DE102015015594A1 - Verfahren und Anlage zur Synthesegaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern in einer Wirbelschicht, - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Synthesegaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern in einer Wirbelschicht, Download PDF

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zur Produktgaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern in einer Wirbelschicht, insbesondere in einer zirkulierenden Wirbelschicht, wobei ein Kohlenstoffträger (1) unter Zufuhr eines Vergasungsmittels (2) in wenigstens einem Vergasungsreaktor (3) vergast und ein Produktgas (5) erzeugt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass kohlenstoffhaltige Reststoffe aus dem Produktgas (5) und/oder aus dem Vergasungsreaktor (3) abgeführt und zur Erzeugung des Vergasungsmittels (2) in einer separaten Feuerung (9) unter Zufuhr eines Oxidationsmittels (10) verbrannt werden und dass das erzeugte Vergasungsmittel (2) zur direkten Wärmeübertragung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, dem Vergasungsreaktor (3) zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Produkt- bzw. Sythesegaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern in einer Wirbelschicht, insbesondere in einer zirkulierenden Wirbelschicht, wobei ein Kohlenstoffträger unter Zufuhr eines Vergasungsmittels in wenigstens einem Vergasungsreaktor vergast und ein Produktgas erzeugt wird.
  • Bei der Wirbelschichtvergasung handelt es sich um ein erprobtes Verfahren, das vor allem im Bereich der Kohlevergasung, aber auch im Bereich der Vergasung von Biomassen und/oder sonstigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen eingesetzt wird. In Wirbelschichtvergasern wird der zu vergasende feinkörnige Kohlenstoffträger in ein fluidisiertes Bettmaterial eingebracht und von unten her durch einen Anströmboden von einem Vergasungsmittel durchströmt. Nach Überschreiten einer minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit des Gases bildet sich eine stationäre Wirbelschicht mit definierter Oberfläche aus. Oberhalb des Wirbelbettes ist eine heiße Reaktionszone vorhanden, die vom aus dem Wirbelbett freigesetzten Gas durchströmt wird und in der das Gas weiterreagieren kann. Bei steigender Gasgeschwindigkeit expandiert die Wirbelschicht, so dass es zu einer gleichmäßigen Verteilung des Feststoffs über die Reaktorhöhe kommt. Bei der zirkulierenden Wirbelschichtvergasung wird das vom Synthesegas bzw. Produktgas mitgerissene Bettmaterial, die so genannte ”Flugasche”, in einem dem Vergasungsreaktor nachgeschalteten Heißzyklon vom Produktgas abgetrennt und in den Vergasungsreaktor zurückgeführt.
  • Die thermische Leistung von Wirbelschichtvergasern liegt üblicher Weise im Bereich zwischen 1 MWthermisch und weit über 100 MWthermisch. Der Feststoffgehalt im Produktgas ist aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeiten im Vergasungsreaktor größer als bei Festbettvergasern, zudem ist der Ausbrand der Asche in der Regel schlecht. Diese besteht bei der zirkulierenden Wirbelschichtvergasung zu ca. 80% aus Kohlenstoff, was sich negativ aus den Kaltgaswirkungsgrad des Vergasungsprozesses auswirkt.
  • Bei der Vergasung handelt es sich um einen endothermen Prozess, wobei dem Vergasungsreaktor Wärme auf hohem Temperaturniveau zuzuführen ist. Bei der autothermen Vergasung wird die für den Vergasungsprozess benötigte Reaktionswärme durch partielle Oxidation des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials im Inneren des Vergasers bereitgestellt. Die partielle Oxidation des Kohlenstoffträgers führt zu einer Verringerung des Kalkgaswirkungsgrades des Vergasungsprozesses. Darüberhinaus entsteht bei der partiellen Oxidation des Kohlenstoffträgers Rauchgas, das das Produktgas verdünnt und damit zu einer Heizwertsenkung des Produktgases führt. Insbesondere bei der Vergasung mit Luft als Vergasungsmittel kommt es zu einer starken Verdünnung des Produktgases durch den Stickstoffanteil der Luft. Aufgrund der Wärmebereitstellung durch partielle Oxidation des Kohlenstoffträgers ist ein wirtschaftlicher Betrieb des Vergasungsprozesses daher in der Regel nur bei der Vergasung von höherkalorischen Einsatzmaterialien möglich. Niederkalorische Einsatzmaterialien lassen sich dagegen nur eingeschränkt für den Vergasungsprozess nutzen. Bei der Vergasung mit Luft schränkt der vergleichsweise geringe Heizwert des Produktgases dessen Nutzungsmöglichkeiten ein.
  • Ändert sich die Menge und/oder die Zusammensetzung des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials für den Vergasungsprozess, ändert sich auch die Reaktionswärme für den endotherm Vergasungsprozess, die durch partielle Oxidation des Kohlenstoffträgers bereitgestellt werden muss. Die Einstellung einer optimalen Sauerstoffmenge für den Vergasungsprozess ist jedoch verfahrenstechnisch aufwendig, insbesondere dann, wenn Luft als Vergasungsmittel eingesetzt wird. Hierbei kommt es durch den Stickstoffanteil der Luft zur Abkühlung des Vergasungsprozesses und zu einer mehr oder weniger starken Verdünnung des Produktgases durch die veränderte Menge des Vergasungsmittels. Die Erzeugung eines Produktgases mit im Wesentlichen gleichbleibendem Heizwert ist daher nur eingeschränkt möglich.
  • Bei der allothermen Vergasung wird die Reaktionswärme für den Vergasungsprozess ganz oder teilweise aus einer externen Wärmequelle gedeckt. Dadurch wird die Verdünnung des Produktgases vermieden und es lassen sich Produktgase mit höheren Heizwerten erzeugen. Hauptproblem bei der Realisierung einer allothermen Vergasung ist allerdings der Wärmeeintrag in den Vergasungsreaktor. Die allotherme Vergasung ist bislang mit einem hohen technischen Aufwand verbunden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die bei einfacher Prozessführung und geringem technischen Aufwand die Erzeugung eines Synthesegases bzw. Produktgases mit hohem Heizwert ermöglichen und mit denen sich ein hoher Kaltgaswirkungsgrad des Vergasungsprozesses erreichen lässt. Im Übrigen sollen das Verfahren und die Anlage die Erzeugung eines Synthesegases bzw. Produktgases mit im Wesentlichen gleichbleibendem Heizwert auch bei einer Änderung der Menge und/oder der Zusammensetzung des für die Vergasung eingesetzten Kohlenstoffträgers in einfacher Weise zulassen. Insbesondere sollen das Verfahren und die Anlage die Möglichkeit bieten, auch kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe mit vergleichsweise geringerem Heizwert zur Erzeugung eines Synthese- bzw. Produktgases zu nutzen.
  • Die vorgenannten Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch eine Anlage mit den Merkmalen von Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Synthese- bzw. Produktgaserzeugung in einem Wirbelschichtvergaser, insbesondere in einer zirkulierenden Wirbelschicht, wobei die Hauptbestandteile des Synthesegases Wasserstoff, Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Methan sowie weitere Kohlenwasserstoffe sind. In dem Vergasungsreaktor kommt es dann zur direkten Wärmeübertragung zwischen dem Vergasungsmittel und der Vergasungszone mit dem zu vergasenden Kohlenstoffträger, wobei sich das Vergasungsmittel im Vergasungsreaktor mit der Atmosphäre des Vergasungsreaktors vermischt. Erfindungsgemäß werden kohlenstoffhaltige Reststoffe aus dem Synthesegas und/oder aus dem Vergasungsreaktor abgeführt und in einer separaten Feuerung unter Zuführung eines Oxidationsmittels verbrannt. Das Rauchgas aus der Feuerung wird dann als Vergasungsmittel genutzt und zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, dem Vergasungsreaktor zugeführt. Das erzeugte Synthesegas kann ein Rohstoff für die chemische Industrie sein und/oder als Brennstoff genutzt werden. Die erfindungsgemäße Anlage weist dementsprechend wenigstens einen nach dem Prinzip der Wirbelschichtvergasung arbeitenden Vergasungsreaktor, insbesondere einen zirkulierenden Wirbelschicht-Vergaser, wenigstens eine von dem Vergasungsreaktor räumlich getrennte Feuerung und wenigstens eine Abscheideeinrichtung zur Abscheidung kohlenstoffhaltiger Reststoffe aus dem Vergasungsreaktor und/oder zur Abscheidung kohlenstoffhaltiger Reststoffe aus dem Synthesegas auf.
  • In der Feuerung kommt es erfindungsgemäß zur Oxidation von Kohlenstoffanteilen der aus dem Vergasungsprozess stammenden Rückstände. Die Feuerung liefert somit das Vergasungsmittel für den Wirbelschichtreaktor und die Vergasungsenergie in Form von Wärme, wobei das Rauchgas der Feuerung im Wesentlichen Kohlendioxid und gegebenenfalls Sauerstoff sowie Wasserdampf aufweisen kann.
  • Durch Einsatz der heißen Rauchgase aus der Feuerung als Vergasungsmittel kann die für den endothermen Vergasungsprozess erforderliche Reaktionswärme zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig ohne innere partielle Oxidation des eingesetzten Kohlenstoffträgers, bereitgestellt werden, was zu einer Verbesserung des Kaltgaswirkungsgrades des Vergasungsprozesses führt. Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgelegt, dass wenigstens 90%, insbesondere wenigstens 80%, der für den endothermen Vergasungsprozess erforderlichen Reaktionswärme durch die Wärme des Vergasungsmittels bereit gestellt wird. Weiter vorzugsweise wird die für den endothermen Vergasungsprozess erforderliche Reaktionswärme vollständig durch die Wärme des Vergasungsmittels gedeckt. Das im Vergasungsmittel enthaltene Kohlendioxid kann dann im Vergasungsreaktor mit dem Kohlenstoff des Kohlenstoffträgers gemäß dem Boudouard-Gleichgewicht zu Kohlenmonoxid umgesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Erzeugung des Vergasungsmittels aus kohlenstoffhaltigen Rückständen des Vergasungsprozesses lässt es zu, wenigstens 90 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%, weiter vorzugsweise 98 Gew.-% oder mehr, des mit dem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial in den Vergaser eingebrachten Kohlenstoffs zu einem Synthese- bzw. Produktgas umzuwandeln. Durch die Verbrennung der Vergasungsrückstände in der Feuerung ist es möglich, die Wirbelschichtvergasung weitestgehend unabhängig von der Brennstoffqualität des für den Vergasungsprozess eingesetzten Kohlenstoffträgers zu betreiben. Insbesondere ist es nicht erforderlich, den Vergasungsprozess so zu führen, dass ein bestimmter hoher Kohlenstoffumsatz bei der Vergasung in der Wirbelschicht erreicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage eignen sich daher auch zum Einsatz von Kohlenstoffträgern mit vergleichsweise geringerem Heizwert für den Vergasungsprozess. Die Feuerung bietet damit die Möglichkeit, die Gesamtanlage gas- und kostenoptimiert zu betreiben, bei einfacher Prozessführung und geringem technischen Aufwand.
  • Da der Vergasungsprozess in dem Vergasungsreaktor und der Verbrennungsprozess in der Feuerung unabhängig voneinander gesteuert werden können, gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren äußerst flexibel im Arbeitsbereich. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Anlage eine separate Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs des Vergasungsreaktors einerseits und des Betriebs der Feuerung andererseits umfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich in einem Bereich von vorzugsweise 40% bis 100% der erreichbaren Gasleistung des Vergasungsreaktors eine gleichbleibend stabile Gasqualität erreichen.
  • Für eine hohe Wirtschaftlichkeit des Vergasungsprozesses sollte der Heizwert des für den Vergasungsprozess eingesetzten Kohlenstoffträgers vorzugsweise im Bereich von größer oder gleich 12 MJ/kg liegen. Die Heizwertangabe bezieht sich dabei auf eine Temperatur von 25°C und ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenden Wasserdampfes kommt, bezogen auf die Menge des eingesetzten Kohlenstoffträgers. Grundsätzlich können erfindungsgemäß jedoch auch Kohlenstoffträger mit geringerem Heizwert eingesetzt werden.
  • Die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Reststoffe aus dem Produktgas und/oder aus dem Vergasungsreaktor erfolgt in wenigstens einer Brennkammer. Vorzugsweise ist eine Schmelzfeuerung vorgesehen, die bei solchen Temperaturen betrieben wird, dass wenigstens ein Teil der Asche schmelzflüssig anfällt und in diesem Zustand aus der Feuerung abgeführt werden kann. In der Schmelzfeuerung kann es zu einer Verglasung der gebildeten Asche kommen. Als Feuerung kann eine offene Schmelzfeuerung, eine Schmelzkammerfeuerung, eine Zyklonfeuerung oder eine Zykloidfeuerung verwendet werden. Vorzugsweise ist jedoch eine Schmelzkammerfeuerung vorgesehen. Im Gegensatz zu nur schwer verwertbaren Aschen aus Trockenfeuerungen ist das Schlackengranulat aus Schmelzfeuerungen ein begehrter Rohstoff, etwa für den Straßenbau oder in der Steine-Erden-Industrie. Außerdem kann bei der durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnenen Schlacke mit hydraulischen Eigenschaften, ähnlich wie bei der Flugasche aus Kraftwerken und bei der Hochofenschlacke aus der Stahlproduktion, gerechnet werden.
  • Die Temperatur bei der Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Reststoffe aus dem Synthese- bzw. Produktgas und/oder aus dem Vergasungsreaktor in der Feuerung sollte möglichst hoch sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Vergasungsmittel mit einer Temperatur von wenigstens 1200°C, vorzugsweise wenigstens 1400°C, weiter vorzugsweise wenigstens 1500°C, besonders bevorzugt wenigstens 1600°C, oder auch wenigstens 1800°C, in den Vergasungsreaktor eintritt. Grundsätzlich kann die Temperatur des Vergasungsmittels beim Eintritt in den Vergasungsreaktor auch größer als 2000°C sein. Die Feuerung kann hierfür vorzugsweise als Schmelzfeuerung ausgebildet sein, so dass hohe Vergasungsmitteltemperaturen erreicht werden können. Die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Reststoffe in einer Schmelzkammer bietet darüberhinaus den Vorteil einer einfachen Ein-/Ausfuhr von Brennstoffen in die Schmelzkammer bei hohen Betriebsdrücken der Feuerung. Der schmelzförmige Austrag verhindert die Ausbildung von Schlackenrückständen in der Schmelzkammer, so dass die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Reststoffe in der Schmelzkammer wenig wartungsaufwändig ist.
  • Zusätzlich zu dem Vergasungsmittel aus der Feuerung kann dem Vergasungsreaktor jedoch auch direkt Sauerstoff und/oder Dampf und/oder gegebenenfalls auch Luft zugeführt werden, wobei die Zufuhr von Sauerstoff eine Teiloxidation des in dem Vergasungsreaktor eingesetzten Kohlenstoffträgers zur Folge hat und damit die für den endothermen Vergasungsprozess erforderliche Reaktionswärme lediglich zu einem (bestimmten) Anteil über das Vergasungsmittel aus der Feuerung und zu einem (anderen) Anteil durch partielle Oxidation im Inneren des Vergasers bereitgestellt wird. Durch Zufuhr von Dampf zum Vergasungsprozess lässt sich die Produktgaszusammensetzung vorteilhaft beeinflussen.
  • Der für den Vergasungsprozess eingesetzte Kohlenstoffträger wird partikelförmig in den Vergasungsreaktor eingebracht und kann einen mittleren Korndurchmesser bzw. Partikeldurchmesser von kleiner oder gleich 5 mm, vorzugsweise von kleiner oder gleich 2 mm, aufweisen. Im Ergebnis können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise sehr feinkörnige Kohlenstoffträger eingesetzt werden, so dass ein hoher Kohlenstoffumsatz in der Wirbelschicht gewährleistet ist.
  • Als kohlenstoffhaltiger Reststoff bzw. Rückstand des Vergasungsprozesses kann insbesondere Grobasche (Restkoks) aus dem Wirbelschichtreaktor abgeführt und in der Schmelzfeuerung verbrannt werden. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Grobasche kontinuierlich aus dem Vergasungsreaktor ausgetragen wird, um die Feststofffüllung im Vergasungsreaktor im Wesentlichen konstant zu halten. Der Kohlenstoffgehalt der Grobasche kann zwischen 10 Gew.-% und 60 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-%, betragen. Zur Abscheidung von Grobasche aus dem Vergasungsprozess weist die erfindungsgemäße Anlage wenigstens eine vorzugsweise automatisch betriebene Abscheideeinrichtung auf, die Teil des Vergasungsreaktors sein kann. Im übrigen sind entsprechende Transporteinrichtungen vorgesehen, um die Grobasche von dem Vergasungsreaktor zur Feuerung zu transportieren.
  • Bei einer weiter bevorzugten Variante der Erfindung wird die mit dem Produktgas ausgetragene Flugasche, die ebenfalls kohlenstoffhaltig ist, vom Produktgas abgetrennt und in der Feuerung verbrannt. Auch hierzu sind entsprechende Abscheide- und Transporteinrichtungen vorgesehen. Die Flugaschebeladung des Produktgases kann zwischen 30 g/Nm3 bis 120 g/Nm3, vorzugsweise zwischen 40 g/Nm3 und 100 g/Nm3, betragen. Der mittlere Korndurchmesser der Flugasche kann weniger als 100 μm, vorzugsweise weniger als 60 μm, weiter vorzugsweise weniger als 45 μm, betragen. Der Kohlenstoffgehalt der Flugasche kann zwischen 30 Gew.-% und 70 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 40 Gew.-% und 60 Gew.-%, betragen.
  • Im übrigen können neben partikelförmigen Bestandteilen auch solche kohlenstoffhaltigen Bestandteile aus dem Produktgas abgetrennt und in der Feuerung verbrannt werden, die zunächst gasförmig im Produktgas vorliegen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffverbindungen.
  • Zur Abscheidung kohlenstoffhaltiger Reststoffe aus dem Produktgas kann das Produktgas nach dem Austritt aus dem Vergasungsreaktor abgekühlt und gereinigt werden. Das Produktgas kann nach dem Austritt aus dem Vergasungsreaktor zunächst in wenigstens einer Kühleinrichtung auf eine Temperatur von 300°C bis 500°C, vorzugsweise von 350°C bis 400°C, abgekühlt werden. Die erfindungsgemäße Anlage kann zu diesem Zweck einen Abhitzekessel aufweisen, in dem das Produktgas abgekühlt wird. Hierbei sedimentiert eine Teilmenge der Flugasche. In einer nachfolgenden weiteren Kühleinrichtung, vorzugsweise einem Quencher, kann das Produktgas auf eine Temperatur von weniger als 80°C, vorzugsweise von weniger als 60°C, abgekühlt werden. Bei der Abkühlung in einem Quencher können aus dem Kreislaufwasser des Quenchers Flugasche und Kohlenwasserstoffe, wie Teerverbindungen, abgeschieden werden. Anschließend kann das kalte Produktgas in einer Filtereinrichtung gefiltert werden, beispielsweise in einem Nass-Elektrofilter, um Flugstaub abzuscheiden. Eine weitere Abkühlung des Produktgases auf eine Temperatur von weniger als 40°C, insbesondere von weniger als 30°C, kann in einer weiteren nachgeschalteten Kühleinrichtung erfolgen, um den Wassergehalt des Produktgases zu reduzieren. Nach der Gasreinigung kann das Produktgas dann verdichtet werden, beispielsweise auf einen Systemdruck von 2 barabs.
  • Das Vergasungsmittel aus der Feuerung kann als Hauptbestandteile Kohlendioxid und Sauerstoff aufweisen, was insbesondere von der Wahl des Oxidationsmittels für die Feuerung abhängt. Der Kohlendioxidgehalt des Vergasungsmittels kann im Bereich zwischen 60 Vol.-% und 100 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 70 Vol.-% und 100 Vol.-%, liegen. Der Sauerstoffgehalt des Vergasungsmittels kann bis 40 Vol.-%, vorzugsweise bis 30 Vol.-%, betragen.
  • Die Vergasungstemperatur kann im Bereich zwischen 800°C und 1100°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 950°C und 1000°C, liegen. Damit lässt sich die Entstehung von Teer weitestgehend unterbinden. Da die Temperatur in der Feuerung vorzugsweise deutlich höher liegt, kann eine Abkühlung des Vergasungsmittels nach dem Austritt aus der Feuerung und vor dem Eintritt in den Vergasungsreaktor vorgesehen sein, wobei die hierbei gewonnene Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau anfällt und prozesstechnisch weiterverwendet werden kann. Insbesondere lässt sich die Abkühlung des Vergasungsmittels vor dem Eintritt in den Vergasungsreaktor in Abhängigkeit von der für den Vergasungsprozess erforderlichen Reaktionswärme steuern und/oder regeln. Grundsätzlich kann es aber auch vorgesehen sein, das Vergasungsmittel dem Vergasungsprozess ohne Zwischenkühlung direkt auf dem Temperaturniveau der Feuerung zuzuführen.
  • Um einen hohen Heizwert des Produktgases sicherzustellen, erfolgt die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Reststoffe in der Feuerung vorzugsweise mit Sauerstoff hoher Reinheit, vorzugsweise mit reinem Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt des der Feuerung zugeführten Oxidationsmittels kann vorzugsweise mehr als 90 Vol.-%, weiter vorzugsweise mehr als 95 Vol.-%, besonders bevorzugt mehr als 99 Vol.-%, betragen.
  • Die Feuerung kann insbesondere bei Temperaturen zwischen 1500°C und 2200°C, vorzugsweise zwischen 1700°C und 2000°C, betrieben werden, insbesondere in einer Schmelzkammer. Im Übrigen kann die Feuerung bei Überdruck betrieben werden, insbesondere bei einem Druck von größer als 1,5 barabs, weiter insbesondere bei einem Druck von größer als 2 barabs. Das Druckniveau der Feuerung kann über dem Druckniveau des Vergasungsprozesses liegen, wobei das für die Feuerung eingesetzte Oxidationsmittel auf einen ausreichend hohen Druck verdichtet werden kann, um alle nachfolgenden Systemdruckverluste zu kompensieren. Die Gasförderung des Vergasungsmittels zum Vergasungsreaktor wird dann allein aufgrund des Überdrucks des Oxidationsmittels gewährleistet. Damit ist keine zusätzliche Verdichtung des Vergasungsmittels vor dem Eintritt in den Vergasungsreaktor erforderlich.
  • Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Feuerung wenigstens ein weiterer, nicht aus dem Vergasungsprozess stammender Kohlenstoffträger zugeführt wird. Der Heizwert des weiteren Kohlenstoffträgers (bei 25°C) kann insbesondere kleiner oder gleich 12 MJ/kg betragen, wobei insbesondere heizwertarme Brennstoffe, verschiedenartigste Schlacken, beispielsweise aus der Müllverbrennung, oder auch beliebige andere Materialien, beispielsweise Altreifen, Siedlungsabfälle, Klärschlämme, Biomasse, heizwertfreien Materialien zur Schlackeverbesserung und dergleichen, in der Feuerung als zusätzlicher Brennstoff eingesetzt werden können. Der Heizwert des weiteren Kohlenstoffträgers kann weniger als 10 MJ/kg, vorzugsweise weniger als 8 MJ/kg, betragen und insbesondere im Bereich zwischen 2,5 bis 12 MJ/kg liegen. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, dass der Feuerung bedarfsweise ein weiterer Kohlenstoffträger mit einem Heizwert von größer als 12 MJ/kg zugeführt wird. Der Einsatz eines weiteren Kohlenstoffträgers in der Feuerung eröffnet die Möglichkeit, niederkalorische Brennstoffe zur Erzeugung hochkalorischer Produktgase zu nutzen. Darüberhinaus führt der Einsatz eines weiteren Kohlenstoffträgers in der Feuerung dazu, dass im Vergasungsprozess auch Kohlenstoffträger mit vergleichsweise niedrigem Heizwert bei hoher Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in ein heizwertreiches Produktgas überführt werden können. Zudem lässt sich durch den Einsatz eines weiteren (externen) Kohlenstoffträgers in der Feuerung die Erzeugung eines Produktgases mit im Wesentlichen gleichbleibendem Heizwert auch bei einer Änderung der Menge und/oder der Zusammensetzung des für die Vergasung eingesetzten Kohlenstoffträgers sicherstellen.
  • Aus der Feuerung kann ein kohlenstoffarmer, respektive kohlenstofffreier Verbrennungsrückstand, insbesondere verglaste Schlacke, abgeführt werden. Der Kohlenstoffgehalt des Verbrennungsrückstands beträgt hierbei vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%, weiter vorzugsweise weniger als 2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 1 Gew.-%.
  • Der Druck des Vergasungsmittels vor dem Eintritt in den Vergasungsreaktor kann im Bereich zwischen 1,5 bis 2,5 barabs, vorzugsweise im Bereich zwischen 1,6 bis 2,0 barabs, liegen. Auf diesem Druckniveau kann auch der Vergasungsprozess ablaufen.
  • Zur Temperaturregelung und/oder Steuerung des Vergasungsprozesses kann dem Vergasungsreaktor auch ein Inertgas, insbesondere Kohlendioxid, zugeführt werden. Damit ist eine prozesstechnisch einfache Steuerungs- und/oder Regelung der Vergasungstemperatur möglich, was die Erzeugung eines Produktgases mit im Wesentlichen gleichbleibendem Heizwert vereinfacht.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Produktgaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern 1 in einer zirkulierenden Wirbelschicht, wobei der Kohlenstoffträger 1 unter Zufuhr eines Vergasungsmittels 2 in einem Vergasungsreaktor 3 einer kombinierten Vergasungs- und Feuerungsanlage 4 vergast und dabei ein Produktgas 5 erzeugt wird. Nicht dargestellt ist, dass der Vergasungsreaktor 3 einen Rückfuhrzyklon aufweist, um feste Bestandteile aus dem Produktgas 5 in den Vergasungsreaktor 3 zurückzuführen. Nach dem Austritt aus dem Rückführzyklon kann das Produktgas 5 einen Feststoffgehalt zwischen 40 und 200 g/Nm3, vorzugsweise zwischen 60 und 140 g/Nm3, aufweisen.
  • Das Produktgas 5 wird nach dem Durchströmen des Rückfuhrzyklons in einer Gasreinigungsvorrichtung 6 abgekühlt und gereinigt. Die Gasreinigungsvorrichtung 6 kann wenigstens eine Kühleinrichtung zur Abkühlung des Produktgases 5, insbesondere einen Abhitzekessel, aufweisen, um mit dem Produktgas 5 aus dem Vergasungsreaktor 3 transportierte Flugasche zumindest teilweise zu sedimentieren. Hierbei kann das Produktgas 5 auf eine Temperatur von beispielsweise 350°C bis 400°C abgekühlt werden.
  • Darüberhinaus kann die Gasreinigungsvorrichtung 6 eine weitere Kühleinrichtung zur nachfolgenden noch stärkeren Abkühlung des Produktgases 5, insbesondere auf Temperaturen von 60°C oder weniger, aufweisen. Beispielsweise kann wenigstens ein Quencher vorgesehen sein, wobei aus dem Kreislaufwasser des Quenchers Flugasche und Kohlenwasserstoffe, eventuell Teerverbindungen, abgeschieden werden können.
  • Im Übrigen kann die Gasreinigungsvorrichtung 6 wenigstens eine Filtereinrichtung, beispielsweise einen Nass-Elektrofilter, aufweisen, um das Produktgas 5 vom Flugstaub zu reinigen. Das gereinigte Produktgas 5 kann über eine weitere nicht dargestellte Kühleinrichtung auf Temperaturen von weniger als 40°C, insbesondere von weniger als 30°C, abgekühlt werden, um den Wassergehalt des Produktgases 5 zu reduzieren. Anschließend kann eine Verdichtung des gereinigten und getrockneten Produktgases mit einem nicht dargestellten Verdichter vorgesehen sein, wobei das Produktgas 5 beispielsweise auf einen Druck von ca. 2 barabs verdichtet werden kann und für weitere Anwendungen zur Verfügung steht.
  • Die in der Gasreinigungsvorrichtung 6 aus dem Produktgas 5 abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Reststoffe, insbesondere Flugasche 7 und ein kohlenstoffhaltiger Filterkuchen 8, werden nachfolgend in einer als Schmelzkammer ausgebildeten Feuerung 9 mit einem Oxidationsmittel 10 verbrannt. Als weiterer kohlenstoffhaltiger Reststoff wird Grobasche 11 aus dem Vergasungsreaktor 3 abgeführt und der Feuerung 9 zugeführt. Hierfür sind nicht im einzelnen dargestellte Abscheide- und Transporteinrichtungen vorgesehen. In der Feuerung 9 wird das Vergasungsmittel 2 erzeugt. Bei dem Oxidationsmittel 10 handelt es sich vorzugsweise um reinen Sauerstoff.
  • Aschen aus dem Vergasungsprozess und Rückstände aus der Produktgasreinigung enthalten in hohen Konzentrationen Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff wird bei der gezeigten kombinierten Vergasungs- und Feuerungsanlage 4 genutzt, um mit vorzugsweise reinem Sauerstoff ein Rauchgas als Vergasungsmittel 2 bei einer Temperatur von vorzugsweise 1700°C bis 2000°C zu erzeugen. Das Vergasungsmittel 2 weist im Wesentlichen Kohlendioxid und Sauerstoff auf, wobei die Verbrennung der Reststoffe in der Feuerung 9 vorzugsweise bei Sauerstoffüberschuss erfolgt.
  • Bedarfsweise können weitere Kohlenstoffträger 12, wie Schlacken, Altreifen, Siedlungsabfälle, Klärschlämme oder Biomassen oder dergleichen, der Feuerung 9 zugeführt und dort verbrannt werden. Dies macht eine Nutzung insbesondere von heizwertarmen bzw. niederkalorischen Brennstoffen in der kombinierten Vergasungs- und Feuerungsanlage 4 möglich.
  • Aus der Vergasungsmittelproduktion wird eine verglaste Schlacke 14 erhalten, die vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von deutlich unter 1 Gew.-% aufweist und vielseitig weiterverwendbar ist.
  • Das aus der Schmelzkammer austretende Vergasungsmittel 2 kann gegebenenfalls in einem Wärmeübertrager 13 abgekühlt werden, um die dem Vergasungsprozess zugeführte Reaktionswärme der Höhe nach zu steuern und/oder zu regeln. Aus dem Wärmeübertrager 13 und gegebenenfalls bei der Abkühlung des Produktgases 5 in der Gasreinigungsvorrichtung 6 freigesetzte Wärme 15 steht als Prozessabwärme für eine weitere Nutzung zur Verfügung.
  • Weiter ergibt sich aus 1, dass dem Vergasungsreaktor 3 ein weiteres Vergasungsmittel 16, insbesondere Sauerstoff, zugeführt werden kann, um zusätzliche Reaktionswärme durch Teiloxidation des Kohlenstoffträgers 1 im Vergasungsreaktor 3 bereitzustellen. Darüberhinaus kann die Zugabe von Wasserdampf 17 zum Vergasungsprozess vorgesehen sein, um die Zusammensetzung des Produktgases 5 zu verändern.
  • Schließlich kann die Zugabe eines Inertgases 18, insbesondere von Kohlendioxid, zum Vergasungsreaktor 3 vorgesehen sein, um die Temperatur des Vergasungsprozesses und/oder die Produktgaszusammensetzung in gewünschter Weise zu beeinflussen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kohlenstoffträger
    2
    Vergasungsmittel
    3
    Vergasungsreaktor
    4
    Vergasungs- & Feuerungsanlage
    5
    Produktgas
    6
    Gasreinigungsvorrichtung
    7
    Flugasche
    8
    Filterkuchen
    9
    Feuerung
    10
    Oxidationsmittel
    11
    Grobasche
    12
    Kohlenstoffträger
    13
    Wärmeübertrager
    14
    Schlacke
    15
    Wärme
    16
    Vergasungsmittel
    17
    Wasserdampf
    18
    Inertgas

Claims (10)

  1. Verfahren zur Produktgaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern in einer Wirbelschicht, insbesondere in einer zirkulierenden Wirbelschicht, wobei ein Kohlenstoffträger (1) unter Zufuhr eines Vergasungsmittels (2) in wenigstens einem Vergasungsreaktor (3) vergast und ein Produktgas (5) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass kohlenstoffhaltige Reststoffe aus dem Produktgas (5) und/oder aus dem Vergasungsreaktor (3) abgeführt und zur Erzeugung des Vergasungsmittels (2) in einer separaten Feuerung (9) unter Zufuhr eines Oxidationsmittels (10) verbrannt werden und dass das erzeugte Vergasungsmittel (2) zur direkten Wärmeübertragung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, dem Vergasungsreaktor (3) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerung als Schmelzfeuerung ausgebildet ist und/oder dass die Temperatur des Vergasungsmittels (2) beim Eintritt in den Vergasungsreaktor (3) wenigstens 1200°C, vorzugsweise wenigstens 1400°C, beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Grobasche (11) aus dem Vergasungsreaktor (3) abgeführt und in der Feuerung (9) verbrannt wird und/oder dass mit dem Produktgas (5) ausgetragene kohlenstoffhaltige Reststoffe, vorzugsweise zusammen mit Flugasche (7), vom Produktgas (5) abgetrennt und in der Feuerung (9) verbrannt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergasungsmittel (2) einen Kohlendioxidgehalt von größer oder gleich 60 Vol.-%, vorzugsweise von größer oder gleich 70 Vol.-%, weiter vorzugsweise von größer oder gleich 95 Vol.-%, besonders bevorzugt bis 100 Vol.-%, aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergasungsmittel (2) einen Sauerstoffgehalt von kleiner oder gleich 40 Vol.-%, vorzugsweise von kleiner oder gleich 30 Vol.-%, aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungstemperatur im Vergasungsreaktor (3) zwischen 800°C und 1100°C, vorzugsweise zwischen 950°C und 1000°C, beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (10) einen Sauerstoffgehalt von größer oder gleich 90 Vol.-%, vorzugsweise von größer oder gleich 95 Vol.-%, weiter vorzugsweise bis 100 Vol.-%, aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerung (9) wenigstens ein weiterer nicht aus dem Vergasungsprozess stammender Kohlenstoffträger (12) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergasungsreaktor (3) ein Inertgas (18), insbesondere Kohlendioxid, zugeführt wird.
  10. Anlage (4) zur Produktgaserzeugung durch Vergasung von flüssigen, festen oder pastösen Kohlenstoffträgern (1) in einer Wirbelschicht, insbesondere in einer zirkulierenden Wirbelschicht, mit wenigstens einem Vergasungsreaktor (3), mit wenigstens einer vom Vergasungsreaktor (3) räumlich getrennten Feuerung (9), insbesondere einer Schmelzkammerfeuerung, und mit wenigstens einer Abscheideeinrichtung zur Abscheidung kohlenstoffhaltiger Reststoffe aus dem Vergasungsreaktor (3) und/oder zur Abscheidung kohlenstoffhaltiger Reststoffe aus dem Produktgas (5), ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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