Herstellung von Synthesegas aus Bioslurry

Kennzeichen des Karlsruher BTL-Verfahrens ist ein heisser, pumpfähiger Bioslurry als Feed für einen Flugstrom-Druckvergaser mit Kühlschirm. Slurries sind vor allem bei hohen Drucken oberhalb des Synthesedrucks einfacher zu handhaben als Brennstoffpulver und machen eine aufwendige Zwischenkompression des Syngases unnötig. Slurries oder deren prozesstechnische Vorstufen wie Pasten oder teergetränkte Kokskrümel haben eine ca. 10 mal höhere Dichte als beispielsweise Strohballen. Sie lassen sich daher kompakter lagern und mit der elektrifizierten Bahn in Silowagen kostengünstig auch zu einer weit entfernten Grossanlage transportieren. Nach eingehender Studien der vorhandenen Gaserzeungungstechnologien wurde von uns der GSP-Vergaser (Gaskombinat Schwarze Pumpe) zur Vergasung ausgewählt.

Der gewählte Flugstrom-Druckvergaser wurde vor ca. 25 Jahre im ehemaligen Deutschen Brennstoff-Institut (DBI) in Freiberg für die mitteldeutsche Salzbraunkohle entwickelt. Diese enthält ähnlich wie trockene Gräser oder Getreidestroh 5 bis 10% Asche und ein bis einige Prozent Alkalichloride. Ein 130 MW-Vergaser dieses sog. GSP-Typs ist seit 15 Jahren in Schwarze Pumpe mit unterschiedlichen Einsatzstoffen erfolgreich in Betrieb. Hauptmerkmal ist ein druckfester, zylindrischer Stahlmantel in den ein mit 250°C Druckwasser gekühlter, leichter Zylinderschirm mit SiC-Liner eingehängt ist. In der Vergaserachse brennt eine heisse Vergaserflamme von oben nach unten und auf der Schirminnenwand läuft ein dünner Schlackepelz (< 20 Pas) als Korrosionsschutz langsam nach unten ab. Vorteile der Schirmkonstruktion sind (1) Eignung für aschereiche Brennstoffe mit korrosiver Schlacke, (2) schnelles An- und Abfahren aufgrund der geringen Wärmekapazität, (3) hohe Durchsätze sowie hohe Betriebsdrucke und Temperaturen, die in wenigen Sekunden Verweilzeit einen vollständigen C-Umsatz und ein teerfreies Gas garantieren. Hohe Drucke oberhalb des Synthesedrucks verbessern auch die Schlackeabscheidung, erleichtern die Syngasreinigung und ermöglichen niedrigere Vergastemperaturen. Letzteres spart O2 und verbessert den Kaltgaswirkungsgrad.

Die Vergasung konzentrierter Bioslurries mit Feststoffgehalten bis 39 Gew.% wurde im 3–5 MW Flugstrom-Pilotvergaser im ehemaligen DBI Freiberg, jetzt Siemens Fuel Gasification Technology erprobt. Bei Betriebsbedingungen von 26 bar, 1600 bis 1200°C wurden unterschiedlichen Slurries mit bis zu 0.6 t/h Durchsatz in den Vergaser gepumpt und dort mit reinem Sauerstoff (ohne Wasserdampfzusatz) zerstäubt. Technischer Sauerstoff stellt zwar einen signifikanten Kostenfaktor dar, der aber wieder durch die geringen Gasvolumina, die für die anschließende Synthese zu reinigen sind, ausgeglichen wird. Ein kleiner N₂ –Strom wird aus Sicherheitsaspekten als Spülgas verwendet

Typische Zusammensetzung von Synthesegas

Die Tabelle zeigt eine typische Gaszusammensetzung des Rohsynthesegases, das wir in unseren Kampagnen erhalten haben. Die Zusammensetzung des Syntheserohgases lässt sich wegen der hohen Vergasertemperatur mit brauchbarer Genauigkeit aus dem Gleichgewicht der homogenen Shiftreaktion CO+H₂O D.CO₂+H₂; abschätzen, wenn die Brennstoffzusammensetzung und die Vergasungstemperatur bekannt sind. Für typische Biomasseslurries (~ C₆H₉O₄) und ~ 1200°C Vergasertemperatur erwartet man ~ 50 Vol.% CO, ~ 30 Vol.% H₂,10 bis 15 Vol.% CO₂ und einige Prozent N₂ im trockenen Synthesegas. Das bei einem Pilotvergaser ungünstige Verhältnis von Oberfläche zu Volumen führt zu höheren Wärmeverlusten die einem höheren CO₂ Gehalt im Synthesegas verursachen. Bei größeren technischen Vergasern reduziert sich dieser Anteile erheblich.

Erstarrte Schlacke aus dem GSP-Vergaser.

Verfahrenskonzept der Herstellung von Synthesegas aus Slurrie