DE102008037318B4

DE102008037318B4 - Verfahren, Vorrichtung und Anlage zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck

Info

Publication number: DE102008037318B4
Application number: DE200810037318
Authority: DE
Inventors: Prof. Meyer Bernd; Martin Gräbner; Robert Pardemann
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: DE102008037318A1

Abstract

Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, wobei in einem aufwärts gerichteten, intern zirkulierenden Flugstrom unter Verwendung erster sauerstoffreicher Vergasungsmittel a) eine weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile der festen Brennstoffe und b) eine thermische Behandlung von Nachvergasungsrohgasen sowie c) eine Granulierung der Asche bei Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgen, wobei kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände, Aschegranulate und staubbeladene Rohgase gebildet und staubbeladene Rohgase bei Temperaturen unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes aus dem Flugstrom nach oben in eine Pufferzone abgezogen und von dort einer Weiterverarbeitung zugeführt werden, wobei die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwätsgerichtete „kalte” Wandströmung ausbildet, und wobei in einem unter dem Flugstrom befindlichen Wanderbett unter Verwendung zweiter sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel eine weitestgehende bis vollständige Oxidation der den Flugstrom nach unten verlassenden kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände und Aschegranulate bei Temperaturen unterhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgt und dabei Nachvergasungsrohgase und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Anlage zur Flugstromvergasung fester Bennstoffe unter Druck.
Bei den bekannten Verfahren der Flugstromvergasung werden staubförmige, kohlenstoffhaltige (C-haltige) Brennstoffe mit Vergasungsmitteln, die überwiegend aus Sauerstoff bestehen, bei Temperaturen über dem Fließpunkt der Asche zu den Vergasungsprodukten Rohgas und Schlacke umgewandelt. Um die Asche aufzuschmelzen, sind im Vergasungsraum sehr hohe Temperaturen erforderlich. Je nach Aschefließpunkt liegen sie bei ca. 1.400 bis 1.600°C. Die Rohgase und die Schlacke müssen bei diesen hohen Temperaturen am Austritt aus dem Flugstromvergaser abgezogen werden. Der spezifische Sauerstoffbedarf bezogen auf die staubförmigen Brennstoffe ist im Vergleich zu Vergasungsverfahren, die wie die Wirbelschichtvergasung bei Temperaturen arbeiten, die um ca. 400 bis 600 K niedrigere Austrittstemperaturen der Rohgase aufweisen, um ca. 20 bis 30% höher. Brennstoffe mit hohen Aschegehalten, bezogen auf den trockenen Brennstoff, von mehr als ca. 20 Ma.-% und hohen Aschefließpunkten über ca. 1.400°C, können weder energetisch effizient noch zu wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen in bekannten Flugstromvergasungsverfahren verwertet werden. Von entscheidendem Nachteil ist weiterhin, dass bei der Flugstromvergasung ein sehr hoher betriebs- und anlagentechnischer Aufwand betrieben werden muss, um die Schlacke vor der weiteren Verwendung der Rohgase von diesen zu trennen, insbesondere dann, wenn die fühlbare Wärme der aus dem Flugstromvergaser austretenden heißen Rohgase zur Erzeugung von Abhitzedampf genutzt werden soll. Hierzu müssen die Rohgase unmittelbar nach dem Austritt aus dem Vergasungsraum des Flugstromvergasers auf kurzer Distanz stark abgekühlt/gequencht werden, bevor sie in die Rohgaswärmetauscher eintreten können. Es wurden viele Varianten des externen Rohgasquenches entwickelt, wovon sich der Gasquench und der chemische Quench technisch durchgesetzt haben. Die Anwendung des Gasquenches führt zu Verlusten an arbeitsfähiger Wärme (Exergie). Beim chemischen Quench, bei dem kohlenstoffhaltige Stoffe in den heißen Rohgasstrom eingemischt werden, wird dieser Nachteil weitgehend umgangen. Jedoch ist der chemische Quench im Dauerbetrieb mit hohem technischem Aufwand sowie mit gravierenden Nachteilen, wie z. B. Teer- und Russbildung sowie Ansatzbildung, verbunden. Um den hohen Aufwand für die Abhitzenutzung zu umgehen, wird für die Abkühlung der aus dem Flugstromvergaser austretenden, heißen sowie schlackehaltigen Rohgase als Alternative die Quenchkühlung mit Wasser angewendet. Diese ist zwar einfach und robust, hat aber den Nachteil, dass die bei der Wasserverdampfung anfallende Niedertemperaturwärme praktisch nur in den seltensten Fällen genutzt werden kann. DE 26 40 180 B offenbart die Vergasung von Festbrennstoffen unterschiedlicher Korngröße (Staub bis grobkörnig) mit einem unteren Festbett und einer oberen Staubvergasungszone, wobei über dem Festbett eine Wirbelschicht erzeugt und darüber eine Staubvergasung vollzogen werden soll. Der Festbrennstoff soll in die Wirbelschicht eingetragen werden. Im Prozess selbst soll eine Trennung des Brennstoffes in Anteile unterschiedlicher Größe stattfinden. Die Lehre nach DE 26 40 180 B ist nicht geeignet, um eine vollständige Vergasung durchzuführen, da erhebliche Mengen an aschehaltigem Koksstaub in das Produktgas gelangen und aus diesem abgeschieden werden müssen. Eine Rückführung in den Prozess scheidet aus, da sich aschehaltige Staubanteile innerhalb kurzer Zeit im Prozess so weit anreichern würden, dass der Prozess zum Erliegen käme. Desweiteren bleiben andere grundlegende Fragen ungelöst, insbesondere die Anpassung der Prozessführung an die oftmals sich beliebig verändernden Korngrößenverteilungen und Aschegehaltsschwankungen sowohl der Gesamtasche als auch der einzelnen Korngrößenfraktionen. Beispielsweise würde das Festbett in die Wirbelschicht „hineinwachsen”, wenn der Grobkornanteil der Festbrennstoffe zu hoch wird und aus bilanziellen und fluiddynamischen Begrenzungen nicht genügend Vergasungsmittel in das Festbett eingebracht werden kann. Der mit DE 26 40 180 B vorgeschlagene Prozessvorschlag konnte sich mindestens aus den genannten Gründen technisch nicht durchsetzen.
Aus den dargestellte Nachteilen leitet sich die Aufgabe der Erfindung ab, das Verfahren der Flugstromvergasung grundlegend weiterzuentwickeln, damit die gravierenden Nachteile der Flugstromvergasung gelöst werden, insbesondere dass Brennstoffe mit hohen Aschegehalten und hohen Aschefließpunkten problemlos eingesetzt werden können, dass die am Austritt des Vergasers anfallenden Rohgase ohne Inanspruchnahme einer externen Quenchung einer Abhitzenutzung in Rohgaswärmetauschern zugeführt und die anfallenden Aschen bzw. Schlacken mit geringem anlagentechnischen Aufwand von den Rohgasen abgetrennt und aus dem Flugstromvergaser ausgetragen werden können, wobei sicherzustellen ist, dass die eingesetzten staubförmigen Brennstoffe im Flugstromvergaser praktisch vollständig vergast werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 11 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, bei dem feste Brennstoffe mit Vergasungsmitteln, die überwiegend aus Sauerstoff bestehen, im Flugstrom zu den Vergasungsprodukten Rohgas und Schlacke umgewandelt werden, ist dadurch charakterisiert, dass in einem aufwärts gerichteten, intern zirkulierenden Flugstrom unter Verwendung erster sauerstoffreicher Vergasungsmittel

a) eine weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile der festen Brennstoffe und
b) eine thermische Behandlung von Nachvergasungsrohgasen sowie
c) eine Granulierung der Asche bei Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgen,

Als Festbrennstoffe werden vorwiegend feste Brennstoffe, die im Wesentlichen staubförmige Brennstoffe und C-haltigen Stäube enthalten, eingesetzt. Weiterhin können auch Sonderformen fester Brennstoffe, wie z. B. Brennstoff/Wasser- oder Brennstoff/Öl-Slurrys, mit variablem Feststoffgehalt eingesetzt werden. Die festen Brennstoffe können in trockener und/oder in einer oder mehreren dieser Sonderformen zur Flugstromvergasung eingesetzt werden. Sie umfassen ein breites Spektrum an Kohlen, Biomassen oder kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe, in geringen Anteilen sogar flüssige oder gasförmigen Brenn- und Reststoffe.
Die aus dem Flugstrom abgezogenen staubbeladenen Rohgase werden zu deren Weiterverarbeitung vorzugsweise indirekten Wärmetauschern und danach Staubabscheidern zugeführt. In den Staubabscheidern werden die C-haltigen Stäube aus den staubbeladenen Rohgasen annähernd vollständig abgetrennt und weitestgehend bis vollständig in den Flugstrom zurückgeführt.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch eine Flugstromvergasung mit intern zirkulierendem Flugstrom in Verbindung mit einer unter der Flugstromvergasung angeordneten Wanderbettvergasung die praktisch vollständige Umsetzung staubförmiger Brennstoffe zu oxidierten Aschen und Schlacken und zu Rohgasen derart durchführbar ist, dass die staubbeladenen Rohgase mit Temperaturen, die denen der Rohgasaustrittstemperaturen der Wirbelschichtvergasung entsprechen, aus dem Flugstrom und die oxidierten Aschen und Schlacken mit Temperaturen von 100°C (1 bar) bis 286°C (70 bar) entsprechend Sättigungsdruck, aus dem gefluteten bzw. befüllten Wanderbett abgezogen werden können. Die vertikale Ausdehnung des Flugstromes erstreckt sich vom Rohgasabgang am oberen Ende des Flugstromvergasers bis zur Oberfläche der Schüttang des Wanderbettes. Das Wanderbett, welches sich durch die aus der Flugstromvergasung austretenden, kohlenstoffhaltigen Ascheagglomerate ausbildet, reicht nach unten bis zum Bodenproduktabzug, der sich am unteren Ende des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung befindet. Erfindungswesentlich ist das sich selbst regelnde Zusammenwirken der Prozesse der Vergasung der festen Brennstoffe und der Agglomeration der Asche zu grobkörnigen Agglomeraten im zirkulierenden Flugstrom mit der Ausbildung des Wanderbettes unterhalb des zirkulierenden Flugstromes, bestehend aus überwiegend grobkörnigen Agglomeraten, wobei die stofflichen Eigenschaften der festen Brennstoffe in weiten Grenzen ohne störende Einflüsse auf die Prozessführung variieren können. Die Lehre unterscheidet sich dadurch grundlegend von den in DE 26 40 180 B beschriebenen Lösungsvorschlägen. Dies betrifft sowohl den Gesamtprozess (grundlegend andersartige Ausbildung heißer und „kalter” Reaktionsbereiche oder der verschiedenen Vergasungsbereiche Wanderbett, Wirbelschicht, Flugstrom), als auch die Teilprozesse, wie den Eintrag der festen Brennstoffe (staubförmig versus Staub bis notwendigerweise grobkörnig), den Austrag der Vergasungsrückstände aus der Wanderbett- oder Festbettzone (Austrag geregelt nach Brennstoffasche versus geregelt nach Anteil grobkörniger Kohle), vertikale Gasumwälzung in der Staubvergasungszone (heiße, nach oben gerichtete zentrale Strömungen versus zentral nach unten gerichtete Einführung von Gasen) sowie der Einbindung der physikalischen Wärme der Bodenprodukte (Wasserverdampfungskühlung versus Kühlung durch Gaszuführung).
Die Vergasung im zirkulierenden Flugstrom wird wie folgt ausgestaltet. In den Flugstrom werden als feste Brennstoffe die zu vergasenden staubförmigen Brennstoffe und die zurückgeführten C-haltigen Stäube sowie außerdem Nachvergasungsrohgase und erste Vergasungsmittel eingebracht. Die Vergasungsmittel werden im Verhältnis zu den eingebrachten festen Brennstoffen in Menge und Zusammensetzung so zugeführt, dass am Rohgasabgang Temperaturen eingestellt werden, die unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes liegen, aber mindestens so hoch sind, dass die weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile erfolgt. Die mit den staubbeladenen Rohgasen mitgeführten Stäube werden C-Gehalte von < ca. 30 bis < ca. 80 Ma.-% aufweisen. Die C-haltigen Stäube werden nach deren Abtrennung aus den Rohgasen praktisch vollständig in den Flugstrom zurückgeführt und erneut dem Vergasungsprozess unterzogen. Grundlegend für die weitgehend vollständige Vergasung ist die Anwendung sauerstoffreicher Vergasungsmittel. Deren Sauerstoffkonzentrationen wird innerhalb eines Wertebereiches von 21 bis 100 Vol.-%, vorzugsweise von 40 bis 70 Vol.-%, im Falle des Einsatzes von Wasserdampf mit Dampf/Sauerstoff-Verhältnissen von 0 bis 1,5 kg/m³ (i. N.) entsprechend, eingeregelt. Die hohen Werte der Sauerstoffkonzentrationen gelten für staubförmige Brennstoffe mit hohen Aschegehalten und hohen Aschefließpunkten.
Als kritischer Aschesinterpunkt t_Sp wird die Temperatur bezeichnet, die unterschritten sein muss, damit die Asche im Freeboard und bei der Abkühlung der staubbeladenen Rohgase nicht zu betriebsstörenden Anbackungen oder Verlegungen führt. Nichtrepräsentative, typische Zahlenbeispiele für den kritischen Aschesinterpunkt t_Sp sind z. B. 700°C für Biomassen, z. B. 1.000°C für Braunkohlen und z. B. 1.100°C für Steinkohlen. Bei Braunkohlen, die einen kritischen Aschesinterpunkt von beispielsweise 1.000°C aufweisen, ist eine weitestgehend vollständige Vergasung gegeben, wenn die Temperaturen am Rohgasabgang Werte von 900 bis 950°C aufweisen (Temperaturspanne von 50 bis 100 K). Die Erfindung nutzt somit die für die meisten staubförmigen Brennstoffe relevante Temperaturspanne zwischen diesen beiden charakteristischen Temperaturen aus. Sofern der kritische Aschesinterpunkt t_Sp unterhalb der zur Vergasung notwendigen Temperatur liegt, wie z. B. bei manchen Biomassen, müssen in den Flugstromvergaser zusätzlich schmelz- und sinterpunkterhöhende Zuschlagstoffe zugegeben werden, um den kritischen Aschesinterpunkt t_Sp über die Vergasungstemperatur anzuheben. Dabei können die sinterpunkterhöhenden Zuschlagstoffe entweder gemeinsam mit den festen Brennstoffen oder separat von diesen eingebracht werden.
Der intern zirkulierende Flugstrom wird folgendermaßen ausgebildet. Die festen Brennstoffe werden, ebenso wie die ersten Vergasungsmittel, von diesen örtlich getrennt in den Vergasungsraum im unteren Bereich des Flugstromes eingeführt. Für den Eintrag der Brennstoffe hat sich die Dichtstromforderung bewährt; es ist aber auch der Eintrag in Form von Slurries geeignet. Je nach thermischer Leistung des Flugstromvergasers und der zuzuführenden Brennstoffe sind eine oder mehrere, vorzugsweise über den Umfang des Flugstromvergasers und vorzugsweise in einer Stutzenebene verteilte, Zuführungsstutzen vorgesehen. Die ersten Vergasungsmittel werden mittels Vergasungsmitteldüsen eingedüst, wobei die Eindüsung überwiegend horizontal sowie überwiegend radial zur Strömungsachse des Vergasungsraumes hin ausgerichtet ist und mit Eintrittsgeschwindigkeiten von > 10 bis ca. 80 m/s erfolgt. Die Vergasungsmitteldüsen befinden sich ebenfalls vorzugsweise in einer Düsenebene. Es ist auch möglich, den örtlich getrennten Eintrag der Brennstoffe und der Vergasungsmittel über einen oder mehrere Staubbrenner vorzunehmen. Die Vergasung im intern zirkulierenden Flugstrom gestattet auf Grund der sehr hohen Aufheizgeschwindigkeiten und der schnellen Verteilung im Reaktionsraum den Einsatz backender und blähender Kohlen, ebenso den Einsatz von Kohlen mit hohen Aschegehalten bis 50 Ma.-% und höchsten Aschefließpunkten. Hierfür ist ausschlaggebend, dass sich in den Flammenbereichen Temperaturen einstellen, die die Aschefließpunkt-Temperaturen um ca. 1.000 K und mehr übersteigen.
Auf Grund der mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Vergasungsraum eintretenden Vergasungsmittel werden vor den Vergasungsmitteldüsen Flammenbereiche mit Temperaturen bis > 2.000°C gebildet, die eine aufwärtsgerichtete, heiße Strömung, bevorzugt in Form einer Zentralströmung, erzeugen. In den Flammenbereichen und in dem heißen Bereich einer sich bildenden Zentralströmung erweicht, schmilzt und agglomeriert die Asche. Dadurch wird sie in ihrer Korngröße soweit vergröbert (ca. 1 bis 5 mm), bis die Agglomerate aus dem Flugstrom nach unten in das Wanderbett überwechseln. Mit zunehmender Höhe verbreitern sich die Flammenbereiche bzw. die Zentralströmung, bis sie spätestens am Rohgasabgang den gesamten Querschnitt des Vergasungsraumes in etwa in Form einer Rohrströmung ausfüllen. Gleichzeitig kühlt sich die Strömung auf Grund der endothermen Reaktionen auf dem Strömungsweg zum Rohgasabgang hin ab und erreicht Temperaturen, die denen entsprechen, wenn die endothermen Vergasungsreaktionen zum Stillstand kommen. Die heiße Zentralströmung ist von einer abwärtsgerichteten „kalten” Wandströmung umgeben, in denen ebenfalls die endothermen Reaktionen dominieren. Die Wandströmung umfasst die aus den Flammenbereichen und der Zentralströmung schwerkraftbedingt herausfallenden, nach unten absinkenden Partikel und ist stark mit Feststoff beladen. Die Wandströmung mischt sich am unteren Ende des Flugstromes wieder in die Aufwärtsströmung ein, wobei sich die gröberen Partikel nach unten absetzen. Der Reaktionsbereich des intern zirkulierenden Flugstromes besteht somit aus einem oder mehreren zentralen, heißen Reaktionsbereichen, in denen überwiegend die exothermen Oxidationsreaktionen ablaufen und in denen die Granulierung der Asche stattfindet und einem dem Vergaserkopf der Vergaserwand und der Oberfläche des Wanderbettes nahen, „kalten” Reaktionsbereich, in dem die endothermen Vergasungsreaktionen dominieren und der hauptsächliche C-Umsatz stattfindet. Die Zone der Rohrströmung am oberen Ende des Vergasungsraumes bildet gewissermaßen eine Pufferzone für das erforderliche Abklingen der Temperaturen vor dem Rohgasabgang.
Bereits beim ersten Durchlauf der eingeführten staubförmigen Brennstoffe durch die heißen Reaktionsbereiche wird der überwiegende Teil der Asche granuliert und nach unten in das Wanderbett abgeschieden. Infolge der vorteilhaften Bedingungen für die Aschegranulation in den zentralen, heißen Reaktionsbereichen wird die Menge der mit den staubbeladenen Rohgasen mitgeführten Stäube auf ein sehr niedriges Niveau gebracht, mengenmäßig dem 1- bis 2-fachen der mit den staubförmigen Brennstoffen eingebrachten Asche entsprechend. Durch die spezielle Ausprägung der Vergasungsreaktionen und der Strömungsführung werden auf kleinem Raum Reaktionsbedingungen geschaffen, die es gestatten, Rohgase mit niedrigen Staubbeladungen aus dem Flugstromvergaser bei Temperaturen unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes t_Sp abzuziehen, die ohne zusätzliche Aufwendungen der Weiterverarbeitung in Abhitzedampferzeugern zur Abhitzenutzung zugeführt werden können. Sollte es bei schwierigen staubförmigen Brennstoffen auf Grund einer nicht vollständig vermeidbaren Verschmutzungs- und Verlegungsgefahr der aus dem Flugstromvergaser abgezogenen staubbeladenen Rohgase erforderlich werden, eine weitere Abkühlung vorzunehmen, dann werden am Kopf des Flugstromvergasers vorzugsweise Wasser oder Wasserdampf eingedüst, je nachdem, ob eine starke (> ca. 200, vorzugsweise > 100 K) oder eine weniger starke Abkühlung (< ca. 200, vorzugsweise < ca. 100 K) erforderlich ist. Bei dieser zusätzlichen Abkühlung findet vorteilhaft ein endothermer Reaktionsumsatz durch ablaufende Vergasungsreaktionen statt (Quenchkonvertierung).
Das Wanderbett ist in den Gesamtprozess integriert, wobei auf dessen Oberfläche im bestimmungsgemäßen Betrieb des Flugstromes kontinuierlich Agglomerate abgelagert werden, die im wesentlichen aus Asche/Schlacke bestehen, einen Restkohlenstoffgehalt aufweisen und nahe der brennstoffabhängigen mittleren Gastemperatur des intern zirkulierenden Flugstromes vorliegen (650°C für Biomassen, z. B. 950°C für Braunkohlen und z. B. 1.050°C für Steinkohlen). Im Wanderbett müssen daher folgende drei Aufgaben erfüllt werden:

a) Kühlung der Agglomerate unter Einbindung der physikalischen Wärme in den Gesamtprozess
b) Oxidation des Restkohlenstoffgehaltes der Agglomerate mithilfe zweiter sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel
c) Sicherstellung eines kontinuierlichen Feststoffaustrages, um eine annähernd stetige Höhe der Bettobergrenze zu gewährleisten

Für den Zweck der Kühlung und physikalischen Wärmeeinbindung wird der untere Teil des Wanderbettes mit Wasser geflutet bzw. befüllt. Dabei stellt sich entsprechend dem Betriebsdruck des Systems eine Wassertemperatur an der Phasengrenze (Wasserspiegel) innerhalb des Wanderbetts ein, die der Wassersättigungstemperatur entspricht. Die nach unten bewegten heißen Agglomerate treffen auf den Wasserspiegel und werden auf Sättigungstemperatur 100°C (1 bar) bis 286°C (70 bar) abgekühlt, wobei das Wasser erwärmt und eine entsprechende Masse an Wasser verdampft wird, die durch den trockenen Teil des Wanderbettes nach oben strömt und schließlich zusammen mit dem Nachvergasungsgas in den Flugstrom gelangt. Die physikalische Wärme der Ascheagglomerate kann somit vorteilhaft genutzt werden, weil die Wasserdampfproduktion direkt den Dampfbedarf der ersten Vergasungsmittel verringert. Weiterhin wird ein Verlust an physikalischer Wärme durch heiße, trocken austretende Aschegranulate vermindert, was insbesondere im Fall der Vergasung hochaschereicher Kohlen vorteilhaft ist. Der Wasserspiegel innerhalb des Wanderbetts wird geregelt, indem Wasser durch einen Zuführungsstutzen nachgespeist wird. Als Messgröße für den Wasserstand wird beispielsweise eine Differenzdruckmessung verwendet. Um einen nahezu vollständigen Umsatz des Restkohlenstoffes zu erzielen, werden die zweiten, sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel durch eine oder mehrere vorzugsweise schräg nach unten geneigte Vergasungsmitteldüsen deutlich unterhalb des Wasserspiegels in den nassen Teil des Wanderbetts eingetragen. Die zweiten Vergasungsmittel können aus technischem Sauerstoff oder Sauerstoff/Kohlendioxidgemischen bestehen. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Zugabe von Kohlendioxid nicht erforderlich, ist aber für den Fall von Aschegehaltsschwankungen zur Verstetigung des Prozess vorgesehen, um den Sauerstoff zusätzlich zu verdünnen. Vorzuziehen ist dabei die Verwendung von technischem Sauerstoff, der nach dem Vergasungsmitteldüsenaustritt in Form von Blasen durch das Wanderbett strömt, wobei eine Sättigung jeder Blase mit Wasserdampf eintritt. Am Wasserspiegel platzen die gesättigten Blasen und das Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch wird zusätzlich durch das verdampfende Wasser der Aschekühlung verdünnt, bevor es in den trockenen Teil des Wanderbettes aufsteigt. Der Grad der Verdünnung des Sauerstoffes wird durch den Aschegehalt des Brennstoffes bestimmt, wobei sich typische Sauerstoffkonzentrationen von ca. 3 bis 15 Vol.-% einstellen, so dass einerseits der Ascheerweichungspunkt im trockenen Teil des Wanderbetts nicht überschritten und andererseits eine reguläre, d. h. weder kanal- noch wirbelschichtartige Durchströmung sichergestellt wird. Durch den niedrigen Sauerstoffgehalt wird gewährleistet, dass die Asche und die Aschegranulate unter Vermeidung des Erweichen oder Schmelzens praktisch vollständig nachoxidiert werden. Dem Erfordernis des verlegungs- und verschlackungsfreien Betriebes des Wanderbettes wird somit Rechnung getragen. Im Fall aschearmer Brennstoffe ist optional der Einsatz von Sauerstoff-Kohlendioxid-Gemischen als zweite Vergasungsmittel, möglich. Der mit den zweiten Vergasungsmitteln zugeführte Sauerstoff beträgt etwa 2 bis 30% des insgesamt zugeführten Sauerstoffs. Die höheren Werte sind aschereichen Kohlen zuzuordnen, da durch die erhöhten Ascheaustragsmengen höhere Kohlenstoff-Frachten mitgeführt werden. Der kontinuierliche Austrag der Asche erfolgt durch ein Austragsorgan, das am unteren Ende des nassen Teils des Wanderbettes angeordnet ist, beispielsweise ein Drehrost.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der chemische Sauerstoffverbrauch für die Oxidation der Aschebestandteile der Bodenprodukte bzw. der Brennstoffaschen vergleichsweise niedriger ausfällt als bei der klassischen Festbettvergasung, beispielsweise nach dem Prinzip Lurgi. Von letzterem ist bekannt, dass für die Aufoxidation der überwiegend nichtverglasten Brennstoffaschen auf die höchsten Oxidationsstufen einige Prozent des Vergasungssauerstoffes benötigt werden, die dem eigentlichen Vergasungsprozess verloren gehen. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall, da die weit überwiegenden Mengenanteile der Aschen der staubförmigen Brennstoffe unter reduzierenden Gasatmosphären mit minimalem chemischen Sauerstoffbedarf eingeschmolzen werden und sich die dabei gebildeten Aschegranulate gegenüber Sauerstoff im Wanderbett inert verhalten.
Die Menge der zugeführten zweiten Vergasungsmittel wird auf solche Werte begrenzt, dass die Strömungsgeschwindigkeiten der sich bildenden Nachvergasungsrohgase am oberen Ende des Wanderbettes (bezogen auf den feststofffreien Strömungsquerschnitt) 0,1 bis 0,5 m/s, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 m/s nicht übersteigen. Die niedrige Obergrenze der Strömungsgeschwindigkeiten gilt für Bedingungen im Flugstrom, bei denen sich durch Anwendung von Vergasungsmitteln mit relativ niedrigen Sauerstoffkonzentrationen vorwiegend sehr feinkörnige Aschegranulate mit Korngrößen hauptsächlich < 0,5 mm bilden (z. B. bei staubförmigen Brennstoffen mit hochschmelzenden Aschen, aber mit niedrigen, kritischen Aschesinterpunkten), und die hohe Obergrenze entsprechend Bedingungen, bei denen sich durch Anwendung von Vergasungsmitteln mit relativ hohen Sauerstoffkonzentrationen überwiegend grobkörnige Aschegranulate mit Korngrößen hauptsächlich > 0,5 mm bilden. Auch im Falle aschereicher staubförmiger Brennstoffe kann sich die Einstellung von hohen Strömungsgeschwindigkeiten um 0,5 m/s als zweckmäßig erweisen. Es werden entsprechend große Anteile an Kohlenstoff umgesetzt. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten wirken sich insgesamt dahin positiv aus, dass sich die Korngrößen der das Wanderbett bildenden Agglomerate vergrößern, mit der positiven Folge der Vergleichmäßigung der Durchströmbarkeit des Wanderbettes. Die Strömungsgeschwindigkeiten der Nachvergasungsrohgase beim Austritt aus dem Wanderbett sind mit 0,1 bis 0,5 m/s ausreichend hoch, damit sich die in den Vergasungsraum eingeführten staubförmigen Brennstoffe nur zu einem sehr geringen Anteil auf dem Wanderbett abscheiden. Die C-Konzentration im Wanderbett ist daher in der Regel so gering, dass Sauerstoff überstöchiometrisch im Verhältnis zum Kohlenstoff vorliegt und somit der Kohlenstoffumsatz praktisch vollständig erfolgt, sowie die Aufoxidation aller oxidierbaren Aschebestandteile gewährleistet ist. Die aus dem Wanderbett nach oben in den zirkulierenden Flugstrom eintretenden Nachvergasungsrohgase werden dort eingemischt, thermisch behandelt und nehmen an den Vergasungsreaktionen entsprechend der vorliegenden Vergasungsbedingungen teil.
Durch die im Gegenstrom erfolgende Abkühlung der oxidierten Bodenprodukte mittels Verdampfung von Wasser wird einen unkomplizierter, nasser Ascheaustrag über ein Schleusensystem ermöglicht. Einerseits ist daher die fühlbare Wärme der oxidierten Bodenprodukte für den Vergasungsprozess im Flugstromvergaser nutzbar und andererseits kann auf die sonst für das Aschehandling erforderliche Nachkühlung inklusive Entstaubungstechnik verzichtet werden. Die Vorteilhaftigkeit der Verwendung eines gefluteten bzw. befüllten Wanderbetts wird am niedrigen Temperaturniveau des Bodenproduktabzugs deutlich, das vorzugsweise auf ca. 100°C bis 250°C abgesenkt werden kann. Die nahezu C-freien, oxidierten Bodenprodukte können problemlos deponiert oder weiterverwertet werden.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Schütthöhe des Wanderbettes während des Betriebes durch eine, z. B. radiometrische, Füllstandsmessung ermittelt und durch Regelung des Bodenproduktabzuges in der gewünschten Höhe eingestellt und/oder konstant gehalten wird. Der Bodenproduktabzug erfolgt beispielsweise mittels eines Drehrostes nach bekannter und bewährter Ausführung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung fester Bernstoffe unter Druck gelöst, der im Wesentlichen aus einem kühlbaren Druckgefäß (3) und einem mit Hitzeschutz ausgerüsteten Innenmantel (7) besteht, wobei am oberen Ende des Druckgefäßes (3) mindestens ein Rohgasabgang (8) und am unteren Ende mindestens ein Bodenproduktabzug (9) angeordnet ist, wobei das Druckgefäß (3) wenigstens Raum für ein Wanderbett, das im unteren Teil geflutet bzw. befüllt ist, und einen über der Oberfläche (12) des Wanderbettes intern zirkulierenden Flugstrom (11) und darüber für eine Pufferzone aufweist wobei in einer Höhe von ca. 1 bis 3 m über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) Zuführungsstutzen (18) für die staubförmigen Brennstoffe und Vergasungsmitteldüsen (19) für die Einspeisung erster Vergasungsmittel (20) angeordnet sind wobei die Vergasungsmitteldüsen so ausgestaltet sind, dass die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung (30) und eine abwärtsgerichtete „kalte” Wandströmung (31) ausbildet, und wobei oberhalb des Bodenproduktabzugs (9) mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei Zuführungseinrichtungen für zweite Vergasungsmittel (16) angeordnet sind. Dabei ist der Raum des Wanderbettes so mit Wasser befüllt, dass dessen oberer Teil trocken ist.
Die Zuführungseinrichtungen für die zweiten Vergasungsmittel sind vorzugsweise als Blaseneintrag unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet.
Weiterhin ist eine Wasserzuführungseinrichtung unterhalb des Niveaus des Flüssigkeitsspiegels im Raum des Wanderbettes zur Kompensation des Flüssigkeitsverlustes angeordnet. Der Flüssigkeitsverlust durch Verdampfung wird mittels Wassereinleitung durch die Wasserzuführungseinrichtung vorteilhaft so kompensiert, dass sich ein weitgehend gleichbleibender Wasserstand auf einem vorgegebenen Niveau innerhalb des Raumes des Wanderbettes einstellt. Das einzustellende Niveau des Flüssigkeitsspiegels im Raum des Wanderbett ist so zu begrenzen, dass einerseits eine ausreichende Verteilung der zweiten Vergasungsmittel innerhalb der Flüssigkeit (minimales Niveau) und andererseits – abhängig von der Reaktivität der Agglomerate – eine ausreichende Kontaktzeit zwischen Gas und Agglomerat zur Reaktion im trockenen Teil des Wanderbetts (maximales Niveau) gewährleistet werden.
Die Umfassungswände des Vergasungsraumes, die vom Rohgasabgang (8) am oberen Ende bis zum Bodenproduktabzug (9) am unteren Ende des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung reichen, sind über die Höhe vorzugsweise ohne nennenswerte Querschnittsveränderungen, am einfachsten in Form eines Zylinders, ausgebildet. Der gesamte Vergaser ist vorzugsweise analog Festbettvergasern zur Kühlung mit einem Wassermantel ausgestattet; es sind aber auch wassergekühlte Rohrmembranwände einsetzbar. Der Schutz des Vergaserinnenmantels (7) auf der heißen Seite besteht vorzugsweise in einer üblichen Bestiftung und einer keramischen Dünnbeschichtung, z. B. mit SiC oder anderen feuerfesten keramischen Materialien als keramischen Schutz.
Die Vergasungsmitteldüsen (19) sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gleichmäßig über den Umfang des äußeren Druckmantels (5) verteilt angeordnet, radial und 10 bis 30° nach oben geneigt ausgerichtet.
Die Zuführungsstutzen (18) für die festen Brennstoffe sind vorteilhaft in etwa gleicher Höhe oder unterhalb der Vergasungsmitteldüsen angeordnet.
Die Höhenanordnung der Vergasungsmitteldüsen und der Zuführungsstutzen ist innerhalb bestimmter Grenzen variierbar. Die Zuführungsstutzen befinden sich in etwa gleicher Höhe oder bis ca. 1 m unter den Vergasungsmitteldüsen und mindestens ca. 1 m über der Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes. Vorzugsweise sind die Vergasungsmitteldüsen und die Zuführungsstutzen auf einer gemeinsamen Ebene, ca. 1 bis 3 m über der Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes, angeordnet. Die Einhaltung des vertikalen Mindestabstandes der Zuführungsstutzen zum Wanderbett garantiert die ungestörte Zuführung der festen Brennstoffe, und die Gleich- oder Tieferstellung der Zuführungsstutzen gegenüber den Vergasungsmitteldüsen gewährleistet, dass freier Sauerstoff nicht in Wandnähe mit den festen Brennstoffen reagiert.
Die Zuführung der zweiten Vergasungsmittel (23) erfolgt durch eine, vorzugsweise mehrere Düsen (16), die radial über den Umfang verteilt sind und vorzugsweise 30° gegen die Horizontale nach unten geneigt sind und durch ein gerades Rohr verlängert sind, dass sie etwa zu zwei Dritteln des Radius in den nassen Teil des Wanderbetts (15) hineinragen und sich die Gasaustrittsöffnung dabei mindestens 0,5 m unterhalb des Wasserspiegels (14) im Wanderbett befindet.
Der Bodenproduktabzug (9) ist vorteilhaft als Drehrost ausgeführt.
Der intern zirkulierende Flugstrom (11) ist über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) ausgebildet. Die Pufferzone ist über dem intern zirkulierenden Flugstrom (11) angeordnet.
Die Kombination von intern zirkulierendem Flugstrom und Wanderbett unterhalb des zirkulierenden Flugstromes in der erfindungsgemäßen Weise führt zu einer grundlegenden Vereinfachung der gesamten Anlagentechnik und des Vergasungsbetriebes. Die wichtigsten Vereinfachungen betreffen den Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung. Die Umfassungswände des Vergasungsraumes, die vom Rohgasabgang am oberen Ende bis zum Bodenproduktabzug am unteren Ende des Flugstromvergasers reichen, sind über die Höhe ohne nennenswerte Querschnittsveränderungen, am einfachsten in Form eines Zylinders, ausgebildet. Der Hitzeschutz des Vergaserinnenmantels auf der heißen Seite besteht vorzugsweise in einer üblichen Bestiftung und einer keramischen Beschichtung. Eine Ausmauerung ist nicht erforderlich. Im Falle von keramischen Beschichtungen sind schnelle An- und Abfahrzeiten realisierbar. Auf der Rohgas-Seite entfallen Heißzyklone, Kaltgasquenche sowie Kühl- und Nachbehandlungseinrichtungen für die abgeschiedenen Stäube und auf der Bodenprodukt-Seite ebenfalls die Kühl- und Nachbehandlungseinrichtungen. Schließlich kann die Zuführung der Vergasungsmittel und der Festbrennstoffe drastisch vereinfacht werden, indem anstelle aufwendiger, integrierter Brennerkonstruktionen getrennte Systeme mit gekühlten Rohrzuführungen zur Anwendung vorgesehen werden können.
Zur Erfindung gehört auch eine Anlage zur Flugstromvergasung unter Druck. Die Anlage besteht aus einem erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor mit zugehörigen Einrichtungen für die Zuführung von Vergasungsmitteln und festen Brennstoffen, für die Weiterverarbeitung der Rohgase und die Abführung der Asche.
Der Rohgasabgang (8) des Vergasungsreaktors steht mit einem Abhitzewärmetauscher (25) in Verbindung, dem ein Staubabscheider (26) zur Abtrennung der mitgeführten Stäube und ein Dichtstromförderer (27) zur Rückführung der abgetrennten Stäube in den intern zirkulierenden Flugstrom (11) nachgeschaltet sind.
Die den Staubscheider (26) verlassenden Rohgase können genutzt oder vor der Nutzung einer Gasaufbereitungseinrichtung zugeführt werden.
Anhand 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Vergasungsreaktor (1) mit intern zirkulierendem Flugstrom. Der Vergasungsraum (3) des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung (1) wird von einem zylindrischen Druckgefäß (4) umfasst, das aus einem äußeren Druckmantel (5), einem Wasserraum (6) und einem Innenmantel (7) besteht. Der Innenmantel (7) ist bestiftet und mit einem feuerfesten Material als keramischen Schutz bestampft. Am oberen Ende des Flugstromvergasers (1) befindet sich der Rohgasabgang (8) und am unteren Ende der Bodenproduktabzug (9), von dem in der 1 nur die obere Kontur des Drehrostes (10) angedeutet ist. Der intern zirkulierende Flugstrom (11) ist über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) ausgebildet. Auf einer Ebene (17) in einer Höhe von ca. 1 m über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) befinden sich, 180° versetzt, zwei Zuführungsstutzen (18) für den Dichtstromeintrag der staubförmigen aschereichen Steinkohle (2) und 6 Vergasungsmitteldüsen (19) für die Einspeisung der ersten Vergasungsmittel (20). Die Vergasungsmitteldüsen (19) sind gleichmäßig über den Umfang des äußeren Druckmantels (5) verteilt angeordnet. Sie sind radial und 30° nach oben geneigt ausgerichtet.
Der Rohgasabgang (8) steht mit Abhitzewärmetauscher (25) in Verbindung, dem ein Warmgasfilter (26) zur Abtrennung der mitgeführten Stäube und ein Dichtstromförderer (27) zur Rückführung der abgetrennten Stäube (29) in den intern zirkulierenden Flugstrom (11) nachgeschaltet sind.
Im Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung (1) wird bei einem Druck von 30 bar staubförmige, aschereiche Steinkohle (2) mit einem Wassergehalt von 6 Ma.-%, einem Aschegehalt von 25 Ma.-% und einem kritischen Aschesinterpunkt von 1.100°C vergast. Die mengenmäßige Zuführung der ersten Vergasungsmittel (20) wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockensteinkohle (2) erläutert. Auf 1 kg Trockensteinkohle (2) werden insgesamt 0,426 m³ (i. N.) Sauerstoff (21), 0,041 m³ (i. N.) Kohlendioxid, 0,126 kg Wasserdampf (22) und 0,067 kg Wasser ins Wanderbett zugeführt. Im Ausführungsbeispiel sind die zweiten Vergasungsmittel aus 80 Vol.-% Sauerstoff (21) und 20 Vol.-% Kohlendioxid (24) zusammengesetzt, wobei das Kohlendioxid im Fall von Aschegehaltsschwankungen zur Verstetigung des Prozess bewirkt.
Die ersten Vergasungsmittel (20) werden mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 m/s und einer Temperatur von 280°C über die Vergasungsmitteldüsen (19) in den Vergasungsraum (3) des Vergasungsreaktors (1) eingedüst. In den intern zirkulierenden Flugstrom (11) werden neben den ersten Vergasungsmitteln (20) und der staubförmigen, aschereichen Steinkohle (2) zurückgeführte Stäube (29) und das das Wanderbett (12) nach oben verlassende Nachvergasungsrohgas (32) eingebracht.
Unter intensiver Vermischung der beteiligten Eintragstoffe bildet sich im intern zirkulierenden Flugstrom (11) die aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung (30) aus, die von der abwärtsgerichteten „kalten” Wandströmung (31) umgeben ist. In der aufwärtsgerichteten, heißen Zentralströmung (30) granuliert die Asche zu Aschegranulaten, die sich mit einer Korngröße von hauptsächlich 2 mm nach unten auf die Oberfläche des Wanderbettes (12) absetzen. Die staubbeladenen Rohgase (28), die eine Staubeladung von ca. 50 g/m³ (i. N.) aufweisen, wobei die Stäube je massenmäßig hälftig aus Kohlenstoff und Asche bestehen, verlassen den Flugstromvergaser (1) mit einer Temperatur von ca. 1.050°C über den Rohgasabgang (8) und gelangen über den Abhitzewärmetauscher (25), in dem sie auf ca. 250°C abgekühlt werden, in den Warmgasfilter (26). Dort werden die mitgeführten Stäube (29) praktisch vollständig abgeschieden und mittels einer Einrichtung zur Dichtstromförderung (27) in den zirkulierenden Flugstrom (11) zurückgeführt.
Über die in den gefluteten Teil des Wanderbetts schräg eingelassenen Vergasungsmitteldüsen (16) werden die zweiten Vergasungsmittel (23), die vorzugsweise aus 100 Vol.-% technischem Sauerstoff (21) bestehen und bei Aschegehaltsschwankungen bis zu 80 Vol.-% Kohlendioxid (24) enthalten können, mit einer Temperatur von ca. 200°C in das Wanderbett (13) eingebracht. Gemäß der Menge im Wanderbett nach unten bewegten Agglomerats erfolgt die Verdampfung von Wasser (36) am Wasserspiegel (14) innerhalb des Wanderbetts (13), was ein entsprechendes Nachpumpen von Wasser (35) erfordert, um den Wasserspiegel auf einer mehr oder weniger gleichen Höhe zu halten. Die über den Bodenproduktabzug (9) abgezogenen, nassen, oxidierten Bodenprodukte (33) verlassen den Flugstromvergaser (1) mit einer Temperatur von ca. 200°C. Ihr C-Gehalt beträgt < 2 Ma.-%, so dass sie ohne Nachbehandlung umweltgerecht deponiert oder weiterverwertet werde können. Die zweiten Vergasungsmittel (23) werden mengenmäßig so zugeführt, dass sich an der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) Strömungsgeschwindigkeiten bezogen auf den freien Strömungsquerschnitt um 0,3 m/s einstellen. Damit ist eine gleichmäßige, reguläre Durchströmung des Wanderbettes (13) gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung
2: staubförmige aschereiche Steinkohle
3: zylindrisches Druckgefäß
4: Druckgefäß
5: äußerer Druckmantel
6: Wasserraum
7: Innenmantel
8: Rohgasabgang
9: Bodenproduktabzug
10: obere Kontur des Drehrostes
11: intern zirkulierender Flugstrom
12: Wanderbettoberfläche
13: Trockener Teil des Wanderbetts
14: Wasserspiegel im Wanderbett
15: Nasser Teil des Wanderbetts
16: Vergasungsmitteldüsen für zweite Vergasungsmittel
17: Ebene
18: Kohlezuführungsstutzen
19: Vergasungsmitteldüsen für erste Vergasungsmittel
20: erste Vergasungsmittel
21: Sauerstoff
22: Wasserdampf
23: zweite Vergasungsmittel
24: Kohlendioxid
25: Abhitzewärmetauscher
26: Warmgasfilter
27: Einrichtung zur Dichtstromförderung
28: staubbeladene Rohgase
29: Stäube
30: heiße Zentralströmung
31: kalte Wandströmung
32: Nachvergasungsrohgas
33: oxidierte Bodenprodukte
34: Druckmessung zur Wasserstandsregelung
35: Wasserzuführung
36: Wasserverdampfung

Claims

Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, wobei in einem aufwärts gerichteten, intern zirkulierenden Flugstrom unter Verwendung erster sauerstoffreicher Vergasungsmittel a) eine weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile der festen Brennstoffe und b) eine thermische Behandlung von Nachvergasungsrohgasen sowie c) eine Granulierung der Asche bei Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgen, wobei kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände, Aschegranulate und staubbeladene Rohgase gebildet und staubbeladene Rohgase bei Temperaturen unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes aus dem Flugstrom nach oben in eine Pufferzone abgezogen und von dort einer Weiterverarbeitung zugeführt werden, wobei die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwätsgerichtete „kalte” Wandströmung ausbildet, und wobei in einem unter dem Flugstrom befindlichen Wanderbett unter Verwendung zweiter sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel eine weitestgehende bis vollständige Oxidation der den Flugstrom nach unten verlassenden kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände und Aschegranulate bei Temperaturen unterhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgt und dabei Nachvergasungsrohgase und oxidierte Bodenprodukte gebildet werden, wobei die zweiten Vergasungsmittel in Menge und Zusammensetzung so zugeführt werden, dass einerseits der Ascheerweichungspunkt im Wanderbett nicht überschritten und andererseits das Wanderbett regulär durchströmt wird und wobei die oxidierten Bodenprodukte im Gegenstrom zu den zweiten Vergasungsmitteln nach unten aus dem Wanderbett abgezogen und die Nachvergasungsrohgase aus dem Wanderbett nach oben in den Flugstrom eingeleitet werden dadurch gekennzeichnet, dass das Wanderbett so mit Wasser befüllt wird, dass dessen oberer Teil trocken bleibt, dass die Zuführung der zweiten Vergasungsmittel unterhalb des Flüssigkeitsspiegels erfolgt, wobei die physikalische Wärme der abwärts bewegten Agglomerate durch Wassererwärmung und -verdampfung und Mischung des Wasserdampfes in das aufsteigende Nachvergasungsgas in den Flugstrom eingebunden wird, und dass der sich einstellende Flüssigkeitsverlust durch Wasserzufuhr kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzufuhr so erfolgt, dass sich ein weitgehend gleichbleibender Wasserspiegel auf einem vorgegebenen Niveau innerhalb des Wanderbettes einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Flugstrom abgezogenen staubbeladenen Rohgase indirekten Wärmetauschern und danach Staubabscheidern zur Abtrennung C-haltiger Stäube zugeführt und dass die abgetrennten C-haltigen Stäube weitestgehend bis vollständig in den Flugstrom zurückgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Vergasungsmittel mit Sauerstoffgehalten von 21 bis 100 Vol.-% zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Vergasungsmittel mit Sauerstoffgehalten von 100 bis 20 Vol.-% zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel aus Sauerstoff und Kohlendioxid bestehen und mit Temperaturen von vorzugsweise < 200°C in das Wanderbett eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Brennstoffe ausgewählt sind aus staubförmigen Brennstoffen, C-haltigen Stäuben oder deren Mischungen oder feststoffhaltigen Brennstoff/Wasser- oder Brennstoff/Öl-Slurrys.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der festen Brennstoffe in gleicher Höhe oder bis ca. 1 m unterhalb der Höhe der Zuführung der ersten Vergasungsmittel erfolgt, mindestens aber ca. 1 m über der Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Brennstoffe mittels Dichtstromförderung und/oder in Form von Slurries eingetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Vergasungsmittel mit Strömungsgeschwindigkeiten von > 10 bis ca. 80 m/s in den Vergasungsraum eingedüst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den festen Brennstoffen, deren kritischer Aschesinterpunkt unterhalb der zur Vergasung notwendigen Temperatur liegt, zusätzlich schmelz- und sinterpunkterhöhende Zuschlagsstoffe zugegeben werden.
Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung fester Bennstoffe unter Druck bestehend im Wesentlichen aus einem kühlbaren Druckgefäß (3) und einem mit Hitzeschutz ausgerüsteten Innenmantel (7), wobei am oberen Ende des zylindrischen Druckgefäßes (3) mindestens ein Rohgasabgang (8) und am unteren Ende mindestens ein Bodenproduktabzug (9) angeordnet ist, wobei das Druckgefäß (3) wenigstens Raum für ein Wanderbett und einen über der Oberfläche (12) des Wanderbettes intern zirkulierenden Flugstrom und darüber für eine Pufferzone aufweist, wobei in einer Höhe von ca. 1 bis 3 m über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) Zuführungsstutzen (18) für die festen Brennstoffe und Vergasungsmitteldüsen (19) für die Einspeisung erster Vergasungsmittel (20) angeordnet, wobei die Vergasungsmitteldüsen so ausgestaltet sind, dass die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwärtsgerichtete „kalte” Wandströmung ausbildet, und wobei oberhalb des Bodenproduktabzugs (9) mindestens eine Zuführungseinrichtung für zweite Vergasungsmittel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum des Wanderbettes so mit Wasser befüllt ist, dass dessen oberer Teil trocken ist, dass die Zuführungseinrichtung für die zweiten Vergasungsmittel unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist, und dass eine Wasserzuführungseinrichtung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels zur Kompensation des Flüssigkeitsverlustes angeordnet ist.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmitteldüsen (19) gleichmäßig über den Umfang des äußeren Druckmantels (5) verteilt angeordnet, radial und 10 bis 30° nach oben geneigt ausgerichtet sind.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäß (3) als zylindrisches Druckgefäß ohne nennenswerte Querschnittsveränderungen ausgeführt ist.
Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (7) bestiftet und mit SiC und/oder anderen feuerfesten keramischen Materialien als keramischen Hitzeschutz bestampft ist.
Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäß eine wassergekühlte Rohrmembranwand aufweist.
Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsstutzen (18) für die festen Brennstoffe in etwa gleicher Höhe oder unterhalb der Vergasungsmitteldüsen angeordnet sind.
Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenproduktabzug als Drehrost ausgeführt ist.
Anlage zur Flugstromvergasung unter Druck, umfassend mindestens einen Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 18 mit zugehörigen Einrichtungen für die Zuführung von Vergasungsmitteln und festen Brennstoffen, für die Weiterverarbeitung der Rohgase und die Abführung der Asche, wobei der Rohgasabgang (8) des Vergasungsreaktors mit einem Abhitzewärmetauscher (25) in Verbindung steht, dem ein Staubabscheider (26) zur Abtrennung der mitgeführten Stäube und ein Dichtstromförderer (27) zur Rückführung der abgetrennten C-haltigen Stäube in den intern zirkulierenden Flugstrom (11) nachgeschaltet sind.
Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgasabgang des Staubscheiders (26) mit einer Gasaufbereitungseinrichtung verbunden ist.