DE102007017402A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln fester Brennstoffe in brennbares Produktgas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln fester Brennstoffe in brennbares Produktgas Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Umwandeln fester Brennstoffe in brennbares Produktgas bewegen sich die in einen Druckvergaser eingeschleusten Brennstoffe im Gegenstrom zu einem Wasserdampf und Sauerstoff oder Luft enthaltenden Vergasungsmittel in Form eines Fließbetts langsam nach unten nacheinander durch eine Trocknungszone, eine Pyrolysezone, eine Vergasungszone und eine Verbrennungszone, wobei die Aschen unten aus dem Druckvergaser ausgeschleust und das erzeugte Produktgas am Oberteil des Druckvergasers ausgeleitet wird. Um eine verbesserte Leistung des Druckvergasers zu erreichen, ist vorgesehen, einen am oberen Ende des Reaktionsraums abgesaugten Teilstrom des erzeugten Produktgases durch den in dem Speicherraum oberhalb des Reaktionsraums bewegten Abschnitt des Fließbetts zu leiten und den über einen Ausgang im Oberteil des Druckvergasers ausgeschleusten Teilstrom in einen Eingang im Oberteil des Druckvergasers zurückzuschleusen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln fester Brennstoffe in brennbares Produktgas, bei dem sich die in den Schacht eines Druckvergaser oben kontinuierlich eingeschleusten, eine Körnung von 3 bis 100 mm besitzenden, festen Brennstoffe mit einem Aschegehalt von bis zu 50 Gew.% und mit einem Wassergehalt von bis zu 50 Gew.% im Gegenstrom zu einem Wasserdampf und Sauerstoff oder Luft enthaltenden Vergasungsmittel in Form eines Fließbetts bei Drücken von 1 bis 100 bar[a], vorzugsweise 15 bis 35 bar[a], unter dem Einfluss der Schwerkraft langsam nach unten bewegen und in zeitlicher Reihenfolge nacheinander getrocknet, geschwelt, vergast und verbrannt werden, die erzeugte Asche unten aus dem Druckvergaser ausgeschleust und das gewonnene mit Wasserdampf nicht-gesättigte, CO, CO2, H2, N2, H2S, COS, CH4 und CnHm enthaltende Produktgas, dessen Temperaturen im Bereich zwischen der vom Partialdruck abhängigen Taupunkttemperatur des Wasserdampfs und 800°C liegen, am Oberteil des Druckvergasers ausgeleitet wird.
  • Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Druckvergasung fester Brennstoffe können Torf, Braunkohle, Steinkohle, Koks, Biomasse oder dergl. mit einer Körnung im Bereich von 3 bis 100 mm, einem Aschegehalt von bis zu 50 Gew.%, vorzugsweise 5 bis 50 Gew.%, und einem Wassergehalt von bis zu 50 Gew.%, vorzugsweise 3 bis 50 Gew.%, mit einem im Gegenstrom geführten Gemisch aus Wasserdampf und Sauerstoff oder Luft unter Drücken von 1 bis 100 bar[a] bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der in den Brennstoffen enthaltenen Aschen zu CO, CO2, H2, N2, H2S, COS, CH4 und CnHm und Wasserdampf enthaltendem Produktgas umgewandelt werden. Der Druckvergaser besteht aus einem schachtförmigen Doppelmantelbehälter mit Druckwasser- Verdampfungskühlung, in den über eine am Kopf angeordnete Schleuse die Brennstoffe kontinuierlich eingebracht und über den Querschnitt verteilt werden. Das Vergasungsmittel wird über den Boden des Druckvergasers durch einen rotierenden Rost in das aus den Brennstoffen gebildete Fließbett eingeleitet. Das Fließbett wandert im Druckvergaser unter dem Einfluss der Schwerkraft kontinuierlich langsam nach unten und wird dabei in zeitlicher Reihenfolge nacheinander getrocknet, bei Temperaturen von 300 bis 700°C geschwelt, bei Temperaturen von 700 bis 1500°C vergast und bei Temperaturen von 1200 bis 1600°C verbrannt. Durch das Temperaturen von > 240 bis 800°C aufweisende Produktgas werden die Brennstoffe getrocknet und geschwelt, wobei ein Teer, Öl, Naphtha, Phenole und Fettsäuren enthaltendes Pyrolysegas gebildet wird. Bei der anschließenden Vergasung wird der bei der Schwelung gebildete Koks unter Einfluss des Temperaturen von 700 bis 1500°C aufweisenden entgegenströmenden Wasserdampf und CO2 enthaltenden Gemisches vergast. Aus der Verbrennungszone strömt heißes Produktgas in die Vergasungszone. In der Verbrennungszone reagiert der Rest des aus der Vergasungszone stammenden Kokses mit Sauerstoff zu Hitze und CO2, wobei die Temperaturen durch Einstellen eines Wasserdampf/O2-Verhältnisses von 0,5 bis 9 kg Wasserdampf pro Nm3 O2 unterhalb des Ascheschmelzpunkts im Bereich von 900 bis 1500°C bleiben muss. Anstelle des Wasserdampfs kann auch CO2 oder N2 als Temperaturmoderator eingesetzt werden. Die bei diesem Verfahren erzielbaren Gaserzeugerleistungen ist – gemessen in Nm3 Produktgas (trocken gerechnet) pro m2 Schachtquerschnitt des Druckvergasers – eine Funktion der Aufheizgeschwindigkeit sowie des Wassergehalts und der Porenstruktur der eingesetzten Brennstoffe (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 12. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1989; S. 218 bis 226). Ein wesentlicher Nachteil des vorstehend dargestellten Verfahrens besteht darin, dass Brennstoffe mit Wassergehalten von 20 bis 50 Gew.% im Bereich der Trocknungszone im Übergang zur Pyrolysezone infolge ihrer thermischen Instabilität ganz oder teilweise zerfallen. Der dabei entstandene Kohle- und Aschestaub wird mit dem Produktgas aus dem Druckvergaser ausgetragen und führt in den dem Druckvergaser nachgeschalteten Apparaten zu unerwünschten, die weitere Behandlung des Produktgases beeinträchtigenden Ablagerungen. Große Wassergehalt besitzende Braunkohlen, Torfe und Biomassen lassen sich, bedingt durch ihre geringe thermische Stabilität, häufig nicht in dem Druckvergaser behandeln. Ein Maß für die mit einem Druckvergaser erzielbare Leistung (Nm3/h) ist das Zerfallsverhalten der Brennstoffe im Reaktionsraum während der Aufheizung durch das erzeugte der Bewegung des Fließbetts entgegengerichtete Produktgas. Je geringer also der Zerfall der Brennstoffe ist, um so kleiner ist die Anteil an Kohle- und Aschstaub im Produktgas und um so größer ist die Leistung des Gaserzeugers, da unter diesen Umständen die Aufheizgeschwindigkeit erhöht werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs beschriebene Verfahren so zu führen, dass die in den Brennstoffen enthaltene Feuchtigkeit vor dem Eintritt des Fließbetts in der Reaktionsraum des Druckvergasers vollständig oder nahezu vollständig, d. h. zu wenigstens 90 Gew.% ausgetrieben ist.
  • Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, dass ein am oberen Ende des Reaktionsraums kontinuierlich abgesaugter Teilstrom, vorzugsweise 5 bis 25 Vol.%, des erzeugten Produktgases stromauf durch den in dem Speicherraum oberhalb des Reaktionsraums bewegten Abschnitt des Fließbetts geleitet, über einen im Oberteil des Druckvergasers befindlichen Ausgang ausgeschleust und über einen im Oberteil des Druckvergasers angebrachten Eingang in den Oberteil zurückgeschleust wird. Die auf diese Weise je nach Wassergehalt vollständig oder nahezu vollständig getrockneten Brennstoffe lassen vergleichsweise größere Aufheizgeschwindigkeiten zu, so dass eine relativ größere Leistung des Druckvergasers erreicht wird. Bei gleicher Aufheizgeschwindigkeit ist der Anteil an Kohle- und Aschestaub im Produktgas bei getrockneten Brennstoffen deutlich niedriger als beim Einsatz von ungetrockneten Brennstoffen. Der Anteil an Kohle- und Aschestaub im Produktgas ist so klein, dass in den dem Druckvergaser nachgeschalteten Apparaten, wie beispielsweise Abhitzekessel, Abstoß- und Kühleinrichtungen für das Gaswasser, keine Betriebstörungen durch Staubablagerungen verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich auch Brennstoffe mit großen Feuchtigkeitsgehalten, wie Braunkohle, Torf und Biomassen problemlos vergasen lassen. Die Trocknung der Brennstoffe ist bei allen Betriebzuständen des Druckvergasers durchführbar unter der Voraussetzung, dass das Produktgas nicht mit Wasserdampf gesättigt ist und eine im Bereich zwischen der partialdruckabhängigen Taupunkttemperatur des Wasserdampfs und 800°C liegende Temperatur besitzt.
  • Eine zusätzliche Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Volumenmenge des durch den in dem Speicherraum oberhalb des Reaktionsraums bewegten Abschnitts des Fließbetts gesaugten Teilstroms des Produktgases in Abhängigkeit von der Temperatur des Teilstroms geregelt wird. Je größer die Volumenmenge des pro Zeiteinheit durch das Fließbett gesaugten Teilstroms des Produktgases ist, um so größer ist seine Wärmeabgabe und umgekehrt. Dazu wird die Drehzahl des den Teilstrom des Produktgases ansaugenden Gebläses in Abhängigkeit von der Temperatur des Teilstroms stetig geregelt.
  • Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Teilstrom des Produktgases vor dem Eingang in den Ringraum im Oberteil des Druckvergasers auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkt des Produktgases abzukühlen und das dabei gebildete Kondensat aus dem Prozess auszuleiten.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem schachtförmigen Reaktionsbehälter mit Doppelmantel mit Druckwasser-Verdampfungskühlung und mit einem sich über den Mittel- und Unterteil erstreckenden Reaktionsraum, mit einer am oberen Ende angeordneten Brennstoffschleuse und einer am unteren Ende angeordneten Aschenschleuse, mit einem im Unterteil am Boden angebrachten mit der Zuleitung für das Vergasungsmittel verbundenen Drehrost, mit einem im Oberteil unter Bildung eines nach oben verschlossenen Ringraums mit der Innenseite des Reaktionsbehälters befestigten an den Reaktionsraum nach oben anschließenden Rohrabschnitt und mit einem im Oberteil im Bereich des Ringraums angebrachten Ausgang für das Produktgas und mit einem im Oberteil oberhalb des Ringraums angeordneten Ausgang für den abgesaugten Teilstrom des Produktgases, der über eine Leitung mit darin angeordnetem Gebläse mit einem im Oberteil im Bereich des Ringraums angebrachten Eingang verbunden ist.
  • Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematische dargestellten Druckvergasers in Verbindung mit zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Der Druckvergaser (1) besitzt einen Doppelmantel (2) mit Druckwasser-Verdampfungskühlung, bei dem der körnige Brennstoff kontinuierlich durch die am Kopf des Druckvergasers (1) befindliche Schleuse (3) in den Schacht (4) des Druckvergasers (1) eingetragen wird. Der Brennstoff bildet ein Fließbett (5), wobei die Brennstoffe bei der Bewegung des Fließbetts (5) durch den als Speicherraum dienenden Oberteil (6) des Druckvergasers (1), in dem ein Rohrabschnitt (7) unter Bildung eines nach oben abgeschlossenen Ringraums (8) mit der Innenseite des Doppelmantels (2) eingesetzt ist, getrocknet werden. Bei der Bewegung des Fließbetts durch den Mittel- und Unterteil (9) des Druckvergasers (1) werden die Brennstoffe in zeitlicher Reihenfolge nacheinander geschwelt, vergast und verbrannt. Über Leitung (10) wird ein Vergasungsmittel von unten durch einen rotierenden Rost (11) in das Fließbett (5) eingeleitet. Die nach der Verbrennung übrigbleibende Asche wird von dem rotierenden Rost (11) kontinuierlich in die am unteren Ende des Druckvergasers (1) angebrachte Aschenschleuse (12) ausgebracht. Der überwiegende Teil des erzeugten im Gegenstrom zur Bewegung des Fließbetts (5) strömenden Produktgases sammelt sich in dem zwischen dem Rohrabschnitt (7) und der Innenseite des Doppelmantels (2) vorhandenen Ringraum (8) und wird aus diesem über den in dem Doppelmantel (2) angebrachten Ausgang (13) an nachfolgende Apparate weitergeleitet. Im Übergangsbereich zwischen der Brennstoffschleuse (3) und dem Oberteil (6) des Druckvergasers (1) befinden sich zwei Ausgänge (14, 15), die über Leitung (16) mit einem im Bereich des Ringraums (8) mündenden Eingang (17) verbunden sind. Durch das in Leitung (16) angeordnete Gebläse (18) wird ein Teilstrom des Produktgases am oberen Rand des Reaktionsraums abgesaugt und durch den im Oberteil (6) des Druckvergasers (1) bewegten Abschnitt des Fließbetts (5) geleitet. Der über die Ausgänge (14, 15) abgesaugte Teilstrom des Produktgases wird durch einen in Leitung (16) eingebauten Wärmeübertrager (19) gekühlt. Über den Regelkreis (20) wird die Drehzahl des Gebläses (18) in Abhängigkeit von der Temperatur des Teilstroms des Produktgases stetig geregelt.
  • 1. Ausführungsbeispiel:
  • In einen herkömmlichen Druckvergaser mit einem Durchmesser von 3,8 m werden 23,8 t/h bituminöse Kohle, enthaltend 20,6 Gew.% flüchtigen Bestandteile, 50,9 Gew.% festen Kohlenstoff, 10 Gew.% Wasser und 18,5 Gew.% Asche, kontinuierlich direkt in den Reaktionsraum geschleust. Zu der in Form eines Fließbetts durch den Druckvergaser bewegten bituminösen Kohle fließt im Gegenstrom ein am Boden des Druckvergasers eingeleitetes Wasserdampf/O2-Gemisch mit einem Verhältnis von Wasserdampf zu O2 von 5,8. Bei einem im Reaktionsraum des Druckvergasers herrschenden Druck von 28 bar[a] wird die Kohle in zeitlicher Reihenfolge nacheinander bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 30°C/min getrocknet, geschwelt, vergast und verbrannt. Das erzeugte aus dem Druckvergaser ausgeleitet Produktgas besteht aus 27,8 Vol.% CO2, 23 Vol.% CO3 28,6 Vol.% H2, 9,1 Vol.% CH4, 0,4 Vol.% CnHm und 0,4 Vol.% N2. Die Ausbeute an Produktgas beträgt 2381 Nm3 trockenes Produktgas pro t Wasser- und aschefreie bituminöse Kohle.
  • 2. Ausführungsbeispiel:
  • Bituminöse Kohle gleicher Zusammensetzung, wie im 1. Ausführungsbeispiel angegeben, wird kontinuierlich in einen Druckvergaser geschleust, bei dem die in Form eines Fließbett bewegte bituminöse Kohle in einem an den Reaktionsraum nach oben anschließenden Speicherraum, d. h. außerhalb des Reaktionsraums getrocknet wird. Im Gegenstrom zu dem Fließbett strömt ein Wasserdampf/O2-Gemisch, bei dem das Verhältnis von Wasserdampf zu O2 5,8 beträgt. Die nahezu vollständige Trocknung der Kohle vor dem Eintritt des Fließbetts in den eigentlichen Reaktionsraum erfolgt in der Weise, dass ein Teilstrom von 9000 Nm3/h des erzeugten Produktgases mit der im 1. Ausführungsbeispiel angeführten Zusammensetzung am oberen Ende des Reaktionsraums kontinuierlich abgesaugt und von unten nach oben stromaufwärts durch den in dem Speicherraum bewegten Abschnitt des Fließbetts geleitet wird. Da die Trocknung der bituminösen Kohle außerhalb des Reaktionsraums des Druckvergasers erfolgt, kann die Aufheizgeschwindigkeit auf 50°C/min erhöht und dadurch eine Steigerung der Leistung des Druckvergasers auf 29 t/h erzielt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 12. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1989; S. 218 bis 226 [0002]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Umwandeln fester Brennstoffe in brennbares Produktgas, bei dem sich die in den Schacht eines Druckvergasers oben kontinuierlich eingeschleusten, eine Körnung von 3 bis 100 mm besitzenden, festen Brennstoffe mit einem Aschegehalt von bis zu 50 Gew.% und mit einem Wassergehalt von bis zu 50 Gew.% im Gegenstrom zu einem Wasserdampf und Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel in Form eines Fließbetts bei Drücken von 1 bis 100 bar[a], vorzugsweise 15 bis 35 bar[a], unter dem Einfluss der Schwerkraft langsam nach unten bewegen und in zeitlicher Reihenfolge nacheinander getrocknet, geschwelt, vergast und verbrannt werden, die erzeugte Asche unten aus dem Druckvergaser ausgeschleust und das gewonnene mit Wasserdampf nicht-gesättigte, CO, CO2, H2, N2, H2S, COS, CH4 und CnHm enthaltende Produktgas, dessen Temperaturen im Bereich zwischen der vom Partialdruck abhängigen Taupunkttemperatur des Wasserdampfs und 800°C liegen, am Oberteil des Druckvergasers ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein am oberen Ende des Reaktionsraums kontinuierlich abgesaugter Teilstrom des erzeugten Produktgases stromauf durch den in dem Speicherraum oberhalb des Reaktionsraums bewegten Abschnitt des Fließbetts geleitet, über einen im Oberteil des Druckvergasers befindlichen Ausgang ausgeschleust und über einen im Oberteil des Druckvergasers angebrachten Eingang in diesen zurückgeschleust wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abgesaugte Teilstrom des Produktgases vor dem im Oberteil des Druckvergasers im Bereich des Ringraums angebrachten Eingang auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts des Produktgases abgekühlt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenmenge des durch den in dem Speicherraum bewegten Abschnitts des Fließbetts geleiteten Teilstroms des Produktgases in Abhängigkeit von der Temperatur des Teilstroms stetig geregelt wird.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem schachtförmigen Reaktionsbehälter (1) mit Doppelmantel (2) mit Druckwasser-Verdampfungskühlung und mit sich über Mittel- und Unterteil erstreckendem Reaktionsraum (9), mit einer am oberen Ende befindlichen Brennstoffschleuse (3), mit einer am unteren Ende befindlichen Aschenschleuse (12), mit einem im Unterteil am Boden angebrachten mit der Zuleitung (10) für ein Vergasungsmittel verbundenen Drehrost (11), mit einem im Oberteil befindlichen Ausgang (13) für das Produktgas, mit einem im Oberteil unter Bildung eines nach oben verschlossenen Ringraums (8) angeordneten an den Reaktionsraum nach oben anschließenden Rohrabschnitt (7), gekennzeichnet durch wenigstens eine im Oberteil angebrachten Ausgang (14, 15) für den abgesaugten Teilstrom des Produktgases, der über eine Leitung (16) mit darin angeordnetem Gebläse (18) mit einem im Oberteil im Bereich des Ringraums (8) angebrachten Eingang (17) verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Gebläse (18) und dem Eingang (17) in den Ringraum (8) in der Leitung (16) angeordneten Wärmeübertrager (19)
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