AT394202B

AT394202B - Verfahren zur vergasung von kohle mit anschliessender crackung

Info

Publication number: AT394202B
Application number: AT0318787A
Authority: AT
Inventors: Sven Eriksson; Sven Santen
Original assignee: Skf Steel Eng Ab
Priority date: 1986-12-04
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1992-02-25
Also published as: NL8702912A; DK635387D0; GB2198142A; AU606900B2; BE1001620A3; FI875320A; ATA318787A; GB2198142B; SE8605211L; GB8728316D0; AU8199087A; FI875320A0; FR2607824B1; JPS63213594A; DE3740788A1; RU1776272C; CH676124A5; FR2607824A1; LU87065A1; US4936874A

Description

AT 394 202 B

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von Kohle mit anschließender Crackung, wobei die Kohle im Gegenstrom mit Luft in einem Schacht zu einem Gas mit einer Temperatur von etwa 500 °C, das außer H2, CO und N2 Schwefelverbindungen und Teersubstanzen enthält, vergast wird, welches Gas Verfahren zur Entfernung der Teersubstanzen unterzogen wird, bevor es durch einen Dolomit- oder Kalkschacht zur Entfernung der Schwefelveibindungen durchgeleitet wird.

Die Verwendung von Kohle für die Herstellung von Energie wird durch emstzunehmende Umweltfaktoren, die mit der Verbrennung von Kohle verbunden sind, behindert. Das Hauptproblem ist die Abgabe von säurebildenden Substanzen, wie Schwefel und Stickoxide. Es wurde bis zu einem gewissen Grad versucht, dieses Problem durch verschiedene Waschschritte zu lösen, doch ist dies mit einer wesentlichen Vermehrung der Kosten verbunden, und es ist extrem schwierig oder unmöglich, mittels herkömmlicher Technologie den Reinheitsgrad zu erreichen, der verlangt wird, wenn Kohle als führendes Rohprodukt für Energie akzeptiert werden soll.

Diese Probleme können gelöst werden, indem zuerst die Kohle vergast wird und dann durch Verbrennung des erzeugten Gases Energie erzeugt wird. Es ist relativ einfach, einen hohen Reinheitsgrad, d. h. mehr als 95 %, in bezug auf Schwefel im reduzierenden Kohlegas zu erreichen, und da die Verbrennung dann einen gasförmigen Brennstoff betrifft, kann sie so arrangiert werden, daß wesentlich weniger Stickoxid gebildet wird, als es bei festen oder flüssigen Brennstoffen möglich ist. Vergasen bietet auch bessere Lösungen hinsichtlich mehrerer anderer für die Umwelt nachteiliger Einflüsse der Kohleverbrennung, wie die Abgabe von Quecksilber, polyaromatischen Kohlenwasserstoffen, Schwermetallen und Flugasche.

Es wurden in jüngster Zeit beträchtliche Bemühungen unternommen, das Kohlevergasungsverfahren zur Energieerzeugung weiterzuentwickeln, doch erwiesen sich in allen Fällen die Kosten als übermäßig hoch. Der Hauptgrund dafür ist der große Verbrauch an Sauerstoffgas im Hinblick auf die hohen Investitionskosten und den relativ hohen Stromverbrauch, der mit der Herstellung von Sauerstoffgas verbunden ist Weiters werden bei den meisten Kohlevergasem 10 bis 20 % des gebildeten Gases im Vergasungsreaktor verbrannt, um den Hitzebedarf für die Vergasung zu decken und eine günstige Reaktionstemperatur zu erreichen.

Einfache und kostengünstige Verfahren zur Herstellung von Gas, welches sich für die Herstellung von Energie eignet, sind Kohlevergasungsverfahren, bei welchen Luft verwendet wird und bei welchen ein Minimum an Kohle verbraucht wird. Kohle in im wesentlichen stückiger Form wird im Gegenstrom mit einem Heißluftstrahl im Schachtofen vergast. Das gebildete Gas hat eine Temperatur von annähernd 500 °C und umfaßt dank der niedrigen Temperatur annehmbare Mengen an Teersubstanzen und geringe Mengen unverbrannter Kohle in Teilchenform.

In der DE-OS 24 31 537 wird ein Verfahren zur Direktreduktion stückiger eisenoxidhältiger Materialien mit einem Reduktionsgas beschrieben, wobei das Reduktionsgas primär aus der Kohlevergasung stammt Vor dem Cracken muß Wasserdampf durch indirekte Kühlung auskondensiert werden; nach dem Cracken besitzt das Gas einen CC^-Gehalt von 24,7 % (bei einem CO-Gehalt von 30,6 %; siehe Tabelle auf Seite 7, Spalte C). Danach muß das Gas gewaschen werden und enthält immer noch 2,1 % Methan.

Die GB-A - 2 001 671 betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgas aus einem Koks-Ofen. Das Abgas soll als Reduktionsgas zur Direktreduktion von Eisenerz aufbereitet werden, wobei das verwendete Verfahren ähnlich dem der DE-OS 24 31 537 ist. Der GB-A - 2 001 671 sind zwar keine näheren Details über das entstehende Gas zu entnehmen; es ist aber anzunehmen, daß das Koksofen-Gas ebenfalls reich an Kohlenwasserstoffen bzw. Teer ist und daß die partielle Oxidation in der Kammer (2) zu einem C02-Gehalt von etwa 25 % führt.

Wie in den veröffentlichten schwedischen Patentanmeldungen 45 73 55 und 45 72 64 vom selben Anmelder geoffenbart, wurde vorgeschlagen, die in einem durch Vergasung von Kohle erzeugten Gas vorkommenden Kohlenwasserstoffe thermisch zu cracken, indem ein durch einen Plasma-Generator erhitztes Gas zugeführt wird. Nach dem teilweisen Cracken wird das Gas durch einen Dolomitfilter der Art, wie im Wiber-Söderfors-Verfahren verwendet, geleitet. Vollständiges Cracken der übrigen Teersubstanzen wird während des Transportes durch den Filter erreicht, und das Gas wird gleichzeitig von Schwefel gereinigt. Ein Ziel der Erfindung ist es, die in den oben erwähnten Patentanmeldungen vorgeschlagene Technologie weiter zu verbessern, indem der Stromverbrauch weiter reduziert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Technik, die im einleitenden Teil hierin dargelegt ist und ist dadurch gekennzeichnet, daß das den Schacht verlassende Gas zusammen mit einem sauerstoffhältigen Gas in eine Kammer geleitet wird, um die im Gas vorkommenden Teersubstanzen zumindest teilweise zu cracken, wobei die Menge des zugefügten Sauerstoffs so eingestellt wird, daß der Quotient CO^CO im resultierenden Gas 0,1 nicht übersteigt, wobei eine Temperatur von 900 -1200 °C in der Kammer aufrecht erhalten wird und das Gas danach in den Dolomit- oder Kalkschacht zur Entfernung von Schwefelverbindungen und jedweder übriger Teersubstanzen und zur Vergasung jedweder begleitender Kohleteilchen geleitet wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Reaktionskammer Energie zugeführt, um eine für das Cracken günstige Temperatur zu erreichen. Dies kann durch Vorerhitzen des sauerstoffhältigen Gases vor dessen Eintritt in die Kammer bewirkt werden. Vorteilhaft wird die Energie teilweise durch Vorerhitzen des sauerstoffhältigen Gases und teilweise durch Teilverbrennung in der Kammer geliefert.

Das sauerstoffhaltige Gas ist vorzugsweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft. -2-

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Der Temperaturbereich ist wesentlich, um ein Cracken ohne ein Schmelzen vorzusehen, und der Gasquotient ist im Hinblick auf die Schwefelreinigung und natürlich im Hinblick auf die Energiedichte für das erzeugte Gas wesentlich.

Zusätzliche Vorteile und Charakteristika der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offenbar, und die Erfindung ist in der Folge auch anhand eines Beispiels veranschaulicht.

Der Vergasungsschacht ist von dem allgemein, vor allem in England während der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts gebräuchlichen Gasgeneratortyp. Diese Gas-Generatoren wurden vollkommen mit Kohle in stückiger Form befeuert und lieferten ein Brennstoffgas mit extrem hohem Teergehalt. Bei unserer Ausgestaltung wird der Generator durch Heißluftgebläse betrieben, und die Kohlenasche wird deshalb zu flüssiger Schlacke geschmolzen, und es wird auch ermöglicht, daß ein Teil der Kohle in Form von Kohlenstaub vorliegt, wenn das geänderte Wärmegleichgewicht durch die Gebläsetemperatur kompensiert wird. Umwandlung von Kohlenasche in Schlacke ergibt eine hohe Kohlenausbeute, da vemachlässigbare Mengen in der Schlacke bleiben, das Volumen der Asche stark reduziert wird und die Auslauggeschwindigkeiten wesentlich geringer sind.

Ein weiterer Vorteil, den man durch die Umwandlung von Kohlenasche in Schlacke hat, ist, daß die Zugabe von Schlackenbildnem zur Steuerung der Zusammensetzung der Asche zur Herstellung von Rohprodukten für beispielsweise Zement genützt werden kann. Ein Nachteil dieses Vergaser-Typs ist, daß nicht alle Arten von Kohle für die Gegenstrom-Vergasung mit langsamem Temperaturanstieg geeignet sind. Dies trifft vor allem auf Kohle zu, die nach dem Erhitzen in flüssige Form übergeführt wird, oder Kohle, die in kleine Teilchen "explodiert". Dies wird teilweise dadurch kompensiert, daß 70 % des rohen Kohleprodukts in Form von Abrieb einleitbar sind und die oben beschriebenen Einschränkungen auf diesen Prozentsatz keine Anwendung finden.

Das Gas aus dem Generatorschacht wird mit Luft gemischt, um das Erfordernis des Sauerstoffs zum Cracken der Teersubstanzen zu erfüllen. Die Luft wird vorzugsweise vorerhitzt, um einen zu hohen Gehalt an CC>2 im Gas zu vermeiden, da dies zu einer schlechteren Wirkung bei der nachfolgenden Schwefelreinigung führt Ein Teil des Energiebedarfs kann jedoch durch teilweise Verbrennung in der Kammer gedeckt werden. Der Quotient CO2/CO sollte 0,1 nicht übersteigen, um eine Angabe der Menge an CO2, die im Gas gestattet werden kann, zu geben.

Die Temperatur in der Kammer sollte innerhalb des Bereichs von 900 - 1200 °C liegen, vorzugsweise bei etwa 1100°C.

Das Mischen und die Temperaturerhöhung finden somit in einem Schritt in einer Mischkammer in direkter Verbindung mit dem Entschwefelungsschacht statt, in welchem das Gas dann lange genug bleibt, um ein vollständiges Cracken und eine vollständige Reinigung vom Schwefel zu gestatten. Der Schwefelfilter ist von dem erprobten und getesteten Typ, der beim Wiber-Söderfors-Verfahren zum Entfernen von Schwefel aus dem Reduktionsgas verwendet wird. Gemäß Messungen, die bei diesem Verfahren an vergleichbaren Gasen durchgeführt wurden, bleiben die Schwefelgehalte im abgegebenen Gas bei 20 - 30 ppm gleich, während der Dolomit bis zu einer Tiefe von etwa 6 mm voll ausgenützt wird, wenn das Gas etwa 36 Stunden lang im Schacht bleibt. Der Hauptgrund dafür, daß der gesamte Temperaturanstieg im in den Filter eintretenden Gas nicht durch teilweise Verbrennung des Gases aufgenommen wird, ist, daß das Gas dann ein höheres Sauerstoffpotential annehmen und somit die Bedingungen für die Schwefelreinigung verschlechtern würde. Der große Vorteil bei der Schwefelreinigung, wenn das Schwefelreinigungsmittel in fester Phase vorliegt (anstelle in Form von beispielsweise einer Schlacke) ist der, daß die CaO-Aktivität nahe bei eins bleibt, was zu einer vollständigeren Schwefelreinigung und einem verringerten Verbrauch an Schwefelreinigungsmittel führt

Neben den Teersubstanzen enthält das den Vergasungsschacht verlassende Gas auch unterschiedliche Mengen an kleinen Kohleteilchen. Diese werden im Schwefelreinigungsschacht festgehalten, und da das Gas etwas oxidierend ist (etwa 5 % CO2 + H2O), werden sie langsam vergast, und der Dolomit ist daher praktisch frei von

Kohle, wenn er ausgetragen wird. Die Kombination der Umwandlung der Asche in Schlacke und des Crackens in Dolomitfiltern resultiert somit in einer fast 100 %igen Kohleausbeute.

Der Schwefelreiniger im Filter ist Rohdolomit, der im oberen Abschnitt des Schachtes verbrannt wird. Dies ergibt einen Zusatz von kaum 1 % und vermindert die Gastemperatur um 50 - 75 °C, sodaß es den Filter mit etwa 1000 °C verläßt. Das gereinigte Gas macht einen Wärmeaustausch mit dem eintretenden Luftstrahl durch und verläßt die Vergaseranlage mit etwa 650 °C. Der Vergaser ist so ausgelegt, daß er innerhalb eines Druckbereichs von 0 - 3 bar Überdruck, je nach der Verwendung, der das Gas zugeführt werden soll, arbeitet.

Das erzeugte Gas hat einen Heizwert von etwa 4,6 MJ/m N. Die Flammentemperatur und die Abgasmenge pro Energieeinheit sind nahe den Werten, die bei normaler Verbrennung von Öl mit Luft erreicht werden. Das Gas muß daher als besonders geeignet für die Produktion von Energie angesehen werden. -3-

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Beispiel

Kohle wird in einem Schacht im Gegenstrom mit einem vorerhitzten Luftstrahl vergast. Die Analyse der Kohle ergibt die folgende Zusammensetzung: c 75,9 % H 4,3 % O 9,4 % N 1,3 % S 0,5 % Asche 8,6 % Feuchtigkeit 4 %

Das Gas aus dem Schacht hat eine Temperatur von 500 °C und die folgende Zusammensetzung:

CnHm 6,5 % co2 1,8 % h2o 1,4 % CO 30,0 % n2 60,2 % h2s 0,1 %

Stöchiometrisch sind 29,3 m N Luft pro 100 kg Kohle notwendig, um den gesamten Kohlenwasserstoff im Gas zu CO und H2 zu cracken.

Die Temperatur des den Dolomitschacht nach der Mischkammer verlassenden Gases beträgt etwa 1000 °C, und seine Zusammensetzung ist wie folgt: co2 0,3 % h2o 0,1 % h2 12,0 % CO 32,0 % N2 55,6 %

Das Gleichgewicht zwischen CaO + H2S und CaS + H2O ist bestimmend für die Schwefelreinigung, und für den stöchiometrischen Fall wird ein Verhältnis H2O: H2S von 180 erhalten, was eine 99 % Schwefelreinigung ergibt.

Bei einer Gasmischung in der Mischkammer mit einer Zusammensetzung, die dem Quotienten

CO9 + HoO -= 0,075 co2 + h2o + CO + h2 entspricht, sind 64,1 mJN Luft pro 100 kg Kohle notwendig. Das den Dolomitfilter verlassende Gas hat dann eine Temperatur von etwa 1100 °C und die folgende Zusammensetzung: co2 1,9 % CO 28,4 % h2o 1,6 % H2 9,7 % N 58,4 % h2s 0,009 %

In diesem Fall ist der Grad der Schwefelreinigung 87,5 %. -4-

Claims

AT 394 202 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Vergasung von Kohle mit anschließender Crackung, wobei die Kohle im Gegenstrom mit Luft in einem Schacht zu einem Gas mit einer Temperatur von etwa 500 °C, das außer i^, CO und N2 Schwefelverbindungen und Teersubstanzen enthält, vergast wird, welches Gas Verfahren zur Entfernung der Teersubstanzen unterzogen wird, bevor es durch einen Dolomit- oder Kalkschacht zur Entfernung der Schwefelverbindungen durchgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das den Schacht verlassende Gas zusammen mit einem sauerstoffhältigen Gas in eine Kammer geleitet wird, um die im Gas vorkommenden Teersubstanzen zumindest teilweise zu cracken, wobei die Menge des zugefügten Sauerstoffs so eingestellt wird, daß der Quotient CO2/CO im resultierenden Gas 0,1 nicht übersteigt, wobei eine Temperatur von 900 bis 1200 °C in der Kammer aufrecht erhalten wird und das Gas danach in den Dolomit- oder Kalkschacht zur Entfernung von Schwefelverbindungen und jedweder übriger Teersubstanzen und zur Vergasung jedweder begleitender Kohleteilchen geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Energie zugeführt wird, indem das sauerstoff-hältige Gas vor seinem Eintritt in die Kammer vorerhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Energie teilweise durch Vorerhitzen des sauerstoffhältigen Gases und teilweise durch Teilverbrennung in der Kammer zugeführt wird.
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