AT528001B1 - Wirbelschichtreaktorsystem und Verfahren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wirbelschichtreaktorsystem, umfassend einen Gaserzeugungsreaktor (1) und einen Calcinierungsreaktor (2), wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) und der Calcinierungsreaktor (2) durch eine erste Leitung (3) und eine zweite Leitung (4) miteinander verbunden sind, wobei entlang der ersten Leitung (3) eine Separatoreinrichtung (5) zum Auftrennen des ersten Intermediatstromes (1-2) in eine erste Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion (1-4) und eine Gaserzeugungsrückstands-Fraktion (1-5) vorgesehen ist, wobei die Separatoreinrichtung (5) und der Gaserzeugungsreaktor (1) über eine dritte Leitung (6) miteinander verbunden sind, und wobei anschließend an die Separatoreinrichtung (5) eine Konvertereinrichtung (7) zum Vergasen der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion (1- 5) vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffreichen Produktgasstromes (1-1) und eines kohlendioxidreichen Abgasstromes (1-6).

Description

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Beschreibung

WIRBELSCHICHTREAKTORSYSTEM UND VERFAHREN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wirbelschichtreaktorsystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Wirbelschichtreaktorsystems. Insbesondere sind dieses System und dieses Verfahren zur Gaserzeugung aus Biomasse und die Herstellung eines wasserstoffreichen Produktgasstromes sowie eines separaten CO2-reichen Abgasstromes eingerichtet.

[0002] Im Stand der Technik sind unterschiedliche Systeme und Verfahren zur Gaserzeugung aus Biomasse, auch als Vergasung von Biomasse bezeichnet, bekannt. Beispielhafte Anwendungen für das erzeugte wasserstoffreiche Produktgas reichen von der Energieversorgung über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Brennstoffzellen bis hin zu den klassisch auf fossilen Brennstoffen basierenden Sektoren innerhalb der organisch-chemischen, petrochemischen oder metallverarbeitenden Industrie. Unter Voraussetzung der Verwendung von nachhaltig angebauter Biomasse oder biogenen Reststoffen im Gaserzeugungsprozess ist das Produktgas auch ein möglicher Rohstoff für die kohlenstoffneutrale Produktion von flüssigen Kraftstoffen, synthetischem Erdgas und Chemikalien.

[0003] Ein bekanntes und industriell bewährtes Reaktorsystem für die Gaserzeugung (Vergasung) von Biomasse zur Erzeugung eines nicht-fossilen Produktgases ist die sogenannte Zweibett-Wirbelschicht (DFB - dual fluidized bed). Das DFB-System besteht typischerweise aus einem Gaserzeugungsreaktor und einem Verbrennungsreaktor. Die beiden Reaktoren werden als Wirbelschichtreaktoren betrieben, wobei das kontinuierlich verwirbelte Bettmaterial für homogene Temperaturfelder sowie für hohe Wärme- und Stoffübertragungsraten und damit günstige Reaktionsbedingungen in den Reaktoren sorgt. In dieser Anwendung fungiert das Bettmaterial zusätzlich als Wärmeträger, der zwischen den beiden Reaktoren zirkuliert. Biomasse wird dem Gaserzeugungsreaktor zugeführt, in dem sie trocknet, entgast und schließlich einen Gaserzeugungsvorgang durchläuft, während der Gaserzeugungsrückstand, typischerweise Kohle/Koks bzw. verkohltes Material, der den Gaserzeugungsreaktor mit dem Bettmaterial verlässt, im Verbrennungsreaktor verbrannt wird.

[0004] Typische Betriebstemperaturen derartiger DFB-Anlagen liegen bei 800-900°C im Gaserzeugungsreaktor und 900-1.000°C im Verbrennungsreaktor.

[0005] Die Zusammensetzung der Hauptkomponenten des Produktgases auf trockener Basis dargestellt aus einer derartigen DFB-Gaserzeugungsanlage, deren Gaserzeugungsreaktor mit Dampf als Fluidisierungs- und Reaktionsmedium betrieben wird, liegt typischerweise im Bereich von 35-45 Vol.-% Wasserstoff, 15-30 Vol.-% Kohlenmonoxid, 15-25 Vol.-% Kohlendioxid, etwa 712 Vol.-% Methan und 0,5-3 Vol.-% Ethen, jeweils abhängig von den Prozessparametern und der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials. Großtechnische DFB-Anlagen sind im Bereich von bis zu 32 MW Brennstoffwärmeleistung bekannt.

[0006] Aufbauend auf dem DFB-Gaserzeugungsprozess wurde der sorptionsgestützte Gaserzeugungsprozess (SEG - sorption enhanced gasification) entwickelt, in dem ein carbonatisierbares Bettmaterial, typischerweise Kalkstein, eingesetzt wird und die beiden Reaktoren in speziellen Temperaturregimen betrieben werden. Der SEG- Prozess ist auch als SER-Prozess (sorption enhanced reforming) bzw. AER-Prozess (absorption enhanced reforming) bekannt.

[0007] Im Vergleich zur herkömmlichen DFB-Gaserzeugung ermöglicht das SEG-Verfahren die Produktion eines wasserstoffreicheren Produktgases (insbesondere ein höheres H2/CO- Verhältnis) sowie eine höhere CO,2-Konzentration im Rauchgas des Verbrennungsreaktors. Unter Berücksichtigung des chemischen Gleichgewichts von CaO (carbonatisierbares Bettmaterial) und CaCOs (carbonatisiertes Bettmaterial) und CO2, kann CO2 aus dem Gaserzeugungsreaktor in den Verbrennungsreaktor überführt werden. Beim SEG Verfahren wird der Verbrennungsreaktor deshalb auch Calecinierungsreaktor genannt.

[0008] Die Umwandlung des Ausgangsmaterials im Gaserzeugungsreaktor in DFB-Anlagen wird

maßgeblich durch die Gaserzeugungstemperatur und die Verweilzeit im Reaktor bestimmt. Diese beiden Parameter sind im SEG-Verfahren nicht beliebig anpassbar, da die Temperatur durch das chemische Gleichgewicht zwischen carbonatisierbarem Material und carbonatisiertem Material (also z.B. CaO / CaCOs und CO») begrenzt ist. Ferner kann die Verweilzeit, die von der Zirkulationsrate des Bettmaterials abhängt, nicht unabhängig von der Reaktortemperatur beeinflusst werden. Zusätzlich wirkt die Erhöhung der Verweilzeit durch die dadurch bedingte Verringerung der Zirkulationsrate des Wirbelschichtbettmaterials der CO2-Abscheidung im Gaserzeugungsreaktor entgegen.

[0009] So liegt die Gaserzeugungstemperatur in SEG-Anlagen unter jener in DFB-Anlagen, nämlich typischerweise bei unter 750°C. Die geringere Temperatur führt zu einer langsameren Umsetzung des Brennstoffs im Gaserzeugungsreaktor und dadurch zu einer höheren Menge an Gaserzeugungsrückstand (Kohle/Koks), der in den Verbrennungsreaktor übertragen wird. In einer Anlage mit geringen Wärmeverlusten kann dies unter anderem dazu führen, dass die im Verbrennungsreaktor freigesetzte Wärmemenge größer ist als der Wärmebedarf des Gaserzeugungsreaktors, was bedeutet, dass dem System Wärme entzogen werden muss. Ein solcher Kühlungsbedarf hat negative Auswirkungen auf die Exergiebilanz des Systems. Außerdem besteht innerhalb der Betriebsgrenzen von SEG-Anlagen typischerweise keine Möglichkeit, den Anteil an vergastem Material anzupassen bzw. zu erhöhen.

[001 0] Weitere Nachteile des Standes der Technik bestehen in den folgenden Aspekten: Innerhalb der Betriebsgrenzen des SEG-Prozesses gibt es keine Möglichkeit, eine zusätzliche externe Wärmequelle (z.B. elektrische Heizung) im Verbrennungsreaktor zu integrieren, deren Wärmeeintrag auch variiert werden kann. Durch den externen Wärmeeintrag verringert sich die notwendige Menge an Koks, der im Verbrennungsreaktor verbrannt wird. Um dies zu ermöglichen, wäre es notwendig, den Anteil an Brennstoff, der zu Produktgas umgesetzt wird, unabhängig von den SEG-Betriebstemperaturen kontinuierlich und regelbar zu erhöhen.

- Der CO2-Gehalt des Rauchgases, das beim SEG-Prozess entsteht ist, im Verhältnis zur klassischen DFB-Gaserzeugung hoch, jedoch ließe sich durch die oben beschriebene Maßnahme der Integration einer externen Wärmequelle gleichzeitig der CO2-Gehalt des Rauchgases erhöhen, bis hin zum Extremfall, in dem reines CO, erzeugt wird. Typischerweise gilt: Je höher der CO2-Gehalt eines Gasstromes, desto energieeffizienter lässt sich dieses abtrennen.

[0011] Aus den bestehenden Limitierungen des Standes der Technik ergibt sich zusammengefasst also folgender Zielkonflikt: DFB-Systeme erlauben hohe Gaserzeugungstemperaturen und damit einhergehend hohe Anteile an vergastem bzw. thermochemisch umgesetztem Ausgangsmaterial. Gleichzeitig ist der Produktgasstrom im Vergleich zu SEG-Systemen jedoch vergleichsweise wasserstoffarm. Letzteres kann durch den Einsatz des SEG-Verfahrens verbessert werden, wobei hier die erforderlichen niedrigeren Gaserzeugungstemperaturen den Anteil an vergastem Ausgangsmaterial reduzieren. Ein weiterer Vorteil des SEG-Verfahrens besteht darin, dass direkt ein CO2-reicher Rauchgasstrom entsteht, jedoch ist dieser gemäß Stand der Technik insofern limitiert, als für eine weitere Verwendung für beispielsweise Carbon Capture and Storage (CCS) oder Carbon Capture and Utilization (CCU) typischerweise hohe Aufwände zu tätigen sind. Überdies verhindert die nach oben hin begrenzte Temperatur des Gaserzeugungsreaktors im SEG-Verfahren und der damit limitierte Brennstoffumsatz im Gaserzeugungsreaktor die Integration externer Wärmequellen.

[0012] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann nun insbesondere darin gesehen werden, diesen Zielkonflikt zumindest teilweise zu lösen. Im Speziellen kann es eine Aufgabe der Erfindung sein, die Vorteile bestehender DFB-Systeme (d.h. hohe Anteile an vergastem Ausgangsmaterial) mit jenen der SEG-Systeme (d.h. wasserstoffreiches Produktgas und CO2-Strom hoher Reinheit) zumindest teilweise zu kombinieren.

[0013] Überraschend wurde während hochwertiger wissenschaftlicher Diskussionen und Überlegungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass diese und weitere Aufga-

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ben durch eine Erweiterung bekannter Anlagen/Verfahren um weitere Reaktorkomponenten/Verfahrensschritte erreicht werden können.

[0014] Insbesondere beruht die Erfindung auf einem Zwei-Reaktor-System, das einen ersten Wirbelschichtreaktor und einen zweiten Wirbelschichtreaktor umfasst, welche über Leitungen miteinander verbunden sind. Die Verbindung ist insbesondere derart, dass über die erste und die zweite Leitung Feststoffmaterial zwischen den Reaktoren transportiert werden kann.

[0015] Der erste Wirbelschichtreaktor kann ein Gaserzeugungsreaktor sein, während der zweite Wirbelschichtreaktor ein Verbrennungsreaktor sein kann. Eine derartige Kombination aus zwei Wirbelschichtreaktoren ist aus bestehenden DFB-Systemen bekannt und wird auch in SEG-Verfahren eingesetzt, wobei das Wirbelschichtbettmaterial dort typischerweise CaO/CaCO»s ist.

[0016] Die Verbindung der beiden Reaktoren erfolgt insbesondere über eine erste Leitung und eine zweite Leitung. Dabei kann die erste Leitung den unteren Abschnitt des Gaserzeugungsreaktors mit dem unteren Abschnitt des Verbrennungsreaktors verbinden und die zweite Leitung kann den oberen Abschnitt des Verbrennungsreaktors mit dem oberen Abschnitt des Gaserzeugungsreaktors verbinden.

[0017] Die erste Leitung kann dazu eingerichtet sein, carbonatisiertes WMirbelschichtbettmaterial gemeinsam mit kohlehaltigem Gaserzeugungsrückstand vom Boden des Gaserzeugungsreaktors in Richtung des Verbrennungsreaktors zu transportieren. Dieser Materialstrom kann als erster Intermediatstrom bezeichnet werden.

[0018] Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass entlang der ersten Leitung eine Einrichtung angeordnet ist, die den ersten Intermediatstrom in zumindest zwei Fraktionen auftrennt, von welchen eine reich an Wirbelschichtbettmaterial ist und die andere reich an Gaserzeugungsrückstand, respektive Kohle, ist. Dies kann in einer Separatoreinrichtung erfolgen, die beispielsweise nach dem Prinzip der wirbelschichtbasierten Dichtetrennung funktioniert.

[0019] Die an Wirbelschichtbettmaterial reiche Fraktion (auch als erste WirbelschichtbettmaterialFraktion bezeichnet) kann weiter in den Verbrennungsreaktor geleitet und dort in bekannter Weise einer Calecinierung zugeführt werden. Daher wird der Verbrennungsreaktor in Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung auch als Calcinierungseaktor bezeichnet.

[0020] Die an Gaserzeugungsrückstand reiche Fraktion (auch als GaserzeugungsrückstandsFraktion bezeichnet) kann einem weiteren Gaserzeugungsschritt zugeführt werden, nämlich insbesondere bei höherer Temperatur als im Gaserzeugungsreaktor. Dieser Gaserzeugungsschritt kann in einer Konvertereinrichtung durchgeführt werden, sodass ein Konvertergasstrom gebildet wird. Die Konvertereinrichtung ist insbesondere stromabwärts der Separatoreinrichtung angeordnet, wobei der Konvertergasstrom über die dritte Leitung in den Gaserzeugungsreaktor eingebracht werden kann. Dadurch vermischen sich der bei der Gaserzeugung im Gaserzeugungsreaktor erhaltene Gasstrom und der Konvertergasstrom und werden zu einem gemeinsamen Produktgasstrom.

[0021] Etwaiges Wirbelschichtbettmaterial, das mit der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion in die Konvertereinrichtung transportiert wird, sowie nicht umgesetzter Gaserzeugungsrückstand können von der Konvertereinrichtung über die dritte Leitung in den Gaserzeugungsreaktor oder über eine weitere Leitung in den Calecinierungsreaktor transportiert werden.

[0022] Durch die Trennung des Feststoffstromes und die Rückführung des Konvertergasstromes können die eingangs beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere wird dadurch nämlich eine erhöhte Gaserzeugungsausbeute (durch den in der Konvertereinrichtung stattfindenden zweiten Gaserzeugungsschritt) erzielt, wobei gleichzeitig ein Betrieb des Gaserzeugungsreaktors in einem Temperaturregime möglich ist, das für die sorptionsgestützte Gaserzeugung vorteilhaft ist.

[0023] Der aus dem Calecinierungsreaktor austretende zweite Intermediatstrom, der das dort erzeugte calcinierte (oder decarbonatisierte) Wirbelschichtbettmaterial enthält, wird in bekannter Weise über die zweite Leitung in Richtung des Gaserzeugungsreaktors geführt. Entlang der zwei-

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ten Leitung kann eine Trenneinrichtung vorgesehen sein, die den zweiten Intermediatstrom in eine kohlendioxidreiche Abgasfraktion (auch als Rauchgasfraktion bezeichnet, wobei die Begriffe „Abgas“ und „Rauchgas“ hier generell synonym verwendet werden können) und eine an calciniertem Wirbelschichtbettmaterial reiche Fraktion (auch als zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion bezeichnet) trennt.

[0024] Die zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion kann über den weiteren Verlauf der zweiten Leitung in den Gaserzeugungsreaktor rückgeführt und dort einem erneuten Carbonatisierungszyklus zugeführt werden. Die Abgasfraktion kann abgeleitet bzw. entsorgt oder bei CO2-reichem Abgas in vorteilhafter Weise einer Speicherung oder Verwertung zugeführt werden.

[0025] Das eingesetzte Ausgangsmaterial ist ein kohlenstoffhaltiges Material, wie beispielsweise Biomasse.

[0026] Der Gaserzeugungsreaktor kann ein Wasserdampf-Gaserzeugungsreaktor sein bzw. er kann mit Wasserdampf fluidisiert sein. Der Gaserzeugungsreaktor kann ein Reaktor sein, der mehrere hintereinander angeordnete Reaktionszonen aufweist, die durch Einschnürungen bzw. Querschnittsverengungen voneinander getrennt sind.

[0027] Die Konvertereinrichtung und Separatoreinrichtung kann ebenfalls mit Dampf fluidisiert werden (bzw. mit dem selben Gas wie der Vergasungsreaktor). Eine andere Variante kann sein, den Gaserzeugungsreaktor, Separator und Konverter ganz oder teilweise mit recycliertem Produktgas zu fluidisieren.

[0028] Das Wirbelschichtbettmaterial kann grundsätzlich jedes carbonatisierbare Material sein, das einem zyklischen Carbonatisierungs-/Calcinierungsprozess zugeführt werden kann. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wirbelschichtbettmaterial um CaO (calcinierte Form) / CaCO»; (carbonatisierte Form), das in Form von Kalkstein eingesetzt werden kann.

[0029] Es ist anzumerken, dass das hier beschriebene Reaktor- und Verfahrenskonzept mit der Erweiterung um einen Konverter und/oder eine Separatoreinrichtung auch mit einem nicht carbonatisierbaren Wirbelschichtbettmaterial betrieben werden kann. In diesem Fall beschränkt sich der Vorteil des Reaktorkonzeptes verglichen mit dem Zweibettwirbelschichtsystem des Standes der Technik auf das Erzielen eines erhöhten Umsatzes an Ausgangsmaterial zu Produktgas.

[0030] Typischerweise wird der Gaserzeugungsreaktor bei einer Temperatur von unter 750°C betrieben, nämlich insbesondere wenn das Wirbelschichtbettmaterial CaO/CaCOz3 ist. Werden andere Wirbelschichtbettmaterialien eingesetzt, kann die Betriebstemperatur auf Grundlage des chemischen Gleichgewichts zwischen carbonatisiertem und calciniertem Wirbelschichtbettmaterial angepasst werden.

[0031] Wie bereits erwähnt, können in der Separatoreinrichtung die erste WMirbelschichtbettmaterial-Fraktion sowie die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion erhalten werden. Die erste Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion ist dabei reich an (insbesondere carbonatisiertem) Wirbelschichtbettmaterial, was bedeutet, dass der Massenanteil an Wirbelschichtbettmaterial in dieser Fraktion höher ist als in dem Gasstrom (hier als erster Intermediatstrom bezeichnet) vor Eintritt in die Separatoreinrichtung. Gegebenenfalls kann der Feststoffanteil dieser Fraktion auch im Wesentlichen oder vollständig aus Wirbelschichtbettmaterial bestehen, also es können lediglich Reste anderer Stoffe enthalten sein. Im Gegensatz dazu ist die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion reich an Gaserzeugungsrückstand, was bedeutet, dass der Massenanteil an Gaserzeugungsrückstand in dieser Fraktion höher ist als in dem Gasstrom (also dem ersten Intermediatstrom) vor Eintritt in die Separatoreinrichtung. Gegebenenfalls kann der Feststoffanteil dieser Fraktion auch im Wesentlichen oder vollständig aus Gaserzeugungsrückstand bestehen, also es können lediglich Reste anderer Stoffe enthalten sein.

[0032] Die Separatoreinrichtung kann als Wirbelschichtseparator mit zwei Separatorzonen ausgeführt sein, wobei die erste Separatorzone mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und die zweite Separatorzone mit hoher Stömungsgeschwindigkeit betrieben wird.

[0033] Gegebenenfalls kann in der Separatoreinrichtung ein Überlaufwehr vorgesehen sein, um

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die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion aus dem Separator abzuführen. Dabei bildet sich die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion typischerweise aus den Partikeln an der Bettoberfläche der Separatoreinrichtung, die über das Wehr fallen. Generell kann die zweite Separatorzone beispielsweise als Festbettreaktor, Fließbettreaktor oder Schwebebettreaktor betrieben werden.

[0034] Die Konvertereinrichtung, die stromabwärts der Separatoreinrichtung angeordnet sein kann, wird insbesondere bei höherer Temperatur betrieben als der Gaserzeugungsreaktor. Die Konvertereinrichtung kann eine Wasserdampf-Konvertereinrichtung sein bzw. kann sie mit Wasserdampf fluidisiert werden. Die Konvertereinrichtung kann beispielsweise als Festbettreaktor, Fließbettreaktor oder Schwebebettreaktor betrieben werden. Gegebenenfalls wird der Konvertereinrichtung Wärme zugeführt, beispielsweise intern (direkt) durch Teilverbrennung des Kokses mit teilweiser Zugabe von Sauerstoff oder extern (indirekt), wie etwa elektrisch.

[0035] Die Konvertereinrichtung kann bei einer Temperatur betrieben werden, die allgemein höher ist als die Betriebstemperatur des Gaserzeugungsreaktors. Beispielsweise kann die Konvertereinrichtung bei zumindest 800°C oder zwischen 800°C und 1.000°C betrieben werden.

[0036] Die dritte Leitung kann neben dem Konvertergasstrom auch Wirbelschichtbettmaterial in den Gaserzeugungsreaktor zurückführen, nämlich insbesondere jenes Wirbelschichtbettmaterial, das in der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion enthalten ist.

[0037] Die Konvertereinrichtung kann eine von der Separatoreinrichtung getrennte Einrichtung und entlang der dritten Leitung angeordnet sein. Alternativ kann die Konvertereinrichtung auch einen Teil der Separatoreinrichtung bilden, nämlich insbesondere als eine Zone einer SeparatorKonverter-Einrichtung. In diesem Fall ist die Separatorzone stromaufwärts der Konverterzone vorgesehen.

[0038] Es wird angemerkt, dass die Begriffe „stromaufwärts“, „stromabwärts“ oder dergleichen in Bezug auf die Flussrichtung der Gas- und/oder Feststoffströme im Betriebszustand einer hier beschriebenen Anlage verwendet werden.

[0039] Der Calcinierungsreaktor kann mit einer externen Heizeinrichtung ausgestattet sein, um die erforderliche Energie bereitzustellen. Insbesondere liegt die Betriebstemperatur des Calcinierungsreaktors bei über 850°C. Dies insbesondere, wenn das System CaO/CaCOz; als Wirbelschichtbettmaterial verwendet wird. Gegebenenfalls können auch andere Materialsysteme oder Mischungen unterschiedlicher Materialien als Wirbelschichtbettmaterial, beispielsweise Dolomit, eingesetzt werden, wobei die vorteilhafterweise verwendeten Temperaturregimes in diesem Fall entsprechend anzupassen sind.

[0040] Vorteilhafterweise sind die Feststoffströme, die durch die zweite Leitung und die dritte Leitung transportiert werden, getrennt voneinander steuerbar.

[0041] Gegebenenfalls wird dem Calcinierungsreaktor und/oder der Konvertereinrichtung ein Sauerstoffstrom zugeführt, um eine vollständige Oxidation allfälliger Reste an Gaserzeugungsrückstand zu ermöglichen.

[0042] Gegebenenfalls ist eine vierte Leitung vorgesehen, um calciniertes Wirbelschichtbettmaterial von der zweiten Leitung in die Konvertereinrichtung zu transportieren. Es kann hierfür ein Stromteiler, beispielsweise in Form eines sogenannten Spies-Ventils, entlang der zweiten Leitung vorgesehen sein, insbesondere entlang jenes Teils der zweiten Leitung, der stromabwärts der Trenneinrichtung angeordnet ist. Dadurch kann die Menge des in den Gaserzeugungsreaktor eingebrachten Wirbelschichtbettmaterials angepasst werden. Gleichzeitig kann das in die Konvertereinrichtung geleitete WMirbelschichtbettmaterial zur Beheizung der Konvertereinrichtung verwendet werden.

[0043] Gegebenenfalls ist eine fünfte Leitung vorgesehen, um calciniertes Wirbelschichtbettmaterial von der zweiten Leitung zurück in den Calcinierungsreaktor zu transportieren. Es kann hierfür ein Stromteiler, beispielsweise in Form eines sogenannten Spies-Ventils, entlang der zweiten Leitung vorgesehen sein, insbesondere entlang jenes Teils der zweiten Leitung, der stromabwärts der Trenneinrichtung angeordnet ist. Dadurch kann die Menge des in den Gaserzeugungs-

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reaktor eingebrachten Wirbelschichtbettmaterials angepasst werden.

[0044] Typischerweise ist entweder eine vierte Leitung oder eine fünfte Leitung, wie hier beschrieben, vorgesehen.

[0045] Gegebenenfalls ist eine sechste Leitung vorgesehen, die Wirbelschichtbettmaterial aus der Konvertereinrichtung in den Caleinierungsreaktor transportiert.

[0046] Insbesondere wird ein Wirbelschichtreaktorsystem beschrieben, umfassend einen Gaserzeugungsreaktor und einen Caleinierungsreaktor, wobei der Gaserzeugungsreaktor zur Herstellung eines wasserstoffreichen Produktgasstromes aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial, beispielsweise Biomasse, eingerichtet ist, und wobei der Gaserzeugungsreaktor als Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist, der ein carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält.

[0047] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Calcinierungsreaktor zur Calcinierung von im Gaserzeugungsreaktor erzeugtem carbonatisiertem Wirbelschichtbettmaterial zum Erhalten eines kohlendioxidreichen Stromes eingerichtet ist, und wobei der Calcinierungsreaktor als Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist.

[0048] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Gaserzeugungsreaktor und der Calecinierungsreaktor durch eine erste Leitung und eine zweite Leitung miteinander verbunden sind.

[0049] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die erste Leitung zum Transport eines ersten Intermediatstromes vom Gaserzeugungsreaktor in Richtung Calcinierungsreaktor vorgesehen ist, wobei der erste Intermediatstrom carbonatisiertes WMirbelschichtbettmaterial und Gaserzeugungsrückstand aus dem Gaserzeugungsreaktor enthält.

[0050] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die zweite Leitung zum Transport eines zweiten Intermediatstromes vom Calecinierungsreaktor in Richtung Gaserzeugungsreaktor vorgesehen ist, wobei der zweite Intermediatstrom carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält.

[0051] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass entlang der ersten Leitung eine Separatoreinrichtung zum Auftrennen des ersten Intermediatstromes in eine erste Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion und eine Gaserzeugungsrückstands-Fraktion vorgesehen ist, dass die Separatoreinrichtung und der Gaserzeugungsreaktor über eine dritte Leitung miteinander verbunden sind, und dass anschließend an die Separatoreinrichtung eine Konvertereinrichtung zum Vergasen der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion vorgesehen ist.

[0052] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das carbonatisierbare Wirbelschichtbettmaterial CaO ist, und dass das carbonatisierte Wirbelschichtbettmaterial CaCOs, ist.

[0053] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Separatoreinrichtung und die Konvertereinrichtung als getrennte Systemkomponenten ausgebildet sind, wobei die Konvertereinrichtung entlang der dritten Leitung angeordnet ist.

[0054] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Separatoreinrichtung und die Konvertereinrichtung gemeinsam in einer Separator-Konverter-Einrichtung vorgesehen sind, wobei die SeparatorKonverter-Einrichtung als Zwei-Zonen-Reaktor mit einer Separatorzone und einer Konverterzone ausgebildet ist, wobei die Konverterzone gegebenenfalls einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist als die Separatorzone.

[0055] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Separatoreinrichtung als Wirbelschicht-Dichtetrenneinrichtung ausgebildet ist, wobei die Separatoreinrichtung gegebenenfalls ein Überlaufwehr aufweist.

[0056] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Gaserzeugungsreaktor einen Auslass zur Abführung des Produktgasstromes aufweist.

[0057] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass entlang der zweiten Leitung eine Trenneinrichtung, insbesondere eine Zyklon-Trenneinrichtung, eine Schwerkraftabscheideeinrichtung oder eine Trägheitsabscheideeinrichtung, zum Trennen des zweiten Intermediatstromes in eine Abgasfraktion und eine zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion vorgesehen ist.

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[0058] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Trenneinrichtung einen Auslass zur Abführung der Abgasfraktion aufweist, wobei die Abgasfraktion insbesondere eine kohlendioxidreiche Gasfraktion ist, die bevorzugt im Wesentlichen aus Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserdampf besteht.

[0059] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass entlang der zweiten Leitung ein Stromteiler vorgesehen ist, an den eine vierte Leitung anschließt, die in die Konvertereinrichtung mündet.

[0060] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass entlang der zweiten Leitung ein Stromteiler vorgesehen ist, an den eine fünfte Leitung anschließt, die in den Calcinierungsreaktor mündet.

[0061] Gegebenenfalls ist eine sechste Leitung vorgesehen, die von der Konvertereinrichtung in den Caleinierungsreaktor führt.

[0062] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass im Calcinierungsreaktor und/oder in der Konvertereinrichtung ein Sauerstoff-Einlass zur Zuführung eines Sauerstoff-Stromes vorgesehen ist.

[0063] Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffreichen Produktgasstromes aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial beschrieben, insbesondere in einem Wirbelschichtreaktorsystem wie hier geoffenbart.

[0064] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial in einem Gaserzeugungsreaktor vergast und dadurch der wasserstoffreiche Produktgasstrom erhalten wird, und wobei der Gaserzeugungsreaktor als Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist, der ein carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält.

[0065] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass im Gaserzeugungsreaktor erzeugtes carbonatisiertes Wirbelschichtbettmaterial in einem Calcinierungsreaktor calciniert wird, wodurch ein kohlendioxidreicher Strom erhalten wird, und wobei der Calecinierungsreaktor als WMirbelschichtreaktor ausgebildet ist.

[0066] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Gaserzeugungsreaktor und der Calecinierungsreaktor durch eine erste Leitung und eine zweite Leitung miteinander verbunden sind.

[0067] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass durch die erste Leitung ein erster Intermediatstrom vom Gaserzeugungsreaktor in Richtung Caleinierungsreaktor transportiert wird, wobei der erste Intermediatstrom carbonatisiertes Wirbelschichtbettmaterial und Gaserzeugungsrückstand aus dem Gaserzeugungsreaktor enthält.

[0068] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass durch die zweite Leitung ein zweiter Intermediatstrom vom Caleinierungsreaktor in Richtung Gaserzeugungsreaktor transportiert wird, wobei der zweite Intermediatstrom carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält.

[0069] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der erste Intermediatstrom mit einer entlang der ersten Leitung angeordneten Separatoreinrichtung in eine erste Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion und eine Gaserzeugungsrückstands-Fraktion getrennt wird, dass die Separatoreinrichtung und der Gaserzeugungsreaktor über eine dritte Leitung miteinander verbunden sind, und dass die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion mit einer anschließend an die Separatoreinrichtung angeordneten Konvertereinrichtung vergast wird.

[0070] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Betriebstemperatur des Gaserzeugungsreaktors niedriger ist als die Betriebstemperatur der Konvertereinrichtung.

[0071] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Betriebstemperatur des Gaserzeugungsreaktors höchstens 800°C, gegebenenfalls höchstens 750°C, beträgt, und/oder dass die Betriebstemperatur des Calcinierungsreaktors mindestens 800°C, gegebenenfalls mindestens 850°C, beträgt, insbesondere wenn das Wirbelschichtbettmaterial CaO/CaCO»s ist oder umfasst.

[0072] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Gaserzeugungsreaktor mit Wasserdampf fluidisiert und mit Wirbelschichtbettmaterial aus dem Calecinierungsreaktor und/oder aus der Konvertereinrichtung beheizt wird.

[0073] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Gaserzeugungsreaktor und/oder die Separa-

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toreinrichtung und/oder die Konvertereinrichtung zumindest teilweise mit rezirkuliertem Produktgasstrom fluidisiert wird/werden.

[0074] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Calecinierungsrektor mit Wasserdampf und/oder rezirkulierter Abgasfraktion fluidisiert und mit externer Beheizung und/oder durch Verbrennung zumindest eines Teils des Gaserzeugungsrückstands mit Sauerstoff beheizt wird.

[0075] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Konvertereinrichtung mit Wasserdampf fluidisiert und mit externer Beheizung und/oder durch Verbrennung zumindest eines Teils des Gaserzeugungsrückstands mit Sauerstoff beheizt wird.

[0076] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Separatoreinrichtung mit Wasserdampf fluidisiert wird.

[0077] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Gaserzeugungsreaktor und/oder die Konvertereinrichtung eine blasenbildende Wirbelschicht aufweisen. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Konvertereinrichtung als Festbett (fixed bed reactor) oder Fließbett (moving bed reactor) betrieben wird.

[0078] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Calcinierungsreaktor eine transportierende Wirbelschicht aufweist.

[0079] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass in den Calcinierungsreaktor und/oder in die Konvertereinrichtung ein Sauerstoff-Strom eingeleitet wird.

[0080] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren sowie der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.

[0081] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen den durch die Patentansprüche definierten Schutzbereich nicht einschränken, sondern lediglich der Illustration vorteilhafter Ausführungen der Erfindung dienen.

[0082] Es zeigen:

[0083] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

[0084] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

[0085] Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;

[0086] Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; und

[0087] Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

[0088] Sofern nicht anders bezeichnet oder aus dem Kontext anderweitig erkennbar, zeigen die Figuren die folgenden Merkmale, Komponenten oder Elemente:

Gaserzeugungsreaktor 1, Calcinierungsreaktor 2, erste Leitung 3, zweite Leitung 4, Separatoreinrichtung 5, dritte Leitung 6, Konvertereinrichtung 7, Auslass 8 des Gaserzeugungsreaktors 1, Trenneinrichtung 9, Auslass 10 der Trenneinrichtung 9, Einlass 11 des Gaserzeugungsreaktors 1, Stromteiler 12, vierte Leitung 13, Stromteiler 14, fünfte Leitung 15, Separator-Konverter-Einrichtung 16, Separatorzone 17, Konverterzone 18, Überlaufwehr 19, sechste Leitung 20, Produktgasstrom 1-1, erster Intermediatstrom 1-2, zweiter Intermediatstrom 1-3, erste WMirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4, Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5, Abgasfraktion 1-6, zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-7, erster Wasserdampf-Strom 1-8, Ausgangsmaterial-Strom 1-9, zweiter Wasserdampf-Strom 1-10, dritter Wasserdampf-Strom 1-11, Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12.

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[0089] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Reaktorsystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst einen Gaserzeugungsreaktor 1 und einen Calecinierungsreaktor 2, die über eine erste Leitung 3 sowie eine zweite Leitung 4 miteinander verbunden sind.

[0090] Der grundlegende Aufbau des Reaktorsystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist wie folgt:

[0091] Die erste Leitung 3 verbindet den unteren Bereich des Gaserzeugungsreaktors 1 mit dem unteren Bereich des Caleinierungsreaktors 2, wobei entlang der ersten Leitung 3 eine Separatoreinrichtung 5 vorgesehen ist. Die zweite Leitung 4 verbindet den oberen Bereich des Calcinierungsreaktors 2 mit dem oberen Bereich des Gaserzeugungsreaktors 1. Entlang der zweiten Leitung 4 ist eine Trenneinrichtung 9 angeordnet.

[0092] Die Separatoreinrichtung 5 mündet einerseits in eine dritte Leitung 6 sowie einen zweiten Abschnitt der ersten Leitung 3, wobei letzterer zwischen der Separatoreinrichtung 5 und dem Caleinierungsreaktor 2 angeordnet ist. Die dritte Leitung 6 verbindet die Separatoreinrichtung 5 mit dem Gaserzeugungsreaktor 1 in seinem unteren Bereich, wobei die Strömungsrichtung hier im Gegensatz zum ersten Abschnitt der ersten Leitung 3 von der Separatoreinrichtung 5 zum Gaserzeugungsreaktor 1 verläuft.

[0093] Entlang der dritten Leitung 6 ist eine Konvertereinrichtung 7 vorgesehen, bevor die dritte Leitung 6 in den unteren Bereich des Gaserzeugungsreaktors 1 mündet.

[0094] Durch diese Anordnung werden im Wesentlichen zwei Feststoffkreisläufe gebildet, nämlich ein erster Feststoffkreislauf, der in Strömungsrichtung wie folgt verläuft: Gaserzeugungsreaktor 1 - erster Abschnitt der ersten Leitung 3 - Separatoreinrichtung 5 - zweiter Abschnitt der ersten Leitung 3 - Calcinierungsreaktor 2 - zweite Leitung 4 - Trenneinrichtung 9 - zweite Leitung 4 - Gaserzeugungsreaktor 1; sowie ein zweiter Feststoffkreislauf, der in Strömungsrichtung wie folgt verläuft: Gaserzeugungsreaktor 1 - erster Abschnitt der ersten Leitung 3 - Separatoreinrichtung 5 - erster Abschnitt der dritten Leitung 6 - Konvertereinrichtung 7 - zweiter Abschnitt der dritten Leitung 6 - Gaserzeugungsreaktor 1.

[0095] Die Reaktoren gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen können mit Verbindungselementen miteinander verbunden sein, die als nicht-mechanische Ventile ausgestaltet sind, wie beispielsweise Loop Seals, L-Valves, J-Valves, Rutsche oder dergleichen.

[0096] Die Materialströme in den beiden oben beschriebenen Materialkreisläufen sind unabhängig voneinander steuerbar, sodass eine Anpassung je nach den prozessualen Erfordernissen erfolgen kann.

[0097] Dieses Reaktorsystem kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in einem Gaserzeugungsprozess wie folgt eingesetzt werden:

[0098] Als Wirbelschichtbettmaterial wird Kalkstein eingesetzt. Der Gaserzeugungsreaktor 1 ist als Wirbelschichtreaktor ausgeführt, wobei die Fluidisierung des Wirbelschichtbettmaterials mittels eines ersten Wasserdampf-Stromes 1-8 erfolgt. Die Betriebstemperatur des Gaserzeugungsreaktors 1 liegt bei unter 750°C.

[0099] Über den im unteren Bereich des Gaserzeugungsreaktors angeordneten Einlass 11 erfolgt die Beschickung mit dem Biomasse-Strom 1-9.

[00100] Im Gaserzeugungsreaktor 1 wird das Material des Biomasse-Stromes 1-9 teilweise vergast, sodass fester Gaserzeugungsrückstand sowie ein Gasgemisch entsteht, das unter anderem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält.

[00101] Das ebenfalls im Gaserzeugungsreaktor 1 vorliegende Wirbelschichtbettmaterial wird in der Wirbelschicht durch das im Gasgemisch enthaltene Kohlendioxid teilweise carbonatisiert, SOdass CaCO»s, also carbonatisiertes Wirbelschichtbettmaterial entsteht. So wird ein mit Wasserstoff angereicherter Produkgasstrom 1-1 gebildet, der über den am Kopf des Gaserzeugungsreaktors 1 angeordneten Auslass 8 abgeleitet und einer anderen Verwendung zugeführt werden kann.

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[00102] Über die erste Leitung 3 erfolgt ein Abtransport von Gaserzeugungsrückstand und carbonatisiertem Wirbelschichtbettmaterial in Form des ersten Intermediatstromes 1-2 in die Separatoreinrichtung 5.

[00103] In der Separatoreinrichtung 5, die einen unteren Separatorabschnitt und einen oberen Separatorabschnitt aufweist, erfolgt eine Dichtetrennung von Gaserzeugungsrückstand und Wirbelschichtbettmaterial in einer leicht fluidisierten Wirbelschicht, die durch einen zweiten Wasserdampf-Strom 1-10 erzeugt wird.

[00104] Der Gaserzeugungsrückstand, hauptsächlich Kohle, weist geringere Dichte auf als das Wirbelschichtbettmaterial und wird bevorzugt in Strömungsrichtung nach oben befördert, während das Wirbelschichtbettmaterial im unteren Separatorabschnitt verbleibt. Im oberen Separatorabschnitt herrscht eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als im unteren Separatorabschnitt, wodurch eine weitere Trennung von Gaserzeugungsrückstand und Wirbelschichtbettmaterial erfolgt. So wird eine an Gaserzeugungsrückstand reiche Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 sowie eine an Wirbelschichtbettmaterial reiche erste WMirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 gebildet.

[00105] Die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 wird über den ersten Abschnitt der dritten Leitung 6 in die Konvertereinrichtung 7 überführt, während die erste WirbelschichtbettmaterialFraktion 1-4 über den zweiten Abschnitt der ersten Leitung 3 in den Calcinierungsreaktor 2 eingebracht wird.

[00106] Die Konvertereinrichtung 7 wird als Wirbelschichtreaktor mit einer blasenbildenden Wirbelschicht betrieben, wobei eine externe Beheizung durch beispielsweise elektrische Energie erfolgt. Die Fluidisierung in der Konvertereinrichtung erfolgt durch Zufuhr eines dritten Wasserdampf-Stromes 1-11. Die Konvertereinrichtung 7 wird mit einer höheren Temperatur betrieben als der Gaserzeugungsreaktor, in diesem Beispiel mit etwa 850°C. Die Verweilzeit des Materials wird hoch gehalten, um eine möglichst vollständige weitere Gaserzeugung aus dem Material der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 zu erreichen.

[00107] Durch diesen Gaserzeugungsvorgang wird ein Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12 erzeugt, der Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und andere Gase enthält.

[00108] Über den zweiten Abschnitt der dritten Leitung 6 wird der Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12 im unteren Bereich des Gaserzeugungsreaktors 1 in diesen eingeleitet. Es erfolgt dann eine Vermischung mit jenem Gasgemisch, das beim Gaserzeugungsvorgang im Gaserzeugungsreaktor 1 selbst entsteht, sodass die Gase aus dem Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12 nach Durchströmen des Wirbelschichtbettmaterials einen Teil des wasserstoffreichen Produktgasstromes 1-1 bilden. Im Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12 carbonatisiert auch calciniertes Wirbelschichtbettmaterial, das sich im Gaserzeugungsreaktor 1 befindet.

[00109] Die erste Mrbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 wird über den zweiten Abschnitt der ersten Leitung 3 in den Calcinierungsreaktor 2 eingeleitet. Dieser wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei einer Temperatur von etwa 870°C als Wirbelschichtreaktor betrieben, wobei die Wirbelschicht als transportierende Wirbelschicht („Fast Fluidized Bed“) vorliegt. Der Calcinierungsreaktor 2 ist extern beheizt und wird mit Wasserdampf und/oder rezirkulierter Abgasfraktion 1-6 fluidisiert (nicht dargestellt).

[00110] Im Caleinierungsreaktor 2 erfolgt die Calcinierung des carbonatisierten Wirbelschichtbettmaterials (hauptsächlich CaCO) aus der ersten Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 zu calciniertem bzw. decarbonatisiertem Wirbelschichtbettmaterial (hauptsächlich CaO) und Kohlendioxid.

[00111] Der so erzeugte zweite Intermediatstrom 1-3 wird über den ersten Abschnitt der zweiten Leitung 4 in eine Trenneinrichtung 9 geleitet, in der er in eine Abgasfraktion 1-6 und eine zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-7 getrennt wird. Die Trenneinrichtung 9 ist als ZyklonTrenneinrichtung ausgeführt. Die Abgasfraktion 1-6 enthält Kohlendioxid, welches über einen Auslass 10 abgeleitet wird. Dieses ist von hoher Reinheit und kann so ohne weitere Aufreinigung (nach Auskondensierung von Wasserdampf) einer weiteren Verwendung oder einer Speicherung

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zugeführt werden. Die zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-7 enthält calciniertes WMirbelschichtbettmaterial, welches über den zweiten Abschnitt der zweiten Leitung 4 in den Gaserzeugungsreaktor eingebracht und dort einem weiteren Carbonatisierungszyklus zugeführt wird.

[00112] Es ist anzumerken, dass in der Separatoreinrichtung 5 generell eine vollständige, eine im Wesentlichen vollständige oder eine teilweise Trennung von Wirbelschichtbettmaterial und Gaserzeugungsrückstand erfolgen kann. Mit anderen Worten: Die erste Mrbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 kann einen gewissen Anteil an Gaserzeugungsrückstand enthalten, nur Spuren davon oder keinen, während die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 einen gewissen Anteil an Wirbelschichtbettmaterial enthalten kann, nur Spuren davon oder keines.

[00113] In diesem Ausführungsbeispiel wurden die Prozessparameter so eingestellt, dass in der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 geringe Mengen an Wirbelschichtbettmaterial enthalten waren. Dieses Wirbelschichtbettmaterial wird in der Konvertereinrichtung 7 einer Calcinierung unterzogen und als calciniertes Wirbelschichtbettmaterial mit dem Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12 in den Gaserzeugungsreaktor 1 eingebracht.

[00114] Die erste Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen geringen Anteil an Gaserzeugungsrückstand auf. Dieser Gaserzeugungsrückstand wird mit dem Wirbelschichtbettmaterial in den Caleinierungsreaktor 2 eingebracht und dort mittels dem Fluidisierungsmedium zudosiertem reinem Sauerstoff verbrannt.

[00115] Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn die Anteile an Gaserzeugungsrückstand in der ersten Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 bzw. an Wirbelschichtbettmaterial in der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 möglichst gering gehalten werden.

[00116] In einem hier nicht näher beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht das Feststoffmaterial in der ersten Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 im Wesentlichen aus Wirbelschichtbettmaterial (also es sind nur Spuren an Gaserzeugungsrückstand enthalten) und das Feststoffmaterial der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 besteht im Wesentlichen aus Gaserzeugungsrückstand (also es sind nur Spuren an Wirbelschichtbettmaterial enthalten). In diesem Fall kann der Caleinierungsreaktor 2 durch externe Energiezufuhr, wie beispielsweise elektrische Energie, beheizt werden.

[00117] Vorteilhafterweise ist die Abgasfraktion 1-6 nach Auskondensieren des enthaltenen Wasserdampfes im Wesentlichen reines CO2 und es muss keine zusätzliche CO2-Abscheidung erfolgen.

[00118] Hier ist es vorteilhaft, wenn in den Calcinierungsreaktor 1 ein Sauerstoff-Strom eingebracht werden kann, mit dem zur Prozessstabilisierung verbleibende Reste an Gaserzeugungsrückstand oxidiert werden können.

[00119] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dieses stimmt weitgehend mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, weshalb hier nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben werden.

[00120] In Fig. 2 ist dargestellt, dass die Separatoreinrichtung 5 und die Konvertereinrichtung 7 in einer Separator-Konverter-Einrichtung 16 integriert sind. Hier bildet die Separatoreinrichtung 5 eine Separatorzone 17 und die Konvertereinrichtung 7 eine Konverterzone 18, wobei letztere stromabwärts der Separatorzone 17 angeordnet ist.

[00121] Die dritte Leitung 6 verbindet Konverterzone 18 und Gaserzeugungsreaktor 1 miteinander.

[00122] In der Separatorzone 17 wird der erste Intermediatstrom 1-2, wie in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert, in eine erste WMrbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 und eine Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 getrennt. Die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 wird in die Konverterzone 18 überführt, welche auf etwa 850°C elektrisch beheizt ist, sodass die weitere Gaserzeugung des Gaserzeugungsrückstands erfolgt. Um eine Rückmischung der beiden Fraktionen zu vermeiden, kann die Konverterzone 18 einen höheren Strö-

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mungsquerschnitt aufweisen als die Separatorzone 17, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit reduziert wird.

[00123] Der in der Konverterzone 18 erhaltene Sekundär-Gaserzeugungsstrom 1-12 wird über die dritte Leitung 6 in den Gaserzeugungsreaktor 1 eingebracht.

[00124] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dieses stimmt weitgehend mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, weshalb hier nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben werden.

[00125] Im zweiten Abschnitt der zweiten Leitung 4 ist ein erster Stromteiler 12 in Form eines Spies-Ventils vorgesehen. An den Stromteiler 12 schließt eine vierte Leitung 13 an, die zur Konvertereinrichtung 7 führt.

[00126] Dadurch kann das Verhältnis der Materialströme angepasst werden, die in den Gaserzeugungsreaktor 1 und die Konvertereinrichtung 7 geleitet werden. Das heiße calcinierte WMrbelschichtbettmaterial aus der zweiten Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-7, die so teilweise in die Konvertereinrichtung 7 geführt werden kann, wird zur teilweisen Beheizung der Konvertereinrichtung 7 verwendet.

[00127] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dieses stimmt weitgehend mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, weshalb hier nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben werden.

[00128] Im zweiten Abschnitt der zweiten Leitung 4 ist ein Stromteiler 14 in Form eines SpiesVentils vorgesehen. An den Stromteiler 14 schließt eine fünfte Leitung 15 an, die zum Caleinierungsreaktor 2 führt.

[00129] Dadurch kann calciniertes Wirbelschichtbettmaterial teilweise in den Calcinierungsreaktor 2 rückgeführt werden, wodurch der Betrieb des Calcinierungsreaktors 2 optimiert werden kann, ohne den Betrieb der restlichen Anlage zu beeinträchtigen.

[00130] Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktorsystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Dieses stimmt weitgehend mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, weshalb hier nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben werden.

[00131] Hier ist die Separatoreinrichtung 5 mit einem Überlaufwehr 19 ausgestattet, wodurch die Trennung des ersten Intermediatstroms 1-2 in WMirbelschichtbettmaterial-Fraktion 1-4 und Gaserzeugungsrückstands-Fraktion 1-5 erfolgt. Ferner ist im unteren Bereich der Konvertereinrichtung 7 eine sechste Leitung 20 vorgesehen, die die Konvertereinrichtung 7 mit dem unteren Bereich des Calecinierungsreaktors 2 verbindet. Diese ist als nicht-mechanisches Ventil ausgeführt und ermöglicht den Transport von Wirbelschichtbettmaterial aus der Konvertereinrichtung 7 in den Calecinierungsreaktor.

[00132] Die Konstruktion der Separatoreinrichtung 5 mit Überlaufwehr 19 ist auch in Ausführungen möglich, in denen keine sechste Leitung 20 vorgesehen ist. Beispielsweise kann auch in der Anlage gemäß erstem Ausführungsbeispiel ein Überlaufwehr 19 vorgesehen sein, jedoch ohne der sechsten Leitung 20.

Claims (1)

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   Patentansprüche

   1. Wirbelschichtreaktorsystem, umfassend einen Gaserzeugungsreaktor (1) und einen Calci-

   nierungsreaktor (2),

   - wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) zur Herstellung eines wasserstoffreichen Produktgasstromes (1-1) aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial, beispielsweise Biomasse, eingerichtet ist, und wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) als Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist, der ein carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält,

   - wobei der Caleinierungsreaktor (2) zur Calcinierung von im Gaserzeugungsreaktor (1) erzeugtem carbonatisiertem Wirbelschichtbettmaterial zum Erhalten eines kohlendioxidreichen Stromes eingerichtet ist, und wobei der Calcinierungsreaktor (2) als Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist,

   - wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) und der Calcinierungsreaktor (2) durch eine erste Leitung (3) und eine zweite Leitung (4) miteinander verbunden sind,

   o wobei die erste Leitung (3) zum Transport eines ersten Intermediatstromes (1-2) vom Gaserzeugungsreaktor (1) in Richtung Calecinierungsreaktor (2) vorgesehen ist, wobei der erste Intermediatstrom (1-2) carbonatisiertes Wirbelschichtbettmaterial und Gaserzeugungsrückstand aus dem Gaserzeugungsreaktor (1) enthält,

   o und wobei die zweite Leitung (4) zum Transport eines zweiten Intermediatstromes (1-3) vom Caleinierungsreaktor (2) in Richtung Gaserzeugungsreaktor (1) vorgesehen ist, wobei der zweite Intermediatstrom (1-3) carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält,

   dadurch gekennzeichnet, dass entlang der ersten Leitung (3) eine Separatoreinrichtung

   (5) zum Auftrennen des ersten Intermediatstromes (1-2) in eine erste WMrbelschichtbettma-

   terial-Fraktion (1-4) und eine Gaserzeugungsrückstands-Fraktion (1-5) vorgesehen ist, dass

   die Separatoreinrichtung (5) und der Gaserzeugungsreaktor (1) über eine dritte Leitung (6)

   miteinander verbunden sind, und dass anschließend an die Separatoreinrichtung (5) eine

   Konvertereinrichtung (7) zum Vergasen der Gaserzeugungsrückstands-Fraktion (1-5) vorge-

   sehen ist.

   2. Wirbelschichtreaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das carbonatisierbare Wirbelschichtbettmaterial CaO ist, und dass das carbonatisierte Wirbelschichtbettmaterial CaCO»s, ist.,

   3. Wirbelschichtreaktorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   - dass die Separatoreinrichtung (5) und die Konvertereinrichtung (7) als getrennte Systemkomponenten ausgebildet sind, wobei die Konvertereinrichtung (7) entlang der dritten Leitung (6) angeordnet ist,

   - oder dass die Separatoreinrichtung (5) und die Konvertereinrichtung (7) gemeinsam in einer Separator-Konverter-Einrichtung vorgesehen sind, wobei die Separator-KonverterEinrichtung (16) als Zwei-Zonen-Reaktor mit einer Separatorzone (17) und einer Konverterzone (18) ausgebildet ist, wobei die Konverterzone (18) gegebenenfalls einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist als die Separatorzone (17).

   4. Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatoreinrichtung (5) als Wirbelschicht-Dichtetrenneinrichtung ausgebildet ist, wobei die Separatoreinrichtung (5) gegebenenfalls ein Überlaufwehr aufweist.

   5. Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserzeugungsreaktor (1) einen Auslass (8) zur Abführung des Produktgasstromes (1-1) aufweist.

   6. Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der zweiten Leitung (4) eine Trenneinrichtung (9), insbesondere eine ZyklonTrenneinrichtung, eine Schwerkraftabscheideeinrichtung oder eine Trägheitsabscheideeinrichtung, zum Trennen des zweiten Intermediatstromes (1-3) in eine kohlendioxidreiche Abgasfraktion (1-6) und eine zweite Wirbelschichtbettmaterial-Fraktion (1-7) vorgesehen ist.

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   11.

   12.

   13.

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   Wirbelschichtreaktorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (9) einen Auslass (10) zur Abführung der Abgasfraktion (1-6) aufweist, wobei die Abgasfraktion (1-6) insbesondere eine kohlendioxidreiche Gasfraktion ist, die bevorzugt im Wesentlichen aus Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserdampf besteht.

   Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der zweiten Leitung (4) ein Stromteiler (12) vorgesehen ist, an den eine vierte Leitung (13) anschließt, die in die Konvertereinrichtung (7) mündet.

   Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der zweiten Leitung (4) ein Stromteiler (14) vorgesehen ist, an den eine fünfte Leitung (15) anschließt, die in den Calcinierungsreaktor (2) mündet.

   Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass gegebenenfalls eine sechste Leitung (20) vorgesehen ist, die von der Konvertereinrichtung (7) in den Calecinierungsreaktor (2) führt.

   Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Caleinierungsreaktor (2) und/oder in der Konvertereinrichtung (7) ein SauerstoffEinlass zur Zuführung eines Sauerstoff-Stromes vorgesehen ist.

   Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffreichen Produktgasstromes (1-1) aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial, insbesondere in einem Wirbelschichtreaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

   - wobei das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial in einem Gaserzeugungsreaktor (1) vergast und dadurch der wasserstoffreiche Produktgasstrom (1-1) erhalten wird, und wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) als Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist, der ein carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält,

   - wobei im Gaserzeugungsreaktor (1) erzeugtes carbonatisiertes Wirbelschichtbettmaterial in einem Calcinierungsreaktor (2) calciniert wird, wodurch ein kohlendioxidreicher Strom erhalten wird, und wobei der Calcinierungsreaktor (2) als WMirbelschichtreaktor ausgebildet ist,

   - wobei der Gaserzeugungsreaktor (1) und der Calcinierungsreaktor (2) durch eine erste Leitung (3) und eine zweite Leitung (4) miteinander verbunden sind,

   o wobei durch die erste Leitung (3) ein erster Intermediatstrom (1-2) vom Gaserzeugungsreaktor (1) in Richtung Caleinierungsreaktor (2) transportiert wird, wobei der erste Intermediatstrom (1-2) carbonatisiertes Wirbelschichtbettmaterial und Gaserzeugungsrückstand aus dem Gaserzeugungsreaktor (1) enthält,

   o und wobei durch die zweite Leitung (4) ein zweiter Intermediatstrom (13) vom Calcinierungsreaktor (2) in Richtung Gaserzeugungsreaktor (1) transportiert wird, wobei der zweite Intermediatstrom (1-3) carbonatisierbares Wirbelschichtbettmaterial enthält,

   dadurch gekennzeichnet, dass der erste Intermediatstrom (1-2) mit einer entlang der ers-

   ten Leitung (3) angeordneten Separatoreinrichtung (5) in eine erste Wirbelschichtbettmate-

   rial-Fraktion (1-4) und eine Gaserzeugungsrückstands-Fraktion (1-5) getrennt wird, dass die

   Separatoreinrichtung (5) und der Gaserzeugungsreaktor (1) über eine dritte Leitung (6) mit-

   einander verbunden sind, und dass die Gaserzeugungsrückstands-Fraktion (1-5) mit einer

   anschließend an die Separatoreinrichtung (5) angeordneten Konvertereinrichtung (7) vergast wird.

   Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur des Gaserzeugungsreaktors (1) niedriger ist als die Betriebstemperatur der Konvertereinrichtung (7).

   Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur des Gaserzeugungsreaktors (1) höchstens 800°C, insbesondere höchstens 750°C, beträgt, und/oder dass die Betriebstemperatur des Calcinierungsreaktors (2) mindestens 800°C, insbesondere mindestens 850°C, beträgt, insbesondere wenn das Wirbelschichtbettmaterial CaO/CaCO»s ist oder umfasst.

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   15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

   - dass der Gaserzeugungsreaktor (1) mit Wasserdampf fluidisiert und mit WMirbelschichtbettmaterial aus dem Caleinierungsreaktor (2) und/oder aus der Konvertereinrichtung (7) beheizt wird,

   und/oder,

   - dass der Gaserzeugungsreaktor (1) und/oder die Separatoreinrichtung (5) und/oder die Konvertereinrichtung (7) zumindest teilweise mit rezirkuliertem Produktgasstrom (1-1) fluidisiert wird/werden,

   und/oder,

   - dass der Caleinierungsrektor (2) mit Wasserdampf und/oder rezirkulierter Abgasfraktion (1-6) fluidisiert und mit externer Beheizung und/oder durch Verbrennung zumindest eines Teils des Gaserzeugungsrückstands mit Sauerstoff beheizt wird,

   und/oder,

   - dass die Konvertereinrichtung (7) mit Wasserdampf fluidisiert und mit externer Beheizung und/oder durch Verbrennung zumindest eines Teils des Gaserzeugungsrückstands mit Sauerstoff beheizt wird,

   und/oder,

   - dass die Separatoreinrichtung (5) mit Wasserdampf fluidisiert wird.

   16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaserzeugungsreaktor (1) und/oder die Konvertereinrichtung (7) eine blasenbildende Wirbelschicht aufweisen.

   17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcinierungsreaktor (2) eine transportierende Wirbelschicht aufweist.

   18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den Caleinierungsreaktor (2) und/oder in die Konvertereinrichtung (7) ein Sauerstoff-Strom eingeleitet wird.

   19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zweiten Intermediatstrom (1-3) in einer Trenneinrichtung (9) eine Abgasfraktion (1-6) abgetrennt wird, die im Wesentlichen aus Kohlendioxid oder aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht.

   Hierzu 5 Blatt Zeichnungen