DE102014219455B4

DE102014219455B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung

Info

Publication number: DE102014219455B4
Application number: DE102014219455.5A
Authority: DE
Inventors: Kristin Boblenz; Konrad Uebel; Bernd Meyer; Petr Nikrityuk; Thomas Förster
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: DE102014219455A1

Abstract

Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung unter Druck,
(a) bei dem die aus einem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase (3) und schmelzflüssige Schlacke in einer nach unten gerichteten Strömung in eine Vorrichtung eingebracht werden, deren oberer Bereich als Reaktionsraum (4) und deren unterer Teil als Wasserbad (5) ausgebildet ist,
(b) bei dem die untere Begrenzung des Reaktionsraums (4) die Wasseroberfläche des Wasserbades (5) bildet und die Rohgase umlenkt,
(c) bei dem konvertierte und gekühlte Rohgase (9) seitlich aus dem Reaktionsraum (4) abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet,
(d) dass Wasserdampf zur Konvertierung und Kühlung der Rohgase (3) kontinuierlich eingedüst wird,
(e) dass der Wasserdampf mittels im oberen Drittel des Reaktionsraums (4) angeordneter Düsen (7) vollständig oder teilweise in Strömungsrichtung der Rohgase (3) so eingedüst wird, dass sich ringförmig um das durch den Rohgaseintritt (1) einströmende Rohgas (3) ein Wasserdampfmantel ausbildet, wobei Wasserdampf und Rohgase (3) intensiv kontaktiert und die Rohgase (3) partiell konvertiert werden,
(f) dass so viel Wasserdampf eingebracht wird, dass die Temperatur des Rohgases in der Kernströmung (2) unmittelbar vor der Umlenkung über dem Wasserbad (5) 1100 K nicht unterschreitet,
(g) dass die teilweise konvertierten Rohgase mittels des verdampften Wassers aus dem Wasserbad (5) und/oder mittels zusätzlich in den Reaktionsraum (4) eingedüsten Wassers weiter konvertiert und auf die gewünschte Gasaustrittstemperatur der konvertierten Rohgase (9) gekühlt werden und
(h) dass die konvertierten und gekühlten Rohgase (9) im oberen Drittel des Reaktionsraums (4) abgezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 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 4 479 809 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, bei dem einem Vergaser ein Wärmeübertrager zur Rohgaskühlung nachgeschalten ist, bevor die Wasser-/Dampfzugabe erfolgt.
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (6^th edition) DE 10 2007 006 984 B4	Beschreibung der Abkühlung eines Rohgases der Asphaltvergasung von 1580 °C unter Zuführung von Wasser, bei dem sich das Konvertierungsgleichgewicht bei 1250 °C einstellt. Verfahren und Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen bei der Flugstromvergasung, bei der Wasser in mehreren Ebenen eingedüst und das Quenchgas an der Umlenkhaube abgezogen wird
EP 0 084 343 A1	Ruhrkohle Aktiengesellschaft - Basierend auf Ziel: Anbackungen verhindern und Wasserüberschuss zu minimieren durch gestufte Wasserzugabe, aber Vollquench auf Wasserdampftaupunkt
DE 26 50 512 A1	Flugstaubreaktor, Einsprühen von Kühlmittel in den aus dem Reaktor austretenden Gasstrom mittels ringförmiger Sprührohre, Vollquench auf Wasserdampftaupunkt
DE 197 47 324 C2	Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn- oder Synthesegasen aus nachwachsenden Rohstoffen, bei denen eine Quencheinrichtung zur Abkühlung der Rohgase dem Vergaser nachgeschalten ist
DE 10 2007 006 988 B4	Verfahren und Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen der Kohlevergasung, bei dem eine Erhöhung der Verweilzeit durch Querschnittsvergrößerung des Konvertierungsraumes und eine verbesserte Konvertierung durch gestufte Abkühlung mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten erreicht wird
DE 10 2008 035 295 B4	Vorrichtung zur CO-Konvertierung mit gestufter Quenchung, bei der die Quenchdüsen an den Seitenwänden angeordnet sind. Eine Umschließung des Rohgasstromes mit Wasserdampf wird nicht gewährleistet/erreicht/ist nicht beabsichtigt.
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 10 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
DE 10 2009 038 094 A1	Vorrichtung zur Abhitzeverwertung nach Trennung von Rohgas und Schlacke in einem Flugstromvergaser
US 3 988 123 A	Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Rohgasen oder Sythesegasen, bei dem Sauerstoff und Dampf in mehreren Stufen dem vergaser zugeführt werden

Bisherige Verfahren nutzen die Methode des Vollquenches bzw. führen die Teilkonvertierung hauptsächlich durch verdampfendes Wasser herbei.
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 vom Vorhandensein von Wasserdampf bzw. dem Wasserdampfpartialdruck und von der guten Kontaktierung der Reaktionspartner ab. Nur wenn die beiden Hauptbedingungen - hohe Temperatur und hoher Wasserdampfpartialdruck - bei ausreichend langer Verweilzeit in einem entsprechend großen Reaktionsvolumen erfüllt sind, können signifikante Umsätze erreicht werden. 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. Zusätzlich soll die Quenchgasaustrittstemperatur auf einem zur Hochdruck-Dampferzeugung geeigneten Niveau liegen.
Weiterhin soll das Quenchdesign in Zusammenhang mit dynamischen Stromerzeugungs- und Speichertechnologien geeignet und verwendbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung unter Druck gelöst,

(a) bei dem die aus einem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase und schmelzflüssige Schlacke, in einer nach unten gerichteten Strömung in eine Vorrichtung eingebracht werden, deren oberer Bereich als Reaktionsraum und deren unterer Teil als Wasserbad ausgebildet ist,
(b) bei dem die untere Begrenzung des Reaktionsraums die Wasseroberfläche des Wasserbades bildet und die die Rohgase umlenkt,
(c) und bei dem die Rohgase seitlich aus dem Reaktionsraum abgezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,

(d) dass Wasserdampf zur Konvertierung und Kühlung der Rohgase kontinuierlich eingedüst wird,
(e) dass der Wasserdampf mittels im oberen Drittel des Reaktionsraums angeordneter Düsen vollständig oder teilweise in Strömungsrichtung der Rohgase so eingedüst wird, dass sich ringförmig um das durch den Rohgaseintritt einströmende Rohgas ein Wasserdampfmantel ausbildet, wobei Wasserdampf und Rohgase intensiv kontaktiert und die Rohgase partiell konvertiert werden.
(f) Dabei wird so viel Wasserdampf eingebracht, dass die Temperatur des Rohgases in der Kernströmung unmittelbar vor der Umlenkung über dem Wasserbad 1100 K, bevorzugt 1150 bis 1350 K, nicht unterschreitet.
(g) Mittels des verdampften Wassers aus dem Wasserbad und/oder mittels zusätzlich in den Reaktionsraum eingedüsten Wassers werden die teilweise konvertierten Rohgase weiter konvertiert und auf die gewünschte Gasaustrittstemperatur der konvertierten Rohgase gekühlt.
(h) Im oberen Drittel des Reaktionsraums werden die konvertierten und gekühlten Rohgase abgezogen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren treten heiße, kohlenstoffmonoxidreiche Rohgase über einen zentralen Gaseintritt in den Reaktionsraum ein, der direkt unter dem Flugstromvergaser angeordnet ist. Durch mehrere radial um den Rohgaseintritt angeordnete Düsen wird überhitzter Wasserdampf in den Reaktionsraum vollständig oder teilweise in Strömungsrichtung der Rohgase so eingedüst, dass sich ringförmig um das durch den Rohgaseintritt einströmende Rohgas ein Wasserdampfmantel ausbildet. Der Wasserdampf wird durch den Rohgasstrom angesaugt (Venturiprinzip) und legt sich an das Rohgas an, wobei sich eine intensive Kontaktierung unter Ausbildung einer Grenzschicht (definierte Reaktionszone), aber keine Durchmischung ergibt.
Der Reaktionsraum ist an den Seiten durch eine wassergekühlte Wand und nach unten durch ein Wasserbad begrenzt. In der sich ausbildenden kegelförmigen heißen und wasserdampfreichen Reaktionszone findet eine Teilkonvertierung des enthaltenen Kohlenstoffmonoxids statt. Die Gasströmung wird über dem Wasserbad umgelenkt und verlässt den Reaktionsraum durch gleichmäßig verteilte und seitlich im oberen Drittel des Reaktionsraumes befindliche Quenchgasauslässe. Die Gasaustrittstemperatur sowie der erzielbare CO-Konvertierungsgrad sind über die zugegebene Menge an Wasserdampf, über die Menge des verdampften Wassers mittels Verdampfung aus dem Wasserbad und der über die Unterwasserdüsen zugegebene Wassermenge und über Verweilzeitänderung mittels des Wasserstandes des Wasserbades regelbar.
Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zugabe von Wasserdampf statt Wasser als Quenchmedium im unmittelbaren Bereich des Rohgaseintritts, die eine sofortige Kontaktierung mit den heißen Rohgasen durch die Ausbildung eines Wasserdampfmantels ermöglicht. Die Verwendung von Wasserdampf verhindert den Wärmeentzug in Höhe der Verdampfungsenthalpie durch die Verdampfung des Wassers und gewährleistet eine für die Konvertierungsreaktion günstige, hohe Temperatur in der Kernströmung der Rohgase.
Vorteilhaft ist die intensive Kontaktierung von Wasserdampf und Rohgas unter Ausbildung einer Reaktionszone. Die für die Kinetik relevante Verweilzeit wird durch die axiale Strömungsführung und Zwangsumlenkung über dem Wasserbad erhöht. Es findet keine Wasserdampfsättigung unter starker Abkühlung statt, wodurch eine hohe Triebkraft für die Konvertierungsreaktion resultiert.
Die erfindungsgemäße Wasserdampfzugabe führt vorteilhaft zu der Ausbildung einer scharf begrenzten Reaktionszone zwischen Rohgaskernströmung und Wasserdampfmantel. In dieser Zone sind beide Bedingungen für schnelle Reaktionsraten der homogenen Wasser-Gas-Shift-Reaktion, nämlich hohe Temperaturen und Wasserdampfpartialdrücke, gleichzeitig erfüllt. Wesentliches Ergebnis ist die Erzeugung eines teilkonvertierten Quenchgases mit CO-Umsätzen >> 3 % bei hohem Wassergehalt auf für die Abwärmenutzung geeignetem Temperaturniveau.
Das Rohgas wird im Vergleich zu bisherigen Verfahren mit einem höheren H₂/CO-Verhältnis auf hohem Temperaturniveau am Gasaustritt der konvertierten und gekühlten Rohgase bereitgestellt.
Es entsteht ein technisches Einsparungspotenzial durch Effizienzsteigerung für die nachfolgende Gasaufbereitungsstrecke, insbesondere die CO-Konvertierung.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über den Füllstand des Wasserbades das Volumen des Reaktionsraumes geregelt. Damit können verschiedene Betriebszustände eingestellt werden, die sich hinsichtlich erreichtem CO-Umsatz und Austrittstemperatur des konvertierten Rohgases unterscheiden.
Wird beispielsweise der Füllstand des Wasserbades gesenkt, vergrößert sich der Reaktionsraum, die Verweilzeit steigt und der CO-Umsatz steigt. Wird der Füllstand des Wasserbades angehoben, verringern sich der Reaktionsraum und die Verweilzeit.
Mit der Regelung des Füllstandes des Wasserbades kann auf unterschiedliche Zusammensetzungen der Vergasungsstoffe und unterschiedliche Lastzustände des Vergasers reagiert werden. Über die Füllstandsregelung kann in Grenzen ein bestimmtes H₂/CO-Verhältnis eingehalten werden.
Bei Zugabe von Wasser aus den Unterwasserdüsen im Überschuss ist der Betrieb als Vollquenchverfahren (geringe CO-Umsätze, niedrige Austrittstemperaturen) möglich.
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/Wasser bei gleichzeitiger Wahrung der sehr hohen Rohgastemperatur (ca. 1.300 -1.600 °C), um optimale Bedingungen für einen signifikant hohen CO-Umsatz zu ermöglichen. Erreicht wird die Verschiebung des Gleichgewichts der homogenen Wassergasreaktion CO (g) + H₂O (9) ← → CO₂ (g) + H₂ (g) auf die Produktseite durch einen hohen Wasserdampfpartialdruck in der Reaktionszone bei gleichzeitiger Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit der kinetisch limitierten homogenen Wassergasreaktion durch Wahrung einer hohen Reaktionstemperatur in der Reaktionszone. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das durch einen Wasserdampfmantel erreicht, der sich um den zentralen Rohgasstrom legt. Dieser entsteht durch Eindüsen über Wasserdampfaustritte (z. B. Düsen) um den Rohgasaustritt, wodurch der Dampf (ca. 2 bar über Vergaserdruck und leicht überhitzt) sich an den Rohgasstrom anlegt (Venturi-Prinzip) und die Rohgase umschließt.
Vorteilhaft wird Wasserdampf mit einem Druck größer als der Druck im Reaktionsraum (entspricht dem Vergaserdruck), bevorzugt einem bis zu 2 bar größeren Druck, und mit einer Temperatur von 0 - 200 K, bevorzugt 0 - 10 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 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 über die Düsen zugegebenen Wasserdampfes wird bestimmt durch technische und wirtschaftliche Parameter: Bei Zugabe sehr kleiner Wasserdampfmengen wird sich der Dampfmantel nicht oder nur teilweise ausbilden und die zugegebene Menge ist zu gering, um signifikant höhere 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 des erfindungsgemäßen Verfahrens bei kleinen Dampfmengen im Bereich vor dem Plateau des Umsatz-Maximums liegt.
Je kg Rohgas werden deshalb vorteilhaft 0,015 bis 0,5 kg, bevorzugt 0,05 bis 0,30 kg überhitzter Wasserdampf eingesetzt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über die Düsen im oberen Drittel des Reaktionsraumes nur so viel Wasserdampf eingesetzt, dass sich keine Wasserdampfsättigung des Rohgases (relative Feuchte des Rohgases < 100 %) einstellt. Damit wird gewährleistet, dass die Temperatur in der Reaktionszone ausreichend hoch für einen hohen CO-Umsatz ist.
An der Grenzfläche Rohgas/Wasserdampf bildet sich eine dünne Reaktionszone aus, in der beide Bedingungen für eine hohe Reaktionsrate - hohe Temperaturen und hoher Wasserdampfpartialdruck - gleichzeitig - erfüllt sind. Durch die runde Form des Rohgasaustritts und die Verfahrensgestaltung (Rohgas innen, Dampf als Mantel außen) hat die Reaktionszone die Form eines Hohlkegels mit der Spitze in Strömungsrichtung.
Durch die Wasserdampfzugabe wird das Rohgas jedoch nur wenig abgekühlt, was aber für die weitere Rohgasaufbereitung erforderlich sein kann (Werkstoff-Festigkeiten und Betriebsbedingungen der nachfolgenden Apparate). Eine weitere Kühlwirkung wird durch die Verdampfung von Wasser aus dem Wasserbad (Entzug der Wärmemenge der Verdampfungsenthalpie aus dem Rohgas) erreicht. Die verdampfte Wassermenge ergibt sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Rohgases über dem Wasserbad. Die verdampfte Wassermenge ist über den Wasserstand des Wasserbades, also über die Höhe des verbleibenden Reaktionsraumes im Quenchraum regelbar, da die Temperatur der Rohgase über dem Wasserbad um so höher ist, je näher sich die Wasseroberfläche dem Rohgaseintritt befindet.
Um eine sichere Abkühlung des Rohgases auf die gewünschte Abkühltemperatur zu erreichen, kann, z. B. über Unterwasserdüsen, zusätzlich Wasser in den Reaktionsraum eingedüst werden. Dies hat außerdem zur Folge, dass durch teilweise Verdampfung dieses Wassers der Wasserdampfpartialdruck weiter erhöht und somit weitere Triebkraft für die homogene Wassergas-Shift-Reaktion bereitgestellt wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wasserdampf auf mindestens einer Ebene, bevorzugt im Bereich der Reaktordecke, radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt unmittelbar neben dem Rohgaseintritt, über eine oder mehrere, bevorzugt gleichmäßig verteilt angeordnete, Quenchdüsen in den Reaktionsraum eingebracht. Damit wird erreicht, dass sich ein Wasserdampfmantel um das durch den Rohgaseintritt einströmende Rohgas ausbildet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zusätzliches Wasser auf mindestens einer Ebene, bevorzugt unmittelbar unterhalb der Wasserbadoberfläche, radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt außerhalb des Auftreffbereichs der Schlacke auf der Wasserbadoberfläche, über eine oder mehrere ringförmig angeordnete Unterwasserdüsen in den Reaktionsraum eingebracht werden.
Die Düsenöffnungen der Unterwasserdüsen sind in radialer, tangentialer und axialer Ausrichtung schräg zur Reaktorwand (6) gerichtet, um die Aufwärtsströmung zu unterstützen und die abwärts gerichtete Kernströmung wenig zu beeinflussen. Dies ermöglicht auch die Befeuchtung des unteren Teils der den Reaktionsraum umgebenden Umfassungswände, wodurch die verfügbare Fläche zur Wasserverdampfung erhöht werden kann.
Vorteilhaft entspricht die Temperatur des Wassers am Austritt der Unterwasserdüsen höchstens dem Siedepunkt bei Vergasungsdruck, bevorzugt jedoch 1 bis 50 K unter Siedepunkt bei Vergasungsdruck.
Weitere Vorteile werden erzielt, wenn zusätzlich die Anwendung der Unterwasserdüsen zur Kühlung auf die Taupunkttemperatur des Wassers bei Vergaserdruck erfolgt. Aus ihnen wird von unterhalb der Wasseroberfläche Wasser (Druck: deutlich über Vergaserdruck, Temperatur: deutlich unterhalb des Siedepunktes) in den Reaktionsraum oberhalb der Wasseroberfläche zugeführt. Durch die schlagartige Entspannung des Wassers auf Vergaserdruck wird dieses verdampft, die erforderliche Verdampfungsenthalpie wird dem Rohgas im unteren Drittel des Reaktionsraumes entzogen und dieses dadurch stark und schlagartig gekühlt (gequencht). Durch die schlagartige Abkühlung wird die Rückreaktion der homogenen Wassergasreaktion kinetisch gehemmt und so der in der Reaktionszone erreichte CO-Umsatz erhalten. Möglich ist aber auch, dass dadurch eine weitere geringfügige Konvertierung stattfindet, da der Wasserdampfpartialdruck wieder angehoben wird.
Vorteilhaft werden die Umfassungswände des Reaktionsraums, bevorzugt indirekt, gekühlt. Zur indirekten Kühlung wird Druckwasser mit einem Überdruck von bis zu 10 bar über dem Vergaserdruck verwendet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die konvertierten und gekühlten Rohgase an einer oder mehreren Stellen, bevorzugt zwei bis drei gleichmäßig verteilt angeordnet, im oberen Drittel des Reaktionsraums, bevorzugt seitlich unmittelbar unterhalb der Reaktordecke, abgezogen.
Die Anordnung des Gasaustritts im oberen Drittel des Reaktionsraums sorgt für eine Zwangsumlenkung der Strömung über dem Wasserbad und verlängert somit die Verweilzeit des Rohgases im Reaktionsraum. Der Füllstand des Wasserbades kann als Stellgröße (über die Regelgrößen Verweilzeit bzw. Behältergröße und Verdampfungsrate aus dem Wasserbad) für die Gasaustrittstemperatur und -zusammensetzung der konvertierten und gekühlten Rohgase fungieren. Die Zwangsumlenkung sorgt für die Ausprägung eines charakteristischen Strömungsprofils mit einer heißen Kernströmung und einer kälteren Randströmung. Dabei kommt es zu einer leichten Rückvermischung konvertierter Rohgase in die Kernströmung, wodurch die Verweilzeit des Rohgases im Reaktionsraum zusätzlich erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen unter Druck gelöst, bestehend aus einem, einem Flugstromvergaser nachgeschalteten Reaktor, umfassend

a) einen zentralen Rohgaseintritt (1) für eine abwärts gerichtete Strömung (2) heißer Rohgase (3) des Flugstromvergasers,
b) einen freien Reaktionsraum (4), mit einem in der Höhe regelbaren Wasserbad (5), das den Reaktionsraum (4) nach unten begrenzt und mit kühlbaren Reaktorwänden (6),
c) radial um den Rohgaseintritt (1) auf mindestens einer Ebene, bevorzugt in der oberen Reaktordecke, radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt unmittelbar neben dem Rohgaseintritt, eine oder mehrere, bevorzugt gleichmäßig verteilten Düsen (7) für die Zuführung von überhitztem Wasserdampf, die so angeordnet und ausgelegt sind, dass sich der zugeführte Wasserdampf um die Rohgase (3) legen kann,
d) eine oder mehrere ringförmig angeordnete Unterwasserdüsen, die bevorzugt unmittelbar unterhalb der Wasserbadoberfläche, radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt außerhalb des Auftreffbereichs der Schlacke auf der Wasserbadoberfläche angeordnet sind,
e) mehrere, im oberen Teil des Reaktionsraums (4) angeordnete Gasaustritte (11) für konvertierte und gekühlte Rohgase (9).

Die Reaktorwände (6) bestehen aus dem Reaktormantel, der den Reaktionsraum seitlich begrenzt und der Reaktordecke, die den Reaktionsraum nach oben abschließt. Die Reaktorwände (6) sind von einem Wassermantel (8) umgeben, in dem Druckwasser mit einem Überdruck von bis zu 10 bar über dem Vergaserdruck verwendet wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die die Unterwasserdüsen, unmittelbar unterhalb der Wasserbadoberfläche, radial an mindestens einer Stelle außerhalb des Auftreffbereichs der Schlacke auf der Wasserbadoberfläche angeordnet.
Probleme durch Schlackeablagerungen werden mit der Anordnung der Komponenten und dem Verzicht auf Einbauten vermieden. Die Schlacke kann frei in das Wasserbad fallen und gasdicht am Boden über eine Schleuse abgezogen werden.
Der Reaktionsraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt durch die beschriebene Prozessgestaltung ohne Einbauten und damit potentielle Angriffsflächen für Schlacke aus.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine robuste und einfache Bauweise aus, die zu einer hohen Verfügbarkeit der Komponente bei gleichzeitig großer Flexibilität mit wenigen Stellgrößen (am Rohgasaustritt zugeführte Dampfmenge, Wasserbadfüllstand und über die Unterwasserdüsen zugeführte Wassermenge) führt. So ist bei Zugabe von geringen Dampfmengen, aber Wasser im Überschuss, auch der Betrieb als Vollquench möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können in Abkühlstrecken von Vergasungsprozessen (hauptsächlich Flugstromvergasern) angewendet werden. Ein Anwendungsbereich sind beispielsweise flexible Kraftwerke mit Polygeneration-Konzept.
Anhand 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine, einem Flugstromvergaser nachgeschaltete, zylinderförmige Vorrichtung mit einem zentralen Rohgaseintritt (1) und abwärts gerichteter Kernströmung (2) heißer Rohgase (3) des Flugstromvergasers.
Die Vorrichtung umfasst einen freien Reaktionsraum (4), ein in der Höhe regelbares Wasserbad (5), das den Reaktionsraum (4) nach unten begrenzt und den Reaktorwänden (6). Die Reaktorwände (6) bestehen aus dem Reaktormantel, der den Reaktionsraum seitlich begrenzt und der Reaktordecke, die den Reaktionsraum (4) nach oben abschließt. Die Reaktorwände (6) sind von einem Wassermantel (8) umgeben, in dem Druckwasser mit einem Überdruck von bis zu 10 bar über dem Vergaserdruck verwendet wird.
Radial um den Rohgaseintritt (1) sind in der Reaktordecke Düsen (7) für die Zuführung von überhitztem Wasserdampf so angeordnet, dass sich der zugeführte Wasserdampf um die Rohgase (3) legen kann.
Im oberen Teil des Reaktormantels (6) sind mehrere Gasaustritte (11) für konvertierte und gekühlte Rohgase (9) angeordnet.
Unterhalb der Oberfläche des Wasserbades (5) sind ringförmig Unterwasserdüsen (14) angeordnet, deren Düsenöffnungen schräg nach oben und in Richtung Reaktorwand (6) gerichtet sind. Die Unterwasserdüsen mit den zugehörigen Zuführeinrichtungen sind so ausgelegt, dass Wasser in den Reaktionsraum (4) in Richtung der Reaktorwand (6) eingedüst werden kann.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung wird wie folgt betrieben:

Rohgase (3) der Flugstromvergasung von Braunkohlenstaub strömen über den Rohgaseintritt (1) in den Reaktionsraum (4) ein. Mit dem Rohgas (3) mitgeführte Schlacke kann frei in das Wasserbad (5) fallen und gasdicht über eine Schleuse im unteren Teil des Wasserbades abgezogen werden.
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 in den Reaktionsraum (4) ein.

Überhitzter Wasserdampf mit einer Temperatur >270 °C, mit einem Druck größer 40 bar und einer Menge von 0,176 kg Wasserdampf je kg Rohgas wird über mehrere ringförmig angeordnete Düsen (7) unmittelbar seitlich neben dem Rohgaseintritt so eingebracht, dass sich der Wasserdampf an den Rohgasstrom (3) anlegt (Venturi-Prinzip) und einen Wasserdampfmantel um die Rohgase (3) im Bereich der Reaktionszone (12) ausbildet. Eine Wasserdampfsättigung tritt nicht ein.
In der kegelförmigen sich an der Kontaktfläche zwischen Rohgasen und Wasserdampfmantel ausbildenden heißen und wasserdampfreichen Reaktionszone (12) findet eine Teilkonvertierung des im Rohgas enthaltenen Kohlenstoffmonoxids statt.
Die zentrale nach unten gerichtete Gasströmung wird über dem Wasserbad (5) umgelenkt und verlässt den Reaktionsraum durch gleichmäßig verteilte und seitlich im oberen Drittel des Reaktionsraumes befindliche Gasaustritte (13).
Die Anordnung der Gasaustritte (13) im oberen Drittel des Reaktionsraums (4) verursacht eine Zwangsumlenkung der Gasströmung über dem Wasserbad und verlängert damit die Verweilzeit des Rohgases im Reaktionsraum, was besonders vorteilhaft für die Konvertierungsreaktion ist.
Die Temperatur des Wasserbades (5) stellt sich bei Vergaserdruck (hier: 40 bar) bei ca. 520 K ein.
Der Füllstand des Wasserbades kann als Stellgröße (über die Regelgröße Rohgastemperatur über dem Wasserbad) für die Verdampfungsrate aus dem Wasserbad (5) und damit für die Quenchgasaustrittstemperatur und -zusammensetzung fungieren.
Die Zwangsumlenkung sorgt für die Ausprägung eines charakteristischen Strömungsprofils mit einer heißen Kernströmung (12) und einer kälteren Randströmung. Dabei kommt es zu einer leichten Rückvermischung konvertierter Rohgase in die Kernströmung (12), wodurch die Verweilzeit des Rohgases zusätzlich erhöht wird.
Für die Kühlung der konvertierten Rohgase der Flugstromvergasung von Braunkohlenstaub auf eine Gasaustrittstemperatur von etwa 1100 °C ist die durch das Wasserbad (5) erfolgte Kühlung ausreichend.
Als zusätzliche Möglichkeit der Wasserzugabe zur Kühlung der Rohgase sind ringförmig angeordnete Unterwasserdüsen (14) unterhalb der Wasserbadoberfläche positioniert, deren Düsenöffnungen schräg in Richtung Reaktorwand (6) gerichtet sind, um die Aufwärtsströmung zu unterstützen und die abwärts gerichtete Kernströmung nicht zu beeinflussen.
Vorteilhaft entspricht die Temperatur des Wassers am Austritt der Unterwasserdüsen höchstens dem Siedepunkt bei Vergasungsdruck, bevorzugt jedoch 1 bis 50 K unter Siedepunkt bei Vergasungsdruck.
Mit einer Vorrichtung nach 1 werden für die Konvertierung und Kühlung von Rohgasen (3) der Flugstromvergasung von Braunkohlenstaub folgende Parameter des konvertierten und gekühlten Rohgases (9) erreicht:

- Druck ca. 40 bar (sehr geringer Druckverlust),
- Temperatur <1.100 °C,
- Wassergehalt ca. 18 Vol-%,
- molares H₂/CO-Verhältnis: 0,58,
- CO-Umsatz: ca. 14 %

Bezugszeichenliste

1: Rohgaseintritt
2: Kernströmung
3: Rohgase
4: freier Reaktionsraum
5: Wasserbad
6: Reaktorwand
7: Düse für Wasserdampf
8: Wassermantel
9: konvertierte und gekühlte Rohgase
10: Zwangsumlenkung
11: Gasaustritt für konvertierte und gekühlte Rohgase
12: Reaktionszone
13: Sattdampf
14: Unterwasserdüse

Claims

Verfahren zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung unter Druck, (a) bei dem die aus einem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase (3) und schmelzflüssige Schlacke in einer nach unten gerichteten Strömung in eine Vorrichtung eingebracht werden, deren oberer Bereich als Reaktionsraum (4) und deren unterer Teil als Wasserbad (5) ausgebildet ist, (b) bei dem die untere Begrenzung des Reaktionsraums (4) die Wasseroberfläche des Wasserbades (5) bildet und die Rohgase umlenkt, (c) bei dem konvertierte und gekühlte Rohgase (9) seitlich aus dem Reaktionsraum (4) abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, (d) dass Wasserdampf zur Konvertierung und Kühlung der Rohgase (3) kontinuierlich eingedüst wird, (e) dass der Wasserdampf mittels im oberen Drittel des Reaktionsraums (4) angeordneter Düsen (7) vollständig oder teilweise in Strömungsrichtung der Rohgase (3) so eingedüst wird, dass sich ringförmig um das durch den Rohgaseintritt (1) einströmende Rohgas (3) ein Wasserdampfmantel ausbildet, wobei Wasserdampf und Rohgase (3) intensiv kontaktiert und die Rohgase (3) partiell konvertiert werden, (f) dass so viel Wasserdampf eingebracht wird, dass die Temperatur des Rohgases in der Kernströmung (2) unmittelbar vor der Umlenkung über dem Wasserbad (5) 1100 K nicht unterschreitet, (g) dass die teilweise konvertierten Rohgase mittels des verdampften Wassers aus dem Wasserbad (5) und/oder mittels zusätzlich in den Reaktionsraum (4) eingedüsten Wassers weiter konvertiert und auf die gewünschte Gasaustrittstemperatur der konvertierten Rohgase (9) gekühlt werden und (h) dass die konvertierten und gekühlten Rohgase (9) im oberen Drittel des Reaktionsraums (4) abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Füllstand des Wasserbades (5) das Volumen des Reaktionsraumes (4) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf auf mindestens einer Ebene über eine oder mehrere neben dem Rohgaseintritt angeordnete Düsen (7) in den Reaktionsraum (4) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliches Wasser auf mindestens einer Ebene, bevorzugt unmittelbar unterhalb der Wasserbadoberfläche, radial an mindestens einer Stelle, bevorzugt außerhalb des Auftreffbereichs der Schlacke auf der Wasserbadoberfläche, über eine oder mehrere ringförmig angeordnete Unterwasserdüsen (14) in den Reaktionsraum (4) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wassers am Austritt der Unterwasserdüsen (14) höchstens dem Siedepunkt bei Vergasungsdruck, bevorzugt jedoch 1 bis 50 K unter Siedepunkt bei Vergasungsdruck, entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfassungswände (6) des Reaktionsraums (4) indirekt gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung Druckwasser mit einem Überdruck von bis zu 10 bar über dem Vergaserdruck verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konvertierten und gekühlten Rohgase (9) an einer oder mehreren Stellen seitlich unmittelbar unterhalb der Decke des Reaktionsraumes (4) abgezogen werden.
Vorrichtung zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen unter Druck, bestehend aus einem, einem Flugstromvergaser nachgeschalteten Reaktor, umfassend a) einen zentralen Rohgaseintritt (1) für eine abwärts gerichtete Strömung (2) heißer Rohgase (3) des Flugstromvergasers, b) einen freien Reaktionsraum (4), mit einem in der Höhe regelbaren Wasserbad (5), das den Reaktionsraum (4) nach unten begrenzt und mit kühlbaren Reaktorwänden (6), c) eine oder mehrere, um den Rohgaseintritt (1) auf mindestens einer Ebene radial angeordnete Düsen (7) für die Zuführung von überhitztem Wasserdampf, die so angeordnet und ausgelegt sind, dass sich der zugeführte Wasserdampf um die Rohgase (3) legen kann, d) eine oder mehrere ringförmig angeordnete Unterwasserdüsen (14), die unterhalb der Wasserbadoberfläche, radial an mindestens einer Stelle, so angeordnet und ausgelegt sind, das Wasser in den Reaktionsraum (4) in Richtung der Reaktorwände (6) eingedüst werden kann, e) mehrere, im oberen Teil des Reaktionsraums (4) angeordnete Gasaustritte (11) für konvertierte und gekühlte Rohgase (9).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserdüsen (14), unmittelbar unterhalb der Wasserbadoberfläche, radial an mindestens einer Stelle außerhalb des Auftreffbereichs der Schlacke auf der Wasserbadoberfläche angeordnet sind.