DE19509570A1 - Verfahren zur Pyrolyse und Festbettdruckvergasung von kohlenstoffhaltigen Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Vergasung und insbesondere auf die Festbettdruckvergasung von Abfallstoffen mit thermoplastischen Kunststoffanteilen Das u. a. in W. Peters "Kohlevergasung", Verlag Glückauf GmbH, Essen, beschrie­ bene Grundprinzip der Festbettdruckvergasung ist in vielen Modifikationen weite­ rentwickelt worden. Bekannt sind daher Weiterentwicklungen nach DE-PS 26 40 180 und 27 32 544, in denen eine Kombination mit der Wirbelschicht vorgeschlagen wur­ de. In weiteren Lösungen, so u. a. in den DD-PS 38 791, 1 10 297, 1 19 814, 1 21 796, 1 32 980, 1 33 818 und DE-PS 27 05 558 werden Wege und Möglichkeiten zur Lei­ stungssteigerung, zum Flüssigschlackenabzug, zur Absenkung des Staubgehaltes im Rohgas und zur Vermeidung von Verschlackungen im Festbettdruckvergaser vorgeschlagen. Das konventionelle Grundprinzip der Festbettdruckvergasung, auch beschrieben in Schmidt "Technologie der Gaserzeugung" Band II - Vergasung - Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1964, beschreibt verschiedene Varianten, welche alle von einer eindeutigen Zonenausbildung mit Trockenzone, Schwelzone, Hochtemperaturentgasungszone, Vergasungszone (Reduktionszone) Verbrennungszone und Aschezone ausgehen. Die Anspruchslosigkeit der Fest­ bettdruckvergasung an den Vergasungsstoff und die Möglichkeit der stofflichen Nutzbarkeit der Produkte haben unter anderem auch dazu geführt, Abfallstoffe ein­ zusetzen.

Nach DD-PS 2 59 875 ist ein Vorschlag bekannt geworden, nach welchem zur Ver­ meidung von Abprodukten im Rohgassammelraum, unterhalb des Kohleverteilers Temperaturen von ca. 1000°C eingestellt werden sollen, mit dem Ziel die im Roh­ gas enthaltenen Teere, Öle und Staubpartikel in Rohgas umzuwandeln. Dieses Verfahren ist sicherheitstechnisch sehr bedenklich, da durch die extrem niedrige Festbettschüttung bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und damit bewirkten Staubaustrag und Kanalbildungen Sauerstoffdurchbrüche provoziert werden, die in nachgeschalteten Anlagen zu Gasexplosionen führen können. Infolge von Schmelz­ erscheinungen in der Festbettschüttung sind thermoplastische Stoffe nur in geringen Anteilen mit diesem Verfahren umsetzbar. Darüber hinaus sind infolge der gewähl­ ten Gasaustrittstemperaturen unwirtschaftliche Verhältnisse wie hohe Sauerstoffver­ bräuche und geringe Gasausbeuten zu erwarten, da die Vergasungsvorgänge nur unvollständig ablaufen können.

Der grundsätzliche Nachteil aller bisher beschriebenen und praktizierten Lösungen besteht darin, daß bei der Festbettvergasung von Abfallstoffen der mögliche Anteil an thermoplastischen Kunstoffanteilen und Feinkorn begrenzt ist und infolge der Inhomogenität und thermischen Instabilität von Abfallstoffen mit höheren Feinkorn­ anteilen in der Festbettschüttung und den damit bekannten Nachteilen zu rechnen ist.

In DE 42 26 015 wird ein Verfahren zur Entsorgung von festen und flüssigen Abfall­ stoffen im Vergasungsprozeß bei der Festbettdruckvergasung beschrieben, nachdem für die Dichteverhältnisse, Schwermetallanteile und Körnung der Abfallstoffe zur umweltverträglichen Vergasung definierte Grenzwerte für die vorgenannten Parame­ ter einzustellen sind. Auch bei diesem Verfahren werden keine Lösungsansätze aufgezeigt, um Abfälle mit hohen Anteilen an thermo-plastischen Kunststoffen und minimalen Staubausträgen mit dem Rohgas zu vergasen.

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, flüssige und feste Abfallstoffe mit hohen Anteilen an thermoplastischen Kunststoffen und hohen Feinkornanteilen über den Prozeß der Festbettvergasung auf störungsfreie wirtschaftliche und umwelt-re­ levante Weise zu verwerten.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch,indem die Pyrolyse und die Festbettvergasung welche simultan in einem Reaktionsraum erfolgen, derartig betrieben werden, daß der Pyrolyseprozeß als Vorstufe für die Festbettvergasung ohne vorgeschalteten Vorwärm- und Trocknungs- und Schwelprozeß für die kohlen­ stoffhaltigen Stoffe mit thermoplastischen Kunststoffanteilen als Schnellpyrolyse für jede in den Reaktionsraum eingebrachte Stoffcharge in einem Zeitintervall von <30 min und <3 min in einem pulsierendem Temperaturbereich von <300°C und <650°C durchgeführt wird und für den Rohgasstrom nach Durchströmung der Pyrolysezo­ ne vor Austritt aus dem Reaktor eine schockartige Verringerung der Strömungsge­ schwindigkeit auf <0,1 m/s bewirkt wird. Bei der Durchführung des Verfahrens erfolgt die Feststoffzuführung durch die Ausführung der Feststoffzuteilungseinrichtung der­ artig, daß die sich bei der Feststoffzuführung in den Reaktor ergebenen Schüt­ tungstäler technologisch machbare minimale Tiefen aufweisen. Auf diese Weise werden günstige Durchströmungsverhältnisse in der Schüttung bewirkt. Die Höhe der Festbettschüttung für den Pyrolyseprozeß wird in Abhängigkeit von der Pyroly­ seendtemperatur so eingestellt, daß bei Überschreitung eines oberen Grenzwertes von vorzugsweise 650°C die zugeführten Pyrolysestoffmenge pro Zeiteinheit erhöht und bei Unterschreitung eines unteren Grenzwertes von vorzugsweise 300°C verringert wird. Dabei kann das Verhältnis von Kohlenwasserstoff- und Gasaus­ beute aus dem kombinierten Pyrolyse - Vergasungsprozeß durch die Einstellung der Schütthöhe der eingesetzten kohlenstoffhaltigen Stoffe so gesteuert werden, daß mit mittlerer Verringerung der Schütthöhe die Gasausbeute zunimmt und die konden­ sierbare Kohlenwasserstoffausbeute abnimmt bzw. umgekehrt. Bei der Durchfüh­ rung des vorgeschlagenen Verfahrens kann die Pyrolyseendtemperatur mittels Ein­ düsung definierter Mengen von Wasser, vorzugsweise von Prozeßwasser und/oder von Teer-Öl-Feststoff-Wassergemischen oberhalb der Pyrolysezone auf die Fest­ bettschüttung, korrigiert werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann das Ver­ hältnis von kondensiebarer Kohlenwasserstoff- und Gasausbeute je nach Verfah­ rensziel aus dem kombinierten Pyrolyse - Vergasungsprozeß durch die Einstellung der Pyrolysetemperaturpulsation gesteuert werden. Die Pyrolysetemperaturpulsa­ tion, d. h. die Schwankungsbreite pro Zeiteinheit wird durch Einstellung der zuge­ führten Pyrolysestoffmenge pro Zeiteinheit gesteuert.

Bei der versuchsweisen praktischen Durchführung des Verfahrens wurde überra­ schend gefunden, daß thermoplastische Anteile von 60 Vol.-% im Einsatzstoff pro­ blemlos im vorgeschlagenen Prozeß umgesetzt werden können. Selbst die Zugabe von thermoinstabilen Produkten, die bei Erhitzung auf <400°C weitgehend zu Fein­ korn zerfallen, führte überraschender Weise nicht zu einer Erhöhung des Feinkorn­ austrages mit dem Rohgas. Die Vorteile der konventionellen Festbettdruckverga­ sung mit schonender Aufheizung der Feststoffe, langsamer Verdampfung der Feuchteanteile und verzögerter Schrumpfung der Feststoffe im Schwelprozeß wer­ den mit der vorgeschlagene neuartigen Lösung auf überraschende Weise mehr als kompensiert.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher be­ schrieben.

Ein Festbettdruckvergaser 6 wird gegenüber dem bekannten Stand der Technik so betrieben, daß die Trocknungs-, Aufwärm- und Normalpyrolysezonen entfallen und der Vergasungszone lediglich eine schockartige Aufheizung und Schnellpyrolyse vorgeschaltet wird.

Die umzusetzenden Abfallstoffe 3 und Braunkohlenbriketts 4 werden über ein Schleusensystem 1 mit Standmessung 2 über ein Verschlußorgan 5 in den Reaktor 6, der bei einem Druck von 2,5 MPa betrieben wird, eingebracht.

Die Feststoffzuteilungseinrichtung 7 ist so ausgeführt, daß die untere Öffnung 1/3 des Reaktorinnendurchmessers beträgt und dadurch die Feststoffzuführung durch die Ausführung der Feststoffzuteilungseinrichtung so erfolgt, daß die sich bei der Feststoffzuführung in den Reaktor ergebenen Schüttungstäler minimale Tiefen auf­ weisen.

Die Höhe der Festbettschüttung 9 ist an Hand der Pyrolyseendtemperaturmessung 20 mittels Feststoffdosierung über das Schleusensystem 1 und die Standmessun­ gen 2 so eingestellt, daß die Pyrolyseendtemperaturmessung 20 vor Zuführung der Feststoffcharge von 3 t 550°C und als tiefste Temperatur nach Feststoffzuführung in einem Zeitraum von 3 min minimal 380°C beträgt. Die Pyrolyseendtemperatur 20 dient zusätzlich zur Kontrolle der Festbettschütthöhe im Reaktor und wird mit der Rohgasaustrittstemperatur 13 verglichen. Während der Durchführung der Schnellpy­ rolyse in einem Zeitraum von 8 min erfolgt nach einer Entspannung eine Befüllung und Bespannung des Schleusensystems 1. Anschließend wird durch Öffnen des Verschlußorgans 5 erneut eine Feststoffcharge von 3 t/h in den Reaktor einge­ bracht.

Die Höhe der Feststoffschüttung erreicht bei Zugabe der Feststoffcharge einen Stand im Reaktor von minimal 50 cm unterhalb des unteren Randes der Feststoffzu­ teilungseinrichtung 7.

Bei der Durchführung des Verfahrens werden mittels Lanzen 11 1 t/h Teer-Öl-Fest­ stoff-Wassergemische 19 auf die Schüttung 9 gedüst und zusätzlich dem Schnell­ pyrolyseprozeß unterzogen. Auf diese Weise wird eine weitgehende Umwandlung dieses Produktes zu Nutzgas bewirkt. Bei Erhöhung der Pyrolyseendtemperatur vor Zuführung einer neuen Feststoffcharge kann bei Überschreitung eines festgelegten Temperaturgrenzwertes von 580°C die Teer-Öl-Feststoff-Wassermenge auf 1,5 t erhöht oder die Feststoffzuführung bereits nach 6 min erneut erfolgen oder die nächstfolgende Feststoffcharge auf 3,5 t erhöht werden.

In den Reaktor werden stündlich

• - 8 t Braunkohlenbriketts 4,
• - 7 t Kunststoffkompaktate 3 und
• - 1 t Teer-Öl-Feststoff-Wassergemisch 19

eingebracht.

Über dem Drehrost 14 wird das Vergasungsmittel als Gemisch von 2 650 m³ i.N. Sauerstoff und 16,9 t Vergasungsdampf in den Prozeß eingebracht. Bei der Verga­ sung und Schnellpyrolyse der Einsatzstoffe entstehen 2 2000 m³ i.N. Rohgas 12 mit folgender Zusammensetzung:

-CO₂
-32,0 Vol-%
-CO	-15,0 Vol-%
-H₂	-40,0 Vol-%
-CH₄	-10,0 Vol-%
-N₂	-1,3 Vol-%
-CnHm	-1,5 Vol-%
-H₂S	-0,2 Vol-%

Der Staubaustrag mit dem Rohgas beträgt <3 g/m³ i.N. und der kondensierbare Kohlenwasserstoffanfall wird mit 20 g/m³ i.N. gemessen.

Bei der Durchführung des Verfahrens entstehen 1,6 t/h Schlacke 18 die mittels Drehrost 14, Verschlußvorrichtung 16 und Schlackeschleuse 17 aus dem Reaktor 6 ausgeschleust werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Pyrolyse und Festbettvergasung von kohlenstoffhaltigen Stoffen insbesondere von Abfallstoffen mit thermoplastischen Kunststoffanteilen, wobei die Pyrolyse und die Festbettvergasung simultan in einem Reaktionsraum erfolgen, dadurch gekennzeichnet daß der Pyrolyseprozeß als Vorstufe für die Festbettvergasung ohne vorgeschalteten Vorwärm- und Trocknungs-und Schwelprozeß für die kohlenstoffhaltigen Stoffe als Schnellpyrolyse für jede in den Reaktionsraum eingebrachte Stoffcharge in einem Zeitintervall von <30 min und <3 min in einem pulsierendem Temperaturbereich von <300°C und <650°C durchgeführt wird und für den Rohgasstrom nach Durchströmung der Pyrolysezone vor Austritt aus dem Reaktor eine schockartige Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit auf <0,1 m/s bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Fest­ bettschüttung für den Pyrolyseprozeß in Abhängigkeit von der Pyrolyseend­ temperatur eingestellt wird und die Feststoffzuführung dabei durch die Ausführung der Feststoffzuteilungseinrichtung so erfolgt, daß die sich bei der Feststoffzuführung in den Reaktor ergebenen Schüttungstäler minimale Tiefen aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Kohlenwasserstoff- und Gasausbeute aus dem kombinierten Pyrolyse - Verga­ sungsprozeß durch die Einstellung der Pyrolysetemperaturpulsation erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse­ temperaturpulsation durch Einstellung der zugeführten Pyrolysestoffmenge pro Zeiteinheit gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Kohlenwasserstoff- und Gasausbeute aus dem kombinierten Pyrolyse - Vergasungsprozeß durch die Einstellung der Schütthöhe der eingesetzten kohlenstoffhaltigen Stoffe gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyseend­ temperatur mittels Eindüsung von Wasser, vorzugsweise von Prozeßwasser und/oder von Teer-Öl-Feststoff-Wassergemischen oberhalb der Pyrolysezone eingestellt wird.