DE102012202143B3

DE102012202143B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Schlackebadvergasung fester Brennstoffe

Info

Publication number: DE102012202143B3
Application number: DE102012202143A
Authority: DE
Inventors: Bernd Meyer; Martin Gräbner
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Envirotherm GmbH
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: CN104245897A; WO2013120901A1; US20150014594A1; CN104245897B; US9822003B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schlackebadvergasung fester Brennstoffe im Schlackebadvergaser mit erhöhter Leistung, erhöhtem Einsatzspektrum fester Brennstoffe und verbesserter Gasqualität. Das Verfahren wird so geführt, dass mittels eines Schlackebadvergasers mit einer Zuführung der grobkörnigen, festen Brennstoffe und mit einem Gasabzug, beide am Kopf des Schlackebadvergasers, mit einem Schlackebad und mit einem Schlackebadabzug am Boden des Schlackebadvergasers, mit einer Zuführung für erste Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen oberhalb des Schlackebades, mit einer Schüttung des Festbettes oberhalb des Schlackebades, zusätzlich zu den ersten Vergasungsmitteln zweite Vergasungsmittel über mindestens eine in den oberen Bereich der Festbettschüttung hineinreichenden Vergasungsmitteldüse eingedüst werden, die sich in einem vertikalen Abstand von mindestens 2 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel befindet, wobei die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel mit Dampf-Sauerstoff-Verhältnissen eingedüst werden, deren Werte zwischen 0,6 und 5 kg/m3 (i. N.) liegen, wobei die Menge des eingedüsten Sauerstoffs der zweiten Vergasungsmittel bis zu 50% der insgesamt zugeführten Sauerstoffmenge beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schlackebadvergasung fester Brennstoffe im Schlackebadvergaser mit erhöhter Leistung, erhöhtem Einsatzspektrum fester Brennstoffe und verbesserter Gasqualität. Erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung erlauben die Vergasung von Kohlen mit höheren Feinkornanteilen und/oder zusätzlich feinkörnigen und staubförmigen Brennstoffen.
Die Vergasung von grobkörnigen festen Brennstoffen, d. h. von grobkörnigen Kohlen und/oder kohlenstoffhaltigen Feststoffen, mit Korngrößen größer als ca. 6 mm und kleiner als ca. 100 mm, erfolgt vorzugsweise im Festbett nach dem Verfahren der Festbettdruckvergasung FDV oder der Schlackebadvergasung SBV. Letztere ist auch bekannt unter der Bezeichnung British Gas Lurgi BGL Vergasung. Die Brennstoffe werden zusammen mit gegebenenfalls erforderlichen Flussmitteln mittels Druckschleusen über Kopf in den Schlackebadvergaser eingetragen. Im Festbett (eigentlich Bewegtbett), das sich über die Höhe des Schlackebadvergaser erstreckt, bilden sich von oben nach unten idealtypischer Weise folgende Zonen aus: Trocknungszone, Pyrolysezone, Vergasungszone, Oxidationszone (Blasform) und Schlackebad. Die Schlacken werden am Boden des Vergasers flüssig abgezogen. Die Vergasungsmittel werden über Vergasungsmitteldüsen, die in den Vergaser hineinreichen und auf das Schlackebad gerichtet sind, eingeblasen. Der Rohgas-Abzug für die gebildeten Rohgase befindet sich am Kopf des Festbettvergasers.
Die Vergasungsmittel bestehen im Wesentlichen aus technischem Sauerstoff und Wasserdampf. Das Verhältnis zwischen Dampf und Sauerstoff (Dampf-Sauerstoff-Verhältnis) DSV, vorzugsweise in den Einheiten kg Dampf/m³ (i. N.) Sauerstoff (100 Vol.%), angegeben, liegt je nach Höhe der Ascheschmelztemperaturen zwischen 0,8 und 1,6 kg/m³ (i. N.). Unterhalb ca. 0,8 kg/m³ (i. N.). wird die thermische Belastung der Vergasungsmitteldüsen zu hoch, und oberhalb ca. 1,6 kg/m³ (i. N.) wird die Asche nicht mehr richtig aufgeschmolzen.
Die Schlackebadvergasung weist zwei generelle Nachteile auf. Der erste besteht darin, dass der Anteil des Feinkorns < 6 mm auf Werte von < Ca. 5 bis < ca. 20 Ma.-% stark begrenzt ist; bei nichtbackenden Kohlen auf Werte < ca. 5 Ma.-% und bei backenden Kohlen auf Werte < ca. 20 Ma.-%. Andernfalls kommt es zu Beeinträchtigungen der Durchströmbarkeit der Schüttung und zu einem unerwünscht starken Mitriss und Austrag von Staub bis hin zu grobkörnigen Feststoffen mit dem Rohgas aus dem Vergaser. Der zweite Nachteil betrifft die niedrigen Temperaturen der aus dem Vergaser austretenden staubhaltigen Rohgase, die je nach Art der eingesetzten Brennstoffe zwischen ca. 400 und ca. 900°C betragen. Die Rohgastemperaturen sind zu niedrig, als dass sich die in der Pyrolysezone bildenden Teere und höheren Kohlenwasserstoffe zersetzen können. Dies bedingt einerseits eine aufwendige Rohgasreinigung und andererseits eine Minderung der Synthesegasausbeute an CO und H₂ bezogen auf die eingesetzten Brennstoffe.
Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde in DE 10 2007 006 979 B4 vorgeschlagen, in den Freiraum oberhalb der Schüttung des Festbettes Vergasungsmittel für die Nachvergasung einzudüsen. Damit soll die Temperatur des Rohgases auf mindestens 800°C angehoben werden, um die höheren Kohlenwasserstoffe zu spalten und zu Synthesegasen umzuwandeln. Diese Lösung konnte sich bisher nicht durchsetzen, da die Flammenausbreitung nach oben groß ist und zu befürchten ist, dass nicht reagierter Sauerstoff mit dem Rohgas aus dem Vergaser austritt.
Bisher ist es nicht gelungen, prozesstechnisch günstigere Lösungen für die Verwertung von Feinbrennstoffen und zur Verbesserung der Gasausbeute zu finden. Die Feinkohle muss einer anderen Verwendung (in der Regel der Verbrennung) statt der Vergasung zugeführt werden. Dennoch ist ein großer Teil der Feinkohle wirtschaftlich nicht nutzbar und muss in Form von Halden abgelagert werden.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Schlackebadvergasung mit zugehöriger Vorrichtung zu entwickeln, die mit Hilfe geringer verfahrens- und anlagentechnischer Veränderungen gegenüber bisher bekannten Schlackebadvergasern erlauben, die Leistung zu erhöhen, das Einsatzspektrum der Brennstoffe bezüglich Kohlen mit höheren Feinkornanteilen zu verbreitern und/oder zusätzlich feinkörnige und staubförmige Brennstoffe zu vergasen sowie die Synthesgasausbeute zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Schlackebadvergasung von grobkörnigen, festen Brennstoffen mit Sauerstoff- und Wasserdampf-haltigen Vergasungsmitteln gelöst, wobei mittels eines Schlackebadvergasers mit einer Zuführung der grobkörnigen, festen Brennstoffe und mit einem Gasabzug, beide am Kopf des Schlackebadvergasers, mit einem Schlackebad und mit einem Schlackebadabzug am Boden des Schlackebadvergasers, mit einer Zuführung für erste Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen oberhalb des Schlackebades, mit einer Schüttung des Festbettes oberhalb des Schlackebades,

– wobei zusätzlich zu den ersten Vergasungsmitteln zweite Vergasungsmittel über mindestens eine in den oberen Bereich der Festbettschüttung hineinreichenden Vergasungsmitteldüse eingedüst werden, die sich in einem vertikalen Abstand von mindestens 2 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel befindet,
– wobei die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel mit Dampf-Sauerstoff-Verhältnissen eingedüst werden, deren Werte zwischen 0,6 und 5 kg/m³ (i. N.) liegen,
– wobei die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 und höchstens 120 m/s in die Schüttung des Festbettes so eingedüst werden, dass sich turbulente Wirbelzonen in Form von Hohlräumen in der Festbettschüttung vor den Austrittsöffnungen der Vergasungsmitteldüsen bilden, in denen Kohlenstoff mit Sauerstoff verbrennt und die freigesetzten Aschen schmelzen oder sintern, und
– wobei die Menge des eingedüsten Sauerstoffs der zweiten Vergasungsmittel bis zu 50% der insgesamt zugeführten Sauerstoffmenge beträgt.

Die Vergasungsmittel werden in erste und zweite Vergasungsmittel aufgeteilt, wobei die ersten Vergasungsmittel mit Hilfe der Vergasungsmitteldüsen zugeführt und die zweiten Vergasungsmittel in den oberen Bereich der Schüttung des Festbettes mittels in den oberen Bereich der Festbettschüttung hineinreichenden Vergasungsmitteldüsen eingedüst werden.
Mit den ersten Vergasungsmitteln wird die erste Vergasung mit der idealtypischen Zonenbildung über das gesamte Festbett (erste Trocknungszone, erste Pyrolysezone, erste Vergasungszone, erste Oxidationszone bzw. erste Blasform, Schlackeabzug) und mit den zweiten Vergasungsmitteln wird die zweite Vergasung mit lokaler Wirbelzonen (Blasformen)-Bildung durchgeführt.
Die Dampf-Sauerstoff-Verhältnisse (in den Einheiten kg Dampf/m³ (i. N.) Sauerstoff (100 Vol.%), angegeben) der zweiten Vergasungsmittel werden entweder bei Werten zwischen 0,6 und 3 kg/m³ (i. N.) eingestellt (verschlackende Fahrweise der zweiten Vergasung) oder bei Werten zwischen 3 und 5 kg/m³ (i. N.) (nichtverschlackende, versinternde Fahrweise der zweiten Vergasung) oder je nach Bedarf wechselnd in einem der beiden Wertebereiche.
Bei der verschlackenden Fahrweise der zweiten Vergasung bilden sich in den Blasformen flüssige Schlacken. Bei der nichtverschlackenden Fahrweise wird die Asche nicht geschmolzen, sondern gesintert. Letzteres ist vorteilhaft, wenn die Synthesegasausbeute verbessert werden soll (höherer Wasserdampfanteil für die Spaltung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methanspaltung, zu überwiegend Kohlenmonoxid und Wasserstoff), erstere, wenn Brennstoffe mit sehr hohen Feinkornanteilen vergast werden sollen. Die sich bildenden flüssigen Schlacken, aber auch die gesinterten Aschen, verhindern, dass sich Strömungskanäle im Festbett oberhalb der zweiten Vergasung bilden, aus denen Staub oder sogar grobkörnige Feststoffe mitgerissen und mit dem Rohgas ausgetragen werden könnten. Insgesamt wird die Durchströmbarkeit der Schüttung des Festbettes verbessert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu den zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln Dampf über mindesten eine Dampfdüse eingedüst.
Um die Synthesegasqualität noch weiter zu verbessern, werden für die zweite Vergasung neben den Vergasungsmitteldüsen, die Sauerstoff und Dampf führen, Düsen vorgesehen, die nur Dampf führen. Mit diesen Dampfdüsen kann zusätzlich Dampf in das Festbett eingedüst werden. Die Dampfdüsen sind in der ersten Vergasungszone angeordnet. Der Dampf strömt in die heiße, kohlenstoffhaltige Schüttung und reagiert unter Bildung von überwiegend Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Vor den Dampfdüsen bilden sich keine Blasformen, sondern turbulente, nach oben gerichtete Strömungszonen.
Wenn sich die Blasformen und/oder Strömungszonen in Wandnähe bilden und diese vorzugsweise etwa gleichmäßig über den Umfang der Festbettschüttung verteilt angeordnet sind, verringern sich in diesen Wandbereichen die Durchströmungsdruckverluste der Schüttung. Die von unten aufsteigenden Gase verteilen sich in Richtung der wandnahen Strömungsbereiche. Auf diese Weise wird die Durchströmung des Festbettes insgesamt vergleichmäßigt, d. h. durch die zweite Vergasung wird die vorwiegend mittenzentrierte Strömung zu einer gleichverteilten Strömung verändert.
Vorteilhaft werden die zweiten Vergasungsmittel in die sich bei der Vergasung ausbildenden ersten Vergasungszone oder im Falle der sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in die erste Pyrolysezone eingedüst. In der ersten Pyrolysezone herrschen Temperaturen von ca. 400 bis 1.000°C und in der ersten Vergasungszone von 1.100 bis 1.300°C. Diese Zonen befinden sich in großtechnischen Schlackebadvergasern in einer Höhe von 1 bis 4 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel. Dementsprechend wird die Eindüsung der zweiten Vergasungsmittel in einer Höhenzone vorgenommen, die von 1 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel bis 1 m unterhalb der Oberfläche der Schüttung des Festbettes reicht, vorzugsweise ab 2 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel bis 1 m unterhalb der Oberfläche der Schüttung des Festbettes. Der vertikale Mindestabstand von 1 m ab Höhe der Zuführung der ersten Vergasungsmittel ergibt sich auch daraus, dass sicher gestellt sein muss, dass sich der Sauerstoff der ersten Vergasungsmittel bis zur Höhe der Zuführung der zweiten Vergasungsmittel vollständig chemisch umgesetzt haben muss. Andernfalls könnte sich der Sauerstoff von unten nach oben durchbrennen. Betriebserfahrungen bei der Schlackebadvergasung von Abfallkunststoff-Kohle-Gemischen haben ergeben, dass Sauerstoff bis zu einer Höhe von maximal 1 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel vollständig chemisch umgesetzt ist.
Die zweite Vergasung wird in einer begrenzten Höhenzone im oberen Bereich der Schüttung des Festbettes des Schlackebadvergaser durchgeführt. Die Vergasungsmitteldüsen können über diese Höhe und über den Querschnitt des Festbettvergasers verteilt sein. Vorzugsweise werden die Vergasungsmitteldüsen in einer Höhe und gleichmäßig verteilt über den Umfang angeordnet.
Die Injektion der zweiten, sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel mit Gasaustrittsgeschwindigkeiten von 20 bis 120 m/s verursacht die Bildung turbulenter Wirbelzonen (Blaszonen) in Form von Hohlräumen in der Festbettschüttung vor den Austrittsöffnungen der Vergasungsmitteldüsen, in denen Kohlenstoff mit Sauerstoff verbrennt (zweite Verbrennungszonen). Die Wirbelzonen vor den Düsen sind von einer Schüttung aus Koks umhüllt, in der die endothermen Reaktionen, ggfs. unter chemischer Umsetzung des Wasserdampfes der zweiten Vergasung, unter Temperaturerniedrigung reagieren (zweite Vergasungszonen). Die geschmolzenen oder versinterten Aschen kühlen sich in der umgebenden, kälteren Koksschüttung schnell ab und erstarren. Sie geben ihre Wärme an die endothermen zweiten Vergasungsprozesse ab. Die Ausbildung klassischer, schichtenförmiger Zonen findet bei der zweiten Vergasung nicht statt.
Die Injektion von Dampf als zweites Vergasungsmittel mittels der Dampfdüsen erfolgt ebenfalls mit Gasaustrittsgeschwindigkeiten von 20 bis 120 m/s.
Es ist von Vorteil, wenn die zweite Vergasung in der ersten Vergasungszone durchgeführt wird. Hier ist sichergestellt, dass entgaster Koks bei hohen Temperaturen zur Verfügung steht (höherer Umsatz mit Wasserdampf und höherer Kaltgaswirkungsgrad im Vergleich zu Reaktionen mit pyrolysierender Kohle). Im Falle der verschlackenden Fahrweise mit sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln sind die Temperaturen in der Umgebung der in die Festbettschüttung der ersten Vergasungszone hineinreichenden Vergasungsmitteldüsen mit ca. 1.100 bis 1.300°C so hoch, dass die Schlacken nur teilweise erstarren. An den Vergasungsmitteldüsen anhaftende Schlacken werden von der sich nach unten bewegenden Schüttung abgelöst und weiter transportiert.
Von Vorteil ist nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die zweite Vergasung mit sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in der ersten Pyrolysezone wird. In dem Falle erfolgt eine stärkere Teilverbrennung der vor den Vergasungsmitteldüsen aufsteigenden Gase, so dass sich die Temperaturen der aus der Festbettschüttung nach oben austretenden Gase stärker erhitzen und somit eine stärkere Spaltung von Methan und der höheren Kohlenwasserstoffe erfolgt.
Von besonderem Vorteil ist, dass die bei der zweiten Vergasung mit sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln freigesetzten Aschen sofort sintern oder schmelzen und die Kanalbildung unterdrücken, da ein kanalartiges „Durchbrennen” von Sauerstoff durch die Schüttung infolge sofortiger Schlacke- oder Sinterbildung unterbunden wird. Anfänglich sich bildende Kanäle oder Kanäle, die aus der ersten Vergasung stammen, werden unter Schlackebildung ebenfalls schnell „verschlossen”. Aus diesem Grund können sich die Wirbelzonen nicht oder nur in geringem Maße von den Vergasungsmitteldüsen nach oben entfernen, sondern mäandern in etwa gleichbleibender Höhe vor den und oberhalb der Vergasungsmitteldüsen. Die zweite Vergasung ist damit entsprechend der Anordnung der Austrittsöffnungen der Vergasungsmitteldüsen lokal begrenzt und in der Höhe definiert. Die mäandernde Gasströmung und die sich bildende Schlacke stabilisieren das Festbett in der Umgebung und oberhalb der Vergasungsmitteldüsen, so dass trotz höherer Strömungsgeschwindigkeiten die reguläre Durchströmung des Festbettes aufrechterhalten bleibt.
Die zweite Vergasung führt zu einer Vergleichmäßigung der Durchströmung des gesamten Festbettes. Die Feinkornanteile der eingesetzten grobkörnigen Brennstoffe können vergrößert werden, ohne dass der Austrag von Staub mit den Rohgasen steigt. Die unteren Korngrößen der grobkörnigen festen Brennstoffe können von ca. 6 mm auf ca. 2 mm gesenkt werden.
Bei Aufrechterhaltung der Leistung des Schlackebadvergasers, gemessen an der zugeführten Sauerstoffmenge in m³ (i. N.)/h, können die eingesetzten Brennstoffe wesentlich feinkörniger sein. Dies ergibt sich daraus, dass beispielsweise nur noch 80% des Sauerstoffes als erster Sauerstoff und 20% als zweiter Sauerstoff zugeführt wird, d. h. die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase werden im überwiegenden Höhenbereich der Schüttung bis zur zweiten Vergasung dementsprechend um ca. 20% reduziert und erst oberhalb der zweiten Vergasung auf ca. 100% erhöht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zusätzlich feinkörnige und/oder staubförmige Brennstoffe in die Wirbelzonen (Blaszonen), die sich vor den Vergasungsmitteldüsen ausbilden, zugegeben werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der zweiten Vergasung besteht darin, dass insbesondere die feinkörnigen und staubförmigen Anteile der Brennstoffe in den Wirbelzonen unter Vergröberung der Asche/Schlackepartikel vergast werden. Die abgekühlten, erstarrten Schlacken oder Sinter tragen zur Vergröberung der Körnung im gesamten Festbett und weiterhin zur „verzahnenden” Stabilisierung des Festbettes über die gesamte Höhe bei. Lokale Ansammlungen von Feinkorn und Staub, die eruptionsartige Durchströmungen der Schüttung hervorrufen und eine der Hauptursachen für hohe Staubausträge sind, werden unterbunden bzw. zurückgedrängt. Die Feinkornanteile der eingesetzten Brennstoffe können vergrößert werden, ohne dass der Austrag von Staub mit den Rohgasen steigt. Auch kann der Anteil der staubförmigen Brennstoffe, die mit den grobkörnigen festen Brennstoffe in den Vergaser eingetragen werden, erhöht werden. Mittels der zweiten Vergasung können zusätzlich zu den grobkörnigen Brennstoffen feinkörnige und/oder staubförmige Brennstoffe (Feinbrennstoffe) in größeren Mengen verwertet werden, die sonst einer anderen Verwendung oder Deponierung zugeführt werden müssten.
Insgesamt erhöht sich aber die Synthesegasleistung (Kohlenmonoxid und Wasserstoff), da der erhöhte Wasserdampfanteil im oberen Bereich der Schüttung, der dem Wasser der Trocknung, dem Reaktionswasser der Pyrolyse und dem Wasserdampf der zweiten Vergasungsmittel entstammt, mit Methan und den höheren Kohlenwasserstoffen reagiert.
Ein wesentliches Ziel der zweiten Vergasung, die Gasqualität zu verbessern (geringere Methan- und Teergehalte sowie höhere Synthesegasausbeuten an CO und H²) wird dann erreicht, wenn soviel zweite sauerstoffhaltige Vergasungsmittel zugeführt werden, dass die Gasaustrittstemperaturen des Rohgases auf Temperaturen von 850°C und darüber ansteigen. Ab dieser Temperatur laufen die schnellen Vergasungsreaktionen von Wasserdampf mit den Kohlenwasserstoffen unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff ab. Der Methan- und Teergehalt verringert sich und der Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanteil im Rohgas erhöht sich deutlich, so dass die Gasqualität verbessert wird.
Wenn Brennstoffe mit geringen Feinkorn- oder Staubanteilen vergast werden, kann mittels der zweiten Vergasung die Vergasungsleistung um bis zu 30% erhöht werden.
Die zweite Vergasung verbessert nicht nur die Brennstoff-Toleranz bezüglich erhöhter Feinkorn- und Staubanteile der Brennstoffe oder ermöglicht den zusätzlichen Eintrag von Feinbrennstoffen, sondern sie erhöht auch die Brennstoff-Toleranz gegenüber backenden Kohlen, die ohne Einsatz eines Rührers nicht vergasbar wären. Die zweiten Verbrennungszonen mit ihren schnellen Temperaturanstiegen und hohen Temperaturen vermindern die Backneigung der Kohlen und brechen bereits gebildete Koksverbünde auf. Durch die zweite Vergasung kann in vielen Fällen auf die Anwendung des Rührers verzichtet werden.
Die Vergasungsmitteldüsen sind als wassergekühlte Vergasungsmittel-Gemisch- oder gekühlte Einstoffdüsen ausgeführt. Sie können sowohl nichtgekröpft (Rohrdüsen), als auch gekröpft sein (Kropfdüsen), wobei bei den Kropfdüsen auf dem rohrförmigen Düsenschaft der angekröpfte Düsenkopf sitzt.
Die Vergasungsmittel- und die Dampfdüsen sind durch den zylindrischen Außenmantel bzw. Doppelmantel des Schlackebadvergasers hindurch geführt. Die nichtgekröpften Vergasungsmittel- und Dampfdüsen sind dabei radial und horizontal ausgerichtet oder abweichend von der radialen und horizontalen Ausrichtung mit Anstellwinkeln von < 45° in alle Richtungen anstellbar. Vorzugsweise sind die Düsen radial und 15° gegen die Horizontale nach unten geneigt ausgerichtet. Dies erweist sich bezüglich des Vermeidens des Eindringens von Feststoffen in das Innere der Düsen und bezüglich der Ausbildung der Blasformen und der turbulenten Strömungszonen als vorteilhaft. Im Falle des Einsatzes gekröpfter Vergasungsmitteldüsen oder Dampfdüsen werden die Düsenschäfte annähernd horizontal und die Düsenköpfe analog der oben genannten Anstellwinkel der Rohrdüsen ausgerichtet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass für die zweite Vergasungszone eine möglichst kurze Höhenzone mit einer vertikalen Ausdehnung von < 1 m in der oberen Hälfte der ersten Vergasungszone, unterhalb der Pyrolysezone, gewählt wird, so dass die erste Vergasungszone gleichmäßig über den Querschnitt nach oben verlängert wird.
In dem Falle, dass die Höhe der Schüttung des Festbettes während des Betriebes des Festbettvergasers zwischen einem Maximal- und einem Minimalstand gewechselt wird und der Unterschied mehr als 1 m beträgt, ist es von Vorteil, wenn alternativ zwei Höhenzonen des Festbettvergasers mit Vergasungsmitteldüsen ausgestattet sind, die untere Höhenzone für den Minimalstand und die obere Höhenzone für den Maximalstand des Festbettes. Der vertikale Mindestabstand der beiden Höhenzonen beträgt dabei mehr als 1 m. Es ist dann prozesstechnisch vorzusehen, dass die beiden Höhenzonen wahlweise mit Vergasungsmitteln beaufschlagt werden.
Die Vergasungsmitteldüsen und die Dampfdüsen ragen mit mindestens 10 cm freier Länge (freie Düsenlängen) in den Vergasungsraum des Festbettvergasers hinein. Vorzugsweise ragen die wandnahen Düsen ca. 20 cm bis 1 m tief in den Vergasungsraum des Festbettvergasers hinein. Bei größeren, freien Düsenlängen bis ca. 3 m werden die Düsen mit Zugankern von oben gehalten.
Um örtlich voneinander getrennte Wirbel- und Strömungszonen auszubilden, soll der seitliche, horizontale Abstand zwischen den Austrittsöffnungen der Düsen 50 cm nicht unterschreiten. Vorzugsweise beträgt der seitliche, horizontale Abstand der Austrittsöffnungen 1 bis 2 m.
Die Mengenverhältnisse von zweitem zu erstem Sauerstoff können in weiten Grenzen variiert werden. Im Falle der Ausbildung einer zweiten Vergasungszone über den gesamten Querschnitt des Festbettvergasers und der zusätzlichen Vergasung von Feinbrennstoffen können bis zu 50 Ma.-% des insgesamt zugeführten Sauerstoffs als zweiter Sauerstoff eingedüst werden. Je niedriger die Aschegehalte der Einsatzbrennstoffe sind, um so höhere Anteile an zweitem Sauerstoff sind erreichbar.
Die Größe der sich in den Blasformen vor den einzelnen Vergasungsmitteldüsen bildenden Schlackestücke wird dadurch begrenzt, dass die Sauerstoffbelastungen der einzelnen Vergasungsmitteldüsen zwischen Mindest- und Höchstlast variiert werden. Dabei kann die Gesamt-Sauerstoff-Menge der zweiten Vergasungsmittel konstant gehalten werden, indem die Lastverteilung zwischen den einzelnen Düsen geändert wird, oder es kann auch die Gesamt-Sauerstoff-Menge zeitlich variiert werden.
Entsprechend der Mengenverhältnisse von zusätzlich zum ersten Sauerstoff eingedüstem zweiten Sauerstoff werden die thermischen Leistungen des Festbettvergasers annähernd proportional erhöht. Dabei ist von untergeordneter Bedeutung, ob der Brennstoffdurchsatz erhöht oder ob zusätzliche Feinbrennstoffe eingetragen werden. Gemeinsam mit den grobkörnigen Brennstoffen oder zusätzlich zu den grobkörnigen Brennstoffen können größere Mengen feinkörniger und Feinbrennstoffe vergast werden. Auch kann das Brennstoffspektrum in Richtung stärker backender Steinkohlen erweitert werden, ohne dass der Einsatz eines Rührers erforderlich wäre. Die Leistungsgrenze der thermischen Vergaserleistung wird auf Grund der verbesserten Durchströmungsbedingungen der Schüttung des Festbettes erhöht.
Entsprechend der Mengenverhältnisse von zusätzlich zum ersten Sauerstoff eingedüstem zweiten Sauerstoff erhöhen sich auch die Temperaturen des aus dem Schlackebadvergaser austretenden Rohgases. Die Gastemperatur kann gezielt um 100 bis 300 K erhöht werden. Damit ist eine gezielte und variabel einstellbare Konditionierung der Rohgasqualität entsprechend den Anforderungen an die Gasnutzung (niedrig Methan-haltige oder höher Methan-haltige Synthesegase) eröffnet.
Zur Erfindung gehört auch ein Schlackebadvergaser zur Vergasung von festen Brennstoffen mit Sauerstoff- und Wasserdampf-haltigen Vergasungsmitteln mit einer Zuführung der grobkörnigen, festen Brennstoffe und mit einem Rohgasabzug, beide am Kopf des Schlackebadvergasers, mit einem Schlackebad und mit einem Schlackebadabzug am Boden des Schlackebadvergasers, mit einer Zuführung für erste Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen oberhalb des Schlackebades, mit einer Schüttung des Festbettes oberhalb des Schlackebades, wobei der Schlackebadvergaser in Höhe des oberen Bereiches der Festbettschüttung mindestens eine, in den oberen Bereich hineinragende Vergasungsmitteldüse für die Zuführung zweiter sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel aufweist, die sich in einem vertikalen Abstand von mindestens 2 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel befindet, wobei die mindestens eine Vergasungsmitteldüse so ausgestaltet ist, dass sie die Eindüsung zweiter sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel mit Dampf-Sauerstoff-Verhältnissen von 0,6 bis 5 kg/m³ (i. N.) mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 und höchstens 120 m/s in die Schüttung des Festbettes erlaubt, und dass die Menge des eingedüsten Sauerstoffs der zweiten Vergasungsmittel bis zu 50% der insgesamt zugeführten Sauerstoffmenge beträgt.
Die mindestens eine Vergasungsmitteldüse befindet sich in einem vertikalen Abstand von mindestens 2 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schlackebadvergasers weist dieser zusätzlich zu den Vergasungsmitteldüsen für die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel Dampfdüsen für die zusätzliche Zuführung von Dampf auf.
Vorteilhaft weist der Schlackebadvergaser mehrere in ein oder zwei Ebenen angeordnete Vergasungsmitteldüsen für die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel oder Dampfdüsen für Dampf auf.
Die anlagentechnische Ausgestaltung der zweiten Vergasung ist einfach, robust und erfordert nur geringe apparatetechnische Anpassungen des bekannten und bewährten Schlackebadvergasers. Diese betreffen die Durchführungsstutzen für die Vergasungsmittel- und Dampfdüsen, und im Bedarfsfall die Zuführungsstutzen für die Feinbrennstoffe. Von besonderem Vorteil erweist sich, dass die zweite Vergasung in vorhandenen Anlagen der Schlackebadvergasung stufenweise (beginnend mit einer Vergasungsmitteldüse) bis komplett (mit einem vollständigen Set von Vergasungsmittel- und Dampfdüsen) eingerichtet, nachgerüstet und betrieben oder entsprechend den Anforderungen teilweise betrieben oder außer Betrieb genommen oder zurückgerüstet werden kann.
Ausführungsbeispiel
Anhand beigefügter Darstellungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 das Schema eines Schlackebadvergasers in grob vereinfachter Darstellung.
Am Kopf des Schlackebadvergasers 1 befindet sich ein Eintrag 2 für grobkörnige, feste Brennstoffe (3) sowie ein Rohgasabgang (4). Am Boden des Schlackebadvergasers (1) ist ein Schlackebad 5 angeordnet, an dessen unteren Ende sich eine Schlackabstichdüse 6 befindet, über die die Schlacke 15 abgezogen wird. In geringem Abstand über der Oberfläche des Schlackebades befinden sich sechs Vergasungsmitteldüsen 7, mit denen die ersten Vergasungsmittel 8 in Richtung der Oberfläche 9 des Schlackebades 5 eingedüst werden. Die Vergasungsmitteldüsen 8 sind gleichmäßig über den Umfang des Schlackebadvergasers 1 verteilt.
Der Brennstoffeintrag (2) mündet im oberen Teil des Festbettvergasers in einen Einhängeschacht (10).
Der lichte Innendurchmesser des Schlackebadvergasers (1) beträgt 4 m und die Höhe der Schüttung des Festbettes (11) beträgt, gerechnet ab Höhe des Eintrags 2 der ersten Vergasungsmittel 8 im Mittel 6 m.
In einer Höhe von 3 m über dem Eintrag der ersten Vergasungsmittel 8 sind insgesamt zehn Vergasungsmitteldüsen (12) für die Zuführung der zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel (13), gleichmäßig verteilt über den Umfang des Schlackebadvergasers (1) angeordnet. Die Vergasungsmitteldüsen (12) sind als Rohrdüsen ausgeführt, radial ausgerichtet und 15° gegen die Horizontale nach unten geneigt. Sie ragen 30 cm in die Schüttung des Festbettes (11).
Der so aufgebaute Schlackebadvergaser wird wie folgt betrieben:
In den Schlackebadvergaser (1) werden 60 t/h nichtbackende, grobkörnige Brennstoffe (3) in Form von Steinkohlen (2) mit einem Aschegehalt von ca. 20 Ma.-% (tr.), einem Wassergehalt von ca. 5 Ma.-% (tr.), einem Ascheschmelzpunkt von ca. 1.400°C und einer Körnung von ca. 5–100 mm bei einem Gesamtdruck von ca. 30 bar vergast. Die Brennstoffe 3 werden von oben in den Schlackebadvergaser (1) eingetragen. Das Rohgas (14) verlässt den Schlackebadvergaser (1) durch den Rohgasabgang 4), während die Schlacke (15) unten abgezogen wird. Die Menge des ersten Sauerstoffes beträgt 12.000 Nm³/h (bezogen auf reinen Sauerstoff), das Dampf-Sauerstoff-Verhältnis des ersten Vergasungsmittels liegt im Mittel bei 0,9 kg/m³ (i. N.). Die Temperatur des Rohgases 14 beträgt 500°C.
Erfindungsgemäß wird bei dem Schlackebadvergaser 1 die zweite Vergasung mit sauerstoffhaltigen zweiten Vergasungsmitteln durchgeführt.
Die Menge des zweiten Sauerstoffes der zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel (13) beträgt insgesamt 2.500 bis 3.600 m³ (i. N.)/h (bezogen auf reinen Sauerstoff), das Dampf-Sauerstoff-Verhältnis beträgt 2 kg/m³ (i. N.).
Die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel 13 werden gleichverteilt über die Vergasungsmitteldüsen (12) in das Festbett eingeblasen 11. Die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel strömen mit Strömungsgeschwindigkeiten von 70 m/s in das Festbett 11. Vor den Vergasungsmitteldüsen 12 bilden sich Blasformen (16).
Die Menge der zweiten Vergasungsmittel 13 wird so eingestellt, dass sich die Rohgastemperatur von 500°C auf 900°C erhöht, wodurch die Gasqualität steigt. Außerdem erhöht sich die Synthesegasleistung stärker, als es der Erhöhung der Sauerstoffmenge entspricht, da Methan und Teere umgesetzt und überwiegend Wasserstoff und Kohlenmonoxid gebildet werden.

Claims

Verfahren zur Schlackebadvergasung von festen Brennstoffen mit Sauerstoff- und Wasserdampf-haltigen Vergasungsmitteln, mittels eines Schlackebadvergasers mit einer Zuführung der grobkörnigen, festen Brennstoffe und mit einem Gasabzug, beide am Kopf des Schlackebadvergasers, mit einem Schlackebad und mit einem Schlackebadabzug am Boden des Schlackebadvergasers, mit einer Zuführung für erste Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen oberhalb des Schlackebades, mit einer Schüttung des Festbettes oberhalb des Schlackebades, dadurch gekennzeichnet, – dass zusätzlich zu den ersten Vergasungsmitteln zweite Vergasungsmittel über mindestens eine in den oberen Bereich der Festbettschüttung hineinreichenden Vergasungsmitteldüse eingedüst werden, die sich in einem vertikalen Abstand von mindestens 2 m oberhalb der Zuführung der ersten Vergasungsmittel befindet, – wobei die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel mit Dampf-Sauerstoff-Verhältnissen eingedüst werden, deren Werte zwischen 0,6 und 5 kg/m3 (i. N.) liegen, – wobei die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 und höchstens 120 m/s in die Schüttung des Festbettes so eingedüst werden, dass sich turbulente Wirbelzonen in Form von Hohlräumen in der Festbettschüttung vor den Austrittsöffnungen der Vergasungsmitteldüsen bilden, in denen Kohlenstoff mit Sauerstoff verbrennt und die freigesetzten Aschen schmelzen oder sintern – und wobei die Menge des eingedüsten Sauerstoffs der zweiten Vergasungsmittel bis zu 50% der insgesamt zugeführten Sauerstoffmenge beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln Dampf über mindesten eine Dampfdüse eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel und/oder der Dampf mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 und höchstens 120 m/s in die Schüttung des Festbettes eingedüst werden.
Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass grobkörnige, feste Brennstoffe mit einer Körnung größer 2 mm in den Schlackebadvergaser eingetragen werden.
Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich feinkörnige und/oder staubförmige Brennstoffe in die Wirbelzonen, die sich vor den Vergasungsmitteldüsen ausbilden, zugegeben werden.
Schlackebadvergaser zur Vergasung von festen Brennstoffen mit Sauerstoff- und Wasserdampf-haltigen Vergasungsmitteln nach Anspruch 1 bis 5 mit einer Zuführung der grobkörnigen, festen Brennstoffe und mit einem Rohgasabzug, beide am Kopf des Schlackebadvergasers, mit einem Schlackebad und mit einem Schlackebadabzug am Boden des Schlackebadvergasers, mit einer Zuführung für erste Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen oberhalb des Schlackebades, mit einer Schüttung des Festbettes oberhalb des Schlackebades, wobei der Schlackebadvergaser in Höhe des oberen Bereiches der Festbettschüttung mindestens eine, in den oberen Bereich hineinragende Vergasungsmitteldüse für die Zuführung zweiter Vergasungsmittel aufweist, wobei die mindestens eine Vergasungsmitteldüse so ausgestaltet ist, dass sie die Eindüsung zweiter Vergasungsmittel mit Dampf-Sauerstoff-Verhältnissen von 0,6 bis 5 kg/m3 (i. N.) mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 und höchstens 120 m/s in die Schüttung des Festbettes erlaubt, und dass die Menge des eingedüsten Sauerstoffs der zweiten Vergasungsmittel bis zu 50% der insgesamt zugeführten Sauerstoffmenge beträgt.
Schlackebadvergaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er Dampfdüsen für die zusätzliche Zuführung von Dampf aufweist.