-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schlackebadvergasung mit Hilfe
von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem BGL-Vergaser,
insbesondere zur Nachvergasung.
-
Die
Schlackebadvergasung von British Gas/Lurgi (BGL) ist ein technisch
entwickeltes und vielseitig anwendbares Vergasungsverfahren, das
unter anderem auch zur Vergasung abfallhaltiger und höherflüchtiger Vergasungsstoffe
(AHVS) eingesetzt wird. Mit AHVS werden Gemische aus kommunalen
und gewerblichen Abfällen,
wie Klärschlamm,
Kunststoffabfälle,
kontaminiertes Holz, Shredderleichtgut sowie niedrig- bis höherinkohlte
Kohlen bezeichnet.
-
Bei
der Vergasung im BGL-Vergaser entsteht ein staub-, teeröl- und kohlenwasserstoff(KW)-haltiges Rohgas.
Das gereinigte und konditionierte Gas wird als Synthesegas, z. B.
für die
Methanolsynthese, eingesetzt.
-
Staub
und Teeröl
werden in einer Wasserwäsche
als Teeröl-Feststoff-Gemisch
(TOF) abgeschieden und müssen
ebenfalls einer Verwertung zugeführt
werden. Der einfachste Weg ist die Rückführung in den BGL-Vergaser zur
nochmaligen thermisch-chemischen Wandlung in Rohgas, entweder durch
Eintrag auf oder in die Brennstoffschüttung.
-
Das
Rohgas der AHVS-Vergasung weist eine Zusammensetzung auf, die für die Verwertung
des Gases für
die Synthese nicht optimal ist, insbesondere bezüglich der hohen Gehalte an
CO2 (ca. 20 Vol.-%), CH4 (ca.
20 Vol.-%) und an KW (ca. 5 Vol.-%) sowie der hohen und schwankenden
Staub- und Teerölbeladungen. Die
Synthesegasausbeute in m3 (i. N.) (CO +
H2) pro kg AHVS ist mit 0,5 m3 (i.
N.) (CO + H2)/kg entsprechend gering, der
spezifische Sauerstoffverbrauch ist vergleichsweise hoch und der
Aufwand für
die Abscheidung und Verwertung von Teeröl und Staub in Form von TÖF ist ebenfalls
hoch.
-
Ursache
für die
nachteilige Gasqualität
ist die sich einstellende, niedrige Rohgasaustrittstemperatur von
im Mittel 500 bis 750°C.
Maßnahmen
zur Erhöhung
der Rohgasaustrittstemperatur und damit zur Intensivierung der Spaltreaktionen,
wie die Absenkung der Feststoffschüttung oder die Erhöhung der
Leistung, erbringen nicht den gewünschten Effekt.
-
Ein
weiteres Problem besteht in der stoßartigen Freisetzung von Pyrolysegas,
hervorgerufen durch instationäre
und ungleichmäßige Beschleusung
des AHVS in den Innenraum des BGL-Vergasers. Starke Gasmengenschwankungen
(+/– 20
bis 30%) und Schwankungen in der Gaszusammensetzung (z. B. 5–25 Vol.-% CO2, 6–25
Vol.-% CH4) sind die Folge. Sie führen zu
starken Belastungen des Verbundprozesses, zu erhöhten Purgegasmengen bei der
Methanolsynthese und erzwingen den „Abwurf” nichtnutzbarer Gasspitzen
zur Fackel. Bisher wurde keine befriedigende Lösung für den gleichmäßigen Eintrag
des schwierig handhabbaren AHVS gefunden. Die genannten Nachteile
treffen nicht nur auf die Vergasung von AHVS zu, sondern in verminderter
Form auch auf die Vergasung von anderen Festbrennstoffen, wie niedrig-
und höherinkohlte
Kohlen.
-
Es
sind Vorschläge
bekannt, die eine thermische Nachspaltung von staub- und teerölhaltigen
Rohgasen der Festbettvergasung mit Sauerstoff zum Inhalt haben.
Diese Vorschläge
sind in den Patentschriften
DE 41
25 518 C1 „Verfahren
zur Entsorgung von festen und flüssigen
Abfallstoffen”,
DE 41 25 520 C1 „Verfahren zur
Vergasung von festen und flüssigen
Abfallstoffen”,
DE 41 25 521 C1 „Verfahren
zur simultanen Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen” und
DE 41 25 522 C1 „Verfahren
zur kombinierten Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen im Vergasungsprozess” beschrieben.
Sie sind darauf gerichtet, die Gastemperatur in einem Nachvergaser
auf größer 1.000°C zu erhöhen und
eine vollständige
Vergasung von Teeröl
und Staub zu erreichen. Es wird außerdem vorgeschlagen, flüssige Abfallstoffe
in den Nachvergaser einzubringen. Aschebestandteile werden unter
diesen Bedingungen schmelzflüssig
und müssen
abgeschieden werden. Für die
Nachvergasung ist ein eigener Reaktor mit allen dafür notwendigen
technischen und sicherheitstechnischen Einrichtungen erforderlich.
Die hohen Investkosten rechtfertigten bisher nicht deren Anwendung.
-
EP 277 935 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Vergasen von Brennstoffen mit Sauerstoff oder
sauerstoffhaltigen Gasen in einem schachtförmigen Ofen mit flüssigem Schlackeabzug.
Dabei wird in den oberhalb des Festbettes befindlichen, vom Produktgas
gefüllten
Raum des Ofens ein sauerstoffhaltiges Gas eingeleitet und ein geringer
Teil des Produktgases exotherm verbrannt. Durch die Einleitung des
sauerstoffhaltigen Gases, z. B. Luft gelingt es, die Temperatur
des Produktgases durch Verbrennen bis auf 1.000°C zu erhöhen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahren zu entwickeln, mit
denen die Gasqualität
des Rohgases des BGL-Vergasers im Hinblick auf die Nutzung als Synthesegas
verbessert, die Synthesegasausbeute erhöht und die beschleusungsbedingten
Gasmengenschwankungen verringert werden. Auf einen separaten Reaktor
für die
Nachvergasung soll verzichtet werden.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren zur Schlackebadvergasung in einem BGL-Vergaser
dadurch gelöst,
dass in den Freiraum kurz oberhalb der Feststoffschüttung im
BGL-Vergaser quer zur Rohgasströmung
sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel (Nachvergasungsmittel) zur Nachvergasung des
staub-, teeröl-
und kohlenwasserstoffhaltigen Rohgases mit einer Geschwindigkeit
von größer als
10 bis höchstens
100 m/s eingeblasen wird, dass die Menge an Nachvergasungsmittel
so bemessen ist, dass die Rohgasaustrittstemperatur des aus dem
BGL-Vergaser austretenden Rohgases der Nachvergasung (Nachvergasungsrohgas)
auf Werte im Bereich von minimal 800°C bis maximal der prozessrelevanten
Aschesintertemperatur erhöht
wird und dass der Mengenanteil des Sauerstoffs im Nachvergasungsmittel
mindestens 10 und höchstens
60% des dem BGL-Vergaser
insgesamt zugeführten
Vergasungssauerstoffs beträgt.
-
In
den durch die Nachvergasung aufgeheizten Freiraum werden zusätzlich flüssige Abfallstoffe,
insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Abfallstoffe, eingedüst und thermisch
umgesetzt oder behandelt.
-
Das
Nachvergasungsmittel besteht aus technischem Sauerstoff mit oder
ohne Zumischung von Wasserdampf. Die Zumischung von Wasserdampf
kann im Bereich zwischen Null und dem für die Flugstrom- oder Wirbelschichtvergasung üblichen
Wert von 2 kg pro m3 (i. N.) Sauerstoff
variiert werden.
-
Das
Nachvergasungsmittel wird quer zur Rohgasströmung mittels einer oder mittels
mehrerer über den
Umfang des BGL-Vergasers verteilten und in etwa gleicher Höhe angeordneten
Nachvergasungslanzen eingeblasen. Die Nachvergasungslanzen befinden
sich in einem Abstand von 0 bis 2 m oberhalb der mittleren Höhe der Feststoffschüttung. Mehrere
Nachvergasungslanzen sind in etwa gleicher Höhe, d. h. mit einem Höhenunterschied
von weniger als einem Meter zueinander, angeordnet, um eine Quervermischung
der Strömung
benachbarter Nachvergasungslanzen infolge von lokalen Dichteunterschieden
zu vermeiden. Die Nachvergasungslanzen sind in einem Bereich des
Neigungswinkels gegen die Horizontale zwischen 30° nach oben und
30° nach
unten, vorzugsweise horizontal, angeordnet. Mit Rücksicht
auf die angestrebte, überwiegend
horizontale Flammenausbreitung ist der Neigungswinkel der Einblasung
des Nachvergasungsmittels je nach Gestaltung des Freiraums des BGL-Vergasers
in dem genannten Bereich von +/– 30° begrenzt.
-
Das
Nachvergasungsmittel reagiert mit dem aus der Feststoffschüttung austretenden
staub-, teeröl- und
kohlenwasserstoffhaltigen Rohgas (Primärrohgas) unter starker, lokaler
Temperaturerhöhung
in den sich überwiegend
horizontal ausbreitenden Flammen, die sich vor den Nachvergasungslanzen
ausbilden. Die Nachvergasungsflammen führen eine intensive Vermischung
und Verwirbelung des Gases im Freiraum oberhalb der Feststoffschüttung herbei,
in deren Folge endotherme Vergasungsreaktionen ablaufen, die zu
einer schnellen Temperaturabsenkung und zu einem Temperaturausgleich
im Freiraum führen.
Die endothermen Reaktionen werden durch aufgewirbelte Koks- und
Mineralstäube
katalysiert.
-
Ein
wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Menge
an Nachvergasungsmittel so bemessen wird, dass die Rohgasaustrittstemperatur
des Nachvergasungsrohgases auf Werte im Bereich von 800°C bis maximal
der prozessrelevanten Aschesintertemperatur erhöht wird. Der Methangehalt des
Nachvergasungsrohgases wird dadurch auf Werte kleiner 15 Vol.-%
gesenkt. Vorzugsweise werden Rohgasaustrittstemperaturen im Bereich
von 850 bis 950°C
eingestellt, um den CH4-Gehalt im Nachvergasungsrohgas auf weniger
als 6 bis 10 Vol.-% zu senken. Letztlich wird die Menge an Nachvergasungsmittel
entsprechend der vorgegebenen Rohgasaustrittstemperatur eingestellt.
Die Nachvergasungsmittelmenge wird erhöht, wenn die Rohgasaustrittstemperatur
unter den vorgegebenen Wert fällt
und umgekehrt.
-
Der
genannte Mindestwert der Rohgasaustrittstemperatur von 800°C, der für die thermische
Spaltung erreicht und überschritten
sein muss, ergibt sich daraus, dass unterhalb dieser Temperatur überwiegend
exotherme Verbrennungsreaktionen ablaufen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird
demnach die Mindesttemperatur überschritten,
ab der mit weiter zunehmender Zugabe von Nachvergasungsmittel in
Summe die endothermen Spaltreaktionen und nicht die exothermen Verbrennungsreaktionen
zunehmen, wovon letztere zu einer unerwünschten Temperaturerhöhung führen würden. Aus
diesen Gründen
heraus übersteigt
der Mengenanteil des Sauerstoffs, der mit dem Nachvergasungsmittel
zugeführt
wird, einen Mindestwert von 10% bezogen auf den dem BGL-Vergaser
insgesamt zugeführten
Vergasungssauerstoff.
-
Die
maximal zulässige
Rohgasaustrittstemperatur ist auf die prozessrelevante Aschesintertemperatur begrenzt.
Als prozessrelevante Aschesintertemperatur wird in diesem Zusammenhang
die Rohgasaustrittstemperatur definiert, bei der es noch nicht zu
sinter- und schmelzbedingter Ansatzbildung von Asche und Schlacke
im Innenraum des BGL-Vergasers oder im Rohgasabgang kommt. Die maximal
zulässige
Rohgasaustrittstemperatur liegt bei niedrigschmelzenden Aschebestandteilen
bei ca. 1000°C.
Das Erreichen bzw. Überschreiten
dieser Temperaturgrenze wird durch Mengenbegrenzung des zugeführten Nachvergasungsmittels
vermieden. Der Mengenanteil des Sauerstoffs, der mit dem Nachvergasungsmittel
zugeführt
wird, ist mit Rücksicht
auf die Einhaltung der maximalen Rohgastemperatur auf 60% bezogen
auf den dem BGL-Vergaser insgesamt zugeführten Vergasungssauerstoff
begrenzt. Um Nachvergasungsflammen genügend großer Ausdehnung und hoher Vermischungsintensität auszubilden,
wird das Nachvergasungsmittel mit einer Geschwindigkeit von größer 10 bis
höchstens
100 m/s eingeblasen. Als besonders vorteilhaft für die Gasvermischung im Freiraum
erweist sich die gegenüberliegende,
radiale Ausrichtung der Nachvergasungslanzen, bei der die Nachvergasungsflammen
direkt aufeinander zu gerichtet sind.
-
In
den Nachvergasungsflammen schmelzen die Aschepartikel und bilden
größere Schmelzagglomerate,
die zu Boden sinken und mit der Feststoffschüttung nach unten gelangen.
Dadurch verringert sich der Staubaustrag des Nachvergasungsrohgases,
das den BGL-Vergaser über
den Rohgasabgang verlässt.
-
In
gleicher Höhe
oder über
den Nachvergasungslanzen im Freiraum oberhalb der Feststoffschüttung bzw.
direkt auf die Feststoffschüttung
werden flüssige
Abfallstoffe ein bzw. aufgedüst.
Als flüssige
Abfallstoffe werden kohlenwasserstoffhaltige Abfallstoffe, wie TÖF, aber
auch sonstige flüssige
Kohlenwasserstoffe, Slurries sowie anorganische, flüssige Abfallstoffe
eingesetzt. Durch die Eindüsung
werden die Schwankungen des Rohgasvolumenstromes, die, wie bereits
erwähnt,
infolge von Beschickungsschwankungen des BGL-Vergasers mit AHVS
auftreten, vergleichmäßigt. Der
Eintrag erfolgt derart, dass in Zeiten hoher Volumenströme an Nachvergasungsrohgas
die Eintragsmenge an flüssigen
Abfallstoffen reduziert wird und umgekehrt. Gleichzeitig wird die
Nachvergasungsmittel-Menge
derart angepasst, dass sich die Rohgasaustrittstemperatur im gewünschten
Bereich einstellt. Eine weitere vorteilhafte Lösung für die Eindüsung flüssiger Abfallstoffe ist die
gemeinsame Verdüsung
mit dem Nachvergasungsmittel über
eine oder über
mehrere Nachvergasungslanzen.
-
Durch
die sich bei der Nachvergasung oberhalb der Feststoffschüttung einstellende,
hohe Freiraumtemperatur werden intensive Spaltbedingungen erreicht,
bei denen die eingedüsten
flüssigen
Abfallstoffe praktisch sofort vollständig thermisch gespalten und
in Rohgasbestanteile umgewandelt werden. Die thermische Spaltung
kann auch dadurch intensiviert werden, indem die flüssigen Abfallstoffe
auf die durch die Nachvergasungsflammen aufgeheizte Schüttungsoberfläche aufgedüst werden.
Die Verwertungsmenge flüssiger
Abfallstoffe wird dadurch erhöht.
-
Die
Synthesegas-Mengen- und -Qualitätsprobleme
bei der Vergasung von AHVS und anderen Vergasungsstoffen im BGL-Vergaser
werden grundlegend gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht zudem darin, dass
die Nachvergasung zur Verbesserung der Rohgaszusammensetzung und zur
Erhöhung
der Synthesegasausbeute direkt im BGL-Vergaser durchgeführt wird
und dass auf einen separaten Spaltreaktor verzichtet werden kann.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeigt eine Vorrichtung zur Schlackebadvergasung auf Basis eines BGL-Vergasers,
bei dem eine oder mehrere Nachvergasungslanzen zur Zufuhr sauerstoffhaltiger
Nachvergasungsmittel in einem Abstand von 0 bis 2 m oberhalb der
mittleren Höhe
der Feststoffschüttung
angeordnet sind und bei dem die Nachvergasungslanzen so ausgestaltet
sind, dass über
die zugeführte
Menge an Nachvergasungsmittel die Rohgasaustrittstemperatur des
aus dem BGL-Vergaser austretenden Nachvergasungsrohgases auf vorgegebene
Werte im Bereich von minimal 800°C
bis maximal der prozessrelevanten Aschesintertemperatur geregelt
werden kann.
-
Zur
Durchführung
des Verfahrens sind die Nachvergasungslanzen in einem Bereich des
Neigungswinkels gegen die Horizontale des BGL-Vergasers zwischen
30° nach
oben und 30° nach
unten, vorzugsweise horizontal, ausgerichtet. Sind mehrere Nachvergasungslanzen
an einer oder an mehreren Stellen in etwa gleicher Höhe angeordnet
werden diese vorzugsweise radial, gegenüberliegend und direkt aufeinander
gerichtet.
-
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zur Durchführung des
Verfahrens reichen in den Freiraum Eindüsungslanzen zur Zufuhr flüssiger Abfallstoffe
auf gleicher Höhe
der Nachvergasungslanzen oder darüber hinein. Die Nachvergasungslanzen
können
dabei so ausgestaltet sein, dass diese auch die Zufuhr flüssiger Abfallstoffe
erlauben.
-
Anhand 1 wird
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert.
-
1 zeigt
in stark vereinfachter und schematischer Darstellung den Oberteil
eines BGL-Vergasers (1)
mit den Konturen seines Innenraumes. Der BGL-Vergaser (1)
dient der Synthesegaserzeugung aus AHVS, die von oben eingetragen
werden. Der BGL-Vergaser (1) wird bei einem Überdruck
von 25 bar betrieben. Die Nachvergasung erfolgt in der erfindungsgemäßen Weise
im Freiraum (3) des BGL-Vergasers (1). Etwa einen Meter
oberhalb der durchschnittlichen Schütthöhe der Feststoffschüttung (4)
sind an den gegenüberliegenden Seiten
am Umfang des BGL-Vergasers (1) zwei Nachvergasungslanzen
(5) angeordnet, die radial in den Freiraum (3)
zeigen und die horizontal ausgerichtet sind. Die Düsenöffnungen
(6) der Nachvergasungslanzen (5) sind direkt aufeinander
zu gerichtet. Im Freiraum (3) oberhalb der beiden Nachvergasungslanzen
(5) ist jeweils eine Eindüsungslanze (7) für kohlenwasserstoffhaltige,
flüssige
Abfallstoffe angeordnet. Des Weiteren besitzt der BGL-Vergaser (1)
einen seitlichen Rohgasabgang (8) unterhalb der Kuppel
(9).
-
Das
aus der Feststoffschüttung
(4) austretende Primärrohgas
(10) ist durch folgende mittlere Werte gekennzeichnet:
CO2 | 22
Vol.-% |
CH4 | 20
Vol.-% |
CO | 24
Vol.-% |
H2 | 21
Vol.-% |
N2 | 9
Vol.-% |
KW | 4
Vol.-% |
Teerölbeladung | 70
g/m3 (i. N., tr.) |
Staubbeladung | 50
g/m3 (i. N., tr.) |
- – Volumenstrom 35.000 m3 (i. N., tr.),
- – Temperatur
750°C,
- – Synthesegasausbeute
0,5 m3 (i. N.) (CO + H2)/kg,
- – spezifischer
Vergasungssauerstoff-Verbrauch 0,38 m3 (i.
N.) O2/(m3 (i. N.)
CO + H2).
-
Diese
für die
Nutzung als Synthesegas unbefriedigenden Werte stellten sich ein,
wenn keine Nachvergasung in der erfindungsgemäßen Weise erfolgen würde.
-
Zur
Nachvergasung wird über
die beiden wassergekühlten
Nachvergasungslanzen (5) das Nachvergasungsmittel (11),
bestehend aus technischem Sauerstoff, mit einem Volumenstrom von
insgesamt 3.400 m3 (i. N.)/h, jeweils 1.700
m3 (i. N.)/h pro Nachvergasungslanze (5),
eingedüst.
Vor den Nachvergasungslanzen (5) bildet sich jeweils eine
Nachvergasungsflamme (12) quer zur Strömung des Primärrohgases
(10) aus. Die Nachvergasungsflammen (12), die
direkt aufeinander gerichtet sind, bewirken eine intensive Verwirbelung
des partikelbeladenen Gases im Freiraum (3) und setzen
die endothermen Vergasungsreaktionen im gesamten Freiraum (3)
in Gang. Das sich bildende Nachvergasungsrohgas (13) verlässt mit
folgenden mittleren Parameter den BGL-Vergaser (1) über den
Rohgasabgang (8):
CO2 | 14
Vol.-% |
CH4 | 6,5
Vol.-% |
CO | 40
Vol.-% |
H2 | 29
Vol.-% |
N2 | 7
Vol.-% |
KW | 3,5
Vol.-% |
Teerölbeladung | 0
g/m3 (i. N., tr.) |
Staubbeladung | 30
g/m3 (i. N., tr.) |
- – Volumenstrom 43.500 m3 (i. N., tr.)/h
- – Temperatur
930°C,
- – Synthesegasausbeute
1,0 m3 (i. N., CO + H2)/kg,
- – spezifischer
Vergasungssauerstoff-Verbrauch 0,30 m3 (i.
N., O2)/m3 (i. N.,
CO + H2).
-
Die
Zusammensetzung und die Temperatur des Nachvergasungsrohgases (13)
werden mittels der Menge des Nachvergasungsmittels (11)
eingestellt. Durch Verringerung der Menge an zugeführtem Nachvergasungsmittel
(11) auf 3100 m3 (i. N.)/h erhöht sich
bei sonst nahezu unveränderten
Bedingungen der CH4-Gehalt auf 8,5 Vol.-%.
Die Vorteile der Erfindung werden an den spezifischen Kennzahlen
und am CH4-Gehalt des Nachvergasungsrohgases (13)
deutlich. Die Synthesegasausbeute wird verdoppelt, der spezifische
Sauerstoffverbrauch um 22% gesenkt. Gleichzeitig erhöht sich
die Menge an Nachvergasungsrohgas (13) um 24%. Der CH4-Gehalt des Nachvergasungsrohgases (13)
verringert sich grundlegend.
-
- 1
- BGL-Vergaser
- 2
- AHVS
- 3
- Freiraum
- 4
- Feststoffschüttung
- 5
- Nachvergasungslanze
- 6
- Düsenöffnung
- 7
- Eindüsungslanze
- 8
- Rohgasabgang
- 9
- Kuppel
- 10
- Primärrohgas
- 11
- Nachvergasungsmittel
- 12
- Nachvergasungsflamme
- 13
- Nachvergasungsrohgas