DE102013219312A1 - Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung - Google Patents

Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen aus der Flugstromvergasung. Das Verfahren kann in Abkühlstrecken von Vergasungsprozessen (hauptsächlich Flugstromvergasern) Anwendung finden. Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die aus dem Rohgasabgang eines Flugstromvergasers abgezogenen heißen Rohgase und schmelzflüssige Schlacke, überwiegend ausgebildet als Wandfilm, in einer nach unten gerichteten Strömung in eine Quenchvorrichtung eingebracht und gequencht werden, ist dadurch charakterisiert, dass in den Rohgasabgang Wasserdampf mit Druck und mit einer 0,1 bis 10-fachen Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Rohgasstroms im Rohgasabgang in den Rohgasstrom eingebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen aus der Flugstromvergasung. Das Verfahren kann in Abkühlstrecken von Vergasungsprozessen (hauptsächlich Flugstromvergasern) Anwendung finden. Ein Anwendungsbereich sind beispielsweise flexible Kraftwerke mit Polygeneration-Konzept
  • Heiße Rohgase aus der Flugstromvergasung müssen zur nachfolgenden Nutzung gekühlt werden. Die Kühlung erfolgt im einfachsten Fall als Vollquench durch Eindüsung von Wasser bis zum Wasserdampftaupunkt. Das resultierende Quenchgas hat einen vorteilhaft hohen Wassergehalt für eine häufig nachgeschaltete Konvertierung, muss hierfür jedoch wieder aufgeheizt werden. Neueste Entwicklungen im Bereich der Rohgaskühlung beschäftigen sich mit der Abhitzenutzung der heißen Rohgase zur Effizienzsteigerung des Verfahrens.
  • Bekannte Verfahren, die mittels Wasser- oder Wasserdampfzugabe eine Abkühlung oder (Teil-)Konvertierung von Rohgasen aus der Flugstromvergasung bewirken, sind nachfolgend tabellarisch aufgeführt:
    Literaturstelle/Patent Wesentliche Merkmale
    Higman: Gasification Vollquench nach SFGT-Vergasungsverfahren mittels Eindüsung von Wasser in die heißen Rohgase, schlagartige Abkühlung bis zum Wasserdampftaupunkt
    SFGT Partialquench: Eindüsung von nur soviel Wasser in den heißen Rohgasstrom, das sich eine Gasaustrittstemperatur von ca. 800 °C einstellt. Reaktion wird schnell zum Erliegen kommen.
    US 2,961,310 A Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, bei denen das Rohgas durch das Eindüsen einer Brennstoff-Wasser-Slurry auf Temperaturen von ca. 500 °F (260 °C) schockartig abgekühlt werden soll. Konvertierung wird bei so niedrigen Temperaturen nicht stattfinden.
    DE 41 09 231 C2 Verfahren zur Verwertung halogenbelasteter kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe, Eindüsung von Wasserdampf und NaOH über Düsenkreuz in Rohgas. Klassischer Vollquench mit schlagartiger Abkühlung auf Wasserdampftaupunkt. Konvertierung wird nicht stattfinden.
    US 4479 809 A Hochdruck-Kohlevergaser mit Schlackeabscheideraum, in dem mit Schlacketröpfchen verunreinigtes heißes Rohgas mit kaltem Rohgas gemischt ist, Konvertierung wird aufgrund des Unterschusses am Reaktionspartner Wasser nicht stattfinden.
    DE 10 2006 031 816 A1 Verfahren und Vorrichtung zum Kühlung von heißen Gasen und verflüssigter Schlacke bei der Flugstromvergasung. Aufteilung des Kühlwassers, ein Teil Eindüsung in Rohgaseintritt, Kühlung der Behälterwand, Abwandlung des klassischen SFGT-Vollquenches mit Unterdrückung der CO-Konvertierungsreaktion
    DE 43 18 444 C2 Verfahren zur Hochtemperatur-Konvertierung, nicht angewandt, hoher apparativer Aufwand (WÜ-Flächen im Reaktor)
    Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (6th edition) Beschreibung der Abkühlung eines Rohgases der Asphaltvergasung von 1580 °C unter Zuführung von Wasser, bei dem sich das Konvertierungsgleichgewicht bei 1250 °C einstellt.
    DE 10 2007 006 984 B4 Verfahren und Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen bei der Flugstromvergasung, bei der Wasser in mehreren Ebnen eingedüst und das Quenchgas an der Umlenkhaube abgezogen wird
    EP 0 084 343 A1 Ruhrkohle Aktiengesellschaft-Basierend auf DE AS 26 50 512 , Ziel: Anbackungen verhindern und Wasserüberschuss zu minimieren durch gestufte Wasserzugabe, aber Vollquench auf Wasserdampftaupunkt
    DE AS 26 50 512 Flugstaubreaktor, Einsprühen von Kühlmittel in den aus dem Reaktor austretenden Gasstrom mittels ringförmiger Sprührohre, Vollquench auf Wasserdampftaupunkt
    DE 10 2007 006 988 B4 Verfahren und Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen der Kohlevergasung
    DE 10 2009 035 300 A1 SFTG: Flugstromvergaser mit integriertem Strahlungskühler (betrifft anschließenden Vollquench)
    DE 10 2009 019 966 A1 Flugstromvergaser mit Teilquench und erhöhter Partikelabscheidung, Teilquench, Teilquench mit Quenchwasser
    DE 2009 020 367 B4 Abhitzedampferzeugersystem für einen Vergasungsprozess (angepasst an Patent DE 10 2009 019 966 A1 )
    DE 10 2009 030 554 A1 Flugstromvergaser für aschebildende Brennstoffe mit Abwärmenutzung
  • Bisherige Verfahren nutzen die Methode des Vollquench bzw. es wird die Teilkonvertierung durch verdampfendes Wasser herbeigeführt.
  • Weitere Verfahren nutzen die Rückführung eines Teils des gekühlten und gereinigten Rohgases (trockene Rohgaskühlung) oder die Zumischung kohlenstoffhaltiger Substanzen in den Rohgasstrom (chemischer Quench).
  • Bisherige Verfahren realisieren eine Abkühlung des Rohgases durch Eindüsung großer Wassermengen (flüssig, Vollquench). Dies senkt das Temperaturniveau im Quenchraum, unter anderem durch die Verdampfungsenthalpie, sehr stark herab. Eine Konvertierung des Rohgases, vornehmlich durch die homogene Wasser-Gas-Shift-Reaktion, wird dadurch kinetisch gehemmt. Ähnliches gilt in abgeschwächter Form für Teilquenchverfahren mit Wassereindüsung.
  • Bei ausreichend hohem Temperaturniveau hängt die Höhe des CO-Umsatzes maßgeblich von der guten Kontaktierung der Reaktionspartner ab. Dies ist bei den gegebenen Verfahren nicht ausreichend gewährleistet.
  • Die Quenchgasaustrittstemperaturen liegen bei den bekannten Verfahren unter dem für eine Abhitzedampferzeugung geeigneten Temperaturniveau.
  • Bei trockener Rohgaskühlung und bei chemischer Quenchung findet eine Konvertierung des Rohgases aufgrund des Mangels am Reaktionspartner Wasser nicht statt.
  • Aufgabe des Verfahrens ist es, einen möglichst hohen CO-Umsatz und demzufolge ein höheres H2/CO-Verhältnis im Vergleich zur Rohgaszusammensetzung am Vergaseraustritt mit möglichst geringem apparativen Aufwand zu erreichen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen, hauptsächlich bestehend aus CO und H2, bei der Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen unter Druck, gelöst, bei dem die aus dem Rohgasabgang eines Flugstromvergasers abgezogenen heißen Rohgase und schmelzflüssige Schlacke, überwiegend ausgebildet als Wandfilm, in einer nach unten gerichteten Strömung in eine Quenchvorrichtung eingebracht und gequencht werden und das dadurch charakterisiert ist, dass in den Rohgasabgang Wasserdampf, vorzugsweise überhitzter Wasserdampf, mit Druck und mit einer 0,1 bis 10-fachen, vorzugsweise 0,5 bis 2-fachen Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Rohgasstroms im Rohgasabgang in den Rohgasstrom eingebracht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein neuartiges Verfahrensprinzip zur Behandlung von Rohgasen aus der Flugstromvergasung. Dabei werden die Rohgase im Gegensatz zum Vollquench/Wasserquench nicht schlagartig abgekühlt (abgeschreckt, „gequencht“ im wörtlichen Sinn), sondern Hauptziel ist die gezielte Kontaktierung mit Wasserdampf bei gleichzeitiger Beibehaltung der sehr hohen Rohgastemperatur (ca. 1.300–1.600 °C) um optimale Bedingungen für die Verschiebung des Gleichgewichts der homogene Wassergasreaktion CO(g) + H2O(g) ←→ CO2(g) + H2(g) auf die Produktseite zu ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert den Eintrag von Quenchmedien zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung. Heiße, kohlenstoffmonoxidreiche Rohgase treten über einen zentralen Rohgasabgang in die Quenchvorrichtung ein, welche direkt unter dem Vergasungsreaktor angeordnet ist. Wasserdampf wird in den Rohgasabgang, vorzugsweise im Bereich des Eintrittes des Rohgasabgangs, in der Weise zugegeben, dass die Rohgase mit dem Wasserdampf optimal gemischt werden. Durch Zugabe im Bereich des Eintrittes des Rohgasabgangs wird eine möglichst große Länge der Mischstrecke bei der Durchströmung des Rohgasabgangs ausgenutzt. Die alternative Zugabe im Bereich des Austritts des Rohgasabgangs hat andererseits den Vorteil, dass die Durchströmung des Rohgasabgangs weniger oder nicht gestört wird. Dagegen hat eine in mittlerer Höhe des Rohgasabgangs angeordnete Zugabe Vorteile einer einfacheren apparatetechnischen Gestaltung.
  • Vorteilhaft wird Wasserdampf mit einem Druck größer als der Vergaserdruck, bevorzugt einem bis zu 2 bar größeren Druck, und mit einer Temperatur von 0–200 K, bevorzugt 0–20 K, über der Sättigungstemperatur bei Vergaserdruck, eingesetzt.
  • Die Sättigungstemperatur ist abhängig vom Systemdruck und beschreibt die minimale Temperatur, bei der Dampf noch nicht kondensiert.
  • Für die Konvertierung des Rohgases wird Wasserdampf anstelle von Wasser verwendet, um die für die Reaktionskinetik günstigen sehr hohen Temperaturen so wenig wie möglich zu senken, wie es bei der Verwendung von Wasser der Fall wäre, da für die Verdampfung des Wassers die benötigte Wärmemenge (Verdampfungsenthalpie) aus dem System entnommen und zu einer Temperaturabsenkung führen würde.
  • Die Menge des zugegebenen Wasserdampfes wird bestimmt durch technische und wirtschaftliche Parameter: Bei Zugabe sehr kleiner Wasserdampfmengen sind keine höheren CO-Umsätze als bei der Wasser-/Vollquenchung (Erfahrungswert: ca. 3 %) zu erreichen. Mit steigender Wasserdampfmenge steigt auch der CO-Umsatz, erreicht aber ein Plateau und sinkt bei zu großen Dampfmengen schnell ab, da die Temperatur zu stark sinkt. Da Wasserdampf der genannten Qualität teuer ist, sollte möglichst wenig eingesetzt werden, wodurch der günstige Betriebsbereich der Quencheinrichtung bei kleinen Dampfmengen im Bereich vor dem Plateaus des Umsatz-Maximums liegt.
  • Je kg Rohgas werden deshalb vorteilhaft 0,015 bis 0,5 kg, bevorzugt 0,05 bis 0,25 kg überhitzter Wasserdampf je kg Rohgas eingesetzt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Erhöhung des Wasserdampfpartialdrucks durch Eindüsung von Wasserdampf in den Rohgasabgang zwischen Flugstromvergaser und Quenchvorrichtung. Dabei erfolgt der CO-Umsatz durch die Ausnutzung der homogenen Wassergas-Shift-Reaktion auf hohem Temperaturniveau und großen Umsatzraten, bei der H2O und CO zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid konvertiert werden.
  • Durch das sich in der Quenchvorrichtung anschließende, schlagartige Abkühlen mit Wasser wird die Rückreaktion der homogenen Wassergasreaktion kinetisch gehemmt und so der erreichte CO-Umsatz erhalten.
  • Vorteilhaft wird der Wasserdampf radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt zentral, über ein oder mehrere Quenchrohre oder Quenchdüsen in den Rohgasstrom eingebracht.
  • Eine zentrale Eindüsung mittels ein oder mehrerer, in den Rohgasabgang hineinreichenden Quenchrohre hat den Vorteil, dass sich die heißen Rohgase um den Wasserdampf legen (Rohgasschleier) und diesen einschließen. In der Kontaktzone Rohgas/Dampf bildet sich die Reaktionszone aus. Vorteil ist hier, dass der gesamte Wasserdampf für die Konvertierungsreaktion zur Verfügung steht und kein Bypass von ungenutztem (teuren) Wasserdampf entsteht.
  • Eine seitliche oder versetzte Eindüsung (über mehrere) Düsen hat den Vorteil der Kontaktflächenerhöhung, was sich ebenfalls positiv auf die Konvertierungsrate auswirkt.
  • Nach Eintritt der wasserdampfbeladenen Rohgase in die Quenchvorrichtung erfolgt in bekannter Weise, z. B. durch Eindüsung von Wasser oder durch eine rückvermischte kühlere, wasserdampfangereicherte Quenchgasströmung, die Quenchung der konvertierten Rohgase.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wasserdampf mit einer Temperatur von mindestens 1 bis 150 K oberhalb des Siedepunktes bei Vergasungsdruck in den Rohgasstrom und mit einem bis zu 2 bar größeren Druck gegenüber dem Vergasungsdruck in den Rohgasstrom eingebracht.
  • Abhängig von der Rohgaszusammensetzung wird mindestens die notwendige Menge Wasserdampf zur optimalen Rohgaskonvertierung, aber maximal so viel Wasserdampf eingebracht, dass die Temperatur des wasserdampfangereicherten Rohgases 1100 K nicht unterschreitet.
  • Zum optimalen Ablauf der homogenen Wasser-Gas-Shift-Reaktion sind zwei Randbedingungen notwendig: hohe Temperaturen und eine gute Durchmischung/Kontaktierung der Edukte CO aus dem Rohgas und überhitzter Wasserdampf (hoher Wasserdampfpartialdruck). Dadurch wird das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite verschoben. Die Reaktion ist reversibel, d. h., bei geänderten Randbedingungen kommt es zu einer Rückreaktion in Richtung Edukte. Dies kann durch eine schnelle Abkühlung unter 900 °C gestoppt werden (quenchen im klassischen Sinne), da unterhalb dieser Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit der Rückreaktion marginal ist.
  • Um das Ziel eines hohen CO-Umsatzes zu erreichen, darf die Temperatur nicht zu stark abgesenkt werden. Durch die Verwendung von überhitztem Wasserdampf kommt es nur zu einer leichten Temperaturabsenkung infolge der Mischung der beiden Gasströme bzw. Temperaturen (sensible Wärme). Um die notwendige Menge an (teurem) überhitzten Wasserdampf auf hohem Druckniveau zu minimieren, sollte maximal die optimale Menge Wasserdampf in den heißen Rohgasstrom eingebracht werden. Es bildet sich eine schmale Reaktionsfront/-zone aus, in der der größte Umsatz zu verzeichnen ist. Diese Reaktionsfront „verschmiert“ zunehmend, da die Mischung voranschreitet und die Mischungstemperatur Wasserdampf/Rohgas sinkt. Die Konvertierungsrate kann durch die Variation der Menge an Wasserdampf geregelt werden.
  • Kern der Erfindung ist die Zugabe von überhitztem Wasserdampf in den Rohgasstrom im Rohgasabgang. Daraus resultiert eine optimierte Mischung von Rohgasen und Wasserdampf, was zu verbesserten Reaktionsbedingungen für die CO-Konvertierungsreaktionen führt.
  • Das wesentliche Ergebnis ist die Erzeugung eines teilkonvertierten Quenchgases durch CO-Umsätze >> 3 % bei hohem Wassergehalt auf für Abwärmenutzung geeignetem Temperaturniveau.
  • Das Rohgas wird mit einem höheren H2/CO-Verhältnis auf hohem Temperaturniveau am Auslass des Quenches bereitgestellt. Zusätzliche Dampferzeugung im Mittel- bis Hochdruckbereich ist bei der nachfolgenden Rohgaskühlung realisierbar.
  • Es entsteht ein technisches Einsparungspotenzial durch Effizienzsteigerung für die nachfolgende Gasaufbereitungsstrecke, insbesondere die CO-Konvertierung.
  • Das Verfahren kann in Abkühlstrecken von Vergasungsprozessen (hauptsächlich Flugstromvergasern) Anwendung finden.
  • Ein Anwendungsbereich sind beispielsweise flexible Kraftwerke mit Polygeneration-Konzept. Anhand nachfolgender Darstellungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 Schematische Darstellung Rohgasabgang mit zentraler Wasserdampfzuführung
  • 2 Schematische Darstellung Rohgasabgang mit seitlicher Wasserdampfeindüsung
  • 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Rohgasabgang von einem Flugstromvergaser (14) in eine Quenchvorrichtung (21) mit zentraler Wasserdampfzuführung.
  • Der Rohgasabgang verbindet den Flugstromvergaser (14) mit der Quenchvorrichtung (21). Aus dem Flugstromvergaser (14) gelangen heiße Rohgase (3) und schmelzflüssige Schlacke (19) über den Rohgasabgang in die Quenchvorrichtung (21).
  • Der Rohgasabgang ist, von in der Wand, hinter der Wandoberfläche (16), verbauten Kühlschlangen (15), gekühlt, um vor thermischer Überhitzung durch die heiße Schlacke geschützt zu sein. Dabei bildet der größte Teil der Schlacke einen Wandfilm aus, welcher aus fester erstarrter Schlacke (20) im Zuge der Wandkühlung und flüssiger Schlacke (19) besteht. Die flüssige Schlacke (19) tropft an der Abtropfkante am Ende des Rohgasabgangs ab und fällt in das Wasserbad der Quenchvorrichtung (21). Die gesamte Strömung ist dabei nach unten gerichtet.
  • In den Rohgasstrom des Rohgasabgangs ragt ein Quenchrohr (7a) mit in Strömungsrichtung gerichteter Quenchrohröffnung für überhitzten Wasserdampf (18).
  • Das Quenchrohr (7a) ist ebenfalls von fester erstarrter Schlacke (20) und flüssiger Schlacke (19) umgeben.
  • Die Quenchrohröffnung (17a) ist der Art gestaltet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des überhitzten Wasserdampfes (18) das 0,1 bis 10-fache der Rohgasgeschwindigkeit, vorzugsweise das 0,5 bis 2-fache der Rohgasgeschwindigkeit, beträgt.
  • Das Eintragssystem für Wasserdampf in den Rohgasabgang nach 1 wird wie folgt betrieben:
    Rohgase (3) der Flugstromvergasung von Braunkohlenstaub strömen über den Rohgasabgang in den Quenchraum der Quenchvorrichtung (21) ein.
  • Die Rohgase (3) treten mit einem Druck von ca. 40 bar, einer Temperatur von ca. 1450 °C, mit einem Wassergehalt von ca. 14 Vol-%, mit einer anfänglichen Strömungsgeschwindigkeit von ca. 2530 m/s, und mit einem molaren H2/CO-Verhältnis von ca. 0,36 aus dem Flugstromvergaser (14) in den Rohgasabgang (1) ein. Durch das eingebaute Quenchrohr erhöht sich zudem die Rohgasgeschwindigkeit auf ca. 50 m/s im Bereich des Wasserdampfeintritts in den Rohgasabgang.
  • Überhitzter Wasserdampf mit einer Temperatur > 270 °C, mit einem Druck größer 40 bar, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 80 m/s und mit einer Menge von 0,225 kg Wasserdampf je kg Rohgas wird über das Quenchrohr (7a) in den Rohgasstrom eingebracht.
  • Mit der gegenüber der Rohgasströmung erhöhten Strömungsgeschwindigkeit oder dem höheren Druck der Wasserdampfzuführung wird gesichert, dass die Quenchrohröffnung von der vom Rohgasstrom mitgeführten Schlacke nicht zusetzt.
  • Wasserdampf-angereicherte Rohgase verlassen den Rohgasabgang in Richtung der Quenchvorrichtung und bilden in dessen Quenchraum eine Reaktionszone (12). In der sich ausbildenden heißen und wasserdampfreichen Reaktionszone (12) findet eine Teilkonvertierung des im Rohgas enthaltenen Kohlenstoffmonoxids statt.
  • Wesentliches Merkmal der Wasserdampfzuführung nach 1 ist die zentrale Einbringung des Wasserdampfes in den Rohgasstrom vor der flüssigen Schlackeschicht des Wandfilms, sodass der Wasserdampf von den heißen Rohgasen umschlossen wird. Damit wird ein Bypass an Wasserdampf verhindert und die vollständige Menge an Wasserdampf steht der Shift-Reaktion zur Verfügung. Da der Temperaturgradient zwischen Wasserdampf und Rohgas/flüssiger Schlacke sehr groß ist, wird das Dampfrohr direkt durch den Wasserdampf gekühlt und so vor thermischer Überlastung geschützt. Zudem bildet sich eine schützende feste Schlackeschicht um das Dampfrohr aus (ähnlich wie der Wandfilm). Ein positiver Effekt dabei ist die zusätzliche Erwärmung des Wasserdampfes kurz vor Austritt aus dem Dampfrohr.
  • Am Ende der Reaktionszone (12) erfolgt dann in bekannter Weise, z. B. durch Eindüsung von Wasser oder durch rückvermischte kühlere, wasserdampfangereicherte Quenchgasströmung, die Quenchung der konvertierten Rohgase.
  • Durch diese Art der optimierten Wasserdampfzuführung infolge direkter Kontaktierung der Edukte bei hohen Temperaturen werden CO-Umsätze > 20 % in der Quenchvorrichtung erzielt.
  • 2 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Rohgasabgang von einem Flugstromvergaser (14) in eine Quenchvorrichtung (21) mit seitlicher Wasserdampfeindüsung.
  • Der Rohgasabgang verbindet den Flugstromvergaser (14) mit der Quenchvorrichtung (21). Aus dem Flugstromvergaser (14) gelangen heiße Rohgase (3) und schmelzflüssige Schlacke (19) über den Rohgasabgang in die Quenchvorrichtung (21).
  • Der Rohgasabgang ist, von in der Wand, hinter der Wandoberfläche (16), verbauten Kühlschlangen (15), gekühlt, um vor thermischer Überhitzung durch die heiße Schlacke geschützt zu sein. Dabei bildet der größte Teil der Schlacke einen Wandfilm aus, welcher aus fester erstarrter Schlacke (20) im Zuge der Wandkühlung und flüssiger Schlacke (19) besteht. Die flüssige Schlacke (19) tropft an der Abtropfkante am Ende des Rohgasabgangs ab und fällt in das Wasserbad der Quenchvorrichtung (21). Die gesamte Strömung ist dabei nach unten gerichtet.
  • Seitlich in den Rohgasstrom des Rohgasabgangs ragen zwei in Strömungsrichtung geneigte Quenchdüsen (7b) mit Quenchdüsenöffnungen (17b) für überhitzten Wasserdampf (18).
  • Die Quenchdüsenöffnung (17b) ist der Art gestaltet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des überhitzten Wasserdampfes (18) das 1 bis 10-fache der Rohgasgeschwindigkeit, vorzugsweise das 2 bis 5-fache der Rohgasgeschwindigkeit, beträgt.
  • Die Dampfzuführung nach 2 wird wie folgt betrieben: Rohgase (3) der Flugstromvergasung von Braunkohlenstaub strömen über den Rohgasabgang in den Quenchraum der Quenchvorrichtung (21) ein.
  • Die Rohgase (3) treten mit einem Druck von ca. 40 bar, einer Temperatur von ca. 1450 °C, mit einem Wassergehalt von ca. 14 Vol-%, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 2530 m/s, und mit einem molaren H2/CO-Verhältnis von ca. 0,36 aus dem Flugstromvergaser (14) in den Rohgasabgang ein.
  • Überhitzter Wasserdampf mit einer Temperatur > 270 °C, mit einem Druck größer 40 bar, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 80–100 m/s und mit einer Menge von 0,2 kg Wasserdampf je kg Rohgas wird über die Quenchdüsen (7b) in den Rohgasstrom eingebracht.
  • Mit der gegenüber der Rohgasströmung wesentlich erhöhten Strömungsgeschwindigkeit der Wasserdampfzuführung wird gesichert, dass die Quenchdüsenöffnung (17b) von der vom Rohgasstrom mitgeführten Schlacke nicht zusetzt.
  • Die Rohgase werden, durch die stark turbulente Ausströmung des Wasserdampfs und die dadurch spritzenden und verwirbelten Schlacketröpfchen, mit Wasserdampf angereichert und mischen sich im abwärts gerichteten Gasstrom. Dieser verlässt den Rohgasabgang in Richtung der Quenchvorrichtung und bildet eine Reaktionszone (12) aus. In der sich ausbildenden heißen und wasserdampfreichen Reaktionszone (12) findet eine Teilkonvertierung des im Rohgas enthaltenen Kohlenstoffmonoxids statt.
  • Auch mit der seitlichen Wasserdampfeindüsung in den Rohgasstrom, vor der flüssigen Schlackeschicht des Wandfilms, wird der Wasserdampf fast vollständig von den heißen Rohgasen umschlossen. Damit wird ein größerer Bypass an Wasserdampf verhindert und der größte Teil an Wasserdampf steht der Shift-Reaktion zur Verfügung.
  • Am Ende der Reaktionszone (12) erfolgt dann in bekannter Weise, z. B. durch Eindüsung von Wasser oder durch eine rückvermischte kühlere, wasserdampfangereicherte Quenchgasströmung, die Quenchung der konvertierten Rohgase.
  • Durch diese Art der optimierten Wasserdampfzuführung infolge direkter Kontaktierung der Edukte bei hohen Temperaturen werden CO-Umsätze > 20 % in der Quenchvorrichtung erzielt.
  • 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
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    • DE 4109231 C2 [0003]
    • US 4479809 A [0003]
    • DE 102006031816 A1 [0003]
    • DE 4318444 C2 [0003]
    • DE 102007006984 B4 [0003]
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Claims (4)

  1. Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen, hauptsächlich bestehend aus CO und H2, bei der Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen unter Druck, bei dem die aus dem Rohgasabgang eines Flugstromvergasers abgezogenen heißen Rohgase und schmelzflüssige Schlacke, überwiegend ausgebildet als Wandfilm, in einer nach unten gerichteten Strömung in eine Quenchvorrichtung eingebracht und gequencht werden, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohgasabgang Wasserdampf mit Druck und mit einer 0,1 bis 10-fachen Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Rohgasstroms im Rohgasabgang in den Rohgasstrom eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt zentral, über ein oder mehrere Quenchrohre oder Quenchdüsen in den Rohgasstrom eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf mit einer Temperatur von mindestens 1 bis 150 K oberhalb des Siedepunktes bei Vergasungsdruck in den Rohgasstrom und mit einem bis zu 2 bar größeren Druck gegenüber dem Vergasungsdruck in den Rohgasstrom eingebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Rohgaszusammensetzung mindestens die notwendige Menge Wasserdampf zur optimalen Rohgaskonvertierung, aber maximal so viel Wasserdampf, dass die Temperatur des wasserdampfangereicherten Rohgases 1100 K nicht unterschreitet, eingebracht wird.
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