DE102019007853A1 - Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus biogenen kohlenstoffhaltigen Reststoffen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pyrolyse und zur thermo-chemischen Vergasung ohne zusätzlich zugeführten Sauerstoff von kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffen (1) wie Klärschlamm, Gärresten, Mist und Gülle zur Erzeugung von Brenngas (24), bei dem die Pyrolyse in einem geschlossenen Schneckenförderer (6) erfolgt, wobei die erforderliche Wärme außerhalb in einer Brenn- oder Heizungskammer (7) erzeugt wird, wobei die Temperatur der Rohrinnenseite vorzugsweise über 1000 °C gehalten wird, und wobei die Wärme für die Pyrolyse/Vergasung überwiegend durch Wärmeabstrahlung der Rohrinnenseite auf die Eingangsstoffe übertragen wird. Das durch die Vergasung gewonnene Gasgemisch (24) besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. In einem dem Gasgenerator folgendem Gastrenner (16) wird der Wasserstoff (3) abgeschieden und das restliche Gas (25) bevorzugt zur Erzeugung der Stützenergie in einem Brenner (8) verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffen durch thermische Zersetzung dieser Reststoffe.
  • Bisher bekannte Verfahren arbeiten mit Trommel oder Wirbelschicht-Öfen. Diese haben den Nachteil, dass ein gesicherter Transport des Materials beziehungsweise Temperaturverläufe schwer regelbar sind. Vielfach müssen sogar zwei Reaktoren hintereinander geschaltet werden.
  • Verfahren zur Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffen arbeiten teilweise mit niedrigeren Temperaturen, wenn die Fokussierung auf der Erzeugung von Biokohle liegt. Hier entstehen zusätzlich Kondensate, die als flüssige Brenn- oder Kraftstoffe eingesetzt werden können. Diese müssen aber erst wieder von längerkettigen Kohlenwasserstoffen und Aromaten gereinigt werden. Hierbei entstehen aber Abfälle, die entsorgt werden müssen.
  • Anlagen, die mit Temperaturen im Bereich von 700 bis 800°C arbeiten, erreichen keine hohe Effizienz in der Gaserzeugung da die Wassergas-Reaktionen nicht vollständig stattfinden. Die so gewonnenen Gase können erst nach aufwendiger Reinigung Gasmotoren als Kraftstoff zugeführt werden
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde kohlenstoffhaltige biogene Reststoffe, wie Klärschlamm, Gärreste aus der Biogaserzeugung sowie tierische Ausscheidungen, wie Gülle oder Mist, in einem thermischen Prozess in brennbare Gase, insbesondere Wasserstoff, und Biokohle umzuwandeln. Der Nährstoff-Kreislauf soll dabei nicht unterbrochen werden. Es sollen keine Abfallstoffe entstehen. Für den Prozess soll keine externe Energie benötigt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zunächst werden die zu vergasenden kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffe (1) in einem Trockner (23) mit der Prozess-Abwärme auf eine Restfeuchte von ca. 20% getrocknet. Es ist auch möglich, der Anlage bereits ausreichend trockene Reststoffe zuzuführen. In diesem Fall muss man die Reststoffe nicht weiter trockenen. Der Trockner (23) könnte dann auch entfallen.
  • Die Reststoffe (1) werden in einem beheizten Schneckenförderer (6) unter Luftabschluss sukzessive bis auf eine Temperatur von 900°C bis 1200°C im Rohr erhitzt.
  • Im Laufe der kontinuierlichen Erhitzung verdampft zunächst die verbleibende Restfeuchtigkeit der verwendeten Reststoffe (1), bevor erste pyrolytische Zersetzungsreaktionen einsetzen. Ab einer Temperatur von ca. 700°C entstehen durch die heterogene Wassergasreaktion und die Boundouart-Reaktion die brennbaren Gase Kohlenmonoxid und Wasserstoff (3) sowie weitere Gase. Durch eine zusätzliche Einbringung von Wasserdampf (28) im Verlauf des Schneckenförderers (6) kann der erzeugte Gasanteil noch erhöht werden.
  • Am Ende der Förderschnecke (6) wird die Pyrolyse-Asche (2) ausgebracht und beispielsweise einem Ascheabscheider (10) zugeführt, und das erhaltene Gasgemisch (24) in einem Gasaustrag (11) abgeführt. Das noch heiße Gasgemisch (24) wird zunächst mittels einer geeigneten Einrichtung (12) von mitgeführten Aschepartikeln (26) gereinigt. Die Aschepartikel (26) werden dem Ascheaustrag (10) zugeführt.
  • Das Gasgemisch (24) wird optional verdichtet (13) und in einem Wärmeübertrager (14) auf eine Temperatur von ca. 500°C gekühlt, wobei die bei der Kühlung anfallende Abwärme für die Erzeugung von Heißdampf (28) für die Wassergasreaktion genutzt wird
  • Das vorgekühlte Gasgemisch (24) wird noch mit einer so hohen Temperatur in einen Gastrenner (16) eingeleitet, dass die im Gasgemisch enthaltenen höherwertige Kohlenwasserstoffe nicht kondensieren können.
  • Der Gastrenner (16) separiert das im Gasgemisch enthaltene Wasserstoffgas (2) von den restlichen Gasen (25), u.a. Kohlenmonoxid, und den darin enthaltenen Substanzen.
  • Das Wasserstoffgas (2) wird in einem Kühler (17) gekühlt und in einem Speicher (18) gesammelt und kann danach einer Verwertung als Gas (29) zugeführt werden oder zur Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle (30) verwendet werden. Dem Kühler (17) kann optional ein thermoelektrischer Generator (32) vorgeschaltet sein.
  • Das verbleibende Gasgemisch (25), das als brennbaren Anteil Kohlenmonoxid enthält, wird entweder direkt mit hoher Temperatur in einem Gasbrenner (8) zur Erzeugung der Prozesswärme verbrannt oder abgekühlt (19) und gereinigt als Vorrat (20) gespeichert.
  • Die Abgase des Reaktor-Ofens können zur Erzeugung von Strom durch einen Thermoelektrischen Generator (22) geleitet werden und/oder anschließend zur Trocknung (23) der Reststoffe (1) energetisch genutzt werden.
  • Die anfallende Asche (2) besteht zum großen Teil aus Kohlenstoff, auch als Biokohle bezeichnet, und allen mineralischen Stoffen die im Eingangsmaterial enthalten sind. Diese Asche kann nach Aufbereitung wieder als Dünger ausgebracht werden und so auch als CO2-Senke dienen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kohlenstoffhaltige biogene Reststoffe
    2
    Pyrolyse-Asche
    3
    Wasserstoffgas
    4
    Abgas
    5
    Eintragsvorrichtung für die Reststoffe
    6
    Schneckenförderer
    7
    Reaktor-Ofen
    8
    Gasbrenner
    9
    Schneckenantrieb
    10
    Ascheaustrag
    11
    Gasaustrag
    12
    Zyklon-Abscheider
    13
    Verdichter
    14
    Wärmeübertrager
    15
    Dampfinjektor
    16
    Gastrenner
    17
    Kühler für Wasserstoffgas
    18
    Speicher für Wasserstoffgas
    19
    Kühler für Restgase
    20
    Speicher für Restgase
    21
    Kamin des Reaktor-Ofens
    22
    Thermoelektrischer Generator
    23
    Trockner für Biomasse
    24
    Rohgas-Gemisch
    25
    Restgase nach Trennung
    26
    Asche aus dem Zyklon-Abscheider
    27
    Wasser
    28
    Heißdampf
    29
    Gasflaschen
    30
    Brennstoffzelle
    31
    Verbrennungsluft
    32
    Thermoelektrischer Generator

Claims (22)

  1. Verfahren zur Pyrolyse und zur thermo-chemischen Vergasung ohne zusätzlich zugeführten Sauerstoff von kohlenstoffhaltigen biogenen Reststoffen (1) jeglicher Art für die Erzeugung von Wasserstoffgas (3) mit folgenden Schritten: Pyrolyse der Reststoffe (1) in einem Schneckenförderer (6) unter Luftabschluss, Vergasung der Reststoffe (1) im Schneckenförderer (6) unter Zugabe von Wasserdampf (28), Abtrennung des Wasserstoffgases (3) von den restlichen Gasbestandteilen (25), und Verwendung der Restgase (25), die zum Großteil aus Kohlenmonoxid bestehen, zur Erzeugung der Stützenergie.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Schneckenförderer (6) in einem Reaktorofen (7) von außen beheizt wird, und dass die Wärmeübertragung auf die Reststoffe (3) überwiegend durch Wärmeabstrahlung der Innenseite der bis zu 1200°C heißen Schnecke(6) erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenn- oder Heizungskammer des Reaktorofens (7) mit Hilfe von Gas-Brennern (8) erhitzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Restgase (25) wie auch die Verbrennungsluft (31) vorgeheizt werden
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmung der Verbrennungsluft (31) durch die Wärme der erzeugten Gase erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenförderer (6) mehrere Segmente umfasst, die Parallel und oder sequentiell angeordnet sind.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecken (6) über die Länge eine variable Form und/oder Steigung (6a - 6e) aufweisen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecken (6) speziell am Ende (6e) gegenläufig ausgebildet sein kann.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf (28) durch die Abwärme aus dem Gasgemisch (24) erzeugt wird
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (24) noch im heißen Zustand in einem Abscheider (12) von Aschepartikeln (26) gereinigt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrennung (16) noch im heißen Zustand des Gasgemisches (24) erfolgt, so dass keine Substanzen im Gasgemisch auskondensieren können.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas für die Brenner (8) des Reaktorofens (7) noch im heißen Zustand verbrannt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase (4) zur Trocknung (23) der biogenen Reststoffe (1) verwendet werden.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6a) der Förderschnecke (6) als Rohr ausgeführt ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6a) der Förderschnecke (6) beheizt ist um Ablagerungen zu vermeiden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung der Schneckenwelle (6a) durch die Heizgase oder durch einen eigenen Gasbrenner (8b) erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke (6) im Trocknungsbereich, Sektion (6a), als geschlossene Schnecke mit geringer Steigung ausgeführt ist und komplett mit den Reststoffen (1) gefüllt ist.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke im Pyrolysebereich, Sektion (6b), als geschlossene Schnecke mit größerer Steigung ausgeführt und mit Mischflügeln versehen ist.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke im Vergasungsbereich, Sektion (6c), als offene Schnecke ausgeführt und mit Aufwirbelungsflügeln versehen ist.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke (6) im Absetzbereich der Asche, Sektion (6d), als offene Schnecke ausgeführt ist.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke (6) im Gasableitungsbereich, Sektion (6e) als offene gegenläufige Schnecke ausgeführt ist.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrohr einen über die Länge variablen Durchmesser aufweisen kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102022001817A1 (de) 2022-05-24 2023-11-30 Biomass-to-hydrogen GmbH Verfahren zur Synthesegasgewinnung aus kohlenstoffhaltigen Reststoffen in einem Reaktor mit Helix-förmiger Durchströmung

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