DE10151054A1 - Verfahren zur Behandlung von Biomasse - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Behandlung von Biomasse vorzuschlagen, bei dem Synthesegas entsteht. DOLLAR A Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem DOLLAR A a) die Biomasse einer Schnellpyrolyse unterworfen wird, wobei sich Bioöl und Pyrolysekoks bilden, DOLLAR A b) der Pyrolysekoks in dem Bioöl zu einem Ölschaum aufgeschlämmt wird, DOLLAR A c) der Ölschlamm in einen auf einem Überdruck gehaltenen Flugstromvergaser gepresst und DOLLAR A d) in dem Flugstromvergaser zu einem Rohsynthesegas umgesetzt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse gemäß dem ersten Patentanspruch.
• Die Energieerzeugung durch Verbrennung von Biomasse oder der aus Biomasse erzeugten Produkte hat den Vorteil, dass die Kohlendioxid-Bilanz insgesamt ausgeglichen ist. Aus diesem Grund werden derzeit viele Verfahren zur energetischen Verwertung von Biomasse und deren Produkte entwickelt.
• Unter dem Begriff "Biomasse" sollen im folgenden alle land- und forstwirtschaftlichen Rest- und Abfallprodukte, insbesondere Stroh, Laub, Heu, Restholz und Holzabfälle verstanden werden, die ggf. mit Hausmüll, insbesondere mit Papier, Pappe und Kunststoffen verunreinigt oder verschnitten sein können.
• Ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse ist die Schnellpyrolyse, die manchmal auch als "Flash-Pyrolyse" bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird zerkleinerte, trockene Biomasse unter Luftabschluss schnell auf ca. 500°C erhitzt, wobei die entstehenden Schweldämpfe schnell, das heißt, nach einer Verweilzeit von etwa einer Sekunde, kondensiert werden. Das Verfahren wird unter Normal- oder leichtem Unterdruck durchgeführt und ist aus diesem Grund technisch unkompliziert. Es liefert als Produkte Schwelgas, Bioöl und Pyrolysekoks in wechselnden, durch die Verfahrensparameter jedoch beeinflussbaren Anteilen. Das Hauptprodukt ist im allgemeinen das Bioöl, dessen Verwendung als Brennstoff zur Substitution entsprechender Mineralölprodukte diskutiert wird. Das Schwelgas wird häufig anlagenintern zu Heizzwecken eingesetzt, während die Verwendbarkeit des Pyrolysekokses begrenzt ist.
• Bioöl enthält im Unterschied zu organischen Ölen typischerweise 10 bis 35 Gew.-% Wasser. Es ist in Mineralölprodukten und unpolaren organischen Lösungsmitteln nicht löslich, dagegen mit Wasser mischbar, wobei bei grösserer Verdünnung das sogenannte Pyrolyselignin ausfällt. Beim Destillieren verbleibt fast die Hälfte der Ausgangsmasse im Destillationsrückstand.
• Die Schnellpyrolyse ist in einer Reihe von Druckschriften eingehend beschrieben, beispielsweise in dem Artikel von A. V. Bridgwater. "An Introduction to Fast Pyrolysis of Biomass for Fuels and Chemicals" in Fast Pyrolysis of Biomass: A Handbook von A. Bridgwater et al. cpl-press, Aston University May 1999. In diesem Artikel sind auch die Vorrichtungen zur Durchführung der Schnellpyrolyse beschrieben.
• Zur Behandlung von Biomasse sind außerdem bereits Flugstromvergaser vorgeschlagen worden
  (http:/ / www.itas.fzk.de/deu/Jahresberichte/jahr97PSA.htm, Abschnitt "Nutzung von Nachwachsenden Rohstoffen und Behandlung von Reststoffen aus Pflanzen").
• Eine detaillierte Beschreibung von Flugstromvergasern findet sich in "NOELL-Konversionsverfahren zur Verwertung und Entsorgung von Abfällen" von Jürgen Carl und Peter Fritz, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH (1994), insbesondere in dem Abschnitt "Darstellung des NOELL-Konversionsverfahrens" von Manfred Schingnitz.
• In diesem Abschnitt wird der Aufbau und die Funktionsweise eines Flugstromvergasers eingehend anhand einer Abbildung beschrieben. Der Flugstromvergaser besteht aus einem äußeren zylindrischen Druckmantel und einem innenliegenden gekühlten, ebenfalls zylindrischen Reaktionsraum, der in den oberen Teil des Druckmantels in der Weise eingesetzt ist, dass zwischen den beiden Komponenten ein Ringspalt verbleibt. Im Reaktionsraum wird eine Pilotflamme aufrechterhalten, die mit Gas und technischem Sauerstoff erzeugt wird. In die Flammenzone wird separat der Brennstoff eingespeist.
• Die beiden Eingangsstufen des Noell-Konversionsverfahrens umfassen eine Pyrolyse und eine Flugstromvergasung. Nachfolgende Stufen betreffen die Reinigung der entstehenden Produkte und des Abwassers.
• Die Pyrolyse wird in einem außenbeheizten Drehrohr durchgeführt. Durch die Pyrolyse wird fester Pyrolysekoks sowie ein Pyrolyserohgas erzeugt. Das Pyrolyserohgas wird abgekühlt, wobei geringe Mengen enthaltener kondensierter Kohlenwasserstoffe ebenso wie ggf. vorhandenes Wasser und Koksstaub abgetrennt werden. In einem Dekanter werden feste Inhaltsstoffe der flüssigen Kohlenwasserstoffe separiert. Eine weitere Kühlstufe und Dekantierung bewirkt eine zusätzliche Reinigung des Pyrolysegases, das bei der nachfolgenden Flugstromvergasung eingesetzt wird.
• Die Pilotflamme des Flugstromvergasers kann bei Bedarf durch das Pyrolysegas gespeist werden. Als Brennstoff wird der Pyrolysekoks aus der vorgeschalteten Pyrolyse eingesetzt. Dieser Koks muss zuvor sehr fein gemahlen werden. Zur Einspeisung in den Flugstromvergaser wird ein speziell entwickeltes pneumatisches Dosiersystem verwendet. Ein wesentlicher Vorteil des Flugstromvergasers ist, dass die heiße Innenseite des Reaktionsraumes, die mit einer Siliziumcarbid-Auskleidung versehen ist, im Laufe des Betriebs von einem mineralischen sogenannten "Schlackenpelz" bedeckt wird, die das Material vor den korrosiven Bedingungen schützt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrstufiges Verfahren zur Behandlung von Biomasse anzugeben, das eine Pyrolysestufe und eine nachfolgende Flugstromdruckvergasung umfaßt, in der Pyrolysekoks als Brennstoff eingesetzt wird, bei dem die Einspeisung des Pyrolysekokses einfacher gestaltet werden kann.
• Die Aufgabe der Erfindung wird durch das im ersten Patentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.
• Erfindungsgemäß wird dem Flugstromvergaser der Brennstoff Pyrolysekoks in Form einer pumpbaren Aufschlämmung zugeführt. Damit werden die Probleme vermieden, die sich bei einer Einspeisung des Brennstoffs in staubfeiner, fester Form in einen auf hohem Überdruck gehaltenen Flugstromvergaser ergeben. Als Aufschlämmmittel wird Bioöl eingesetzt.
• Bioöl bildet sich bei einer Schnellpyrolyse als Hauptprodukt neben den Produkten Pyrolysegas und Pyrolysekoks. Wegen dieser Mengenverhältnisse kann der gesamte entstehende Pyrolysekoks in Bioöl aufgeschlämmt werden. Vorzugsweise wird die Schnellpyrolyse bei solchen Betriebsparametern durchgeführt, dass sich 40 bis 80 Gew.-% Bioöl und 10 bis 30 Gew.-% Pyrolysekoks bilden. In diesem Fall bewirkt eine Aufschlämmung des erzeugten Pyrolysekokses in dem entstandenen Bioöl einen in Bezug auf die Pump- und Einspeiseeigenschaften besonders geeigneten Ölschlamm. Zur Durchführung der Schnellpyrolyse sind Drücke im Bereich des Atmosphärendrucks bis zum Grobvakuum und Temperaturen im Bereich von 400°C bis 600°C gut geeignet. Die Verweilzeit des Schweldampfes bis zur Kondensation soll im Bereich von 0,5 bis 5 Sekunden liegen.
• Die Flugstromvergasung wird in dem Flugstromvergasertyp durchgeführt, der in der eingangs genannten Druckschrift beschrieben ist. Der im Flugstromvergaser aufrechterhaltene Betriebsdruck sollte mindestens 50 bar betragen; der Höchstdruck ergibt sich aus der Bedingung, dass überkritische Zustände im Flugstromvergaser vermieden werden. Drücke von 50 bar und mehr sind beispielsweise für die katalysierte Niederdruck-Methanolsynthese erforderlich, wenn auf zusätzliche Synthesegas-Kompressoren verzichtet werden soll. Drücke bis zu 200 bar sind jedoch möglich. Ein hoher Betriebsdruck im Flugstromvergaser bietet den Vorteil, dass das Synthesegas mit einem entsprechenden Druck bei höheren Schadstoffkonzentrationen und in kleineren Vorrichtungen einfacher gereinigt werden kann. Ein hoher Betriebsdruck gewährleistet eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und einen hohen Stoffumsatz. Die Temperatur im Flugstromvergaser sollte im Bereich von 1200°C bis 1800°C liegen; dies bewirkt, dass der Schlackepelz bestimmungsgemäß an den Innenwänden des Reaktionsraumes abläuft.
• Bei Bedarf - vor allem dann, wenn "schmutzige" Biomasse mit einem hohen Anteil nicht flüchtiger Asche eingesetzt wird - empfiehlt es sich, den Pyrolysekoks vor dem Aufschlämmen mit dem Bioöl mit Wasser zu waschen. Dabei werden insbesondere die Elemente Kalium und Chlor entfernt, die in der nachfolgenden Flugstromvergasung und der Synthesegas-Aufbereitung Probleme bereiten könnten. Zur Vermehrung und zur qualitativen Verbesserung des Schlackenpelzes im Flugstromvergaser kann dem Ölschlamm ein anorganischer Schlackebildner in Form eines aschereichen Kokses aus einer anderen Quelle und/oder eines pulverförmigen Mineralstoffs zugesetzt werden. Dabei ist es unerheblich, ob man diese Stoffe bereits mit dem Pyrolysekoks oder mit dem Ölschlamm vermischt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Einsatz des gesamten nutzbaren Energieinhaltes der Biomasse für die Synthesegaserzeugung in der nachfolgenden Flugstromvergasung, ohne dass am Flugstromvergaser mehr als eine Dosiervorrichtung für Brennstoff vorgesehen werden muss. Das Pyrolysegas aus der Schnellpyrolyse eignet sich zur Aufrechterhaltung der Pilotflamme oder zum Zerstäuben von Ölschlamm. Von besonderem Vorteil ist, dass auf Reinigungsschritte oder auf chemische Aufbereitungsverfahren für das Bioöl verzichtet werden kann, da es ohnehin mit dem Pyrolysekoks vermischt wird. Dem Pyrolyseöl können außerdem alle Kondensate, insbesondere die "Slurryprodukte" beispielsweise aus Dekantern für die Synthesegasreinigung zugeschlagen werden, so dass sich die Reinigung der Produktströme aus der Schnellpyrolyse wesentlich vereinfacht.
• Bioöl oder Ölschlamm lassen sich zudem einfacher transportieren und lagern sowie flexibler nutzen als staubförmige Pyrolysekohle. Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, Bioöle oder Ölschlämme aus mehreren dezentralen Schnellpyrolyseeinrichtungen zusammenzubringen und in einem großen, zentralen Flugstromvergaser weiter zu verarbeiten. In diesen Fällen ist es sinnvoll, das Pyrolysegas direkt in der Schnellpyrolyse einzusetzen. Im Pyrolysegas einer Schnellpyrolyse ist meist nur um 10% oder sogar weniger des gesamten Heizwertes der Ausgangs- Biomasse enthalten, so dass immer noch 90% oder mehr des Energiegehaltes der, ursprünglichen Biomasse in den Flugstromvergaser gelangt.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläutert.
• Die Figur zeigt ein technisches Grundkonzept zur Erzeugung von Kraftstoff und Strom aus Biomasse.
• Die Biomasse wird nach Anlieferung und ggf. Zwischenlagerung einer Vorbehandlung unterworfen, die eine Zerkleinerung und eine Nachtrocknung umfasst. Dann wird sie der Schnellpyrolyse zugeführt, die - wie bereits oben erwähnt - am einfachsten bei Atmosphärendruck durchgeführt werden kann. Die Betriebstemperatur liegt bei ca. 500°C und wird in der Regel über einen Wärmeträgerkreislauf aufrechterhalten.
• Die Produkte der Schnellpyrolyse sind Schwelgas, Bioöl und Pyrolysekoks. Diese Produkte können beispielsweise in einem Verhältnis von 15 : 60 : 25 Gew.-% anfallen. Verwendungsoptionen für das Schwelgas sind der Einsatz als Brenngas z. B. bei der Schnellpyrolyse selbst, die Verstromung in Gasmotoren oder Turbinen und die Verwendung als Zerstäubergas oder Brenngas für den Pilotbrenner der nachfolgenden Flugstromvergasung. Das Bioöl wird zur Herstellung der Koksaufschlämmung eingesetzt. Der Pyrolysekoks wird zuvor fein vermahlen. Enthält die eingesetzte Biomasse hohe Kalium- und Chloranteile wie beispielsweise Stroh oder andere schnell wachsende Biomasse, kann es sinnvoll sein, den Pyrolysekoks vor der Aufschlämmung beispielsweise in einer Waschvorrichtung mit Wasser von Kaliumchlorid und anderen löslichen Kalium/Chlor-Verbindungen zu befreien.
• Der typische Heizwert des Pyrolysekokses ist fast doppelt so hoch wie der Heizwert des Bioöls, während der Heizwert des Pyrolysegases nur grob die Hälfte des Heizwertes von Bioöl beträgt.
• Der Ölschlamm, der sich aus der Aufschlämmung des Pyrolysekokses im Bioöl ergibt, wird anschließend mit Hilfe einer Hochdruckpumpe in den Flugstromvergaser gefördert. Der Flugstromvergaser kann beispielsweise bei etwas über 50 bar und einer Temperatur von 1500°C betrieben werden. Die Pilotflamme wird z. B. mit Pyrolysegas aus der Schnellpyrolyse oder mit Synthesegas aus dem Flugstromvergaser sowie technischem Sauerstoff betrieben. Der Sauerstoffanteil soll etwa ein Drittel bis ein Viertel bezogen auf den gesamten Sauerstoffbedarf zur Oxidation der Inhaltsstoffe betragen. Dabei muss eine ausreichend hohe Reaktionstemperatur gewährleistet sein, damit die chemische Reaktion möglichst vollständig abläuft und der betriebsgemäße Abfluss des Schlackepelzes garantiert ist. Infolge des unterstöchiometrischen Sauerstoffanteils herrschen im Flugstromvergaser reduzierende Bedingungen.
• Das den Flugstromvergaser verlassende Rohsynthesegas kann als Hochtemperatur-Brenngas oder als Reduktionsgas eingesetzt werden. Es kann aber auch aufbereitet und zu wertvollen Chemieprodukten, beispielsweise Kraftstoffen, umgesetzt werden. Das die Gasaufbereitung verlassende Reinsynthesegas eignet sich zur Methanolsynthese, als Kraftstoffersatz oder für andere Synthesen in der Chemie, etwa zur Durchführung von Oxosynthesen oder, nach einer Shift-Reaktion, von Hydrierungen. Das bei einer Synthese nicht umgesetzte Synthesegas kann in Gasturbinen, Gasmotoren oder GUD-Systemen verstromt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Behandlung von Biomasse, bei dem

a) die Biomasse einer Schnellpyrolyse unterworfen wird, wobei sich Bioöl und Pyrolysekoks bilden,

b) der Pyrolysekoks in dem Bioöl zu einem Ölschlamm aufgeschlämmt wird,

c) der Ölschlamm in einen auf einem Überdruck gehaltenen Flugstromvergaser gepresst und

d) in dem Flugstromvergaser zu einem Rohsynthesegas umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Biomasse ein landwirtschaftliches Abfallprodukt darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schnellpyrolyse bei solchen Bedingungen durchgeführt wird, dass sich aus der Biomasse 40 bis 80 Gew.-% Bioöl und 10 bis 30 Gew.-% Pyrolysekoks bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Ölschlamm in dem Flugstromvergaser bei 25 bar bis 200 bar und 1200°C bis 1800°C bei Sauerstoffunterschuss umgesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem vor dem Aufschlämmen des Pyrolysekokses lösliche Inhaltsstoffe durch Waschen mit Wasser ausgewaschen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem dem Ölschlamm ein anorganischer Schlackebildner in Form eines aschereichen Kokses und/oder eines pulverförmigen Minerals zugesetzt werden.