DE102013112995A1

DE102013112995A1 - Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffbettes in einem Festbettdruckvergasungsreaktor

Info

Publication number: DE102013112995A1
Application number: DE102013112995.1A
Authority: DE
Inventors: Osman Turna; Henrik Timmermann; Frederic Judas; Michael Kress; Jörg Bettner
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: DE102013112995B4; AU2014352152B2; CN104650981A; CN204569844U; CN104650981B; AU2014352152A1; WO2015074888A1

Abstract

Verfahren zum Aufheizen des Brennstoffbettes bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors, wobei die zum Aufheizen des Brennstoffbetts notwendige Wärmeenergie durch außerhalb des Reaktors erzeugtes Rauchgas als Wärmeträger in das Brennstoffbett eingeführt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors zur Erzeugung von Synthesegas durch Umsetzen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, beispielsweise Kohle, Koks oder stückige Biomasse mit ausreichend hohem Kohlenstoffanteil unter Verwendung von Sauerstoff, Luft und/oder Wasserdampf als Vergasungsmittel.
Die Erfindung umfasst ebenso einen Festbettdruckvergasungsreaktor, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Stand der Technik
Mittels Festbettdruckvergasungsreaktoren wird fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoff, wie Kohle, Koks oder sonstige stückige Biomasse mit Wasserdampf (nachfolgend vereinfachend als Dampf bezeichnet) und Sauerstoff oder Luft in einem Schachtreaktor unter Überdruck zu einem hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendem Synthesegas vergast, wobei eine feste Asche erhalten wird, die über einen Ascheaustragsrost, der in vielen Fällen als Drehrost ausgebildet ist, aus dem Reaktor ausgetragen wird, vgl. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Vol. 15, Seite 369. Dieser Reaktortyp wird häufig auch als FBDB-(= Fixed Bed Dry Bottom)-Druckvergaser bezeichnet. Als Brennstoff wird dabei ein kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff verstanden, der nicht nur der Wärmeerzeugung, sondern auch als Edukt für die Synthesegasbildung dient.
Beim Aufheizen des Brennstoffbettes wird angestrebt, dass die Unterseite des Bettes, möglichst gleichmäßig über den Querschnitt, auf Zündtemperatur aufgeheizt wird. Unter Zündtemperatur wird hier die Temperatur verstanden, bei der nach Hinzufügen des Vergasungsmittels dieses mit dem im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoff zu Kohlenoxiden und Wasserstoff reagiert.
Bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors wird die zum Aufheizen des Brennstoffbettes bis auf Zündtemperatur notwendige Wärmeenergie entweder mittels Hochdruckdampfs oder indem im Reaktor ein leicht entzündliches Material, wie z.B. Holz verbrannt wird, in das Bett eingetragen. So lehrt die Offenlegungsschrift DE 4 013 739 A1 , dass zum Aufheizen des Brennstoffbettes im Festbettdruckvergasungsreaktor diesem ein Zündbrennstoff zugeführt und entweder schon vor Zuführung gezündet oder durch ein Zündinitial im Reaktor gezündet werden kann. Alternativ kann der Festbettdruckvergasungsreaktor mit Brennstoff gefüllt und danach mittels Dampf bis über die Selbstentzündungstemperatur des Vergasungsstoffes aufgeheizt und schließlich mit einem Luft-Dampf-Gemisch gezündet werden. Schließlich schlägt die DE 4 013 739 A1 vor, für das Aufheizen des Brennstoffbettes ein Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisch zuzuführen, wobei während des Aufheizens die Zusammensetzung des Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisches so gestaltet wird, dass der Sauerstoffanteil gerade so hoch ist, dass eine stete Erhöhung des Temperaturniveaus im Reaktor möglich ist, andererseits aber ein explosibles Gasgemisch, selbst bei Nichtumsetzung des Sauerstoffanteiles im Reaktor, nicht entstehen kann. Das Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisch wird in unterkritischer Zusammensetzung eingestellt, wobei als kritische Zusammensetzung der Sauerstoffgehalt im Gasgemisch zu verstehen ist, der bei Nichtumsetzung im Reaktor gerade ausreichen würde, im Anfahrrohgas bzw. im Gemisch Anfahrrohgas und Rohgas ein explosibles Gasgemisch zu bilden.
Nachteilig an diesen Verfahren zum Erreichen der Zündtemperatur ist, dass sie zum Erreichen sehr hoher Zündtemperaturen, wie sie bei einigen Kohle- und Kokssorten gegeben sind, technisch sehr aufwendig sind.
So wird Hochdruckdampf, meistens in überhitzter Form, üblicherweise nur bis zu einer Dampftemperatur von ca. 430 °C eingesetzt. Höhere Temperaturen würden einen unwirtschaftlich hohen technischen Aufwand bei Dampferzeugung und bei der Überführung des Dampfes in den Reaktor erfordern. Da dieser Dampf über den gleichen Weg wie der bei der Gasproduktion verwendete Dampf, d. h. durch den Drehrost hindurch, in das Brennstoffbett eingeführt wird, wäre der Drehrost der hohen Temperatur ausgesetzt. Ein höherer thermischer Verschleiß und/oder eine aufwendigere Konstruktion des Drehrostes wäre die Folge.
Auch die Methode, die Wärme über das Verbrennen eines Zündbrennstoffs, wie Holz, im Reaktor zu erzeugen, erfordert einen großen technischen und zudem zeitlichen Aufwand. Außerdem besteht bei diesen Methoden die Gefahr, dass das Brennstoffbett nur ungleichmäßig über den Querschnitt bis zur Zündtemperatur erwärmt und dadurch, in der Startphase der Gaserzeugung, der mit dem Dampf in das Festbett eingeführte Sauerstoff nur unvollständig umgesetzt wird.
Andererseits ist eine kontinuierliche Nachführung des Sauerstoffgehalts im Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisch in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatursteigerung, wie es in der DE 4 013 739 A1 vorgeschlagen wird, mess- und regelungstechnisch nur sehr aufwendig zu realisieren. Wenn dabei in Richtung hoher Sauerstoffgehalte von der Idealzusammensetzung des Zünd-Anfahrvergasungsmittelgemisches abgewichen wird, besteht wiederum die Gefahr der Bildung kritischer, also explosibler Gasgemische.
In der Startphase, d. h. bis eine nahezu vollständige Umsetzung des in das Brennstoffbett eingeführten Sauerstoffs erfolgt, muss das produzierte Rohsynthesegas über eine Fackel abgegeben werden, um den Eintrag von Sauerstoff in das betriebliche Gasverteilungsnetz und damit eine Explosionsgefahr auszuschließen. Daher kommt der Brennstoff in der Startphase nicht der Synthesegasproduktion zu gute und die Umwelt wird stark belastet.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen das die oben dargestellten Nachteile vermeidet.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Aufheizen des Brennstoffbetts bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors, umfassend folgende Verfahrensschritte:

(a) Bereitstellen eines Festbettdruckvergasungsreaktors, umfassend einen Vergasungsmitteleinlass, einen Produktgasauslass, ein auf einem Ascheaustragsrost angeordnetes Brennstoffbett aus festem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff, eine Brennstoffzuführvorrichtung, eine Ascheabführvorrichtung;
(b) Einführung von heißem Heizgas in das Brennstoffbett und Abführung und Abführung des abgekühlten Heizgases aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor über den Produktgasauslass;
(c) Durchführung des Schrittes (b), bis mindestens in einem Teil des Brennstoffbetts die Zündtemperatur des Brennstoffs erreicht ist, wobei es sich bei dem in Schritt (b) verwendeten Heizgas um außerhalb des Festbettdruckvergasungsreaktors erzeugtes Rauchgas handelt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 12.
Das Erreichen der Zündtemperatur wird, nach der schon aus dem bisherigen Stand der Technik bekannten Vorgehensweise, indirekt, aus der Temperatur und dem Konzentrationsverhältnis von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid des den Reaktor verlassenden Gases ermittelt.
Die Zündtemperatur (auch Zündpunkt, Selbstentzündungstemperatur, Entzündungstemperatur oder Entzündungspunkt) ist diejenige Temperatur, auf die man einen Stoff oder eine Kontaktoberfläche erhitzen muss, damit sich eine brennbare Substanz (Feststoff, Flüssigkeit, deren Dämpfe oder Gas) in Gegenwart von Luft ausschließlich aufgrund seiner Temperatur – also ohne Zündquelle wie einen Zündfunken – selbst entzündet. Sie ist bei jedem Stoff unterschiedlich hoch und in vielen Fällen vom Druck abhängig. Für die Bestimmung der Zündtemperatur beispielsweise von Kohle existieren verschiedene Methoden, die dem Fachmann seit langem bekannt sind, vgl. beispielsweise Ray W. Arms, The Ignition Temperature of Coal, Bulletin No. 128, University of Illinois Bulletin Vol. XIX, No. 33, 10.04.1922.
Das Rauchgas wird in einer außerhalb des Festbettdruckvergasungsreaktors liegenden Rauchgaserzeugungsanlage durch Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, beispielsweise von Erdgas oder von bereits zuvor erzeugtem und zwischengespeichertem Synthesegas, erzeugt. Die Einstellung des Mischungsverhältnisses von Sauerstoff zu Brennstoff erfolgt so, das im erzeugten Rauchgas kein freier Sauerstoff (O₂) enthalten ist. Ein Gehalt von O₂-Spuren ist dabei unkritisch.
Die Temperatur des Rauchgases wird durch die Zugabe von Kohlendioxid oder Wasserdampf als Moderatoren eingestellt.
Die Verwendung von Rauchgas an Stelle von Dampf als Wärmeträger ist technisch weniger aufwendig, da dabei kein System zur Dampferzeugung benötigt wird.
Rauchgastemperaturen können bis 1200°C mit wirtschaftlich vertretbarem technischem Aufwand erzielt werden. Durch diese hohen Temperaturen wird die Zündtemperatur im Brennstoff sehr viel schneller und sicherer erreicht, als bei der Aufheizung mit den weit niedrigeren Temperaturen nach der herkömmlichen Methode. Dadurch kann die Aufheizphase, in der das Gas über ein Abgasentsorgungssystem, beispielsweise eine Fackel abgeführt werden muss, verkürzt werden oder sogar ganz entfallen. Wenn schon das in der Aufheizphase erzeugte Gas in das betriebliche Gasverteilungsnetz eingespeist werden soll, muss der Druck des zum Aufheizen verwendeten Rauchgases dem Betriebsdruck des Gasnetzes entsprechen, d.h. dass die Verbrennungsgase mit dem entsprechenden Druck in die Rauchgaserzeugungsanlage eingespeist werden müssen. In diesem Fall ist es daher günstig, die Brennkammer bei dem Betriebsdruck des Gasnetzes bzw. des Festbettdruckvergasungsreaktors zu betreiben.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
Da die hohe Temperatur des Rauchgases den Ascheaustragsrost thermisch stark belasten würde, ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas oberhalb des Ascheaustragsrostes in das Brennstoffbett eingeführt wird. Die Einführung sollte idealerweise in Höhe oder möglichst dicht über der Obergrenze des Asche- oder Schlackenbettes, wie sie sich im Produktionsbetrieb einstellt, liegen. Diese Höhe befindet sich häufig 50 bis 100 cm über dem höchsten Punkt des Rostes. Die im Einzelfall konkret gewählte Höhe folgt aus Erfahrungen die mit dem jeweiligen Brennstoff gesammelt wurden und aus der jeweiligen Reaktorgröße. Als besonders günstige senkrechte Abstände zwischen dem Rauchgaseinlass und dem höchsten Punkt des Ascheaustragsrostes haben sich Abstände von 1 bis 500 cm, bevorzugt 10 bis 200 cm, meist bevorzugt 20 bis 100 cm erwiesen.
Dadurch, dass die Einführung des heißen Rauchgases in einem gewissen Abstand oberhalb des Rostes erfolgt, wird einerseits der Rost vor der hohen Gastemperatur geschützt, andererseits kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Wiederaufheizen eines erkalteten Brennstoffbetts verwendet werden, wenn das Rauchgas oberhalb der Ascheschicht in das Bett eingeführt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas über Rauchgaseinlässe, also Zugänge in der Reaktorwandung, die gleichmäßig über den Umfang des Reaktors verteilt sind, in das Brennstoffbett eingeführt wird. Dabei ist es oft empfehlenswert, die Zugänge in gleicher Höhe über dem Rost anzuordnen; es ist aber auch möglich, sie in unterschiedlichen Höhen zu installieren, um auf unterschiedliche betriebliche Gegebenheiten reagieren zu können.
Besonders bevorzugt werden die Rauchgaseinlässe räumlich getrennt von dem Vergasungsmitteleinlass angeordnet. Hierdurch können beide Stoffströme, also der Rauchgasstrom und der Vergasungsmittelstrom, getrennt voneinander an jeweils geeigneten Zugabestellen in den Festbettdruckvergasungsreaktor eingegeben werden. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Regelung und Verteilung der Stoffströme über den Reaktorquerschnitt und verringert die Gefahr der Bildung explosibler Gasgemische. Zudem muss dann das Heizgas nicht über den thermisch nur begrenzt belastbaren Ascheaustragsrost geführt werden.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rauchgaszugänge in der Reaktorwandung als Düsen oder Blasformen ausgebildet, oder es können in ihnen Düsen installiert sein, durch die das Rauchgas in das Brennstoffbett eingeführt wird.
Günstiger weise sollten die Düsen das Rauchgas als Gasstrahl radial nach innen, in das Brennstoffbett hinein führen. Es kann günstig sein, den Gasstrahl mit einem in Richtung auf den Ascheaustragsrost geneigten Winkel in das Brennstoffbett hinein zu führen. Da die Zugabestellen für das Rauchgas von dem Aufgaberost senkrecht beabstandet sind, wird auf diese Weise auch die zwischen den Rauchgaseinlässen und dem Ascheaustragsrost befindliche Brennstoffschicht aufgeheizt. Zudem wird somit der Weg des Rauchgases durch die Brennstoffschüttung verlängert, so dass eine verbesserte Wärmeübertragung resultiert. Es müssen aber in jedem Fall die Auslegungsgrenzen des Ascheaustragsrostes berücksichtigt werden, um ein Überhitzen und mithin eine Beschädigung des Ascheaustragsrostes zu vermeiden. Es empfiehlt sich daher bei sehr kleinen Abständen zwischen den Rauchgas-Zugabestellen und dem Ascheaustragsrost, den Neigungswinkel des Gasstrahls sehr klein zu wählen oder diesen parallel zu dem Ascheaustragsrost in das Brennstoffbett einzuführen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung beträgt der senkrechte Abstand zwischen einem Rauchgaseinlass und dem höchsten Punkt des Ascheaustragsrostes 1 bis 500 cm, bevorzugt 10 bis 200 cm, meist bevorzugt 20 bis 100 cm. Diese Abstandswerte sind Erfahrungswerte, die auf üblichen Baugrößen von Festbettdruckvergasungsreaktoren beruhen. Je kleiner die Bauhöhe eines Festbettdruckvergasungsreaktors ist, umso geringer wird man auch den Abstand zwischen den Rauchgaseinlässen und der Oberkante des Ascheaustragsrostes wählen, um den geringeren vorhandenen Platz voll auszunutzen.
In vielen Anwendungsfällen ist es weiterhin günstig und ist es daher Gegenstand einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Auslassseiten der Rauchgaseinlässe, also beispielsweise der Düsen oder Blasformen, mit der Innenwand des Festbettdruckvergasungsreaktors abschließen, d.h. nicht in den Reaktorinnenraum hineinragen.
Auf diese Weise werden die Düsen mechanisch nicht durch die im Reaktor herabsinkende Brennstoffschüttung beansprucht.
Es kann aber auch sinnvoll sein, die Düsen in den Reaktor hineinragen zu lassen, um das heiße Rauchgas von der Reaktorinnenwand fern zu halten.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei, bevorzugt zwei bis zehn Rauchgaseinlässe mit jeweils gleichen Winkelabständen voneinander vorgesehen sind. Auf diese Weise wird ein besonders homogenes Aufheizen des Brennstoffbettes erreicht. Je größer der Durchmesser des Festbettdruckvergasungsreaktors ist, desto mehr Rauchgaseinlässe sollten vorgesehen werden.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung liegen die Rauchgaseinlässe alle auf derselben horizontalen Ebene und sind über eine Ringgasleitung verbunden. Hierdurch kann eine homogene Verteilung des Rauchgases auf die einzelnen Rauchgaseinlässe sichergestellt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Rauchgas in einer Brennkammer erzeugt wird, die räumlich von dem Festbettdruckvergasungsreaktor getrennt ist, aber mit diesem in Fluidverbindung steht. Unter Fluidverbindung wird dabei jegliche Art von Verbindung verstanden, die es ermöglicht, dass ein Fluid, beispielsweise der Rauchgasstrom, von dem einen zu dem anderen der beiden Bereiche strömen kann, unbeachtlich etwaiger zwischengeschalteter Bereiche oder Bauteile. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil sie eine erhöhte Flexibilität bei der Aufstelllung von Festbettdruckvergasungsreaktor und Brennkammer. Es kann sogar in Betracht gezogen werden, die Brennkammer mobil auszugestalten, so dass sie nach der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors für die nachfolgende Inbetriebnahme eines weiteren, räumlich getrennten Festbettdruckvergasungsreaktors genutzt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennkammer bei dem normalen Arbeitsdruck des Festbettdruckvergasungsreaktors betrieben wird. Hierdurch kann das Aufheizen des Brennstoffbettes mittels Rauchgasen bereits bei dem nachfolgenden Arbeitsdruck des Festbettdruckvergasungsreaktors erfolgen. Eine weitere Druckerhöhung bei der Inbetriebnahme des Festbettdruckvergasungsreaktors erübrigt sich daher.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Brennkammer als Brennstoff Rohsynthesegas aus einem Gasspeicher, beispielsweise einem Gasometer, zugeführt. Auf diese Weise wird vermieden, dass wertvoller Brennstoff, beispielsweise Erdgas, für die Rauchgaserzeugung verbraucht werden muss.
Die Erfindung betrifft auch einen Festbettdruckvergasungsreaktor, umfassend einen Vergasungsmitteleinlass, einen Produktgasauslass, ein auf einem Ascheaustragsrost angeordnetes Brennstoffbett, eine Brennstoffzuführvorrichtung, eine Ascheabführvorrichtung; gekennzeichnet durch eine räumlich von dem Festbettdruckvergasungsreaktor getrennte, aber mit diesem in Fluidverbindung stehende Brennkammer und Rauchgaseinlässe.
In besonderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Festbettdruckvergasungsreaktors sind mindestens zwei, bevorzugt zwei bis zehn Rauchgaseinlässe mit jeweils gleichen Winkelabständen vorgesehen, die besonders bevorzugt als Düsen oder Blasformen ausgestaltet sind und oberhalb des Ascheaustragsrostes angeordnet werden.
Ausführungs- und Zahlenbeispiele
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht beschränkenden Ausführungs- und Zahlenbeispielen und den Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination die Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch einen Festbettdruckvergasungsreaktor,
2 einen Querschnitt durch einen Festbettdruckvergasungsreaktor in Höhe der Rauchgaszuführung.
1 zeigt beispielhaft, wie die Rauchgaseinlässe in gleicher Höhe auf dem Umfang des Festbettdruckvergasungsreaktors 1 verteilt sind. Dem Festbettdruckvergasungsreaktor wird über die Brennstoffzugabe 3 Brennstoff, im vorliegenden Beispiel Stückkohle, zugeführt. Die als Nebenprodukt der Vergasung erhaltene Asche wird über die Ascheaustragsvorrichtung 6 aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor ausgeleitet. Das Vergasungsmittel, im vorliegenden Beispiel Dampf und Luft bzw. Sauerstoff, wird nach Abschluss des Aufheizverfahrens über den Vergasungsmitteleinlass 5 in den Festbettdruckvergasungsreaktor unterhalb des Ascheaustragsrostes 2 eingeführt, der im vorliegenden Beispiel als Drehrost ausgestaltet ist. Das dabei erzeugte Rohsynthesegas wird über den Produktgasauslass 6 aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor ausgeleitet und der weiteren Aufarbeitung zugeführt.
Während des erfindungsgemäßen Aufheizverfahrens wird dem auf dem Ascheaustragsrost 2 angeordneten, in 1 nicht dargestellten Brennstoffbett über die Rauchgaseinlässe 7 Rauchgas aufgegeben, das durch Verbrennen von Rohsynthesegas in einer externen Brennkammer (nicht gezeigt in 1) erzeugt wurde. Die Temperatur des Rauchgases muss dabei über der Zündtemperatur des verwendeten Brennstoffs liegen. Je höher sie ist, umso geringer kann der Rauchgasmassenstrom zum Erreichen einer bestimmten Aufheizwirkung gewählt werden. Es sind dabei aber die Temperatur-Auslegungsgrenzen hinsichtlich der im Rauchgasweg und im Festbettdruckvergasungsreaktor verwendeten Werkstoffe zu berücksichtigen.
Die Brennkammer und der Festbettdruckvergasungsreaktor befinden sich dabei bereits auf einem Druck von 40 bar, absolut, also dem späteren Arbeitsdruck während des Vergasungsbetriebes. Das Rauchgas durchströmt das Brennstoffbett und heizt dieses im direkten Wärmetausch auf Temperaturen oberhalb der Zündtemperatur der eingesetzten Kohle auf. Über den Produktgasauslass 6 wird das abgekühlte Rauchgas aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor ausgeleitet und der Abgasentsorgung, beispielsweise einem Fackelsystem, zugeführt.
Nachdem die Temperatur des Brennstoffbettes zumindest stellenweise die Zündtemperatur überschritten hat, wird die Rauchgaszufuhr unterbrochen oder reduziert und das Vergasungsmittel zugeführt. Das Erreichen der erforderlichen Zündtemperatur kann beispielsweise durch Messung der Temperatur des den Festbettdruckvergasungsreaktor verlassenden Rauchgases überprüft werden. Wenn diese die durch Voruntersuchungen ermittelte Zündtemperatur des eingesetzten Brennstoffes erreicht oder überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass zumindest ein Teil des Brennstoffbettes die Zündtemperatur erreicht oder sogar überschritten hat. Alternativ oder zusätzlich kann das Erreichen der Zündtemperatur durch kontinuierliche Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses von CO und CO2 in dem den Festbettdruckvergasungsreaktor verlassenden Rauchgas überprüft werden. Hierzu können die üblichen Methoden der Online-Gasanalyse verwendet werden. Nach Beginn der Vergasungsmittelzufuhr befindet sich der Festbettdruckvergasungsreaktor im Normalbetrieb.
Beispielhaft können bei dem Aufheizen und der Inbetriebnahme des Festbettdruckvergasungsreaktors folgende Schritte durchlaufen werden:
Schritt 1: Vorheizen des Festbettdruckvergasungsreaktors mit Rauchgas aus einer externen Brennkammer ohne O₂-Überschuß aus Sicherheitsgründen, Druck in Brennkammer und Festbettdruckvergasungsreaktor 30 bis 40 bar, absolut. Typische Druckobergrenze: 60 bar, absolut.
Schritt 2: Durchheizen des Brennstoffbettes mit Rauchgasen, Zugabe eines geringen O₂-Überschusses bei der Rauchgaserzeugung, damit Beginn der Vergasung, kontinuierliche Überwachung der Gasqualität durch Online-Gasanalyse des den Festbettdruckvergasungsreaktor verlassenden Gases, Reduzierung des Rauchgasstroms.
Schritt 3: Nach Erreichen der Zündtemperatur: Anfahren des Festbettdruckvergasungsreaktors durch Zugabe von Wasserdampf/Luft als Vergasungsmittel über den Drehrost (Anfahr-Vergasungsbetrieb). Stufenweise Steigerung des Vergasungsmittelmassenstroms.
Schritt 4: Umstellung des Vergasungsmittels auf Dampf/O₂, Zugabe über den Drehrost (Anfahr-Niedriglastbetrieb). Stufenweise Steigerung der O₂-Konzentration im Vergasungsmittel.
Schritt 5: Normalbetrieb ist erreicht, wenn das erzeugte Rohsynthesegas O₂-frei, die CO₂-Konzentration im Rohsynthesegas < 35 Vol.-% und die CO-Konzentration im Rohsynthesegas > 15 Vol.-% ist. Beenden der Rauchgaszugabe bis auf einen kleinen Spülstrom.
In 2 ist ein Querschnitt durch den Festbettdruckvergasungsreaktor 1 entlang der horizontalen Ebene A-A gezeigt. Es sind als Beispiel acht Rauchgaseinlässe dargestellt. Die im Einzelfall konkret geeignete Zahl der Rauchgaseinlässe hängt hauptsächlich von dem Durchmesser des Festbettdruckvergasungsreaktors, der Höhe des Brennstoffbettes, dem verwendeten Brennstoff und den Eigenschaften des Rauchgases ab.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem das Aufheizen und die Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors beschleunigt und damit die Menge der im Anfahrbetrieb über die Fackel an die Umwelt abgegebenen Gase verringert wird.
Bezugszeichenliste

1: Festbettdruckvergasungsreaktor
2: Ascheaustragsrost
3: Brennstoffzuführvorrichtung
4: Ascheabführvorrichtung
5: Vergasungsmitteleinlass
6: Produktgasauslass
7: Rauchgaseinlass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4013739 A1 [0005, 0005, 0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Vol. 15, Seite 369 [0003]
Ray W. Arms, The Ignition Temperature of Coal, Bulletin No. 128, University of Illinois Bulletin Vol. XIX, No. 33, 10.04.1922 [0015]

Claims

Verfahren zum Aufheizen des Brennstoffbetts bei der Inbetriebnahme eines Festbettdruckvergasungsreaktors, umfassend folgende Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines Festbettdruckvergasungsreaktors, umfassend einen Vergasungsmitteleinlass, einen Produktgasauslass, ein auf einem Ascheaustragsrost angeordnetes Brennstoffbett aus festem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff, eine Brennstoffzuführvorrichtung, eine Ascheabführvorrichtung; (b) Einführung von heißem Heizgas in das Brennstoffbett und Abführung des abgekühlten Heizgases aus dem Festbettdruckvergasungsreaktor über den Produktgasauslass; (c) Durchführung des Schrittes (b), bis mindestens in einem Teil des Brennstoffbetts die Zündtemperatur des Brennstoffs erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in Schritt (b) verwendeten Heizgas um außerhalb des Festbettdruckvergasungsreaktors erzeugtes Rauchgas handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas oberhalb des Ascheaustragsrostes in das Brennstoffbett eingeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas über Rauchgaseinlässe, die über den Umfang des Festbettdruckvergasungsreaktors verteilt sind, in das Brennstoffbett eingeführt wird.
Verfahrenen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgaseinlässe räumlich getrennt von dem Vergasungsmitteleinlass sind.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgaseinlässe als Düsen oder Blasformen ausgestaltet sind und so angeordnet sind, dass das Rauchgas radial nach innen und mit einem in Richtung auf den Ascheaustragsrost geneigten Winkel in das Brennstoffbett hinein geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand zwischen einem Rauchgaseinlass und dem höchsten Punkt des Ascheaustragsrostes 1 bis 500 cm, bevorzugt 10 bis 200 cm, meist bevorzugt 20 bis 100 cm beträgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassseiten der Rauchgaseinlässe mit der Innenwand des Festbettdruckvergasungsreaktors abschließen.
Verfahren gemäß Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt zwei bis zehn Rauchgaseinlässe mit jeweils gleichen Winkelabständen voneinander vorgesehen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgaseinlässe alle auf derselben horizontalen Ebene liegen und über eine Ringgasleitung verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas in einer Brennkammer erzeugt wird, die räumlich von dem Festbettdruckvergasungsreaktor getrennt ist, aber mit diesem in Fluidverbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer bei dem normalen Arbeitsdruck des Festbettdruckvergasungsreaktors betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer als Brennstoff Rohsynthesegas aus einem Gasspeicher zugeführt wird.
Festbettdruckvergasungsreaktor zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorigen Ansprüche, umfassend einen Vergasungsmitteleinlass, einen Produktgasauslass, ein auf einem Ascheaustragsrost angeordnetes Brennstoffbett, eine Brennstoffzuführvorrichtung, eine Ascheabführvorrichtung; gekennzeichnet durch eine räumlich von dem Festbettdruckvergasungsreaktor getrennte, aber mit diesem in Fluidverbindung stehende Brennkammer und Rauchgaseinlässe.
Festbettdruckvergasungsreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt zwei bis zehn Rauchgaseinlässe mit jeweils gleichen Winkelabständen vorgesehen sind.
Festbettdruckvergasungsreaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgaseinlässe als Düsen oder Blasformen ausgestaltet sind und oberhalb des Ascheaustragsrostes angeordnet werden.