DE102005035921A1

DE102005035921A1 - Verfahren zur endothermen Vergasung von Kohlenstoff

Info

Publication number: DE102005035921A1
Application number: DE102005035921A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Rüger; Olaf Schulze; Jonas Kappeller; Burkhard Dr.-Ing. Möller; Bodo Max Dr. Wolf
Original assignee: Choren Industries GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: CA2551313A1; EP1749872A3; US7776114B2; DE102005035921B4; AU2006202676B2; AU2006202676A1; CN1903997B; CN102212398A; BRPI0603010B1; EP1749872A2; US20070163176A1; CN102212398B; CN1903997A; CA2551313C; BRPI0603010A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur endothermen Vergasung von festem Kohlenstoff im Flugstrom mit heißem Gas aus der partiellen Oxidation einer Prozesskombination, bestehend aus den Prozessstufen partielle Oxidation von Brennstoffen und endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff, der gegebenenfalls einer Schwelung so vorgeschaltet ist, dass das Schwelgas der partiellen Oxidation und der Schwelkoks der endothermen Vergasung zugeführt werden, wobei erfindungsgemäß das heiße, im Verfahren abwärts strömende Gas aus der Brennkammer unter Abtrennung der flüssigen Schlacke umgelenkt und der Prozessstufe endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff, die mit aufsteigendem Gasstrom arbeitet, unter Zugabe von festem Kohlenstoff, vorzugsweise Kokskohlenstoff aus einer prozessinternen Schwelung und mit einem Korndurchmesser bis 20 mm, zugeführt wird, wobei die Gasgeschwindigkeit am Kohlenstoffeintrag oberhalb und am Ende der Prozessstufe endotherme Vergasung unterhalb der Schwebegeschwindigkeit der reaktiven Kohlenstoffpartikel liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von festem Kohlenstoff mit heißen Gasen aus der partiellen Oxidation von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen, insbesondere von Kohle, Biomasse und organischen Reststoffen, z.B. aus der Aufbereitung von Abfällen, im Flugstrom.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus diesen Brennstoffen.
Die Vergasung von festem Kohlenstoff mit heißen Gasen ist seit Einführung der Prozesse zur Erzeugung von Gas durch partielle Oxidation im Festbett und in der Wirbelschicht bekannt.
Bei der Vergasung im Festbett wird das heiße, kohlendioxidhaltige Gas durch Verbrennen von festem Kohlenstoff in Strömungsrichtung des Vergasungsmittels vor einer so genannten Reduktionszone erzeugt. Das Gas trägt das Vergasungsmittel Kohlendioxid und die für die endotherme Vergasung von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid erforderliche Enthalpie in die Reduktionszone ein. Partielle Oxidation und endotherme Vergasung von Kohlenstoff laufen bei der Festbettvergasung somit nacheinander, örtlich getrennt und bei unterschiedlichen Temperaturen ab.
Die Spezifik der Vergasung der Brennstoffe in der stationären oder zirkulierenden Wirbelschicht ist dagegen, dass partielle Oxidation und endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff praktisch gleichzeitig und am gleichen Ort annähernd isotherm ablaufen.

Mit dem Patent PCT/EP 95/00443 wurde auch eine Methode zur endothermen Vergasung von festem Kohlenstoff mit heißem Gas aus der partiellen Oxidation im Flugstrom, in der Praxis als chemisches Quenchen bezeichnet, bekannt.

Das Grundprinzip dieses Verfahrens ist, dass fester Kohlenstoff in Form von Kohle oder Koks, aus der Entgasung von Brennstoffen, in einen mehr als 1.200°C heißen, Kohlendioxid und Wasserdampf enthaltenden Gasstrom aus der partiellen Oxidation eingemischt wird. Der Kohlenstoff reagiert mit den Gaskomponenten Kohlendioxid und Wasserdampf unter Bildung von Kohlenmonoxid bzw. Kohlenmonoxid und Wasserstoff unter Nutzung der physikalischen Enthalpie des heißen Gases, d.h. ein Teil der physikalischen Hochtemperaturenthalpie des Gases wird durch endotherme chemische Reaktionen wieder in chemische Enthalpie umgewandelt. Durch diese Maßnahme steigt der Heizwert des Gases wodurch sich der Umwandlungswirkungsgrad des Prozesses gegenüber solchen Prozessen, die die physikalische Enthalpie des Gases nur physikalisch nutzen, verbessert.

Bei der Anwendung des Patentes PCT/EP 95/00443 zeigte sich, dass die Wirksamkeit der endothermen Vergasung von festem Kohlenstoff deutlich abhängig ist von der Betriebsweise der vor- und nachgeschalteten Prozessstufen, der Beladung des heißen Gases mit festem Kohlenstoff und der Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Kohlenstoff.

In der thermischen Aufbereitungsstufe des Brennstoffes, vorzugsweise Biomasse, entsprechend des Patentes DE 198 07 988 und ähnlichen Vorrichtungen in ein teerhaltiges Entgasungsgas und in einen teerfreien Koks fällt eine, vorrangig durch den Flüchtigengehalt des Brennstoffes und durch den Wärmebedarf des thermischen Aufbereitungsprozesses bestimmte, begrenzte Koksmenge an.

Dieser Koks wird zu einem pneumatisch förderbaren Brennstaub mit einer Körnung vorzugsweise < 100 μm aufgemahlen.

Das teerhaltige Entgasungsgas wird in einer Brennkammer gemäß Vorrichtung DE 197 47 324 zur Realisierung des Patentes PCT/EP 95/00443 zusammen mit dem in der Entstaubung des Vergasungsgases anfallenden Restkoks oberhalb des Aschschmelzpunktes mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel partiell verbrannt, so dass ein heißes, teerfreies, neben CO und H₂ auch CO₂ und H₂O enthaltendes Vergasungsmittel entsteht. Die im Restkoks enthaltene Brennstoffasche wird dabei aufgeschmolzen.

Das heiße Vergasungsmittel strömt aus der Brennkammer zusammen mit der flüssigen Schlacke entsprechend DE 197 47 324 in Form eines Tauchstrahles in den unterhalb der Brennkammer angeordneten Teil des Flugstromreaktors, in dem die endothermen Reaktionen ablaufen, im Folgenden endothermer Flugstromreaktor genannt.

Der fein aufgemahlene Koksstaub wird pneumatisch über Lanzen und Düsen in den Tauchstrahl eingeblasen und führt infolge chemischen Quenchens zu einer Abkühlung des Gases und zur Erhöhung des Anteils an Wasserstoff und Kohlenmonoxid.

Am unteren Ende des endothermen Flugstromreaktors wird das Gas umgelenkt und verlässt zusammen mit dem nicht umgesetzten Teil des Kokses den Apparat, wird anschließend durch indirekte Wärmeabfuhr gekühlt und den nachfolgenden Prozessstufen zugeführt.

Um Koksabscheidungen aus dem Gasstrom zu vermeiden, muss die Gasgeschwindigkeit, insbesondere an der Umlenkstelle des Gases im Reaktor und im eventuell aufwärts strömenden Teil immer größer als die Schwebegeschwindigkeit der Kokspartikel sein.

Bei dieser Prozessführung und der geringen Korngröße des Koksstaubes ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Koks und Gas gering und die Verweilzeit des Kokses wird weitestgehend durch die Verweilzeit des Gases bestimmt, die wiederum von der Größe des endothermen Reaktors abhängig ist.

Die endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff mit Wasserdampf und Kohlendioxyd ist ein durch die Reaktionskinetik beeinflusster Prozess. Die Umsatzgeschwindigkeit des festen Kohlenstoffes geht mit geringer werdender Temperatur und steigenden Anteilen von gebildetem Kohlenmonoxid und Wasserstoff zurück.

Als Ursache für den noch zu geringen Kohlenstoffumsatz sind deshalb in erster Linie die zu geringe Relativgeschwindigkeit zwischen festem Kohlenstoff und Gas und die zu geringe Verweilzeit des Kohlenstoffes und des Gases im Reaktor zu sehen.

Bedingt durch die geringe Korngröße und die geringe Relativgeschwindigkeit zwischen festem Kohlenstoff und Gas ist die Verweilzeit bei der gemäß Patent DE 197 47 324 angegebenen Prozessführung nicht regelbar und nur durch Vergrößerung des Reaktors verlängerbar.

Bei der stationären Wirbelschichtvergasung strömt das Vergasungsmittel entgegen der Schwerkraft von unten nach oben. Der Reaktorquerschnitt ist so dimensioniert, dass die Gasgeschwindigkeit unterhalb der Schwebegeschwindigkeit der zum Einsatz kommenden Brennstoffkörnung liegt. Dadurch ist im Reaktor im Verhältnis zum eingesetzten Vergasungsmittel und zum umgesetzten Brennstoff immer ein Brennstoffüberschuss enthalten, der einen hohen Umsatz des Brennstoffes garantiert.

Bei der instationären Wirbelschicht liegt die Gasgeschwindigkeit oberhalb der Schwebegeschwindigkeit der Brennstoffkörnung. Hier wird durch Rückführung des nicht umgesetzten Teils des Brennstoffes in die Reaktionszone des Reaktors der erforderliche Brennstoffumsatz erzielt.

Bei der stationären und instationären Wirbelschichtvergasung von Brennstoffen mit flüchtigen Anteilen sind bedingt durch die im Reaktor parallel ablaufenden Prozesse Trocknung, Entgasung und Vergasung immer Teere und größere Anteile Methan und weiter Kohlenwasserstoffe im Gas enthalten.

Die Teere müssen bei Synthesen, aber auch bei der energetischen Nutzung des erzeugten Gases, z.B. in Gasmotoren, vor der Nutzung aus dem Gas entfernt werden. Dies führt zu großen Aufwendungen in der Gasreinigung und Gaswasseraufbereitung.

Andere Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Methan, sind keine synthetisierbare Gasbestandteile. Sie sind deshalb Ballast im Gas und verringern den Wirkungsgrad der Synthese.

Das Ziel der Erfindung ist die weitere Verbesserung der Brennstoffausnutzung.

Daraus resultiert die technische Aufgabe das nach der partiellen Oxidation in der Brennkammer vorliegende Gas durch endotherme chemische Reaktionen zwischen Gas und festem Kohlenstoff gegenüber dem Stand der Technik weiter abzukühlen und damit das Ausbringen von chemischer Enthalpie aus dem Vergasungsprozess, der die Prozessstufen partielle Oxidation des Brennstoffes mit Sauerstoff oder Luft zu heißem teerfreien Rohgas in einer Brennkammer und endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff mit dem heißen Rohgas in einer nachfolgenden Prozessstufe entsprechend PCT/EP 95/00443 kombiniert, zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe gelöst, in dem das heiße, im Verfahren abwärts strömende Gas aus der Brennkammer unter Abtrennung der flüssigen Schlacke umgelenkt und der Prozessstufe endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff, die mit aufsteigendem Gasstrom arbeitet, unter Zugabe von festem Kohlenstoff, vorzugsweise Kokskohlenstoff aus einer prozessinternen Schwelung und mit einem Korndurchmesser bis 20 mm, zugeführt wird, wobei die Gasgeschwindigkeit am Kohlenstoffeintrag oberhalb und am Ende der Prozessstufe endotherme Vergasung unterhalb der Schwebegeschwindigkeit der reaktiven Kohlenstoffpartikel liegt.

Die technische Aufgabe dieses Beispiels ist die Abkühlung des heißen Gases aus der Brennkammer, das durch Vergasung von teerhaltigem Pyrolysegas und Restkoks aus der Rohgasentstaubung mit Sauerstoff bei einer Temperatur von ca. 1.400°C hergestellt wurde, durch chemisches Quenchen mit dem Kokskohlenstoff aus dem selben Entgasungsprozess aus dem das Pyrolysegas stammt.
Die Beschreibung des Beispieles erfolgt mit Hilfe 1, das eine geeignete Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
Das teerhaltige Entgasungsgas 1, der Restkoksstaub 2 aus der Rohgasentstaubung und der Sauerstoff 3 werden über getrennte Kanäle eines Drallbrenners 4 der Brennkammer 5 zugeführt. Das Entgasungsgas und der Restkoks reagieren in der Brennkammer mit dem Sauerstoff zu einem Vergasungsgas, dass neben CO und H₂ auch CO₂ und H₂O enthält und dessen Temperatur oberhalb der Ascheschmelztemperatur der Restkoksasche liegt. Durch die hohe Temperatur wird die Asche des Restkokses aufgeschmolzen und durch den Drall des Brenners an die Brennkammerwand geschleudert, auf der die flüssige Schlacke in Richtung des Gasaustrittes aus der Brennkammer 6 abläuft.
Unterhalb der Brennkammer ist eine Umlenkkammer 7 angeordnet, die seitlich einen waagerechten Gasabgang 8 in Richtung einer Übergangsleitung 9 besitzt. Am unteren Ende der Umlenkkammer 7 ist eine Schlackeablauföffnung 10 mit einem darunter angeordneten, mit Wasser gefüllten Schlackebad 11.
Das heiße Gas aus der Brennkammer wird in der Umlenkkammer schart in Richtung der Übergangsleitung umgelenkt. Durch die dabei auftretenden Fliehkräfte werden auch die feinen, im Gasstrom enthaltenen Schlacketröpfchen aus dem Gasstrom abgetrennt und zusammen mit den großen Schlacketeilchen, die von der Wand des Gasaustrittes 6 abtropfen, an die Wand der Umlenkkammer ge schleudert. Von dort läuft die flüssige Schlacke durch die Öffnung 10 in das mit Wasser gefüllte Schlackebad 11, wo sie zu einem festen Granulat erstarrt, das diskontinuierlich über die Schleuse 12 aus dem Reaktor ausgeschleust wird.
Das umgelenkte Gas strömt durch die Übergangsleitung 9 in eine weitere Umlenkkammer 13, wird dort um 90° umgelenkt und gelangt durch eine Öffnung 14 in den über der Kammer angeordneten endothermen Flugstromreaktor 15. Der Kokskohlenstoff 16 aus der Pyrolyse des Brennstoffes mit einem Grobkornanteil bis 20 mm wird über einen Schneckenförderer 17 in den endothermen Flugstromreaktor transportiert.
Der Flugstromreaktor hat einen sich nach oben hin erweiternden Querschnitt, der so dimensioniert ist, das die Gasgeschwindigkeit am unteren Ende des Reaktors oberhalb der Schwebegeschwindigkeit der gröbsten Koksteilchen liegt, so dass kein Koks in Richtung der Umlenkkammer 13 fallen kann, und das die Gasgeschwindigkeit am oberen Ende unterhalb der Schwebegeschwindigkeit der kleinsten, reaktiven Koksteilchen liegt, so das nur kleinste, ausreagierte Teilchen mit dem Gasstrom den Reaktor verlassen.
Die groben Koksteilchen werden zunächst mit dem Gasstrom noch oben getragen, bis die Gasgeschwindigkeit in Folge des sich erweiternden Reaktorquerschnittes unter die Schwebegeschwindigkeit sinkt, und fallen dann zurück bis sie wieder vom Gas nach oben transportiert werden.
Durch die Gestaltung des Reaktors und die gewählte Kornstruktur des Koks kommt es zu einer intensiven Durchmischung mit großen Relativbewegungen zwischen Koks und Gas und zu einer Anreicherung von Koks im Reaktor bis zu einem quasi stationären Zustand, der sich durch einen in Bezug zum ursprünglichen Koks-Gas-Verhältnis nach der Pyrolyse als eine Koksüberschuss darstellt, d.h. mit der Erfindung ist es möglich, das Verhältnis fester Kohlenstoff zu Gas von annähernd 0,1 auf größer 1 zu erhöhen.
Der Koksüberschuss und die großen Relativbewegungen zwischen festem Kohlenstoff und Gas verbessern die Kinetik der endothermen Vergasung des Kokskohlenstoffes mit dem CO2 und dem Wasserdampf des heißen Gases zu CO und Wasserstoff und führen zu einem höheren Kohlenstoffumsatz und damit verbunden zu einer stärken Abkühlung des Gases als in vergleichbaren Verfahren, bei denen fester Kohlenstoff und Gas annähernd die gleiche Verweilzeit haben, wie z.B. gemäß Patent DE 197 47 324 .
Das mit nicht ausreagiertem Restkoks beladene Rohgas verlässt den Reaktor durch den Gasabgang 18 und wird vor der eigentlichen Nutzung abgekühlt und entstaubt. Der in der Entstaubung abgeschiedene Restkoks 2 gelangt, wie oben beschrieben, zurück in die Brennkammer 5.

Claims

Verfahren zur endothermen Vergasung von festem Kohlenstoff im Flugstrom mit heißem Gas aus der partiellen Oxidation einer Prozesskombination, bestehend aus den Prozessstufen partielle Oxidation von Brennstoffen und endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff, der gegebenenfalls eine Schwelung so vorgeschaltet ist, dass das Schwelgas der partiellen Oxidation und der Schwelkoks der endothermen Vergasung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße, im Verfahren abwärts strömende Gas aus der Brennkammer unter Abtrennung der flüssigen Schlacke umgelenkt und der Prozessstufe endotherme Vergasung von festem Kohlenstoff, die mit aufsteigendem Gasstrom arbeitet, unter Zugabe von festem Kohlenstoff, vorzugsweise Kokskohlenstoff aus einer prozessinternen Schwelung und mit einem Korndurchmesser bis 20 mm, zugeführt wird, wobei die Gasgeschwindigkeit am Kohlenstoffeintrag oberhalb und am Ende der Prozessstufe endotherme Vergasung unterhalb der Schwebegeschwindigkeit der reaktiven Kohlenstoffpartikel liegt.