DE4404673C2 - Verfahren zur Erzeugung von Brenngas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas aus wasser- und ballasthaltigen organischen Stoffen, wie Kohle, kommunale und industrielle Schlämme, Holz und Biomassen, kommunaler und industrieller Müll und Abfall sowie Abprodukte, Reststoffe und anderes.

Die Erfindung kann insbesondere angewendet werden zur energetischen Verwer­ tung von Biomassen und Holz von zyklisch bebauten landwirtschaftlichen Flä­ chen, insbesondere rekultivierten Bergbauflächen und damit zur Gestaltung koh­ lendioxidneutraler Umwandlung natürlicher Brennstoffe in mechanische und Wärmeenergie sowie für die nutzbringende Entsorgung von Kommunen, Gewerbe, Landwirtschaft und Industrie von Müll, sonstigen organischen Abfällen, Reststoffen, Neben- und Abprodukten.

Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Vorschlägen und praktischen Anwendungen zur energetischen Nutzung von Pflanzen sowie organischen Abfällen bis hin zum Müll aus Kommunen, Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft. Ein im November 1981 von der Kernforschungsanlage Jülich GmbH durchgeführtes Seminar faßt den Stand der Technik zur thermischen Gaserzeugung aus Biomasse, d. h. der Ver- und Entgasung zusammen, der auch heute noch den Stand der Technik weitgehend charakterisiert (Bericht der Kern­ forschungsanlage Jülich - JülConf-46). Dementsprechend bestimmen Verfahren zur Verbrennung, Entgasung und Vergasung einzeln oder in Kombination den Stand der Technik mit folgenden Zielen: - Produktion von Verbrennungsgas als Wärmeenergieträger zur Dampferzeugung durch Verbrennung, - Produktion von hochkalorischen festen und flüssigen Brennstoffen, wie Koks, Holzkohle und flüssigen, ölähnlichen Teeren durch Schwelung, Ent- und Vergasung, - Produktion von Brenngas unter Vermeidung fester und flüssiger Brennstoffe durch vollstän­ dige Vergasung.

Bei den Vergasungsverfahren entscheidet die Prozeßführung darüber, ob die flüssigen und großmolekularen Schwelprodukte erhalten oder ebenfalls durch Oxidation vergast werden.

Die älteste Art der Vergasung ist die Vergasung im Festbett, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel im Gegenstrom zueinander bewegt werden. Diese Verfahren erreichen den höchstmöglichen Vergasungswirkungsgrad bei geringstmöglichem Sauerstoffbedarf. Der Nachteil dieser Art der Vergasung besteht darin, daß im Vergasungsgas die Brennstoffeuchte und alle bekannten flüssigen Schwelproduk­ te enthalten sind. Außerdem erfordert diese Art der Vergasung stückigen Brenn­ stoff. Die Vergasung in der Wirbelschicht, bekannt als Winklervergasung, besei­ tigte diesen Mangel der Festbettvergasung weitestgehend, aber nicht vollständig. Bei der Vergasung bituminöser Brennstoffe wird z. B. nicht immer die notwendige Teerfreiheit des Vergasungsgases, wie sie für die Anwendung des Gases als Brennstoff für Verbrennungskraftmaschinen erforderlich ist, erreicht. Darüber hin­ aus ist aufgrund des höheren durchschnittlichen Temperaturniveaus bei der Prozeßführung gegenüber der Festbettvergasung der Sauerstoffverbrauch deutlich höher. Außerdem hat das Temperaturniveau der Winklervergasung zur Folge, daß ein Großteil des eingetragenen Kohlenstoffes nicht in Brenngas umgesetzt, sondern in Form von Staub und, gebunden an die Asche, aus dem Prozeß wieder ausgetragen wird. Dieser Mangel der Vergasungstechnik kann mit den Hochtem­ peraturflugstromvergasungsverfahren die in der Regel oberhalb des Schmelz­ punktes der Asche arbeiten, vermieden werden.

Ein Beispiel dafür ist die DE 41 39 512 A1. Bei diesem Verfahren werden Abfallstoffe durch Schwelung in Schwelgas und Schwelkoks zerlegt und damit in eine für die Vergasung in einer exothermen Flugstromvergasung erforderliche Form aufbereitet. Der Übergang zur exothermen Flugstromvergasung ist verbunden mit weiter steigendem Sauerstoffbedarf und sinkendem Wirkungsgrad, obwohl die organische Substanz der Abfallstoffe so gut wie vollständig in Brenngas umgewandelt wird. Die Ursachen liegen im hohen Temperaturniveau dieser Vergasungsverfahren, die zur Folge haben, daß ein Großteil der Brennstoffwärme in physikalische Enthalpie des Brenngases umgewandelt wird.

Der Mangel dieser technischen Lösungen, wie sie auch der DE 41 39 512 anhaf­ tet, wurde natürlich von der internationalen Fachwelt erkannt und mit neuen Lösungsvorschlägen beantwortet. Der neueste Stand der Technik der Vergasung von Kohle ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom der Kohle in einer Schmelzkammerfeuerung zu heißem Verbrennungsgas verbrannt wird, das im Fortgang des Verfahrens als Vergasungsmittel verwendet wird. Durch Einbringen des zweiten Kohleteilstromes in das heiße Vergasungsmittel werden die Voraus­ setzungen für eine endotherme Vergasung geschaffen, und das Verbrennungsgas mit Hilfe der Bouduard- und Wassergasreaktionen in Brenngas umgewandelt. Praktische Anwendung findet diese Art der Vergasung in Japan beim NEDO-Pro­ jekt und in den USA beim WABASH-RIVER-Projekt. Für Holz, Reststoffe und Müll ist diese Art der Vergasung nicht geeignet, da diese Stoffe nur mit hohem mechanischem Aufwand in die für diese Prozeßführung erforderliche Staubform überführt werden können.

Die DE 42 09 549 behebt diesen Mangel, indem sie der Kombination Teilstrom­ verbrennung/endotherme Flugstromvergasung eine Pyrolyse zur thermischen Aufbereitung der Brennstoffe, insbesondere Abfallstoffe, vorschaltet. Der Mangel dieses Verfahrens ist jedoch, daß hier das heiße Vergasungsmittel durch Ver­ brennung des Pyrolysekokses mit Luft und/oder Sauerstoff hergestellt und das Olefine, Aromaten u. a. enthaltende Schwelgas für die Reduktion verwendet wird.

Langjährige Erfahrungen aus dem praktischen Betrieb von Vergasungsanlagen zeigen aber, daß olefin- und aromatenhaltige Brenngase bei Temperaturen bis 1500°C und endothermer Prozeßführung nicht in teerfreies Brenngas, wie es für die Verwendung als Brenngas für Gasturbinen und Motoren erforderlich ist umgewandelt werden können. Der wesentliche Mangel dieser Prozeßführung ist deshalb, daß im Zuge der erforderlichen Gaskühlung und -aufbereitung wäßrige Gaskondensate anfallen, die in dieser Form nicht an die Umwelt abgegeben wer­ den können, so daß erheblicher Aufwand zu deren Aufbereitung erforderlich ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Anteil der physikalischen Enthalpie, die für das Erreichen des Temperaturniveaus oberhalb des Schmelzpunktes des anorganischen Anteils der zu vergasenden erforderlich ist, im Fortgang der Prozeßführung wieder in chemische Enthalpie umzuwandeln, wobei gegenüber einer herkömmlichen Flugstromvergasung ein niedrigerer Verbrauch an sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel und gegenüber bekannter Wirbelschichtverfahren ein höherer Wirkungsgrad bezogen auf die ausgebrachte chemische Enthalpie des Brenngases gewährleistet sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem die Merkmale des Hauptanspruches aufweisenden Verfahren. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Unteranspruch wiedergegeben.

Der Nutzeffekt der Erfindung besteht darin, daß die anorganische Substanz bal­ lasthaltiger, organischer Stoffe in einen verglasten, eluierfesten Baustoff überführt wird, bei Absenkung des Bedarfes an sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel auf das Niveau der Festbettvergasung und vollständiger Vergasung der organischen Substanz bei einem Temperaturniveau, das der Winklervergasung entspricht und, gemessen an der chemischen Enthalpie des Brenngases, gegenüber dem Stand der Technik höheren Vergasungswirkungsgrad.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten technologischen Grob­ schemas und nachfolgender rechnerischer Abschätzung beschrieben.

Als Einsatzgut wird ein wasser- und ballasthaltiger organischer Stoff, eine müllhal­ tige Biomasse folgender Zusammensetzung (in kg/t) verwendet:

Bestandteil
Masse
Kohlenstoff
250
Wasserstoff	25
Sauerstoff	150
Stickstoff	8
Schwefel	2
Schwermetalle (Pb, Cd, Hg, Cu, Zn)	3
Asche	100
Eisen/Nichteisenmetall	30
Glas/Mineralien	112
Wasser	320

Dieses Einsatzgut wird auf eine Kantenlänge von 20 bis 50 mm in einem Schred­ der (1) zerkleinert und über ein gasdichtes Schleusensystem (2) in eine indirekt beheizte, unter Normaldruck arbeitende Schwelkammer (3), in der das Einsatzgut erforderlichenfalls mechanisch bewegt wird, eingebracht. Durch die indirekte Wärmezuführung (4) trocknet und schwelt das Einsatzgut, dabei zerfällt es bei einer Endtemperatur von 400 bis 500°C in rd. 405 kg Feststoff, der annähernd zu 40% aus Kohlenstoff besteht, während der Rest gebildet wird durch Mineralien, Glas, Eisen und Nichteisenmetalle sowie Schwermetalle und Asche, und 595 kg Schwelgas, das zu annähernd zwei Dritteln aus Wasserdampf besteht, und alle anderen bekannten flüssigen und gasförmigen Schwelprodukte enthält.

Die Feststoffe aus der Schwelung werden unter Schwelgas in einem Sieb (5) in eine hauptsächlich Mineralien, Glas und Metallschrott enthaltende Grobfraktion mit einer Kantenlänge größer 5 mm und einen kleinkörnigen Kohlenstoffträger getrennt. Die Grobfraktion wird über gasdichte Schleusensysteme (6) aus dem Verfahren ausgetragen und ggf. einer Separation zugeführt. Der Kohlenstoffträger verbleibt im System und wird über eine Durchlaufmühle (7) und über ein pneumatisches Fördersystem (8), das rückgeführtes Brenngas als Fördermedium verwendet, einer Reduktionskammer (9) zugeführt. Der anorganische Anteil des Kohlenstoffträgers wird mit dem in der Reduktionskammer (9) nicht verbrauchten Kohlenstoff in einer Gasentstaubung (10) abgeschieden und gemeinsam mit dem in der Schwelkammer (3) erzeugten Schwelgas einer Schmelzkammerfeuerung (11) zugeführt und dort mit Sauerstoff oberhalb der Schmelztemperaturen der anorganischen Substanz des Kohlenstoffträgers verbrannt. Die dabei entstehende Flüssigschlacke wird in ein Wasserbad (12) ausgetragen und von dort als eluier­ festes Baustoffgranulat aus dem Prozeß abgeführt. Das 1200 bis 2000°C heiße Verbrennungsgas gelangt aus der Schmelzkammerfeuerung (11) in die Redukti­ onskammer (9), wo ein Teil seines Kohlendioxides und Wasserdampfes mit dem Kohlenstoffträger endotherm zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff chemisch rea­ giert, wodurch die Gastemperatur auf 800 bis 900°C absinkt. Die Zuführung des in der Gasentstaubung (10) anfallenden kohlenstoffhaltigen Staubes zur Schmelzkammerfeuerung (11) erfolgt ebenfalls mit einem pneumatischen Förder­ system (13), das als Trägermedium rückgeführtes Brenngas verwendet. Das so erzeugte Brenngas entspricht in seiner Zusammensetzung einem Brenngas, das bei 800 bis 900°C bei der Vergasung der organischen Substanz des Einsatzgutes mit Sauerstoff unter Normaldruck entsteht. Es ist vergleichbar mit einem nach dem Wirbelschichtvergasungsverfahren erzeugten Vergasungsgas bei Verwen­ dung eines Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisches als Vergasungsmittel.

Claims (2)

1. Verfahren zur Erzeugung von Brenngas durch Vergasung von, insbesondere wasser- und ballasthaltigen aus organischen Stoffen, bei welchem der organische Anteil dieser Stoffe als verglastes, eluierfestes Produkt anfällt und die organische Substanz dieser Stoffe zu teerfreiem, zu Synthesegas aufarbeitbarem Brenngas umgewandelt wird, wobei man unter Drücken von 1- 50 bar in einer

• - ersten Prozeßstufe die ballastreichen organischen Stoffe mit ihren organischen und Wasseranteilen durch direkte oder indirekte Zuführung von physikalischer Enthalpie des Vergasungsgases getrocknet und bei 350 bis 500°C geschwelt und damit in Schwelgas, das die flüssigen Kohlenwasserstoffe und den Was­ serdampf enthält, und Koks, der neben dem anorganischen Anteil hauptsäch­ lich Kohlenstoff enthält, thermisch zerlegt werden,
• - zweiten Prozeßstufe das Schwelgas bei Temperaturen oberhalb der Schmelz­ temperatur des anorganischen Anteiles der organischen Stoffe mit Luft und/oder Sauerstoff, sauerstoffhaltigen Abgasen, z. B. aus Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren, vorzugsweise bei 1200 bis 2000°C, unter Abscheidung von schmelzflüssigem anorganischem Anteil zu Verbrennungsgas verbrannt wird,
• - in einer dritten Prozeßstufe das Verbrennungsgas aus der zweiten Prozeßstufe in Vergasungsgas umgewandelt und die Gastemperatur auf 800 bis 900°C abgesenkt wird, indem Schwelkoks aus der ersten Prozeßstufe, ggf. aufge­ mahlen zu Brennstaub, in das 1200 bis 2000°C heiße Verbrennungsgas ein­ geblasen wird, der das Kohlendioxid teilweise zu Kohlenmonoxid und den Wasserdampf teilweise zu Wasserstoff wärmeverbrauchend reduziert, und in einer
• - vierten Prozeßstufe das Vergasungsgas aus der dritten Prozeßstufe, ggf. nach indirekter und/oder direkter Kühlung, zu Brenngas aufbereitet wird, in dem es entstaubt und chemisch gereinigt und der dabei anfallende, noch Kohlenstoff enthaltende Staub der Verbrennung des Schwelgases in der zweiten Prozeß­ stufe zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebedarf der ersten Prozeßstufe durch einen Teil der Enthalpie des Vergasungsgases aus der dritten oder des Brenngases aus der vierten Prozeßstufe gedeckt wird.