DE102016008289A1 - Apparatus and method for allothermic fixed bed gasification of carbonaceous material - Google Patents

Apparatus and method for allothermic fixed bed gasification of carbonaceous material Download PDF

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Abstract

Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Vorrichtung und das Verfahren, sind für die Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien wie Biomasse und Rückständen in hoch qualitatives Produktgas mit niedrigem Teergehalt für kleine und mittelgroße Einrichtungen vorgesehen. Die Vorrichtung besteht aus einem Primärreaktor für allothermen Festbettvergasung, wobei die feste Phase in der oberen Schicht eine so genannte Wärmeübertragungszone (20a) bildet, mit einem Temperaturgradienten von atmosphärischer zur Betriebstemperatur, und einer unteren Schicht, welche als Hochtemperaturzone (20b) bezeichnet und bei Betriebstemperatur gehalten wird. Der Koks der Festphase wird zur in-situ Heißgasbehandlung verwendet und wird durch Trocken- und Dampfreformierungsreaktionen reformiert. Dem Primärreaktor (20) folgt ein Sekundärreaktor (23), wo eine sekundäre Heißgasbehandlung unter der Verwendung einer Mischung von Reaktanten, Adsorber und Katalysatoren statt findet. Infrarotstrahlung, vorzugsweise durch Porenbrenner-Technik (13, 27), wird als ein Mittel zur indirekten Beheizung verwendet. Die Betriebstemperatur liegt im Bereich zwischen 700 und 1000 C, vorzugsweise zwischen 800 und 950 C.The apparatus and method described in the present invention are intended for the conversion of carbonaceous materials such as biomass and residues into high-quality, low-tar content product gas for small and medium sized facilities. The apparatus consists of a primary reactor for allothermic fixed bed gasification wherein the solid phase in the top layer forms a so called heat transfer zone (20a) with a temperature gradient from atmospheric to operating temperature and a bottom layer which is referred to as high temperature zone (20b) and at operating temperature is held. The solid phase coke is used for in situ hot gas treatment and is reformed by dry and steam reforming reactions. The primary reactor (20) is followed by a secondary reactor (23) where secondary hot gas treatment takes place using a mixture of reactants, adsorbents and catalysts. Infrared radiation, preferably by pore burner technique (13, 27), is used as a means of indirect heating. The operating temperature is in the range between 700 and 1000 C, preferably between 800 and 950 C.

Description

Einsatzgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur allothermen Festbettvergasung von kohlenstoffhaltigen Materialien. Insbesondere bezieht sich diese auf die allotherme Festbettvergasung und die Nutzung und Optimierung von in situ und sekundären Heißgasbehandlungen. Die beschriebene Vorrichtung und das Verfahren sind insbesondere für die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Produktgases für energetische Anwendungen in kleinem und mittlerem Anlagen geeignet.The present invention relates to an apparatus and a process for allothermic fixed bed gasification of carbonaceous materials. In particular, it relates to allothermic fixed bed gasification and the use and optimization of in situ and secondary hot gas treatments. The described apparatus and method are particularly suitable for the production of a high quality product gas for energetic applications in small and medium plants.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Thermochemische Reaktionen sind die Grundlage für viele Umwandlungsprozesse organischer Verbindungen. Besonders wichtig sind sie in Ölraffinerien, wo Erdöl und Erdgas in hochwertige Derivate unter Anwendung von Verfahren wie Hydrotreatment, Katalytisches Reforming, Fluid Catalytic Cracking, Hydrocracking, Visbreaking, Verkokung, Dampfreformierung, usw. umgewandelt wirdThermochemical reactions are the basis for many organic compound transformation processes. They are particularly important in oil refineries, where petroleum and natural gas are converted to high value derivatives using processes such as hydrotreatment, catalytic reforming, fluid catalytic cracking, hydrocracking, visbreaking, coking, steam reforming, etc.

Ähnliche Konzepte und Verfahren werden auch zur Gewinnung von gasförmigen Strömen, entweder aus fossilen Brennstoffen oder aus beliebigem anderen kohlenstoffhaltigen Material, verwendet. Diese Prozesse werden üblicherweise als Vergasung oder Reformierung bezeichnet und die Gasströme können entweder zur Energiegewinnung oder zur Synthese von Verbindungen verwendet werden.Similar concepts and methods are also used to recover gaseous streams, either from fossil fuels or from any other carbonaceous material. These processes are commonly referred to as gasification or reforming, and the gas streams can be used either for power generation or compound synthesis.

Das thermische Cracken, katalytisches Cracken, Dampf- und Trockenreformierung sind einige Beispiele für thermochemische Reaktionen, welche in einem Vergasungsprozess ablaufen, welches kohlenstoffhaltiges Material (im Folgenden als Einsatztstoff bezeichnet) in ein Brenngas, in der Regel Produktgas genannt, umwandelt. Diese Reaktionen sind überwiegend endotherm und werden daher immer durch eine Wärmequelle unterstützt.Thermal cracking, catalytic cracking, steam and dry reforming are some examples of thermochemical reactions that occur in a gasification process that converts carbonaceous material (hereinafter referred to as feed) into a fuel gas, typically called product gas. These reactions are predominantly endothermic and therefore always supported by a heat source.

Wenn der Einsatzstoff auf eine Temperatur von über 400 C erwärmt wird, findet das thermische Cracken statt. Wenn kein Vergasungsmittel (Sauerstoff, Luft, Dampf oder Kohlendioxid) zur Verfügung steht, dann ist das thermische Cracken der bestimmende Mechanismus für die Umwandlung des Einsatzstoffs und das Verfahren wird in der Regel als Pyrolyse oder destruktive Destillation definiert. Zwei verschiedene Ströme werden erzeugt, eine feste Phase, gebildet aus Koks mit anorganischen Stoffen und eine gasförmige Phase gebildet aus einem Gasgemisch (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, ...) und kondensierbaren Bestandteilen (Teer, sauerstoffhaltigen Verbindungen, ...).When the feed is heated to a temperature above 400 C, thermal cracking occurs. If no gasification agent (oxygen, air, steam or carbon dioxide) is available then thermal cracking is the determining mechanism for conversion of the feed and the process is typically defined as pyrolysis or destructive distillation. Two different streams are generated, a solid phase formed from coke with inorganic substances and a gaseous phase formed from a gas mixture (hydrogen, carbon monoxide, methane, ...) and condensable components (tar, oxygenates, ...).

Andernfalls, wenn ein Vergasungsmittel wie Sauerstoff, Luft, Dampf oder Kohlendioxid während der Erwärmung des Einsatzstoffs vorhanden ist, können weitere fest-gasförmige und gasförmig-gasförmige Reaktionen stattfinden, und selbst wenn noch thermisches Cracken nach wie vor stattfindet, wird der Prozess nicht mehr als Pyrolyse bezeichnet, sondern als Vergasung.Otherwise, if a gasification agent such as oxygen, air, steam or carbon dioxide is present during the heating of the feedstock, further solid-gaseous and gaseous-gaseous reactions may take place and even if thermal cracking still occurs, the process will not exceed Pyrolysis, but as gasification.

Das verwendete Vergasungsmittel in dem Verfahren ist eines der wichtigsten Merkmale in einem Vergasungsverfahren, welches auch für die Identifizierung der verschiedenen Ansätze verwendet wird, wie nachfolgend definiert:

  • • Die autotherme Vergasung verwendet Luft oder Sauerstoff als Vergasungsmittel. Das führt zu der teilweisen Verbrennung des Einsatzstoffs, wo in der Regel 20 bis 40% der chemischen Energie freigesetzt wird. Die in dieser Weise erzeugte Wärme wird dann für die Umwandlung des restlichen Einsatzstoffs zur Verfügung gestellt. An der Oxidationszone können Temperaturen von über 1.100 C erreicht werden, und diese hohe Temperatur kann dann für das thermische Cracken von Teeren verwendet werden. Luft-Vergasung ist der häufigste Ansatz, aber dieser führt zu einer hohen Konzentration von Stickstoff (~50%) und Kohlendioxid (~20%) in dem Produktgas, was zu niedrigen Heizwerten führt;
  • • Allotherme Vergasung nutzt Dampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungsmittel. In diesem Fall sind Dampf- und Trockenreformierung die wichtigsten Vergasungsreaktionen und für sie werden günstige Temperaturen oberhalb von 800°C zu benötigt. Da die beteiligten Reaktionen überwiegend endotherm sind, muss Wärme von außen zugeführt werden, beispielsweise durch das Verbrennen eines Teils der Koks oder des Produktgases außerhalb des Reaktor und Übertragen der Wärme durch die Reaktorwände oder einen Wärmeträger. In diesem Fall wird in der Regel 20 bis 40% der chemischen Energie der Produkte in der Heizungsanlage eingesetzt. Die Menge an nicht umgesetztem Kohlenstoff in dem festen Produkt ist in der Regel höher als in autothermen Prozessen, insbesondere wenn die Bedingungen für Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen nicht optimal sind. Im Vergleich zur autothermen Vergasung, hat die allotherme Vergasung in der Regel eine bessere Flexibilität des Einsatzstoffs und einen stabileren Betrieb, da die wichtigen Parameter, wie Temperatur und Druck von außen gesteuert werden.
The gasification agent used in the process is one of the most important features in a gasification process, which is also used to identify the various approaches, as defined below:
  • • Autothermal gasification uses air or oxygen as a gasifier. This leads to the partial combustion of the feedstock, where typically 20 to 40% of the chemical energy is released. The heat generated in this way is then provided for the conversion of the residual feedstock. Temperatures in excess of 1100 C can be achieved at the oxidation zone, and this high temperature can then be used for the thermal cracking of tars. Air gasification is the most common approach, but this results in a high concentration of nitrogen (~ 50%) and carbon dioxide (~ 20%) in the product gas, resulting in low calorific values;
  • Allothermal gasification uses steam and / or carbon dioxide as a gasifying agent. In this case, steam and dry reforming are the most important gasification reactions and they require favorable temperatures above 800 ° C. Since the reactions involved are predominantly endothermic, heat must be supplied from the outside, for example by burning a portion of the coke or the product gas outside the reactor and transferring the heat through the reactor walls or a heat transfer medium. In this case, usually 20 to 40% of the chemical energy of the products used in the heating system. The amount of unreacted carbon in the solid product is typically higher than in autothermal processes, especially when the conditions for steam and dry reforming reactions are not optimal. Compared to autothermal gasification, allothermal gasification usually has better feedstock flexibility and more stable operation as the important parameters such as temperature and pressure are controlled externally.

Das primäre Ziel der Vergasungstechnologien ist die effiziente Umwandlung der in verschiedenen festen Brennstoffen gespeicherten Energie in Produktgas, welches in der allothermen Vergasung meist aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan besteht.The primary goal of gasification technologies is the efficient conversion of energy stored in various solid fuels into product gas, which in allothermal gasification usually consists of hydrogen, carbon monoxide and methane.

Die industrielle Anwendung sowohl von der autothermen als auch von der allothermen Vergasung wurde in großen Industrieanlagen seit dem Ende des 18. Jahrhunderts, vor allem ausgiebig mit Kohle, genutzt. The industrial application of both autothermal and allothermal gasification has been used in large industrial plants since the end of the 18th century, especially extensively with coal.

Die Vergasung von Biomasse ist sowohl in den Industrie- und den Entwicklungsländern, in Mittel- und Kleinanlagen üblich, in der Regel für die Lieferung von Wärme oder Strom durch den Einsatz von Rankine-Verfahren.The gasification of biomass is common in both industrialized and developing countries, in medium and small scale plants, usually for the supply of heat or electricity through the use of Rankine processes.

Was vielmehr in einer Entwicklungsphase, mit sehr wenigen kommerziell bewährten Einrichtungen ist, ist eine Technologie, die Biomasse in ein qualitativ hochwertiges Produktgas in kleinen und mittelgroßen Einrichtungen umwandelt.Rather, what is in a development phase, with very few commercially proven facilities, is a technology that converts biomass into a high quality product gas in small and medium sized facilities.

Als ein qualitativ hochwertiges Produktgas wird hier ein Gas vorgesehen, bei welchem der Gehalt an Verunreinigungen im Produktgas, das heißt, Saure-, Alkali- und Metallverbindungen, Ammoniak und insbesondere Teer unter den geforderten Grenzwerte von Verbrennungsmotoren-, Gasturbinen- oder Brennstoffzellenherstellern (Teerkonzentration sollte unter 50 mg/Nm3 sein).As a high quality product gas here is a gas is provided, in which the content of impurities in the product gas, that is, acid, alkali and metal compounds, ammonia and especially tar below the required limits of internal combustion engine, gas turbine or fuel cell manufacturers (tar concentration should less than 50 mg / Nm3).

Die Herstellung von einem hochqualitativem Produktgas hat den Vorteil der direkten Verwendung in Verbrennungsmotoren, Gasturbinen oder Brennstoffzellen, was den thermodynamischen Wirkungsgrad des Prozesses erhöhen soll, vor allem in den kleinen bis mittleren Größenbereich, wo der Rankine-Prozess nicht attraktiv ist.The production of a high quality product gas has the advantage of being used directly in internal combustion engines, gas turbines or fuel cells, which should increase the thermodynamic efficiency of the process, especially in the small to medium size range, where the Rankine process is not attractive.

Unter Berücksichtigung der verschiedenen Verunreinigungen bringt die Entfernung von Teer die größte Herausforderung, und bis jetzt konnten nur sehr wenige kommerzielle Anwendungen einen niedrigen Teergehalt im Produktgas gewährleisten. Eine hohe Konzentration von Teer im Produktgas wird sonst zu Fehlfunktionen führen oder die Ausrüstung durch Kondensation in Kompressionseinheiten, Rohren und/oder Filter verstopfen, wodurch die kommerzielle Anwendung eingeschränkt wird.Considering the various impurities, tar removal is the biggest challenge, and so far very few commercial applications have been able to provide a low tar content in the product gas. High concentration of tar in the product gas will otherwise cause malfunction or clog the equipment by condensation in compression units, pipes and / or filters, thereby limiting commercial use.

Auch wenn Nasswäscher verwendet werden könnten um die Teer-Konzentration in dem Gasstrom zu minimieren, wie in den Patenten WO2013/183003 , WO2005/116524 , EP0603446 vorgeschlagen, führt dieser Ansatz zur Produktion von Schlamm und verunreinigten Flüssigkeiten, die unerwünscht sind, und richtig verwaltet oder verworfen werden müssen. Darüber hinaus ist die Konzentration von einigen Arten von Teerverbindungen im Produktgas, selbst bei sehr niedrigen Temperaturen, relativ hoch, so dass Kühlung und Naßwäscher sie nicht effektiv entfernen können.Although wet scrubbers could be used to minimize the tar concentration in the gas stream as in the patents WO2013 / 183003 . WO2005 / 116524 . EP0603446 proposed, this approach leads to the production of sludge and contaminated liquids, which are undesirable, and must be properly managed or discarded. In addition, the concentration of some types of tar compounds in the product gas, even at very low temperatures, is relatively high, so that cooling and wet scrubbers can not effectively remove them.

Als eine vielversprechende Alternative zum Naßwäscher hat die Heißgasbehandlung in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erhalten. Durch diesen Ansatz werden Teerverbindungen, noch bei oder nahe der Vergaser-Betriebstemperaturen, durch die Verwendung von katalytischen Cracken, Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen in Produktgas umgewandelt.As a promising alternative to the wet scrubber, hot gas treatment has received much attention lately. By this approach, tar compounds, even at or near carburetor operating temperatures, are converted to product gas through the use of catalytic cracking, steam and dry reforming reactions.

Heißgasbehandlung kann in dem Primärreaktor durchgeführt werden (was als in-situ-Behandlung bezeichnet wird) und/oder diese kann auch in einem Sekundärreaktor durchgeführt werden, stromabwärts von dem Primärreaktor.Hot gas treatment may be carried out in the primary reactor (which is referred to as in situ treatment) and / or this may also be carried out in a secondary reactor, downstream of the primary reactor.

In-situ-Gasbehandlung ist in der Regel ein erster Ansatz die Teer-Konzentration im Produktgas zu minimieren, und damit auch die Aufwendungen und Kosten das Produktgas in einem Sekundärreaktor zu behandeln.In-situ gas treatment is usually a first approach to minimize the tar concentration in the product gas, and thus also the expense and expense of treating the product gas in a secondary reactor.

In diesem Zusammenhang ist für die allothermer Festbettvergasung und Heißgasbehandlung, der Stand der Technik in der Veröffentlichung ”Syngas suitability for solid Oxide fuel cells applications produced via biomass steam gasification process: Experimental and modeling analysis” im Journal of Power Sources 196 (2011), von Elisa Pieratti, Marco Baratieri et al und in der Doktorarbeit ”Biomass gasification in small scale plants: experimental and modelling analysis” vom selben Autor, Elisa Pieratti, Università degli Studi di Trento, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, 2011 , zu finden (Verfügbar unter http://eprints-phd.biblio.unitn.it/528/ ).In this connection, for the allothermal fixed bed gasification and hot gas treatment, the prior art in the publication "Syngas suitability for solid oxide fuel cells applications produced via biomass steam gasification process: Experimental and modeling analysis" in the Journal of Power Sources 196 (2011), by Elisa Pieratti, Marco Baratieri et al and in the doctoral thesis "Biomass gasification in small scale plants: experimental and modeling analysis" by the same author, Elisa Pieratti, Università degli Studi di Trento, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, 2011 to find (available under http://eprints-phd.biblio.unitn.it/528/ ).

Die zitierte Referenz bezieht sich auf eine Ausrüstung im Labormaßstab, mit den folgenden Merkmalen:

  • – Teilweise organisches oder jegliches kohlenstoffhaltiges Material (feste Abfälle, Biomasse, etc.) wird von einem Trichter dem oberen Teil des Primärreaktors zugeführt;
  • – Schneckenförderer, zwei Schieber- oder Drehventile oder eine Kombination von beidem wird für das kontinuierliche oder halbkontinuierliche Feststoffzuführen und -entladen verwendet;
  • – Der Primärreaktor umfasst eine Reaktionskammer, ein System zum Zuführen und Entladen, ein axiales Rohr für Heißdampfinjektion, ein elektrisches Heizungssystem an der Reaktoraußenwand und Wärmedämmung;
  • – Sobald der Einsatzstoff der Primärreaktorkammer zugeführt wird, erfolgt eine intensive und schnelle Erwärmung durch die Hochtemperatur-Reaktorwand und durch direkten Kontakt mit überhitztem Dampf, der außerhalb des Primärreaktor erzeugt wird und durch ein koaxiales Rohr in den oberen Teil des Reaktors eingespritzt wird.
  • – Der Einsatzstoff wird zuerst Wasser/Dampf freigeben, dann Pyrolysereaktionen werden die organischen Materialien cracken und kondensierbaren Bestandteilen, Permanentgase und Koks produzieren.
  • – Überhitzter Dampf bei Temperaturen von bis zu 600°C wirkt sowohl als Wärmequelle als auch als Vergasungsmittel zur Umwandlung von Koks und kondensierbaren Bestandteilen zu Produktgas.
  • – Die gasförmige Phase, bestehend aus Dampf, kondensierbaren Bestandteilen und Permanentgase fließen zum Boden des Primärreaktors und treten dort durch eine seitliche Öffnung in Richtung eines Sekundärreaktors, die in ihrem inneren ein Festbett aus kalziniertem Dolomit enthält.
  • – Die Betriebstemperatur soll bis 800°C gehen, aber die durch Thermoelemente gemessene maximale Temperatur im Inneren des Primärreaktors betrug 700°C.
  • – Der Sekundärreaktor ist für eine Heißgasbehandlung ausgerichtet, vor allem für die Zerstörung von Teer-Verbindungen durch katalytisches Cracken, Trocken- und Dampfreformierungsreaktionen. Dolomit ist der gewählte Katalysator, aber alternativ kann auch Olivine, Nickel, Koks, Asche oder Fluid Catalytic Cracking-Katalysator für diesen Zweck verwendet werden. Manganoxide werden zusätzlich dem kalzinierten Dolomit zugesetzt, um die Effizienz der Entfernung von Schwefelwasserstoff zu verbessern.
  • – Der Sekundärreaktor wird auch durch elektrische Öfen beheizt, so dass die Temperatur bei bis zu 800°C gehalten wird. Das Festbett aus Dolomit wird auf ein poröses keramisches Material gelegt und der Austausch des Katalysators erfordert die Kühlung und das Aushängen des Sekundärreaktors.
  • – Sowohl der Primär-, als auch der Sekundärreaktor sind vertikal. Danach verlässt das Produktgas den oberen Teil des Sekundärreaktors und kann in der Ausgangstemperatur eingesetzt werden oder vorher durch Wärmetauscher gekühlt werden, abhängig von der beabsichtigten endgültigen Verwendung.
  • – Am Ende kann ein Ventilator eingesetzt werden, um den Druck in dem Reaktor zu steuern und das Produktgas zu seiner Endverwendung zu führen.
The cited reference relates to laboratory scale equipment having the following features:
  • Partially organic or any carbonaceous material (solid waste, biomass, etc.) is fed from a hopper to the upper part of the primary reactor;
  • Screw feeders, two spool or rotary valves or a combination of both is used for continuous or semi-continuous solids feeding and discharging;
  • The primary reactor comprises a reaction chamber, a system for feeding and discharging, an axial tube for superheated steam injection, an electrical heating system on the outer wall of the reactor and thermal insulation;
  • - As soon as the feed material is fed to the primary reactor chamber, intensive and rapid heating takes place through the high temperature reactor wall and through direct contact with superheated steam, which is generated outside the primary reactor and injected through a coaxial tube into the upper part of the reactor.
  • The feedstock will first release water / steam, then the pyrolysis reactions will become Cracking organic materials and produce condensable constituents, permanent gases and coke.
  • - Superheated steam at temperatures up to 600 ° C acts both as a heat source and as a gasification agent to convert coke and condensables into product gas.
  • - The gaseous phase, consisting of steam, condensables and permanent gases flow to the bottom of the primary reactor and there by a lateral opening in the direction of a secondary reactor, which contains in its interior a fixed bed of calcined dolomite.
  • - The operating temperature should go up to 800 ° C, but the measured by thermocouples maximum temperature inside the primary reactor was 700 ° C.
  • The secondary reactor is designed for hot gas treatment, especially for the destruction of tar compounds by catalytic cracking, dry and steam reforming reactions. Dolomite is the catalyst chosen, but alternatively olivine, nickel, coke, ash or fluid catalytic cracking catalyst can be used for this purpose. Manganese oxides are additionally added to the calcined dolomite to improve the efficiency of hydrogen sulfide removal.
  • - The secondary reactor is also heated by electric ovens, so that the temperature is maintained at up to 800 ° C. The fixed bed of dolomite is placed on a porous ceramic material and replacement of the catalyst requires cooling and unhooking of the secondary reactor.
  • - Both the primary and the secondary reactor are vertical. Thereafter, the product gas leaves the upper part of the secondary reactor and can be used in the starting temperature or previously cooled by heat exchangers, depending on the intended final use.
  • At the end, a fan can be used to control the pressure in the reactor and to feed the product gas to its final use.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf wichtige Entwicklungen in der Vorrichtung für Allothermen Festbettvergasung.The invention relates to important developments in the apparatus for allothermic fixed bed gasification.

Die Erfindung bezieht sich auch auf wichtige Entwicklungen in dem Verfahren, und stellt optimierte Bedingungen für das katalytische Cracken, die Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen bereit.The invention also relates to important developments in the process, and provides optimized conditions for catalytic cracking, steam and dry reforming reactions.

Unter dem Vergasungsverfahren ist die Einbeziehung von der in-situ Heißgasbehandlung von großer Bedeutung. Dies wird eine niedrige Teerkonzentration bereits am Ausgang des Primärreaktors ermöglichen und den Aufwand des Entfernens des verbleibenden Teers im Sekundärreaktor verringern.Under the gasification process, the inclusion of in-situ hot gas treatment is of great importance. This will allow a low tar concentration already at the exit of the primary reactor and reduce the expense of removing the remaining tar in the secondary reactor.

Um die Voraussetzungen für eine effiziente In-situ-Heißgasbehandlung, eine angemessene Temperatur und Verweilzeit zu erreichen, müssen die Gasphase und die Kinetik des katalytischen Crackens, Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen zur Verfügung gestellt werden und optimiert werden.In order to meet the requirements for efficient in situ hot gas treatment, adequate temperature and residence time, the gas phase and kinetics of catalytic cracking, steam and dry reforming reactions must be provided and optimized.

Das wird in der vorliegenden Erfindung beim Durchdringen lassen der Gasphase durch das Koksbett und bei das Porenbrenner Heizsystem erreicht.This is achieved in the present invention by permitting the gas phase to pass through the coke bed and in the pore burner heating system.

Vergasungs-Koks hat eine Oberfläche von bis zu 2000 m2/g und selbst wenn ein großer Teil dieser Oberfläche in dem inneren Teil der Koksteilchen ist und daher weniger der durchdringenden Gasphase zur Verfügung steht, ist der Wärmeübergang zwischen der festen und gasförmigen Phase noch hoch genug, um annähernd thermische Gleichgewichtsbedingungen zwischen den beiden Phasen zu ermöglichen.Gasification coke has a surface area of up to 2000 m 2 / g and even if a large part of this surface is in the inner part of the coke particles and therefore less of the penetrating gas phase is available, the heat transfer between the solid and gaseous phase is still high enough to allow approximately thermal equilibrium conditions between the two phases.

Auch der Koks mit großer Oberfläche und die eventuelle Anwesenheit von Alkali und Übergangsmetallen, die als Katalysatoren wirken, führen zu Teer-Behandlungsleistungen, die die typischen Katalysatoren wie gebranntem Dolomit, Olivin, Fluid Catalytic Cracking (FCC) Katalysator oder Biomasse Asche übertrumpfen können. Der Koks hat auch den Vorteil im Inneren des Reaktors kontinuierlich erzeugt zu werden. Somit wird keine Addition oder Regeneration benötigt.Also, the large surface area coke and the eventual presence of the alkali and transition metals that act as catalysts result in tar treatment efficiencies that outperform the typical catalysts such as calcined dolomite, olivine, fluid catalytic cracking (FCC) catalyst or biomass ash. The coke also has the advantage of being continuously generated inside the reactor. Thus no addition or regeneration is needed.

Die Betriebsparameter und damit die Kinetik des katalytischen Crackens, die Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen wird im Primär- und im Sekundärreaktor gewählt um die Effizienz der Entfernung von Teer und die Kohlenstoffumwandlung zu optimieren.The operating parameters, and hence catalytic cracking kinetics, steam and dry reforming reactions are chosen in the primary and secondary reactors to optimize tar removal efficiency and carbon conversion.

Nach oben beschriebenem, werden die Entwicklungen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Vorrichtung wie folgt beschrieben:
Obwohl eine elektrische Widerstandheizung dem beschriebenen Stand der Technik entspricht, ist diese Technik für den kommerziellen Einsatz nicht geeignet.
Erhitzen des Reaktors unter Verwendung von herkömmlichen Freiflammenbrenner wäre auch problematisch, da diese Brenner in der Regel eine konzentrierte Wärmequelle bei hoher Temperatur und dann Rauchgase bei einer niedrigeren Temperatur erzeugen. In der Tat, um eine homogene hohe Temperaturverteilung mit freien Flammenbrennern zur Verfügung zu stellen, ist die normale Lösung mehrere kleine Flammen zu nutzen und/oder ständig die erhitzte Oberfläche zu bewegen, was die Kosten und die Komplexität erhöht.
Ein weiteres Problem der traditionellen Freiflammenbrenner ist die Sicherheit. Mehrere kleine Flammen erfordern ein ”Plenum”, das heißt, ein Speicher, in dem ein brennbares Gemisch aus Brenngas und Luft vorhanden ist. Da das Plenum in einem herkömmlichen Gasbrenner unterhalb der Flamme positioniert ist, kann die Flammenausbreitung und die Temperaturen oberhalb der Selbstzündungsgrenzen einen Rückfall verursachen. Um dies zu verhindern, muss das Plenum gekühlt werden, um die Risiken zu verringern, was die Komplexität und die Kosten erhöht.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine besondere Art von Brenner, wo die Wärme hauptsächlich durch Infrarotstrahlung übertragen wird. Diese Art von Brenner wird Porenbrenner genannt, wie in dem Patent DE4322109 beschrieben wird. Der Brenner wird durch die Kombination einer Verteilungsschicht für das Luft/Kraftstoffgemisch (mit engen Kanälen, die das Risiko von Flammenrückschlags vermeiden) und einer porösen Materialschicht (wo die Verbrennung im Inneren stattfindet) gebildet. Der Porenbrenner ist in der Nähe der Reaktoraußenfläche installiert und an ihr gerichtet.
Porenbrenner sind annähernd so flexibel wie elektrische Heizungen, aber viel effizienter aus exergetischer Sicht.
Porenbrenner haben keine offensichtliche Flamme, stattdessen findet die Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches im Inneren des Brenners statt und der größte Teil der Wärmeenergie wird durch das poröse Material absorbiert, was die Temperatur erhöht und die Wärmestrahlung zum bestimmenden Mechanismus der Wärmeübertragung macht.
In der Tat mehr als 50% der Kraftstoffenergie kann durch die Infrarotstrahlung der Porenbrenner übertragen werden. Die Wärme wird gleichmäßig über die Fläche verteilt, so dass keine Hot-Spots entstehen und daher eine lange Lebensdauer des Materials erreicht wird.
Die Wärmeübertragung von einem Porenbrenner zur erwärmten Oberfläche hängt hauptsächlich von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Oberflächen ab. Die Erhöhung oder Reduzierung der Temperatur des Porenbrenners kann daher leicht die Wärmeübertragung modulieren.
Der Sekundärreaktor ist auch indirekt beheizbar entweder durch Porenbrenner oder durch die Rauchgase aus dem Porenbrenner des Primärreaktors, so dass die Betriebstemperatur innerhalb des Sekundärreaktors sowohl in der gasförmigen als auch in der festen Phase gehalten wird.
Ein weiterer Vorteil beim Vergleich zum traditionellen freien Flammenbrenner ist, dass die Porenbrennertechnologie für verschiedene Arten von Brennstoffen keine besondere Bauänderung benötigt. In der Tat, kann der gleiche Brenner entweder durch traditionelle Brennstoffe oder durch das Produktgas betrieben werden. Das ermöglicht Erdgas oder Flüssiggas bei der Inbetriebnahme verwenden zu können und dann, wenn die Anlage einen stabilen Betrieb erreicht, zum Produktgas zu wechseln. Das macht den Prozess selbst tragenden, minimiert Treibstoffkosten und begünstigt die wirtschaftliche Machbarkeit.
In der vorliegenden Erfindung wird Wärme nur durch die Porenbrennern erzeugt um die erforderlichen Menge für die Betriebstemperaturen sowohl in der festen als auch in der Gasphase zu erreichen. Dampf kann immer noch im oberen Teil des Primärreaktors eingespritzt werden, aber als Reaktant, nicht zum Heizen. Die Verwendung von Porenbrennern und das Durchdringen der Gasphase durch die Festbetthöhe wird als einfaches Mittel für die Bereitstellung der erforderlichen Temperatur in der festen und gasförmigen Phasen, vor allem in der Anwendung in kleinem Maßstab, angesehen.
Um die Betriebstemperatur zu erreichen, wird der Reaktor unter Verwendung eines Materials hergestellt, welches Temperaturen von bis zu 1100°C aushält. Um bei so hohen Temperaturen effizient arbeiten zu können wird in der Reaktorwand, die wie zuvor beschriebene, Porenbrennertechnologie aus erwähntem Stand der Technik, eingesetzt.
In der Tat ist die Porenbrennertechnik sehr effektiv für die Bereitstellung von Hochtemperaturen. Sie ist in der Lage bis zu 2.000 C bereit zu stellen, und bietet Stromdichte von mehr als 3 MW/m2, was viel höher ist als das, was in der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Das Festbett des Sekundärreaktors wird kontinuierlichen oder semi-kontinuierlichen Be- und Entschickt, zum Beispiel durch Förderschnecken oder Doppelventilsysteme. In dem zuvor beschriebenen Stand der Technik hatte der Sekundärreaktor ein Festbett, welches für den Austausch entnommen werden musste, so dass die Leistung der Heißgasbehandlung über die Zeit nicht konstant war.
Wenn ein höherer Wärmeübergang zwischen dem Einsatzstoff und der Primärreaktorwand erforderlich ist, dann kann die Wärmeaustauschfläche durch eine oder mehrere interne ausgedehnte Oberflächen (Rippe) durch die Höhe der Wärmeübertragungszone erhöht werden. Diese Maßnahme ist effizient, um die Wärmeübertragung zu erhöhen und die radialen Temperaturgradienten im Primärreaktor zu reduzieren.
Ein keramisches Filterelement kann im nachgeschalteten Sekundärreaktor verwendet werden, wenn die gewünschte endgültige Verwendung auch die Staubkonzentration im Produktgas ein Anliegen ist.As described above, the developments of the present invention with respect to the apparatus are described as follows:
Although electrical resistance heating meets the described prior art, this technique is not suitable for commercial use.
Heating the reactor using conventional free-flame burners would also be problematic since these burners typically produce a concentrated heat source at high temperature and then flue gases at a lower temperature. In fact, to provide a homogeneous high temperature distribution with free flame burners, the normal solution is to use several small flames and / or constantly Heated surface to move, which increases the cost and complexity.
Another problem with traditional free-flame burners is safety. Several small flames require a "plenum", that is, a reservoir in which a combustible mixture of fuel gas and air is present. Because the plenum is positioned below the flame in a conventional gas burner, flame spread and temperatures above the auto-ignition limits can cause a relapse. To prevent this, the plenum must be cooled to reduce risks, increasing complexity and cost.
The present invention uses a special type of burner, where the heat is mainly transmitted by infrared radiation. This type of burner is called a pore burner, as in the patent DE4322109 is described. The burner is formed by combining a distribution layer for the air / fuel mixture (with narrow channels that avoid the risk of flashback) and a porous layer of material (where combustion takes place inside). The pore burner is installed near the reactor exterior and directed to it.
Pore burners are nearly as flexible as electric heaters, but much more efficient from an exergetic point of view.
Pore burners have no apparent flame, instead the combustion of the fuel / air mixture takes place inside the burner and most of the heat energy is absorbed by the porous material, which raises the temperature and makes heat radiation the dominant mechanism of heat transfer.
In fact, more than 50% of the fuel energy can be transmitted through the infrared radiation of the pore burners. The heat is distributed evenly over the surface, so that no hot spots occur and therefore a long life of the material is achieved.
The heat transfer from a pore burner to the heated surface depends mainly on the temperature difference between the two surfaces. Therefore, increasing or decreasing the temperature of the porous burner can easily modulate the heat transfer.
The secondary reactor is also indirectly heated either by pore burners or by the flue gases from the pore burner of the primary reactor, so that the operating temperature is maintained within the secondary reactor both in the gaseous and in the solid phase.
Another advantage compared to the traditional free flame burner is that the pore burner technology does not require any special construction changes for different types of fuels. In fact, the same burner can be operated either by traditional fuels or by the product gas. This allows natural gas or LPG to be used during commissioning and then, when the system reaches stable operation, to change to the product gas. This makes the process self-supporting, minimizing fuel costs and fostering economic viability.
In the present invention, heat is only generated by the pore burners to achieve the required amount for the operating temperatures in both the solid and gas phases. Steam can still be injected in the top of the primary reactor, but as a reactant, not for heating. The use of pore burners and permeation of the gaseous phase through the fixed bed height is considered to be a simple means of providing the required temperature in the solid and gaseous phases, especially in the small scale application.
To reach operating temperature, the reactor is made using a material that can withstand temperatures up to 1100 ° C. In order to be able to work efficiently at such high temperatures, pore burner technology from the cited prior art is used in the reactor wall, as described above.
In fact, pore burner technology is very effective for providing high temperatures. It is capable of providing up to 2,000 C, and provides current density of more than 3 MW / m 2 , which is much higher than what is required in the present invention.
The fixed bed of the secondary reactor is continuous or semi-continuous loading and unloading, for example by screw conveyors or double valve systems. In the prior art described above, the secondary reactor had a fixed bed, which had to be removed for replacement, so that the performance of the hot gas treatment over time was not constant.
If a higher heat transfer between the feedstock and the primary reactor wall is required, then the heat exchange area can be increased by one or more internal extended surfaces (fin) by the height of the heat transfer zone. This measure is efficient in order to increase the heat transfer and reduce the radial temperature gradients in the primary reactor.
A ceramic filter element can be used in the downstream secondary reactor, if the desired final use also the dust concentration in the product gas is a concern.

Was das Verfahrens in der vorliegenden Erfindung angeht, folgt unten:
Der Stand der Technik beschreibt eine Betriebstemperatur von 800°C, auch wenn die durch Thermoelemente gemessenen Temperaturen im Inneren des Primärreaktor bei maximal 700°C liegt.
Die Kinetik des katalytischen Crackens, der Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen sind aber günstiger bei Temperaturen oberhalb 800 C, wobei die beobachtete Umwandlung von Teer und Koks viel höher ist.
Daher wird als erste Maßnahme in der vorliegenden Erfindung die Temperatur der gasförmigen und festen Phasen erhöht.
Die Steuerung der Temperatur erfolgt durch Thermoelemente entlang des axialen Teils des Primärreaktors und das Einstellen der Zuführungsrate und der Wärmezufuhr, so dass der untere Teil des Reaktorinnenvolumens auf dem Betriebstemperaturbereich gehalten wird.
Insbesondere wird die axiale Temperatur des Festbetts im Inneren des Primärreaktor so gesteuert, dass zwei verschiedene Zonen etabliert werden. Der obere Teil, hier Wärmeübertragungszone genannt, geht von dem Einsatzeinlass nach unten bis zu dem Punkt, wo zuerst der Betriebstemperaturbereich erreicht wird, mit einem Temperaturgradienten von der Atmosphäre bis hin zum Betriebsbereich.
Die zweite Zone hingegen, hier Hochtemperaturzone genannt, umfasst den Punkt wo der erste Betriebstemperaturbereich erreicht wird, bis zu dem Punkt an dem die Gasphase den Boden des Primärreaktors verlässt.
Die Wärmeübertragungszone dient in erster Linie für die Erwärmung der festen und der gasförmigen Phase bis zur Betriebstemperatur, wobei die Pyrolyse der bestimmende Prozess ist. Die Hochtemperaturzone hingegen ist für die in-situ Heißgasbehandlung vorgesehen, insbesondere zur Teerentfernung und auch für die Koksreformierung.
Da die Wärmeübertragungsfläche zwischen fester und gasförmiger Phase innerhalb des Primärreaktors hoch ist, und annähernd thermisches Gleichgewicht angenommen werden kann, werden die feste und die gasförmige Phase nahezu die gleiche Temperatur haben. Daher ist es wichtig die Gasphase im Betriebstemperaturbereich zu halten und eine ausreichende Verweilzeit bereitzustellen um optimale Bedingungen für die in-situ Teerentfernung durch katalytisches Cracken, Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen und einen niedrigen Teergehalt bereits am Ausgang des Primärreaktors zu garantieren.
Ein weiteres wichtiges praktisches Ergebnis welches man durch die Hochtemperaturzone erhält, ist die höhere Effizienz der Koksreformierung. In der Tat war im Stand der Technik, nur 40% der Energieprodukte in Form von Produktgas, während fast 50% in Form von nicht umgesetztem Kohlenstoff vorhanden war. Diese niedrige Vergasungsleistung ist sehr ähnlich zu herkömmlichen Pyrolyseverfahren, wo nur die flüchtige Fraktion in einen Gasstrom umgewandelt wird und zeigt, dass Dampfreformierung von Koks nicht in irgendeinem praktischen Mittel innerhalb des Primärreaktors des Standes der Technik erfolgt.
Die niedrige Koks-Vergasungsleistung des Standes der Technik ist in Übereinstimmung mit der Kinetik der Koksreformierung, die unterhalb von 800°C nicht günstig ist. Dies bedeutet auch, dass das herstellte Produktgas im beschriebenen Stand der Technik, nicht zum Heizen des Reaktors verwendet werden kann, da die Gasausbeute gering ist.
Die vorliegende Erfindung optimiert die Kinetik der Koks-Reformierung durch Erhöhung der Prozesstemperatur und Bereitstellung der notwendige Verweilzeit, so dass sehr niedrige Konzentrationen von nicht umgewandeltem Kohlenstoff erhalten werden, wodurch die Gasausbeute maximiert wird und ein Einsatz sowohl für die Prozessaufrechterhaltung als auch für die Energieerzeugung möglich ist.
Was die Versorgung mit Wasser/Dampf als Vergasungsmittel angeht, kann Abwärme zur Dampferzeugung verwendet werden, ansonsten wird es durch die Feuchtigkeit des Einsatzstoffs oder durch Flüssigkeitseinspritzung gesteuert.
In dem Sekundärreaktor, stromabwärts des primären getragen, wird nicht nur Teer und Schwefelwasserstoff entfernt, sondern auch Ammoniak, Saure- Alkalische- und Metallverbindungen und Partikeln, so dass keine Nasswäscher benötigt wird.
Um dies zu erreichen besteht das Sekundärreaktorbett aus einer Mischung von neutralisierenden Reaktanten, Adsorber und Katalysatoren und das Produktgas wird durch dieses entweder stromaufwärts oder stromabwärts geführt.
Typische Reaktanten zur Entfernung von Alkaliverbindungen sind Bauxite, Bentonite, Kaolinit, Zeolith und für die saure Neutralisation sind es Dolomit, Manganoxide, Zeolith Ca, Schlacke, Kalk, Sorbacal, Cu-Olivin und Calcium/Bariumcarbonatkreristallen-Mischungen.
Katalysatoren wie Olivin, Dolomit, Nickel, Koks, Esche und Fluid Catalytic Cracking-Katalysatoren können auch in den Sekundärreaktor gegeben werden, um den Teergehalt des Produktgases weiter zu verringern.
Das Bettmaterial des Sekundärreaktors ist auch effektiv darin Partikel innerhalb ihrer Struktur zu behalten, die mit ihr zusammen entladen werden, die Verwendung von Zyklon-Filter wird dadurch vermieden.As for the method in the present invention, below follows:
The prior art describes an operating temperature of 800 ° C, even if the measured by thermocouples inside the primary reactor is at most 700 ° C.
However, the kinetics of catalytic cracking, steam and dry reforming reactions are cheaper at temperatures above 800 C, with the observed conversion of tar and coke much higher.
Therefore, as a first measure in the present invention, the temperature of the gaseous and solid phases is increased.
Control of the temperature is accomplished by thermocouples along the axial portion of the primary reactor and adjusting the feed rate and heat input so that the lower portion of the reactor internal volume is maintained at the operating temperature range.
In particular, the axial temperature of the packed bed inside the primary reactor is controlled so that two different zones are established. The upper part, herein called the heat transfer zone, goes down from the feed inlet to the point where the operating temperature range is first reached, with a temperature gradient from the atmosphere to the operating range.
The second zone, however, here called high-temperature zone, includes the point where the first operating temperature range is reached, to the point where the gas phase leaves the bottom of the primary reactor.
The heat transfer zone serves primarily for heating the solid and the gaseous phase up to the operating temperature, pyrolysis being the determining process. By contrast, the high-temperature zone is intended for in-situ hot gas treatment, in particular for tar removal and also for coke reforming.
Since the heat transfer area between solid and gaseous phase within the primary reactor is high, and approximately thermal equilibrium can be assumed, the solid and gaseous phases will have nearly the same temperature. Therefore, it is important to maintain the gas phase within the operating temperature range and to provide sufficient residence time to guarantee optimal conditions for in situ tar removal by catalytic cracking, steam and dry reforming reactions, and low tar content already at the exit of the primary reactor.
Another important practical result obtained by the high temperature zone is the higher efficiency of coke reforming. In fact, in the prior art, only 40% of the energy products were in the form of product gas, while almost 50% was in the form of unreacted carbon. This low gasification performance is very similar to conventional pyrolysis processes where only the volatile fraction is converted to a gas stream and shows that steam reforming of coke does not occur in any convenient means within the primary reactor of the prior art.
The low coke gasification performance of the prior art is consistent with the kinetics of coke reforming, which is not favorable below 800 ° C. This also means that the product gas produced in the prior art described, can not be used for heating the reactor, since the gas yield is low.
The present invention optimizes the kinetics of coke reforming by increasing the process temperature and providing the necessary residence time to obtain very low levels of unconverted carbon, thereby maximizing gas yield and allowing for both process maintenance and power generation is.
As for the supply of water / steam as a gasification agent, waste heat can be used to generate steam, otherwise it is controlled by the moisture of the feedstock or by liquid injection.
In the secondary reactor, carried downstream of the primary, not only tar and hydrogen sulfide are removed, but also ammonia, acid alkali and metal compounds and particles, so that no wet scrubber is needed.
To accomplish this, the secondary reactor bed consists of a mixture of neutralizing reactants, adsorbers and catalysts and the product gas is passed through it either upstream or downstream.
Typical reactants for removing alkali compounds are bauxites, bentonites, kaolinites, zeolites, and for acid neutralization are dolomite, manganese oxides, zeolite Ca, slag, lime, sorbacal, Cu-olivine, and calcium / barium carbonate-crystal mixtures.
Catalysts such as olivine, dolomite, nickel, coke, ash, and fluid catalytic cracking catalysts can also be added to the secondary reactor to further reduce the tar content of the product gas.
The bed material of the secondary reactor is also effective in keeping particles within its structure discharged with it, thus avoiding the use of cyclone filters.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Die Merkmale der Erfindung sind ausführlich in den beigefügten Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung selbst wird jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verständlich, die ein Ausführungsbeispiel, in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, der Erfindung beschreibt:The features of the invention are described in detail in the appended claims. However, the invention itself will be best understood by reference to the following detailed description of the invention, which describes an embodiment, in conjunction with the accompanying drawings, of the invention:

ist eine schematische Ansicht der vorgeschlagenen Vorrichtung; is a schematic view of the proposed device;

ist die A-A Schnittansicht des Primärreaktors der ; is the AA sectional view of the primary reactor of ;

Die technischen Inhalte und die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden nachstehend nur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben und sollen den Umfang des Einsatzes nicht einschränken. Jede äquivalente Variation und Modifikation gemäß den beigefügten Ansprüchen werden alle durch die Ansprüche der vorliegenden Erfindung beanspruchend gedeckt.The technical contents and detailed description of the present invention will become hereinafter described only in accordance with a preferred embodiment and are not intended to limit the scope of the use. Any equivalent variation and modification according to the appended claims are all claimed by the claims of the present invention.

Unter Berücksichtigung des beschriebenen Standes der Technik werden im Folgenden die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben.Considering the described prior art, the present invention will be described below in detail.

In dem Primärreaktor 20, wird Heizung durch ein Porenbrennersystem 13 ersetzt und außerhalb des Reaktors angeordnet, vorzugsweise parallel zu seiner Außenfläche in einer Weise dass die abgestrahlte Wärme in seine Richtung fließt 12. Module der Porenbrenner 13a bis 13x sind an den Reaktoraußenfläche installiert um die gewünschte Wärmezufuhr und Temperatur sowohl in der Wärmeübertragung 20a als auch in der Hochtemperaturzone 20b zur Verfügung zu stellen.In the primary reactor 20 , Heating is through a pore burner system 13 replaced and arranged outside the reactor, preferably parallel to its outer surface in such a way that the radiated heat flows in its direction 12 , Modules of pore burners 13a to 13x are installed on the outside of the reactor for the desired heat input and temperature in both the heat transfer 20a as well as in the high temperature zone 20b to provide.

Alternativ zu der flachen zylindrischen Innenfläche des Primärreaktors werden verlängerte Oberflächen oder Rippen 32 vertikal entlang der Höhe der Wärmeübertragungszone 20a eingebaut.As an alternative to the shallow cylindrical inner surface of the primary reactor, extended surfaces or ribs become possible 32 vertically along the height of the heat transfer zone 20a built-in.

Der Dampf für die allotherme Vergasung kann unter Anwendung von vorzugsweise Abwärme, außerhalb des Primärreaktors hergestellt werden, alternativ kann dieser einfach durch das Eindampfen der Feuchtigkeit des Einsatzstoffs oder einer zugesetzten Wasser enthaltenden Flüssigkeit in dem Primärreaktor hergestellt werden. Eine Öffnung am oberen Ende des Reaktors wird für die Dampf/Flüssigkeitseinspritzung 21 verwendet.The steam for allothermal gasification may be prepared using preferably waste heat outside the primary reactor, alternatively it may be prepared simply by evaporating the moisture of the feedstock or a liquid containing added water in the primary reactor. An opening at the top of the reactor is used for the vapor / liquid injection 21 used.

Auch in dem Sekundärreaktor 23 wird die Heizung durch Porenbrennern 27a bis 27y ersetzt, analog wie im Primärreaktor verwendet.Also in the secondary reactor 23 The heating is through pore burners 27a to 27y replaced, analogously as used in the primary reactor.

Das Festbett des Sekundärreaktors wird kontinuierlichen oder semi-kontinuierlichen Be- 31 und Entschickt 25 um das Bettmaterial 30 zu ersetzen. Dies erfolgt zum Beispiel durch Doppelventilsysteme oder Schnecken, die das frische Bettmaterial aus dem Trichter 22 in den Sekundärreaktor 23 führen. Auf diese Weise kann die Leistung der sekundären Heißgasbehandlung nahezu konstant gehalten werden.The fixed bed of the secondary reactor will be continuous or semi-continuous 31 and dismissed 25 around the bed material 30 to replace. This is done, for example, by double valve systems or screws, which are the fresh bed material from the hopper 22 in the secondary reactor 23 to lead. In this way, the performance of the secondary hot gas treatment can be kept almost constant.

Die Rate des Bettmaterialaustausches wird durch die Öffnungsfrequenz der Ventile 31, 25 gesteuert und hängt in erster Linie von dem Gewicht eines jeden Elements in der Mischung 22, deren physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Zusammensetzung der Beschickung ab.The rate of bed material exchange is determined by the opening frequency of the valves 31 . 25 controlled and depends primarily on the weight of each element in the mix 22 , their physico-chemical properties and the composition of the feed.

Die Porenbrenner 13, 27 werden entweder mit herkömmlichen Brennstoffen wie Flüssiggas und Erdgas oder mit einem Teil des Produktgases betrieben 15, 26. Tatsächlich kann bei Dauerbetrieb ein Teil des sauberen Produktgases 29 den Brennern zugeführt werden 15, 26 und zum Aufrechterhalten des Prozesses verwendet werden, so dass dieser sich selber antreibt.The pore burners 13 . 27 are operated either with conventional fuels such as LPG and natural gas or with a portion of the product gas 15 . 26 , In fact, during continuous operation, part of the clean product gas 29 be supplied to the burners 15 . 26 and be used to maintain the process so that it drives itself.

Was das Verfahren betrifft, verwendet die vorliegende Erfindung das Koksbett des Primärreaktors um die Gasphase zu erhitzen und als Katalysator für die in-situ Heißgasbehandlung. In der vorliegenden Erfindung nimmt die feste Phase 20a, 20b fast das komplette Reaktorvolumen ein.As far as the method is concerned, the present invention uses the coke bed of the primary reactor to heat the gas phase and as a catalyst for the in-situ hot gas treatment. In the present invention, the solid phase takes 20a . 20b almost the entire reactor volume.

Das Bett aus Koks innerhalb des Primärreaktors wird ständig erneuert sobald neues Beschickungsmaterial dem oberen Teil des Reaktors aus dem Vorratsbehälter 10 zugeführt wird. Ein Teil davon wird in Koks umgewandelt. Der neu erzeugte Koks ergänzt das bestehende Koksbett, dieses wird durch Dampf- und Trockenreformierungsreaktionen reformiert, und der verbleibende Feststoffanteil wird durch den Boden des Reaktors 16 entladen.The bed of coke within the primary reactor is constantly renewed as soon as new feed material reaches the top of the reactor from the reservoir 10 is supplied. Part of it is converted into coke. The newly produced coke complements the existing coke bed, which is reformed by steam and dry reforming reactions, and the remaining solids are passed through the bottom of the reactor 16 discharged.

Das Dampf-Kohlenstoff-Verhältnis im Inneren des Reaktors wird unter Berücksichtigung der Feuchtigkeit des Einsatzstoffes eingestellt und schließlich durch Dampf oder eine wässrige Lösung angepasst 21, so dass das Dampf zu Kohlenstoff-Verhältnis (S/C) zwischen 0 und 3 und besonders bevorzugt zwischen 1 und 2 gehalten wird.The steam-carbon ratio inside the reactor is adjusted in consideration of the moisture of the feedstock and finally adjusted by steam or an aqueous solution 21 such that the vapor to carbon ratio (S / C) is maintained between 0 and 3, and more preferably between 1 and 2.

Wenn geschmolzene Metalle oder Salze/Schlacke im Primärreaktor zu erwarten sind, kann ein Hahnloch im Boden des Reaktors angeordnet werden, beispielsweise mit der Neigung des Auslaßventils in Richtung Hahnloch.If molten metals or salts / slag are to be expected in the primary reactor, a tap hole may be placed in the bottom of the reactor, for example with the outlet valve tilting towards the tap hole.

Thermoelemente 14 sind in der axialen Richtung des Primärreaktors verteilt, um die Betttemperatur aufzunehmen. Das Zuführsystem 11, das Abgabesystem 16 und die Zufuhr von Wärme von den Porenbrenner 13 werden so gesteuert, dass die Hochtemperaturzone 20b in der gewünschten Reaktorhöhen eingestellt wird und die Betriebstemperatur durch die Thermoelemente 14p bis 14z ermittelt wird.thermocouples 14 are distributed in the axial direction of the primary reactor to accommodate the bed temperature. The feeding system 11 , the delivery system 16 and the supply of heat from the pore burners 13 are controlled so that the high temperature zone 20b is set in the desired reactor heights and the operating temperature through the thermocouples 14p to 14z is determined.

Wenn die Temperatur in 14p fällt, bedeutet dies beispielsweise, dass die Höhe der Wärmeübertragungszone 20a zunimmt und die Höhe der Hochtemperaturzone 20b abnimmt. Um diesen Temperaturabfall zu kompensieren und die gewünschte Höhe der Hochtemperaturzone 20b zu halten, kann die Menge an Einsatzstoff die in den Reaktor eintritt 10 verringert werden, oder die an die Wärmeübertragungszone 13a bis 13n geliefert Wärme erhöht werden. Analoges sollte getan werden, wenn eine Temperaturabnahme in der Hochtemperaturzone erwünscht ist.When the temperature is in 14p falls, this means, for example, that the height of the heat transfer zone 20a increases and the height of the high-temperature zone 20b decreases. To compensate for this temperature drop and the desired height of the high temperature zone 20b The amount of feed entering the reactor can be maintained 10 be reduced, or to the heat transfer zone 13a to 13n delivered heat can be increased. The same should be done if a temperature decrease in the high temperature zone is desired.

Die Frequenz des Öffnens des Doppelventils in der Zuführrichtung 11 und im Entladungssystem 16 des Primärreaktors wird zur Steuerung der Höhe des Festbetts 20a, 20b und der Verweilzeit der festen Phase verwendet. The frequency of opening the double valve in the feed direction 11 and in the discharge system 16 of the primary reactor is used to control the height of the packed bed 20a . 20b and the residence time of the solid phase used.

Die Verweilzeit der festen Phase wird zwischen 0,5–1,5 Stunden, bevorzugter etwa 1 Stunde, gehalten und der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 700 und 1000 C, besonders bevorzugt zwischen 800 und 950 C.The residence time of the solid phase is maintained between 0.5-1.5 hours, more preferably about 1 hour, and the operating temperature range is between 700 and 1000 C, more preferably between 800 and 950 C.

Zur zusätzlichen Heißgasbehandlung wird in dem Sekundärreaktor 23 die aus dem Primärreaktor 18 kommende gasförmige Phase durch das Bettmaterial 30 geleitet, welches bei Betriebstemperatur gehalten wird. Das Bettmaterial besteht aus einer Mischung von neutralisierenden Reaktanten, Adsorbern und Katalysatoren für die Entfernung von Teer, Ammoniak, Säure-, Alkali- und Metallverbindungen sowie Partikeln, wodurch der Einsatz von Zyklonen vermieden wird.For additional hot gas treatment is in the secondary reactor 23 those from the primary reactor 18 incoming gaseous phase through the bed material 30 passed, which is maintained at operating temperature. The bed material consists of a mixture of neutralizing reactants, adsorbers and catalysts for the removal of tar, ammonia, acid, alkali and metal compounds as well as particles, which avoids the use of cyclones.

Das Produktgas am Ausgang des Sekundärreaktors 29 kann teilweise für die Aufrechterhaltung des Prozesses, durch Einspeisung in den Porenbrenner 15, 26, verwendet werden. Und der Rest für andere Zwecke, wie Wärme- oder Stromerzeugung.The product gas at the outlet of the secondary reactor 29 can be partially responsible for maintaining the process, by feeding it into the pore burner 15 . 26 , be used. And the rest for other purposes, such as heat or power generation.

Die Abgase aus dem Primär- und dem Sekundärreaktor-Heizsystem 19, 28 können als Wärmequelle verwendet werden oder auf andere Weise in die Atmosphäre abgegeben werden, wobei die in-situ und die sekundäre Heißgasbehandlung, zusammen mit der Porenbrennerleistung, saubere Emissionen garantieren.The exhaust gases from the primary and secondary reactor heating system 19 . 28 can be used as a heat source or otherwise released into the atmosphere, with in-situ and secondary hot gas treatment, along with pore burner performance, guaranteeing clean emissions.

Ordnungsgemäße Wärmedämmung ist in dem Primär- 17 und Sekundärreaktor 24 vorgesehen.Proper thermal insulation is in the primary 17 and secondary reactor 24 intended.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • http://eprints-phd.biblio.unitn.it/528/ [0019] http://eprints-phd.biblio.unitn.it/528/ [0019]

Claims (18)

Ein Apparat für die Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Material in Produktgas bestehend aus einem indirekt beheizten Primärreaktor (20); einem gasdichten Zuführsystem (11) für die Einspeisung und einem gasdichten Abgabesystem (16) für die Festprodukte des primären Reaktors; einem indirekt beheizt Sekundärreaktor (23); einem gasdichten Zuführsystem (31) für die Einspeisung und einem gasdichten Abgabesystem (25) für die Festprodukte des Sekundärreaktors; eine Verbindung für die gasförmige Phase (18) zwischen dem Primär- und Sekundärreaktor; Wärmedämmung (17, 24); Abgassystem (19, 28) und Produktgasausgang (29), dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Beheizung von dem primären (13) und von dem sekundären (27) Reaktor durch Infrarotbrenner (13) erreicht wird.An apparatus for the conversion of carbonaceous material into product gas consisting of an indirectly heated primary reactor ( 20 ); a gastight delivery system ( 11 ) for the feed and a gas-tight delivery system ( 16 ) for the solid products of the primary reactor; an indirectly heated secondary reactor ( 23 ); a gastight delivery system ( 31 ) for the feed and a gas-tight delivery system ( 25 ) for the solid products of the secondary reactor; a compound for the gaseous phase ( 18 ) between the primary and secondary reactor; Thermal insulation ( 17 . 24 ); Exhaust system ( 19 . 28 ) and product gas outlet ( 29 ), characterized in that the indirect heating of the primary ( 13 ) and of the secondary ( 27 ) Reactor by infrared burner ( 13 ) is achieved. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Infrarotbrenner vorzugsweise Porenbrenner (13, 27) verwendet werden;Apparatus according to claim 1, characterized in that as infrared burner preferably pore burners ( 13 . 27 ) be used; Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Infrarotbrenner Brennstoffe wie Flüssiggas, Propan, Erdgas oder ein Teil des resultierenden Produktgases (29) eingespeist werden,Apparatus according to claim 1, characterized in that in the infrared burner fuels such as LPG, propane, natural gas or a part of the resulting product gas ( 29 ), Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung für die gasförmige Phase (18) am unteren Teil des Primärreaktors installiert ist (20), so dass die gasförmige, in dem Primärreaktor hergestellte Phase, das Bettmaterial durchdringen muss;Apparatus according to claim 1, characterized in that the compound for gaseous phase ( 18 ) is installed at the lower part of the primary reactor ( 20 ), so that the gaseous phase produced in the primary reactor must penetrate the bed material; Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführ- (31) und Entladesystem (25) des Sekundärreaktors (23) das Materialbett (30) kontinuierlich oder semi-kontinuierlich ersetzt, mit dem Ziel eine konstante Leistung zu erreichen.Apparatus according to claim 1, characterized in that the supply ( 31 ) and unloading system ( 25 ) of the secondary reactor ( 23 ) the material bed ( 30 ) is replaced continuously or semi-continuously, with the aim of achieving a constant performance. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zu der ebenen Innenfläche des Primärreaktors (20), eine oder mehrere Rippen (32) entlang der Wärmeübertragungszone (20a) installiert werden, vorzugsweise vertikal und vorzugsweise verschweißt an der Innenfläche des Primärreaktors, um die Wärmeübertragung zu verbessern und die radialen Temperaturgradienten zu verringern.Apparatus according to claim 1, characterized in that as an alternative to the flat inner surface of the primary reactor ( 20 ), one or more ribs ( 32 ) along the heat transfer zone ( 20a ), preferably vertically and preferably welded to the inner surface of the primary reactor to improve heat transfer and reduce the radial temperature gradients. Verfahren für die Festbettvergasung von kohlenstoffhaltigen Materialien, in welcher Wasserdampf als Vergasungsmittel verwendet wird; eine feste Phase im Primärreaktor (20) gebildet wird (20a, 20b); der Primärreaktor indirekt erhitzt wird; der Einsatzstoff von oben zugeführt und teilweise in Koks umgewandelt wird; die feste Phase nach unten bewegt und am Boden entladen wird; die gasförmige und die feste Phase im Primärreaktor in die gleiche Richtung strömen; die gasförmige Phase am Boden den Primärreaktor (18) verlässt; die gasförmige Phase einem Sekundärreaktor (23) zugeführt wird; die gasförmige Phase das Festbett (30) des Sekundärreaktor (23) durchdringt und zu seiner Endverwendung (29) kommt, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Phase des Primärreaktors zwei unterschiedliche Zonen bildet; die erste, ganz oben, Wärmeübertragungszone (20a) genannt, wobei die gasförmige und die feste Phase von atmosphärischer auf Betriebstemperatur erhitzt werden und die zweite, ganz unten, Hochtemperaturzone (20b) genannt, auf Betriebstemperatur gehalten wird. Die gasförmige Phase durchdringt die Feste Phase; in der Hochtemperaturzone erfolgt die in-situ Heißgasbehandlung der gasförmigen Phase und die Reformierung des Koks.Process for the fixed bed gasification of carbonaceous materials, in which water vapor is used as gasification agent; a solid phase in the primary reactor ( 20 ) is formed ( 20a . 20b ); the primary reactor is heated indirectly; the feedstock is fed from above and partially converted to coke; the solid phase is moved down and unloaded at the bottom; the gaseous and solid phases in the primary reactor flow in the same direction; the gaseous phase at the bottom of the primary reactor ( 18 ) leaves; the gaseous phase of a secondary reactor ( 23 ) is supplied; the gaseous phase the fixed bed ( 30 ) of the secondary reactor ( 23 ) and to its end use ( 29 ), characterized in that the solid phase of the primary reactor forms two distinct zones; the first, uppermost, heat transfer zone ( 20a ), wherein the gaseous and the solid phase are heated from atmospheric to operating temperature and the second, very low, high-temperature zone ( 20b ), is maintained at operating temperature. The gaseous phase permeates the solid phase; in the high-temperature zone, the in-situ hot gas treatment of the gaseous phase and the reforming of the coke takes place. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Koks in der Hochtemperaturzone (20b) als Katalysator für katalytisches Cracken, Trocken- und Dampfreformierung des Teeres verwendet wird.A method according to claim 7, characterized in that the coke in the high-temperature zone ( 20b ) is used as a catalyst for catalytic cracking, dry and steam reforming of the tar. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Koks in der Hochtemperaturzone (20b) durch Trocken- und Dampfreformierung zum Produktgas umwandelt wird.A method according to claim 7, characterized in that the coke in the high-temperature zone ( 20b ) is converted to the product gas by dry and steam reforming. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Phase das Festbett (30) des Sekundärreaktors (23) durchdringt, entweder in einer stromaufwärts oder stromabwärts und das Festbett (30) bei Betriebstemperatur gehalten wird.Process according to claim 7, characterized in that the gaseous phase separates the fixed bed ( 30 ) of the secondary reactor ( 23 penetrates, either in an upstream or downstream and the fixed bed ( 30 ) is maintained at operating temperature. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Festbett (30) des Sekundärreaktors (23) aus einer Mischung von Reaktanten, Adsorbern und Katalysatoren für die Heißgasbehandlung zusammengesetzt ist und womit Teer, Säure-, Alkali- und Metallverbindungen, Partikel und Ammoniak entfernt werden können;Method according to claim 7, characterized in that the fixed bed ( 30 ) of the secondary reactor ( 23 ) is composed of a mixture of reactants, adsorbers and catalysts for the hot gas treatment and with which tar, acid, alkali and metal compounds, particles and ammonia can be removed; Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampf- zu Kohlenstoff-Verhältnis zwischen 0 und 3, durch Zuführung von extern erzeugtem Dampf (21), oder durch Eindampfen der Feuchtigkeit des Einsatzstoffs, oder durch Wasserenthaltende, injizierte Flüssigkeit, gehalten wird.Process according to claim 7, characterized in that the steam to carbon ratio is between 0 and 3, by supplying externally generated steam ( 21 ), or by evaporation of the moisture of the feedstock, or by water containing, injected liquid. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampf- zu Kohlenstoff-Verhältnis vorzugsweise zwischen 1 und 2 gehalten liegt;A method according to claim 7, characterized in that the steam to carbon ratio is preferably maintained between 1 and 2; Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur zwischen 700°C und 1000°C liegt;A method according to claim 7, characterized in that the operating temperature is between 700 ° C and 1000 ° C; Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur vorzugsweise zwischen 800°C und 950°C liegt; A method according to claim 7, characterized in that the operating temperature is preferably between 800 ° C and 950 ° C; Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Verweilzeit innerhalb des Primärreaktors zwischen 0,5 und 1,5 Stunden liegt;A method according to claim 7, characterized in that the solid residence time within the primary reactor is between 0.5 and 1.5 hours; Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Primär- und Sekundärreaktor über oder unter dem atmosphärischen Druck gehalten wird;A method according to claim 7, characterized in that the pressure in the primary and secondary reactor is maintained above or below atmospheric pressure; Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im primären und sekundären Reaktor vorzugsweise in der Nähe des atmosphärischen Drucks gehalten wird.A method according to claim 7, characterized in that the pressure in the primary and secondary reactor is preferably maintained in the vicinity of the atmospheric pressure.
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