DE102009011174A1

DE102009011174A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der Enthalpie eines Synthesegases zur Zusatzvergasung von nachwachsenden Brennstoffen

Info

Publication number: DE102009011174A1
Application number: DE102009011174A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ullrich
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Synthesegases durch einen Flugstromvergasungsprozess unter erhöhtem Druck bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, wobei ein fester, feingemahlener, kohlenstoffhaltiger Brennstoff eingesetzt wird, der über Brenner in einen Reaktor eingeleitet wird, der auch den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas zur Vergasung zuführt, und der Brennstoff innerhalb einer Brennerebene eingeleitet wird, in der die Brenner konzentrisch um den Reaktionsraum oder im Deckelbereich angeordnet sind, und das erhaltene Synthesegas in aufwärts oder abwärts führender Richtung aus dem Reaktionsraum über einen Austrittsstutzen ausgeführt wird, so dass das Synthesegas in einen zweiten Reaktionsraum zur Herunterkühlung durch Zugabe von kühlen, gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Kühlmedien, der als Mischraum gestaltet ist, geleitet wird, wobei sich zwischen dem Reaktor und dem Reaktionsraum eine zweite Brennerebene befindet, über die ein Brennstoff aus nachwachsenden oder biologischen Brennstoffen in das Synthesegas eingeleitet wird, so dass die Wärmeenthalpie des Synthesegases für die endotherme Vergasungsreaktion des biologischen Rohstoffes genutzt werden werden kann. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Synthesegases mit zwei Brennerebenen, wobei sich die zweite Brennerebene zwischen erster Brennerebene und dem Austrittsstutzen für den Reaktionsraum zur Kühlung befindet und der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von festen, feingemahlenen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit sauerstoffhaltigen Gasen in einem Flugstromverfahren unter erhöhtem Druck oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, durch das ein Synthesegas erzeugt wird und an den Reaktorwänden des Vergasungsreaktors flüssige Schlacke abgeschieden wird, wobei die Abkühlung der hohen Temperaturen des Synthesegases nicht ausschließlich durch Zugabe von einem gekühlten gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Fremdmedium oder durch Eindüsung von Wasser nach der Erzeugung des Synthesegases erfolgt, sondern durch eine Zugabe von biologischen oder nachwachsenden Brennstoffen in den Synthesegasstrom während der Erzeugung. Die Zugabe der nachwachsenden Brennstoffe erfolgt in Ausführungsrichtung des Synthesegases in einer nachgeschalteten Brennerebene des Reaktionsraumes, wodurch die Enthalpie des heißen Synthesegases zum Teil zur Vergasung eines nachwachsenden Brennstoffes genutzt werden kann. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur endothermen Vergasung von festen, nachwachsenden Brennstoffen in einer zweiten Brennerebene innerhalb des Reaktionsraumes eines gekühlten Reaktors, der sich in einem Druckbehälter befindet.
Eine Möglichkeit zur Herstellung von Synthesegas ist die Vergasung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicherter Luft. Durch die Reaktion des Brennstoffes mit dem Gas, der in der Regel in feingemahlenem Zustand in den Reaktionsraum zugeführt wird, entsteht ein Synthesegas, das zu einem wesentlichen Bestandteil aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Gibt man dem sauerstoffhaltigen Gas Wasserdampf hinzu, so erhält man ein Synthesegas, das auch Wasserstoff enthält. Die Brennstoffe werden typischerweise zur Reaktion in einem Flugstromverfahren in dem Reaktionsraum umgesetzt, wobei Sauerstoff oder ein sauerstoffangereichertes Gas unter Druck mit dem feingemahlenen Brennstoff gemischt und über einen oder mehrere Brenner in einer Staubflamme in den Reaktionsraum eingedüst werden. Das so erhaltene Synthesegas besitzt in einer typischen Ausführungsform des Verfahrens eine Temperatur von 1200–1600°C.
Um die hohe Temperatur des Synthesegases schnell und wirksam abzuführen und um Anbackungen in nachgeschalteten Prozessanlagen zu vermeiden, wird das Synthesegas nach dem Erhalt einem sogenannten „Quenchprozess” zugeführt. Dabei wird das Synthesegas mit einem kühleren gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Medium gemischt oder durch Eindüsung von Wasser abgekühlt, so dass dieses seine hohe innere Enthalpie nach der Erzeugung schnell und effizient abführen kann. Als Brennstoffe werden beispielhaft Kohle, Koks, Biomasse oder Petrolkoks eingesetzt. Die Brennstoffe werden vor der Vergasungsreaktion typischerweise durch einen Mahlvorgang in eine feinverteilte Form überführt. Eine typische Korngröße der Brennstoffe vor der Vergasungsreaktion beträgt 0,05 bis 0,5 mm. Um eine optimale Wirksamkeit der Flugstromvergasung zu erreichen, kann der Brennstoff mit einem Drall in die Flugstromflamme eingeblasen werden, was durch tangential vorgesehene Einblasungsdüsen und -brenner in die Flugstromwolke geschieht.
Bei der Durchführung des Quenchprozesses wird eine große Menge an gasförmigem, dampfförmigem oder flüssigem Kühlungsmittel oder Wasser zugeführt, welches oftmals nur zum Teil in den Vergasungsprozess zurückgeführt werden kann. Zudem geht ein großer Teil der Wärmeenthalpie des Synthesegases verloren, da das Kühlmittel oftmals durch Auskondensieren und Wiederverdampfung in den Prozess zurückgeführt werden muss. Dies ist energieaufwendig und bedeutet einen großen apparativen Aufwand. Günstig wäre es, einen Prozess zur Verfügung zu stellen, der die hohe innere Energie des erhaltenen Synthesegases durch einen Folgeprozess nutzt. Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Wärmeenthalpie des heißen Synthesegases noch in der Flugstromvergasung für einen Folgeprozess nutzt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren, welches durch eine weitere Brennerebene, die hinter der ersten Brennerebene angeordnet ist, und die sich über einen in Gasströmungsrichtung hinteren Teilbereich der gesamten Höhe des Reaktionsraumes erstreckt, einen nachwachsenden Rohstoff als Brennstoff in den Reaktionsraum zuführt, wodurch eine weitere Vergasungsreaktion des nachwachsenden Rohstoffes in dem Reaktionsraum erfolgt. Diese Reaktion ist endotherm, wodurch ein großer Teil der in dem Synthesegas enthaltenen Enthalpie für die weitere Reaktion chemisch genutzt wird. Die Vergasung von nachwachsenden Brennstoffen liefert ein aschearmes Synthesegas, da pflanzliche Rohstoffe einen erheblich geringeren Anteil an aschebildenden Verbrennungsstoffen enthalten. Auf diese Weise besitzt das so erhaltene Synthesegas einen erheblich geringeren Feststoffgehalt. Durch die nachgeschaltete Vergasung der nachwachsenden Rohstoffe kann die Temperatur des Synthesegases insbesondere im Reaktionsraum zum Herunterkühlen des Gases energetisch genutzt und gesteuert werden, was zu einer Energieeinsparung des Prozesses führt. Die Brenner können dabei als solche oder als Brennerlanzen ausgeführt werden.
Im Stand der Technik sind Verfahren zur Vergasung von biologischen oder nachwachsenden Brennstoffen im Gemisch mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bekannt. Die EP 1027407 B1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas, Synthesegas und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen durch Verbrennen in einem Brenner mit gasförmigem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen. Der Brennstoff wird beim Eintritt in die Reaktionskammer in Rotation versetzt, um die mineralischen Bestandteile, die bei der Reaktionstemperatur flüssig vorliegen, aus der Vergasungsreaktion an die Reaktorwand zu befördern und diese dadurch abzutrennen. Das Vergasungsmittel wird durch eine zentrale Öffnung im Boden der Brennkammer in den Vergasungsreaktor geleitet und bildet einen Tauchstrahl. Dem Vergaser wird ebenfalls ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff zugeführt, wobei über die Zugabeposition des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes keine Angaben mitgeteilt werden.
Für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es hingegen erforderlich, den Brennstoff in zwei Ebenen in den Reaktor zu führen. Nur dadurch kann die Enthalpie der Vergasung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes zur endothermen Zusatzvergasung von biologischen Brennstoffen genutzt werden. Da mit der Zusatzvergasung von nachwachsenden Brennstoffen eine Herunterführung der Synthesegastemperatur erreicht werden kann, lässt sich das Verfahren auch als „chemical quench” bezeichnen.
Beansprucht wird insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch die Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren unter erhöhtem Druck bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, wobei

• der feingemahlene, kohlenstoffhaltige Brennstoff im Gemisch Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas von außen in horizontaler Richtung konzentrisch in einen feuerfesten Reaktionsraum eingedüst wird, so dass der Brennstoff in einer Flugstromvergasung in dem Reaktionsraum zu Synthesegas reagiert, und
• der feingemahlene, kohlenstoffhaltige Brennstoff innerhalb einer ersten Brennerebene in den Reaktionsraum eingeleitet wird, die sich über einen in Gasströmungsrichtung vorderen Teilbereich der gesamten Höhe des Reaktionsraumes erstreckt, und
• das erhaltene Synthesegas unter einem Druck von 1 bis 80 bar steht und in aufwärts oder abwärts führender Richtung aus dem Reaktionsraum ausgeführt wird, und
• das so erhaltene Synthesegas nach der Ausführung in einen zweiten Reaktionsraum geleitet wird, der als Mischraum gestaltet ist und in dem das zugeführte Gas zur Kühlung mit einem kühleren gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Stoff vermischt wird, und
• die Verweilzeit des Synthesegases nach der Einleitung des Brennstoffes im Flugstrom und vor Eintritt in den nachgeschalteten Mischraum zur Kühlung im Flugstrom zwischen 1 und 10 Sekunden beträgt, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass
• innerhalb einer zweiten Brennerebene oder einer zweiten Brennerlanzenebene, die sich über einen Teilbereich der gesamten Höhe des Reaktionsraumes erstreckt und die sich in Gasrichtung stromabwärts gerichtet hinter der ersten Brennerebene befindet, ein nachwachsender Brennstoff im Gemisch mit einem dampf- oder sauerstoffhaltigen Gas konzentrisch in den Mischraum eingedüst wird, so dass eine weitere Flugstromvergasung entsteht, durch die die Temperatur des ausströmenden Gases sinkt und die Enthalpiedifferenz zur Zusatzvergasung der nachwachsenden Rohstoffe genutzt wird.

Zur Steuerung der Reaktion ist insbesondere die Verweilzeit des Brennstoffes mit Sauerstoff oder dem sauerstoffhaltigen Gas in dem Reaktionsraum von großer Bedeutung. Diese kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Drallgeschwindigkeit in dem Reaktionsraum verlängert werden. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Verweilzeit in dem Reaktor nach der Einleitung des nachwachsenden Brennstoffes und vor Eintritt in den nachgeschalteten Reaktionsraum zur Kühlung im Flugstrom in dem Reaktor 1 bis 10 Sekunden. Dies kann durch die tangentiale Anordnung des Brenners oder der Brenner in den Reaktionsraum erreicht werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Verweilzeit des Synthesegases nach der Einleitung des biologischen Brennstoffes und vor Eintritt in den nachgeschalteten Reaktionsraum zur Kühlung im Flugstrom in dem Reaktor 2 bis 5 Sekunden. Zur Steuerung der Reaktion kann der Reaktion auch Wasserdampf zugegeben werden, so dass der Brennstoff im Gemisch mit einem dampf- oder sauerstoffhaltigen Gas, Wasserdampf, oder einem sauerstoffhaltigen Gas und Wasserdampf in den Reaktionsraum eingedüst wird. Bei dem sauerstoffhaltigen Gas kann es sich beispielhaft um Luft handeln.
Die Verweilzeit des Brennstoffes in dem Reaktionsraum kann insbesondere durch eine Änderung der Brennerausrichtung zur Verstärkung des tangentialen Dralls erhöht werden. Wird der Brennstoff durch tangential angeordnete Brenner der ersten oder zweiten Brennerebene oder beider Brennerebenen tangential zum zylindrischen Reaktionsraum eingeleitet, so erhält der Flugstrom in dem Reaktionsraum einen Drall, wodurch sich die Verweilzeit des Brennstoffes in der Flugstromvergasung erhöht. Auf diese Weise kann die Vergasungsreaktion optimiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die vertikale Höhe der ersten Brennerebene 10 Prozent der Höhe des gesamten Reaktionsraumes und enthält 1 bis 6 Brenner. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die vertikale Höhe der zweiten Brennerebene 10 Prozent der Höhe des gesamten Reaktionsraumes und enthält ebenfalls 1 bis 4 Brenner. Zwischen den Brennerebenen kann sich dann eine beliebig breite brennerfreie Ebene befinden. Als Brennerebene wird dabei eine Anordnung von Brennern verstanden, die in Kreisform konzentrisch um den zylindrischen Reaktionsraum angeordnet sind, wobei die Eindüsung des Brennstoffes in horizontaler Richtung erfolgt. Die Brenner müssen dabei nicht genau in einer Höhe angeordnet sein, jedoch ist zur Erlangung einer optimalen Vergasung eine Anordnung in derselben Höhe von Vorteil. Die Brenner sind dabei bevorzugt so angeordnet, dass diese den Brennstoff tangential in die Reaktionskammer eindüsen.
Die Temperatur der Vergasungsreaktion wird im Verlaufe der Gasführung durch die Zugabe des nachwachsenden Brennstoffes deutlich gesenkt. Typischerweise beträgt die Temperatur bei der Durchführung der Vergasungsreaktion 1400 bis 1600°C. Durch die Zugabe des nachwachsenden Brennstoffes wird die Vergasungstemperatur vor Austritt aus dem Reaktionsraum in der Flamme merklich gesenkt. Schätzungsweise beträgt die Flammentemperatur nach der Einleitung des nachwachsenden Brennstoffes 1200 bis 1400°C. Typische Drücke zur Durchführung der Vergasungsreaktion sind 1 bis 80 bar. Bevorzugte Drücke zur Durchführung der Vergasungsreaktion sind 10 bis 40 bar. Zur Durchführung der Reaktion wird das wasserdampf- oder sauerstoffhaltige Reaktionsgas durch Kompressoren auf den benötigten Druck komprimiert. Typischerweise werden in der zweiten Brennerebene 5 bis 40 Prozent des gesamten Brennstoffes vergast. Dies ist jedoch nur ein Richtwert.
Als Brennstoffe kommen für die erste Brennerebene insbesondere kohlenstoffhaltige, fossile Brennstoffe in Betracht. Dies sind beispielhaft Kohlen, Koks, Petrolkoks oder Bitumen. Die Brennstoffe werden vor der Vergasung kleingemahlen. Als Brennstoffe für die zweite Brennerebene kommen alle biologischen oder nachwachsenden Rohstoffe in Betracht, dies sind insbesondere zerkleinerte, feingemahlene Energiepflanzen, Holz in beliebiger Form, Stroh, Gräser, Getreidepflanzen, biologische Reststoffe, Meerespflanzen oder Viehdung. Diese Brennstoffe werden für die Vergasung üblicherweise vorbehandelt.
Zu einer Vorbehandlung gehört insbesondere ein Mahlvorgang. Dies können aber auch zusätzliche Trocknungsschritte, Pressvorgänge oder Karbonisierungsschritte sein. Je nach Bedarf können auch die nachwachsenden Rohstoffe für die zweite Brennerebene mit kohlenstoffhaltigen, fossilen Brennstoffen gemischt werden. Auch ist es möglich, die erste und die zweite Brennerebene mit einem Gemisch von kohlenstoffhaltigen oder nachwachsenden Brennstoffen zu versorgen. Die Mischungsverhältnisse der beiden Brennerebenen können auch verschieden sein. Auf diese Weise lässt sich bei geeigneter Reaktionsführung durch das Mischungsverhältnis in der zweiten Brennerebene die Temperatur des Synthesegases steuern.
Als Fremdmedien zur Herunterkühlung des Synthesegases können insbesondere Wasser, Wasserdampf oder zurückgeführtes und gekühltes Synthesegas verwendet werden. Es ist aber auch möglich, Fremdgase wie Stickstoff oder Kohlendioxid zu verwenden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung von Vergasungsreaktionen mit einer nachfolgenden Einleitung von biologischen Brennstoffen in den Vergaser. Diese umfasst typischerweise einen Druckvergasungsreaktor, der einen Reaktionsraum umgeben von einem druckdichten Mantelgefäß darstellt. Der Reaktionsraum umfasst Einleitungsvorrichtungen für Brennstoff und das Reaktionsgas. Zur Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das erzeugte Synthesegas in abwärts führender Richtung oder in aufwärts führender Richtung aus dem Reaktionsraum auszuführen. Eine zweite Brennerebene zur Zuführung von nachwachsenden Brennstoffen befindet sich gasstromabwärts von der ersten Brennerebene. In beiden Fällen befindet sich die zweite Brennerebene zwischen der ersten Brennerebene und dem Reaktionsraum zur Herunterkühlung.
Wird das Reaktionsgas aus dem Reaktionsraum in abwärts führender Richtung ausgeführt, so befindet sich in einer typischen Ausführungsform unterhalb des Reaktionsraums ein zweiter Reaktionsraum, der als Mischraum gestaltet ist und der Vorrichtungen zur Zuführung von gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Kühlungsmedien besitzt. Der Mischraum kann auch einen Sprühquench, einen Wasserquench oder ein Wasserbad umfassen. Der Wasserquench kann beispielhaft als Wasserfilm gestaltet sein, der durch einen Kontakt mit dem erhaltenen Nutzgas dieses herunterkühlt. Der Mischraum oder der daruntergelegene Stutzen enthalten dann einen oder mehrere Ausführungsstutzen für das erhaltene Synthesegas. In dem darunterliegenden Wasserbad werden die bei der Vergasung anfallenden festen Anfallstoffe gesammelt und aus dem Reaktionsraum ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann das Synthesegas auch aufwärts aus dem Reaktionsraum ausführen. Auch in diesem Fall befindet sich die zweite Brennerebene zwischen der ersten Brennerebene und dem Reaktionsraum zur Herunterkühlung. Die Ausführung der Feststoffe kann in diesem Fall beliebig geartet sein und auch separat abwärtsführend gerichtet sein.
In dem Reaktionsraum befinden sich die Brenner oder Brennerlanzen zur Eindüsung des Brennstoffes in den Reaktionsraum. Diese sind konzentrisch innerhalb einer Brennerebene angeordnet. In dieser Brennerebene befinden sich typischerweise 1 bis 6 Brenner. Diese sind vorteilhaft genau innerhalb einer Ebene angeordnet. Sie können jedoch auch in vertikaler Richtung versetzt angeordnet sein. Die Brennerebene erstreckt sich zur Aufrechterhaltung einer idealen Vergasung über eine vertikale Höhe von 10 Prozent der gesamten Höhe des gesamten Reaktionsraumes. Es ist auch möglich, eine weitere Brennerebene in den oberen Bereich des Reaktionsraumes einzubauen, wobei sich diese bevorzugt im Deckelbereich des Reaktionsraumes befindet, so dass diese den Brennstoff vertikal oder näherungsweise vertikal von oben in den Reaktionsraum eindüst. Auch in der zweiten Brennerebene zur Eindüsung des nachwachsenden Rohstoffes sind die Brenner vorteilhaft konzentrisch innerhalb einer Brennerebene angeordnet. In dieser Brennerebene befinden sich ebenfalls typischerweise 1 bis 4 Brenner. Diese sind vorteilhaft genau innerhalb einer Ebene angeordnet, können jedoch auch in vertikaler Richtung versetzt angeordnet sein. Auch die zweite Brennerebene erstreckt sich zur Aufrechterhaltung einer idealen Vergasung über eine vertikale Höhe von 10 Prozent der Höhe des gesamten Reaktionsraumes.
Die Brenner können beliebig gestaltet sein, sind jedoch so geartet, dass sie einen feinverteilten Brennstoff in den Reaktionsraum eindüsen können. Bevorzugt sind diese als Brennerlanzen gestaltet. Die Brenner beider Brennerebenen können tangential angeordnet sein, so dass der Flugstrom einen Drall erhält. Die Brenner können durch spezielle Vorrichtungen gegen fließende, glutflüssige Schlacke geschützt sein. Beispielhaft befindet sich oberhalb der Brenner in Gasströmungsrichtung hinter der zweiten Brennerebene ein gekühlter Schlackeabweiser und eine Brennernische, die die Brenner vor von der Wandung abfließender flüssiger Schlacke schützen. Dabei kann es sich beispielhaft um einen Stahlschurz handeln, der sich in Schlackefließrichtung oberhalb der Brenner befindet, und der mit einer indirekten Kühlung ausgerüstet ist und der die Brenner vor mit dem Gasstrom ablaufender Schlacke schützt. Geeignet sind jedoch auch Keramikvorsprünge oder Mauerwerk. Der Reaktionsraum wird nach unten durch einen Ausführungsstutzen für das heiße Synthesegas abgeschlossen, wenn dieses in vertikaler Richtung ausgeführt wird.
Unterhalb des Ausführungsstutzens ist ein Wasserbad für die anfallenden Feststoffe vorgesehen, das zum Abkühlen der festen Anfallstoffe einer Kohlevergasungsreaktion geeignet ist. Dieses kann seinerseits mit Auslassvorrichtungen für die heruntergekühlten Feststoffe ausgestattet sein. Oberhalb des Wasserbades zum Auffangen der Feststoffe und unterhalb der Zuführungseinrichtungen für die gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Fremdmedien befindet sich typischerweise ein Ausführungsstutzen für heruntergekühltes Synthesegas. Dieser ist seitlich angebracht, so dass das Synthesegas in seitlicher Richtung ausgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besitzen den Vorteil der Herunterführung der Temperatur eines durch Kohlevergasung hergestellten Synthesegases unter Ausnutzung der überschüssigen Wärmeenthalpie durch eine zusätzliche Vergasung von nachwachsenden Brennstoffen. Der erfindungsgemäße Prozess erbringt eine wesentlich bessere Ausnutzung der Enthalpie einer Vergasungsreaktion. Auch kann eine gekoppelte Vergasung von Kohle und nachwachsendem Rohstoff unter gleichzeitiger Reduzierung des Aschegehaltes des erhaltenen Synthesegases erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gasen wird anhand einer Zeichnung genauer erläutert, wobei das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
In einem gekühlten Reaktionsraum (1) mit einem Deckel (1a), der sich in einem druckdichten Mantelgefäß (2) befindet, wird zur Vergasung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff im Gemisch mit Dampf oder einem sauerstoffhaltigen Gas (3a) unter Druck eingeleitet. Der kohlenstoffhaltige, feste und feingemahlene Brennstoff wird mit einem sauerstoffhaltigen Reaktionsgas über Brenner oder Brennerlanzen (3) in die Brennkammer eingedüst, wobei die Brenner horizontal und konzentrisch angeordnet sind. Die Zahl der Brenner in der Brennerebene beträgt idealerweise 1 bis 6. Über Brenner oder Brennerlanzen (4), die in einer weiteren Brennerebene unterhalb der ersten Brennerebene sitzen, wird ein Brennstoff aus feingemahlenen nachwachsenden Brennstoffen (4a) im Gemisch mit dampf- oder einem sauerstoffhaltigen Gas in die Brennkammer des Reaktionsraumes zur Vergasung von festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen eingeleitet. Durch diese Anordnung entsteht eine Flugstromvergasung, die den Brennstoff in einer Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden zu Synthesegas umsetzt. Die Brenner der zweiten Brennerebene sind durch gekühlte Schlackeabweiser (4b) vor herabfließender glutflüssiger Schlacke geschützt. Durch die endotherme Vergasung des nachwachsenden Rohstoffes wird die Temperatur des aus dem Reaktionsraum ausströmenden Synthesegases (5a) deutlich gesenkt. Das Synthesegas wird über einen Austragsstutzen (5) aus dem Reaktionsraum (1) ausgeführt und in einen Reaktionsraum zum Herunterkühlen (6) geleitet, wo es mit einem kühleren gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Fremdmedium oder Wasser über Zugabedüsen (7) vermischt wird. Die anfallenden Feststoffe werden in ein Wasserbad (8) geführt, abkühlt und nach der Abkühlung über einen Austrittsstutzen (9) ausgeschleust. Das erhaltene Synthesegas wird über einen seitlichen Austrittsstutzen (10) entnommen.

1: Reaktionsraum zur Vergasung
1a: Deckel des Reaktionsraumes
2: Druckdichtes Mantelgefäß
3: Brennerlanzen für festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff
3a: Kohlenstoffhaltiger Brennstoff im Gemisch mit einem sauerstoffhaltigen Gas
4: Brennerlanzen für festen, nachwachsenden Rohstoff als Brennstoff
4a: Nachwachsender Brennstoff im Gemisch mit einem dampf- und sauerstoffhaltigen Gas
4b: Gekühlter Schlackeabweiser zum Schutz vor ablaufender glutflüssiger Schlacke
5: Austrittsstutzen für Synthesegas aus dem Reaktionsraum
5a: Ausströmendes Synthesegas aus dem Reaktionsraum
6: Mischraum zum Herunterkühlen des Synthesegases
7: Zugabedüsen für kühleres Fremdmedium
8: Wasserbad für auszuschleusende Feststoffe
9: Austrittsstutzen für Wasser und auszuschleusende Feststoffe
10: Seitlicher Austrittsstutzen für heruntergekühltes Synthesegas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1027407 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren unter erhöhtem Druck bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, wobei • der feingemahlene, kohlenstoffhaltige Brennstoff im Gemisch mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas eingelassen wird, von außen in horizontaler Richtung konzentrisch oder abwärts gerichtet von oben in einen feuerfesten Reaktionsraum eingedüst wird, so dass der Brennstoff in einer Flugstromvergasung in dem Reaktionsraum zu Synthesegas reagiert, und • der feingemahlene, kohlenstoffhaltige Brennstoff innerhalb einer ersten Brennerebene in den Reaktionsraum eingeleitet wird, die sich über einen in Gasströmungsrichtung vorderen Teilbereich der gesamten Höhe des Reaktionsraumes erstreckt, und • das erhaltene Synthesegas unter einem Druck von 1 bis 80 bar steht und in aufwärts oder abwärts führender Richtung aus dem Reaktionsraum ausgeführt wird, und • das so erhaltene Synthesegas nach der Ausführung in einen zweiten Reaktionsraum geleitet wird, der als Mischraum gestaltet ist und in dem das zugeführte Gas zur Kühlung mit einem kühleren gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Stoff vermischt wird, und • die Verweilzeit des Synthesegases nach der Einleitung des Brennstoffes im Flugstrom und vor Eintritt in den nachgeschalteten Reaktionsraum zur Kühlung im Flugstrom zwischen 1 und 10 Sekunden beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass • innerhalb einer zweiten Brennerebene oder einer zweiten Brennerlanzenebene, die sich ebenfalls über einen Teilbereich der gesamten Höhe des Reaktionsraumes erstreckt und die sich in Gasrichtung stromabwärts gerichtet hinter der ersten Brennerebene befindet, ein nachwachsender Brennstoff konzentrisch in den Mischraum eingedüst wird, so dass eine weitere Flugstromvergasung entsteht, durch die die Tempera tur des ausströmenden Gases sinkt und die Enthalpiedifferenz zur Zusatzvergasung von nachwachsenden Rostoffen genutzt wird.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Gasströmungsrichtung vordere Teilbereich des Reaktionsgefäßes, der die erste Brennerebene umfasst, 10 Prozent der gesamten Höhe des Reaktionsgefäßes umfasst.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in Gasströmungsrichtung hintere Teilbereich des Reaktionsgefäßes, der die zweite Brennerebene umfasst, 10 Prozent der gesamten Höhe des Reaktionsgefäßes umfasst.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nachwachsende Brennstoff im Gemisch mit einem dampf- oder sauerstoffhaltigen Gas, Wasserdampf, oder einem sauerstoffhaltigen Gas und Wasserdampf in den Reaktionsraum eingedüst wird.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Synthesegases nach der Einleitung des nachwachsenden Brennstoffes und vor Eintritt in den nachgeschalteten Reaktionsraum zur Kühlung im Flugstrom zwischen 2 bis 5 Sekunden beträgt.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als nachwachsender Brennstoff gehäckselte zerkleinerte, feingemahlene Energiepflanzen, Holz in beliebiger Form, Stroh, Gräser, Getreidepflanzen, biologische Reststoffe, Meerespflanzen oder Viehdung verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nachwachsenden Rohstoffe vor der Vergasung einer Vorbehandlung unterzogen werden, wobei die Vorbehandlungsschritte eine Trocknung, eine Karbonisierung, eine Mahlung oder eine Kombination dieser Schritte umfassen.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff durch tangential angeordnete Brenner der ersten oder zweiten Brennerebene oder beider Brennerebenen tangential zum zylindrischen Reaktionsraum eingeleitet wird, so dass der Flugstrom in dem Reaktionsraum einen Drall erhält, wodurch sich die Verweilzeit des Brennstoffes in der Flugstromvergasung erhöht.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff für die zweite Brennerebene nachwachsende Brennstoffe im Gemisch mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff für die erste und für die zweite Brennerebene nachwachsende Rohstoffe im Gemisch mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff für die erste und für die zweite Brennerebene nachwachsende Rohstoffe im Gemisch mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen verwendet werden, wobei die Mischungsverhältnisse verschieden sind.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren unter erhöhtem Druck bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, wobei • diese aus einem feuerfesten Reaktionsraum besteht, das zur Vergasung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen durch Umsetzung mit einem sauerstoffhaltigen oder wasserdampf- und sauerstoffhaltigen Gas geeignet ist, und • dieser feuerfeste Reaktionsraum einen oder mehrere Brenner enthält, die in einer Brennerebene konzentrisch angeordnet sind und die einen Brennstoff in horizontaler Richtung in den Reaktionsraum oder vom Deckelbereich ausgehend eindüsen, und • sich in vertikaler Richtung abwärts oder aufwärts führend an diesen Reaktionsraum ein zweiter Raum anschließt, der als Mischraum gestaltet ist, und der mit Zuführungseinrichtungen für gasförmige, dampfförmige oder flüssige Kühlmedien ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • sich zwischen dem Reaktionsraum und dem Mischraum weitere Brenner befinden, die ebenfalls konzentrisch in einer Brennerebene angeordnet sind, und die einen nachwachsenden Brennstoff in horizontaler Richtung in den Reaktionsraum eindüsen.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennerebene eine vertikale Höhe von 10 Prozent der gesamten Höhe des gesamten Reaktionsraumes besitzt und 1 bis 6 Brenner enthält.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauer stoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennerebene eine vertikale Höhe von 10 Prozent der gesamten Höhe des gesamten Reaktionsraumes besitzt und 1 bis 4 Brenner enthält.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner der ersten Brennerebene tangential zur zylinderförmigen Brennerwand ausgerichtet sind, so dass die Flugstromströmung bei der Durchführung der Vergasungsreaktion einen Drall erhält.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Brenner der zweiten Brennerebene tangential zur zylinderförmigen Brennerwand ausgerichtet sind, so dass die Flugstromströmung hinter der ersten Brennerebene bei der Durchführung der Vergasungsreaktion einen weiteren Drall erhält.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Schlackefließrichtung oberhalb der Brenner der zweiten Brennerebene ein gekühlter Schlackeabweiser befindet, der die Brenner vor an der Wandung ablaufender glutflüssiger Schlacke schützt.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem gekühlten Schlackeabweiser um einen Stahlschurz handelt, der sich in Schlackefließrichtung oberhalb der Brenner befindet, der mit einer indirekten Kühlung ausgerüstet ist und der die Brenner vor an der Wandung ablaufender flüssiger Schlacke schützt.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner der zweiten Brennerebene in einer Brennernische angeordnet sind.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich unterhalb des Mischraumes, der mit Zuführungseinrichtungen für gasförmige, dampfförmige oder flüssige Stoffe ausgerüstet ist, ein Wasserbad befindet, das zum Auffangen und Abkühlen der festen Anfallstoffe der Kohlevergasungsreaktion geeignet ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas durch Vergasung von festen, feingemahlenen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas in einem Flugstromverfahren nach Anspruch 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Reaktionsraumes, der mit Zuführungseinrichtungen für gasförmige, dampfförmige oder flüssige Kühlmedien ausgerüstet ist, ein seitlich wegführender Auslass für gasförmige Reaktionsprodukte vorhanden ist.