DE102013107592B4

DE102013107592B4 - Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem Wirbelschichtgasprozess in einem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser

Info

Publication number: DE102013107592B4
Application number: DE102013107592.4A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ullrich; Ralf Abraham; Dobrin Toporov
Original assignee: Gidara Energy BV
Current assignee: Gidara Energy BV
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: WO2015007365A1; BR112016001004A8; BR112016001004B1; CN105378038A; DE102013107592A1

Abstract

Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem Wirbelschichtgasprozess in einem als Hochtemperatur-Winkler-Vergaser (HTW) ausgebildeten Vergaser (2), bei dem die kohlenstoffhaltigen Feststoffe in den Reaktionsraum (3) des Vergasers (2) eingebracht und in einem Wirbelbett des Vergasers (2) vergast werden, wobei zumindest ein Teil der im erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilchen abgeschieden und in den Reaktionsraum (3) des Vergasers (2) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung (3a) in den Reaktionsraum (3) des Vergasers (2) eingebracht werden, wobei zwischen einem Druckbehälter (17) und dem Vergaser (2) mehrere Förderleitungen (12) angeordnet sind, welche in den Vergaser (2) münden, und zwischen dem Druckbehälter (17) und dem Vergaser (2) keine weiteren Vorrichtungen zwischengeschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Fest-stoffen mit gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem Wirbelschichtgasprozess in einem Vergaser, in einem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser (HTW), bei dem die kohlenstoffhaltigen Feststoffe in den Reaktionsraum eines Vergasers eingebracht und in einem fluidisierten Wirbelbett des Vergasers vergast werden, wobei zumindest ein Teil der im erzeugten Gas mitge-führten Feststoffteilchen abgeschieden und in den Reaktionsraum zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung in den Reaktionsraum des Vergasers eingebracht werden, wobei zwischen einem Druckbehälter und dem Vergaser mehrere Förderleitungen angeordnet sind, welche in den Vergaser münden, und zwischen dem Druckbehälter und dem Vergaser keine weiteren Vorrichtungen zwischengeschaltet sind. Zudem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
HTW-Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu werden die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe nach Eintritt in den Reaktions-raum des Vergasers in einem fluidisierten Wirbelbett bei Temperaturen zwischen 700° und 1300° C und unter einem erhöhten Druck vergast, und zwar unter Ein-satz von endotherm und exotherm reagierenden Vergasungsmitteln.
Ober- und unterhalb des fluidisierten Wirbelbettes befinden sich ein Nachvergasungsraum sowie ein bewegtes Bett, aus dem Vergasungsrückstände abgezogen werden. Von dem Nachvergasungsraum wird das erzeugte Gas einem Abscheider zugeführt. Ein wesentliches Merkmal des Hochtemperatur-Winkler-Verfahrens ist es, dass ein Teil der im erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilchen in dem Abscheider abgeschieden und über eine Rückführleitung in den Reaktionsraum des Vergasers zurückgeführt werden, wohingegen das von den Feststoffteilchen befreite Synthesegas den Abscheider verlässt.
Bei den kohlenstoffhaltigen Feststoffen kann es sich beispielsweise um Biomasse, recyclefähiges Material, Kunststoff oder Kohle etc. handeln. Üblicherweise werden zum Eintrag dieses Einsatzgutes in den unter Überdruck betriebenen Reaktions-raum des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers Eintragsschnecken oder pneuma-tisch betriebene Eintragungsorgane verwendet.
Bei der Verwendung von Eintragsschnecken wird das Einsatzgut über ein in der Art eines Druckschleusesystems betriebenes Kohlesschleusesystem durch konusförmige Kohlewiege- und Kohlevorlagebehälter, zwischen denen eine Kohleschleuse geschaltet ist, geleitet. Im Anschluss daran wird das Einsatzgut über Eintragsschnecken in den Hochtemperatur-Winkler-Vergaser befördert. Ein Nachteil dieser Technik des Eintrages ist es, dass die elektromotorisch angetriebenen Eintragsschnecken nur eine begrenzte Aufnahmekapazität haben, so dass in der Regel mehrere Eintragsschnecken verwendet werden müssen, um das Einsatzgut zügig und in ausreichendem Maße in den Vergaser zu befördern. Hinzu kommt, dass sich die Elektromotoren aufgrund der mit der Förderung des Einsatzgutes einhergehenden Wärmeentwicklung durch eine nicht geringe Anfälligkeit auszeichnen und die Abdichtung zur Atmosphäre, insbesondere bei hohem Betriebsdruck, schwierig ist.
Bei der pneumatischen Förderung wird das Einsatzgut von einem strömenden Gas getragen und mitgeführt, wobei der Gasstrom durch einen Druckunterschied zwi-schen Anfang und Ende einer das Einsatzgut und das Gas transportierenden Transportleitung bewirkt wird. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass für die Bestückung des Vergasers mit dem Einsatzgut sehr große Gasmengen benötigt werden, was wiederum mit nicht geringen Kosten sowie mit einem nicht geringen konstruktiven Aufwand für Lagerung und Zuführung des Gases verbunden ist.
Als weiteres Eintragungsorgan, auch in Kombination mit einer pneumatischen Förderung, sind aus dem neuesten Stand der Technik unter der Wirkung der Schwerkraft arbeitende Schrägrohre (sloped pipe) bekannt, deren Einsatz jedoch, wie bisherige Erfahrungen in Testanlagen zeigen, aufgrund von in den Leitungen auftretenden thermischen Prozessen nur begrenzt möglich ist, was sich insbesondere bei der Beförderung von bestimmten Kohlearten zeigt. Zudem erfordert die-se Art der Förderung einen größeren konstruktiven Aufwand, da dem Schrägrohr ein weiterer Sammelbehälter für die Trennung der Feststoffe von dem transportierenden Gas vorgeschaltet werden muss.
EP 0 074 669 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Dosierung von, insbesondere backenden, Brennstoffen in einem Wirbelschichtreaktor.
DE 10 2005 048 488 A1 offenbart Verfahren und Vorrichtungen für Flugstromvergaser hoher Leistung.
DE 43 40 459 C1 offenbart Verfahren zum Betreiben eines Wirbelschichtreaktors zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein eingangs beschriebenes Verfahren so auszugestalten, dass eine schnelle, kostengünstige und deutliche Zu-fuhr von kohlenstoffhaltigen Feststoffen ermöglicht wird.
Mit einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung in den Vergaser eingebracht werden.
Bei der Dichtstromförderung wird das Einsatzgut pneumatisch in Gestalt eines höheren Feststoffmassenstromes befördert.
Vorteile der Dichtstromförderung, wie weniger Störanfälligkeit gegenüber verklebendem oder feuchtem Transportgut, geringe Energiekosten aufgrund einer niedrigeren Verdichterleistung und ein reduzierter Abrieb des Transportgutes, sind bekannt. Entwicklungsarbeiten im Rahmen der Erfindung haben jedoch zudem gezeigt, dass die Zuführung des Einsatzgutes in einen Hochtemperatur-Winkler-Vergaser mittels einer pneumatischen Dichtstromförderung den Vorteil hat, dass größere Mengen Inertgas als bei der Schneckenförderung und viel geringere Mengen Inertgas als bei der pneumatischen Förderung in das fluidisierte Wirbelbett des Vergasers gebracht werden kann, ohne dass diese Gasmenge das charakteristische fluidisierte Wirbelbett beeinträchtigt. Zudem kann dieses Gas gleichzeitig als fluidisierendes Gas eingesetzt werden. Auch kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der konstruktive Aufwand verringert werden, da auf einen Vorlagebehälter, der im Falle von Kohleschnecken und einer pneumatischen Förderung dem Vergaser vorgeschaltet ist, verzichtet werden kann.
Um eine geringere Materialverdichtung hervorzurufen, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe am Austritt des Druckbehälters fluidisiert werden.
Zur Durchführung des Verfahrens sieht die Erfindung eine Anlage mit mindestens folgenden Komponenten vor:

- einen Druckbehälter einer pneumatischen Dichtstromförderanlage,
- einen HTW-Vergaser,
- mehrere Förderleitungen.

Grundlegende Idee bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist es, den Druckbehälter einer pneumatischen Dichtstromförderanlage über eine Förderleitung, die ebenfalls Komponente einer pneumatischen Dichtstromförderanlage sein kann, mit dem HTW-Vergaser zu verbinden. Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass die kohlenstoffhaltigen Stoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung und direkt in den Vergaser eingebracht werden, ohne dass zwischen dem Druckbehälter und dem HTW-Vergaser weitere Vorrichtungen, wie ein Vorlagebehälter, zwischengeschaltet werden müssen.
Um die Fördermenge weiter zu erhöhen, sieht eine praktikable Variante der Erfin-dung vor, dass mindestens zwei Förderleitungen in den Vergaser münden. Um die Förderung auch unter Nutzung der Schwerkraft ablaufen zu lassen, ist es zweckmäßig, dass die Förderleitung unmittelbar vor dem Vergaser in einem Winkel schräg nach unten in die Wirbelschicht geführt wird. Hierbei sollte vorzugsweise die Förderleitung in ein Schrägrohr münden. Die Schräge kann dabei kleiner 90° gegenüber der Horizontalen betragen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:

1 ein herkömmliches, mehrstufiges Verfahren für die Beschickung eines Reaktors für einen Vergasungsprozess nach dem Hochtemperatur-Winkler-Verfahren,
2 ein Verfahren gemäß der Erfindung,
3 eine erfindungsgemäße Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein herkömmliches mehrstufiges Verfahren für die Beschickung eines Reaktionsraumes 3 eines Vergasers in Gestalt eines Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2. Das Verfahren beginnt damit, dass das Einsatzgut 2a dem Druckschleusensystem 6, bestehend aus dem konusförmigen Kohlewiegebehälter 7, der konusförmigen Kohleschleuse 8 sowie dem konusförmigen Kohlevorlagebehälter 9, zugeführt wird. Über die Förderschnecken 11 wird das mittels des Dosierzellenrades 10 dosierte Einsatzgut 2a aus dem Kohlevorlagebehälter 9 in die Kohleeintragsschnecke 11a gegeben, um das Einsatzgut 2a in dosierter und geregelter Weise in den Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2 zu befördern. Alternativ wird auch ein Schrägrohr 16 anstatt der Schnecken 11, 11a verwendet. Das Einsatzgut 2a, d.h. die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe wie Biomasse, Kohle etc., werden in dem Reaktionsraum 3 in einem in 1 nicht gezeigten fluidisierten Wirbelbett bei hohen Temperaturen und bei einem erhöhten Druck vergast. Das hierbei erzeugte Gas wird dem Abscheider 4 zugeführt, wobei ein Teil der in dem erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilchen in dem Abscheider 4 abgeschieden und über die Rückführleitung 5 in den Reaktionsraum 3 des Vergasers 2 zurückgeführt wird. Das von den Feststoffteilchen befreite Synthesegas verlässt hingegen den Abscheider 4. Unterhalb des fluidisierten Wirbelbettes werden Vergasungsrückstände aus dem Festbett über die Leitungen 14, 15 abgezogen.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, erfolgt die Beschickung des Vergasers 2 mit dem Einsatzgut 2a mehrfach. Diese mehrfache Beschickung dient dazu, den Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 möglichst schnell mit ausreichendem Einsatzgut 2a zu versorgen, wozu jedoch eine Mehrzahl von elektromotorisch betrie-benen Schnecken 11, 11a oder Schrägrohren 16 eingesetzt werden müssen.
Um die in 1 gezeigte relativ aufwändige und anfällige Fördermethode zu ersetzen, wird, wie 2 verdeutlicht, in erfindungswesentlicher Weise das Einsatzgut 2a, d.h. die kohlenstoffhaltigen Feststoffe, pneumatisch mit Dichtstromförderung 3a in den Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2 eingebracht. Hierzu wird das Einsatzgut 2a durch eine Förderleitung 12 transportiert, die mit einem in 2 nicht gezeigten Druckbehälter, wie er in einer pneumatischen Dichtstromförderanlage vorzufinden ist, verbunden ist. Die Förderleitung 12 geht unmittelbar vor dem Vergaser 2 in ein Schrägrohr 13 über, das wiederum in den Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 mündet.
3 zeigt die Anlage zur Durchführung des in 2 gezeigten Verfahrens. Diese setzt sich im Wesentlichen aus einem Druckbehälter 17, wie er aus einer herkömmlichen pneumatischen Dichtstromförderanlage bekannt ist, einer Förderleitung 12 sowie einem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 zusammen.
Im oberen Bereich des Druckbehälters 17 befindet sich ein Eintrag 18, durch den das Einsatzgut 2a in den Druckbehälter 17 eingebracht wird. Dabei kann die Einbringung des Einsatzgutes 2a in Schwerkraftfluss aus einem in 3 nicht gezeig-ten oberhalb des Druckbehälters 17 angeordneten Schleusebehälter oder über eine in 3 ebenfalls nicht gezeigte im Dichtstrom betriebene pneumatische Dichtstromförderung erfolgen. Neben den herkömmlichen Zuleitungen und Venti-len für die Differenzdruckhaltung zum Vergaser weist der Druckbehälter 17 zudem in seinem unteren Bereich Fluidisiergasdurchlassöffnungen 19, 20, 21, 22 in Gestalt eines Fluidisierkonus mit porösem Material (wie Sintermetall) oder von Düsen auf, um fluidisierendes Gas in den Druckbehälter 17 einzuspeisen. Das Fluidisierungsgas dient der Fluidisierung des in der Förderleitung 12 geförderten Fördergutes, d.h. der kohlenstoffhaltigen Feststoffe, die für die Vergasung in dem Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2 vorgesehen sind. Die Förderleitung 12 zwischen Druckbehälter 17 und Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 mündet in das Schrägrohr 13.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Anlage auch mehrere Förderleitungen 12 aufweisen, die zwischen dem Druckbehälter 17 und dem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 angeordnet sind und in den Vergaser 2 münden.
Bezugszeichenliste

1: Anlage
2: Hochtem peratur-Winkler-Vergaser
2a: Einsatzgut
3: Reaktionsraum
3a: Dichtstromförderung
4: Abscheider
5: Rückführleitung
6: Druckschleusensystem
7: Kohlewiegebehälter
8: Kohleschleuse
9: Kohlevorlagebehälter
10: Dosierzellenrad
11: Förderschnecken
11 a: Kohleeintragsschnecke
12: Förderleitung
13, 16: Schrägrohr
14, 15: Leitungen
17: Druckbehälter
18: Eintrag
19, 20, 21, 22: Fluidisiergasdurchlassöffnungen

Claims

Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem Wirbelschichtgasprozess in einem als Hochtemperatur-Winkler-Vergaser (HTW) ausgebildeten Vergaser (2), bei dem die kohlenstoffhaltigen Feststoffe in den Reaktionsraum (3) des Vergasers (2) eingebracht und in einem Wirbelbett des Vergasers (2) vergast werden, wobei zumindest ein Teil der im erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilchen abgeschieden und in den Reaktionsraum (3) des Vergasers (2) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung (3a) in den Reaktionsraum (3) des Vergasers (2) eingebracht werden, wobei zwischen einem Druckbehälter (17) und dem Vergaser (2) mehrere Förderleitungen (12) angeordnet sind, welche in den Vergaser (2) münden, und zwischen dem Druckbehälter (17) und dem Vergaser (2) keine weiteren Vorrichtungen zwischengeschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe vor Eintritt in die Förderleitungen (12) fluidisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (17) im Schwerkraftfluss oder über eine pneumatisch betriebene Dichtstromförderung mit einem Einsatzgut (2a) nachgefüllt wird.
Anlage (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, aufweisend: - zumindest einen Druckbehälter (17) einer pneumatischen Dichtestromförderanlage, - einen als Hochtemperatur-Winkler-Vergaser (HTW) ausgebildeten Vergaser (2), - mehrere Förderleitungen (12), wobei der Druckbehälter (17) und der Vergaser (2) verbunden sind und die Förderleitungen (12) zwischen Druckbehälter (17) und Vergaser (2) angeordnet sind und in den Vergaser (2) münden, und zwischen dem Druckbehälter (17) und dem Vergaser (2) keine weiteren Vorrichtungen zwischengeschaltet sind.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schrägrohr (13) Teil der Förderleitungen (12) ist und in den Vergaser (2) mündet, wobei die Schräge kleiner 90° gegenüber der Horizontalen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (17) zum Nachfüllen im Schwerkraftfluss oder über eine pneumatisch betriebene Dichtstromförderung ausgebildet ist.