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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors zur Erzeugung von Synthesegas durch Umsetzen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, beispielsweise Kohle, Koks oder stückige Biomasse mit ausreichend hohem Kohlenstoffanteil unter Verwendung von Sauerstoff, Luft und/oder Wasserdampf als Vergasungsmittel.
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Stand der Technik
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Mittels Festbettdruckvergasungsreaktoren wird fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoff, wie Kohle, Koks oder sonstige stückige Biomasse mit Wasserdampf (nachfolgend vereinfachend als Dampf bezeichnet) und Sauerstoff oder Luft in einem Schachtreaktor unter Überdruck zu einem hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendem Synthesegas vergast, wobei eine feste Asche erhalten wird, die über einen Ascheaustragsrost, der in vielen Fällen als Drehrost ausgebildet ist, aus dem Reaktor ausgetragen wird, vgl. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Vol. 15, Seite 369. Dieser Reaktortyp wird häufig auch als FBDB-(= Fixed Bed Dry Bottom)-Druckvergaser bezeichnet. Als Brennstoff wird dabei ein kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff verstanden, der nicht nur der Wärmeerzeugung, sondern auch als Edukt für die Synthesegasbildung dient. Typische Betriebsdrücke liegen oberhalb von 20 bar, absolut, häufig oberhalb von 40 bar, absolut.
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Beim Aufheizen des Brennstoffbettes wird angestrebt, dass die Unterseite des Bettes möglichst gleichmäßig über den Querschnitt auf Zündtemperatur aufgeheizt wird. Unter Zündtemperatur wird hier die Temperatur verstanden, bei der nach Hinzufügen des Vergasungsmittels dieses mit dem im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoff zu Kohlenoxiden und Wasserstoff reagiert.
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Bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors wird die zum Aufheizen des Brennstoffbettes bis auf Zündtemperatur notwendige Wärmeenergie entweder mittels Hochdruckdampfs oder indem im Reaktor ein leicht entzündliches Material, wie z.B. Holz verbrannt wird, in das Bett eingetragen. So lehrt die Offenlegungsschrift
DE 4 013 739 A1 , dass zum Aufheizen des Brennstoffbettes im Festbettdruckvergasungsreaktor diesem ein Zündbrennstoff zugeführt und entweder schon vor Zuführung gezündet oder durch ein Zündinitial im Reaktor gezündet werden kann. Alternativ kann der Festbettdruckvergasungsreaktor mit Brennstoff gefüllt und danach mittels Dampf bis über die Selbstentzündungstemperatur des Vergasungsstoffes aufgeheizt und schließlich mit einem Luft-Dampf-Gemisch gezündet werden. Schließlich schlägt die
DE 4 013 739 A1 vor, für das Aufheizen des Brennstoffbettes ein Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisch zuzuführen, wobei während des Aufheizens die Zusammensetzung des Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisches so gestaltet wird, dass der Sauerstoffanteil gerade so hoch ist, dass eine stete Erhöhung des Temperaturniveaus im Reaktor möglich ist, andererseits aber ein explosibles Gasgemisch, selbst bei Nichtumsetzung des Sauerstoffanteiles im Reaktor, nicht entstehen kann. Das Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisch wird in unterkritischer Zusammensetzung eingestellt, wobei als kritische Zusammensetzung der Sauerstoffgehalt im Gasgemisch zu verstehen ist, der bei Nichtumsetzung im Reaktor gerade ausreichen würde, im Anfahrrohgas bzw. im Gemisch Anfahrrohgas und Rohgas ein explosibles Gasgemisch zu bilden. Das in der Anfahrphase aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor ausgeleitete Heizmedium wird in der Regel über ein Abgasentsorgungssystem, beispielsweise ein Fackelsystem, entsorgt. Erst nach vollständig erfolgter Inbetriebnahme wird das den Festbettdruckvergasungsreaktor verlassende Produktgas der Synthesegas-Produktgassammelleitung zugeführt. Somit geht ein Teil des Brennstoffes verloren, da er nicht in das Synthesegasprodukt gelangt.
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Nachteilig an diesen Verfahren zum Erreichen der Zündtemperatur ist ferner, dass sie zum Erreichen sehr hoher Zündtemperaturen, wie sie bei einigen Kohle- und Kokssorten gegeben sind, technisch sehr aufwendig sind.
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Die Methode, die Wärme über das Verbrennen eines Zündbrennstoffs, wie Holz, im Reaktor zu erzeugen, erfordert einen großen technischen und zudem zeitlichen Aufwand. Außerdem besteht bei diesen Methoden die Gefahr, dass das Brennstoffbett nur ungleichmäßig über den Querschnitt bis zur Zündtemperatur erwärmt und dadurch, in der Startphase der Gaserzeugung, der mit dem Dampf in das Festbett eingeführte Sauerstoff nur unvollständig umgesetzt wird.
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Wenn Hochdruckdampf zum Aufheizen des Brennstoffs verwendet wird, sind mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nur Dampftemperaturen bis ca. 430°C erzielbar. Höhere Temperaturen würden einen unwirtschaftlich hohen technischen Aufwand bei Dampferzeugung und bei der Überführung des Dampfes in den Reaktor erfordern.
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Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die oben dargestellten Nachteile vermeidet.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Aufheizen des Brennstoffbetts bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- a.) Bereitstellen eines von Sauerstoff freigespülten und mit Stickstoff auf Betriebsdruck aufgedrückten Festbettdruckvergasungsreaktors, umfassend einen Vergasungsmitteleinlass, einen Produktgasauslass, ein auf einem Ascheaustragsrost angeordnetes Brennstoffbett aus festem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff, eine Brennstoffzuführvorrichtung, eine Ascheabführvorrichtung;
- b.) Bereitstellen einer unter Betriebsdruck stehenden Produktgassammelleitung in die das Produktgas des unter a.) bereit gestellten und gegebenenfalls weiterer Festbettdruckvergasungsreaktoren eingespeist und zur Weiterverarbeitung und/oder zum Verbraucher geleitet wird;
- c.) Einführung von heißem Heizgas in das Brennstoffbett unter Betriebsdruck und Abführung des aus dem Brennstoffbett austretenden Heizgases aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor über den Produktgasauslass unter Betriebsdruck in die Produktgassammelleitung;
- d.) Durchführung des Schrittes c.), bis mindestens in einem Teil des Brennstoffbetts die Zündtemperatur des Brennstoffs erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in Schritt c.) verwendeten Heizgas um Kohlendioxid oder um ein Inertgas, insbesondere um Stickstoff, handelt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Durch die Verwendung von Kohlendioxid oder eines Inertgases, wie Stickstoff, anstelle von Wasserdampf als Heizgas wird die Bildung von Kondensationswasser im Reaktor und insbesondere im Brennstoffbett vermieden. Der apparative Aufwand zur Erreichung einer Heizgastemperatur von bis zu 600°C, wie es für die Zündung von manchen Kohle- und Kokssorten nötig ist, ist bei der Verwendung von Kohlendioxid oder Inertgas geringer als bei der Verwendung von Wasserdampf. Zudem wirkt sich die Anwesenheit der Inertgaskomponenten aufgrund des Verdünnungseffektes im Synthesegasprodukt nicht störend aus, sondern kann bei der Weiterverarbeitung des Synthesegases oft toleriert werden.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
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Bevorzugt beträgt der Betriebsdruck des Festbettdruckvergasungsreaktors mindestens 20 bar, absolut, bevorzugt mindestens 40 bar. Dies sind übliche Betriebsdrücke für Festbettdruckvergasungsreaktoren, die in der Technik sicher beherrscht werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn das bei der Inbetriebnahme über den Produktgasauslass abgeführte Heizgas in die Synthesegas-Produktgassammelleitung geführt wird, jedoch nicht in ein Abgasentsorgungssystem. Auf diese Weise gehen keine Bestandteile des Brennstoffes während der Inbetriebnahme des Festbettdruckvergasungsreaktors verloren, sondern gelangen vollständig in das Synthesegasprodukt. Wird als Heizgas CO2 eingesetzt, wird dieses in der Endphase der Inbetriebnahme teilweise zu Kohlenmonoxid, also einem Synthesegasbestandteil, umgesetzt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht ferner darin, dass das Heizgas durch den Ascheaustragsrost hindurch in das Brennstoffbett eingeführt wird. Auf diese Weise wird ein effizienter Kontakt des Heizgases zum Brennstoffbett erreicht, ohne dass besondere Durchlässe für das Heizgas in das Reaktorinnere und in das Brennstoffbett geschaffen werden müssen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Heizgas mit einer Temperatur von mindestens 450 °C, bevorzugt von mindestens 500 °C, besonders bevorzugt von mindestens 550 °C in das Brennstoffbett eingeführt wird. Durch diese hohen, mit Kohlendioxid oder Inertgas mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erreichbaren Temperaturen können auch Kohle- oder Kokssorten gezündet werden, die bisher nur durch Entzünden von festem Brennstoff, wie Holz, im Reaktor gezündet werden können.
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In Weiterbildung des Aufheizverfahrens schließen sich folgende Arbeitsschritte an, um die Inbetriebnahme des Festbettdruckvergasungsreaktors abzuschließen:
- e.) Zünden des Brennstoffs durch Zumischen von Sauerstoff zum Inertgas in sich allmählich steigernder Konzentration, wobei die Sauerstoffkonzentration im den Reaktor verlassenden Gas unterhalb der Explosionsgrenze gehalten wird,
- f.) Zumischung von Dampf zum Inertgas/Sauerstoff-Gemisch und Absenkung der Inertgas-Konzentration bis auf Null,
- g.) Erhöhung des Volumenstroms des Dampf/Sauerstoff-Gemisches bis auf den Wert im Normalbetrieb des Festbettdruckvergasungsreaktors.
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Nach Arbeitsschritt g.) ist der Normalbetrieb des Festbettdruckvergasungsreaktors erreicht.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Anhand des folgenden Ausführungsbeispiels soll das erfindungsgemäße Anfahren eines Festbettdruckvergasungsreaktors erläutert werden:
- 1. Befüllen des Reaktors mit Brennstoff, wie z.B. Kohle.
- 2. Inertisieren des Reaktors durch Spülen mit Stickstoff bei Umgebungstemperatur.
- 3. Aufdrücken des Reaktors mit Stickstoff auf Betriebsdruck von 40 bar, absolut bei Umgebungstemperatur.
- 4. Aufheizen des Brennstoffs mit mittels eines gasbefeuerten Erhitzers auf 550 °C erhitztem Stickstoff bei Betriebsdruck, bis in der untersten, auf dem Rost aufliegenden Schicht des Brennstoffbettes die Zündtemperatur erreicht ist.
- 5. Zünden des Brennstoffs durch Zumischen von Sauerstoff zum Stickstoff in sich allmählich steigernder Konzentration bis auf 4 Vol.-%, wobei die Sauerstoffkonzentration im den Reaktor verlassenden Gas unterhalb der Explosionsgrenze gehalten wird. Um dies sicherzustellen, wird die Zusammensetzung des den Reaktor verlassenden Heizgases mittels geeigneten, möglichst verzögerungsfrei arbeitenden Online-Gasanalysatoren verfolgt. Das erzeugte Gas wird dabei direkt in das Rohgasnetz eingespeist. Auf diese Weise wird eine Umweltbelastung durch die Anfahrgase vermieden. Ferner gehen keine Bestandteile des Brennstoffes während der Inbetriebnahme des Festbettdruckvergasungsreaktors verloren, sondern gelangen vollständig in das Synthesegasprodukt. Bei diesem Anfahrschritt oxidiert zunächst das O2 mit C zu CO2 unter Druck und setzt Wärme frei. Aufgrund des Kohlenstoffüberschusses reagiert unmittelbar im Anschluss CO2 in heterogen endothermen Reaktionen zu CO. Zusätzlich entstehen Entgasungsgase aus der Kohle, die auch mit dem O2 reagieren können. Dieser Anfahrschritt dauert ca. 30 min.
- 6. Allmähliche Steigerung des Sauerstoffanteils im zugegebenen Stickstoff/Sauerstoff-Gemisch auf bis zu 8 Vol.-%. Dabei wird weiterhin beachtet, dass die Explosionsgrenze im produzierten Gas nicht überschritten wird.
- 7. Allmählich steigende Zumischung von Dampf zum Stickstoff/Sauerstoff-Gemisch zur Begrenzung der Temperatursteigerung im Brennstoffbett und damit zur Vermeidung des Schmelzens der Asche.
- 8. Allmähliche Einstellung der Gaszusammensetzung aus Stickstoff, Sauerstoff und Dampf und der Gasmenge auf Betriebszustand. In der Regel wird der Stickstoffgehalt dabei bis auf Null abgesenkt. Der Gasvolumenstrom des Dampf/Sauerstoff-Gemisches beträgt dabei 400 mN 3/h.
- 9. Schrittweise Erhöhung des Volumenstroms des Dampf/Sauerstoff-Gemisches von 400 mN 3/h bis auf den Wert im Normalbetrieb des Festbettdruckvergasungsreaktors, typischerweise 10000 mN 3/h.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem das Aufheizen eines aus Kohle oder Koks mit hoher Zündtemperatur bestehenden Brennstoffbetts eines Festbettdruckvergasungsreaktors technisch einfache Weise möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4013739 A1 [0004, 0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Vol. 15, Seite 369 [0002]