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Dipl.-Ing. Meinolf Trondt 
 
Consulting&Engineering

 

 

Vergasung

In  Zusammenhang mit der 1. und 2. Ölkrise  Ende der 60iger / Anfang der 70iger Jahre  des letzten Jahrhunderts wurden weltweit die bereits aus den 30iger Jahren bekannten (Kohle-) Vergasungsverfahren wieder aufgegriffen und weiterentwickelt, insbesondere im Hinblick auf Betrieb unter hohem Druck und Umweltverträglichkeit . Ziel war es damals, langfristig die Abhängigkeit vom Rohöl der OPEC zu verringern.  

In Zusammenhang mit der CO2-Problematik richtet sich heute das Interesse an der Vergasung (in Kombination mit Gasturbine und/oder Brennstoffzelle) auf

  • den Einsatz von Biomasse (insbesondere  Holz)  bei Stromerzeugung und Bereitstellung von synthetischen Kraftstoffen sowie
  • eine angestrebte Wirkungsgraderhöhung bei der Stromerzeugung auf Basis Kohle und Biomasse gegenüber konventionellen Verfahren.

Was  versteht man unter Vergasung?

Unter Vergasung versteht man die Umsetzung eines kohlenstoffhaltigen festen oder flüssigen Stoffes (z.B. Kohle, Biomasse, Öl) mit einem Vergasungsmittel (Sauerstoff/Luft, Dampf)  in sog. Synthesegas, das als Hauptkomponenten H2, H2O, CO, CO2 und CH4 enthält. Als weitere Komponenten sind im Produktgas H2S, COS, HCl, NH3, HCN und - abhängig vom Verfahren  - ggflls. auch höhere Kohlenwasserstoffe /Teeröle enthalten.

Die Zusammensetzung des Gases ist abhängig von

  • der Zusammensetzung des Einsatzstoffes,  
  • der Art und Menge des bzw. der Vergasungsmittel,
  • den Reaktionsbedingungen Temperatur und Druck sowie 
  • den durch  das gewählte Vergasungsverfahren vorgegebenen kinetischen Randbedingungen.

 

Vergasungs-Prinzipien

Bei den sog. autothermen Verfahren wird die für die Vergasung erforderliche Reaktionswärme durch Teilverbrennung des Einsatzstoffes im Vergasungs-Reaktor zur Verfügung gestellt.

Bei den sog. allothermen Verfahren wird die Reaktionswärme unabhängig von der eigentlichen Vergasung extern erzeugt und von außen durch indirekten Wärmeaustausch in den Reaktor übertragen.   

 

Vergasungs-Verfahren für Kohle und Biomasse

Einsatzstoff

(Kohle/Biomasse)

Vergasungstemperatur

Typischer Vergasungsdruck

Festbett-Vergasung

stückig ( 5 bis 80 mm)

Kohle: nicht „backend“

ca 800°C  

(bis 1100°C)

bis 30 bar

Wirbelschicht-Vergasung

feinkörnig   (< 5 mm)

Kohle: hohe Reaktivität

bis 1000°C

bis 30 bar

Flugstrom-Vergasung

staubförmig ( < 100 µm)

Biomasse:nur nach Aufbereitung z.B.Pyrolyse

bis 1800°C

bis 60 bar

 

Theoretische Grundlagen der Vergasung

Die Zusammensetzung des Produktgases der Vergasung lässt sich (mit bestimmten Einschränkungen) mit Hilfe thermodynamischer Modelle  berechnen. 

Bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Massen- und Energiebilanz wird die Zusammensetzung bezüglich der Hauptkomponenten durch die folgenden fundamentalen Gleichungen bestimmt

CO + H2O = H2 + CO2      mit  Kp (T) = ( p H2 * p CO2 )/( p CO* p H2O)       (Shift Conversion)

CO +3 H2 =CH4 + H2O      mit Kp (T) = ( p CH4 * p H2O)  ) / ( p CO * p³ H2)   (Methanation)                         

Die Gleichgewichtskonstante Kp kann Tabellenwerken direkt entnommen oder alternativ auf Basis der freien Enthalpie ∆G (ebenfalls Tabellenwerken zu entnehmen) gemäß

ln Kp (T) = -  ∆G(T) / (R*T)      mit R = 8,314 J/(mol*K)

berechnet werden. Die „Gleichgewichtstemperaturen“ , die  für die Bestimmung von Kp zu Grunde gelegt werden, müssen  aus den Betriebsergebnissen existierender Anlagen abgeleitet werden, da  sie von der tatsächlichen Vergasungstemperatur abweichen können . 

 

Massen- und Energiebilanz für eine Flugstrom-Vergasung

Das folgende Bild zeigt das Fliessschema einer Flugstrom-Vergasung, für die die Massen- und Energiebilanz berechnet wurde

 

Für die Gasflammkohle der angegebenen Zusammensetzung ergibt sich bei

 1500 °C und 30 bar 

durch Rechnung die folgende Massen- und Energiebilanz.

 

Einsatzgebiete

Mögliche Einsatzgebiete für die Vergasung sind  (siehe oben)

  • die Brenngaserzeugung für GUD (Gas- und Dampfturbinen) - Kraftwerke
  • die Wasserstoff- / Brenngaserzeugung für zukünftige Brennstoffzellenkraftwerke
  • die Wasserstoff- / Synthesegaserzeugung für den Chemiebereich (z.B. für Methanol- und Fischer-Tropsch-Synthese)

 

Gasreinigung und Gasbehandlung

In Abhängigkeit der  weiteren Nutzung (als Brenngas, Synthesegas, Wasserstoff) ist das Produktgas der Vergasung  weiteren Behandlungsschritten zu unterziehen , z.B. Entstaubung, Entschwefelung, Abscheidung sonstiger Gaskomponenten, die z.B. als Katalysatorgifte wirken, Konvertierung, Wasserstoffkonzentrierung.