DE19750327C1 - Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus nachwachsenden zellulosehaltigen Roh- oder Abfallstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus nachwachsenden, zellulosehaltigen Roh- oder Abfallstoffen, das insbesondere durch seine Konsistenz für eine nachfolgende Verbrennung in Ver­ brennungskraftmaschinen geeignet ist. Dabei ist be­ sonders Abfallholz als Ausgangsstoff für die Herstel­ lung des Synthesgases geeignet, wobei gegebenenfalls im Holz enthaltene Kontaminationen, z. B. Holzschutz­ mittel, durch die Verfahrensführung keine Probleme für die Umwelt darstellen. Gegenwärtig ist insbeson­ dere das bei Abbrucharbeiten von Gebäuden anfallende Abfallholz problematisch und es muß sehr häufig auf Sonderdeponien, mit entsprechend hohem Kostenaufwand, entsorgt werden. Wegen der relativ geringen Dichte des angefallenen Abfallholzes tritt auch ein ent­ sprechend hoher Raumbedarf auf, so daß Möglichkeiten gefunden werden sollten, um anfallendes Abfallholz mit relativ geringem finanziellen Aufwand entsorgen und sogar nutzen zu können.

Eine Möglichkeit hierzu besteht in der seit langem bekannten Holzvergasung, bei der durch Pyrolyse ein Gas erhalten werden kann, das mit seinem Energiege­ halt auch in Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden kann.

Die bisher verwendeten Gegen- bzw. Gleichstromverga­ sungsverfahren haben jedoch den Nachteil, daß das erhaltene Pyrolysegas insbesondere durch Teere und andere Stoffe stark verunreinigt ist, so daß eine Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen erst nach einer aufwendigen und kostenintensiven Reinigung mög­ lich wird. Ein weiteres Problem, das bei diesen be­ kannten Verfahren nicht oder nur unbefriedigend ge­ löst ist, ist die Dioxinbildung, die zu einer be­ trächtlichen Belastung der Umwelt führen kann.

Außerdem ist das Noell-Konversionsverfahren (DE 42 38 ­ 934 C2) bekannt, bei dem ein Brenngut, das auch Müll- und Kohlebestandteile enthalten kann, pyrolysiert und das gebildete Pyrolysegas mit dem ebenfalls in diesem Prozeß gebildeten Pyrolysekoks mit Stickstoff aus einer Luftverflüssigungsanlage mobilisiert und in einem Druckbehälter mit reinem Sauerstoff, der eben­ falls aus der Luftzerlegungsanlage stammt, vergast wird. Mit diesem Verfahren können sehr große Mengen an organische Stoffe enthaltendem Abfall bei hohen Temperaturen in Synthesegas umgewandelt werden. Hier­ für ist jedoch ein sehr hoher anlagentechnischer Auf­ wand und sehr große Mengen an zu vergasenden Stoffen erforderlich, um einen halbwegs wirtschaftlichen Be­ trieb einer solchen Anlage zu erreichen. Für die Zu­ führung der zu vergasenden Stoffe ist ein hoher Logi­ stikaufwand und entsprechend hohe Transportkosten erforderlich.

Da aber zellulosehaltige Stoffe eine relativ geringe Dichte aufweisen, ist das erforderliche Transportvo­ lumen entsprechend hoch, so daß ein Betrieb des No­ ell-Konversionsverfahrens allein mit zellulosehalti­ gen Ausgangsstoffen relativ uneffektiv ist.

Außerdem ist in DE 44 39 341 A1 ein Verfahren zur thermischen Verwertung von Holz mit oder ohne Konta­ minationen durch Pyrolyse und Vergasung der Pyrolyse­ produkte bekannt, bei dem der Pyrolyse ein bewegli­ cher Wärmeübertrager, nämlich ein solcher, der bei einer Temperatur schmilzt, die höher als die Pyroly­ setemperatur und niedriger als die Vergasungstempera­ tur liegt, zugegeben wird. Ein solcher Wärmeübertra­ ger kann nach der dort beschriebenen Lehre bei­ spielsweise Knochenkohle, ein daraus hergestelltes gesintertes Produkt, schlecht wasserlösliche minera­ lische Reststoffe der thermischen Holzverarbeitung oder Karbonate des Kalzium oder Magnesium sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, aus zellulosehaltigen nachwachsenden Roh- oder Abfallstoffen ein qualitativ hochwertiges Syn­ thesegas herzustellen, das in seiner Konsistenz zur Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen geeignet ist und in dem auch kontaminierte zellulosehaltige Stoffe, wie Abfallholz, verwertet werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Erfindungsgemäß wird dabei so verfahren, daß die zu vergasenden zellulosehaltigen Roh- oder Abfallstoffe mechanisch zerkleinert und nach, bevorzugt jedoch gleichzeitig bei der Zerkleinerung mit einer anorga­ nischen Alkalisalzlösung getränkt werden. Die so vor­ behandelten Stoffe können dann ohne weiteres, bei­ spielsweise in einem Silo, zwischengelagert werden, da durch das Tränken mit der Salzlösung die Brandgefahr beseitigt ist und so ein Puffer für die nach­ folgende thermische Behandlung geschaffen werden kann.

Die mit der Salzlösung getränkten zellulosehaltigen Stoffe gelangen dann in eine Fördereinrichtung, die in bevorzugter Form ein Schneckenförderer ist und werden dort bis zu einer Temperatur von mindestens 250°C und bevorzugt bis ca. 300°C erwärmt und gleichzeitig in Richtung auf einen Brenner gefördert. Die Erwärmung der Fördereinrichtung erfolgt über de­ ren äußere Mantelflächen, wobei hierfür heiße Gase, die entlang der Fördereinrichtung gegen die Förder­ richtung geführt sind, verwendet werden. Zur Erwär­ mung in der Fördereinrichtung wird günstigerweise Abwärme genutzt. So ist es möglich, daß das mit dem Verfahren hergestellte Synthesegas in Ver­ brennungskraftmaschinen verbrannt wird und deren Ab­ gase für die Erwärmung die Fördereinrichtung auszu­ nutzen, so daß die Energiebilanz des gesamten Prozes­ ses verbessert wird.

Während der Förderung und Erwärmung laufen verschie­ dene Prozesse und chemische Umwandlungen ab, auf die nachfolgend noch einzugehen sein wird.

Werden Temperaturen oberhalb 200°C erreicht, bildet sich durch die Erwärmung ein schaumartiger Kohlen­ stoff, der relativ porös und steif ist. Dieser kann dann in der Fördereinrichtung, z. B. mit der Schnecke fein zermahlen werden, wobei er bis auf eine Körnung von 10 bis 100 µm zerkleinert werden sollte. Mit die­ ser Körnung kann der so erhaltene Kohlenstoff gut mobilisiert und in einem Brenner in einer Flamme un­ ter Zuführung von vorgewärmter Luft teilweise ver­ brannt werden, wobei selbstverständlich die bei der Wärmebehandlung in der Fördereinrichtung gebildeten Gase ebenfalls durch den Brenner geführt werden.

Im Anschluß an die Verbrennung erfolgt in der Brenn­ kammer eine Reduktion und es wird ein Synthesegas, das Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe enthält, gebildet. Dieses Synthesegas wird aus der Brennkammer abgezogen und in einer sich anschließen­ den Gaswäsche gekühlt und gereinigt. Dabei sollte zumindestens eine Komponente der Gaswäsche eine Quentsche sein, mit der das im Synthesegas enthaltene Restwasser kondensiert, Salze, wie z. B. K₂CO₃, KHCO₃ gelöst und die festen Restpartikel abgeschieden wer­ den. Mit der Quentsche sollte vorzugsweise eine Schockkühlung des Synthesegases durchgeführt werden, um einer möglichen Dioxinbildung entgegen zu wirken.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die ver­ schiedensten nachwachsenden Stoffen neben den bereits genannten Holzen genutzt werden. So können Produkte und Nebenprodukte der Land- und Forstwirtschaft, wie Stroh, Reisig, Schlagabraum, Fäkalien, Fruchthüllen und Rinden eingesetzt werden. Auch Abfälle aus der holzverarbeitenden Industrie und anderen Industrie­ zweigen, wie Verschnitte, Rückstände aus biologischen Prozessen (Hefen, Ablaugen), Klärschlamm und Grünab­ fälle, Altpapier und Kartonagen können verwertet wer­ den.

Die zu vergasenden zellulosehaltigen Stoffe müssen zunächst klassiert und mechanisch zerkleinert werden, um einmal für das Verfahren und bestimmte Anlagenkom­ ponenten schädigende Inhaltsstoffe zu entfernen und eine relativ gleichmäßige Größenverteilung zu sichern.

Dabei erfolgt die Zerkleinerung günstigerweise in mehreren Stufen, wobei eine erste Grobzerkleinerung, die mit einem Brecher mit langsam laufenden Quetschwalzen durchgeführt wird und so einmal die Lärm- und Staubemission verringert und es dabei mög­ lich ist, feine mineralische Inhaltsstoffe auszusie­ ben, ohne daß in dem ausgesiebten Gut unnötig viele organische Beimengungen enthalten sind und dieser Teil problemlos deponierbar ist.

Vor einer zweiten feineren Nachzerkleinerung kann ein Sortierband angeordnet werden, um grobe verbliebene Verunreinigungen, z. B. Nichteisenmetalle oder andere anorganische Komponenten manuell zu entfernen. Davor oder danach kann mit einem Magnetabscheider der gege­ benenfalls enthaltene Anteil an Eisenmetallen automa­ tisch entfernt werden.

Die zweite Zerkleinerungsstufe verwendet günstiger­ weise Hammermühlen. Wie bereits erwähnt kann hierbei gleichzeitig das Tränken der anorganischen Alkali­ salzlösung erfolgen, wobei die Staubemission verrin­ gert und die Gefahr einer Staubexplosion herabgesetzt werden kann. Gleichzeitig wird eine gleichmäßige Durchmischung von zu vergasendem Stoff mit der Tränk­ flüssigkeit erreicht.

Als Flüssigkeit zum Tränken hat sich als besonders günstig eine Lösung aus Kaliumcarbonat und/oder Kali­ umhydrogencarbonat erwiesen. Dabei sollte die Konzen­ tration der Salze bei mindestens 25 Mol-% liegen. Am günstigsten ist jedoch eine kaltgesättigte Lösung, die im Verhältnis zwischen 300 und 500 ml je kg zu vergasendem Stoff zugegeben wird.

Der so vorbehandelte zellulosehaltige Stoff ist ohne zusätzliche Wärmezufuhr nicht brennbar und kann aus brandschutztechnischer Sicht unbedenklich zwischen­ gelagert werden.

Bei der Feinzerkleinerung sollte eine Korngröße zwi­ schen 10 und 50 mm, bevorzugt 30 mm eingehalten wer­ den, wobei die Rieselfähigkeit des bzw. der verschie­ denen zellulosehaltigen Stoffe und deren Tränkfähig­ keit, d. h. das Aufnahmevermögen für die Salzlösung, berücksichtigt werden sollen. In den getränkten zel­ lulosehaltigen Stoffen beginnen bereits bei Raumtem­ peraturen erste chemische Umwandlungen und Aufschlüs­ se.

Das so vorbehandelte und zerkleinerte Vergasungsgut, das auch ein Gemisch verschiedener zellulosehaltiger Stoffe sein kann, wird dann in eine beheizte Förder­ einrichtung gegeben, in der mit Hilfe einer Förder­ schnecke der Transport in Richtung auf eine nachfol­ gende Verbrennung erfolgt. Die Förderschecke sichert außerdem, daß eine vollständige Füllung über den ge­ samten freien Querschnitt in der Fördereinrichtung und so ein guter Wärmeübergang erreicht wird. Die Erwärmung der Fördereinrichtung erfolgt im Gegenstrom zur Förderrichtung und bei Temperaturen bis ca. 130°C, die bereits kurz nach dem Eintritt in die Fördereinrichtung erreicht werden können. Dabei tritt eine Verseifung von Harzsäuren, die bei herkömmlichen thermischen Prozessen einen Problemstoff darstellen, in Resinate, eine Quellung durch Solvation der Hydroxylgruppen, insbesondere in den Intermicellar­ räumen auf. Kürzerkettige Polysacharide (Hemicellulo­ sen) lösen sich in alkalischen Medien und kondensie­ ren teilweise in der durch den höheren Polymerisa­ tionsgrad gekennzeichneten Zellulose (Abspaltung von Acetylgruppen und zum Teil Uronsäuregruppen aus Laub­ holzxylanen bzw. Nadelholzglucomannanen, die an Poly­ sacharide der Glucoseketten angelagert werden kön­ nen). Außerdem tritt eine Delignifizierung der Zell­ verbände, die Bildung von Alkililignin mit erhöhter Löslichkeit auf. Polysacharide werden alkalisch abge­ baut, wobei hier die bekannte Peelingreaktion, die z. B. im Lexikon der Holztechnik, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1988 beschrieben ist, abläuft. Bei dieser Reaktion erfolgt der Abbau vom reduzierenden Ende der Polysacharide als Macromoleküle. Es erfolgt eine En­ dolisierung der Carbonylgruppe; Isomerisierung des endständigen Zuckermoleküls; eine Abspaltung der ge­ bildeten Sacharinsäure und der Bildung einer neuen Carbonylendgruppe, die dann analog weiter abgebaut wird. Die Reaktion kann gestoppt werden, wenn die Isomerierung in Richtung Metasacharinsäure abläuft und dann keine Abtrennung des endständigen Monomers mehr erfolgt.

Im Zuge des Aufschlusses werden Salze der Sacharin­ säure und Salze der Milchsäure (Laktone) und Salze der Ameisensäure (Formiade) gebildet.

Mit Inhibitoren, wie z. B. Kochsalz, können die letzt­ genannten Reaktionen stark zurückgedrängt werden.

Auch Konterminationen, wie z. B. Holzschutzmittel kön­ nen derartige Reaktionen beeinflussen, wobei insbe­ sondere durch Reduktion der endständigen Aldehydgrup­ pe zur Alkoholgruppe oder Oxidation dieser Gruppe zur Carboxylgruppe zu beachten ist.

Da aber die hierfür zur Verfügung stehende Zeit wäh­ rend der Förderung relativ kurz ist, laufen diese Reaktionen nur unvollständig ab.

Bei der Phenolatbildung und/oder Lösung von Penta­ chlorphenol/-PCP-Na im alkalischen Mediums muß deren pH-Wert abhängige Löslichkeit berücksichtigt werden. So lösen sich bei einem pH-Wert 5 nur 79 mg/l in Was­ ser und bei einem pH-Wert 8 aber 4 g/l in Wasser, so daß die Konzentration von PCP über den ganzen Stoff vergleichmäßigt werden kann und außerdem das Brand­ verhalten des PCP hinsichtlich der Bildung von poly­ chlorierten Dibenzodioxinen bzw. -furanen verbessert werden kann. Bei Untersuchungen des Brandverhaltens unter Laborbedingungen konnte festgestellt werden, daß bei Temperaturen von ca. 300°C lediglich 2,1% polychlorierte Dibenzodioxyne und im Falle von PCP-Na (Phenolat) nur 0,03% PCDD gebildet worden sind. Dies ist auf die bei der pyrolytischen Dimerisation von PCP der herrschenden Reaktionsmechanismen hinsicht­ lich der Dioxinvorstufen (Dekachloridphenylenoxid) und die damit verbundene Abspaltung von HCl, die zur Bildung von Hexachlorbenzol, die wiederum PCP und in einer Parallelreaktion unter Abspaltung von HCl Octa­ chloridbenzo-p-dioxin liefert, zurückzuführen. Der Grund der hohen Affinität von Chloridanionen zu Alka­ likationen ist die Bindung als Chlorid, so daß die beschriebene Reaktion unterbrochen wird. Daraus folgt, daß durch die Vorbehandlung die Bildung von PCDD-PCDF Bildung verringert wird. Zu beachten sind dabei die von Sandermann in Umweltbundesamt-Umwelt­ chemikalie-Pentachlorphenol, Erich Schmidt Verlag, Berlin, Bericht 3/87 auf Seite 186 beschriebenen Re­ aktionsmechanismen.

Bei der weiteren Erwärmung oberhalb des Siedepunktes, der bei Verwendung einer Kaliumcarbonatlösung bei ca. 132°C liegt, wird durch die Aufnahme der Verdamp­ fungswärme die Temperatur in einem bestimmten Bereich länger konstant gehalten, und die Aufschlußvorgänge erfolgen ohne Druckerhöhung einzig und allein durch die hohe Salzkonzentration auf diesem relativ niedri­ gen Temperaturniveau. Bei einer weiteren Temperatur­ erhöhung verdampft dann das Wasser vollständig und durch den Wassermangel kommt es dazu, daß der bereits beschriebene alkalische Abbau beendet wird. Durch be­ ginnende pyrolytische Zersetzungsprozesse werden dann niedere Monocarbonsäuren gebildet, die teilweise zu entsprechenden Salzen reagieren.

Werden Temperaturen oberhalb 200°C erreicht, wird vorhandenes Kaliumhydrogencarbonat unter Kohlendi­ oxidabspaltung in Kaliumcarbonat umgewandelt und in diesem Temperaturbereich werden auch PVC-Verunreini­ gungen unter Abspaltung von HCl pyrolytisch zersetzt und reagieren mit relativ hohen Umsetzungsraten zu Kaliumsalz (KCl).

Werden dann Temperaturen oberhalb 260°C erreicht, treten bereits Verkokungen auf, da die Verkokungstem­ peratur durch die vorher abgelaufenen Aufschlußpro­ zesse herabgesetzt worden ist. Die Verkokung ist bei Temperaturen von etwa 280°C abgeschlossen. Sie er­ folgt sehr schnell, da insbesondere durch das Ausfül­ len der Fibrillenzwischenräume in der Zellulose die Wärmeleitfähigkeit des Mediums stark erhöht und der durch die Erwärmung in der Fördereinrichtung gebilde­ te Wasserdampf und das Kohlendioxid die Wärmeleitung verbessern.

Bei der Verkokung tritt gleichzeitig ein Aufschäumen des festen Stoffes zu einem klebrigen Schaum auf, der jedoch sofort nach Beendigung dieser Reaktion steif wird. Die Entstehung dieses schaumartigen Kohlenstof­ fes wird durch die rasche Gasentwicklung, den hohen Wärmeübergang, den Verschluß der Fibrillenzwischen­ räume, durch teilweise depolymerisierte Polysachari­ de, Salze und anderes hervorgerufen. Der entstandene Kohlenstoffschaum kann dann problemlos in der Förder­ einrichtung, mit der Schnecke fein zermahlen werden, so daß ein feiner Staub erhalten wird. Die hierfür erforderliche Kraft ist sehr klein, da der Schaum eine relativ geringe Festigkeit aufweist.

Die gebildeten Gase enthalten neben den Verkokungs­ gasen einen hohen Anteil an Kohlendioxid aus der Ethansäure-Kaliumacetatreaktion sowie gasförmiges Me­ thanol aus der Ligninzersetzung (aus Methoxylgrup­ pen). Im Gegensatz dazu sind die gebildeten Gase nach der Verkokung im wesentlichen frei von höheren Koh­ lenwasserstoffen, wie die unerwünschten Teere.

Am Ende der Fördereinrichtung liegen die Temperaturen bei etwa 300°C und müssen nicht unbedingt in einen höheren Temperaturbereich gebracht werden, der mit einem wesentlichen höheren Aufwand verbunden wäre, da die Wärmekapazität von Kohlenstoff bei steigender Temperatur ebenfalls ansteigt und die bevorzugt zur Beheizung der Fördereinrichtung einzusetzende Abwärme dann zusätzlich aufgeheizt werden müßte.

Die durch die Temperaturbehandlung in der Förderein­ richtung gebildeten Gase, die mit Wasserdampf und Kohlendioxid angereichert sind, werden im Nachgang dazu einer nahezu vollständigen Verbrennung zuge­ führt, wobei eine intensive Vermischung mit zuzufüh­ render vorgewärmter Luft günstig ist. Dabei kann vor­ teilhaft die Vorwärmung der Vergasungsluft unter gleichzeitiger Kühlung des bei der Vergasung erhalte­ nen Rohgases im Gegenstromverfahren (Regenerativ) durch Wärmeübertragung erfolgen. Durch die Verbren­ nung der brennbaren Gaskomponenten und teilweise dem feinvermahlenen Kohlenstoffstaub in einem Brenner, wird die notwendige Energie für die folgenden Reduk­ tionsprozesse (Wassergas- und Boudouardprozesse) zur Verfügung gestellt. Durch das unverbrannte, durch den Flammenstrahl des Brenners mobilisierte Kohlenstoff­ pulver, das eine maximale Reaktionsoberflächen wegen der kleinen Korngrößen aufweist, werden die Verbren­ nungsgase reduziert und im Rohgas kann ein brennbarer Anteil, bestehend aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und brennbaren Kohlenwasserstoffen erhalten werden. Durch die Kühlung der Brennkammer, in der die Reduktions­ prozesse ablaufen, kann Einfluß auf die hierfür gün­ stigsten Temperaturen genommen werden, um z. B. das Boudouardgleichgewicht in der gewünschten Richtung zu beeinflussen.

Die bereits erwähnte relativ hohe Reaktionsoberfläche des Kohlenstoffes führt dazu, daß die endothermen Reduktionen bei Temperaturen bis zu etwa 600°C ab­ laufen und es kann eine sehr gute Wärmeausnutzung erreicht werden.

Außerdem können die vorher gebildeten Salze (Formia­ te, Acetate u. a.) und Seifen (Resinate u. a.) in nie­ dere Kohlenwasserstoffe und anorganische Bestandteile umgewandelt werden. Durch die bereits erwähnte Ver­ schiebung der Gleichgewichtsreaktionen (Wassergas-, Boudouardrektion) und die zusätzliche Bereitstellung von Kohlendioxid, das in der Fördereinrichtung gebil­ det worden ist, kann der Energiegehalt des erzeugten Synthesegases auf oberhalb 5000 kJ/Nm³ (Normkubikme­ ter) gesteigert werden.

Das so erhaltene Rohgas ist nahezu teerfrei. Der bei den meisten bekannten Pyrolyseverfahren erforderliche Aufwand für die Separation von Teeranteilen kann mit der Erfindung entfallen. Das nach einer Wäsche von festen Partikeln und unbrennbaren Bestandteilen wei­ testgehend befreite Synthesegas kann dann in einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einem Otto- oder Dieselmotor ohne weiteres benutzt werden und in Verbindung mit einem Generator Elektroenergie erzeugt werden.

Durch unterschiedliche Zusammensetzungen der zuge­ führten zellulosehaltigen Stoffe treten Schwankungen bei der Wärmekapazität und des Massenstromes auf, die bei der Kühlung des Synthesegases auf Verwendungstem­ peratur zu berücksichtigen sind.

Das auch noch im Rohgas enthaltene Kaliumcarbonat (Zwischenstufen K₂O, KOH) dient einmal als Sorptions­ mittel und führt zum anderen zur Reduzierung des Koh­ lendioxidanteiles im erhaltenen Rohgas und demzufolge kann der Heizwert des Gases entsprechend erhöht wer­ den. Aufgrund des Sorptionsverhaltens des Kaliumcar­ bonates im Gasraum bilden sich Agglomerate, die we­ sentlich besser ausgewaschen werden können als feine Partikel.

Die zur Gasreinigung und Kühlung des heißen Rohgases, bevorzugt zu verwendende Quentsche führt zur Konden­ sation des Restwasseranteils, zur Lösung von Salzen (K₂CO₃/KHCO₃) und die festen Partikel können vom Wand­ film in der Quentsche aufgenommen und zumindest teil­ weise gelöst werden. Das verunreinigte Wasser aus der Quentsche kann im Nachgang an eine Abscheidung der löslichen Bestandteile, beispielsweise durch eine Dekandierung oder mittels eines Zyklones als Tränk­ flüssigkeit wieder verwendet werden. Da im Quentschwasser ein relativ hoher Anteil an Kaliumcar­ bonat bzw. Kaliumhydrogencarbonat enthalten ist, ist bei einem kontinuierlichen Betrieb des erfindungsge­ mäßen Verfahrens nur eine geringe zusätzliche Zugabe dieser Alkalisalze beim Tränken der zerkleinerten zellulosehaltigen Stoffe erforderlich.

Die verbliebenen Kohlenstoffpartikel kommen in der Waschflüssigkeit überwiegend in kolloider Form vor und können im Anschluß an die bereits beschriebene Abscheidung der löslichen Mineralien weiter verwendet oder in den Prozeß rückgeführt werden.

Das vorgereinigte Rohgas kann dann durch Fliehkraft­ reinigung in Kombination mit einem Venturiwäscher, in dem auch das vorgereinigte Quentschwasser verwendet werden kann und gegebenenfalls einem diesen nachge­ schalteten Schlauchfilter weiter gereinigt werden. Auf diese Art und Weise kann der Partikelgehalt des gereinigten Synthesegases unter 2 mg/nm³ gehalten werden.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 den schematischen Ablauf des erfindungsge­ mäßen Verfahrens in verschiedenen Stufen für die Vergasung von Rest- und Abfallholz und

Fig. 2 den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens, mit dem die im erzeugten Synthesegas enthaltene chemische Energie mit einem Ge­ nerator in Elektroenergie umgewandelt wer­ den kann.

In der Fig. 1 ist der schematische Ablauf für die Verwertung von Rest- und Abfallholz beispielhaft als Blockschaltbild dargestellt. Bei diesem Beispiel wird das erhaltene Synthesegas in einem Gasmotor genutzt, der einen Generator zur Elektroenergiegewinnung an­ treibt.

Der Aufbau einer entsprechenden Anlage zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 verdeutlicht.

Nach dem angedeuteten Antransport wird das zu nutzen­ de Abfall- oder Restholz in zwei Stufen 1 und 2 zer­ kleinert, wobei eine bevorzugte Kantenlänge von ca. 30 mm erreicht werden soll. Bei der Feinzerkleinerung 2 wird gleichzeitig eine kaltgesättigte Kaliumcarbo­ nat-, Kaliumhydrogencarbonatlösung oder eine Mischung daraus mittels Düsen 3 aufgesprüht und das Holz oder ggf. andere zellulosehaltige Stoffe getränkt.

So vorbehandelt kann eine gefahrlose Zwischenlagerung in einem Brennstoffsilo 4, der als Puffer für die nachfolgende thermische Behandlung dient, erfolgen. Aus dem Brennstoffsilo 4 wird das feuchte vorbehan­ delte Gut in einen mit einem Motor 5 angetriebenen Schneckenförderer 6 gegeben. Dabei soll gesichert werden, daß der freie Querschnitt im Schneckenförde­ rer 6 gefüllt ist. Der Schneckenförderer 6 ist von außen beheizt. Dabei wird zur Beheizung das Abgas eines Gasmotors 10 genutzt, das über die Leitung 12 entgegen der Förderrichtung des Schneckenförderers 6 geleitet wird, so daß eine Erwärmung nach dem Gegen­ stromprinzip erfolgt und die höchsten Temperaturen oberhalb 260°C am Ende des Schneckenförderers 6 er­ reicht werden.

Im Schneckenförderer 6 laufen die bereits im allge­ meinen Teil der Beschreibung genannten Prozesse und Umwandlungen ab, wobei die entsprechenden lokalen Temperaturen in der Fig. 2 gezeigt sind. Der Schneckenförderer 6 muß aber eine ausreichende Länge haben, um ausreichende Verweilzeiten zu sichern.

Im bzw. am Schneckenförderer 6 sind keine anfälligen Schleusen oder Verschlüsse für die Sicherung der Gas­ dichtheit erforderlich, da die Druck- und Strömungs­ verhältnisse der sich bildenden Gase sichern, daß kein Gasaustritt aus der Zuführung am Schneckenförde­ rer 6 in den Brennstoffsilo 4 erfolgen kann. Dafür sorgt einmal die relativ langsame Gasbildung im Nie­ dertemperaturbereich des Schneckenförderers 6, die eine Barrierewirkung hat und die Ejektorwirkung des Brenners 7.

Das am Ende des Schneckenförderers 6 gebildete feste Gut besteht zum größten Teil aus einem steifen schau­ migen Kohlenstoff, der mit der Schnecke fein zermah­ len wird. Der feinzermahlene Kohlenstoff wird gemein­ sam mit den gebildeten Gasen durch den Brenner 7 ge­ führt, in dessen Flamme die brennbaren Gase und ein Teil des sehr reaktiven Kohlenstoffstaubes verbrannt werden. Die Verbrennungstemperatur reicht aus, um den durch die Flamme stark mobilisierten unverbrannten Kohlenstoff als Reduktionsmittel zu nutzen und in der Brennerkammer 8 die bekannten Wassergas- und Boudou­ ardprozesse ablaufen zu lassen, da selbstverständlich auch Wasserdampf und Kohlendioxid bei der Verbrennung gebildet werden.

Die Brennkammer 8 wird von außen mit aus der Umgebung zugeführter Luft ebenfalls im Gegenstrom gekühlt, dabei erwärmt und als vorgewärmte Verbrennungsluft über die Leitung 13 dem Brenner 7 zugeführt.

Die Luftkühlung der Brennkammer 8 sollte bevorzugt geregelt werden, um optimale Temperaturverhältnisse für die Synthesegasbildung zu sichern.

Das abgezogene Rohgas, das neben den brennbaren Kom­ ponenten auch Kohlendioxid und andere feste Verunrei­ nigungen aufweist, wird einer Gaswäsche 9 zugeführt. Dabei erfolgt in einer Quentsche eine Schockkühlung und eine erste Grobreinigung des Rohgases, aus dem in weiteren Reinigungsschritten, beispielsweise mittels eines Zyklons in Kombination mit einem Venturi­ wäscher und Filtern der größte Anteil an festen Ver­ unreinigungen entfernt wird und das so gereinigte und weitestgehend von Kohlendioxid befreite Gas dem Gas­ motor 10 zugeführt werden kann.

Das in der Gaswäsche 9 anfallende Wasser kann nach einer Abtrennung der festen Bestandteile über die Leitung 14 durch die Sprüheinrichtung 3 wieder zum Tränken des zerkleinerten Holzes benutzt werden, da es einen hohen Gehalt an benötigtem Kaliumcarbonat und Kaliumhydrogencarbonat hat.

Die abgeschiedene Asche ist mit ca. 25% Schwerme­ tall, das jedoch überwiegend chemisch gebunden ist, belastet. Dieser hohe Anteil bietet die Möglichkeit, eine Rückgewinnung mit bekannten Verfahren durchzu­ führen.

Der Aschenanfall liegt bei ca. 10 g je erzeugter kWh Elektroenergie, so daß die geringen Mengen ggf. auch auf Sonderdeponien entsorgt werden könnten. Durch eine Sulfitierung (H₂S) kann das Eluatverhalten zu­ sätzlich verbessert werden.

Da die Zusammensetzung des Synthesegases und demzu­ folge auch der Heizwert schwanken kann, ist es sinn­ voll, die in den Gasmotor 10 zugeführte Verbrennungs­ luftmenge zu regeln, um ein optimales Gas-/Verbren­ nungsluftverhältnis einzuhalten.

Für überschüssiges Synthesegas, das im Gasmotor 10, beispielsweise bei Havarien oder Betreibsstörungen, nicht genutzt werden kann, besteht die Möglichkeit der Abführung über Leitung 16 zum Abfackeln mit einer Sicherheitsfackel 18.

Im Anschluß an die Gaswäsche 9 ist ein Verdichter 17 für den Transport des Synthesegases zum Gasmotor 10 angeordnet.

Die mit dem Generator 11 erzeugte Elektroenergie kann dann in vorhandene Netze eingespeist werden oder als Insellösung mit den bekannten Vorteilen der Kraft- /Wärmekopplung benutzt werden.

Ein Anlage, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, kann in relativ kleiner Ausführung auch für kleine Kapazitäten ausgebildet werden, so daß ein kleiner Einzugsbereich mit entsprechend kleineren Transport­ wegen ausreicht.

Da ein großer Anteil an Abwärme ausgenutzt wird, ist ein wirtschaftlicher Betrieb bereits allein mit der erzeugten Elektroenergie erreichbar.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus nachwachsenden zellulosehaltigen Roh- oder Ab­ fallstoffen, bei dem die zellulosehaltigen Stoffe zerkleinert und mit einer anorganischen Alkalisalzlösung ge­ tränkt, in eine beheizte Fördereinrichtung (6) gebracht werden, bei der Förderung auf eine Tem­ peratur bis mindestens 250°C erwärmt und ein sich bei der Erwärmung gebildeter schaumartiger Kohlenstoff fein zermahlen wird, der gemeinsam mit den gebildeten Gasen und erwärmter Luft ver­ brannt wird und durch Reduktion ein Kohlenmon­ oxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoff reiches Synthesegas erhalten, das in einer Gaswäsche (9) gekühlt und gereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zellulosehaltigen Stoffe mit einer Kaliumcarbonat- und/oder Kaliumhydrogencarbonat- Lösung getränkt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung mit ei­ nem Salzgehalt von mindestens 25% verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß kaltgesättigte Lö­ sung den zellulosehaltigen Stoffen im Verhältnis 300 bis 500 ml/kg zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die getränkten zel­ lulosehaltigen Stoffe in einem Schneckenförderer (6) gefördert, zerkleinert und im Gegenstrom mit von außen zugeführter Wärme erwärmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete schaumartige Kohlenstoff auf Korngrößen zwischen 10 und 100 µm zerkleinert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur nach der Verbrennung des zerkleinerten Kohlenstoffs durch entlang der Mantelfläche der Brennkammer (8) geführte Luft unter Berücksichtigung der im Nachgang zur Verbrennung ablaufenden Wassergas- und Boudouardprozesse eingestellt und die so vorgewärmte Luft zur Verbrennung benutzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte und gereinigte Synthesegas einer Verbrennungskraft­ maschine (10) zugeführt und die Abwärme der Ver­ brennungskraftmaschine (10) zur Erwärmung der zellulosehaltigen Stoffe benutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Verbren­ nungskraftmaschine (10) ein Generator (11) zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zellulosehalti­ gen Stoffe in mindestens zwei Stufen (1, 2) auf eine Korngröße zwischen 10 und 50 mm zerkleinert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß metallische oder andere anorganische abrasive Inhaltsstoffe bei oder im Anschluß an die Zerkleinerung entfernt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschflüssigkeit nach Separation fester Inhaltsstoffe zur Trän­ kung der zerkleinerten zellulosehaltigen Stoffe als anorganische Alkalisalzlösung benutzt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Synthese­ gas einer Quentsche zugeführt wird.