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WO2011026631A2 - Synthesegasreaktor mit beheizter kokswolke - Google Patents

Synthesegasreaktor mit beheizter kokswolke Download PDF

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Publication number
WO2011026631A2
WO2011026631A2 PCT/EP2010/005409 EP2010005409W WO2011026631A2 WO 2011026631 A2 WO2011026631 A2 WO 2011026631A2 EP 2010005409 W EP2010005409 W EP 2010005409W WO 2011026631 A2 WO2011026631 A2 WO 2011026631A2
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WO
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reactor
coke
gas
pyrolysis
cloud
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/005409
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English (en)
French (fr)
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WO2011026631A3 (de
Inventor
Karl-Heinz Tetzlaff
Original Assignee
Karl-Heinz Tetzlaff
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karl-Heinz Tetzlaff filed Critical Karl-Heinz Tetzlaff
Priority to EP10757153A priority Critical patent/EP2480632A2/de
Publication of WO2011026631A2 publication Critical patent/WO2011026631A2/de
Publication of WO2011026631A3 publication Critical patent/WO2011026631A3/de

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    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin

Definitions

  • the invention relates to a device for the production of synthesis gas from essentially solid fuels.
  • the invention relates to a process for the production of synthesis gas from im
  • Substantially solid fuels preferably biomass, by steam reforming.
  • the synthesis gas can be produced in a two-stage process.
  • Coke particles contained ashes can melt due to the resulting high temperatures. This restricts the gasifiable biomasses to woody biomasses because their ashes have a higher melting point.
  • Fluidized beds can be reduced. These fluidized beds are operated with inert bed material. The expenditure on equipment is very high.
  • the invention is therefore based on the object, a
  • At least one coke cloud reactor is provided, wherein the coke cloud reactor has at least one heating device for the catalytic cracking of the tars of the pyrolysis gas.
  • a substantially solid fuel is decomposed in at least one pyrolysis reactor into pyrolysis gas and coke, the coke
  • the coke particles thus obtained are carried by the pyrolysis gas in at least one coke cloud reactor, which is heated by at least one heating device, so that the tar contained in the pyrolysis gas is catalytically reacted to the coke particles. It comes to a
  • Pyrolysis gas can also be a thermal cleavage of the tars.
  • the thermal cracking of the tars takes place only at temperatures of for example 1300 ° C to 1600 ° C.
  • the catalytic conversion of coke particles can already at temperatures of about 700 ° C to 1000 ° C,
  • Synthesis gas can be obtained.
  • Kokswolke a very good heat and mass transfer is achieved, which can be used by means of the heater and the catalytic effect of the coke particles, in a simple manner a substantially
  • the cleavage of the tars can also be carried out a thermal cleavage of tars. Since the temperature required for a thermal conversion of the tars may be above the ash melting point, in procedural terms at least one appreciable part,
  • the majority of the tars are catalytically reacted. It is preferred if the tars, im
  • substantially solid fuels are understood to mean fuels which are at
  • biomass is used as fuel.
  • steam reforming may also be carried out at least partially, in particular if the at least one pyrolysis reactor
  • Water preferably in the form of water vapor, is supplied and / or the biomass has a corresponding moisture.
  • coconut cloud stands for an accumulation of
  • Coke particles entrained or at least suspended in a pyrolysis gas stream Coke particles entrained or at least suspended in a pyrolysis gas stream.
  • Coke particles are produced by pyrolysis of a solid fuel, in particular of biomass, in at least one
  • Pyrolysis reactor formed. If necessary, a comminution of the coke particles can take place in parallel or subsequently. In the at least one pyrolysis reactor and the pyrolysis gas is generated which keeps the coke particles in suspension or transported further in the flow direction of the pyrolysis gas.
  • the pyrolysis gas is usually tarry.
  • Tars are high molecular weight compounds with a correspondingly high boiling point. Although many of these compounds have boiling points below 250 ° C, they can cause problems. So-called primary tars are made by exceeding the boiling point of the biomass
  • secondary tars such as alkylated mono- and
  • Diaromatics including the heteroaromatic consist At high temperatures are increasingly also as
  • Höchtemperatur- or Rekombinationsteere designated tertiary tars such as benzene, naphthalene, phenanthrene, pyrene, benzopyrene in the pyrolysis gas, which are mainly formed by recombination of secondary tars.
  • a coke cloud reactor is understood to mean one which has a reaction space into which the coke cloud can penetrate and in which the coke particles of the
  • Gas flow are kept at least in the balance.
  • a bed material made of inert bedding is in the
  • coconut cloud reactor dispensed.
  • coke and any reaction products are in the form of solids
  • Kokswolkenreaktor can therefore be regarded as a synthesis gas reactor. Furthermore, a catalytic reaction of the tars contained in the gas stream takes place on the hot coke particles of the coke cloud. This reaction requires heat, for which purpose at least one heating device is provided in the coke cloud reactor.
  • pyrolysis gas leaving gas referred to as pyrolysis gas.
  • the gas in the coke cloud reactor is also called pyrolysis gas.
  • composition of the pyrolysis gas differs depending on where the pyrolysis gas is in the apparatus. However, for ease of understanding, the number of terms used should be kept low.
  • Kokswolkenreaktor arranged above the pyrolysis reactor such that the coke particles carried by the pyrolysis gas in the vertical direction of the pyrolysis reactor in the
  • Get coconut cloud reactor A purely vertical direction is preferred. However, an oblique, upward-pointing direction can still be included. The more vertical the direction the easier the device can be constructed and the lower the risk of deposits of
  • Coke particles in the device are Coke particles in the device.
  • the pyrolysis reactor and the coke cloud reactor need not be stacked. Both reactors can in principle also be arranged next to one another.
  • the pyrolysis gas carrying the coke particles can also be led to the side and fed to the lower part of the coke cloud reactor.
  • the flow rate of the pyrolysis gas should be large enough to segregation and / or
  • the pyrolysis reactor is a fluidized bed reactor with an inert bed material. Then the
  • the pyrolysis reactor has a stationary fluidized bed, this is favorable for the comminution of the coke.
  • the resulting small coke particles are sufficiently heated up to the core thereof, so that the primary tars emerge in the pyrolysis reactor and not in the coke cloud reactor.
  • most of the tars in the stationary fluidized bed are expelled from the coke.
  • an axial arrangement can also be understood to mean one in which the centers of the reactors are arranged approximately in alignment with one another.
  • At least one constriction of the free flow cross-section may locally be deliberately provided locally in the coke cloud reactor in order to subdivide the reaction space into corresponding sections and thus prevent backmixing as well as a short-circuit flow.
  • the at least one taper of the free flow cross section can be created for simplicity by at least one perforated plate and / or a nozzle bottom.
  • this may have a gas-permeable, porous region.
  • the heater may have a plurality of provided within the Kokswolkenreaktors tubes.
  • the heater may have a plurality of provided within the Kokswolkenreaktors tubes.
  • the heater may, if necessary, have a superficial tarerspaltering catalyst.
  • the catalytic conversion of the tars to the coke particles can still be supported.
  • the catalytic material can be provided on the gas-permeable, porous region, in particular on its pore system.
  • Kokswolkenreaktors then the synthesis gas is withdrawn. If the fluidizing gas has sufficient moisture for steam reforming, no further gas supply is required.
  • the coke cloud reactor When the coke cloud reactor is divided into various sections, it is preferable that the coke particles successively pass through the plurality of coke clouds formed in the serially arranged sections.
  • the coke cloud reactor can thus be regarded as a stirred tank cascade.
  • the heating of the coke cloud reactor is preferably carried out by a heating device arranged in the cross section of the coke cloud reactor, whereby a good heat transfer is achieved.
  • a cavity of the heater In order to increase the heat input into the Kokswolkenreaktor, a cavity of the heater a
  • oxygen-containing gas which oxidizes pyrolysis gas in a porous section of the heater.
  • Pyrolysis gas are sucked into the porous section, without this part of the pyrolysis gas would have to be deducted.
  • the tar contained in the pyrolysis gas in the porous portion of the heating device i. be implemented in its pore system, there provided on catalytic material. This is especially true if the mere increase in temperature for a corresponding implementation of the tars alone is insufficient.
  • the heating device can be arranged at least partially in the cross section of the coke cloud reactor. The heater then reduces the free flow cross-section for the cocaine cloud and can simultaneously a large
  • the coke cloud preferably flows similar to one
  • Kokswolkenreaktor can be considered reaction technology approximately as a tubular reactor.
  • the biomass is used in one embodiment in the
  • Kokswolkenreaktor is therefore preferably above the
  • Pyrolysis reactor arranged so that the pyrolysis gas with the Coking only has to flow upwards. Settling of coke particles in plant parts between the pyrolysis reactor and the synthesis gas reactor can thus be avoided.
  • the pyrolysis gas is reacted by means of a heater to at least largely tar-free synthesis gas.
  • the tars contained in the pyrolysis gas are catalytically destroyed on the hot coke particles, without the ash of the coke particles is melted.
  • the fluidizing gas is preferably that through the
  • Fluidized bed of flowing gas or gas mixture for swirling the bed material Under the actual synthesis gas, the product gas is understood, preferably a
  • the solid fuel or biomass are first pyrolyzed, ie decomposed into pyrolysis gas and coke.
  • the coke can then be crushed. This can be done for example by a method and an apparatus according to DE 198 07 988 AI. However, it is simpler, the pyrolysis in a, preferably stationary, fluidized bed with inert
  • Bed material perform.
  • the pyrolysis and the comminution of the coke are carried out simultaneously and in one apparatus or, if required, in a reactor, the comminution of the coke essentially taking place by abrasion with the inert bed material of the pyrolysis reactor.
  • the bed material is especially sand in question.
  • the advantage a stationary fluidized bed is also that the device according to the invention can be integrated into this apparatus.
  • Conditionally suitable for the pyrolysis is a
  • Fluidized bed reactor with circulating fluidized bed Depending on the mode of operation, coarser coke particles which are less suitable for the process according to the invention are then produced.
  • the temperature of the pyrolysis i. the temperature in the
  • Pyrolysis reactor may be between 400 ° C and 1000 ° C, preferably between 600 ° C to 850 ° C.
  • the temperature is preferably so high that both a pyrolysis and a steam reforming takes place in the pyrolysis reactor.
  • Reaction conditions are always to be selected in a manner known per se so that coke is still available for the coke cloud reactor.
  • the pyrolysis gas is introduced together with the coke particles in the heatable coke cloud reactor.
  • the coke particles should preferably be so fine that they are from the
  • the coke particles can be carried gas flow.
  • the coke particles can be carried gas flow.
  • the particles should preferably not be greater than 3 mm, because with larger particles, a high gas velocity must be selected to the coke particles from the
  • Transport pyrolysis reactor in the coconut cloud reactor has the consequence that the residence time in the coke cloud reactor is greatly reduced.
  • the particle size should be less than 1 mm.
  • the coke cloud reactor can be arranged above the pyrolysis reactor.
  • the reaction zone of the coke cloud reactor can begin directly above the pyrolysis reactor.
  • the coke particles can namely discharged from the pyrolysis gas against gravity from the pyrolysis reactor and the
  • Kokswolkenreaktor be supplied.
  • the coke particles ideally flow past the heater of the coke cloud reactor as a plug flow and are on their way to the
  • Preferred is a substantially vertical
  • the flow direction can basically also be slightly oblique. However, horizontal or even pointing in the direction of gravity flow directions are
  • the heating device can have a multiplicity of heating tubes oriented parallel to one another, which form narrow free flow cross sections between each other, as a result of which backmixing (turbulence) is largely avoided. Because of high coke loading of the pyrolysis gas
  • Kokswolkenreaktor be divided by cross-sectional constrictions in several sections. This can be done for example by perforated plates, in which the flow velocity in the holes is so high that no gas can flow back.
  • the Kokswolkenreaktor can then reaction technology as so-called Rhakkesselkaskade, ie series connection of several ideal stirred tank, are considered.
  • Rhakkesselkaskade ie series connection of several ideal stirred tank
  • Coking particles are split catalytically.
  • Heating device to be coated with a catalyst Parts of the heating device coming into contact with the pyrolysis gas can also be made of a catalyst. It is particularly advantageous if the heating device has porous tubes and / or is designed as an electric heater.
  • Nickel can be used as the catalytically active material.
  • Catalysts may be, for example, group VIII nickel-based catalysts
  • Periodic system which also destroy ammonia at the same time.
  • the doping of nickel-based catalysts with MgO, Zr0 2 and / or Zr0 2 -Al 2 0 3 may be advantageous.
  • the mass transfer can be improved by using pulsating pressure changes to the inner cavity of the tubes when using porous tubes.
  • the tubes may preferably be subjected to pressure changes of a frequency of 0.1 to 10,000 heart, preferably 5 to 500 Hz. Because of the absence of an inert bed material, such as sand (Si0 2 ), with potassium and phosphorus contained in the biomass, despite the heating of the coke cloud reactor no
  • Low-melting eutectics can be formed, otherwise problematic biomass can be used with high potassium and / or phosphorus content, whose ashes at
  • Coke particles are preferably predominantly or more preferably substantially by heat radiation. Due to the endothermic reaction in the implementation of
  • the Heater then has at least one porous section in which a portion of the pyrolysis gas is oxidized and heats the heater.
  • Heating device can be connected for example via perforated plates to the power supply, wherein the perforated plates simultaneously divide the reaction space of the coke cloud reactor into individual reaction zones.
  • Heating device is then or by similar measures partially adjustable.
  • the use of electrical energy is preferred because in the future electrical energy is not more valuable than thermal energy.
  • the method according to the invention makes it possible, with little expenditure on equipment, to largely remove tar by means of primary measures.
  • the ash is not melted and can therefore be used as a mineral fertilizer.
  • the heater preferably consists of a plurality of heaters. Heaters may be in the form of plates, tubes and / or rods.
  • Fig. 1 is a Kokswolkenreaktor, which together with a
  • Reactor device is integrated, and
  • Fig. 2 is a heating orcardi the heater of FIG. 1 in a sectional view.
  • Fig. 1 shows a reactor device 1, with a housing 5, in which a Kokswolkenreaktor 11 are included together with a pyrolysis reactor 16.
  • the pyrolysis reactor 16 is formed as a stationary fluidized bed reactor with a fluidized bed 6 of an inert bed material, the upper end of which is marked 8.
  • the nozzle bottom 7 forms the lower end of the fluidized bed 6, in which a designed as an electric heater heater 12 is provided.
  • stationary fluidized bed is heated by the heater 12 to a temperature of about 400 ° C to 1000 ° C, preferably from about 600 ° C to 850 ° C.
  • the pyrolysis of the biomass 2 introduced into the pyrolysis reactor 16 takes place.
  • the fluidized bed 6 is a fluidizing gas 3 supplied, which is the necessary amount
  • the pyrolysis gas i. the gas formed in the pyrolysis reactor 16 together with the in
  • Pyrolysis reactor 16 formed coke particles in the first portion 10 a of the coke cloud reactor 11, which with a
  • Heating device 18 is equipped and is arranged directly above the stationary fluidized bed 6 of the pyrolysis 16. In the illustrated and so far preferred
  • Kokswolkenreaktor 11 provided in a substantially tubular reactor housing one above the other.
  • the maximum size of the coke particles can be determined by selecting the conditions such as grain size, reactor size, throughput, pressure and / or
  • the heating device 18 has a plurality of heating tubes 13.
  • the heating tubes 13 form narrow channels as free
  • Kokswolkenreaktor 11 additionally perforated plates 9a-9c arranged, which divide the Kokswolkenreaktor 11 in the sections 10a to lOd. It could instead of perforated plates 9a- 9c too
  • Nozzle bottoms can be provided.
  • Kokswolkenreaktor 11 could be discharged and so passes as an impurity in the synthesis gas 4 as a product gas.
  • the energy for the heater 18 may come from any source. Shown is an electric heater with vertically arranged tubes 13. To adjust the heating power to the reaction progress, is a separately controllable heating in the individual sections 10b-10d of
  • the steam reforming therefore does not have to be operated so far that the solid fuel, for example in the form of biomass 2, is completely converted to synthesis gas 4 and ash. This may be preferred, but it may be for
  • a heating device 18 comprising porous tubes 13 can be used. These tubes 13 are provided with a pipe connection 17 and have at the end
  • Coconut cloud reactor 11 contained gases. It is also possible to provide the pipes with a pipe connection at each end and to pass the oxygen through.
  • the pyrolysis gas flows into the tubes 13 and meets the oxygen 15.
  • the pyrolysis gas reacts already in the pores with oxygen and heats the tube 13.
  • the oxidized gases can then over the second port can be removed for further use. In this case, so no combustion products get into the
  • Kokswolkenreaktor 11 In this method, however, adherent filter layers can form on the tubes 13. Therefore, these should be replaced from time to time with a pressure change. This method is therefore particularly suitable for the pyrolysis reactor 16, because the tubes 13 are then already scratched free by the bed material in the form of sand.
  • the coke cloud reactor 11 may choose the pressure of the oxygen 15 in the porous tubes 13 to be greater than in the coke cloud reactor 11. Then, the oxygen 15 passes through the pore system of the heater 18 in the Coconut cloud reactor 11 a. This leads to a partial oxidation of the pyrolysis gas and a corresponding

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Abstract

Dargestellt und beschrieben wird eine Vorrichtung (1) zur Herstellung von Synthesegas (4) aus im Wesentlichen festen Brennstoffen, vorzugsweise Biomasse (2), durch Dampf reformierung mit wenigstens einem Pyrolysereaktor (16) zur Bildung von teerhaltigem Pyrolysegas und Kokspartikeln. Um einfach und kostengünstig ein im Wesentlichen teerfreies Synthesegas erzeugen zu können, ist vorgesehen, dass wenigstens ein Kokswolkenreaktor (11) vorhanden ist und dass der Kokswolkenreaktor (11) wenigstens eine Heizeinrichtung (18) zur katalytischen Spaltung der Teere des Pyrolysegases aufweist.

Description

Synthesegasreaktor mit beheizter Kokswolke Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas aus im Wesentlichen festen Brennstoffen,
vorzugsweise Biomasse, durch Dampfreformierung mit wenigstens einem Pyrolysereaktor zur Bildung von teerhaltigem
Pyrolysegas und Kokspartikeln. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus im
Wesentlichen festen Brennstoffen, vorzugsweise Biomasse, durch Dampfreformierung.
Die Herstellung von Synthesegas aus Biomasse in stationären-Wirbelschichtreaktoren ist an sich bekannt. Zum Ausgleich der endothermen Reaktionsenthalpie bei der Synthesegasherstellung wird ein Teil der Biomasse mit Luft oxidiert. Das kann direkt durch Einleiten von Luft in den Düsenboden geschehen oder indirekt durch Verbrennen von Biomasse oder dem daraus gebildeten Koks in einem zweiten Reaktor, der mit dem ersten Reaktor durch ein umlaufendes Sandbett verbunden ist.
Das Synthesegas aus diesen Reaktoren enthält erhebliche Mengen an Teeren. Ein Grund für den hohen Teergehalt besteht darin, dass Biomassepartikel sehr schnell in die obere
Schicht der Wirbelschicht in einen Zustand gelangen und dort primäre und sekundäre Teere freisetzen können, die dann ohne eine nennenswerte weitere Umsetzung mit dem Produktgas abgezogen werden. Die nachträgliche Entfernung der Teere aus dem Synthesegas erfordert einen erheblichen Aufwand.
Der Teergehalt von in Wirbelschichtreaktoren mit
zirkulierender Wirbelschicht erzeugten Synthesegasen ist aus
BESTÄTfGUNGSKOPIE dem genannten Grund noch höher als in Reaktoren mit
stationärer Wirbelschicht.
Zur Verringerung des Teergehalts kann das Synthesegas in einem zweistufigen Prozess hergestellt werden. Zunächst wird der feste Brennstoff in einem Pyrolysereaktor unter
Freisetzung eines Pyrolysegases und Koks pyrolysiert.
Anschließend wird das Pyrolysegas bedarfsweise unter
Anwesenheit des Koks in einem Synthesegasreaktor mittels Wasserdampf reformiert und zu Synthesegas umgesetzt. Das so hergestellte Synthesegas weist jedoch noch einen
nennenswerten Teergehalt auf, der nachträglich nur sehr aufwändig zu entfernen ist. Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren ist, dass der Sauerstoff der zugeführten Luft direkt auf die heißen
Kokspartikel trifft und diese oxidiert . Die in den
Kokspartikeln enthaltenen Aschen können durch die dabei entstehenden hohen Temperaturen schmelzen. Das schränkt die vergasbaren Biomassen auf holzartige Biomassen ein, weil deren Aschen einen höheren Schmelzpunkt aufweisen.
In DE 10 2008 014 799 AI und DE 10 2008 032 166 AI wird beschrieben, dass der Teergehalt durch das serielle
Verschalten mehrerer Reaktoren mit stationären
Wirbelschichten vermindert werden kann. Diese Wirbelschichten werden mit inertem Bettmaterial betrieben. Der apparative Aufwand ist sehr hoch. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen einfach und kostengünstig ein im Wesentlichen teerfreies Synthesegas erzeugt werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 12 und 14 bis 21 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Vorrichtungsmäßig ist wenigstens ein Kokswolkenreaktor vorgesehen, wobei der Kokswolkenreaktor wenigstens eine Heizeinrichtung zur katalytischen Spaltung der Teere des Pyrolysegases aufweist.
Verfahrensmäßig ist vorgesehen, dass ein im Wesentlichen fester Brennstoff in wenigstens einem Pyrolysereaktor in Pyrolysegas und Koks zerlegt wird, wobei der Koks
gleichzeitig oder nachträglich in feine Kokspartikel zerkleinert wird. Die so erhaltenen Kokspartikel werden vom Pyrolysegas in wenigstens einen Kokswolkenreaktor getragen, der durch wenigstens eine Heizeinrichtung beheizt wird, so dass der im Pyrolysegas enthaltene Teer katalytisch an den Kokspartikeln umgesetzt wird. Es kommt dabei zu einer
Spaltung, einem sogenannten cracken, der Teere.
Neben einer katalytischen Spaltung der Teere des
Pyrolysegases kann auch eine thermische Spaltung der Teere erfolgen. Die thermische Spaltung der Teere erfolgt jedoch erst bei Temperaturen von beispielsweise 1300°C bis 1600°C.
Die katalytische Umsetzung an Kokspartikeln kann jedoch bereits bei Temperaturen von ca. 700°C bis 1000°C,
insbesondere con ca. 750°C bis 950°C, erfolgen, und zwar bedarfsweise so, dass ein im Wesentlichen teerfreies
Synthesegas erhalten werden kann. In der Kokswolke wird ein sehr guter Wärme- und Stoffaustausch erreicht, was mittels der Heizeinrichtung und der katalytischen Wirkung der Kokspartikel dazu genutzt werden kann, auf einfache Weise ein im Wesentlichen
teerfreies Synthesegas herzustellen.
Neben der katalytischen Umsetzung, also der Spaltung, der Teere kann auch eine thermische Spaltung der Teere erfolgen. Da die für eine thermische Umsetzung der Teere erforderliche Temperatur oberhalb des Ascheschmelzpunkts liegen kann, soll verfahrensmäßig wenigstens ein nennenswerter Teil,
vorzugsweise der überwiegende Teil der Teere katalytisch umgesetzt werden. Bevorzugt ist es, wenn die Teere, im
Wesentlichen katalytisch umgesetzt werden.
Unter "im Wesentlichen feste Brennstoffe" im Sinne der Erfindung werden Brennstoffe verstanden, die bei
Normalbedingungen ganz oder teilweise in festem
Aggregatzustand vorliegen. Vorzugsweise wird Biomasse als Brennstoff eingesetzt.
Im Pyrolysereaktor kann neben der reinen Pyrolyse auch wenigstens teilweise eine Dampfreformierung erfolgen, insbesondere wenn dem wenigstens einen Pyrolysereaktor
Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf, zugeführt wird und/oder die Biomasse eine entsprechende Feuchte aufweist.
Der Begriff Kokswolke steht für eine Ansammlung von
Kokspartikeln, die von einem Pyrolysegasstrom mitgerissen oder wenigstens in der Schwebe gehalten werden. Die
Kokspartikel werden durch Pyrolyse eines festen Brennstoffs, insbesondere von Biomasse, im wenigstens einen
Pyrolysereaktor gebildet. Bedarfsweise kann parallel oder nachträglich eine Zerkleinerung der Kokspartikel erfolgen. Im wenigstens einen Pyrolysereaktor wird auch das Pyrolysegas erzeugt, das die Kokspartikel in der Schwebe hält bzw. in Strömungsrichtung des Pyrolysegases weitertransportiert. Das Pyrolysegas ist in der Regel teerhaltig.
Bei Teeren handelt es sich um hochmolekulare Verbindungen mit einem entsprechend hohen Siedepunkt. Wenngleich viele dieser Verbindungen Siedepunkte unter 250°C aufweisen, können diese zu Problemen führen. Sogenannte primäre Teere werden durch Überschreiten der Siedetemperatur aus der Biomasse
ausgetrieben. Aus den primären Teeren bilden sich sogenannte sekundäre Teere, die etwa aus alkylierten Mono- und
Diaromaten einschließlich der Heteroaromaten bestehen. Bei hohen Temperaturen finden sich zunehmend auch als
Höchtemperatur- oder Rekombinationsteere bezeichnete tertiäre Teere wie Benzol, Naphthalin, Phenanthren, Pyren, Benzopyren im Pyrolysegas, die vorwiegend durch Rekombination sekundären Teere gebildet werden.
Unter einem Kokswolkenreaktor wird ein solcher verstanden, der einen Reaktionsraum aufweist, in den die Kokswolke eindringen kann und in dem die Kokspartikel von der
Gasströmung wenigstens in der Schwebe gehalten werden. Auf ein Bettmaterial aus inertem Bettmaterial wird im
Kokswolkenreaktor verzichtet. Vorzugsweise sind lediglich der Koks und etwaige Reaktionsprodukte als Feststoffe im
Kokswolkenreaktor vorhanden. Im Kokswolkenreaktor erfolgt vorzugsweise eine
Dampfreformierung, wobei auch bereits im Pyrolysereaktor teilweise eine Dampfreformierung erfolgen kann. Der
Kokswolkenreaktor kann also als Synthesegasreaktor angesehen werden. Ferner erfolgt eine katalytische Umsetzung der im Gastrom enthaltenen Teere an den heißen Kokspartikeln der Kokswolke. Diese Umsetzung bedarf einer Wärmezufuhr, wozu im Kokswolkenreaktor wenigstens eine Heizeinrichtung vorgesehen ist .
Im Folgenden wird der Einfachheit halber das Gas innerhalb des Pyrolysereaktörs sowie das den Pyrolysereaktor
verlassende Gas als Pyrolysegas bezeichnet. Auch das Gas im Kokswolkenreaktor wird als Pyrolysegas bezeichnet.
Selbstverständlich unterscheidet sich die Zusammensetzung des Pyrolysegases in Abhängigkeit davon, wo sich das Pyrolysegas in der Vorrichtung befindet. Es soll jedoch der leichteren Verständlichkeit halber die Anzahl der verwendeten Begriffe gering gehalten werden.
Ferner werden der Einfachheit halber vorrichtungsmäßige und verfahrensmäßige Weiterbildungen zusammen beschrieben, wobei der Fachmann der Beschreibung die Merkmale der jeweils bevorzugten Ausgestaltungen entnimmt.
Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist der
Kokswolkenreaktor derart oberhalb des Pyrolysereaktors angeordnet, dass die Kokspartikel vom Pyrolysegas getragen in vertikaler Richtung vom Pyrolysereaktor in den
Kokswolkenreaktor gelangen. Eine rein vertikale Richtung ist zwar bevorzugt. Eine schräge, nach oben weisende Richtung kann jedoch noch mit umfasst sein. Je vertikaler die Richtung desto einfacher kann die Vorrichtung aufgebaut werden und desto geringer ist die Gefahr von Ablagerungen von
Kokspartikeln in der Vorrichtung. Der Pyrolysereaktor und der Kokswolkenreaktor müssen jedoch nicht übereinander angeordnet sein. Beide Reaktoren können grundsätzlich auch nebeneinander angeordnet sein. Das die Kokspartikel tragende Pyrolysegas kann dazu auch zur Seite geführt und dem unteren Teil des Kokswolkenreaktors zugeführt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegases sollte dabei groß genug sein, um eine Entmischung und/oder
Ablagerungen zu verhindern.
Vorzugsweise ist. der Pyrolysereaktor ein Wirbelschichtreaktor mit einem inerten Bettmaterial. Dann erfolgt die
Zerkleinerung des Kokses parallel zu dessen Herstellung. Die Herstellung und Zerkleinerung des Kokses kann jedoch auch auf andere Art erfolgen. Der Koks könnte dann anschließen einer Pyrolysegasströmung zugegeben werden, um Kokswolken für den Kokswolkenreaktor zu bilden. Dieses Vorgehen ist jedoch auf ändiger und daher weniger bevorzugt .
Weist der Pyrolysereaktor eine stationäre Wirbelschicht auf, ist dies günstig für die Zerkleinerung des Kokses . Die dabei entstehenden kleinen Kokspartikeln sind bis in den Kern derselben ausreichend aufgeheizt, so dass die primären Teere im Pyrolysereaktor und nicht im Kokswolkenreaktor austreten. Zudem wird in der stationäre Wirbelschicht ein Großteil der Teere aus dem Koks ausgetrieben.
Eine kompakte Bauform wird erhalten, wenn der Pyrolysereaktor und der Kokswolkenreaktor im Wesentlichen axial übereinander angeordnet sind. Wenn die Reaktoren etwa kreisrunde
Querschnitte aufweisen, bietet sich eine konzentrische Anordnung derselben an. Unter einer axialen Anordnung kann bei Abwesenheit von entsprechenden Mittelinien auch eine solche verstanden werden, bei der die Mitten der Reaktoren etwa fluchtend zueinander angeordnet sind.
Sehr platzsparend und konstruktiv einfach ist es, wenn der Pyrolysereaktor und der Kokswolkenreaktor gemeinsam im Wesentlichen einen zylindrischen Schuss bilden. Dabei sind die jeweiligen Querschnitte vorzugsweise im Wesentlichen konstant .
Allerdings kann im Kokswolkenreaktor lokal absichtlich wenigstens eine Verengung des freien Strömungsquerschnitts vorgesehen werden, um den Reaktionsraum in entsprechende Abschnitte zu unterteilen und so eine Rückvermischung ebenso zu verhindern wie eine Kurzschlussströmung. Die wenigstens eine Verjüngung des freien Strömungsquerschnitts kann der Einfachheit halber durch wenigstens ein Lochblech und/oder einen Düsenboden geschaffen werden.
Für einen effektiven Betrieb der Heizeinrichtung kann diese einen gasdurchlässigen, porösen Bereich aufweisen.
Konstruktiv einfach lässt sich dies durch ein poröses Rohr erreichen.
Zum Verteilen der Wärmeübertragungsfläche im
Kokswolkenreaktor kann die Heizeinrichtung eine Mehrzahl von innerhalb des Kokswolkenreaktors vorgesehenen Rohren aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der
gasdurchlässige, poröse Bereich elektrisch beheizt sein, so dass eine einfache und effiziente Beheizung des Kokswolkenreaktors erreicht wird.
Zudem kann die Heizeinrichtung bedarfsweise oberflächlich einen teerspaltenden Katalysator aufweisen. Dadurch kann die katalytische Umsetzung der Teere an den Kokspartikeln noch unterstützt werden. Der größeren Oberfläche wegen kann das katalytische Material am gasdurchlässigen, porösen Bereich, insbesondere an dessen Porensystem, vorgesehen sein.
Wenn der Pyrolysereaktor eine Wirbelschicht aufweist, wird unterhalb dieser ein Wirbelgas zugeführt . Am Kopf des
Kokswolkenreaktors wird dann das Synthesegas abgezogen. Wenn das Wirbelgas genügend Feuchtigkeit für die Dampfreformierung aufweist, ist keine weitere Gaszuführung erforderlich.
Wenn der Kokswolkenreaktor in verschiedene Abschnitte unterteilt ist, durchlaufen die Kokspartikel vorzugsweise nacheinander die Mehrzahl der in den seriell angeordneten Abschnitten gebildeten Kokswolken. Reaktionstechnisch kann der Kokswolkenreaktor somit als Rührkesselkaskade angesehen werden .
Die Beheizung des Kokswolkenreaktors erfolgt vorzugsweise durch eine im Querschnitt des Kokswolkenreaktors angeordnete Heizeinrichtung, wodurch ein guter Wärmeübergang erreicht wird. Um den Wärmeeintrag in den Kokswolkenreaktor zu erhöhen, kann einem Hohlraum der Heizeinrichtung ein
sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden, das in einem porösen Abschnitt der Heizeinrichtung Pyrolysegas oxidiert . Wird dem Hohlraum der Heizeinrichtung ein dynamischer
Druckwechsel aufgeprägt, bei dem sich die Strömungsrichtung des Gases im porösen Abschnitt immer wieder umgekehrt, kann der Wärmeübergang verbessert und kokspartikelfreies
Pyrolysegas in den porösen Abschnitt eingesaugt werden, ohne dass dieser Teil des Pyrolysegases abgezogen werden müsste.
Alternativ oder zusätzlich kann der im Pyrolysegas enthaltene Teer im porösen Abschnitt der Heizanrichtung, d.h. in dessen Porensystem, an dort vorgesehenem katalytischen Material umgesetzt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die reine Temperaturerhöhung für eine entsprechende Umsetzung der Teere alleine nicht ausreicht. Die Heizeinrichtung kann wenigstens teilweise im Querschnitt des Kokswolkenreaktors angeordnet sein. Die Heizeinrichtung verringert dann den freien Strömungsquerschnitt für die Kokswolke und kann gleichzeitig eine große
Wärmeübertragungsfläche bereitstellen. Im Kokswolkenreaktor strömt die Kokswolke vorzugsweise ähnlich einer
Pfropfenströmung in Strömungsrichtung des Gases . Der
Kokswolkenreaktor kann reaktionstechnisch näherungsweise als Rohrreaktor angesehen werden. Die Biomasse wird bei einer Ausführungsform in der
Wirbelschicht zunächst nicht vollständig umsetzt. Es bleibt noch Koks in fein verteilter Form übrig. Dieser Koks kann zusammen mit dem teerhaltigen Pyrolysegas als Kokswolke in dem nachgeschalteten erfindungsgemäßen Kokswolkenreaktor zur katalytischen Umsetzung des Teers genutzt werden. Der
Kokswolkenreaktor ist daher vorzugsweise oberhalb des
Pyrolysereaktors angeordnet, so dass das Pyrolysegas mit den Kokspartikeln nur nach oben strömen muss . Ein Absetzen von Kokspartikeln in Anlagenteilen zwischen dem Pyrolysereaktor und dem Synthesegasreaktor kann so vermieden werden. Im Kokswolkenreaktor wird das Pyrolysegas mit Hilfe einer Heizung zu jedenfalls weitgehend teerfreiem Synthesegas umgesetzt. Die im Pyrolysegas enthaltenen Teere werden dabei katalytisch an den heißen Kokspartikeln zerstört, ohne dass die Asche der Kokspartikel aufgeschmolzen wird.
Unter dem Wirbelgas wird das Gas bzw. das Gasgemisch
verstanden, das dem Pyrolysereaktor zugeführt wird, selbst wenn es sich dabei nicht um einen Wirbelschichtreaktor handeln sollte. Im Falle eines Wirbelschichtreaktors handelt es sich bei dem Wirbelgas vorzugsweise um das durch die
Wirbelschicht strömende Gas bzw. Gasgemisch zur Verwirbelung des Bettmaterials. Unter dem eigentlichen Synthesegas wird das Produktgas verstanden, das vorzugsweise eine
Synthesegaszusammensetzung aufweist .
Der feste Brennstoff oder die Biomasse werden zunächst pyrolysiert, also in Pyrolysegas und Koks zerlegt. Der Koks kann anschließend zerkleinert werden. Das kann beispielsweise durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß DE 198 07 988 AI erfolgen. Einfacher ist es jedoch, die Pyrolyse in einer, vorzugsweise stationären, Wirbelschicht mit inertem
Bettmaterial durchzuführen. In der Wirbelschicht erfolgen die Pyrolyse und die Zerkleinerung des Kokses gleichzeitig und in einem Apparat bzw. bedarfsweise in einem Reaktor, wobei die Zerkleinerung des Kokses im Wesentlichen durch Abrasion mit dem inerten Bettmaterial des Pyrolysereaktors erfolgt. Als Bettmaterial kommt insbesondere Sand in Frage. Der Vorteil einer stationären Wirbelschicht ist auch, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in diesen Apparat integrieren lässt . Für die Pyrolyse bedingt geeignet ist ein
Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht. Je nach Betriebsweise entstehen dann gröbere Kokspartikel, die für das erfindungsgemäße Verfahren weniger gut geeignet sind. Die Temperatur der Pyrolyse, d.h. die Temperatur im
Pyrolysereaktor, kann zwischen 400°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 600°C bis 850°C, liegen. Die Temperatur ist dabei vorzugsweise so hoch, dass sowohl eine Pyrolyse als auch eine Dampfreformierung im Pyrolysereaktor stattfindet. Die
Reaktionsbedingungen sind in an sich bekannter Weise stets so zu wählen, dass noch Koks für den Kokswolkenreaktor zur Verfügung steht .
Das Pyrolysegas wird zusammen mit den Kokspartikeln in den beheizbaren Kokswolkenreaktor eingeleitet. Die Kokspartikel sollen vorzugsweise so fein sein, dass sie von der
Gasströmung getragen werden. Die Kokspartikel können
beispielsweise im Wesentlichen staubförmig vorliegen. Die Partikel sollten vorzugsweise nicht größer als 3 mm sein, weil bei größeren Partikeln eine hohe Gasgeschwindigkeit gewählt werden muss, um die Kokspartikel aus dem
Pyrolysereaktor in den Kokswolkenreaktor zu transportieren. Die höhere Gasgeschwindigkeit hat jedoch zur Folge, dass sich die Verweilzeit im Kokswolkenreaktor stark verkürzt.
Vorzugsweise sollte die Partikelgröße kleiner als 1 mm sein. Der Kokswolkenreaktor kann oberhalb äes Pyrolysereaktors angeordnet sein. Vorzugsweise kann die Reaktionszone des Kokswolkenreaktors direkt über dem Pyrolysereaktor beginnen. Die Kokspartikel können nämlich vom Pyrolysegas entgegen der Schwerkraft aus dem Pyrolysereaktor ausgetragen und dem
Kokswolkenreaktor zugeführt werden. Die Kokspartikel strömen idealerweise als Pfropfenströmung an der Heizeinrichtung des Kokswolkenreaktors vorbei und werden auf ihrem Weg zum
Ausgang des Kokswolkenreaktors bei hohen Temperaturen mit Wasserdampf zu Synthesegas umgesetzt.
Bevorzugt ist eine im Wesentlichen vertikale
Strömungsrichtung der Kokswolke im Kokswolkenreaktor und bedarfsweise auch zwischen dem Pyrolysereaktor und dem
Kokswolkenreaktor. Die Strömungsrichtung kann grundsätzlich auch leicht schräg sein. Horizontale oder gar in Richtung der Schwerkraft weisende Strömungsrichtungen sind jedoch
grundsätzlich weniger bevorzugt, weil sich dann Kokspartikel in entsprechenden Anlagenteilen absetzen können.
Eine Annäherung an eine ideale Pfropfenströmung kann dadurch geschaffen werden, dass die Heizeinrichtung so ausgebildet wird, dass schmale senkrechte Kanäle entstehen. So kann die Heizeinrichtung beispielsweise eine Vielzahl an parallel zueinander ausgerichteten Heizrohren aufweisen, die zwischen einander schmale freie Strömungsquerschnitte bilden, wodurch einen Rückvermischung (Turbulenzen) weitgehend vermieden wird. Da wegen hoher Koksbeladung des Pyrolysegases
Turbulenzen nicht leicht zu vermeiden sind, kann der
Kokswolkenreaktor durch Querschnittsverengungen in mehrere Abschnitte unterteilt werden. Das kann beispielsweise durch Lochbleche geschehen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit in den Löchern so hoch ist, dass kein Gas zurückströmen kann. Der Kokswolkenreaktor kann dann reaktionstechnisch als sogenannte Rührkesselkaskade, d.h. Reihenschaltung mehrerer idealer Rührkessel, betrachtet werden. Durch die Mehrzahl der Abschnitte, die jeweils für sich reaktionstechnisch als einzelner Rührkessel betrachtetet werden können, kommt ein solcher Kokswolkenreaktor einer idealen Pfropfenströmung vorzugsweise recht nahe, und zwar umso mehr, je mehr
Abschnitte vorgesehen werden.
Es ist bekannt, dass Teere bei hohen Temperaturen an
Kokspartikeln katalytisch gespalten werden. In einer
Kokswolke, wie hier beschrieben, werden dazu ideale
Voraussetzungen geschaffen. Es wird eine hohe Verweilzeit erreicht, weil kein inertes Bettmaterial das Reaktionsvolumen verkleinert. Der Stoffaustausch in der Kokswolke ist
wesentlich höher als in der Gasblase einer Wirbelschicht, die mit inertem Bettmaterial betrieben wird. Zur Unterstützung der katalytischen Teerspaltung kann die
Heizeinrichtung mit einem Katalysator beschichtet werden. Mit dem Pyrolysegas in Kontakt kommende Teile der Heizeinrichtung können auch aus einem Katalysator gefertigt sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heizeinrichtung poröse Rohre aufweist und/oder als elektrische Heizung ausgebildet ist.
Bei Verwendung poröser, einen Katalysator aufweisender Rohre steht eine hohe katalytisch wirksame Oberfläche zur
Verfügung. Als katalytisch aktives Material kann Nickel verwendet werden. Katalysatoren können beispielsweise nickelbasierte Katalysatoren der Gruppe VIII des
Periodensystems sein, die zugleich auch Ammoniak zerstören. Auch die Dotierung nickelbasierter Katalysatoren mit MgO, Zr02 und/oder Zr02-Al203 kann vorteilhaft sein.
Der Stoffaustausch lässt sich bei Verwendung poröser Rohre durch Anlegen von pulsierenden Druckwechseln an den inneren Hohlraum der Rohre verbessern. Die Rohre können vorzugsweise mit Druckwechseln einer Frequenz von 0,1 bis 10.000 Herz, vorzugsweise von 5 bis 500 Hz, beaufschlagt werden. Weil durch das Fehlen eines inerten Bettmaterials, wie Sand (Si02) , mit in der Biomasse enthaltenem Kalium und Phosphor trotz der Beheizung des Kokswolkenreaktors keine
niedrigschmelzenden Eutektika gebildet werden können, sind auch ansonsten problematische Biomassen mit hohem Kalium- und/oder Phosphorgehalt nutzbar, deren Asche bei
entsprechenden Prozessbedingungen unter Verwendung von Sand als Bettmaterial schmelzen würden. Besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang K20*4Si02, da der Schmelzpunkt dieser Verbindung bei ca. 760 °C liegt.
Die Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung auf die
Kokspartikel erfolgt vorzugsweise überwiegend oder weiter vorzugsweise im Wesentlichen durch Wärmestrahlung. Bedingt durch die endotherme Reaktion bei der Umsetzung der
Kokspartikel zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff im
Kokswolkenreaktor (C + C02 = 2CO + 159,9 kJ/mol; C + H20 = CO + H2 + 118,5 kJ/mol) sind die Kokspartikel stets kälter als die strahlende Heizung. Anstelle von elektrischer Energie kann zum Betrieb der
Heizeinrichtung dieser auch ein sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft oder Sauerstoff, zugeführt werden. Die Heizeinrichtung weist dann wenigstens einen porösen Abschnitt auf, in dem ein Teil des Pyrolysegases oxidiert wird und die Heizeinrichtung erwärmt. Es lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein breiteres Spektrum von Biomassen einsetzen als mit Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen die Kokspartikel durch Zugabe von Sauerstoff eine Temperaturerhöhung von mehr als 100°C erfahren, wodurch die enthaltene Asche schmelzen kann.
Um die Heizleistung an den Reaktionsfortschritt anzupassen, kann die Heizeinrichtung entlang des Reaktionspfades
segmentiert sein. Am einfachsten ist das mit einer
elektrischen Heizeinrichtung möglich. Eine elektrische
Heizeinrichtung kann beispielsweise über Lochbleche an die Spannungsversorgung angeschlossen sein, wobei die Lochbleche gleichzeitig den Reaktionsraum des Kokswolkenreaktors in einzelne Reaktionszonen unterteilen. Die elektrische
Heizeinrichtung ist dann oder durch ähnliche Maßnahmen abschnittsweise regelbar. Die Verwendung elektrischer Energie wird bevorzugt, da zukünftig elektrische Energie nicht wertvoller ist als Wärmeenergie.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit geringem apparativen Aufwand eine weitgehende Entfernung von Teeren durch primäre Maßnahmen. Das heißt, dass sekundäre Maßnahmen zur Teerentfernung im Sinne zusätzlicher Verfahrensschritte, etwa zur katalytischen Umsetzung oder zur Abscheidung von Teeren, entbehrlich sind (End of Pipe) . Es erweitert auch das Spektrum der einsetzbaren Biomassen. Die Asche wird dabei nicht aufgeschmolzen und kann daher als Mineraldünger verwendet werden. Die Heizeinrichtung besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Heizvorrichtungen. Heizvorrichtungen können in Form von Platten, Rohren und/oder Stäben ausgebildet sein.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Kokswolkenreaktor, der zusammen mit einem
Wirbelschichtreaktor in eine gemeinsame
Reaktoreinrichtung integriert ist, und
Fig. 2 eine Heiz orrichtung der Heizeinrichtung gemäß Fig. 1 in einer Schnittansicht.
Die Fig. 1 zeigt eine Reaktoreinrichtung 1, mit einem Gehäuse 5, in welchem ein Kokswolkenreaktor 11 zusammen mit einem Pyrolysereaktor 16 enthalten sind. Der Pyrolysereaktor 16 ist als stationärer Wirbelschichtreaktor mit einer Wirbelschicht 6 eines inerten Bettmaterials ausgebildet, deren oberes Ende mit 8 gekennzeichnet ist. Der Düsenboden 7 bildet das untere Ende der Wirbelschicht 6, in der eine als Elektroheizung ausgebildete Heizeinrichtung 12 vorgesehen ist . Die
stationäre Wirbelschicht wird durch die Heizeinrichtung 12 auf eine Temperatur von etwa 400°C bis 1000°C, vorzugsweise von etwa 600°C bis 850°C aufgeheizt. Bei der entsprechenden Temperatur erfolgt die Pyrolyse der in den Pyrolysereaktor 16 eingebrachten Biomasse 2. Zur Zerkleinerung des aus der Biomasse 2 gebildeten Kokses durch mechanischen Abrieb ist der Betrieb der Wirbelschicht 6 mit einem inerten
Bettmaterial, wie Sand, vorgesehen. Der Wirbelschicht 6 wird ein Wirbelgas 3 zugeführt, das die notwendige Menge
Wasserdampf zur vollständigen Reformierung der Biomasse 2 enthält. Es ist folglich keine weitere Wasserdampfzugäbe außer über das Wirbelgas 3 erforderlich.
Vom Pyrolysereaktor 16 gelangt das Pyrolysegas, d.h. das im Pyrolysereaktor 16 gebildete Gas, zusammen mit den im
Pyrolysereaktor 16 gebildeten Kokspartikeln in den ersten Abschnitt 10a des Kokswolkenreaktors 11, der mit einer
Heizeinrichtung 18 ausgestattet ist und direkt oberhalb der stationären Wirbelschicht 6 des Pyrolyserektors 16 angeordnet ist. Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten
Vorrichtung sind der Pyrolysereaktor 16 und der
Kokswolkenreaktor 11 in einem im Wesentlichen rohrförmigen Reaktorgehäuse übereinander vorgesehen. Die maximale Größe der Kokspartikel lasst sich durch Wahl der Bedingungen wie Sandkorngröße, Reaktorgröße, Durchsatz, Druck und/oder
Temperatur, festlegen. Bei der dargestellten und insoweit bevorzugten Vorrichtung weist die Heizeinrichtung 18 mehrere Heizrohre 13 auf. Die Heizrohre 13 bilden dabei enge Kanäle als freie
Strömungsquerschnitte zwischen den Heizrohren 13, die ein Rückströmen der Kokswolken behindern. Um das Rückströmen der Kokswolken zusätzlich zu unterbinden, sind im
Kokswolkenreaktor 11 zusätzlich Lochbleche 9a- 9c angeordnet, die den Kokswolkenreaktor 11 in die Abschnitte 10a bis lOd unterteilen. Es könnten statt Lochblechen 9a- 9c auch
Düsenböden vorgesehen sein. Durch einen geeigneten
Druckverlust über die Lochbleche 9a- 9c, lässt sich eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit in den Löchern einstellen, dass eine Rückströmung von Gas und/oder Kokspartikeln verhindert wird. Dadurch können sogenannte Kurzschlusströmungen
verhindert werden, durch die das teerhaltige Gas in einem einzigen Wirbel bei sehr kurzer Verweilzeit aus dem
Kokswolkenreaktor 11 ausgetragen werden könnte und so als Verunreinigung in das Synthesegas 4 als Produktgas gelangt.
Die Energie für die Heizeinrichtung 18 kann aus beliebigen Quellen stammen. Dargestellt ist eine Elektroheizung mit senkrecht angeordneten Rohren 13. Um die Heizleistung dem Reaktionsfortschritt anzupassen, ist eine getrennt regelbare Heizung in den einzelnen Abschnitten 10b-10d des
Kokswolkenreaktors 11 zweckmäßig. Die elektrische
Kontaktierung der Heizeinrichtung 18 und/oder einzelner Abschnitte der Heizeinrichtung kann dann direkt über die Lochbleche 9a- 9c erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass mit dem Produktgas, d.h. dem Synthesegas 4, ein Teil des Kokses ausgetragen wird, um diesen in der Landwirtschaft als Bodenverbesserer zu
verwenden. Die Dampfreformierung muss also nicht soweit betrieben werden, dass der feste Brennstoff, etwa in Form von Biomasse 2, vollständig zu Synthesegas 4 und Asche umgesetzt wird. Dies kann bevorzugt sein, allerdings kann es zur
Mineraldüngergewinnung auch bevorzugt sein, wenn die
Umsetzung nur soweit erfolgt, dass neben der Asche auch ein Teil der Kokspartikel ausgetragen wird. Diese können
vorzugsweise mit dem Synthesegas 4 ausgetragen und auf bekannte Weise abgeschieden werden. Eine Kreislaufführung der Kokspartikel ist zwar möglich aber aufgrund des
verfahrenstechnischen und apparativen Aufwands nicht
bevorzugt . Ist billiger Sauerstoff 15 verfügbar, bietet es sich an, die Heizeinrichtung 18 mit Sauerstoff 15 zu betreiben. Diese Methode eignet sich sowohl zur Beheizung des Pyrolysereaktors 16 als auch zur Beheizung des Kokswolkenreaktors 11. Dazu kann man, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Heizeinrichtung 18 umfassend poröse Rohre 13 verwenden. Diese Rohre 13 sind mit einem Rohranschluss 17 versehen und besitzen am Ende
beispielsweise einen Verschluss 1 . Der Sauerstoff 15 strömt nun durch die porösen Rohre 13 und oxidiert die im
Kokswolkenreaktor 11 enthaltenen Gase. Man kann die Rohre auch an jedem Ende mit einem Rohranschluss versehen und den Sauerstoff hindurch leiten.
Wählt man in den Rohren 13 einen geringeren Druck als im Kokswolkenreaktor 11, strömt das Pyrolysegas in die Rohre 13 und trifft dort auf den Sauerstoff 15. Das Pyrolysegas reagiert schon in den Poren mit Sauerstoff und erhitzt das Rohr 13. Die oxidierten Gase können dann über den zweiten Anschluss zur weiteren Verwendung abgezogen werden. In diesem Fall gelangen also keine Verbrennungsprodukte in den
Kokswolkenreaktor 11. Bei dieser Methode können sich jedoch festhaftende Filterschichten an den Rohren 13 bilden. Daher sollten diese von Zeit zu Zeit mit einem Druckwechsel abgelöst werden. Diese Methode eignet sich daher insbesondere für den Pyrolysereaktor 16, weil die Rohre 13 dann bereits durch das Bettmaterial in Form von Sand ständig freigekratzt werden.
Bevorzugt für den Kokswolkenreaktor 11 kann es sein, den Druck des Sauerstoffs 15 in den porösen Rohren 13 größer zu wählen als im Kokswolkenreaktor 11. Dann tritt der Sauerstoff 15 durch das Porensystem der Heizeinrichtung 18 in den Kokswolkenreaktor 11 ein. Dabei kommt es zu einer partiellen Oxidation des Pyrolysegases und einer entsprechenden
Wärmeentwicklung . Eine Methode, die Oberfläche der porösen Rohre 13 frei zu halten und den Stoffaustausch zu intensivieren, besteht darin, in den Rohren IS pulsierende Druckwechsel zu erzeugen. Das kann mit an sich bekannten Vorrichtungen geschehen. Diese Methode eignet sich besonders in Verbindung mit einer katalytischen Ausrüstung der porösen Rohre zur Zerstörung von Teeren. Bei Wahl einer geeigneten Frequenz und Amplitude der Druckwechsel kann im Wesentlichen das gesamte Porensystem des Rohres 13 zur Teerspaltung genutzt werden. Ein katalytischer Effekt wird auch ohne die Durchleitung von Sauerstoff erreicht, wenngleich das Durchleiten von geringen Mengen Sauerstoff 15 von innen nach außen effektiver ist.
Bezugszeichenliste
1 Wirbelschichtreaktor
2 Biomasse
3 Wirbelgas
4 Synthesegas
5 Reaktorgehäuse
6 Wirbelschicht
7 Düsenboden
8 Wirbelschichtende
9a-c Lochbleche
lOa-d Reaktorabschnitte
11 Kokswolkenreaktor
12 Heizrohre, Pyrolysereaktor
13 Heizrohre, Kokswolkenreaktor
14 Rohrabschluss
15 Sauerstoff
16 Pyrolysereaktor
17 Rohranschluss
18 Heizeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Herstellung von Synthesegas (4) aus im Wesentlichen festen Brennstoffen, vorzugsweise Biomasse (2) , durch Dampfreformierung mit wenigstens einem
Pyrolysereaktor (16) zur Bildung von teerhaltigem
Pyrolysegas und Kokspartikeln, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t , d a s s wenigstens ein Kokswolkenreaktor (11) vorgesehen ist und dass der
Kokswolkenreaktor (11} wenigstens eine Heizeinrichtung (18) zur katalytischen Spaltung der Teere des
Pyrolysegases aufweist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Kokswolkenreaktor (11) derart oberhalb des
Pyrolysereaktors (16) angeordnet ist, so dass die
Kokspartikel vom Pyrolysegas getragen in vertikaler
Richtung vom Pyrolysereaktor (16) in den Kokswolkenreaktor (11) gelangen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s . der Pyrolysereaktor (16) ein Wirbelschichtreaktor mit einem inerten Bettmaterial ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Pyrolysereaktor (16) eine stationäre Wirbelschicht (6) aufweist . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Pyrolysereaktor (16) und der Kokswolkenreaktor (11) im Wesentlichen axial, vorzugsweise konzentrisch,
übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Pyrolysereaktor (16) und der Kokswolkenreaktor (11) gemeinsam im Wesentlichen einen zylindrischen Schuss mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Kokswolkenreaktor (11) durch wenigstens eine Verengung des freien Strömungsquerschnitts in verschiedene
Abschnitte unterteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Kokswolkenreaktor (11) durch wenigstens ein Lochblech (9a- 9c) und/oder Düsenboden in verschiedene Abschnitte unterteilt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Heizeinrichtung (18) ein gasdurchlässigen, porösen Bereich, vorzugsweise in Form wenigstens eines Rohrs (13) , aufweist .
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Heizeinrichtung (18) eine Mehrzahl von innerhalb des Kokswolkenreaktors (11) vorgesehenen Heizvorrichtungen, vorzugsweise in Form von Rohren (13) , aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der gasdurchlässige, poröse Bereich der Heizeinrichtung (18) elektrisch beheizt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Heizeinrichtung oberflächlich, vorzugsweise am gasdurchlässigen, porösen Bereich, einen teerspaltenden Katalysator aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus im
Wesentlichen festen Brennstoffen, vorzugsweise Biomasse, durch Dampfreformierung, bei dem ein im Wesentlichen fester Brennstoff in wenigstens einem Pyrolysereaktor in Pyrolysegas und Koks zerlegt wird, bei dem der Koks in Kokspartikel zerkleinert wird, bei dem die Kokspartikel vom Pyrolysegas in wenigstens einen Kokswolkenreaktor getragen werden, bei dem der Kokswolkenreaktor durch wenigstens eine Heizeinrichtung beheizt wird und bei dem im Pyrolysegas enthaltene Teere an den Kokspartikeln katalytisch umgesetzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13 ,
bei dem der Koks durch wenigstens eine Wirbelschicht des Pyrolysereaktors in Kokspartikel zerkleinert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
bei dem dem Pyrolysereaktor unterhalb der Wirbelschicht ein Wirbelgas zugeführt wird und bei dem am Kopf des Kokswolkenreaktors das Synthesegas abgezogen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 ,
bei dem die Kokspartikel im Kokswolkenreaktor nacheinander eine Mehrzahl von aus Kokswolken gebildeten
Wirbelschichten durchlaufen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
bei dem der Kokswolkenreaktor durch eine im Querschnitt des Kokswolkenreaktors angeordnete Heizeinrichtung beheizt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
bei dem einem Hohlraum der Heizeinrichtung ein
sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird und bei dem
Pyrolysegases durch das sauerstoffhaltige Gas in einem porösen Abschnitt der Heizeinrichtung oxidiert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
bei dem ein poröser Abschnitt der Heizeinrichtung
elektrisch beheizt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19,
bei dem dem Hohlraum der Heizeinrichtung ein dynamischer Druckwechsel aufgeprägt wird und bei dem die
Strömungsrichtung des Gases im porösen Abschnitt infolge des Druckwechsels dynamisch umgekehrt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem im Pyrolysegas enthaltener Teer im porösen Abschnitt der Heizeinrichtung an dort vorgesehenem katalytischen Material umgesetzt wird.
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