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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, mit einem Niedertemperaturvergaser und einem Hochtemperaturvergaser.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Verfahren und Anlagen zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischen 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 Kaltgaswirkungsgrad auf.
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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 unterstöchiometrisches Sauerstoffangebot und damit eine unvollständige Verbrennung bei vergleichsweise geringer Temperatur aus.
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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 Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist. Das Synthesegas kann an dieser Stelle auch als (Synthese-)Rohgas bezeichnet werden.
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In einer weiteren Stufe, beispielsweise in einer in dem Hochtemperaturvergaser integrierten oder in einer diesem nachgeschalteten Quencheinheit, kann das auf diese Weise erzeugte Synthesegas mit Koks aus dem Niedertemperaturvergaser in Kontakt gebracht werden. 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 (sogenannten chemischem Quench) wird letzteres auf eine Temperatur von beispielsweise 800°C bis 1200°C abgekühlt. Dies bewirkt auch eine teilweise Umsetzung des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid.
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Das auf diese Weise 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.
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Als Enstaubungseinrichtung wird beispielsweise ein Zyklon verwendet. In der Entstaubungseinrichtung wird der in der Quencheinheit teilweise abreagierte Koks (Restkoks) abgetrennt, und kann der Oxidationseinheit des Hochtemperaturvergasers wieder zugeführt werden. Im nachgeschalteten Gaswäscher wird der Synthesegasstrom mit einem Waschflüssigkeitsstrom in Kontakt gebracht, um unerwünschte Bestandteile des Synthesegasstroms in die Flüssigkeit aufzunehmen. Gereinigtes und konditioniertes Synthesegas wird anschließend der Anlage entnommen.
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In Anlagen gemäß dem Stand der Technik wird der in dem Entstauber anfallende Restkoks über Schleusensysteme in eine drucklose Atmosphäre ausgeschleust, und in dieser drucklosen Atmosphäre aufbereitet und transportiert. Über ein weiteres Schleusensystem erfolgt anschließend (wenigstens teilweise) die Einbringung dieses aufbereiteten Restkokses in die Druckatmosphäre z. B. der Oxidationseinheit. Diese Bereitstellung von mehreren Schleusensystemen erweist sich in der Praxis als aufwendig, da zusätzliche Vorrichtungen, welche eine relativ intensive Wartung benötigen, zur Verfügung gestellt werden müssen. Durch das Ausschleusen von Restkoks kommt es auch, wenn man die drucklose Atmosphäre, in welcher die Aufbereitung stattfindet, nicht entsprechend erwärmt, zu einer Abkühlung, sodass der in die Oxidationseinheit rückgeführte Restkoks zunächst wieder auf die Prozesstemperatur erwärmt werden muss. Hierdurch verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Anlage bzw. des Verfahrens insgesamt.
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Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen beim Betrieb entsprechender Anlagen, insbesondere nach einer Möglichkeit einer effektiveren Rückführung von Restkoks in den Hochtemperaturvergaser und/oder den Niedertemperaturvergaser.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Anlage zur zumindest teilweisen Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial, insbesondere von Biomasse, mit einem Niedertemperaturvergaser und einem Hochtemperaturvergaser mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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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 gewonnen, wie zuvor erläutert. Das Schwelgas wird anschließend in einem Hochtemperaturvergaser durch partielle Oxidation und anschließend teilweise Reduktion zu einem Synthesegas umgesetzt und stromab des Hochtemperaturvergasers in entsprechenden Aufbereitungseinrichtungen weiter aufbereitet.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Entstauber anfallender Restkoks nicht über ein Schleusensystem in eine drucklose Atmosphäre ausgeschleust, sondern in der Druckatmosphäre belassen und dort aufbereitet und transportiert wird. Hierdurch ist eine wesentliche Reduzierung der Anzahl der Schleusensysteme erzielbar, wodurch insgesamt eine Reduzierung des apparatetechnischen Aufwandes ermöglicht wird. Erfindungsgemäß wird die Sicherheit eines Verfahrens zur Vergasung von festem, organischem Einsatzmaterial gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht, da kein Ausschleusen und anschließendes Wiedereinschleusen von Restkoks in die Druckatmosphäre vorgesehen ist. Eine erfindungsgemäß eingesetzte Anlage weist weniger mechanisch bewegte Teile als herkömmliche Anlagen auf, und ist daher zuverlässiger. Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der im Entstauber anfallende bzw. entstehende Restkoks in heißem Zustand, beispielsweise bei 100°C bis 500°C, aufbereitet und transportiert wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht.
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Unter der ”im Wesentlichen gleichen Temperatur”, wie sie im Entstauber herrscht, wird insbesondere die gleiche Temperatur sowie auch eine Temperaturdifferenz von z. B. +–10°C, +–20°C, +–30°C, +–40°C, +–50°C oder +–100°C verstanden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise erfolgt in der Druckatmosphäre, in welcher der Restkoks nach dem Entstauber verbleibt, die Zuführung des Restkokses in den Hochtemperaturvergaser oder Niedertemperaturvergaser mittels pneumatischer Förderung. Bei einer derartigen pneumatischen Förderung kann auf mechanisch bewegte Teile weitgehend verzichtet werden, wodurch wiederum die Zuverlässigkeit der Anlage verbessert wird.
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Es wird bevorzugt, als Fördergas zur pneumatischen Förderung in der Druckatmosphäre Kohlendioxid zu verwenden, welches in einem dem Entstauber nachgeschalteten Gaswäscher aus dem zu waschenden Synthesegas abgetrennt wird. Da Kohlendioxid ein Inertgas darstellt, kann der Verbrauch an extern bereitzustellenden Inertgasen (z. B. Stickstoff) für eine derartige pneumatische Förderung signifikant verringert werden.
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Zweckmäßigerweise wird der Restkoks in einer in der Druckatmosphäre befindlichen Trenneinrichtung in eine Grob- und Feinfraktion aufgeteilt, wobei lediglich die Feinfraktion der Oxidationseinheit des Hochtemperaturvergasers zugeführt wird, da diese die zur nahezu vollständigen Umsetzung des im Reskoks enthaltenen Kohlenstoffs benötigte Feinheit besitzt. Es ist bevorzugt, dass die Grobfraktion des Restkokses aus der Druckatmosphäre ausgeschleust wird, und/oder nach Zerkleinerung mittels einer in der Druckatmosphäre vorgesehenen Zerkleinerungseinrichtung ein weiteres Mal der Trenneinrichtung zugeführt wird. Es ist bevorzugt, dass die Grobfraktion des Restkokses mittels einer in der Druckatmosphäre vorgesehenen Zerkleinerungseinrichtung zerkleinert und ein weiteres Mal der Trenneinrichtung zugeführt wird oder dem Niedertemperaturvergaser bzw. der Quencheinheit des Hochtemperaturvergasers zugeführt wird oder aus der Druckatmosphäre ausgeschleust wird. Durch die erneute Zuführung des Restkokses in den Niedertemperaturvergaser oder die Quencheinheit des Hochtemperaturvergasers wird der Restkoks mechanisch beansprucht und zerkleinert, so dass er nach erneuter Abtrennung in der Entstaubungseinheit schließlich der Oxidationseinheit des Hochtemperaturvergasers zugeführt werden kann. Es ist ferner in vorteilhafter Weise möglich, eine Speichereinrichtung zur Zwischenspeicherung von Restkoks in der Druckatmosphäre vorzusehen. Hierdurch kann ein schwankender Bedarf an Restkoks in einfacher Weise kompensiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, wobei das in der Trennvorrichtung anfallende Grobgut in einer Zerkleinerungseinrichtung zerkleinert wird, und
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2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, wobei das in der Trenneinrichtung anfallende Grobgut dem Niedertemperaturvergaser zugeführt wird, und
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3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, wobei das in der Trenneinrichtung anfallende Grobgut der Quencheinheit des Hochtemperaturvergasers zugeführt wird.
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4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, in schematischer Darstellung, wobei das in der Trenneinrichtung anfallende Grobgut aus der Druckatmosphäre ausgeschleust wird.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist eine Anlage dargestellt, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Anlage umfasst einen Niedertemperaturvergaser 1 und einen Hochtemperaturvergaser 2.
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In den Niedertemperaturvergaser 1 kann ein festes organisches Einsatzmaterial A, beispielsweise Biomasse wie Holz oder entsprechende Abfälle, wie zuvor erläutert, eingespeist werden. Der Niedertemperaturvergaser 1 ist zum Verschwelen des festen organischen Einsatzmaterials A eingerichtet. Hierzu kann der Niedertemperaturvergaser 1 extern, d. h. allotherm, beispielsweise auf 300 bis 600°C aufgeheizt werden. Die Bereitstellung der Wärme kann beispielsweise durch die Abwärme des Hochtemperaturvergasers 2 erfolgen. Des Weiteren kann der Niedertemperaturvergaser 1 auch autotherm, beispielsweise durch Teiloxidation des im festen organischen Einsatzmaterials A befindlichen Kohlenstoffes mit einem separat zugeführten Sauerstoff G aufgeheizt werden. Über eine Leitung 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 eine Quencheinheit 22. In der Oxidationseinheit 21 wird das Schwelgas B mit einem zugeführten sauerstoffhaltigen Gas H teilweise oxidiert, wodurch sich, Temperaturen von beispielsweise 1.400°C bis 2.000°C ergeben. In der Quencheinheit 22 wird das Synthesegas D mit Pyrolysekoks C aus dem Niedertemperaturvergaser 10 in Kontakt gebracht. Durch endotherme Reaktionen (sog. chemischer Quench) zwischen diesem Pyrolysekoks C und dem Synthesegas D wird letzteres beispielsweise auf eine Temperatur von 800°C bis 1200°C abgekühlt. Dies bewirkt auch eine teilweise Umsetzung von im Synthesegas D vorhandenem Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid.
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Das auf diese Weise erzeugte kohlenmonoxidreiche Synthesegas D wird anschließend in einer der Quencheinheit 22 nachgeschalteten Kühleinrichtung 3 beispielsweise auf eine Temperatur von 600 bis 800°C abgekühlt.
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Der Kühleinrichtung 3 nachgeschaltet sind eine Entstaubungseinrichtung 4, beispielsweise ein Zyklon, und ein Gaswäscher 5. Im nachgeschalteten Gaswäscher 5 wird der Synthesegasstrom mit einem Waschflüssigkeitsstrom in Kontakt gebracht, um unerwünschte Bestandteile des Synthesegasstroms in die Flüssigkeit aufzunehmen. Ausreichend gereinigtes und konditioniertes Synthesegas E kann anschließend der Anlage entnommen und nachgeschalteten Verfahren, beispielsweise zur Gewinnung von synthetischen Biokraftstoffen, zugeführt werden.
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Durch die in dem Gaswäscher 5 erfolgende Kontaktierung von kontaminiertem Synthesegas mit Waschflüssigkeit (beispielsweise Wasser oder Methanol) erhält man, neben dem gereinigten Synthesegas, eine kontaminierte Waschflüssigkeit, welche insbesondere Kohlendioxid enthält. Dieses Kohlendioxid wird bevorzugt aus der Waschflüssigkeit entfernt, beispielsweise durch Strippen und weiter verwendet, wie weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Eine entsprechende Regenerationseinheit (Stripper) kann in den Gaswäscher 5 integriert ausgebildet sein.
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In der Entstaubungseinrichtung 4 wird der in der Quencheinheit 22 teilweise abreagierte Koks, der sogenannte Restkoks E, abgetrennt und einer Einrichtung 6 zur Trennung, Klassierung, Förderung und Lagerung in einer druckaufgeladenen Atmosphäre (im Folgenden auch kurz als Druckatmosphäre 6 bezeichnet) zugeführt.
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Der in dieser Einrichtung 6 herrschende Druck weist beispielsweise einen höheren, mindestens aber den gleichen Druck auf, wie er in der Entstaubungseinrichtung oder im Hochtemperaturvergaser 1 herrscht.
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In der Einrichtung bzw. der Druckatmosphäre 6 sind eine Trenneinrichtung 61, pneumatische Fördereinrichtungen 62, 64, eine Speichereinrichtung 63 und eine Zerkleinerungseinrichtung 66 vorgesehen.
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Der in der Entstaubungseinrichtung 4 abgetrennte Restkoks E wird zunächst beispielsweise über eine mechanische Fördereinrichtung oder eine Freifallleitung der Trenneinrichtung 61 zugeführt, welche als Klassierer, insbesondere Sichter ausgebildet ist. Diese Zuführung von Restkoks E erfolgt unter einer leichten Erhöhung, mindestens aber unter Beibehaltung der Druckverhältnisse sowie unter Beibehaltung der Temperaturen, wie sie in der Entstaubungseinrichtung 4 herrschen. Es kommt hierbei also nicht, wie gemäß dem Stand der Technik, zu einem Ausschleusen in eine drucklose Atmosphäre und zu einer Abkühlung. Hierdurch kann auf aufwendige Schleuseneinrichtungen und Kühlsysteme verzichtet werden.
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In der Trenneinrichtung 61 wird der Restkoks in eine Grobfraktion K und eine Feinfraktion J unterteilt, wobei die Grobfraktion K in der der Trenneinrichtung 61 nachgeschalteten Zerkleinerungseinrichtung 66 zerkleinert und der Trenneinrichtung 61 erneut zugeführt wird. Auch die Zerkleinerungseinrichtung 66 arbeitet in einer druckaufgeladenen Atmosphäre und unter Beibehaltung der hohen Temperatur.
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Die Feinfraktion J wird mittels der pneumatischen Fördereinrichtungen 62 und 64, gegebenenfalls unter Zwischenspeicherung in der Speichereinrichtung 63, der Oxidationseinheit 21 des Hochtemperaturvergasers 2 zugeführt. Auch diese Zufuhr von Restkoks in die Oxidationseinheit 21 erfolgt unter den Bedingungen der Druckatmosphäre 6. Somit kann auch hier auf ein Schleusensystem verzichtet werden.
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Zweckmäßigerweise wird der Druck in der Einrichtung bzw. der Druckatmosphäre 6 so gewählt, dass sich stets ein positives Druckgefälle gegenüber dem Prozess in der Entstaubungseinrichtung 4 und dem Hochtemperaturvergaser 2 einstellt, und dadurch eine Strömung in Richtung der Entstaubungseinrichtung 4 bzw. des Hochtemperaturvergasers 2 erzeugt wird. Hierdurch kann vermieden werden, dass heiße toxische Gase aus dem System austreten, wodurch die Sicherheit der Anlage insgesamt verbessert wird.
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Wie bereits erwähnt, wird zur Förderung in der Druckatmosphäre 6 mittels der pneumatischen Fördereinrichtung 62 als Fördergas Kohlendioxid I, welches bei der Gaswäsche in dem Gaswäscher 5 entsteht bzw. aus dem Synthesegas entfernt wird, verwendet. Dieses Kohlendioxid I wird über eine Leitung 51 der Trenneinrichtung 61 bzw. den pneumatischen Fördereinrichtungen 62 und 64 zugeführt.
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 lediglich dadurch, dass die Grobfraktion K des Restkokses nicht in einer der Trenneinrichtung 61 nachgeschalteten Zerkleinerungseinrichtung 66 zerkleinert und der Trenneinrichtung 61 erneut zugeführt wird sondern in den Niedertemperaturvergaser 1 eingebracht wird. Dadurch wird die Grobfraktion K des Restkokses mechanisch beansprucht und zerkleinert. Anschließend wird der zerkleinerte Restkoks zusammen mit dem Pyrolysekoks C wieder der Quencheinheit 22 zugeführt und erneut in der Entstaubungseinrichtung 4 abgetrennt. Der in der Entstaubungseinrichtung 4 abgetrennte Restkoks E wird dadurch abermals der Trenneinrichtung 61 zugeführt und gelangt als Feinfraktion J des Restkokses in die Oxidationseinheit 21. Die in 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 lediglich dadurch, dass die Grobfraktion K des Restkokses nicht in einer der Trenneinrichtung 61 nachgeschalteten Zerkleinerungseinrichtung 66 zerkleinert und der Trenneinrichtung 61 erneut zugeführt wird sondern in die Quencheinheit 22 des Hochtemperaturvergasers 2 eingebracht wird. Dadurch reagiert die Grobfraktion K des Restkokses weiter ab und wird mechanisch beansprucht und zerkleinert. Anschließend wird der zerkleinerte Restkoks erneut in der Entstaubungseinrichtung 4 abgetrennt. Der in der Entstaubungseinrichtung 4 abgetrennte Restkoks E wird dadurch abermals der Trenneinrichtung 61 zugeführt und gelangt als Feinfraktion J des Restkokses in die Oxidationseinheit 21.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 lediglich dadurch, dass die Grobfraktion K des Restkokses nicht in einer der Trenneinrichtung 61 nachgeschalteten Zerkleinerungseinrichtung 66 zerkleinert und der Trenneinrichtung 61 erneut zugeführt wird sondern über ein Schleussystem 65 aus der Druckatmosphäre 6 ausgeschleust wird.
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Die in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen sind mit der Ausführungsform gemäß 1, sowie miteinander, kombinierbar.
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Beispielsweise ist es möglich, eine Zerkleinerungseinrichtung 66, wie sie in 1 dargestellt ist, vorzusehen, jedoch nur einen Teil der Restkoks-Grobfraktion der Zerkleinerungseinrichtung 66 zuzuführen. Ein weiterer Teil der Restkoks-Grobfraktion kann dann z. B. dem Niedertemperaturvergaser oder dem Hochtemperaturvergaser zugeführt oder ausgeschleust werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0745114 B1 [0004]
- DE 4139512 A1 [0004]
- DE 4209549 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kiener, C. und Bilas, I.: Synthetischer Biokraftstoff der zweiten Generation. Weltweit erste kommerzielle BTL-Produktionsanlage. Energy 2.0, Juli 2008, S. 42–44 [0003]
