DE19618213A1 - Verfahren zur Erzeugung von Brenngas und Anlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas aus organischen Stoffen, insbesondere Holz und anderen Biomassen, bei dem in einer Pyrolysestufe die organischen Stoffe unter Erzeugung von Schwelgas enthaltend neben gasförmigen Kohlenwasserstoffen flüssige Kohlenwasserstoffe (Teere) und Wasserdampf und von Schwelkoks enthaltend Kohlenstoff und anorganische Bestandteile thermisch zerlegt werden, das Schwelgas in einer Schwelgasverbrennungsstufe bei Temperaturen von 1200°C und höher zumindest teilweise zu einem heißen Verbrennungsgas verbrannt wird und der Schwelkoks mittels des heißen Verbrennungsgases in einer Vergasungsstufe zu einem staubhaltigen Synthesegas vergast wird und das Synthesegas in einer Entstaubungsstufe entstaubt wird.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 44 04 673 bekannt.

Bei der Pyrolyse von organischen Stoffen, insbesondere Holz, kann beispielsweise ein Schwelgas mit folgender ungefährer Zusammensetzung (auf trockene Basis bezogen) erzeugt werden: 20 Vol.-% CO, 11 Vol.-% H₂, 12 Vol.-% CO₂, 54 Vol.-% N₂ und 3 Vol.-% CH₄ sowie Spuren von Ar, H₂S, HCl. In diesem Gas sind allerdings auch vom Feuchtegehalt des eingesetzten Holzes abhängige Wasserdampfgehalte (bei naturfeuchtem Holz ca. 26%) und Teer- und Phenolgehalte von bis zu 15 g/Nm³ vorhanden. Wegen dieses hohen Gehaltes an Teer kann ein solches Synthesegas nicht ohne Gefahr von Schäden im Dauerbetrieb in einem Gasmotor verarbeitet werden. Das bekannte Verfahren schlägt daher vor, das Schwelgas vollständig zu verbrennen und mit Hilfe der bei der Verbrennung entstehenden thermischen Energie den Schwelkoks bei Temperaturen von 800-900°C zu vergasen. Bei der bekannten Verfahrensführung ist aber beabsichtigt, das Schwelgas in einer Schmelzkammer zu verbrennen. Hierbei wird nicht berücksichtigt, daß gerade bei der Pyrolyse von Holz eine alkalireiche Asche entsteht.

Weiterhin wird bei dem bekannten Verfahren der aus dem Synthesegas abgeschiedene Staub, der aus den anorganischen, insbesondere alkalischen Bestandteilen des Kokes besteht, in die Schwelgasverbrennungskammer zurückgeführt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem die Probleme, die auf schmelzende Bestandteile zurückzuführen sind, vermindert werden und bei denen die Verbrennung des Schwelgases verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Schwelgas mit möglichst geringer Staubbeladung aus der Pyrolysestufe abgezogen wird und in der Schwelgasverbrennungsstufe nur teilweise verbrannt wird und daß dem Schwelgas in der Schwelgasteilverbrennungsstufe zumindest mittels Luft ein Drall aufgeprägt wird und die Verbrennung bei höchstens 1500°C erfolgt.

So wird zunächst zum einen dafür Sorge getragen, daß aus der Pyrolysestufe möglichst wenig Staub mit dem Schwelgas ausgetragen wird. Als Pyrolysestufe eignet sich zum Beispiel der Wamsler-Thermoprozessor®, der durch folgende Schutzrechte bzw. Schutzrechtsanmeldungen umrissen ist:
DE 42 30 311 C1, DE 43 16 869 C1, DE-A5 26 04 409, DE 27 35 139, DE 39 24 626, DE 39 00 977 und DE 39 06 790. Bei einem solchen Festbettvergaser mit Gleichstromführung von zu vergasenden Stoffen und Vergasungsmittel ist der Staubanteil in Schwelgas relativ gering. Bei einer Wirbelschichtvergasung müßte die Pyrolysestufe mit einem zusätzlichen Abscheider versehen werden.

Weiterhin wird durch die Ausbildung der Schwelgasteilverbrennungsstufe als Verbrennungsstufe mit einer Drallströmung eine sichere Umsetzung im gewünschten Umfang bezüglich der Teere erreicht.

Vorzugsweise wird der Schwelgasteilverbrennungsstufe zusätzlich Wasserdampf zugeführt, sofern in der Schwelgasteilverbrennungsstufe reduzierende Bedingungen vorherrschen, wenn der bei der Pyrolyse freigesetzte Wasserdampf nicht ausreicht. Durch den Wasserdampf wird die Wassergasreaktion angeregt, die erheblich zur Teercrackung beiträgt. Gleichzeitig wird aber die Temperaturerhöhung in der Kammer nicht zu intensiv, d. h. die Temperatur wird auf einer Temperatur 1500°C gehalten, um das Material zu schonen.

Da in der Vergasungsstufe nicht nur der C-Gehalt des Schwelkokses unter Bildung von CO über die Boudouard-Reaktion reduziert wird, sondern gleichzeitig dort auch die Wassergas-Reaktion abläuft, kann es sinnvoll sein, auch der Vergasungsstufe zusätzlich Wasserdampf zuzuführen. Die Temperatur in der Vergasungsstufe wird vorzugsweise im Bereich 750-900°C, weiter bevorzugt 800-850°C gehalten, denn einerseits geht die Geschwindigkeit der Vergasungsreaktionen gegen Null, wenn das Verbrennungsgas der Schwelgasteilverbrennungsstufe und der Koks eine Temperatur von 750°C unterschreiten, andererseits beginnen bei Temperaturen über 850°C die alkalischen anorganischen Bestandteile des Schwelkokses zu sintern.

In Abweichung von der bekannten Verfahrensführung wird aus eben diesem Grunde auch der in der Entstaubungsstufe abgeschiedene Staub nicht der Schwelgasverbrennungskammer, sondern in bevorzugter Weise der Pyrolysestufe zugeführt. Beim teilweisen Verbrennen des Schwelgases in der Schwelgasteilverbrennungsstufe unter Aufprägung eines Dralls ist es sinnvoll und wird bevorzugt, daß das Verbrennungsgas der Schwelgasteilver­ brennungsstufe unter Aufrechterhaltung des aufgeprägten Dralls in die Vergasungsstufe überführt wird und der Schwelkoks in die Drallströmung der Vergasungsstufe eingeführt wird. Der Drehimpuls der Verbrennungsgase aus der Schwelgasteilverbrennungsstufe bleibt beim Durchtritt in die Vergasungsstufe hinein weitestgehend erhalten, so daß sich auch in der oberen Stufe eine Drallströmung ähnlich der einer Zyklonbrennkammer ausbildet.

Der Schwelkoks wird nach Austritt aus der Pyrolysestufe auf eine Korngröße gemahlen, die für eine Vergasung in einer Zyklonreaktionskammer geeignet ist, d. h. nach Eintrag in die Vergasungsstufe von der Drallströmung mitgenommen werden kann. Die Schwelkokskörner werden von der rotierenden Strömung erfaßt und infolge ihrer im Vergleich zum Gas wesentlich höheren Dichte zentrifugal nach außen getragen. Die Schwelkokspartikel bewegen sich so lange auf spiralförmigen Bahnen, bis sie infolge der Abzehrung des Kohlenstoffes, hervorgerufen durch die Vergasungsreaktionen, so klein bzw. leicht geworden sind, daß sie der aus der Verbrennungsstufe austretenden Strömung folgen können. Sie verlassen dann in Form von sehr kleinen Ascheteilchen die Vergasungsstufe an ihrem oberen Ende. Bei einer solchen Ausgestaltung der Vergasungsstufe kann die optimale Verweilzeit durch die Beeinflussung der Drallzahl und damit das Verhältnis Zentrifugalkraft/Schleppkraft der Strömung für die einzelnen Teilchen eingestellt werden.

Neben der Überleitung der Drallströmung aus der Schwelgasteilverbrennungs­ stufe in die Vergasungsstufe unter Aufrechterhaltung des Dralls ist es auch denkbar, nur die Schwelgasteilverbrennungsstufe mit einer Drallströmung zu betreiben und das Verbrennungsgas der Schwelgasteilverbrennungsstufe als Wirbelmedium in ein in der Vergasungsstufe aus Schwelkoks aufgebautes Wirbelbett überzuleiten. Da das aus der Vergasungsstufe abgezogene Synthesegas noch einen hohen Wärmeinhalt hat, ist es zweckmäßig, daß durch Wärmetausch mit dem heißen Synthesegas Luft erwärmt wird, die der Schwelgasteilverbrennungsstufe, der Pyrolysestufe und/oder der Vergasungsstufe zugeführt wird.

Der Anspruch 8 und die von ihm abhängigen Unteransprüche 9-14 richten sich auf eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren in einigen Beispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockfließschema einer Holzvergasungsanlage mit den Stufen Pyrolyse, Schwelgasteilverbrennung und Schwelkoksvergasung,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Baugruppe Schwelgasverbrennungskammer mit aufgesetztem Vergasungsreaktor mit freier Querschnittsverengung zwischen den beiden Kammern,

Fig. 3 eine Baugruppe vergleichbar Fig. 2 mit Lochblech zwischen den beiden Kammern und

Fig. 4 eine Baugruppe, bei der die Schwelgasverbrennungskammer wie bei den Fig. 2 und 3 als Drall- oder Zyklonbrennkammer ausgebildet ist, während die Vergasungsstufe als Wirbelbettkammer ausgebildet ist.

Gemäß dem Blockfließschema nach Fig. 1 wird in einer Pyrolysestufe 1 mit Feststoff aufbereitetes Holz 2 mit auf ca. 700°C vorgewärmter Frischluft 3 pyrolysiert. Aus der Pyrolysestufe wird Schwelgas 4 mit möglichst geringer Staubbeladung abgezogen und einer Schwelgasteilverbrennungsstufe 5 zugeführt. In der Schwelgasteilverbrennungsstufe erfolgt unter Zufuhr von vorgewärmter Luft 6 eine Teilverbrennung unter unterstöchiometrischen Bedingungen im Temperaturbereich von vorzugsweise 1200-1500°C. Bei diesen Temperaturen wandeln sich alle im Schwelgas vorhandenen Teere in niedermolekulare Vergasungsbestandteile wie CH₄, CO und H₂ um. Bei der beispielhaften Verfahrensführung weist das die Pyrolysestufe verlassende Schwelgas 4 noch eine Temperatur von 700°C auf, so daß die Temperaturerhöhung auf 1200-1500°C technisch realisierbar ist.

Die aus der Pyrolysestufe als Schwelkoks abgezogene Holzkohle 7 wird in einer nachgeschalteten Mahleinrichtung 8 soweit zerkleinert, daß er von einer in einer der Mahleinrichtung nachgeschalteten Vergasungsstufe 9 aufgebauten Drallströmung mitgenommen werden kann (vgl. Fig. 2).

Der Vergasungsstufe 9 wird Dampf 10 zugeführt. Die gestrichelte Linie, die von der Dampfleitung abzweigt und zur Schwelgasteilverbrennungsstufe 5 führt, zeigt an, daß in bevorzugter Weise auch der Schwelgasteilverbrennungsstufe Dampf 11 zugeführt wird. Das unterstöchiometrische Verbrennungsgas 12 aus der Teilverbrennung unter unterstöchiometrischen Bedingungen tritt mit einer Temperatur von 1200-1500°C in die Vergasungsstufe ein. In der Vergasungsstufe 9 werden mit Hilfe der C_fix-Anteile des Schwelkokses das herangeführte Kohlendioxid zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und der im Schwelgas vorhandene und der zugeführte Dampf 10 zumindest teilweise zu Wasserstoff wärmeverbrauchend reduziert. Das Synthesegas 13 wird über einen Wärmetauscher 14 einer Gasreinigungseinrichtung 15 zugeführt, die zumindest einen Staubabscheider 16 aufweist. Der in dem Staubabscheider 16 abgeschiedene Feinstaub 17 wird der Pyrolysestufe 1 zugeführt. Es kann auch sinnvoll sein, die Staubabscheidung vor dem Wärmetauscher durchzuführen.

Der Wärmetauscher 14 ist ein Gas-Gaswärmetauscher, in dem Frischluft 18 einem Wärmetausch mit dem Synthesegas 13 unterzogen wird. Die erwärmte Frischluft wird als Frischluft 3 der Pyrolysestufe und als Frischluft 6 der Schwelgasteilverbrennungsstufe zugeführt und kann auch anteilig als vorgewärmte Luft 15 der Vergasungsstufe 9 zugeführt werden, wie dies in der Fig. 1 punktiert dargestellt worden ist.

Das behandelte Synthesegas wird in einem nachgeschalteten Gasmotor 19, der einen Generator 20 antreibt, genutzt. Die Abgase des Gasmotors werden über einen Wärmetauscher 22 und einen Abgaskatalysator 23 geführt und dann in die Atmosphäre entlassen.

In der Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer aus der Schwelgasteilverbrennungsstufe 5 und der Vergasungsstufe 9 bestehenden Crackstufe dargestellt. Sie besteht aus der Schwelgasteilverbrennungskammer 24 und aus der oberhalb der Schwelgasteilverbrennungskammer angeordneten Vergasungskammer 25. Das Schwelgas 4 wird durch einen am unteren Ende der Vergasungskammer angeordneten Gaszufuhrkanal 26 zugeführt und tritt über einen zylindrischen Drall auf Bauabschnitt 27 in einen sich konisch erweiternden Hauptabschnitt 28 ein. Der Hauptabschnitt der Kammer ist durch einen vorzugsweise ebenfalls konisch gestalteten Dachabschnitt 29 mit mittiger Abzugsöffnung 30 verschlossen. Der Hauptabschnitt 28 ist von einem Doppelmantel 31 mit Abstand umgeben.

Zur Erzeugung des Dralls in der Schwelgasteilverbrennungskammer 24 ist mindestens eine tangential angeordnete Einlaßöffnung 32 vorgesehen, über die die Luft 6 und der Dampf 11 zugeführt werden. Über einen Anschlußzylinder 33 schließt sich die Vergasungskammer 25 an. Diese besteht aus einem konischen Bodenabschnitt 34 und zylindrischem Hauptabschnitt 35 sowie einem Dachabschnitt 36 mit mittiger Abzugsöffnung 37. Dem Hauptabschnitt 35 wird über mindestens eine tangential angeordnete Einlaßöffnung 38 der Dampf 10 und vorgewärmte Verbrennungsluft 15 zugeführt. Der Koks 7 wird der Vergasungskammer über ein seitliches Zuführorgan 39 zugeführt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Zufuhr von Luft und Dampf nicht über gemeinsame Einlaßöffnungen 32 und 38 erfolgen muß; sie können auch getrennt zugeführt werden. Gleichzeitig ist es von Vorteil, wenn die Zufuhr über gleichmäßig um den Umfang verteilte mehrere Einlaßöffnungen 32 und 38 erfolgt.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, baut sich in der Verbrennungskammer 24 eine Drallströmung D₂₄ auf. Durch die Verengung der Öffnung 30 und den Anschlußzylinder 33 bleibt bei Durchtritt des Verbrennungsgases 12 durch den Anschlußzylinder der Drehimpuls weitestgehend erhalten, so daß sich auch in der oberen Kammer eine Drallströmung D₂₅ ausbilden kann, deren Drehimpuls durch die tangentiale Zufuhr des Dampfes 10 bzw. der Luft 15 unterstützt wird. Die Schwelkokspartikel bewegen sich in der Vergasungskammer 25 so lange auf spiralförmigen Bahnen, bis infolge der Abzehrung des Kohlenstoffanteils durch die Vergasungsreaktionen sie der durch die Öffnung 38 abströmenden Hauptströmung folgen können. Infolge des Staudrucks des durch die enge Öffnung 30 aufwärts strömenden heißen Verbrennungsgases können sowohl Holzkohleteilchen als auch die sich bildenden Aschepartikel nicht nach unten in die Verbrennungskammer 24 fallen. Hier könnten sie infolge ihres Alkaligehaltes zu Problemen durch erhöhten Schmelzfluß und damit Wandabzehrungen oder Anbackungen führen. Am Ausgang der Vergasungskammer wird die Temperatur auf 750-900°C gehalten, vorzugsweise bei 800-850°C und wiederum bevorzugt bei 800°C. Infolge der langen Verweilzeit der einzelnen Koksteilchen 7 im Zentrifugalfeld ist es möglich, bei einer relativ niedrigen Vergasungstemperatur von 800°C einen hohen Umsatzgrad zur Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erreichen. Durch die chemischen Reaktionen wird die hohe Eingangs­ temperatur relativ schnell abgebaut.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, daß der Durchmesser der mittigen Abzugsöffnung 30′ gegenüber der Öffnung 30 größer gewählt worden ist und in dem Zylinder 33′ ein Lochblech 40 angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird auf die Erhaltung des Drehimpulses beim Übergang aus der Verbrennungskammer 24 in die Vergasungskammer 25 verzichtet. Vielmehr wird in der Vergasungskammer ein stationäres Wirbelbett 41 oberhalb eines im Verbindungszylinder 33′′ angeordneten Wirbelbodens 42 aufgebaut.

Da das Schwelgas nicht völlig frei von einer Staubbeladung gehalten werden kann, kann sich vielleicht noch ein sehr kleiner Anteil an Flugstaubpartikeln an den Wandungen der Verbrennungskammer 24 abscheiden, so daß gegebenenfalls am unteren Ende der Kammer ein Schmelzeabzug vorzusehen ist.

Claims (14)

1. Verfahren zur Erzeugung von Brenngas aus organischen Stoffen, insbesondere Holz und anderen Biomassen, bei dem in einer Pyrolysestufe die organischen Stoffe unter Erzeugung von Schwelgas enthaltend neben gasförmigen Kohlenwasserstoffen flüssige Kohlenwasserstoffe (Teere) und Wasserdampf und von Schwelkoks enthaltend Kohlenstoff und anorganische Bestandteile thermisch zerlegt werden, das Schwelgas in einer Schwelgasverbrennungstufe bei Temperaturen von 1200°C und höher zumindest teilweise zu einem heißen Verbrennungsgas verbrannt wird und der Schwelkoks mittels des heißen Verbrennungsgases in einer Vergasungsstufe zu einem staubhaltigen Synthesegas vergast wird und das Synthesegas in einer Entstaubungsstufe entstaubt wird dadurch gekennzeichnet, daß das Schwelgas mit möglichst geringer Staubbeladung aus der Pyrolysestufe abgezogen und in der Schwelgasverbrennungsstufe nur teilweise verbrannt wird und daß dem Schwelgas in der Schwelgasverbrennungstufe zumindest mittels Luft ein Drall aufgeprägt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwelgasteilver­ brennungsstufe zusätzlich Wasserdampf zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsstufe zusätzlich Dampf zugeführt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Entstaubungsstufe abgeschiedene Staub der Pyrolysestufe zugeführt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas der Schwelgasteilverbrennungsstufe unter Aufrechterhaltung des aufgeprägten Dralls in die Vergasungsstufe überführt wird und der Schwelkoks in die Drallströmung in der Vergasungsstufe eingeführt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas der Schwelgasteilverbrennungsstufe als Wirbelmedium in ein in der Vergasungsstufe aus Schwelkoks aufgebautes Wirbelbett übergeleitet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß durch Wärmetausch mit dem heißen Synthesegas Luft erwärmt wird, die der Schwelgasteilver­ brennungsstufe, der Pyrolysestufe und/oder der Vergasungsstufe zugeführt wird.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, mit einem Pyrolysereaktor, einer dem Pyrolysereaktor gasseitig nachgeschalteten Schwelgasverbrennungskammer, einer dem Pyrolysereaktor schwelkoksseitig nachgeschalteten und oberhalb der Schwelgasverbrennungskammer angeordneten Vergasungskammer und einem der Vergasungskammer nachgeschalteten Staubabscheider, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (24) an ihrem unteren Ende einen Schwelgaseintritt (24) und mindestens einen tangential ausgerichteten Lufteintritt (32) zum Aufbau einer Drallströmung in der Verbrennungskammer (24) aufweist und die Verbrennungskammer im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lufteintritt (32) in die Verbrennungskammer (24) ein von der Luft (6) durchströmter Doppelmantel (31) vorgeschaltet ist.

10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (24) an ihrem oberen Ende eine Querschnittsverengung (30, 33) aufweist derart, daß beim Durchtritt des Verbrennungsgases in die Vergasungskammer (25) dessen Drehimpuls weitestgehend erhalten bleibt.

11. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Querschnittsverengung ein Lochblech (40) angeordnet ist.

12. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vergasungskammer (25) auf einem Wirbelboden (42) ein Wirbelbett aufgebaut ist.

13. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungskammer (25) ein Entstauber (16) nachgeschaltet ist, der staubseitig (17) mit dem Pyrolysereaktor (1) verbunden ist.

14. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Entstauber (16) ein Wärmetauscher (14) vor- oder nachgeschaltet ist, in dem ein Wärmetausch zwischen dem die Vergasungskammer (25) verlassenden Gas und der dem Pyrolysereaktor (1), der Verbrennungskammer (24) und/oder der Vergasungskammer (25) zuzuführende Luft erfolgt.