WO2005056737A1 - Verfahren und anlage zur herstellung flüssiger energieträger aus einem festen kohlenstoffträger - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for the production of liquid energy carriers, in particular methanol, from a solid carbon carrier by means of gasification with the supply of external energy and generation of a synthesis gas for subsequent synthesis.
  • the invention is particularly intended for use in a compact system configuration.
  • the liquid energy sources as final products are intended for energy storage and for mobile or stationary work units.
  • Such systems use against the background of limited resources, e.g. with petroleum, and the recent increased environmental awareness as additional energy wind power, hydropower or solar power, which have gained considerable interest.
  • the object of the invention is therefore to specify a method for producing liquid energy carriers from a solid carbon carrier of the type mentioned at the outset, which significantly increases the efficiency of such methods. Furthermore, a system for the production of liquid energy sources from a solid carbon carrier is to be specified, which has a compact structure and can be used for the production of fuel for use in work machines for operating mobile or stationary work units.
  • those with a reduced calorific value should be usable as solid carbon carriers, ie fossil or recent fuels such as biomass or lignite, which have a clear natural oxygen content and thus a certain oxidation state and thereby conditional loss of calorific value compared to low-oxygen fuels.
  • solid carbon carriers ie fossil or recent fuels such as biomass or lignite, which have a clear natural oxygen content and thus a certain oxidation state and thereby conditional loss of calorific value compared to low-oxygen fuels.
  • the resulting low energy content is to be compensated for by supplying external energy of non-fossil origin and storing it as chemical energy in the energy sources to be produced, the minimization of the need for external energy being an essential aspect of the task.
  • Another aspect of the task is that the process should work without significant process-related carbon dioxide emissions.
  • the invention solves the problem for the method by the features specified in claim 1 and for the system by the features in claim 10.
  • Advantageous developments of the invention are characterized in the respective subclaims and are described below together with the description of the preferred embodiment of the Invention, including the drawing, shown in more detail.
  • the compact system consists of at least one drying device for drying the carbon carrier, a gasifier for gasifying the carbon carrier and for
  • synthesis gas a synthesis device for the synthesis of the liquid energy carrier from the synthesis gas and a device for water electrolysis for the production of oxygen as a gasification agent for the gasification process in the gasification apparatus and hydrogen for the synthesis process in the synthesis device.
  • the method at least part of the exhaust steam from the drying device and at least part of the residual gas resulting from the synthesis are fed to the gasification process in the gasification apparatus.
  • the exhaust steam increases the formation of hydrogen in accordance with the thermodynamic water-gas equilibrium, and the residual gas, which contains hydrogen and carbon monoxide, significantly increases the efficiency of the process.
  • the carbon-containing residues from the gasification apparatus and part of the oxygen generated in the device for water electrolysis are fed to the combustion process in a combustion apparatus which is arranged downstream of the gasification apparatus.
  • the carbon dioxide and oxygen-containing exhaust gas from the combustion apparatus is then advantageously used as
  • the waste steam from the drying device which is not supplied to the gasification process in the gasification apparatus, can be condensed in a condenser and used externally as a heat source.
  • the synthesis gas can be subjected to cleaning and / or cooling before being fed into the synthesis device, and the residues from gas purification and / or the residual gas from the synthesis device Devices that are not fed to the gasification process in the gasification apparatus can be fed to the combustion process in the combustion apparatus.
  • the combination of the individual material flows according to the invention is generally characterized by the supply of energy of external origin, which compensates for the energy deficit corresponding to the natural oxidation state of the carbon carrier used and is contained in the end product as stored energy. By returning the residual gases to the product stream, almost complete use of the carbon contained in the carbon carrier used is ensured and ash that is suitable for landfill is produced.
  • the drying and processing of the carbon carrier serves to increase the calorific value, since it is usually available in the original state with a high water content and thus a low calorific value, and in principle all known drying processes can be used.
  • the degree of drying is selected depending on the elemental composition of the carbon carrier and thus its energy content so that the subsequent gasification can be maintained autothermally.
  • Part of the heat energy required for drying can also be extracted from the gasification process.
  • the carbon-containing solid gasification residue discharged from the gasification apparatus is converted with the addition of oxygen to a gas consisting of carbon dioxide and excess oxygen. While there is a reducing atmosphere in the gasification process, the combustion process is characterized by an oxidizing atmosphere.
  • Cooling in a fluidized bed apparatus is therefore advantageously preferred in the system according to the invention.
  • This fluidized bed apparatus contains an inert fluidized material which is fluidized by the gas to be cooled. Due to the quasi-liquid state of a fluidized bed, it has an almost uniform temperature. When the hot gas from the gasification is fed to the much cooler fluidized bed, there is a shock-like cooling, which avoids the undesired conversion of carbon monoxide.
  • a heat exchanger in the form of a tube, plate or other register is integrated in the fluidized bed apparatus, inside which there is boiling water with a freely selectable pressure within certain limits, so that the heat removed from the hot gas is converted into the corresponding one Amount of water vapor is converted. Due to the high heat transfer coefficient in the fluidized bed compared to a conventional gas cooler, the required heat exchanger area can be reduced by 70 to 80%.
  • the fluidized bed apparatus thus simultaneously functions as a steam generator, in which at least part of the heating steam required for drying the carbon carrier is generated.
  • the fluidized bed apparatus also works as a gas cleaning stage. As a result of the cooling, the tar and possibly dust components contained in the raw gas separate out on the inert vortex material.
  • the loaded fluidized bed material is regenerated either by continuous or periodic removal of a partial stream, burning off the coating and returning it to the fluidized bed cooler.
  • This regeneration of the inert vortex material advantageously takes place in connection with the combustion of the carbon-containing residue from the gasification, as a result of which an exhaust gas emission is avoided and the carbon content is used.
  • a further conventional cooling and gas purification can then be carried out in accordance with the requirements of the synthesis step.
  • the raw gas generated during gasification and subsequently conditioned is converted into a liquid energy source.
  • It can be a known hydrocarbon synthesis, e.g. B. according to Fischer-Tropsch, a methanol synthesis or another synthesis, for. B. act an isobutyl oil synthesis. Since the ratio of carbon monoxide and hydrogen in the raw gas from the gasification required for these syntheses is not adhered to when there is no carbon monoxide conversion, but instead there is an excess of carbon monoxide, the addition of hydrogen from water electrolysis covers and increases the hydrogen requirement the carbon monoxide-hydrogen ratio required for the synthesis is set.
  • the system according to the invention for producing a liquid energy carrier from a synthesis gas consists of at least one drying device for drying the carbon carrier, a gasification apparatus for gasifying the carbon carrier, and a synthesis device for
  • Synthesis of the liquid energy carrier from the synthesis gas and a device for water electrolysis for generating oxygen as a gasification agent for the gasification process in the gasification apparatus and hydrogen for the synthesis process in the synthesis device and a combustion apparatus with the output for carbon-containing gasification residues from the gasification apparatus and the oxygen outlet the device for water electrolysis is connected.
  • At least one device for gas cleaning and / or cooling can be present between the gasification apparatus and / or the synthesis device and / or the expansion device.
  • the facility for Gas cleaning and / or cooling can be designed as a fluidized bed apparatus with integrated water vapor generation and the outlet of the water vapor can be connected to an inlet for heating steam at the drying device.
  • the waste heat can be collected on the gasification apparatus and / or the synthesis device and / or the combustion apparatus and fed to the drying device.
  • the advantage of the invention is in particular that the electrical energy requirement, measured by the energy content of the liquid energy carrier produced, e.g. in the case of methanol production, can be reduced from almost 100% to below 50%, based on the energy content of the methanol produced.
  • the need for oxygen for gasification and the need for hydrogen for conditioning the raw gas for synthesis can be controlled so that the volume ratio is practically 1: 2 and thus corresponds to the formation ratio in water electrolysis. This means that there are no excess amounts of oxygen from electrolysis.
  • the provision of electrical energy from spontaneously changing natural resources can be combined with traditionally generated electrical energy, always using the maximum of energy from wind power, hydropower or solar power.
  • Further advantages are the minimization of CO 2 emissions and the largely pollutant-free residues in the form of neutral ash.
  • the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • the accompanying drawing shows a diagram of a plant for producing a liquid energy carrier from a solid carbon carrier, including the material flows according to the invention.
  • the plant includes a drying facility for
  • Drying the carbon carrier a steam fluidized bed dryer 1, as a gasification apparatus for gasifying the carbon carrier and for producing the synthesis gas a fluidized bed gasifier 2, for synthesizing the liquid energy carrier from the synthesis gas a synthesis device 3 and a device for water electrolysis 4.
  • a fluidized bed combustion plant 5 as a combustion apparatus and a fluidized bed cooler 6 as a device for gas cleaning and cooling.
  • a heat requirement of 1,831 kW is required for drying. This heat is obtained from other modules within the system and fed to the drying process.
  • the heating steam S generated in the fluidized bed cooler 6 is used as a device for gas purification and cooling.
  • the dry lignite F is produced with a supply of oxygen via the material flow Cl, a raw gas H, whereby according to the invention the material flows steam via the partial flow R and a mixture K of carbon dioxide and oxygen from the fluidized bed combustion plant 5 and a synthesis gas O, in the remaining portions of carbon monoxide and hydrogen from the synthesis device 3 are included.
  • the gasification is carried out at an average gasification temperature of 630 ° C.
  • the residual synthesis gas O is supplied in an amount of 2,369 kg / h.
  • the carbon-containing gasification residue I from the fluidized bed gasifier 2 and oxygen via the stream C2 are fed to the fluidized bed combustion plant 5 and converted there into a mixture K of carbon dioxide and oxygen under an oxidizing atmosphere. As already mentioned, this gas mixture K is fed to the gasification process in the fluidized bed gasifier 2. The material flows are regulated so that a combustion temperature of around 900 ° C is maintained.
  • the only waste product of the combustion process is ash L, which is free of calcium sulfide and, as a result, does not tend to develop hydrogen sulfide when exposed to moisture. The ash L can therefore be deposited without any problems.
  • the raw gas H is cleaned and cooled in the fluidized bed cooler 6.
  • the fluidized bed cooler 6 there is an inert fluidized material which is kept in a fluidized state by the raw gas.
  • a tubular heat exchanger with a heat exchanger surface of approx. 200 m 2 is immersed in the fluidized bed, in the tubes of which boiling water of 191 ° C. and 12.6 bar is in the operating state.
  • the usable heat is extracted from the raw gas H and a water vapor flow is generated with the same parameters, which, as mentioned, is fed to the steam fluidized bed dryer 1 as heating steam S.
  • the fluidized bed cooling also acts as a gas purifier, since when the gas cools from 630 ° C to 230 ° C, the condensing tar components and dust contained in the raw gas are reflected on the inert fluidizing material.
  • the fluidizing material with the residues from the gas cleaning N can be fed to the fluidized bed combustion system 5 for regeneration.
  • Suitable catalyst load appropriate measures can be taken according to the state of the art.
  • the synthesis gas M is then in the synthesis device 3 in compliance with the volume ratio hydrogen: carbon monoxide in the clean gas of around 2.05 required for the synthesis of methanol by supplying the Guaranteed hydrogen via the stream D from the device water electrolysis 4.
  • the synthesis process essentially produces methanol and some by-products such as methyl ether and higher alcohols, which can remain in the crude methanol Q target product.
  • the residual synthesis gas O is supplied to the fluidized bed gasifier 2 in an amount of 2,369 kg / h.
  • a partial flow of the residual gas in an amount of 1,276 kg / h is removed from the system as discharge gas P in order to avoid an enrichment of the inert gas components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung flüssiger Energieträger mittels Vergasung eines festen Kohlenstoffträgers. Die Anlage besteht aus einer Trocknungseinrichtung (1), einem Vergasungsapparat (2), einer Syntheseeinrichtung (3) zur Synthese des flüssigen Energieträgers sowie einer Einrichtung (4) zur Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Sauerstoff als Vergasungsmittel und Wasserstoff für den Syntheseprozess und einem Verbrennungsapparat (5), der mit dem Ausgang des Vergasungsapparates (2) für kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände (I) und dem Sauerstoffausgang (C2) der Einrichtung zur Wasserelektrolyse (4) verbunden ist. Verfahrensgemäss wird mindestens ein Teil des Abdampfes aus der Trocknungseinrichtung und mindestens ein Teil des bei der Synthese anfallenden Restgases dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt. Weiterhin können die kohlenstoffhaltigen Rückstände (I) aus dem Vergasungsapparat (2) und ein Teil des in der Einrichtung zur Wasserelektrolyse (4) erzeugten Sauerstoffs (C2) einem Verbrennungsapparat (5) und das kohlendioxyd- und sauer stoffhaltige Abgas aus dem Verbrennungsapparat (K) als Vergasungsmittel dem Vergasungsapparat (2) zugeführt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Herstellung flüssiger Energieträger aus einem festen Kohlenstoffträger
Technisches Gebiet [1] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung flüssiger Energieträger, insbesondere von Methanol, aus einem festen Kohlenstoffträger mittels Vergasung bei Zuführung von Fremdenergie und Erzeugung eines Synthesegases zur anschließenden Synthese. [2] Dabei ist die Erfindung insbesondere für die Anwendung in einer kompakten Anlagenkonfiguration vorgesehen. Die flüssigen Energieträger als Finalprodukte sind als Energiespeicher und für mobile oder stationäre Arbeitsaggregate bestimmt. Derartige Anlagen nutzen unter dem Hintergrund begrenzter Ressourcen, z.B. bei Erdöl, und dem in der jüngeren Zeit gestiegenen Umweltbewusstsein als Zusatzenergie Windkraft, Wasserkraft oder Solarstrom, welche erheblich an Interesse gewonnen haben.
Stand der Technik [3] Nach dem Stand der Technik ist eine große Zahl von
Verfahren zur Herstellung flüssiger Energieträger bekannt. Beispielsweise arbeitet der deutsche "Forschungsverbund Sonnenenergie", eine Kooperation außeruniversitärer Forschungsinstitute, mit dem Ziel der Erforschung einer nach- haltigen Energieversorgung an neuen Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. [4] J. Pasel u.a. beschreiben in "Methanol-Herstellung und Einsatz als Energieträger für Brennstoffzellen", http://www.fv-sonnenenergie.de/publikationen/th9900/ th9900_46-53.pdf" Methoden der Methanolgewinnung. Methanol als alternativer Kraftstoff für den Verkehrsbereich bietet den Vorteil eines erheblichen Substitutionspotenzials für die heute benötigten Kraftstoffe, weil erneuerbare Ressourcen längerfristig eine tragende Rolle spielen werden. Dabei werden geschlossene Stoffkreisläufe als Grundvoraussetzung für nachhaltige Energiesysteme angegeben. U.a. können fossile Rohstoffe oder Reststoffe unter Einschaltung von Energie aus Windkraft, Wasserkraft oder Solarstrom vergast werden, wobei der erforderliche Sauerstoff für die Vergasung und Wasserstoff für die Methanol-Synthese in einer parallelen Elektrolyse erzeugt werden.
Darstellung der Erfindung
[5] Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung flüssiger Energieträger aus einem festen Kohlenstoffträger der eingangs erwähnten Art an- zugeben, welches den Wirkungsgrad derartiger Verfahren wesentlich erhöht. Weiterhin soll eine Anlage zur Herstellung flüssiger Energieträger aus einem festen Kohlenstoffträger angegeben werden, die einen kompakten Aufbau aufweist und zur Herstellung von Brennstoff für den Einsatz in Arbeitsmaschinen zum Betrieb mobiler oder stationärer Arbeitsaggregate genutzt werden kann.
[6] Als feste Kohlenstoffträger sollen insbesondere solche mit vermindertem Heizwert einsetzbar sein, d.h. fossile oder rezente Brennstoffe wie Biomasse oder Braunkohle, die durch einen deutlichen natürlichen Sauerstoffgehalt und damit einem gewissen Oxydationszustand und dadurch bedingtem Heizwertverlust gegenüber sauerstoffarmen Brennstoffen gekennzeichnet sind. So beträgt z. B. im Holz das molare Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis 1:1. Der dadurch bedingte niedrige Energieinhalt soll durch Zuführung exter- ner Energie nichtfossilen Ursprungs und deren Speicherung als chemische Energie in den herzustellenden Energieträgern kompensiert werden, wobei die Minimierung des Bedarfs an externer Energie einen wesentlichen Aspekt der Aufgabe darstellt. Ein weiterer Aspekt der Aufgabe besteht darin, dass das Verfahren ohne wesentliche verfahrensbedingte Kohlendioxidemission arbeiten soll.
[7] Die Erfindung löst die Aufgabe für das Verfahren durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und für die Anlage durch die Merkmale im Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
[8] Der Kern der Erfindung besteht in der Weiterentwick- lung eines Verfahrens zur Herstellung eines flüssigen
Energieträgers aus einem Synthesegas, in einer Kompaktanlage durch Vergasung eines festen Kohlenstoffträgers . Die Kompaktanlage besteht mindestens aus einer Trocknungseinrichtung zum Trocknen des Kohlenstoffträgers, einem Verga- sungsapparat zum Vergasen des Kohlenstoffträgers und zur
Erzeugung des Synthesegases, einer Syntheseeinrichtung zur Synthese des flüssigen Energieträgers aus dem Synthesegas und einer Einrichtung zur Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Sauerstoff als Vergasungsmittel für den Vergasungs- prozess im Vergasungsapparat und Wasserstoff für den Syn- theseprozess in der Syntheseeinrichtung. [9] Verfahrensgemäß wird mindestens ein Teil des Abdampfes aus der Trocknungseinrichtung und mindestens ein Teil des bei der Synthese anfallenden Restgases dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt. Der Abdampf erhöht entsprechend dem thermodynamisehen Wasser-Gas-Gleichgewicht die Bildung von Wasserstoff und das Restgas, welches Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanteile enthält, erhöht wesentlich den Wirkungsgrad des Verfahrens.
[10] In einer Ausgestaltung werden die kohlenstoffhaltigen Rückstände aus dem Vergasungsapparat und ein Teil des in der Einrichtung zur Wasserelektrolyse erzeugten Sauerstoffs dem Verbrennungsprozess in einem Verbrennungsapparat, der dem Vergasungsapparat nachgeordnet ist, zugeführt. Das kohlendioxyd- und sauerstoffhaltige Abgas aus dem Ver- brennungsapparat wird dann in vorteilhafter Weise als
Vergasungsmittel dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt .
[11] Der Trocknungsprozess des Kohlenstoffträgers in der Trocknungseinrichtung zur Erzeugung eines Abdampfes, der frei von nicht kondensierenden Anteilen ist, wird entsprechend einer Ausführung im geschlossenen System und ohne Schleppluft durchgeführt.
[12] Der Abdampf aus der Trocknungseinrichtung, der nicht dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt wird, kann in einem Kondensator kondensiert und extern als Wärmespender genutzt werden.
[13] In weiteren Ausgestaltungen kann das Synthesegas vor der Zuführung in die Syntheseeinrichtung einer Reinigung und/oder Kühlung unterzogen und die Reststoffe aus der Gasreinigung und/oder das Restgas aus der Syntheseeinrich- tung, die nicht dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt werden, können dem Verbrennungsprozess im Verbrennungsapparat zugeführt werden.
[14] Die beim Vergasungsprozess und/oder der Synthese des flüssigen Energieträgers und/oder gegebenenfalls dem Verbrennungsprozess und/oder der Gasreinigung und -kühlung anfallende Abwärme wird in vorteilhafter Weise der Trocknungseinrichtung zugeführt.
[15] Die erfindungsgemäße Kombination der einzelnen Stoff- ströme ist insgesamt durch eine Zuführung von Energie externer Herkunft gekennzeichnet, die das dem natürlichen Oxydationszustand des eingesetzten Kohlenstoffträgers entsprechende Energiedefizit kompensiert und als gespeicherte Energie im Endprodukt enthalten ist. Über die Rüc- kführung der Restgase in den Produktstrom wird eine nahezu vollständige Nutzung des im eingesetzten Kohlenstoffträger enthaltenen Kohlenstoffs gewährleistet und es fällt eine deponiefähige Asche an.
[16] Die Erzeugung der zusätzlichen Energie ist nicht Gegenstand der Erfindung. Im Sinne der Aufgabenstellung zur Schaffung eines Verfahrens zur vollständigen Ausnutzung des Kohlenstoffträgers und der weitgehenden Vermeidung einer Kohlendioxidemission sollte diese Energie jedoch nicht aus der Verbrennung fossiler oder rezenter Brennstoffe stammen.
[17] Soweit es für die Erfindung relevant ist, werden nachfolgend noch kurz die einzelnen Verfahrensschritte näher erläutert. [18] Die Trocknung und Aufbereitung des Kohlenstoffträgers dient der Erhöhung des Heizwertes, da dieser im Urzustand in der Regel mit einem hohen Wassergehalt und damit niedrigem Heizwert zur Verfügung steht, und es können prinzipiell alle bekannten Trocknungsverfahren eingesetzt werden. Der Grad der Trocknung wird in Abhängigkeit von der Elementarzusammensetzung des Kohlenstoffträgers und damit seines Energiegehaltes so gewählt, dass die nachfolgende Vergasung autotherm aufrecht erhalten werden kann. Je nach Art des eingesetzten festen Kohlenstoffträgers kann zumindest ein
Teil der für die Trocknung erforderlichen Wärmeenergie auch aus dem Vergasungsprozess auch ausgekoppelt werden.
[19] In der Ausführung der Erfindung mit nachgeordnetem Verbrennungsapparat wird der aus dem Vergasungsapparat ausgetragene kohlenstoffhaltige feste Vergasungsrückstand unter Zuführung von Sauerstoff zu einem aus Kohlendioxid und überschüssigem Sauerstoff bestehenden Gas umgesetzt. Während im Vergasungsprozess eine reduzierende Atmosphäre vorherrscht, ist der Verbrennungsprozess von einer oxydie- renden Atmosphäre gekennzeichnet.
[20] Mit der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff fließt Elektroenergie externer Herkunft in das Verfahren ein. Die zuzuführende externe Energie kompensiert das Energiedefizit des sauerstoffhaltigen Kohlenstoffträgers und wird letztendlich in einen Energiegehalt des flüssigen Energieträgers umgewandelt und somit in eine speicherbare Form überführt. Das bedeutet, dass mit diesem Verfahren prinzipiell auch Kohlenstoffträger mit höherem Heizwert, z.B. Steinkohle, in flüssige Energieträ- ger unter Speicherung der externen Energie in den herzustellenden flüssigen Produkten verarbeitet werden können. [21] Bei der Gasreinigung und -kühlung wird das erzeugte Rohgas abgekühlt und auf die für die Synthese erforderliche Reinheit gebracht. Der Kühlung des erzeugten Rohgases wird insofern besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da die Zu- sammensetzung auf Grund des Boudouard-Gleichgewichts temperaturabhängig ist, d.h. bei langsamer Abkühlung wandelt sich das im Gas enthaltene Kohlenmonoxid unter Abscheidung von Kohlenstoff zunehmend in Kohlendioxid um.
[22] In vorteilhafter Weise wird deshalb in der erfin- dungsgemäßen Anlage eine Kühlung in einem Wirbelschichtapparat bevorzugt. In diesem Wirbelschichtapparat befindet sich ein inertes Wirbelmaterial, das durch das zu kühlende Gas fluidisiert wird. Auf Grund des quasiflüssigen Zu- standes einer Wirbelschicht besitzt diese eine nahezu einheitliche Temperatur. Wenn das heiße Gas aus der Vergasung der deutlich kühleren Wirbelschicht zugeführt wird, erfolgt eine schockartige Abkühlung, wodurch die unerwünschte Kohlenmonoxidumsetzung vermieden wird.
[23] In dem Wirbelschichtapparat ist ein Wärmeübertrager in Form eines Rohr-, Platten- oder anderen Registers integriert, in dessen Inneren sich siedendes Wasser mit einem in gewissen Grenzen frei wählbaren Druck befindet, so dass die aus dem heißen Gas abgeführte Wärme in die entsprechende Menge Wasserdampf umgewandelt wird. Auf Grund des hohen Wärmeübergangskoeffizienten in der Wirbelschicht gegenüber einem konventionellen Gaskühler kann die erforderliche Wärmeübertragerfläche um 70 bis 80 % reduziert werden. Der Wirbelschichtapparat fungiert also gleichzeitig als Dampferzeuger, in dem zumindest ein Teil des für die Trocknung des Kohlenstoffträgers erforderlichen Heizdampfes erzeugt wird. [24] Der Wirbelschichtapparat arbeitet zusätzlich auch als Gasreinigungsstufe. Durch die Abkühlung scheiden sich die im Rohgas enthaltenen Teer- und gegebenenfalls Staubanteile auf dem inerten Wirbelmaterial ab. Eine Regene- rierung des beladenen Wirbelmaterials erfolgt entweder durch kontinuierliche oder periodische Entnahme eines Teilstromes, Abbrennen des Belages und Rückführung in den Wirbelschichtkühler. Vorteilhafterweise erfolgt diese Regenerierung des inerten Wirbelmaterials im Zusammenhang mit der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Rückstandes aus der Vergasung, wodurch eine Abgasemission vermieden und der Kohlenstoffanteil genutzt wird. Anschließend kann eine weitere Kühlung konventioneller Art und eine Gasfeinreinigung entsprechend den Anforderungen des Verfahrensschrittes Synthese erfolgen.
[25] Bei der Synthese wird das bei der Vergasung erzeugte und nachfolgend konditionierte Rohgas in einen flüssigen Energieträger umgewandelt. Dabei kann es sich je nach Bedarf um eine an sich bekannte Kohlenwasserstoffsynthese, z. B. nach Fischer-Tropsch, eine Methanolsynthese oder eine andere Synthese, z. B. eine Isobutylölsynthese, handeln. Da das für diese Synthesen erforderliche Verhältnis von Koh- lenmonoxid und Wasserstoff im Rohgas aus der Vergasung bei Verzicht auf eine Kohlenmonoxidkonvertierung nicht einge- halten wird, sondern ein Überschuss an Kohlenmonoxid besteht, wird durch die Zugabe des Wasserstoffs aus der Wasserelektrolyse der Wasserstoffbedarf gedeckt und auf das für die Synthese erforderliche Kohlenmonoxid-Wasserstoff- Verhältnis eingestellt.
[26] Die genannten an sich bekannten Synthesen verlaufen auf Grund der herrschenden thermodynamischen Gesetzmäßigkeit nicht vollständig in Richtung des gewählten Zielproduktes. Es verbleibt ein Restgas, dass neben geringen nicht umgesetzten Wasserstoff- und Kohlenmonoxidantei- len auch noch einen thermodynamiseh bedingten Kohlendioxidanteil aus der Vergasung und Inertgasanteile aus dem Koh- lenstoffträger enthält.
[27] Die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung eines flüssigen Energieträgers aus einem Synthesegas besteht aus mindestens einer Trocknungseinrichtung zum Trocknen des Kohlenstoffträgers, einem Vergasungsapparat zum Vergasen des Kohlenstoffträgers, einer Syntheseeinrichtung zur
Synthese des flüssigen Energieträgers aus dem Synthesegas und einer Einrichtung zur Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Sauerstoff als Vergasungsmittel für den Vergasungsprozess im Vergasungsapparat und Wasserstoff für den Syn- theseprozess in der Syntheseeinrichtung sowie einem Verbrennungsapparat, der mit dem Ausgang für kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände aus dem Vergasungsapparat und dem Sauerstoffausgang der Einrichtung zur Wasserelektrolyse verbunden ist.
[28] Der Ausgang des Abdampfes aus der Trocknungseinrichtung und/oder der Ausgang für Syntheserestgas aus der Syntheseeinrichtung ist/sind in einer Weiterbildung mit dem Vergasungsapparat verbunden. Damit kann Abdampf und Syntheserestgas in den Vergasungsprozess eingeschleust werden. In diese Verbindung ist regelmäßig auch mindestens eine
Einrichtung zur Regelung der Menge des Abdampfes und/oder des Restgases vorhanden.
[29] Weiterhin kann zwischen dem Vergasungsapparat und/oder der Syntheseeinrichtung und/oder dem Verbre nungs- apparat mindestens eine Einrichtung zur Gasreinigung und/oder -kühlung vorhanden sein. Die Einrichtung zur Gasreinigung und/oder -kühlung kann als Wirbelschichtapparat mit integrierter Wasserdampferzeugung ausgebildet und der Ausgang des Wasserdampfes mit einem Eingang für Heizdampf an der Trocknungseinrichtung verbunden sein.
[30] Mit einer Abwärme-Sammeleinrichtung kann die Abwärme am Vergasungsapparat und/oder der Syntheseeinrichtung und/oder dem Verbrennungsapparat gesammelt und der Trocknungseinrichtung zugeführt werden.
[31] Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass der Elektroenergiebedarf, gemessen an dem Energieinhalt des hergestellten flüssigen Energieträgers, z.B. im Fall der Methanolherstellung, von nahezu 100 % auf unter 50 %, bezogen auf den Energieinhalt des hergestellten Methanols, gesenkt werden kann.
[32] Dabei wurde gefunden, dass durch eine kombinierte
Steuerung der Zuführung des Restgases aus der Synthese und des Abdampfes aus der Trocknung des Kohlenstoffträgers das Gesamtverfahren in einem weitgehend geschlossenen System realisiert werden kann. Der Bedarf an Sauerstoff für die Vergasung und der Bedarf an Wasserstoff für die Konditio- nierung des Rohgases zur Synthese kann so gesteuert werden, dass das Volumenverhältnis praktisch 1:2 beträgt und somit dem Bildungsverhältnis bei der Wasserelektrolyse entspricht. Damit fallen aus der Elektrolyse keine Überschuss- mengen an Sauerstoff an.
[33] In vorteilhafter Weise kann die Bereitstellung der Elektroenergie aus sich spontan ändernden natürlichen Ressourcen mit klassisch erzeugter Elektroenergie kombiniert werden, wobei immer das Maximum von Energie aus Windkraft, Wasserkraft oder Solarstrom eingesetzt wird. [34] Weitere Vorteile sind die Minimierung des C02-Austoßes sowie die weitgehend Schadstofffreien Reststoffe in Form neutraler Asche.
Ausführungsbeispiel [35] Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Schema einer Anlage zur Herstellung eines flüssigen Energieträgers aus einem festen Kohlenstoffträger, einschließlich der erfindungsgemäßen Stoffströme. [36] Die Anlage umfasst als Trocknungseinrichtung zum
Trocknen des Kohlenstoffträgers einen Dampfwirbelschichttrockner 1, als Vergasungsapparat zum Vergasen des Kohlenstoffträgers und zur Erzeugung des Synthesegases einen Wirbelschichtvergaser 2, zur Synthese des flüssigen Ener- gieträgers aus dem Synthesegas eine Syntheseeinrichtung 3 und einer Einrichtung zur Wasserelektrolyse 4. In der spezifischen Anlage ist weiterhin eine Wirbelschichtverbrennungsanlage 5 als Verbrennungsapparat sowie ein Wirbelschichtkühler 6 als Einrichtung zur Gasreinigung und -kühlung vorhanden.
[37] Alle Baugruppen sind in einer Kompaktanlage kombiniert und über entsprechende Stoffleitungen miteinander verbunden. Die einzelnen Stoffströme werden nachfolgend mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. [38] Beispielhaft werden als Kohlenstoffträger 4.115 kg/h mechanisch aufbereitete Rohbraunkohle E mit einem Heizwert gleich 9.605 kJ/kg und einem Wassergehalt von 55 Masse-% dem Dampfwirbelschichttrockner 1 zugeführt und dort zu 2.184 kg/h Trockenbraunkohle F mit einem Restwassergehalt von 15,2 Masse-% und einem Heizwert von 20.250 kJ/kg getrocknet .
[39] Für die Trocknung ist ein Wärmebedarf von 1.831 kW erforderlich. Diese Wärme wird innerhalb der Anlage an anderen Baugruppen gewonnen und dem Trocknungsprozess zugeführt. Im Beispiel wird der im Wirbelschichtkühler 6 als Einrichtung zur Gasreinigung und -kühlung erzeugte Heizdampf S genutzt.
[40] Unter den beispielhaften Bedingungen entstehen bei der Trocknung 1.931 kg/h Dampf. Von dieser Gesamtmenge werden in einem ersten Teilstrom R erfindungsgemäß 1.046 kg/h dem Wirbelschichtvergaser 2 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom G mit 885 kg/h wird einem Abdampfkonden- sator zugeführt, wobei die dort frei werdende Kondensa- tionswärme von 557 kW als Niedertemperaturwärme einer externen Nutzung zugeführt werden kann.
[41] Parallel zur Bereitstellung des aufbereiteten festen Kohlenstoffträgers sowie Abdampf aus der Trocknung für den Vergasungsprozess werden in der Einrichtung zur Wasserelek- trolyse 4 aus Wasser A und zugeführter fremder Elektroenergie B 799 kg/h Sauerstoff und 115 kg/h Wasserstoff erzeugt. Der Elektroenergiebedarf dafür beträgt 4,77 MW. Entsprechend dem Anliegen des Verfahrens wird diese Energie vorzugsweise aus Wasser-, Wind- oder Sonnenenergieanlagen gewonnen. [42] Etwa ein Drittel des elektrolytisch erzeugten Sauerstoffs C wird über den Stoffstrom Cl dem Wirbelschichtvergaser 2 zugeführt und zwei Drittel über den Stoffstrom C2 der Wirbelschichtverbrennungsanlage 5. Die Verwendung des Wasserstoffs über den Stoffstrom D wird später erläutert .
[43] Im Wirbelschichtvergaser 2 wird die Trockenbraunkohle F unter Zuführung des Sauerstoffs über den Stoffstrom Cl ein Rohgas H erzeugt, wobei erfindungsgemäß weiterhin die Stoffströme Dampf über den Teilstrom R und ein Gemisch K aus Kohlendioxid und Sauerstoff aus der Wirbelschichtverbrennungsanlage 5 sowie ein Syntheserestgas O, in dem restliche Anteile an Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus der Syntheseeinrichtung 3 enthalten sind, einfließen. Die Vergasung wird bei einer mittleren Vergasungstemperatur von 630 °C durchgeführt. Das Syntheserestgas O wird in einer Menge von 2.369 kg/h zugeführt.
[44] Im Beispiel werden nach der Reinigung des Rohgases H letztendlich 5.658 kg/h Reingas M mit 27,5 Vol.-% Kohlen- monoxid und 35,0 Vol.-% Wasserstoff erzeugt. Der Rest besteht im Wesentlichen aus Kohlendioxid und geringen Mengen Wasserdampf und Methan.
[45] Der kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstand I aus dem Wirbelschichtvergaser 2 und Sauerstoff über den Stoffstrom C2 werden der Wirbelschichtverbrennungsanlage 5 zugeführt und dort unter oxydierender Atmosphäre zu einem Gemisch K aus Kohlendioxid und Sauerstoff umgesetzt. Dieses Gasgemisch K wird, wie bereits erwähnt, dem Vergasungsprozess im Wirbelschichtvergaser 2 zugeführt. Die Stoffströme werden dabei so geregelt, dass eine Verbrennungstemperatur von etwa 900 °C aufrecht erhalten wird. [46] Als Abfallprodukt des Verbrennungsprozesses verbleibt lediglich die Asche L, die frei von Calciumsulfid ist und infolgedessen bei Feuchtigkeitseinwirkung nicht zur Schwe- felwasserstoffentwicklung neigt. Die Asche L kann deshalb problemlos deponiert werden.
[47] Das Rohgas H wird im Wirbelschichtkühler 6 gereinigt und gekühlt. Im Wirbelschichtkühler 6 ist ein inertes Wirbelmaterial vorhanden, das durch das Rohgas in einem Wirbelzustand gehalten wird. In die Wirbelschicht taucht ein Rohrwärmeübertrager mit einer Wärmeübertragerfläche von ca. 200 m2, in dessen Rohren sich im Betriebszustand siedendes Wasser von 191 °C und 12,6 bar befindet. Dem Rohgas H wird die nutzbare Wärme entzogen und ein Wasserdampfström mit den gleichen Parametern erzeugt, der wie erwähnt als Heizdampf S dem Dampfwirbelschichttrockner 1 zugeführt wird. Die Wirbelschichtkühlung wirkt gleichzeitig als Gasreinigung, da bei der Abkühlung des Gases von 630 °C auf 230 °C die kondensierenden Teerbestandteile und im rohen Gas enthaltener Staub auf dem inerten Wirbelmaterial nie- dergeschlagen werden. Das Wirbelmaterial mit den Rückständen aus der Gasreinigung N kann zur Regenerierung der Wirbelschichtverbrennungsanlage 5 zugeführt werden.
[48] Soweit das gekühlte Synthesegas M noch nicht den Erfordernissen der nachfolgenden Methanolsynthese ent- spricht, insbesondere Einhaltung der Grenzwerte für die
Katalysatorbelastung, können geeignete Maßnahmen entsprechend dem Stand der Technik getroffen werden.
[49] In der Syntheseeinrichtung 3 wird dann das Synthesegas M unter Einhaltung des für die Synthese von Methanol erforderlichen Volumenverhältnisses Wasserstoff : Kohlen- monoxid im Reingas von rund 2,05 durch Zuführung des Wasserstoffs über den Stoffstrom D aus der Einrichtung Wasserelektrolyse 4 gewährleistet. Im Syntheseprozess entstehen im Wesentlichen Methanol und einige Nebenprodukte wie Dirnethylether und höhere Alkohole, die im Zielprodukt Rohmethanol Q verbleiben können.
[50] Im Syntheseprozess fällt noch ein Syntheserestgas O an, in dem restliche Anteile an Kohlenmonoxid und Wasserstoff und auch das im Synthesegas vorhandene Kohlendioxid sowie Bestandteile von Inertgas enthalten sind. Das Syn- theserestgas O wird, wie bereits erläutert, in einer Menge von 2.369 kg/h dem Wirbelschichtvergaser 2 zugeführt. Ein Teilstrom des Restgases in einer Menge von 1.276 kg/h wird als Ausschleusgas P aus dem System entfernt, um eine Anreicherung der inerten Gasbestandteile zu vermeiden.
[51] Insgesamt wird im Ergebnis des Syntheseprozesses aus 4.115 kg/h mechanisch aufbereitete Rohbraunkohle E ein Rohmethanol in der Menge von 1.931 kg/h mit einer chemisch gebundenen Leistung von 10.647 kW erzeugt. Bezogen auf die für die Elektrolyse aufzuwendende Leistung sind das 223 %.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Dampfwirbelschichttrockner
2 Wirbelschichtvergaser
3 Syntheseeinrichtung
4 Einrichtung zur Wasserelektrolyse
5 Wirbelschichtverbrennungsanlage
6 Wirbelschichtkühler
Kennzeichnung der Stoffströme
A Wasser
B Elektroenergie
C Sauerstoff
Cl Sauerstoff erster Stoffstrom
C2 Sauerstoff zweiter Stoffstrom
D Wasserstoff
E Rohbraunkohle
F Trockenbraunkohle
G Abdampf Teilstrom
H Rohgas
I Vergasungsrückstand
K Gasgemisch
L Asche
M Reingas
N Rückstände der Gasreinigung
0 Syntheserestgas
P Ausschleusgas
Q Rohmethanol
R Abdampf Teilstrom
S Heizdampf

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines flüssigen Energieträgers aus einem Synthesegas, welches in einer Anlage durch Vergasung eines festen Kohlenstoffträgers er- zeugt wird, die mindestens aus einer Trocknungseinrichtung zum Trocknen des Kohlenstoffträgers, einem Vergasungsapparat zum Vergasen des Kohlenstoffträgers und zur Erzeugung des Synthesegases, einer Syntheseeinrichtung zur Synthese des flüssigen Energieträgers aus dem Synthesegas und einer Einrichtung zur Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Sauerstoff als Vergasungsmittel für den Vergasungsprozess im Vergasungsapparat und Wasserstoff für den Syntheseprozess in der Syntheseeinrichtung besteht, dadurch gekennzeiσh- net, dass mindestens ein Teil des Abdampfes aus der Trocknungseinrichtung und mindestens ein Teil des bei der Synthese anfallenden Restgases dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kohlenstoffhaltige Rückstände aus dem Vergasungsapparat und ein Teil des in der Einrichtung zur Wasserelektrolyse erzeugten Sauerstoffs dem Ver- brennungsprozess in einem Verbrennungsapparat innerhalb der Kompaktanlage zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als fester Kohlenstoffträger ein solcher mit vermindertem Heizwert ausgewählt wird, der entsprechend seiner Ausgangsstruktur vor der Einbringung in der Trocknungseinrichtung im erforderli- chen Umfang konditioniert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlendioxyd- und sauerstoffhaltige Abgas aus dem Verbrennungsapparat als Vergasungsmittel dem Vergasungsapparat zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsprozess des Koh- lenstoffträgers in der Trocknungseinrichtung zur Erzeugung eines Abdampfes, der frei von nicht kondensierenden Anteilen ist, im geschlossenen System und ohne Schleppluft durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdampf aus der Trocknungseinrichtung, der nicht dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt wird, in einem Kondensator kondensiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas vor der Zuführung in die Syntheseeinrichtung einer Reinigung und/oder Kühlung unterzogen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Reststoffe aus der Gasreinigung und/oder Restgas aus der Syntheseeinrichtung, das nicht dem Vergasungsprozess im Vergasungsapparat zugeführt wird, dem Verbrennungsprozess im Verbren- nungsapparat zugeführt wird bzw. werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Vergasungsprozess und/oder der Synthese des flüssigen Energieträgers und/oder gegebenenfalls dem Verbrennungsprozess und/oder der Gasreinigung und -kühlung anfallende Abwärme der Trocknungseinrichtung zugeführt wird.
10. Anlage zur Herstellung eines flüssigen Energieträgers aus einem Synthesegas, welches durch Vergasung eines festen Kohlenstoffträgers erzeugt wird, bestehend aus mindestens einer Trocknungseinrichtung zum Trocknen des Kohlenstoffträgers, einem Vergasungsapparat zum Vergasen des Kohlenstoffträgers, einer Syntheseeinrichtung zur Synthese des flüssigen Energieträgers aus dem Synthesegas und einer Einrichtung zur Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Sauerstoff als Vergasungsmittel für den Vergasungsprozess im Vergasungsapparat und Wasserstoff für den Syntheseprozess in der Syntheseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsapparat vorhanden ist, der mit dem Ausgang aus dem Vergasungsapparat für kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände und dem Sauerstoffausgang der Einrichtung zur Wasserelektrolyse verbunden ist.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsapparat mit dem Auslass für ein Syntheserestgas an der Syntheseeinrichtung verbunden ist .
12. Anlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vergasungsapparat und/oder der Syntheseeinrichtung und/oder dem Verbrennungsapparat eine Einrichtung zur Gasreinigung und/oder -kühlung vorhanden ist.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Gasreinigung und/oder -kühlung als Wirbelschichtapparat mit integrierter Wasserdampferzeugung ausge- bildet und der Ausgang des Wasserdampfes mit einem Eingang für Heizdampf an der Trocknungseinrichtung verbunden ist.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abwärme-Sammeleinrichtung vorhanden ist, die die Abwärme am Vergasungsapparat und/oder der Syntheseeinrichtung und/oder dem Verbrennungsapparat sammelt und der Trocknungseinrichtung zuführt .
15. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Abdampfes aus der Trocknungseinrichtung und/oder der Ausgang des Restgases aus der Syntheseeinrichtung mit dem Vergasungsapparat verbunden ist und in dieser Verbindung eine Einrichtung zur Regelung der Menge des Abdampfes und/oder des Restgases vorhanden ist.
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