NO315125B1 - Fremgangsmate til fremstilling av brenngass av organiske stoffer - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte til fremstilling av brenngass av vann- og ballastholdige organiske stoffer fra kull til søppel ved forgassing. Prosesstrinnene tørking, karbonisering og forgassing utføres atskilt fra hverandre, hvorved de endoterme prosesstrinn tørking og karbonisering tilføres varme som i løpet av gasskjølingen uttas av forgassingsgassen. Karboniseringsgassen forbrennes inn i en smeltekammerovn med luft og/eller oksygen eller oksygenrik avgass under bortføring av flytende slagg, mens karboniseringskoksen blåses inn i de 1200-2000°C varme forbrenningsgasser som forlater smeltekammerovnen. De endoterme reaksjoner som derved finner sted og hvor det dannes karbonmonoksid og hydrogen senker forgassingstemperaturen til fra 800 til 900°C. Karbon som ikke behøves eller som er tilstrekkelig reaksjonsdyktig fjernes fra forgassingsgassen, tilføres smeltekammerovnen og forbrennes fullstendig. Fordelen med oppfinnelsen består i overføring av asken til elueringsbestandig bygningsmaterialegranulat, fremstilling av en tjærefri brenngass og i forhold til flygestrømforgassingsmetoden i et sterkt nedsatt oksygenforbruk.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av brenngass av organiske stoffer, særlig vann- og ballastholdige-organiske stoffer, så som kull, slam, søppel, trevirke og andre biomasser, ved tørking, karbonisering og forgassing. Med oppfinnelsen tar en sikte på å håndtere kommunalt og industrielt søppel og avfall, samt nedbrytningsprodukter, rester og annet.

Oppfinnelsen kan særlig benyttes til energimessig utnyttelse av biomasser og trevirke fra syklisk beplantede landbruksflater, særlig rekultiverte flater fra bergverks-drift og derved utforming av karbondioksidnøytral omdann-ing av naturlige, brennbare stoffer til mekanisk energi og varmeenergi samt nyttig besørging av søppel, annet organisk avfall, rester, bi- og avfallsprodukter fra kommuner, næringsdrivende, landbruk og industri.

Teknikkens stilling er kjennetegnet ved mange forslag og praktiske anvendelser for energimessig utnyttelse av planter og organisk avfall samt søppel fra kommuner, hånd-verk, industri og landbruk. Et seminar som ble gjennomført i november 1981 av Kernforschungsanlage Jiilich GmbH sammenfattet teknikkens stilling for termisk gassfrem-stilling av biomasse, dvs. forgassing og avgassing, som også i dag langt på vei kjennetegner teknikkens stilling (rapport fra Kernforschungsanlage Julich - JulConf-4 6) . I overensstemmelse med dette bestemmer fremgangsmåter til forbrenning, avgassing og-forgassing, enkeltvis er i kombinasjon, teknikkens stilling med følgende mål: produksjon av forbrenningsgass som varmeenergibærer for damp-fremstilling ved forbrenning, produksjon av høykalori-holdig, fast og flytende brennbare materialer, såsom koks, trekull samt flytende, oljeaktig tjære ved avgassing og forgassing, produksjon av brenngass hvorved dannelse av faste og flytende, brennbare materialer unngås ved fullstendig forgassing.

Ved forgassingsmetoder avgjør prosessgjennomføringen om det oppnås flytende og høymolekylære karboniseringa-produkter eller om det forgasses ved oksidasjon.

Den eldste type forgassing er forgassingen i fast sjikt, hvorved brennbart materiale og forgassingsmiddel beveges motstrøms i forhold til hverandre. Ved denne fremgangsmåte oppnås den høyest mulige forgassingsvirkningsgrad ved lavest mulig oksygenbehov. Ulempen med denne type forgassing er at forgassingsgassen inneholder fuktigheten fra de brennbare materialer og alle kjente, flytende karboniseringsprodukter. Dessuten krever denne type forgassing brennbart materiale i stykker. Forgassing i virvelsjikt, kjent som winkler-forgassing, eliminerte denne mangel ved forgassingen i fast sjikt langt på vei, men ikke fullstendig. Ved forgassing av bituminøse brennbare materialer oppnås f.eks. ikke alltid den nødvendige tjærefrihet i forgassingsgassen, noe som er nødvendig ved anvendelse av gassen som brensel for forbrenningskraftmaskiner. Dessuten er på grunn av det høyere gjennomsnittlige temperaturnivå ved prosess-gjennomføringen i forhold til fastsjiktforgassingen oksygenforbruket betydelig høyere. Dessuten har temperaturnivået ved winkler-forgassingen til følge at en stor del av det innførte karbon ikke omdannes til brenngass, men føres ut i form av støv og føres ut igjen av prosessen bundet til aske. Denne mangel ved forgassingsteknikken kan unngås med høytemperatur-flygestrømforgassingsmetoden, som som regel arbeider over askens smeltepunkt.

Et eksempel på denne er DE 41 39 512 Al. Ved denne fremgangsmåte spaltes avfallsstoffene ved karbonisering i karboniseringsgass og karboniseringskoks og opparbeides derved i en form som er nødvendig for forgassingen i en eksoterm flygestrømforgassing. Overgangen til den ekso-terme flygestrømforgassing er forbundet med ytterligere stigende oksygenbehov og synkende virkningsgrad, selv om den organiske substans i avfallsstoffene omdannes så godt som fullstendig til brenngass. Årsakene ligger i det høye temperaturnivå ved denne forgassingsmetode, noe som har som følge at en stor del av varmen i det brennbare materiale omdannes til fysikalsk entalpi i brenngassen.

Manglene ved disse tekniske løsninger, som også

DE 41 39 512 har, ble selvfølgelig erkjent av den inter-nasjonale fagverden og besvart med nye forslag til løs-ning. Den nyeste teknikkens stilling om forgassing av kull kjennetegnes ved at en delstrøm av kullet forbrennes i en smeltekammerovn til varm forbrenningsgass, som i fort-settelse av metoden anvendes som forgassingsmiddel. Ved å bringe inn en andre kulldelstrøm i det varme forgassingsmiddel oppfylles forutsetningene for en endoterm forgassing, og forbrenningsgassen omdannes ved hjelp av Bouduard-og vanngassreaksjonene til brenngass. Denne måte å for-gasse på finner praktisk anvendelse i Japan i NEDO-prosjektet og i USA i WABASH-RlVER-prosjektet. For trevirke, rester og søppel er denne type forgassing ikke egnet på grunn av at disse stoffer bare med sterk mekanisk innsats kan overføres til støvformen som er nødvendig for prosessgjennomføringen.

Ifølge DE 42 09 549 oppheves denne mangel ved at det før kombinasjonen delstrømforbrenning/endoterm flygestrøm-forgassing innkoples en pyrolyse for termisk opparbeidelse av de brennbare materialer, særlig avfallsstoffene. Mang-elen med denne fremgangsmåte er imidlertid at her frem-stilles varme forgassingsmiddel ved forbrenning av pyro-lysekoksen med luft og/eller oksygen og at karboniseringsgass, som blant annet inneholder olefiner og aromater, anvendes for reduksjonen.

For ytterligere å belyse teknikkens stilling skal det vises til WO-A-8100112 og WO-A-8002563.

Mangeårig erfaring fra den praktiske drift av for-gassingsanlegg viser imidlertid at olefin- og aromat - holdige brenngasser ved temperaturer på opptil 1500°C og endoterm prosessgjennomføring ikke kan omdannes til tjærefri brenngass, som er nødvendig ved anvendelse som brenngass for gassturbiner og motorer. Den vesentlige mangel med denne prosessgjennomføring er derfor at det i løpet av den nødvendige gasskjøling og -opparbeidelse dannes vandige gasskondensater som i denne form ikke kan avgis til omgivelsene, slik at det er nødvendig med betydelig innsats for opparbeidelse av dem.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte til forgassing av organiske stoffer, særlig vann- og ballastholdige stoffer, hvor den uorganiske andel av disse stoffer avgis som forglasset, elueringsresistent produkt og den organiske substans i disse stoffer omdannes til tjærefri brenngass, som også kan opparbeides til syntesegass, ved i forhold til den kjente flygestrømfor-gassing har lavere forbruk av oksygenholdige forgassings-midler og høyere forgassingsvirkningsgrad, regnet av den frembrakte kjemiske entalpi i brenngassen.

Oppgaven som skal løses ifølge oppfinnelsen består i å omdanne en andel av den fysikalske entalpi, som er nød-vendig for å oppnå temperaturnivået over smeltepunktet for den organiske andel av stoffene som skal forgasses, i kjemisk entalpi i løpet av prosessgjennomføringen.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at ved et trykk på fra 1 til 50 bar: - tørkes de ballastrike organiske stoffer med sine organiske og vannandeler i et første prosesstrinn ved direkte eller indirekte tilførsel av fysikalsk entalpi, og karboniseres ved fra 350 til 500°C og spaltes derved i karboniseringsgass, som inneholder de væskeformede hydrokarboner og vanndampen, og koks, som i tillegg til den uorganiske andel hovedsakelig inneholder karbon, - forbrennes karboniseringsgassen i et andre prosesstrinn ved temperaturer over smeltepunktet for den uorganiske andel av de organiske stoffer med luft og/eller oksygen, oksygenholdige avgasser for eksempel fra gassturbiner eller forbrenningsmotorer, fortrinnsvis fra ved 1200 til 2000°C, under fraskilling av en smeltet uorganisk andel med et lufttall på fra 0,8 til 1,3, regnet av teoretiske luftbehov, for fullstendig forbrenning til forbrenningsgass, - omdannes forbrenningsgassen fra det andre prosesstrinn til forgassingsgass i et tredje prosesstrinn og gasstemperaturen senkes til 800 til 900°C, ved at karboniseringskoks fra det første trinn, eventuelt etter oppmaling til brennstøv, blåses inn i den 1200-2000°C varme forbrenningsgass som reduserer karbondioksidet delvis til karbonmonoksid og vanndampen delvis til hydrogen under forbruk av varme, og - forgassingsgassen fra det tredje prosesstrinn opparbeides i et fjerde prosesstrinn, eventuelt etter indirekte og/eller direkte kjøling, til brenngass som avstøves og renses kjemisk og støvet som derved fremkommer og som inneholder karbon, tilføres til karboniseringsgassen i det andre prosesstrinn.

Ifølge en foretrukket utførelse dekkes varmebehovet i det første prosesstrinn med en del av entalpien i forgassingsgassen fra det tredje prosesstrinn eller brenngassen fra det fjerde prosesstrinn.

Nytteeffekten ved oppfinnelsen ligger i at den uorganiske substans i ballastholdige, organiske stoffer overføres til et forgasset, elueringsbestandig bygge-materiale, ved at behovet for oksygenholdig forgassingsmiddel senkes til nivået ved virvelsjiktforgassingen og fullstendig forgassing av den organiske substans ved et temperaturnivå som tilsvarer winkler-forgassingen og, målt ved brenngassens kjemiske entalpi, en høyere virkningsgrad i forhold til teknikkens stilling.

Utførelseseksempel.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet ved hjelp av det i fig. 1 viste teknologiske grove skjema og etterfølgende regneestimering.

Som råvare ble det anvendt et vann- og ballastholdig organisk stoff, en søppelholdig biomasse, med følgende sammensetning {i kg/t):

Denne råvare ble i en knuser 1 oppdelt til en kantlengde på fra 20 til 50 mm og gjennom et gasstett sluse-system 2 innført i et indirekte oppvarmet karboniserings-kammer, som arbeidet under normalt trykk og hvori råvaren eventuelt ble beveget mekanisk. Ved hjelp av den indirekte varmetilførsel 4 ble råvaren tørket og karbonisert, hvorved den ved en slutt-temperatur på fra 400 til 500°C ble spaltet i ca. 405 kg faststoff, som besto av tilnærmet 40% karbon, mens resten besto av mineraler, glass, jern og ikke-jernmetaller samt tungmetaller og aske, og 595 kg karboniseringsgass, som besto av tilnærmet 2/3 vanndamp og alle øvrige■kjente flytende og gassformede karboniseringsprodukter.

Faststoffene fra karboniseringen skilles under karboniseringsgass i en sikt 5 i hovedsakelig mineraler, glass- og metallskrotholdig grovfraksjon med en kantlengde på over 5 mm, og en småkornet karbonbærer. Grovfraksjonen uttas gjennom gasstette slusesystemer 6 fra fremgangsmåten og tilføres eventuelt til en separering. Karbonbæreren blir værende i systemet og tilføres via en gjennomstrømningsmølle 7 og via et pneumatisk transportsystem 8, hvor det anvendes resirkulert brenngass som transportmedium, til et reduksjonskammer 9. Den uorganiske andel i karbonbæreren fraskilles sammen med karbon som ikke er blitt forbrukt i reduksjonskammeret 9 i en gass-avstøver 10 og tilføres sammen med karboniseringsgassen som dannes i karboniseringskammeret 3 til en smeltekammer-fyring 11 og forbrennes der med oksygen over smelte-temperaturen til karbonbærerens uorganiske substans. Det flytende slagg som derved dannes ledes inn i et vannbad 12 og tilføres derfra som elueringsbestandig bygnings-materialgranulat bort fra prosessen. Den 1200-2000°C varme forbrenningsgass fra smeltekammerfyringen 11 føres inn i reduksjonskammeret 9 hvor en del av karbondioksidet og vanndampen i den reagerer kjemisk endotermt med karbonbæreren til karbonmonoksid og vann, hvorved gasstemperaturen synker til fra 800 til 900°C. Tilførselen av det karbonholdige støv som dannes i gassavstøveren 10 til smeltekammerfyringen 11 foregår likeledes med et pneumatisk transportsystem 13, hvor det anvendes resirkulert brenngass som bærermedium. Den derved frembrakte brenngass tilsvarer i sammensetning brenngass som oppstår ved 800-900°C ved forgassingen av den organiske substans i råvaren med oksygen ved normalt trykk. Den er sammenlignbar med en forgassingsgass som er frembrakt ved virvelsjiktforgass-ingsmetoden under■anvendelse av en oksygen-vanndampbland-ing som forgassingsmiddel.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av brenngass av organiske stoffer, særlig vann- og ballastholdige organiske stoffer, så som kull, slam, søppel, trevirke og andre biomasser, ved tørking, karbonisering og forgassing, karakterisert ved at ved et trykk på fra 1 til 50 bar: - tørkes de ballastrike organiske stoffer med sine organiske og vannandeler i et første prosesstrinn ved direkte eller indirekte tilførsel av fysikalsk entalpi, og karboniseres ved fra 350 til 500°C og spaltes derved i karboniseringsgass, som inneholder de væskeformede hydrokarboner og vanndampen, og koks, som i tillegg til den uorganiske andel hovedsakelig inneholder karbon, - forbrennes karboniseringsgassen i et andre prosesstrinn ved temperaturer over smeltepunktet for den uorganiske andel av de organiske stoffer med luft og/eller oksygen, oksygenholdige avgasser for eksempel fra gassturbiner eller forbrenningsmotorer, fortrinnsvis fra ved 1200 til 2000°C, under fraskilling av en smeltet uorganisk andel med et lufttall på fra 0,8 til 1,3, regnet av teoretiske luftbehov, for fullstendig forbrenning til forbrenningsgass, - omdannes forbrenningsgassen fra det andre prosesstrinn til forgassingsgass i et tredje prosesstrinn og gasstemperaturen senkes til 8 00 til 900°C, ved at karboniseringskoks fra det første trinn, eventuelt etter oppmaling til brennstøv, blåses inn i den 1200-2000°C varme forbrenningsgass som reduserer karbondioksidet delvis til karbonmonoksid og vanndampen delvis til hydrogen under forbruk av varme, og - forgassingsgassen fra det tredje prosesstrinn opparbeides i et fjerde prosesstrinn, eventuelt etter indirekte og/eller direkte kjøling, til brenngass som avstøves og renses kjemisk og støvet som derved fremkommer og som inneholder karbon, tilføres til karboniseringsgassen i det andre prosesstrinn.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at varmebehovet i det første prosesstrinn dekkes med en del av entalpien i forgassingsgassen fra det tredje prosesstrinn eller brenngassen fra det fjerde prosesstrinn.