EP3853326A1 - Verfahren zur partialoxidation von pyrolytisch erzeugten spaltprodukten zur herstellung von synthesegas in einem gleichstromreaktor - Google Patents

Verfahren zur partialoxidation von pyrolytisch erzeugten spaltprodukten zur herstellung von synthesegas in einem gleichstromreaktor

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EP3853326A1
EP3853326A1 EP19770016.4A EP19770016A EP3853326A1 EP 3853326 A1 EP3853326 A1 EP 3853326A1 EP 19770016 A EP19770016 A EP 19770016A EP 3853326 A1 EP3853326 A1 EP 3853326A1
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EP
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synthesis gas
biomass particles
reactor
oxidation
solid biomass
Prior art date
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Application number
EP19770016.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Leonhard Baumann
Roland Möller
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Ecoloop GmbH
Original Assignee
Ecoloop GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing synthesis gas from solid biomass particles and synthetic carbon-rich substances using a direct current reactor according to the preamble of claim 1.
  • Plastic waste in particular is becoming an increasing threat to the environment, especially in developing countries and in the world's oceans. Garbage collection has become increasingly established in industrialized and emerging countries.
  • the low energy efficiency in the generation of electricity from waste incineration plants is based on the problem that such incineration plants are only suitable for generating steam, the steam temperature and thus also the steam pressure also having to be kept relatively low due to the high-temperature corrosion which is triggered by the chlorine in the waste. This results in a very low efficiency in electricity generation using classic steam turbines, so that a large part of the energy generated can only be used as low-temperature heat.
  • DE102007062414B4 proposes a method that provides for the gasification of carbon-rich substances in a lime-bed. Although the efficiency could be increased significantly by generating a purified synthesis gas, however, such systems are also of a size that also require a considerable amount of transport for the input materials. Another disadvantage is that a large-scale lime bed has to be circulated with a high level of equipment.
  • gasification technologies are also known, which can also be implemented on a smaller scale using small de-local plants.
  • these are mostly technologies that use biomass, such as wood chips or wood pellets, as input material.
  • biomass such as wood chips or wood pellets
  • Such a method is disclosed for example in EP1436364B1.
  • Such processes have the sole aim of generating energy because, due to their specific process and control concepts, they have so far only been able to process wood or other biomass materials.
  • waste recycling for example the recycling of synthetic plastic waste.
  • the calorific value of the input materials was previously limited to a low level, which is usual for biomass, so that the resulting wood gas also has a low energy density.
  • the object of the present invention is therefore a method
  • This object is achieved according to the invention in that a partial oxidation of pyrolytically produced fission products for the production of synthesis gas is carried out in a direct current reactor through which solid biomass particles flow, with synthetic carbon-rich substances being admixed with the solid biomass particles.
  • the solid biomass particles are used in a drying zone and in a subsequent pyrolysis zone as a migrating reaction surface for the pyrolytic cleavage of the synthetic carbon-rich substances.
  • the oxygen chemically bound in the solid biomass particles serves at least partially as an oxidizing agent for the partial oxidation, an additional supply of oxygen-containing gas taking place in an oxidation zone, as a result of which the biomass particles and the synthetic, carbon-rich substances are wholly or partly in finely divided
  • Oxidation residues are converted with a particle size such that they are aerosol capable.
  • Wood as a rule, is an example of a synthetic carbon-rich substance that can also only form aerosol-capable oxidation residues, polystyrene.
  • a preferred embodiment of the method consists in that the synthesis gas quantity generated in a single DC reactor corresponds to a thermal output of 10 to 2000 kW, preferably a thermal output of 10 to 1000 kW and particularly preferably a thermal output of 10 to 500 kW.
  • decentralized solutions can be found in different ways, preferably at the waste sites
  • Intake amount of a synthesis gas extraction device is specified. This practically pulls a certain amount of gas through the DC reactor, which is ultimately feeds from the oxygen-containing gas from the oxidation zone and is supplemented in the further course of the process by gaseous reaction and fission products due to the physico-chemical processes.
  • the admixture of synthetic carbon-rich substances requires special control of the method according to the invention, in that the dosage of the synthetic carbon-rich substances is designed in such a way that it forms in a
  • Equilibrium ratio of gasified solid biomass particles and gasified synthetic carbon-rich substances a proportionate gasification of 20% to 80%, preferably from 20% to 50% and particularly preferably from 20% to 30% of the solid
  • Biomass particles based on the total dosed mass fraction of solid biomass particles and synthetic carbon-rich substances. This control is essential for the functioning of the process, there is one
  • the process can be advantageously designed in that the finely divided oxidation residues, after having passed through a reduction zone, are at least partially discharged as aerosol as dust-like constituents together with the resulting synthesis gas stream.
  • the oxidation residues are at least partially discharged via the bottom of the ash bunker at the lower end of the DC reactor via a discharge device. If the oxidation residues are not aerosol-capable and cannot be mechanically comminuted within the reactor by movements of the material within a reasonable time frame, there would otherwise be the danger that the reactor would clog with these residues from the bottom and the process would come to a standstill. This can be counteracted by the discharge.
  • Oxidation residues when leaving the reduction zone are separated from coarse-particle oxidation residues by a moving mechanical separating device, and the coarse-particle ones Oxidation residues in the reduction zone are retained until sufficient process-related comminution.
  • the process can be operated particularly advantageously if the temperature in the oxidation zone is preferably 800-1400 degrees Celsius and particularly preferably 1000-1300 degrees Celsius.
  • the method can advantageously be operated by using wood chips and / or compacted wood pellets and / or pre-shredded waste wood as solid biomass particles.
  • the method can also be used
  • Olive kernels, palm kernel shells or with coconut shells can be realized as solid biomass particles.
  • plastic-containing solids or flammable organic liquids as synthetic carbon-rich substances. It can be advantageous if the plastic-containing solids, which can consist, for example, of plastic-containing waste fractions, are compacted before use in the DC reactor.
  • plastic-containing solids can be fed to the DC reactor together with the solid biomass particles or a separate material flow.
  • flammable organic liquids are to be used in liquid form
  • an advantageous embodiment is that these liquids are fed to the direct current reactor via the drying zone or via the pyrolysis zone.
  • One of the essential embodiments of the method according to the invention provides that the synthetic carbon-rich substances used have a higher calorific value than the solid biomass particles, so that the calorific value of the resultant
  • Synthesis gas is higher than that without the addition of synthetic
  • Hydrogen bromide or hydrocyanic acid can be bound as salts. At the same time, so can an adsorption of heavy metals on the basic substances can be used to advantage.
  • the basic substances are oxides or hydroxides or carbonates which have alkali or alkaline earth metals as cations.
  • the basic substances are oxides or hydroxides or carbonates which have alkali or alkaline earth metals as cations.
  • calcium oxide or calcium hydroxide or calcium carbonate are especially when using calcium oxide or calcium hydroxide or calcium carbonate.
  • the grain size of the basic substances is preferably selected in accordance with the particle size of the oxidation residues so that the basic substances are aerosol-capable and / or can be discharged via the discharge device at the bottom of the reactor. If discharge on the floor is not possible, the basic substances must also be in a suitable dust form in order to be discharged via the gas stream.
  • a mixture of different grain sizes of the basic substances can also be used accordingly.
  • the use of coarser grain sizes of the basic substances can be particularly useful if certain types of ash, which can arise from the oxidation of synthetic substances, will melt.
  • the melted ash residues can be bound by the coarser grains of basic material and over the
  • Discharge device are discharged at the bottom of the reactor, so that it can be effectively prevented that melted ash hinders the process in the reactor or brings it to a standstill.
  • Comminution processes are subject to, provided that they remain in the reactor.
  • the dust-containing synthesis gas is cooled and the fine-particle oxidation residues are separated from the synthesis gas using mechanical separation methods.
  • the separated, finely divided oxidation residues are at least partially post-oxidized in a downstream screw reactor and the resulting oxidizing gas is at least partially returned to the DC reactor and / or at least partially mixed with the synthesis gas generated.
  • the utilization of the synthesis gas generated can be advantageously designed by using the synthesis gas extraction device as a self-priming internal combustion engine is designed in which the synthesis gas serves as a fuel for generating mechanical energy and heat.
  • the synthesis gas is used as fuel in a gas turbine for generating mechanical energy and heat, and / or for driving heat engines that work with internal secondary media, by indirectly supplying its combustion heat.
  • the change in the calorific value of the synthesis gas caused by the admixture of synthetic carbon-rich substances requires special control measures in the particularly preferred variant of using a self-priming internal combustion engine and converting the mechanical energy into electrical current in order to operate the method according to the invention in a stable manner. It is preferred to keep the speed of the self-priming internal combustion engine constant in the preferred range by increasing or throttling the amount of synthetic gas drawn in and / or by regulating the counter-torque of the generator via the amount of electricity removed and / or by connecting or disconnecting individual ones from several mechanically coupled generators to keep.
  • the synthesis gas can be used in thermal processes as a replacement for fossil fuels or as a raw material for chemical processes. In this case it can be advantageous that the
  • Synthesis gas extraction device as a gas delivery unit, e.g. as a gas blower
  • synthesis gas is fed to the downstream utilization process.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a solid biomass particles
  • the DC reactor 1 has different reaction zones in a vertical shaft. These are arranged from top to bottom as follows: drying zone 2, pyrolysis zone 3, oxidation stone 4 and reduction zone 5.
  • the solid biomass particles 6, for example wood chips, flow through these reaction zones from top to bottom and are in the oxidation zone 4 by inflowing oxygen-containing gas 7, for example partially oxidized with air.
  • the sensible heat thus generated acts by transferring heat upwards into the pyrolysis zone 3 and weakened into the drying zone 2.
  • the biomass particles are heated to such an extent that they are cracked thermally to form pyrolytically produced fission products.
  • gaseous fission products are produced, which are referred to as pyrolysis gas, and solid products
  • pyrolysis coke carbon-rich fission products
  • the remaining heat from the pyrolysis zone 3 acts by heat transfer even further up into the drying zone 2, where the biomass particles, which usually still contain residual water, are pre-dried.
  • the pyrolytically produced gaseous and solid fission products flow in cocurrent from the pyrolysis zone 3 into the oxidation zone 4.
  • the fission products are at least partially oxidized by air 7, which is introduced via injection lances 8.
  • the resulting oxidation gas essentially contains carbon dioxide, carbon monoxide and water vapor.
  • the enthalpy of oxidation released during the oxidation provides the necessary energy for the method according to the invention and ensures that the process can be operated autothermally, that is to say without further supply of thermal energy.
  • Pyrolysis coke and ash continue to flow down into the reduction zone 5. There, at least in part, the pyrolysis coke is chemically reduced by
  • the DC reactor has a moving mechanical separation device 9. This separating device 9 is used to remove only finely divided oxidation residues,
  • the ash bunker has a gas outlet 11 A through which the synthesis gas flows out and at the same time at least partially discharges the fine-particle oxidation residues as an aerosol.
  • the ash bunker 10 has a discharge device 11B, via which those portions of the oxidation residues are discharged which do not have suitable physical properties, for example not a sufficiently small particle size for the formation of an aerosol.
  • the coarser oxidation residues are kept in the reduction zone 5 by the separating device 9 until their particle size has been reduced by the progressive reduction reaction to such an extent that they can flow through the separating device 9 to the ash bunker 10.
  • the fill level in the direct current reactor is automatically detected at regular intervals via a fill level measuring device 12, which is located in the head space 13 of the direct current reactor 1.
  • the fill level measuring device 12 When the fill level falls below a predetermined minimum, the fill level measuring device 12 generates a switch-on signal that initiates an automatic refilling with solid biomass particles 6 into the head space 13 with the aid of a biomass conveying device 14. Refilling is stopped by the level measuring device as soon as the level in the DC reactor reaches a predetermined maximum. This level control ensures that the level in the DC reactor is always automatically kept at a predetermined level.
  • the gas generating capacity of the DC reactor is controlled by a
  • Presetting synthesis gas extraction device 15 which draws a constant amount of gas from the DC reactor 1 via the gas outlet 11.
  • the gas vent leads to one
  • the synthesis gas produced in the DC reactor 1 and containing finely divided oxidation residues passes via the gas outlet 11 into a countercurrent heat exchanger 18, where the hot synthesis gas releases its sensible heat into the air 7.
  • Energy content of the synthesis gas is at least partially returned to the process via the injection lances 8 via the preheated air 7.
  • the synthesis gas cooled in the countercurrent heat exchanger 18 and containing finely divided oxidation residues is passed into a synthesis gas filter 19, where the finely divided oxidation residues are continuously separated from the synthesis gas.
  • the synthesis gas cleaned in this way passes through the filter gas outlet 20
  • the finely divided oxidation residues separated off in the synthesis gas filter 19 can also contain noteworthy portions of ash in pyrolysis coke.
  • the finely divided oxidation residues are discharged from the synthesis gas filter 19 at 21.
  • the fine-particle oxidation residues can be fed directly into suitable intermediate containers 22 or also directly into a suitable further use.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention consists in that the finely divided and pyrolysis coke-containing oxidation residues are fed to a downstream post-reformer 23 after separation in the synthesis gas filter 19.
  • This post-reformer can preferably be a screw reactor.
  • Post-reformer the proportion of pyrolysis coke in the fine-particle oxidation residues is at least partially oxidized by supplying post-reforming air 24 to a mixture of carbon monoxide and carbon dioxide, which is taken as post-reforming gas from post-reformer 23 via a post-reforming gas filter 25.
  • the post-reforming air is fed via a post-reforming air blower 26 to the post-reformer 23 via the one metering unit 27.
  • this can be returned to the DC reactor 1 in order to convert the carbon dioxide content in the reduction zone 5 at least partially into carbon monoxide by reduction.
  • the return to the DC reactor 1 can advantageously take place at 28 in head space 13 and / or via injector lances 29 into oxidation zone 4.
  • the post-reforming gas can alternatively be 30 dem
  • Synthesis gas can be added for further use.
  • the ashes separated in the post-reforming gas filter 25 are conveyed via a discharge system 31 directly into suitable intermediate containers 22 and are disposed of.
  • the method according to the invention can be designed particularly advantageously if synthetic carbon-rich substances are used in the DC reactor 1 for the solid biomass particles.
  • This can be, for example, solid plastic-containing
  • Biomass particles are continuously admixed at 33 before entering the DC reactor.
  • the admixture can also take place via a separate lock system 34 directly into the head space 13 of the DC reactor 1.
  • the solid biomass particles offer the advantage during the gasification process that they remain dimensionally stable until reaching the oxidation zone 4 and thereby form a type of reaction migration bed for the synthetic carbon-rich substances 32. This effectively prevents lumps, for example when plastics are melted, and at the same time ensures sufficient gap volume for good gas permeability and gas distribution.
  • the synthetic carbon-rich substances migrate through the reaction zones of the DC reactor 1 parallel to the solid biomass particles and show a similar chemical behavior during the conversion into synthesis gas and fine particles
  • the admixture of high-calorific synthetic carbon-rich substances 32 in the DC reactor 1 effectively suppresses the gasification of the solid biomass particles 6, so that there is an equilibrium depending on the metering rate of the high-calorific synthetic carbon-rich substances 32 between used solid biomass particles 6 and the metered synthetic carbon-rich substances 32.
  • the method according to the invention is also suitable for the admixture of liquid synthetic carbon-rich substances 35.
  • This can be, for example, organic liquids or melts made of thermoplastic waste.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is that it flows directly into the head space 13 of the
  • DC gasifier 1 can be metered in via lances or nozzle systems at 36.
  • the admixture can also take place via lance systems at 37 in the drying zone 2 and / or at 38 in the pyrolysis zone 3 and / or at 39 in the oxidation zone 4.
  • halogen-containing plastic fractions for example halogen-containing plastic fractions is carried out.
  • Waste fractions can contain, for example, portions of polyvinyl chloride or flame retardants containing bromine.
  • the halogens are
  • Hydrogen chloride and / or as hydrogen bromide. It is acidic
  • Fission products which together with oxygen can potentially form toxic dioxins and furans in oxidation zone 4. Furthermore, such components are very corrosive, especially at high temperatures, and can cause enormous damage to them
  • the method according to the invention provides for the parallel admixture of basic substances 40, for example calcium oxide and / or calcium hydroxide.
  • Biomass particles are made at 41. Mixing in is particularly advantageous Dosing flow of the solid synthetic carbon-rich substances at 42 and or the admixture to the liquid synthetic carbon-rich substances at 43.
  • the basic substances can also be metered into the direct current reactor in a separate material flow via a lock system 44 in head space 13 of the direct current reactor 1.
  • the basic substances react spontaneously with the acidic cleavage products hydrogen chloride and / or hydrogen bromide to form calcium chloride or calcium bromide.
  • hydrogen chloride and / or hydrogen bromide react spontaneously with the acidic cleavage products hydrogen chloride and / or hydrogen bromide to form calcium chloride or calcium bromide.
  • Oxidation residues go through the process and are removed from the process either directly at 21 or after going through the still reformer process at 31.
  • the process according to the invention also permits the use of halogen-containing waste fractions without the formation of toxic dioxins and furans, or high-temperature corrosion leading to damage to system parts.
  • the invention is not limited to one of the above-described embodiments, but can be modified in many ways.

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Abstract

Verfahren zur Partialoxidation von pyrolytisch erzeugten Spaltprodukten zur Herstellung von Synthesegas (17) in einem mit festen Biomasse-Partikeln (6) durchströmten Gleichstromreaktor (1), bei dem den festen Biomasse-Partikeln (6) synthetische kohlenstoffreiche Substanzen (32/35) beigemischt werden, wobei die festen Biomasse-Partikel (6) in einer Trocknungszone (2) und in einer nachfolgenden Pyrolysezone (3) als wandernde Reaktionsoberfläche für die pyrolytische Spaltung der synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) genutztwerdenund der in den festen Biomasse-Partikeln (6) chemisch gebundene Sauerstoff zumindest teilweise als Oxidationsmittel für die Partialoxidation dient, wobei eine zusätzliche Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas (7) in eine Oxidationszone (4) erfolgt, wodurch die Biomasse-Partikeln (6) und zumindest teilweise in feinteilige Oxidationsrückstände mit einer mittleren Partikelgröße von kleiner als 1 mm umgewandelt werden.

Description

VERFAHREN ZUR PARTIALOXIDATION VON PYROLYTISCH ERZEUGTEN SPALTPRODUKTEN ZUR HERSTELLUNG VON SYNTHESEGAS IN EINEM
GLEICHSTROMREAKTOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus festen Biomasse- Partikeln und synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen unter Verwendung eines Gleichstromreaktors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Verwertung von synthetischen organischen Abfällen nimmt global eine stark
zunehmende Bedeutung ein. Insbesondere Plastik-Müll wird zunehmend zur Bedrohung der Umwelt, vor allem in Entwicklungsländern und in den Weltmeeren. In Industrie- und Schwellenländern hat sich die Müllsammlung zunehmend etabliert.
Insbesondere in Deutschland und auch in einigen anderen EU-Staaten werden
Kunststoffabfälle weitestgehend verwertet. Dabei ist nach wie vor ein sehr hoher Anteil an thermischer Verwertung in Müllverbrennungsanlagen oder in EBS-Kraftwerken zu verzeichnen.
Solche Verbrennungsanlagen sind zumeist durch hohe Durchsatzkapazitäten
gekennzeichnet, um die ebenfalls hohen Investitionsvolumina und die relativ niedrige Energieeffizienz bei der Stromerzeugung mit den Annahmegebühren für den Input-Strom zu kompensieren. Dadurch muss der Müll über erhebliche Distanzen zu den Anlagen transportiert werden, wodurch Zusatzkosten und vor allem zusätzliche CC>2-Emissionen entstehen. Es resultiert daher insgesamt eine schlechte Ökobilanz im Rahmen der zentralen Abfallverwertung.
Die niedrige Energieeffizienz bei der Stromerzeugung der Müllverbrennungsanlagen beruht auf dem Problem, dass solche Verbrennungsanlagen ausschließlich zur Dampferzeugung geeignet sind, wobei die Dampftemperatur und damit auch der Dampfdruck außerdem noch durch auftretende Hochtemperaturkorrosion, welche vom Chlor im Müll ausgelöst wird, relativ niedrig gefahren werden muss. Dadurch resultiert eine sehr niedrige Effizienz bei der Verstromung über klassische Dampfturbinen, sodass ein Großteil der erzeugten Energie nur noch als Niedertemperaturwärme genutzt werden kann.
Zur Steigerung der Effizienz bei der Müll-Verwertung wurden zahlreiche Anstrengungen in der Vergangenheit unternommen. Diese resultierten in Verfahren zur Pyrolyse und auch zur Vergasung von Müll oder auch bestimmten kunststoffhaltigen Abfallfraktionen.
Wesentliche Entwicklungen waren Pyrolyseverfahren, die das aus den Input-Strömen durch indirekte Energiezufuhr Pyrolysegas erzeugt haben, welches zumeist durch direkte
Verbrennung in Dampf und dann, analog der Verbrennungsanlagen, in Strom über
Dampfturbinen umgewandelt wurde. Beispielhaft sei hier das in der DE3633212A1 vorgeschlagene Schwelbrennverfahren von KWU-Umelttechnik genannt. Solche Verfahren konnten jedoch den unbefriedigenden Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung nicht verbessern und waren ebenfalls aufgrund ihrer Größe mit hohen Transportaufwendungen für die Müll-Andienung verbunden.
In DE102007062414B4 wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass die Vergasung von kohlenstoffreichen Substanzen in einem Kalkwanderbett vorsieht. Damit konnte zwar die Effizienz durch Erzeugung eines gereinigten Synthesegases deutlich erhöht werden, allerdings weisen solche Anlagen ebenfalls eine Größe auf, die ebenfalls einen erheblichen Transportaufwand für die Inputmaterialien erfordern. Weiterhin besteht ein Nachteil darin, dass ein grobstückiges Kalkwanderbett mit hohem apparativem Aufwand im Kreislauf geführt werden muss.
Insgesamt weisen die Verfahren des Standes der Technik erhebliche Nachteile auf, die sich insbesondere aufgrund ihrer Größe und technologischer Ausführung in hohen
Transportaufwendungen für den Müll und zumeist niedriger Energieeffizienz niederschlagen.
Die Technologien des Standes der Technik werfen darüber hinaus auch erhebliche
Probleme bei der Bewältigung der Energiewende auf, da sie neben den oben genannten Nachteilen zusätzlich die Stromnetze durch lokal hohe Einspeisung belasten.
Weiterhin fehlt es an einer Technologie, die eine Verwertung von Abfallfraktionen in kleinem Maßstab erlaubt, um de-lokale Verwertungen, insbesondere an den Abfallanfallstellen zu ermöglichen. Damit fehlt es auch an der Möglichkeit, beispielsweise spezifisch anfallende Abfallströme in kleineren oder mittleren Industriebetrieben im Rahmen von integrierten Verwertungskreisläufen direkt wieder in Produktionsprozessen zu verwerten.
Grundsätzlich sind auch Vergasungstechnologien bekannt, die auch in kleinerem Maßstab unter Nutzung kleiner de-lokaler Anlagen realisierbar sind. Hierbei handelt es sich jedoch zumeist um Technologien, bei denen Biomasse, beispielsweise Holzhackschnitzel oder Holzpellets als Input-Material zum Einsatz kommen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in EP1436364B1 offenbart. Solche Verfahren haben ausschließlich die Erzeugung von Energie zum Ziel weil sie aufgrund ihrer spezifischen Verfahrens- und Steuerungskonzepte bisher nur Holz oder andere Biomasse-Materialien verarbeiten können. Dadurch konnten solche Technologien bisher keinen Beitrag bei der Abfallverwertung, beispielsweise bei der Verwertung von synthetischen Kunststoffabfällen, leisten.
Durch die Einschränkung auf Biomassen war bisher auch der Heizwert der Inputmaterialien auf ein niedriges, für Biomasse übliches Niveau begrenzt, sodass das daraus resultierende Holzgas eine ebenfalls niedrige Energiedichte aufweist.
Für die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren
bereitzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist und das in der Lage ist, bestimmte Abfallfraktionen in kleinen de-lokalen Anlagen mit einer hohen Energie- und Verstromungseffizienz durch Umwandlung in gereinigtes, heizwertreiches Synthesegas zu verwerten. Weiterhin war die Aufgabe, die Ökobilanz bei der Abfallverwertung durch de- lokale Verwertungskonzepte zu verbessern und gleichzeitig durch de-lokale Bereitstellung einer Stromerzeugungsgrundlast die Stromnetze zu entlasten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Partialoxidation von pyrolytisch erzeugten Spaltprodukten zur Herstellung von Synthesegas in einem mit festen Biomasse-Partikeln durchströmten Gleichstromreaktor durchgeführt wird, wobei den festen Biomasse-Partikeln synthetische kohlenstoffreiche Substanzen beigemischt werden. Die festen Biomasse-Partikel werden dabei in einer Trocknungszone und in einer nachfolgenden Pyrolysezone als wandernde Reaktionsoberfläche für die pyrolytische Spaltung der synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen genutzt. Der in den festen Biomasse-Partikeln chemisch gebundene Sauerstoff dient in dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest teilweise als Oxidationsmittel für die Partialoxidation, wobei eine zusätzliche Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas in eine Oxidationszone erfolgt, wodurch die Biomasse-Partikeln und die synthetischen, kohlenstoffreichen Substanzen ganz oder teilweise in feinteilige
Oxidationsrückstände mit einer derartigen Partikelgröße umgewandelt werden, dass sie aerosolfähig sind.
Es hat sich gezeigt, dass es bei Einsatz von bestimmten, synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen möglich ist, die Oxidation im Rahmen des Verfahrens derart durchzuführen, dass alle entstehenden Oxidationsprodukte eine feinkörnige Struktur aufweisen, die sie aerosolfähig macht und die Oxidationsprodukte entsprechend über das Synthesegas ausgetragen werden können, wenn dies gewünscht ist. Ähnlich wie bei einem klassischen Holzvergaser ist daher kein Ascheaustrag am Boden des Reaktors erforderlich, da evtl im Reaktor noch vorhandene grobkörnigere Oxidationsprodukte mechanisch zerkleinert werden können, bis sie die Aerosolfähigkeit erreichen. Dies ist bei den Biomasse-Partikeln, z.B.
Holz, in der Regel der Fall, als Beispiel für eine synthetische kohlenstoffreiche Substanz, die ebenfalls ausschließlich aerosolfähige Oxidationsreste bilden kann, ist Polystyrol zu nennen.
Dabei besteht eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens darin, dass die in einem einzigen Gleichstromreaktor erzeugte Synthesegasmenge einer thermischen Leistung von 10 bis 2000 kW, bevorzugt einer thermischen Leistung von 10 bis 1000 kW und besonders bevorzugt einer thermischen Leistung von 10 bis 500 kW entspricht. Dadurch können de- lokale Lösungen bevorzugt an den Abfall-Anfallstellen in unterschiedlicher
Kapazitätsauslegungen realisiert werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erzeugte Synthesegasmenge über die
Ansaugmenge einer Synthesegasabzugseinrichtung, vorgegeben wird. Dadurch wird praktisch eine bestimmte Gasmenge durch den Gleichstromreaktor durchgezogen, die sich letztlich aus dem sauerstoffhaltigen Gas aus der Oxidationszone speist und im weiteren Verlauf des Prozesses um gasförmige Reaktions- und Spaltprodukte aufgrund der physikalisch-chemischen Abläufe ergänzt wird.
Um einen optimalen Betrieb des Gleichstromreaktors zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn die Regelung des Massenstroms der festen Biomasse-Partikel in den
Gleichstromreaktor über den Füllstand des Gleichstromreaktors erfolgt.
Die Beimischung von synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen erfordert eine besondere Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens, indem die Dosierung der synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen so gestaltet wird, dass sich in einem sich bildenden
Gleichgewichtsverhältnis von vergasten festen Biomasse-Partikeln und vergasten synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen eine anteilige Vergasung von 20 % bis 80%, bevorzugt von 20% bis 50% und besonders bevorzugt von 20% bis 30% der festen
Biomasse-Partikel bezogen auf den gesamten dosierten Massenanteil von festen Biomasse- Partikeln und synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen ergibt. Diese Steuerung ist von essentieller Bedeutung für das Funktionieren des Verfahrens, da stehts eine
Mindestdurchflussmenge an festen Biomasse-Partikeln als Reaktionsoberfläche
gewährleistet werden muss.
Weiterhin kann das Verfahren dadurch vorteilhaft gestaltet werden, indem die feinteiligen Oxidationsrückstände nach dem Durchwandern einer Reduktionszone als staubförmige Bestandteile zumindest teilweise zusammen mit dem entstehenden Synthesegasstrom als Aerosol ausgetragen werden.
Je nach Einsatzqualität der synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen und/oder der Biomasse-Partikel kann es für die Durchführung des Verfahrens vorteilhaft sein, dass die Oxidationsrückstände zumindest teilweise über den Boden des Aschebunkers am unteren Ende des Gleichstromreaktors über eine Austragsvorrichtung ausgetragen werden. Sofern nämlich die Oxidationsrückstände nicht aerosolfähig sind und nicht innerhalb eines vertretbaren Zeitrahmens innerhalb des Reaktors durch Bewegungen des Materials mechanisch zerkleinert werden können, bestünde ansonsten die Gefahr, dass sich der Reaktor vom Boden her mit diesen Rückständen zusetzt und das Verfahren zum Stillstand kommt. Dem kann durch das Ausschleusen entgegengewirkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die
Oxidationsrückstände beim Verlassen der Reduktionszone durch eine bewegte mechanische Trennvorrichtung von grobteiligen Oxidationsrückständen getrennt, und die grobteiligen Oxidationsrückstände in der Reduktionszone bis zu einer ausreichenden prozessbedingten Zerkleinerung zurückgehalten werden.
Das Verfahren kann besonders vorteilhaft betrieben werden, wenn die Temperatur in der Oxidationszone bevorzugt 800 - 1400 Grad Celsius und besonders bevorzugt 1000 - 1300 Grad Celsius beträgt.
Je nach regionaler Verfügbarkeit kann das Verfahren vorteilhaft betrieben werden, indem als feste Biomasse-Partikeln Holzhackschnitzel und/oder kompaktierte Holzpellets und/oder vorzerkleinerte Althölzer eingesetzt werden. Ebenso kann das Verfahren auch mit
Olivenkernen, Palmkernschalen oder mit Kokosnussschalen als feste Biomasse-Partikeln realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, als synthetische kohlenstoffreiche Substanzen kunststoff-haltige Feststoffe oder brennbare organische Flüssigkeiten einzusetzen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die kunststoffhaltigen Feststoffe, die beispielsweise aus kunststoffhaltigen Abfallfraktionen bestehen können, vor dem Einsatz im Gleichstromreaktor kompaktiert werden.
Das Verfahren kann weiterhin dadurch vorteilhaft gestaltet werden, indem die
kunststoffhaltigen Feststoffe zusammen im Gemisch mit den festen Biomasse-Partikeln oder ein einem gesonderten Materialstrom dem Gleichstromreaktor zugeführt werden.
Für den Fall, dass brennbare organischen Flüssigkeiten in flüssiger Form verwertet werden sollen besteht eine vorteilhafte Ausführungsform darin, dass diese Flüssigkeiten über die Trocknungszone oder über die Pyrolysezone dem Gleichstromreaktor zugeführt werden.
Eine der wesentlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die eingesetzten synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen einen höheren Heizwert aufweisen als die festen Biomassepartikel, sodass der Heizwert des entstehenden
Synthesegases höher ist als der eines ohne Beimischung von synthetischen
kohlenstoffreichen Substanzen erzeugten Synthesegases.
Insbesondere bei dem Einsatz von halogenhaltigen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen ist es besonders vorteilhaft, dem Gleichstromreaktor parallel basische Stoffe zuzuführen, die den festen Biomasse-Partikeln oder den synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen zugemischt oder in einem separaten Materialstrom in den Gleichstromreaktor eindosiert werden. Dadurch können saure Spaltprodukte wie Chlorwasserstoff,
Bromwasserstoff oder Blausäure als Salze gebunden werden. Gleichzeitig kann so auch eine Adsorption von Schwermetallen an den basischen Stoffen vorteilhaft ausgenutzt werden.
Diese Effekte sind besonders dann vorteilhaft ausnutzbar, wenn es sich bei den basischen Stoffen um Oxide oder Hydroxide oder Carbonate handelt, die als Kationen Alkali- oder Erdalkalimetalle aufweisen. Insbesondere bei der Verwendung von Calciumoxid oder Calciumhydroxid oder Calciumcarbonat.
Die Körnung der basischen Stoffe ist vorzugsweise entsprechend der Partikelgröße der Oxidationsrückstände so gewählt, dass die basischen Stoffe aerosolfähig sind und/oder über die Austragsvorrichtung am Boden des Reaktors ausgeschleust werden können. Sofern kein Austrag am Boden möglich ist, müssen die basischen Stoffe entsprechend auch in geeigneter Weise staubförmig sein, um über den Gasstrom ausgetragen werden zu können.
Für Mischfraktionen kann auch entsprechend ein Gemisch aus unterschiedlichen Körnungen der basischen Stoffe zum Einsatz kommen.
Der Einsatz gröberer Körnungen der basischen Stoffe kann dann besonders sinnvoll sein, wenn es bei bestimmten Arten von Aschen, die bei der Oxidation synthetischer Stoffe entstehen können, zum Schmelzvorgängen kommt. Die aufgeschmolzenen Aschereste können durch die gröberen Körner aus basischem Material gebunden und über die
Austragsvorrichtung am Boden des Reaktors ausgeschleust werden, so dass wirksam verhindert werden kann, dass Ascheschmelze das Verfahren im Reaktor behindert oder zum Erliegen bringt.
Es ist zu berücksichtigen, dass die basischen Stoffe ebenfalls mechanischen
Zerkleinerungsvorgängen unterliegen, sofern sie im Reaktor verbleiben.
Für die Verwertung des erzeugten Synthesegases ist es vorteilhaft, wenn das staubhaltige Synthesegas abgekühlt, und die feinteiligen Oxidationsrückstände aus dem Synthesegas über mechanische Trennmethoden abgetrennt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die abgetrennten feinteiligen Oxidationsrückstände zumindest teilweise in einem nachgelagerten Schneckenreaktor nachoxidiert und das entstehende Oxidationsgas zumindest teilweise in den Gleichstromreaktor zurückgeführt, und/oder zumindest teilweise dem erzeugten Synthesegas beigemischt wird.
Die Verwertung des erzeugten Synthesegases kann dadurch vorteilhaft gestaltet werden, indem die Synthesegasabzugseinrichtung als selbstansaugender Verbrennungsmotor ausgestaltet wird, in dem das Synthesegas als Treibstoff zur Erzeugung mechanischer Energie und Wärme dient.
Eine weitere vorteilhafte Verwertung besteht darin, dass das Synthesegase als Treibstoff in einer Gasturbine zur Erzeugung mechanischer Energie und Wärme verwertet, und/oder zum Antrieb von Wärmekraftmaschinen, die mit internen Sekundärmedien arbeiten, durch indirekte Zuführung seiner Verbrennungswärme verwertet wird.
In der nachgelagerten Verwertung der so erzeugten mechanischen Energie kann diese mit hohem Wirkungsgrad über Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Die durch die Beimischung von synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen verursachte Heizwertänderung des Synthesegases erfordert in der besonders bevorzugten Variante der Verwendung eines selbstansaugenden Verbrennungsmotors und der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrischen Strom besondere Steuerungsmaßnahmen, um das erfindungsgemäße Verfahren stabil zu betreiben. Dabei ist es bevorzugt, die Drehzahl des selbstansaugenden Verbrennungsmotors durch Erhöhung oder Drosselung der angesaugten Synthesegasmenge und/oder durch Regelung des Gegen-Drehmoments des Generators über die abgenommene Strommenge und/oder durch Zu- oder Abschaltung einzelner von mehreren mechanisch gekoppelter Generatoren im bevorzugten Bereich konstant zu halten.
Alternativ zur Erzeugung mechanischer Energie, kann das Synthesegas in thermischen Prozessen als Ersatz für fossile Energieträger oder als Rohstoff für chemische Prozesse eingesetzt werden. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, dass die
Synthesegasabzugsvorrichtung als Gasförderungsaggregat, z.B. als Gasgebläse
ausgestaltet wird, welches vorzugsweise eine Gasmengendurchflussregelungseinrichtung aufweist und mit dem das Synthesegas dem nachgelagerten Verwertungsprozess zugeführt wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mit festen Biomasse Partikeln
durchströmten Gleichstromreaktors zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Synthesegas bei gleichzeitiger Beimischung von festen und/oder flüssigen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen zum Strom der festen Biomasse-Partikel. Es wird zunächst der Betrieb des Gleichstromreaktors nur mit festen Biomasse Partikeln beschrieben, ohne dass synthetische kohlenstoffreiche Substanzen beigemischt werden.
Der Gleichstromreaktor 1 weist in einem Vertikalschacht verschiedene Reaktionszonen auf. Diese ordnen sich von oben nach unten wie folgt an: Trocknungszone 2, Pyrolysezone 3, Oxidationstone 4 und Reduktionszone 5. Die festen Biomassepartikeln 6, beispielsweise Holzhackschnitzel durchströmen diese Reaktionszonen von oben nach unten und werden in der Oxidationszone 4 durch einströmendes sauerstoffhaltiges Gas 7, beispielsweise mit Luft partiell oxidiert. Die dabei entstehende fühlbare Wärme wirkt durch Wärmeübertragung nach oben in die Pyrolysezone 3 und abgeschwächt in die Trocknungszone 2. In der Pyrolysezone 3 werden dadurch die Biomasse-Partikel derart stark erwärmt, dass diese thermisch unter Bildung von pyrolytisch erzeugten Spaltprodukten, gekrackt werden. Zum einen entstehen gasförmige Spaltprodukte, die als Pyrolysegas bezeichnet werden sowie feste
kohlenstoffreiche Spaltprodukte, die als Pyrolysekoks bezeichnet werden. Die verbleibende Wärme aus der Pyrolysezone 3 wirkt durch Wärmeübertragung noch weiter nach oben in die Trocknungszone 2, wo die Biomassepartikel, die üblicherweise noch Restwasser enthalten, vorgetrocknet werden.
Die pyrolytisch erzeugten gasförmigen und festen Spaltprodukte strömen im Gleichstrom aus der Pyrolysezone 3 in die Oxidationszone 4. In dieser Zone werden die Spaltprodukte durch Luft 7, die über Injektionslanzen 8 eingebracht wird, zumindest teilweise oxidiert. Das dabei entstehende Oxidationsgas enthält im Wesentlichen Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf. Die bei der Oxidation freiwerdende Oxidationsenthalpie liefert die notwendige Energie für das erfindungsgemäße Verfahren und gewährleistet, dass der Prozess autotherm, das heißt ohne weitere Zufuhr thermischer Energie, betrieben werden kann.
Dabei entstehen in der Oxidationszone 4 Temperaturen im Bereich von 800 bis 1400 Grad Celsius.
Die in der Oxidationszone resultierende Mischung aus Pyrolysegas, Oxidationsgas,
Pyrolysekoks und Asche strömt weiter nach unten in die Reduktionszone 5. Dort findet zumindest teilweise eine chemische Reduktion des Pyrolysekokses statt, indem
Kohlendioxid mit dem Pyrolysekoks zumindest teilweise unter Bildung von Kohlenmonoxid reagiert. Diese sogenannte Boudouard-Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion, die bei den herrschenden Temperaturen in der Reduktionszone 5 überwiegend auf die gewünschte Seite der Kohlenmonoxid-Bildung verschoben ist. Dadurch wird die Qualität des resultierenden Synthesegases verbessert, indem sich dadurch der Heizwert erhöht. Am unteren Ende der Reduktionszone 5 verbleiben noch feste Oxidationsrückstände bestehend aus restlichem Pyrolysekoks und Asche zurück. Am unteren Ende der
Reduktionszone weist der Gleichstromreaktor eine bewegte mechanische Trennvorrichtung 9 auf. Diese Trennvorrichtung 9 dient dazu, nur feinteilige Oxidationsrückstände,
vorzugsweise Ascheanteile aus der Reduktionszone 5 auszutragen, während gleichzeitig das Synthesegas zusammen mit den feinteiligen Oxidationsrückständen durch die
Trennvorrichtung weiter nach unten in den Aschebunker 10 strömen. Der Aschebunker weist einen Gasaustritt 11 A auf durch den das Synthesegas ausströmt und dabei die feinteiligen Oxidationsrückstände zumindest teilweise als Aerosol mit austrägt.
Weiterhin weist der Aschebunker 10 eine Austragsvorrichtung 1 1 B auf, über die solche Anteile an den Oxidationsrückständen ausgetragen werden, die keine geeigneten physikalischen Eigenschaften, beispielsweise keine ausreichend kleine Partikelgröße für die Bildung eines Aerosols, aufweisen.
Die gröberen Oxidationsrückstände werden durch die Trennvorrichtung 9 solange in der Reduktionszone 5 gehalten, bis auch diese durch weiter fortschreitende Reduktionsreaktion sich soweit in ihrer Partikelgröße reduziert haben, dass sie die Trennvorrichtung 9 hin zum Aschebunker 10 durchströmen können.
Durch den oben beschriebenen Prozess werden die festen Biomasse-Partikel 6
kontinuierlich verbraucht, sodass der Füllstand im Gleichstromreaktor 1 absinkt. Der Füllstand im Gleichstromreaktor wird über eine Füllstandsmessvorrichtung 12, die sich im Kopfraum 13 des Gleichstromreaktors 1 befindet, in regelmäßigen Intervallen automatisch detektiert. Bei Absinken des Füllstandes unter ein vorgegebenes Minimum, generiert die Füllstandsmessvorrichtung 12 ein Einschaltsignal, dass ein automatisches Nachfüllen mit festen Biomasse-Partikel 6 in den Kopfraum 13 mit Hilfe einer Biomasse-Fördereinrichtung 14 in Gang setzt. Die Nachfüllung wird von der Füllstandsmessvorrichtung wieder gestoppt, sobald der Füllstand im Gleichstromreaktor ein vorgegebenes Maximum erreicht. Durch diese Füllstandsregelung wird sichergestellt der der Füllstand im Gleichstromreaktor stets automatisch auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird.
Die Gaserzeugungsleistung des Gleichstromreaktors wird über eine
Synthesegasabzugsvorrichtung 15 vorgegeben, die eine konstante Gasmenge aus dem Gleichstromreaktor 1 über den Gasaustritt 11 abzieht. Der Gasabzug führt zu einer
Druckabsenkung im Gleichstromreaktor 1. Gleichzeitig steht an den Injektorlanzen 8 ständig Luft im Überdruck an, indem die Luft 7 über ein Luftgebläse 16 vorverdichtet wird. Dadurch wird quasi automatisch so viel Luft 7 in den Gleichstromreaktor 1 nachgefördert, wie für den Ausgleich des durch den Gasabzug erzeugten Unterdrucks notwendig ist. Daraus ergibt sich ein kontinuierlicher Fluss von Synthesegas 17 und nachgeführter Luft 7 in einem Druck- geregelten Gesamtsystem.
Das im Gleichstromreaktor 1 erzeugte und feinteilige Oxidationsrückstände enthaltende Synthesegas gelangt über den Gasaustritt 11 in einen Gegenstromwärmetäuscher 18, wo das heiße Synthesegas seine fühlbare Wärme an die Luft 7 abgibt. Damit wird der
Energieinhalt des Synthesegases zumindest teilweise über die vorgewärmte Luft 7 wieder in den Prozess über die Injektionslanzen 8 zurückgeführt.
Das im Gegenstromwärmetäuscher 18 abgekühlte und feinteilige Oxidationsrückstände enthaltende Synthesegas wird in einen Synthesegasfilter 19 geleitet, wo die feinteiligen Oxidationsrückstände aus dem Synthesegas kontinuierlich abgetrennt werden. Das so gereinigte Synthesegas gelangt über den Filtergasaustritt 20 weiter in
Synthesegasabzugseinrichtung 15.
Die im Synthesegasfilter 19 abgetrennten feinteiligen Oxidationsrückstände können neben Ascheanteilen noch nennenswerte Anteile an Pyrolysekoks enthalten. Die feinteiligen Oxidationsrückstände werden bei 21 aus dem Synthesegasfilter 19 ausgetragen. Je nach Qualität und Weiterverwendung, können die feinteiligen Oxidationsrückstände direkt in geeignete Zwischenbehälter 22 oder auch direkt einer geeigneten Weiterverwendung zu geführt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die feinteiligen und Pyrolysekoks enthaltende Oxidationsrückstände nach Abtrennung im Synthesegasfilter 19 einem nachgelagerten Nachreformer 23 zugeführt werden. Bei diesem Nachreformer kann es sich vorzugsweise um einen Schneckenreaktor handeln. Im
Nachreformer wird der Anteil an Pyrolysekoks in den feinteiligen Oxidationsrückständen zumindest teilweise durch Zuführung von Nachreformierungs-Luft 24 zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid oxidiert, das als Nachreformiergas aus dem Nachreformer 23 über einen Nachreformierungsgasfilter 25 entnommen wird. Die Nachreformierungs-Luft wird über ein Nachreformierungs-Luftgebläse 26 dem Nachreformer 23 über die eine Dosiereinheit 27 zugeführt.
Je nach Qualität des erhaltenen Nachreformiergases kann dieses in den Gleichstromreaktor 1 zurückgeführt werden, um den Kohlendioxidanteil in der Reduktionszone 5 zumindest teilweise durch Reduktion in Kohlenmonoxid umzuwandeln. Die Rückführung in den Gleichstromreaktor 1 kann vorteilhaft bei 28 in Kopfraum 13 und/oder über Injektorlanzen 29 in die Oxidationszone 4 erfolgen.
Bei geringem Kohlendioxidanteil kann das Nachreformiergas alternativ bei 30 dem
Synthesegas zur weiteren Verwertung beigemischt werden.
Die im Nachreformierungsgasfilter 25 abgetrennte Asche wird über ein Austragssystem 31 direkt in geeignete Zwischenbehälter 22 gefördert und der Entsorgung zugeführt.
Nachfolgend wird die Ausgestaltung des Verfahrens unter Beimischung von synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen in den Gleichstromreaktor beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft gestaltet werden, wenn den festen Biomasse-Partikeln synthetische kohlenstoffreiche Substanzen im Gleichstromreaktor 1 eingesetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um feste kunststoffhaltige
Abfallfraktionen handeln, die gegebenenfalls mechanisch zerkleinert und gegebenenfalls kompaktiert werden.
Im Falle von festen kunststoffhaltigen Abfallfraktionen 32 besteht eine bevorzugte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass diese den festen
Biomasse-Partikeln vor Eintritt in den Gleichstromreaktor kontinuierlich bei 33 beigemischt werden. Alternativ kann die Beimischung auch über ein separates Schleusensystem 34 direkt in den Kopfraum 13 des Gleichstromreaktors 1 erfolgen.
Die festen Biomasse-Partikeln bieten während des Vergasungsprozesses den Vorteil, dass diese bis zur Erreichung der Oxidationszone 4 formstabil bleiben und dadurch eine Art Reaktionswanderbett für die synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen 32 ausbilden. Dadurch wird Klumpenbildung, beispielsweise bei Verschmelzen von Kunststoffen wirksam verhindert und gleichzeitig ausreichendes Lückenvolumen für eine gute Gasdurchlässigkeit und Gasverteilung gewährleistet.
Die synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen durchwandern die Reaktionszonen des Gleichstromreaktors 1 parallel zu den festen Biomasse-Partikeln und zeigen ein ähnliches chemisches Verhalten bei der Umwandlung in Synthesegas und feinteilige
Oxidationsrückstände.
Werden beispielsweise heizwertreiche kunststoffhaltige Abfallfraktionen 32 beigemischt, führt dies zu einer signifikanten Erhöhung des Heizwertes des Synthesegases. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren durch die kombinierte Vergasung von festen Biomasse- Partikeln und heizwertreichen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen im Gleichstromreaktor 1 eine Technologie bereitstellen, die die Erzeugung eines
Synthesegases unter hohem Wirkungsgrad und mit hohem Heizwert erlaubt.
Durch das weiter oben beschriebene Regelungskonzept führt die Beimischung von heizwertreichen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen 32 im Gleichstromreaktor 1 quasi zu einer Zurückdrängung der Vergasung der festen Biomasse-Partikeln 6, sodass sich ein Gleichgewicht je nach Dosierrate der heizwertreichen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen 32 zwischen verbrauchten festen Biomasse-Partikeln 6 und den dosierten synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen 32 einstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für die Beimischung von flüssigen synthetischen Kohlenstoffreichen Substanzen 35. Dabei kann es sich beispielsweise um organische Flüssigkeiten oder Schmelzen aus thermoplastischen Kunststoffabfällen handeln.
Im Falle von organischen Flüssigkeiten 35 besteht eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass diese direkt in den Kopfraum 13 des
Gleichstromvergasers 1 über Lanzen oder Düsensysteme bei 36 eindosiert werden.
Alternativ kann die Beimischung auch über Lanzensysteme bei 37 in die Trocknungszone 2 und/oder bei 38 in die Pyrolysezone 3 und/oder bei 39 in die Oxidationszone 4 erfolgen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren unter
Beimischung von abfallstämmigen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen,
beispielsweise Halogenhaltigen Kunststofffraktionen durchgeführt wird. Solche
Abfallfraktionen können beispielsweise Anteile von Polyvinylchlorid oder auch Bromhaltige Flammschutzmittel enthalten. In thermischen Prozessen werden die Halogene im
Wesentlichen als Wasserstoffverbindungen freigesetzt. Im vorliegenden Beispiel als
Chlorwasserstoff und/oder als Bromwasserstoff. Dabei handelt es sich um saure
Spaltprodukte, die potenziell zusammen mit Sauerstoff toxische Dioxine und Furane in der Oxidationszone 4 bilden können. Weiterhin sind solche Komponenten insbesondere bei hohen Temperaturen sehr korrosiv und können zu enormen Schäden an heißen
Anlagenteilen führen.
Um diese negativen Effekte auszuschließen, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die parallele Beimischung von basischen Stoffen 40, beispielsweise Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid vorgesehen.
Die Beimischung der basischen Stoffe 40 kann direkt in den Dosierstrom der festen
Biomasse-Partikeln bei 41 erfolgen. Besonders vorteilhaft ist die Beimischung zum Dosierstrom der festen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen bei 42 und oder die Beimischung zu den flüssigen synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen bei 43.
Alternativ können die basischen Stoffe auch in einem separaten Materialstrom in den Gleichstromreaktor über ein Schleusensystem 44 in Kopfraum 13 des Gleichstromreaktors 1 eindosiert werden.
Die basischen Stoffe reagieren spontan mit den sauren Spaltprodukten Chlorwasserstoff und/oder Bromwasserstoff unter Bildung von Calciumchlorid bzw. Calciumbromid. Dabei handelt es sich um unkritische Salzverbindungen, die als Bestandteil der feinteiligen
Oxidationsrückstände den Prozess durchlaufen und entweder direkt bei 21 oder nach Durchlaufen des Nochreformerprozesses bei 31 aus dem Prozess ausgeschleust werden.
Durch Bindung der Halogene als thermisch beständige Salze erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auch den Einsatz von halogenhaltigen Abfallfraktionen, ohne dass dabei toxische Dioxine und Furane entstehen, oder Hochtemperaturkorrosion zur Schäden an Anlagenteilen führt. Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten
Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Partialoxidation von pyrolytisch erzeugten Spaltprodukten zur
Herstellung von Synthesegas (17) in einem mit festen Biomasse-Partikeln (6) durchströmten Gleichstromreaktor (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass den festen Biomasse-Partikeln (6) synthetische kohlenstoffreiche Substanzen (32/35) beigemischt werden, wobei die festen Biomasse-Partikel (6) in einer Trocknungszone (2) und in einer nachfolgenden Pyrolysezone (3) als wandernde Reaktionsoberfläche für die pyrolytische Spaltung der synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) genutzt werden und der in den festen Biomasse-Partikeln (6) chemisch gebundene Sauerstoff zumindest teilweise als Oxidationsmittel für die Partialoxidation dient, wobei eine zusätzliche Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas (7) in eine Oxidationszone (4) erfolgt, wodurch die festen Biomasse-Partikel (6) und/oder die synthetischen, kohlenstoffreichen Substanzen ganz oder teilweise in feinteilige Oxidationsrückstände mit einer derartigen Partikelgröße umgewandelt werden, dass die feinteiligen Oxidationsrückstände aerosolfähig sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in einem einzigen Gleichstromreaktor (1 ) erzeugte Synthesegasmenge (17) einer thermischen Leistung von 10 bis 2000 kW, bevorzugt einer thermischen Leistung von 10 bis 1000 kW und besonders bevorzugt einer thermischen Leistung von 10 bis 500 kW entspricht.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthesegasmenge (17) über die Ansaugmenge einer
Synthesegasabzugseinrichtung (15) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Massenstroms der festen Biomasse-Partikel (6) in den Gleichstromreaktor (1 ) über den Füllstand des Gleichstromreaktors (1 ) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung der synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) so gesteuert wird, dass sich in einem sich bildenden Gleichgewichtsverhältnis von vergasten festen Biomasse-Partikeln (6) und vergasten synthetischen
kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) eine anteilige Vergasung von 20 % bis 80%, bevorzugt von 20% bis 50% und besonders bevorzugt von 20% bis 30% der festen Biomasse-Partikel (6) bezogen auf den gesamten dosierten Massenanteil von festen Biomasse-Partikeln (6) und synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) ergibt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die feinteiligen Oxidationsrückstände nach dem Durchwandern einer
Reduktionszone (5) als staubförmige Bestandteile zumindest teilweise zusammen mit dem entstehenden Synthesegasstrom bei (1 1A) als Aerosol ausgetragen werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, nicht aerosolfähige Oxidationsrückstände zumindest teilweise über den Boden des Aschebunkers (10) am unteren Ende des Gleichstromreaktors über eine
Austragsvorrichtung (1 1 B) ausgetragen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsrückstände beim Verlassen der Reduktionszone (5) durch eine bewegte mechanische Trennvorrichtung (9) von grobteiligen Oxidationsrückständen getrennt, und die grobteiligen Oxidationsrückstände bis zu einer ausreichenden prozessbedingten Zerkleinerung in der Reduktionszone (5) zurückgehalten werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Oxidationszone (4) bevorzugt 800 - 1400 Grad Celsius und besonders bevorzugt 1000 - 1300 Grad Celsius beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den festen Biomasse-Partikeln (6) zumindest teilweise um
Holzhackschnitzel und/oder kompaktierte Holzpellets und/oder vorzerkleinerte Althölzer handelt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei den festen Biomasse-Partikeln (6) zumindest teilweise um Olivenkerne, und/oder Palmkernschalen und/oder Kokosnussschalen handelt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) zumindest teilweise um kunststoffhaltige Feststoffe (32) und/oder um brennbare organische Flüssigkeiten (35) handelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kunststoffhaltigen Feststoffe (32) aus Abfallfraktionen bestehen, die direkt im Verfahren eingesetzt, und/oder vor dem Einsatz durch Kompaktierung vorbehandelt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kunststoffhaltigen Feststoffe (32) zusammen im Gemisch mit den festen Biomasse-Partikeln und/oder ein einem gesonderten Materialstrom dem Gleichstromreaktor zugeführt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die brennbaren
organischen Flüssigkeiten (35) in flüssiger Form über die Trocknungszone (2) und/oder über die Pyrolysezone (3) dem Gleichstromreaktor (1 ) zugeführt werden
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) einen höheren Heizwert aufweisen als die festen Biomassepartikel (6), sodass der Heizwert des entstehenden Synthesegases (17) höher ist als der eines ohne Beimischung von synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) erzeugten Synthesegases.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleichstromreaktor (1 ) parallel basische Stoffe (40) zugeführt werden, die den festen Biomasse-Partikeln (6) und/oder den synthetischen kohlenstoffreichen Substanzen (32/35) zugemischt und/oder in einem separaten Materialstrom in den Gleichstromreaktor (1 ) eindosiert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den
basischen Stoffen (40) um Oxide und/oder Hydroxide und/oder Carbonate handelt, die als Kationen Alkali- und/oder Erdalkalimetalle aufweisen.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den basischen Stoffen (40) um Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid und/oder Calciumcarbonat handelt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung der basischen Stoffe entsprechend der Partikelgröße der
Oxidationsrückstände aerosolfähig ist und/oder die basischen Stoffe eine gröbere Körnung aufweisen und über den Boden des Aschebunkers (10) am unteren Ende des Gleichstromreaktors über eine Austragsvorrichtung (1 1 B) ausgetragen werden.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das staubhaltige Synthesegas abgekühlt und die feinteiligen
Oxidationsrückstände und/oder basischen Stoffe aus dem Synthesegas über mechanische Trennmethoden abgetrennt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten feinteiligen Oxidationsrückstände zumindest teilweise in einem nachgelagerten Schneckenreaktor (23) nachoxidiert und das entstehende Oxidationsgas zumindest teilweise in den Gleichstromreaktor (1 ) zurückgeführt, und/oder zumindest teilweise dem erzeugten Synthesegas (17) beigemischt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die grobkörnigeren basischen Stoffe aufgeschmolzene Aschereste binden und diese mit diesen grobkörnigen basischen Stoffen über die Austragungsvorrichtung (1 1 B) ausgetragen werden.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Synthesegasabzugseinrichtung (15) um einen
selbstansaugenden Verbrennungsmotor handelt, in dem das Synthesegas (17) als Treibstoff zur Erzeugung mechanischer Energie und Wärme verwertet wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas (17) als Treibstoff in einer Gasturbine zur Erzeugung mechanischer Energie und Wärme verwertet, und/oder zum Antrieb von
Wärmekraftmaschinen, die mit internen Sekundärmedien arbeiten, durch indirekte Zuführung seiner Verbrennungswärme verwertet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte mechanische Energie in einem oder mehreren Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Heizwertveränderung des Synthesegases die Drehzahl des selbstansaugenden Verbrennungsmotors durch Erhöhung oder Drosselung der angesaugten
Synthesegasmenge und/oder durch Regelung des Gegen-Drehmoments des Generators über die abgenommene Strommenge und/oder durch Zu- oder
Abschaltung einzelner von mehreren mechanisch gekoppelten Generatoren erfolgt.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas (17) in thermischen Prozessen als Ersatz für fossile
Energieträger, und/oder als Rohstoff für chemische Prozesse eingesetzt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüchen 3 bis28, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthesegasabzugsvorrichtung als Gasförderungsaggregat ausgestaltet wird, welches vorzugsweise eine Gasmengendurchflussregelungseinrichtung aufweist und mit dem das Synthesegas dem nachgelagerten Verwertungsprozess zu geführt wird.
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