DE10227074A1 - Process for gasifying biomass and plant therefor - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse (B) in einem Vergasungsreaktor (2) durch thermo-chemische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in einer Wasserdampfatmosphäre hat die Schritte: DOLLAR A - Verbrennung von Substanzen in einer von dem Vergasungsreaktor (2) gasdicht getrennten Verbrennungskammer (3), DOLLAR A - Zuführen von Wärmeenergie aus der Verbrennungskammer (3) in den Vergasungsreaktor (2), und DOLLAR A - Ableiten der Verbrennungsgase (A) aus der Verbrennungskammer (3) getrennt von den bei der Vergasung der Biomasse (B) erzeugten Produktgasen (P).A method for the gasification of biomass (B) in a gasification reactor (2) by thermo-chemical decomposition of hydrocarbons in a water vapor atmosphere has the steps: DOLLAR A - combustion of substances in a combustion chamber (3) separated from the gasification reactor (2) in a gas-tight manner, DOLLAR A - supply of thermal energy from the combustion chamber (3) into the gasification reactor (2), and DOLLAR A - discharge of the combustion gases (A) from the combustion chamber (3) separately from the product gases generated during the gasification of the biomass (B) (P ).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse in einem Vergasungsreaktor durch thermo-chemische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in einer Wasserdampfatmosphäre.The invention relates to a method for the gasification of biomass in a gasification reactor by thermo-chemical Decomposition of hydrocarbons in a water vapor atmosphere.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Vergasung von Biomasse mit einem Vergasungsreaktor, der zur thermo-chemischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in einer Wasserdampfatmosphäre ausgebildet ist, und mit einer Verbrennungskammer zur exothermen Verbrennung von Substanzen, vorzugsweise von Oxidationsgasen, aber ggf. auch von flüssigen oder festen Substanzen mit Luftsauerstoff.The invention further relates to a plant for the gasification of biomass with a gasification reactor, the for the thermo-chemical decomposition of hydrocarbons in a water vapor atmosphere is formed, and with a combustion chamber for exothermic Burning substances, preferably oxidizing gases, however possibly also from liquid or solid substances with atmospheric oxygen.
Angesichts der sich zukünftig reduzierenden Mengen verfügbarer fossiler Brennstoffe besteht ein Bedarf, Kraftstoff durch Synthetisierung aus Biomasse zu erzeugen. Als Biomasse kann beispielsweise Waldholz, Schilf, Mais, Stroh oder andere Biomasse eingesetzt werden. Die Synthetisierung erfolgt mit einer Kopplung von Thermolyse, Reaktolyse, Fischer-Tropsch-Synthese- und Raffinations verfahren. Diese Syntheseverfahren müssen jedoch den Bedingungen des Ausgangsmaterials angepasst, auf das Endprodukt eingestellt und in besonderer Weise kombiniert werden.In view of the future reduction in quantities available There is a need for fossil fuels, fuel through synthesis to generate from biomass. For example, forest wood, Reeds, corn, straw or other biomass can be used. The Synthesis takes place with a coupling of thermolysis, reactolysis, Fischer-Tropsch synthesis and refining processes. This synthetic process have to however adapted to the conditions of the starting material, to the final product adjusted and combined in a special way.
Ziel der Synthese von Biomasse ist es, aliphatische Kohlenwasserstoffe (CH(2))nalKW zu gewinnen, die raffiniert und als Kraftstoff eingesetzt oder herkömmlichen fossilen Kraftstoffen beigemischt werden können.The aim of the synthesis of biomass is to obtain aliphatic hydrocarbons (CH (2) ) nalKW , which can be refined and used as fuel or mixed with conventional fossil fuels.
Hierzu sind biologische Verfahren zur Umsetzung von Biomassen, wie z. B. die Methanfermentation oder alkoholische Vergärung, bekannt, bei denen primär Methan und sekundär Methanol oder Ethanol produziert werden. Die biologischen Verfahren sind jedoch nur für ausgewählte Biomassezusammensetzungen einsetzbar und auf die spezielle Zusammensetzung der Biomasse eingeschränkt. Die Geschwindigkeit der biologischen Prozesse ist auch im optimalen Temperaturbereich relativ gering, so dass eine großtechnische Anwendung der biologischen Verfahren kaum möglich ist.There are biological processes for this for the implementation of biomass, such as B. methane fermentation or alcoholic fermentation, known where primary Methane and secondary Methanol or ethanol can be produced. The biological process are only for selected Biomass compositions can be used and on the special composition of biomass restricted. The speed of the biological processes is also optimal Temperature range relatively low, making it an industrial scale Application of biological methods is hardly possible.
Weiterhin sind thermo-chemische Thermolyse-Verfahren bekannt, wobei jedoch die Nutzung der Produkte einer solchen Thermolyse (Pyrolyse) stark eingeschränkt ist, da das produzierte Thermolyseöl eine sehr heterogene Zusammensetzung besitzt und nicht unmittelbar für die Raffinierung geeignet ist. Diese Probleme können auch nur teilweise durch die sogenannte Flash-Pyrolyse gelöst werden. Insbesondere erschweren anorganische Bestandteile im Thermolyseöl die weitere Behandlung, wobei die Reinigung des in flüssiger Phase vorliegenden Thermolyseöls schwieriger als die Reinigung einer Gasphase ist.There are also thermo-chemical thermolysis processes known, however, the use of the products of such thermolysis (Pyrolysis) severely restricted is because the thermolysis oil produced is a very heterogeneous composition owns and not directly for refining is suitable. These problems can only be partially overcome the so-called flash pyrolysis can be solved. In particular complicate inorganic components in the thermolysis oil the further treatment, whereby cleaning the in liquid Phase of the present thermolysis oil is more difficult than cleaning a gas phase.
Weiterhin sind thermo-chemische Reaktolyseverfahren bekannt, mit denen gasförmige Produkte erzeugt werden. In den erzeugten Reaktolysegase sind in der Regel Begleitstoffe vorhanden, die eine direkte Synthese verhindern. Jedoch sind für nahezu alle Begleitstoffe Reinigungsverfahren bekannt. Unter dem Begriff Reaktolyse wird im Folgenden eine direkte thermo-chemische Zersetzung der Biomasse durch Vergasung der Biomasse in wasserdampfhaltiger Atmosphäre verstanden.There are also thermo-chemical reactolysis processes known with which gaseous Products are created. In the generated reactolysis gases are in usually accompanying substances that prevent a direct synthesis. However, are for Almost all accompanying substances cleaning processes known. Under the The term reactolysis is used in the following as a direct thermo-chemical Decomposition of the biomass by gasification of the biomass in water vapor the atmosphere Roger that.
Die thermo-chemischen Thermolyse-Verfahren wurden bislang auch als Vorstufe für Reaktolyseverfahren eingesetzt.The thermo-chemical thermolysis process have so far been used as a precursor for reactolysis processes.
Weiterhin sind Syntheseverfahren
zur Herstellung von aliphatischen Kohlenwasserstoffen (CH(2))nalKW aus einem
Gemisch aus Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 bekannt.
Bei der sogenannten Fischer-Tropsch-Synthese werden aliphatische Kohlenwasserstoffe
(CH(2))nalKW nach
der Gleichung
Das Synthesegas kann durch thermo-chemische
Umwandlung aus Biomasse erzeugt werden. Beispielsweise kann eine
direkte thermo-chemische Zersetzung der Biomasse mit Wasserdampf
nach dem sogenannten Reaktolyseverfahren eingesetzt werden, um das
Synthesegas als Gemisch aus Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 zu erzeugen. Hierbei gilt folgender Zusammenhang:
Der endotherme Vorgang der thermo-chemischen Zersetzung bedarf einer thermischen Stützung durch eine exotherme Reaktion, die durch eine interne Verbrennung mit Sauerstoff oder über eine Energiezufuhr von außen erfolgen kann. Bei der internen Verbrennung ist nachteilig, dass die Anteile der für die Synthese erforderlichen Gase (Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2) absolut und hin sichtlich ihres stöchiometrischen Verhältnisses auch in relativ ungünstiger Weise verschoben werden. Zudem gehen Kohlenstoffatome der Biomasse als Kohlendioxid CO2 aus der Bilanz heraus und reduzieren damit die Menge synthetisierbarer Kohlenwasserstoffe.The endothermic process of thermo-chemical decomposition requires thermal support through an exothermic reaction, which can take place through internal combustion with oxygen or via an external energy supply. In the case of internal combustion, it is disadvantageous that the proportions of the gases required for the synthesis (carbon monoxide CO and hydrogen H 2 ) are shifted absolutely and visibly in a relatively unfavorable manner with regard to their stoichiometric ratio. In addition, carbon atoms in the biomass leave the balance as carbon dioxide CO 2 and thus reduce the amount of hydrocarbons that can be synthesized.
Die Synthese von aliphatischen Kohlenwasserstoffen ((CH(2))nalKW aus den Gasen Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 ist hingegen unter den gegebenen Verhältnissen exotherm. Die Synthese bedarf zwar einer katalytischen Führung, jedoch keiner thermischen Stützung, da die Reaktion zu Wasser H2O mehr Energie freisetzt als die gekoppelte Synthese der Kohlenwasserstoffe erfordert.The synthesis of aliphatic hydrocarbons ((CH (2)) nalKW from the gases carbon monoxide CO and hydrogen H 2, however, is under the given conditions exothermic. The synthesis requires indeed a catalytic guide, but no thermal support, since the reaction to water, H 2 O releases more energy than the coupled synthesis of hydrocarbons requires.
Zur Vergasung von Biomasse im Reaktolyseverfahren sind Festbettvergaser, Flugstromvergaser und Wirbelschichtvergaser bekannt. Festbett-Gegenstromvergaser haben einen sehr hohen Teeranteil im Produktgas, wodurch eine Nachbehandlung extrem schwierig wird. Bei Festbett-Gleichstromvergasern werden hingegen nur geringe Mengen von Teer erzeugt. Festbettvergaser haben den Nachteil, dass stabile Schüttungen gebildet werden müssen, so dass die Biomasse zuverlässig pelletiert werden muss.Fixed bed gasifiers, entrained flow gasifiers and fluidized bed gasifiers are known for the gasification of biomass in the reactolysis process. Fixed bed countercurrent gasifiers have a very high tar content in the product gas, which makes aftertreatment extremely difficult. With fixed bed direct current ver Gasers, on the other hand, only produce small amounts of tar. Fixed bed gasifiers have the disadvantage that stable beds have to be formed, so that the biomass has to be reliably pelleted.
Bei der Flugstromvergasung erfolgt zunächst mit Hilfe einer Vorvergasung eine Vorkonditionierung von Biomasse in Schwachgas, Koks und Öl. Anschließend erfolgt eine Vergasung im Flugstrom bei hohen Temperaturen im oberen Bereich des Reaktors mit Sauerstoff. In demselben Reaktor wird anschließend eine Reduzierung der Gase bei etwa 650 bis 800°C im unteren Bereich des Reaktors mit Wasserdampf durchgeführt. Die Flugstromvergaser sind aufgrund der erforderlichen zwei Reaktoren relativ teuer und weisen einen eingeschränkten Wirkungsgrad auf.With entrained-flow gasification takes place first with Pre-gasification preconditioning biomass in Lean gas, coke and oil. Subsequently there is gasification in the entrained flow at high temperatures in the upper Area of the reactor with oxygen. One is then in the same reactor Reduction of the gases at about 650 to 800 ° C in the lower area of the reactor carried out with steam. The entrained flow gasifiers are due to the required two reactors relatively expensive and have a limited efficiency.
Bei der herkömmlichen Wirbelstromvergasung erfolgt eine Vergasung von Biomasse in einer Wirbelschichtanlage mit Luft als Vergasungsmittel. Die Wirbel schichtvergaser haben eine Vergasungszone, die mit Dampf verwirbelt wird, und eine Verbrennungszone, die mit Luft verwirbelt wird. In der Verbrennungszone wird Holzkohle verbrannt und so die notwendige thermische Energie zur Vergasung erzeugt. Das zirkulierende Bettmaterial transportiert die Wärme von der Verbrennungszone zur Vergasungszone. Das Problem ist zu verhindern, dass sich die Abgase der Verbrennungszone möglichst nicht mit dem Produktgas vermischen und dieses verunreinigen.With conventional eddy current gasification biomass is gasified in a fluidized bed system with air as a gasifying agent. The fluidized bed gasifiers have one Gasification zone which is swirled with steam and a combustion zone, which is swirled with air. In the combustion zone there is charcoal burned and thus generates the necessary thermal energy for gasification. The circulating bed material transports the heat from the combustion zone to the gasification zone. The problem is to prevent that the exhaust gases from the combustion zone do not mix with the product gas if possible mix and contaminate it.
Eine andere Ausführungsform von Wirbelschichtvergasern verwenden Wasserdampf als Vergasungsmittel, um den sogenannten Battelle-Prozess oder FICFB-Prozess (Fast-Internally-Cirulating-Fluidised-Bed) auszuführen. Bei beiden Dampfvergasungsverfahren wird die Wärme über ein umlaufendes Bettmaterial in einem allothermen Prozess zugeführt. Über Zweibett-Wirbelschichten erfolgt eine Vergasung mit Dampf sowie eine Verbrennung mit Luft.Another embodiment of fluidized bed gasifiers use water vapor as a gasifying agent to the so-called Battelle process or FICFB process (Fast-Internally-Cirulating-Fluidized-Bed). at In both steam gasification processes, the heat is circulated through a bed material fed in an allothermal process. Over two-bed fluidized beds gasification takes place with steam and combustion with air.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Vergasung von Biomasse sowie eine Anlage hierzu zu schaffen, mit dem aus Biomasse unterschiedlicher Herkunft synthetisierbare Produktgase insbesondere zur weiteren Aufbereitung zur Verwendung als Kraftstoff wirtschaftlich zu erzeugen.Based on this, it is task of the invention, an improved method for gasifying biomass as well as to create a plant for this, with the biomass of different Origin of synthesizable product gases, especially for further processing for economical use as fuel.
Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch:
- – Verbrennung von Substanzen, beispielsweise von Oxidationsgasen, in einer von dem Vergasungsreaktor gasdicht getrennten Verbrennungskammer,
- – Zuführen von Wärmeenergie aus der Verbrennungskammer in den Vergasungsreaktor, und
- – Ableiten der Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer getrennt von den bei der Vergasung der Biomasse erzeugten Produktgasen.
- Combustion of substances, for example oxidation gases, in a combustion chamber separated from the gasification reactor in a gastight manner,
- - supplying thermal energy from the combustion chamber into the gasification reactor, and
- - Deriving the combustion gases from the combustion chamber separately from the product gases generated during the gasification of the biomass.
Im Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren wird nunmehr vorgeschlagen, die Verbrennung von Oxidationsgasen als exothermer Prozess zur thermischen Stützung des endothermen Vorgangs der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen gasdicht getrennt von dem Prozess der Zersetzung in dem Vergasungsreaktor durchzuführen und lediglich die Wärmeenergie von der Verbrennungskammer in den Vergasungsreaktor zu leiten. Dabei werden dann die Verbrennungsgase getrennt von dem in den Vergasungsreaktor erzeugten Produktgasen abgeführt.In contrast to the conventional ones Process is now proposed, the combustion of oxidizing gases as an exothermic process for the thermal support of the endothermic process the decomposition of hydrocarbons gas-tight separately from the Process of decomposition in the gasification reactor and only the thermal energy to pass from the combustion chamber into the gasification reactor. there the combustion gases are then separated from that in the gasification reactor generated product gases dissipated.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass eine Herstellung von Produktgasen mit hoher Reinheit auf energetisch wirtschaftliche Weise mit relativ geringem Investitionsaufwand in die Anlage ermöglicht wird.This procedure has the advantage that a production of product gases with high purity on energetic economic way with relatively little investment in the facility is made possible.
Der exotherme Prozess der Verbrennung der Oxidationsgase wird vorzugsweise durch Produktgase aus dem Vergasungsreaktor unterhalten, die als Oxidationsgase in die Verbrennungskammer eingeleitet werden. Dabei kann das Verfahren zunächst durch extern zugeführte Oxidationsgase angestoßen werden und anschließend der Anteil der Produktgase an den Oxidationsgasen erhöht werden.The exothermic process of combustion the oxidation gases are preferably produced by product gases from the gasification reactor entertain that are introduced as oxidation gases into the combustion chamber become. The process can initially be carried out by externally supplied oxidation gases be initiated and subsequently the proportion of product gases in the oxidation gases can be increased.
In die Verbrennungskammer wird vorzugsweise eine Mischung aus Luft, Erdgas und Produktgas als Oxidationsgas geleitet und dort verbrannt. Der Reaktolyseprozess in dem Vergasungsreaktor wird vorzugsweise in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt, die ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Wasserdampf und Erdgas als Reaktolysegas aufweist.In the combustion chamber is preferred a mixture of air, natural gas and product gas as the oxidizing gas directed and burned there. The reactor process in the gasification reactor preferably carried out in a hydrogen-containing atmosphere a gas mixture of oxygen, water vapor and natural gas as the reactolysis gas having.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren der Vergasung in einem Wirbelstrom-Vergasungsreaktor durchgeführt wird. Dieser hat sich im Vergleich zu Festbett- und Flugstromvergasern als wirtschaftlich und prozesstechnisch vorteilhaft erwiesen.It is particularly advantageous if the process of gasification in an eddy current gasification reactor carried out becomes. This has been compared to fixed bed and entrained flow gasifiers proven to be economically and technically advantageous.
Vor der Vergasung der Biomasse sollte eine Konditionierung der Biomasse beispielsweise durch mechanische Zerkleinerung vorgenommen werden. Damit kann die Energiebilanz des Verfahrens verbessert werden.Before gasifying the biomass should conditioning of the biomass, for example by mechanical Shredding can be done. So that the energy balance of the Procedure to be improved.
Die durch Vergasung der Biomasse erzeugten Produktgase werden anschließend vorzugsweise gereinigt und beispielsweise nach dem Fischer-Tropsch-Syntheseverfahren synthetisiert. Die Vergasung der Biomasse wird vorzugsweise durch Zufuhr von Sauerstoff gesteuert. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Biomasse in einem Wirbelbett mit Zuschlagstoffen, wie Sand, Aluminiumoxid und/oder Dolomit o. ä. vergast wird. Durch einen Ablauf können die bei der Vergasung anfallenden Restfeststoffe aus dem Vergasungsreaktor entnommen werden. Nach Absieben der Restfeststoffe können die ausgesiebten Zuschlagstoffe, insbesondere Sand, wieder als Zuschlagstoffe dem Vergasungsreaktor zugeführt werden.By gasifying the biomass generated product gases are then preferably cleaned and synthesized for example by the Fischer-Tropsch synthesis process. The gasification the biomass is preferably controlled by supplying oxygen. It is also particularly advantageous if the biomass is in a fluidized bed gasified with additives such as sand, aluminum oxide and / or dolomite or the like becomes. Through a process can the residual solids arising from the gasification reactor during gasification be removed. After sieving off the residual solids, the sieved aggregates, especially sand, again as aggregates fed to the gasification reactor become.
Die Aufgabe wird ferner durch die gattungsgemäße Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Vergasungsreaktor gasdicht von der Verbrennungskammer getrennt so angeordnet ist, dass Wärmeenergie von der Verbrennungskammer in den Vergasungsreaktor geführt wird und die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer getrennt von den bei der Vergasung der Biomasse erzeugten Produktgasen abgeleitet werden.The object is further achieved by the generic system according to the invention in that that the gasification reactor is arranged in a gas-tight manner from the combustion chamber in such a way that thermal energy is conducted from the combustion chamber into the gasification reactor and the combustion gases are derived from the combustion chamber separately from the product gases generated during the gasification of the biomass.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Produktgas zur Reinigung durch ein Fliehkraftabscheider geleitet wird.It is particularly advantageous if the product gas is passed through a centrifugal separator for cleaning becomes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The invention is described below the attached Drawing closer explained. It shows:
Die
Der exotherme Prozess in der Verbrennungskammer
Später wird der Anteil an Produktgas P immer weiter erhöht und insbesondere der Anteil von Erdgas E reduziert.Later the proportion of product gas P keeps increasing and in particular the proportion of natural gas E is reduced.
Das bei der Verbrennung in der Verbrennungskammer
Der in der Verbrennungskammer
Der Vergasungsreaktor
Die bei der Vergasung anfallenden
Restfeststoffe werden über
eine Ableitung in ein Sieb
Der Vergasungsprozess wird vorzugsweise anfänglich autotherm
unter Zufuhr von Sauerstoff gesteuert. Die Vergasung der Biomasse
B sollte zudem so erfolgen, dass sich ein nahezu ideales Produktgas-Gemisch
P an Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 in
einem Molverhältnis
von etwa 1 zu 2 einstellt. Die erzeugten Produktgase P werden nach Vorentstaubung
in dem Fliehkraftabscheider
Nach der Reinigung der Produktgase
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