AT526208A1 - Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus Biokohle und biogener Feinteile mit Hilfe elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas bestehend aus Wasserstoff (26) und Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (29) aus Biokohle und biogenen Feinteile (20), die in einem Vergasungsreaktor (9) eingebracht werden, der mit Wasserdampf (8) über Düsen (10) Synthesegas erzeugt. Der Reaktor (9) wird elektrisch (11) beheizt. Die inerten Anteile werden aus dem Reaktor über eine Austragsschleuse (14) entfernt. Wasserdampf (7) wird aus in einem Behälter (1) bereitgestellten voll entsalzten Wasser (1) über einen Verdampfer (30) erzeugt. Der Wasserdampf wird überhitzt (5) und dem Reaktor (9) zugeführt. Das erzeugte Synthesegas wird über einen Zyklon (15) einer Gasreinigung (17) zugeführt. Das Synthesegas wird mit einem Verdichter (18) abgesaugt und weiterverdichtet (21) und einer Druckwechseladsorption (24) zugeführt. Mit Hilfe der Druckwechseladsorption (24) wird das Synthesegas in Wasserstoff (26) und in Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (29) aufgetrennt.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas bestehend aus Wasserstoff 26 und Kohlenmonöxid, Kohlendioxid 29 aus Biokohle und biogenen Feinteilen 20, die in einem Vergasungsreaktor 9 eingebracht werden, der mit Wasserdampf 8 über Düsen 10 Synthesegas erzeugt. Der Reaktor 9 wird elektrisch 11 beheizt. Die inerten Anteile werden aus dem Reaktor über eine Austragsschleuse 14 entfernt. Wasserdampf 7 wird aus in einem Behälter 1 bereitgestelltem vollentsalzten Wasser 1 über einen Verdampfer 30 erzeugt. Der Wasserdampf wird überhitzt 5 und dem Reaktor 9 : zugeführt. Das erzeugte Synthesegas wird über einen Zyklon 15 einer Gasreinigung 17 zugeführt, Das Synthesegas wird mit einem Verdichter 18 abgesaugt und weiterverdichtet 21 und einer Druckwechseladsorpfion 24 zugeführt. Mit Hilfe.der Druckwechseladsorpfion 245 wird das Synthesegas In Wasserstoff 26 und in Kohlenmonoxid, Kohlendioxid 29 aufgetrennt,

Biokohle ist bekannt und ist Kohle, die aus der Pyrolyse von biagenen Stoffen erzeugt wird. Dabei handelt es sich um Kohlenstoffpartikel, die als Nebenprodukt aus der Pyrolyse entstehen, Biogene Stoffe werden in ein Pyrolysegas und Biokohle umgewandelt. Das Pyrolysegas ist ein Schwachgas, das hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan neben Kohlendioxid besteht; Das Pyroiysegas beinhaltet im Vergleich zu dem Schwachgas aus der Vergasung keinen Stickstoffantell, weil die Wärme, extern in den Reaktor zugeführt wird. Anders bei der bekannten Vergasung, wo Luftsauerstoff dem Vergasungsreaktor zugeführt wird, und mit Hilfe des Luftsauerstoffes die benötige Wärme im Vergasungsreaktor selber erzeugt wird. ;

Das Verfahren der Vergasung basiert auf dem Umstand, dass die benötigte thermische Energie innerhalb des Reaktors durch teilweise Verbrennung erzeugt wird. Die Wärme, die für die : Vergasung benötigt wird, wird intern erzeugt. damit fällt ein Gemisch aus Asche und Biokohle an.

Das Verfahren der Pyrolyse beruht auf dem Umstand, dass die benötigte Wärme extern erzeugt und dem Reaktor zugeführt wird. Damit kann eine Trennung in einen Gasanteil, dem Pyrolysegas und der anfallenden Biokohle erreicht werden,

Die Aufgabe die nun gestellt wird, wie kann man die anfallende Biokohle nun verwerten, will man keine Terra Pretta, oder Beimischungen in der Landwirtschaft anstreben, Dabei sollten nur mehr die inerten Bestandteile verbleiben, die Biokohle zu einem Gas mit einem Heizwert verwertet werden. Als Erweiterung soll die Verwertung auch Feinantelle beinhalten, wobei man unter Feinanteilen Spelzen, Kerne, Späne versteht. a

Die Erfindung nutzt Wasserdampf, der thermisch erzeugt wird, Als Wasser wird vollentsalztes Wasser verwendet, Vollentsalztes Wasser weist eine Leitfähigkeit von 0,01 uS/ocm bis 1 Siem auf, Die thermische Erzeugung erfolgt in Form eines Vollraumwasserdampfkessel,d er aus einem Flammrohr und Gasbrenner besteht und die Wärme des Abgases wird über die Rohrzüge ; an das umliegende Wasser abgegeben, ;

Erfindungsgemäß wird dabei entweder Pyrolysegas oder Schwachgas aus der vergasung | verwendet. Der Heizwert des Schwachgases aus der Vergasung liegt bei 1,5 kWh/m“ bis Z0 KWhi/m® und das Pyroiyvsegas hat einen Heizwert von 2,0 kWh/m® bis 3,5 kWh/m®, ;

Typische Zusammensetzungen von Pyrolysegas ist

Co 40% co2 10% H2 40% CH4 4% H20 4% inerte Gase 2%

Typische Zusammensetzung von Schwachgas aus der Vergasung

Co 23% CO2 12% H2 20% CH4 1% H2O 4% Inerte Gase Rest

Die aus der Pyrolyse und der Vergasung anfallende Biokohle kann wie folgt klassifiziert werden. Bei der Pyrolyse allen 20% der eingebrachten Biomasse an Biokohle. In einer typischen Anwendung werden 100 kg/h Biomasse eingebracht, dann fallen 20 kg/h Biokohle an. Bei der Vergasung fallen 20% der Biomasse an Biokohle an, wobei 5% als Asche definiert werden, die aus der: Verbrennung bei der Vergasung stammen. :

Die Physikalische Eigenschaften der Biokohle ergeben sich zu

Dichte: 0,15 bis 0,4 g/em® Wassergehalt: 1% bis 2% ; Heizwert: 9,5 bis 9,8 KWh/kg Kohlenstoffanteil: 90,5 bis 91,5 %

Inertanteile ( Karbonaten );: Rest

In der Regel fallen bei der Vergasung durch die Aufbereitung von biogenen Stoffen auch‘ Feinteile. an. Unter Feintelle versteht man Späne, Stäube, Kerne, Schalen, Spelizen. :

Heizwert: 4,8 KWhikg Kohlenstoffanteil: = 50% Wasserstoffanteil: = 7% Sauerstoffanteil: = 42%

_ Inertantelle ( Karbonaten );: < 1%

Die Erfindung nutzt nun die Möglichkeit neben der Biokohle auch biogene Feinantelle zu verwerten. Es wird dann die Biokohle mit den Feinanteilen gemischt und über das Doppelklappensystem 12, 13 in den Reaktor 9 eingebracht,

Der Reaktor 9 ist als ein Schwebebettreaktor ausgebildet. Als Schwebefluld wird überhitzter Wasserdampf 7 über eine Regelarmatur 8 über einen Düsenboden 10.in. den Reaktor eingebracht. In dem Reaktor 9 findet dann eine Wasserdampfvergasung statt, Die Wasserdampfvergasung wird bei einer Temperatur von 600°C bis 100°C betreiben und durchgeführt. Nün ist die Wasserdampfvergasung eine stark endotherme Reaktion, sodass der Reaktor beheizt werden muss. Die Beheizung des Reaktors erfolgt elektrisch 11. ;

Das Schwebebett nach dem Erfinder Franz Winkler [1] ist bekannt. Durch das Schwebebelt kann aun der Wasserdampf mit dem Kohlenstoff reagieren und ein Synthesegas bilden. Die chemische Reaktion für Kohlenstoff ist in der nachfolgenden: Massen- und Energiebilanz dargestellt: i

1.00

1 1

1 1 „1 -Ö

Tabelle 1: Wasserdampfvergasung von Kohlenstoff und Wasserdampf, molares Verhältnis Ci H2O “4: 1

LER

Ö

800 4073,15 130

Dern Prozess der Wasserdampfvergasung ist stark endotherm, da Energie aufgebracht werden muss, den Wasserdampf zu erzeugen, zu überhitzen und den Reaktor auf eine Temperatur von 600°C bis 1000°C zu bringen und zu halten, ;

In den erfindungsgemäßen verfahren wird das Synthesegas gereinigt. Die ausgetragenen Schwebeteilchen werden in einem Zyklon 15 vom Synthesegas abgetrennt und dem Reaktor 9 rückgeführt 16. .

Zudem wird das Synthesegas abgekühlt und mit Hilfe von Gaswäscher 17 gereinigt, wobet als Waschfluid Biodiesel verwendet wird. Dabei bildet sich ein Gemisch als Schlamm aus kondensierten Teeren, Schwebeteilchen, die vom Biodiesel adsorpiert werden, das sich im Lauf der Betriebdauer aufdickt, Der so gewonnene Schlamm aus Biodiesel, kondensierten teeren und Kohlenstoff wird in den Reaktor 9 rückgeführt.

Der Reaktor 9 wird mit leichtem Unterdruck von 0,1 bar bis 0,4 bar betrieben, der von einem elektrisch angetriebenen Vakuumverdichter 18 erzeugt wird. Physikalisch bedeutet das, dass das Synthesegas aus dem Reaktor 9 abgesaugt wird und verdichtet wird. Auf der Druckseite des Verdichters wird ein Überdruck von 0,14 bar bis 0,5 bar erzeugt. :

Das Synthesegas besteht beispielhaft aus folgender Zusammensetzung:

CO — 40% H2 ‚= 40% H2O <0,1% COo2 = 19% CH4 < 0,5%

Inerte Gase <0,1%

Das so gewonnene Synthesegas wird im Wärmetauscher 20 rückgekühlt und dann erneut auf einen Druck von 10 bar bis 16 bar verdichtet 21 und auf 25°C rückgekühlt 23 und einer Gastrennung zugeführt. Die Trennung von Synthesegas in Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit einer Druckwechseladsorpftion 24,

Mit Hilfe der Druckwechseladsorption 24 wird das Synthesegas in das Produkt Wasserstoff 26 und in das Produkt Kohlenmönoxid und Kohlendioxid 29 getrennt. Das Kohlenmonoxid und Kohlendioxid wird im Molekularsieb aus Steinkohlepellets gebunden und mit Hilfe eines Vakuurmverdichters 27 aus dem Sieb abgesaugt. Dabei wird auf der Saugseite des elektrisch angetriebenen Verdichters 27 ein Unterdruck von 0,01 bar bis 0,1 bar erzeugt und auf der Druckseite eine Verdichtung von 0,1 bar bis 0,5 bar. Da so gewonnene Produkt 29 wird für weitere Prozesse zur Verfügung gestellt. :

Die Anwendung dieser Erfindung löst das Problem des anfallenden Kohlenstoffes bei der Vergasung und Pyrolyse, Die Verwendung als Biokohle in der Landwirtschaft und als Terra Preita für die Bodenaufbereitung macht keinen Sinn, denn Pflanzen nutzen den Kohlenstoff im Boden nur sehr gering, der Kohlenstoff für den Aufbau der Pflanzen stammt aus der Luft und wird über Kohlendioxid gewonnen. Ü

Diese Erfindung verwertete Biokohle von kleinen Vergasungsanlagen bis zu großen ; vergasungsanlagen und ist in der Leistung von 10 kW bis 5000 kW einsetzbar.

1 Wasserbehälter 2 Pumpe 3 Regelarmatur

4 Rückgeführtes Wasser 5 Überhitzer 6 Wasserdampf

7 Wasserdampf für die Vergasung 8 Regelarmatur 9 Vergasungsreaktar

10 Düsenboden

11 elektrische Beheizung

12 Auf / Zu Klappe für Biokohle und Feintelle 13 Auf / Zu Klappe für Biokohle und Feinteile 14 Austragsschleuse

15 Zyklon

16 Rückführung Kohlenstoff

17 Gasreinigung

18 Verdichter -

19 Regelarmätur

20 Wärmetauscher

21 Verdichter

22 Regelarmatur

23 Wärmetauscher

24 Druckwechseladsorption

25 Regelarmatur

26 Wasserstoff

27 Vakuumverdichter

28 Regelarmatur

29 Kohlenmonoxid, Kohlendioxid 30 Verdampfer

Symbole

H2O Wasser, Wasserdampf CO Kohlenmonoxid

GCO2 Kohlendioxid

HZ Wasserstoff

CC Kohlenstoff

Literatur

{1} Franz Winkler, Paul Feiler, 1972, Die Wirbeischicht, der vierte Aggregatzustand, BASF AG

Die Abbildung 1 zeigt einen Behälter 1, der vollentsalztes Wasser bereit stellt, das mit einer Pumpe 2 einem Verdampfer 30 zugeführt wird, das überschüssige Kondensat 4 wird in den Behälter 1 rückgeführt., Der so erzeugte Wasserdampf 6 wird als externer Wasserdampf zur Verfügung gestellt. im Wärmetauscher 8 wird der Wasserdampf überhitzt und dem Vergasungsreaktar 9 zugeführt. Der Wasserdampf wird über einen Düsenstock 10 in den Reaktor 9 eingebracht und so ein Schwebebett im Reaktor erzeugt. Biokohle und biogene Feinteile 20 werden bereitgestellt und über die Auf/Zu Klappe 12 und 13 in den Reaktor 9 eingebracht. Der Rektor 9 besitzt zudem eine elektrische Heizung 11. Über die Austragsschleuse 14 wird der inerte Anteil der Biokohle ind biogenen Feinteile aus dem Reaktor 9 ausgetragen, Das im Reaktor 9 erzeugte Synthesegas wird über einen Zyklorı 15 von Partikel getrennt und diese über Schnecken 16 In den Reaktor 9 rückgeführt. Das Synthesegas wird gereinigt 17. Der Reaktor 9 wird im Unterdruck betrieben, der mit Hilfe eines Vakuumverdichters 18 erzeugt wird. Das Synthesegas wird im Wärmetauscher 20 ‚gekühlt und einem elektrisch angetriebenen Kolbenverdichter 21 zugeführt. Das so verdichtete Synthesegas wird mit Hilfe einer Druckwechseladsorption 24 in Wassersfoff 26 und in ‚Kohlenmonoxid und Kohlendioxid getrennt, das mit Hilfe eines Vakuumverdichters 27 abgesaugt und als Prodüktgas 29 zur Verfügung gestellt wird. :

Claims (1)

1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus Kohlenmonoxid (29) und Wasserstoff (28) aus Biokohle und biogenen Feinteilen (20) mit Hilfe von Wasserdampf (7), umfassend folgende Schritte

- Bereitstellung von Wasser (1} in einem Behälter (1}, wobei das Volumen minimal 1m*, maximal 100m*®* beträgt, wobei es sich um voll entsalztes Wasser handelt, das einen elektrische Leitfähigkeit von 0,01 uS/cem, maximal 14uS/ecm hat, i

- Verdichten von Wasser (1) mit. einer elektrisch angetriebenen Pumpe (2), wobei der Massenstrom minimal 1kg/h, maximal 1000 kg/h beträgt, wobei die elektrische Leistung der Pumpe minimal 1kW, maximal 100kW beträgt, wobei der Druck minimal 1,0 bar maximal 2 bar

beträgt, wobei das

- Verdampfen von Wasser (1) in einem elektrisch beheizten Verdampfer (3), wobei der Druck minimal 4,0 bar maximal 2 bar beträgt, wobei die Temperatur minimal T00°C, maximal 150°C hat, das überschüssige Kondensat in den Behälter (1) rückgeführt wird, wobel die elektrische Energie minimal 1KW, maximal 1000 kW hat, wobei der Massenstrom einen Wert minimal 1ka/h, maximal 1000kg/h hat, ;

- Bereitstellung von Wasserdampf (6) für externe Anwendungen, wobei der Dampfdruck minimal 1,0 bar, maximal 2 bar hat, wobei die Dampftemperatur minimal. 120°C, maximal 1506 hat, wobei der Massenstrom minimal 0,5 kg/h, maximal 10 ka/h hat : ©

- Überhitzen von Wasserdampf {7} in einem elektrisch beheizten Wärmetauscher, wobei die Temperatur einen Wert minimal 200°C, maximal 600°C hat, wobei die elektrische Enetgie minimal 1TKW, maximal 300 kW hat, wobei der Massenstrom einen Wert minimal 1kalh, maximal 1000kg/h hat, Ü

- Bereitstellung von Biokohle (30) wobei die Stückigkeit minimal 0,1mm, maximal 10mm beträgt, wobei der Wassergehalt minimal 1%, maximal 10% beträgt, wobei der Massenstrom minimal 1kg/h, maximal 1000 kg/h beträgt, wobei der Massenantell an inerten material minimal 0,1%, maximal 1% beträgt, i

- Bereitstellung von biogenen Feinteilen (30), wobei die Stückigkeit minimal 1mm, maximal 30mm beträgt, wobei der Wassergehalt minimal 10%, maximal 20% beträgt, wobei der Massenstrom minimal 1kg/h, maximal 1000 kg/h beträgt, Ü

- Erzeugung von Synthesegas in: einem Reaktor (8), wobei der Dampf (7) mit einer Temperatur minimal 400°C, maximal 600°C über ein Düsenbett (10) eingedüst wird, wobei der Dampf mit einem Druck minimal von 1,1 bar, maximal 1,5 bar eingedüst wird, sodass sichein Schwebebett im Reaktor (8) ausbildet, wobei die zusätzlich benötigte Energie mit Hilfe einer elektrischen Beheizung (11) eingebracht wird, wobei die Temperatur im Reaktor (8) einen Wert minimal 600°C, maximal 1200°C hat, wobei der Druck im Reaktor (8) einen Wert minimal 0,1 bar, maximal 0,4 bar hat, wobei die. inerten Anteile einen Anteil des eingebrachten Anteiles an Biokohle und Feinteile (30) minimal 0,1%, maximal 0,5% hat, wobei ein Synthesegas generiert wird mit einem Volumenstram von minimal 2m*/h, maximal 4000 m*/h, wobei das Synihesegas eine Zusammensetzung aus Kohlenmonoxid minimal 20%, maximal 40%, aus Wasserstoff minimal 20%, maximal 40% und aus Kohlendioxid als Rest hat,

- Entfernung von Partikel aus dem Synthesegas über einen Zyklon (15), wobei die‘ Temperatur des Synthesegases minimal 600°C, maximal 800°C hat, wobei der Druck minimal 0,1 bar, maximal 0,4 bar hat, wobei die Abscheidung der Partikel minimal 95%, maximal 99% beträgt, wobei die Partikeldurchmesser minimal 0,01 mm, maximal 5mm beträgt,

0,0 1mg/m*, maximal 20 mg/m? beträgt, wobei die Reinigung mit Hilfe einer Gaswäsche erfolgt, umfassend die Verwendung als Waschfluid Biodiesel, wobei der Anteil an Teeren

{ polyzyklische Aromate, zyklische. Kohlenwasserstoffe ) im Synthesegas einen Wert minimal von 0,1 mg/m®, maximal 20 mg/m® haft,

Verdichten von Synthesegas über einen elektrisch angetriebenen Wasserring Vakuumverdichter (18), wobei der Druck auf der Saugseite minimal 0,1bar, maximal 0,4 bar beträgt, wobei der Druck auf der Druckseite minimal 1,1 bar, maximal 1,5 bar beträgt, wobei die elektrische Leistung minimal 1kW, maximal 100. kW beträgt,

Rückkühlen von Synthesegas über einen Wärmetaucher (20), wobei das Synthesegas- eine Temperatur minimal von 5°C, maximal 50°C hat,

Verdichten von Synthesegas über einen elektrisch angetriebenen Kolbenverdichter (21), wobei

der Druck auf der Saugseite minimal 1,1bar, maximal 1,5 bar beträgt, wobei der Druck auf der

Druckseite minimal 8 bar, maximal 16 bar beträgt, wobei die elektrische Leistung minimal 1KW,

maximal 100 kW beträgt, wobei die Temperatur des Synthesegases minimal 25°C, maximal 50°C hat,

Trennen von Synthesegas mit Hilfe einer Druckwechseladsorption (24), wobei der Druck einen Wert hat, minimal 8 bar, maximal 16 bar, wobei die Temperatur minimal 25°C, maximal 50°C hat, wobei der Volumenstrom minimal 2 m*/h, maximal 4000 m*/h hat, wobei die Trennung Mit Hilfe eines Molekularsiebes aus Steinkohlepellets erfolgt, 8

Bereitstellen von Wasserstoff (26), wobei der Druck einen Wert hat, minimal & bar, maximal 16 bar, wobei die Temperatur minimal 25°C, maximal 50°C hat, wobei der Volumenstrom Minimal 0,4mh, maximal 800 mh

Bereitstellen von Kohlenmoneoxid und Kohlendioxid (29), wobei der Druck einen Wert Bat,

minimal 1,1 bar, maximal 1,5 bar, wobei die Temperatur minimal 25°C, maximal 50°C hat, wobei der Volumenstram minimal 1,6 mh, maximal 3200 m*h hat,