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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung
fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem
Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus
Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladene
Rohgase oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes des
Wirbelschichtvergasers abgezogen werden.
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Der
Vergasungsraum des Wirbelschichtvergasers besteht üblicherweise
aus einer Wirbelschicht, einem über der Wirbelschicht angeordneten Freeboard
und einem unter der Wirbelschicht angeordneten Bodenproduktabzug.
In die Wirbelschicht und häufig auch in das Freeboard und/oder
das Wanderbett des Bodenproduktabzuges werden die Vergasungsmittel
mittels Vergasungsmitteldüsen, die sich in so genannten
Düsenebenen auf unterschiedlicher Höhe des Vergasungsraumes
befinden, eingedüst. Die Vergasungsmittel bestehen in der
Regel aus Sauerstoff O2 und Wasserdampf
H2O (g) oder Luft. Es kann auch Kohlendioxid
CO2 als Vergasungsmittel vorgesehen werden.
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Die
sich bei der Vergasung fester Brennstoffe im Vergasungsraum des
Wirbelschichtvergasers bildenden kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände bestehen
aus Aschen und Restkoksen. Sofern im Vergasungsraum flüssige
Brennstoffe oder zu entsorgende Flüssigkeiten und Feststoffe
mitvergast werden, kommen deren Vergasungsrückstände,
die sich aus mineralischen oder metallischen Rückständen und
Restkoksen (bestehend aus Kokskohlenstoff und Aschen) zusammensetzen,
hinzu. Die Vergasungsrückstände sind hinsichtlich
ihrer Körnung in grobkörnige und feinkörnige
Vergasungsrückstände zu unterteilen. Erstere werden
unterseitig des Vergasungsraumes als Bodenprodukt abgezogen, letztere verlassen
den Vergasungsraum oberseitig mit den Rohgasen als Feinstäube.
Die Feinstäube werden in einem dem Wirbelschichtvergaser
nachgeschalteten Staubabscheider aus dem staubbeladenen Rohgas abgeschieden.
Sowohl die Feinstäube als auch das Bodenprodukt enthalten
einen hohen Anteil an Kokskohlenstoff. Um die Vergasungsrückstände
umweltgerecht deponieren zu können, müssen sie
einer Nachbehandlung durch Nachoxidation, d. h. einer Nachverbrennung,
zugeführt werden. Da der Aufwand für die Nachverbrennung
beträchtlich ist, hat man nach Lösungen gesucht,
die Nachoxidation der Vergasungsrückstände in
den Wirbelschichtvergaser zu integrieren.
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Für
die Nachoxidation des Bodenproduktes ist der Vorschlag gemäß
DE 299 26 034 C2 bekannt, wonach
unter der Wirbelschicht eine Wanderbettvergasung nach dem Lurgi-Verfahren
mit Drehrostaustrag der Asche angeordnet werden soll. Obwohl das Bodenprodukt
auf diese Art und Weise einer Nachbehandlung unterzogen werden kann,
konnte sich die Lösung nicht durchsetzen, da weiterhin
die Nachbehandlung der Feinstäube und eine Anlage zu deren Nachverbrennung
erforderlich sind.
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In
DE 44 13 923 wird zur Lösung
des Problems vorgeschlagen, mindestens eine Teilmenge der Feinstäube über
eine mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebene und
zugleich als Staubbrenner ausgebildete Vergasungsmitteldüse
in einer Höhe bis zu 3 m oberhalb der Wirbelschicht in das
Freeboard des Wirbelschichtvergasers einzutragen, wobei das sauerstoffhaltige
Vergasungsmittel einen Anteil von mehr als 20 Vol.-% Sauerstoff
enthalten soll. Angestrebt werden die thermische Zersetzung der
mit den Feinstäuben mitgeführten organischen Spurenstoffe
und eine Einbindung anorganischer Spurenstoffe in die Matrix der
Asche. Hervorgehoben wird eine Verfahrensführung, bei welcher die
Aschebestandteile in den Flammenbereichen vor den Vergasungsmitteldüsen über
den Erweichungspunkt aufgeheizt und agglomeriert werden. Das Vergasungsmittel
soll auch mehr als 30 Vol.-% Sauerstoff enthalten. Dieser Vorschlag
ist ebenfalls nicht geeignet, die Feinstäube vollständig
thermisch nachzubehandeln, da sie in den Flammenbereichen nicht vollständig
vergast werden können und nicht die gesamte Asche der zurückgeführten
Feinstäube granuliert werden kann. Auf eine externe Nachbehandlung kann
ebenfalls nicht verzichtet werden.
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In
EP 1 201 731 A1 wird
ein Verfahren beschrieben, dass es ermöglichen soll, die
Feinstäube in den Wirbelschichtvergaser möglichst
vollständig zurückzuführen und das Bodenprodukt
durch Nachoxidation thermisch zu behandeln. Die Granulation der Aschebestandteile
in der Wirbelschicht soll mittels Eindüsung zusätzlicher
Vergasungsmittel, die sich durch einen höheren Sauerstoffgehalt
und/oder eine höhere Temperatur auszeichnen, erfolgen.
Der Sauerstoffgehalt soll dazu ≥ 21 Vol.-% und/oder die
Temperatur des Vergasungsmittels ≥ 400°C betragen. Dieser
Vorschlag eröffnet ebenfalls keine Lehre, wonach die aus
dem Wirbelschichtvergaser austretenden Feinstäube vollständig
thermisch nachbehandelt werden können. Dies liegt zum einen
darin begründet, dass infolge der starken Feststoffvermischung
in der Wirbelschicht sich nur in lokal eng begrenzten Flammenbereichen
vor den Vergasungsmitteldüsen so hohe Temperaturen einstellen,
dass die Aschebestandteile agglomerieren können. Da zum
anderen der Kohlenstoffgehalt in der Wirbelschicht sehr hoch ist
(> ca. 60 Ma.-% bezogen
auf den Feststoff), kann selbst in den Gebieten hoher Temperaturen
nur von einem geringen Anteil an feinkörnigen Aschen ausgegangen
werden, der durch die Verbrennung freigesetzt wird und zur Agglomeration
zur Verfügung steht. Der überwiegende Teil der
feinkörnigen Aschen befindet sich außerhalb der
Flammenbereiche, wird nicht agglomeriert und mit dem Rohgas ausgetragen.
Die Beladung des Rohgases mit Feinstäuben würde
so stark ansteigen, dass eine vollständige Rückführung
der Feinstäube nicht mehr möglich wäre.
Eine externe Nachbehandlung der Feinstäube ist auch hier
weiterhin unumgänglich.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Behandlung der kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände
bei der Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter erhöhtem
Druck bereitzustellen, die es gestatten, auf eine externe Nachbehandlung
der Feinstäube und des Bodenproduktes möglichst
vollständig zu verzichten.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe
in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck unter Verwendung
von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus Sauerstoff und Wasserdampf
und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladene Rohgase oberseitig und Bodenprodukt
unterseitig des Vergasungsraumes des Wirbelschichtvergasers abgezogen
werden, gelöst, bei dem Vergasungsmittelgemische in die
Wirbelschicht, das Wanderbett und in das sich über der Wirbelschicht
ausbildende Freeboard eingeleitet werden, wobei die Sauerstoffkonzentration
der in die Wirbelschicht eingeführten Wirbelschicht-Vergasungsmittel
mindestens soweit erhöht wird, dass sich in nahezu dem
gesamten Reaktionsraum der Wirbelschicht Temperaturen einstellen,
die in dem Temperaturfenster zwischen dem Ascheerweichungspunkt tEp und dem Ascheschmelzpunkt tMp liegen,
wobei die Sauerstoffkonzentration der in das Wanderbett unter der
Wirbelschicht eingeführten Wanderbett-Vergasungsmittel
soweit verringert wird, dass sich in der Verbrennungszone im Wanderbett
Maximaltemperaturen einstellen, die unterhalb des Ascheerweichungspunktes
tEp liegen, wobei die Sauerstoffkonzentration
der in das Freeboard über der Wirbelschicht eingeführten
Freeboard-Vergasungsmittel mindestens soweit verringert wird, dass
sich am oberen Ende des Freeboardes Temperaturen einstellen, die
in der Nähe der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR, mindestens aber unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes
tSp liegen.
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Die
Erfindung beinhaltet eine neuartige, erweiterte Verfahrensgestaltung
für die Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe, die
sich überraschend ergibt, wenn die Möglichkeiten,
die die stofflichen Eigenschaften der zu vergasenden Brennstoffe
bieten, in geeigneter Kombination und Weise ausgenutzt werden. Es
wurde gefunden, dass die vier entscheidenden Stoffgrößen,
die die Erweiterung der Verfahrensgestaltung zur Lösung
der Aufgabenstellung der Erfindung ermöglichen, der Ascheerweichungspunkt tEp, der Ascheschmelzpunkt tMp,
der kritische Aschesinterpunkt tSp und die
kinetische Reaktionsendtemperatur tkR sind.
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Dabei
repräsentiert im vorliegenden Zusammenhang der Ascheerweichungspunkt
tEp die Temperatur, die erreicht sein muss,
damit die Asche unter den Bedingungen der Wirbelschichtvergasung
wenigstens teilweise schmilzt und agglomeriert und die unterschritten
sein muss, damit die Asche unter den Bedingungen der Festbettvergasung
im Wanderbett weder teilweise schmilzt noch agglomeriert. Der Ascheerweichungspunkt
tEp ist abhängig von der Aschezusammensetzung
der Brennstoffe und variiert beispielhaft zwischen z. B. 700°C
für Biomassen, z. B. 1000°C für Braunkohlen
und z. B. 1200°C für Steinkohlen, wobei die Werte
typische Einzelbeispiele darstellen und keinesfalls als repräsentativ
für die genannten Brennstoffgruppen gelten können.
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Der
Ascheschmelzpunkt tMp stellt im vorliegenden
Zusammenhang die Temperatur dar, bei der unter den Bedingungen der
Wirbelschichtvergasung die Asche unter Ausbildung von Flüssigkeitsfilmen oder
Tröpfchen erweicht und schmilzt, wobei die mindestens teilweise
erweichten Partikel zu größeren Partikeln agglomerieren,
jedoch das Wirbelbett noch nicht einfriert. Die Werte der Ascheschmelzpunkte
tMp liegen je nach eingesetztem Vergasungsstoff
um 30 bis 200 K über den entsprechenden Werten der Ascheerweichungspunkte
tEp.
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Als
kritischer Aschesinterpunkt tSp wird die Temperatur
bezeichnet, die unterschritten sein muss, damit die Asche im Freeboard
und bei der Abkühlung des staubbeladenen Rohgases nicht
zu betriebsstörenden Anbackungen oder Verlegungen führt.
Nichtrepräsentative, aber typische Zahlenbeispiele sind: z.
B. 600°C für Biomassen, z. B. 900°C für
Braunkohlen und z. B. 1100° für Steinkohlen.
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Die
kinetische Reaktionsendtemperatur tkR ist
nach Hedden /Foerst, W.: „ Ullmanns Encyklopädie
der technischen Chemie"; Band 10, Seite 375; Urban & Schwarzenberg; München,
Berlin; 1958/ diejenige Temperatur, bei der die endothermen
Vergasungsreaktionen bei der Festbettvergasung ohne Wärmezufuhr
oder Wärmeabfuhr von Außen entsprechend der Reaktionsfähigkeit
des Restkohlenstoffes, d. h. reaktionskinetisch, „einfrieren".
Die kinetische Reaktionsendtemperatur tkR kann
auch auf die Bedingungen der Wirbelschicht und Flugstromvergasung
fester Brennstoffe unter Druck übertragen werden. Die beiden
wichtigsten endothermen Vergasungsreaktionen sind die Boudouard-Reaktion
(C + CO2 → 2 CO) und die heterogene
Wassergasreaktion (C + H2O → CO
+ H2). Die Höhe der kinetischen
Reaktionsendtemperatur tkR hängt
von den eingesetzten, endothermen Vergasungsmitteln Wasserdampf und/oder
Kohlendioxid und von der Reaktionsfähigkeit des Kokskohlenstoffes
des jeweiligen Brennstoffes ab. Es ist bekannt, dass die kinetischen
Reaktionsendtemperaturen tkR für
Kohlendioxid unter technischen Bedingungen um ca. 50 bis 100 K höher
liegen als die für Wasserdampf. Bezüglich der
Brennstoffabhängigkeit ist bekannt, dass die kinetischen Reaktionsendtemperaturen
tkR bei der Vergasung mit Wasserdampf/Sauerstoff-Vergasungsmitteln
beispielhaft folgende nichtrepräsentative, typische Werte
annehmen: bei Steinkohlen die höchsten Werte (z. B. 1000°C),
bei Biomassen die niedrigsten Werte (z. B. 650°C) und bei
Braunkohlen mittlere Werte (z. B. 850°C).
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Die
unter Berücksichtigung der Erkenntnis der genannten Stoffgrößen
mögliche Erweiterung der Verfahrensgestaltung wird für
die Zonen der Wirbelschicht, des Wanderbettes und des Freeboardes nacheinander
beschrieben.
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Die
Wirbelschichttemperatur wird erfindungsgemäß auf
Werte im Temperaturfenster zwischen dem Ascheerweichungspunkt tEp und dem Ascheschmelzpunkt tMp angehoben,
indem die Sauerstoffkonzentration der Wirbelschicht-Vergasungsmittel
erhöht wird. Die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration
erfolgt durch eine veränderte Aufteilung der Zuführung
der Vergasungsmittel auf die Zonen der Wirbelschicht, des Freeboards
und des Wanderbettes derart, dass in der Zone der Wirbelschicht
die Menge an Wasserdampf und/oder an Kohlendioxid entsprechend reduziert
und dafür überwiegend in die Zone des Freeboardes
aufgegeben wird. Dabei wird die zur Wirbelschicht zugeführte
Vergasungsmittelmenge um so viel an Wasserdampf und/oder an Kohlendioxid
reduziert, dass die Wirbelschichttemperatur, die nach dem Stand
der Technik unterhalb des Ascheerweichungspunktes tEp,
in der Nähe der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR liegt, je nach Vergasungsstoff um mindestens
50 bis 200 K erhöht wird, um die gewünschte Aschegranulierung
durchzuführen.
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Weiterhin
neu ist, dass die Wirbelschichttemperatur auch außerhalb
der Flammenbereiche, die sich vor den Vergasungsmitteldüsen
ausbilden, in nahezu dem gesamten Reaktionsraum der Wirbelschicht
auf diese hohen Temperaturen angehoben wird. Unter diesen Bedingungen
und auf Grund des vorhandenen Restkokses reagiert der Sauerstoff
bevorzugt mit dem Restkoks unter Bildung von erweichten, geschmolzenen
und teilgeschmolzenen Partikeln, letztere z. B. mit Schlackehaut.
Durch intensive gegenseitige Berührung dieser Partikel
in der Wirbelschicht bilden sich mehrere Millimeter große
Restkoks-Asche-Agglomerate. Diese Agglomerate sinken nach unten
und gelangen in das Wanderbett. Infolge der durchgehend hohen Temperaturen
in der Wirbelschicht agglomeriert nahezu die gesamte durch Vergasung
freigelegte Asche. Dabei kommt es nicht zum Einfrieren des Wirbelbettes,
da sich in dem bezeichneten Temperaturfenster höchstens
lokal begrenzte Agglomerate ausbilden, deren Wachstum durch den in
größeren Mengen vorhandenen Restkoks begrenzt
ist.
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Die
beschriebene Verfahrenserweiterung hat bedeutende, positive Auswirkungen
für die Wirbelschichtvergasung zur Folge. Der Austrag feinkörniger,
nicht agglomerierter Aschen mit den Rohgasen aus der Wirbelschicht,
geht drastisch zurück. Da besonders die feinsten Restkoks-Partikel
agglomerieren, verringert sich auch der Austrag von feinkörnigem
Restkoks mit den Rohgasen aus dem Wirbelschichtvergaser, d. h. die
Staubbeladung der Rohgase sinkt stark ab, wodurch der Aufwand für
die Entstaubung der staubbeladenen Rohgase sinkt. Die Rückführung
der abgeschiedenen Feinstäube, die in der Regel zweistufig,
d. h. mittels Heißzyklon und Warmgasfilter erfolgt, ist
dadurch praktisch vollständig möglich. Ein weiteres
wichtiges Ergebnis der Erfindung, das dazu beiträgt, dass
die abgeschiedenen Feinstäube in der Regel praktisch vollständig
in die Zone der Wirbelschicht zurückgeführt werden
können, ist, dass durch die hohen, aber moderaten Temperaturen
im Reaktionsraum der Wirbelschicht (außerhalb der Flammenbereiche)
optimale Bedingungen für die Einbindung flüchtiger
Alkalien und Schwermetalle in die schmelzflüssige Phase
geschaffen werden. Der im Falle der praktisch vollständigen
Staubrückführung resultierende, anreicherungsbedingte
Anstieg der Dampfdrücke der genannten flüchtigen
anorganischen Komponenten wird dadurch so niedrig wie möglich
gehalten.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung werden größere
Freiheiten bei der Auslegung und beim Betrieb des Wirbelschichtvergasers
gewonnen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Wirbelschichthöhe
und damit das Volumen der Wirbelschicht zu erhöhen, ohne
die Bauhöhe des Wirbelschichtvergasers zu vergrößern.
Die Wirbelschicht kann im Wirbelschichtvergaser einen größeren
Raum einnehmen, da dies ohne nachteilige Wirkung auf den Staubaustrag
ist. Diese Option ist dann von Vorteil, wenn reaktionsträge
Vergasungsstoffe, z. B. Steinkohlen, unter Ausnutzung längerer
Verweilzeiten in der Wirbelschicht vergast werden sollen. Andererseits
kann das Volumen der Wirbelschicht und damit die Bauhöhe
des Wirbelschichtvergasers bei reaktionsfreudigen Vergasungsstoffen
(Braunkohlen und Biomassen) verringert werden. Generell geht mit
der Temperaturerhöhung eine deutliche Zunahme des Kohlenstoffumsatzes
einher. Das eröffnet die Möglichkeit der Vergrößerung
der Bandbreite der einsetzbaren Vergasungsstoffe (Steinkohlen) bis
hin zum Multi-Brennstoffeinsatz in einem Vergaser. Durch die hohen
Wirbelschichttemperaturen werden wesentlich weniger organische oder
anorganische Spurenstoffe gebildet, bzw. gebildete Spurenstoffe
werden schneller abgebaut. Die thermische Zersetzung höherer
aromatischer Kohlenwasserstoffe, z. B. BTX und Naphthalin, und der
Stickstoffverbindungen, hauptsächlich Ammoniak und HCN,
verläuft in der Wirbelschicht auf Grund der hohen axialen
und radialen Konvektion viel intensiver als im Falle der bisher üblichen
Temperaturerhöhung im Freeboard. Der Aufwand für
die Entfernung der Spurenstoffe bei der Gasreinigung verringert
sich.
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An
den Umfassungswänden der Wirbelschicht kann es trotz der
Ascheerweichung nicht zu massiven Ansätzen oder betriebsstörenden
Ablagerungen kommen, da die Konzentration an Restkoks in der Wirbelschicht,
der keine Aschehaut aufweist, sehr hoch ist und dieser Restkoks
als inertes Zwischenmittel in ggf. entstehende Ablagerungen eingelagert
wird und deren Bildung somit verhindert bzw. deren Festigkeit soweit
verringert, dass sich die lockeren Ablagerungen nicht an den Wänden
stabilisieren können. Sollten dennoch Ablagerungen an den
Wänden haften, weisen sie auf Grund der hohen Temperaturen,
bei denen die Asche teilweise geschmolzen und erweicht vorliegt,
nur so geringe Festigkeiten auf, dass sie sich ab einer bestimmten
Größe von den Wänden wieder ablösen
und nach unten in das Wanderbett fallen.
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Erfindungsgemäß wird
die Sauerstoffkonzentration der in das Wanderbett unter der Wirbelschicht
eingeführten Wanderbett-Vergasungsmittel soweit verringert,
dass sich in der Verbrennungszone im Wanderbett Maximaltemperaturen
einstellen, die unterhalb des Ascheerweichungspunktes tEp liegen. Die
Wanderbett-Vergasungsmittel strömen im Gegenstrom zu dem
nach unten aus dem Vergaser abgezogenen Bodenprodukt. Im Wanderbett
bilden sich von unten nach oben gesehen, vereinfacht dargestellt,
folgende Zonen aus: die Aschezone (Aufheizung der Wanderbett-Vergasungsmittel
und Abkühlung des Bodenproduktes), die Verbrennungszone (vollständige
Verbrennung des noch vorhandenen Restkohlenstoffes mit Sauerstoff
und Nachoxidation der Asche unter Erreichung der Maximaltemperaturen
von Bodenprodukt und Gas) und die Vergasungszone (teilweise Vergasung
des mit dem Bodenprodukt aus der Wirbelschicht eingetragenen Restkohlenstoffes
mit Wasserdampf oder Kohlendioxid unter Absenkung der Temperatur
auf annähernd die kinetische Reaktionsendtemperatur tkR. Je nach eingesetztem Vergasungsstoff
und dessen Ascheerweichungspunkt tEp muss
die Sauerstoffkonzentration entsprechend abgesenkt werden, damit
die Asche im Wanderbett nicht erweicht und es nicht zu betriebsstörenden
Verschlackungen oder zur Bildung kompakter Schmelzverbände
kommt, die die Durchströmbarkeit des Wanderbettes beeinträchtigen und/oder
auf Grund ihrer Größe Austragsprobleme verursachen.
Die Absenkung der Sauerstoffkonzentration wird vorzugsweise dadurch
erreicht, dass ein Teil des aus der Zone der Wirbelschicht eingesparten Wasserdampfes
oder Kohlendioxid in die Zone des Wanderbettes zugeführt
wird. Für den Fachmann bedarf es keiner weiteren Erläuterung,
welche Mengen an Sauerstoff und/oder Wasserdampf er in die Zone des
Wanderbettes einführen muss. Für die Vergasung
von Braunkohlen haben sich im Falle von Vergasungsmittelgemischen,
die aus Sauerstoff und Dampf bestehen, Sauerstoffgehalte entsprechend Dampf/Sauerstoff-Verhältnissen
von ca. 8 kg(Dampf)/m3 (i. N., Sauerstoff)
als geeignet erwiesen, um sicherzustellen, dass der Ascheerweichungspunkt
tEp nicht überschritten wird. Am
oberen Ende des Wanderbettes im Übergang zur Wirbelschicht
stellen sich, wie bereits ausgeführt, Temperaturen ein,
die annähred der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR entsprechen und somit unter dem Ascheerweichungspunkt
tEp liegen. Die in das Wanderbett absinkenden,
teilweise schmelzflüssigen Asche- und Asche-Koks-Agglomerate
kühlen in der Vergasungszone des Wanderbettes auf Grund
der endothermen Vergasungsreaktionen sehr schnell bis unter den
Ascheerweichungspunkt tEp ab. Somit erfolgt,
ohne dass zusätzliche Kühlvorrichtungen erforderlich
wären, selbsttätig die für die Ausbildung
eines vollständig trockenen Schüttgutes notwendige
Abkühlung des Feststoffes. Eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung besteht darin, als Wanderbett-Vergasungsmittel Kohlendioxid
(ohne Wasserdampf) im Gemisch mit Sauerstoff einzuführen,
die beide wenig oder nicht vorgewärmt sind und Temperaturen
von nahe Umgebungstemperatur bis ca. 100°C aufweisen. Das
Bodenprodukt wird dabei so weit abgekühlt, dass auf die
sonst erforderliche externe Nachkühlung verzichtet werden
kann.
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Schließlich
wird erfindungsgemäß die Sauerstoffkonzentration
der in das Freeboard eingeführten Freeboard-Vergasungsmittel
mindestens soweit verringert oder umgekehrt deren Wasserdampfkonzentration
soweit erhöht, dass sich am oberen Ende des Freeboardes
Temperaturen einstellen, die in der Nähe bzw. unterhalb
der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR,
mindestens aber unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes tSp, liegen. Erfindungswesentlich hierbei
sind die Erkenntnisse, dass a) eine gegenüber der kinetischen
Reaktionsendtemperatur tkR signifikant höhere
Temperatur am oberen Ende der Wirbelschicht vorliegt, dass b) die
hohen Temperaturen der staubbeladenen Rohgase am oberen Ende der
Wirbelschicht die Gewähr dafür sind, dass sich
die kinetische Reaktionsendtemperatur tkR nach Einmischung
der überwiegend aus endotherm reagierenden Vergasungsmitteln
bestehenden Freeboard-Vergasungsmittel schnell einstellen, dass
c) mit der Abkühlung der staubbeladenen Rohgase auf die
kinetische Reaktionsendtemperatur in den meisten Fällen
der kritische Aschesinterpunkt tSp am oberen
Ende des Freeboardes unterschritten wird, d. h. die abgekühlten
staubbeladenen Rohgase nicht mehr zur Hochtemperaturverschmutzung,
Ansatzbildung und Korrosion neigen, d) in den anderen Fällen, bei
denen der kritische Aschesinterpunkt tSp des
Vergasungsstoffes niedriger als dessen kinetische Reaktionsendtemperatur
tkR ist, die Sauerstoffkonzentration der
in das Freeboard eingeführten Freeboard-Vergasungsmittel
mindestens soweit abgesenkt oder gänzlich auf Null reduziert
wird, dass am oberen Ende des Freeboardes der kritische Aschesinterpunkt
tSp unterschritten wird und e) dass die
bei der Abkühlung der staubbeladenen Rohgase frei werdende
Wärme überwiegend in chemisch gebundene Wärme
umgewandelt wird. Es ist vorteilhaft, die Sauerstoffkonzentration
der in das Freeboard eingeführten Freeboard-Vergasungsmittel
auf Null abzusenken, d. h. Wasserdampf, Kohlendioxid oder Gemische
aus beiden einzuführen. Bei dieser Variante erfolgt eine
sehr intensive Abkühlung bis in die Nähe der kinetischen
Reaktionsendtemperatur tkR und darunter.
Wird eine noch schnellere und/oder noch stärkere Abkühlung
im Freeboard gewünscht, ist es auch möglich, Wasser
oder verflüssigtes Kohlendioxid gemeinsam oder getrennt
mit den Freeboard-Vergasungsmitteln oder anstelle der Freeboard-Vergasungsmittel
in das Freeboard einzubringen. Auch hier wird dem Fachmann klar
erkenntlich sein, welche Sauerstoffkonzentrationen und welche Wasserdampf-
und/oder Kohlendioxidmengen er bei welchen Einsatzkohlen, welchen
Vergasungsbedingungen und welchen Abkühlraten er anzuwenden
hat. Mit Hilfe der erläuterten Verfahrensmöglichkeiten
der Kühlung der staubbeladenen Rohgase im Freeboard wird
unter allen Bedingungen sichergestellt, dass der kritische Aschesinterpunkt
tSp am oberen Ende des Freeboardes unterschritten
wird.
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Außerdem
wird gewährleistet, dass die Umfassungswände des
Freeboardes frei von massiven Ascheansätzen oder betriebsstörenden
Ascheablagerungen bleiben. Durch das Eindüsen der kühlenden
Freeboard-Vergasungsmittel, gegebenenfalls Wasser oder verflüssigtes
Kohlendioxid eingeschlossen, bildet sich im Freeboard eine so genannte
Nierenströmung aus. Die aufwärtsgerichtete, heiße
Strömung wird von einer wandnahen, abwärtsgerichteten sowie „kalten"
Strömung umschlossen, die an ihrem unteren Ende in die
Wirbelschicht einmündet. Diese „kalte" Strömung
schützt die das Freeboard umfassenden Wände vor
Anbackungen. Dem Fachmann ist es leicht möglich, die Freeboard-Vergasungsmittel auf
vorteilhafte Weise so einzuführen, dass die „kalte"
Zirkulationsströmung unterstützt und verstärkt wird.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe
in der Wirbelschicht unter Druck gelöst, die im wesentlichen
aus einem Wirbelschichtvergaser besteht, der im Oberteil einen Rohgasabzug,
im unteren Teil ein Bodenprodukteabzug aufweist. Im Bereich der
Wirbelschicht sind ein Brennstoffeintrag sowie eine Staubrückführung
angeordnet. Der Wirbelschichtvergaser ist mit Hitzeschutz ausgestattet
und weist einen Kühlmantel auf.
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Der
Reaktionsraum des Wirbelschichtvergasers besteht von unten nach
oben gesehen aus dem Wanderbett, aus der Wirbelschicht über
dem oberen Ende des Wanderbettes und dem Freeboard über dem
oberen Ende der Wirbelschicht. In den Bereichen des Wanderbettes,
der Wirbelschicht und des Freeboardes sind am Umfang des Wirbelschichtvergasers
Zuführeinrichtungen für sauerstoffhaltige Vergasungsmittel
angeordnet, wobei die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
so ausgestaltet sind, dass sie eine unterschiedliche Steuerung des
Sauerstoffgehaltes im Reaktionsraum erlauben. Dabei sind die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
für die Wirbelschicht so angeordnet und ausgestaltet, dass
sie eine unterschiedliche Steuerung des Sauerstoffgehaltes erlauben,
so dass sich in nahezu dem gesamten Reaktionsraum der Wirbelschicht
Temperaturen einstellen, die in dem Temperaturfenster zwischen dem
Ascheerweichungspunkt tEp und dem Ascheschmelzpunkt
tMp liegen. Die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
für das Wanderbett sind so angeordnet und ausgestaltet,
dass sie eine Steuerung des Sauerstoffgehaltes erlauben, so dass
sich in der Verbrennungszone im Wanderbett Maximaltemperaturen einstellen,
die unterhalb des Ascheerweichungspunktes tEp liegen.
Die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen für das
Freeboardes sind so angeordnet und ausgestaltet, dass sie eine Steuerung
des Sauerstoffgehaltes erlauben, so dass sich am oberen Ende des
Freeboardes Temperaturen einstellen, die in der Nähe der
kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR,
mindestens aber unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes tSp, liegen.
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Beginnend
vom unteren Ende des Wanderbettes bis zum Gasaustritt am oberen
Ende des Freeboardes wird der Reaktionsraumquerschnitt vorteilhafterweise
annähernd konstant gehalten. Unter Verzicht auf die bei
Wirbelschichtvergasern übliche konische Einschnürung
vereinfacht sich die Konstruktion.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden wichtige Verfahrensvorteile erzielt: Verringerung
der Haftneigung von Ansätzen an senkrechten Wänden,
Erhöhung der Toleranz des im Querschnitt nicht reduzierten
Wanderbettes gegenüber größeren Asche-
und Schlackeagglomeraten, Ermöglichung der Zufuhr der sauerstoffreichen
Wirbelschicht-Vergasungsmittel über die gesamte Höhe
der Wirbelschicht, ohne dass sauerstoffhaltige Vergasungsmittelstrahlen
die gegenüberliegenden Wände berühren.
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Die
Aufgabe der Erfindung, die kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände
bei der Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter erhöhtem Druck
im Wirbelschichtvergaser so nachzubehandeln, so dass auf eine externe
Nachbehandlung möglichst vollständig verzichtet
werden kann, wird erfüllt. Die Erfindung besteht darin,
dass die Aufgabe in einer ausschließlich durch eine den
Vergasungsstoffeigenschaften auf besondere Art und Weise Rechnung
tragende Veränderung der Zuführung der Vergasungsmittel
gelöst wird. Das Verfahren der Wirbelschichtvergasung wird
in seiner Anwendungsbreite grundlegend erweitert und dabei vereinfacht,
ohne dass zusätzliche betriebliche oder apparative Aufwendungen
gegenüber einem Wirbelschichtvergaser nach dem Stand der
Technik erforderlich wären. Damit wird die Vorteilhaftigkeit
der Erfindung besonders deutlich.
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Anhand
des in 1 dargestellten, stark vereinfachten Schemas einer
Vorrichtung zur Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter
Druck wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Der
Reaktionsraum (4) des Wirbelschichtvergasers (1)
besteht von unten nach oben gesehen aus dem Wanderbett (5),
aus der Wirbelschicht (6) über dem oberen Ende
(7) des Wanderbettes (5) und dem Freeboard (8) über
dem oberen Ende (9) der Wirbelschicht (6). In den
Bereichen des Wanderbettes (5), der Wirbelschicht (6)
und des Freeboardes sind Zuführeinrichtungen (14),
(17) und (20) für die jeweiligen Vergasungsmittel
angeordnet.
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Im
Oberteil des Wirbelschichtvergasers (1) ist ein Rohgasabzug
und im unteren Teil ein Bodenproduktabzug (23) angeordnet.
Der Wirbelschichtvergaser (1) ist mit Hitzeschutz ausgestattet
und weist einen Kühlmantel auf. Der Reaktionsraum (4) des
Wirbelschichtvergasers (1) ist zylinderförmig.
Zur Zuführung des Brennstoffes dient der Brennstoffeintrag
(2).
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Dem
Rohgasabzug (24) sind ein Zyklon (25), ein Abhitzedampferzeuger
(26) sowie ein Kerzenfilter (27) nachgeschalten.
Abgetrennte Stäube werden über die Verbindungsleitung
(28) in die Wirbelschicht (6) zurückgeführt.
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In
den Wirbelschichtvergaser (1) wird mittels des Kohleeintrags
(2) Trockenbraunkohle (3) mit einem Wassergehalt
von 12 Ma.-% eingebracht. Die erfindungswesentlichen Stoffdaten
der eingesetzten Trockenbraunkohle (3) sind: Ascheerweichungspunkt
tEp = 1000°C, Ascheschmelzpunkt
tMp = 1200°C, kinetische Reaktionsendtemperatur
tkR = 850°C, kritischer Aschesinterpunkt
tSp = 950°C.
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Die
mengenmäßige Zuführung der Vergasungsmittel
(10) in den Reaktionsraum (4) des Wirbelschichtvergasers
(1) wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit
halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockenbraunkohle (3)
erläutert. Auf 1 kg Trockenbraunkohle (3) werden
insgesamt 0,362 m3 (i. N.) Sauerstoff (11),
0,06 m3 (i. N.) Kohlendioxid (12)
und 0,176 kg Wasserdampf (13) zugeführt. In das
Wanderbett (5) werden die Wanderbett-Vergasungsmittel (14),
die 0,006 m3 (i. N.) Sauerstoff (15) und
0,06 m3 (i. N.) Kohlendioxid (16)
umfassen, mit einer Temperatur von 80°C eingeführt.
In die Wirbelschicht (6) werden die Wirbelschicht-Vergasungsmittel
(17) mit einer Temperatur von 260°C, bestehend aus
0,285 m3 (i. N.) Sauerstoff (18)
und 0,035 kg Wasserdampf (19), eingeführt. Das
Freeboard (8) wird mit 260°C heißen Freeboard-Vergasungsmitteln (20),
die sich aus 0,071 m3 (i. N.) Sauerstoff
(21) und 0,141 kg Wasserdampf (22) zusammensetzen,
versorgt.
-
Unterseitig
des Wirbelschichtvergasers (1) wird das Bodenprodukt (23)
mit geeigneten Mitteln (nicht dargestellt) mit einer Temperatur
von 150°C abgezogen. Es ist grobkörnig (0 bis
10 mm), vollständig nachoxidiert und weist einen Kohlenstoffgehalt < 2 Ma.-% auf. Oberseitig
des Wirbelschichtvergasers (1) werden staubhaltige Rohgase
(24) abgezogen. Die staubhaltigen Rohgase (24)
werden im Zyklon (25) vorentstaubt, im Abhitzedampferzeuger
(26) auf 250°C abgekühlt und im Kerzenfilter
(27) vollständig von Staub befreit. Die abgeschiedenen
Stäube (28) werden vollständig in die
Wirbelschicht (6) des Wirbelschichtvergasers (1)
zurückgeführt. Durch die Wahl der o. g. Sauerstoffgehalte
der Vergasungsmittel wird in der Wirbelschicht (6) eine
Temperatur von 1150°C, in der Verbrennungszone (29)
im Wanderbett (5) eine Maximaltemperatur von 950°C
und am oberen Ende (30) des Freeboardes (8) eine
Temperatur von 920°C eingestellt.
-
- 1
- Wirbelschichtvergaser
- 2
- Kohleeintrag
- 3
- Trockenbraunkohle
- 4
- Reaktionsraum
- 5
- Wanderbett
- 6
- Wirbelschicht
- 7
- oberes
Ende Wanderbett
- 8
- Freeboard
- 9
- oberes
Ende Wirbelschicht
- 10
- Vergasungsmittel
- 11
- Sauerstoff
- 12
- Kohlendioxid
- 13
- Wasserdampf
- 14
- Wanderbett-Vergasungsmittel
- 15
- Sauerstoff
- 16
- Kohlendioxid
- 17
- Wirbelschicht-Vergasungsmittel
- 18
- Sauerstoff
- 19
- Wasserdampf
- 20
- Freeboard-Vergasungsmittel
- 21
- Sauerstoff
- 22
- Wasserdampf
- 23
- Bodenprodukt
- 24
- staubhaltige
Rohgase
- 25
- Zyklon
- 26
- Abhitzedampferzeuger
- 27
- Kerzenfilter
- 28
- Stäube
- 29
- Verbrennungszone
- 30
- oberes
Ende Freeboard
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 29926034
C2 [0004]
- - DE 4413923 [0005]
- - EP 1201731 A1 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Foerst, W.: „ Ullmanns
Encyklopädie der technischen Chemie"; Band 10, Seite 375;
Urban & Schwarzenberg;
München, Berlin; 1958 [0013]