WO2010015316A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von synthesegas aus biomasse - Google Patents

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WO2010015316A2
WO2010015316A2 PCT/EP2009/005153 EP2009005153W WO2010015316A2 WO 2010015316 A2 WO2010015316 A2 WO 2010015316A2 EP 2009005153 W EP2009005153 W EP 2009005153W WO 2010015316 A2 WO2010015316 A2 WO 2010015316A2
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activated carbon
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    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the production of synthesis gas by gasification of, in particular, biomass.
  • Biomass comprises all the mass of organic matter that has been biochemically synthesized.
  • solid ingredients such as wood, straw, animal meal, reeds, biowaste, brewery waste such as spent grains or yeast, as well as liquid ingredients such as vegetable or animal oils, or even plastics.
  • Synthesis gas is a name for a gas mixture consisting mainly of CO and H 2 , which can be used as starting material for various industrial processes.
  • Synthesis gas is also used in particular for the production of hydrogen, which is used, for example, as an energy source for hydrogen-based fuels, for example for operating a fuel cell.
  • the biomass gasification industry is playing an increasingly important role in gaining liquid fuels from renewable raw materials ("biomass to liquid") .
  • the synthesis gas can be converted into the desired fuels in subsequent process steps.
  • the prior art describes various possibilities for purifying the synthesis gas of tar or other particles.
  • the purification is done by cyclones or multicyclones. These are centrifugal separators, in which the particles are physically separated by the acting centrifugal force. Furthermore, a physical cleaning process via additional hot gas filters or scrubbers with different media is possible.
  • An alternative method is in principle to cool the synthesis gas in a gas cooler or a condenser, which condenses existing in the synthesis gas, excess water vapor, and thereby washed out remaining amounts of pollutants such as dust or tars / condensed.
  • processes are also used in the prior art which break up remaining tars into short-chain molecular structures.
  • thermal crackers which operate in the range of about 800 to 1400 c C. and, by supplying oxygen and / or air, chemically decompose the tars still present into short-chain molecular structures.
  • catalytically removing residual amounts of particles in the ppm range via, for example, oxidation catalysts there is the possibility of catalytically removing residual amounts of particles in the ppm range via, for example, oxidation catalysts.
  • all of these prior art methods and devices are cumbersome and complicated. This results in high plant costs, large plant dimensions, and low plant efficiency.
  • the object of the present invention is to provide a simplified, efficient, and cost-effective method for producing synthesis gas, in particular biomass, which reduces the tar and / or particle content of the synthesis gas.
  • Another object of the invention is to provide a device for carrying out a gasification process for producing synthesis gas from in particular biomass, which reduces the tar and / or particulate content of the synthesis gas, wherein the inventive device has a compact and simplified structure compared to conventional devices.
  • An embodiment of the method according to the invention is characterized in that the tar content can be reduced by filtering with activated carbon in the gasifier.
  • This has the advantage that tar and / or dust particles are already separated from the synthesis gas during the gasification process and within the gasifier. As a result, a simplified, efficient and cost-effective method is possible since Subsequent separation is no longer necessary or only to a limited extent.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the pressure in the gasifier is adjustable.
  • the tar reduction can be influenced with activated carbon.
  • process parameters such as the gas pressure in the carburetor thus the activity of the activated carbon can be optimized.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the activated carbon is generated within the gasification process in the gasifier from the biomass.
  • the production of the activated carbon directly within the process and its use as a filter material has the advantage that other, additional separation measures or materials are no longer needed, or only to a limited extent, and so the process can be simplified, operated inexpensively and effectively.
  • the activated carbon within the carburetor in particular via a screw device, be mechanically rearranged, so that the activated carbon is transported by the switching in areas of the carburetor on which the filter property can be preferably carried out, and so a particularly effective filtering action takes place.
  • a further preferred embodiment of the method is characterized in that it comprises the following steps: removal of filter material, in particular activated carbon and addition of the removed filter material, in particular activated carbon, at another point of the carburetor.
  • a particularly preferred embodiment includes that the removed filter material is additionally activated, which has a particularly effective filtering effect.
  • the redistribution or the removal / addition can be done in such a way that the activated carbon or the precursor of the filter material within the carburetor from its place of origin or removal in the lower part of the biomass, upwards, ie in the direction of from Biomass exiting pyrolysis or synthesis gas, moved or added again. As a result, a particularly effective filtering effect can be achieved.
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that a filter material, in particular activated carbon, is added from outside during the charging of the gasifier with biomass.
  • a filter material in particular activated carbon
  • the addition of activated carbon to the biomass from the outside directly into the gasifier has the advantage that the process can be operated in a simplified, effective and cost-effective manner, since downstream filter devices are omitted or only required to a reduced extent.
  • the addition of the removed filter material, or a separate filter material obtained elsewhere, can also take place according to the invention in an upstream biomass supply unit, in particular in the biomass hopper or in the feed screw.
  • Another embodiment of the method according to the invention involves moistening and / or leaching the biomass inside or outside the gasifier in order to effect condensation of the tar constituents (inter alia hydrocarbon mixtures) in the synthesis gas already within the gasifier.
  • the condensed tar and / or dust particles are returned to the gasification process, resulting in higher efficiency and a cost effective process.
  • the moistening and / or leaching can take place via the introduction via one or more nozzles. These can in particular be arranged above the biomass, and / or the distributor can be equipped with one or more nozzles.
  • the moistening and / or leaching can preferably be carried out with water and / or oil, for example rapeseed oil, and / or waxes as humectant, which effect a particularly effective and cost-effective separation of tar and / or dust particles from the synthesis gas.
  • the moistening and / or leaching agent can also be added to the biomass during the charging of the carburettor.
  • the humidifying agent may have an evaporation temperature above the temperature range within which tar may form. If the humectant is added in a region of the carburetor in which the temperature is somewhat, in particular 10 to 20 0 C above the tar formation region can be kept small by the energy removal occurring during evaporation of the area in which tar can arise, which in turn the amount of tar , which can arise in the carburetor, can be kept low.
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the biomass is separated into coarse and fine components before the carburetor is charged, and then the different constituents are alternately arranged in several layers in the carburetor.
  • a uniform flow through the carburettor is achieved, and prevents or at least reduces the formation of nests, breakthroughs, channel flows or core flows.
  • the different layers ensure that the hot gases are evenly distributed over the carburetor cross section.
  • a uniform gasification of biomass is ensured within the carburetor. This avoids the formation of regions with different temperature effects, which in turn lead to fluctuating gas qualities and thus to increased tar formation.
  • a related preferred embodiment of the method involves the layer structure being designed so that the layers have a different thickness, in particular in such a way that the coarse constituents of the biomass form thicker layers and the fine constituents thinner layers. This leads to a uniform flow through the carburetor and uniform gasification of the biomass, which allows a particularly effective method.
  • the layer structure can also be designed such that the layers have a different thickness, in particular in such a way that the coarse constituents of the biomass form thin layers and the fine constituents form thick layers. This also leads to a uniform flow through the carburetor and uniform gasification of the biomass, which allows a particularly effective method.
  • an electrostatic precipitator may be provided within the gasifier. This can filter out tar and / or other particles from the resulting synthesis gas directly inside the carburetor and immediately return the biomass for further reaction.
  • the apparatus for producing synthesis gas by gasification of particular biomass comprises a gasifier, and a means for reducing the tar and / or particle content in the synthesis gas, wherein the means is disposed within the carburetor.
  • a preferred embodiment of the device is characterized in that the means comprises a shuffling device, in particular a screw device, for mechanically shifting the biomass, so that activated carbon, which has arisen during the gasification process or was added to the carburetor, into areas of the carburetor is transported, on which the filtering process or the filter process is preferably from equip, and so takes place an effective filtering action.
  • a shuffling device in particular a screw device
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the carburettor has a removal opening for removal in the carburetor formed filter material and a feed opening for the supply of the removed filter material at another location, so that activated carbon, which is formed within the gasification process, or was added to the charge of the carburetor, removed, and can be added at another location, so that an effective filtering action takes place.
  • the means is designed so that the redistribution and / or the removal / re-addition takes place in such a way that the activated carbon within the gasifier from the source in the direction of emerging from the biomass pyrolysis or synthesis gas is rearranged, and so a particularly effective filtering effect allows.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the gasifier comprises a means for humidifying and / or leaching the biomass within the gasifier. By adding the humectant, the biomass is washed out. This results in an effective and cost-effective separation of the tar and / or dust particles from the synthesis gas already within the carburetor, since they are entrained by the condensation and / leaching, and are thus removed from the synthesis gas.
  • the gasifier comprises a means for regulating the gas pressure within the gasifier.
  • the effectiveness of the tar reduction with activated carbon can be influenced. Through this targeted adjustment of process parameters such as the gas pressure in the carburetor, the activity of the activated carbon can be optimized.
  • Inventive embodiments of the device are defined in the appended subclaims. These can be used individually or in combination.
  • an electrostatic precipitator may be arranged inside the carburettor. As a result, tar and / or other particles are filtered out of the synthesis gas within the gasifier.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of the inventive method within a device according to the invention in a preferred embodiment as a cylindrical countercurrent flat bed gasifier.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment of the device according to the invention, in which a mechanical rearrangement via a screw device takes place.
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a preferred embodiment of the device according to the invention, comprising a removal device for removal of biomass, in particular a precursor of filter material, and an adding device, in particular for the addition of filter material.
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a preferred embodiment of the device according to the invention, in which the gasifier has a device for moistening the biomass.
  • Figure 5 is a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment of the process according to the invention, in which the biomass is separated into coarse and fine components before charging the carburettor, and then the different components are alternately arranged in several layers in the carburetor.
  • Figure 6 is a schematic cross-sectional view according to a fifth embodiment of the invention, in which the carburetor comprises an electrostatic precipitator.
  • the process according to the invention can be operated autothermothermally, allothermally or as a mixed form.
  • autothermal process some of the starting materials are burned with the aid of air and / or oxygen to provide the energy needed during gasification.
  • the allothermal process the required gasification energy is supplied from the outside. This has the advantage that no loss of raw material through combustion occurs, and therefore a higher syngas yield is achieved.
  • a gasifying agent and energy supplier is in particular heated water vapor and / or carbon dioxide.
  • An advantage of allothermal gasification with water vapor is that the hydrogen content within the resulting synthesis gas is substantially increased compared to autothermal gasification.
  • the process of the invention is preferably operated allothermally, i. the conversion of the biomass into synthesis gas takes place with steam and / or carbon dioxide at elevated temperatures by providing the required energy from outside via hot steam and / or carbon dioxide.
  • the hot steam or the hot carbon dioxide is introduced from the outside into the carburetor.
  • the pressure in the carburetor is not limited according to the invention.
  • the required oxygen either in the form of air, is already present in the biomass and / or may optionally be additionally metered into the gasifier from outside at a suitable location, preferably at the same point as the hot steam / carbon dioxide.
  • Air and / or oxygen must be added if the introduced by the gases introduced into the system thermal energy is insufficient, and / or too little carbon monoxide is formed.
  • the addition of pure oxygen is preferred over air because the air-nitrogen changes the composition of the resulting synthesis gas, or undergoes side reactions with the synthesis gas components, costs energy, and is undesirable in the subsequent process steps.
  • the method is suitable for all types of devices, e.g. Fluid bed, rotary bed or fixed bed gasifier applicable, as well as in the DC principle or countercurrent principle applicable.
  • the process can be operated as a batch process or as a continuous process. Continuous processes are preferred according to the invention. In this case, after the feed, i. the filling of the gasifier with biomass, prior to the start of the gasification reaction, a continuous or incremental addition of new biomass, so that the level of the gasifier with the progress of the gasification reaction remains approximately the same.
  • the apparatus for producing synthesis gas by gasification of biomass comprises a gasifier and includes measures, the tar content in the synthesis gas, in such a way that tar reduction already takes place inside the gasifier.
  • Carburettor 1 is a countercurrent fixed-bed gasifier with gas inlet opening 2 and gas outlet opening 3 and opening 3 'for filling with biomass 6'.
  • the level of the biomass 6 ranges from zone A to D.
  • the gasifier contains a grate 4 in the lower part of the carburetor for collecting the biomass, and a distributor 5 at the top of the carburetor to compensate for the biomass.
  • hot steam and / or CO 2 and optionally oxygen and / or air (or a combination thereof) is introduced as a gasification agent in the gasifier.
  • decomposition causes a mass flow of the biomass downwards in the direction of grate 4.
  • the arrows symbolize the gas flow direction or the (bio) mass flow direction.
  • gasification synthesis gas 9 which escapes through the gas outlet opening 3 from the carburetor 1.
  • ash 8 ' which is discharged through the ash outlet 8 from the carburetor 1.
  • composition of the resulting synthesis gas mixture is determined in particular via the steam temperature, and / or the residence time, and / or the flow rate, and / or the biomass layer height, and / or the gas pressure within the gasifier, and / or via the water vapor / oxygen ratio, and / or determined via the amount of water vapor / oxygen and / or the location of the metered addition of the respective components.
  • Other parameters are the type and / or the amount of the supplied condensing agent.
  • biomass is preferably added anew during the process. This can be done both continuously and step by step.
  • the amount or the speed of the biomass to be added is to be selected such that the fill level of the biomass 6 in the gasifier 1 remains approximately the same during the reaction. This ensures that the composition of the synthesis gas remains approximately the same during the course of the reaction.
  • the gasification process of biomass can be subdivided into four sub-steps.
  • zone A the first stage
  • the biomass is pyrolyzed at temperatures of about 200 to 600 0 C under extensive exclusion of oxygen.
  • the macromolecular constituents of the biomass are broken down into different, low-molecular constituents.
  • tar formation is also increasingly occurring.
  • Zone C can lead to the formation of coal or activated carbon.
  • Zone D takes place, in the case of an autothermal or teilautothermen reaction sequence, a partial combustion, ie oxidation of carbon and hydrogen, at temperatures of about 95O 0 C to 1300 ° C in an exothermic reaction.
  • energy is generated in order to better heat losses of the reactor to be able to compensate.
  • part of the biomass is burned. This produces carbon monoxide and carbon dioxide.
  • a first embodiment of the method according to the invention is characterized in that the tar content is reduced by filtering with activated carbon in the gasifier.
  • the tar, hydrocarbons and / or dust particles are retained by adsorption on the surface of the activated carbon and do not get into the gas escaping from the gas synthesis gas.
  • a simplified, efficient and cost-effective method is possible since a subsequent separation is no longer necessary, or only to a limited extent.
  • the activated carbon is used for this purpose, which is generated directly in the gasifier from the biomass within the pyrolysis step and / or the reduction step.
  • the production of the activated carbon directly within the process and its use as a filter material has the advantage that other, downstream separation measures or materials are no longer needed, or only to a limited extent, and so the process can be simplified, operated inexpensively and effectively.
  • the activated carbon within the carburetor in particular via a screw device, be mechanically rearranged, so that the activated carbon is transported by the switching in areas of the carburetor on which the filtering process or the filter process preferably proceeds, and so a particularly effective Filter effect takes place.
  • a related embodiment of the device according to the invention comprises a mechanical Um Mrsungsvorraum for redeployment of the activated carbon within the carburetor, in particular a rotatably arranged screw device.
  • the screw device which projects into the carburetor until, in particular, zone C, conveys the activated carbon formed there to the surface, that is to zone A.
  • Such a preferred embodiment of the device is shown schematically in Figure 2 as a sectional drawing.
  • the shifting of the activated carbon in the carburetor 1 takes place via the screw device 10.
  • the screw is preferably mounted centrically in the middle of the carburettor and protrudes into the carburetor, i. into biomass 6.
  • the screw device 10 protrudes into zone B, more preferably into zone C.
  • the screw is arranged parallel to the longitudinal direction of the carburetor.
  • Suspension, propulsion, and storage of the auger device may be on one or both sides of the carburetor.
  • the paw design i. Parameters such as screw pitch, screw diameter, speed, or thickness of the screw can be selected according to the invention and adapted to the carburetor designs.
  • the rotary motion of the screw device conveys activated carbon produced in zones B and / or C during gasification into zone A, preferably to the surface of zone A.
  • the screw device 10 may be stored together or separately from the distributor 5.
  • the screw device 10 may also be at least partially surrounded by a cladding tube.
  • An alternative, preferred embodiment of the method includes a further form of redeployment.
  • the method is shown schematically in FIG. 3 and comprises the following steps: First, the filter material 16, in particular coal and / or activated carbon, is removed from the carburetor 1. Subsequently, the removed filter material 18 is added to the carburetor 1 at another, suitable place. Through this redeployment, the filter material is in areas of Carburetor transports, at which the filtering process or the filter process preferably proceeds, and so a particularly effective filtering action takes place.
  • the activation may e.g. via an oxidation process and / or a dehydration process.
  • FIG. 1 A related embodiment of the device according to the invention is shown schematically in FIG. It comprises a means for reducing the tar content in the synthesis gas, which has a removal opening 15 for removing the filter material 16, and an addition opening 17 for adding the removed filter material 18.
  • the redistribution takes place in such a way that the activated carbon within the gasifier is rearranged in the direction of the synthesis gas leaving the biomass.
  • an upward transport i. in zone A, in particular on the surface of zone A (ie the exit plane of the synthesis gas from the biomass), so that the effective filtering of tar and / or particulate components from the synthesis gas at the surface of the biomass before the exit of the synthesis gas from the Biomass is enabled.
  • the charcoal is transported by the relocation to areas of the gasifier where the filtering action is particularly effective, since within the gasification process most of the activated carbon is produced within zone B and C, and so impurities, e.g. occur in zone A and / or B, can not be detected by the filter effect of the activated carbon without switching.
  • the premature application of the ash 8 ', and their use as a filter material comprises.
  • a filter material preferably activated carbon
  • activated carbon is taken to mean carbonaceous, porous particles which have a large inner surface.
  • the inner surface is preferably at least 100 to 2000 m 2 / g of coal.
  • the particle size is not limited according to the invention.
  • the average pore size is preferably in the nm range, particularly preferably below 10 nm.
  • the pore sizes can be determined, for example, via BET measurements (low-temperature nitrogen adsorption according to Brunauer, Emmet and Teller).
  • All filters which have a filtering action against tar and / or dust particle impurities are included according to the invention and can be used individually or in combination.
  • the arrangement of the filter in the biomass is to be chosen so that the most effective filtering effect is ensured.
  • the filter effect preferably takes place in zone A, particularly preferably on the surface of zone A.
  • the filter material is preferably added in powder form and optionally mixed with the biomass.
  • the powder particles preferably have a particle diameter of 1 nm to 1 mm.
  • the filter can also be added in the form of plates, films or other forms.
  • the filter may be inert, i. do not participate in the gasification reaction and optionally be used repeatedly. Preference is given to the use of filter materials which are converted by the gasification reaction to synthesis gas.
  • the addition of the filter material from the outside can be done before the gasification process at the first loading of the carburetor, or during the gasification process.
  • a third embodiment of the method according to the invention consists in moistening and / or washing out the biomass before and / or during the gasification process within the gasifier by adding moistening agents and / or leaching agents.
  • This causes a reduction in the tar content, inter alia, by a cooling of the reaction gases and thus a condensation of residual water or the tars from the synthesis gas and / or the moistening and / or leaching agents.
  • impurities in the synthesis gas such as tar and / or other particles are already withdrawn from the syngas within the gasifier, since they are entrained. These are then available again to the gasification process, which leads to a particularly effective process.
  • Moisturizers and / or washout agents according to the invention are in particular water and / or oil, in particular rapeseed oil and / or waxes, which effect a particularly effective and cost-effective separation of tar and / or dust particles from the synthesis gas.
  • FIG. 1 A relevant embodiment of the device according to the invention is shown schematically in FIG.
  • a device 11 for moistening and / or leaching the biomass 6 From the device 11, the moisturizing agent 12 exits but achieve effective humidification.
  • the device for moistening the biomass 11 is already integrated in the distributor 5.
  • the device for moistening the biomass 11 is already integrated in the carburetor cover, so that the moistening and / or leaching agent is preferably added via nozzles which are located in the carburetor cover.
  • Humidification may occur during the gasification process, or before, i. take place during the loading of the carburetor.
  • a combination is also included according to the invention.
  • the moistening of the biomass in zone C and / or B is effected by a moistening agent, such as oil or wax, etc.
  • the moistening can be carried out, in particular, before the biomass is fed into the gasifier.
  • the humectant has in particular an evaporation temperature, which can result in the tar somewhat, especially 10 to 2O 0 C, is above the temperature range. Due to the evaporation of the humidifying agent, energy is withdrawn from the tar formation region and the temperature is lowered more rapidly below the temperature range in which tars usually form. This spatially the area in the carburetor, in which the unwanted tar can develop, kept small and the tar content can thus be minimized. This can be achieved analogously by mixing the biomass in zone A and B.
  • the biomass is separated into coarse and fine components before charging the carburettor. This can e.g. done via a sieving or filtering process.
  • the particle sizes of the individual components are freely selectable depending on the type of gasifier and reaction conditions.
  • the different coarse and fine components are now alternately arranged in several layers in the carburetor. The thickness and number of layers is yes depending on carburetor type and reaction conditions freely selectable.
  • FIG. 1 A preferred arrangement of the layers is shown in FIG.
  • the biomass 6 is located between the grate 4 and distributor 5 after loading.
  • the biomass is arranged alternately in a horizontal arrangement with respect to the flow direction in the gasifier, ie in the direction of the flow.
  • the layer structure is designed so that the layers of the biomass have a different thickness, in particular in the way that the coarse constituents of the biomass form thicker layers 13, and the fine constituents thinner layers 14. This results in addition to a uniform flow through the carburetor and a uniform gasification the biomass to a high flow rate, which allows a particularly effective and fast-running process.
  • the thin layers may more preferably be oil or water soaked, and / or more preferably have high levels of activated carbon, i. it is preferred to carry out a moistening and / or leaching of the thinner layers with oil, since this causes a particularly effective cleaning action.
  • the layer structure is designed so that the coarse constituents of the biomass form thin layers, and the fine constituents are thick layers. This leads to a uniform flow through the carburetor and uniform gasification of the biomass, which allows a particularly effective method.
  • the marginal regions of the biomass in the gasifier i. the areas of the biomass, which lie on the outer wall of the carburetor, filled with fines. Areas inside the carburetor are filled with coarse material.
  • an electrostatic precipitator 15 is integrated within the gasifier 1 above the biomass. Electrostatic precipitators are used for electrical gas purification and are devices for the separation of particles from gases, which are based on the electrostatic principle. The filtered out over the electrostatic precipitator 15 dust and tar falls down and is directly back to the biomass fed.
  • the electrostatic filter 15 is used as a module 16 in the carburetor 1. As a result, this embodiment can also be easily combined with the other embodiments.
  • the centrically arranged shaft as shown in Figure 2, serve as a spray electrode.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are characterized in that the tar or particle reduction takes place during the gasification process within the gasification device.
  • the resulting synthesis gas has a low tar and / or particulate content compared to conventional biomass gasification processes.
  • this pre-purified synthesis gas is particularly better suited for various subsequent processes. Examples include direct power generation via a gas engine or a turbine, the Fischer-Tropsch synthesis, the Haber-Bosch process, the oxo synthesis or the methanol synthesis.
  • impurities such as tar and / or dust particles are effectively removed from the synthesis gas.
  • synthesis gas from the process according to the invention can be used in particular for the Fischer-Tropsch synthesis, since the catalysts used in this case are not inactivated by impurities with tar and / or dust particles. It is also a combination of the method according to the invention with conventional, downstream cleaning methods, such as cyclones, multicyclones, hot gas filters, scrubbers, thermal cracker, catalytic residual oxidation, electrostatic precipitator, CO 2 scrubber, sulfur separator or the like to a particularly tar and / or particle-free synthesis gas manufacture.
  • conventional, downstream cleaning methods such as cyclones, multicyclones, hot gas filters, scrubbers, thermal cracker, catalytic residual oxidation, electrostatic precipitator, CO 2 scrubber, sulfur separator or the like to a particularly tar and / or particle-free synthesis gas manufacture.
  • the inventive method and the device according to the invention have the advantage that the resulting during the gasification of the biomass particles are already retained in the carburetor, or their formation is reduced, so that not, or only to a reduced extent, the need exists, this in hindsight by downstream processes or devices to separate.
  • the method can thus be operated more economically, since compared to conventional systems no, or only reduced costs for downstream cleaning devices and the disposal of cleaning liquids, etc. incurred.
  • a simpler apparative plant construction is possible because additional, subsequent cleaning units are eliminated or needed only to a reduced extent.
  • This makes it possible to operate the process more efficiently, as tar and / or other particles are converted to synthesis gas to a greater extent within the gasification process.
  • the inventive measures the varying fuel properties of the biomass, and a simplification of the carburetor control can be achieved.
  • the device according to the invention is more compact and has a reduced space requirement compared to conventional devices.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von Biomasse, bei dem Maßnahmen getroffen werden, den Teergehalt im Synthesegas zu reduzieren, und bei dem die Teerreduzierung während des Vergasungsverfahrens innerhalb des Vergasers stattfindet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas aus Biomasse
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von insbesondere Biomasse.
Dabei erfolgt die Umwandlung der Biomasse in Synthesegas über die Reaktion mit einem Vergasungsmittel wie Wasserdampf, CO2, Luft oder Sauerstoff, etc. bzw. einer Kombination davon, bei höheren Temperaturen durch die Bereitstellung einer entsprechenden Umwandlungsenergie. Biomasse umfasst die Gesamtheit der Masse an organischem Material, das biochemisch synthetisiert wurde. Hier sind zum Beispiel feste Bestandteile wie Holz, Stroh, Tiermehl, Schilf, Bioabfall, Brauereiabfälle wie Treber oder Hefe, sowie flüssige Bestandteile wie pflanzliche oder tierische Öle, oder auch Kunststoffe zu nennen. Synthesegas ist eine Bezeichnung für ein hauptsächlich aus CO und H2 bestehendes Gasgemisch, das als Ausgangsprodukt für verschiedene industrielle Prozesse eingesetzt werden kann. Hier sind insbesondere die Fischer-Tropsch- Synthese, das Haber-Bosch-Verfahren, die Oxo-Synthese oder die Methanolsynthese zu nennen. Synthesegas dient insbesondere auch zur Herstellung von Wasserstoff, das z.B. als Energieträger für Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis, etwa zum Betreiben einer Brennstoffzelle, verwendet wird. Industriell spielt die Vergasung von Biomasse eine immer größere Rolle, um flüssige Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen („Biomass to liquid"). Das Synthesegas kann dabei in nachfolgenden Verfahrensschritten in die gewünschten Kraftstoffe umgewandelt werden.
Stand der Technik
Verfahren zur Gewinnung von Synthesegas aus fossilen Brennstoffen sind seit langem etabliert und im großtechnischen Einsatz. Hier sind insbesondere die Kohlevergasung zur Umsetzung von Stein- oder Braunkohle, sowie das Texaco- Verfahren oder das Shell- Druckvergasungsverfahren zur Umsetzung von Erdöl oder Erdgas zu nennen. Neben fossilen Brennstoffen werden in neuerer Zeit vermehrt regenerative Rohstoffe, d.h. Biomasse, eingesetzt, die aus Umweltgesichtspunkten zu bevorzugen sind. Die Umsetzung erfolgt in Vergasern, insbesondere in Wirbelschicht-, Drehbett- oder Festbettvergasern, die entweder im Gleichstrom-, oder im Gegenstromverfahren betrieben werden. Vergasungsverfahren und Vorrichtungen sind allgemein bekannt.
Mit Biomasse als Rohstoff ist eine großtechnische Umsetzung bisher nur in Nischen realisiert, da grundsätzlich das Problem auftritt, dass Synthesegas aus Biomasse noch sehr teer- und/oder staubpartikelhaltig ist, bzw. andere kohlenstoffhaltige Bestandteile außer Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid enthält, und dadurch die Qualität des Synthesegases verringert wird. So sind diese Teer- und/oder Staubpartikel z.B. bei einer anschließenden Fischer-Tropsch-Synthese für die dort eingesetzten Katalysatoren schädlich und müssen im Vorfeld aus dem Synthesegas entfernt werden.
Im Stand der Technik werden verschiedene Möglichkeiten zur Reinigung des Synthesegases von Teer- oder sonstigen Partikeln beschrieben. Zum einen geschieht die Aufreinigung über Zyklone oder Multizyklone. Dabei handelt es sich um Fliehkraftabscheider, bei dem die Partikel durch die einwirkende Fliehkraft physikalisch abgetrennt werden. Weiter ist ein physikalischer Reinigungsprozess über zusätzliche Heißgasfilter oder Wäscher mit verschiedenen Medien möglich. Ein alternatives Verfahren besteht im Prinzip darin, das Synthesegas in einem Gaskühler bzw. einem Kondensator abzukühlen, wobei im Synthesegas noch vorhandener, überschüssiger Wasserdampf kondensiert, und dadurch auch Restmengen an Schadstoffen wie z.B. Staub oder Teere ausgewaschen/kondensiert werden. Insbesondere werden im Stand der Technik auch Verfahren eingesetzt, die noch vorhandene Teere in kurzkettige Molekülstrukturen aufbrechen. Dabei werden bevorzugt thermische Cracker eingesetzt, die im Bereich von ca. 800 bis 1.400cC arbeiten, und durch Zufuhr von Sauerstoff und/oder Luft, die noch vorhandenen Teere in kurzkettige Molekülstrukturen chemisch zersetzen. Weiter existiert die Möglichkeit, Restmengen von Partikeln im ppm-Bereich katalytisch über z.B. Oxidationskatalysatoren zu entfernen. Allerdings sind all diese Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik aufwendig und kompliziert. Dadurch resultieren hohe Anlagenkosten, große Anlagenausmaße, und eine geringe Anlageneffizienz.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines vereinfachten, effizienten, und kostengünstigen Verfahrens zum Herstellen von Synthesegas aus insbesondere Biomasse, das den Teer- und/oder Partikelgehalt des Synthesegases reduziert. Eine weitere, erfindungsgemäße Aufgabe ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Vergasungsverfahrens zum Herstellen von Synthesegas aus insbesondere Biomasse, das den Teer- und/oder Partikelgehalt des Synthesegases reduziert, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen einen kompakten und vereinfachten Aufbau aufweist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren nach Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass innerhalb des Verfahrens zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von insbesondere Biomasse Maßnahmen getroffen werden, den Teer- und/oder Partikelgehalt zu reduzieren bzw. deren Entstehung im Synthesegas zu verhindern, indem die Teer- und/oder Partikelreduzierung bzw. das Verhindern von deren Entstehung bereits während des Vergasungsverfahrens innerhalb des Vergasers stattfindet.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen des Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen definiert. Diese können sowohl einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Teergehalt durch Filtern mit Aktivkohle im Vergaser reduziert werden kann. Dies hat zum Vorteil, dass Teer- und/oder Staubpartikel aus dem Synthesegas bereits während des Vergasungsverfahrens und innerhalb des Vergasers abgetrennt werden. Dadurch ist ein vereinfachtes, effizientes und kostengünstiges Verfahren möglich, da eine nachträgliche Abtrennung nicht mehr, oder lediglich in eingeschränktem Umfang nötig ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Vergaser einstellbar ist. Hierdurch kann die Teerreduzierung mit Aktivkohle beeinflusst werden. Durch diese gezielte Einstellung von Verfahrensparametern wie den Gasdruck im Vergaser kann somit die Aktivität der Aktivkohle optimiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle innerhalb des Vergasungsprozesses im Vergaser aus der Biomasse generiert wird. Die Herstellung der Aktivkohle direkt innerhalb des Verfahrens und deren Verwendung als Filtermaterial hat zum Vorteil, dass sonstige, zusätzliche Abtrennungsmaßnahmen bzw. -materialen nicht mehr, oder lediglich in eingeschränktem Umfang nötig sind, und so das Verfahren vereinfacht, kostengünstig und effektiv betrieben werden kann.
Besonders bevorzugt kann die Aktivkohle innerhalb des Vergasers, insbesondere über eine Schneckenvorrichtung, mechanisch umgeschichtet werden, so dass die Aktivkohle durch die Umschichtung in Bereiche des Vergasers transportiert wird, an denen die Filtereigenschaft bevorzugt durchgeführt werden kann, und so eine besonders effektive Filterwirkung stattfindet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Entnahme von Filtermaterial, insbesondere Aktivkohle und Zugabe des entnommenen Filtermaterials, insbesondere Aktivkohle, an einer anderen Stelle des Vergasers. Dadurch kann mit einfachen Mitteln das im Vergaser entstandene Filtermaterial umgeschichtet werden und somit eine besonders effektive Filterwirkung erzielt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform beinhaltet, dass das entnommene Filtermaterial zusätzlich aktiviert wird, was eine besonders effektive Filterwirkung zur Folge hat. Gemäß einer Variante kann die Umschichtung bzw. die Entnahme / Zugabe in der Art erfolgen, dass die Aktivkohle bzw. die Vorstufe des Filtermaterials innerhalb des Vergasers von ihrem Entstehungsort bzw. Entnahmeort im unteren Bereich der Biomasse, nach oben, d.h. in Richtung des aus der Biomasse austretenden Pyrolyseoder Synthesegases, bewegt bzw. wieder zugegeben wird. Dadurch ist eine besonders effektive Filterwirkung erzielbar.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Filtermaterial, insbesondere Aktivkohle, bei der Beschickung des Vergasers mit Biomasse von außen zugegeben wird. Die Zugabe von Aktivkohle zur Biomasse von außen direkt in den Vergaser hat zum Vorteil, dass das Verfahren vereinfacht, effektiv und kostengünstig betrieben werden kann, da nachgeschaltete Filtereinrichtungen entfallen oder nur in verringertem Umfang nötig sind.
Die Zugabe des entnommenen Filtermaterials, oder eines separaten, an anderer Stelle gewonnenen Filtermaterials, kann erfindungsgemäß auch in eine vorgeschaltete Biomasseversorgungseinheit, insbesondere in den Biomassebunker oder in die Zuführschnecke erfolgen.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet die Befeuchtung und / oder Auswaschung der Biomasse innerhalb oder außerhalb des Vergasers, um eine Kondensierung der Teeranteile (u.a. Kohlenwasserstoffgemische) im Synthesegas schon innerhalb des Vergasers zu bewirken. Dadurch erfolgt ein vereinfachtes und effektives Abtrennen der Teer- und/oder Staubpartikel, da diese durch Kondensation des Befeuchtungsmittels und/oder des Wasserdampfs, der von außen in den Vergaser eingeleitet wird, mitgerissen, und so dem Synthesegas entzogen werden. Gleichzeitig werden die kondensierten Teer- und/oder Staubpartikel wieder dem Vergasungsprozess zugeführt, was zu einer höheren Effizienz und einem kostengünstigen Verfahren führt.
Die Befeuchtung und / oder Auswaschung kann über das Einbringen über eine oder mehrere Düsen erfolgen. Diese können insbesondere über der Biomasse angeordnet sein, und / oder das Verteilorgan kann mit einer oder mehreren Düsen ausgestattet sein. Die Befeuchtung und / oder Auswaschung kann bevorzugt mit Wasser und/oder Öl, beispielsweise Rapsöl, und / oder Wachse als Befeuchtungsmittel durchgeführt werden, die eine besonders effektive und kostengünstige Abtrennung von Teer und/oder Staubpartikeln aus dem Synthesegas bewirken. Das Befeuchtungs- und / oder Auswaschungsmittel kann alternativ auch der Biomasse bei der Beschickung des Vergasers zugegeben werden.
Bevorzugt kann das Befeuchtungsmittel eine Verdampfungstemperatur oberhalb des Temperaturbereichs, innerhalb dessen Teer entstehen kann, aufweisen. Wird das Befeuchtungsmittel in einem Bereich des Vergasers zugegeben in dem die Temperatur etwas, insbesondere 10 bis 200C oberhalb des Teerentstehungsbereichs liegt, kann durch den beim Verdampfen auftretenden Energieentzug der Bereich, in dem Teer entstehen kann, klein gehalten werden, wodurch wiederum die Teermenge, die im Vergaser entstehen kann, gering gehalten werden kann.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Beschickung des Vergasers in grobe und feine Bestandteile aufgetrennt wird, und anschließend die unterschiedlichen Bestandteile wechselweise in mehreren Schichten im Vergaser angeordnet werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Durchströmung des Vergasers erzielt, und die Bildung von Nestern, Durchbrüchen, Kanalströmungen oder Kernströmungen verhindert oder zumindest reduziert. Die unterschiedlichen Schichten sorgen dafür, dass sich die heißen Gase gleichmäßig über dem Vergaserquerschnitt verteilen. Somit wird eine gleichmäßige Vergasung der Biomasse innerhalb des Vergasers gewährleistet. Dadurch wird vermieden, dass sich Bereiche mit unterschiedlicher Temperatureinwirkung ausbilden, die wiederum zu schwankenden Gasqualitäten und dadurch zu verstärkter Teerbildung führen.
Eine damit verbundene, bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet, dass der Schichtaufbau so gestaltet ist, dass die Schichten eine unterschiedliche Dicke besitzen, insbesondere in der Art, dass die groben Bestandteile der Biomasse dickere Schichten bilden und die feinen Bestandteile dünnere Schichten. Dies führt zu einer gleichmäßigen Durchströmung des Vergasers und gleichmäßigen Vergasung der Biomasse, was ein besonders effektives Verfahren ermöglicht.
Eine damit verbundene, alternative Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet, dass der Schichtaufbau auch so gestaltet sein kann, dass die Schichten eine unterschiedliche Dicke besitzen, insbesondere in der Art, dass die groben Bestandteile der Biomasse dünne Schichten bilden und die feinen Bestandteile dicke Schichten. Dies führt auch zu einer gleichmäßigen Durchströmung des Vergasers und gleichmäßigen Vergasung der Biomasse, was ein besonders effektives Verfahren ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, kann innerhalb des Vergasers ein Elektrofilter bereitgestellt werden. Dieser kann Teer- und/oder sonstige Partikel aus dem entstandenen Synthesegas direkt innerhalb des Vergasers herausfiltern und gleich wieder der Biomasse zur weiteren Umsetzung zuführen.
Die oben beschriebenen Aufgaben werden weiter mit einer Vorrichtung nach Anspruch 17 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von insbesondere Biomasse einen Vergaser umfasst, sowie ein Mittel zur Reduzierung des Teer- und/oder Partikelgehalts im Synthesegas, wobei das Mittel innerhalb des Vergasers angeordnet ist. Durch diese Vorrichtung ist im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen ein kompakter und vereinfachter Aufbau möglich, da zusätzliche Vorrichtungen, die dem Vergaser nachgeschaltet sind, entfallen, oder lediglich in verringertem Umfang nötig sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine Umschichtungsvorrichtung, insbesondere eine Schneckenvorrichtung, zur mechanischen Umschichtung der Biomasse umfasst, so dass Aktivkohle, die innerhalb des Vergasungsverfahrens entstanden ist, oder bei der Beschickung des Vergasers zugegeben wurde, in Bereiche des Vergasers transportiert wird, an denen der Filtervorgang bzw. der Filterprozess bevorzugt von statten geht, und so eine effektive Filterwirkung stattfindet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser eine Entnahmeöffnung zum Entnehmen von im Vergaser entstandenem Filtermaterial und eine Zugabeöffnung für die Zuführung des entnommenen Filtermaterials an einer anderen Stelle umfasst, so dass Aktivkohle, die innerhalb des Vergasungsverfahrens entstanden ist, oder bei der Beschickung des Vergasers zugegeben wurde, entnommen, sowie an einer anderen Stelle wieder zugegeben werden kann, so dass eine effektive Filterwirkung stattfindet.
Diesbezüglich ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform das Mittel so ausgebildet, dass die Umschichtung und / oder die Entnahme / Wiederzugabe in der Art erfolgt, dass die Aktivkohle innerhalb des Vergasers vom Entstehungsort in Richtung des aus der Biomasse austretenden Pyrolyse- oder Synthesegases umgeschichtet wird, und so eine besonders effektive Filterwirkung ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser ein Mittel zur Befeuchtung und / oder Auswaschung der Biomasse innerhalb des Vergasers umfasst. Durch die Zugabe des Befeuchtungsmittels erfolgt ein Auswaschen der Biomasse. Dadurch erfolgt ein effektives und kostengünstiges Abtrennen der Teer- und/oder Staubpartikel aus dem Synthesegas bereits innerhalb des Vergasers, da diese durch die Kondensation und / Auswaschung mitgerissen werden, und so dem Synthesegas entzogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Vergaser ein Mittel zur Regulierung des Gasdrucks innerhalb des Vergasers . Dadurch kann neben der Reaktionskinetik, auch die Effektivität der Teerreduzierung mit Aktivkohle beeinflusst werden. Durch diese gezielte Einstellung von Verfahrensparametern wie den Gasdruck im Vergaser kann die Aktivität der Aktivkohle optimiert werden. Erfindungsgemäße Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen definiert. Diese können sowohl einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann innerhalb des Vergasers ein Elektrofilter angeordnet sein. Dadurch werden noch innerhalb des Vergasers Teer und/oder sonstige Partikel aus dem Synthesegas herausgefiltert.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnungen (Figur 1 bis 6) detailliert erklärt. Figur 1 ist eine schematische Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform als zylindrischer Gegenstrom-Flachbettvergaser.
Figur 2 ist eine schematische Schnittzeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine mechanische Umschichtung über eine Schneckenvorrichtung erfolgt.
Figur 3 ist eine schematische Schnittzeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend eine Entnahmevorrichtung zur Entnahme von Biomasse, insbesondere einer Vorstufe von Filtermaterial, sowie eine Zugabevorrichtung, insbesondere zur Zugabe von Filtermaterial.
Figur 4 ist eine schematische Schnittzeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Vergaser eine Vorrichtung zur Befeuchtung der Biomasse aufweist.
Figur 5 ist eine schematische Schnittzeichnung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Biomasse vor der Beschickung des Vergasers in grobe und feine Bestandteile aufgetrennt wird, und anschließend die unterschiedlichen Bestandteile wechselweise in mehreren Schichten im Vergaser angeordnet werden.
Figur 6 ist eine schematische Schnittzeichnung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, bei der der Vergaser einen Elektrofilter aufweist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren kann autotherm, allotherm, oder als Mischform betrieben werden. Beim autothermen Verfahren wird ein Teil der Ausgangsstoffe mit Hilfe von Luft und/oder Sauerstoff verbrannt, um die bei der Vergasung benötigte Energie bereitzustellen. Beim allothermen Verfahren, wird die benötigte Vergasungsenergie von außen zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass kein Rohstoffverlust durch Verbrennung auftritt, und daher eine höhere Synthesegasausbeute erzielt wird. Als Vergasungsmittel und Energielieferant wird insbesondere erhitzter Wasserdampf und / oder Kohlendioxid verwendet. Ein Vorteil der allothermen Vergasung mit Wasserdampf besteht darin, dass der Wasserstoffanteil innerhalb des resultierenden Synthesegases im Vergleich zur autothermen Vergasung wesentlich erhöht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt allotherm betrieben, d.h. die Umwandlung der Biomasse in Synthesegas erfolgt mit Wasserdampf und / oder Kohlendioxid bei erhöhten Temperaturen durch die Bereitstellung der benötigten Energie von außen über heißen Wasserdampf und / oder Kohlendioxid. Der heiße Wasserdampf bzw. das heiße Kohlendioxid wird dabei von außen in den Vergaser eingeleitet. Der Druck im Vergaser ist erfindungsgemäß nicht limitiert. Im Fall des autothermen Verfahrens ist der benötigte Sauerstoff entweder in Form von Luft bereits in der Biomasse vorhanden und/oder kann gegebenenfalls zusätzlich an geeigneter Stelle, bevorzugt an gleicher Stelle wie der heiße Wasserdampf / das Kohlendioxid, in den Vergaser von außen zudosiert werden. Luft und / oder Sauerstoff muss zugegeben werden, wenn die durch die eingeleiteten Gase ins System eingebrachte thermische Energie nicht ausreichend ist, und/ oder zu wenig Kohlenmonoxid entsteht. Die Zugabe von reinem Sauerstoff ist gegenüber Luft bevorzugt, da der Luft-Stickstoff die Zusammensetzung des resultierenden Synthesegases verändert, bzw. Nebenreaktionen mit den Synthesegaskomponenten eingeht, Energie kostet, und in den folgenden Verfahrensschritten unerwünscht ist.
Das Verfahren ist für alle Vorrichtungstypen, wie z.B. Wirbelschicht-, Drehbett- oder Festbettvergaser anwendbar, sowie im Gleichstromprinzip oder im Gegenstromprinzip anwendbar. Das Verfahren kann als Batch-Verfahren oder als kontinuierliches Verfahren betrieben werden. Kontinuierliche Verfahren sind erfindungsgemäß bevorzugt. Dabei erfolgt nach der Beschickung, d.h. der Befüllung des Vergasers mit Biomasse, vor dem Start der Vergasungsreaktion, eine kontinuierliche oder schrittweise Zugabe von neuer Biomasse, so dass der Füllstand des Vergasers mit Fortschreiten der Vergasungsreaktion annähernd gleich bleibt.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von Biomasse einen Vergaser und beinhaltet Maßnahmen, den Teergehalt im Synthesegas zu reduzieren, in der Art, dass die Teerreduktion bereits innerhalb des Vergasers stattfindet.
Bevorzugt erfolgt die Umsetzung im Gegenstrom-Festbettvergaser, bevorzugt in einem zylindrischen Gegenstrom-Festbettvergaser. Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Figur 1 gezeigt. Vergaser 1 ist ein Gegenstrom-Festbettvergaser mit Gaseintrittsöffnung 2 und Gasaustrittsöffnung 3 und Öffnung 3' zum Befüllen mit Biomasse 6'. Der Füllstand der Biomasse 6 reicht von Zone A bis D. Der Vergaser enthält einen Rost 4 im unteren Bereich des Vergasers zum Auffangen der Biomasse, und ein Verteilorgan 5 an der Oberseite des Vergasers zum Ausgleichen der Biomasse. Durch die Gaseintrittsöffnung 2 wird heißer Wasserdampf und/oder CO2, sowie optional Sauerstoff und/oder Luft (oder eine Kombination daraus) als Vergasungsmittel in den Vergaser eingeleitet. Während der Vergasung der Biomasse erfolgt durch Zersetzung eine Masseströmung der Biomasse nach unten in Richtung Rost 4. Die Pfeile symbolisieren die Gas- Strömungsrichtung, bzw. die (Bio)masse-Strömungsrichtung. Bei der Vergasung entsteht Synthesegas 9, das durch die Gasaustrittsöffnung 3 aus dem Vergaser 1 entweicht. Weiter entsteht Asche 8', die durch die Ascheaustrittsöffnung 8 aus dem Vergaser 1 abgeführt wird.
Die Zusammensetzung des resultierenden Synthesegasgemisches wird insbesondere über die Wasserdampftemperatur, und/oder die Verweilzeit, und/oder die Durchlaufgeschwindigkeit, und/oder die Biomassenschichthöhe, und/oder den Gasdruck innerhalb des Vergasers, und/oder über das Wasserdampf / Sauerstoffverhältnis, und/oder über die Wasserdampf / Sauerstoffmenge und/oder über den Ort der Zudosierung der jeweiligen Komponenten bestimmt. Weitere Parameter sind die Art und/oder die Menge des zugeführten Kondensationsmittels.
Über Veränderungen dieser Parameter während der Vergasungsreaktion können auch variierende Biomassezusammensetzungen, die sich aufgrund verschiedenartiger Ausgangsmaterialien und veränderter Zusammensetzungen während der Vergasungsreaktion ergeben, ausgeglichen werden. Bevorzugt wird innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens Biomasse während des Verfahrens neu zugegeben. Dies kann sowohl kontinuierlich, als auch schrittweise geschehen. Bevorzugt ist die Menge bzw. die Geschwindigkeit der zuzugebenden Biomasse so zu wählen, dass der Füllstand der Biomasse 6 im Vergaser 1 während der Reaktion annähernd gleich bleibt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Zusammensetzung des Synthesegases im Verlauf der Reaktion annähernd gleich bleibt.
Der Vergasungsvorgang von Biomasse lässt sich dabei in vier Teilschritte untergliedern. Zunächst erfolgt eine Trocknung bei Temperaturen bis ca. 2000C (Zone A), bei der in der Biomasse enthaltendes Wasser verdampft wird. In dieser Trocknungsphase erfolgt keine chemische Zersetzung, sondern lediglich eine Veränderung der physikalischen Materialstruktur durch makro- und mikroskopische Risse. In der zweiten Stufe (Zone B) wird bei Temperaturen von ca. 200 bis 6000C die Biomasse unter weitgehendem Sauerstoffausschluss pyrolisiert. Dabei werden die makromolekularen Bestandteile der Biomasse je nach Temperatur, Aufheizgeschwindigkeit, Größe in verschiedene, niedermolekulare Bestandteile zerlegt. Innerhalb dieser Phase erfolgt auch vermehrt eine Teerbildung. Der Teer bzw. andere resultierende Kohlenwasserstoffe und Staubpartikel werden im Gasstrom mitgerissen und gelangen so in das resultierende Synthesegas. Gleichzeitig erfolgt hier, und vor allem am Ende, d.h. im Übergangsbereich zu Zone C, die Bildung von elementarem Kohlenstoff in Form von Kohle bzw. auch Aktivkohle. In der nächsten Stufe (Zone C) erfolgt eine gleichzeitige Reduktion der Oxidationsprodukte CO2 und H2O, die in der Oxidationszone (Zone D) entstanden sind, mit dem in Zone B entstandenen Kohlenstoff zu CO und H2. H2O wird parallel von außen zugeführt. Je nach Reaktionszusammensetzung laufen verschiedene andere Reaktionen , wie u.a. die Wassergasreaktion, gleichzeitig ab. Dies erfolgt bei Temperaturen von ca. 600 bis 9500C. Diese Reaktionsschritte sind endotherm, d.h. benötigen Energie. Diese Energie wird bevorzugt von außen z.B. über den heißen Wasserdampf zugeführt. In Zone C kann es zur Ausbildung von Kohle bzw. Aktivkohle kommen. In der vierten Zone (Zone D) erfolgt, im Falle eines autothermen, oder teilautothermen Reaktionsablaufs, eine teilweise Verbrennung, d.h. Oxidation des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs, bei Temperaturen von ca. 95O0C bis 1300°C in einer exothermen Reaktion. Dabei wird zusätzlich Energie erzeugt, um eventuelle Wärmeverluste des Reaktors besser ausgleichen zu können. Während dieser Oxidation wird ein Teil der Biomasse verbrannt. Dabei entsteht Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
Im folgenden werden fünf erfindungsgemäße Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben, die sowohl einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können. Ferner werden erfindungsgemäße Ausführungsformen von Vorrichtungen beschrieben, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Teergehalt durch Filtern mit Aktivkohle im Vergaser reduziert wird. Die Teer-, Kohlenwasserstoffe und/oder Staubpartikel werden durch Adsorption an der Oberfläche der Aktivkohle zurückgehalten und gelangen nicht in das aus dem Vergaser entweichende Synthesegas. Dadurch ist ein vereinfachtes, effizientes und kostengünstiges Verfahren möglich, da eine nachträgliche Abtrennung nicht mehr, oder lediglich in eingeschränktem Umfang nötig ist.
Gemäß einer Variante ist der Druck im Vergaser mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung regulierbar. Damit lässt sich die Filterwirkung beeinflussen und somit auch die Teerreduzierung.
Innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dazu die Aktivkohle verwendet, die direkt im Vergaser aus der Biomasse innerhalb des Pyrolyseschrittes und/oder des Reduktionsschritts generiert wird. Die Herstellung der Aktivkohle direkt innerhalb des Verfahrens und deren Verwendung als Filtermaterial hat zum Vorteil, dass sonstige, nachgeschaltete Abtrennungsmaßnahmen bzw. -materialen nicht mehr, oder lediglich in eingeschränktem Umfang nötig sind, und so das Verfahren vereinfacht, kostengünstig und effektiv betrieben werden kann.
Besonders bevorzugt kann die Aktivkohle innerhalb des Vergasers, insbesondere über eine Schneckenvorrichtung, mechanisch umgeschichtet werden, so dass die Aktivkohle durch die Umschichtung in Bereiche des Vergasers transportiert wird, an denen der Filtervorgang bzw. der Filterprozess bevorzugt von statten geht, und so eine besonders effektive Filterwirkung stattfindet. Eine diesbezügliche, erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung umfasst eine mechanische Umschichtungsvorrichtung zur Umschichtung der Aktivkohle innerhalb des Vergasers, insbesondere eine drehbar angeordnete Schneckenvorrichtung. Die Schneckenvorrichtung, die in den Vergaser bis insbesondere zur Zone C ragt, fördert die dort entstandene Aktivkohle an die Oberfläche, d.h. bis Zone A.
Eine solche bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist in Figur 2 schematisch als Schnittzeichnung dargestellt. Die Umschichtung der Aktivkohle im Vergaser 1 erfolgt über die Schneckenvorrichtung 10. Die Schnecke ist bevorzugt zentrisch in der Mitte des Vergasers angebracht und ragt in den Vergaser, d.h. in die Biomasse 6 ein. Vorzugsweise ragt die Schneckenvorrichtung 10 bis in Zone B, besonders bevorzugt bis in Zone C ein. Die Schnecke ist parallel zur Längsrichtung des Vergasers angeordnet. Aufhängung, Antrieb, und Lagerung der Schneckenvorrichtung können an einer oder an beiden Seiten des Vergasers erfolgen. Bevorzugt erfolgt sie an der oberen Seite, d.h. an der Seite der Austrittsöffnungen 3 und 3'. Die Scheckenauslegung, d.h. Parameter wie Schneckensteigung, Schneckendurchmesser, Drehzahl, oder Dicke der Schnecke sind erfindungsgemäß frei wählbar und den Vergaserauslegungen anzupassen.
Durch die Rotationsbewegung der Schneckenvorrichtung wird Aktivkohle, die in den Zonen B und oder C während der Vergasung entstanden ist, in Zone A, bevorzugt an die Oberfläche von Zone A befördert.
Die Schneckenvorrichtung 10 kann zusammen oder getrennt vom Verteilorgan 5 gelagert sein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Schneckenvorrichtung 10 auch zumindest teilweise mit einem Hüllrohr umgeben sein.
Eine alternative, bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet eine weitere Form der Umschichtung. Das Verfahren ist schematisch in Figur 3 dargestellt und umfasst die folgenden Stufen: Zunächst erfolgt eine Entnahme des Filtermaterials 16, insbesondere Kohle und/oder Aktivkohle, aus dem Vergaser 1. Anschließend erfolgt die Zugabe des entnommenen Filtermaterials 18 in den Vergaser 1 an einer anderen, geeigneten Stelle. Durch diese Umschichtung wird das Filtermaterial in Bereiche des Vergasers transportiert, an denen der Filtervorgang bzw. der Filterprozess bevorzugt von statten geht, und so eine besonders effektive Filterwirkung stattfindet.
Zwischen dem Entnahmeschritt und dem Zugabeschritt kann besonders bevorzugt eine zusätzliche Aktivierung des Filtermaterials erfolgen. Durch diese Aktivierung wird eine besonders effektive Filterwirkung erzielt. Die Aktivierung kann z.B. über einen Oxidationsprozess und / oder einen Dehydratisierungsprozess erfolgen.
Auch kann die Aktivierung innerhalb des Vergasers, insbesondere durch Oxidation, durch Zugabe von Sauerstoff über die Öffnung 15 erfolgen.
Eine diesbezügliche, erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Sie umfasst ein Mittel zur Reduzierung des Teergehalts im Synthesegas, das eine Entnahmeöffnung 15 zur Entnahme des Filtermaterials 16, und eine Zugabeöffnung 17 zur Zugabe des entnommenen Filtermaterials 18 aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Umschichtung in der Art, dass die Aktivkohle innerhalb des Vergasers in Richtung des aus der Biomasse austretenden Synthesegases umgeschichtet wird. Dies ist so zu verstehen, dass gemäß der Verfahren nach Figur 2 und/oder 3 ein Transport nach oben, d.h. in Zone A, insbesondere an die Oberfläche von Zone A (d.h. die Austrittsebene des Synthesegases aus der Biomasse) erfolgt, so dass das effektive Abfiltern von Teer- und/oder Partikelbestandteilen aus dem Synthesegas an der Oberfläche der Biomasse vor dem Austritt des Synthesegases aus der Biomasse ermöglicht wird. Die Aktivkohle wird durch die Umschichtung in Bereiche des Vergasers transportiert, an denen die Filterwirkung besonders effektiv ist, da innerhalb des Vergasungsverfahrens die meiste Aktivkohle innerhalb Zone B und C produziert wird, und so Verunreinigungen, die z.B. in Zone A und / oder B entstehen, ohne Umschichtung nicht durch die Filterwirkung der Aktivkohle erfasst werden.
Insbesondere ist erfindungsgemäß in diesem Zusammenhang auch das vorzeitige Ausbringen der Asche 8', und deren Verwendung als Filtermaterial umfasst. In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlich ein Filtermaterial, bevorzugt Aktivkohle, von außen bei der Beschickung des Vergasers mit Biomasse zugegeben. Dies kann über die Öffnungen 3, 3' oder 17 erfolgen, besonders bevorzugt sind die Öffnungen 3' und 17. Als Aktivkohle werden erfindungsgemäß kohlenstoffhaltige, poröse Partikel bezeichnet, die eine große innere Oberfläche aufweisen. Die innere Oberfläche beträgt bevorzugt mindestens 100 bis 2000 m2/g Kohle. Die Partikelgröße ist erfindungsgemäß nicht limitiert. Die mittlere Porengröße liegt bevorzugt im nm Bereich, besonders bevorzugt unter 10 nm. Die Porengrößen können z.B. über BET-Messungen (Tieftemperatur-Stickstoff-Adsorption nach Brunauer, Emmet und Teller) bestimmt werden.
Sämtliche Filter, die eine Filterwirkung gegenüber Teer- und/oder Staubpartikel- Verunreinigungen besitzen, sind erfindungsgemäß umfasst und können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Die Anordnung des Filters in der Biomasse ist so zu wählen, dass eine möglichst effektive Filterwirkung gewährleistet wird. Bevorzugt erfolgt die Filterwirkung in Zone A, besonders bevorzugt an der Oberfläche von Zone A. Das Filtermaterial wird bevorzugt in Pulverform zugegeben und gegebenenfalls mit der Biomasse vermischt. Die Pulverteilchen haben bevorzugt einen Partikeldurchmesser von 1 nm bis 1 mm. Alternativ kann der Filter auch in Form von Platten, Folien oder sonstigen Formen zugegeben werden. Der Filter kann inert sein, d.h. nicht an der Vergasungsreaktion teilnehmen und gegebenenfalls wiederholt einsetzbar sein. Bevorzugt ist die Verwendung von Filtermaterialien, die durch die Vergasungsreaktion zu Synthesegas umgesetzt werden.
Die Zugabe des Filtermaterials von außen kann schon vor dem Vergasungsverfahren bei der erstmaligen Beschickung des Vergasers, oder während des Vergasungsvorgangs erfolgen.
Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Biomasse vor und/oder während des Vergasungsprozesses innerhalb des Vergasers durch Zugabe von Befeuchtungsmitteln und/oder Auswaschungsmitteln zu befeuchten und/oder auszuwaschen. Dies bewirkt eine Reduzierung des Teergehalts unter anderem durch eine Abkühlung der Reaktionsgase und so eine Kondensation von Restwasser oder der Teere aus dem Synthesegas und/oder der Befeuchtungs- und/oder Auswaschmittel. Durch diesen Kondensationsvorgang werden Verunreinigungen im Synthesegas wie Teer und/oder sonstige Partikel dem Synthesegas schon innerhalb des Vergasers entzogen, da sie mitgerissen werden. Diese stehen dann wieder dem Vergasungsprozess zur Verfügung, was zu einem besonders effektiven Verfahren führt.
Befeuchtungsmittel und/oder Auswaschmittel sind erfindungsgemäß insbesondere Wasser und/oder öl, insbesondere Rapsöl und/oder Wachse, die eine besonders effektive und kostengünstige Abtrennung von Teer und/oder Staubpartikeln aus dem Synthesegas bewirken.
Eine diesbezügliche erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Im oberen Bereich des Innenraums des Vergasers 1 , bevorzugt zwischen der Gasaustrittsöffnung 3 und dem oberen Verteilorgan 5 befindet sich eine Vorrichtung 11 zur Befeuchtung /und oder Auswaschung der Biomasse 6. Aus der Vorrichtung 11 erfolgt der Austritt des Befeuchtungsmittels 12. Somit lässt sich eine einfache aber effektive Befeuchtung erzielen.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Befeuchtung der Biomasse 11 bereits im Verteilorgan 5 integriert.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Befeuchtung der Biomasse 11 bereits im Vergaserdeckel integriert, so dass das Befeuchtungs- und/oder Auswaschungsmittel bevorzugt über Düsen, die sich im Vergaserdeckel befinden, zugegeben wird.
Die Befeuchtung kann während des Vergasungsprozesses, oder vorher, d.h. bei der Beschickung des Vergasers erfolgen. Eine Kombination ist erfindungsgemäß auch umfasst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Befeuchtung der Biomasse in Zone C und / oder B durch ein Befeuchtungsmittel wie Öl oder Wachs etc.. Die Befeuchtung kann insbesondere vor der Beschickung des Vergasers mit Biomasse erfolgen. Weiter ist die Möglichkeit umfasst, dass während des Ablaufs der Vergasungsreaktion die Biomasse dort kontinuierlich oder diskontinuierlich befeuchtet wird. Das Befeuchtungsmittel hat insbesondere eine Verdampfungstemperatur, die etwas, insbesondere 10 bis 2O0C, oberhalb des Temperaturbereichs liegt, in dem Teere entstehen können. Durch die Verdampfung des Befeuchtungsmittels wird dem Teerentstehungsbereich Energie entzogen und es erfolgt eine schnellere Absenkung der Temperatur unterhalb des Temperaturbereichs, in dem üblicherweise Teere entstehen. Dadurch wird räumlich der Bereich im Vergaser, in dem die ungewollten Teere entstehen können, klein gehalten und der Teergehalt kann somit minimiert werden. Dies kann analog auch durch eine Vermischung der Biomasse in Zone A und B erreicht werden.
In einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Biomasse vor dem Beschicken des Vergasers in grobe und feine Bestandteile aufgetrennt. Dies kann z.B. über einen Sieb- oder Filtervorgang erfolgen. Die Partikelgrößen der einzelnen Bestandteile sind je nach Vergasertyp und Reaktionsgegebenheiten frei wählbar. Bei der Beschickung des Vergasers werden nun die unterschiedlichen groben und feinen Bestandteile wechselweise in mehreren Schichten im Vergaser angeordnet. Die Dicke und Anzahl der Schichten ist dabei ja nach Vergasertyp und Reaktionsgegebenheiten frei wählbar.
Durch diese Maßnahmen wird eine gleichmäßige Durchströmung des Vergasers erzielt und die Bildung von Nestern, Durchbrüchen, Kanalströmungen oder Kernströmungen verhindert oder zumindest reduziert. Die unterschiedlichen Schichten sorgen dafür, dass sich die heißen Gase gleichmäßig über dem Vergaserquerschnitt verteilen. Somit wird eine gleichmäßige Vergasung der Biomasse innerhalb des Vergasers gewährleistet. Dadurch wird vermieden, dass sich Bereiche mit unterschiedlicher Temperatureinwirkung ausbilden, die wiederum zu schwankenden Gasqualitäten und dadurch zu verstärkter Teerbildung führen.
Eine bevorzugte Anordnung der Schichten ist in Figur 5 dargestellt. In einem erfindungsgemäßen Vergaser 1 befindet sich die Biomasse 6 nach dem Beschicken zwischen Rost 4 und Verteilorgan 5. Beim Beschickungsvorgang erfolgt die Anordnung der Biomasse schichtweise abwechselnd in horizontaler Anordnung bezüglich der Strömungsrichtung im Vergaser, d.h. im Lot zur Strömungsrichtung. Der Schichtaufbau ist so gestaltet, dass die Schichten der Biomasse eine unterschiedliche Dicke besitzen, insbesondere in der Art, dass die groben Bestandteile der Biomasse dickere Schichten 13 bilden, und die feinen Bestandteile dünnere Schichten 14. Dies führt neben einer gleichmäßigen Durchströmung des Vergasers und einer gleichmäßigen Vergasung der Biomasse zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, was ein besonders effektives und schnell ablaufendes Verfahren ermöglicht.
Die dünnen Schichten können zusätzlich besonders bevorzugt Öl- bzw. Wasser- getränkt sein, und/oder besonders bevorzugt hohe Mengen an Aktivkohle aufweisen, d.h. es ist bevorzugt, eine Befeuchtung und / oder Auswaschung der dünneren Schichten mit Öl durchzuführen, da dies eine besonders effektive Reinigungswirkung bewirkt.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist der Schichtaufbau so gestaltet, dass die groben Bestandteile der Biomasse dünne Schichten bilden, und die feinen Bestandteile dicke Schichten. Dies führt zu einer gleichmäßigen Durchströmung des Vergasers und gleichmäßigen Vergasung der Biomasse, was ein besonders effektives Verfahren ermöglicht.
In einer weiteren, bevorzugten Anordnung werden die Randbereiche der Biomasse im Vergaser, d.h. die Bereiche der Biomasse, die an der Außenwand des Vergasers liegen, mit Feinanteilen befüllt. Bereiche, die im Vergaser-Inneren liegen, werden mit grobem Material beschickt. Dies hat zur Folge, dass sich keine Kanalströmungen, d.h. Randströmungen zwischen dem Rand der Biomasse und der inneren Oberfläche des Vergasers bilden, und so eine gleichmäßige, d.h. eine besonders effektive Vergasung, stattfindet.
Erfindungsgemäß sind auch kombinierte Anordnungen der Biomasse im Vergaser möglich.
Gemäß einer fünften Ausführungsform, die in Figur 6 dargestellt ist, ist innerhalb des Vergasers 1 oberhalb der Biomasse ein Elektrofilter 15 integriert. Elektrofilter dienen zur elektrischen Gasreinigung und sind Vorrichtungen zur Abscheidung von Partikeln aus Gasen, die auf dem elektrostatischen Prinzip beruhen. Der über den Elektrofilter 15 herausgefilterte Staub und Teer fällt nach unten und wird direkt wieder der Biomasse zugeführt. In der dargestellten Ausführungsform wird der Elektrofilter 15 als Modul 16 in den Vergaser 1 eingesetzt. Dadurch kann diese Ausführungsform auch einfach mit den anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Alternativ kann die zentrisch angeordnete Welle, wie in Figur 2 dargestellt, als Sprühelektrode dienen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Teer- bzw. Partikelreduzierung während des Vergasungsverfahrens innerhalb der Vergasungsvorrichtung stattfindet. Das resultierende Synthesegas besitzt einen geringen Teer- und/oder Partikelgehalt im Vergleich zu herkömmlichen Vergasungsverfahren von Biomasse. Dadurch ist dieses vorgereinigte Synthesegas insbesondere besser für verschiedenartige Folgeprozesse geeignet. Hier sind zum Beispiel die direkte Verstromung über einen Gasmotor oder eine Turbine, die Fischer-Tropsch-Synthese, das Haber-Bosch-Verfahren, die Oxo-Synthese oder die Methanolsynthese zu nennen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Verunreinigungen wie Teer- und/oder Staubpartikel effektiv aus dem Synthesegas entfernt. Dadurch kann Synthesegas aus dem erfindungsgemäßen Verfahren z.B. insbesondere für die Fischer-Tropsch-Synthese eingesetzt werden, da die dabei eingesetzten Katalysatoren nicht durch Verunreinigungen mit Teer und/oder Staubpartikeln inaktiviert werden. Es ist auch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit herkömmlichen, nachgeschalteten Reinigungsverfahren, wie z.B. Zyklone, Multizyklone, Heißgasfilter, Wäscher, thermische Cracker, katalytische Restoxidation, Elektrofilter, CO2 Wäscher, Schwefelabscheider o.a. möglich, um ein besonders teer- und/oder partikelfreies Synthesegas herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben zum Vorteil, dass die bei der Vergasung der Biomasse entstehenden Partikel bereits im Vergaser zurückgehalten werden, oder deren Entstehung reduziert wird, so dass nicht, bzw. nur in verringertem Umfang, die Notwendigkeit besteht, diese im Nachhinein durch nachgeschaltete Verfahren oder Vorrichtungen abzutrennen. Das Verfahren kann somit wirtschaftlicher betrieben werden, da im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen keine, oder nur verringerte Kosten für nachgeschaltete Reinigungsvorrichtungen und die Entsorgung von Reinigungsflüssigkeiten etc. anfallen. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein einfacherer apparativer Anlagenaufbau möglich, da zusätzliche, nachträgliche Reinigungseinheiten wegfallen oder nur in reduziertem Umfang benötigt werden. Dadurch ist es möglich das Verfahren effizienter zu betreiben, da Teer- und/oder andere Partikel in höherem Maße innerhalb des Vergasungsverfahrens zu Synthesegas umgesetzt werden. Weiter können durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die variierenden Brennstoffeigenschaften der Biomasse ausgeglichen werden, sowie eine Vereinfachung der Vergaserregelung erzielt werden. Zusätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakter und hat im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen einen reduzierten Platzbedarf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von insbesondere Biomasse, bei dem Maßnahmen getroffen werden, den Teergehalt im Synthesegas zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Teerreduktion während des Vergasungsverfahrens innerhalb des Vergasers (1) stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Teergehalt durch Filtern mit Aktivkohle im Vergaser (1) reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck im Vergaser (1) einstellbar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle im Vergaser (1) innerhalb des Vergasungsprozesses aus der Biomasse generiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle innerhalb des Vergasers (1), insbesondere über eine Schneckenvorrichtung (10), mechanisch umgeschichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, mit den Schritten:
Entnahme von Filtermaterial (16), insbesondere Aktivkohle, aus dem Vergaser (1), und
- Zugabe des entnommenen Filtermaterials (18), insbesondere Aktivkohle, an einer anderen Stelle im Vergaser (1).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das entnommene Filtermaterial (16) zusätzlich aktiviert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle in Richtung des aus der Biomasse (6) austretenden Synthesegases (9) umgeschichtet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filtermaterial, insbesondere Aktivkohle, bei der Beschickung des Vergasers (1) mit Biomasse von außen zugegeben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (6) befeuchtet und/oder ausgewaschen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtung und/oder Auswaschung mit Wasser und/oder Öl, beispielsweise Rapsöl und/oder Wachs, durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungsmittel eine Verdampfungstemperatur oberhalb des Temperaturbereichs, innerhalb dessen Teer entstehen kann, aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (6) vor der Beschickung des Vergasers (1) in grobe und feine Bestandteile aufgetrennt wird, und danach die unterschiedlichen Bestandteile wechselweise in mehreren Schichten im Vergaser (1) angeordnet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass, der Schichtaufbau so gestaltet ist, dass die Schichten eine unterschiedliche Dicke besitzen, in der Art, dass die groben Bestandteile der Biomasse (6) dickere Schichten bilden und die feinen Bestandteile dünnere Schichten.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau so gestaltet ist, dass die Schichten eine unterschiedliche Dicke besitzen, in der Art, dass die feinen Bestandteile der Biomasse (6) dickere Schichten bilden und die groben Bestandteile dünnere Schichten.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Teerreduzierung ein Elektrofilter (15) innerhalb des Vergasers bereitgestellt wird.
17. Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas (9) durch Vergasung von insbesondere Biomasse (6), umfassend einen Vergaser (1), und ein Mittel zur Reduzierung des Teergehalts im Synthesegas, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel innerhalb des Vergasers (1) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine Umschichtungsvorrichtung, insbesondere eine Schneckenvorrichtung (10), zur mechanischen Umschichtung der Biomasse (6) umfasst.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser eine Entnahmeöffnung (15) zum Entnehmen von im Vergaser entstandenem Filtermaterial und eine Zugabeöffnung (17) für die Zuführung des entnommenen Filtermaterials an einer anderen Stelle umfasst.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel so ausgebildet ist, dass die Umschichtung in der Art erfolgt, dass Aktivkohle innerhalb des Vergasers (1) in Richtung des aus der Biomasse (6) austretenden Synthesegases (9) umgeschichtet wird.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (1) ein Mittel zur Befeuchtung und / oder Auswaschung (11) der Biomasse (6) innerhalb des Vergasers (1) umfasst.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (1) ein Mittel zur Regulierung des Gasdrucks innerhalb des Vergasers (1) umfasst.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Vergasers (1) ein Elektrofilter angeordnet ist.
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