DE19730385A1

DE19730385A1 - Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Pyrolyseprodukten

Info

Publication number: DE19730385A1
Application number: DE19730385A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Schingnitz; Juergen Dr Goerz
Original assignee: KRC Umwelttechnik GmbH
Current assignee: Future Energy GmbH
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: DE19730385C2; JPH11131078A; DE19730385C5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Pyrolyseprodukten. Unter Pyrolyseprodukten sollen Produkte der Brennstoff- und Restabfallstoffpyrolyse verstanden werden, wobei die Brenn- und Restabfallstoffe bei der Pyrolyse in

- Pyrolysekoks
- Pyrolysegas
- Flüssigprodukte

aufgeschlossen werden. Das Endprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Vergasungsgas, das im Gegensatz zu den Pyrolyseeinsatzstoffen frei von anorganischen und organischen toxischen Verbindungen wie Dioxinen, Furanen, chlororganischen sowie zyklischen Kohlenwasserstoffen ist.

Die erzeugten Brenngase lassen sich direkt zur Elektroenergieerzeugung mittels Gasmotoren oder Gasturbinen sowie zur Dampferzeugung durch Verbrennung in Kesseln energetisch nutzen. Stofflich ist eine Anwendung als Synthesegas z. B. bei der Methanolsynthese möglich.

Die Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Brennstoffen sowie Restabfällen ist in vielfältiger Weise erprobt oder zumindest bekannt. Wegen der oft in herkömmlichen Anlagen nicht zu handhabenden Restabfälle, wie z. B. wegen fehlender Fließfähigkeit oder Zerkleinerbarkeit, wurden kombinierte Verfahren aus Trocknung, Pyrolyse, Verbrennung und Vergasung entwickelt. Diese Verfahren eignen sich meist nur für die anstehenden, speziellen Anwendungsfälle oder wurden mit einer Reihe von Unzulänglichkeiten bzw. mit technischen oder ökonomischen Kompromissen konzipiert.

In EP 0563777 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch thermische Behandlung von metallische und organische Bestandteile enthaltenden Reststoffen beschrieben, wobei die Reststoffe in einer Pyrolysestufe behandelt werden, die Feststoffphase der Pyrolyse einer Hochtemperaturvergasung mit Flüssigschlackeabführung und die Gasphase der Pyrolyse einer Zersetzungsreaktion mit heißem Reaktionsgas der Hochtemperaturvergasung und mit Dampf unterzogen wird. Bei dieser Lösung wurden zwei Vergasungsstufen mit reduzierenden Zustandsbedingungen realisiert. Da grundsätzlich der Vergasungsstufe der Pyrolysefeststoff, der Zersetzungsstufe die gasförmigen Pyrolyseprodukte zugeführt werden und immer in reduzierenden Bereichen gefahren wird, ist die Synthesegasqualität immer vom eingesetzten Reststoff abhängig.

In der DE 44 04 673 A1 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas aus wasser- und ballasthaltigen organischen Stoffen dargelegt. Diese Stoffe werden einer Trocknung und Schwelung unterzogen.

Die gasförmigen Schwelprodukte werden in einer Schmelzkammer verbrannt, und der Schwelkoks wird mit Rauchgas der Schmelzkammerfeuerung, das als Vergasungsmittel verwendet wird, in einer Reduktionskammer vergast. Dabei ist die Schmelzkammerfeuerung unterhalb der Vergasungs- bzw. Reduktionskammer angeordnet. Das heißt, daß die mineralischen Bestandteile und der Restkohlenstoff des teilvergasten Schwelkokses in einer sehr großen Gasentstaubung von Brenngas getrennt und zwecks Einschmelzung in den Schmelzkammerofen transportiert werden müssen. Diesem offenbarten Verfahren haften folgende Nachteile an:

- Bei Einsatz von organischen Stoffen mit hoher Schwelgas- und niedriger Koksausbeute übersteigen die exothermen Wärmen in der Schmelzkammer so stark die endothermen Wärmen in der Reduktionskammer, daß die erforderliche Temperatur zur Vermeidung des Aufschmelzens der mineralischen Bestandteile in der Reduktionskammer weit überschritten wird.
- Das Verfahren ist nur für begrenzte Einsatzstoffqualitäten geeignet.
- Die Gasentstaubung und der Filterstaubtransport belasten technisch und ökonomisch das Verfahren stark.

Bei Einsatz eines üblichen Reststoffes mit folgenden Parametern ergeben sich nachstehende Betriebsergebnisse, die den Einsatz des gewählten Reststoffes wegen Verklebens der mineralischen Bestandteile in der Reduktionskammer verbieten:

- Einsatzstoff:
Hausmüll: 10 487 kg/h
Feuchte: 10%
Heizwert: 13 087 kJ/kg.
- Pyrolyseprodukte:
- Flüssigprodukte: 2813 kg/h
Heizwert: 12 123 kJ/kg.
- Pyrolysegas: 2363 m³ _N/h
Heizwert: 25 652 kJ/m³.
- Pyrolysekoks: 4233 kg/h
Heizwert: 9005 kJ/kg.
- Oxydierende Umsetzung in der Schmelzkammer:
- Vollständige Umsetzung von Flüssigprodukten, Pyrolysegas, Filteraschekohlenstoff bei 1600°C
- Sauerstoffbedarf (98%): 5400 m³ _N/h
- Dampfbedarf: 12 000 m³ _N/h
- Rauchgasmenge: 22 372 m³ _N/h
- O₂-Gehalt im Rauchgas: 0,8 Vol.-%
- Reduzierende Umsetzung in der Reduktionskammer:
- Umsetzung von Rauchgas der Schmelzkammer und von Pyrolysekoks
- Reaktionstemperatur: 1275°C
- Reaktionsgasmenge (f): 24 565 m³ _N/h
(tr): 8 487 m³ _N/h.
- Heizwert: 5102 kJ/m³ _N.

Die Reaktionstemperatur von 1275°C in der Reduktionskammer liegt weit über den erforderlichen 800 . . . 900°C. Eine Temperaturabsenkung wäre nur mittels Teilquenchung möglich, aber nicht mittels Änderung in der Reaktionsführung. Die Entstaubung des Brenngases würde weiter belastet werden und der Heizwert würde sinken.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Brenn- und Synthesegaserzeugung aus Produkten der Brennstoff- und Restabfallstoffpyrolyse vorzuschlagen, das die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik überwindet und folgende Anforderungen erfüllt:

- Erzeugung von Brenn- und Synthesegas bei beliebiger Pyrolyseproduktmengenverteilung
- Verzicht auf einen Austrag der Asche mit dem Brenngas und damit auf die Filterascherückführung
- Erzielung eines Kohlenstoffumsetzungsgrades des Pyrolysekokses von über 99% und Aufschmelzung der mineralischen Bestandteile ohne Kreislauffahrweise der Feststoffe der Pyrolyse in der Gaserzeugungsanlage
- Beibehaltung einer Schmelzkammerverbrennungs- und einer Vergasungsstufe unter Nutzung des Flugstromprinzips.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach den Merkmalen des 1. Patentanspruches gelöst.

Die weiteren Ansprüche stellen Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung dar.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Vergasungseinheit aus einer Verbrennungs- und einer Vergasungsstufe besteht und die Vergasungsstufe über der Verbrennungsstufe angeordnet wird. Die Verbrennungsstufe wird als Schmelzkammerofen ausgebildet. Erfindungsgemäß wird der Pyrolysekoks der Verbrennungsstufe aufgegeben und mit Luft oder mit Sauerstoff und Wasserdampf bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der mineralischen Bestandteile der festen Pyrolyseprodukte verbrannt, damit die mineralischen Bestandteile aufschmelzen, an der Wand des Kühlschirms abfließen, in das darunter angeordnete Wasserbad abtropfen und glasartig eluationsfest granulieren. Die Verbrennungsgase werden als Vergasungsmittel in der Vergasungsstufe genutzt. In der Vergasungsstufe wird grundsätzlich Pyrolysegas mit Verbrennungsgas vergast. Die Temperatur wird unterhalb der Schmelztemperatur der mineralischen Bestandteile gehalten. Die Flüssigprodukte der Pyrolyse werden bevorzugt der Vergasungsstufe zugeführt. Die völlige oder teilweise Zugabe in die Verbrennungsstufe hängt vom Heizwert und von der Massenverteilung der Pyrolyseprodukte ab. Gemäß dieser Stoffparameter variiert auch die Höhe der exothermen Wärme in der Verbrennungsstufe sowie der endothermen Wärme in der Vergasungsstufe, die die Temperaturen in beiden Stufen bestimmen. Abhängig von den Stoffparametern wird die Aufteilung der Flüssigprodukte gesteuert. Parallel zu dieser Verteilung werden Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf als Verbrennungs- und Vergasungsmittel zugegeben.

Mit dieser Aufteilung der Pyrolyseprodukte auf beide Verfahrensstufen der Vergasungseinheit werden erfindungsgemäß die mineralischen und brennbaren festen Bestandteile des Pyrolysekokses unmittelbar nach Eintritt in die Verbrennungsstufe aufgeschmolzen bzw. völlig umgesetzt und auch abgeschieden. Sie können nicht in das Brenngas verschleppt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, Brenn- und Restabfallstoffe unabhängig von der Pyrolyseproduktmengenverteilung zu Brenn- und Synthesegas zu verarbeiten.

Vorteilhaft lassen sich deshalb mit dem erfindungsgemäßen Vergasungsverfahren zusätzlich Altöle, Teere, Schlämme aufgeben und verarbeiten. Es ist auch möglich, das Verfahren auf beliebigem Druckniveau zu betreiben. Das Vergasungsgas kann als energetisches Gas zur Verstromung oder als Synthesegas in der chemischen Industrie genutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und acht Figuren näher erläutert:

Die Figuren zeigen das schematische Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Pyrolyseprodukten mit den einheitlichen Zugaben des Pyrolysekokses 11 zur Verbrennungsstufe 15, des Pyrolysegases 12 zur Vergasungsstufe 17, des Vergasungsmittels 16 aus der Verbrennungsstufe 15 in die Vergasungsstufe 17 und mit folgenden variierenden Zugaben von Flüssigprodukten 6 und Vergasungs- sowie Verbrennungsmitteln Luft 10, Sauerstoff 24, Dampf 25 zur Vergasungseinheit 15 und 17 in den folgenden Varianten:

Fig. 1 Flüssigproduktzugabe 6 erfolgt zur Verbrennungsstufe 15; Verbrennungs- und Vergasungsmittel ist Luft 10.1, 10.2, 10.3,

Fig. 2 Flüssigproduktzugabe 6 erfolgt teils zur Verbrennungsstufe 15 und teils zur Vergasungsstufe 17; Verbrennungs- und Vergasungsmittel ist Luft 10.1, 10.2, 10.3, 10.4,

Fig. 3 Flüssigproduktzugabe 6 erfolgt zur Vergasungsstufe 17; Verbrennungs- und Vergasungsmittel ist Luft 10.1, 10.2, 10.4

Fig. 4 Flüssigproduktzugabe 6 erfolgt zur Verbrennungsstufe 15; Verbrennungs- und Vergasungsmittel sind Sauerstoff 24.1, 24.2, 24.3 und Wasserdampf 25.1, 25.2, 25.3,

Fig. 5 Flüssigproduktzugabe 6 erfolgt teils zur Verbrennungsstufe 15 und teils zur Vergasungsstufe 17; Verbrennungs- und Vergasungsmittel sind Sauerstoff 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 und Wasserdampf 25.1, 25.2, 25.3, 25.4,

Fig. 6 Flüssigproduktzugabe 6 zur Vergasungsstufe 17; Verbrennungs- und Vergasungsmittel sind Sauerstoff 24.1, 24.2, 24.4 und Wasserdampf 25.1, 25.2, 25.4,

Fig. 7 Zumischung der Flüssigprodukte 6 zum Pyrolysekoks 11 und Zugabe des Slurrys 26 zur Verbrennungsstufe 15; Verbrennungs- und Vergasungsmittel sind Luft 10.1, 10.2, wobei Luft durch Sauerstoff 24 und Wasserdampf 25 ersetzt werden kann,

Fig. 8 Pyrolysegas und -dämpfe 12 werden nicht gekühlt und damit unkondensiert teils der Verbrennungsstufe 15 und teils der Vergasungsstufe 17 zugegeben; Verbrennungs- und Vergasungsmittel sind Luft, wobei Luft durch Sauerstoff 24 und Wasserdampf 25 ersetzt werden kann.

Am Beispiel der Fig. 6 wird das Verfahren insgesamt beschrieben:
Der Anlage zur Gaserzeugung wird Restabfallstoff 1 in Form von Hausmüll aufgegeben:

Menge: 10 487 kg/h
Feuchte: 10%
Heizwert: 13 087 kJ/kg.

In der Aufbereitungsstufe 2 wird der Müll zerkleinert, grobe Mineral- und Metallteile werden ausgehalten. In der Pyrolysestufe erfolgt bei ca. 500°C der Aufschluß zu Feststoff und zu einem Gas-Dampf-Gemisch. Während vom Feststoff in der Pyrolysekoksaufbereitungsstufe 4 der Pyrolysekoks 11 abgetrennt und zu Staub zerkleinert wird, erfolgt in der Kühlstufe 5 die Abkühlung des Pyrolysegases und die Kondensation der Dampfphase und somit die Trennung in Pyrolysegas 12 und Flüssigprodukte 6.

Dabei ergibt sich folgende Pyrolyseproduktverteilung:

- Flüssigprodukte 6 : 2813 kg/h
Heizwert: 12 123 kJ/kg
- Pyrolysegas 12 : 2363 m³ _N/h
Heizwert: 25 652 kJ/m³
- Pyrolysekoks 11 : 4233 kg/h
Heizwert; 9005 kJ/kg.

Der Pyrolysekoks 11 wird unter folgenden Bedingungen in der Verbrennungsstufe 15 mit Sauerstoff 24.1 verbrannt und mit Wasserdampf 25.1 in der Temperatur moderiert, wobei das Verbrennungsgas bzw. Vergasungsmittel 16 erzeugt wird:

- Reaktionstemperatur: 1600°C
- Sauerstoffverbrauch (98% O₂) 24.1 : 2150 m³ _N/h
- Dampfverbrauch 25.1 : 4000 m³ _N/h
- Verbrennungsgas 16 : 6539 m³ _N/h
O₂-Gehalt in 16 : 1,0 Vol.-%.

Das Verbrennungsgas 16 strömt als Vergasungsmittel in die Vergasungsstufe 17, in die das Pyrolysegas 12 und alle Flüssigprodukte 6 sowie zusätzlich als Vergasungsmittel Sauerstoff 24.2, 24.4 eingeleitet werden. Wegen des großen Wärmebedarfs (endotherme Wärme) für die Spaltung des Pyrolysegases 12 und der Flüssigprodukte 6 ist die Zugabe von Wasserdampf 25.2, 25.4 nicht nötig. Die Reaktionstemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der mineralischen Bestandteile wird erreicht. Es ergeben sich folgende Vergasungsbedingungen:

- Reaktionstemperatur: 900°C
- Sauerstoffverbrauch: 1380 m³ _N/h
- Brenngaserzeugung (f) 18 : 16 490 m³ _N/h
(tr): 10 699 m³ _N/h.
- Heizwert: 7978 kJ/m³ _N.

Gegenüber dem Verfahren nach DE 44 04 673 A1 ergibt sich eine Erhöhung der chemisch gebundenen Wärmemenge mit dem Faktor 1,97 im trockenen Brenngas 18.

Während der Verbrennung des Pyrolysekokses in der Verbrennungsstufe schmelzen die mineralischen Bestandteile bei 1600°C auf und fließen über den Schlackeablauf 20 in das Wasserbad 21, wo die Schlacke zu einem glasartigen, eluationsfesten Granulat erstarrt. Mittels der Granulataustragsvorrichtung 22 wird das Granulat aus dem Wasserbad 21 in den Granulatsammelbehälter 23 transportiert. Der Zünd- und Pilotbrenner 14 hält besonders bei hohen Schmelztemperaturen der mineralischen Bestandteile den Schlackeauslauf 20 frei.

Während die Verbrennungsstufe 15 einen Kühlschirm 19 besitzt, ist die Vergasungsstufe mit Feuerfestmaterial ausgekleidet. Das Vergasungs- bzw. Rohgas 18 wird nach Verlassen der Vergasungsstufe in 7 gekühlt und gereinigt. Nach der Entschwefelung in der Entschwefelungsstufe 8 steht das Reingas 9 für eine weitere Nutzung z. B. für die Verstromung mittels Gasmotor bereit.

Bezugszeichenliste

1

Restabfallstoffe

2

Aufbereitungsstufe des Restabfalls

3

Pyrolysestufe

4

Pyrolysekoksaufbereitung

5

Kühlstufe für gas- und dampfförmige Pyrolyseprodukte

6

(feststofffreie) Flüssigprodukte

7

Rohgaskühl- und -reinigungsstufe

8

Rohgasentschwefelungsstufe

9

Reingas

10

Luft

11

Pyrolysekoks

12

Pyrolysegas

13

Flüssigprodukte

14

Zünd- und Pilotbrenner

15

Verbrennungsstufe

16

Verbrennungsgas und Vergasungsmittel

17

Vergasungsstufe

18

Rohgas

19

Kühlschirm

20

Schlackeablauf

21

Wasserbad zur Schlackegranulierung

22

Granulataustragsvorrichtung

23

Granulatsammelbehälter

24

Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft

25

Wasserdampf

26

Slurry (Koks-Flüssigprodukt-Gemisch)

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Pyrolyseprodukten durch Vergasung im Flugstrom, wobei die Vergasungseinheit aus einer Verbrennungsstufe und aus einer Vergasungsstufe besteht, die mineralischen Bestandteile der Brennstoffe und Restabfallstoffe in der Verbrennungsstufe aufgeschmolzen werden, an der Kühlschirmwand abfließen und schließlich nach Abtropfen in ein Wasserbad glasartig eluationsfest granulieren, dadurch gekennzeichnet,

- daß bei der Vergasungseinheit die Verbrennungsstufe als Schmelzkammerfeuerung mit einem inneren Kühlschirm, mit einer Zuführung für Pyrolysekoks, Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf besteht und unter oxydierenden Bedingungen oberhalb der Schmelztemperatur der mineralischen Bestandteile der festen Pyrolyseprodukte betrieben wird und über der Verbrennungsstufe die Vergasungsstufe angeordnet ist, in der das Pyrolysegas und die Flüssigprodukte mit Rauchgas der Verbrennungsstufe sowie unter weiterer, bedarfsweiser Zugabe von Vergasungsmitteln wie Luft bzw. Sauerstoff und Dampf bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der mineralischen Bestandteile der Pyrolyseprodukte unter reduzierenden Bedingungen vergast werden
- und daß in Abhängigkeit vom Heizwert und von der Masseverteilung der einzelnen Pyrolyseprodukte und damit in Abhängigkeit von der Größe der exothermen Wärme in der Verbrennungsstufe im Vergleich zur endothermen Wärme in der Vergasungsstufe zwecks Einhaltung der erforderlichen Temperaturen in beiden Stufen die Flüssigprodukte zu einem Teil oder auch vollständig der Verbrennungsstufe zugeführt und dort bei weiterer Zugabe von Luft bzw. Sauerstoff und Dampf zu Vergasungsmittel verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigprodukte und Pyrolysekoks gemischt und gemeinsam der Verbrennungsstufe aufgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ungekühltes Gas der Pyrolyse, das alle gas- und dampfförmigen Bestandteile enthält, vollkommen oder teilweise der Vergasungsstufe zugeführt und der restliche Teil der Verbrennungsstufe zugeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünd- und Pilotbrenner der Verbrennungsstufe als Stützbrenner das Frei halten des Schlackeauslaufes bewirkt und in der Nähe des Schlackeauslaufes tangential zur Kühlschirmwandung und geneigt zur Waagerechten angeordnet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungseinheit unter Normal- oder beliebigem Überdruck gegenüber der Atmosphäre betrieben werden kann.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Vergasungsgas als energetisches Gas zur Verstromung oder als Synthesegas in der chemischen Industrie genutzt werden kann.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungseinheit zusätzlich zu den Flüssigprodukten der Pyrolyse Altöle, Teere, Schlämme u. ä. aufgegeben werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsstufe mit einem Luft-Brennstoff- oder Sauerstoff/Dampf- Brennstoff-Verhältnis so gefahren wird, daß die Verbrennungs- beziehungsweise Vergasungsmittelaustrittstemperatur höher als die Schmelztemperatur der Schlacke ist.