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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einleiten von nachwachsenden Brennstoffen in den Bereich der Strahlungskesselwand von Vergasungsreaktoren, die aus einem Reaktionsraum mit in dem Reaktionsraum angeordneten Brennern und einem Abkühlraum bestehen, und der Abkühlraum mit einer Strahlungskesselwand zum Abkühlen und Verfestigen der flüssigen Schlacke ausgestattet ist, wobei erfindungsgemäß der Teil des Abkühlraumes, in dem die Strahlungskesselwand angeordnet ist, mit Brennern ausgerüstet wird, die durch die Strahlungskesselwand hindurch in den Abkühlraum hineinführen, durch die ein nachwachsender Brennstoff tangential zum Mantelgefäß des Abkühlraumes in den Abkühlraum einleitbar ist. Auf diese Weise kann die Wärmeenthalpie des heißen Synthesegases auch in dem Abkühlraum zur Nachvergasung von nachwachsendem Brennstoff besser genutzt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einleitung von nachwachsendem Brennstoff durch die Strahlungskesselwand tangential zur Reaktorwand in den Abkühlraum eines Kohlevergasungsreaktors und die Verwendung des durch das Verfahren hergestellten Synthesegases.
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Kohlevergasungsreaktoren bestehen in den meisten Ausführungsformen aus einem Reaktionsraum, in dem die eigentliche Kohlevergasungsreaktion durchgeführt wird, einem Abkühlraum, in dem das Synthesegas durch Vermischen mit einem kühleren Fremdmedium heruntergekühlt wird, und einem Schlackesammelgefäß, welches mit Wasser gefüllt ist und in das die abgekühlte Schlacke hineingeführt wird. Der Reaktionsraum enthält Brenner, mit dem ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff im Gemisch mit einem sauerstoffhaltigen Gas eingeleitet wird, so dass in einer Flugstromvergasungsreaktion Synthesegas entsteht.
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In den meisten Ausführungsformen ist der Abkühlraum vertikal auswärtsführend direkt unterhalb des Reaktionsraumes angeordnet, so dass das Synthesegas, welches verflüssigte Schlacke und Asche enthält, zunächst mit der Asche und der Schlacke in den Abkühlraum gelangt. Dort wird das heiße Synthesegas mit einem kühleren Fremdmedium vermischt, so dass sich dieses abkühlt und der größte Teil der Asche und der Schlacke abgeschieden wird. Die gesamte Vorrichtung ist in einem druckdichten Mantelgefäß aufgehängt, um die hohen Drücke und Temperaturen zu ermöglichen, in denen die Reaktion ausgeführt wird.
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Die abgeschiedene Schlacke und die Asche werden von dem Abkühlraum in das Schlackesammelgefäß überführt, welche sich unterhalb des Abkühlraumes befindet. Dieses enthält in den meisten Ausführungsformen zum Auffangen der Schlacke Wasser. Dort wird es über eine Druckschleuse aus dem Reaktionsgefäß entsorgt. Das Synthesegas wird über einen seitlichen Ausführungsstutzen einer Weiterbehandlung und Verwendung zugeführt. Die eigentliche Kohlevergasungsreaktion findet typischerweise bei Temperaturen von mehr als 1400 bis 1500°C und bei Drücken von 0,5 bis 8 MPa statt. Nach dem Austritt aus dem Reaktionsraum besitzt das Synthesegas eine Temperatur von mehr als 1400–1500°C, nach Verlassen des Abkühlungsraums etwa 900°C, und nach dem Vermischen mit dem kühleren Fremdmedium noch eine Temperatur von 200 bis 300°C. Bei dieser Temperatur wird das Synthesegas aus dem Mantelgefäß mit dem Reaktor ausgeführt.
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Die
DE 10 2008 012 734 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Gewinnung von Synthesegas durch eine Kohlevergasungsreaktion, wobei das erzeugte Synthesegas in einem ersten, oben im Reaktor angeordneten Reaktionsraum erzeugt wird, in dessen oberen Bereich die Einsatzstoffe zugeführt werden, und an dessen Seitenwänden flüssige Schlacke niedergeschlagen wird, die frei ablaufen kann, ohne dass die Oberfläche dieser Schlacke dabei erstarrt, und an dessen Unterseite sich eine Öffnung mit einer Abtropfkante befindet, aus der sowohl das gewonnene Synthesegas nach unten abgezogen wird als auch die flüssig herablaufende Schlacke abtropfen kann, und sich unten an die Öffnung ein zweiter Raum anschließt, der als Abkühlraum geartet ist, und der zweite Raum durch einen Wasserfilm begrenzt wird, wobei sich unten an den zweiten Raum ein dritter Raum anschließt, in dem durch Zufuhr von Wasser in das Synthesegas eine Abkühlung vorgenommen wird, und sich unten an den dritten Raum ein Wasserbad anschließt, welches als Schlackesammelgefäß geartet ist, und unten oder seitlich des dritten Raums, jedoch oberhalb des Wasserbades das erzeugte und abgekühlte Synthesegas aus dem Druckbehälter abgezogen wird. Der zweite Raum unterhalb des Reaktionsraumes ist als Abkühlraum geartet und enthält einen seitlich begrenzenden Wasserfilm zur Vermeidung von Ablagerungen.
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Da man bestrebt ist, für die Weiterverwendung ein möglichst schlacke- und aschefreies Synthesegas zu erhalten, gibt es für Kohlevergasungsreaktoren Ausführungsformen, in denen der Abkühlraum mit einer sogenannten Strahlungskesselwand ausgerüstet ist. Diese wirken als Abkühlplatten und sind an den seitlichen Wänden des Vergasungsreaktors angeordnet. Durch diese Vorgehensweise wird zugleich das Reaktionsgefäß geschützt. Das aus dem Reaktionsraum ausströmende Synthesegas wird hierzu mit einem Drall versehen, so dass dieses mit einem Drall in den Abkühlraum strömt und dadurch mit den kühleren Strahlungskesselwänden in Berührung kommt. Dabei verfestigt sich die Schlacke und fällt durch Schwerkrafteinwirkung oder durch den Fluß des Gasstroms in das Schlackesammelgefäß.
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Die
DE 10 2005 041 930 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vergasung von festen Brennstoffen im Flugstrom mit festen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel durch partielle Oxidation, wobei ein Brennstaub einem pneumatischen Dosiersystem zugeführt wird, und der Brennstaub über einen Bunker in mindestens eine Druckschleuse gelangt, und mit einem kondensatfreien Gas beaufschlagt einem Dosiergefäß zugeführt wird, in dessen Unterteil ein inertes Gas eingeleitet wird, so dass eine Wirbelschicht entsteht, die durch Förderrohre zu dem Brenner eines Reaktors gelangt, der über ein Förderrohr dem Reaktor gemeinsam mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel im Reaktionsraum mit Kühlschirm einer partiellen Oxidation unterzogen wird, wobei die Asche des Brennstoffes aufgeschmolzen und gemeinsam mit dem heißen Vergasungsgas über die Ablaufvorrichtung in den Quenchraum des Quenchkühlers überführt wird, und das gequenchte dampfwassergesättigte Rohgas zur Reinigung von mitgerissenem Feinstaub einer Rohgaswäsche oder einer mechanischen Staubabscheidung unterzogen wird. In dem Quenchkühler sind ein oder mehrere Düsenringe angeordnet, über die das erforderliche Quenchwasser eingedüst wird, wobei die Düsen bündig an einem inneren Verschleißmantel enden, der aus Metall ringförmig am Reaktordruckmantel zum Schutz des Reaktordruckmantels angeordnet ist.
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Die
DE 10 2005 041 931 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vergasung von festen Brennstoffen im Flugstrom mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel durch partielle Oxidation, bestehend aus den Verfahrensschritten pneumatisches Dosieren für Brennstaub, Vergasungsreaktion in einem Reaktor mit gekühlter Reaktorraumkontur, Teilquenchung, Kühlung, Rohgaswäsche und Teilkondensation, wobei ein Brennstaub einem pneumatischen Dosiersystem zugeführt wird, und wobei der Brennstaub über einen Bunker in mindestens eine Druckschleuse gelangt, und mit einem kondensatfreien Gas beaufschlagt einem Dosiergefäß zugeführt wird, in dessen Unterteil ein inertes Gas eingeleitet wird, so dass eine Wirbelschicht entsteht, die durch Förderrohre zu dem Brenner eines Reaktors gelangt, und wobei der über ein Förderrohr dem Reaktor zugeführte Brennstaub gemeinsam mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel im Reaktionsraum mit Kühlschirm einer partiellen Oxidation unterzogen wird, und wobei die Asche des Brennstoffes aufgeschmolzen und gemeinsam mit dem heißen Verbrennungsgas über die Ablaufvorrichtung in den Quenchraum des Quenchkühlers überführt und einer Teilquenchung unterzogen wird, und das teilgequenchte Rohgas in einem Abhitzekessel abgekühlt, und danach einer Reinigung und Weiterverarbeitung unterzogen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung mündet der Raum des Quenchkühlers direkt in einen Abhitzekessel, in dem Rohre zur Dampferzeugung und in dessen unteren Teil eine Öffnung für das Rohgas und Schlackeabzug mit einem Wasserbad angeordnet sind. Auf diese Weise ist die Wärme des Abhitzekessels für die Erzeugung von Dampf nutzbar.
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Viele Ausführungsformen führen das Synthesegas in einen Abkühlraum, der mit einer Strahlungskesselwand ausgestattet ist, wobei die Strahlungskesselwand entweder aus einem inneren Verschleißmantel besteht, der aus Metall zum Schutz des Reaktordruckmantels gefertigt ist, oder aus Rohren besteht, durch die Wasser zur Dampferzeugung geleitet wird. Beide Ausführungsformen haben den Zweck, das heiße Synthesegas nicht direkt in den Abkühlraum oder gegen die Strahlungskesselwand des Mantelgefäßes zu leiten, sondern zu kühlen, damit sich die Schlacke verfestigen kann und aus dem Synthesegas abgeschieden wird.
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Mitunter ist es auch möglich, das heiße, schlackehaltige Synthesegas gegen hierfür vorgesehene Abkühlplatten, auch „Schotten” genannt, zu führen, wobei diese Abkühlplatten konzentrisch in Richtung der senkrecht verlaufenden geometrischen Mittelachse des Abkühlraumes und des gesamten Reaktors zulaufend verlaufen. Diese Abkühlplatten können auch aus Rohren bestehen. Diese verlaufen dann zur besseren Kühlung vorteilhaft parallel zur Gasströmungsrichtung.
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In einer typischen Ausführungsform der Erfindung wird das Synthesegas zweckmäßig bereits in dem Reaktor mit einem Drall versehen, so dass dieses nicht direkt vertikal in den Abkühlraum, sondern bereits mit einem leichten Drall gegen die Abkühlplatte im Abkühlraum geführt wird. Der Reaktor selbst besitzt einen trichterförmigen Auslass, der eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit bewirkt, und somit die Führung des heißen Synthesegases gegen die Abkühlplatten verstärkt. Die eigentliche Wand, die sich um die Abkühlplatten herum befindet, ist häufig mit Rohren versehen, die die Wand vor den hohen Temperaturen des Synthesegases schützen. In Gasflußrichtung hinter den Abkühlplatten oder Schotten befinden sich Einleitungsdüsen für das Fremdmedium.
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Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, dass die fühlbare Wärme des Synthesegases, das den Reaktor verlässt, ungenutzt bleibt. Die Temperatur des Synthesegases beim Verlassen des Reaktors beträgt mehr als 1500°C, und beträgt nach Herunterkühlung durch Zuführung eines kühlenden gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Fremdmediums 200 bis 300°C. Die Wärme des Synthesegases geht auf diese Weise ungenutzt verloren.
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Günstiger wäre es deshalb, die Wärme des Synthesegases, welches sich zwischen Reaktoraustritt und Strahlungskesselwand befindet, für einen chemischen Prozess zu nutzen, wobei zu berücksichtigen ist, dass für den Ablauf dieser chemischen Reaktion eine gewisse Verweilzeit in dem Abkühlraum benötigt wird. Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Enthalpie oder fühlbare Wärme des Synthesegases direkt nach dem Austritt des Reaktors für einen Folgeprozess nutzt, eine erhöhte Verweilzeit in dem Abkühlraum sicherstellt und dennoch eine Kühlung des Synthesegases durch eine Strahlungskesselwand in dem Abkühlraum und die Zuführung von Fremdmedien in Gasströmungsrichtung hinter der Strahlungskesselwand ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung, in welcher in dem Abkühlraum tangential angewinkelt zur Reaktorwand Brenner angeordnet sind, wodurch der eingedüste Brennstoff einen um die Mittelachse des Abkühlraumes gerichteten Drall erfährt, so dass die Verweilzeit des eingedüsten Stoffes in dem Abkühlraum erhöht wird, und dadurch mit der restlichen Wärmeenthalpie des Synthesegases chemische Reaktionen ermöglicht werden. Außerdem wird die Strahlungskesselwand durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit erheblich weniger Asche und Schlacke beaufschlagt, da nachwachsende Rohstoffe, welche dort bevorzugt eingedüst werden, in einem Vergasungsverfahren nur wenig Asche liefern. Schließlich wird die Strahlungskesselwand durch die Nacheinleitung von nachwachsendem Brennstoff einer wesentlich geringeren Wärmebelastung ausgesetzt.
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Die Brenner können den nachwachsenden Brennstoff abgewinkelt mit oder gegen die Gasströmungsrichtung eindüsen. Erfindungsgemäß muss jedoch eine tangentiale Richtung eingehalten werden, wobei sich die tangentiale Richtung auf einen tangentialen Winkel bezieht, der sich an einem waagrechten Querschnitt des Abkühlraumes gegenüber der Wand des Abkühlraumes bildet.
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Die Brenner müssen dabei durch die Wand des Mantelgefäßes des Abkühlraumes und die Strahlungskesselwand geführt werden. Dies erfordert in der Regel einen hohen konstruktiven Aufwand, da die Strahlungskesselwand häufig Rohre oder dickwandige Metallschirme enthält. Eine häufig angewandte Konstruktionsweise zur Durchführung dieser Brenneranordnung ist eine „Rohr-Steg-Rohr”-Konstruktion.
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Bevorzugt wird als zusätzlicher Brennstoff in den Abkühlraum ein nachwachsender Rohstoff tangential eingedüst. Nachwachsende Rohstoffe besitzen die Eigenschaft, mit dem Synthesegas zu reagieren, ohne bei der Reaktion eine wesentliche Temperatursteigerung zu bewirken. Durch die tangentiale Eindüsung des nachwachsenden Brennstoffes wird die Verweilzeit in dem Abkühlraum erhöht, so dass eine Reaktion des nachwachsenden Brennstoffes mit dem noch heißen Synthesegas ermöglicht wird. Häufig wird bei der Zugabe von nachwachsenden Rohstoffen die Temperatur des Synthesegases weiter gesenkt. Die nachwachsenden Brennstoffe reagieren mit den Bestandteilen des Synthesegases, wobei Wärme verbraucht wird. Bei der Reaktion wird zusätzliches Synthesegas produziert.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Wirtschaftlichkeit eines Kohlevergasungsprozesses erheblich verbessert werden. Da nachwachsende Rohstoffe in einem Vergasungsverfahren nur wenig Asche liefern, wird die Strahlungskesselwand durch das erfindungsgemäße Verfahren mit erheblich weniger Asche und Schlacke beaufschlagt. Schließlich wird die Strahlungskesselwand durch die Nacheinleitung von nachwachsendem Brennstoff einer wesentlich geringeren Wärmebelastung ausgesetzt.
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Beansprucht wird insbesondere eine Vorrichtung zum Einleiten von nachwachsenden Brennstoffen in den Bereich der Strahlungskesselwand von Kohlevergasungsreaktoren, umfassend
- • einen Reaktionsraum, der zur Vergasung von festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen durch Umsetzung mit einem sauerstoffhaltigen oder wasserdampf- und sauerstoffhaltigen Gas geeignet ist, und der mit Brennern ausgestattet ist,
- • einen zweiten Raum, der als Abkühlraum gestaltet ist, und der in Gasströmungsrichtung unterhalb des Reaktionsraumes angeordnet ist, wobei dieser Abkühlraum mit Zuführungseinrichtungen für gasförmige, dampfförmige und flüssige Kühlmedien ausgestattet ist, wobei
- • wenigstens ein Teil der gasströmungsgerichteten Ausdehnung des Abkühlraumes mit einer ringförmigen, an der inneren Wand des Abkühlraumes angeordneten Strahlungskesselwand ausgerüstet ist,
und welche dadurch gekennzeichnet ist, dass - • der ringförmige Teil des Abkühlraumes, in dem die Strahlungskesselwand angeordnet ist, mit Brennern ausgerüstet wird, die durch die Strahlungskesselwand hindurch in den Abkühlraum hineinführen, durch die ein nachwachsender Brennstoff in den Abkühlraum einleitbar ist, wobei
- • innerhalb des Abkühlraumes Rohre angeordnet sind, die in Gasströmungsrichtung von einem Kühlmedium durchströmbar sind, und die durch ihre parallele Anordnung in konzentrische Richtung auf die geometrische Mittelachse des Abkühlraumes angeordnet sind, und sich um die konzentrische Anordnung der Rohre eine weitere ringförmige Wand als Strahlungskesselwand befindet, und auf der Reaktionsraumseite der Strahlungskesselwand ringförmig um die geometrische Mittelachse des Reaktionsraumes Rohre verlaufen, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind, und
- • die Brenner in dem Abkühlraum tangential angewinkelt zur Reaktorwand angeordnet sind, und mindestens ein Brenner mediendicht durch die gasdichte Strahlungskesselwand geführt wird.
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Zur Ausführung der Erfindung ist es erforderlich, dass mindestens ein Brenner mediendicht durch die gasdichte Strahlungskesselwand geführt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung werden innerhalb des Abkühlraumes an der Innenwand des Abkühlraumes Rohre angeordnet, wobei die Rohre in Gasströmungsrichtung von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Die Brenner müssen dann entweder zwischen den Rohren durch das Mantelgefäß geführt werden oder aber durch die Rohre hindurch in den Abkühlraum. Die Konstruktion der Strahlungskesselwand kann bei der Herstellung von Vergasungsreaktoren mitunter beträchtlich variieren, so dass sich der konstruktive Aufwand der Brenneranordnung nach der Konstruktion der Strahlungskesselwand richtet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bedecken die Rohre über eine bestimmte Länge des Abkühlraumes den gesamten inneren Umfang des Abkühlraumes, wobei die Rohre in Gasströmungsrichtung von einem Kühlmedium durchströmbar sind. In diesem Fall müssen die Brenner in jedem Fall an einer bestimmten Stelle durch Rohre geführt werden. Dies kann durch Rohrmanschetten ausgeführt werden, wird jedoch in einer vorteilhaften Ausführungsform durch eine sogenannte „Rohr-Steg-Rohr”-Konstruktion ausgeführt. Eine typische Ausführungsform für eine „Rohr-Steg-Rohr”-Konstruktion zur Verminderung einer unerwünschten Unterbrechung des Wasserflusses durch Rohre bei einer Brennermontage lehrt die
EP 0 840 053 B1 .
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befindet sich zwischen der Wand des Abkühlraumes und den Rohren eine ringförmige Wand als Strahlungskesselwand. Dadurch wird die mechanische Belastung des Mantelgefäßes bei der Abkühlung des schlackehaltigen Synthesegases gering gehalten. Die Rohre, welche durch ihre parallele Anordnung in konzentrische Richtung auf die geometrische Mittelachse des Abkühlraumes angeordnet sind, sind bevorzugt im Verbund mit den Rohren angeordnet, die die Rohre über eine bestimmte Länge des Abkühlraumes den gesamten inneren Umfang des Abkühlraumes umgeben, wobei sämtliche Rohre in Gasströmungsrichtung von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Die auf die geometrische Mittelachse des Abkühlraumes zulaufende Rohranordnung bewirkt eine verbesserte Kühlung des Synthesegases und verlängert die Verweilzeit im Abkühlraum zusätzlich. Die konzentrische Anordnung dieser Rohre wird auch als „Schotten” bezeichnet. In einer einfachen Ausführungsform können diese „Schotten” auch als Platten ausgeführt sein. Diese Anordnung ragt typischerweise nicht bis zur Mitte der Längsachse des Abkühlraumes, sondern nur etwa zu einem Drittel des Querschnittes in den Abkühlraum hinein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Strahlungskesselwand aus einer hitzebeständigen Platte. Die Strahlungskesselwand kann auch Rohre enthalten, die in der Strahlungskesselwand in beliebiger Anordnung enthalten sind. Die Strahlungskesselwand kann auch vollständig aus Rohren bestehen. Die Rohre dienen zur Führung eines indirekt kühlenden beliebigen Mediums. In diesem Fall müssen die Brenner zur Ausführung der Erfindung dicht gegen das kühlende Medium in den Rohren und durch die gasdichte Strahlungskesselwand geführt werden („Rohr-Steg-Rohr-Konstruktion”). Die Rohre können für die Ausführung der Erfindung auch in Richtung des Abkühlraumes mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein. Eine Ausführungsform aus dem Stand der Technik für eine Strahlungskesselwand, die Rohre enthält, gibt die
DE 38 09 313 A1 . Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung würde mindestens ein Brenner mediumdicht durch die ringförmig verlaufenden Rohrwände und die feuerfeste Auskleidung geführt.
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Zwischen der Strahlungskesselwand und der inneren Wand des Abkühlraumes kann auch ein Zwischenraum angeordnet sein, durch den Gas zirkulieren kann. Ein Beispiel für eine solche Strahlungskesselwand gibt die
DE 10 2008 012 734 A1 . Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung werden dann Brenner für den nachwachsenden Brennstoff durch diesen Zwischenraum und die innere Wand geführt. Die Strahlungskesselwand kann beispielhaft auch aus einem hohlzylindrisch ausgebildeten Konvektionskessel bestehen, der den Abkühlraum konzentrisch umgibt. Ein Beispiel für eine Ausführungsform mit einem Abkühlraum, der von einem hohlzylindrisch ausgeführten Konvektionskessel zur Abkühlung besteht, gibt die die
EP 0 616 022 B1 . Der Konvektionskessel kann auch mehrfach unterteilt sein, oder seinerseits mit Abkühlplatten ausgestattet sein. Es ist zur Ausführung der Erfindung auch denkbar, dass sich in Gasflussrichtung hinter dem Brenner für den nachwachsenden Rohstoff eine wasserfallartige Kühleinrichtung befindet, wie sie beispielhaft in der
DE 10 2008 012 734 A1 beansprucht ist.
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Die Brenner, die den nachwachsenden Rohstoff durch die Strahlungskesselwand hindurch in den Abkühlraum einleiten, können beliebig geartet sein. Diese können beispielhaft als Brennerlanzen geartet sein. Diese können aber auch als Düsen geartet sein. Die Brenner können auch tangential und konzentrisch angeordnet sein. Die Brenner können auch so angeordnet sein, dass sie sich in Gasströmungsrichtung vor dem Ausführungsstutzen des Reaktionsraumes befinden, so dass sie sich beim Betrieb im „Strömungsschatten” des Synthesegasstromes befinden. Auf diese Weise sind die Brenner besser vor Verschlackung geschützt. Zur Ausführung der Erfindung ist es lediglich erforderlich, dass mindestens ein Brenner mediendicht durch die gasdichte Strahlungskesselwand geführt wird, und nachwachsender Brennstoff in mindestens einen Teil des Abkühlraumes in Gasströmungsrichtung vor Einleitung des kühlenden gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Fremdmediums geführt wird oder führbar ist.
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Der Druckbehälter für den Reaktionsraum und den Abkühlraum können zum Bau der Vorrichtung als ein einziges Bauteil mit gleichem Durchmesser bereitgestellt werden. Der Reaktionsraum und der Abkühlraum können aber auch zwei aufeinandergestellte Druckbehälter mit unterschiedlichen Durchmessern sein, wobei der Durchmesser des Abkühlraum-Druckbehälters in diesem Fall größer ist als der Durchmesser des Reaktionsraum-Druckbehälters.
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Beansprucht wird auch ein Verfahren zur tangentialen Eindüsung von Brennstoffen in den Abkühlraum eines Vergasungsreaktors. Der Brennstoff kann im Abkühlungsraum in oder gegen die Gasströmungsrichtung eingedüst werden, wird jedoch in einer waagrechten Schnittebene des Abkühlungsraumes in einem tangentialen Winkel zur Reaktorwand eingedüst. Dadurch erhöht sich die Verweilzeit in dem Reaktionsraum beträchtlich.
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Zur Eindüsung wird typischerweise ein nachwachsender Brennstoff verwendet. Durch die Strahlungskesselwand hindurch wird über mindestens einen Brenner ein nachwachsender Brennstoff konzentrisch tangential in den Abkühlraum eingeleitet, so dass eine weitere Flugstromvergasung entsteht, durch die die Temperatur des ausströmenden Gases sinkt und die Enthalpiedifferenz zur Zusatzvergasung von nachwachsenden Rohstoffen genutzt wird („Chemical Quench”). Dieser Vorgang wird durch die tangentiale Eindüsung des Brennstoffes mit der Verlängerung der Verweilzeit ermöglicht oder zumindest begünstigt.
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Beansprucht wird auch ein Verfahren zum Einleiten von nachwachsenden Brennstoffen in den Bereich der Strahlungskesselwand von Kohlevergasungsreaktoren, wobei
- • der feingemahlene, kohlenstoffhaltige Brennstoff im Gemisch mit Sauerstoff oder einem sauerstoffangereicherten Gas, 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
- • das erhaltene Synthesegas unter einem Druck von 0,5 bis 8 MPa 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 Abkühlraum gestaltet ist und in dem das zugeführte Gas zur Kühlung mit einem kühleren gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Fremdmedium vermischt wird,
und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass - • zwischen dem Reaktionsraum und der Einleitungsstelle für das Fremdmedium durch die Strahlungskesselwand hindurch über mindestens einen Brenner ein nachwachsender Brennstoff konzentrisch in den Abkühlraum eingeleitet wird, so dass eine weitere Flugstromvergasung entsteht, durch die die Temperatur des ausströmenden Gases sinkt und die Enthalpiedifferenz zur Zusatzvergasung von nachwachsenden Rohstoffen genutzt wird, und
- • der nachwachsende Brennstoff in tangential angewinkelter Richtung zur Wand des Abkühlraumes in den Abkühlraum eingedüst wird, so dass der nachwachsende Brennstoff beim Eindüsen in den Rohgasstrom aus dem Reaktionsraum einen Drall erhält, und
- • die Brenner mediendicht durch die Strahlkesselwand geführt werden, so dass der nachwachsende Brennstoff im Bereich der Strahlungskesselwand in den Abkühlraum geführt wird, und die Strahlungskesselwand durch die Nacheinleitung von nachwachsendem Brennstoff einer wesentlich geringeren Wärmebelastung ausgesetzt wird.
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Als nachwachsender Brennstoff können alle biologischen Materialen verwendet werden, die sich zur Herstellung von Synthesegas mit einem sauerstoffhaltigen Gas als Reaktionsgas eignen. Dies können gehäckselte, zerkleinerte, feingemahlene Energiepflanzen, Holz in beliebiger Form, Stroh, Gräser, Getreidepflanzen, biologische Reststoffe, Meerespflanzen oder Viehdung sein. Die nachwachsenden Rohstoffe können vor der Vergasung einer Vorbehandlung unterzogen werden, wobei die Vorbehandlungsschritte beispielhaft eine Trocknung, eine Karbonisierung, eine Mahlung oder eine Kombination dieser Schritte umfassen. Der nachwachsende Brennstoff wird zur Vergasung dann im Gemisch mit einem dampf- oder sauerstoffhaltigen Gas, Wasserdampf, oder einem sauerstoffhaltigen Gas und Wasserdampf in den Abkühlraum eingeleitet. Als Brennstoff für die Brenner im Abkühlraum können die nachwachsenden Brennstoffe auch im Gemisch mit kohlenstoffhaltigen oder fossilen Brennstoffen verwendet werden.
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Die Zugabe von nachwachsenden Rohstoffen in eine Flugstromvergasung ist prinzipiell bekannt. Die
EP 1 027 407 B1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngas, Synthesegas und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen durch Verbrennen der Brennstoffe in einem Brenner mit gasförmigem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen. Die zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung noch nicht offengelegte
DE 10 2009 011 174 A1 beschreibt ein Verfahren zur Nutzung der Enthalpie eines Synthesegases durch Zusatzvergasung von nachwachsenden Brennstoffen innerhalb einer zweiten Brennerebene, die sich über einen Teilbereich der gesamten Höhe des Reaktionsraumes erstreckt.
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Die zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung noch nicht offengelegte
DE 10 2010 008 384 A1 beschreibt ein Verfahren, in dem durch zusätzliche Öffnungen in dem Abkühlraum, die innerhalb des Abkühlraumes angeordnet sind, ein biologischer Brennstoff konzentrisch in den Abkühlraum eingeleitet wird, so dass eine weitere Reaktion mit dem Synthesegas erfolgt, wodurch die Temperatur des Synthesegases weiter gesenkt wird. Diese Anmeldung leitet den Brennstoff direkt in den Abkühlraum ein und gibt keinerlei Hinweise auf eine aufwendige Konstruktion zur tangentialen Einleitung eines nachwachsenden Brennstoffes durch eine Strahlungskesselwand.
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Die Temperatur des Synthesegases beträgt beim Austritt aus dem Reaktionsraum typischerweise 1400 bis 1500°C, nach Einleitung des nachwachsenden Brennstoffes ca. 1.200 bis 1.300°C und nach Verlassen Abkühlungsraums ca. 900°C. Die Temperatur von ca. 900°C beim Verlassen des Abkühlraumes ist durch Messwerte belegt, die übrigen Werte sind Schätzwerte.
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Die Brenner können in dem Abkühlraum beliebig angeordnet sein. Der nachwachsende Brennstoff muss lediglich durch tangential angeordnete Brenner tangential in den zylindrischen Abkühlraum eingeleitet werden, so dass der Flugstrom in dem Abkühlraum einen Drall erhält, wodurch sich die Verweilzeit des Brennstoffes in dem Abkühlraum erhöht. Da die Brenner mediendicht durch die Strahlkesselwand geführt werden müssen, sind diese typischerweise mit Dichtungsmanschetten im Bereich der Strahlungskesselwand ausgestattet. Die Abdichtung kann jedoch beliebig erfolgen und die Art der Abdichtung beliebig ausgeführt sein.
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Die fühlbare Wärme des Synthesegases kann zur Erzeugung von Dampf genutzt werden. Dies kann auch ein Hochdruckdampf sein. Hierzu wird ein Fremdmedium genutzt, welches die Wärme aus dem Abkühlraum durch indirekte Kühlung in der Abkühlplatte oder in Rohren in der Strahlungskesselwand aufnimmt. Diese Wärme kann in einem nachgeschalteten Abhitzekessel zur Erzeugung von Dampf oder Hochdruckdampf genutzt werden. Die Strahlungskesselwand und die Schotten können zur Ausführung der Erfindung auch durch Klopfer oder Russbläser oder beides abgereinigt werden.
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Beansprucht wird auch die Verwendung des durch das genannte Verfahren hergestellten Synthesegases. Dies kann beispielhaft zur Erzeugung von Strom in einem Kraftwerk genutzt werden. Dieses kann weiterhin zur Erzeugung von Strom in einem Kraftwerk mit Abscheidung von Kohlendioxid aus dem Verbrennungsgas genutzt werden. Eine Beispiel hierzu ist die IGCC-Technologie (IGCC: „Integrated Gasification Combined Cycle”). Schließlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäß hergestellte Synthesegas zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe oder von synthetischem Erdgas zu nutzen. Auch eine beliebige Nutzung des erfindungsgemäß hergestellten Synthesegases zur Herstellung von Chemikalien („Polygeneration”) ist möglich.
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Die Erfindung besitzt den Vorteil, die Enthalpie eines heißen Synthesegases aus einer Kohlevergasung auch in einem Abkühlraum zu nutzen, der mit einer Strahlungskesselwand ausgestattet ist. Dadurch kann die Wirtschaftlichkeit eines Kohlevergasungsprozesses erheblich verbessert werden. Da nachwachsende Brennstoffe in einem Vergasungsverfahren nur wenig Asche liefern, wird die Strahlungskesselwand durch das erfindungsgemäße Verfahren mit erheblich weniger Asche und Schlacke beaufschlagt. Schließlich wird die Strahlungskesselwand durch die Nacheinleitung von nachwachsendem Brennstoff einer wesentlich geringeren Wärmebelastung ausgesetzt.
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Die Erfindung wird anhand von zwei Zeichnungen genauer erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. 1 zeigt einen Kohlevergasungsreaktor mit der erfindungsgemäßen Nachvergasung, in dem die Strahlungskesselwand aus einem wasser- oder kühlmedienführenden Rohr geartet ist, welches mit einer aufliegenden Abkühlplatte ausgestattet ist. 2 zeigt einen Kohlevergasungsreaktor mit der erfindungsgemäßen Nachvergasung, in dem die Strahlungskesselwand aus einer Abkühlplatte besteht, die mit zirkular um den Abkühlraum darüber angeordneten, kühlmedienführenden Rohren ausgestattet ist.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kohlevergasungsreaktor (1), der mit einem Reaktionsraum (2) zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem, fossilen Brennstoff ausgestattet ist, einem Abkühlraum (3) mit Strahlungskesselwänden (4), und einem Schlackesammelgefäß (5), welches als Wasserbad (5a) geartet ist. Der Reaktionsraum (2) ist mit Brennern (6) ausgestattet, über die der kohlenstoffhaltige, fossile Brennstoff (6a) im Gemisch mit einem sauerstoffhaltigen Brennstoff in den Reaktionsraum (2) eingeleitet wird, und ist über Aufhängevorrichtungen (2a) in einem druckdichten Mantelgefäß (7) aufgehängt. Bei der Vergasungsreaktion entsteht Synthesegas (8), welches bei der Verwendung von tangentialen Brennern einen Drall (8a) erhält. Am Boden des Reaktionsraumes (2) befindet sich ein Ausführungsstutzen (2b) für das ausströmende Synthesegas (8b), welches über diesen in den Abkühlraum (3) gelangt. Der Ausführungsstutzen (2b) ist mit einer kragenförmigen Öffnung ausgestattet. Das Mantelgefäß (7) ist in Höhe des Abkühlraumes (3) mit einer Strahlungskesselwand (4) ausgestattet, die aus einer ringförmig um die Innenwand (7) des Abkühlraumes (3) angeordneten hitzebeständigen Platte (4) besteht. Zwischen der Wand des Mantelgefässes (7) und der Strahlungskesselwand befinden sich Rohre (9), die ein indirekt kühlendes Kühlmedium führen und die in Gasströmungsrichtung parallel zur Wand des Mantelgefäßes (7) verlaufen. An der Innenseite der Strahlungskesselwand (4) befinden sich ebenfalls Rohre (10), die ein indirekt kühlendes Kühlmedium führen, wobei die Rohre (10) ringförmig um die Achse des Abkühlraumes (3) führen. Die kühlmedienführenden Rohre (10) an der Innenseite der Strahlungskesselwand (4) sind mit Zuführungsstutzen (10a) und Ausführungsstutzen (10b) ausgestattet. In der Strahlungskesselwand (4) sind erfindungsgemäß Brenner (11) für nachwachsenden Brennstoff (11a) angeordnet, die durch die Strahlungskesselwand (4) hindurchführen und über die ein nachwachsender Brennstoff (11a) in den Abkühlraum (3) eingeleitet und vergast wird. Dadurch setzt eine Nachvergasung ein und die Temperatur des Synthesegases sinkt. Auf der Strahlungskesselwand (4) setzt sich verfestigte Schlacke ab. Diese gelangt durch Schwerkrafteinwirkung in das darunter angeordnete Schlackesammelgefäß (5), welches mit Wasser (5a) gefüllt ist, oder wird vom Gasfluss mitgerissen. Das ausströmende Synthesegas (8b) gelangt dann in den Abkühlbereich in Gasflussrichtung hinter der Strahlungskesselwand (4), in dem Zuführungsdüsen (12) für ein kühlendes gasförmiges, dampfförmiges oder flüssiges Fremdmedium (12a) angeordnet sind. Das zugeführte Fremdmedium (12a) kühlt das Synthesegas im Abkühlraum (8c) weiter ab, bevor dieses (13) in seitlicher Richtung den Abkühlraum (3) über einen Ausführstutzen (14) verlässt. Die Schlacke (15) wird periodisch über Schleusen (16) und einen Ausführungsstutzen (17) aus dem Reaktor (1) ausgeführt. In 1 ist außerdem die Schnittebene A-A gezeigt, deren Querschnitt in 2 gezeigt wird.
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2 zeigt den Querschnitt eines Vergasungsreaktors, dessen Ebene in 1 mit A-A bezeichnet wurde. Zu sehen ist das Mantelgefäß des Abkühlraumes, das Innere des Reaktionsraumes (2), der Ausführungsstutzen für das Synthesegas (2b), die Strahlungskesselwand (4), die Rohre an der Innenwand des Mantelgefäßes (9) und die Rohre (10) zur Kühlung, die ringförmig an der Strahlungskesselwand (4) an der Seite des Abkühlungsraumes (3) angeordnet sind. Die Rohre (9) an der Innenwand des Mantelgefäßes (7) sind mit in Richtung der geometrischen Mittelachse des Abkühlraumes (3) konzentrisch zulaufenden Kuhlrohren (9a, „Schotten”) ausgestattet, um die Kühlung zu verbessern. Erfindungsgemäß sind die Brenner (11) in tangentialer Richtung zum Mantelgefäß (7) angeordnet, so dass das Synthesegas einen Drall (8c) erhält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kohlevergasungsreaktor
- 2
- Reaktionsraum
- 2a
- Aufhängevorrichtungen für Reaktionsraum
- 2b
- Ausführungsstutzen für Synthesegas
- 3
- Abkühlraum
- 4
- Strahlungskesselwand
- 4a
- Abkühlplatte
- 5
- Schlackesammelgefäß
- 5a
- Wasserbad
- 6
- Brenner für kohlenstoffhaltigen, fossilen Brennstoff
- 6a
- Kohlenstoffhaltiger, fossiler Brennstoff
- 7
- Druckdichtes Mantelgefäß
- 8
- Synthesegas
- 8a
- Synthesegas mit Drall
- 8b
- Ausströmendes Synthesegas
- 8c
- Synthesegas im Abkühlraum mit Drall
- 9
- Rohre für Kühlmedium an der Innenwand des Mantelgefäßes
- 9a
- Zuführungsstutzen für Kühlmedium
- 9b
- Ausführungsstutzen für Kühlmedium
- 10
- Kühlmedienführende Rohre
- 10a
- Zuführungsstutzen für Kühlmedium
- 10b
- Ausführungsstutzen für Kühlmedium
- 11
- Brenner
- 11a
- Nachwachsender Brennstoff
- 12
- Ausgeführtes Synthesegas
- 12a
- Kühlendes gasförmiges, dampfförmiges oder flüssiges Fremdmedium
- 13
- Ausführstutzen
- 14
- Schlacke
- 15
- Schleusen
- 16
- Ausführungsstutzen
- 17
- Rohre der Strahlungskesselwand
- 17a
- Zuführungsstutzen für die Rohre der Strahlungskesselwand
