DE102013202713A1 - Producing synthesis gas, involves gasifying carbonaceous gasification material with oxygen-containing gasification agent, and introducing hot synthesis gas and water-containing coolant into evaporator and high-temperature heat exchanger - Google Patents

Producing synthesis gas, involves gasifying carbonaceous gasification material with oxygen-containing gasification agent, and introducing hot synthesis gas and water-containing coolant into evaporator and high-temperature heat exchanger Download PDF

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Abstract

Producing synthesis gas using a gasification agent, comprises: (a) gasifying a carbonaceous gasification material with an oxygen-containing gasification agent to obtain synthesis gas; (b) introducing hot synthesis gas and a water-containing coolant into an evaporator and a high-temperature heat exchanger; (c) performing a contactless heat transfer from the hot synthesis gas to the coolant; and (d) passing the superheated coolant through oxygen carrier materials for an oxygen removal from a structure and an oxygenation in the coolant. Producing synthesis gas using a gasification agent, comprises: (a) gasifying a carbonaceous gasification material with an oxygen-containing gasification agent to obtain synthesis gas; (b) introducing hot synthesis gas and a water-containing coolant having a mass flow rate, a temperature and a pressure into an evaporator and a high-temperature heat exchanger; (c) performing a contactless heat transfer from the hot synthesis gas to the coolant by thermal conduction, evaporation and superheating of the coolant; (d) passing the superheated coolant through oxygen carrier materials for an oxygen removal from a structure and an oxygenation in the coolant; and (e) introducing the oxygen-enriched coolant as a gasifying agent in a gasification reactor and repeating the steps (a)-(d). An independent claim is included for an apparatus comprising an oxygen reactor with moldings and/or beds of oxygen carrier materials, which are passed through with a cooling medium, where the oxygen is installed and removed oxygen in its structure, a gasification reactor connected to the oxygen reactor for the gasification of carbonaceous fuel with an oxygen-containing gasifying agent containing water vapor, and a steam generator and high-temperature heat exchanger for evaporating and superheating the water-containing coolant by heat transfer from the hot synthesis gas and with a discharge line for the superheated coolant to the oxygen reactor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Vergasungsverfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung der Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff. Als Vergasungsstoffe kommen kohlenstoffhaltige Brennstoffe, insbesondere Kohle bzw. Kohlenstäube, in Betracht.The invention relates to a high-temperature gasification process for the production of synthesis gas with integrated provision of the gasification agent water vapor and oxygen. Suitable gasifiers are carbonaceous fuels, in particular coal or carbon dust, into consideration.

Stand der TechnikState of the art

Bei den bekannten Verfahren der Vergasung werden kohlenstoffhaltige (C-haltige) Vergasungsstoffe mit Vergasungsmitteln, die Sauerstoff enthalten oder überwiegend aus Sauerstoff bestehen, bei hohen Temperaturen zu dem eigentlichen Vergasungsprodukt Rohgas und den Vergasungsrückständen Asche und Staub umgewandelt. Die Wahl des Vergasungsmittels bzw. des Vergasungsmittelgemischs ist abhängig von der in dem Vergasungsprozess zu erzielenden Gasqualität. Für ein H2-reiches Gas, bspw. ein Synthesegas für eine Methanisierung, wird als eine Komponente des Vergasungsmittels Wasserdampf eingesetzt.In the known processes of gasification, carbonaceous (C-containing) gasification substances with gasification agents containing oxygen or consisting predominantly of oxygen are converted at high temperatures to the actual gasification product raw gas and the gasification residues ash and dust. The choice of the gasification agent or of the gasification mixture is dependent on the gas quality to be achieved in the gasification process. For a H 2 -rich gas, for example a synthesis gas for methanation, steam is used as a component of the gasification agent.

Als Ausgangsstoffe (Vergasungsstoff) dienen feste Brennstoffe (z.B. Braunkohle, Steinkohle, Holz, Torf, Biomasse usw.), die mit Wasserdampf und Luft oder Sauerstoff bei höheren Temperaturen umgesetzt werden. Dabei entstehen neben CO und H2 noch andere Produkte wie CO2, Methan und höhersiedende Kohlenwasserstoffe, bei der Kohlevergasung auch H2S und COS, die durch zusätzliche Prozessschritte wie Destillation, Druckwäsche (zur Entfernung von CO2) usw. entfernt werden können. Üblicherweise erfordern diese Schritte eine vorherige Kühlung des Prozessgases, wobei dessen Abwärme anderweitig genutzt werden kann. So erfolgt die Bereitstellung des Vergasungsmittels Dampf in der Regel durch Dampferzeuger, die extern mit Fremdenergie betrieben werden.The starting materials (gasification) are solid fuels (eg lignite, hard coal, wood, peat, biomass, etc.), which are reacted with water vapor and air or oxygen at higher temperatures. Apart from CO and H 2 , other products such as CO 2 , methane and higher-boiling hydrocarbons are formed, as well as H 2 S and COS in coal gasification, which can be removed by additional process steps such as distillation, pressure washing (to remove CO 2 ). Usually, these steps require a prior cooling of the process gas, where its waste heat can be used elsewhere. Thus, the provision of the gasification agent steam usually takes place by steam generators that are operated externally with external energy.

Der Sauerstoff für die Vergasungsverfahren wird bisher üblicherweise in Luftzerlegungsanlagen erzeugt. Dabei werden verschiedene Verfahren angewendet, ein Ansatz ist die kryogene Destillation bei sehr niedrigen Temperaturen (Linde-Verfahren). Diese kryogenen Verfahren zur Sauerstofferzeugung sind auf Grund der notwendigen Verdichtung und Abkühlung (Verflüssigung) der Luft mit einem sehr hohen Bedarf an elektrischer Energie verbunden und verringern somit die Effizienz des Gesamtprozesses, für welchen der Sauerstoff bereitgestellt werden soll. Der Energiebedarf ist dabei abhängig von dem zu erzielenden Reinheitsgrad des Sauerstoffs.The oxygen for the gasification process is usually produced in air separation plants. Various methods are used, one approach being cryogenic distillation at very low temperatures (Linde method). These cryogenic processes for oxygen production are associated with a very high demand for electrical energy due to the necessary compaction and cooling (liquefaction) of the air and thus reduce the efficiency of the overall process for which the oxygen is to be provided. The energy requirement depends on the degree of purity of the oxygen to be achieved.

Eine weitere Gruppe von Luftzerlegungsverfahren beruht auf nicht-kryogenen Verfahren, wie bspw. der Luftzerlegung mit Hilfe von Molekularsieb-Absorbentien über das Verfahren der Druckwechseladsorbtion oder unter Verwendung von polymeren Membranen. Diese Verfahren funktionieren bei Umgebungstemperatur, weswegen ihr Energiebedarf wesentlich geringer ist als bei den kryogenen Verfahren. Diese Prozesse erfordern jedoch den Einsatz von sauberer und trockener Luft. Zudem ist die Anlagentechnik sehr aufwendig, wodurch auch die Investitionskosten für derartige Verfahren relativ hoch sind.Another group of air separation processes is based on non-cryogenic processes, such as air separation using molecular sieve absorbents via the pressure swing adsorption process or using polymeric membranes. These processes operate at ambient temperature, which is why their energy requirements are much lower than with cryogenic processes. However, these processes require the use of clean and dry air. In addition, the system technology is very expensive, whereby the investment costs for such methods are relatively high.

In der Erprobungsphase ist weiterhin der Einsatz von Membranen, welche für Sauerstoff nicht jedoch für Stickstoff durchlässig sind. Diese ermöglichen die Anreicherung von Sauerstoff in einem Gasvolumen.In the trial phase is still the use of membranes, which are permeable to oxygen but not for nitrogen. These allow the enrichment of oxygen in a gas volume.

Die DE 10 2005 025 345 A1 beschreibt ein Kraftwerk mit CO2-Rückführung, wobei in den Rückführungskreislauf des Kohlenstoffdioxids eine Gasabscheidungsmembran zur Sauerstoffanreicherung des Heißgases angeordnet ist. Durch die Anreicherung des Restgases mit Sauerstoff vor dessen Rückführung in die Brennkammer kann die Brenntemperatur und somit der Wirkungsgrad des Reaktors erhöht werden. Der Rückführungskreislauf des Kohlenstoffdioxids und insbesondere die Gebläse sind dabei hochtemperaturfest für Temperaturen bis 500°C ausgebildet. Durch die Zuführung von hocherhitztem Restgas an die Gasabscheidungsmembran wird vorteilhaft deren Wirkungsgrad und dadurch auch der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht.The DE 10 2005 025 345 A1 describes a power plant with CO 2 recycling, wherein in the return circuit of the carbon dioxide, a gas separation membrane for oxygen enrichment of the hot gas is arranged. By enriching the residual gas with oxygen before its return to the combustion chamber, the firing temperature and thus the efficiency of the reactor can be increased. The return cycle of the carbon dioxide and in particular the blower are designed high temperature resistant for temperatures up to 500 ° C. By supplying highly heated residual gas to the gas separation membrane advantageously their efficiency and thereby the efficiency of the overall process is increased.

Auch die WO 03/035223 A1 offenbart ein Verfahren zur Sauerstoffseparation und Energiegewinnung, wobei eine spezifisch sauerstoffleitende Membran zur Abscheidung von Sauerstoff aus einem Gasstrom genutzt wird. Dieser Sauerstoff wird anschließend einem überhitzten und unter Druck stehenden Dampfstrom zugeführt. Bei der teilweisen Kondensation dieses Dampfstroms wird Energie an ein Prozessfluid übertragen, dessen Siedetemperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des Dampfes liegt. Aus dem siedenden Prozessfluid wird anschließend Energie in Form von Antriebsenergie entnommen.Also the WO 03/035223 A1 discloses a method for oxygen separation and energy recovery wherein a specific oxygen-conducting membrane is used to separate oxygen from a gas stream. This oxygen is then fed to a superheated and pressurized vapor stream. In the partial condensation of this vapor stream energy is transferred to a process fluid whose boiling point is below the condensation temperature of the vapor. From the boiling process fluid energy is then extracted in the form of drive energy.

Mit der US 6,173,663 B1 wird ein Verfahren zur Verbrennung von Kohlestaub vorgestellt, bei dem der Staub zunächst mit einem sauerstoff-angereicherten Gas gemischt und dieses Gemisch anschließend gezündet wird. Die Anreicherung des Gases erfolgt dabei an einer Membran mit spezifischer Leitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen, an der einem zweiten Gasstrom Sauerstoff entzogen wird.With the US 6,173,663 B1 A method for burning coal dust is presented in which the dust is first mixed with an oxygen-enriched gas and this mixture is then ignited. The enrichment of the gas takes place on a membrane with specific conductivity for oxygen ions, at which a second gas stream oxygen is removed.

In der US 5,964,922 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gasstroms mit definiertem Sauerstoff und Dampfanteil offenbart, wobei einem erhitzten Gasstrom an einer ersten Seite einer Membran zur Sauerstoffabscheidung Sauerstoff entzogen wird. An einer zweiten Seite der Membran wird dieser Sauerstoff einem Dampfstrom zugesetzt und so ein Gasstrom enthaltend Dampf und Sauerstoff erzeugt. Ein erster Teil dieses Gemischs wird direkt einem Sauerstoff-konsumierenden Prozess zugeführt. Einem zweiten Teil des Stroms wird mittels Kondensation Wasser entzogen. Der so erzeugte sauerstoffhaltige Strom wird mit dem ersten Teil des Gemischs vermengt, um das Verhältnis von Sauerstoff zu Dampf gezielt einstellen zu können.In the US 5,964,922 A discloses a process for producing a gas stream having defined oxygen and vapor content, wherein oxygen is withdrawn from a heated gas stream at a first side of an oxygen scavenging membrane. On a second side of the membrane is this oxygen is added to a vapor stream to produce a gas stream containing vapor and oxygen. A first part of this mixture is fed directly to an oxygen-consuming process. A second part of the stream is deprived of water by condensation. The oxygen-containing stream thus produced is mixed with the first part of the mixture in order to be able to set the ratio of oxygen to steam in a targeted manner.

Die DE 10 2008 010 928 A1 nennt einen Prozess zur Verbrennung kohlehaltiger Stoffe zur Energiegewinnung, wobei die Verbrennung in einer sauerstoffreichen Atmosphäre erfolgt, die zuvor mittels einer sauerstoff-abscheidenden Membran erzeugt wurde. Um den Wirkungsgrad der Membran zu erhöhen, ist diese dabei in oder über dem Verbrennungsraum angeordnet, um die Prozesswärme zu nutzen. Eine Optimierung des zentralen Verbrennungsprozesses wird dabei lediglich über die Bereitstellung des zusätzlichen Sauerstoffs erreicht. Zusätzliche Maßnahmen zur gezielten Einstellung der Reaktionsbedingungen an der Membran werden in der Schrift nicht erwähnt.The DE 10 2008 010 928 A1 refers to a process for burning carbonaceous materials for energy production, where the combustion takes place in an oxygen-rich atmosphere, which was previously generated by means of an oxygen-separating membrane. In order to increase the efficiency of the membrane, this is arranged in or above the combustion chamber in order to use the process heat. An optimization of the central combustion process is achieved only by providing the additional oxygen. Additional measures for targeted adjustment of the reaction conditions on the membrane are not mentioned in the document.

Ebenfalls bekannt sind Verfahren, bei denen Sauerstoff-bindende Festkörper zunächst in einer sauerstoffreichen Atmosphäre beladen werden und den gebundenen Sauerstoff in einem zweiten Schritt an eine sauerstoffarme Atmosphäre abgeben.Also known are processes in which oxygen-binding solids are first loaded in an oxygen-rich atmosphere and release the bound oxygen in a second step to a low-oxygen atmosphere.

So beschreibt die AU 2006 2008 24 A1 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines sauerstoffangereicherten und nahezu stickstofffreien Gasstroms für einen Prozess mit Sauerstoffverbrauch. Dabei wird ein sauerstoffspezifischer Reaktor aus Perowskitmaterialien zunächst bei Temperaturen über 300°C mit Luft durchströmt, wobei in den Reaktor Sauerstoff eingebaut wird. Anschließend wird das sauerstoffarme Gasprodukt des zentralen Reaktionsprozesses durch den Reaktor geleitet und dort mit Sauerstoff angereichert. Dieser Gasstrom wird anschließend erneut dem Zentralprozess zugeführt, wobei sein relativer Stickstoffanteil und somit die Menge im Zentralprozess gebildeter Stickstoffverbindungen vorteilhaft reduziert sind. Das Verfahren soll so die Bereitstellung von Wärme unter Rezyklation des im Zentralprozess entstehenden Gasprodukts ermöglichen.That's how it describes AU 2006 2008 24 A1 an apparatus and method for providing an oxygen-enriched and nearly nitrogen-free gas stream for a process with oxygen consumption. In this case, an oxygen-specific reactor of Perowskitmaterialien is first flowed through at temperatures above 300 ° C with air, wherein oxygen is incorporated into the reactor. Subsequently, the oxygen-poor gas product of the central reaction process is passed through the reactor where it is enriched with oxygen. This gas stream is then fed again to the central process, wherein its relative nitrogen content and thus the amount of nitrogen compounds formed in the central process are advantageously reduced. The process should thus enable the provision of heat with recycle of the gas product produced in the central process.

Die US 2010/029997 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsmittel, wobei ein sauerstoff-angereicherter Festkörper durch Kontaktierung mit einem Trägergas dessen Sauerstoffanteil erhöht und das so sauerstoff-angereicherte Trägergas anschließend zur Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Vergasungsmittels genutzt wird. Das dabei entstehende Synthesegas wird anschließend zunächst entspannt, wobei eine Energieentnahme aus dem System möglich ist, und anschließend ebenfalls dem sauerstoff-angereicherten Feststoff zugeführt, um weitere Reaktionen, bspw. von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zu katalysieren. Der dabei reduzierte Feststoff wird anschließend mit einem Luftstrom kontaktiert, um erneut einen maximalen Sauerstoffgehalt zu erreichen. Der Einsatz eines Wärmeübertragers wird in der Schrift nicht explizit beschrieben.The US 2010/029997 A1 describes a process for the production of synthesis gas by gasification of carbonaceous gasification agents, wherein an oxygen-enriched solid by contacting with a carrier gas increases its oxygen content and the oxygen-enriched carrier gas is then used for gasification of a carbonaceous gasification agent. The resulting synthesis gas is then initially depressurized, whereby an energy withdrawal from the system is possible, and then also fed to the oxygen-enriched solid to catalyze further reactions, eg. From carbon monoxide to carbon dioxide. The reduced solid is then contacted with an air stream to again reach a maximum oxygen content. The use of a heat exchanger is not explicitly described in the document.

Zusammengefasst erfordert die Bereitstellung des Vergasungsmittels üblicherweise einen hohen Energiebedarf und/oder einen hohen apparatetechnischen Aufwand und/oder umfangreiche Mess- und Regelungstechnik und/oder hohe Investitionskosten.In summary, the provision of the gasification agent usually requires a high energy requirement and / or a high apparatus-technical effort and / or extensive measurement and control technology and / or high investment costs.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Vergasungsprozess vorzuschlagen in den die Bereitstellung des Vergasungsmittels integriert ist und keine oder lediglich geringe energetische oder apparatetechnische Zusatzinvestitionen erfordert. Der Prozess soll weiterhin einfach zu regeln und langzeitstabil in der Durchführung sein.The object of the invention is to propose a gasification process in which the provision of the gasification agent is integrated and requires no or only low energy or technical equipment additional investments. The process should continue to be easy to control and long-term stability in the implementation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels, aufweisend die Prozessschritte

  • a) Vergasung von kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffen zu Syntheserohgas mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel enthaltend Wasserdampf,
  • b) Einleiten des heißen Syntheserohgases sowie eines wasserhaltigen Kühlmittels des Massestroms m, der Temperatur T und des Drucks p in einen Verdampfer und Hochtemperatur-Wärmeübertrager,
  • c) darin kontaktfreier Wärmeübergang vom heißen Syntheserohgas auf das Kühlmittel durch Wärmeleitung, dadurch Verdampfung und Überhitzung des Kühlmittels,
  • d) Über- und/oder Durchleiten des überhitzten Kühlmittels durch Sauerstoffträgermaterialien, Sauerstoffausbau aus deren Gefüge und Sauerstoffanreicherung im Kühlmittel,
  • e) Einleitung des sauerstoffangereicherten Kühlmittels als Vergasungsmittel in einen Vergasungsreaktor und Wiederholung der Schritte a) bis d).
According to the invention, the object is achieved by a method for producing synthesis gas with integrated provision of the gasification agent, comprising the process steps
  • a) gasification of carbonaceous gasification materials to synthesis gas with an oxygen-containing gasification agent containing water vapor,
  • b) introducing the hot synthesis raw gas and a water-containing coolant of the mass flow m, the temperature T and the pressure p into an evaporator and high-temperature heat exchanger,
  • c) therein non-contact heat transfer from the hot synthesis gas to the coolant by heat conduction, thereby evaporation and overheating of the coolant,
  • d) passing and / or passing the superheated coolant through oxygen carrier materials, oxygen removal from their microstructure and oxygen enrichment in the coolant,
  • e) introducing the oxygen-enriched coolant as a gasification agent into a gasification reactor and repeating steps a) to d).

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur integrierten Bereitstellung des Vergasungsmittels, enthaltend Wasserdampf und Sauerstoff, bei der Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoffe zu Syntheserohgas. Bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigen Vergasungsmitteln entsteht heißes Syntheserohgas mit Temperaturen von über 800°C, bevorzugt über 900°C, besonders bevorzugt über 1000°C. Erfindungsgemäß tritt dieses über einen Rohgasabzug aus dem Vergasungsreaktor und wird in einen Dampferzeuger und Hochtemperatur-Wärmeübertrager eingeleitet.The invention relates to a process for the integrated provision of the gasification agent, comprising water vapor and oxygen, in the production of synthesis gas by gasification of carbonaceous gasification materials to synthesis gas. In the gasification of carbonaceous gasification hot synthesis gas is produced at temperatures of about 800 ° C, preferably above 900 ° C, more preferably above 1000 ° C. According to the invention this occurs over a Crude gas from the gasification reactor and is introduced into a steam generator and high-temperature heat exchanger.

In den Dampferzeuger wird weiterhin ein wasserhaltiges Kühlmittel des Massestroms m, der Temperatur T und des Drucks p eingeleitet. Im Dampferzeuger wird das Kühlmittel, bevorzugt Wasser, durch Wärmeübertragung vom Rohgas verdampft, ohne mit diesen in direkten Kontakt zu kommen. Der Wärmeübergang findet bevorzugt mittels Wärmeleitung an durch den Verdampfer und Hochtemperatur-Wärmeübertrager gebildeten Grenzschichten statt. Im Hochtemperatur-Wärmeübertrager findet anschließend durch weiteren kontaktfreien Wärmeübergang eine Überhitzung des Kühlmediums statt. Die Verdampfung und Überhitzung können dabei sowohl einstufig, in einer Prozessstufe, oder zweistufig erfolgen.In the steam generator, a water-containing coolant of the mass flow m, the temperature T and the pressure p is further introduced. In the steam generator, the coolant, preferably water, evaporated by heat transfer from the raw gas, without coming into direct contact with them. The heat transfer preferably takes place by means of heat conduction to boundary layers formed by the evaporator and high-temperature heat exchanger. In the high-temperature heat exchanger then takes place by further contact-free heat transfer overheating of the cooling medium. The evaporation and overheating can take place both in one stage, in one process stage, or in two stages.

Anschließend wird das überhitzte Kühlmittel, insbesondere Wasserdampf, über- oder durch Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien, die Sauerstoff in ihr Gefüge ein- und ausbauen können, geleitet. Die Sauerstoffträgermaterialien befinden sich bevorzugt in einem Sauerstoffreaktor. Der Sauerstoffein- und -ausbau ist dabei ein temperaturabhängiger Prozess, wobei der Sauerstoffausbau bei materialabhängigen, erhöhten Temperaturen erfolgt, bevorzugt bei Temperaturen über 300°C, besonders bevorzugt über 500°C. Die für den Sauerstoffausbau notwendigen Temperaturen werden in den Sauerstoffträgermaterialien erfindungsgemäß durch Wärmeübergang vom überhitzen Kühlmittel eingestellt. Da Kühlmittel und Sauerstoffträgermaterialien dabei in direktem Kontakt stehen, können zu diesem Wärmeübergang Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung beitragen. Aufgrund der erhöhten Temperaturen bauen die Sauerstoffträgermaterialien Sauerstoff aus ihrem Gefüge aus und reichern diesen im strömenden Kühlmittel an.Subsequently, the superheated coolant, in particular water vapor, passed over or through moldings or beds of oxygen carrier materials, which can put oxygen in their structure and expand. The oxygen carrier materials are preferably in an oxygen reactor. The oxygen input and output is a temperature-dependent process, wherein the oxygen removal takes place at material-dependent, elevated temperatures, preferably at temperatures above 300 ° C, more preferably above 500 ° C. The temperatures necessary for the oxygen expansion are set in the oxygen carrier materials according to the invention by heat transfer from the superheated refrigerant. Since coolant and oxygen carrier materials are in direct contact, heat conduction, convection and thermal radiation can contribute to this heat transfer. Due to the elevated temperatures, the oxygen carrier materials expand oxygen from their microstructure and accumulate it in the flowing coolant.

So angereichert verlässt das Kühlmittel, insbesondere Wasserdampf, die Sauerstoffträgermaterialien und wird als Vergasungsmittel in den Vergasungsreaktor eingeleitet, wo es mit kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffen reagiert und diese wiederrum zu Syntheserohgas umgesetzt werden. Im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung handelt es sich bei dem Kühlmittel somit bevorzugt um eine wasserhaltige Lösung, die Enthalpie aus dem heißen Rohgas aufnimmt. Durch die Zusammenführung von dem Kühlmittel des Massestroms m und dem aus den Sauerstoffträgermaterialien ausgebauten Sauerstoff mit dem Massestrom mO2 wird das Vergasungsmittel für den Vergasungsprozess gebildet.Thus enriched leaves the coolant, especially water vapor, the oxygen carrier materials and is introduced as a gasification agent in the gasification reactor, where it reacts with carbonaceous gasification materials and these are in turn converted to synthesis gas. In the context of this description of the invention, the coolant is thus preferably a water-containing solution which absorbs enthalpy from the hot raw gas. By the combination of the coolant of the mass flow m and the oxygen removed from the oxygen carrier materials with the mass flow m O2 , the gasification agent for the gasification process is formed.

Durch die Wiederholung dieser Prozessschritte ergibt sich ein Vergasungsprozess mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels, wobei vorteilhaft die Wärme des Rohgases zur Erzeugung eines Vergasungsmittels, enthaltend Wasserdampf und Sauerstoff, nutzbar ist. Durch die Verwendung von Wasserdampf als Vergasungsmittel kann vorteilhaft eine autotherme Durchführung des Verfahrens sowie ein hoher Wasserstoffgehalt des Syntheseprodukts gewährleistet werden.By repeating these process steps results in a gasification process with integrated provision of the gasification agent, wherein advantageously the heat of the raw gas for producing a gasification agent containing water vapor and oxygen, is available. The use of steam as a gasification agent can advantageously ensure an autothermal performance of the process and a high hydrogen content of the synthesis product.

Somit ergeben sich für die Bereitstellung des gasförmigen Vergasungsmittels vorteilhaft keine energetischen Mehrkosten, da die Restwärme des heißen Syntheserohgases vorteilhaft zur Verdampfung und Überhitzung eines wasserhaltigen Kühlmittels und zum Ausbau von Sauerstoff aus einer Funktionskeramik genutzt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Rohgas vor seiner Weiterverarbeitung, bspw. durch Gas-Reforming, Fischer-Tropf-Synthese etc., ohnehin gekühlt werden müsste.Thus, there are advantageously no additional energy costs for the provision of the gaseous gasification agent, since the residual heat of the hot synthesis gas is advantageously used to evaporate and overheat a water-containing coolant and to remove oxygen from a functional ceramic. It should be noted that the raw gas before its further processing, for example. By gas reforming, Fischer drip synthesis, etc., would have to be cooled anyway.

Weiterhin vorteilhaft, kann das erfindungsgemäße Vergasungsverfahren mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels, nahezu autark gefahren werden, da als Regelgrößen nur wenige Prozess- und Betriebsparameter eingestellt werden müssen, um einen konstanten Vergasungsprozess zu gewährleisten.Further advantageous, the gasification process according to the invention with integrated provision of the gasification agent can be driven almost autonomously, since only a few process and operating parameters have to be set as controlled variables in order to ensure a constant gasification process.

Besonders bevorzugt werden die Betriebsparameter des zugeleiteten Kühlmittels, insbesondere Temperatur T, Druck p und Massestrom m, am Eintritt in den Verdampfer so gewählt bzw. festgelegt, dass mit der Abkühlung des Brenngases und der Enthalpieaufnahme im in diesem genau die Parameter eingestellt werden, welche für den Vergasungsprozess benötigt werden. Dabei sind vor Allem die Temperatur, der Druck, der Massestrom und das H2O/O2-Verhältnis im Vergasungsmittel ausschlaggebend für den Umsatzgrad im Vergasungsverfahren.Particularly preferably, the operating parameters of the supplied coolant, in particular temperature T, pressure p and mass flow m, selected or fixed at the inlet to the evaporator, that are set with the cooling of the fuel gas and the Enthalpieaufnahme in this exactly the parameters which for the gasification process are needed. Above all, the temperature, the pressure, the mass flow and the H 2 O / O 2 ratio in the gasification agent are decisive for the degree of conversion in the gasification process.

Die wichtigste Regelungsgröße ist somit der dem Gesamtprozess zugeführte Massestrom m an Kühlmittel, insbesondere Wasser, der dem im Vergasungsprozess konstant zugeführten Strom an Vergasungsstoffen m‘ angepasst ist und während der Verdampfung, Überhitzung und Sauerstoffanreicherung erhalten bleibt. Ob und inwiefern eine Korrosion der keramischen Werkstoffe im Wärmeübertrager und Sauerstoffreaktor durch das Kühlmittel erfolgt ist noch nicht abschließend geklärt, der Einfluss auf den Kühlmittel-Massestrom wäre jedoch marginal.The most important control variable is thus the mass flow m of coolant supplied to the overall process, in particular water, which is adapted to the stream of gasification substances m 'constantly supplied in the gasification process and is maintained during evaporation, superheating and oxygen enrichment. Whether and to what extent corrosion of the ceramic materials in the heat exchanger and oxygen reactor by the coolant has not yet been conclusively clarified, but the influence on the coolant mass flow would be marginal.

Die Temperatur T des zugeführten Kühlmittels ist so gewählt, dass mittels der vom Rohgas aufgenommen Wärme und ohne zusätzliche Energiezufuhr Sauerstoff aus dem Gefüge des Sauerstoffträgermaterials ausgebaut und im Kühlmittel angereichert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Vergasungsprozess und damit die Temperatur des Syntheserohgases aufgrund der Inhomogenität der organischen Vergasungsstoffe Schwankungen unterliegen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass durch den nachfolgenden Wärmeübergang vom Kühlmittel, insbesondere Wasserdampf, an die Festbettschüttung eine Abkühlung des Dampfstroms erfolgt. Die Austrittsparameter des Wasserdampfes aus dem Hochtemperatur-Wärmeübertrager sind daher bevorzugt so eingestellt, dass es bei den nachfolgenden Prozessschritten, insbesondere beim Über- oder Durchströmen des Sauerstoffträgermaterials mit dem Kühlmittel, insbesondere Wasserdampf, nicht zur Unterschreitung von dessen Kondensationspunktes kommt. Das Kühlmittel, insbesondere Wasserdampf, sollte somit am Austritt des O2-Reaktors überhitzt oder zumindest als Sattdampf vorliegen.The temperature T of the supplied coolant is selected so that by means of the heat absorbed by the raw gas and without additional energy supply oxygen is removed from the structure of the oxygen carrier material and enriched in the coolant. It should be noted that the gasification process and thus the temperature of the raw synthesis gas due to the inhomogeneity of the organic gasification materials Are subject to fluctuations. Furthermore, it should be noted that the subsequent heat transfer from the coolant, in particular water vapor, to the fixed bed bed causes a cooling of the steam flow. The outlet parameters of the water vapor from the high-temperature heat exchanger are therefore preferably adjusted so that it does not fall below its condensation point in the subsequent process steps, in particular when flowing over or through the oxygen carrier material with the coolant, in particular water vapor. The coolant, in particular water vapor, should thus be overheated at the outlet of the O 2 reactor or at least present as saturated steam.

Wenn der Vergasungsprozess unter Druck abläuft, ist der Vergasungsdruck bzw. der zur Vergasung notwendige Druck p‘ des Vergasungsmittels eine weitere Zielgröße. Der Druck des Kühlmittels beim Einleiten in den Verdampfer p wird somit unter Berücksichtigung der Druckverluste am Verdampfer, Wärmeübertrager, Sauerstoffreaktor und an weiteren Einbauten, wie Rohrleitungen etc., so eingestellt, dass das Kühlmittel im Vergasungsreaktor bzw. im Vergasungsmittel mit einem Partialdruck vorliegt, der dem für den Vergasungsprozess notwendigen Druck p‘ entspricht.When the gasification process is under pressure, the gasification pressure or the pressure p 'of the gasifying agent necessary for the gasification is another target value. The pressure of the coolant when introduced into the evaporator p is thus adjusted taking into account the pressure losses at the evaporator, heat exchanger, oxygen reactor and other internals, such as pipelines, etc., that the refrigerant in the gasification reactor or in the gasification agent is present at a partial pressure, the corresponds to the pressure required for the gasification process p '.

Vorteilhaft kann somit durch die Einstellung der Betriebsparameter Druck p, Temperatur T und Massestrom m des Kühlmittels bei der Einspeisung weitgehend sichergestellt werden, dass der im Reduktionzyklus das Sauerstoffträgermaterial verlassende Strom aus Kühlmittel und ausgebautem Sauerstoff in seiner Zusammensetzung, insbesondere in seinem Sauerstoff-Wasserdampf-Verhältnis, dem Vergasungsmittel für die thermochemische Umsetzung von festen Brennstoffen im Vergasungsreaktor entspricht.Advantageously, the setting of the operating parameters pressure p, temperature T and mass flow m of the coolant during the feed can thus advantageously ensure that the stream of coolant and oxygen removed in the reduction cycle leaves the oxygen carrier material in its composition, in particular in its oxygen / water vapor ratio which corresponds to gasification agent for the thermochemical conversion of solid fuels in the gasification reactor.

Der Sauerstoffgehalt des Vergasungsmittels nach der Anreicherung wird im erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere durch die im Perowskitreaktor vorliegenden Betriebsparameter des Kühlmittels bestimmt. Der Sauerstoffausbau ist dabei von der Temperatur der Sauerstoffträger abhängig, die über die Temperatur des überhitzten Kühlmittelstroms eingestellt wird. Die Aufheizung der Funktionskeramik ist dabei ein instationärer Prozess, wobei sich die Temperatur als Funktion der Zeit erhöht und somit auch der Sauerstoffausbau variiert.The oxygen content of the gasification agent after enrichment is determined in the process according to the invention in particular by the operating parameters of the coolant present in the perovskite reactor. The oxygen removal is dependent on the temperature of the oxygen carrier, which is set by the temperature of the superheated coolant flow. The heating of the functional ceramic is a transient process, whereby the temperature increases as a function of time and thus also varies the oxygen expansion.

Daher ist in einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Sauerstoffanreicherung die Zuleitung eines sauerstoffhaltigen Gasstroms zum Vergasungsmittel vorgesehen, um etwaige Schwankungen im H2O/O2-Verhältnis auszugleichen und die für die Vergasung notwendige Sauerstoffkonzentration zu garantieren. Weiterhin kann durch Zuleitung eines sauerstoffhaltigen Gasstroms mit dem Massestrom m’O2 die Summe der das Vergasungsmittel konstituierenden Masseströme m, mO2 und m’O2 im Vergasungsreaktor vorteilhaft konstant gehalten werden. Damit können insbesondere Schwankungen bzw. Anfahrverläufe des Sauerstoffausbaus aus den Sauerstoffträgermaterialien ausgeglichen werden. Ebenfalls bevorzugt ist nach der Sauerstoffanreicherung ein weiterer Wärmeübertrager vorgesehen, um das Vergasungsmittel vor der Vergasung gezielt abzukühlen oder zu erhitzen, um eine optimale Einstellung der Vergasungsbedingungen zu gewährleisten. Weiterhin bevorzugt kann dem Vergasungsmittel Kohlenstoffdioxid beigesetzt werden, dass abgesehen von einer möglichen Umsetzung zu Kohlenmonoxid in einer Boudouard-Reaktion während der Vergasung weitgehend inert bleibt, und somit vorteilhaft eine von der Stöchiometrie losgelöste Anpassung der Druckverhältnisse des Vergasungsmittels ermöglicht.Therefore, in a preferred embodiment of the method according to the invention after the oxygen enrichment, the supply of an oxygen-containing gas stream to the gasification agent is provided to compensate for any fluctuations in the H 2 O / O 2 ratio and to guarantee the oxygen concentration necessary for the gasification. Furthermore, can be kept constant by supplying an oxygen-containing gas stream with the mass flow m 'O2, the sum of the gasifying agent constituent mass flows m, m O2 and m' O2 advantageous in the gasification reactor. This can be compensated in particular fluctuations or Anfahrverläufe the oxygen removal from the oxygen carrier materials. Also preferably, after oxygen enrichment, another heat exchanger is provided to selectively cool or heat the gasification agent prior to gasification to ensure optimum gasification conditions. Further preferably, the gasification agent carbon dioxide can be buried that, apart from a possible conversion to carbon monoxide in a Boudouard reaction during gasification remains largely inert, and thus advantageously allows a detached from the stoichiometric adjustment of the pressure conditions of the gasification agent.

Die Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien werden bevorzugt zwischen den Wiederholungen von Vergasung, Verdampfung sowie Überhitzung und Sauerstoffausbau regeneriert, indem ein Gas oder Gasgemisch enthaltend Sauerstoff über- oder durch diese strömt und dadurch neuer Sauerstoff ins Gefüge eingelagert wird. Der Sauerstoffeinbau und der Sauerstoffausbau aus den im erfindungsgemäßen Verfahren genutzten Funktionskeramiken sind dabei temperaturabhängige Prozesse, wobei die optimalen Temperaturbereiche von der konkreten Wahl des Sauerstoffträgermaterials abhängen.The moldings or beds of oxygen carrier materials are preferably regenerated between the repetitions of gasification, evaporation and overheating and oxygen removal by a gas or gas mixture containing oxygen flows over or through them and thereby new oxygen is incorporated into the structure. The oxygen incorporation and the oxygen removal from the functional ceramics used in the method according to the invention are temperature-dependent processes, the optimum temperature ranges depending on the specific choice of the oxygen carrier material.

Um einen möglichst autarken Gesamtprozess zu gewährleisten, werden in einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens zwei Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien wechselseitig mit Kühlmedium und einem sauerstoffangereichten Gas, einem sauerstoffangereicherten Gasgemisch oder Luft über- oder durchströmt. Dies ermöglicht vorteilhaft die Regeneration der einen Funktionskeramik, während die andere dem Vergasungsprozess Sauerstoff zur Verfügung stellt. Die zwei Formkörper oder Schüttungen der Sauerstoffträgermaterialen können sich dabei in zwei verschiedenen Sauerstoffreaktoren befinden oder gemeinsam in einem Sauerstoffreaktor angeordnet sein. In letzterem Fall sind die Formkörper oder Schüttungen jedoch vorzugsweise gasdicht voneinander getrennt und mit jeweils eigenen Zu- und Ableitungen versehen.In order to ensure the most autarchic overall process, in a preferred embodiment of the process according to the invention, at least two shaped bodies or beds of oxygen carrier materials are alternately overflowed or flowed through with cooling medium and an oxygen-enriched gas, an oxygen-enriched gas mixture or air. This advantageously enables the regeneration of one functional ceramic, while the other provides oxygen for the gasification process. The two shaped bodies or beds of the oxygen carrier materials may be located in two different oxygen reactors or may be arranged together in an oxygen reactor. In the latter case, however, the moldings or beds are preferably separated from each other gas-tight and provided with their own supply and discharge lines.

Für die Bereitstellung des Sauerstoffs ist dabei die Einstellung bestimmter Betriebsbedingungen in der Funktionskeramik wesentlich. Für den Sauerstoffausbau sind insbesondere erhöhte Temperaturen notwendig, die durch Überleiten des aus dem Wärmeübertrager austretenden überhitzten Kühlmittels in das Sauerstoffträgermaterial realisiert werden. Dort wird der Dampfstrom mit Sauerstoff angereichert und im Anschluss dem Vergasungsprozess zugeführt. Ebenfalls bevorzugt ist eine zusätzliche Erhitzung des Sauerstoffreaktors mittels eines Wärmeübergangs vom heißen Syntheserohgas.For the provision of oxygen, the setting of certain operating conditions in the functional ceramic is essential. In particular, elevated temperatures are necessary for the oxygen removal, which are realized by passing the superheated coolant emerging from the heat exchanger into the oxygen carrier material. There, the vapor stream is enriched with oxygen and then fed to the gasification process. Also preferred is an additional heating of the oxygen reactor by means of a heat transfer from the hot synthesis gas.

Der Ausbau von Sauerstoff in den Sauerstoffträgermaterialien, bevorzugt Perowskite oder Perowskitverbindungen, erfolgt dabei bei erhöhten Temperaturen > 500°C, bevorzugt > 300°C und solange bis eine gewisse, materialabhängige minimale Sauerstoffkonzentration erreicht ist. Dann ist eine Regeneration des Sauerstoffträgermaterials notwendig, die bei niedrigeren Temperaturen unter 500°C, bevorzugt unter 300°C, durch Um- oder Durchströmen mit einem Gas oder Gasgemisch enthaltend Luft erreichbar ist. The expansion of oxygen in the oxygen carrier materials, preferably perovskites or perovskite compounds, is carried out at elevated temperatures> 500 ° C, preferably> 300 ° C and until a certain, material-dependent minimum oxygen concentration is reached. Then a regeneration of the oxygen carrier material is necessary, which can be achieved at lower temperatures below 500 ° C, preferably below 300 ° C, by circulating or flowing through with a gas or gas mixture containing air.

Erfindungsgemäß steht immer mindestens ein Perowskit-System im beladenen Zustand zur Verfügung. Vorteilhaft erfolgt der Sauerstoffeinbau schneller als der Sauerstoffausbau, so dass für das Gesamtverfahren bereits zwei Sauerstoffspeicher für eine kontinuierliche Verfahrensführung ausreichend sind. Die erforderliche Temperatur für den Sauerstoffeinbau zur Regeneration der Sauerstoffträgermaterialien wird vorteilhaft über die genaue Einstellung des zugeführten Luftmassestroms erreicht. Eine zu starke Abkühlung der Funktionskeramik durch die Überströmung mit dem sauerstoffhaltigen Strom sollte dabei jedoch vermieden werden, um die energetischen Kosten des Gesamtprozesses möglichst gering zu halten und eine Kondensationspunktunterschreitung im Dampfstrom zu vermieden. Ein Festhalten eines bestimmten Temperaturbereichs in der Schüttung ist somit vorteilhaft für den Zyklus des Sauerstoffeinbaus und kann ebenfalls mittels der in dem Prozessgas gespeicherten Wärme realisiert werden.According to the invention, at least one perovskite system in the loaded state is always available. Advantageously, the oxygen incorporation is faster than the oxygen expansion, so that for the overall process already two oxygen storage for a continuous process management are sufficient. The required temperature for oxygen incorporation for the regeneration of the oxygen carrier materials is advantageously achieved by the precise adjustment of the supplied air mass flow. An excessive cooling of the functional ceramic by the overflow with the oxygen-containing stream should, however, be avoided in order to keep the energy costs of the overall process as low as possible and to avoid a condensation point undershooting in the vapor stream. Keeping a certain temperature range in the bed is thus advantageous for the cycle of oxygen incorporation and can also be realized by means of the heat stored in the process gas.

Eine gewisse Mindesttemperatur ist somit vorteilhaft für einen erhöhten Sauerstoffeinbau. Zu hohe Temperaturen hingegen würden den Sauerstoffausbau aktivieren, insofern der Sauerstoff-Partialdruck in den Sauerstoffträgermaterialien höher wäre als in der Atmosphäre. Wenn die Temperaturen für einen Sauerstoffausbau, also Temperaturen > 300°C, bevorzugt > 500°C, erreicht werden, dann stellt sich an der Phasengrenze ein Gleichgewicht ein und es kommt zum Erliegen der Sauerstoffein- und -ausbaus. Wesentlich für einen effizienten Vorgang des Sauerstoffeinbaus ist somit die Einstellung einer Temperatur in Sauerstoffträgermaterialien in einem festen Bereich. Dies kann in der großtechnischen Anwendung bevorzugt mit Hilfe einer externen Temperierung realisiert werden. Besonders bevorzugt werden in der Schüttung Temperaturen zwischen 100°C und 600°C, bevorzugt zwischen 150°C und 400°C und besonders bevorzugt zwischen 250°C und 300°C eingestellt.A certain minimum temperature is thus advantageous for increased oxygen incorporation. On the other hand, temperatures that are too high would activate the expansion of oxygen, in that the oxygen partial pressure in the oxygen carrier materials would be higher than in the atmosphere. If the temperatures for an expansion of oxygen, ie temperatures> 300 ° C, preferably> 500 ° C, are reached, then adjusts itself at the phase boundary and it comes to a standstill Sauerstoffein- and -ausbaus. Essential for an efficient process of oxygen incorporation is thus the setting of a temperature in oxygen carrier materials in a fixed range. This can preferably be realized in the industrial application with the aid of an external temperature control. Temperatures between 100 ° C and 600 ° C, preferably between 150 ° C and 400 ° C and more preferably between 250 ° C and 300 ° C are particularly preferably set in the bed.

Vorrichtungcontraption

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung eines Vergasungsmittels, enthaltend Wasserdampf und Sauerstoff, aufweisend einen Sauerstoffreaktor, mit Formkörpern und/oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien, die mit einem Kühlmedium über- oder durchströmbar sind und Sauerstoff in ihr Gefüge ein- und ausbauen können, einen mit den Sauerstoffreaktor verbundenen Vergasungsreaktor zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel enthaltend Wasserdampf und einen sich an den Abzug des Vergasungsreaktors anschließenden Dampferzeuger und Hochtemperatur-Wärmeübertrager zur Verdampfung sowie Überhitzung eines wasserhaltigen Kühlmittels durch Wärmeübergang vom heißen Syntheserohgas und mit einer Ableitung für das überhitzte Kühlmittel zum Sauerstoffreaktor.The object of the invention is further achieved by a device for producing synthesis gas with integrated provision of a gasification agent containing water vapor and oxygen, comprising an oxygen reactor, with moldings and / or beds of oxygen carrier materials which can be overflowed or flowed through with a cooling medium and oxygen in it Assemble and disassemble structure, connected to the oxygen reactor gasification reactor for gasification of carbonaceous fuels with an oxygen-containing gasification agent containing water vapor and a subsequent to the withdrawal of the gasification reactor steam generator and high-temperature heat exchanger for evaporation and overheating of a water-containing coolant by heat transfer from the hot synthesis gas and with a discharge for the superheated refrigerant to the oxygen reactor.

Erfindungsgemäß bilden dabei der Sauerstoffreaktor, der Vergaser sowie der Dampferzeuger und Hochtemperatur-Wärmeübertrager eine Funktionseinheit, die das für den Vergasungsprozess notwendige Vergasungsmittel bzw. die für die Bereitstellung des Vergasungsmittels notwendige Energie bereitstelltAccording to the invention, the oxygen reactor, the gasifier and the steam generator and high-temperature heat exchanger form a functional unit which provides the gasification agent necessary for the gasification process or the energy necessary for the provision of the gasification agent

In dieser Funktionseinheit wird das in einem Vergasungsprozess mit einer sehr hohen Temperatur erzeugte Syntheserohgas über einen Abzug im Vergasungsreaktorraum einem Dampferzeuger und Hochtemperatur-Wärmeübertrager zugeführt. Im Dampferzeuger wird ein Kühlmittel, bevorzugt ein H2-reiches Kühlmittel, besonders bevorzugt Wasser, eine wässrige Lösung oder Wasserdampf, durch Wärmeübergang vom heißen Rohgas auf das Kühlmittel verdampft und somit das Syntheserohgas gekühlt. Handelt es sich bei dem Kühlmittel größtenteils oder vollständig um Wasser, wird im Dampferzeuger bevorzugt Sattdampf erzeugt. Im Hochtemperatur-Wärmeübertrager findet erneut ein Wärmeübergang von heißem Rohgas auf das bereits verdampfte Kühlmittel statt, wodurch der Kühlmitteldampf überhitzt wird. In this functional unit, the synthesis gas produced in a gasification process at a very high temperature is fed via a deduction in the gasification reactor space to a steam generator and high-temperature heat exchanger. In the steam generator, a coolant, preferably an H 2 -rich coolant, more preferably water, an aqueous solution or water vapor, is vaporized by heat transfer from the hot raw gas to the coolant and thus cooled the synthesis gas. If the coolant is largely or completely water, saturated steam is preferably generated in the steam generator. In the high-temperature heat exchanger, there is again a heat transfer from hot raw gas to the already evaporated coolant, whereby the coolant vapor is overheated.

Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager kann in unterschiedlichen Bauformen, bevorzugt als Rohrbündel-Wärmeübertrager oder Heat-Pipe (Wärmerohr)-Wärmeübertrager, ausgebildet sein. Bei der Nutzung verschiedener Energieträger zur thermochemischen Umwandlung durch Vergasung entstehen Atmosphären, die zwar die Bedingungen zum Auskoppeln von Wärmeströmen liefern aber sehr werkstofffeindlich für die bisher genutzten metallischen Wärmeübertrager sind. Diese sind somit unbeständig gegenüber den hohen Temperaturen und der Korrosion. Da aber in der Energietechnik gerade hohe Temperaturen einen besseren energetischen Wirkungsgrad begünstigen, sind für den Wärmeübertrager keramische Materialien bevorzugt, die eine höhere Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit als Stähle aufweisen.The high-temperature heat exchanger can be designed in different designs, preferably as a tube bundle heat exchanger or heat pipe (heat pipe) heat exchanger. The use of various energy sources for the thermochemical conversion by gasification creates atmospheres that provide the conditions for coupling heat flows but are very material-hostile for the previously used metallic heat exchangers. These are therefore unstable against the high temperatures and corrosion. But in energy technology just high temperatures have a better energetic Favoring efficiency, ceramic materials are preferred for the heat exchanger, which have a higher temperature and corrosion resistance than steels.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind Verdampfer und Hochtemperatur-Wärmeübertrager dabei als eine Funktionseinheit ausgeführt, so dass die Verdampfung und Überhitzung einstufig in einer Baugruppe erfolgt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verdampfung und Überhitzung des Wassers zweistufig, so dass nur der Überhitzer als Hochtemperatur-Wärmeübertrager ausgeführt werden muss. Dies erlaubt eine konstruktiv einfache Lösung des Verdampfers unter Einsparung hochtemperaturbeständiger Materialien, die nur für den Wärmeübertrager benötigt werden.In a preferred embodiment, evaporator and high-temperature heat exchanger are designed as a functional unit, so that the evaporation and overheating takes place in one stage in a module. In a particularly preferred embodiment, the evaporation and overheating of the water takes place in two stages, so that only the superheater must be designed as a high-temperature heat exchanger. This allows a structurally simple solution of the evaporator while saving high-temperature resistant materials that are needed only for the heat exchanger.

Anschließend wird das überhitzte Kühlmedium, bevorzugt Wasserdampf, aus dem Wärmeübertrager über eine Zuleitung dem Sauerstoffreaktor zugeführt. Dieser enthält Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien die mit dem Kühlmitteldampf durch- oder überströmt werden. Die Sauerstoffträgermaterialien sind dabei erfindungsgemäß in der Lage Sauerstoff aus ihrem Gefüge ein- und auszubauen, wobei der Sauerstoffausbau bei erhöhten Temperaturen erfolgt. Je nach Bauart der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Art des verwendeten Sauerstoffträgermaterials können Formkörper und/oder Schüttungen eingesetzt werden. Bevorzugt weisen die Sauerstoffträgermaterialien eine vergrößerte Oberfläche auf, die bspw. durch eine hohe Porosität bei Formkörpern oder kleinen Korngrößen bei Schüttungen erreichbar ist.Subsequently, the superheated cooling medium, preferably water vapor, fed from the heat exchanger via a feed line to the oxygen reactor. This contains shaped bodies or beds of oxygen carrier materials which are passed through or overflowed with the coolant vapor. According to the invention, the oxygen carrier materials are able to incorporate and remove oxygen from their microstructure, oxygen being removed at elevated temperatures. Depending on the design of the device according to the invention and the type of oxygen carrier material used, moldings and / or fillings can be used. The oxygen carrier materials preferably have an enlarged surface, which can be achieved, for example, by high porosity in the case of shaped bodies or small grain sizes in the case of beds.

Der mit Sauerstoff angereicherte Kühlmitteldampf, bevorzugt Wasserdampf, wird anschließend über eine Zuleitung dem Vergasungsreaktorraum als Vergasungsmittel zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoffe zu Syntheserohgas zugeführt.The oxygen-enriched coolant vapor, preferably water vapor, is then fed via a feed line to the gasification reactor chamber as gasification agent for the gasification of carbonaceous gasification substances to synthesis gas.

Je nach Kapazität der Sauerstoffträgermaterialien hinsichtlich der gebundenen Sauerstoffmenge ist die Betriebszeit der Funktionseinheit zur Bereitstellung des Vergasungsmittels beschränkt. Bei Erreichen einer minimalen Sauerstoffmenge in dem Material wird eine Regeneration des Sauerstoffträgeres notwendig. Die Einlagerung des Sauerstoffs in das Gefüge des Trägermaterials erfolgt im Luftstrom. Bevorzugt wird mit Hilfe eines Gebläses ein sauerstoffreiches Gas oder Gasgemisch, besonders bevorzugt Umgebungsluft, über oder durch die Formkörper oder die Schüttung geleitet.Depending on the capacity of the oxygen carrier materials in terms of the amount of oxygen bound, the operating time of the functional unit for providing the gasification agent is limited. Upon reaching a minimum amount of oxygen in the material, regeneration of the oxidizer becomes necessary. The incorporation of oxygen into the structure of the carrier material takes place in the air stream. Preferably, with the aid of a blower, an oxygen-rich gas or gas mixture, more preferably ambient air, is passed over or through the shaped bodies or the charge.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Sauerstoffreaktor mindestens zwei Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien vorgesehen, die wechselseitig mit dem Kühlmedium, bevorzugt Wasserdampf, und einem sauerstoffreichen Gas oder Gasgemisch über- oder durchströmbar sind. Somit erfolgt die Regeneration eines der Formkörper oder Schüttungen während an dem anderen ein Kühlmedium, bevorzugt Wasserdampf, mit Sauerstoff angereichert wird. Zum wechselseitigen Betrieb sind der Dampferzeuger und Wärmeübertrager, die beiden gasdicht voneinander getrennten Mengen der Sauerstoffträgermaterialien sowie der Vergasungsreaktorraum mit wechselseitig schaltbaren Zuleitungen versehen. So kann hinsichtlich des Dampferzeugers und Wärmeübertragers und des Vergasungsreaktors ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet werden, in dem der Dampferzeuger und Wärmeübertrager kontinuierlich mit Kühlmittel, bevorzugt Wasser oder Wasserdampf, und der Vergaser kontinuierlich mit sauerstoffangereichertem Kühlmittel als Vergasungsmittel, insbesondere sauerstoffangereichertem Wasserdampf, gespeist wird.In a likewise preferred embodiment of the device according to the invention, at least two shaped bodies or beds of oxygen carrier materials are provided in the oxygen reactor, which can be overflowed or flowed through alternately with the cooling medium, preferably water vapor, and an oxygen-rich gas or gas mixture. Thus, the regeneration of one of the moldings or beds is carried out while at the other a cooling medium, preferably water vapor, is enriched with oxygen. For reciprocal operation of the steam generator and heat exchanger, the two gas-tight separate amounts of oxygen carrier materials and the gasification reactor space are provided with mutually switchable leads. Thus, with respect to the steam generator and heat exchanger and the gasification reactor continuous operation can be ensured in which the steam generator and heat exchanger continuously with coolant, preferably water or steam, and the gasifier is continuously fed with oxygen-enriched coolant as a gasification agent, in particular oxygen-enriched water vapor.

Erfindungsgemäß sind die Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträger-Materialien gebildet, die funktional in der Lage sind Sauerstoff unter definierten Betriebsbedingungen ein- und auszubauen. Bevorzugt werden als Sauerstoffträger-Materialien Perowskite bzw. Perowskit-Verbindungen des Typs ABO3–δ mit A = La, Ba, Sr und/oder Ca; B = Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Zr, Nb, Al, Sn und/oder Ce) eingesetzt. Perowskite bzw. die Perowskitverbindungen sind Funktionskeramiken, welche bei erhöhten Temperaturen > 300 °C, bevorzugt > 500°C Sauerstoff aus dem Gefüge ausbauen und davon abgesehen thermisch sehr stabil sind.According to the invention, the shaped bodies or beds are formed from oxygen carrier materials which are functionally capable of incorporating and expanding oxygen under defined operating conditions. Preferred oxygen carrier materials are perovskites or perovskite compounds of the ABO3-δ type with A = La, Ba, Sr and / or Ca; B = Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Zr, Nb, Al, Sn and / or Ce). Perovskites or the perovskite compounds are functional ceramics, which at elevated temperatures> 300 ° C., preferably> 500 ° C., expand oxygen from the microstructure and, apart from this, are very thermally stable.

Besonders bevorzugt werden als Sauerstoffspeichermaterial Perowskitverbindungen eingesetzt, ausgewählt aus Ca0.5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3–5; Ca0.5Sr0.5Fe0.2Mn0.8O3–5; Ca0.5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3–δ; Sr3Fe2O6+δ; Sr2.25 Ca0.75Fe2O6+δ, Sr1.5Ca1.5Fe2O6+δ; Sr0.75Ca2.25Fe2O6+δ; oder Ca3Fe2O6+δ.Particular preference is given to using perovskite compounds as the oxygen storage material, selected from Ca 0.5 Sr 0.5 Fe 0.5 Nn 0.5 O3-5; Ca0.5Sr0.5Fe0.2Mn0.8O3-5; Ca0.5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3-δ; Sr3Fe2O6 + δ; Sr2.25 Ca0.75 Fe2 O6 + δ, Sr1.5 Ca1.5 Fe2 O6 + δ; Sr0.75Ca2.25Fe2O6 + δ; or Ca 3 Fe 2 O 6 + δ.

Um eine zu starke Abkühlung des Wasserdampfes an den Sauerstoffträgermaterialien zu verhindern und das Erreichen der zum Ausbau des Sauerstoffs notwendigen Temperaturen zu erleichtern sind die Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien bevorzugt mit einer zusätzlichen Temperierungseinrichtung versehen.In order to prevent excessive cooling of the water vapor on the oxygen carrier materials and to facilitate the achievement of the temperatures necessary for the expansion of the oxygen, the shaped bodies or beds of oxygen carrier materials are preferably provided with an additional tempering device.

Auch hinsichtlich des Sauerstoffeinbaus ist es wesentlich, dass ein Temperaturbereich in der Schüttung festgehalten wird. Nur bei niedrigen Temperaturen unter 500°C, bevorzugt unter 300°, ist ein Sauerstoffeinbau in den Perowskit möglich, da bei zu hohen Temperaturen der konkurrierende Prozess des Sauerstoffausbaus aktiviert würde. Gleichzeitig sollte eine zu starke Abkühlung des Sauerstoffreaktors vermieden werden, um die energetischen Kosten des sich anschließenden Sauerstoffausbaus gering zu halten.With regard to oxygen incorporation, it is essential that a temperature range in the bed is recorded. Oxygen incorporation into the perovskite is only possible at low temperatures below 500 ° C., preferably below 300 ° C., since at too high temperatures the competing process of oxygen expansion would be activated. At the same time, too much cooling of the oxygen reactor should be avoided in order to avoid the energetic To keep costs of the subsequent oxygen expansion low.

Die Temperierungseinrichtung, die vorteilhaft der Temperatureinstellung beim Sauerstoffein- und -ausbau dient, ist bevorzugt als Wärmeübertrager ausgebildet, in dem heißem Syntheserohgas Wärme entzogen wird. Besonders bevorzugt ist der Sauerstoffreaktor doppelwandig und mit schaltbaren Ventilen zur Durchleitung von heißem Synthesegas durch die Wandung ausgeführt. Eine Feineinstellung der Temperatur erfolgt durch Mischung mit Umgebungsluft.The tempering device, which advantageously serves to adjust the temperature during oxygen introduction and removal, is preferably designed as a heat exchanger in which heat is withdrawn from the hot synthesis crude gas. Particularly preferably, the oxygen reactor is double-walled and designed with switchable valves for the passage of hot synthesis gas through the wall. A fine adjustment of the temperature takes place by mixing with ambient air.

Weiterhin bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Messvorrichtungen auf, mit denen die Sauerstoffkonzentration des Kühl- bzw. Vergasungsmittels nach der Sauerstoffanreicherung bestimmt werden kann. Somit kann vorteilhaft die tatsächlich erfolgte Sauerstoffanreicherung aufgrund des temperaturabhängigen Sauerstoffausbaus aus den Sauerstoffträgermaterialien bestimmt werden. Gegebenfalls kann dann die, für den Vergasungsprozess benötigte Sauerstoffkonzentration, bspw. durch Zufuhr eines separaten sauerstoffhaltigen Gasstroms, nachreguliert werden. Ebenfalls bevorzugt ist eine Messvorrichtung für den Druck des Vergasungsmittel sowie Mittel zur Zuleitung von Kohlenstoffdioxid.Furthermore, the device according to the invention preferably has measuring devices with which the oxygen concentration of the cooling or gasifying agent after the oxygen enrichment can be determined. Thus, the oxygen enrichment actually carried out can be advantageously determined on the basis of the temperature-dependent oxygen expansion from the oxygen carrier materials. If appropriate, the oxygen concentration required for the gasification process can then be readjusted, for example by supplying a separate oxygen-containing gas stream. Also preferred is a measuring device for the pressure of the gasification agent and means for supplying carbon dioxide.

Weiterhin bevorzugt ist zwischen den Formkörpern oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien und dem Vergasungsreaktor eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Vergasungsmittels und besonders bevorzugt ein weiterer Wärmeübertrager vorgesehen. Dieser dient, je nach Bedarf, der Abkühlung oder Erhitzung des Vergasungsmittels vor der Vergasung. Somit kann vorteilhaft eine hohe Temperatur des Kühlmittels im Perowskit-System und damit ein hoher Sauerstoffausbau erreicht und anschließend die Temperatur auf für die Vergasung geeignete Werte reduziert werden.Further preferably, between the moldings or beds of oxygen carrier materials and the gasification reactor, a measuring device for determining the temperature of the gasification agent and particularly preferably a further heat exchanger is provided. This is used, as needed, the cooling or heating of the gasification agent before gasification. Thus, it is advantageously possible to achieve a high temperature of the coolant in the perovskite system and thus a high oxygen expansion, and then to reduce the temperature to values suitable for the gasification.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines durch Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoffe hergestellten Syntheserohgases, insbesondere der darin gespeicherten Wärme bzw. Exergie, zum Verdampfen und Überhitzen eines Kühlmediums und zum Ausbau von Sauerstoff aus dem Gefüge eines Formkörpers oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien.The invention likewise relates to the use of a synthesis gas produced by gasification of carbonaceous gasification substances, in particular the heat or exergy stored therein, for evaporating and overheating a cooling medium and for removing oxygen from the structure of a shaped body or beds of oxygen carrier materials.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Bereitstellung des Sauerstoffs als Vergasungsmittel für den Vergasungsprozess von festen Brennstoffen unter Nutzung prozessinterner Wärme in einer Teilanlage, welche apparate- und regelungstechnisch keiner großen Aufwendungen bedarf. Die Effizienz des Gesamtprozesses wird durch diese Verfahrenskombination stark erhöht. Die Prozessführung ist nahezu autark. Mit dem Einsatz von Perowskiten und der Nutzung des in der Brenngaskühlung erzeugten Wasserdampfes als Wärmeträgermedium für die Aktivierung des Sauerstoffausbaus aus den Perowskiten wird ein in sich geschlossenes System geschaffen, welches in dieser Weise bisher noch nicht angewendet wird.An essential feature of the invention is the provision of oxygen as a gasification agent for the gasification process of solid fuels using process-internal heat in a sub-system, which apparatus and control technology requires no major expense. The efficiency of the overall process is greatly increased by this process combination. The process management is almost self-sufficient. With the use of perovskites and the use of water vapor generated in the combustion gas cooling as a heat transfer medium for the activation of oxygen removal from the perovskites a self-contained system is created, which is not yet used in this way.

Ausführungsbeispielembodiment

Anhand nachfolgender Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:Based on the following illustrations, embodiments of the invention will be explained in more detail. Showing:

1 ein Schaltbild einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels und einstufiger Verdampfung und Überhitzung, 1 a circuit diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention for the production of synthesis gas with integrated provision of the gasification agent and one-stage evaporation and superheating,

2 ein Schaltbild einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels und zweistufiger Verdampfung und Überhitzung, 2 a circuit diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention for the production of synthesis gas with integrated provision of the gasification agent and two-stage evaporation and superheating,

3 Darstellung von in einem thermogravimetrischen Verfahren bestimmten Messwerten der Probenmasse, Probentemperatur und des Systemdruck während des Sauerstoffeinbaus in eine Perowskitprobe, 3 Representation of sample mass, sample temperature and system pressure measured during a thermogravimetric process during oxygen incorporation into a perovskite sample.

4 Darstellung von in einem thermogravimetrischen Verfahren bestimmten Messwerten der Probenmasse, Probentemperatur und des Systemdruck während des Sauerstoffausbaus in eine Perowskitprobe. 4 Representation of sample mass, sample temperature and system pressure measurements during oxygen build-up in a perovskite sample determined in a thermogravimetric method.

Gemäß dem in 1 gezeigten Blockschaltbild steht ein Vergaser 1 in Wirkverbindung mit einem Dampferzeuger und Hochtemperatur-Wärmeübertrager 2 und einer Funktionskeramikeinheit 3.According to the in 1 shown block diagram is a carburetor 1 in operative connection with a steam generator and high-temperature heat exchanger 2 and a functional ceramic unit 3 ,

Für die Sauerstoffbereitstellung wird eine Schüttung 3.1 bestehend aus mit Sauerstoff beladenen Perowskiten, angeordnet in einem Festbettreaktor, mit entsprechend dem Prozessdruck im Vergaser 1 überhitztem Wasserdampf überströmt, so dass ein Kondensieren des Wasserdampfes in der Schüttung 3.1 ausgeschlossen werden kann. Der Sauerstoff wird entsprechend den Temperaturen im Reaktor aus der Schüttung 3.1 ausgebaut, lagert sich am Wasserdampf an und verlässt diesen im Gemisch mit dem Wasserdampf. Dieses Gemisch kann dann direkt oder unter Zugabe von weiterem Sauerstoff, im Vergasungsprozess, dem ein konstanter Strom an Vergasungsmittel zugeführt wird, als Vergasungsmittel eingesetzt werden. Der Massestrom an Wasserdampf, der im Hochtemperatur-Wärmeübertrager 2 erzeugt wird, ist konstant und richtet sich nach dem benötigten Wasserdampfmassestrom als Bestandteil des Vergasungsmittels.For the oxygen supply is a bed 3.1 consisting of perovskites loaded with oxygen, arranged in a fixed bed reactor, with according to the process pressure in the gasifier 1 superheated steam overflows, allowing a condensation of water vapor in the bed 3.1 can be excluded. The oxygen is released from the bed according to the temperatures in the reactor 3.1 expanded, attached to the steam and leaves it in a mixture with the water vapor. This mixture can then be used directly or with the addition of further oxygen, in the gasification process, which is supplied to a constant stream of gasification agent, as a gasification agent. The mass flow of water vapor in the high-temperature heat exchanger 2 is generated, is constant and depends on the required water vapor mass flow as part of the gasification agent.

Der Vergasungsprozess kann in einem Festbettreaktor 1 oder auch einem Wirbelschichtreaktor 1 realisiert werden. Im Vergasungsprozess wird ein Synthesegas erzeugt, welches vor seiner weiteren Nutzung, z.B. in einer Synthese, abgekühlt werden muss. Die physikalische Wärme des Synthesegases wird dann zur Erzeugung von Wasserdampf und deren Überhitzung genutzt, welcher als Trägergas für die Sauerstoffbereitstellung eingesetzt wird. In Abhängigkeit vom Vergasungsprozess, im Speziellen von der Qualität der Vergasungsstoffe, kann die Qualität und Quantität des Rohgases variieren. Für die hier beschriebene Prozessschaltung sind im Wesentlichen der Massestrom und die Temperatur des Rohgases ausschlaggebend. Da der Massestrom an Wasserdampf eine feste Prozessgröße ist, wird die Temperatur des Wasserdampfes bei Eintritt in den Perowskitfestbettreaktor 3 variieren.The gasification process can be carried out in a fixed bed reactor 1 or a fluidized bed reactor 1 will be realized. In the gasification process, a synthesis gas is generated, which must be cooled before its further use, for example in a synthesis. The physical heat of the synthesis gas is then used to generate water vapor and its overheating, which is used as a carrier gas for the oxygen supply. Depending on the gasification process, in particular on the quality of the gasification substances, the quality and quantity of the raw gas can vary. For the process circuit described here, essentially the mass flow and the temperature of the raw gas are decisive. Since the mass flow of water vapor is a fixed process variable, the temperature of the water vapor upon entry into the Perowskitfestbettreaktor 3 vary.

Im Vergaser 1 werden feste C-haltige Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasserdampf thermochemisch bei hohen Temperaturen und im Druckbetrieb (ca. 30 bar) in ein Rohgas, welches nach seiner Aufbereitung als Synthesegas eingesetzt werden soll, umgewandelt. Die entsprechende Eintrittstemperatur in die Synthese wird in einem dem Hochtemperatur Wärmeübertrager 2 nachgeschalteten Wärmeübertrager eingestellt. Als Kühlmedium kann hier z.B. Luft eingesetzt werden. Die Menge an Kühlluft richtet sich nach der Eintrittstemperatur des Rohgases, welche, bedingt durch den konstanten Wasserdampf Massestrom im Hochtemperatur-Wärmeübertrager 2, variiert.In the carburetor 1 Become solid C-containing fuels with oxygen and water vapor thermochemically at high temperatures and in the pressure mode (about 30 bar) in a raw gas, which is to be used after its preparation as synthesis gas. The corresponding entry temperature into the synthesis is in a high-temperature heat exchanger 2 set downstream heat exchanger. As a cooling medium, for example, air can be used here. The amount of cooling air depends on the inlet temperature of the raw gas, which, due to the constant water vapor mass flow in the high-temperature heat exchanger 2 , varies.

Gemäß dem in 2 gezeigten Blockschaltbild steht ein Vergaser 1 in Wirkverbindung mit einem Dampferzeuger 2.1 und Hochtemperatur-Wärmeübertrager 2.2 und zwei Schüttungen einer Funktionskeramikeinheit 3.According to the in 2 shown block diagram is a carburetor 1 in operative connection with a steam generator 2.1 and high-temperature heat exchangers 2.2 and two beds of a functional ceramic unit 3 ,

Bei der Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 2 wird das in einem Vergaser 1 erzeugte Rohgas mit einer Temperatur von 920°C, einem Druck von 30 bar und einem Massestrom von 284 kg/MWh zunächst über einen keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager 2.2 geführt, wobei es seine physikalische Energie an einen zuvor in einem Dampferzeuger 2.1 mit einer Temperatur von 246°C erzeugten Sattdampf überträgt, wodurch der Sattdampf auf die für die Sauerstoffaufnahme im Perowskitreaktor 3.1 erforderlichen Parameter, insbesondere auf eine Temperatur von 500°C, einem Druck von 37 bar und einem Massestrom von 86 kg/MWh, überhitzt wird.In the implementation of the method according to the invention according to 2 will that in a carburetor 1 produced raw gas with a temperature of 920 ° C, a pressure of 30 bar and a mass flow of 284 kg / MWh initially on a ceramic high-temperature heat exchanger 2.2 guided, where it transfers its physical energy to a previously in a steam generator 2.1 saturated steam generated at a temperature of 246 ° C, which converts the saturated steam to that for the oxygen uptake in the perovskite reactor 3.1 required parameters, in particular to a temperature of 500 ° C, a pressure of 37 bar and a mass flow of 86 kg / MWh, is overheated.

Das auf 842°C abgekühlte Rohgas verlässt anschließend den Hochtemperatur-Wärmeübertrager 2.2 und durchströmt den Dampferzeuger 2.1, indem es seine Wärme an Wasser überträgt, das dem Dampferzeuger 2.1 mit einer Temperatur von 20°C, einem Druck von 37bar und einem Massestrom von 86 kg/MWh zugeführt wird. Dadurch kühlt das Rohgas auf 496°C ab und muss in einem in 2 nicht gezeigten weiteren Wärmeübertrager auf Syntheseeintrittsbedingungen gekühlt werden.The cooled to 842 ° C raw gas then leaves the high-temperature heat exchanger 2.2 and flows through the steam generator 2.1 by transferring its heat to water, that of the steam generator 2.1 with a temperature of 20 ° C, a pressure of 37bar and a mass flow of 86 kg / MWh is supplied. As a result, the raw gas cools to 496 ° C and must be in an in 2 not shown further heat exchangers are cooled to synthesis entry conditions.

Der konstruktive Aufbau des Wärmeübertragers 2.2 kann in unterschiedlichen Ausführungen erfolgen (Rohrbündel, Heatpipe). Im Wärmeübertrager 2.2 wird das Kühlmedium unter Druckbedingungen überhitzt, die dem erforderlichen Eintrittsdruck des Vergasungsmittels in den Vergaser 1 gewährleisten. Dabei müssen die die Druckverluste des Wärmeübertragers 2.2, des Festbettperowskitreaktors 3 und der eingesetzten Anlagenteile, wie Rohrleitungen, Bögen, T-Stücke, Armaturen usw., berücksichtigt werden. Zum Ausgleich dieser Verluste, die je nach Leistungsgröße und Prozessaufbau variieren, ist der Vordruck des Kühlmediums am Dampferzeuger 2.1 entsprechend einzustellen. The structural design of the heat exchanger 2.2 can be done in different versions (tube bundle, heat pipe). In the heat exchanger 2.2 the cooling medium is superheated under pressure conditions corresponding to the required inlet pressure of the gasifying agent into the gasifier 1 guarantee. It must be the pressure losses of the heat exchanger 2.2 , fixed bed perovskite reactor 3 and the plant components used, such as pipes, bends, tees, fittings, etc., are taken into account. To compensate for these losses, which vary depending on the output size and process structure, is the admission pressure of the cooling medium at the steam generator 2.1 adjust accordingly.

Die Überhitzung im Wärmeübertrager 2.2 muss in jedem Fall soweit erfolgen, dass es in der sich anschließenden Funktionskeramikeinheit 3.1 mit der Perowskitschüttung für die O2-Bereitstellung nicht zur Kondensation des Wasserdampfes kommt. Bei Temperaturen > 300°C wird aus der Funktionskeramik 3.1 O2 ausgebaut und in dem Trägermedium Wasserdampf aus dem Reaktor 3 ausgetragen und das Gemisch aus einem Massestrom Sauerstoff mit 68 kg/MWh und einem Massestrom Wasserdampf mit 86 kg/MWh als Vergasungsmittel dem Vergaser 1 zugeführt.Overheating in the heat exchanger 2.2 must in any case be done so far that it in the subsequent functional ceramic unit 3.1 does not come to the condensation of water vapor with the perovskite for the O 2 supply. At temperatures> 300 ° C, the functional ceramic becomes 3.1 O 2 expanded and in the carrier medium water vapor from the reactor 3 discharged and the mixture of a mass flow of oxygen at 68 kg / MWh and a mass flow of water vapor at 86 kg / MWh as a gasifying agent to the carburetor 1 fed.

In 3 und 4 sind Ergebnisse von Laboruntersuchungen mittels der Thermo-Gravimetrischen-Analyse (TGA) durchgeführt, bei der eine definierte Probenmenge unter einem Druck von 37 bar mit Dampf überströmt und dabei erwärmt wurde. Der dabei beim Sauerstoffausbau auftretende Masseverlust (Δm = f(ϑ, t)) wurde aufgezeichnet und ist in 3 dargestellt. In 4 sind die Messwerte zur Massezunahmen (Δm = f(ϑ, t)) des Perowskit beim Sauerstoffeinbau dargestellt. Dazu wurde das Perowskit in der TGA unter Druckabbau mit Luft überströmt und die dabei auftretende Massezunahme aufgezeichnet.In 3 and 4 The results of laboratory investigations were carried out by means of thermo-gravimetric analysis (TGA), in which a defined amount of sample was steam-bathed under a pressure of 37 bar and heated. The mass loss (Δm = f (θ, t)) occurring during the oxygen evolution was recorded and is in 3 shown. In 4 The measurements of the mass increases (Δm = f (θ, t)) of the perovskite during oxygen incorporation are shown. For this purpose, the perovskite was overflowed in the TGA under pressure reduction with air and recorded the resulting increase in mass.

Wie in 3 dargestellt, wurde eine mit Sauerstoff gesättigte Perowskitmasse von 3,1304g einer Thermo-Gravimetrischen Analyse unterzogen. Der Systemdruck wurde zunächst in einer Argon-Atmosphäre auf 18,5 bar erhöht. Zielparameter waren 37 bar, die aber ohne Beheizung nur nach einer sehr langen Zeit erreichbar sind. Die Probe und das System wurden dann unter Argon bei einer Aufheizrate von 20 K/min auf eine Temperatur von 246 °C aufgeheizt. Diese Temperatur entspricht der Siedetemperatur von Wasserdampf bei 37 bar. Der Druckaufbau erfolgt bei steigender Temperatur im System wesentlich schneller. Die Temperatur wurde vor der Wasserdampfzugabe auf 330 °C weiter angehoben, um so Kondensationserscheinungen zu 100 % auszuschließen. Bei Erreichen dieser Temperatur wurde die Atmosphäre von Argon auf Wasserdampf umgestellt. In der TGA wird die Masse der Probe als Funktion der Temperatur, des Drucks und der Zeit aufgezeichnet. Beim dem Vorgang des Sauerstoffausbaus wird die Masse des Probenkörpers erwartungsgemäß geringer werden.As in 3 As shown, an oxygen-saturated perovskite mass of 3.1304 g was subjected to a thermo-gravimetric analysis. The system pressure was initially raised to 18.5 bar in an argon atmosphere. Target parameters were 37 bar, which can only be reached after a very long time without heating. The sample and system were then heated under argon at a heating rate of 20 K / min to a temperature of 246 ° C. This temperature corresponds to the Boiling temperature of water vapor at 37 bar. The pressure build-up takes place much faster with increasing temperature in the system. The temperature was raised further to 330 ° C before the addition of steam, so as to exclude condensation phenomena to 100%. Upon reaching this temperature, the atmosphere was switched from argon to steam. In the TGA, the mass of the sample is recorded as a function of temperature, pressure and time. In the process of oxygen expansion, the mass of the specimen will be expected to become smaller.

In 3 werden für die Probenmasse zwei Funktionen abgebildet, zum einen die gemessene und zum anderen die korrigierte Masse. Die Korrektur der gemessenen Werte der Probenmasse ist erforderlich, da in Folge des Überdrucks und der Temperaturänderung im System eine Kraft auf den Probenkörpers wirkt. Für die Analyse zum Sauerstoffausbau wird ausschließlich die korrigierte Probenmasse betrachtet.In 3 For example, two functions are shown for the sample mass, one being the measured mass and the other being the corrected mass. The correction of the measured values of the sample mass is necessary because a force acts on the sample body as a result of the overpressure and the temperature change in the system. For the analysis of the oxygen expansion, only the corrected sample mass is considered.

Die erste in 3 abgebildete mit der Erhöhung der Systemtemperatur einhergehende Abnahme der korrigierten Masse ist ausschließlich auf die Veränderungen der Bedingungen in der TGA zurückzuführen. Durch die Erhöhung der Temperatur wird der Druckaufbau im System unterstützt. In die Korrekturrechnung der Probenmasse gehen neben den Volumen des überströmten Körpers auch die Fluiddichte des umströmenden Mediums ein. Mit steigender Temperatur wird die Dichte von Argon geringer, mit steigendem Druck höher. Die Überlagerung dieser Effekte ergibt den in 3 abgebildeten. Funktionsverlauf der gemessenen Probenmasse.The first in 3 The decrease in the corrected mass associated with the increase in the system temperature is solely due to the changes in the conditions in the TGA. Increasing the temperature helps build up pressure in the system. In addition to the volume of the overflowed body, the fluid density of the circulating medium is included in the correction calculation of the sample mass. As the temperature increases, the density of argon decreases, increasing with increasing pressure. The superposition of these effects gives the in 3 shown. Functional course of the measured sample mass.

Eine Masseabnahme auf Grund des Sauerstoffausbaus ist in beiden Funktionen, der gemessenen und der korrigierten Probenmasse deutlich zu verzeichnen. Der Sauerstoffausbau wird ab einer Temperatur von 250 °C aktiviert. Für die quantitative Bewertung des Prozesses wird in Auswertung der Funktion eine Gleichung für die Sauerstoffausbaugeschwindigkeit bestimmt, welche eine Grundlage für die Auslegung des Prozesses der Sauerstoffbereitstellung darstellt und somit eine Aussage über die zusätzlich in den Prozess, konkret in das Vergasungsmittel, zuzuführende Menge an Sauerstoff zulässt.A decrease in mass due to oxygen evolution is evident in both functions, the measured and the corrected sample mass. The oxygen expansion is activated from a temperature of 250 ° C. For the quantitative evaluation of the process, an equation for the oxygen expansion rate is determined in evaluation of the function, which provides a basis for the design of the process of providing oxygen and thus allows a statement about the addition in the process, specifically in the gasification agent to be supplied amount of oxygen ,

In 4 ist eine TGA-Auswertung des Prozesses der Regeneration des Perowskits, d.h. der Prozess der Beladung mit Sauerstoff, dargestellt. Für diesen Vorgang wurde das System entspannt und die Beheizung ausgeschaltet. Der Probenkörper wurde mit einem Argon/Sauerstoff-Gemischt mit einem Verhältnis Ar/O2 bei 3,7:1 überströmt. Der Sauerstoffeinbau wird durch eine Massezunahme der Probe gekennzeichnet.In 4 is a TGA evaluation of the process of regeneration of the perovskite, ie the process of loading with oxygen, shown. For this process, the system was relaxed and turned off the heating. The sample body was overflowed with an argon / oxygen mixture with an Ar / O 2 ratio of 3.7: 1. Oxygen incorporation is characterized by an increase in mass of the sample.

Wie in 4 zu erkennen, erfolgt sofort eine Massezunahme. Da der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre sehr viel höher ist als im Perowskit, wo er bei vollständiger Entladung nahezu Null beträgt, werden sofort die freien Stellen im Perowskit mit Sauerstoff angereichert. In Auswertung der Funktion wird eine Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit des Sauerstoffeinbaus abgeleitet.As in 4 to recognize immediately takes place an increase in mass. Since the oxygen partial pressure in the atmosphere is much higher than in the perovskite, where it is almost zero when fully discharged, the vacancies in the perovskite are immediately enriched with oxygen. In evaluation of the function, an equation for the reaction rate of oxygen incorporation is derived.

Die aus 3 und 4 ableitbaren Reaktionsgeschwindigkeitsgleichungen geben Aufschluss über mögliche Durchführungsformen des Gesamtprozesses, insbesondere darüber, wie viele Reaktoren in das System integriert werden müssen. Für die Sauerstoffbereitstellung muss jederzeit ein Perowskit-System im beladenen Zustand zur Verfügung stehen. Da der Prozess des Sauerstoffeinbaus der schnellere Vorgang ist, kann das Verfahren vorteilhaft bereits mit zwei Reaktoren ausgeführt werden. Da im Prozess der Regenerierung bzgl. der Medienströme, insbesondere des Luftstroms, mehr Freiheitsgrade bestehen, kann dieser Teilprozess leicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann durch die gezielte Einstellung des Luftmassestroms die erforderliche Mindesttemperatur für den Sauerstoffeinbau eingestellt werden.From 3 and 4 derivable reaction rate equations provide information on possible implementations of the overall process, in particular how many reactors have to be integrated into the system. For the provision of oxygen, a perovskite system in the loaded state must be available at all times. Since the process of oxygen incorporation is the faster process, the process can be advantageously carried out already with two reactors. Since there are more degrees of freedom in the process of regeneration with respect to the media streams, in particular the air stream, this sub-process can be easily influenced. For example, can be adjusted by the targeted adjustment of the air mass flow, the required minimum temperature for the oxygen installation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vergasercarburettor
22
Hochtemperatur-WärmeübertragerHigh-temperature heat exchanger
2.12.1
Dampferzeugersteam generator
2.22.2
Hochtemperatur-WärmeübertragerHigh-temperature heat exchanger
33
FestbettperowskitreaktorFestbettperowskitreaktor
3.13.1
Perwoskitschüttung im endothermen BetriebPerwoskitschüttung in endothermic operation
3.23.2
Perowksitschüttung im exothermen BetriebPerovskite in exothermic operation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005025345 A1 [0007] DE 102005025345 A1 [0007]
  • WO 03/035223 A1 [0008] WO 03/035223 A1 [0008]
  • US 6173663 B1 [0009] US 6173663 B1 [0009]
  • US 5964922 A [0010] US 5964922A [0010]
  • DE 102008010928 A1 [0011] DE 102008010928 A1 [0011]
  • AU 2006200824 A1 [0013] AU 2006200824 A1 [0013]
  • US 2010/029997 A1 [0014] US 2010/029997 A1 [0014]

Claims (14)

Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels, aufweisend die Prozessschritte a) Vergasung von kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffen mit sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel zu Syntheserohgas, b) Einleiten des heißen Syntheserohgases sowie eines wasserhaltigen Kühlmittels des Massestroms m, der Temperatur T und des Drucks p in einen Verdampfer und Hochtemperatur-Wärmeübertragers, c) kontaktfreier Wärmeübergang vom heißen Syntheserohgas auf das Kühlmittel durch Wärmeleitung, dadurch Verdampfung und Überhitzung des Kühlmittels, d) Über- und/oder Durchleiten des überhitzten Kühlmittels durch Sauerstoffträgermaterialien, Sauerstoffausbau aus deren Gefüge und Sauerstoffanreicherung im Kühlmittel, e) Einleitung des sauerstoffangereicherten Kühlmittels als Vergasungsmittel in einen Vergasungsreaktor und Wiederholung der Schritte a) bis d).Process for the production of synthesis gas with integrated provision of the gasification agent, comprising the process steps a) gasification of carbonaceous gasification substances with oxygen-containing gasification agent to synthesis gas, b) introducing the hot synthesis raw gas and a water-containing coolant of the mass flow m, the temperature T and the pressure p into an evaporator and high-temperature heat exchanger, c) contact-free heat transfer from the hot synthesis gas to the coolant by heat conduction, thereby evaporation and overheating of the coolant, d) passing and / or passing the superheated coolant through oxygen carrier materials, oxygen removal from their microstructure and oxygen enrichment in the coolant, e) introducing the oxygen-enriched coolant as a gasification agent into a gasification reactor and repeating steps a) to d). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massestrom m entsprechend dem der Vergasung zugeführten Massestrom des Vergasungsstoffs m‘ und/oder der Druck p entsprechend des Vergasungsdrucks p‘ eingestellt werden.A method according to claim 1, characterized in that the mass flow m according to the gasification supplied mass flow of the gasification material m 'and / or the pressure p are set according to the gasification pressure p'. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T so eingestellt wird, dass in den Schritten c) bis e) eine Unterschreitung des Kondensationspunktes des Kühlmittels vermieden wird.Method according to one of claims 1 and 2, characterized in that the temperature T is adjusted so that in steps c) to e) falls below the condensation point of the coolant is avoided. Verfahren nach einem vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergasungsmittel nach dem Über und/oder Durchleiten durch die Sauerstoffträgermaterialien zusätzlich mit Sauerstoff angereichert und/oder temperiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after passing over and / or passing through the oxygen carrier materials, the gasification agent is additionally enriched with oxygen and / or tempered. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffträgermaterialien zwischen den Wiederholungen der Schritte a) bis e) mit einem Gas oder Gasgemisch enthaltend Sauerstoff über- und/oder durchströmt werden und dadurch Sauerstoff in deren Gefüge eingebaut wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen carrier materials between the repetitions of steps a) to e) with a gas or gas mixture containing oxygen and / or flowed through and thereby oxygen is incorporated into their structure. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Formkörper oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien wechselweise mit überhitztem Kühlmedium und einem Gas oder Gasgemisch enthaltend Sauerstoff über- und/oder durchströmt und die Schritte a) bis e) kontinuierlich wiederholt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least two shaped bodies or beds of oxygen carrier materials alternately with superheated cooling medium and a gas or gas mixture containing oxygen flows and / or flows through and the steps a) to e) are repeated continuously. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffträgermaterialien mittels Wärmeübergang indirekt vom heißen Syntheserohgas temperiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen carrier materials are tempered by means of heat transfer indirectly from the hot synthesis gas. Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung eines Vergasungsmittels, aufweisend – einen Sauerstoffreaktor, mit Formkörpern und/oder Schüttungen aus Sauerstoffträgermaterialien, die mit einem Kühlmedium über- oder durchströmbar sind und Sauerstoff in ihr Gefüge ein- und ausbauen können, – einen mit den Sauerstoffreaktor verbundenen Vergasungsreaktor zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel enthaltend Wasserdampf und – einen sich an den Abzug des Vergasungsreaktors anschließenden Dampferzeuger und Hochtemperatur-Wärmeübertrager zur Verdampfung sowie Überhitzung eines wasserhaltigen Kühlmittels durch Wärmeübergang vom heißen Syntheserohgas und mit einer Ableitung für das überhitzte Kühlmittel zum Sauerstoffreaktor.Apparatus for generating synthesis gas with integrated provision of a gasification agent, comprising An oxygen reactor, with shaped bodies and / or beds of oxygen carrier materials which can be overflowed or flowed through with a cooling medium and can incorporate and expand oxygen into their structure, - A connected to the oxygen reactor gasification reactor for the gasification of carbonaceous fuels with an oxygen-containing gasification agent containing water vapor and - A subsequent to the departure of the gasification reactor steam generator and high-temperature heat exchanger for evaporation and overheating of a water-containing coolant by heat transfer from the hot synthesis gas and with a derivative of the superheated refrigerant to the oxygen reactor. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sauerstoffreaktoren mit dem Vergasungsreaktor und dem Hochtemperatur-Wärmetauscher verbunden sind, die wechselweise mit überhitztem Kühlmedium und Gas oder Gasgemisch enthaltend Sauerstoff über- oder durchströmbar sind.Apparatus according to claim 8, characterized in that at least two oxygen reactors are connected to the gasification reactor and the high-temperature heat exchanger, which are alternately over-flowable with coolant or gas or gas mixture containing oxygen or flowed through. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffreaktoren zusätzlich eine Temperierungseinrichtung aufweisen.Device according to one of claims 8 and 9, characterized in that the oxygen reactors additionally have a tempering device. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sauerstoffreaktor und Vergasungsreaktor Sensoren zur Messung von Temperatur und Sauerstoffkonzentration des Vergasungsmittels und/oder ein Wärmeübertrager und/oder Mittel zur Beimischung von Sauerstoff angeordnet sind.Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that between oxygen reactor and gasification reactor sensors for measuring temperature and oxygen concentration of the gasification agent and / or a heat exchanger and / or means for admixing oxygen are arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffträgermaterialien aus Perwoskiten bzw. Perowskit-Verbindungen, ausgewählt aus Ca0.5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3–5, Ca0.5Sr0.5Fe0.2Mn0.8O3–5, Ca0.5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3–δ, Sr3Fe2O6+δ, Sr2.25Ca0.75Fe2O6+δ, Sr1.5Ca1.5Fe2O6+δ, Sr0.75Ca2.25Fe2O6+δ oder Ca3Fe2O6+δ gebildet sind.Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the oxygen carrier materials from Perwoskiten or perovskite compounds selected from Ca0.5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3-5, Ca0.5Sr0.5Fe0.2Mn0.8O3-5, Ca0 .5Sr0.5Fe0.5Mn0.5O3-δ, Sr3Fe2O6 + δ, Sr2.25Ca0.75Fe2O6 + δ, Sr1.5Ca1.5Fe2O6 + δ, Sr0.75Ca2.25Fe2O6 + δ or Ca3Fe2O6 + δ. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, das der Hochtemperatur-Wärmeübertrager aus keramischen Materialien gebildet ist.Device according to one of the preceding claims 8 to 12, characterized in that the high-temperature heat exchanger is formed of ceramic materials. Verwendung der Exergie eines durch Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoffe hergestellten Syntheserohgases zum Verdampfen und Überhitzen eines Kühlmediums enthaltend Wasser und zum Ausbau von Sauerstoff aus dem Gefüge von Sauerstoffträgermaterialien. Use of the exergy of a syngas produced by gasification of carbonaceous gasification materials for vaporizing and overheating a cooling medium containing water and for the removal of oxygen from the structure of oxygen carrier materials.
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