WO2008090028A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von energie, treibstoffen oder chemischen rohstoffen unter einsatz von co2-neutralen biogenen einsatzstoffen - Google Patents

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Definitions

  • thermal gasification processes has essentially produced three different types of gasifier, the entrained flow gasifier, the fixed bed gasifier and the fluidized bed gasifier.
  • Literature for fluidized-bed gasification which forms part of this application can be found in the following literature: Wolfgang Adlroch, Rheinbraun AG, Hisaaki Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Joachim Wolff, Karsten Radtke (Speaker), "High-Temperature Winkler Gasification of Municipal Solid Waste” , Krupp ühde GmbH, Gasification Technology Conference, San Francisco, California, USA; October 8-11, 2000; Conference Proceedings Literature for circulating fluidized bed in the composite system, which is part of this application, can be found in the following literature: "Decentralized electricity and heat generation based on biomass gasification V ⁇ ; R. Rauch, H. Hofbauer; Lecture University of Leipzig 2004.
  • Literature for combination fixed bed (rotary tube) which is part of this application can be found in the following literature: 30 MV Carbo V Biomass Gasifier for Municipal CHP; The CHP Project for the City of Aachen Dr Rudioff; Lecture Paris October 2005.
  • gasification takes place in two stages.
  • the biomass is split at 500 0 C in their volatile and solid components.
  • the result is a tar-containing gas and additionally "charcoal".
  • the gas is burned at temperatures of more than 1200 0 C, with the tars decay into CO2 and H2. With the hot flue gas and the Charcoal is then produced a CO and H2-containing product gas.
  • the fluidized bed gasifiers can be subdivided into two processes, which differ in the heating of the fluidized bed, the circulating fluidized bed gasifier and the stationary fluidized bed gasifier.
  • Literature for desulfurization in a fluidized bed gasification which forms part of this application can be found in the following literature: Gasification of Lignite and Wood in the Lurgi Circulating Fluidized Be Gasifier; Research Project 2656-3; Final Report, August 1988, P.Mehrling, H.Vierrath; LURGI GmbH; for Electric Power Research Institute PaIo Alto Californic: ZWS Pressure Gasification in Combination Block Final Report BMFT FB 03 E 6384-A; P.Mehrling LURGI GmbH; Bewag.
  • the present gasification of the biomass also in a fluidized bed with steam as the reaction and fluidizing medium.
  • this is a stationary fluidized bed with two specially developed pulse burners, which allow an indirect heat input into the fluidized bed located in the reactor.
  • this method is referred to as a SPOT method.
  • the advantage compared to the fixed-bed gasifier and the circulating fluidized bed is the lack of pronounced temperature and reaction zones.
  • the fluidized bed consists of an inert bed material. This ensures a simultaneous sequence of the individual partial reactions and a homogeneous temperature (about 800 ° C.).
  • the process is virtually depressurised (up to a maximum of 0.5 bar) and is therefore technically easy to implement. It is characterized by a high economic efficiency.
  • the acquisition costs are among the aforementioned carburetor types.
  • the starting point for further use as fuel is the medium-calorific gas from the bio-synthesis gas plant (based on renewable raw materials), which after dedusting and scrubbing of condensable hydrocarbons (oil quench) via a turbo compressor to about 20 bar compressed and through the following process steps can be refined:
  • the synthetic gas-based process of the present invention is capable of producing high-quality fuel from 100% biomass 23to.
  • the inventive method and the corresponding devices require a purification of the generated synthesis gas to this in the specially developed Pulse burners (including pilot burner) energetically implement.
  • the system is based on the "in situ removal" of the gaseous pollutants in the reaction space of the
  • the pollutant components to be removed from the product gas are the pollutant components to be removed from the product gas
  • the goal is to remove the sulfur-containing gas components (mainly H2S) with the help of aggregate materials such as limestone, dolomite or similar processed or naturally occurring aggregates.
  • sulfur-containing gas components mainly H2S
  • this method can also be used for the sulfur accompanying substances of the same main group of the periodic table Se (selenium) and Te (Telur). Investigations on these procedures show that in the
  • thermodynamic stability Due to the thermodynamic stability, the pollutants sulfur, telur selenium are deposited with high efficiency directly, whereas the adsorption of chlorine requires once more reactive adsorbents and an adaptation to the reaction temperatures.
  • the gaseous pollutant components forming in the reaction of the starting materials are transported to the solid particles of the adsorbents in the form of a two-phase reaction (gas-solid) by convection and diffusion of the pollutant to the adsorbent particle and react there to form a thermodynamically stable salt. These particles are discharged with the ash or partly separated into the gas purification stages downstream of the gas path, in particular in the multicyclone and the sintered metal fine filters, where they are selectively discharged.
  • the goal is the absorption or removal of chlorine, which is present as a chlorine radical and derived from organic chlorine compounds.
  • Other chlorine compounds are possible.
  • chlorine salts chlorides are less relevant in the context of the method according to the invention.
  • the method can be extended to the group of halogens (Cl, J, Br, F) according to the thermodynamic properties of the individual components.
  • the absorbents or reactants are introduced in terms of process technology at the most suitable site for the respective task.
  • the injection into the external cyclone is expedient, especially to find suitable reaction conditions for the case of chlorine absorption.
  • the control of the metering of additives takes place either via a ratio control with variable ratio between feedstock and additive or via a trim-back control, the reference variable reflecting the pollutant concentration measured in the synthesis gas.
  • deposition of dust as a further step in the synthesis gas makes special demands on the deposition of extremely fine, high-carbon dust.
  • dedusting takes place in a multicyclone and a downstream battery of sintered metal filters.
  • This gas purification stage (dedusting) consists of a multicyclone as pre-treatment stage and downstream one
  • the multi-cyclone consists of a battery of small cyclones, which are mounted in a housing on a support plate.
  • the incoming product gas (containing dust and adsorbent), distributed according to the flow resistance almost equally to the individual elements of the multi-cyclone. In these elements, the separation of a partial flow of the dust takes place (together with the adsorbent).
  • the gas leaves the apparatus, the dust collects together with the likewise deposited adsorbent in the funnel of the apparatus, from where the separated substances are discharged.
  • the second stage of this hot gas cleaning and dedusting consists of fine filters with sintered metal candles.
  • dust and laden Adsorbensan At these forms of the candles of the non-separated in the multicyclone stage dust and laden Adsorbensan turnover a filter cake, which causes in addition to the dust separation in particular in the case of the deposition of chlorine-containing pollutants without significant increase in Schadstoffadsorption.
  • Layer thickness and the low flow rate of the cake are essential parameters.
  • the subject of the present invention is the production of chemical raw materials, fuels and energy from renewable raw materials by means of the SPOT process described in other applications.
  • the SPOT process allows energy, fuels and chemical intermediates to be produced on a large scale from renewable raw materials or biomass, which in turn is the starting material for the entire range of products produced today on the basis of petrochemistry.
  • the proposed process routes shown in the following description are thus exemplary of the possibilities, but are also the " key processes that form the interface between the renewable resources and the other chemical processes on the basis of a closed cycle.
  • Starting materials are all Renewable resources, which, and this is the only theoretical restriction, can be reduced to residual moisture content to preferably below 35% mass - with an energy expenditure that is significantly lower than the substance-bound, chemical energy or the corresponding calorific value.
  • the process is therefore unsuitable for highly aqueous biomass containing only a small percentage by mass of solids (eg manure).
  • the remaining renewable biomasses, power greenies, animal feed, also plant waste, wood of all sorts and species can be converted into an extensively usable intermediate product with this process, the specific adaptations eg of feed preparation and the entry into the gasification reactor and bed management are marginal.
  • carrying out the gasification process as an allothermal gasification process makes it possible to generate a synthesis gas in a highly efficient manner, which otherwise is only available by gasification by means of oxygen.
  • the latter route leads via the technically complex, energetically by the thermodynamic conversion processes low-emission generation of electrical energy and the subsequent production of oxygen.
  • This design thus allows all the energies required for production CO2-neutral, -. as a net CO2 consumer by e.g. Urea synthesis or more modern variants of the Fischer-Tropsch methanol synthesis, which increases the CO2 content of the synthesis gas and converts this proportion of CO2.
  • Gases (essentially methane) as fuel to generate the heat of reaction of the gasification process in the SPOT gasification process, through energy efficiency and high material utilization of the starting materials.
  • the gas engine for generating mechanical energy (propulsion of ships, for example) or generating electricity by means of internal combustion heat engines, including utilization of the residual heat of the flue gases by a downstream steam turbine process;
  • FIG. 1 Figures Ia-Ic show an overview of the different process routes
  • Fig. 2 shows the circuit variant supply of the pulse burner with fuel gas
  • Fig. 3 shows an overview of dedusting, quenching, cooling and compression
  • Fig. 4 shows the syngas configuration, quenching and stripper cooling
  • FIG. 5 shows the gas compression to the pressure level necessary for the down-stream processes
  • Fig. 7 shows a biosynthesis gas crude gas conversion (Crude Gas Shift); 8 shows the gas scrubbing using the example of the Rectisol process for the total purification of the biosynthesis gas before use in catalytic systems;
  • Fig. 9 shows the synthesis of methanol from biosynthesis gases
  • Fig. 11 shows the fish-Tropsch synthesis based on the biosynthesis gas for the production of synthetic fuels and chemical raw materials
  • Fig. 12 shows the production of hydrogen from biosynthesis gas by decomposition by gas scrubbing, pressure swing adsorption or cryogenic decomposition
  • Fig. 13 shows the potential uses of hydrogen as an intermediate for various industrial syntheses
  • Fig. 14 shows the use of hydrogen from biosynthesis gas as fuel for fuel cells
  • Fig. 15 shows the ammonia synthesis with subsequent urea production by the use of hydrogen from biosynthesis gas
  • Fig. 16 shows a possible use of biosynthesis gas as fuel of a gas turbine plant with waste heat utilization and thermal power coupling
  • Fig. 17 shows the use of biosynthesis gas as fuel for large engines for propulsion of ships and for the generation of electricity
  • Fig. 18 shows the use of biosynthesis gas as fuel for large engines for propulsion of ships; 19 shows the use of biosynthesis gas as fuel for
  • FIGS. 1 a to 1 c A description is given of the individual processes of the modular process routes for the production of energy, synthetic fuels, hydrogen and chemical products based on biosynthesis gas, as can be seen from FIGS. 1 a to 1 c.
  • the design of the SPOT gasification plant allows the use of the high-calorie off-gases, which are generated as residual gases or purge gases of circuits in the processes described below, as fuel for the pulsed burner system (US Pat. Impulse burner and integrated pilot burner).
  • the result of this measure is the increase in the overall efficiency of the process steps and the optimal use of the renewable raw material used.
  • the high calorific off-gas is used to generate the necessary heat of reaction.
  • the pulse burners and the integrated pilot burners are equipped for this purpose with several independent supply lines for the different fuel gases and exhaust gases.
  • the processes become an integrated element of the SPOT carburetor, the process steps to a directly unmistakably connected unit. (See Fig. 2 circuit variants supply the pulse burner with fuel gas.
  • the technical equipment allows for starting the
  • the cooling to temperatures between preferably 150 0 C and 200 0 C (design 170 ° C) and the mechanical dedusting in a multicyclone and a downstream battery of sintered metal filters. (see Fig. 3 concept of dedusting the SPOT method).
  • the cooling of the gas can, as shown in FIG. 3, take place in one or more stages before the gas purification, partly before the multicyclone, partly between the multicyclone and the gas filters.
  • Quenching and gas cooling to remove condensable trace amounts in the biosynthetic gas is another approach to optimized use of the system.
  • the gas is cooled in two stages by quench and by direct countercurrent cooling in the scrubbing tower to temperatures preferably below 100 0 C.
  • This two-step process is divided into the evaporative cooling in the quench, which is operated with oil or other suitable non-aqueous media, and the subsequent cooling in the scrubbing tower, wherein the coolant can be carried in countercurrent, DC, or cross flow.
  • Quenches stands for an injection cooling.
  • the gas is introduced into the quench, wherein the flow of the process apparatus can be carried out by the integration vertically from above, from the side or from below.
  • the admission of the gas takes place with the Ouench medium
  • the gas cooling takes place here by evaporative cooling.
  • the gas is further cooled in a column with internal internals and in direct contact with the cooling medium.
  • the injected in the quench and abandoned in the washing and cooling column refrigerant collects in the template, either as an integrated part of the column or as a separate Container is executed. The consumed in the process
  • This medium is passed through a cooling circuit by means of air cooler and water cooler and fed to the wash column.
  • a cooling circuit by means of air cooler and water cooler and fed to the wash column.
  • variants are possible which provide for the separation of quench and scrubber sumps. By series connection of two acted upon with one or with different cooling medium heat exchanger, this process can be adapted to the respective requirements.
  • the medium which is applied to the cooling / washing column, passes into the sump after passing through the internals. From this sump, the quench with cooling medium is also applied.
  • This cooling system allows the cooling of the sump by circulating this stream.
  • the condensable organic fractions present in the gas are cooled in the process described, separated and enriched in the washing / cooling medium.
  • a downstream demister defogger to remove fine spray mist
  • the gas stream of adhering, entrained washing / cooling medium is released. Through this process, the gas has the required temperature level for the subsequent process stages.
  • Concentration requires a partial flow to be expelled from this cycle. This purge stream is returned and converted in the carburetor together with the feedstock to biosynthesis gas.
  • the dust and condensate-free gas is fed to the compression stage. (See Fig. 4 Flow diagram gas conditioning by quench with
  • FIG. 5 shows a flow diagram with a compression stage.
  • the actual compression is used either as an integrated stage of the downstream heat engine (large engine, turbocharger) as an integrated compression stage Gas turbine plants, designed as a separate stage or in a mixed form.
  • flow machines turbines
  • reciprocating compressors preferably Roots compressors
  • Another aspect is the production of input materials for
  • the H2 / CO ratio of the biosynthesis gas is adapted to the requirements of the subsequent process.
  • the technical bio-synthesis gas is after conditioning, compression by reacting a portion of the CO contained in the gas with water to H2 and CO2 (homogeneous water gas reaction) to catalyst systems, such as iron oxide-chromium oxide catalysts or equivalent catalyst systems implemented.
  • This conversion the so-called crude gas conversion (crude gas shift reaction), has the advantage that the water vapor contained in the syngas as Reaction partner is available and a saturation of the
  • the entire synthesis gas stream is treated; to produce methanol or hydrocarbons after the Fischer-Tropsch synthesis, only a partial stream of the biosynthesis gas is converted to adjust a specific CO / H2 fraction.
  • a special characteristic of the process route described here is the possibility of influencing the H2 to CO ratio by adapting the operating parameters of the SPOT process by way of their reaction so that the portion of the gas stream to be converted is minimized.
  • FIG. 7 shows the circuits of the CO shift process / processes, complete shift or partial shift reaction.
  • Gas scrubbing by physical scrubbing (Rectisol) is another process step.
  • the biosynthesis gas as it leaves the conditioning and compression stage of the plant operating according to the SPOT process and the crude shift reaction, requires a gas purification adapted to the requirements of the downstream plants before further processing into H2, fuels or chemical products , In particular, the removal of catalyst poisons and the adjustment of the stoichiometry of the reactions as the basis for the requirements of the feed gas plays the decisive role.
  • the Rectisol process for physical washing is exemplified.
  • the main elements of the process are the absorber (wash tower) and the regenerators.
  • the absorber In the absorber, the interfering gas components are washed out in countercurrent and the washing liquid is loaded with it.
  • the regenerator In the regenerator these substances are separated from the washing liquid. The eluate is recycled and the separated products are processed further.
  • Resin images higher hydrocarbons (naphtha, crude benzene, iron and Metallcarbonyle) and water can be performed in this one process stage.
  • the crude gas at a mean pressure of 5 to 40 bar is at temperatures between
  • Methanol is regenerated by depressurization, evacuation and heating and then reused.
  • the product of this stage is a gas with synthesis unit for downstream processes such as the methanol synthesis, the ammonia synthesis or the hydro-cracking process.
  • by-products include naphtha, pure CO2 (for example, for urea synthesis) and H2S-rich gas.
  • FIG. 8 shows a gas purification process for adjusting the synthesis unit of the biosynthesis gas. Another aspect is the production of methanol as a fuel and raw material for chemical products.
  • the purified biosynthesis gas adjusted to a H2 / CO ratio of 2 and converted to 20 to 25 bar by converting a partial flow, is converted to methanol in the methanol process.
  • a process route here is the world selected low pressure method.
  • Fischer-Tropsch synthesis for the production of hydrocarbons is another alternative.
  • the conditioned and with respect to the CO / H2 and CO2 residual content adjusted to the necessary input conditions of the Fischer-Tropsch synthesis gas is converted to hydrocarbon in the catalytic Fischer-Tropsch synthesis.
  • the information to be the solid catalyst reaction proceeds in the temperature ranges between 200 ° C and 350 0 C and at pressures between 20 and 30 bar above.
  • the product gas of the Fischer-Tropsch process is obtained as a mixture and is usually processed in a hydro-cracker / production diesel with the highest cetane.
  • the Fischer Tropsch process supplies not only diesel (fuel), naphtha (chemical gasoline) LPG but also waxes (oligomeric hydrocarbons).
  • FIG. 11 describes the Fischer Tropsch synthesis from biosynthesis gas as the basis for synthetic fuels and as a chemical raw material with its secondary products. This can be done by generation or direct separation or after complete shift reaction.
  • H2 in pure form can be obtained from biosynthesis gas via the described process steps.
  • the by-product of the shift reaction CO2 is separated in the subsequent gas purification process (eg Rectisol process). Basically, here are three different processes:
  • Fig. 12 shows the generation of hydrogen (H2) from biosynthesis gas by decomposition by gas scrubbing, pressure swing adsorption or cryogenic decomposition.
  • the possible uses of hydrogen based on bio-syngas are manifold. Besides being used in fuel cells for the direct generation of electricity, the hydrogen can be directly added to the synthesis e.g. of ammonia and used as an intermediate for a variety of chemical syntheses.
  • FIG. 12 shows various process routes for hydrogen production from biosynthesis gas
  • FIG. 13 gives a section of the possibilities for using this gas as a reaction partner in chemical syntheses.
  • Another aspect is the use of hydrogen in fuel cells to generate electrical energy.
  • FIG. 14 shows the use of the hydrogen produced from renewable raw materials as fuel in FIG. 14
  • Fuel cells for generating electrical energy are provided.
  • Process heat which arises in the fuel cell process, is used via a water / steam process to generate electricity by means of a steam turbine and generator, whereby the possibility exists, by the extraction of heat from the
  • Another process step may be the use of ammonia based on the biosynthesis gas (hydrogen production) and conversion to ammonia and further processing by addition of CO2 to urea.
  • Hydrogen is converted to ammonia after conversion in a high-pressure catalytic reaction with nitrogen derived from air separation.
  • FIG. 15 shows this process.
  • the ammonia produced can be further processed to urea with the CO2 produced in the gas purification stage.
  • thermodynamic processes using bio-syngas as fuel.
  • electrical energy based on bio-syngas can be generated via the classic thermo-dynamic processes. These classic routes include the generation of steam in a gas boiler, as well as the utilization of the steam generated thereby in the steam turbine and the use of the gas in the gas turbine in the form of a combined process.
  • the electrical energy is generated once directly by the driven by the gas turbine generator and the waste heat of the combustion gases of this turbine used to generate steam. The transformation of the steam thus generated to electrical energy by means of steam turbine and generator.
  • biosynthesis gas as fuel for heat engines with internal combustion offers itself.
  • These machines which are used as two-stroke diesel engines e.g. are used in the field of propulsion of ships, are now state of the art with powers of 100 MW.
  • the technical biosynthesis gas as obtained after conditioning before or after the compression stage, Can be used directly as a fuel gas without further workup.
  • these consumers such as boiler plants or as industrial furnaces (lime rotary kilns), it is also possible to further simplify the conditioning process.
  • Another aspect is the generation of electrical energy by gas turbine or steam turbine process with thermal power coupling.
  • This process path corresponds to the classic GUD process (gas and steam).
  • This type of process is characterized by the use of the efficiency advantage due to the temperature working point of the gas turbine and the use of waste heat, which can be operated by post-firing at its optimum point. (Working temperature gas turbine up to 1500 0 C, steam turbine greater than 600 0 C in supercritical application, otherwise in the range around 500 0 C).
  • FIG. 18 shows the use of the biosynthesis gas as a chemical energy source for generating electrical energy in the gas turbine as a heat engine.
  • Another aspect is the generation of mechanical energy by internal combustion heat engines for driving large machinery, ships, and generating electrical energy.
  • Use of conditioned gas in engines is the generation of mechanical energy by internal combustion heat engines for driving large machinery, ships, and generating electrical energy.
  • the invention also expressly includes the use of the waste heat of the combustion processes in the waste heat boiler.
  • the technical synthesis gas is fed from the cooling / fine dedusting (integrated part of the SPOT process) directly to the turbocharger (s) of the large engine.
  • the conversion of the gas and the conversion into mechanical energy takes place with efficiencies of about 55%.
  • a waste heat utilization into which also the exhaust gases of the pulse burners are coupled.
  • Fig. 19 shows the use of the biosynthesis gas as a chemical energy source for generating mechanical energy in heat engines with internal combustion for driving ships and other large machinery and for power generation.
  • Another approach is the use of bio-synthesis gas as a chemical energy source using the water / steam process and the steam turbine as a heat engine and thermal power coupling.
  • this burner is used as a boiler
  • the heat is used in a heat engine with steam as the working medium (thermodynamic Rankine process) via a water / steam process.
  • the combination of gasification and boiler takes place both via the bio-synthesis gas part and also via the use of the heat of the flue gases of the impulse burner in the boiler.
  • a diagram of this process is shown in FIG. 19.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Energie, Treibstoffen und/oder chemischen Rohstoffen, umfassend die Schritte: Allothermes Wasserdampfvergasen von nachwachsenden Rohstoffen und/oder von Restgasen der Folgeprozesse durch einen Impulsbrenner; Gasreinigung; Gaskühlung; Gasverdichtung auf die für die Folgeprozesse durch Druckstufe; Shift Reaktion zur Konvertierung des CO zu H2, Anpassung des H2/CO Verhältnisses des rohen Bio-Synthesegases an die Erfordernisse des/der; Gasreinigung, Entfernung von Spurenstoffen, die Katalysatorgifte für die nachfolgenden Prozessstufen sind; beispielhaft beschrieben nach dem Rectisol-Prozess; Erzeugung eines oder mehrere der folgenden Produkte: Methanolsynthese zur Erzeugung von Methanaol als Treibstoff und Rohstoff für chemische Produkte und Treibstoff; Fischer-Tropsch-Synthese und Aufarbeitung der Produkte zu Treibstoff; Erzeugung von H2 auf der Basis des Bio-Synthesegas.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Energie,
Treibstoffen oder chemischen Rohstoffen unter Einsatz von CO2- neutralen biogenen Einsatzstoffen
Gebiet der Erfindung:
Die Entwicklung thermischer Vergasungsverfahren hat im Wesentlichen drei unterschiedliche Vergasertypen hervorgebracht, den Flugstromvergaser, den Festbettvergaser und den Wirbelschichtvergaser.
Für die kommerzielle Vergasung von Biomassen wurden in erster Linie der Festbettvergaser und der Wirbelschichtvergaser weiterentwickelt .
Von den vielen unterschiedlichen technischen Ansätzen im Bereich der Festbettvergasung sei an dieser Stelle das Carbo- V- Verfahren exemplarisch dargestellt.
Literatur für Wirbelschichtvergasung die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: „High-Temperature Winkler Gasification of Municipal Solid Waste";Wolfgang Adlhoch, Rheinbraun AG, Hisaaki Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Joachim Wolff, Karsten Radtke (Speaker), Krupp ühde GmbH; Gasification Technology Conference; San Francisco, California, USA ;Oktober 8-11, 2000; Conference Proceedings Literatur für Zirkulierende Wirbelschicht im Verbundsystem, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: „Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung auf Basis Biomasse-VergasungVλ ; R. Rauch, H. Hofbauer; Vortrag Uni Leipzig 2004. „Zirkulierende Wirbelschicht, Vergasung mit Luft Operation Experience with CfB - Technology for Waste Utilisation at a Cement Production Plant"; R.Wirthwein, P. Scur, K. -F. Scharf - Rüdersdorfer Zement GmbH, H. Hirschfelder - Lurgi Energie und Entsorgungs GmbH;7th. International Conference on Circulating Fluidized Bed Technologies; Niagara Falls Mai 2002.
Literatur für Kombination Festbett (Drehrohr) die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden : 30 MV Carbo V Biomass Gasifier for Municipal CHP; The CHP Project for the City of Aachen Matthias Rudioff; Vortrag Paris Oktober 2005.
Literatur für Kombination für die Festbettvergasung (Schlackeabstichvergaser) die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: Operation Results of the BGL Gasifier at Schwarze Pumpe Dr. Hans-Joachim Sander SVZ; Dr. Georg Daradimos, Hansjobst
Hirschfelder Envirotherm; Gasification Technologies 2003; San Francisco California; October 12-15 2003; Conference Proceedings.
Bei dem Carbo-V-Verfahren findet die Vergasung in zwei Stufen statt. Zunächst wird die Biomasse bei 5000C in ihre flüchtigen und festen Bestandteile aufgespalten. Es entsteht ein teerhaltiges Gas und zusätzlich "Holzkohle". Das Gas wird bei Temperaturen von mehr als 12000C verbrannt, wobei die Teere in CO2 und H2 zerfallen. Mit dem heißen Rauchgas und der Holzkohle wird anschließend ein CO- und H2-haltiges Produktgas erzeugt .
Aufgrund des hohen technischen und ökonomischen Aufwandes, bedingt durch das hohe Druckniveau (bis 40 bar) , sind diese Vergasertypen für die Vergasung von Biomasse (die regional anfällt und bedeutenden Einfluss auf die Kosten für Logistik und Verarbeitung hat) gänzlich ungeeignet.
Die Wirbelschichtvergaser lassen sich in zwei Verfahren unterteilen, die sich in der Aufwärmung des Wirbelbettes unterscheiden, den zirkulierenden Wirbelschichtvergaser und den stationären Wirbelschichtvergaser.
Literatur für Enstschwefelung in einer Wirbelschichtvergasung, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: Gasification of Lignite and Wood in the Lurgi Circulating Fluidized Be Gasifier; Research Project 2656-3; Final Report, August 1988, P.Mehrling, H.Vierrath; LURGI GmbH; for Electric Power Research Institute PaIo Alto Californic: ZWS-Druckvergasung im Kombiblock Schlußbericht BMFT FB 03 E 6384-A; P.Mehrling LURGI GmbH; Bewag.
In Güssing (Österreich) wurde Anfang 2002 eine allotherme, zirkulierende Wirbelschicht-Vergasungsanlage in Betrieb genommen. Die Biomasse wird in einer Wirbelschicht mit Dampf als Oxidationsmittel vergast. Zur Wärmebereitstellung für den Vergasungsprozess wird ein Teil der in der Wirbelschicht entstehenden Holzkohle in einer zweiten Wirbelschicht verbrannt. Durch die Vergasung unter Dampf wird ein Produktgas erzeugt. Nachteilig wirken sich die hohen Anschaffungskosten der Anlagentechnik und ein überhöhter Aufwand für die Prozessregelung aus.
Der Anmelder hat zur Überwindung der Probleme des Standes der Technik bereits einige Anmeldungen auf dem Gebiet hinterlegt, deren Offenbarungsgehalt Bestandteil dieser Anmeldung ist. Bei diesen Anmeldungen handelt es sich um die 10 2006 017 353.8, 10 2006 017 355.4, 10 2006 019 999.5, 10 2006 022 265.2, 10
2006 039 622.7.
Aus diesen Anmeldungen ist bekannt, dass die vorliegenden die Biomasse ebenfalls in einer Wirbelschicht mit Dampf als Reaktions- und Fluidisiermedium vergast. Allerdings handelt es sich hier um eine stationäre Wirbelschicht mit zwei eigens entwickelten Impulsbrennern, die einen indirekten Wärmeeintrag in das im Reaktor befindliche Wirbelbett ermöglichen. Im Folgenden wird dieses Verfahren als SPOT-Verfahren bezeichnet. Der Vorteil im Vergleich zum Festbettvergaser und zur zirkulierenden Wirbelschicht ist das Fehlen ausgeprägter Temperatur- und Reaktionszonen. Die Wirbelschicht besteht aus einem inertem Bettmaterial. Dadurch werden ein gleichzeitiger Ablauf der einzelnen Teilreaktionen und eine homogene Temperatur (ca. 8000C) gewährleistet. Das Verfahren ist nahezu drucklos (bis max. 0,5 bar) und ist somit technisch problemlos umsetzbar. Es zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Die Anschaffungskosten liegen unter den vorgenannten Vergasertypen . Ausgangspunkt für eine weitergehende Nutzung als Treibstoff ist das mittelkalorische Gas aus der Bio-Synthesegasanlage (auf der Basis nachwachsender Rohstoffe) , das nach der Entstaubung und dem Auswaschen kondensierbarer Kohlenwasserstoffe (ÖL-Quench) über einen Turboverdichter auf ca. 20 bar verdichtet und durch die folgenden Prozessschritte veredelt werden kann:
Verfahren
Als Ergebnis bleibt festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf der Grundlage des Synthesegases in der Lage ist, aus lOOto Biomasse 23to hochwertigen Treibstoff herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen bedingen eine Reinigung des erzeugten Synthesegases, um dieses in den eigens entwickelten Impulsbrennern (einschließlich Pilotbrenner) energetisch umzusetzen. Das System basiert auf der „In-Situ-Entfernung" der gasförmigen Schadstoffe im Reaktionsraum des
Dampfumwandlers oder unmittelbar in der entsprechenden Gasstrecke.
Die aus dem Produktgas zu entfernenden Schadstoffkomponenten
(Schwefel-) werden beim Vergasungsprozess direkt freigesetzt.
Wesentlicher Bestandteil des vorliegend beschriebenen
Verfahrens ist die direkte chemische Bindung dieser mit den aus den Einsatzstoffen freigesetzten Komponenten durch die Zufügung des Adsorbens in den Vergasungsreaktor. Diese unmittelbare Adsorbtion sofort nach Freisetzung der Schadstoffkomponenten wird als „In - Situ" Gasreinigung (im Falle der Entfernung schwefelhaltiger Komponenten als Entschwefelung) bezeichnet. Die fragliche Schwefelkomponente wird damit direkt am Ort der Entstehung, d.h. in der Reaktionszone der Vergasung mittels des Additivs (praktisch während der Entstehung) adsorbiert, der Schwefel (bzw. die Homologen Selen und Telur) reagieren dabei zu den Sulfiden, Seleniden und Teluriden. Diese Verfahrensweise ist aus Anwendungen in Verbrennungsprozessen und ähnlichen Vergasungsverfahren bekannt (Lit.: 6; 7). Ähnliche Prozesse sind für andere Verbrennungen und Vergasungen in der Literatur beschrieben worden.
In einem ersten Schritt ist das Ziel, die schwefelhaltigen Gaskomponenten (in der Hauptsache H2S) mit Hilfe von Zuschlagsmaterialien wie Kalkstein, Dolomit oder ähnlichen aufbereiteten, beziehungsweise natürlich vorkommende Zuschlagsstoffen zu entfernen.
Neben der Entfernung schwefelhaltiger Komponenten lässt sich diese Methode auch anwenden für die den Schwefel begleitenden Stoffe der gleichen Hauptgruppe des Periodensystems Se (Selen) und Te (Telur) . Untersuchungen an diesen Verfahren zeigen, dass bei den im
Dampfspalter vorherrschenden Reaktionstemperaturen auf Grund der thermodynamischen Stabilität die Schadstoffe Schwefel, Telur Selen mit hoher Effizient direkt abgeschieden werden, während die Adsorption von Chlor einmal reaktivere Adsorbentien verlangt und eine Anpassung an die Reaktionstemperaturen. Die gasförmigen sich bei der Umsetzung der Einsatzstoffe bildenden (In Situ) Schadstoffkomponenten werden an den Feststoffpartikeln der Adsorbentien in Form einer Zweiphasenreaktion (Gas - Feststoff) durch Konvektion und Diffusion der Schadstoff an das Adsorbenspartikel transportiert und reagieren dort zu einem thermodynamisch stabilen Salz. Diese Partikel werden mit der Asche ausgeschleust oder zum Teil in den im Gasweg nachgeschalteten Gasreinigungsstufen, insbesondere im Multizyklon und den Sintermetall - Feinfiltern abgeschieden und dort selektiv ausgeschleust .
Im zweiten Schritt ist das Ziel, die Absorption respektive Entfernung von Chlor, das als Chlor Radikal vorliegt und aus organischen Chlorverbindungen stammt. Andere Chlorverbindungen
(z.B. die Chlorsalze Chloride) sind im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger relevant.
Das Verfahren lässt sich auf die Gruppe der Halogene (Cl, J, Br, F) entsprechend der thermodynamischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten ausweiten.
Die Absorbentien oder Reaktanten werden prozesstechnisch an der für die jeweilige Aufgabe geeignetsten Stelle eingebracht. Neben einer direkten Aufgabe entweder als Zuschlag zum Einsatzstoff oder der direkten Dosierung in den Dampfumwandler ist die Eindüsung in den externen Zyklon zielführend, insbesondere um für den Fall der Chlorabsorption geeignete Reaktionsbedingungen vorzufinden . Generell erfolgt die Regelung der Dosierung von Additiven entweder über eine Verhältnisregelung mit variablem Verhältnis zwischen Einsatzstoff und Additiv oder über eine Trimm-Back- Regelung, wobei die Führungsgröße die im Synthesegas gemessene Schadstoffkonzentration reflektiert.
Die Abscheidung der Staubanteile als weiterer Schritt im Synthesegas stellt besondere Anforderungen an die Abscheidung des extrem feinen, hoch kohlenstoffhaltigen Staubes . Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach Zwischenkühlung auf Temperaturen zwischen 150 und 700 °C (oberhalb des Taupunktes des Synthesegases) die Entstaubung in einem Multizyklon und einer nachgeschalteten Batterie von Sintermetallfiltern .
Diese Gasreinigungsstufe (Entstaubung) besteht aus einem Multizyklon als Vorreingungsstufe und nachgeschaltet einer
Filtereinheit. Der Multizyklon besteht aus einer Batterie von kleinen Zyklonen, die in einem Gehäuse auf einer Trägerplatte befestigt sind. Das eintretende Produktgas (das Staub und Adsorbens enthält) , verteilt sich entsprechend der Strömungswiderstände nahezu gleichmäßig auf die einzelnen Elemente des Multizyklons. In diesen Elementen erfolgt die Abrennung eines Teilstrom des Staubes (zusammen mit dem Adsorbens). Das Gas verlässt den Apparat, der Staub sammelt sich zusammen mit dem ebenfalls abgeschiednen Adsorbens im Trichter des Apparates, von wo aus die abgeschiednen Substanzen ausgeschleust werden.
Die zweite Stufe diese heißen Gasreinigung und Entstaubung besteht aus Feinfiltern mit Sintermetallkerzen. An diesen bildet sich an den Kerzen von den in der Multizyklonstufe nicht abgeschiedenen Staub- und beladenen Adsorbensanteilen ein Filterkuchen, der neben der Staubabscheidung insbesondere im Falle der Abscheidung von Chlor - haltigen Schadstoffen ohne deutliche Erhöhung der Schadstoffadsorption bewirkt. Außerdem besteht die Möglichkeit nochmals gezielt Adsorbens in diesen Bereich zu dosieren. Schichtdicke und die niedrige Durchströmungsgeschwindigkeit des Kuchens sind dabei wesentliche Parameter.
Überblick über die Erfindung:
Die vorliegende Erfindung hat die Erzeugung von Chemierohstoffen, Treibstoffen und Energie aus nachwachsenden Rohrstoffen mittels dem in anderen Anmeldungen beschriebenen SPOT Verfahren zum Gegenstand.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Das zu Grunde liegende Vergasungsverfahren der allothermen Wasserdampfvergasung mit Impulsbrenner ist für " die unterschiedlichsten Typen von nachwachsenden Rohstoffen geeignet, unter anderem für die von SPOT patentierten Power
Greenies, um durch chemische Synthese zur Herstellung von
Treibstoffen, Chemie-Produkten und als Einsatzstoff zur Erzeugung von Energie, Verbrennung in Kesseln, Gasturbinen oder Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung geeignetes ebenda beschriebenes Bio-Synthesegas zu konvertieren.
Das SPOT-Verfahren erlaubt in großem Stil aus nachwachsenden Rohstoffen bzw. Biomassen Energie, Treibstoffe und chemische Zwischenprodukte zu erzeugen, die ihrerseits wiederum Ausgangssubstanz für die gesamte Palette der heute auf der Basis der Erdölchemie hergestellten Produkte ist. Die in der folgenden Beschreibung aufgezeigten vorgeschlagenen Prozess- Routen stehen damit exemplarisch für die Möglichkeiten, sind aber auch die " Schlüsselprozesse, die die Schnittstelle zwischen den erneuerbaren Ressourcen und den weiteren chemischen Prozessen auf der Grundlage eines geschlossenen Kreislaufes bilden. Einsatzstoffe sind alle Renewable Ressourcen, die sich, und das ist die einzige theoretische Einschränkung, auf Restfeuchtgehalte auf vorzugsweise unter 35 % Masse bringen lassen - mit einem energetischen Aufwand, der deutlich geringer ist als die in Substanz gebundene, chemische Energie oder der entsprechende Brennwert. Ungeeignet ist der Prozess damit, bedingt durch die grundsätzlichen Reaktionsbedingungen, für stark wässrige, nur wenig Masseprozent an Feststoffen enthaltenden Biomassen (z.B. Gülle). Die übrigen erneuerbaren Biomassen, Power Greenies, Futtermittel, auch Pflanzenabfälle, Holz aller Sorten und Arten lassen sich mit diesem Prozess, die spezifischen Anpassungen z.B. der Einsatzstoffaufbereitung und des Eintrages in den Vergasungsreaktor und des Bettmanagements sind marginal, zu einem umfänglich einsetzbaren Zwischenprodukt umsetzen. Die Durchführung des Vergasungsverfahrens als allothermer Vergasungsprozess erlaubt darüber hinaus höchst effizient ein Synthesegas zu erzeugen, dass ansonsten nur durch Vergasung mittels Sauerstoff zur Verfügung steht. Letzterer Weg führt über die technisch aufwendige, energetisch durch die thermodynamischen ümwandlungsprozesse wirkungsarmen Erzeugung von elektrischer Energie und der anschließenden Produktion von Sauerstoff.
Diese Konzeption erlaubt somit alle zur Produktion benötigten Energien CO2-neutral, - d.h. als Netto CO2 Verbraucher auszuführen durch z.B. Harnstoffsynthese oder modernere Varianten der Fischer-Tropsch-Methanolsynthese, durch die der CO2-Anteil des Synthesegases erhöht und dieser Anteil an CO2 mit umgesetzt wird, herzustellen.
Die im Folgenden beschriebenen Erfindungen beschäftigen sich mit der der Schaltung der Prozessrouten, die es erlauben, das Bio-Synthesegas des SPOT-Vergasers zur Erzeugung von Energie, Treibstoffen und chemischen Produkten einzusetzen. Diese Routen zeichnen sich durch die integrierte Nutzung des Purge-
Gases (im wesentlichen Methan) als Brennstoff zur Erzeugung der Reaktionswärme des Vergasungsprozesses im SPOT- Vergasungsverfahren, durch energetische Effizienz und hohe stoffliche Nutzung der Einsatzstoffe aus.
Im Einzelnen werden folgende Punkte betrachtet:
1. Nutzung von Restgasen (Off-Gasen, Purge-Gasen) der Folgeprozesse (Down- Stream Prozessen) als Brennstoff für die Impulsbrenner; 2. Mechanische Gasreinigung und Feinstentstaubung mit integrierter Kühlung;
3. Gas-Quench und Gaskühlung mit Entfernung kondensierbarer Spurenanteile im Bio-Synthesegas;
4. Gasverdichtung auf die für die Folgeprozesse notwendigen Druckstufe;
5. Produktion von Einsatzstoffen zur Energieerzeugung (Wasserstoff) , synthetischen Treibstoffen und diverse chemische Produkte über direkte Synthese oder mit Methanol als Zwischenprodukt durch: 5.1 Shift Reaktion zur Konvertierung des CO zu H2, Anpassung des H2/CO Verhältnisses des rohen Bio-Synthesegases an die Erfordernisse des/der Folgeprozesse (s) ;
5.2 Gasreinigung, Entfernung von Spurenstoffen, die Katalysatorgifte für die nachfolgenden Prozessstufen sind; beispielhaft beschrieben nach dem Rectisol-Prozess;
5.3 Erzeugung von Methanol als Treibstoff und Rohstoff für chemische Produkte und Treibstoff;
5.4 Fischer-Tropsch-Synthese und Aufarbeitung der Produkte zu Treibstoff; 5.5 Erzeugung von H2 auf der Basis Bio-Synthesegas nach verschiedenen Prozessrouten (Anm. : mit/ohne CO-Shift, chemische Wäsche, Tieftemperatur o-der PSA Gastrennung) 5.6 Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie (Anm. : einschließlich Abwärmenutzung mittels Dampfturbinenprozess)
5.7 Erzeugung von Ammoniak auf der Basis des H2 des Bio- Synthesegases, Umsetzung des Ammoniak durch Addition an CO2 zu
Harnstoff und anderen Produkten
6. Erzeugung von elektrischer Energie durch Verbrennung des Bio-Synthesegases in:
6.1 der Brennkammer einer Gasturbine, Abhitzenutzung und Wärmekraftkopplung; Erzeugung von Strom und Nutzwärme;
6.2 einem Kessel zur Dampferzeugung, Nutzung des Dampfes durch Dampfturbine und Wärmekraftkopplung, Erzeugung von Strom und Nutzwärme;
6.3 dem Gasmotor zur Erzeugung von mechanischer Energie (Antrieb z.B. von Schiffen) oder Erzeugung von Strom mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung einschließlich Nutzung der Restwärme der Rauchgase durch einen nachgeschalteten Dampfturbinen-Prozess ;
Figurenbeschreibung:
Fig. Ia-Ic zeigen eine Übersicht über die unterschiedlichen Prozessrouten;
Fig. 2 zeigt die Schaltungsvariantenversorgung der Impulsbrenner mit Brenngas; Fig. 3 zeigt eine Übersicht über die Entstaubung, das Quenchen, die Kühlung und die Verdichtung
Fig. 4 zeigt die Synthesegas-Konitionierung, die Kühlung durch Quenche und Stripper;
Fig. 5 zeigt die Gasverdichtung auf das für die Down-Stream- Prozesse notwendige Druckniveau; Fig. 6 zeigt eine weitere Übersicht für die Entstaubung, die
Quenchekühlung und Verdichtung;
Fig. 7 zeigt ein Biosynthesegas Rohgas Konvertierung (Crude Gas Shift) ; Fig. 8 zeigt die Gaswäsche am Beispiel des Rectisol Verfahrens zur Totalreinigung des Biosynthesegases vor dem Einsatz in katalytischen Systemen;
Fig. 9 zeigt die Methanolsynthese aus Biosynthesegasen;
Fig. 10 zeigt die Herstellung von Methanol aus Biosynthesegas als Basis für weitere synthetische Treibstoffe und chemische Rohstoffe mit seinen Folgeprodukten;
Fig. 11 zeigt die Fisch - Tropsch Synthese auf Basis des Biosynthesegases zur Erzeugung synthetischer Treibstoffe und Chemie-Rohstoffe; Fig. 12 zeigt die Herstellung von Wasserstoff aus Biosynthesegas durch Zerlegung mittels Gaswäsche, Druckwechseladsorption oder Tieftemperaturzerlegung;
Fig. 13 zeigt die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff als Zwischenprodukt für verschiedene technische Synthesen; Fig. 14 zeigt die Verwendung von Wasserstoff aus Biosynthesegas als Brennstoff für Brennstoffzellen;
Fig. 15 zeigt die Ammoniak Synthese mit nachfolgender Harnstoff-Produktion durch den Einsatz von Wasserstoff aus Biosynthesegas ; Fig. 16 zeigt einen möglichen Einsatz von Biosynthesegas als Brennstoff einer Gasturbinenanlage mit Abhitzenutzung und Wärmekraftkopplung;
Fig. 17 zeigt den Einsatz von Biosynthesegas als Brennstoff für Großmotoren zum Antrieb von Schiffen und zur Erzeugung von Strom;
Fig. 18 zeigt den Einsatz von Biosynthesegas als Brennstoff für Großmotoren zum Antrieb von Schiffen; Fig. 19 den Einsatz von Biosynthesegas als Brennstoff zur
Stromerzeugung und Wärmekraftkopplung mittels Dampferzeugung und Dampfturbinen-Prozess .
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen:
Es erfolgt eine Beschreibung der einzelnen Prozesse der modular aufgebauten Prozess-Routen zur Erzeugung von Energie, synthetischen Treibstoffen, Wasserstoff und Chemie-Produkten auf Basis Bio-Synthesegas, wie sie aus den Fig. Ia bis Ic ersichtlich sind.
Die Nutzung von Restgasen (Off-Gasen, Purge-Gasen) der Folgeprozesse (Down-Stream Prozessen) als Brennstoff für die Impulsbrenner wird im Folgenden diskutiert.
Die Ausführung der SPOT-Vergasungsanlage erlaubt den Einsatz der bei den innerhalb der im Folgenden beschriebenen Prozess- Routen entstehenden, heizwertreichen Off-Gasen, wie sie bei besagten Prozessen als Restgase oder Purge-Gase von Kreisläufen anfallen, als Brennstoff für das Impulsbrenner- System (Impulsbrenner und integrierte Pilotbrenner) einzusetzen.
Ergebnis dieser Maßnahme ist die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Prozessschritte und die optimale Nutzung des eingesetzten nachwachsenden Rohstoffes. Das heizwertreiche Off-Gas wird zur Erzeugung der notwendigen Reaktionswärme genutzt. Die Impulsbrenner und die integrierten Pilotbrenner sind zu diesem Zwecke mit mehreren unabhängigen Versorgungssträngen für die unterschiedlichen Brenngase und Abgase ausgerüstet. Durch diese Einbindung der Off- Gase werden die Prozesse zu einem integrierten Element des SPOT Vergasers, die Prozessschritte zu einer direkt unverwechselbar verbundenen Einheit. (siehe Fig. 2 Schaltungsvarianten Versorgung der Impulsbrenner mit Brenngas. Die technische Ausrüstung erlaubt für das Anfahren den
Normalbetrieb der Vergasungsanlage mit Bio-Synthesegas, Erdgas und Propan sowie den verschiedenen Abgasen der Folgeprozesse. Das Konzept erlaubt auch bei parallel geschalteten Vergasern das Anfahren mit Hilfe von Bio-Synthesegas aus den parallelen Vergasern .
Der Einsatz einer mechanischen Gasreinigung und Feinentstaubung mittels Multizyklon und Sintermetallfilter (Gaskonditionierung vor Verdichtung des Bio-Synthesegases in Turboverdichtern) ist dabei vorgesehen.
Es ist eine Verdichtung des Bio-Synthesegases erforderlich und in Folge aus thermodynamischen und maschinentechnischen Erfordernissen heraus die Abkühlung des Produktgases auf einen Temperaturbereich vorzugsweise unter 100°C erforderlich. In diesem Temperaturbereich kondensieren, insbesondere im Anfahrbetrieb, die in Spuren im Bio-Synthesegas vorhandenen kondensierbaren Kohlenwasserstoffe aus.
Das folgend beschriebene Konzept, die mechanische Reinigung des Bio-Synthesegases in der (Fig. 3) beschriebenen Prozessstufe und die Kühlung in der bevorzugt mit Öl, Bio- Diesel oder anderen geeigneten Wasch- und Kühlmedien betriebenen Prozessstufe gewährleistet die erforderliche Reinheit und die notwendige Kühlung. Das Konzept vermeidet dabei den Anfall technisch nicht nutzbarer Reststoffströme . Die mechanische Gasreinigung ist ein wichtiger Punkt der hierbei zu beachten ist. Die Abscheidung der Staubanteile des Bio-Synthesegases stellt besondere Anforderungen an die Abscheide-Einrichtungen, wegen des extrem feinen, kohlenstoffhaltigen Staubes. Im Rahmen des SPOT-Verfahrens erfolgt nach der Zwischenkühlung des Bio-Synthesegases auf vorzugsweise 250 bis 450 °C (Design 310°C) die Abkühlung auf Temperaturen zwischen vorzugsweise 1500C und 200 0C (Design 170 °C) und die mechanische Entstaubung in einem Multizyklon und einer nachgeschalteten Batterie von Sintermetallfiltern. (siehe Fig. 3 Konzept der Entstaubung beim SPOT-Verfahren) .
Die Kühlung des Gases kann wie in Fig. 3 dargestellt einstufig oder mehrstufig vor der Gasreinigung, teilweise vor dem Multizyklon, teilweise zwischen Multizyklon und Gasfiltern erfolgen. Diese Variationsmöglichkeiten erlauben flexibel auf charakteristische Anforderungen durch die nachgeschalteten Prozessstufen oder auf variierende Eigenschaften der Einsatzstoffe einzugehen.
Das Quenchen und die Gaskühlung zur Entfernung kondensierbarer Spurenanteile im Bio-Synthesegas (Gaskonditionierung vor Verdichtung des Bio-Synthesegases in Kolben - oder Turboverdichtern) ist ein weiterer Ansatz zur optimierten Nutzung des Systems. Nach der oben beschriebenen mechanischen Reinigungsstufe wird das Gas zweistufig durch Quench und durch direkte Gegenstromkühlung im Waschturm auf Temperaturen bevorzugt unter 100 0C gekühlt. Dieser zweistufige Prozess gliedert sich in die Verdunstungskühlung in der Quench, die mit Öl oder anderen geeigneten nicht wässrigen Medien betrieben wird, und der anschließenden Kühlung im Waschturm auf, wobei das Kühlmittel im Gegen-, Gleich-, oder Kreuzstrom geführt werden kann. Quenchen steht für eine Einspritzkühlung.
Das Gas wird in die Quench eingeleitet, wobei die Anströmung des Prozess-Apparates durch die Einbindung senkrecht von oben, seitlich oder von unten erfolgen kann. Im Quench-Teil dieses Prozesses erfolgt die Beaufschlagung des Gases mit dem Ouench- Medium, die Gaskühlung erfolgt hier durch Verdunstungskühlung. Danach wird das Gas in einer Kolonne mit inneren Einbauten und in direktem Kontakt mit dem Kühlmedium weiter gekühlt. Das in der Quench eingespritzte und das in der Wasch- und Kühlkolonne aufgegebene Kühlmittel sammelt sich in der Vorlage, die entweder als integrierter Teil der Kolonne oder als separater Behälter ausgeführt ist. Das im Prozess verbrauchte
Quench/Kühlmedium wird in dieser Vorlage nachgespeist.
Dieses Medium wird über einen Kühlkreislauf mittels Luftkühler und Wasserkühler geführt und der Waschkolonne zugeleitet. Neben der in Fig. 4 gezeigten exemplarischen Schaltung sind Varianten möglich, die die Trennung von Quench - und Wäschersumpf vorsehen. Durch Reihenschaltung zweier mit einem oder mit unterschiedlichen Kühlmedium beaufschlagte Wärmetauscher kann dieser Prozess den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.
Das Medium, das auf die Kühl/Waschkolonne aufgegeben wird, gelangt nach Passieren der Einbauten in den Sumpf. Aus diesem Sumpf erfolgt auch die Beaufschlagung der Quench mit Kühlmedium. Dieses Kühlsystem erlaubt die Kühlung des Pumpensumpfes durch Kreislaufführung dieses Stromes.
Die im Gas vorhandenen kondensierbaren organischen Anteile werden in dem beschriebenen Prozess gekühlt, abgeschieden und im Wasch/Kühlmedium angereichert. Durch einen nachgeschalteten Demister (Entnebler zur Entfernung von feinen Sprühnebeln) wird der Gasstrom von anhaftendem, mitgerissenem Wasch/Kühlmedium befreit. Das Gas hat dabei durch diesen Prozess das für die nachfolgenden Prozessstufen erforderliche Temperaturniveau .
In der Vorlage dieser Stufe, d.h. im Wasch/Kühlmedium reichern sich die ausgewaschenen Anteile an Kohlenwasserstoffen und anderen Verunreinigungen an, zur Begrenzung der maximalen
Konzentration muss ein Teilstrom aus diesem Kreislauf abgestoßen werden. Dieser Purge-Strom wird zurückgeführt und im Vergaser zusammen mit den Einsatzstoffen zu Bio-Synthesegas umgesetzt.
Das staub- und kondensatfreie Gas wird der Verdichtungsstufe zugeführt . (siehe Fig. 4 Fließbild-Gaskonditionierung durch Quench mit
Kühlung)
Daraufhin erfolgt eine Gasverdichtung auf die für die Folgeprozesse notwendigen Druckstufen. Die Verdichtung der
Prozessstufen richtet sich nach den Anforderungen der nachfolgenden Prozesse und wird dann erforderlich, wenn der
Prozessdruck dieser nachfolgenden Prozessstufe über dem der
Vergasung liegt, es handelt sich damit um Prozesse mit separater Verdichtung. Diese Stufe kann direkt in die
Prozessstufe integriert oder separat ausgeführt werden. Im
Einzelnen lassen sich diese Prozesse wie folgt beschreiben:
•Folgeprozesse auf dem Druckniveau der Vergasungseinheit: Drucklose und nahe atmosphärische Prozesse, wie die Verbrennung des Produktgases in Kesseln oder die Feuerung von Industrieöfen (z.B. Drehrohröfen zur Herstellung von gebranntem Kalk, Zementöfen etc.)
•Folgeprozesse mit erhöhtem Druck
•Prozesse mit integrierten Verdichtern (z.B. Turboladern) Als Beispiel sei hier der Einsatz des Bio-Synthesegases in Großmotoren angezeigt, wie sie zum Beispiel als Zweitaktmaschinen dem Antrieb großer Schiffe (Motorengröße zur Zeit bis etwa 100 MW mechanisch) dienen.
•Prozesse mit externer Verdichtung, um den Synthesegasvordruck auf die für die nachfolgenden Prozesse notwendigen Reaktionsdruck zu heben. Hierzu zählen neben dem erwähnten Einsatz in Gasturbinenanlagen der Einsatz in Syntheseanlagen, die im Regelfall bei einem Druckniveau im Bereich 20 bis 30 bar a betrieben werden Die Fig. 5 zeigt ein Fließbild mit Verdichtungsstufe. Die eigentliche Verdichtung wird entweder als integrierte Stufe der nachgeschalteten Wärmekraftmaschine (Großmotor, Turbolader) als integrierte Verdichtungsstufe in Gasturbinenanlagen, als eigene Stufe oder in einer Mischform ausgeführt. Abhängig von der Gasmenge und der Gesamtschaltung werden entweder Strömungs-Maschinen (Turboverdichter) oder Kolbenverdichter (bevorzugt Roots-Verdichter) eingesetzt.
Ein weiterer Aspekt ist die Produktion von Einsatzstoffen zur
Energieerzeugung (Wasserstoff) , synthetischen Treibstoffen und
Chemie-Produkten über direkte Synthese oder mit Methanol als Zwischenstufe . Im Folgenden werden die Prozesse für die Synthese von Benzin über die Methanol-Route und von Diesel über die Fischer- Tropsch-Route, die Erzeugung von H2 auf Basis Bio-Synthesegas sowie weitere Routen zur Erzeugung von chemischen Produkten beschrieben. Neben der CO-Konvertierung (Crude-Gas-Shift-Reaktion) , der Gaswäsche umfassen die Prozess-Routen jeweils die gesamte Gaserzeugung nach dem SPOT-Verfahren mit den Reinigungsstufen und der Verdichtung. Die folgenden Beschreibungen konzentrieren sich im Sinne einer modularen Betrachtungsweise auf die jeweiligen Kernprozesse. In Fig. 1 ist ein Überblick über die diskutierten Routen gegeben.
Bei der CO-Shift-Reaktion zur Konvertierung des CO zu H2 erfolgt eine Anpassung des H2/CO Verhältnisses des Bio- Synthesegases an die Erfordernisse des Folgeprozesses.
Das technische Bio-Synthesegas wird nach Konditionierung, Verdichtung durch Umsetzung eines Anteils des im Gas enthaltenen CO mit Wasser zu H2 und CO2 (homogene Wassergasreaktion) an Katalysatorsystemen, z.B. Eisenoxid- Chromoxid-Katalysatoren oder gleichwertige Katalysatorsysteme, umgesetzt. Diese Konvertierung, die sogenannte Rohgaskonvertierung (Crude-Gas-Shift-Reaktion) , hat den Vorteil, dass der im Synthesegas enthaltene Wasserdampf als Reaktionspartner zur Verfügung steht und eine Sättigung des
Gases entfällt. Abhängig vom Katalysatorsystem arbeitet der Prozess im Bereich von 200°C bis 500°C. Bei geeigneter Wahl von Reaktionsbedingungen und dem Katalysatorsystem lassen sich sehr geringe Rest CO-Gehalte erzielen.
Zur Erzeugung von H2 aus den CO-Anteilen des Bio-Synthesegases wird der gesamte Synthesegasstrom behandelt, zur Erzeugung von Methanol oder Kohlenwasserstoffen nach der Fischer-Tropsch- Synthese wird zur Einstellung eines bestimmten CO/H2 Anteils lediglich ein Teilstrom des Bio-Synthesegas konvertiert.
Ein besonderes Kennzeichen der hier beschriebenen Prozess- Route ist die Möglichkeit über die Anpassung der Betriebsparameter des SPOT-Verfahrens über deren Reaktionsführung das H2 zu CO Verhältnis so zu beeinflussen, dass der zu konvertierende Anteil des Gasstromes minimiert wird.
Die Fig. 7 zeigt die Schaltungen der CO-Shift Verfahren/Prozesse, vollständige Shift- oder partielle Shift- Reaktion. Die Gasreinigung durch physikalische Wäsche (Rectisol) ist ein weiterer Prozessschritt.
Das Bio-Synthesegas, wie es die Konditionierung und Verdichtungsstufe der nach dem SPOT-Verfahren arbeitenden Anlage und die Crude-Shift-Reaktion verlässt, bedarf vor der weiteren Verarbeitung zu H2 , Treibstoffen oder Chemie- Produkten eine an die Anforderung der nachgeschalteten Anlagen angepasste Gasreinigung. Hier spielt insbesondere die Entfernung von Katalysatorgiften und die Einstellung der Stöchiometrie der Reaktionen als Grundlage für die Anforderungen an das Einsatzgas die entscheidende Rolle. Als typischen Vertreter von Prozesseinheiten zur Reinigung von Gasen für die genannten Zwecke wird beispielhaft das Rectisol Verfahren zur physikalischen Wäsche aufgeführt. Diese Verfahren arbeiten nach dem Absorptionsprinzip.
Hauptelemente des Prozesses sind der Absorber (Waschturm) und die Regeneratoren. Im Absorber werden die störenden Gasbestandteile im Gegenstrom ausgewaschen und, die Waschflüssigkeit damit beladen. Im Regenerator werden diese Stoffe von der Waschflüssigkeit abgetrennt. Das Eluat wird im Kreislauf geführt und die abgetrennten Produkte werden weiterverarbeitet .
Im folgenden wird das Rectisol Verfahren beschrieben. Mit Hilfe dieses Waschverfahrens lässt sich eine Totalreinigung von Synthesegas durchführen. Als Absorbens dient dabei
Methanol. Die Entfernung von Schwefelwasserstoff, organischen
Schwefelverbindungen, CO2 (Kohlendioxid) , Ammoniak, Blausäure,
Harzbilder, höhere Kohlenwasserstoffe (Rohbenzin, Rohbenzol, Eisen- und Metallcarbonyle) und Wasser lassen sich in dieser einen Prozessstufe durchführen. Das unter Mitteldruck von 5 bis 40 bar ü stehende Rohgas wird bei Temperaturen zwischen
+100C und -800C mit Methanol ausgewaschen. Das beladene
Methanol wird durch Entspannen, Evakuieren und Erhitzen regeneriert und anschließend wiederverwendet.
Das Produkt dieser Stufe ist ein Gas mit Synthesereinheit für nachgeschaltete Prozesse wie die Methanolsynthese, die Ammoniaksynthese oder das Hydro-Cracking-Verfahren. Abhängig von der Zusammensetzung des Rohgases fallen als Nebenprodukte Rohbenzin, reines CO2 (z.B. für die HarnstoffSynthese) und H2S reiches Gas an.
Die Fig. 8 zeigt ein Gasreinigungsverfahren zur Einstellung von Synthesereinheit des Bio-Synthesegases . Ein weiterer Aspekt ist die Erzeugung von Methanol als Treibstoff und Rohstoff für chemische Produkte.
Das gereinigte und durch Konvertierung eines Teilstromes auf ein H2/CO - Verhältnis von 2 eingestellte und auf 20 bis 25 bar ü verdichtete Bio-Synthesegas wird im Methanolprozess zu Methanol umgesetzt. Als Prozessroute wird hier das weltweit führende Niederdruckverfahren gewählt. Das katalytische
Verfahren arbeitet mit Kreislaufgas zur Steuerung der Reaktionsbedingungen und zur Einstellung der Reaktionstemperatur der stark exothermen Reaktionen. Als Nebenprodukte entstehen Dampf (Abfuhr der Reaktionswärme) und ein Off-Gas. Der Dampf wird zur Versorgung des Prozesses mit elektrischer Energie als Energieträger zur Verdichtung des Bio-Synthesegases eingesetzt, das Off-Gas wird innerhalb der SPOT - Vergasungsprozesses zur Erzeugung der Reaktionswärme des endothermen Prozesses eingesetzt; die Prozess Route wird damit zu einem integrierten Prozess. Die spezifischen Vorteile der skizzierten Prozesskette, mit bedingt durch den Einsatz der Wasserstoffreichen nachwachsenden Rohstoffe, liegt in der hohen stofflichen Umsetzung. Als Ergebnis bleibt festzuhalten, dass aus 100 to nachwachsenden Rohstoffen 27 to Methanol erzeugt werden können.
Die Fig. 9 zeigt die Methanolsynthese aus Bio-Synthesegas, Gas wurde über die vorgeschalteten Stufen für die Synthese konditioniert, es ist lediglich der reine MeOH Prozess dargestellt.
Ferner kann eine Weiterverarbeitung des Methanols zu Chemieprodukten erfolgen.
Über die Zwischenstufe des Methanols, der für sich alleine gewonnen ein vorzüglicher Treibstoff ist, steht die Palette der Produktionsverfahren zur Erzeugung der Benzine offen. Weitere Synthesen aus dem Bereich der organischen Chemie betonen auch die Rolle dieser Substanz als Zwischenprodukt.
Fig. 10 zeigt die Nutzung von Methanol aus Bio-Synthesegas als Basis weiterer synthetischer Treibstoffe und als Chemie- Rohstoff mit seinen Folgeprodukten.
Die Fischer-Tropsch-Synthese zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen ist eine weitere Alternative. Im Folgenden wird die Erzeugung von Diesel über die Fischer-
Tropsch-Route beschrieben.
Das konditionierte und bezüglich dem CO/H2 und CO2 Restgehalt auf die notwendigen Eingangsbedingungen der Fischer-Tropsch- Synthese eingestellte Gas wird in der katalytischen Fischer- Tropsch-Synthese zu Kohlenwasserstoff umgesetzt. Die am Feststoffkatalysator erfolgende Reaktion läuft im Temperaturbereiche zwischen 200 °C und 3500C ab und bei Drücken zwischen 20 und 30 bar ü. Reaktionsgleichungen hierfür sind: nCO + (2n+l)H2 ==== CnH(2n+2) + nH2O Parrafinen nCO + (2n)H2 ==== CnH(2n+2) + nH2O Olefinen nCO + (2n)H2 ==== CnH(2n+l)OH + (n-l)H2O Alkoholen
Aktuelle Entwicklungen zielen darauf ab, auch das im Synthesegas vorhandene CO2 mit H2 zu Methanol umzusetzen.
Das Produktgas des Fischer-Tropsch-Prozesses fällt als Gemisch an und wird im Regelfall in einem Hydro-Cracker / Produktion Diesel mit höchstem Cetan verarbeitet.
Das Fischer Tropsch Verfahren liefert neben Diesel (Treibstoff) , Naphtha (Chemie- Benzin) Flüssiggas auch Wachse (oligomere Kohlenwasserstoffe) .
Die Fig. 11 beschreibt die Fischer Tropsch Synthese aus Bio- Synthesegas als Basis für synthetischer Treibstoffe und als Chemie-Rohstoff mit seinen Folgeprodukten. Dies kann durch Erzeugung oder direkte Abtrennung oder nach vollständiger Shift-Reaktion erfolgen.
Im Folgenden wird die Erzeugung von H2 durch vollständige Shift-Reaktion beschrieben. H2 in reiner Form lässt sich aus Bio-Synthesegas über die beschriebenen Prozessstufen erhalten. Das als Nebenprodukt bei der Shift Reaktion anfallende CO2 wird im nachfolgenden Gasreinigungsprozess (z.B. Rectisol- Prozess) getrennt. Im Grunde bieten sich hier drei unterschiedliche Prozesse an:
•H2 (rein) Erzeugung durch Abrennen des CO2 mittels Gaswäsche (z.B. Heiß-pottasche-Wäsche)
•H2 (rein) Erzeugung durch Abtrennung des H2 aus dem Gasstrom nach der Shift-Reaktion durch PSA (Pressure Swing Adsorption)
•H2 (rein) Erzeugung durch Abtrennung des H2 aus dem Gasstrom nach der Shift-Reaktion durch PSA (Pressure Swing Adsorption oder Druckwechseladsorption)
Die Fig. 12 zeigt die Erzeugung von Wasserstoff (H2) aus Bio- Synthesegas, durch Zerlegung mittels Gaswäsche, Druckwechseladsorption oder Tieftemperatur Zerlegung.
Die Einsatzmöglichkeiten des Wasserstoffs auf der Basis Bio- Synthesegas sind vielfältig. Neben dem Einsatz in Brennstoffzellen zur direkten Erzeugung von Strom kann der Wasserstoff direkt zur Synthese z.B. von Ammoniak und als Zwischenprodukt für eine Vielzahl von chemischen Synthesen eingesetzt werden.
Fig. 12 zeigt verschiedene Prozess-Routen zur Wasserstofferzeugung aus Bio-Synthesegas, und Fig. 13 gibt einen Ausschnitt der Möglichkeiten zum Einsatz von diesem Gas als Reaktionspartner in chemischen Synthesen.
Ein weiterer Aspekt ist der Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Die Fig. 14 zeigt den Einsatz des aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugten Wasserstoffes als Brennstoff in
Brennstoffzellen zu Erzeugung von elektrischer Energie. Die
Prozesswärme, die beim Brennstoffzellen Prozess entsteht, wird über einen Wasser/Dampf-Prozess zur Erzeugung von Strom mittels Dampfturbine und Generator genutzt, wobei die Möglichkeit besteht, durch Auskopplung von Wärme aus dem
Dampfturbinenprozess , eine Kraft-Wärme-Kopplung mit der
Erhöhung des Wirkungsgrades einzusetzen. Ein weiterer Prozessschritt kann die Nutzung von Ammoniak auf der Basis des Bio-Synthesegases (Wasserstofferzeugung) sein und Umsetzung zu Ammoniak sowie Weiterverarbeitung durch Addition von CO2 zu Harnstoff.
Wasserstoff wird nach der Konvertierung in einer katalytischen Hochdruckreaktion mit dem aus einer Luftzerlegung stammenden Stickstoff zu Ammoniak umgesetzt. Im Fig. 15 ist dieser Prozess dargestellt. In einer Folgereaktion kann das erzeugte Ammoniak mit dem in der Gasreinigungsstufe anfallenden CO2 zu Harnstoff weiterverarbeitet werden.
Erzeugung von elektrischer Energie mittels thermodynamischer Prozesse mit Bio-Synthesegas als Brennstoff. Neben der direkten Erzeugung von Strom über die Brennstoffzelle lässt sich elektrische Energie auf der Basis von Bio-Synthesegas über die klassischen thermo-dynamischen Prozesse erzeugen. Diese klassischen Routen umfassen die Erzeugung von Dampf in einem Gaskessel sowie die Nutzung des dadurch erzeugten Wasserdampfes in der Dampfturbine und den Einsatz des Gases in der Gasturbine in Form eines kombinierten Prozess. Dabei wird die elektrische Energie einmal direkt durch den von der Gasturbine angetriebenen Generator erzeugt und die Abwärme der Verbrennungsgase dieser Turbine zur Dampferzeugung genutzt. Die Umformung des so erzeugten Dampfes zu elektrischer Energie erfolgt mittels Dampfturbine und Generator.
Neben diesen Prozessen bietet sich der Einsatz des Bio- Synthesegases als Brennstoff für Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung an. Diese Maschinen, die als Zweittakt- Dieselmaschinen z.B. im Bereich des Antriebes von Schiffen eingesetzt werden, sind heute mit Leistungen von 100 MW Stand der Technik.
Das technische Bio-Synthesegas, wie es nach der Konditionierung vor oder nach der Verdichtungsstufe anfällt, kann direkt ohne weitere Aufarbeitung als Brenngas eingesetzt werden. Abhängig von diesen Verbrauchern, wie z.B. Kesselanlagen oder als Industrieöfen (Kalkdrehrohröfen) , besteht darüber hinaus die Möglichkeit, den Konditionierungsprozess weiter zu vereinfachen.
Ein weiterer Aspekt ist die Erzeugung elektrischer Energie mittels Gasturbine oder Dampfturbinenprozess mit Wärmekraftkopplung . Dieser Prozessweg entspricht dem klassischen GUD-Prozess (Gas und Dampf) . Charakterisiert wird dieser Prozesstyp durch die Nutzung des Wirkungsgradvorteils aufgrund des Temperaturarbeitspunkts der Gasturbine und der Abwärmenutzung, wobei die sich durch Nachfeuerung an ihrem optimalen Punkt betreiben lässt. (Arbeitstemperatur Gasturbine bis 1500 0C, Dampfturbine größer 600 0C bei überkritischer Anwendung, ansonsten im Bereich um 5000C) .
Die Fig. 18 zeigt den Einsatz des Bio-Synthesegases als chemische Energiequelle zur Erzeugung elektrischer Energie in der Gasturbine als Wärmekraftmaschine.
Ein weiterer Aspekt ist die Erzeugung von mechanischer Energie durch Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung zum Antrieb von Großmaschinen, Schiffen und zur Erzeugung von elektrischer Energie . Einsatz des konditionierten Gases in Kraftmaschinen
(Strömungs- oder Kolbenmaschinen) mit innerer Verbrennung zur
Erzeugung von mechanischer Energie (im Falle von
Antriebsmaschinen z.B. Schiffsantriebe) oder der Erzeugung von elektrischer Energie. Die Erfindung umfasst ausdrücklich auch die Nutzung der Abwärme der Verbrennungsprozesse im Abhitzekessel. Das technische Synthesegas wird aus der Kühlung /Feinentstaubung (integrierter Teil des SPOT-Verfahrens) direkt dem/n Turbolader (n) des Großmotors zugeleitet. In diesen Wärmekraftmaschinen findet die Umsetzung des Gases und die Umwandlung in mechanische Energie mit Wirkungsgraden von ca. 55 % statt. Integriert in dieses System ist ein Abhitzenutzung, in die auch die Abgase der Impulsbrenner eingekoppelt werden.
Die Fig. 19 zeigt den Einsatz des Bio-Synthesegases als chemische Energiequelle zur Erzeugung mechanischer Energie in Wärmekraftmaschinen mit interner Verbrennung zum Antrieb von Schiffen und anderen Großmaschinen sowie zur Stromerzeugung. Ein weiterer Ansatz ist der Einsatz des Bio-Synthesegases als chemische Energiequelle mit Hilfe des Wasser/Dampfprozesses und der Dampfturbine als Wärmekraftmaschine und Wärmekraftkopplung.
Die einfachste Form der Konversion des Bio-Synthesegases in elektrische Energie ist die Verwendung als Feuer für einen Kessel (parallel Industrieofen Nutzung, 1. Teil).
Führt man diese Brennstelle als Kessel aus, erfolgt über einen Wasser/Dampf-Prozess die Nutzung der Wärmemenge in einer Wärmekraftmaschine mit Dampf als Arbeitsmedium (thermodynamischer Rankine Prozess). Die Verknüpfung von Vergasung und Kessel erfolgt sowohl über den Bio- Synthesegasteil und auch über die Nutzung der Wärme der Rauchgase des Impulsbrenners im Kessel. Ein Schema dieses Prozesses zeigt Fig. 19.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Energie, Treibstoffen und/oder chemischen Rohstoffen, umfassend die Schritte:
- Allothermes Wasserdampfvergasen von nachwachsenden Rohstoffen und/oder von Restgasen der Folgeprozesse durch einen Impulsbrenner;
- Gasreinigung; - Gaskühlung;
- Gasverdichtung auf die für die Folgeprozesse durch Druckstufe
- Shift Reaktion zur Konvertierung des CO zu H2, Anpassung des H2/CO Verhältnisses des rohen Bio- Synthesegases an die Erfordernisse des/der
- Gasreinigung, Entfernung von Spurenstoffen, die Katalysatorgifte für die nachfolgenden Prozessstufen sind; beispielhaft beschrieben nach dem Rectisol-Prozess
- Erzeugung eines oder mehrerer der folgenden Produkte: Methanolsynthese zur Erzeugung von Methanaol als
Treibstoff und Rohstoff für chemische Produkte und Treibstoff ; Fischer-Tropsch-Synthese und Aufarbeitung der Produkte zu Treibstoff; Erzeugung von H2 auf der Basis des Bio-Synthesegas .
2. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend,
- die Erzeugung von Ammoniak auf der Basis des H2 des Bio-Synthesegases,
- Umsetzung des Ammoniak durch Addition an CO2 zu Harnstoff und anderen Produkten.
3. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasreinigung eine mechanische Gasreinigung und/oder Feinstentstaubung umfasst.
4. Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wasserstoff in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt wird.
5. Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Abwärmenutzung mittels Dampfturbinenprozess erfolgt .
6. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasreinigung eine mechanische Gasreinigung und/oder Feinstentstaubung umfasst.
7. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Gas-Quench.
8. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaskühlung kombiniert wird mit einer Entfernung kondensierbarer Spurenanteile im Bio- Synthesegas.
9. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrischer Energie durch Verbrennung des Bio-Synthesegases in einem oder mehreren der folgenden Systeme erzeugt wird: - in der Brennkammer einer Gasturbine, Abhitzenutzung und Wärmekraftkopplung; Erzeugung von Strom und Nutzwärme; - in einem Kessel zur Dampferzeugung, Nutzung des Dampfes durch Dampfturbine und Wärmekraftkopplung, Erzeugung von Strom und Nutzwärme; - in dem Gasmotor zur Erzeugung von mechanischer Energie (Antrieb z.B. von Schiffen)
Erzeugung von Strom mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung einschließlich Nutzung der Restwärme der Rauchgase durch einen nachgeschalteten Dampfturbinen-Prozess .
10. Verwendung der nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche erzeugten Ausgangsprodukte zum Antrieb eines Schiffmotors .
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