DE102013101368A1

DE102013101368A1 - Wirbelschichtvergaser

Info

Publication number: DE102013101368A1
Application number: DE102013101368.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Abraham; Dobrin Toporov; Thomas Werner; Domenico Pavone
Original assignee: ThyssenKrupp Uhde GmbH
Current assignee: Gidara Energy BV
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-02-13
Also published as: BR112015019147A2; TW201432043A; WO2014124875A1; EP2956529A1; CN105102591A; DE102013101368B4

Abstract

Bei einem Wirbelschichtvergaser, insbesondere Hochtemperatur-Winkler-Vergaser mit einem Zyklon- bzw. Zentrifugalabscheider, der dem Vergaserkopf zugeordnet ist, und mit einer Feststoffrückführleitung vom Zyklon in den unteren Bereich des Vergasers, sollen die bekannten Nachteile vermieden werden, d.h. ein Ausbau der Aufheizbrenner entbehrlich gemacht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass insbesondere im unteren Bereich (2a) des Vergasers flächige Aufheizbrenner (9) vorgesehen sind, die eine metallische oder keramische zelluläre Struktur (10) aufweisen.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Wirbelschichtvergaser, insbesondere Hochtemperatur-Winkler-Vergaser, mit einem Zyklon- bzw. Zentrifugalabscheider, der dem Vergaserkopf zugeordnet ist, und mit einer Feststoffrückführleitung vom Zyklon in den unteren Bereich des Vergasers.
Derartige Hochtemperatur-Winkler-Vergaser sind bekannt, hier sei beispielsweise die EP 0 264 810 genannt oder die DE 11 2009 000 287 oder die WO 2009/145724.
Bei einem derartigen Vergaser wird zur Erzeugung von Synthese- oder Brenngas durch Umsetzen von kohlenstoffhaltigen Materialien (z.B. Kohlen, Biomassen, kunststoffhaltiger Abfall od. dgl.) im unteren Bereich eine Wirbelschicht erzeugt und zumindest ein Teil des mit dem Rohgas ausgetragenen Staubes in einem Zyklon abgeschieden und in den Vergaser zurückgeführt ( DE 44 13 923 A1 ). Dazu sind im unteren Trichterbereich, der zum Ascheabzug dient, Aufheizbrenner vorgesehen, die die feuerfeste Ausmauerung des Vergasers auf die notwendige Temperatur bringen. Die Speicherwärme der Ausmauerung ermöglicht ein Wirbelbettmaterial (Holzkohle, Herdofenkoks) zu entzünden und somit den Startvorgang zu ermöglichen.
Es gibt Lösungen, bei denen diese Aufheizbrenner nach dem Aufheizvorgang wieder demontiert werden. Die entstehenden Öffnungen werden mit Blinddeckeln verschlossen, wobei vermieden werden muss, dass etwa Rückströmungen erfolgen, so dass erhebliche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen.
Um einen derartigen Aufwand zu vermeiden, werden in einer nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin im Kopfbereich des Vergasers Aufheizbrenner vorgesehen, die während des Gesamtbetriebes dort verbleiben können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es in gleicher Weise, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden, d.h. einen Ausbau der Aufheizbrenner entbehrlich zu machen.
Bei einem Wirbelschichtvergaser der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass insbesondere im unteren Bereich des Vergasers flächige Aufheizbrenner vorgesehen sind, die eine metallische oder keramische zelluläre Struktur aufweisen.
Durch die Erfindung ist es möglich, die zum Aufheizen notwendigen Temperaturen ebenso zu erreichen, wie die Möglichkeit, die Brenner im unteren Ascheabzugbereich des Vergasers permanent zu belassen.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die flächigen Aufheizbrenner einen Teil des Ascheabzugtrichters des Vergasers bilden. Durch die Positionierung der Aufheizbrenner im unteren Teil des Wirbelschichtvergasers ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass durch erforderliche Spülvorgänge der Brenner die Wirbelschichtfunktion der in diesem Bereich positionierten Düsenebene zu unterstützen, was beispielsweise zu einer Vergleichmäßigung der Wirbelschicht führt.
Die Erfindung sieht dabei in Ausgestaltung auch vor, dass die flächigen Aufheizbrenner weiter oben im zylindrischen Bereich des Vergasers positioniert sind. Dabei können die Brenner in der Nachvergasungszone positioniert sein, so dass weniger Spülgas benötigt wird, da dort der Feststoffanteil geringer ist.
Die Aufheizbrenner können in vorteilhafter Weise beispielsweise aus einem Metallgewebe aus einem Hochtemperaturstahl gebildet sein oder aber auch, wie dies die Erfindung ebenfalls in Ausgestaltung vorsieht, aus einer Keramik mit zellulärer Struktur.
Bei einem Hochtemperaturstahl kann es sich beispielsweise um Fe-Cr-Al-basierte Legierungen handeln, die große Korrosions- und hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Die Widerstandsfähigkeit wird durch die Anwesenheit einer Oxidschicht auf der Oberfläche verbessert, insbesondere durch Al₂O₃, wobei sich diese Oxidschicht spontan auf der Oberfläche durch die Oxidation von Al zu Al₂O₃ von selber bildet. Dabei werden Temperaturen zwischen 1000°C und 1200°C für eine solche Vor-Oxidation bevorzugt.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brenner kann darin bestehen, dass zur Bildung der Brenner Metalloxide, wie Al₂O₃, wie oben schon erwähnt, oder CaO, CeO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, ZrO₂ als Einfachkomponenten oder im Gemisch, Nichtmetalloxide, wie BN, BC, MoSi₂ oder SiN als Einfachkomponenten oder im Gemisch oder Metalle basierend auf Fe-Cr-Al mit Zusätzen von Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthaniden eingesetzt sind.
Da die Brenner, wie oben schon angegeben, während des Gesamtbetriebes im unteren Bereich des Vergasers positioniert bleiben, sind diese erfindungsgemäß nicht nur mit Zuführleitungen für Brennstoff, sondern auch für Spülgas ausgerüstet. Mit dem Spülgas ist es z.B. möglich, während des normalen Betriebes des Vergasers durch das Spülgas ein Zusetzen der zellulären Strukturen der Brenner zu verhindern. Die Beaufschlagung der erfindungsgemäßen Brenner erfolgt während des Aufheizvorganges mit Brennstoff und während des Betriebes mit Spülgas.
Die Brenner können erfindungsgemäß z.B. als rechteckige oder trapezförmige Flächenelemente zum Einbau in der Trichterwand des Reaktors ausgebildet sein, ohne dass die Erfindung auf diese besondere Formgebung beschränkt wäre.
Als Brennstoffe können gasförmige Brennstoffe herangezogen werden, die Verbrennungsmedien können Luft, Sauerstoff und Moderatorgas (CO₂, N₂) sein, wobei als Spülmedien z.B. CO₂, N₂, Synthesegas oder Rauchgas vorgesehen sein können. Die Brenner können stöchiometrisch oder unterstöchiometrisch erfolgen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine vereinfachte Darstellung eines Schnittes durch einen Hochtemperatur-Winkler-Vergaser sowie in
2 ein vergrößertes Detail des Aschetrichters mit Aufheizbrennern in vereinfachter Darstellung.
Ein allgemein mit 1 bezeichneter Hochtemperatur-Winkler-Vergaser wird von einem Vergaserkörper 2 aus feuerfestem Mauerwerk gebildet, der in Schwerkraftrichtung unten mit einem konischen Auslaufbereich 2a versehen ist. Im Kopfbereich 2b ist eine Zuführleitung 3 zu einem Zyklon 4 positioniert, wobei der Zyklon 4 die abgetrennten Feststoffpartikel über eine Rückführleitung 5 in den unteren Bereich 2a des Vergasers 2 leitet. Zuführleitungen zum Einbringen von Vergasungskomponenten und zum Austritt in eine Wirbelschicht sind in 1 nur angedeutet und mit 6 bis 8 bezeichnet.
Im unteren Ascheabzugsbereich, d.h. im konischen Bereich 2a, sind die erfindungsgemäßen Aufheizbrenner 9 positioniert, wobei dieser Bereich in 2 vergrößert, aber ebenfalls vereinfacht wiedergegeben ist.
Die Aufheizbrenner 9 weisen auf ihrer Oberfläche eine zelluläre Struktur 10 auf, durch die die Brenngase oder je nach Betrieb auch Spülgase strömen, die über Leitungen 11 den flächigen Brennern zugeführt werden. Diese zelluläre Struktur kann beispielsweise von einem Metallgewebe bereitgestellt werden, welches aus Hochtemperaturstahl gebildet ist oder aber auch aus Keramik mit einer entsprechenden zellulären Struktur.
Die flächigen Brenner können rechteckig oder trapezförmig sein, ohne dass die Erfindung auf diese spezielle Gestaltungen beschränkt wäre.
In 1 ist noch angedeutet, dass die Brenner 9a auch weiter oben im zylindrischen Teil des Vergaserkörpers 2 positioniert sein können, wie dies weiter oben beschrieben ist.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel noch in vielfacher Hinsicht abänderbar, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So ist insbesondere die Position derartiger Brenner den jeweiligen Bedürfnissen anpassbar, auch die Verteilung und die Anzahl der entsprechenden Brenner kann variieren u. dgl. mehr.
Bezugszeichenliste

1: Hochtemperatur-Winkler-Vergaser
2: Vergaserkörper
2a: konischer Auslaufbereich
2b: Kopfbereich
2c: Ascheabzugtrichter
3, 6, 7, 8: Zuführleitung
4: Zyklon
5: Rückführleitung
9, 9a: Aufheizbrenner
10: Zelluläre Struktur
11: Leitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0264810 [0002]
DE 112009000287 [0002]
WO 2009/145724 [0002]
DE 4413923 A1 [0003]

Claims

Wirbelschichtvergaser, insbesondere Hochtemperatur-Winkler-Vergaser mit einem Zyklon- bzw. Zentrifugalabscheider, der dem Vergaserkopf zugeordnet ist, und mit einer Feststoffrückführleitung vom Zyklon in den unteren Bereich des Vergasers, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im unteren Bereich (2a) des Vergasers flächige Aufheizbrenner (9) vorgesehen sind, die eine metallische oder keramische zelluläre Struktur (10) aufweisen.
Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Aufheizbrenner (9) einen Teil des Ascheabzugtrichters (2c) des Vergasers bilden.
Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Aufheizbrenner (9) weiter oben im zylindrischen Bereich des Vergasers positioniert sind.
Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Aufheizbrenner (9) aus einem Metallgewebe aus einem Hochtemperaturstahl gebildet sind.
Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizbrenner (9) aus einer Keramik mit zellulärer Struktur gebildet sind.
Wirbelschichtvergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Aufheizbrenner (9) Metalloxide, wie Al₂O₃, CaO, CeO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, HfO₂, MgO, SiO₂, ZrO₂ als Einfachkomponenten oder im Gemisch, Nichtmetalloxide, wie BN, BC, MoSi₂ oder SiN als Einfachkomponenten oder im Gemisch oder Metalle basierend auf Fe-Cr-Al mit Zusätzen von Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthaniden eingesetzt sind.
Wirbelschichtvergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Aufheizbrenner (9) mit Zuführleitungen (11) für Brennstoff und/oder Spülgas versehen sind.
Wirbelschichtvergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizbrenner (9) als rechteckige oder trapezförmige Flächenelemente zum Einbau in der Trichterwand des Reaktors (1) ausgebildet sind.