WO2010015593A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von energie, dme (dimethylether) und bio-silica unter einsatz von co2-neutralen biogenen reaktiven und reaktionsträgen einsatzstoffen - Google Patents

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Definitions

  • the SPOT gasification combined process for expanding the spectrum of the biogenic feedstocks to those which, due to their natural consistency, form a reactive pyrolysis coke in the first, simultaneously proceeding step of the gasification reaction (allothermic or autothermic), and the processing of the biosynthesis gas produced in the SPOT gasification process or in the SPOT gasification process into dimethyl ether ( DME) using the modular process routes already described in the application via the isolated intermediate methanol or via the intermediate Forming but not isolated intermediate produced and the preferred use of this product within the INCOX100 process for highly efficient generation of electrical energy.
  • DME dimethyl ether
  • the gasification process integrates the theoretically and practically available, relevant gasification processes into a new process that, considering the highest standards of economic efficiency, allows all conceivable biogenic feedstocks to be gasified with maximum efficiency (mass conversion rates well above 90%).
  • thermal gasification processes has essentially produced three different types of gasifier, the entrained flow gasifier, the fixed bed gasifier and the fluidized bed gasifier.
  • gasification processes according to the source of Enthalpiestromes required for the gasification reaction m autothermal processes - the reaction enthalpy in the same process by reacting the feedstock to CO2 and H2O (combustion) is produced - or allothermal gasification processes, here is not required for the gasification Enthalpiestrome generated within the process, but spatially separated and supplied to the gasification process by convection, heat transfer (SPOT process) or radiation.
  • SPOT process convection, heat transfer
  • Literature for fluidized bed gasification which is part of this application, can be found in the following literature: Wolfgang Adlroch, Rheinbraun AG, Hisaaki Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Joachim Wolff, Karsten Radtke (Speaker ), Krupp Uhde GmbH, Gasification Technology Conference, San Francisco, California, USA; October 8 - 11, 2000; Conference Proceedings.
  • Literature for circulating fluidized bed in the composite system which is a component of this application, can be taken from the following literature: "Decentralized generation of electricity and heat based on biomass gasification", R. Rauch, H. Hofbauer, lecture To für 2004.
  • the fluidized bed gasifiers can be subdivided into two processes: the circulating and the stationary
  • the biomass is gasified in a fluidized bed with steam as a reaction and fluidizing medium.
  • this is a stationary fluidized bed with two specially developed pulse burners, which allow an indirect heat input into the fluidized bed located in the reactor.
  • this method is referred to as a SPOT method.
  • Characteristic of the autothermal gasification is the lack of pronounced temperature and reaction zones.
  • the fluidized bed consists of an inert bed material. Thereby, a simultaneous execution of the individual partial reactions and a homogeneous temperature (about 800 0 C) can be ensured.
  • the process is technically feasible, it is characterized by a high efficiency.
  • the acquisition costs are among the aforementioned carburetor types.
  • the spectrum has been expanded to include biogenic feedstocks, which tend to form a reaction-bearing coke in the pyrolysis step of gasification.
  • the method is characterized in that the material discharged from the fluidized bed, a mixture of bed material, ash and pyrolysis coke, is fed directly or after screening and screening to separate off the carbon and fines of a second, autothermally operated stationary or expanded or circulating fluidized bed ,
  • the product gas, a CO-rich synthesis gas is added to the main gas stream before gas cooling, the coarse ash is returned to the allothermal gasifier of the SPOT gasification system, and the fine fraction - a high-quality biosilica raw material - is discharged.
  • the combined product gas from allothermic and autothermal gasification of pyrolysis coke fractions is subjected to dry dedusting, as in the main process, cooled and compressed in order to be fed as compacted biosynthesis gas to the other processes.
  • This gasifier is extended by a parallel gasification stage, in which the pyrolysis coke forming during the gasification reaction is converted to synthesis gas by means of steam and oxygen as gasification agent.
  • the entire gasification process is designed as a SPOT combined gasification process in such a way that the proportion of this autothermal gasification stage is minimized, which already requires economic efficiency.
  • the integration of this autothermal sub-process via the ash / Bettmaterialaustrag the allothermal stage and the consideration of the generated synthesis gas for the allothermally produced synthesis gas, so that the further synthesis gas treatment (cooling, etc.) and the treatment of the bed material done together.
  • This autothermal gasifier is an integral part of the SPOT combined gasification process.
  • the degrees of conversion of biogenic feedstocks which form as intermediate gasification (intermediate) inert pyrolysis coke, can be increased to values well above 95%. Due to their silicate content, the resulting ash forms an excellent high-quality bio-silica raw material.
  • This gasification process involves in situ desulfurization
  • Halogens by adsorption Patent Application 10 2007 004 294.0
  • the use of a single or multi-stage fine cleaning of multicyclone and sintered metal filter the use of a quencher in which by means of a non-aqueous washing liquid traces of condensable aliphatic and aromatic hydrocarbons are washed out.
  • the separated substances are converted by recirculation in the gasifier to synthesis gas and there is a gas cooling for the subsequent compressor stages.
  • This also close atmoshparisch operated gasifier is operated with oxygen / steam as a gasifying agent at temperatures up to about 1000 0 C.
  • the pyrolysis coke is reacted.
  • the product gas a CO-rich synthesis gas
  • the fine fraction a high-quality bio-silica raw material, is discharged.
  • This invention integrates the process routes shown in FIG. 1 for the production of chemicals and synthetic fuels, hydrogen and the generation of electrical or mechanical energy by combustion of the synthesis gas in the gas turbine, boilers, engines or the use z.
  • hydrogen in fuel cells as described in the patent application 10 2007 004 294.0 and the use of synthetic fuel, in particular the DME for the production of electricity in the INCOX100 process.
  • the present invention relates to the production of the synthetic fuel DME and the generation of electrical / mechanical energy in the context of the INCOXIOO process based on biogenic feedstocks and the biosynthesis gas produced in the SPOT gasification process and the SPOT gasification process also described in the present invention ,
  • the present application focuses on the DME fuels with very high yield and economy via the intermediate methanol. A yield of 41 tons per 100 tons of feedstock can be represented. The advantage of this process route over competing processes is simplicity, uniformity, and high yield product availability.
  • the use as a liquid gas replacement and as a chemical raw material is possible.
  • the DME is most suitable for use with INCOX100 (Internal Combustion Box), which is currently available in the two-stroke version up to a mechanical power of 100 MW / h.
  • INCOX100 Internal Combustion Box
  • the DME is also suitable for Four Stroke Combustion Engines. For completeness, the use in gas turbine and boiler is listed.
  • the SPOT combi-gasification process allows the use of an extraordinarily broad spectrum of biogenic feedstocks and extends the applicability of the as part of the invention underlying SPOT gasification process to reaction-inert biogenic feedstocks, which tend to form pyrolysis coke, which is inert in the allothermal gasification step of the SPOT Procedures by the limited here maximum gasification temperature insufficient to convert biosynthesis gas.
  • SPOT gasification process of the allothermal steam gasification with impulse burner is suitable for a wide variety of types of renewable resources, including SPOT's patented Power Greenies, to produce by chemical synthesis for the production of fuels, chemicals and as a feedstock for the production of Energy, combustion in boilers, gas turbines or heat engines with internal combustion suitable to convert ibid described bio-syngas to convert.
  • SPOT's patented Power Greenies to produce by chemical synthesis for the production of fuels, chemicals and as a feedstock for the production of Energy, combustion in boilers, gas turbines or heat engines with internal combustion suitable to convert ibid described bio-syngas to convert.
  • the applicability of the process is significantly extended by the SPOT combined gasification process developed for the first time.
  • the SPOT process makes it possible on a large scale to produce energy, fuels and chemical intermediates from renewable raw materials or biomass, which in turn is the starting material for the entire range of products produced today on the basis of petroleum chemistry.
  • the suggested process routes shown in the following description stand so exemplary for the possibilities, but are also the
  • Feedstocks are all renewable raw materials, which - and this is the only theoretical limitation - can be brought to residual moisture content of preferably below 35% mass with an energy cost that is significantly lower than the bound in substance, chemical energy or the corresponding calorific value. Due to the basic reaction conditions, the process is unsuitable for high-aqueous biomass containing only a small percentage by mass of solids (eg Gulle).
  • This conception therefore allows all energies required for production to be CO2-neutral - d. H. to be exported as a net C02 consumer by B. urea synthesis, by which the CO2 content of the synthesis gas is increased and this proportion of CO2 is reacted with produce.
  • the inventions described below deal with the SPOT combined gasification process and the switching of the process routes, which make it possible to use the biosynthesis gas of the spot gasifier for the production of energy, fuels and chemical products. These routes are characterized by the integrated use of the purge gas (essentially methane) as fuel for generating the heat of reaction of the gasification process in the SPOT gasification process, through energy efficiency and high material utilization of the feedstocks.
  • the purge gas essentially methane
  • Part of the invention is the use of the previously described, formed synthetic fuel DME for power generation in the context of the INCOXIOO process.
  • H2 as a feedstock for fuel cells or as a reactant for various chemical syntheses, for example ammonia synthesis and urea synthesis as a secondary product (fertilizer production), olefin syntheses, hydrogenating syntheses, etc.
  • Electricity i.e., mechanical or electrical energy from direct combustion of the biosynthesis gas and use in gas turbines or combustion in the Infernal Combustion Box
  • Electricity also generating mechanical energy and prioritized electric power
  • Bio-silica is an environmentally friendly, high-silica raw material derived from the gasification of biogenic agricultural by-products. Due to the high-quality chemical, mineralogical and physical properties, the silicon dioxide (SiO2) extracted from ash is needed as a necessary aid for the production of steel, ceramics, mortar or cement, fertilizer, paper, plastic, cosmetics etc. In the following, the already set forth in the patents, modular process routes are explained again.
  • the pre-compressed biosynthesis gas is adjusted as part of a clean gas CO shift process with respect to the molar fraction CO / H2 so that the optimum ratio for the further synthesis is achieved.
  • the CO shift is a partial flow shift.
  • the process integration allows the minimization of the partial flow to be converted in order to achieve the required gas composition.
  • the synthesis gas adjusted by means of its molar CO / H 2 ratio to the requirements of the subsequent synthesis is then subjected to a gas purification stage for separating the CO 2 content and various trace substances (for example sulfur components) acting as catalyst poisons, as described in the patent application 10 2007 004 294.0 shown gas purification stage shows.
  • This embodiment is exemplary of a number of possible process circuits that fulfill the functionality for reducing the CO2 to a tolerable for subsequent syntheses proportion and removal of trace substances occurring as catalyst poisons.
  • Fig. 11 the application is shown as a marine propulsion, here a two-stroke large engine, slow speed, speed range around 100 rpm.
  • a marine propulsion here a two-stroke large engine, slow speed, speed range around 100 rpm.
  • power plant are up to 1,000 MW / h unproblematic display.
  • exhaust gas utilization exhaust gas turbine and exhaust gas utilization with steam turbine
  • these machines achieve efficiencies well above 70%.
  • this combination proves to be the technically superior concept in the field of combined heat and power for the useful portion of low-temperature heat.
  • FIGS 1a-1c show an overview of the different process routes showing the production of DME and the use of this fuel for use in INCOX100 for power generation and as fuel for gas turbine, boiler and engine in general.
  • Fig. 3 shows the circuit variant supply of the pulse burner with fuel gas.
  • Fig. 4 shows an overview of dedusting, quenching, cooling and compaction.
  • FIG. 6 shows the overview of the use (or use) of the methanol produced from biosynthesis gas as an intermediate for the production of synthetic aliphatic hydrocarbons, the production of DME (dimethyl ether) as universal fuel and as a precursor for the synthesis of various chemical products.
  • DME dimethyl ether
  • Fig. 8 INCOX100 current in general
  • Fig. 9 INCOX100 specific performance data
  • Fig. 10 INCOX100 application as propulsion of ships
  • Fig. 11 INCOXlOO Excerpt as example Power generation stationary
  • the present application is an extension of this technology in order to be able to expand the spectrum of starting materials to biogenic starting materials, which tend to form a reaction coke in the pyrolysis step of the gasification.
  • the process is characterized in that the material discharged from the fluidized bed, a mixture of bed material, ash and pyrolysis coke, is fed directly to a second autothermally operated, stationary or expanded or circulating fluidized bed gasifier after screening and sifting to remove the carbon and fines is reacted in which with oxygen and steam as a gasification agent of the pyrolysis coke to synthesis gas.
  • This product gas a CO-rich synthesis gas, becomes the main gas stream from allothermal gasification before gas cooling added, the coarse fractions of the ashes in the allothermal carburetor of SPOT gasification system returned, the fines - a natural hunger - is discharged.
  • Fig. 2 the circuit of the two-stage SPOT gasification process is shown.
  • the following description is exemplary of the arrangement of a second gasification stage in parallel with a SPOT allothermal gasifier.
  • the choice of throughput and throughput ratio between allothermal gasification and autothermal gasification is free and depends on the specific conditions of use, i. H. from the biogenic input materials used.
  • the present invention does not impose restrictions on the flow rate ratio of the two gasification types.
  • the feedstock Power Greemes is the gasification system preferably m the first stage the allothermal SPOT carburetor with integrated process heat generation impulse burner abandoned (details see the aforementioned SPOT patent applications).
  • the resulting product gas, the biosynthesis gas is fed after rough dedusting in a gas cooling and a first fine dedusting to get over gas quenching and compression in the down stream processes.
  • the ash introduced with the feedstock is discharged together with unreacted pyrolysis coke, in the case of feedstocks with formation reaction pyrolysis coke, and sieved and / or sifted in the ash processing so that the carbon-rich (or the entire) fraction is transported to the second gasification stage of the gasification process becomes.
  • This stage which operates on the principle of the expanded or circulating fluidized bed, with oxygen / Steam as gasification medium at temperatures up to 1,500 0 C of the pyrolysis coke to a CO-rich (because of the low H2 content of the feedstock) synthesis gas implemented. It is part of the process of this coke, whose autothermal gasification at higher temperatures is the actual goal of this process stage, the original input materials, where necessary for reasons of gasification processes (mass and heat balance, minimum throughput), mix.
  • This second gasifier is operated with an inert bed, wherein the material must be selected to the gasification temperature significantly higher than the first stage, so under these conditions may not be subject to agglomeration, caking or sticking.
  • the distribution of the gasification agent takes place via the distribution system preserved from the SPOT allothermal stage, the return of the bed material from the expanded fluidized bed takes place via cyclone (high-loaded) with dynamic sealing on the solids side through a barrier section.
  • the product gas is supplied by way of example to the biosynthesis gas formed in the allothermal gasification and then used as a unit.
  • the separate use is also part of this present invention, but is of secondary interest for practical use.
  • the execution of the SPOT combined gasification process allows the use of the high-calorie off-gases, which are produced as residual gases or purge gases of cycles in the processes described below, as fuel for the impulse burner.
  • System pulse burner and integrated pilot burner
  • the result of this measure is the increase in the overall efficiency of the process steps and the optimal use of the renewable raw material used.
  • the high calorific off-gas is used to generate the necessary reaction heat of the gasification reactions.
  • the pulse burners and the integrated pilot burners are equipped for this purpose with several independent supply lines for the different fuel gases and exhaust gases.
  • the technical equipment allows for starting the normal operation of the gasification plant with bio-synthesis gas, natural gas and propane and the various exhaust gases of the subsequent processes.
  • the concept also allows starting with the help of bio-synthesis gas from the parallel carburettors, even with parallel carburettors.
  • DME dimethyl ether
  • the use of a mechanical gas cleaning and fine dedusting by means of multi-cyclone and sintered metal filter (Gaskonditi ⁇ ntechnik before compression of the biosynthesis gas) is provided. It is a compression of the biosynthesis gas and, in consequence of thermodynamic and mechanical requirements, the cooling of the product gas to a temperature range preferably below 100 0 C required. In this temperature range, condensable hydrocarbons present in traces in the biosynthesis gas condense, in particular during startup operation.
  • FIG. 7 shows an overview of the process route of DME production from biosynthesis gas.
  • the process routes each include the entire gas generation according to the SPOT process or the SPOT combined gasification process with the purification stages and the compression.
  • the biosynthesis gas is subjected to coarse desulphurisation after the compression stage at a pressure of about 20 bar a to remove traces of sulfur compounds (H 2 S e.a.).
  • the sulfur traces contained in the biosynthesis gas before this process are z. B. absorbed by contact with an iron chelate solution and catalytically oxidized to sulfur, and then for example in a special partial flow CO-shift - processes of a high-temperature CO shift - to be converted.
  • the molar ratio H2 / CO is set, after removal of the main portion of the CO2 content in a chemical washing process and a catalyst pot used to protect the catalyst (zinc oxide catalyst), the conditions for subsequent processes methanol synthesis and the subsequent process the DME synthesis met.
  • the purge gas is separated for equilibration, that is limiting the proportion of non-recyclable components, which is supplied after separation of the hydrogen content of the SPOT gasification process for generating the process heat.
  • INCOX100 is a process whose core piece is the Internal Combustion Box.
  • This Internal Combustion Box is a combustion unit with internal combustion, integrated combustion control and exhaust expansion.
  • This device is available with two- and four-stroke operation up to Outputs of 100 MW / h el. available.
  • Application of this technology in the field of power generation leads without problems by the technically available module capacity of 100 MW / h to possible power generation plants (INCOX100-power plants) of 1,000 MW / h and more.
  • Another essential aspect of the INCOXIOO process is the charging of the combustion air to achieve optimum efficiency of the engine, the achievement of a high, technically achievable internal pressure, which occurs during combustion at the beginning of the power stroke, the use of the energy of the flue gases after combustion by exhaust gas turbine (Expansion turbine, which once compresses the combustion air and uses the rest of the expansion work to drive a generator), and beyond the enthalpy of the combustion gases / flue gases) to use for steam generation.
  • heat and power coupling the extraction of heat for heating purposes.
  • This process achieves mechanical efficiencies well over 70% with the described exhaust gas utilization. With integrated heat and power coupling, this efficiency can be increased, at least theoretically, by more than 15 efficiency points.
  • This inventive concept with heat and power coupling is characterized by the high mechanical efficiency (thus indicating the very high electrical efficiency), which is a factor of two above the current power plants. It is the technical top concept in the field of combined heat and power, as the useful temperature / heat for heating purposes is lower, but does not have to be permanently removed.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Biosynthesegasen und/oder synthetischem Treibstoff, insbesondere DME (Dimethylether ) und/oder Bio-Silica, unter Einsatz biogener Einsatzstoffe, umfassend die Schritte: allotherme Vergasung des biogenen Einsatzstoffes mithilfe von Impulsbrennern zur integrierten Erzeugung von Prozesswarme in einem Wirbelschichtvergaser; Vergasung von reaktionstragem Pyrolysekoks aus der ersten Vergasungsstufe in einer zweiten, parallelen Vergasungsstufe, die nach dem Prinzip der expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht arbeitet, mittels Sauerstoff/Dampf als Vergasungsmittel; Zusammenfuhren zumindest eines Teiles der Vergasungsprodukte aus den beiden Vergasern für die gemeinsame Weiterverarbeitung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Energie, DME
(Dimethylether) und Bio-Silica unter Einsatz von CO2-neutralen biogenen reaktiven und reaktionsträgen Einsatzstoffen
Gebiet der Erfindung :
Auf der Basis der als Patentanmeldungen 10 2007 004 294.0 / 10 2006 017 355.4 / 10 2006 039 622.7 / 10 2006 019 999.5 / 10 2006 017 353.8 von SPOT veröffentlichten Vergasungsverfahren wird in der folgenden Erfindung der SPOT-Kombi-Vergasungsprozess zur Erweiterung des Spektrums der biogenen Einsatzstoffe auf solche, die aufgrund xhrer naturlichen Konsistenz im ersten, simultan ablaufenden Schritt der Vergasungsreaktion (allotherm oder autotherm) einen reaktions tragen Pyrolysekoks bilden, beschrieben und die Verarbeitung des im SPOT-Vergasungsverfahren oder im SPOT-Kombi-Vergasungsprozess erzeugten Biosynthesegases zu Dimethylether (DME) unter Benutzung der schon in der Anmeldung beschriebenen modularen Prozessrouten über das isolierte Zwischenprodukt Methanol oder über das intermediär sich bildend, aber nicht isolierte Zwischenprodukt erzeugt sowie die bevorzugte Verwendung dieses Produktes innerhalb des INCOXlOO-Prozesses zur hocheffizienten Erzeugung von elektrischer Energie.
Das Vergasungsverfahren integriert die theoretisch und praktisch verfugbaren, relevanten Vergasungsprozesse zu einem neuen Verfahren, das unter Beachtung höchster Ansprüche an die Wirtschaftlichkeit erlaubt, alle denkbaren biogenen Einsatzstoffe mit höchster Effizienz (Masseumsatzgrade deutlich über 90 %) zu vergasen.
Die Entwicklung thermischer Vergasungsverfahren hat im Wesentlichen drei unterschiedliche Vergasertypen hervorgebracht, den Flugstromvergaser, den Festbettvergaser und den Wirbelschichtvergaser . Darüber hinaus werden die Vergasungsprozesse nach der Quelle des für die Vergasungsreaktion benotigten Enthalpiestromes m autotherme Prozesse - hier wird die Reaktionsenthalpie im gleichen Prozess durch Umsetzung der Einsatzstoffe zu CO2 und H2O (Verbrennung) erzeugt - oder allotherme Vergasungsprozesse, hier wird der zur Vergasungsreaktion benotigten Enthalpiestrome nicht innerhalb des Prozesses erzeugt, sondern räumlich getrennt und durch Konvektion, Wärmeübergang (SPOT-Verfahren) oder Strahlung dem Vergasungsprozess zugeführt.
Literatur für Wirbelschichtvergasung, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: „High-Temperature Winkler Gasification of Municipal Solid Waste"; Wolfgang Adlhoch, Rheinbraun AG, Hisaaki Sumitomo Heavy Industries, Ltd.; Joachim Wolff, Karsten Radtke (Speaker), Krupp Uhde GmbH; Gasification Technology Conference; San Francisco, California, USA; Oktober 8 - 11, 2000; Conference Proceedings. Literatur für Zirkulierende Wirbelschicht im Verbundsystem, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: „Dezentrale Strom- und Warmeerzeugung auf Basis Biomasse-Vergasung", R. Rauch, H. Hofbauer; Vortrag Um Leipzig 2004.
„Zirkulierende Wirbelschicht, Vergasung mit Luft, Operation Expenence with CfB-Technology for Waste Utilisation at a Cement Produktion Plant", R. Wirthwem, P. Scur, K. -F. Scharf, Rudersdorfer Zement GmbH; H. Hirschfelder - Lurgi Energie und Entsorgungs GmbH; 7th. International Conference on Circulatmg Fluidized Bed Technologies; Niagara Falls Mai 2002.
Die SPOT-Entwicklungen beschranken den Reaktionsdruck des Vergasungsprozesses auf den Bereich niedriger Drucke, weil durch die reaktionskinetischen Besonderheiten des Vergasungsprozesses die Raumzeitausbeute der Hauptprozessapparate vom Druck nahezu unabhängig sind, so dass die Anwendung des Druckes nicht die dem technischen Aufwand einer Druckvergasung angemessenen Nutzen erbringt. Die in der Literatur berichteten mehrstufigen Verfahren, bei denen es sich im wesentlichen (Carbo V, Forschungszentrum Karlsruhe) um den aus der Kohlestaub- und Schweröl-Vergasung bekannten Flugstromvergaser mit vorgeschalteter Pyrolysestufe handelt, erscheinen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen vollkommen ungeeignet für kommerzielle Prozesse zur Vergasung von biogenen Einsatzstoffen.
Die Wirbelschichtvergaser lassen sich m zwei Verfahren unterteilen: den zirkulierenden und den stationären
Wirbelschichtvergaser.
In Gussing (Osterreich) wurde Anfang 2002 eine allotherme, zirkulierende Wirbelschicht-Vergasungsanlage m Betrieb genommen. Die Biomasse wird in einer Wirbelschicht mit Dampf als Oxidationsmittel vergast. Zur Warmebereitstellung für den Vergasungsprozess wird ein Teil der in der Wirbelschicht entstehenden Holzkohle in einer zweiten Wirbelschicht verbrannt. Durch die Vergasung unter Dampf wird ein Produktgas erzeugt. Nachteilig wirken sich die hohen Anschaffungskosten der Anlagentechnik und ein überhöhter Aufwand für die Prozessregelung aus.
Der Anmelder hat zur Überwindung der Probleme des Standes der Technik bereits einige Anmeldungen auf dem Gebiet hinterlegt, deren Offenbarungsgehalt Bestandteil dieser Anmeldung ist. Bei diesen Anmeldungen handelt es sich um die 10 2006 017 353.8; 10 2006 017 355.4; 10 2006 019 999.5; 10 2006 022 265.2; 10 2006 039 622.7.
Aus diesen Anmeldungen ist bekannt, dass die Biomasse in einer Wirbelschicht mit Dampf als Reaktions- und Fluidisiermedium vergast wird. Allerdings handelt es sich hier um eine stationäre Wirbelschicht mit zwei eigens entwickelten Impulsbrennern, die einen indirekten Warmeeintrag in das im Reaktor befindliche Wirbelbett ermöglichen. Im Folgenden wird dieses Verfahren als SPOT-Verfahren bezeichnet.
Charakteristisch für die autotherme Vergasung ist das Fehlen ausgeprägter Temperatur- und Reaktionszonen. Die Wirbelschicht besteht aus einem inertem Bettmaterial. Dadurch werden ein gleichzeitiger Ablauf der einzelnen Teilreaktionen und eine homogene Temperatur (ca. 8000C) gewahrleistet. Das Verfahren ist technisch umsetzbar, es zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Die Anschaffungskosten liegen unter den vorgenannten Vergasertypen. Der SPOT-Kombx-Vergasungsprozess
Das Spektrum wurde um biogene Einsatzstoffe erweitert, die zur Bildung eines reaktionstragen Kokses im Pyrolyseschritt der Vergasung neigen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das aus der Wirbelschicht ausgetragene Material, eine Mischung aus Bettmaterial , Asche und Pyrolysekoks, direkt oder nach Siebung und Sichtung zur Abtrennung des Kohlenstoffes und der Feinanteile einer zweiten, autotherm betriebenen stationären oder expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht zugeführt wird. Das Produktgas, ein CO-reiches Synthesegas, wird vor der Gaskühlung dem Hauptgasstrom beigemischt, die Grobanteile der Asche in den allothermen Vergaser des SPOT-Vergasungssystems zurückgeführt, der Feinanteil - ein hochwertiger Bio-Silica- Rohstoff - ausgeschleust.
Das vereinigte Produktgas aus allothermer und autothermer Vergasung von Pyrolysekoksanteilen wird wie im Hauptverfahren einer trockenen Entstaubung unterzogen, gekühlt und verdichtet, um als verdichtetes Biosynthesegas den weiteren Prozessen zugeführt zu werden.
Verfahren
Als Ergebnis bleibt festzuhalten, dass über die Prozessrouten SPOT-Vergasung mittels SPOT-Vergasungsverfahren und/oder SPOT- Kombi-Vergasungsprozess ein Synthesegas aus biogenen Einsatzstoffen verfugbar ist, aus dem in selektiver Synthese über verschiedene Prozessstufen m hoher Ausbeute der synthetische Treibstoff DME (Dimethylether) hergestellt wird; so lassen sich aus 100 to Einsatzstoff bis zu 41 to synthetischer Treibstoff (DME) erzeugen. Das erfindungsgemaße Verfahren basiert auf den eingangs erwähnten Patentanmeldungen, einem allothermen Wirbelschicht- vergasungsverfahren mit speziellem Impulsbrenner zur Erzeugung der für die Vergasungsreaktion benotigten Reaktionswarme, vorgesehen zum Einsatz von Eigengas oder sogenannten Off-Gasen aus den Weiterverarbeitungsprozessen des Biosynthesegases zu den Endprodukten .
Dieser Vergaser wird um eine parallel arbeitende Vergasungsstufe erweitert, in der der sich wahrend der Vergasungsreaktion bildende Pyrolysekoks zu Synthesegas mittels Dampf und Sauerstoff als Vergasungsmittel umgesetzt wird. Der gesamte Vergasungsprozess ist als SPOT-Kombi-Vergasungsprozess dabei so ausgelegt, dass der Anteil dieser autothermen Vergasungsstufe minimiert wird, was schon die Wirtschaftlichkeit erfordert. Die Einbindung dieses autothermen Teilprozesses erfolgt über den Asche-/Bettmaterialaustrag der allothermen Stufe und die Berücksichtigung des erzeugten Synthesegases für das allotherm erzeugte Synthesegas, so dass die weitere Synthesegas- Aufbereitung (Kühlung etc.) und die Behandlung des Bettmaterials gemeinsam erfolgen. Dieser autotherme Vergaser ist integraler Bestandteil des SPOT-Kombi-Vergasungsprozesses .
Mit dieser Anordnung lassen sich die Umsetzungsgrade von biogenen Einsatzstoffen, die als Vergasungszwischenstufe (intermediär) reaktionstragen Pyrolysekoks bilden, auf Werte deutlich über 95 % anheben. Die anfallenden Aschen bilden damit wegen ihres Silikatgehaltes einen ausgezeichneten hochwertigen Bio-Silica-Rohstoff .
Dieser Vergasungsprozess umfasst die In-Situ-Entschwefelung
(Patentanmeldung 10 2007 004 294.0), die Heißgas-Reinigung
(Patentanmeldung 10 2006 017 353.8), die Entfernung von
Halogenen durch Adsorption (Patentanmeldung 10 2007 004 294.0), den Einsatz einer ein- oder mehrstufigen Feinreinigung aus Multizyklon und Sintermetallfilter, der Einsatz einer Quenche, in der mittels einer nicht wassrigen Waschflussigkeit Spuren von kondensierbaren aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen ausgewaschen werden. Die abgeschiedenen Substanzen werden durch Rückführung im Vergaser zu Synthesegas umgesetzt und es erfolgt eine Gaskühlung für die nachfolgenden Verdichterstufen .
Für den Einsatz biogener Vergasungsstoffe, die zur Bildung eines reaktionstragen Kokses im Pyrolyseschritt der Vergasung neigen, wird der aus dem Wirbelbett des SPOT allothermen Vergasers zyklisch abgezogene Massestrom - eine Mischung aus Bettmaterial, Asche der Einsatzstoffe und Pyrolysekoks - direkt oder nach Siebung und Sichtung zur Abtrennung des Kohlenstoffes und der in einem zweiten Vergasungsschritt eine nach dem Prinzip der zirkulierenden Wirbelschicht arbeitenden autothermen Vergasers gefordert. Dieser ebenfalls nahe atmoshparisch betriebene Vergaser wird mit Sauerstoff/Dampf als Vergasungsmittel bei Temperaturen bis über 1.0000C betrieben. Hier wird der Pyrolysekoks umgesetzt. Das Produktgas, ein CO-reiches Synthesegas, wird vor der Gaskühlung dem Hauptgasstrom beigemischt, die Grobanteile der Asche werden dem allothermen Vergaser des SPOT-Vergasungssystems zugeführt. Der Feinanteil, ein hochwertiger Bio-Silica-Rohstoff , wird ausgeschleust.
Diese Erfindung integriert die Prozessrouten entsprechend Fig. 1 zur Erzeugung von Chemikalien und synthetischen Treibstoffen, Wasserstoff und der Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie durch Verbrennung des Synthesegases in Gasturbine, Kessel, Motore oder den Einsatz z. B. des Wasserstoffes in Brennstoffzellen, wie in der Patentanmeldung 10 2007 004 294.0 beschrieben sowie den Einsatz von synthetischem Treibstoff, insbesondere des DME zur Erzeugung von Strom im INCOXlOO- Verfahren .
Überblick über die Erfindung:
Die vorliegende Erfindung hat die Erzeugung von dem synthetischen Treibstoff DME und der Erzeugung elektrischer/ mechanischer Energie im Rahmen des INCOXIOO-Prozesses auf Basis biogener Einsatzstoffe und dem im SPOT-Vergasungsverfahren und dem ebenfalls in vorliegender Erfindung beschriebenen SPOT- Kombi-Vergasungsprozess erzeugten Biosynthesegas zum Gegenstand. Die vorliegende Anmeldung legt den Schwerpunkt bei den Treibstoffen auf das DME mit sehr hoher Ausbeute und Wirtschaftlichkeit über die Zwischenstufe Methanol. Eine Ausbeute von 41 to pro 100 to Einsatzmaterial ist darstellbar. Der Vorteil dieser Prozessroute liegt gegenüber konkurrierenden Prozessen in der Einfachheit, dem einheitlichen und mit hoher Ausbeute verfugbaren Produkt. Neben dem Einsatz als Treibstoff ist die Verwendung als Flüssiggas Ersatz und als chemischer Rohstoff möglich.
Das DME eignet sich vorzuglich zum Einsatz für INCOX100 (Internal Combustion Box), das in der Zweitakt-Ausfuhrung derzeit bis zu einer mechanischen Leistung von 100 MW/h zur Verfugung steht. Die Anwendung dieser Technologie im Bereich der Stromerzeugung, aggregierte Leistungen bis 1.000 MW/h sind in einem Kraftwerk ohne Probleme möglich, und für den Einsatz zum Antrieb von Schiffen ist naheliegend. Grundsätzlich geeignet ist das DME auch für Four Stroke Combustion Engines. Der Vollständigkeit halber ist der Einsatz in Gasturbine und Kessel aufgeführt . Der SPOT-Kombi-Vergasungsprozess erlaubt den Einsatz eines außerordentlich breiten Spektrums biogener Einsatzstoffe und erweitert die Einsetzbarkeit des als Teil der Erfindung zu Grunde liegenden SPOT-Vergasungsverfahrens auf reaktionstrage biogene Einsatzstoffe, die intermediär zur Bildung reaktionstragen Pyrolysekokses neigen, der sich im allothermen Vergasungsschritt des SPOT-Verfahrens durch die hier begrenzte maximale Vergasungstemperatur nur unzureichend zu Biosynthesegas umsetzen lasst.
Die Vergasung des gesamten Spektrums möglicher biogener Einsatzstoffe, auch die zur Erzeugung des Biosynthesegases und seiner Folgeprodukte einen reaktionstragen Pyrolysekoks bildenden, ist die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe. Gelost wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Das zu Grunde liegende SPOT-Vergasungsverfahren der allothermen Wasserdampfvergasung mit Impulsbrenner ist für die unterschiedlichsten Typen von nachwachsenden Rohstoffen geeignet, unter anderem für die von SPOT patentierten Power Greenies, um durch chemische Synthese zur Herstellung von Treibstoffen, Chemie-Produkten und als Einsatzstoff zur Erzeugung von Energie, Verbrennung in Kesseln, Gasturbinen oder Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung geeignetes ebenda beschriebenes Bio-Synthesegas zu konvertieren. Die Einsetzbarkeit des Verfahrens wird durch den erstmalig entwickelten SPOT-Kombi-Vergasungsprozess wesentlich erweitert.
Das SPOT-Verfahren erlaubt in großem Stil, aus nachwachsenden Rohstoffen bzw. Biomassen Energie, Treibstoffe und chemische Zwischenprodukte zu erzeugen, die ihrerseits wiederum Ausgangssubstanz für die gesamte Palette der heute auf der Basis der Erdolchemie hergestellten Produkte ist. Die in der folgenden Beschreibung aufgezeigten, vorgeschlagenen Prozessrouten stehen damit exemplarisch für die Möglichkeiten, sind aber auch die
Schlusselprozesse, die die Schnittstelle zwischen den erneuerbaren Ressourcen und den weiteren chemischen Prozesse auf der Grundlage eines geschlossenen Kreislaufes bilden.
Einsatzstoffe sind alle nachwachsenden Rohstoffe, die sich - und das ist die einzige theoretische Einschränkung - auf Restfeuchtgehalte von vorzugsweise unter 35 % Masse bringen lassen mit einem energetischen Aufwand, der deutlich geringer ist als die in Substanz gebundene, chemische Energie oder der entsprechende Brennwert. Ungeeignet ist der Prozess damit, bedingt durch die grundsatzlichen Reaktionsbedingungen, für stark wassrige und nur wenig Masseprozent an Feststoffen enthaltenden Biomassen (z. B. Gulle) .
Die Ausfuhrung der Vergasung mit zwei Vergasungsstufen erlaubt, Einsatzstoffe, die sehr reaktionstragen Pyrolysekoks bilden, einzusetzen .
Nebenprodukte und regenerative Biomassen, Power Greenies, Futtermittel, auch Abfalle aus der Landwirtschaft oder Nahrungsmittelindustrie, Holz aller Sorten und Arten lassen sich mit diesem Prozess in erweitertem Rahmen (die spezifischen Anpassungen z. B. der Einsatzstoffaufbereitung und des Eintrages in den Vergasungsreaktor und des Bettmanagements sind marginal) zu einem umfänglich einsetzbaren Zwischenprodukt umsetzen. Die Durchfuhrung des Vergasungsverfahrens als allothermer Vergasungsprozess in Verbindung mit dem SPOT-Kombi- Vergasungsprozess erlaubt darüber hinaus höchst effizient ein Synthesegas zu erzeugen, das ansonsten nur durch Vergasung mittels Sauerstoff zur Verfugung steht. Letzterer Weg fuhrt über die technisch aufwendige, energetisch durch die thermodynamischen Umwandlungsprozesse wirkungsarmen Erzeugung von elektrischer Energie und der anschließenden Produktion von Sauerstoff . Der Einsatz der Teilstromvergasung, d. h. des im allothermen Vergaser nicht ausreichend umgesetzten Pyrolysekokses ändert diese Aussage nicht grundlegend.
Diese Konzeption erlaubt somit alle zur Produktion benotigten Energien CO2-neutral - d. h. als Netto C02-Verbraucher auszufuhren durch z. B. HarnstoffSynthese, durch die der CO2- Anteil des Synthesegases erhöht und dieser Anteil an CO2 mit umgesetzt wird, herzustellen.
Die im Folgenden beschriebenen Erfindungen beschäftigen sich mit dem SPOT-Kombi-Vergasungsprozess und der Schaltung der Prozessrouten, die es erlauben, das Bio-Synthesegas des Spot- Vergasers zur Erzeugung von Energie, Treibstoffen und chemischen Produkten einzusetzen. Diese Routen zeichnen sich aus durch die integrierte Nutzung des Purge-Gases (im wesentlichen Methan) als Brennstoff zur Erzeugung der Reaktionswarme des Vergasungsprozesses im SPOT-Vergasungsverfahren, durch energetische Effizienz und hohe stoffliche Nutzung der Einsatzstoffe. Teil der Erfindung ist der Einsatz des vorweg beschriebenen, gebildeten synthetischen Treibstoffes DME zur Stromerzeugung im Rahmen des INCOXIOO-Prozesses .
Im Einzelnen werden folgende Punkte betrachtet :
1. SPOT-Kombi-Vergasungsprozess
2. Einsatz von Off. Purge und anderen in den Down-Stream- Prozessen entstehenden brennfahigen Gasen zur Erzeugung der Prozesswarme der Vergasungsreaktion m den Impulsbrennern des allothermen SPOT-Vergasungsprozess
3. Mechanische, physikalische Gasreinigung einschließlich Gasverdichtung
4. Erzeugung von DME auf Basis Biosynthesegas 5. Erzeugung von mechanischer Energie (Äntriebsleistung) und elektrischer Energie mit DME als Einsatzstoff
6. Typische Leistungsdaten des INCOXIOO-Prozesses
7. Stromerzeugung durch Einsatz von DME im Rahmen des INCOXIOO- Prozesses
Erzeugung der folgenden Produkte mit Biosynthesegas als Ausgangsbasis (Fig. 1)
• Methanol
• DME über die isolierte Zwischenstufe Methanol oder über die intermediäre Zwischenstufe Methanol
• Benzin/Diesel über Methanol als isolierte oder intermediäre Zwischenstufe
• H2 als Einsatzstoff für Brennstoffzellen oder als Reaktant für diverse chemische Synthesen, beispielhaft Ammoniak-synthese und HarnstoffSynthese als Folgeprodukt (Dunger-herstellung) , Olefin-Synthesen, hydrierende Synthesen etc.
• Strom (d. h. mechanische oder elektrische Energie durch direkte Verbrennung des Biosynthesegases und Nutzung in Gasturbinen oder der Verbrennung in der Infernal Combustion Box (Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung) ebenfalls zur Erzeugung von mechanischer Energie und prioritar elektrischem Strom
• Bio-Silica zeichnet sich als umweltfreundlicher Rohstoff mit hohem Siliziumgehalt aus und wird aus der Vergasung von biogenen Agrarnebenprodukten gewonnen. Aufgrund der hochwertigen chemischen, mineralogischen und physikalischen Eigenschaften wird das aus Asche extrahierte Siliziurndioxid (SiO2) als notwendiges Hilfsmittel für die Produktion von Stahl, Keramik, Mörtel oder Zement, Dunger, Papier, Kunststoff, Kosmetik etc. benotigt. Im Folgenden werden nochmals die schon in den Patentschriften dargelegten, modular aufgebauten Prozessrouten erläutert.
Das vorverdichtete Biosynthesegas wird im Rahmen eines Reingas- CO-Shift-Prozesses bezüglich des molaren Anteils CO/H2 so eingestellt, dass das für die weitere Synthese optimale Verhältnis erreicht wird.
Im Regelfall, mit Ausnahme der H2-Erzeugung, handelt es sich bei der CO-Shift um einen Teilstrom Shift. Die Prozessintegration erlaubt dabei die Minimierung des zu konvertierenden Teilstroms, um die erforderliche Gaszusammensetzung zu erreichen.
Das mittels seinem molaren CO/H2-Verhaltnis auf die Erfordernisse der nachfolgenden Synthese eingestellte Synthesegas wird nun zur Abscheidung des CO2-Gehaltes und verschiedener, als Katalysatorgifte wirkender Spurenstoffe (z. B. Schwefelkomponenten) einer Gasreinigungsstufe unterzogen, wie sie die in der Patentanmeldung 10 2007 004 294.0 dargestellte Gasreinigungsstufe aufzeigt. Diese Ausfuhrung ist beispielhaft für eine Reihe möglicher Prozessschaltungen, die die Funktionalitat zur Reduzierung des CO2 auf eine für die nachfolgenden Synthesen tolerablen Anteil und Entfernung der als Katalysatorgifte auftretenden Spurenstoffe erfüllen. Alternativ zu diesen Verwendungen des Synthesegases ist wegen des exorbitant hohen Wirkungsgrades von INCOX100 nach dem Two Stroke oder nach dem Four Stroke Prinzip der Einsatz aus Biosynthesegas basiertem synthetischen Treibstoff DME und nachrangig Methanol, Diesel oder Benzin sinnvoll.
Als Ergebnis der Synthese von Methanol und DME tritt ein Off-Gas auf, das direkt oder nach Abtrennung von Wasserstoff aus diesem Gasgemisch z. B. durch den Pressure-Swing-Prozess direkt zur Erzeugung der für die Vergasung in den integrierten Impulsbrennern benotigten Reaktionswarme eingesetzt werden kann.
In Fig. 11 ist die Anwendung als Schiffsantrieb abgebildet, hier ein Zweitakt-Großmotor, Langsamlaufer, Drehzahlbereich um 100 rpm. Für die Anwendung als Stromerzeugungsanlage, bei einer verfugbaren Leistung der Maschinen bis 100 MW/h, sind Kraftwerksblocke bis 1.000 MW/h unproblematisch darzustellen. Diese Maschinen erreichen mit Abgasnutzung (Abgasturbine und Abgaswarmenutzung mit Dampfturbine) Wirkungsgrade deutlich über 70 %. Damit dieser hohe Anteil an mechanischer Energie für den Generator zur Verfugung steht, zeigt sich diese Kombination als das technisch überlegene Konzept im Bereich der Kraft-Warme- Kopplung für den Nutzanteil der Niedertemperatur-Warme.
Beschreibung der Abbildungen (Figuren) :
• Fig. Ia - Ic zeigen eine Übersicht über die unterschiedlichen Prozessrouten mit der Darstellung der Erzeugung von DME und dem Einsatz dieses Treibstoffes zum Einsatz für INCOX100 zur Stromerzeugung sowie als Brennstoff für Gasturbine, Kessel und Motor im Allgemeinen.
• Fig. 2: zweistufiger SPOT-Kombi-Vergasungsprozess
• Fig. 3: zeigt die Schaltungsvariantenversorgung der Impulsbrenner mit Brenngas.
• Fig. 4 zeigt eine Übersicht über die Entstaubung, das Quenchen, die Kühlung und die Verdichtung.
• Fig. 6 zeigt die Übersicht über die Verwendung (bzw. Einsatz) des aus Biosynthesegas hergestellten Methanols als Zwischenprodukt zur Erzeugung von synthetischen aliphatischen Kohlenwasserstoffe, der Erzeugung von DME (Dimethylether) als universellem Treibstoff und als Vorprodukt für die Synthese verschiedener Chemieprodukte.
Fig. 7; DME Synthese aus Synthesegas der Spot-Vergasungs- Prozesse
Fig. 8: INCOX100 Strom allgemein Fig. 9: INCOX100 spezifische Leistungsdaten Fig. 10: INCOX100 Anwendung als Antrieb von Schiffen Fig. 11: INCOXlOO Ausschnitt als Beispiel Stromerzeugung stationär
Detaillierte Beschreibung der Ausfuhrungsformen :
Es folgt eine Beschreibung des SPOT-Kombi-Vergasungsprozess, der Prozessroute zur Erzeugung des synthetischen Treibstoffes DME sowie diesen Einsatz im Rahmen des INCOXIOO-Prozesses sowie Gasturbine, Kessel etc. zur Stromerzeugung und/oder mechanischer (Wellen) Leistung, wie sie in Fig. Ia bis Ic ersichtlich sind.
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Erweiterung dieser Technologie, um das Spektrum der Einsatzstoffe auf biogene Einsatzstoffe ausweiten zu können, die zur Bildung eines reaktionstragen Kokses im Pyrolyseschritt der Vergasung neigen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das aus der Wirbelschicht ausgetragene Material, eine Mischung aus Bettmatenal, Asche und Pyrolysekoks, direkt oder nach Siebung und Sichtung zur Abtrennung des Kohlenstoffes und der Feinanteile einem zweiten autotherm betriebenen, stationären oder expandierten bzw. zirkulierenden Wirbelschichtvergaser zugeführt wird, in dem mit Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel der Pyrolysekoks zu Synthesegas umgesetzt wird. Dieses Produktgas, ein CO-reiches Synthesegas, wird vor der Gaskühlung dem Hauptgasstrom aus der allothermen Vergasung beigemischt, die Grobanteile der Asche in den allothermen Vergaser des SPOT-Vergasungssystems zurückgeführt, der Feinanteil - ein Naturdunger - wird ausgeschleust. In Fig. 2 ist die Schaltung des zweistufigen SPOT-Vergasungsprozesses dargestellt .
Die folgende Beschreibung ist beispielhaft für die Anordnung einer zweiten Vergasungsstufe parallel zu einem SPOT-allothermen Vergaser. Die Wahl des Durchsatzes und des Durchsatz- verhaltnisses zwischen allothermer Vergasung und autothermen Vergasung ist frei und hangt von den spezifischen Einsatzbedingungen, d. h. von den eingesetzten biogenen Einsatzstoffen ab. Die vorliegende Erfindung erlegt hier keine Einschränkungen bezuglich des Durchsatzverhaltnisses der beiden Vergasungstypen.
Der Einsatzstoff Power Greemes wird dem Vergasungssystem bevorzugt m der ersten Stufe dem allothermen SPOT Vergaser mit integrierter Prozesswarmeerzeugung durch Impulsbrenner aufgegeben (Details siehe eingangs erwähnte SPOT Patentanmeldungen) . Das entstehende Produktgas, das Biosynthesegas, wird nach grober Entstaubung in einer Gaskühlung und einer ersten Feinentstaubung zugeführt, um über Gas-Quenche und Verdichtung in die Down Stream Prozesse zu gelangen.
Die mit dem Einsatzstoff eingetragene Asche wird zusammen mit nicht umgesetztem Pyrolysekoks, im Falle von Einsatzstoffen mit Bildung reaktionstragen Pyrolysekokses, ausgetragen und in der Ascheaufbereitung gesiebt und/oder gesichtet, so dass die kohlenstoffreiche (oder die gesamte) Fraktion in die zweite Vergasungsstufe des Vergasungsprozesses transportiert wird.
In dieser Stufe, die nach dem Prinzip der expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht arbeitet, wird mit Sauerstoff/ Dampf als Vergasungsmi ttel bei Temperaturen bis 1.5000C der Pyrolysekoks zu einem CO-reichen (wegen des niedrigen H2- Gehaltes des Einsatzstoffes) Synthesegas umgesetzt. Es ist Teil des Prozesses diesem Koks, dessen autotherme Vergasung bei höheren Temperaturen das eigentliche Ziel dieser Prozessstufe ist, die originalen Einsatzstoffe, soweit das aus Gründen der Vergasungsprozesse (Masse- und Warmebilanz, Mindestdurchsatz) notwendig ist, beizumischen. Dieser zweite Vergaser wird mit einem inerten Bett betrieben, wobei das Material auf die gegenüber der ersten Stufe deutlich höheren Vergasungstemperatur ausgewählt sein muss, also unter diesen Bedingungen weder Agglomeration, Verbackungen oder Sticking unterliegen darf. Die Vergasungsmittelverteilung erfolgt über das aus der SPOT- allothermen Stufe bewahrte Verteilungssystem, die Rückführung des Bettmaterials aus dem expandierten Wirbelbett erfolgt über Zyklon (hochbeladener) mit dynamischer Abdichtung auf der Feststoffseite durch eine Sperrstrecke.
Das Produktgas wird beispielhaft dem in der allothermen Vergasung gebildeten Biosynthesegas zugeführt und dann als Einheit genutzt. Die separate Verwendung ist ebenfalls Teil dieser vorliegenden Erfindung, ist aber für die praktische Anwendung von untergeordnetem Interesse.
Die Nutzung von Restgasen (Off- oder Purge-Gasen) der Folgeprozesse ( Down-Stream-Prozesse) als Brennstoff für die Impulsbrenner wird im Folgenden beschrieben.
Die Ausfuhrung des SPOT-Kombi-Vergasungsprozesses erlaubt den Einsatz der bei den innerhalb der im Folgenden beschriebenen Prozess-Routen entstehende, heizwertreichen Off-Gasen, wie sie bei besagten Prozessen als Restgase oder Purge-Gase von Kreislaufen anfallen, als Brennstoff für das Impulsbrenner- System (Impulsbrenner und integrierte Pilotbrenner) einzusetzen. Ergebnis dieser Maßnahme ist die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Prozessschritte und die optimale Nutzung des eingesetzten, nachwachsenden Rohstoffes . Das heizwertreiche Off-Gas wird zur Erzeugung der notwendigen Reaktionswarme der Vergasungsreaktionen genutzt. Die Impulsbrenner und die integrierten Pilotbrenner sind zu diesem Zwecke mit mehreren unabhängigen Versorgungsstrangen für die unterschiedlichen Brenngase und Abgase ausgerüstet. Durch diese Einbindung der Off-Gase werden die Prozesse zu einem integrierten Element des SPOT-Kombi-Vergasungsprozesses, die Prozessschritte zu einer direkt unverwechselbar verbundenen Einheit (siehe Fig. 3 Schaltungsvarianten, Versorgung der Impulsbrenner mit Brenngas) . Eine weitere mögliche Variante ist die Verwendung dieser Off-Gase als Brenngase der Impulsbrenner, nachdem diese z. B. durch Abtrennung von H2 , das als Reaktant z. B. in der Methanolsynthese eingesetzt werden kann, aufbereitet wurden .
Die technische Ausrüstung erlaubt für das Anfahren den Normalbetrieb der Vergasungsanlage mit Bio-Synthesegas, Erdgas und Propan sowie den verschiedenen Abgasen der Folgeprozesse. Das Konzept erlaubt auch bei parallel geschalteten Vergasern das Anfahren mit Hilfe von Bio-Synthesegas aus den parallelen Vergasern. Als Erweiterung des Einsatzspektrums der zum Anfahren der Vergaser benotigten Einsatzstoffe (Brennstoffe der Impulsbrenner) ist auch der Einsatz des aus Bio-Synthesegas erzeugten DME (Dimethylether) möglich und im Sinne dieser Erfindung .
Der Einsatz einer mechanischen Gasreinigung und Feinentstaubung mittels Multizyklon und Sintermetallfilter (Gaskonditiσnierung vor Verdichtung des Bio-Synthesegases) ist dabei vorgesehen. Es ist eine Verdichtung des Bio-Synthesegases und m Folge aus thermodynamischen und maschinentechnischen Erfordernissen heraus die Abkühlung des Produktgases auf einen Temperaturbereich vorzugsweise unter 100 0C erforderlich. In diesem Temperaturbereich kondensieren, insbesondere im Anfahrbetrieb, die in Spuren im Bio-Synthesegas vorhandenen kondensierbaren Kohlenwasserstoffe aus.
Das folgend beschriebene Konzept, die mechanische Reinigung des Bio-Synthesegases in der beschriebenen Prozessstufe (Fig. 4) und die Kühlung in der bevorzugt mit Ol, Bio-Diesel oder anderen geeigneten Wasch- und Kuhlmedien betriebenen Prozessstufe gewahrleistet die erforderliche Reinheit und die notwendige Kühlung. Das Konzept vermeidet dabei den Anfall technische nicht nutzbarer Reststoffströme . Die Details dieser Erfindung sind in den Patentanmeldungen 10 2007 004 294.0 und 10 2006 017 353.8 erläutert .
Daraufhin erfolgt eine Gasverdichtung auf die für die Folgeprozesse notwendigen Druckstufen. Die Verdichtung der Prozessstufen richtet sich nach den Anforderungen der nachfolgenden Prozesse und wird dann erforderlich, wenn der Prozessdruck dieser nachfolgenden Prozessstufe über dem der Vergasung liegt. Diese Stufe kann direkt in die Prozessstufe integriert oder separat ausgeführt werden. Im Einzelnen lassen sich diese Prozesse wie folgt beschreiben:
• Folgeprozesse auf dem Druckniveau der Vergasungseinheit: Drucklose und nahe atmosphärische Prozesse, wie die Verbrennung des Produktgases in Kesseln oder die Feuerung von Industrieofen (z. B. Drehrohrofen zur Herstellung von gebranntem Kalk, Zementofen etc.) β Folgeprozesse mit erhöhtem Druck
• Prozesse mit integrierten Verdichtern (z. B. Turboladern) : Als Beispiel sei hier der Einsatz des Bio-Synthesegases in Gasturbinen angezeigt. • Prozesse mit externer Verdichtung, um den Synthesegasvordruck auf die für die nachfolgenden Prozesse notwendigen Reaktionsdruck zu heben. Hierzu der Einsatz in Syntheseanlagen, die im Regelfall bei einem Druckniveau im Bereich 20 bis 30 bar a betrieben werden.
Ein weiterer Aspekt ist die Produktion von Synthesegas zur Energieerzeugung (Wasserstoff), synthetischen Treibstoffen wie DME und Chemie-Produkten über direkte Synthese oder mit Methanol als Zwischenstufe, wie bereits angemeldet. Eines der wichtigsten Folgeprodukte des Biosynthesegases im Hinblick auf den Einsatz als Treibstoff ist DME ( Dimethylether) . Dieses Produkt ist zum einen über das isolierte Methanol der Methanolsynthese zuganglich oder über die intermediäre Stufe Methanol, ohne dessen Isolierung. In der Abbildung Fig. 7 ist ein Überblick über die Prozessroute der DME-Erzeugung aus Biosynthesegas gegeben. Neben der CO-Konvertierung, der Gaswasche, umfassen die Prozess-Routen jeweils die gesamte Gaserzeugung nach dem SPOT- Verfahren oder dem SPOT-Kombi-Vergasungsprozess mit den Reinigungsstufen und der Verdichtung.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf Fig. 7, und insbesondere auf die Produktion von DME (beispielhaft dargestellt als Folgeprodukt des in der Methanolsynthese hergestellten Methanols) und dessen Verwendung als Treibstoff für die Anwendungsfalle für INCOX100, Gasturbine und der Vollständigkeit halber Dampfkessel.
Weitere Prozesse, wie die verschiedenen Prozesse zur Herstellung von H2 einschließlich dessen Einsatz in Brennstoffzellen, die Erzeugung von Ammoniak und darauf basierende Folgeprodukte wie das Düngemittel Harnstoff, der Fischer-Tropsch-Prozess mit seinen Varianten und Folgeprodukten wurden bereits als Patent angemeldet (Patentanmeldung 10 2007 004 294.0), so dass hier auf eine weitere Erläuterung verzichtet wird.
Wesentlich ist hier die auf der Methanolsynthese aufbauende, schon in der o. g. Patentanmeldung erwähnten Synthese des DME aus Methanol, hervorzuheben. Dieser selektiv, mit hohem Umsatz verlaufende Prozess, ist in zwei Varianten verfugbar. Einmal über das isolierte (kondensierte Methanol) und direkt über das Produktgas der Methanolsynthese über das gasformige Methanol. Beides sind katalytische Prozesse.
Die folgende Beschreibung der DME-Synthese auf der Basis Biosynthesegas folgt der Darstellung in Fig. 7.
Das Biosynthesegas wird nach der Verdichtungsstufe mit einem Druck von ca. 20 bar a zur Entfernung von Spuren der Schwefelverbindungen (H2S e. a.) einer Grobentschwefelung unterzogen. Die im Biosynthesegas vor diesem Prozess enthaltenen Schwefelspuren werden z. B. durch Kontakt mit einer Eisen- Chelat-Losung absorbiert und katalytisch zu Schwefel oxidiert, um dann beispielhaft in einem speziellen Teilstrom CO-Shift - Prozesse einer Hochtemperatur CO-Shift - konvertiert zu werden. Nach dieser Konvertierung ist das molare Verhältnis H2/CO eingestellt, nach Entfernung des Hauptanteils des CO2-Gehaltes in einem chemischen Waschprozess und eines zum Schutz des Katalysators eingesetzten Catch-Potts (Zinkoxid-Katalysator) sind die Bedingungen für die nachfolgenden Prozesse Methanolsynthese und dem Folgeprozess der DME-Synthese erfüllt.
Nach weiterer Verdichtung des konvertierten, von C02 und Spurenstoffen befreiten Synthesegases, wird dieses dem Kreislaufgasstrom und dem aus den Off (Purge) -Gasen der Methanolsynthese z. B. durch einen Pressure Swing Prozess abgetrennten Wasserstoffes beigemischt und der Methanolsynthese zugeleitet. Das in dieser Synthese gewonnene Rohmethanol wird anschließend m einer weiteren Prozessstufe zu DME umgesetzt.
Aus der Methanolsynthese wird zur Gleichgewichtsemstellung, das heißt Begrenzung des Anteils nicht umselzbarer Komponenten, das Purge-Gas abgetrennt, das nach Abtrennung des Wasserstoffanteils dem SPOT-Vergasungsprozess zur Erzeugung der Prozesswarme zugeführt wird.
Die Stromerzeugung aus biogenen Einsatzstoffen, allothermer Vergasung im SPOT-Vergasungsverfahren und direkter Verbrennung des konditionierten Gases nach Gasreinigung, Verdichtung und eventueller Kühlung sowie m der/den Brennkammer/n der Gasturbine, im Kessel, in direkt befeuerten Industrieofen und m Verbrennungsmotoren (Großmotore) wurde m der Patentanmeldung 10 2007 004 294.0 ausführlich beschrieben.
Mit dem synthetischen Treibstoff DME auf Basis Biosynthesegas steht allerdings ein klimaneutraler Einsatzstoff zur Verfugung, der durch Einsatz m Kessel und Gasturbine - wie industrieller Wärmequelle zur dezentralen Warmeerzeugung - im INCOXIOO-Prozess zur Erzeugung von elektrischem Strom und als Antrieb z. B. von Schiffen, als Treibstoff in Fahrzeugen und als Substitut für Flüssiggas zur Verfugung. Diese Anwendungen sind m der Abbildung Fig. Ic aufgeführt.
In der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz des auf Basis des Biosynthesegases hergestellten Produktes im Rahmen des INCOX100- Prozesses beschrieben.
INCOXlOO ist ein Prozess, dessen Kernstuck die Internal Combustion Box darstellt. Diese Internal Combustion Box ist ein Verbrennungsaggregat mit interner Verbrennung, integrierter Verbrennungs Iu f t verdi chtung und Abgasexpansion. Diese Vorrichtung steht m Zwei- und Viertakt-Äusfuhrung bis zu Leistungsgroßen von 100 MW/h el . zur Verfugung. In beiden Fallen wird die Energie des Rauchgasstromes der Verbrennung nach der internen Expansion mittels Abgasturbine und durch Abwarrnenutzung, Dampferzeugung und Nutzung in Dampfturbine sowie optional mittels Warmekraftkopplung zur Erzeugung von mechanischer Energie und/oder Strom genutzt. Anwendung dieser Technologie im Bereich der Stromerzeugung fuhrt ohne Probleme durch die technisch verfugbare Modulleistung von 100 MW/h zu möglichen Stromerzeugungsanlagen (INCOX100-Kraftwerke) von 1.000 MW/h und mehr.
Weiterer wesentlicher Aspekt des INCOXIOO-Prozesses ist die Aufladung der Verbrennungsluft zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades der Maschine, das Erreichen eines hohen, technisch erzielbaren Innendruckes, der wahrend der Verbrennung zu Beginn des Arbeitstaktes auftritt, die Nutzung der Energie der Rauchgase nach der Verbrennung durch Abgasturbine (Expansionsturbine, die einmal die Verbrennungsluft verdichtet und die restliche Expansionsarbeit zum Antrieb eines Generators einsetzt), und darüber hinaus die Enthalpie der Verbrennungsgase/Rauchgase) zur Dampferzeugung zu nutzen.
Zusatzlich ist die Auskopplung von Warme zu Heizzwecken (Warme- Kraft-Kopplung) vorgesehen. Dieser Prozess erreicht mit der beschriebenen Abgasnutzung mechanische Wirkungsgrade deutlich über 70 %. Mit integrierter Warme-Kraft-Kopplung lasst sich, zumindest theoretisch, dieser Wirkungsgrad nochmals um über 15 Wirkungsgradpunkte steigern. Dieses erfindungsgemaße Konzept mit Warme-Kraft-Kopplung zeichnet sich durch den hohen mechanischen Wirkungsgrad (indiziert damit den sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad) aus, der um den Faktor zwei über dem derzeitiger Kraftwerke liegt. Es ist das technische Top-Konzept im Bereich der Kraft-Warme-Kopplung, da hier der Nutzanteil Nieder- temperatur/Wärme für Heizungszwecke geringer ist, die aber nicht permanent abgenommen werden muss.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Biosynthesegasen und/oder synthetischem Treibstoff, insbesondere DME ( Dimethylether) und/oder Bio-Silica, unter Einsatz biogener Einsatzstoffe, umfassend die Schritte:
- allotherme Vergasung des biogenen Einsatzstoffes mithilfe von Impulsbrennern zur integrierten Erzeugung von Prozesswarme in einem Wirbelschichtvergaser;
- Vergasung von reaktionstragem Pyrolysekoks aus der ersten Vergasungsstufe in einer zweiten, Vergasungsstufe, die vorzugsweise parallel arbeitet, die nach dem Prinzip der expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht arbeitet, mittels Sauerstoff/Dampf als Vergasungsmittel
- Zusammenfuhren zumindest eines Teiles der Vergasungsprodukte aus den beiden Vergasern für die gemeinsame Weiterverarbeitung.
2. Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das ausgetragene Material einer Siebung und/oder Sichtung zur Abtrennung des Kohlenstoffes und/oder der Feinanteile zur Isolierung des m der Asche enthaltenen Bio-Silikates unterzogen wird.
3. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grobanteile der Asche in den allothermen Vergaser zurückgeführt werden und/oder der Fexnanteil der Asche als ein hochwertiges Bio-Silikat-Produkt ausgeschleust wird .
4. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Weiterverarbeitung der Biosynthesegase einen oder mehrere der folgenden Schritte umfasst:
- In-Situ-Entschwefelung
- Heißgas-Reinigung
- Entfernung von Halogenen durch Adsorption
- ein- oder mehrstufige Feinreinigung mit Multizyklon und Sintermetallfilter
- Einsatz einer Quenche, durch die mittels einer nicht wassrigen Waschflussigkeit Spuren von kondensierbaren aliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffen ausgewaschen werden
- Gaskühlung für die nachfolgenden Verdichterstufen
5. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus dem erzeugten Biosynthesegas über die Zwischenstufe Methanol Dimethylether (DME) erzeugt wird.
6. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der in der allothermen Vergasung gebildete reaktionstrage Pyrolysekoks (auf Grundlage des biogenen Einsatzmaterials) in einer zweiten Vergasungsstufe mit einem Sauerstoff- /Dampfgemisch als Vergasungsmittel umgesetzt wird.
7. Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei vorverdichtetes Biosynthesegas im Rahmen eines Reingas-CO-Shift-Prozesses bezuglich des molaren Anteils CO/H2 so eingestellt wird, dass für die weitere Synthese optimale Verhaltnisse erreicht werden.
8. Vorrichtung zur Herstellung von Biosynthesegasen und/oder synthetischem Treibstoff, insbesondere DME (Dimethyiether ) , unter Einsatz biogener Einsatzstoffe, umfassend die Komponenten : - Allothermer Wirbelschichtvergaser zur Vergasung des biogenen Einsatzstoffes mithilfe von Impulsbrennern zur integrierten Erzeugung von Prozesswarme ;
- Weiterer Vergaser, der vorzugsweise parallel angeordnet ist, nach dem Prinzip der expandierten oder zirkulierenden Wirbelschicht als zweiter Vergaser zur Vergasung von reaktionstragem Pyrolysekoks aus der ersten Vergasungsstufe mittels Sauerstoff/Dampf als Medium
- Vorrichtungen zum Zusammenfuhren mindestens eines Teiles der Vergasungsprodukte aus den beiden Vergasern für die gemeinsame Weiterverarbeitung
9. Die Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei Mittel vorhanden sind, die das ausgetragene Material einer Siebung und/oder Sichtung zur Abtrennung des Kohlenstoffes und/oder der Femanteile zur Isolierung des in der Asche enthaltenen Bio-Silikates unterziehen.
10. Die Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsanspruche, wobei Mittel vorhanden sind, die die Grobanteile der Asche in den allothermen Vergaser zurückfuhren und/oder die den Feinanteil der Asche als ein hochwertiges Bio-Silikat-Produkt ausschleusen.
11. Die Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsanspruche, wobei die Weiterverarbeitung der Biosynthesegase durch eines oder mehreren der folgenden Mittel erfolgt:
- Mittel zur In-Situ-Entschwefelung
- Mittel zur Heißgas-Reinigung
- Mittel zur Entfernung von Halogenen durch Adsorption
- Mittel zur ein- oder mehrstufigen Feinreinigung mit Multizyklon und Sintermetallfilter - Quenche, durch die mittels einer nicht wassrigen Waschflussigkeit Spuren von kondensierbaren aliphatischen und/oder aromatischen Kohlenwasserstoffen ausgewaschen werden .
- Mittel zur Gaskühlung für die nachfolgenden Verdichterstufen
12. Die Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsanspruche, wobei Mittel vorhanden sind, die aus dem erzeugten Biosynthesegas über die Zwischenstufe Methanol Dirnethylether (DME) erzeugen.
13. Die Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsanspruche, wobei der in den allothermen Vergasern gebildete reaktionstrage Pyrolysekoks in einer zweiten Vergasungsstufe mit nach dem Prinzip der expandierenden oder zirkulierenden Wirbelschicht arbeitenden Vergasern mittels Sauerstoff /Dampf als Vergasungsmittel umgesetzt wird.
14. Die Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsanspruche, wobei Mittel vorhanden sind, die vorverdichtetes Biosynthesegas im Rahmen eines Reingas-CO- Shift-Prozesses bezuglich des molaren Anteils CO/H2 so einstellen, dass das für die weitere Synthese optimale Verhältnis erreicht wird.
15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsanspruche zur Erzeugung von Kraftstoff für einen Zweitaktmotor oder Viertaktmotor, insbesondere auf einem Schiff.
16. Die Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass DME oder Synthesegas für, vorzugsweise eine INCOXlOO (Internal Combustion Box) , m einer Zweitakt- Ausfuhrung zur Stromerzeugung verwendet wird.
17. Die Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Grundlage der Synthesegaserzeugung gewonnene Asche der Herstellung von Bio-Silica dient .
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