DE102007006982A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck Download PDF

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Abstract

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. Erfindungsgemäß werden Vergasungsmittelgemische in die Wirbelschicht, das Wanderbett und in das sich über der Wirbelschicht ausbildende Freeboard eingeleitet, 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 scheschmelzpunkt t<SUB>Mp</SUB> liegen, wobei die Sauerstoffkonzentration der in das Wanderbett unter der Wirbelschicht eingeführten Wanderbett-Vergasungsmittel so weit verringert wird, dass sich in der Verbrennungszone im Wanderbett Maximaltemperaturen einstellen, die unterhalb des Ascheerweichungspunktes t<SUB>Ep</SUB> liegen, wobei die Sauerstoffkonzentration der in das Freeboard über der Wirbelschicht eingeführten Freeboard-Vergasungsmittel mindestens so weit verringert wird, dass sich am oberen Ende des Freeboardes Temperaturen einstellen, die in der Nähe der kinetischen Reaktionsendtemperatur t<SUB>kR</SUB>, mindestens aber unterhalb des kritischen ...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anhand des in 1 dargestellten, stark vereinfachten Schemas einer Vorrichtung zur Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter Druck wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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]

Claims (5)

  1. 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 und wobei Vergasungsmittelgemische in die Wirbelschicht, das Wanderbett und in das sich über der Wirbelschicht ausbildende Freeboard eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass 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, dass 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, und dass 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wanderbett-Vergasungsmittel Kohlendioxid im Gemisch mit Sauerstoff in das Wanderbett mit Temperaturen von nahe Umgebungstemperatur bis ca. 100°C eingeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Freeboard-Vergasungsmittel Wasserdampf, Kohlendioxid oder Gemische aus beiden eingeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser oder verflüssigtes Kohlendioxid gemeinsam oder getrennt mit den Freeboard-Vergasungsmitteln oder anstelle der Freeboard-Vergasungsmittel in das Freeboard eingeführt werden.
  5. Vorrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter Druck, im Wesentlichen aus einem Wirbelschichtvergaser bestehend, der im Oberteil einen Rohgasabzug, im unteren Teil ein Bodenprodukteabzug, im Bereich der Wirbelschicht einen Brennstoffeintrag sowie eine Staubrückführung aufweist, der mit Hitzeschutz ausgestattet ist und einen Kühlmantel aufweist, wobei der Reaktionsraum des Wirbelschichtvergasers von unten nach oben gesehen aus einem Wanderbett, aus einer Wirbelschicht über dem oberen Ende des Wanderbettes und einem Freeboard über dem oberen Ende der Wirbelschicht besteht und in den Bereichen des Wanderbettes, der Wirbelschicht und des Freeboardes am Umfang des Wirbelschichtvergasers Zuführeinrichtungen für sauerstoffhaltige Vergasungsmittel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Reaktionsraumes über dessen gesamte Höhe nahezu gleich bleibend ist, dass die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen für die Wirbelschicht so angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie eine 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, dass die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen für das Wanderbett so angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie eine Steuerung des Sauerstoffgehaltes erlauben, so dass sich in der Verbrennungszone im Wanderbett Maximaltemperaturen einstellen, die unterhalb des Ascheerweichungspunktes tEp liegen, und dass die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen für das Freeboard so angeordnet und ausgestaltet sind, 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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