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
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Abstract
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.
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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
Die
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).
- 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
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:
Gemäß dem in
Für die Sauerstoffbereitstellung wird eine Schüttung
Der Vergasungsprozess kann in einem Festbettreaktor
Im Vergaser
Gemäß dem in
Bei der Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß
Das auf 842°C abgekühlte Rohgas verlässt anschließend den Hochtemperatur-Wärmeübertrager
Der konstruktive Aufbau des Wärmeübertragers
Die Überhitzung im Wärmeübertrager
In
Wie in
In
Die erste in
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
Wie in
Die aus
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]
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