DE19509570C2 - Verfahren zur Pyrolyse und Festbettdruckvergasung von kohlenstoffhaltigen Stoffen - Google Patents
Verfahren zur Pyrolyse und Festbettdruckvergasung von kohlenstoffhaltigen StoffenInfo
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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 26 40 180 A1
und 27 32 544 A1, 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 27 05 558 A1 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 C1 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 Festbettdruckvergasung auf störungsfreie wirtschaftliche und umwelt-relevante
Weise zu verwerten.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, indem die Pyrolyse und
die Festdruckvergasung, 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 schonen der 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 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 Festbettdruckvergasung von kohlenstoffhaltigen Stoffen
insbesondere von Abfallstoff mit thermoplastischen Kunststoffanteilen, wobei
die Pyrolyse und die Festbettdruckvergasung simultan in einem Reaktionsraum
erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyrolyseprozeß als Vorstufe für die
Festbettdruckvergasung 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 einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse
temperaturpulsation durch Einstellung der zugeführten Pyrolysestoffmenge pro
Zeiteinheit gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 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.
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