DE102010028816A1 - Fluidized bed reactor useful for producing product gas from carbon-containing input materials via allothermal gasification comprises combustion chamber with first fluidized bed, reformer reactor with second fluidized bed and feeding device - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Vergasung sowie ein entsprechendes Verfahren, das mit Hilfe des genannten Wirbelschichtreaktors durchgeführt wird.The present invention relates to a fluidized bed reactor for producing product gas from carbonaceous feedstocks by allothermic gasification and a corresponding method which is carried out with the aid of said fluidized bed reactor.
Aufgrund der nicht einheitlichen Verwendung in der Fachliteratur seien Definitionen einiger zentraler Begriffe vorangestellt. Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten der thermischen Nutzung von Biomasse: Verbrennung, Pyrolyse und Vergasung. Vor dem Hintergrund der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend nur auf die Vergasung näher eingegangen. Unter einer Vergasung versteht man einen physikalisch-chemischen Vorgang, bei dem ein Kohlenstoffträger, hier als „kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff” bezeichnet, mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels in Wärme und ein brennbares Gas umgewandelt wird, das hier als Produktgas, an anderer Stelle auch als Synthesegas bezeichnet wird. Die Hauptkomponenten des Produktgases, dessen Zusammensetzung stark von den Ausgangsstoffen und der Prozessführung abhängt, sind Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (H2), Methan (CH4), und Wasserdampf (H2O). Unerwünschte Nebenprodukte sind verschiedene Teere und Kondensate, die deshalb nachteilig sind, weil sie zu Verstopfungen und Verklebungen der mit dem Produktgas betriebenen technischen Anlagen führen können. Die Umwandlung geschieht durch Erhitzung, so dass man bei den dabei stattfindenden Reaktionen auch von „wärmeinduzierten Vergasungsreaktionen” spricht. Das Luftverhältnis λ – welches als das Verhältnis der tatsächlich zur Verfügung stehenden Luftmenge (genauer Sauerstoffmenge) zu der zu einer stöchiometrischen, also vollständigen Umwandlung notwendigen Luftmenge definiert ist – ist 0 < λ < 1 (Verbrennung: λ ≥ 1; Pyrolyse: λ = 0). Die einzelnen Vergasungsreaktionen sind teils exotherm, teils endotherm. Eine Vergasung wird als insgesamt „allotherm” bezeichnet, wenn die dafür notwendige Wärme nicht wie bei einer „autothermen” Vergasung durch in einem Vergaser stattfindende (partielle) Oxidationen – also durch die exothermen Vergasungsreaktionen – bereitgestellt wird, sondern dem Vergaser, der hier als Wirbelschichtreaktor bezeichnet und ausgebildet ist, von außen zugeführt wird, wie es z. B. im so genannten Heatpipe-Reformer, wie er zum Beispiel aus der
Bei der Reduktion – dem, wie oben bereits erwähnt, „eigentlichen” Vergasungsschritt – werden die bei der Oxidation entstehenden Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) reduziert. Hauptsächlich laufen hierbei die so genannte Boudouard-Reaktion (1) und die heterogene Wassergas-Reaktion (2) ab, die miteinander gekoppelt sind:
Das mit Hilfe des oben bereits erwähnten Wirbelschichtreaktors durchgeführte Verfahren der Wirbelschichtvergasung eignet sich besonders gut zur Reformierung, da aufgrund der hohen Wärmeübergangszahlen große Wärmemengen von Wärmequellen durch Heizflächen in die Wärmesenke der Wirbelschichtvergasungskammer übertragen werden können. Das Verfahren des oben bereits erwähnten Heatpipe-Reformers, der eine Brennkammer und eine mit dieser über ein Wärmerohr (engl.: heatpipe) verbundene Vergasungskammer (Teil des Reformer-Reaktors) umfasst, nutzt dabei das Prinzip der Wärmeübertragung an Heizflächen in den jeweiligen Wirbelschichten zum Wärmetransport von der Verbrennungs-Wirbelschicht zur Vergasungs-Wirbelschicht optimal.The process of fluidized bed gasification carried out with the aid of the above-mentioned fluidized bed reactor is particularly suitable for reforming, since due to the high heat transfer rates, large amounts of heat can be transferred from heat sources through heating surfaces into the heat sink of the fluidized bed gasification chamber. The method of the above-mentioned heat pipe reformer, which comprises a combustion chamber and a gasification chamber (part of the reformer reactor) connected thereto via a heat pipe, uses the principle of heat transfer to heating surfaces in the respective fluidized beds Heat transport from the combustion fluidized bed to the gasification fluidized bed optimally.
Die vorliegende Erfindung geht von einem in einer noch nicht veröffentlichten Anmeldung desselben Anmelders beschriebenen „Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen” (Aktenzeichen 10 2009 030 543.2-41) aus, der eine Brennkammer mit einer ersten Wirbelschicht zur Erzeugung der für eine allotherme Vergasung notwendigen Wärme und einen Reformer-Reaktor zur Durchführung der allothermen Vergasung mit einer zweiten Wirbelschicht und einer Zuführeinrichtung zur Aufgabe der zu vergasenden Einsatzstoffe umfasst, wobei der Reformer-Reaktor wenigstens teilweise in die Brennkammer hineinreicht. Nachteilig hierbei ist, dass Trocknung, Aufheizung, Pyrolyse und Reformierung der Einsatzstoffe gleichzeitig und daher unvollständig stattfindet, da die Wirbelschicht durch den Effekt des Rührkessels homogenisierend auf die Temperaturen und die Gasqualität wirkt, was zur Folge hat, dass das Produktgas am Austritt mit unvollständig verarbeiteten Stoffen vermischt wird.The present invention is based on a "fluidized bed reactor for the production of product gas from carbonaceous feedstocks" (
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelschichtreaktor und ein Verfahren zur Erzeugung eines Produktgases kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen bereitzustellen, wobei durch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Konstruktion bzw. Prozessführung die Qualität des Produktgases erhöht ist.It is therefore an object of the present invention to provide a fluidized bed reactor and a process for producing a product gas to provide carbonaceous feedstocks, wherein the quality of the product gas is increased by a comparison with the prior art improved design or process control.
Diese Aufgabe wird durch einen Wirbelschichtreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.This object is achieved by a fluidized bed reactor having the features of claim 1 and a method having the features of claim 13.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Wirbelschichtreaktor zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Vergasung eine Brennkammer mit einer ersten Wirbelschicht zur Erzeugung der für die allotherme Vergasung notwendigen Wärme, einen Reformer-Reaktor zur Durchführung der allothermen Vergasung mit einer zweiten Wirbelschicht und einer Zuführeinrichtung zur Aufgabe der zu vergasenden Einsatzstoffe, wobei der Reformer-Reaktor einen die erste Wirbelschicht durchsetzenden Strömungskanal definiert, in dem die zweite Wirbelschicht in einer vorbestimmten Strömungsrichtung zirkuliert. Die in diesen Merkmalen reflektierte räumliche Beziehung zwischen Brennkammer und Reformer-Reaktor erweist sich als vorteilhaft, da dadurch die Bauhöhe des Wirbelschichtreaktors verringert werden kann. Sie hat den weiteren Vorteil, dass ein optimaler Wärmetransport zwischen der Brennkammer und dem Reformer-Reaktor insbesondere dort nahezu verlustfrei möglich ist, wo sich die Brennkammer und der Reformer-Reaktor durchdringen, der Strömungskanal der zweiten Wirbelschicht also durch die erste Wirbelschicht führt. Denn die erfindungsgemäße Konstruktion benötigt im Gegensatz z. B. zu Konstruktionen, deren Wärmeübertragung in die Vergasungskammer allein auf Wärmerohren basieren, kein Wärmeträgermedium; die Wärmeübertragung erfolgt direkt über die Begrenzungsflächen des Strömungskanals. Anders formuliert: Bei gleicher Bauhöhe wie z. B. ein Heatpipe-Reformer ermöglicht die direkte Wärmeübertragung zwischen beiden Wirbelschichten eine Erhöhung der Leistung des Wirbelschichtreaktors um einen Faktor von 2,5 bis 3. Wie es in Anspruch 1 definiert ist, „zirkuliert” die zweite Wirbelschicht entlang des Strömungskanales, sie bildet eine so genannte „zirkulierende Wirbelschicht” (CFB; circulating fluidized bed), was den Vorteil hat, dass von dem im Reformer-Reaktor zu vergasenden Stoff (im Folgenden in Analogie zu dem in der Brennkammer umgesetzten „Brennstoff” als „Vergasungsstoff” bezeichnet), der neben dem Bettmaterial Bestandteil der zweiten Wirbelschicht ist, ein bei einem ersten Umlauf nicht vergaster Anteil den Strömungskanal erneut durchläuft, so dass der Wirkungsgrad der Vergasung erhöht ist. Gemäß Anspruch 1 umfasst der Reformer-Reaktor ferner eine Zuführeinrichtung zur Aufgabe der Vergasungsstoffe. Da die Aufgabe der Vergasungsstoffe auf heißes Bettmaterial erfolgt, trocknet der Vergasungsstoff schnell und die Pyrolyse setzt schon kurze Zeit nach der Aufgabe ein.According to the present invention, a fluidized bed reactor for producing product gas from carbonaceous feedstocks by allothermic gasification comprises a combustor having a first fluidized bed for generating the heat necessary for allothermal gasification, a reformer reactor for carrying out the allothermal gasification with a second fluidized bed and a feeder Task of the starting materials to be gasified, wherein the reformer reactor defines a flow channel passing through the first fluidized bed, in which circulates the second fluidized bed in a predetermined flow direction. The spatial relationship between the combustion chamber and the reformer reactor reflected in these features proves to be advantageous because it allows the overall height of the fluidized bed reactor to be reduced. It has the further advantage that an optimum heat transfer between the combustion chamber and the reformer reactor is possible almost loss-free, where the combustion chamber and the reformer reactor penetrate, that is, the flow channel of the second fluidized bed passes through the first fluidized bed. Because the construction of the invention requires in contrast z. B. to constructions whose heat transfer in the gasification chamber based solely on heat pipes, no heat transfer medium; the heat transfer takes place directly over the boundary surfaces of the flow channel. In other words: at the same height as z. For example, a heat pipe reformer allows direct heat transfer between both fluidized beds to increase the power of the fluidized bed reactor by a factor of 2.5 to 3. As defined in claim 1, the second fluidized bed "circulates" along the flow channel, forming one the so-called "circulating fluidized bed" (CFB), which has the advantage that the substance to be gasified in the reformer reactor (hereinafter referred to as "gasification substance" in analogy to the "fuel" converted in the combustion chamber), is in addition to the bed material part of the second fluidized bed, a non-gassed at a first circulation share the flow channel again, so that the efficiency of the gasification is increased. According to claim 1, the reformer reactor further comprises a supply device for the gasification substances. Since the task of the gasification substances takes place on hot bed material, the gasification material dries quickly and pyrolysis begins a short time after the task.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 umfasst der Strömungskanal einen Reformierungsabschnitt, der innerhalb der Brennkammer angeordnet ist, und einen Pyrolyseabschnitt. Dies bedeutet zunächst, dass erfindungsgemäß die oben erwähnten Verfahrensschritte der Pyrolyse und der Reformierung (d. h. der „eigentlichen” Vergasung im Sinne einer chemischen Reduktion) vorteilhafterweise räumlich getrennt entlang des Strömungskanales angeordnet sind. Diese räumliche Trennung ist besonders effektiv und die jeweils stattfindenden Reaktionen können besonders gut unabhängig voneinander gesteuert werden, wenn – wie es in einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 12 definiert ist – der Pyrolyseabschnitt außerhalb der Brennkammer angeordnet ist. Die räumliche Trennung wirkt sich positiv auf die Gasqualität (weniger Teere), die Leistung, den Dampfüberschuss (der dadurch geringer ist) und den Kohlenstoffumsatz aus.According to an advantageous embodiment according to claim 2, the flow channel comprises a reforming section, which is arranged within the combustion chamber, and a pyrolysis section. This means, first, that according to the invention, the above-mentioned process steps of pyrolysis and reforming (i.e., the "actual" gasification in the sense of a chemical reduction) are advantageously arranged spatially separated along the flow channel. This spatial separation is particularly effective and the reactions taking place in each case can be controlled particularly well independently of each other, if - as it is defined in an advantageous embodiment according to claim 12 - the pyrolysis section is arranged outside the combustion chamber. Spatial separation has a positive effect on gas quality (less tars), performance, excess vapor (which is lower) and carbon turnover.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 umfasst der Pyrolyseabschnitt eine Vergasungskammer, in die die Zuführeinrichtung mündet. Dies hat den Vorteil, dass man Brennstoff, die Schwerkraft ausnutzend, auf die Oberfläche der Pyrolyse-Wirbelschicht fallen lassen kann, so dass man keine mechanische Zuführeinrichtung benötigt. Die Rückbrandgefahr, die dadurch gegeben ist, kann durch eine einfache Spülgas-Vorrichtung beseitigt werden.According to an advantageous embodiment of claim 3, the pyrolysis section comprises a gasification chamber into which the feed device opens. This has the advantage that one can use fuel, taking advantage of gravity, dropped on the surface of the pyrolysis fluidized bed, so you do not need a mechanical feeder. The risk of burnback that may be caused by this can be eliminated by a simple purge gas device.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 umfasst der Strömungskanal einen Hauptströmungskanal, in dem die zweite Wirbelschicht in der Strömungsrichtung durch ein Fallrohr von einem Zyklon zu der Vergasungskammer befördert wird, wobei der Zyklon oberhalb der Vergasungskammer angeordnet ist. Da der „Zyklus der Umwandlung” in der Vergasungskammer beginnt, ist hierdurch entlang des (geschlossenen) Strömungskanales die folgende Anordnung von Komponenten des Wirbelschichtreaktors definiert: Vergasungskammer → Zyklon → Fallrohr → Vergasungskammer. Damit ein geschlossener Strömungskanal vorhanden sein kann, folgt aus dieser Anordnung, dass sich die zweite Wirbelschicht in dem Reformierungsabschnitt nach oben, zum Zyklon hin bewegt. Bei der Aufwärtsbewegung nimmt die zweite Wirbelschicht Wärme aus der umgebenden Wirbelschicht auf, die zur Reformierung der darin enthaltenen, bereits teilweise umgesetzten Stoffe erforderlich ist. Der Zyklon, ein Fliehkraftabscheider, dient der Trennung zwischen Feststoffpartikeln der zweiten Wirbelschicht, die durch das Fallrohr nach unten befördert werden, und dem Produktgas, das zur weiteren Verwendung aus dem Wirbelschichtreaktor abgeleitet wird. Das heißt, das Produktgas tritt zusammen mit Feststoffen (Asche, Koks, Bettmaterial) in tangentiale Einlässe des Zyklons ein, der die Feststoffe in das Fallrohr und das Produktgas über einen geeigneten Auslass zur weiteren Verwendung nach außen leitet. Die Pyrolysereste werden solange in dem Kreisprozess geführt (siehe oben) und dadurch vergast oder gemahlen, bis sie kleiner als das Grenzkorn des Zyklons sind. Eine Blockierung der Prozesse durch zu große Vergasungsstoff-Stücke ist somit weitgehend ausgeschlossen.According to an advantageous embodiment of claim 4, the flow channel comprises a main flow channel in which the second fluidized bed is conveyed in the flow direction through a downcomer from a cyclone to the gasification chamber, the cyclone being located above the gasification chamber. Since the "cycle of transformation" begins in the gasification chamber, the following arrangement of components of the fluidized bed reactor is thereby defined along the (closed) flow channel: gasification chamber → cyclone → downpipe → gasification chamber. For a closed flow channel to be present, it follows from this arrangement that the second fluidized bed moves upwards in the reforming section to the cyclone. During the upward movement, the second fluidized bed absorbs heat from the surrounding fluidized bed, which is required for reforming the already partially reacted substances contained therein. The cyclone, a centrifugal separator, serves to separate solid particles of the second fluidized bed, which are conveyed down through the downcomer, and the product gas, which is discharged from the fluidized bed reactor for further use. That is, the product gas will come in contact with solids (ash, coke, Bed material) into tangential inlets of the cyclone which directs the solids into the downcomer and the product gas via a suitable outlet to the outside for further use. The pyrolysis residues are kept in the cyclic process (see above) and gasified or ground until they are smaller than the marginal grain of the cyclone. Blocking of the processes by too large Vergasungsstoff pieces is thus largely excluded.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist die Vergasungskammer als Strömungsverteiler ausgebildet ist und der Strömungskanal umfasst n Nebenströmungskanale, in denen die zweite Wirbelschicht durch n Steigrohre von der Vergasungskammer zu dem Zyklon befördert wird, wobei n > 1 ist. Der die zweite Wirbelschicht von der Vergasungskammer zu dem über dieser angeordneten Zyklon führende Abschnitt des Strömungskanales ist somit eine durch strömungstechnische Parallelschaltung von n Steigrohren gebildete Anordnung, wobei durch die n Steigrohre n Nebenströmungskanale verwirklicht sind. Jedes der n Steigrohre führt durch die erste Wirbelschicht und nimmt von dieser die zur Reformierung des in ihm strömenden Teils der zweiten Wirbelschicht erforderliche Wärme auf. Auf diese Weise wird die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Trennfläche (Rohrwandung) zwischen der ersten und zweiten Wirbelschicht vergrößert und somit der Wirkungsgrad erhöht.According to an advantageous embodiment of claim 5, the gasification chamber is formed as a flow distributor and the flow channel comprises n Nebenströmungskanale in which the second fluidized bed is transported by n risers from the gasification chamber to the cyclone, where n> 1. The section of the flow channel leading from the gasification chamber to the cyclone arranged above the second fluidized bed is thus an arrangement formed by the fluidic connection of n riser pipes, n flow channels being realized by the n riser pipes. Each of the n riser pipes passes through the first fluidized bed and receives from it the heat required to reform the part of the second fluidized bed flowing in it. In this way, the heat transfer available separation surface (pipe wall) between the first and second fluidized bed is increased and thus increases the efficiency.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist wenigstens ein mit der Vergasungskammer verbundener Endabschnitt von jedem der Steigrohre innerhalb der Brennkammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Teil der zweiten Wirbelschicht, der aus der Vergasungskammer in die n Steigrohre strömt, durch Ausnutzen der in der Brennkammer herrschenden hohen Temperaturen vorgewärmt wird, bevor er in den Reformierungsabschnitt gelangt, so dass der Umsetzungswirkungsgrad erhöht ist.According to an advantageous embodiment according to claim 6, at least one connected to the gasification chamber end portion of each of the riser pipes is disposed within the combustion chamber. This has the advantage that the part of the second fluidized bed, which flows from the gasification chamber into the n riser pipes, is preheated by utilizing the high temperatures prevailing in the combustion chamber before it enters the reforming section, so that the conversion efficiency is increased.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 (a) enthalten die Endabschnitt der Steigrohre jeweils einen Siphon-Abschnitt, (b) ist die Vergasungskammer mit einer ersten Fluidisierungseinrichtung und jedes Steigrohr im Bereich seines Siphon-Abschnitts mit einer zweiten Fluidisierungseinrichtung verbunden ist, und (c) ist der Zyklon mit einer Produktgasleitung zur Ableitung des Produktgases verbunden ist. Vorteilhafterweise führt somit wenigstens der jeweilige, mit der Vergasungskammer verbundene Endabschnitt jedes Steigrohrs durch die Brennkammer und geht dann in den Siphon-Abschnitt über, der wiederum in den nach oben führenden Abschnitts des Steigrohrs, der unten als „vertikaler Rohrabschnitt” bezeichnet ist, übergeht. Der Siphon-Abschnitt kann teilweise oder vollständig außerhalb der Brennkammer angeordnet sein. Die zweite Fluidisierungseinrichtung, deren Zweck es ist, die zweite Wirbelschicht in eine zirkulierende Bewegung entlang des Strömungskanales des Reformer-Reaktors zu versetzen, arbeitet diesem Zweck je nach Art der Einkopplung des zweiten Fluidisierungsmittels in das Steigrohr sowie dessen konstruktiver Auslegung insofern entgegen als das Fluidisierungsmittel auch eine die zweite Wirbelschicht in die Vergasungskammer zurück treibende Kraft auf diese ausübt. Die Ausbildung des Siphon-Abschnitts, dessen Funktion mit einem Rückschlagventil verglichen werden kann, trägt dazu bei, diesen zuwiderlaufenden Effekt zu minimieren oder idealerweise sogar zu verhindern. Vorteilhafterweise ragt zumindest ein unterstes Ende des Siphon-Abschnitts (im mathematischen Sinne der Bereich um das Minimum des U-förmigen Siphon-Abschnitts) nach unten aus dem Boden der Brennkammer heraus, so dass der Siphon-Abschnitt in diesem Bereich einfach mit der zweiten Fluidisierungseinrichtung verbunden werden kann.According to an advantageous embodiment according to claim 7 (a), the end sections of the risers each contain a siphon section, (b) the gasification chamber is connected to a first fluidization device and each riser is connected to a second fluidization device in the region of its siphon section, and (c ), the cyclone is connected to a product gas line for discharging the product gas. Advantageously, therefore, at least the respective end portion of each riser connected to the gasification chamber passes through the combustion chamber and then merges into the siphon portion, which in turn merges into the upwardly leading portion of the riser, referred to below as the "vertical pipe section". The siphon section can be arranged partially or completely outside the combustion chamber. The second fluidization device, whose purpose is to put the second fluidized bed in a circulating movement along the flow channel of the reformer reactor, works this purpose depending on the type of coupling of the second fluidizing in the riser and its constructive interpretation so far as the fluidizing agent also a force driving the second fluidized bed back into the gasification chamber is applied thereto. The design of the siphon section, whose function can be compared with a check valve, helps to minimize or even ideally prevent this counteracting effect. Advantageously, at least one lowermost end of the siphon section (in the mathematical sense the area around the minimum of the U-shaped siphon section) protrudes downwards out of the bottom of the combustion chamber so that the siphon section in this area projects easily with the second fluidization device can be connected.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 ist die Längsachse des Fallrohrs eine vertikal ausgerichtete n-zählige Symmetrieachse, um die die n Steigrohre symmetrisch angeordnet sind, und die Mündungsstellen der Steigrohre sind in Abständen von 360°/n auf einem Kreis angeordnet, dessen Mittelpunkt auf der n-zähligen Symmetrieachse liegt. Es ist zu beachten, dass sich die Zähligkeit der Symmetrieachse natürlich nur auf die Anordnung der Steigrohre bezieht, nicht auf eine etwaige Querschnittsfläche des Fallrohres selbst, welche grundsätzlich beliebig, vorzugsweise kreisförmig sein kann. Durch die n-zählige Symmetrie der Steigrohranordnung wird eine gleichmäßige Durchdringung der Brennkammer durch den Reformer-Reaktor erreicht, so dass der Wärmetransport aus der Brennkammer in die einzelnen Steigrohre nicht zu einer zu starken lokalen Abkühlung der Brennkammer bzw. der ersten Wirbelschicht führt. Darüber hinaus ist auch für die weitere Prozessführung – insbesondere im Hinblick auf die Strömung der zweiten Wirbelschicht (Förderung der zweiten Wirbelschicht aus der Vergasungskammer in die Steigrohre, Einströmen der zweiten Wirbelschicht in den Zyklon, etc.) – eine symmetrische Anordnung der Steigrohre einer asymmetrischen vorzuziehen.According to an advantageous embodiment according to claim 8, the longitudinal axis of the drop tube is a vertically oriented n-fold symmetry axis about which the n risers are arranged symmetrically, and the mouth points of the risers are arranged at intervals of 360 ° / n on a circle whose center on the n-fold symmetry axis lies. It should be noted that the count of the axis of symmetry, of course, refers only to the arrangement of the riser pipes, not to any cross-sectional area of the downer itself, which may be basically arbitrary, preferably circular. Due to the n-fold symmetry of the riser arrangement, a uniform penetration of the combustion chamber through the reformer reactor is achieved, so that the heat transport from the combustion chamber into the individual riser pipes does not lead to excessive local cooling of the combustion chamber or of the first fluidized bed. In addition, a symmetrical arrangement of the riser tubes is also preferable for the further process control - in particular with regard to the flow of the second fluidized bed (conveying the second fluidized bed from the gasification chamber into the riser tubes, inflow of the second fluidized bed into the cyclone, etc.) ,
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 (a) ist die Vergasungskammer in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet, dessen Symmetrieachse mit der n-zähligen Symmetrieachse zusammenfällt, (b) umfasst der Wirbelschichtreaktor ein Sackrohr, dessen Symmetrieachse mit der n-zähligen Symmetrieachse zusammenfällt und das mit seinem offenen Ende von unten in die Vergasungskammer hineinragt, so dass in der Vergasungskammer ein Ringraum um das Sackrohr gebildet ist, und (c) befindet sich im Betrieb des Wirbelschichtreaktors das offene Ende unterhalb der Oberfläche der ersten Wirbelschicht. Aus (a) und (b) folgt die symmetrische Anordnung von Hauptkomponenten des Wirbelschichtreaktors, nämlich der Vergasungskammer, des Sackrohrs und der n Steigrohre zueinander oder besser „ineinander”. Aus (c) ergeben sich wenigstens zwei vorteilhafte Alternativen der relativen räumlichen Anordnung der ersten und zweiten Wirbelschicht: Die einzelnen Siphon-Abschnitte befinden sich vollständig innerhalb oder wenigstens teilweise außerhalb der ersten Wirbelschicht. Im ersten Fall werden das Sackrohr und die Siphon-Abschnitte im Betrieb des Wirbelschichtreaktors vorteilhafterweise von der ersten Wirbelschicht umströmt, so dass ein optimaler Wärmetransport von der ersten zu der zweiten Wirbelschicht gewährleistet ist. In diesem Fall besteht zwischen einem Boden der Brennkammer und den jeweiligen unteren Enden des Sackrohrs und der Siphon-Abschnitte vorzugsweise ein vorbestimmter Abstand, und der Boden der Brennkammer weist – vorzugsweise gleichmäßig verteilte – Einströmöffnungen für das Fluidisierungsmittel der ersten Fluidisierungseinrichtung zur Fluidisierung der ersten Wirbelschicht auf. Zuleitungen für das Fluidisierungsmittel der zweiten Fluidisierungseinrichtung zur Fluidisierung der zweiten Wirbelschicht durchdringen in diesem Fall die erste Wirbelschicht. Der zweite Fall hingegen, wenn sich also die einzelnen Siphon-Abschnitte wenigstens teilweise außerhalb der Brennkammer befinden, bietet den Vorteil der leichteren Zugänglichkeit zu den Siphon-Abschnitten und dem Sackrohr, was jedoch durch eine im Vergleich zum ersten Fall geringere Aufwärmung der die Siphon-Abschnitte durchströmenden zweiten Wirbelschicht und größere Dichtungsprobleme erkauft wird. Der Boden der Brennkammer wird im ersten Fall von der zweiten Fluidisierungseinrichtung und im zweiten Fall von dem Strömungskanal (den Siphon-Abschnitten) durchdrungen, so dass die Durchdringungsstellen entsprechend dicht ausgelegt werden müssen. Es ist zu beachten, dass sich die unteren Enden der Siphon-Abschnitte nicht auf gleicher Höhe mit dem unteren Ende des Sackrohrs befinden müssen, woraus sich konstruktive und/oder verfahrenstechnische Vorteile ableiten lassen und Mischformen der oben beschriebenen ersten und zweiten Alternativen ergeben können.According to an advantageous embodiment of claim 9 (a), the gasification chamber is in the form of a right circular cylinder whose axis of symmetry coincides with the n-fold axis of symmetry, (b) the fluidized bed reactor comprises a blind tube whose axis of symmetry coincides with the n-fold symmetry axis and protrudes with its open end from below into the gasification chamber, so that in the gasification chamber, an annular space is formed around the sack tube, and (c) is located in the operation of the fluidized bed reactor, the open end below the Surface of the first fluidized bed. From (a) and (b) follows the symmetrical arrangement of main components of the fluidized bed reactor, namely the gasification chamber, the blind tube and the n riser tubes to each other or better "into each other". From (c) at least two advantageous alternatives of the relative spatial arrangement of the first and second fluidized bed result: The individual siphon sections are located completely within or at least partially outside the first fluidized bed. In the first case, the sack tube and the siphon sections are advantageously bypassed during operation of the fluidized bed reactor by the first fluidized bed, so that an optimal heat transfer is ensured by the first to the second fluidized bed. In this case, there is preferably a predetermined distance between a bottom of the combustion chamber and the respective lower ends of the sack tube and the siphon sections, and the bottom of the combustion chamber has - preferably uniformly distributed - inlet openings for the fluidizing means of the first fluidization device for fluidizing the first fluidized bed , Supply lines for the fluidizing means of the second fluidizing device for fluidizing the second fluidized bed in this case penetrate the first fluidized bed. The second case, however, when the individual siphon sections are at least partially outside the combustion chamber, offers the advantage of easier accessibility to the siphon sections and the sack tube, but this is due to a lower warming of the siphon sections than in the first case. Sections flowing through the second fluidized bed and larger sealing problems is purchased. The bottom of the combustion chamber is penetrated in the first case by the second fluidization device and in the second case by the flow channel (the siphon sections), so that the penetration points have to be correspondingly dense. It should be noted that the lower ends of the siphon sections need not be level with the lower end of the sack tube, which may result in structural and / or procedural advantages, and may result in hybridizing the first and second alternatives described above.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 umfasst der Wirbelschichtreaktor eine Wärmerohranordnung mit wenigstens einem Wärmerohr, dessen Wärme abgebender Endabschnitt sich in die zweite Wirbelschicht erstreckt. Die effektive Übertragung von Wärme mit Hilfe von Wärmerohren (Heatpipes), hier von einer ersten Wirbelschicht einer Brennkammer in eine zweite Wirbelschicht einer Vergasungskammer, ist wohl bekannt, insbesondere zum Beispiel aus der
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 11 ist die Längsachse des wenigstens einen Wärmerohrs parallel zu der n-zähligen Symmetrieachse, und das wenigstens eine Wärmerohr durchdringt die Vergasungskammer zwischen dem Sackrohr und den n Siphons. Vorteilhafterweise sind die Querschnittsflächen – idealerweise Kreisflächen – der Eintrittsstellen der Siphon-Abschnitte in die Vergasungskammer äquidistant auf einem ersten Kreis mir einem Radius r1 und das wenigstens eine Wärmerohr auf einem zu dem ersten Kreis konzentrischen zweiten Kreis mit einem Radius r2 angeordnet, wobei r2 < r1 gilt, und die Längsachse des Sackrohrs führt durch die Mittelpunkte der zwei Kreise. Es ist jedoch jede andere – jedoch, wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise symmetrische – Anordnung dieser Komponenten möglich, solange durch die Wärmerohre Wärme aus der ersten Wirbelschicht in die zweite Wirbelschicht transportiert wird und die Funktionen des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors mit ausreichendem Wirkungsgrad gewährleistet sind.According to an advantageous embodiment according to claim 11, the longitudinal axis of the at least one heat pipe is parallel to the n-fold axis of symmetry, and the at least one heat pipe penetrates the gasification chamber between the blind tube and the n siphons. Advantageously, the cross-sectional areas - ideally circular areas - the entry points of the siphon sections in the gasification chamber equidistant on a first circle with a radius r 1 and the at least one heat pipe on a concentric to the first circle second circle with a radius r 2 , wherein r 2 <r 1 , and the longitudinal axis of the blind tube passes through the centers of the two circles. However, it is any other - but, as already mentioned above, preferably symmetrical - arrangement of these components possible as long as the heat pipes from the first fluidized bed in the second fluidized bed is transported and the functions of the fluidized bed reactor according to the invention are ensured with sufficient efficiency.
Es ist zu beachten, dass in allen Fällen, in denen oben eine dichotome Beschreibung gegeben ist, z. B. wenn die Vergasungskammer entweder innerhalb oder außerhalb der Brennkammer liegt, die dadurch definierten Fälle nur als Grenzfälle zu verstehen sind, die Zwischenlösungen nicht grundsätzlich ausschließen – letztere sogar vorteilhaft sein können – solange die Gesamtfunktion des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors gewährleistet bleibt.It should be noted that in all cases where a dichotomous description is given above, e.g. B. if the gasification chamber is either inside or outside the combustion chamber, the cases defined thereby are to be understood as limiting cases that do not exclude intermediate solutions in principle - the latter may even be advantageous - as long as the overall function of the fluidized bed reactor according to the invention is ensured.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Vergasung mit Hilfe des Wirbelschichtreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 die Schritte: Erzeugung von Pyrolysegas durch pyrolytische Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe in dem Pyrolyseabschnitt des Strömungwegs; Erzeugen einer zirkulierenden Strömung der zweiten Wirbelschicht, die das Pyrolysegas und bei der pyrolytischen Umsetzung entstandene Feststoffe enthält, entlang des Strömungwegs; Erzeugen des Produktgases in dem Reformierungsabschnitt durch Aufnahme von Wärme aus der ersten Wirbelschicht; Trennen des Produktgases und der Feststoffe in dem Zyklon; und Rückführen der Feststoffe in den Pyrolyseabschnitt und Ableiten des Produktgases aus dem Wirbelschichtreaktor. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der obigen Beschreibung des dieses ausführenden erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors.According to the present invention, a process for producing product gas from carbonaceous feedstocks by allothermic gasification by means of the fluidized bed reactor of any one of claims 1 to 12 comprises the steps of: generating pyrolysis gas by pyrolytic reaction of the carbonaceous feedstocks in the pyrolysis section of the flowpath; Generating a circulating flow of the second fluidized bed containing the pyrolysis gas and solids resulting from the pyrolytic reaction along the flow path; Generating the product gas in the reforming section by absorbing heat from the first fluidized bed; Separating the product gas and the solids in the cyclone; and returning the solids to the pyrolysis section and removing the product gas from the fluidized bed reactor. The advantages of the method according to the invention will become apparent from the above description of the fluidized bed reactor of this embodiment according to the invention.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description made with reference to the accompanying drawings. In the drawings are:
(Erste Ausführungsform)First Embodiment
Die Brennkammer
Der Reformer-Reaktor
Im Betrieb des Wirbelschichtreaktors
(Zweite Ausführungsform)Second Embodiment
Der wesentliche Unterscheid der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform ist die Anordnung des gesamten Reformer-Reaktors
Wie es in
Wie es in
(Dritte Ausführungsform)Third Embodiment
(Vierte Ausführungsform)Fourth Embodiment
Im Vergleich zur dritten Ausführungsform erstreckt sich bei dem in
(Fünfte Ausführungsform) Fifth Embodiment
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Lage der Vergasungskammer (innerhalb oder außerhalb der ersten Wirbelschicht), die Rückführung der zweiten Wirbelschicht (in Steigrohren oder auf andere Weise), die Anordnung der Steigrohre (gleichmäßig oder ungleichmäßig), die Temperaturen der einzelnen Wirbelschichten, das verwendete Fluidisierungsmittel etc. an die in dem Wirbelschichtreaktor durchzuführenden chemischen Reaktion und/oder die technologischen Randbedingungen angepasst werden können und nicht auf die oben beschriebenen begrenzt sind, solange der in den Ansprüchen definierte Schutzbereich nicht überschritten wird.Although the present invention has been disclosed in terms of the preferred embodiments in order to facilitate a better understanding thereof, it should be understood that the invention can be embodied in various ways without departing from the scope of the invention. Therefore, the invention should be understood to include all possible embodiments and embodiments to the illustrated embodiments which can be practiced without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims. This means in particular that the position of the gasification chamber (inside or outside the first fluidized bed), the return of the second fluidized bed (in risers or otherwise), the arrangement of the riser pipes (uniform or irregular), the temperatures of the individual fluidized beds used Fluidizing agents, etc. can be adapted to the chemical reaction to be performed in the fluidized bed reactor and / or the technological boundary conditions and are not limited to those described above, as long as the scope defined in the claims is not exceeded.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 100100
- Brennkammercombustion chamber
- 102102
-
Behälter von
100 Container of100 - 104104
- erste Wirbelschichtfirst fluidized bed
- 106106
-
Boden von
102 Ground of102 - 200200
- Reformer-ReaktorReforming reactor
- 202202
- Pyrolyseabschnittpyrolysis section
- 204204
- Reformierungsabschnittreforming section
- 206206
- Vergasungskammergasification chamber
- 208208
- zweite Wirbelschichtsecond fluidized bed
- 210210
- Steigrohrerisers
- 212212
- Zykloncyclone
- 214214
- Fallrohrdownspout
- 216216
- nach unten führender Abschnittdown leading section
- 218218
- nach oben führender Abschnittleading section
- 220220
- Einströmöffnungeninflow
- 222222
- vertikaler Rohrabschnittvertical pipe section
- 224224
- horizontaler Rohrabschnitthorizontal pipe section
- 226226
- Feststoff-AuslassSolids outlet
- 228228
- Produktgas-AuslassProduct gas outlet
- 230230
-
Abdeckung von
102 Cover of102 - 232232
- inneres Rohrinner tube
- 234234
- äußeres Rohrouter tube
- 236236
- innerer ringförmiger Spaltinner annular gap
- 238238
- äußerer ringförmiger Spaltouter annular gap
- 240240
- zylindrische Außenwandcylindrical outer wall
- 242242
-
Boden von
200 Ground of200 - 244244
- ringförmiger Spaltannular gap
- 246246
- Vergasungsstoff-EinspeisungsöffnungGasification material feed opening
- 248248
- Wärmerohreheat pipes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 00/77128 A1 [0002] WO 00/77128 A1 [0002]
- DE 102006016005 A1 [0017] DE 102006016005 A1 [0017]
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DE201010028816 Ceased DE102010028816A1 (en) | 2010-05-10 | 2010-05-10 | Fluidized bed reactor useful for producing product gas from carbon-containing input materials via allothermal gasification comprises combustion chamber with first fluidized bed, reformer reactor with second fluidized bed and feeding device |
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