DE102013017546A1

DE102013017546A1 - Verfahren und Anlage zur Vergasung von Einsatzmaterial

Info

Publication number: DE102013017546A1
Application number: DE201310017546
Authority: DE
Inventors: Jens Buschmann; Gerald Gaube; Thomas Heidrich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-23
Also published as: WO2015058837A1; US20160244327A1; EP3060632A1; CN105899647A; AU2014339350A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischen Einsatzmaterial mit einem Niedertemperaturvergaser (1), in dem durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas (B) aus einem festen organischen Einsatzmaterial (A) gewonnen werden kann, und einem Hochtemperaturvergaser (2) mit einer Oxidationseinheit (21) und einem endothermen Vergaser (22), wobei das Schwelgas (E) durch partielle Oxidation in der Oxidationseinheit (21) und anschließende teilweise Reduktion in dem endothermen Reaktor (22) zu einem Synthesegas (D) umgesetzt werden kann, wobei der endotherme Reaktor (22) eine in vertikale Richtung konisch sich erweiternde Form aufweist, welche auf wenigstens einer Höhe (H), insbesondere auf wenigstens zwei oder mehr unterschiedlichen Höhen (H), wenigstens einen Seitenabzug zum Abzug von unerwünschten Feststoffpartikeln aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, mit einem Niedertemperaturvergaser und einem Hochtemperaturvergaser.
Stand der Technik
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus festem organischem Einsatzmaterial, auch kurz als Vergasungsverfahren bezeichnet, sind bekannt. Vorteilhafterweise kommen als Einsatzmaterial für solche Verfahren Kohle oder Biomasse zum Einsatz. Bei Biomassevergasungsverfahren werden beispielsweise Alt- und Waldrestholz oder sogenannte Energiehölzer, aber auch Agrarreststoffe wie Stroh oder Häcksel verwendet.
Durch eine Vergasung von Biomasse zu Synthesegas mit nachgeschalteten Verfahrensschritten (sogenannte Biomass-to-Liquids-Verfahren, BTL) kann beispielsweise synthetischer Biokraftstoff gewonnen werden, der in seinen physikochemischen Eigenschaften bekannten Gas-to-Liquids-(GTL-) und Coal-to-Liquids-(CTL-)Kraftstoffen ähnlich ist. Ein Beispiel einer Anlage zur Herstellung von BTL-Kraftstoffen ist bei Kiener, C. und Bilas, I.: Synthetischer Biokraftstoff der zweiten Generation. Weltweit erste kommerzielle BTL-Produktionsanlage. Energy 2.0, Juli 2008, S. 42–44, gezeigt.
Verfahren und Anlagen zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial sind auch beispielsweise aus EP 0 745 114 B1 , DE 41 39 512 A1 und DE 42 09 549 A1 bekannt. Die vorliegende Anmeldung betrifft hierbei solche Verfahren bzw. Anlagen, die einen Niedertemperaturvergaser und einen Hochtemperaturvergaser aufweisen, wie nachfolgend erläutert. Gegenüber anderen Verfahren ermöglichen diese u. a. einen niedrigeren Verbrauch an Einsatzmaterial und weisen einen höheren Kaltgasswirkungsgrad auf.
In einem Niedertemperaturvergaser wird das Einsatzmaterial, beispielsweise Biomasse, durch Teilvergasung mit einem Vergasungsmittel bei Temperaturen zwischen ca. 300°C und 600°C zu Koks (im Fall von Biomasse sogenanntem Biokoks) und Schwelgas umgesetzt. Die Umsetzung wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”Schwelen” bezeichnet. Schwelen zeichnet sich bekanntermaßen durch ein unterstöchiometrisches Sauerstoffangebot und damit eine unvollständige Verbrennung bei vergleichsweise geringer Temperatur aus.
Das Schwelgas wird anschließend in eine Brennkammer des Hochtemperaturvergasers überführt und dort mit einem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise mit mehr oder weniger reinem Sauerstoff, aber auch mit Luft und/oder sauerstoffhaltigen Abgasen, z. B. aus Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren, partiell oxidiert. Durch diese Oxidation freiwerdende Wärme bewirkt einen Temperaturanstieg auf 1.200°C bis 2.000°C, beispielsweise 1.400°C. Bei derartigen Bedingungen werden in dem Schwelgas enthaltene Aromaten, Teere und Oxoverbindungen vollständig zersetzt. Hierdurch bildet sich ein Synthesegas, das im Wesentlichen nur noch aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf besteht. Das Synthesegas kann an dieser Stelle auch als (Synthese-)Rohgas bezeichnet werden.
In einer weiteren Stufe wird, beispielsweise in einer in dem Hochtemperaturvergaser integrierten oder in einer diesem nachgeschalteten Quencheinheit, das so erzeugte Synthesegas mit Koks aus dem Niedertemperaturvergaser in Kontakt gebracht. Der Koks kann zuvor gesondert (z. B. durch Mahlen und Sichten) aufbereitet und dann in die Quencheinheit eingebracht werden. Durch endotherme Reaktionen zwischen Koks und Synthesegas wird letzteres auf etwa 900°C abgekühlt. Dies bewirkt eine teilweise Umsetzung des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid.
Das so erzeugte kohlenmonoxidreiche Synthesegas kann anschließend weiter konditioniert werden. Die Konditionierung umfasst beispielsweise eine weitere Abkühlung, eine Entstaubung, eine Verdichtung und/oder die Abtrennung von Restkohlendioxid.
Bisher musste bei der Auswahl der Einsatzmaterialien darauf geachtet werden, dass der Anteil an festen und/oder inerten Fremdstoffen, beispielsweise Sand, einen gewissen Maximalwert nicht überschreitet, um sicherstellen zu können, dass keine übermäßige Akkumulation derartiger Fremdstoffe in dem Vergaser stattfindet. Bei der bisherigen Anlage war es notwendig, bei Feststellung einer zu großen Akkumulation derartiger Feststoffe den Vergaser abzustellen und diese Feststoffe manuell zu entfernen.
Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen beim Betrieb entsprechender Anlagen. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, derartige Anlagen mit geringeren Anforderungen an die Sandfreiheit der Einsatzstoffe betreiben zu können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Anlage und ein Verfahren zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischen Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht von einem bekannten Verfahren zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, beispielsweise Biomasse, aus. Aus dem Einsatzmaterial wird in einem Niedertemperaturvergaser durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas erzeugt. Das Schwelgas wird anschließend in einem Hochtemperaturvergaser durch partielle Oxidation und anschließend in einem endothermen Reaktor bzw. Vergaser, welcher als Teil des Hochtemperaturvergasers ausgebildet sein kann, durch partielle Oxidation und anschließende teilweise Reduktion zu einem Synthesegas umgesetzt. Erfindungsgemäß kann in einfacher Weise dafür gesorgt werden, dass im Synthesegas vorwiegend über den Pyrolysekoks eingebrachte feste (unerwünschte) Fremdstoffe aus dem Synthesegasstrom abgezogen werden können. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, weniger reine Einsatzstoffe zu verwenden. Insbesondere können weniger strenge Anforderungen an die Sandfreiheit (also Tolerierung von Einsatzstoffen mit entsprechend höheren Quarz- bzw. Siliziumanteilen) unter Vermeidung der Akkumulation derartiger Fremdstoffe und insbesondere der Schmelzphasenbildung von Alkalisilikaten toleriert werden.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Seitenabzüge lassen sich in konstruktiv einfacher Weise in einen endothermen Vergaser auf einer gewünschten Höhe bzw. gewünschten unterschiedlichen Höhen realisieren.
Vorteilhafterweise wird die wenigstens eine Höhe für einen Seitenabzug unter Berücksichtigung des Querschnitts des endothermen Reaktors auf dieser Höhe und einer sich hierdurch ergebenden Strömungsgeschwindigkeit des nach oben durch den endothermen Vergaser strömenden Synthesegases und einer festgestellten oder zu erwartenden Größe der abzuziehenden Fremdpartikel gewählt.
Insbesondere wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass beispielsweise unerwünschte (inerte) Sandpartikel eine durchschnittlich Partikelgröße (Partikeldurchmesser) aufweisen. Die Strömungsgeschwindigkeit des in dem endothermen Vergaser nach oben strömenden Synthesegases nimmt aufgrund der konischen Erweiterung des Vergasers nach oben hin ab. In einem unteren Bereich des endothermen Vergasers ist die durch die Strömung auf die Fremdpartikel wirkende (nach oben gerichtete) Kraft relativ groß, und übersteigt die Gewichtskraft der Partikel. Auf einer bestimmten Höhe des endothermen Vergasers gleichen sich diese beiden Kräfte aus, so dass es zu einer erhöhten Konzentration dieser unerwünschten Partikel auf dieser Höhe kommt. Zweckmäßigerweise wird ein Seitenabzug auf dieser Höhe vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Seitenaustrag mit einer Unterdruckpumpe, insbesondere einer Strahlpumpe, in Wirkverbindung steht. Mittels derartiger Unterdruckpumpen können unerwünschte Fremdstoffe in einfacher Weise aus dem endothermen Vergaser abgezogen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Anlage, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, und
2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Teils einer erfindungsgemäßen Anlage.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist eine Anlage dargestellt, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Anlage 10 umfasst einen Niedertemperaturvergaser 1 und einen Hochtemperaturvergaser 2.
In den Niedertemperaturvergaser 1 kann ein Einsatzmaterial A, beispielsweise Biomasse wie Holz oder entsprechende Abfälle, wie zuvor erläutert, eingespeist werden. Über eine Leitung 11 kann beispielsweise Sauerstoff eingespeist werden. Der Niedertemperaturvergaser 1 ist zum Verschwelen des festen organischen Einsatzmaterials A eingerichtet.
Über eine Leitung 12 kann aus dem Niedertemperaturvergaser 1 ein Schwelgas B ausgeleitet und in den Hochtemperaturvergaser 2 überführt werden. Der Hochtemperaturvergaser 2 ist zweiteilig ausgebildet. Er umfasst eine Oxidationseinheit 21 und einen endothermen Reaktor (Quencheinheit) 22. In der Oxidationseinheit 21 wird das Schwelgas B mit einem zugeführten sauerstoffhaltigen Gas teilweise oxidiert, wodurch sich, wie erläutert, Temperaturen von beispielsweise 1.400°C bis 2.000°C ergeben. Hierdurch wird ein Synthesegas erhalten, das mit C bezeichnet ist.
Über eine Fluidverbindung zwischen der Oxidationseinheit 21 und dem endothermen Reaktor/Vergaser 22 wird das Synthesegas C in den endothermen Reaktor 22 überführt. Dort wird vermahlener Koks, insbesondere Pyrolysekoks aus dem Niedertemperaturvergaser 1, eingeleitet. Eine Leitung, über welche Pyrolysekoks in den endothermen Reaktor eingeleitet wird, ist mit 23 bezeichnet. Durch die hierdurch ablaufenden endothermen Reaktionen kühlt sich die Gastemperatur in kurzer Zeit auf ca. 900°C ab, es tritt eine zumindest teilweise Reduktion ein.
Das erhaltene Gasgemisch D, das immer noch als (jetzt kohlenmonoxidreiches) Synthesegas bezeichnet wird, wird einem Kühler 3 zugeführt und dort beispielsweise auf eine Temperatur von 600°C abgekühlt. Das Synthesegas D kann anschließend in einem Zyklon 4 entstaubt werden. Das entstaubte Synthesegas E, im Rahmen dieser Anmeldung auch als ”von dem Synthesegas abgeleitetes Gasgemisch” bezeichnet, weist nun eine Temperatur von beispielsweise 500°C auf und kann in einem weiteren Kühler 6 abgekühlt werden. Es kann anschließend beispielsweise einer Kohlendioxidabtrenneinrichtung 7 zugeführt werden.
Stromab der Kohlendioxidabtrenneinrichtung 7 kann ein in dieser erhaltenes Gasgemisch beispielsweise in einem Verdichter 8 verdichtet werden.
Über eine Leitung 15 wird der Gasstrom aus der Anlage 10 ausgeleitet. Zur Gewährleistung eines ausreichenden Druckgefälles und damit der Vermeidung von Rückströmungen weist die Anlage 10 zweckmäßigerweise einen Druckregler 19 mit nicht dargestellten Stellern auf.
Der endotherme Reaktor (Quencheinheit) 22 weist eine sich nach oben konisch erweiternde Form auf, wie in 1 angedeutet und in 2 ausführlich dargestellt ist. Dieser endotherme Reaktor wird nun unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. Es sei angemerkt, dass die hier besprochenen Einzelheiten bei der Anlage gemäß 1 ebenfalls realisiert sein können.
Der in 1 mit C bezeichnete Synthesegasstrom wird, beispielsweise in einer nicht dargestellten Umlenkkammer, um 90 Grad nach oben, d. h. in die Vertikale umgelenkt. Das Synthesegas fließt somit im wesentlichen vertikal nach oben durch den sich nach oben konisch erweiternden endothermen Vergaser 22. Der zur Reduktion verwendete vermahlene Koks aus dem Niedertemperaturvergaser 1 wird beispielsweise im unteren Bereich 22a des endothermen Reaktors 22 beispielsweise über einen mit der Leitung 23 in Wirkverbindung stehenden Schneckenförderer (mittels Pfeil 23a symbolisch dargestellt) eingebracht. Dieser Pyrolysekoks reagiert in der beschriebenen Weise mit dem Synthesegas C, wobei die Partikelgröße der Pyrolysekokspartikel mit zunehmender Reaktion, also mit zunehmender Verweilzeit innerhalb des endothermen Vergasers 22, abnimmt (symbolisiert durch zwei schematisch dargestellte Partikel p, p').
Unerwünschte Fremdpartikel, wie etwa Sandkörner, welche vorwiegend über den Pyrolysekoks in den endothermen Reaktor eingetragen werden, sind jedoch inert und reagieren im wesentlichen nicht innerhalb des endothermen Reaktors 22, und behalten somit ihre Partikelgröße bei.
Im unteren Bereich 22a des endothermen Reaktors 22 werden diese Fremdpartikel aufgrund der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit des Rohsynthesegases nach oben mitgenommen. Aufgrund der konischen Erweiterung des endothermen Reaktors kommt es jedoch zu einer Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des Synthesegases, so dass innerhalb des Reaktors 22 eine Höhe H berechenbar und/oder bestimmbar ist, an der die Gewichtskraft der Fremdpartikel (Sandkörner) die nach oben gerichtete, durch die Strömung des Synthesegases vermittelte Kraft kompensiert. Auf dieser Höhe kommt es zu einer Ansammlung bzw. Aufkonzentration der Fremdpartikel.
Auf oder im Bereich dieser Höhe H ist der endotherme Vergaser mit einem Seitenabzug 25 ausgebildet. Der Seitenabzug 25 ist über eine Leitung (als Pfeil 26 symbolisiert) mit einer Strahlpumpe 28 verbunden. Als Pumpenmedium wird hier beispielsweise Wasser verwendet, welches über eine Leitung 29 in die Strahlpumpe eingebracht und diese über eine Leitung 30 verlässt. Durch den mittels der Strahlpumpe erzeugten Unterdruck werden die auf der Höhe H konzentrierten Partikel bzw. Fremdpartikel aus dem endothermen Reaktor abgezogen und mit den Wasser über die Leitung 30 aus dem System entfernt.
Es ist nicht vollständig zu vermeiden, dass mit den Fremdpartikeln auch ein geringer Anteil an Synthesegas sowie auch Pyrolysekokspartikel ausgetragen werden. Der Anteil hieran ist jedoch gegenüber dem Synthesegasanteil, der den endothermen Reaktor über die Leitung 24 verlässt, sehr gering. Die über die Leitung 30 ausgetragenen Stoffe können in geeigneter Weise voneinander getrennt, und gegebenenfalls dem System wieder zugeführt werden.
Die Strahlpumpe 28 führt zweckmäßigerweise einen Vollquench für den abgezogenen Massestrom durch. Durch Einstellung des durch die Strahlpumpe 28 erzeugten Unterdruckes kann die Menge des seitlich abgezogenen Massenstroms variabel eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Anlage kann bei Auftreten von Akkumulationen von inerten Feststoffpartikeln, wie beispielsweise Sand, ohne Betriebsunterbrechung durch entsprechende Betätigung der Strahlpumpe 28 weiterbetrieben werden. Insbesondere verhindert ein derartiger seitlicher Abzug eine Schmelzphasenbildung, wie etwa von Alkalisilikaten. Insgesamt sind erfindungsgemäß die Reinheitsforderungen an den Einsatzstoff der Vergasung signifikant vermindert.
Anstelle einer Strahlpumpe (Wasserstrahlpumpe) mit dem Treibmedium Wasser kann auch ein Strahlkompressor (Gasstrahlpumpe) mit einem Treibmedium wie etwa Dampf oder CO2 als Unterdruckpumpe verwendet werden.
Zur Verhinderung von Schmelzgasen können zusätzlich Additive, wie etwa Kaolin, Kalkstein oder Dolomit, in den endothermen Vergaser zugegeben werden. Das Gesamtgemisch kann dann wieder seitlich abgezogen werden, ohne dass sich klebrige Partikel bilden.
Ein seitlicher Abzug kann auch an vergleichbaren Flugstromreaktoren, die zum endothermen Quenchen dienen, vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0745114 B1 [0004]
DE 4139512 A1 [0004]
DE 4209549 A1 [0004]

Claims

Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischen Einsatzmaterial mit einem Niedertemperaturvergaser (1), in dem durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas (B) aus einem festen organischen Einsatzmaterial (A) gewonnen werden kann, und einem Hochtemperaturvergaser (2) mit einer Oxidationseinheit (21) und einem endothermen Vergaser (22), wobei das Schwelgas (E) durch partielle Oxidation in der Oxidationseinheit (21) und anschließende teilweise Reduktion in dem endothermen Reaktor (22) zu einem Synthesegas (D) umgesetzt werden kann, wobei der endotherme Reaktor (22) eine in vertikale Richtung konisch sich erweiternde Form aufweist, welche auf wenigstens einer Höhe (H), insbesondere auf wenigstens zwei oder mehr unterschiedlichen Höhen (H), wenigstens einen Seitenabzug zum Abzug von unerwünschten Feststoffpartikeln aufweist.
Anlage nach Anspruch 1, bei der die wenigstens eine Höhe (H) unter Berücksichtigung des Querschnitts des endothermen Reaktors (22) auf dieser Höhe und einer sich hieraus auf dieser Höhe ergebenden Strömungsgeschwindigkeit des nach oben strömenden Synthesegases und einer festgestellten oder zu erwartenden Größe der unerwünschten Feststoffpartikel gewählt wird.
Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Seitenabzug (25) mit einer Unterdruckpumpe (28) in Wirkverbindung steht.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckpumpe (28) als Strahlpumpe oder Strahlkompressor ausgebildet ist.
Verfahren zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischen Einsatzmaterial, wobei aus dem Einsatzmaterial in einem Niedertemperaturvergaser (1) durch Schwelen ein teerhaltiges Schwelgas gewonnen wird und das Schwelgas anschließend in einer Oxidationseinheit (21) eines Hochtemperaturvergasers (2) partiell oxidiert und anschließend in einem endothermen Reaktor (22) des Hochtemperaturvergasers (2) durch teilweise Reduktion zu einem Synthesegas (D) umgesetzt wird, wobei der endotherme Reaktor (22) eine in vertikale Richtung konisch sich erweiternde Form aufweist, wobei Synthesegas den endothermen Reaktor (22) im wesentlichen in vertikaler Richtung von unten nach oben durchströmt, und vorwiegend über den Pyrolysekoks in das Synthesegas eingetragene unerwünschte Festkörperpartikel über wenigstens einen auf einer Höhe (H) vorgesehenen Seitenabzug abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unerwünschten Feststoffpartikel mittels eines an dem Seitenabzug (25) bereitgestellten Unterdrucks aus dem endothermen Reaktor (22) abgezogen werden.