DE19730385C2 - Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Brennstoffen und brennbaren Abfällen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Brennstoffen und brennbaren Abfällen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Brennstoffen und brennbaren Abfällen mit einer Pyrolyse-, einer Verbrennungsstufe, einer Flugstromvergasungsstufe und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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: 10487 kg/h
    Feuchte 10%
    Heizwert: 13087 kJ/kg
  • - Pyrolyseprodukte:
    Flüssigprodukte: 2813 kg/h
    Heizwert: 12123 kJ/kg
    Pyrolysegas: 2363 m3 N/h
    Heizwert: 25652 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: 12000 m3 N/h
    Rauchgasmenge: 22372 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): 24565 m3 N/h
    (tr): 8487 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 und eine Vorrichtung zur Brenn- und Synthesegaserzeugung aus Brennstoffen und brennbaren Abfällen 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 und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patent­ anspruch 2 gelöst.
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.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Pyrolyseeinrichtung, einer Schmelzkammerfeuerung, einer räumlich oberhalb der Schmelzkammerfeuerung angeordneten und mit dieser durch eine Rauchgasleitung verbundenen Flugstrom-Vergasungseinrichtung mit Einrichtungen zur Zufuhr von gasförmigen und flüssigen Pyrolyseprodukten, Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und acht Figuren näher erläutert:
Die Figuren zeigen Vorrichtungen und 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: 10487 kg/h
Feuchte: 10%
Heizwert: 13087 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: 12123 kJ/kg
Pyrolysegas 12: 2363 m3 N/h
Heizwert: 25652 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: 16490 m3 N/h
(tr): 10699 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.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
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 (2)

1. Verfahren zur Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus Brennstoffen und brennbaren Abfällen mit
einer Pyrolysestufe zur Erzeugung von festen, flüssigen und gasförmigen Pyrolyseprodukten,
einer Verbrennungsstufe in Form einer Schmelz-Kammerfeuerung mit einem inneren Kühlschirm und Zuführungen für das feste und das flüssige Pyrolyseprodukt (Pyrolysekoks) sowie Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf, die unter oxidierenden Bedingungen oberhalb des Schlackenschmelzpunktes der mineralischen Bestandteile des festen Pyrolyseproduktes betrieben wird und
einer Flugstrom-Vergasungsstufe, in die das Rauchgas aus der räumlich darunter liegenden Verbrennungsstufe, ein Teil der flüssigen und die gasförmigen Pyrolyseprodukte eingeleitet werden und die unter bedarfsweiser Zugabe von Vergasungsmittel unterhalb des Schmelzpunktes der mineralischen Bestandteile bei reduzierenden Bedingungen betrieben wird, wobei
in Abhängigkeit vom Heizwert und der Masseverteilung der Pyrolyseprodukte die flüssigen Pyrolyseprodukte wenigstens teilweise der Verbrennungsstufe zur Umsetzung zu Vergasungsmittel für die Vergasungsstufe zugeführt werden, so daß die Einhaltung der Verfahrensbedingungen in der Verbrennungs- und der Vergasungsstufe hinsichtlich der Wärmebilanzen sichergestellt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus
einer Pyrolyseeinrichtung (3) zur Erzeugung von festen, flüssigen und gasförmigen Pyrolyseprodukten (11, 12, 13),
einer Schmelzkammerfeuerung (15) mit innerem Kühlschirm (19) und mit Einrichtungen zur Zufuhr von festen und flüssigen Pyrolyseprodukten, Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf sowie
einer räumlich oberhalb der Schmelzkammerfeuerung (15) angeordneten und mit dieser durch eine Rauchgasleitung verbundene Flugstrom- Vergasungseinrichtung (17) mit Einrichtungen zur Zufuhr von gasförmigen und flüssigen Pyrolyseprodukten, Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf.
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