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Gebiet der Erfindung:
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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 ihrer natürlichen
Konsistenz im ersten, simultan ablaufenden Schritt der Vergasungsreaktion
(allotherm oder autotherm) einen reaktionsträgen 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 INCOX100-Prozesses zur
hocheffizienten Erzeugung von elektrischer Energie.
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Das
Vergasungsverfahren integriert die theoretisch und praktisch verfügbaren,
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.
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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 benötigten Enthalpiestromes in 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
benötigten Enthalpieströme nicht innerhalb des
Prozesses erzeugt, sondern räumlich getrennt und durch
Konvektion, Wärmeübergang (SPOT-Verfahren) oder
Strahlung dem Vergasungsprozess zugeführt.
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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.
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Literatur
für Zirkulierende Wirbelschicht im Verbundsystem, die Bestandteil
dieser Anmeldung ist, kann der folgenden Literatur entnommen werden: „Dezentrale
Strom- und Wärmeerzeugung auf Basis Biomasse-Vergasung",
R. Rauch, H. Hofbauer; Vortrag Uni Leipzig 2004.
„Zirkulierende
Wirbelschicht, Vergasung mit Luft, Operation Experience with CfB-Technology
for Waste Utilisation at a Cement Produktion Plant", R. Wirthwein,
P. Scur, K.-F. Scharf, Rüdersdorfer Zement GmbH; H. Hirschfelder – Lurgi
Energie und Entsorgungs GmbH; 7th. International Conference an Circulating
Fluidized Bed Technologies; Niagara Falls Mai 2002.
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Die
SPOT-Entwicklungen beschränken den Reaktionsdruck des Vergasungsprozesses
auf den Bereich niedriger Drücke, 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.
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Die
Wirbelschichtvergaser lassen sich in zwei Verfahren unterteilen:
den zirkulierenden und den stationären Wirbelschichtvergaser.
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In
Güssing (Österreich) wurde Anfang 2002 eine allotherme,
zirkulierende Wirbelschicht-Vergasungsanlage in Betrieb genommen.
Die Biomasse wird in einer Wirbelschicht mit Dampf als Oxidationsmittel
vergast. Zur Wärmebereitstellung 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.
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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.
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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 Wärmeeintrag
in das im Reaktor befindliche Wirbelbett ermöglichen. Im
Folgenden wird dieses Verfahren als SPOT-Verfahren bezeichnet.
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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. 800°C)
gewährleistet. Das Verfahren ist technisch umsetzbar, es zeichnet
sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Die Anschaffungskosten
liegen unter den vorgenannten Vergasertypen.
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Der SPOT-Kombi-Vergasungsprozess
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Das
Spektrum wurde um biogene Einsatzstoffe erweitert, die zur Bildung
eines reaktionsträgen 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.
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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.
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Verfahren
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Als
Ergebnis bleibt festzuhalten, dass über die Prozessrouten
SPOT-Vergasung mittels SPOT-Vergasungsverfahren und/oder SPOT-Kombi-Vergasungsprozess
ein Synthesegas aus biogenen Einsatzstoffen verfügbar ist,
aus dem in selektiver Synthese über verschiedene Prozessstufen
in hoher Ausbeute der synthetische Treibstoff DME (Dimethylether)
hergestellt wird; so lassen sich aus 100 to Einsatzstoff bis zu
41 to synthetischer Treibstoff (DME) erzeugen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren basiert auf den eingangs
erwähnten Patentanmeldungen, einem allothermen Wirbelschichtvergasungsverfahren mit
speziellem Impulsbrenner zur Erzeugung der für die Vergasungsreaktion
benötigten Reaktionswärme, vorgesehen zum Einsatz
von Eigengas oder sogenannten Off-Gasen aus den Weiterverarbeitungsprozessen
des Biosynthesegases zu den Endprodukten.
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Dieser
Vergaser wird um eine parallel arbeitende Vergasungsstufe erweitert,
in der der sich während 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.
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Mit
dieser Anordnung lassen sich die Umsetzungsgrade von biogenen Einsatzstoffen,
die als Vergasungszwischenstufe (intermediär) reaktionsträgen Pyrolysekoks
bilden, auf Werte deutlich über 95% anheben. Die anfallenden
Aschen bilden damit wegen ihres Silikatgehaltes einen ausgezeichneten
hochwertigen Bio-Silica-Rohstoff.
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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 wässrigen
Waschflüssigkeit 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.
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Für
den Einsatz biogener Vergasungsstoffe, die zur Bildung eines reaktionsträgen
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
gefördert. Dieser ebenfalls nahe atmoshpärisch
betriebene Vergaser wird mit Sauerstoff/Dampf als Vergasungsmittel
bei Temperaturen bis über 1.000°C 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.
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Diese
Erfindung integriert die Prozessrouten entsprechend 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 INCOX100-Verfahren.
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Überblick über die Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung hat die Erzeugung von dem synthetischen Treibstoff
DME und der Erzeugung elektrischer/mechanischer Energie im Rahmen
des INCOX100-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 verfügbaren Produkt. Neben dem Einsatz
als Treibstoff ist die Verwendung als Flüssiggas Ersatz und
als chemischer Rohstoff möglich.
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Das
DME eignet sich vorzüglich zum Einsatz für INCOX100
(Internal Combustion Box), das in der Zweitakt-Ausführung
derzeit bis zu einer mechanischen Leistung von 100 MW/h zur Verfügung
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.
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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 reaktionsträge biogene Einsatzstoffe, die intermediär
zur Bildung reaktionsträgen Pyrolysekokses neigen, der sich
im allothermen Vergasungsschritt des SPOT-Verfahrens durch die hier
begrenzte maximale Vergasungstemperatur nur unzureichend zu Biosynthesegas
umsetzen lässt.
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Die
Vergasung des gesamten Spektrums möglicher biogener Einsatzstoffe,
auch die zur Erzeugung des Biosynthesegases und seiner Folgeprodukte
einen reaktionsträgen Pyrolysekoks bildenden, ist die der
Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe. Gelöst wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche.
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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.
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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 Erdölchemie
hergestellten Produkte ist. Die in der folgenden Beschreibung aufgezeigten,
vorgeschlagenen Prozessrouten stehen damit exemplarisch für
die Möglichkeiten, sind aber auch die Schlüsselprozesse,
die die Schnittstelle zwischen den erneuerbaren Ressourcen und den
weiteren chemischen Prozesse auf der Grundlage eines geschlossenen
Kreislaufes bilden.
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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 grundsätzlichen
Reaktionsbedingungen, für stark wässrige und nur
wenig Masseprozent an Feststoffen enthaltenden Biomassen (z. B.
Gülle).
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Die
Ausführung der Vergasung mit zwei Vergasungsstufen erlaubt,
Einsatzstoffe, die sehr reaktionsträgen Pyrolysekoks bilden,
einzusetzen.
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Nebenprodukte
und regenerative Biomassen, Power Greenies, Futtermittel, auch Abfälle
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 Durchführung 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 Verfügung steht. Letzterer Weg führt über
die technisch aufwendige, energetisch durch die thermodynamischen
Umwandlungsprozesse wirkungsarmen Erzeugung von elektrischer Energie
und der anschließenden Produktion von Sauerstoff.
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Der
Einsatz der Teilstromvergasung, d. h. des im allothermen Vergaser
nicht ausreichend umgesetzten Pyrolysekokses ändert diese
Aussage nicht grundlegend.
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Diese
Konzeption erlaubt somit alle zur Produktion benötigten
Energien CO2-neutral – d. h. als Netto CO2-Verbraucher – auszuführen
durch z. B. Harnstoffsynthese, durch die der CO2-Anteil des Synthesegases
erhöht und dieser Anteil an CO2 mit umgesetzt wird, herzustellen.
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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 Reaktionswärme
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 INCOX100-Prozesses.
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Im
Einzelnen werden folgende Punkte betrachtet:
- 1.
SPOT-Kombi-Vergasungsprozess
- 2. Einsatz von Off. Purge und anderen in den Down-Stream-Prozessen
entstehenden brennfähigen Gasen zur Erzeugung der Prozesswärme der
Vergasungsreaktion in den Impulsbrennern des allothermen SPOT-Vergasungsprozess
- 3. Mechanische, physikalische Gasreinigung einschließlich
Gasverdichtung
- 4. Erzeugung von DME auf Basis Biosynthesegas
- 5. Erzeugung von mechanischer Energie (Antriebsleistung) und
elektrischer Energie mit DME als Einsatzstoff
- 6. Typische Leistungsdaten des INCOXl00-Prozesses
- 7. Stromerzeugung durch Einsatz von DME im Rahmen des INCOX100-Prozesses
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Erzeugung der folgenden Produkte mit Biosynthesegas
als Ausgangsbasis (1)
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- – 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 (Dünger-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 Internal Combustion Box (Wärmekraftmaschine
mit innerer Verbrennung) ebenfalls zur Erzeugung von mechanischer
Energie und prioritär 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 Siliziumdioxid (SiO2) als notwendiges Hilfsmittel für die
Produktion von Stahl, Keramik, Mörtel oder Zement, Dünger,
Papier, Kunststoff, Kosmetik etc. benötigt.
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Im
Folgenden werden nochmals die schon in den Patentschriften dargelegten,
modular aufgebauten Prozessrouten erläutert.
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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.
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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.
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Das
mittels seinem molaren CO/H2-Verhältnis 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 Ausführung
ist beispielhaft für eine Reihe möglicher Prozessschaltungen,
die die Funktionalität zur Reduzierung des CO2 auf eine
für die nachfolgenden Synthesen tolerablen Anteil und Entfernung
der als Katalysatorgifte auftretenden Spurenstoffe erfüllen.
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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.
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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 benötigten
Reaktionswärme eingesetzt werden kann.
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In 11 ist
die Anwendung als Schiffsantrieb abgebildet, hier ein Zweitakt-Großmotor,
Langsamläufer, Drehzahlbereich um 100 rpm. Für
die Anwendung als Stromerzeugungsanlage, bei einer verfügbaren
Leistung der Maschinen bis 100 MW/h, sind Kraftwerksblöcke
bis 1.000 MW/h unproblematisch darzustellen. Diese Maschinen erreichen
mit Abgasnutzung (Abgasturbine und Abgaswärmenutzung mit Dampfturbine)
Wirkungsgrade deutlich über 70%. Damit dieser hohe Anteil
an mechanischer Energie für den Generator zur Verfügung
steht, zeigt sich diese Kombination als das technisch überlegene
Konzept im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung für
den Nutzanteil der Niedertemperatur-Wärme.
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Beschreibung der Abbildungen (Figuren):
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1a–1c 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.
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2:
zweistufiger SPOT-Kombi-Vergasungsprozess
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3:
zeigt die Schaltungsvariantenversorgung der Impulsbrenner mit Brenngas.
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4 zeigt
eine Übersicht über die Entstaubung, das Quenchen,
die Kühlung und die Verdichtung.
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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.
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7:
DME Synthese aus Synthesegas der Spot-Vergasungs-Prozesse
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8:
INCOX100 Strom allgemein
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9:
INCOX100 spezifische Leistungsdaten
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10:
INCOX100 Anwendung als Antrieb von Schiffen
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11:
INCOX100 Ausschnitt als Beispiel Stromerzeugung stationär
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen:
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Es
folgt eine Beschreibung des SPOT-Kombi-Vergasungsprozess, der Prozessroute
zur Erzeugung des synthetischen Treibstoffes DME sowie diesen Einsatz
im Rahmen des INCOX100-Prozesses sowie Gasturbine, Kessel etc. zur
Stromerzeugung und/oder mechanischer (Wellen) Leistung, wie sie
in 1a bis 1c ersichtlich
sind.
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Gegenstand
der vorliegenden Anmeldung ist eine Erweiterung dieser Technologie,
um das Spektrum der Einsatzstoffe auf biogene Einsatzstoffe ausweiten
zu können, die zur Bildung eines reaktionsträgen
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
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 Naturdünger – wird
ausgeschleust. In 2 ist die Schaltung des zweistufigen
SPOT-Vergasungsprozesses dargestellt.
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Die
folgende Beschreibung ist beispielhaft für die Anordnung
einer zweiten Vergasungsstufe parallel zu einem SPOT-allothermen
Vergaser. Die Wahl des Durchsatzes und des Durchsatzverhältnisses
zwischen allothermer Vergasung und autothermen Vergasung ist frei
und hängt von den spezifischen Einsatzbedingungen, d. h.
von den eingesetzten biogenen Einsatzstoffen ab. Die vorliegende
Erfindung erlegt hier keine Einschränkungen bezüglich des
Durchsatzverhältnisses der beiden Vergasungstypen.
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Der
Einsatzstoff Power Greenies wird dem Vergasungssystem bevorzugt
in der ersten Stufe dem allothermen SPOT Vergaser mit integrierter
Prozesswärmeerzeugung 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.
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Die
mit dem Einsatzstoff eingetragene Asche wird zusammen mit nicht
umgesetztem Pyrolysekoks, im Falle von Einsatzstoffen mit Bildung
reaktionsträgen 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.
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In
dieser Stufe, die nach dem Prinzip der expandierten oder zirkulierenden
Wirbelschicht arbeitet, wird mit Sauerstoff/ Dampf als Vergasungsmittel bei
Temperaturen bis 1.500°C 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 Wärmebilanz,
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 bewährte Verteilungssystem, die Rückführung
des Bettmaterials aus dem expandierten Wirbelbett erfolgt über
Zyklon (hochbeladener) mit dynamischer Abdichtung auf der Feststoffseite
durch eine Sperrstrecke.
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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.
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Die
Nutzung von Restgasen (Off- oder Purge-Gasen) der Folgeprozesse
(Down-Stream-Prozesse) als Brennstoff für die Impulsbrenner
wird im Folgenden beschrieben.
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Die
Ausführung 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 Kreisläufen anfallen,
als Brennstoff für das Impulsbrenner-System (Impulsbrenner
und integrierte Pilotbrenner) einzusetzen.
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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
Reaktionswärme der Vergasungsreaktionen genutzt. Die Impulsbrenner
und die integrierten Pilotbrenner sind zu diesem Zwecke mit mehreren
unabhängigen Versorgungssträngen 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 3 Schaltungsvarianten,
Versorgung der Impulsbrenner mit Brenngas). Eine weitere mögliche
Variante ist die Verwendung dieser Off-Gase als Brenngase der Ímpulsbrenner, nachdem
diese z. B. durch Abtrennung von H2, das als Reaktant z. B. in der
Methanolsynthese eingesetzt werden kann, aufbereitet wurden.
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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 benötigten
Einsatzstoffe (Brennstoffe der Impulsbrenner) ist auch der Einsatz
des aus Bio-Synthesegas erzeugten DME (Dimethylether) möglich
und im Sinne dieser Erfindung.
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Der
Einsatz einer mechanischen Gasreinigung und Feinentstaubung mittels
Multizyklon und Sintermetallfilter (Gaskonditionierung vor Verdichtung
des Bio-Synthesegases) ist dabei vorgesehen. Es ist eine Verdichtung
des Bio-Synthesegases und in Folge aus thermodynamischen und maschinentechnischen
Erfordernissen heraus die Abkühlung des Produktgases auf
einen Temperaturbereich vorzugsweise unter 100°C erforderlich.
In diesem Temperaturbereich kondensieren, insbesondere im Anfahrbetrieb,
die in Spuren im Bio-Synthesegas vorhandenen kondensierbaren Kohlenwasserstoffe
aus.
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Das
folgend beschriebene Konzept, die mechanische Reinigung des Bio-Synthesegases
in der beschriebenen Prozessstufe (4) und die
Kühlung in der bevorzugt mit Öl, Bio-Diesel oder
anderen geeigneten Wasch- und Kühlmedien betriebenen Prozessstufe
gewährleistet 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.
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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 Industrieöfen (z. B. Drehrohröfen
zur Herstellung von gebranntem Kalk, Zementöfen etc.)
- – 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.
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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 zugänglich oder über die
intermediäre Stufe Methanol, ohne dessen Isolierung. In
der Abbildung 7 ist ein Überblick über
die Prozessroute der DME-Erzeugung aus Biosynthesegas gegeben. Neben
der CO-Konvertierung, der Gaswäsche, umfassen die Prozess-Routen
jeweils die gesamte Gaserzeugung nach dem SPOT-Verfahren oder dem
SPOT-Kombi-Vergasungsprozess mit den Reinigungsstufen und der Verdichtung.
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Die
folgende Beschreibung konzentriert sich auf 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 Anwendungsfälle
für INCOX100, Gasturbine und der Vollständigkeit
halber Dampfkessel.
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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.
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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 verfügbar. Einmal über das isolierte
(kondensierte Methanol) und direkt über das Produktgas
der Methanolsynthese über das gasförmige Methanol.
Beides sind katalytische Prozesse.
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Die
folgende Beschreibung der DME-Synthese auf der Basis Biosynthesegas
folgt der Darstellung in 7.
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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-Lösung 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.
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Nach
weiterer Verdichtung des konvertierten, von CO2 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
in einer weiteren Prozessstufe zu DME umgesetzt.
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Aus
der Methanolsynthese wird zur Gleichgewichtseinstellung, das heißt
Begrenzung des Anteils nicht umsetzbarer Komponenten, das Purge-Gas
abgetrennt, das nach Abtrennung des Wasserstoffanteils dem SPOT-Vergasungsprozess
zur Erzeugung der Prozesswärme zugeführt wird.
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Die
Stromerzeugung aus biogenen Einsatzstoffen, allothermer Vergasung
im SPOT-Vergasungsverfahren und direkter Verbrennung des konditionierten
Gases nach Gasreinigung, Verdichtung und eventueller Kühlung
sowie in der/den Brennkammer/n der Gasturbine, im Kessel, in direkt
befeuerten Industrieöfen und in Verbrennungsmotoren (Großmotore)
wurde in der Patentanmeldung 10 2007 004 294.0 ausführlich
beschrieben.
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Mit
dem synthetischen Treibstoff DME auf Basis Biosynthesegas steht
allerdings ein klimaneutraler Einsatzstoff zur Verfügung,
der durch Einsatz in Kessel und Gasturbine – wie industrieller
Wärmequelle zur dezentralen Wärmeerzeugung – im INCOX100-Prozess
zur Erzeugung von elektrischem Strom und als Antrieb z. B. von Schiffen,
als Treibstoff in Fahrzeugen und als Substitut für Flüssiggas
zur Verfügung. Diese Anwendungen sind in der Abbildung 1c aufgeführt.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz des auf Basis des Biosynthesegases
hergestellten Produktes im Rahmen des INCOX100-Prozesses beschrieben.
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INCOX100
ist ein Prozess, dessen Kernstück die Internal Combustion
Box darstellt. Diese Internal Combustion Box ist ein Verbrennungsaggregat mit
interner Verbrennung, integrierter Verbrennungsluftverdichtung und
Abgasexpansion. Diese Vorrichtung steht in Zwei- und Viertakt-Ausführung
bis zu Leistungsgrößen von 100 MW/h el. zur Verfügung.
In beiden Fällen wird die Energie des Rauchgasstromes der
Verbrennung nach der internen Expansion mittels Abgasturbine und
durch Abwärmenutzung, Dampferzeugung und Nutzung in Dampfturbine
sowie optional mittels Wärmekraftkopplung zur Erzeugung
von mechanischer Energie und/oder Strom genutzt. Anwendung dieser
Technologie im Bereich der Stromerzeugung führt ohne Probleme
durch die technisch verfügbare Modulleistung von 100 MW/h
zu möglichen Stromerzeugungsanlagen (INCOX100-Kraftwerke)
von 1.000 MW/h und mehr.
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Weiterer
wesentlicher Aspekt des INCOX100-Prozesses ist die Aufladung der
Verbrennungsluft zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades der
Maschine, das Erreichen eines hohen, technisch erzielbaren Innendruckes,
der während 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.
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Zusätzlich
ist die Auskopplung von Wärme zu Heizzwecken (Wärme-Kraft-Kopplung)
vorgesehen. Dieser Prozess erreicht mit der beschriebenen Abgasnutzung
mechanische Wirkungsgrade deutlich über 70%. Mit integrierter
Wärme-Kraft-Kopplung lässt sich, zumindest theoretisch,
dieser Wirkungsgrad nochmals um über 15 Wirkungsgradpunkte
steigern. Dieses erfindungsgemäße Konzept mit
Wärme-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-Wärme-Kopplung,
da hier der Nutzanteil Nieder temperatur/Wärme für
Heizungszwecke geringer ist, die aber nicht permanent abgenommen
werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „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 [0004]
- - „Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung auf Basis
Biomasse-Vergasung”, R. Rauch, H. Hofbauer; Vortrag Uni
Leipzig 2004 [0005]
- - „Zirkulierende Wirbelschicht, Vergasung mit Luft, Operation
Experience with CfB-Technology for Waste Utilisation at a Cement
Produktion Plant”, R. Wirthwein, P. Scur, K.-F. Scharf,
Rüdersdorfer Zement GmbH; H. Hirschfelder – Lurgi
Energie und Entsorgungs GmbH; 7th. International Conference an Circulating
Fluidized Bed Technologies; Niagara Falls Mai 2002 [0005]