DE102008057410B4 - Vorrichtung zur Herstelllung von Synthesegas mit einem Vergasungsreaktor mit anschließendem Quenchraum - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von CO- oder H-haltigem Rohgas durch Vergasung von aschehaltigem Brennstoff mit sauerstoffhaltigem Gas bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Asche in einem Vergasungsreaktor und mit einem anschließenden Gasabkühlungsraum, welcher als Quenchraum ausgebildet ist, und einem sich verjüngenden Übergangskanal von einem Raum in den anderen, dadurch gekennzeichnet, dass- im verjüngten Übergangskanal (5) drallvermindernde bzw. -verhindernde, nur einen Teil des Querschnittes des Übergangskanales durchsetzende Wandflächen (6) vorgesehen sind, und- am in Schwerkraftrichtung unteren Ende der Wandflächen (6) eine die Schlacke auffangende gekühlte Rinne (10) zur Ausleitung der Schlacke aus dem Gasabkühlungsraum, welcher als Quenchraum ausgebildet ist, vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von CO- und H₂-haltigem Rohgas durch Vergasung von aschehaltigem Brennstoff mit sauerstoffhaltigem Gas bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Asche in einem Vergasungsreaktor und mit einem anschließenden Gasabkühlungsraum und einem sich verjüngenden Übergangskanal von einem Raum in den anderen.
• Derartige Vorrichtungen sind z. B. aus der EP 0 616 022 B1 oder EP 0 400 740 B1 bekannt. Eine vergleichbare Konstruktion zeigt auch die DE 10 2005 048 488 A1 , wobei zum Stand der Technik auch noch die EP 0 431 266 A1 oder die DE 10 2006 029 595 A1 zu zählen sind. Im Zusammenhang mit den eingangs genannten Vorrichtungen kann ferner auf die DE 695 13 461 T2 und die DE 10 2006 059 149 A1 verwiesen werden. Die DE 695 13 461 T2 bezieht sich auf eine Kohle-Feuerungsanlage, die auf Kohle-Vergaser, Heizkessel etc., Energieversorgungsanlagen und andere industrielle Zwecke anwendbar ist. Die DE 10 2006 059 149 A1 betrifft einen Reaktor zur Flugstromvergasung mit unterschiedlicher Brenneranordnung.
• Bei Vergasern konventioneller Bauart wird in der Regel 30 bis 60% der Brennstoffasche in Flugasche umgewandelt, was die Nachteile mit sich bringt, dass sich Ablagerungen im Rohgasweg bilden und es zu erhöhten Erosionen nachgeschalteter Apparaturen kommen kann. Die Abscheidung und Ausschleusung der Flugasche ist deutlich aufwändiger und teurer als die der Schlacke. Die Entsorgung der Flugasche ist ebenfalls teurer, da zum Teil Schwermetalle in der Flugasche sein können, zumal handelt es sich in der Regel um sehr feinen Staub, der nicht offen deponiert werden kann.
• Die oben schon erwähnte EP 0 400 740 B1 zeigt ein verjüngtes Rohr mit Einbauten, die zu Verstopfungen führen können, zudem versperren die Einbauten den Zugang zu den darunter befindlichen Räumen bei Inspektion und Wartung. Die notwendige Kühlung der fadenkreuzähnlichen Einbauten führt darüber hinaus zum Erstarren der Schlacke, was zu Verstopfungen führen kann.
• Die EP 0 431 266 A1 weist ebenfalls einen hohen Flugaschestrom im Vergaseraustritt und schlechten Brennstoffumsatz im Vergaser auf, weil ein Teil der noch reagierenden und kohlenstoff- und aschehaltigen Gase aus der Brennerebene schnell und ohne Umlenkung zum Vergaseraustritt strömt, da kein Drall vorgesehen ist. Es ist bekannt, dass ein Drall im Vergaser das aus der Brennerebene ausströmende Gas zuerst gegen die Wand umlenkt, wodurch ein Teil der Flugasche an der Wand abgeschieden und die Verweilzeit der Brennstoffpartikel im Vergaser verlängert wird.
• Auch ist bekannt, dass je stärker der Drall ist, um so intensiver der Stoffaustausch im Vergaser ist. Dabei kommt es zu einer stärkeren Abscheidung der Asche. Ein hoher Drall im Vergaseraustritt verursacht jedoch, wie oben schon kurz angesprochen, Schwierigkeiten in nachgeschalteten Apparaten, da die heißen Gase und Schlackepartikel mit hoher tangentialer Geschwindigkeit in Richtung der Wände geschleudert werden. Aus diesem Grunde wird im Vergaser nur ein schwacher Drall bevorzugt, z. B. Feuerungswinkel von 3°.
• Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe neben der Vermeidung oben beschriebener Nachteile darin besteht, sowohl die Flugaschenmenge zu verringern als auch die Mengen der unvergasten Brennstoffe, wobei ein nur schwacher Drall im Eintritt der nachgeschalteten Apparate erreicht werden soll, um dort Ablagerungen zu vermeiden bei einer sehr kompakten Vorrichtung, wobei es nicht zur Gefahr der Erstarrung der Schlacke im Auslauf kommen soll.
• Mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass im verjüngten Übergangskanal drallvermindernde bzw. -verhindernde, nur einen Teil des Querschnittes des Übergangskanales durchsetzende Wandflächen vorgesehen sind.
• Es hat sich gezeigt, dass diese vergleichsweise schmal ausgebildeten Wandflächen optimal als Drallbremsen eingesetzt werden können, ohne den Durchgangsquerschnitt des Übergangskanales unnötig zu verkleinern.
• Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Wandflächen von Kühlrohren gebildet sind. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass selbst dann, wenn die Kühlrohre einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, sich durch das bereichsweise Anbacken von Schlacke rasch eine geschlossene Wand ausbildet, die den Drall mindert oder bis zum Ende des Übergangskanales weitgehend unterbindet.
• Um dieser Drallbremsfunktion weiter gerecht zu werden, kann in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Wandflächen eine in Längsrichtung leicht gewundene Gestaltung aufweisen, die zweckmäßig gegen die im Vergaser herrschende Drallrichtung ausgerichtet sind.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass am in Schwerkraftrichtung unteren Ende der Wandflächen eine die Schlacke auffangende gekühlte Rinne zur Ausleitung der Schlacke aus dem Quenchraum vorgesehen ist.
• Um das Ausleiten der Schlacke zu optimieren, kann nach der Erfindung darüber hinaus vorgesehen sein, dass bei einer Mehrzahl von die Wandflächen bildenden Kühlrohren die in Schwerkraftrichtung unteren Rohrbereiche benachbarter Rohre einen von einem Sammelsteg überbrückenden Abstand zueinander aufweisen, wobei der Sammelsteg in die Schlackeableitrinne mündet.
• Die Erfindung sieht in Ausgestaltung auch vor, dass der Durchmesser des verjüngten Kanales 0,1 bis 0,5 des Vergaserdurchmessers beträgt, wobei die durch die vertikalen Randkanten der Drallverminderungswände verbleibende lichte Weite im Inneren ≥ 500 mm beträgt. Dadurch ist es möglich, dass eine Person zur Überprüfung des Innenraumes der Vorrichtung durch diesen Bereich hindurch klettern kann.
• Da Drall dem Radius proportional ist, wird er durch die in der Randzone befindlichen Flächen stark verringert. Abhängig von der gewünschten Abschwächung des Dralls soll die Länge der drallbremsenden Flächen zwischen 0,5 und 4 Durchmesser des Verbindungskanales betragen.
• Aufgrund der erfindungsgemäßen „Drallbremse“ ist es möglich, einen Feuerungswinkel von 5 bis 10° bezogen auf die entsprechende Sekante der Brenneranordnung vorzusehen, ebenso wie andere Drallkörper und Einbauten, um eine erhöhte Zirkulation im Vergaser und damit eine intensive Vermischung zu erreichen, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht.
• Durch diese Maßnahme wird der Brennstoffumsatz erhöht und das Zusammenbacken der Aschepartikel verstärkt, womit auch die Abscheidung dieser Partikel verbessert wird.
• Schließlich ist es möglich, den Wärmestrom aus der Bilanz des Kühlmediums kontinuierlich zu ermitteln und damit die Schlackedichte an den Wänden der Vorrichtung z. B. online zu berechnen, wozu ein Beispiel angegeben sei:
• - Kühlung durch Verdampfung des Kesselspeisewassers in Rohren der Vorrichtung
• - gemessen werden Menge und Temperatur des in die Vorrichtung eingespeisten Wassers und die Menge und Druck des erzeugten Dampfes. Daraus werden der Wärmestrom und die Wärmestromdichte ermittelt
• - die mittlere Schichtstärke der festen Schlacke hängt reziprok von der Wärmestromdichte ab und kann annähernd mit folgender Formel berechnet werden: $$\text{Schichtdicke}=\text{Lambda}\cdot \left({\text{T}}_{\text{F}}-{\text{T}}_{\text{K}}\right)/\text{q}$$
  
wobei

Lambda	- Wärmeleitfähigkeit der Schlacke
TF	- Erstarrungstemperatur der Schlacke
TK	- Siedetemperatur des Wassers

• - Mit dieser Methode bekommt man online-Information über die Schichtstärke der festen Schlacke. Ist die Schicht zu dick, z. B. > 50 mm, kann sofort die Sauerstoffmenge und dadurch die Vergasungstemperatur erhöht werden. Ist dagegen die Wärmestromdichte zu hoch, z. B. > 200 kW/m³, kann z. B. die Sauerstoffmenge verringert oder die Menge des Moderationsgases (H₂O oder CO₂) erhöht werden.
• Die an den Vergaserwänden abgeschiedene Schlacke fließt überwiegend im Außenbereich der Vorrichtung ab, wodurch die Schlackeschicht dort besonders dick und die Wärmestromdichte besonders niedrig ist.
• Dagegen werden die Flächen im zentralen Bereich des Querschnittes kaum durch die herabfließende Schlacke bedeckt, wodurch nur eine dünne Schlackeschicht an diesen Flächen entsteht. Separate Messungen der Wärmestromdichte im Außenbereich und an Flächen im zentralen Bereich des verjüngten Kanals liefern daher zwei wichtige Informationen für die Steuerung der Vergasertemperatur:
• - im peripheren Bereich kann die dickste Schlackeschicht ermittelt werden, um die drallbremsenden Einbauten vor Zuwachsen mit Schlacke durch Erhöhung der zeitgemittelten Temperatur schützen zu können,
• - im zentralen Bereich wird die höchste Wärmestromdichte gemessen, wobei schnelle Änderungen der Wärmestromdichte erfasst werden können, um kurzdauernde Änderungen der Vergasungstemperatur schnell korrigieren zu können.
• In weiterer Ausgestaltung ist nach der Erfindung vorgesehen, dass der verjüngte Übergangskanal an seinem in Schwerkraftrichtung unten liegenden Ende mit einer Einschnürung mit Abtropfkante ausgerüstet ist.
• Mit dieser Maßnahme wird eine Reihe zusätzlicher Vorteile erreicht:
• Bei der Vermischung von entgegenströmenden Gasschichten und bei Beschleunigen und Ändern der Richtung des Gases prallen die im Gas vorhandenen und von diesem getragenen Schlackepartikel aufeinander und verbacken, wodurch größere Partikel gebildet werden, die an den Wänden abgeschieden werden können, so dass der Gehalt der Aschepartikel sich im Gas deutlich verringert.
• Die Erfindung sieht in Ausgestaltung auch vor, dass die Einschnürung am verjüngten Übergangskanal zusätzlich von einem weiteren Mischrohr umgeben ist zur Bildung eines zusätzlichen Mischraumes.
• Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Innenseite der Wand des Mischrohres metallisch (gekühlt, aber unbestampft) ausgebildet ist, was erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehen ist.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
• 1 als Referenz und in schematischer Darstellung einen Druckbehälter mit Reaktor und Quenchraum,
• 2a einen Schnitt in schematischer Darstellung etwa gemäß Linie II-II in 1,
• 2b einen Schnitt in schematischer Darstellung etwa gemäß Linie IIb-IIb in 1,
• 3 ein Referenzbeispiel in der Darstellung gemäß 1,
• 4 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 5 eine Seiten- und Frontansicht einer strömungsausrichtenden Wand, eingebaut im Übergangskanal vom Reaktor zum Quenchraum sowie in
• 6 ein weiteres Referenzbeispiel in der Darstellung gemäß 1.
• In 1 ist in vereinfachter Darstellung ein Reaktor 1 in einem Druckbehälter 2 im Schnitt dargestellt, wobei die den Reaktor 1 beaufschlagenden Brenner lediglich als Pfeile 3 angedeutet sind.
• Erkennbar geht der mit 4 bezeichnete trichterförmige Vergaserboden in einen verjüngten Kanal 5 über, der mit strömungsrichtenden Einbauten 6 zur Drallverminderung des den Reaktor verlassenden Gemisches versehen ist.
• Dabei weist der verjüngte Kanal 5 in Strömungsrichtung hinter den Einbauten 6 einen ersten Mischbereich 7 auf, der dann in den mit 9 bezeichneten Gasabkühlungsraum, z. B. einem Quenchraum, mündet, wobei die Zufuhr des Quenchmediums mit Pfeilen 8 angedeutet ist.
• Die strömungsrichtenden Einbauten können als Rohrwände, die von einem Kühlmedium durchströmt werden, ausgebildet sein, wie dies weiter unten in Bezugnahme auf 5 näher beschrieben ist. Zusätzlich können die Wände bestiftet und bestampft sein, um die Einbindung der Schlacke zu erleichtern und die Wärmestromdichte zu verringern.
• In 2a ist angedeutet, dass die Einbauten 6 gemäß 1 radial nach innen weisend in den Innenraum des Kanales 5 gerichtet sind, wobei ein mit 5a bezeichneter Innenquerschnitt frei von Einbauten gehalten ist. Dieser Innenquerschnitt 5a ist dabei so groß gewählt, dass eine Person hindurch steigen kann, um etwa Wartungsarbeiten im Quenchraum 9 durchführen zu können.
• Der Innenquerschnitt 5a wird kaum gekühlt, wodurch Erstarren der Schlacke und vollständige Verstopfung nicht befürchtet werden müssen.
• In 2a ist noch durch gestrichelte Pfeile die sich ausbildende Drallbewegung der Strömung angedeutet. In den Räumen zwischen den Einbauten 6 ergeben sich Drallströmungen 6a in Gegenrichtung der Strömung in dem einbaufreien Innenraum, in 2a durch Pfeile 5b angedeutet. Die Drallströmungen 6a zwischen den Einbauten 6 sind so gerichtet, dass beispielsweise die Zirkulationsströmungen an den Wänden der Einbauten 6 entgegengesetzt gerichtet sind, was durch die punktierten Teilpfeile 6b und 6c angedeutet ist. Die zum Inneren weisenden Teilbereiche der Strömung 6a sind in gleicher Richtung gerichtet wie die Rotationsströmung 5b.
• Fallen die Einbauten weg, so zeigt die Schnittzeichnung gemäß Linien IIb-IIb in 1, dass in diesem Bereich die Strömungen 5b und 6b entgegengesetzt gerichtet sind und sich gegenseitig bremsen und ggf. am unteren Ende des Kanales 5 ganz aufgelöst haben.
• In 3 ist ein Referenzbeispiel dargestellt. Hier bildet der Quenchraum 9 ein eigenes Bauteil und ist nicht, wie im Beispiel der 1 Teil des Druckbehälters.
• Im Unterschied zu 1 sind beim Referenzbeispiel der 3 die drallvermindernden Einbauten 6 gekrümmt bzw. in Strömungsrichtung schräg gestellt, und zwar gegen die Drallrichtung des Reaktors 1 verlassenden Gemisches.
• In 4 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier ist der untere Rand des verjüngten Kanales mit einer ggf. ebenfalls gekühlten Sammelrinne zum Ableiten der flüssigen Asche ausgestattet, wobei diese Sammelrinne, mit 10 bezeichnete, in einem getrennten Raum 11 mit Schlackebad mündet. Durch das Ausleiten der Schlacke über die gekühlte Rinne 10 in den Schlackebadraum 11 fällt die Schlacke getrennt und ohne feine Feststoffe an, wodurch es möglich ist, das aus dem Kanal 5 ausströmende Gas nicht nur mit Wasser zu quenchen, sondern mit einem kälteren Gas, um dadurch ein heißes Trocknungsgas zu erzeugen, das z. B. auch als Reduktionsgas eingesetzt werden kann.
• Die Rohrwände 6 können dabei so mit Kerben, Rippen oder durch Schrägstellung gestaltet sein, so dass die Schlacke von deren Oberfläche in Richtung auf die Wand des Kanales fließt, um dann in die Rinne 10 abgeleitet zu werden.
• In 5 ist als Beispiel die Ausgestaltung einer derartigen drallvermindernden Wand wiedergegeben. Sie besteht aus nebeneinander angeordneten Kühlrohren, mit 12 und 13 bezeichnet, deren in Schwerkraftrichtung liegende untere Bereich schräg gestellt und wenigstens teilweise gespreizt ist, derart, dass zwischen den unteren schräggestellten Rohren ein Steg 14 positioniert werden kann, um das Abfließen der Schlacke dort zu vereinfachen, die dann in Richtung Rohrwand 5 fließt und von dort ggf. in eine in 5 nicht dargestellte Rinne zum Ableiten, wie oben beschrieben.
• In 6 ist ein Referenzbeispiel dargestellt mit verkürztem Kanal bzw. Mischrohr 5, welches an seinem in Schwerkraftrichtung unteren Ende mit einer Einschnürung 15 ausgerüstet ist, die eine Abtropfkante 15a aufweist. Durch diese Einschnürung bzw. Verengung 15 werden die in 2b dargestellten gegenläufigen Wirbel 5b und 6b gezwungen, sich aufeinanderzu zu bewegen, so dass der sich durch den Wirbel aufhebende Effekt hierdurch stark vergrößert wird, so dass eine entsprechende Aufhebung praktisch schon am Ende der Einschnürung bzw. Verengung 15 vorliegt.
• Bei diesem Referenzbeispiel ist die Austrittsöffnung bzw. Abtropfkante 15a noch von einem weiteren Mischrohr 16 umgeben, das einen weiteren Mischraum 7a definiert. Dieses Mischrohr 16 verhindert auch eine Rückströmung des kalten Gases aus dem Quenchraum 9 an die Umgebung der Abtropfkante 15a, wodurch ein Erstarren der Schlacke und damit die Bildung von Stalaktiten oder anderen hängenden anwachsenden Verunreinigungen im Zylinder ausgeschlossen wird.
• Um Strahlen oder Strähnen von Schlackeflüssen zu formen, kann die Einschnürung 15 noch eine wellige Oberfläche aufweisen, was hier nicht näher dargestellt ist.
• Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Dies gilt insbesondere für die symmetrische Ausgestaltung der gekühlten Wandflächen 6 im Übergangskanal 5. Bei einer alternativen Vergaserart mit Gasaustritt aufwärts durch eine Austrittsöffnung in der Decke wird der verjüngte Übergangskanal über dieser Öffnung eingebaut und die an den Flächen des Kanales abgeschiedene Schlacke fließt oder fällt abwärts in den Vergaser. Die Abkühlung des Gases im Raum 9 kann durch Quenchen, Strahlung oder Konvektion erfolgen. In den Raum können auch reagierende Substanzen dosiert werden, z. B. Kalkstein, um Schwefelverbindungen zu entfernen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Herstellung von CO- oder H₂-haltigem Rohgas durch Vergasung von aschehaltigem Brennstoff mit sauerstoffhaltigem Gas bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Asche in einem Vergasungsreaktor und mit einem anschließenden Gasabkühlungsraum, welcher als Quenchraum ausgebildet ist, und einem sich verjüngenden Übergangskanal von einem Raum in den anderen, dadurch gekennzeichnet, dass - im verjüngten Übergangskanal (5) drallvermindernde bzw. -verhindernde, nur einen Teil des Querschnittes des Übergangskanales durchsetzende Wandflächen (6) vorgesehen sind, und - am in Schwerkraftrichtung unteren Ende der Wandflächen (6) eine die Schlacke auffangende gekühlte Rinne (10) zur Ausleitung der Schlacke aus dem Gasabkühlungsraum, welcher als Quenchraum ausgebildet ist, vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandflächen (6) von Kühlrohren gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandflächen (6) eine in Längsrichtung leicht gewundene Gestaltung aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrzahl von die Wandflächen bildenden Kühlrohren (12, 13) die in Schwerkraftrichtung unteren Rohrbereiche benachbarter Rohre einen von einem Sammelsteg (14) überbrückenden Abstand zueinander aufweisen, wobei der Sammelsteg (14) in die Schlackeableitrinne mündet.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des verjüngten Kanales (5) 0,1 bis 0,5 des Vergaserdurchmessers beträgt, wobei die durch die vertikalen Randkanten der Drallverminderungswände verbleibende lichte Weite im Inneren (5a) ≥ 500 mm beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuerungswinkel von 5 bis 10° bezogen auf die entsprechende Sekante der Brenneranordnung vorgesehen ist, ebenso wie andere Drallkörper und Einbauten, um eine erhöhte Zirkulation im Vergaser und damit eine intensive Vermischung zu erreichen.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verjüngte Übergangskanal (5) an seinem in Schwerkraftrichtung unten liegenden Ende mit einer Einschnürung (15) mit Abtropfkante (15a) ausgerüstet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürung (15) am verjüngten Übergangskanal (5) zusätzlich von einem weiteren Mischrohr (16) umgeben ist zur Bildung eines zusätzlichen Mischraumes (7a).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Wand des Mischrohres (16) metallisch (gekühlt, aber unbestampft) ausgebildet ist.

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