DE102004001708B4

DE102004001708B4 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Beschickung von Festbett-Druckvergasungsreaktoren

Info

Publication number: DE102004001708B4
Application number: DE102004001708A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dipl.-Ing. Grunwald (FH); Reinhard Dipl.-Metal. Skoddow; Andreas Dipl.-Ing. Jochmann
Original assignee: Sustec Schwarze Pumpe GmbH
Current assignee: Envirotherm GmbH
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: ZA200408261B; CZ200515A3; DE102004001708A1; CZ296440B6; CN1640995A

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Beschickung von Festbett – Druckvergasungsreaktoren zur Vergasung inhomogener Stoffgemische aus festen kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter Vermeidung prozessbedingter Druck-, Mengen- und Qualitätsschwankungen im kontinuierlich abgezogenen Rohgas aus einem unter Reaktordruck stehenden Vorratsbehälter, dadurch gekennzeichnet,
• dass in diesem Vorratsbehälter eine ständig vorhandene Schüttung aus festen kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen im Gemisch mit festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen ansteht,
• dass die Schüttung zwangsgeführt auf einer Austragseinrichtung aufliegt und bei deren Stillstand einen natürlichen Stoffverschluss nach oben bildet,
• dass die Austragseinrichtung gekühlt ist und kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird,
• dass weiter aus dem Vorratsbehälter nach unten eine Zwangsströmung mit einem geeigneten Gas mit Temperaturen unter 50 °C eingerichtet ist und dass das Volumen dieses Gases mindestens die dreifache Menge des ausgetragenen Feststoffvolumens ausmacht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Vergasung inhomogener Stoffgemische in Festbett – Druckgasreaktoren, wobei die inhomogenen Stoffgemische aus kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bestehen. Die Beschickung der Festbettvergaser mit den genannten Vergasungsstoffen erfolgt diskontinuierlich. Die Vergasung an sich erfolgt als autothermer Prozess bei Drücken größer 20 bar.

Während des Betriebes nach dieser Fahrweise entstehen Druck-, Mengen- und Qualitätsschwankungen im kontinuierlich abgezogenen Rohgas. Die Rohgasschwankungen werden dabei bevorzugt durch die Kriterien Prozesstemperatur, Prozessdruck, Zusammensetzung und Korngröße der eingesetzten Stoffe, Aufheizgeschwindigkeit sowie der geschleusten Menge und der Schleusfrequenz beeinflusst. Verursacht werden die Schwankungen neben physikalischen Prozessen durch die prozessbedingt zu unterschiedlichen Zeiten entstehenden Rohgasanteile Wasserdampf, Pyrolysegas, Entgasungsgas und Vergasungsgas. Die Einzelgase haben entsprechend ihrer Reaktionskinetik unterschiedliche Zusammensetzung. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Pyrolysereaktion, die unmittelbar nach der Schleusung bei erreichter Pyrolysetemperatur vor allem bei Einsatz von Abfällen heftig einsetzt und meist nach kurzer Zeit das Maximum überschreitet. Die Pyrolysegasspitze verschiebt erheblich die durchschnittliche Rohgaszusammensetzung und die Rohgasmenge.

Ein derartig qualitativ und quantitativ sich ständig änderndes Rohgas ist für alle anlagenbedingt nachgeschalteten Prozesse (zum Beispiel Gaskühlung, Gasreinigung, Gasverwertung) problematisch.

Aus den Grundlagen der Vergasungstechnik ist bekannt, dass zur Vermeidung derartiger Rohgasschwankungen der Reaktorraum ständig vollständig mit festen Vergasungsstoffen gefüllt wird. (Rammler, v. Alberti, Technologie und Chemie der Braunkohlenverwertung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1962, Seite 325).

Die Entleerung der direkt über dem Reaktor angeordneten Schleusen erfolgt bei moderneren Reaktoren über Kegelverschlüsse, und im Reaktoroberteil werden unterschiedliche Einbauten, wie Schüttschächte oder Verteilerdächer angeordnet. Dieses Prinzip, das aus der Kohlevergasung stammt, ist nur bei nicht backenden oder nicht erweichenden Stoffen anwendbar. Werden beispielsweise backende Kohlen oder Abfallstoffe mit erweichenden Komponenten wie thermoplastische Kunststoffe eingesetzt, ist ein störungsfreier Vergasungsbetrieb nur nach dem Verfahren der abgesenkten Schüttung ( DE 195 09 570 ) möglich. Bei diesem Betriebsregime wird durch Erhöhung der Schleusfrequenz und Senkung der Eintragsmenge eine quasi-kontinuierliche Beschickung angestrebt. Diese Lösung wurde auch beim Schlackebad-Vergaser zur Verwertung von Kohle-Abfallgemischen erprobt. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass der Materialfluss dennoch ständig unterbrochen wird und dadurch Beschickungsstörungen provoziert werden. Weitere Nachteile sind, dass die stündliche Beschickungsmenge vor allem bei hohen Zumischraten von Abfällen geringer Schüttdichte technisch-technologisch begrenzt ist und immer noch erhebliche Rohgasschwankungen auftreten.

Im praktischen Betrieb wurde auch versucht, den Schwankungen durch Regelung der Vergasungsmittelmenge (Dampf, Sauerstoff) entgegen zu wirken. Das ist technisch sehr aufwändig und durch die unterschiedliche örtliche und zeitliche Entstehung von Vergasungs- und Pyrolysegas erfolgt eine Homogenisierung des Rohgases erst in den nachgeschalteten Anlagen, wodurch die Qualität nachteilig beeinflusst wird.

Aus den Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine der Reaktorleistung anpassbare, kontinuierliche und störungsfreie Zuteilung der festen inhomogenen Vergasungsstoffgemische aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen aus einem mit Reaktordruck beaufschlagten Vorratsbehälter als Voraussetzung für einen gleichmäßigen Rohgasanfall zu erreichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt nach den erfinderischen Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3.

In dem unter Reaktordruck stehenden Vorratsbehälter steht ständig ein Vorrat an inhomogenem Vergasungsstoff zur Verfügung. Dieser inhomogene Vergasungsstoff ruht erfindungsgemäß auf einer gekühlten Austragsvorrichtung, die so gestaltet ist, daß dieser inhomogene Vergasungsstoff nur nach Inbetriebnahme der Austragsvorrichtung in einen darunter liegenden Reaktorfreiraum ausgetragen wird. Das auszutragende Stoffgemisch weist Dichteunterschiede von 0,05 – 8 t/m³, ein Kornspektrum von 0 – 200 mm und ein spezifisches Fließverhalten auf.

Die Austragsvorrichtung besteht im einzelnen in Fließrichtung des auszutragenden inhomogenen Vergasungsstoffes aus einem sich nach unten verjüngenden Unterteil des Vorratsbehälters, dessen Querschnitt durch ein darin angeordnetes Leitblech weiter verkleinert wird, dessen Mittelöffnung kleiner als der Durchmesser der darunter angeordneten drehbaren Austragseinrichtung ist.

Auf der drehbaren Austragseinrichtung sind zwei oder mehr symmetrisch angeordnete Mitnehmer angebracht. Die drehbare Austragseinrichtung läuft über einen im Durchmesser kleineren feststehenden Teller. Zwischen der sich nach unten verjüngenden Innenwand des Vorratsbehälters und der drehbaren Austragseinrichtung bewegt sich der inhomogene Vergasungsstoff bei Inbetriebnahme drehzahlabhängig nach unten, und das Stoffgemisch wird im gesamten Kornspektrum in den darunter liegenden gekühlten und zwangsdurchströmten Freiraum im Oberteil des Festbett – Druckvergasungsreaktor ausgetragen.

Bei Stillstand der Austragsvorrichtung bildet sich bedingt durch deren Bauart ein natürlicher Stoffverschluß.

Unterhalb der Austragsöffnung ist im Oberteil des Festbett – Druckgasreaktors ein nach der gewünschten Schüttungsgeometrie ausgelegter Stoffverteiler angeordnet.

Die Leistung der Austragsvorrichtung beträgt üblicherweise 0 – > 50 t/h.

Es ist auch erfindungsgemäß, dass durch eine ständige Zwangsdurchströmung des Druckgefäßes in Austragsrichtung mit einem kalten Gas z. B. Stickstoff oder Brenngas mit einer Temperatur < 50 °C in einer mindestens 3-fach größeren Menge als das Austragsvolumen der festen Stoffe gleichzeitig eine Geschwindigkeitserhöhung im Austragsspalt und vor allem im konischen Teil des Auslaufes vom Freiraum erreicht wird. Damit erfolgt eine Beschleunigung der spezifisch leichteren Feststoffbestandteile, so dass eine Entmischung von Leicht- und Schwerfraktion weitgehend ausgeschlossen wird und das Gas-Feststoff-Gemenge bei Eintritt in den Reaktor den Feststoffverteiler kühlt und ein Rücktritt von heißem Rohgas in den Druckbehälter mit der Austragsvorrichtung sicher verhindert.

Weiterhin ist erfindungsgemäß, dass der Feststoffverteiler in Verbindung mit dem vorhandenen Schüttschacht so gestaltet ist, dass der Ablenkwinkel für die Feststoffe mit der höheren Dichte eine Mittengängigkeit des Reaktors unterstützt.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass

• durch die Austragsvorrichtung Beschickungsprobleme des Reaktors minimiert bzw. ausgeschlossen werden,
• die kontinuierliche Beschickung die Schwankungen in der Rohgasmenge, Rohgasdruck und Rohgasqualität verhindert,
• das Verhindern der Schwankungen an Rohgasmenge und Rohgasdruck das Mitreißen von Feststoffpartikeln im Rohgasstrom stark reduziert und
• die Vergleichmäßigung der Rohgasmenge und des Rohgasdruckes sowie die Verringerung des Feststoffanteiles im Rohgasstrom, die Beherrschbarkeit der nachgeschalteten Anlagen wie Rohgaskühlung, Gaswasserabtrennung bis zur Gasverwertung positiv beeinflusst.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit Bild 1 näher erläutert.
In den Vorratsbehälter 1 werden oberhalb der Austragseinrichtung 3 Leitbleche 2 angeordnet, deren Mittelöffnung kleiner als der Durchmesser des feststehenden Tellers 4 und der darüber liegenden drehbaren Austragseinrichtung 3 ist. Die Schaufeln der Austragseinrichtung 3 sind so gestaltet, dass die Schaufeln bei Betrieb der Austragseinrichtung 3 radiale Kräfte auf die Feststoffe ausüben und die Stoffe damit zwangsweise in den Freiraum 7 transportiert werden. Der feststehende Teller 4 und Teile der Wandungen des Freiraumes 7 werden zwangsgekühlt. Die Zuführung der festen Stoffe 5 und des Spülgases 6 erfolgt oberhalb der Austragseinrichtung 3. Die Einbauten sind so ausgeführt, dass eine Zwangsströmung des Gases durch den Austragsspalt in den Freiraum 7 gewährleistet ist.
In dem Oberteil des Reaktors wird der Feststoffverteiler 8 verankert. Entsprechend der zu erreichenden Schüttgutgeometrie der abgesenkten Schüttung wird der Durchmesser und der Winkel in Abhängigkeit von der Anlagenspezifik (Fallhöhe, Reaktordurchmesser, etc.) bestimmt.
Nach dem Stand der Technik können zusätzlich zwischen Reaktor und Austragsbehälter mit integrierter Austragsvorrichtung druckdichte Schieber oder Verschlusskegel installiert werden.

1: Vorratsbehälter
2: Leitbleche
3: Austragseinrichtung
4: feststehende Teller
5: feste Stoffe
6: Spülgas
7: Freiraum
8: Feststoffverteiler

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Beschickung von Festbett – Druckvergasungsreaktoren zur Vergasung inhomogener Stoffgemische aus festen kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter Vermeidung prozessbedingter Druck-, Mengen- und Qualitätsschwankungen im kontinuierlich abgezogenen Rohgas aus einem unter Reaktordruck stehenden Vorratsbehälter, dadurch gekennzeichnet, • dass in diesem Vorratsbehälter eine ständig vorhandene Schüttung aus festen kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen im Gemisch mit festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen ansteht, • dass die Schüttung zwangsgeführt auf einer Austragseinrichtung aufliegt und bei deren Stillstand einen natürlichen Stoffverschluss nach oben bildet, • dass die Austragseinrichtung gekühlt ist und kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben wird, • dass weiter aus dem Vorratsbehälter nach unten eine Zwangsströmung mit einem geeigneten Gas mit Temperaturen unter 50 °C eingerichtet ist und dass das Volumen dieses Gases mindestens die dreifache Menge des ausgetragenen Feststoffvolumens ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb der Austragseinrichtung das inhomogene Feststoffgemisch zwangsweise durch einen Austragsspalt entsprechender Größe zwischen Innenwand des Vorratsbehälters und gekühlter Austragseinrichtung in einen Freiraum ausgetragen wird und dass sich im unter der Austragseinrichtung in Richtung Austragsöffnung des Vorratsbehälter verkleinerten Freiraumdurchmesser die Geschwindigkeit des Gases und damit der spezifisch leichteren Bestandteile des inhomogenen Feststoffgemisches erhöht.
Vorrichtung Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, • dass im Unterteil des sich nach unten verjüngenden Vorratsbehälters oberhalb einer Austragseinrichtung den Querschnitt weiter einengende Leitbleche angeordnet sind, deren Mittelöffnung kleiner als der • Durchmesser der darunter angeordneten drehbaren Austragseinrichtung ist, • dass diese Austragseinrichtung rotationssymmetrisch und drehbar ist und auf ihr zwei oder mehrere symmetrisch angebrachte Mitnehmer angeordnet sind, • dass die Austragseinrichtung gekühlt ist, • dass die rotationssymmetrische drehbare Austragseinrichtung oberhalb eines im Durchmesser kleineren feststehenden Tellers angeordnet ist, • dass der Abstand zwischen Innenwand des Vorratsbehälters und der rotationssymmetrischen drehbaren Austragseinrichtung größer ist als die größte zu erwartende Kantenlänge der eingesetzten Feststoffe, • dass der Durchmesser des Freiraums unterhalb der Austragseinrichtung zum Reaktor hin weiter verjüngt ist, • dass weiter im Oberteil des Festbett – Druckvergasungsreaktors ein Feststoffverteiler angeordnet ist dessen Durchmesser und Winkel in Abhängigkeit von der Fallhöhe des Feststoffgemischs und des Reaktordurchmessers steht.