DE102014105409A1 - Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen mit den Schritten: Bereitstellen der Stoffe oder Stoffgemische an einem Pyrolysereaktor, Aufspalten der Stoffe oder Stoffgemische in Pyrolysekoks und Pyrolysegas in dem Pyrolysereaktor, Verfeuern des Pyrolysekoks in einer Feuerung, Nacherhitzen des Pyrolysegases in einem Reformer, Reforming des Pyrolysegases unter Zugabe von Wasserdampf zu Produktgas, Reinigen des Produktgases, Absenken des Kohlenmonoxydanteils im Produktgas in einem Wasserdampf-Shift-Reaktor sowie Abtrennen von Kohlendioxid vom Produktgas in einer Pressure-Swing-Adsorption-Anlage, wobei als Pyrolysereaktor ein Wanderbettreaktor eingesetzt wird.

Description

  • 00 Einsatzstoffe:
    • aus Land-Forstwirtschaft Holz, Althölzer auch hochbelastet, Grünschnitt, Laub, Astwerk, Energiepflanzen, Heu, Stroh, Silage, Schlacht- und Fischabfälle, Geflügelmist
    • aus Gewerbe Kaffee und andere Röstrückstände, Getreidespelzen, überlagerte Lebensmittel, Papier Klärschlamm, Gewerbemüll mit hohen brennbaren Anteilen, Kunststoffabfällen, Shredderleichtfraktion, Sortierreste, Siebrückstände, Rechengut
    • aus Haushalt Biomüll, Kunststoffabfälle, aufbereiteter Hausmüll, Grünschnitt, Laub, Astwerk, Gartenabfälle, Altholz
  • Über eine Fördereinrichtung 01, die als Förderschnecke oder Bandförderer oder ähnliches ausgeführt ist, gelangen die Einsatzstoffe in den Pyrolysereaktor 02. In diesem Reaktor werden die organischen Stoffe bei einer Temperatur zwischen 500 und 600 Grad Celsius in Pyrolysekoks (fester kohlenstoffhältiger Bestandteil) und in Pyrolysegas als flüchtiger Bestandteil aufgespaltet.
  • Hier wird ein Wanderbettreaktor eingesetzt, bei dem die organischen Stoffe und Stoffgemische mit einem Wärmeträger in Kontakt gebracht werden, wodurch eine schnelle Pyrolyse stattfindet. Diese Methode ist gegenüber Wirbelschichten wesentlich günstiger, auch weil eine Beeinflussung der Reaktionen der Pyrolysegase in der Reaktionszone möglich ist.
  • Der Pyrolysekoks wird einer Feuerung 17 zugeführt und die erzielte thermische Energie daraus wird als Prozesswärme für die Pyrolysereaktion und für die nachgeschaltete zweite Reaktionsstufe Reforming 03 verwendet.
  • Im Reformer wird das teerhaltige Pyrolysegas auf ca. 1000 Grad C nacherhitzt und das Reforming erfolgt unter Zugabe von Wassersdampf und in Gegenwart eines Katalysators bei 950 Grad Celsius, sodass ein Produktgas mit hohem Heizwert entsteht. Die Reaktionen laufen unter Atmosphärendruck ab. Damit wird folgendes Produktgas erhalten:
    Heizwert 9 MJ/kg
    Wasserstoff 60 V-%
    Kohlenmonoxyd 18 V-%
    Kohlendioxyd 22 V-%
  • Die Einbringung der thermischen Energie in die beiden Reaktoren (Pyrolyse und Refomer) erfolgt über einen Wärmeträgermedium. Als Wärmeträgermedium werden Formkörper aus metallischen oder auch nichtmetallischen Keramikmateralien oder Sintermateralien verwendet.
  • Das Produktgas wird über einen Abhitzekessel 04 geleitet. Die gewonnene Wärme wird zur Vortrocknung und Aufheizung der Einsatzstoffe verwendet.
  • Danach gelangt das Produktgas in eine Reinigungs- und Konditionierungsstufe 05 in der mögliche flüchtige Festteile und das Kondensat abgeschieden werden. Das gewonnene Kondensat wird zu Wasserdampf und als Prozessdampf verwendet.
  • Der gereinigte Produktgasstrom 06 gelangt dann in den Wasserdampf-Shift-Reaktor 07, dort wird der Kohlenmonoxydanteil des Produktgases auf unter 1 V-% abgesenkt.
  • In der Wassergas-Shift-Reaktion reagiert das Kohlenmonoxyd leicht exotherm unter Zugabe von Wassersdampf in Gegenwart eines Katalysators zu Kohlendioxyd und Wasserstoff. Die Reaktion läuft bei einer Temperatur von 250–450 Grad Celsius ab.
  • In der folgenden PSA-Anlage 08 (Pressure-Swing-Adsorption) wird das Kohlendioxyd vom Wasserstoff abgetrennt.
  • In diesem physikalischen Verfahren wird Aktivkohle als Adsorbens verwendet. Das Produktgas wird unter einem Druck von 6–10 bar in einen Festbettreaktor, der mit dem Adsorbens gefüllt ist, eingeleitet. Die schwere Komponente wird dabei adsorbiert, die leichte Komponente kann am anderen Ende entnommen werden. Nach Sättigung des Adsorberbettes wird über ein Ventil der Prozess umgeschaltet, sodass der Ausgang für die leichte Komponente geschlossen und der Ausgang für die schwere Komponente geöffnet wird. Der Vorgang wird nach Maßgabe der Meß- und -Regeltechnik wiederholt und richtet sich nach der gewünschten Reinheit der Gase. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten werden zwei wechselseitige be- und entlandene Adsorber angeordnet.
  • Der Wasserstoffstrom 09 wird einer neuerlichen Reinigung 10 zugeführt, um die Qualität für Brennstoffzellen zu erreichen.
  • In diesem Verfahrensschritt wird der gewonnene molekulare Wasserstoff mit einem Energieinhalt von 3,00 KWh/Nm3 in einen Wasserstoff mit hohen atomaren Anteilen umgewandelt, wodurch sich der Energieinhalt wesentlich erhöht. Damit ergibt sich eine wesentlich bessere Ausbeute des Primärenergieträgers.
  • Aufteilung: Der gereinigte Wasserstoff wird
    • a.) den hauseigenen Brennstoffzellen 13 zugeführt zur Erzeugung elektrischer Energie die gemäß Ökostromgesetz in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird
    • b.) an Haushalte 15 geliefert, die dann dezentral über eigene Brennstoffzellen ihren Energiebedarf in Form von Strom und Wärme abdecken können. Eventuelle Überproduktion von elektrischer Energie kann in das öffentliche Netz eingespeist werden.
    • c.) an Tankstellen 14 geliefert und dort wird der Wasserstoff auf 700 bar verdichtet, um damit Brennstoffzellenfahrzeuge betanken zu können. Damit kann eine europaweit flächendeckende Wasserstoffversorgung aufgebaut werden und somit wird ein schadstofffreier Autoverkehr gewährleistet.
  • Das aus der PSA-Anlage gewonnene Kohlendioxyd wird aufbereitet und gelagert bis zur Weiterverarbeitung 11 als Vorprodukt zur Kunststoffherstellung.
  • Dies ist das erste Verfahren zur elektrischen und thermischen Energieerzeugung bei dem keine schädlichen Emissionen entstehen und das Kohlendioxyd in der Atmosphäre verringert wird. Somit ist das beschriebene Verfahren CO2 mindernd, denn die Biomasse hat beim Wachstum Kohlendioxyd gebunden und dieses wird nicht mehr in die Atmosphäre abgegeben.
  • Eine Tonne Biomasse setzt 1,5 Tonnen Kohlendioxyd frei und somit für eine 50 MW thermische Anlage bei der 75.000 Tonnen Biomasse gebraucht wird, werden 112.500 Tonnen Kohlendioxyd pro Jahr der Atmosphäre entzogen. Das bedeutet, wenn das gesamte Europa zu dieser Energieform wechselt, eine Verminderung von Kohlendioxyd in der Atmosphäre von 49.500.000 Tonnen pro Jahr.
  • Bezugszeichenliste
    • 00
    Einsatzstoffe
    01
    Fördereinrichtung für die Einsatzstoffe
    02
    Pyrolysereaktor
    03
    2.Reaktionsstufe (Reformer)
    04
    Abhitzekessel
    05
    Reinigungs- und Konditionierungsstufe
    06
    Gereinigter Produktgasstrom
    07
    Wassergas-Shift-Reaktor
    08
    PSA-Anlage (Pressure-Swing-Adsorption)
    09
    Wasserstoff-Gasstrom
    10
    Wasserstoff-Reinigung
    11
    Kohlendioxyd-Lagerung und Aufbereitung zur Polyurithanherstellung
    12
    Wärmeträgermedium-Vorwärmung
    13
    Hauseigene Brennstoffzellen (Kraftwerk)
    14
    Wasserstofftankstellen
    15
    Liefereinrichtung für Privatpersonen mit eigenen Brennstoffzellen
    16
    Pyrolysekoksstrom
    17
    Feuerung beschickt mit Pyrolysekoks
    18
    Luftvorwärmung

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen mit den Schritten: Bereitstellen der Stoffe oder Stoffgemische an einem Pyrolysereaktor, Aufspalten der Stoffe oder Stoffgemische in Pyrolysekoks und Pyrolysegas in dem Pyrolysereaktor, Verfeuern des Pyrolysekoks in einer Feuerung, Nacherhitzen des Pyrolysegases in einem Reformer, Reforming des Pyrolysegases unter Zugabe von Wasserdampf zu Produktgas, Reinigen des Produktgases, Absenken des Kohlenmonoxydanteils im Produktgas in einem Wasserdampf-Shift-Reaktor sowie Abtrennen von Kohlendioxid vom Produktgas in einer Pressure-Swing-Adsorption-Anlage, wobei als Pyrolysereaktor ein Wanderbettreaktor eingesetzt wird.
  2. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach Anspruch 1, bei dem in dem Pyrolysereaktor die Stoffe oder Stoffgemische bei einer Temperatur zwischen 500 Grad und 600 Grad Celsius aufgespalten werden.
  3. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Reformer das Pyrolysegas auf eine Temperatur von 1000 Grad Celsius nacherhitzt wird.
  4. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem Reformer die Reaktionen unter Atmosphärendruck ablaufen.
  5. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem thermische Energie in den Pyrolysereaktor und den Reformer mit einem Wärmeträgermedium aus Keramik- oder Sintermaterial eingebracht wird.
  6. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Produktgas beim Reinigen abgekühlt wird.
  7. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem im Wasserdampf-Shift-Reaktor der Kohlenmonoxydanteil im Produktgas auf unter ein Volumenprozent abgesenkt wird.
  8. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem im Wasserdampf-Shift-Reaktor die Reaktion bei einer Temperatur zwischen 250 Grad Celsius und 450 Grad Celsius abläuft.
  9. Verfahren zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: Bereitstellen der Stoffe oder Stoffgemische an einem Pyrolysereaktor, Aufspalten der Stoffe oder Stoffgemische in Pyrolysekoks und Pyrolysegas in dem Pyrolysereaktor, Verfeuern des Pyrolysekoks in einer Feuerung, Nacherhitzen des Pyrolysegases in einem Reformer, Reforming des Pyrolysegases unter Zugabe von Wasserdampf zu Produktgas, Reinigen des Produktgases, Absenken des Kohlenmonoxydanteils im Produktgas in einem Wasserdampf-Shift-Reaktor, Abtrennen von Kohlendioxid vom Produktgas in einer Pressure-Swing-Adsorption-Anlage, wobei nach dem Abtrennen von Kohlendioxid vom Produktgas ein Reinigen des Wasserstoffs des Produktgases erfolgt.
  10. Anlage zum Ausführen eines Verfahrens zum Herstellen von Wasserstoff aus organischen Stoffen und Stoffgemischen nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109022003A (zh) * 2018-08-28 2018-12-18 华中科技大学 一种利用生物质制备高热值燃气的系统和方法
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WO2022221436A1 (en) * 2021-04-13 2022-10-20 Kore Infrastructure Systems and methods for production of renewable hydrogen for waste collection and waste management center vehicles

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