebigen Stelle des Verfahrens als Kühlwasserstrom genutzt werden, wobei es nicht zu einer Verdampfung des Kühlwassers kommt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in einem ersten Schritt der Strom mit dem niedrigsten Reinheitsgrad durch Dekantieren abgetrennt. Dabei ist es möglich, den Wassergehalt beispielsweise durch Verdampfen weiter abzusenken. Der verbleibende Strom wird anschließend in einem zweiten Schritt einer Umkehr-Osmose zugeführt. Die Umkehr-Osmose oder Reversosmose ist ein physikalisches Verfahren zur Aufkonzentrierung von in Flüssigkeiten gelösten Stoffen, bei der mit Druck der natürliche Osmose-Prozess umgekehrt wird. Das Medium, in dem die Konzentration eines bestimmten Stoffes verringert werden soll, ist durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran von einem Medium getrennt, in dem die Konzentration erhöht werden soll. Im vorliegenden Fall soll die Konzentration an Feststoffen in dem eintretenden Wasserstrom abgesenkt und in dem austretenden Strom mit dem geringsten Reinheitsgrad erhöht werden. Dasjenige Medium, in dem die Konzentration erhöht werden soll, wird einem Druck ausgesetzt, der höher sein muss als der Druck, der durch das osmotische Verlangen zum Konzentrationsausgleich entsteht. Dadurch entsteht eine Teilchenwanderung entgegen der Ausbreitungsrichtung. Im vorliegenden Verfahren wird der entstehende gereinigte erste Strom vorzugsweise noch einmal einer zweiten Umkehr-Osmose unterworfen, um den Strom mit dem höchsten und den Strom mit dem mittleren Reinheitsgrad zu erhalten
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Teile des Stroms mit dem mittleren Reinheitsgrad können auch durch einen der Umkehr-Osmose vorgeschalteten Ionentauscher gewonnen werden. Die beiden Teilströme mit dem mittleren Reinheitsgrad aus Ionentauscher und Umkehr-Osmose werden anschließend vermischt.
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Vor der Auftrennung der drei Ströme und/oder zwischen der Abtrennung des Stroms mit dem niedrigsten Reinheitsgrad, dessen Wasseranteil unter 89 Gew.-%, bevorzugt unter 50 Gew.-% und besonders bevorzugt unter 30 Gew.-% liegt, und der Umkehr-Osmose können weitere Reinigungsschritte, wie etwa eine Denitrifikation, eine Nitrifikation und/oder eine Entfernung der organischen Verbindungen vorgesehen sein.
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Unter Denitrifikation versteht man die Umwandlung des im Nitrat (NO3 –) gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff (N2) durch bestimmte heterotrophe und einige autotrophe Bakterien, die an eine Membran gebunden sind. Bei diesem Vorgang, welcher den Bakterien zur Energiegewinnung dient, werden bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O2) (anoxische Bedingungen) verschiedene oxidierbare Stoffe (Elektronendonatoren), wie organische Stoffe, Schwefelwasserstoff (H2S) und molekularer Wasserstoff (H2), mit Nitrat als Oxidans (Oxidationsmittel) oxidiert.
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Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) zu Nitrat (NO3 –). Sie besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: Im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert, das im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird.
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Eine Entfernung der organischen Verbindungen erfolgt bevorzugt durch die anaerobe Behandlung mit Bakterien in einer sauerstofffreien Umgebung.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den in der Dampfgenerierung erzeugten Dampf innerhalb des Dampfversorgungssystems für den Vergasungsprozess, bspw. zum Vorerwärmen von Edukten zu nutzen und/oder den Dampf zur Gewinnung von elektrischer Energie, z. B. zum Betreiben einer Turbine, zu verwenden. So kann der Wasserbedarf des Verfahrens reduziert werden.
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Insbesondere, wenn die Vergasung in einem Festbettreaktor erfolgt, sollte die dort entstehende Asche ausgeschwemmt werden. Hierzu wird in Weiterbildung der Erfindung der Wasserstrom mit dem mittleren Reinheitsgrad verwendet.
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Bei einer Festbettvergasung entsteht diese Asche durch Reaktion des kohlenstoffhaltigen Feststoffes wie Kohle oder Biomasse und fällt durch einen im Bodenbereich des Festbettes ausgetragenen Rost. Zum weiteren Transport der Asche wird Wasser eingebracht und die Asche so ausgeschwemmt.
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Bei einem Vergasungsverfahren, welches in einem Wirbelbett durchgeführt wird, hat es sich als besonders günstig herausgestellt, auch den Strom mit dem mittleren Reinheitsgrad in den Reaktor zurückzuführen.
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Bei einer Flugstromvergasung bietet es sich an, den Strom mit dem mittleren Reinheitsgrad entweder den als Slurry in den Reaktor eingeführten Edukten zuzumischen und/oder nach dem Quench dem Schlacke-Abwasser-Strom zuzumischen.
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Weiterhin kann es notwendig sein, denjenigen Wasserstrom, der den höchsten Reinheitsgrad aufweist, und/oder denjenigen Wasserstrom, der den mittleren Reinheitsgrad aufweist, vor der Rückführung in die Dampfgenerierung bzw. die Ascheweiterbehandlung einer weiteren Aufreinigung zu unterziehen. Eine solche weitere Aufreinigung ermöglicht es, selbst dann die Abwasserströme weitestgehend zu rezirkulieren, wenn durch den verwendeten Ausgangsfeststoff ein hoher Anteil an Verschmutzungen in das Verfahren eingetragen wird.
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Mögliche Verfahren zur weiteren Aufreinigung können als chemische Verfahren die Fenton-Reaktion (eine durch Eisensalze katalysierte Oxidation organischer Substrate mit Wasserstoffperoxid in saurem Medium), eine Ozonisierung (ein Entkeimen durch Einleitung von Ozon), der Einsatz von Aktivkohle (als Adsorptionsmittel) und/oder die Zugabe von Kalziumhydroxid (zur Absenkung der Wasserhärte durch Ionentausch) sein. Auch die Verwendung weiterer Fällungs- oder Koagulationsmittel ist denkbar. Zusätzlich können zudem Abscheider und/oder eine Kläranlage eingesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht zudem vor, dass der Feststoff in einem Festbett vergast wird.
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Bei einer Festbettvergasung hat es sich als günstig herausgestellt, denjenigen Wasserstrom, der den niedrigsten Reinheitsgrad aufweist, oberhalb des Festbettes einzubringen, wobei der Strom möglichst fein verteilt eingedüst wird.
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Wird ein Flugstromreaktor verwendet, so ist es denkbar, den Wasserstrom mit dem niedrigsten Reinheitsgrad direkt durch die Zufuhrleitungen in die Brennerflamme einzuspeisen. Bei einem Wirbelschichtreaktor ist ebenfalls an eine Verdüsung oberhalb des Wirbelbettes zu denken. Wird bei einer Flugstromvergasung der Brennstoff als Slurry zugeführt, so bietet es sich an, den Strom vor Eintritt in den Reaktorbereich diesem Slurry beizumischen.
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Als Feststoff kann zum einen Kohle verwendet werden. Kohlevergasungsverfahren werden seit Jahrzehnten praktiziert. Zum andern kann jedoch auch Biomasse als Ausgangsmaterial dienen, wodurch nachwachsende Rohstoffe zu Synthesegas umgesetzt werden können. Insbesondere bei der Biomassevergasung ist das angesprochene Verfahren interessant, da größere Mengen an nicht verbrannten Materialien über den Wasserstrom ausgetragen werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine Anlage zur Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Feststoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Danach umfasst die Anlage einen Vergasungsreaktor, in welchem der Feststoff wenigstens teilweise zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt wird, eine Trennvorrichtung, in der das Rohgas von einem flüssigen, wässrigen Strom abgetrennt wird, sowie eine Wasserreinigungsvorrichtung, in der der in der Trennvorrichtung erhaltene flüssige wässrige Strom gereinigt wird. In der Wasserreinigung wird das Wasser in drei Ströme mit unterschiedlichem Reinheitsgrad aufgetrennt. Über eine erste Leitung wird der Wasserstrom, der den höchsten Reinheitsgrad aufweist, einem Wasserzufluss einer Dampfgenerierung zugeführt werden kann; über eine zweite Leitung wird der derjenige Wasserstrom, der den mittleren Reinheitsgrad aufweist, einer Einrichtung zur Weiterbehandlung von Asche aus dem Vergasungsreaktor zugeführt; und/oder über eine dritte Leitung wird derjenige Wasserstrom, der den niedrigsten Reinheitsgrad aufweist, zurück in den Vergasungsreaktor geführt.
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Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zur Abtrennung des gasförmigen Anteils von dem flüssigen Strom entweder als Kondensation oder als Tropfenabscheider ausgelegt. Die Ausgestaltung als Kondensator hat den Vorteil, dass dabei gleichzeitig der Gasstrom weiter gekühlt wird. Wird ein Tropfenabscheider verwendet, so kann der Gasstrom bereits vorher gekühlt werden und die in der Kühlung entzogene Wärmeenergie an anderer Stelle genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Anlage weist vorteilhafterweise zudem zwischen dem Vergasungsreaktor und der Trennvorrichtung eine Gaskühlung auf, was besonders dann zu empfehlen ist, wenn der Gas-Flüssigkeits-Abscheider als Tropfenabscheider ausgebildet ist und somit eine Kühlung an anderer Stelle im Verfahren erfolgen muss. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Anlage vorzugsweise zwischen der Trennvorrichtung und der Ascheweiterbehandlung eine Ammoniakrückgewinnungsvorrichtung auf.
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In der Gas-Flüssigkeitsabtrennung wird der enthaltene, flüssige Strom aus der Gaskühlung durch Dekantieren weiter aufgetrennt, wobei im wesentlichen Teere, Öle, Phenole und Ammoniak (NH3) abgetrennt werden.
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Eine weitere Aufreinigung des Wassers kann durch ein nachgeschaltetes Phenosolvan®-Verfahren erfolgen. Bei dem Phenosolvan-Verfahren wird das phenolhaltige Wasser in einem Mehrstufenextraktor nach dem Mischer-Scheider-Prinzip mit Phenosolvan innig gemischt. Nach anschließender Phasentrennung findet sich der größte Teil der Phenole im Lösungsmittel. Dieser Prozeß wird mehrfach wiederholt, wobei das phenolhaltige Wasser und das Lösungsmittel im Gegenstrom geführt werden. Durch Destillation wird das Lösungsmittel von den Phenolen getrennt und geht in den Extraktor zu erneuter Phenolauswaschung zurück.
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Nach dem Passieren des Phenosolvan®-Verfahrens kann ein CLL-Verfahren (Chemie Linz-Lurgi®) angeschlossen sein. Darin werden durch selektives Strippen saure Gase und Ammoniak aus dem Kondensat des Phenolsovan-Verfahrens entfernt.
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Durch diese Anlagengestaltung können, insbesondere bei zunehmend restriktiven Umweltschutzauflagen, die Investitionskosten und die Betriebskosten deutlich abgesenkt werden, da auf eine aufwändige Reinigung der zu entsorgenden Abwässer teilweise oder ganz verzichtet werden kann. Indem derjenige Strom, der den Hauptanteil des Feststoffes mit sich führt, in die Vergasung eingebracht wird, kann darauf verzichtet werden, den Feststoff mit einer energieaufwändigen Trocknung von dem Wasser zu separieren.
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Wenn der Wasserstrom mit dem mittleren Reinheitsgrad zum Ausschwemmen der Asche verwendet wird, kann zusätzliches Frischwasser eingespart werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Es zeigen:
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1 ein Fließbild eines herkömmlichen Vergasungsprozesses mit Abwassernachbehandlung nach dem Stand der Technik
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2 schematisch ein Fließbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei dem herkömmlichen Verfahren gemäß 1 wird über Leitung 1 Feststoff und über Leitung 2 Sauerstoff in einen Vergasungsreaktor 10 eingebracht. Über die gleiche oder eine nicht dargestellte weitere Leitung wird Dampf in den Reaktor 10 eingespeist. Das durch die Reaktion entstandene Gasgemisch wird aus dem Reaktor 10 über Leitung 14 einer Gaskühlung 20 zugeführt. Aus dieser Gaskühlung wird das erhaltene rohe Synthesegas über Leitung 21 abgezogen. Der entstandene Flüssigstrom wird über Leitung 22 einer Gas-/Flüssigkeitsabtrennung 23 zugeführt. Von dort wird er über Leitung 24 in eine Ammoniakrückgewinnung 25 eingebracht.
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Von der Ammoniakrückgewinnung 25 wird der flüssige, Wasser enthaltende Strom über Leitung 26 in die Wasseraufbereitung 30 überführt. Aus dieser wird zum einen wässriges Abwasser über Leitung 31 ausgetragen und ggf. so aufbereitet, dass die Abwässer entsorgt werden können. Über Leitung 32 wird ein Strom abgezogen, der einen Großteil der festen Partikel enthält und deshalb auch als Schlackestrom bezeichnet wird. Dieser feststoffhaltige Strom wird einem Trockner 33 zugeführt, in dem durch Energiezufuhr das enthaltene Wasser verdampft wird und in die Atmosphäre entweicht. Die getrocknete Schlacke kann dann bspw. auf eine Deponie gebracht werden.
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Aus dem Vergasungsreaktor 10 wird, insbesondere wenn es sich um eine Festbettvergasung handelt, die Asche über Leitung 11 ausgetragen und einer Ascheweiterbehandlung 12 zugeführt. Um die feste Asche zu transportieren, wird der Aschestrom mithilfe von sogenanntem ”Make-up”-Wasser fließfähig gemacht. Das Make-up-Wasser wird von einer Quelle über Leitung 40 in die Ascheweiterbehandlung 12 eingespeist. Die fließfähige Asche wird dann über Leitung 13 abgezogen.
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In diesem Verfahren wird das aus der Abwassernachbehandlung gewonnene Wasser entweder verdampft oder als Abwasser entsorgt, jedoch nicht in den Prozess rezirkuliert. Stattdessen wird an anderer Stelle des Verfahrens Frischwasser eingespeist.
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2 zeigt die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fließbild, wobei ebenfalls dem Vergasungsreaktor 10 über Leitung 1 der zu vergasende Feststoff und über Leitung 2 Sauerstoff zugeführt wird. Aus dem Vergasungsreaktor 10 wird über Leitung 11 Asche abgezogen und einer Ascheweiterbehandlung 12 zugeführt. Aus dieser Ascheweiterbehandlung wird die Asche dann über Leitung 13 abgezogen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Vergaser 10 als Festbettreaktor ausgestalte und weist einen im Wesentlichen zylindrische Vertikalreaktor mit äußerem Wassermantel auf. Die Kohle oder Biomasse wird von oben durch eine Schleuse in den sich im Inneren des Reaktors befindlichen Feststoffverteiler eingebracht, wobei sich ein Festbett bildet, welches auf einem im unteren Bereich des Reaktors 10 angeordneten Drehrost ruht. Aus diesem unteren Bereich wird auch Sauerstoff und Dampf eingeblasen. Durch die aufsteigenden heißen Gase erfolgt im oberen Teil des Vergasers 10 die Trocknung der eingesetzten Kohle oder Biomasse sowie eine Desorption der physisorbierten Gase. Unterhalb der Trocknungszone befindet sich die Reaktionszone, in deren oberem Teil eine Entgasung der Kohle oder Biomasse stattfindet. An die Entgasung schließt sich innerhalb der Reaktionszone die eigentliche Vergasung der Kohle oder Biomasse gemäß der Boudouard-Reaktion an. In der darauffolgenden, untersten Zone finden die Verbrennung der Kohle oder Biomasse sowie die Wassergas- und die Wassergas-Shift-Reaktion statt. Die entstehende Asche fällt durch den Rost und wird von dort weiter ausgetragen. Die heißen Gase, die im Gegenstrom zu der von oben nachfallenden Kohle oder Biomasse geführt werden, werden über einen oberhalb des Festbettes vorgesehenen Gasabzug abgezogen.
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Über Leitung 14 wird das durch die Vergasungsreaktion gewonnene Gasgemisch aus dem Reaktor 10 abgezogen und einem Kühler 20 zugeführt. Durch die Kühlung wird ein rohes Synthesegas gewonnen, das über Leitung 21 abgezogen wird. Über Leitung 22 gelangt ein flüssiger, wasserhaltiger Strom in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider (Trennvorrichtung) 23. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die Trennung von Gas und Flüssigkeit ausschließlich durch die Kondensation in dem Gaskühler 20 erfolgt.
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Aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 23, der als Kondensator oder als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann, wird über Leitung 24 der erhaltene Flüssigstrom der Ammoniakrückgewinnung 25 zugeführt. Von der Ammoniakrückgewinnung 25 führt dann Leitung 26 in die Wasseraufbereitung 30. Dort wird der erhaltene, wässrige Strom in drei Ströme aufgeteilt. Derjenige Strom, der den höchsten Reinheitsgrad aufweist, wird über Leitung 31 einer nicht dargestellten Dampfgenerierung zugeführt. Der dort erzeugte Dampf kann dann entweder als Wärmeträger im eigentlichen Vergasungsverfahren, z. B. zum Erwärmen der Edukte, oder aber zur Energieerzeugung in einer nachgeschalteten Turbine verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, den Wasserstrom in einen Kühlkreislauf als Kühlmittel einzuspeisen. U. U. ist eine weitere, nicht dargestellte Aufreinigung dieses Stroms notwendig.
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Über Leitung 37 wird der Strom mit dem mittleren Reinheitsgrad zur Ascheweiterverarbeitung 12 geführt und dient dort als Fluidisierungsmittel. Dadurch kann auf das Einbringen von Make-up-Wasser vollständig verzichtet werden. Ggf. kann auch bei diesem Strom in Leitung 37 eine weitere Wasseraufreinigung 38 vorgesehen werden.
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Über Leitung 36 wird schließlich derjenige Strom, der einen Großteil des Feststoffes mit sich führt, zurück in die Vergasung transportiert. Ist der Reaktor 10 als Festbettreaktor ausgestaltet, so empfiehlt es sich, den Feststoff führenden Strom von oben auf das Festbett aufzusprühen. So kann auf eine energieintensive und somit teure Trocknung des Feststoffes verzichtet werden. Zudem können so noch enthaltene Wertprodukte der Vergasung zugeführt werden.
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Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine Vergasung für Feststoffe bereitzustellen, bei dem keinerlei Abwässer anfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Leitung
- 10
- Vergasungsreaktor
- 11
- Leitung
- 12
- Ascheweiterbehandlung
- 13, 14
- Leitung
- 20
- Kühler
- 21, 22
- Leitung
- 23
- Trennvorrichtung
- 24
- Leitung
- 25
- Ammoniakrückgewinnung
- 26
- Leitung
- 30
- Wassernachbehandlung
- 31, 32
- Leitung
- 33
- Feststofftrocknung
- 34–37
- Leitung
- 38
- Wassernachbehandlung
- 40
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4107109 C1 [0006]
- DE 3515484 [0007]
- DE 3207779 A1 [0008]
- DD 147679 [0009]
- GB 2198744 A [0010]
- US 5586510 [0011]
