DE102016223318A1

DE102016223318A1 - Verfahren und Anlage zur Kohlenstoff-Reduzierung im Bodenprodukt eines Wirbelschichtvergasers

Info

Publication number: DE102016223318A1
Application number: DE102016223318.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Abraham; Domenico Pavone; Dobrin Toporov
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: Gidara Energy BV
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-05-24
Also published as: EP3548587A1; EP3548587B1; ES2877770T3; DK3548587T3; WO2018095781A1; PL3548587T3; PT3548587T

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Vergasungsreaktor (10) mit mindestens einer Wirbelschichtzone (11), in der eine Vergasung der Brennstoffe durch geeignete Vergasungsmittel erfolgt, wobei in einem unterhalb der Wirbelschichtzone (11) angeordneten Bodenbereich als Bodenprodukt ein kohlenstoffhaltiger Aschestrom anfällt und wobei unterhalb des Vergasungsreaktors (10) eine Einrichtung angeordnet ist, in der durch Zuführung eines Oxidationsmittels eine Oxidation des Bodenprodukts erfolgt, wobei als Einrichtung zur Oxidation des Bodenprodukts unterhalb der Wirbelschichtzone (11) des Vergasungsreaktors (10) eine zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Vergasungsreaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone, in der eine Vergasung der Brennstoffe durch geeignete Vergasungsmittel erfolgt, wobei in einem unterhalb der Wirbelschichtzone angeordneten Bodenbereich als Bodenprodukt ein kohlenstoffhaltiger Aschestrom anfällt und wobei unterhalb des Vergasungsreaktors eine Einrichtung angeordnet ist, in der durch Zuführung eines Oxidationsmittels eine Oxidation des Bodenprodukts erfolgt.
Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in der Wirbelschicht sind seit langem bekannt. Insbesondere ist hier das Hochtemperatur-Winkler-Verfahren (HTW-Verfahren) zu nennen, welches als erprobte Technologie gilt, mit der sowohl stückige als auch flüssige oder pastöse Brennstoffe in Synthesegas umgewandelt werden. Als Brennstoff kommen auch schwierige Brennstoffe mit sehr hohem Ascheanteil sowie biologisch basierte Brennstoffe zur Anwendung. Diese werden in eine Wirbelschicht, die als blasenbildende Wirbelschicht betrieben wird, eingeführt und mit Sauerstoff vergast. Das HTW-Verfahren arbeitet gegenüber anderen Vergasungsverfahren bei vergleichsweise moderaten Temperaturen, bei denen die entstehende Asche nicht schmelzflüssig den Vergasungsreaktor verlässt. Dies hat insbesondere bei korrosiven Aschen betriebliche Vorteile.
Bei den bekannten HTW-Verfahren erfolgt die Vergasung in der Regel über getrennte Düsen mit den Vergasungsmitteln, beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Luft. Diese Düsen sind beispielsweise in verschiedenen Ebenen angeordnet, zum Beispiel sowohl in der Wirbelbettzone als auch in der so genannten Freibordzone (FB). In dieser Freibordzone (FB) wird eine hohe Material- und Energieübertragungsrate erreicht und über die Rückführung der nicht umgesetzten Feststoffanteile über den Zyklon und Rückführleitung in die Wirbelschicht kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Wirbelschicht gesichert werden. Um die Bildung von Partikelagglomerationen zu vermeiden, sollte die Temperatur des Wirbelbettes unter der Temperatur des Ascheerweichungspunktes gefahren werden.
Zusätzlich werden beim herkömmlichen HTW-Verfahren Vergasungsmittel, in der Regel Sauerstoff, in die FB-Zone, die sich über dem Wirbelbett befindet, eingetragen. Durch die Injektion dieses „sekundären“ Sauerstoffs werden verschiedene Effekte erreicht, nämlich zum einen die Umsetzung eines Teils des fein verteilten Brennstoffes, welcher aus dem Wirbelbett ausgetragen wird und zum anderen soll die Temperatur der Gase erhöht werden, so dass eine weitere Oxidation und/oder ein Cracken der aus dem Einsatzstoff ausgetriebenen flüchtigen Substanzen (Teere und Kohlenwasserstoffe) erfolgen kann. Gleichzeitig erfolgt eine Reaktion der feinen verteilten Brennstoffpartikel mit Dampf und CO₂ entsprechend der Boudouard-Reaktion.
Der Anteil des Gesamtsauerstoffs oberhalb der Wirbelschicht liegt bei einem HTW-Verfahren beispielsweise zwischen etwa 60 % und etwa 10 %. Um die Verschlackung in der Nachvergasungszone zu vermeiden, sollten die Temperaturen vorzugsweise bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, dabei sollte die Betriebstemperatur vorzugsweise mindestens etwa 100° C unter dem Ascheerweichungspunkt liegen. Hierzu kann man Dampf mit Sauerstoff mischen und in den Reaktor einbringen. Die Zugabe von Sauerstoff in die Nachvergasungszone führt jedoch in Nebenreaktionen auch dazu, dass es zu einer teilweisen Verbrennung des Synthesegasreservoirs (CO + H₂) kommt und folglich zu einer Reduzierung der Synthesegas-Ausbeute. Daher muss man die Gas- und Partikeltemperatur erhöhen, um die Vergasungsreaktion zu beschleunigen.
Bei der Vergasung von aschehaltigen fossilen Brennstoffen im Hochtemperatur-Winkler-Vergaser (HTW-Vergaser) unter stationären Wirbelschichtbedingungen wird am Boden des Vergasers ein kohlenstoffhaltiger Aschestrom (so genanntes Bodenprodukt BP) abgezogen. Zur Ausnutzung der Energie und zur Erreichung der Deponiefähigkeit wird das Bodenprodukt bisher einer externen Feuerung zugeführt. Aus wirtschaftlichen Erwägungen sollte auf diese aufwändige Nachbehandlung verzichtet werden.
Der Bedarf an geeigneten Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wie beispielsweise Stroh, Restholz, Kohle oder dergleichen nimmt grundsätzlich zu. Daraus ergibt sich eine zunehmende Notwendigkeit zur Entwicklung von kostengünstigen Vergasungsverfahren, bei denen keine zusätzlichen Anlagen zur Entsorgung des Kohlenstoff-haltigen Bodenproduktes erforderlich sind.
In der WO 2015/003778 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffen in einem Hochtemperatur-Winkler-Verfahren (HTW-Verfahren) anfallenden Kohlenstoff-haltigen Bodenproduktes in Schwerkraftrichtung unterhalb der Wirbelschicht beschrieben. Es wird vorgeschlagen, zur Ausnutzung der Energie des Bodenprodukts und zur Erreichung der Deponiefähigkeit das Bodenprodukt nicht einer externen Feuerungseinrichtung zuzuführen, sondern offenporige keramische Elemente wie Gasspülsteine, Schaumkeramiken oder dergleichen in einem Bodenprodukt-Oxidator unterhalb der Wirbelschicht mit einem zugeführten Oxidationsmittel zu beaufschlagen. Auf diese Weise soll eine weitergehende Oxidation erreicht und der Kohlenstoffumsatz in dem HTW-Vergaser erhöht werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur wirtschaftlichen Vergasung unterschiedlicher Einsatzstoffe in einer druckaufgeladenen Wirbelschichtvergasung zur Verfügung zu stellen, die für vergleichsweise hohe Betriebsdrücke von vorzugsweise oberhalb von 10 bar geeignet und bei hoher Sicherheit und Verfügbarkeit wirtschaftlich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Vergasungsreaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist als Einrichtung zur Oxidation des Bodenprodukts unterhalb der Wirbelschichtzone des Vergasungsreaktors eine zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer angeordnet. In dieser zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer kann man durch Zufuhr eines geeigneten Oxidationsmittels eine effektive Verbrennung des Bodenprodukts aus dem Vergasungsreaktor erreichen. Vorzugsweise ist der die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer bildende Reaktor um einiges kleiner als der Vergasungsreaktor.
Diese zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer ist unterhalb des Vergasungsreaktors positioniert und beispielsweise über eine Querschnittsverengung mit der Wirbelschichtzone des Vergasungsreaktors verbunden.
Das Oxidationsmittel, welches über die wenigstens eine Zuführeinrichtung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer eingespeist, vorzugsweise eingedüst bzw. injiziert wird, umfasst vorzugsweise Sauerstoff und/oder Luft und kann zusätzlich beispielsweise Dampf und/oder CO₂ enthalten. Werden mehrere Zuführeinrichtungen verwendet, können über diese oxidierende Fluidströme mit unterschiedlicher Zusammensetzung aus einem oder mehreren der vorgenannten Gase/Fluide der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer zugeführt werden.
Vorzugsweise liegt der Sauerstoffgehalt des Oxidationsmittels, wenn dieses im Gemisch mit Dampf zugeführt wird, bei weniger als etwa 21 Vol.-%. Der Sauerstoffgehalt und die Sauerstoffmenge sollten in Abhängigkeit von der Menge an Kohlenstoff in dem in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer zu verbrennenden Bodenprodukt und der Verbrennungstemperatur unterhalb der Ascheerweichung gewählt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anlage wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Temperatur in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer aufweist. Mittels dieser Temperaturmesseinrichtung kann man die Temperatur in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer messen und in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur kann man auf den Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs schließen und den Sauerstoffgehalt des zugeführten Oxidationsmittels entsprechend einstellen, vorzugsweise so, dass sich überstöchiometrische Verhältnisse ergeben.
Vorzugsweise ist weiterhin eine Regeleinrichtung vorgesehen, um die Menge und/oder den Sauerstoffgehalt eines über die wenigstens eine Zuführeinrichtung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer injizierten Sauerstoff- und/oder Luft- und/oder Dampf- und/oder CO₂-haltigen Fluidstroms zu regeln.
Bevorzugt steht die Regeleinrichtung mit der Temperaturmesseinrichtung in Wirkverbindung, um die Menge und/oder den Sauerstoffgehalt des über die wenigstens eine Zuführeinrichtung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer injizierten Sauerstoff- und/oder Luft- und/oder Dampf- und/oder CO₂-haltigen Fluidstroms in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur in der zusätzlichen Brennkammer zu regeln.
Vorzugsweise ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Zuführeinrichtung derart ausgebildet, dass durch den in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer injizierten Sauerstoff- und/oder Luft- und/oder Dampf- und/oder CO₂-haltigen Fluidstrom das in der zusätzlichen Brennkammer zu verbrennende Bodenprodukt fluidisiert wird. Man hat dadurch den verfahrenstechnischen Vorteil, dass man für die Fluidisierung, d.h. für die Erzeugung der Wirbelschicht in der zusätzlichen Brennkammer kein zusätzliches Fluid benötigt, sondern hierfür das ohnehin zugeführte Oxidationsmittel verwenden kann.
Vorzugsweise umfasst die Zuführeinrichtung wenigstens eine Düse, vorzugsweise eine Mehrstoffdüse, zur Einspritzung eines Fluidgemischs aus wenigstens zwei unterschiedlichen oxidierenden Fluiden in die zusätzliche Brennkammer. Hier kann zum Beispiel eine Mehrstoffdüse verwendet werden, wie sie in der WO 2014/026748 A1 beschrieben wird. Auf den Inhalt dieser Druckschrift wird hier ausdrücklich Bezug genommen.
Weiterhin ist vorzugsweise der Zuführeinrichtung wenigstens ein Ventil zur Absperrung und/oder Regelung des zugeführten oxidierenden Fluidstroms zugeordnet, so dass man die Zufuhr des Oxidationsmittels regeln und/oder gegebenenfalls absperren kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Anlage wenigstens zwei Zuführeinrichtungen für die Zufuhr unterschiedlich zusammengesetzter oxidierender Fluidströme, wobei jeder Zuführeinrichtung jeweils wenigstens ein Ventil zur Absperrung und/oder Regelung des jeweils zugeführten oxidierenden Fluidstroms zugeordnet ist. Auf diese Weise kann man der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer unterschiedlich zusammengesetzte Fluidströme gegebenenfalls an verschiedenen Stellen differenziert in der jeweils gewünschten Menge zuführen.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anlage wenigstens eine Druckdifferenzmessvorrichtung und Anzeigevorrichtung, um eine Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Wirbelschicht des Vergasungsreaktors und dem Druck in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer anzuzeigen. Die gemessene Druckdifferenz kann man beispielsweise nutzen, um die Bedingungen für die Fluidisierung der Wirbelschicht im Vergasungsreaktor durch die aus der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer nach oben hin austretenden Rauchgase einerseits und durch das zugeführte Oxidationsmittel andererseits zu optimieren.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage sieht vor, dass diese wenigstens eine Verbindungsleitung für die Rückführung von Rohgas aus dem Vergasungsreaktor aufweist, die aus dem Vergasungsreaktor heraus und in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer hinein führt. Auf diese Weise kann man wenigstens einen Teilstrom der in dem Vergasungsreaktor erzeugten Rohgase in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer rückführen und dort beispielsweise für die Fluidisierung (Erzeugung der Wirbelschicht) und/oder gegebenenfalls auch für die Oxidation und Förderung der Verbrennung nutzen, soweit das Rohgas noch oxidierende Gasanteile enthält.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage umfasst wenigstens einen Verdichter für die Verdichtung von rückgeführtem Rohgas aus dem Vergasungsreaktor in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer, so dass man das Rohgas für die Rückführung verdichten kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas bei dem in einem Vergasungsreaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone eine Vergasung der Brennstoffe durch geeignete Vergasungsmittel erfolgt, wobei in einem unterhalb der Wirbelschichtzone angeordneten Bodenbereich als Bodenprodukt ein kohlenstoffhaltiger Aschestrom anfällt und wobei unterhalb des Vergasungsreaktors eine Einrichtung angeordnet ist, in der durch Zuführung eines Oxidationsmittels eine Oxidation des Bodenprodukts erfolgt, wobei die Oxidation des Bodenprodukts in einer unterhalb der Wirbelschichtzone des Vergasungsreaktors angeordneten zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer erfolgt.
Vorzugsweise wird erfindungsgemäß das bei der Oxidation des Bodenprodukts in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer entstehende Rauchgas von der Unterseite her in den Vergasungsreaktor geleitet und dient dazu, dort eine Fluidisation der zu vergasenden Partikel zu erzeugen oder diese Fluidisation zumindest zu unterstützen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teil des bei der Vergasung im Vergasungsreaktor erzeugten Rohgases aus dem Vergasungsreaktor über wenigstens eine Verbindungsleitung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer rückgeführt.
Vorzugsweise wird der rückgeführte Teil des bei der Vergasung im Vergasungsreaktor erzeugten Rohgases vor der Einleitung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer mittels wenigstens eines Verdichters verdichtet.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Bodenprodukts aus dem Vergasungsreaktor in die darunter befindliche zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer vorzugsweise mit Hilfe des Stroms des rückgeführten Gases derart eingestellt wird, dass nur Partikel gröberer Partikelgröße aufgrund der Schwerkraft aus dem Vergasungsreaktor in die darunter liegende zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer gelangen. Die feinere Partikelklasse verbleibt somit weiterhin im Vergasungsreaktor, wodurch ebenfalls der Kohlenstoffgehalt reduziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bevorzugt die Vergasung der Brennstoffe im Vergasungsreaktor bei einem Betriebsdruck von wenigstens etwa 10 bar erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird über mindestens eine erste Zuführeinrichtung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer ein oxidierender Fluidstrom injiziert, welcher Sauerstoff und/oder Luft und/oder Dampf enthält und über mindestens eine zweite Zuführeinrichtung wird in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer ein Fluidstrom injiziert, welcher CO₂ und/oder recyceltes Gas aus dem Vergasungsreaktor enthält.
Vorteilhaft ist es, wenn man die Temperatur in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer misst, da die Temperatur Rückschlüsse auf den Verlauf des Verbrennungsvorgangs und den Kohlenstoffgehalt des dortigen Bodenprodukts nach dem Vergasungsvorgang zulässt. Somit kann man in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur den Sauerstoffgehalt des der Wirbelschicht-Brennkammer zugeführten Oxidationsmittels entsprechend dem Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs einstellen, wobei man vorzugsweise überstöchiometrische Bedingungen einstellt.
Der für die Vergasung in der Wirbelschichtzone gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte Vergasungsreaktor ist besonders bevorzugt ein Hochtemperatur-Winkler-Vergaser und das Vergasungsverfahren wird unter entsprechenden Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur und weiterer Parameter durchgeführt, wobei hier auf die eingangs genannte Druckschrift und die einschlägige Literatur verwiesen wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anlage;
2 eine vergrößerte Detaildarstellung eines Ausschnitts aus der in 1 dargestellten Anlage, wobei der untere Bereich des Vergasungsreaktors und die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer dargestellt sind.

Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Die Darstellung zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anlage, die ein Fördersystem 20 aufweist mittels dessen das Ausgangsmaterial, beispielsweise Kohle, Biomasse, Abfälle oder dergleichen dem Vergasungsreaktor 10 zugeführt wird. Dieses Förder-und Zuführsystem 20 umfasst beispielsweise eine Anzahl von konisch endenden Behältern 21 und gegebenenfalls Schleusen und ist geeignet, das Ausgangsmaterial auf einen Drucklevel zu bringen, welcher auch in dem Vergasungsreaktor 10 herrscht. Beispielsweise über eine Förderschnecke 22 kann dann das Material in den Vergasungsreaktor verbracht werden.
Der Vergasungsreaktor 10 umfasst eine Wirbelschichtzone 11 und darüber eine so genannte „free board zone“, d.h. einen Mischbereich 16 (auch Freibordzone genannt), wobei in diesen beiden Zonen 11, 16 die Vergasung des Ausgangsmaterials bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise etwa 800 °C bis etwa 1200 °C unter Zufuhr eines Gemischs aus Sauerstoff und Dampf oder Luft erfolgt. Weiterhin ist ein mit dem Vergasungsreaktor 10 verbundener Zyklonabscheider 18 vorgesehen, in dem die mitgerissenen teilvergasten Partikel (Aschepartikel) von dem im Vergasungsreaktor erzeugten Synthesegas abgetrennt werden, so dass das staubfreie Synthesegas über eine Ausgangsleitung 19 abgeführt werden kann. Es ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die vom unteren Bereich des Zyklonabscheiders 18 ausgeht und dazu dient, mit dem Synthesegas mitgerissene Aschepartikel, die im Zyklonabscheider 18 abgetrennt wurden, in die Wirbelschichtzone 11 rückzuführen.
Feste Nebenprodukte (Aschepartikel) aus dem Bodenprodukt des Vergasungsreaktors 10 gelangen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in eine zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12, die unterhalb der Wirbelschichtzone 11 des Vergasungsreaktors 10 angeordnet und mit diesem über eine Querschnittsverengung verbunden ist, so dass insbesondere durch Gravitation Partikel des Bodenprodukts aus dem Vergasungsreaktor 10 nach unten hin in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12 fallen können, während leichtere kleinere Partikel aufgrund der Fluidisation im Vergasungsreaktor 10 verbleiben. Wie man in 1 erkennt, ist die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12 wesentlich kleiner als der Vergasungsreaktor 10 und hat nur einen Bruchteil der Größe des Vergasungsreaktors.
Wie man weiterhin aus 1 erkennt, kann die Zugabe des Oxidationsmittels, welches insbesondere aus Sauerstoff/Dampf, Luft oder CO₂ besteht in verschiedenen Bereichen der Anlage in unterschiedlichen Höhenpositionen erfolgen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist beispielsweise eine erste obere Düse 24 für die Zugabe des Oxidationsmittels in den Vergasungsreaktor im unteren Bereich der „free board zone“ vorgesehen. Weiterhin erfolgt eine Zugabe von beispielsweise einem Gemisch aus Sauerstoff und Dampf unterhalb davon in die Wirbelschichtzone 11 des Vergasungsreaktors über eine zweite mittlere Düse 25 sowie über eine dritte mittlere Düse 26. Schließlich ist eine Zugabe dieses oder eines anderen Oxidationsmittel einer der oben beschriebenen Zusammensetzungen über eine vierte untere Düse 27 vorgesehen, die unmittelbar in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12 hinein erfolgt. Diese diversen Düsen für die Zufuhr des Oxidationsmittel können im einfachsten Fall bei Verwendung von Oxidationsmitteln gleicher Zusammensetzung über Leitungen miteinander verbunden sein und über gemeinsame Zuführleitungen gespeist werden, aber ebenso gut ist eine Speisung aus unterschiedlichen Quellen über jeweils separate Leitungssysteme möglich.
Der aus der unter dem Vergasungsreaktor 10 angeordneten zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer 12 bevorzugt nach unten hin austretende Verbrennungsrückstand wird beispielsweise über ein wassergekühltes System von Förderschnecken 38 und Druckbehältern 39, in denen er gekühlt und auf Umgebungsdruck gebracht wird, aus der Anlage abgeführt.
Nachfolgend wird beispielhaft der Bereich der Anlage, in dem sich die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12 befindet, anhand der vergrößerten Detaildarstellung gemäß 2 näher erläutert. Hier sind im Prinzip nur die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12 und teilweise die darüber liegende Wirbelschichtzone 11 des Vergasungsreaktors erkennbar. Man erkennt eine erste obere Zuführeinrichtung 24 in Form einer Düse oder dergleichen für beispielsweise ein Gemisch aus Sauerstoff und Dampf, welches in die Wirbelschichtzone 11 des Vergasungsreaktors eingedüst wird.
Im Bereich der zwischen beiden Anlagenteilen 11 und 12 vorgesehenen Querschnittsverengung 13 ist eine weitere mittlere Zuführeinrichtung 26 angeordnet, über die in diesem Fall bevorzugt ein Gemisch aus rückgeführtem Rohgas und CO₂ aus dem Vergasungsreaktor zugeführt wird, welches hier zur Unterstützung der Fluidisierung des zu vergasenden Materials in der Wirbelschichtzone 11 genutzt wird. Es ist eine weitere untere Düse 27 vorgesehen, welche im Bereich der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer 12 außen an dieser angeordnet ist und über die eine Zufuhr von Oxidationsmittel wie beispielsweise einem Gemisch aus Sauerstoff und Dampf in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer 12 erfolgen kann.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist noch eine weitere untere Düse 28 im unteren Bereich der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer 12 angeordnet, über welche wiederum beispielsweise ein Gemisch aus rückgeführtem Rohgas aus dem Vergasungsreaktor und CO₂ in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer eingedüst werden kann. Auf diese Weise kann man die Verbrennungsrückstände/Aschepartikel in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer 12 fluidisieren und so eine Wirbelschicht ausbilden. Zu dieser Düse 28 führt eine Leitung 29, in der ein Ventil 30 angeordnet ist, so dass man die Zufuhr zu der Düse 28 regeln und beispielsweise absperren oder drosseln kann. Diese Leitung 29 ist mit einer Leitung verbunden, von der eine Zweigleitung 31 abgeht, die zu der Düse 26 führt, so dass man für die Fluidisierung in beiden Anlagenteilen ein Gasgemisch aus dem Vergasungsreaktor nutzen kann, welches von letzterem über eine gemeinsame Leitung zugeführt wird, die sich dann verzweigt und zu den Düsen 26 bzw. 28 führt. Auch in der Zweigleitung 31 ist ein Ventil 32 angeordnet, so dass man diese Zweigleitung 27 separat absperren kann, wenn beispielsweise nur eine Zufuhr zu der Düse 28 gewünscht ist. Ebenso ist es über ein weiteres Ventil 35 möglich, die Leitung vor der Abzweigung der Zweigleitung 31 abzusperren oder die Zufuhr von Rohgas und CO₂ bereits dort für beide Leitungen 29, 31 zu regeln.
Weiterhin ist eine Temperaturmesseinrichtung 33 vorgesehen, mittels derer man die Temperatur in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer 12 messen kann. Die gemessene Temperatur kann man nutzen, um Rückschlüsse über den Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs in der Brennkammer 12 zu ziehen, woraus man dann wiederum berechnet, wie viel Oxidationsmittel man der Brennkammer 12 über die Düse 27 zuführen muss, um ein optimales Verhältnis Sauerstoff/Kohlenstoff (vorzugsweise ist dieses überstöchiometrisch) einzustellen.
Weiterhin ist in 2 eine Druckdifferenzmesseinrichtung 34 vorgesehen, die den jeweiligen Druck zum einen in der Wirbelschichtzone 11 misst und zum anderen in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer 12, wobei die Druckdifferenz zwischen beiden Werten ermittelt und angezeigt wird. Aus dieser Druckdifferenz kann man Rückschlüsse über die Strömungsverhältnisse in der Querschnittsverengung 13 zwischen den beiden Anlagenteilen schließen. Davon abhängig kann man dann wiederum die Zufuhr des Fluids über die Leitung 27 und die Düse 26 in den Bereich der Querschnittsverengung 13 regeln, was beispielsweise über das Ventil 32 geschieht. Auf diese Weise kann man auf den Grad der Fluidisierung der Wirbelschichtzone 11 durch das recycelte Rohgas Einfluss nehmen.
Bezugszeichenliste

10: Vergasungsreaktor
11: Wirbelschichtzone
12: Wirbelschicht-Brennkammer
13: Querschnittsverengung
14: Zuführeinrichtung
15: Ventil
16: free board zone
17: Verbindungsleitung
18: Zyklonabscheider
19: Ausgangsleitung für Synthesegas
20: Fördersystem/Zuführsystem
21: konisch endende Behälter
22: Förderschnecke
23: Rückführleitung
24: erste obere Düse für Oxidationsmittel-Zufuhr
25: zweite mittlere Düse
26: dritte mittlere Düse
27: vierte untere Düse
28: Düse
29: Leitung
30: Ventil
31: Zweigleitung
32: Ventil
33: Temperaturmesseinrichtung
34: Druckdifferenzmesseinrichtung
35: Ventil
38: Förderschnecken
39: Druckbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/003778 A1 [0008]
WO 2014/026748 A1 [0019]

Claims

Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Vergasungsreaktor (10) mit mindestens einer Wirbelschichtzone (11), in der eine Vergasung der Brennstoffe durch geeignete Vergasungsmittel erfolgt, wobei in einem unterhalb der Wirbelschichtzone (11) angeordneten Bodenbereich als Bodenprodukt ein kohlenstoffhaltiger Aschestrom anfällt und wobei unterhalb des Vergasungsreaktors (10) eine Einrichtung angeordnet ist, in der durch Zuführung eines Oxidationsmittels eine Oxidation des Bodenprodukts erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Oxidation des Bodenprodukts unterhalb der Wirbelschichtzone (11) des Vergasungsreaktors (10) eine zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) angeordnet ist.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) über eine Querschnittsverengung (13) mit der Wirbelschichtzone (11) des Vergasungsreaktors (10) verbunden ist.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zuführeinrichtung (27) für die Zufuhr von Sauerstoff und/oder Luft und/oder Dampf und/oder CO₂ in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) vorgesehen ist.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmesseinrichtung (33) zur Messung der Temperatur in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer (12) vorgesehen ist.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Regeleinrichtung (30, 35) vorgesehen ist, um die Menge und/oder den Sauerstoffgehalt eines über die wenigstens eine Zuführeinrichtung (27, 28) in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) injizierten Sauerstoff- und/oder Luft- und/oder Dampf- und/oder CO₂-haltigen Fluidstroms zu regeln.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung mit der Temperaturmesseinrichtung (33) in Wirkverbindung steht, um die Menge und/oder den Sauerstoffgehalt des über die wenigstens eine Zuführeinrichtung (27, 28) in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) injizierten Sauerstoff- und/oder Luft- und/oder Dampf- und/oder CO₂-haltigen Fluidstroms in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur in der zusätzlichen Brennkammer (12) zu regeln.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (28) derart ausgebildet ist, dass durch den in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) injizierten Sauerstoff- und/oder Luft- und/oder Dampf- und/oder CO₂-haltigen Fluidstrom das in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer (12) zu verbrennende Bodenprodukt fluidisiert wird.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (27, 28) wenigstens eine Düse, vorzugsweise eine Mehrstoffdüse zur Einspritzung eines Fluidgemischs aus wenigstens zwei unterschiedlichen oxidierenden Fluiden in die zusätzliche Brennkammer (12) umfasst.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführeinrichtung (27, 28) wenigstens ein Ventil (30, 35) zur Absperrung und/oder Regelung des zugeführten oxidierenden und/oder fluidisierenden Fluidstroms zugeordnet ist.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens zwei Zuführeinrichtungen (27, 28) für die Zufuhr unterschiedlich zusammengesetzter oxidierender Fluidströme umfasst, wobei jeder Zuführeinrichtung jeweils wenigstens ein Ventil (30, 35) zur Absperrung und/oder Regelung des jeweils zugeführten oxidierenden Fluidstroms zugeordnet ist.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Druckdifferenzmessvorrichtung (34) und Anzeigevorrichtung umfasst, um eine Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Wirbelschichtzone (11) des Vergasungsreaktors (10) und dem Druck in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer (12) zu messen und anzuzeigen.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindungsleitung (29) für die Rückführung von Rohgas aus dem Vergasungsreaktor (10) vorgesehen ist, die wenigstens Anteile des erzeugten Rohgasstroms zurück in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) hinein führt.
Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter für die Verdichtung von rückgeführtem Rohgas aus dem Vergasungsreaktor (10) in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) vorgesehen ist.
Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas bei dem in einem Vergasungsreaktor (10) mit mindestens einer Wirbelschichtzone (11) eine Vergasung der Brennstoffe durch geeignete Vergasungsmittel erfolgt, wobei in einem unterhalb der Wirbelschichtzone (11) angeordneten Bodenbereich als Bodenprodukt ein kohlenstoffhaltiger Aschestrom anfällt und wobei unterhalb des Vergasungsreaktors (10) eine Einrichtung angeordnet ist, in der durch Zuführung eines Oxidationsmittels eine Oxidation des Bodenprodukts erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation des Bodenprodukts in einer unterhalb der Wirbelschichtzone (11) des Vergasungsreaktors (10) angeordneten zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Oxidation des Bodenprodukts in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer (12) entstehende Rauchgas von der Unterseite her in den Vergasungsreaktor (10) geleitet wird und dazu dient, dort eine Fluidisierung der zu vergasenden Partikel zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des bei der Vergasung im Vergasungsreaktor (10) erzeugten Rohgases aus dem Vergasungsreaktor über wenigstens eine Verbindungsleitung (29) in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der rückgeführte Teil des bei der Vergasung im Vergasungsreaktor (10) erzeugten Rohgases vor der Einleitung in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) mittels wenigstens eines Verdichters verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Bodenprodukts aus dem Vergasungsreaktor (10) in die darunter befindliche zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) vorzugsweise mit Hilfe des Stroms des rückgeführten Gases derart eingestellt wird, dass nur Partikel gröberer Partikelgröße aufgrund der Schwerkraft aus dem Vergasungsreaktor (10) in die darunter liegende zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) gelangen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der Brennstoffe im Vergasungsreaktor (10) bei einem Betriebsdruck von wenigstens etwa 10 bar erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens eine erste Zuführeinrichtung (27) in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) ein oxidierender Fluidstrom injiziert wird, welcher Sauerstoff und/oder Luft und/oder Dampf enthält und über mindestens eine zweite Zuführeinrichtung (28) in die zusätzliche Wirbelschicht-Brennkammer (12) ein Fluidstrom injiziert wird, welcher CO₂ und/oder recyceltes Gas aus dem Vergasungsreaktor (10) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass man die Temperatur in der zusätzlichen Wirbelschicht-Brennkammer (12) misst und in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur den Sauerstoffgehalt des der Wirbelschicht-Brennkammer (12) zugeführten Oxidationsmittels entsprechend einstellt.