DE19736867C2

DE19736867C2 - Verfahren zur allothermen Vergasung von organischen Stoffen und Stoffgemischen

Info

Publication number: DE19736867C2
Application number: DE19736867A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schmid; Heinz-Juergen Muehlen; Helmut Kubiak
Original assignee: Deutsche Montan Technologie GmbH
Current assignee: Deutsche Montan Technologie GmbH
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: PT102198A; DE19736867A1; ES2153299B1; PT102198B; ES2153299A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu allothermen Verga sung von organischen Stoffen und Stoffgemischen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conferen ce, Stuttgart 1966, p. 621 bis 629 ist ein Verfahren für die Vergasung von Biomasse bekannt, bei dem die organischen Stoffe in eine unter Druck befindliche stationäre Wirbel schicht geleitet werden. Das Vergasungsmedium ist hierbei ein stark überhitzter Wasserdampf, der aus einem Speisewas ser unter Ausnutzung der im Produktgas enthaltenen Abhitze gewonnen werden kann. Der Wasserdampf wird von unten über einen Anströmboden in das Wirbelbett eingeblasen. Die für die endotherme Vergasungsreaktion erforderliche Wärmemenge wird über einen Wärmetauscher zugeführt, der von oben in die Wirbelschicht eintaucht, den sogenannten Tauchsieder. Als Wärmeträgermedium dient ein Rauchgas, das durch Verbrennung eines Teiles des Produktgases erzeugt wird.

An das Rohrmaterial des Tauchsieders werden hohe Anforderun gen gestellt. Da die Vergasung bei mindestens 700°C statt findet, ist es aus Werkstoffgründen nicht möglich, hohe Temperaturdifferenzen zwischen dem Wärmetauscher und der Wirbelschicht vorzusehen.

Es müssen deshalb relativ große Rauchgasmengen im Kreis geführt werden, um die entsprechenden Wärmemengen übertragen zu können. Die dafür benötigten Heißgasgebläse sind sehr aufwendig und zudem nicht als Serienkomponenten am Markt.

Außerdem entsteht bei der Verwendung von Rauchgas als Wärme trägermedium ein Abgasstrom, der noch gereinigt werden bzw. dessen Abwärme mit entsprechend apparativen Aufwand genutzt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur allothermen Vergasung von organischen Stoffen bereitzustel len, bei der die Wärmeeinbringung in den allothermen Ver gasungsprozeß derart erfolgt, daß Werkstoffprobleme weitge hend vermieden werden und marktübliche Anlagenkomponenten eingesetzt werden können. Außerdem soll der Energiebedarf des Verfahrens, insbesondere der elektrische Energiebedarf, deutlich reduziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen erfolgen gemäß den Merkmalen der Unteran sprüche.

Als Einsatzstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren sind alle organischen Stoffe bzw. Stoffgemische geeignet, die sich in eine disperse Form (Partikel, Tropfen) bringen las sen und sich somit in einem stationären Wirbelschichtver gaser unter Zuhilfenahme eines inerten Bettmaterials vergasen lassen. Die Wirbelschicht wird nach den bekannten Regeln der Wirbelschicht-Technik ausgelegt und betrieben. Ab einer Höhe der Wirbelschicht von ca. 3 m sind Einbauten zur Verbindung von Pulsationen erforderlich.

Als Brennstoffe sind alle gasförmigen und flüssigen Brenn stoffe geeignet, die sich bei stöchiometrischer Zugabe von Sauerstoff oder Luft bzw. deren Gemische vollständig ver brennen lassen und soweit deren Wasserstoffgehalt an che misch gebundenen Wasserstoff eine für die Vergasung ausrei chende Wasserdampfmenge gewährleistet, wobei dem Vergasungsmittel Wasserdampf zugemischt wird.

Die Verbrennung erfolgt stöchiometrisch, da bei überstöchio metrischer Verbrennung elementarer Sauerstoff im Wirbelmedi um vorhanden ist, der zu unerwünschter Wärmebildung im Ver gaser führt, während unterstöchiometrische Verbrennung das Vorhandensein von Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Wirbelme dium bewirkt, die die Vergasungsreaktionen kinetisch hemmen.

Die Gasmenge des Wirbelmediums muß ausreichend sein, um die Auflockerungsgeschwindigkeit der Wirbelschicht zu über schreiten und die Geschwindigkeit für den Austrag zu unter schreiten. Im Hinblick auf den Energieeintrag muß die Gas menge so groß sein, daß die im Temperaturfenster zwischen Vergasungsreaktionstemperatur und Wirbelmediumeintrittstem peratur eingebrachte Wärmemenge zur Aufheizung des einge setzten organischen Stoffes und zur Durchführung der endo thermen Vergasungsreaktion ausreicht.

Die im Verbrennungsabgas enthaltene Wasserdampfmenge muß so groß sein, daß die zur Durchführung der Vergasungsreaktion erforderliche Wasserdampfmenge mindestens zur Verfügung steht, wobei dem Vergasungsmittel Wasserdampf zugemischt wird.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, daß der für die allotherme Vergasung erforderliche Wasserdampf aus der Ver brennung von Wasserstoff bzw. Wasserstoff enthaltenden Brennstoffen erhalten wird. Gleichzeitig wird die dabei freigesetzte Verbrennungswärme direkt ohne Wärmetauscher dem Vergasungsverfahren zugeführt.

Die für die Vergasung in Betracht kommenden organischen Stoffe erfordern die Zuhilfenahme eines inerten Bettmateri als zur Ausbildung einer Wirbelschicht, da in der Regel die organischen Stoffe sich sehr schnell zersetzen und deshalb sich eine Wirbelschicht von festem dispersen Material nicht ausbilden kann. Inertes Bettmaterial braucht nicht einge setzt zu werden, wenn die Biomasse (z. B. ein entsprechender Klärschlamm) große Mengen an nicht vergasbarem Material mitbringt, das sich zum Aufbau einer Wirbelschicht eignet.

Der Einsatzstrom des zu vergasenden organischen Stoffes wird in die Wirbelschicht eingebracht, gleichzeitig wird in einer Brennkammer der Brennstoff verbrannt und das so erzeugte Verbrennungsabgas der Wirbelschicht derart zugeführt, daß es als Wirbelmedium, Wärmeträger und Vergasungsmittel dient.

Bei der Vergasung handelt es sich um eine Vollvergasung, d. h. es werden Umsatzgrade von deutlich mehr als 90%, vor zugsweise aber 99%, angestrebt, bezogen auf den mit der Biomasse eingebrachten Kohlenstoff.

Die wesentlichen Betriebsparameter des Vergasungsverfahrens sind der Druck, die Temperatur und die Partikelverweilzeit innerhalb des Vergasers. Erfindungsgemäß findet die Verga sung unter Überdruck statt, wobei unmittelbar über dem An strömboden der Wirbelschicht ein Druck von 3 bar, absolut, oder größer eingestellt wird. Höherer Druck beeinflußt die Raumzeitausbeute positiv. Außerdem kann der Überdruck vor teilhaft zur Überwindung der Einzeldruckverluste (Wirbel schicht, Filter, Zyklon etc.) genutzt werden. Die Verga sungstemperatur liegt, wie aus dem Stand der Technik be kannt, innerhalb eines Bereiches von 700-950°C, vorzugs weise innerhalb des Bereiches von 750-900°C. Hierbei ist der untere Wert dadurch bedingt, daß die zunächst einsetz tende Pyrolyse der organischen Stoffe sehr schnell erfolgen sollte, so daß die Bildung von Teeren und teerähnlichen Produkten minimiert werden kann. Der obere Wert der Tempera tur ergibt sich aus der Notwendigkeit, jegliche Erweichung der mineralischen Bestandteile und die damit verbundenen Sinter- und Backvorgänge zu vermeiden. Die Partikelverweil zeiten im Vergaser liegen im Bereich von einer bis zehn Stunden, so daß der Umsatzgrad des nach der Pyrolyse in den Partikeln verbleibenden Kohlenstoffs maximiert wird.

Gemäß Anspruch 2 ist es möglich als Brennstoff einen Teil des bei der Vergasung erzeugten Produktgases zu verwenden, der zu diesem Zweck zurückgekreist werden muß. Aus Energie gründen wird der zurückzukreisende Produktgasstrom vor der Kühlung durch eine Quenche von dem Hauptproduktgasstrom abgezweigt. Es ist jedoch auch möglich den zurückzukreisen den Produktgasstrom erst nach der Quenche zu entnehmen. Dadurch ist der Einsatz von preiswerteren Drehkolbengebläsen möglich. Allerdings wird die in dem Produktgas enthaltene Wärmemenge bei dieser Verfahrensvariante nicht genutzt, die ca. 10% der Wärmemenge des Gases beträgt.

Gemäß Anspruch 3 wird der Brennstoff vor der Verbrennung bereits mit zusätzlichem Wasserdampf vorgemischt. Durch diese Verfahrensweise werden Temperaturspitzen während der Verbrennung vermieden, die zu besonders hohen NOX-Werten und zu Werkstoffproblemen führen könnten.

Es ist jedoch auch möglich, die Wasserdampfzumischung nach der Verbrennung durchzuführen, zum Beispiel am Austritt aus der Brennkammer oder direkt im Bereich des Wirbelbodens.

Bei der Zumischung des Wasserdampfes vor der Verbrennung kann der Wasserdampf durch eine Strahlpumpe zugegeben wer den, die durch den Wasserdampf als Treibmedium angetrieben wird. Diese dient dann gleichzeitig zur Druckerhöhung des zur Verbrennung gelangenden Gases.

Die vorgenannten, sowie die beanspruchten und in dem Aus führungsbeispiel beschriebenen, erfindungsgemäß zu verwen denden Verfahrenschritte unterliegen hinsichtlich ihrer Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei bung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur allothermen Vergasung von organischen Stoffen dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemä ßen Verfahrens

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Aus der Fig. 1 geht hervor, daß die Biomasse 1 in einen Wirbelschichtvergaser 10 eingebracht wird. Gleichzeitig wird in einer Brennkammer 11 der Brennstoff 3 mit Sauerstoff 4 verbrannt. Das Verbrennungsabgas wird über eine Leitung 6 dem Wirbelschichtvergaser 10 unterhalb eines Anströmbodens 9 zugeführt. Der Brennkammer 11 wird außerdem noch Wasser dampf 5 zugeführt. Das Produktgas der Vergasung wird über eine Leitung 2 abgeführt.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der ein Teil des bei der Vergasung erzeugten Produktgases als Brennstoff verwendet wird. Außerdem wird zusätzlich Wasser dampf aus einer Abhitzenutzung des Produktgasstromes gewon nen und der Brennkammer 11 zugeführt. Die Biomasse 1 wird dem Wirbelschichtvergaser 50 zugeführt. Das Verbrennungs abgas wird über eine Leitung 21 dem Wirbelschichtvergaser 50 unterhalb des Anströmbodens 9 zugeführt. Der Aschestrom 24 wird über ein Überlaufrohr 23 aus dem Wirbelschichtvergaser 50 abgezogen. Das Produktgas verläßt den Wirbelschichtreak tor über eine Leitung 2 und wird in einem Zyklon 51 ent staubt, wobei der Feinaschestrom 25 abgeschieden wird. Das entstaubte Produktgas wird über Leitung 30 zu einem Abhitze kessel 52 geführt. In dem Abhitzekessel 52 wird aus einem Speisewasser 27 ein Wasserdampfstrom erzeugt, der über eine Leitung 28 einer Brennkammer 58 zugeführt wird.

Das abgekühlte Produktgas wird über eine Leitung 31 in eine Quenche 53 geführt. Außerdem wird ein Teil des Produktgases über eine Leitung 35 mit einem Verdichter 57 der Brennkammer 58 zugeführt. Die Quenche 53 weist eine Umwälzung mit einer Umwälzpumpe 54 und einem Umwälzkühler 61 auf. Das Produktgas wird in der Quenche 53 soweit abgekühlt, daß das meiste darin enthaltene Wasser auskondensiert. Das Wasser verläßt die Quenche 53 über eine Abwasserleitung 15, in dem auch die in der Quenche 53 abgeschiedenen Verunreinigungen enthalten sind. Das Produktgas verläßt die Quenche 53 über einen Trop fenabscheider 55 und wird über eine Leitung 32 in einen Filter 56 geleitet, bevor es über eine Produktgasleitung 33 abgeführt wird. Das zurückgekreiste Produktgas aus Leitung 35 wird in der Brennkammer 58 mit Sauerstoff 14 aus einer Leitung 16 stöchiometrisch verbrannt, da im Vergasungsmittel kein elementarer Sauerstoff mehr enthalten sein darf, der zu unerwünschter Wärmebildung führt. Der Sauerstoff 14 kann über einen Verdichter 59 auf den Druck in der Brennkammer 58 komprimiert werden. Es ist auch möglich, den zum Einsatz kommenden Sauerstoff 14 an einer Übergabestelle 60 aus einer externen Sauerstofferzeugung zu beziehen, zum Beispiel eine PSA-Anlage zur Sauerstoffherstellung.

Ausführungsbeispiel

Es wird eine Biomasse mit folgender Zusammensetzung vergast:

C	51,20 Gew.-% waf
H	5,55 Gew.-% waf
O	42,10 Gew.-% waf
N	0,95 Gew.-% waf
S	0,20 Gew.-% waf
Wasser	10,00 Gew.-%
Asche	2,50 Gew.-% wf

Die eingesetzte Biomasse besteht aus Holzschnitzeln von Resthölzern mit einer durchschnittlichen Größe von 20 mm. Sie wird in einer Menge von 1 t/h, bezogen auf den wasser- und aschefreien Zustand eingesetzt. Es wird ein zylindrischer Wirbelschichtvergaser mit einer Höhe von 10 m, in dem sich eine Wirbelschicht von 5 m sowie eine Nachreaktions strecke von 5 m ausbildet, verwendet. In dem Vergaser befin det sich ein aluminiumoxydhaltiger Inertstoff (Molochit) mit einer Korngröße von ca. 1 mm. In dem Wirbelschichtvergaser werden folgende Betriebsparameter eingestellt:
Vergasungstemperatur: 750°C
Druck: 4 bar, abs.
Partikelverweilzeit: ca. 1 h

In der Brennkammer wird der zurückgekreiste Produktgasstrom unter Nutzung von Sauerstoff verbrannt. Es werden am Kopf des Vergasers 2.491 m³ (i. N.)/h eines Produktgases mit fol gender Zusammensetzung erhalten:

CO₂	18,60 Vol.-%
CO	10,18 Vol.-%
H₂	32,51 Vol.-%
CH₄	7,42 Vol.-%
N₂	0,13 Vol.-%
NH₃	0,26 Vol.-%
H₂S	0,04 Vol.-%
COS	0,01 Vol.-%
H₂O_D	30, 85 Vol.-%

Das Produktgas wird in einem Zyklon entstaubt und in einem Sattdampfkessel abgekühlt und durch eine Quenche geleitet.

Vor Eintritt in die Quenche wird der zurückzukreisende Pro duktgasstrom abgezweigt (496 m³/h). Der Produktgasstrom weist noch eine Temperatur von 150°C auf und muß bevor er in die Brennkammer geführt wird, um ca. 700 mbar verdichtet werden. In die Brennkammer treten folgende Ströme ein:
1.001 kg/h: überhitzter Dampf von 145°C
496 m³ (i. N.)/h: Produktgas
136 m³ (i. N.)/h: Sauerstoff (93% O2,7% N2 + Ar)

Der Dampf und das Produktgas werden vorvermischt und in die Brennkammer geführt und werden dort mit dem Sauerstoff stö chiometrisch verbrannt. Das Verbrennungsabgas besteht zu 91 % aus Wasserdampf, zu 8,8% aus CO₂ und zu 0,2% aus Stick stoff. Die Temperatur beträgt 1.200°C. Das Verbrennungs abgas wird auf kürzestem Wege in den Wirbelschichtvergaser geleitet.

Nach dem Quenchen kann ein getrocknetes Produktgas mit fol gender Zusammensetzung abgezogen werden:

CO₂	26,50 Vol.-%
CO	14,50 Vol.-%
H₂	46,30 Vol.-%
CH₄	10,57 Vol.-%
N₂	0,19 Vol.-%
NH₃	0,36 Vol.-%
H₂S	0,04 Vol.-%
COS	0,01 Vol.-%
H₂O_D	1,52 Vol.-%

Der untere Heizwert dieses Gases wurde zu 10,85 MJ/m³ (i. N.) (trocken) bestimmt. Es konnten 1.400 m³ (i. N.)/h Produktgas abgezogen werden. Dies entspricht einer Menge an chemisch gebundener Energie in Höhe von 4,15 MW. Daraus ergibt sich ein Kaltgaswirkungsgrad von 79,7%.

Bezugszeichenliste

1

Biomasse

2

Leitung

3

Brennstoff

4

Sauerstoff

5

Wasserdampf

6

Leitung

9

Anströmboden

10

Wirbelschichtvergaser

11

Brennkammer

14

Sauerstoff

15

Abwasser

16

Leitung

21

Leitung

23

Überlaufrohr

24

Asche

25

Feinasche

27

Speisewasser

28

Leitung

30

Leitung

31

Leitung

32

Leitung

33

Leitung

35

Leitung

50

Wirbelschichtvergaser

51

Zyklon

52

Abhitzekessel

53

Quenche

54

Umwälzpumpe

55

Tropfenabscheider

56

Filter

57

Verdichter

58

Brennkammer

59

Verdichter

60

Übergabestelle

61

Umwälzkühler

Claims

1. Verfahren zur allothermen Vergasung von organischen Stoffen und Stoffgemischen, insbesondere Biomasse, bei dem die organischen Stoffe in einer stationären Wirbel schicht unter Druck mit einem im wesentlichen wasser dampfenthaltenden Vergasungsmittel vergast werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wasserstoff enthaltender Brennstoff stöchiometrisch verbrannt wird und das Verbrennungsabgas in eine aus den organischen Stoffen und einem inerten Bettmaterial bestehende Wirbelschicht derart geleitet wird, daß es gleichzeitig als Wirbelmedium zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht und als Energieträger zur Deckung des Wärmebedarfs für die Aufheizung der Biomasse und der Vergasungsreaktion sowie als Vergasungsmittel wirkt, wobei dem Vergasungsmittel Wasserdampf zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produktgas der Vergasung als Brennstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß die Wasserdampfzumischung vor der Verbrennung des Brennstoffes erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß der Wasserdampf dem Verbrennungsabgas zuge mischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß die Wasserdampfzumischung über eine Strahlpum pe erfolgt, die durch den Wasserdampf als Treibmedium angetrieben wird.