DE102012200221A1 - Producing a methane-rich gas, useful as fuel for fuel cell, comprises producing synthesis gas from biomass, and catalytic conversion of the synthesis gas enriched in hydrogen to form a methane-rich wet gas - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines methanreichen Gases.The present invention relates to a process for producing a methane-rich gas.
Zur langfristigen Deckung des kontinuierlich zunehmenden Weltenergiebedarfs, der von 1990 bis 2010 um ca. 40 % gestiegen ist, was insbesondere den Industrienationen anzulasten ist, werden global große Anstrengungen unternommen, die einerseits auf eine höhere Effizienz bei der Ausnutzung fossiler Energieträger und andererseits auf die Abwendung zum Beispiel von der Nuklearenergie oder von Systemen, deren Grundlage fossile Brennstoffe sind, hin zum Beispiel zu Systemen, die auf nachwachsenden Rohstoffen oder anderen regenerativen Energieträgern wie etwa Wind und Sonne basieren, setzen. In order to meet the continuously increasing global energy demand, which increased by about 40% between 1990 and 2010, which is particularly the case for industrialized nations, great efforts are being made globally, on the one hand to increase efficiency in the exploitation of fossil fuels and, on the other hand, to avert this For example, from nuclear energy or systems based on fossil fuels to, for example, systems based on renewable resources or other renewable energy sources such as wind and solar.
Neben der Endlichkeit der zur Verfügung stehenden fossilen Ressourcen wie etwa Öl oder Erdgas sind es ökologische (z. B. der Treibhauseffekt) und politische/finanzielle (z. B. eine weltweit ungleiche Verteilung) Gründe, die Alternativen zu diesen Ressourcen notwendig machen. Ein Beispiel hierfür ist das so genannte synthetische Erdgas (im Englischen als "synthetic natural gas" oder "substitute natural gas" bezeichnet), ein Erdgassubstitut, das auf der Grundlage von Kohle, insbesondere Braunkohle, oder Biomasse über Synthesegas hergestellt wird. Das synthetische Erdgas muss dabei dem natürlichen Erdgas in seiner Zusammensetzung und seinen Eigenschaften möglichst weitgehend entsprechen, so dass die technischen Anlagen, die herkömmlich ganz oder teilweise mit Erdgas betrieben werden, möglichst wenig umgerüstet werden müssen. In addition to the finite nature of available fossil resources such as oil or natural gas, there are environmental reasons (eg the greenhouse effect) and political / financial (eg a world-wide uneven distribution) reasons that make alternatives to these resources necessary. An example of this is the so-called synthetic natural gas ("synthetic natural gas" or "substitute natural gas"), a natural gas substitute that is produced on the basis of coal, especially lignite, or biomass via synthesis gas. The synthetic natural gas must correspond as closely as possible to the natural gas in its composition and its properties, so that the technical systems that are conventionally wholly or partially operated with natural gas, have to be converted as little as possible.
Die Erzeugung von synthetischem Erdgas aus Biomasse erfolgt herkömmlich in einem vielschichtigen Prozess, der sich in folgende vier Teilprozesse gliedern lässt: (a) Umwandlung (d. h. Vergasung (unter Sauerstoffmangel)) der Biomasse zu einem Synthesegas, (b) Reinigung des so erzeugten Synthesegases, (c) katalytische Umwandlung des gereinigten Synthesegases in ein methanreiches Gas und (d) Aufbereitung des so gewonnenen methanreichen Gases, das heißt Trocknung (H2O-Abscheidung) und CO2-Abtrennung.The production of synthetic natural gas from biomass is conventionally carried out in a multi-layered process which can be divided into the following four sub-processes: (a) conversion (ie gasification (under oxygen deficiency)) of the biomass to a synthesis gas, (b) purification of the synthesis gas thus produced, (c) catalytically converting the purified synthesis gas into a methane-rich gas; and (d) preparing the methane-rich gas so obtained, that is, drying (H 2 O deposition) and CO 2 separation.
Teilprozess (a) lässt sich folgendermaßen formulieren:
Gleichung (1) ist keine Reaktionsgleichung im engeren Sinne, da Edukte und Produkte nicht verschieden sind (zum Beispiel ist H2O auf beiden Seiten zu finden). Auch sind die Koeffizienten z, ai keine feststehenden Größen, sondern Variable, die voneinander, d. h. den Mengenverhältnissen, von den Reaktionsbedingungen etc. abhängen. Gleichung (1) besagt vielmehr, dass sich eine vorgegebene Menge an Biomasse (CHmOn) und Wasser (H2O) in die Komponenten auf der rechten Seite der Gleichung (1) umwandelt, wobei sowohl vor als auch nach der Reaktion (1) Wasser vorhanden ist; die Einzelreaktionen können Gleichung (1) nicht entnommen werden. Für Holz und typische Biomasse kann als grobe Orientierung ein Mittelwert von m = 1,44 und n = 0,66 angegeben werden. Equation (1) is not a reaction equation in the strict sense, since starting materials and products are not different (for example, H 2 O can be found on both sides). Also, the coefficients z, a i are not fixed quantities but variables which depend on each other, ie the proportions, on the reaction conditions, etc. Rather, equation (1) states that a given amount of biomass (CH m O n ) and water (H 2 O) converts to the components on the right side of equation (1), both before and after the reaction ( 1) water is present; the individual reactions can not be taken from equation (1). For wood and typical biomass, a mean value of m = 1.44 and n = 0.66 can be given as a rough orientation.
Während der Vergasung gehen die in naturbelassener Biomasse vorkommenden Schwefel-, Erdalkali- und Chlorkomponenten in gasförmige Verbindungen über. Asche, Koks sowie im Fall von Wirbelschichtvergasungsanlagen Bettmaterialpartikel befinden sich als Aerosole im Gasstrom. In Teilschritt (b) werden diese Partikel, insbesondere solche, die sich für die folgende Methanierung als problematisch erweisen, entfernt und Schwefel- und Alkaliverbindungen abgetrennt bzw. abgeschieden. During gasification, the sulfur, alkaline earth and chlorine components occurring in natural biomass are converted into gaseous compounds. Ash, coke and, in the case of fluidized bed gasification systems Bed material particles are present as aerosols in the gas stream. In sub-step (b), these particles, in particular those which prove to be problematic for the subsequent methanation, are removed and sulfur compounds and alkali compounds are separated off or precipitated.
Die Produkte des Teilprozesses (a) nach dem Gasreinigungsschritt bilden die Edukte des Teilprozesses (c):
Auch diese Gleichung ist keine Reaktionsgleichung im strengen Sinne, denn es ist unbekannt, welche chemischen Elemente, die die Edukte bilden, sich zu welchen Produkten verbinden. Anders formuliert, das Gasgemisch auf der linken Seite enthält ebenso wie das Gasgemisch auf der rechten Seite Wasser. Die Koeffizienten ai, bj sind daher wiederum keine feststehenden Größen, sondern Variable, die voneinander, d. h. den Mengenverhältnissen, von den Reaktionsbedingungen etc. abhängen. This equation too is not a reaction equation in the strict sense, for it is unknown which chemical elements that form the educts combine to which products. In other words, the gas mixture on the left side contains water as well as the gas mixture on the right side. The coefficients a i , b j are therefore again no fixed variables, but variables which depend on one another, ie on the proportions, on the reaction conditions, etc.
Die entscheidende chemische Reaktion (im strengen Sinne), die in Gleichung (2) enthalten ist, ist die oben erwähnte Methanierung, d. h. die Erzeugung von Methan gemäß einer der folgenden, gleichzeitig ablaufenden Gleichungen:
Eine weitere wichtige chemische Reaktion ist die so genannte, mit den chemischen Reaktionen (3), (4) gleichzeitig ablaufende Wasserstoff-Shiftreaktion:
Die chemischen Reaktionen (1)–(3) sind Gleichgewichtsreaktionen, wie es durch den Doppelpfeil "↔" angedeutet ist. Das bedeutet, dass das Gleichgewicht gemäß dem Prinzip von LeChatelier durch Zugabe von Edukten nach rechts und durch Zugabe von Produkten nach links verschoben werden kann.The chemical reactions (1) - (3) are equilibrium reactions, as indicated by the double arrow "↔". This means that the equilibrium can be shifted to the right by addition of educts and addition of products according to the LeChatelier principle.
Die durch die Gleichung (2) beschriebene Umsetzung hat daher den Nachteil, dass sie nicht vollständig im Sinne einer Stöchiometrie erfolgt, so dass Kohlenstoffdioxid (CO2) erst aus dem Rohgas abgetrennt werden muss, ehe das "reine Gas" – ein methanreiches Gas – als Austauschprodukt für Erdgas (synthetisches Erdgas) der gewünschten Verwertung zugeführt werden kann. The reaction described by equation (2) therefore has the disadvantage that it is not completely in the sense of a stoichiometry, so that carbon dioxide (CO 2 ) must first be separated from the raw gas before the "pure gas" - a methane-rich gas - as a substitute product for natural gas (synthetic natural gas) of the desired utilization can be supplied.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben beschriebene Verfahren dahingehend zu modifizieren, dass der Methananteil des Synthesegases (das gemäß der vorliegenden Erfindung daher allgemein als "methanreiches Gas" bezeichnet ist) erhöht und der Anteil an CO2 verringert, im Idealfall optimaler Randbedingungen gleich Null ist.It is therefore an object of the present invention to modify the method described above in such a way that the methane content of the synthesis gas (which is therefore generally referred to as "methane-rich gas" according to the present invention) increases and the proportion of CO 2 is reduced, ideally optimal boundary conditions is equal to zero.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.This object is solved by the features of claim 1. Further advantageous embodiments are defined in the subclaims.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Verfahren zur Erzeugung eines methanreichen Gases die Schritte (Teilprozesse) (a) Erzeugen von Synthesegas aus Biomasse und (b) Katalytisches Umwandeln des Synthesegases unter Anreicherung mit Wasserstoff, wodurch ein feuchtes methanreiches und kohlenstoffdioxidarmes Gas erzeugt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht hauptsächlich darin, dass durch die Anreicherung mit Wasserstoff die CO2-Emissionen reduziert werden. Darüber hinaus können die Anlagen zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid (CO2) kleiner und somit kostengünstiger ausgelegt werden. According to the present invention (claim 1), a method of producing a methane-rich gas comprises the steps of (sub-processes) (a) generating synthesis gas from biomass and (b) catalytically converting the synthesis gas under hydrogen enrichment, thereby producing a humid methane-rich and low-carbon gas becomes. The main advantage of this process is that enrichment with hydrogen reduces CO 2 emissions. In addition, the systems for the separation of carbon dioxide (CO 2 ) can be designed smaller and thus more cost-effective.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2) wird in Schritt (b) genau so viel Wasserstoff zugegeben, dass die bei der katalytischen Umwandlung stattfindende Methanierung stöchiometrisch abläuft. Dies ist die Optimierung des in Anspruch 1 definierten Verfahrens, wobei vorteilhafterweise auf eine Vorrichtung zur Abtrennung des Kohlenstoffdioxids gänzlich verzichtet werden kann. Die Menge pro Zeiteinheit des zugeführten Wasserstoffs kann entweder experimentell auf der Grundlage von Verfahrensdaten wie etwa der Art und Menge der zu vergasenden Biomasse, der zur Vergasung zugeführten Mengen an Sauerstoff, Wasserdampf etc., der zur Umwandlung eingesetzten Temperatur und dergleichen vorgegeben sein, also auf Erfahrungen beruhen, wobei die Temperatur konstant sein oder ein vorbestimmtes Profil durchlaufen kann. Alternativ kann die Menge pro Zeiteinheit des zugeführten Wasserstoffs geregelt sein, wie es gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 12) der Fall ist, wonach die Anreicherung des in dem feuchten methanreichen Gas enthaltenen Kohlenstoffdioxids Regelgröße einer Regelung ist. According to an advantageous aspect of the present invention (claim 2), in step (b) exactly enough hydrogen is added so that the methanation taking place during the catalytic conversion proceeds stoichiometrically. This is the optimization of the method defined in claim 1, wherein advantageously can be dispensed with a device for the removal of the carbon dioxide entirely. The amount per unit time of the supplied hydrogen can either be determined experimentally on the basis of process data such as the type and amount of biomass to be gasified, the amounts of oxygen, water vapor, etc. used for the gasification, the temperature used for the conversion and the like Experience based, the temperature can be constant or can go through a predetermined profile. Alternatively, the amount per unit time of the supplied hydrogen may be regulated, as is the case according to a further advantageous aspect of the present invention (claim 12), according to which the enrichment of the carbon dioxide contained in the moist methane-rich gas is controlled variable.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 3) ist der in Schritt (b) zugegebene Wasserstoff regenerativer Wasserstoff. Regenerativer Wasserstoff wird – nomen est omen – durch den Einsatz regenerativer oder erneuerbarer (Primär-)Energien gewonnen und daher aus der Sicht der Energiewirtschaft als sekundärer Energieträger bezeichnet, wobei erneuerbare Energien Energien aus Quellen sind, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Quelle beiträgt, wie etwa Windenergie, Solarenergie etc. Wichtig ist, dass Wasserstoff zur Speicherung von Energie verwendet werden kann. Ein Vorteil der Verwendung von Wasserstoff ist die Möglichkeit, ihn in Zeiten zu erzeugen, in denen große Primärenergiemengen vorhanden sind (Energiespitzen) und dann bis zu dem Zeitpunkt zu speichern, wo Energie benötigt wird, zum Beispiel im Sinne der vorliegenden Erfindung oder etwa als Brennstoff einer Brennstoffzelle. According to an advantageous aspect of the present invention (claim 3), the hydrogen added in step (b) is regenerative hydrogen. Regenerative hydrogen is - nomen est omen - obtained through the use of renewable or renewable (primary) energy and therefore from the point of view of the energy industry as a secondary energy sources, renewable energy sources are sources that either renew themselves at short notice or their use does not contribute to the depletion of the source, such as wind energy, solar energy, etc. It is important that hydrogen can be used to store energy. An advantage of using hydrogen is the ability to generate it at times when large amounts of primary energy are present (energy peaks) and then stored until the time when energy is needed, for example, for purposes of the present invention or as a fuel a fuel cell.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 4) wird der regenerative Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser gewonnen. Wasserstoff liegt in der Natur in einer Vielzahl von organischen und anorganischen Verbindungen vor. Eine sehr einfache Verbindung ist Wasser (H2O), das praktisch unbegrenzt vorhanden und einfach und gefahrenfrei zu handhaben ist. Daher ist es vorteilhaft, diese Verbindung als Ausgangsstoff zur Erzeugung von Wasserstoff zu verwenden, den Wasserstoff also unter Umwandlung von regenerativer elektrischer in chemische Energie elektrolytisch herzustellen gemäß: According to an advantageous aspect of the present invention (claim 4), the regenerative hydrogen is obtained by electrolysis of water. Hydrogen is present in nature in a variety of organic and inorganic compounds. A very simple compound is water (H 2 O), which is virtually unlimited and easy to handle and safe to handle. Therefore, it is beneficial to this To use compound as a starting material for the production of hydrogen, that is to produce the hydrogen electrolytically under conversion of regenerative electrical energy into chemical energy according to:
Das heißt, der vorteilhafte Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 4 definiert die Ausgangssubstanz, aus der der Wasserstoff gewonnen wird, während der vorteilhafte Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 3 bestimmt, dass die hierfür erforderliche Energie regenerativ ist.That is, the advantageous aspect of the present invention according to claim 4 defines the starting substance from which the hydrogen is recovered, while the advantageous aspect of the present invention according to claim 3 determines that the energy required for it is regenerative.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 5) wird das Wasser durch Trocknung des Synthesegases und/oder des feuchten methanreichen Gases gewonnen. Geht man von einer elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser aus, so ist es nicht nur verfahrenstechnisch und somit wirtschaftlich, sondern auch ökologisch vorteilhaft und sinnvoll, hierfür dasjenige Wasser zu verwenden, das aus der ohnehin erforderlichen Trocknung des Synthesegases und/oder des feuchten methanreichen Gases gewonnen wird. Unter Umständen kann es jedoch auch günstig oder gar erforderlich sein, zusätzlich weitere, externe Quellen zu verwenden. According to an advantageous aspect of the present invention (claim 5), the water is recovered by drying the synthesis gas and / or the wet methane-rich gas. Assuming an electrolytic production of hydrogen from water, it is not only procedurally and therefore economically, but also ecologically advantageous and useful to use for this purpose that water from the already required drying of the synthesis gas and / or the wet methane-rich gas is won. Under certain circumstances, however, it may also be favorable or even necessary to use additional, external sources.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 6) wird das Synthesegas durch Vergasung der Biomasse gewonnen. Dies hat den Vorteil, dass auf nachwachsende Rohstoffe zurückgegriffen wird. Grundsätzlich ebenso möglich, aber eben diesbezüglich nachteilig, ist die Vergasung von Kohle, wie sie früher zur Erzeugung von so genanntem Stadtgas praktiziert wurde.According to an advantageous aspect of the present invention (claim 6), the synthesis gas is obtained by gasification of the biomass. This has the advantage that renewable raw materials are used. Basically equally possible, but disadvantageous in this respect, is the gasification of coal, as it was previously practiced for the production of so-called city gas.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 7) ist der Vergaser zum Vergasen der Biomasse ein Wirbelschichtvergaser. According to an advantageous aspect of the present invention (claim 7), the gasifier for gasifying the biomass is a fluidized bed gasifier.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) ist der Wirbelschichtvergaser ein allotherm arbeitender Heatpipe-Reformer. Ein Heatpipe-Reformer ist ideal für die Erzeugung von Synthesegas geeignet, das methaniert werden soll. Der Grund hierfür ist die Möglichkeit, bei dem Verfahren das Verhältnis von Kohlenstoffmonoxid zu Wasserstoff über die Temperatur und / oder den Druck so beeinflussen zu können, dass es für die Methanierung optimal ist. Durch die druckaufgeladene Wirbelschicht muss das Synthesegas u. U. nicht weiter verdichtet werden, sondern kann nach einer Gasaufbereitung direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden. Zur Heatpipe-Reformer-Technologie sei zum Beispiel auf die
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 9) wird der bei der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff für die Vergasung der Biomasse genutzt. Der Sauerstoff kann genutzt werden, um im Reformer die Temperatur zu erhöhen und damit weniger Teere zu erzeugen oder eine oxidative Reduzierung vorhandener oder erzeugter Teere im Synthesegas zu erreichen. Die Prozessführung ist nicht streng autotherm. According to an advantageous aspect of the present invention (claim 9), the oxygen produced in the electrolysis is used for the gasification of the biomass. The oxygen can be used to increase the temperature in the reformer and thus to produce less tars or to achieve an oxidative reduction of existing or produced tars in the synthesis gas. The process management is not strictly autothermal.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 10) wird das Synthesegas vor der Trocknung gereinigt. Hierbei findet eine Entfernung derjenigen Verunreinigungen statt, die sich für die folgenden Teilprozesse des erfindungsgemäßen Verfahrens als problematisch erweisen. Dazu müssen im Gas vorhandene Partikel abgeschieden werden, zudem findet eine Abtrennung von Schwefel- und Alkaliverbindungen statt. According to an advantageous aspect of the present invention (claim 10), the synthesis gas is purified before drying. In this case, a removal of those impurities takes place, which prove to be problematic for the following sub-processes of the method according to the invention. For this purpose, particles that are present in the gas must be separated; in addition, a separation of sulfur and alkali compounds takes place.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung (Anspruch 11) wird das getrocknete Synthesegas vor der Anreicherung mit regenerativem Wasserstoff zwischengespeichert.According to an advantageous aspect of the present invention (claim 11), the dried synthesis gas is buffered prior to enrichment with regenerative hydrogen.
Die oben genannten Vorteile werden deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:The above advantages will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings. In the drawings are:
Das in
Wie es in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Vergasungsreaktor gasification reactor
- 1212
- Gasreinigungsvorrichtung Gas cleaning device
- 1414
- Erster Wasserabscheider First water separator
- 1616
- Zwischenspeicher cache
- 1818
- Methanierungsreaktor methanation
- 2020
- Zweiter Wasserabscheider Second water separator
- 22 22
- Elektrolyseeinheit electrolysis unit
- 2424
- Pumpe pump
- 2626
- Gasmotor gas engine
- 2828
- Generator generator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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