EP1520900B1 - Verfahren zur Vergasung von Pyrolysekondensaten - Google Patents

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EP1520900B1 EP04018777A EP04018777A EP1520900B1 EP 1520900 B1 EP1520900 B1 EP 1520900B1 EP 04018777 A EP04018777 A EP 04018777A EP 04018777 A EP04018777 A EP 04018777A EP 1520900 B1 EP1520900 B1 EP 1520900B1
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    • C10J2300/1696Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with phase separation, e.g. after condensation

Definitions

  • the invention relates to a process for the gasification of pyrolysis condensates according to the first claim.
  • biomass ie waste from agriculture and forestry, especially wood waste, of particular interest. Since, from a technical point of view, liquid and gaseous energy carriers are preferred, there are a number of attempts to convert the solid, difficult-to-handle biomass into such energy sources.
  • the pyrolysis is a good way. Above all, wood waste, but also other dry lignocellulosic waste, can be effectively converted into a so-called bio-oil by rapid pyrolysis in which the waste is heated to high temperatures for a few seconds.
  • the bio-oil thus obtained has some decisive disadvantages. Above all, it is not stable and storable. Rather, it tends to demix after a more or less long time, forming an aqueous and an organic phase.
  • the aqueous phase may contain more or less large amounts of water-soluble organic compounds, especially acetic acid, alcohols and other hydrocarbons with oxygen or other heteroatoms.
  • the bio-oil can be reacted in a gasifier, in particular in an entrained-flow gasifier, in order to obtain a higher-quality energy source.
  • the bio-oil is converted in the air flow gasifier with pure oxygen in substoichiometric ratio.
  • GB 2 109 400 discloses a method of treating biomass in which the biomass is subjected to rapid pyrolysis to form bio-oil and pyrolysis coke and in which the bio-oil is reacted in an entrained-flow gasifier.
  • the aqueous phase contains a sufficiently high amount of combustible organic compounds, there is no danger. However, it is extremely dangerous if the aqueous phase has a low calorific value, thus essentially consists only of water and contains hardly any flammable compounds in dissolved form. Then, in the entrained-flow gasifier, an excess of oxygen arises for some time, which can result in an explosion as a result of the mixing of previously produced synthesis gas. Since the composition of the bio-oil and thus the composition of the aqueous phase varies according to the nature of the starting biomass, it can not be reliably predicted whether the mentioned danger exists. In addition, depending on the nature of the storage, the compositions of the organic and the aqueous phase may be different for one and the same bio-oil, for example because low-boiling constituents have volatilized.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method for the gasification of pyrolysis condensates, in which the entrained flow gasifier can be operated safely.
  • the entrained flow gasifier can be operated safely.
  • the basic idea of the invention is to anticipate the segregation of the bio-oil in order to ensure a safe operation of the entrained-flow gasifier, namely to separate the bio-oil into an aqueous and an organic phase.
  • the organic phase contains in any case a sufficiently high calorific value to avoid dangerous operating conditions in the entrained flow gasifier; It is therefore fed continuously and without interruption the entrainment gasifier.
  • the aqueous phase is fed separately into the entrained flow gasifier, it is irrelevant whether the feed is continuous or discontinuous - at intervals - occurs. In this way, it can not come to a superstoichiometric concentration of oxygen in the carburetor.
  • the feed can be made in two different feed nozzles, but also in a common feed nozzle.
  • the separation of the bio-oil in the two phases is preferably carried out in such a way that the organic phase has at most a low water content, in any case a water content below 25, better below 20 wt .-%.
  • the water content of the aqueous phase is preferably at least 50% by weight.
  • the separation of the bio-oil into the two phases preferably takes place by fractional condensation during the production of the bio-oil in the rapid pyrolysis.
  • the fast pyrolysis is carried out with lignocellulose wherein the lignocellulose is contacted with sand or other suitable heat transfer medium having a temperature of 500 ° C to 600 ° C for a period of 1 to 10 seconds.
  • the educated Bio-oil is subjected to the mentioned fractional condensation, so that the described two phases arise.
  • bio-oil could be separated by prolonged storage and decantation into two phases.
  • Both the organic and the aqueous phase prove to be long-term stable, so that there are no safety concerns against prolonged, separate storage. Both phases can be stored with or without the addition of 3 wt .-% straw ash at room temperature over a period of 15 months, for example, in gas cylinders sealed under air, without any significant segregation occurs. Composition, density, calorific value and viscosity remain practically the same over the storage period.
  • one or both phases can be admixed with pulverulent pyrolysis coke and / or a slag fur former before being fed into the gasifier.
  • the pyrolysis coke stabilizes the operation of the carburetor because of the additional fuel, while the slag furler protects the interior of the carburetor against the corrosive and aggressive conditions.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von Pyrolysekondensaten gemäß dem ersten Patentanspruch.
  • Als Energieträger ist aus Umweltschutzgründen seit einiger Zeit Biomasse, also Abfall aus der Land- und Forstwirtschaft, insbesondere Holzabfall, von besonderem Interesse. Da aus technischer Sicht flüssige und gasförmige Energieträger bevorzugt werden, gibt es eine Reihe von Versuchen, die feste, umständlich zu handhabende Biomasse in solche Energieträger zu konvertieren.
  • Dabei ist die Pyrolyse ein gut geeigneter Weg. Vor allem Holzabfälle, aber auch andere trockene Lignocellulose-Abfälle, lassen sich durch Schnellpyrolyse, bei der die Abfälle für wenige Sekunden auf hohe Temperaturen erhitzt werden, effektiv in ein sogenanntes Bioöl konvertieren.
  • Leider hat das so gewonnene Bioöl einige entscheidende Nachteile. Es ist vor allem nicht stabil und lagerfähig. Vielmehr neigt es nach mehr oder weniger langer Zeit zur Entmischung, wobei sich eine wässrige und eine organische Phase bilden. Die wässrige Phase kann mehr oder weniger große Mengen wasserlöslicher organischer Verbindungen enthalten, insbesondere Essigsäure, Alkohole und andere Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff oder weiteren Heteroatomen.
  • Das Bioöl kann in einem Vergaser, insbesondere in einem Flugstrom-Druckvergaser umgesetzt werden, um einen höherwertigen Energieträger zu erhalten. Hierbei wird das Bioöl im Flugstromvergaser mit reinem Sauerstoff in unterstöchiometrischem Verhältnis umgesetzt.
  • Die Patentschrift GB 2 109 400 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse, bei dem die Biomasse einer Schnellpyrolyse unterworfen wird wobei sich Bioöl und Pyrolysekoks bilden und bei dem das Bioöl in einem Flugstromvergaser umgesetzt wird.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Einspeisung des Bioöls in den Flugstromvergaser gravierende Sicherheitsprobleme auftauchen können. Diese Sicherheitsprobleme hängen mit der erwähnten Neigung des Bioöls zur Entmischung zusammen. Da das Bioöl zur Vergasung in einem Tank bevorratet werden muss, besteht die Gefahr, dass aus dem Tank für kürzere oder längere Zeit ausschließlich die wässrige Phase des Bioöls entnommen wird. Die Gefahr besteht insbesondere dann, wenn der Tankinhalt nicht kontinuierlich und nicht ausreichend effizient durchmischt werden kann. Wegen der kurzen Verweilzeit des Bioöls im Flugstromvergaser - typischerweise einige Sekunden - tritt dabei ein Betriebszustand ein, in dem der Sauerstoff ausschließlich mit der wässrigen Phase in Berührung kommt.
  • An sich braucht sich dabei nicht unbedingt ein gefährlicher Betriebszustand einzustellen. Enthält die wässrige Phase eine ausreichend hohe Menge an brennbaren organischen Verbindungen, besteht keine Gefahr. Äußerst gefährlich ist es jedoch, wenn die wässrige Phase einen niedrigen Heizwert aufweist, somit im Wesentlichen nur aus Wasser besteht und kaum brennbare Verbindungen in gelöster Form enthält. Dann stellt sich im Flugstromvergaser für einige Zeit ein Sauerstoffüberschuss ein, der in Folge der Vermischung zuvor erzeugtem Synthesegas zur Explosion führen kann. Da die Zusammensetzung des Bioöls und damit die Zusammensetzung der wässrigen Phase je nach der Art der Ausgangs-Biomasse variiert, lässt sich nicht zuverlässig vorhersagen, ob die erwähnte Gefahr besteht. Hinzu kommt, dass die Zusammensetzungen der organischen und der wässrigen Phase je nach Art der Lagerung bei ein und demselben Bioöl unterschiedlich sein können, etwa weil sich niedrig siedende Bestandteile verflüchtigt haben.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vergasung von Pyrolysekondensaten anzugeben, bei dem der Flugstromvergaser sicher betrieben werden kann. In den weiteren Ansprüchen werden bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Entmischung des Bioöls vorwegzunehmen, um auf diese Weise einen sicheren Betrieb des Flugstromvergasers zu gewährleisten, und zwar soll das Bioöl in eine wässrige und eine organische Phase getrennt werden. Die organische Phase enthält in jedem Fall einen ausreichend hohen Brennwert, um gefährliche Betriebszustände im Flugstromvergaser zu vermeiden; sie wird daher kontinuierlich und ohne Unterbrechung dem Flugstromvergaser zugeführt. Die wässrige Phase wird separat in den Flugstromvergaser eingespeist, wobei es unerheblich ist, ob die Einspeisung kontinuierlich oder diskontinuierlich - etwa in Intervallen - erfolgt. Auf diese Weise kann es nicht zu einer überstöchiometrischen Konzentration des Sauerstoffs im Vergaser kommen. Die Einspeisung kann in zwei verschiedenen Einspeisedüsen, aber auch in einer gemeinsamen Einspeisedüse erfolgen.
  • Die Trennung des Bioöls in die zwei Phasen wird vorzugsweise in der Weise durchgeführt, dass die organische Phase allenfalls einen geringen Wassergehalt, auf jeden Fall einen Wassergehalt unter 25, besser unter 20 Gew.-% aufweist. Der Wassergehalt der wässrigen Phase beträgt demgegenüber vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%. Die beiden Phasen können unter diesen Bedingungen längere Zeit gelagert werden und neigen nicht mehr zu einer erneuten Phasentrennung.
  • Die Trennung des Bioöls in die zwei Phasen erfolgt vorzugsweise durch fraktionierte Kondensation während der Erzeugung des Bioöls in der Schnellpyrolyse. Vorzugsweise wird die Schnellpyrolyse mit Lignocellulose durchgeführt, wobei die Lignocellulose mit Sand oder einem anderen geeigneten Wärmeträger, der eine Temperatur von 500°C bis 600°C aufweist, für die Dauer von 1 bis 10 Sekunden in Kontakt gebracht wird. Das gebildete Bioöl wird der erwähnten fraktionierten Kondensation unterworfen, so dass die beschriebenen beiden Phasen entstehen. Alternativ könnte Bioöl durch längere Lagerung und Dekantieren in zwei Phasen aufgetrennt werden.
  • Aus Vorversuchen ergibt sich, dass sich das Bioöl unter den erwähnten Randbedingungen in eine organische Rohholzteer-Phase und eine wässrige Rohholzessig-Phase auftrennt. Diese Phasentrennung kann in einer technischen Anlage leicht durch eine fraktionierte Kondensation erreicht werden. Die Untersuchung der Phasen ergab für die organische Phase einen Feststoffgehalt zwischen 26 und 29 Gew.-%, eine Dichte von 1250 bis 1290 kg/m3, eine Viskosität bei Zimmertemperatur von ca. 5 Pas und einen Heizwert von 20,8 bis 21,5 MJ/kg. Die entsprechenden Werte für die wässrige Phase sind: Feststoff 29 Gew.-%, Dichte ca. 1200 kg/m3, Viskosität bei Zimmertemperatur ca. 1 Pas und einen Heizwert von lediglich 9 MJ/kg.
  • Sowohl die organische als auch die wässrige Phase erweisen sich als langzeitstabil, so dass gegen eine längere, getrennte Lagerung keine Sicherheitsbedenken bestehen. Beide Phasen können mit oder ohne Zusatz von 3 Gew.-% Strohasche bei Zimmertemperatur über einen Zeitraum von 15 Monaten beispielsweise in unter Luft verschlossenen Gasflaschen gelagert werden, ohne dass eine nennenswerte Entmischung eintritt. Zusammensetzung, Dichte, Heizwert und Viskosität bleiben über die Lagerzeit hinweg praktisch gleich.
  • Bei Bedarf kann einer oder beiden Phasen vor der Einspeisung in den Vergaser pulverförmiger Pyrolysekoks und/oder ein Schlackepelzbildner zugemischt werden. Der Pyrolysekoks stabilisiert den Betrieb des Vergasers wegen des zusätzlichen Brennstoffes, während durch den Schlackepelzbildner der Innenraum des Vergasers gegen die korrosiven und aggressiven Bedingungen geschützt wird.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Vergasung von Pyrolysekondensaten mit den Schritten:
    - die Pyrolysekondensate werden in eine flüssige organische und eine flüssige wässrige Phase getrennt,
    - die organische und die wässrige Phase werden getrennt oder gemeinsam zusammen mit unterstöchiometrischem Sauerstoff in einen Vergaser eingespeist, wobei jedoch
    - zumindest die organische Phase kontinuierlich und ohne Unterbrechung dem Vergaser zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Pyrolysekondensate durch eine Schnellpyrolyse von Lignocellulose erzeugt werden, wobei
    - die Lignocellulose für 1 bis 10 Sekunden mit einem Wärmeträger einer Temperatur von 500°C bis 600°C in Kontakt gebracht und
    - das dabei entstehende Pyrolysekondensat durch eine fraktionierte Kondensation in die organische und die wässrige Phase getrennt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einer der beiden Phasen ein pulverförmiger Pyrolysekoks und/oder ein Schlackepelzbildner zugemischt wird.
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