DE1091268B

DE1091268B - Einrichtung zur Erzeugung eines Brenngases durch Vergasen eines festen feinzerteilten Brennstoffes

Info

Publication number: DE1091268B
Application number: DET8444A
Authority: DE
Inventors: Frederic Hollway Moore
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1953-09-29
Filing date: 1953-09-29
Publication date: 1960-10-20

Description

Einrichtung zur Erzeugung eines Brenngases durch Vergasen eines festen feinzerteilten Brennstoffes Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung eines Brenngases durch Vergasen eines festen feinzerteilten Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Wasserdampf, insbesondere zur Erzeugung von kohlenmonoxydhaltigen Gasen aus kohlenstoffhaltigen Stoffen, und namentlich eines Gemisches aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, das sich als Synthesegas für die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen eignet.
Die Synthese von Kohlenwasserstoffen durch Umsetzung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff ist bekannt. Für die Kohlenwasserstoffsynthese sind eine Anzahl Verfahren bekannt. Im allgemeinen werden flüssige Kohlenwasserstoffe durch Umsetzung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bei erhöhter Temperatur und !erhöhtem Druck in Gegenwart eines Katalvsa.tors, gewöhnlich eines Elements der Eisengruppe des Periodischen Systems, hergestellt.
Für die Erzeugung dieser Brenngase kommen vorzugs«eise feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe in Frage, z. B. Stein- oder Braunkohle. Man kann jedoch für die Gaserzeugung auch andere kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe nehmen.
Die bekannten Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung bezwecken eine möglichst vollständige Umsetzung des Kohlenstoffes und eine wirksame Ausnutzung seiner Heizkraft. Die Schlacke läßt sich bei der vorliegenden Einrichtung, bei der die Schlacke in geschmolzenem Zustand anfällt, ohne besondere Schwierigkeiten beseitigen.
Bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, insbesondere von festen, mit Sauerstoff, verläuft die Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenstoff nach der Gleichung: C+02=C02 und macht große Wärmemengen frei.
Das so hergestellte Kohlendioxyd setzt sich seinerseits bei Berührung mit dein Kohlenstoff in Kohlenmonoxyd um C02+C=2C0. Dampf setzt sich gleichfalls mit Kohlenstoff in der Wärme um und ergibt Kohlenmonoxyd und Wasserstoff H20+C=CO+H2. Die beiden letztgenannten Reaktionen sind endotherm und erfordern die Zuführung von Wärme aus einer anderen Wärmequelle. Die für die endothermen Umsetzungen erforderliche Wärme kann aus der zuerst genannten exothermen Reaktion stammen. Deshalb soll in einem Gaserzeuger eine freie Wärmeübertragung zwischen der Zone, in der Kohlendioxyd entsteht, und der Zone, in der es durch die Umsetzung mit Kohlenstoff verbraucht wird, möglich sein.
Die umkehrbare Wassergasreaktion: Co +H20=C02+H2 geht gleichfalls in dem Gaserzeuger vor sich, hat aber wenig Einfluß auf das im Gaserzeuger herrschende thermische Gleichgewicht. Bei hohen Temperaturen, etwa über 815° C, beginnen die in der letzten Gleichung links stehenden Produkte unter den bekannten Gesetzen des chemischen Gleichgewichts vorzuherrschen, wogegen bei niedrigen Temperaturen der umgekehrte Fall vorliegt. Die in dem Gasprodukt vorhandene Wasserstoffmenge kann durch Regulierung der die Wassergasreaktion beeinflussenden Bedingungen gesteuert werden. Wie in der Technik bekannt ist, läßt sich Wasserstoff auf Kosten des Kohlenmonoxyds durch Konvertierung herstellen, oder man schreckt das aus dem Gaserzeuger austretende Reaktionsprodukt ab, um durch seine Abkühlung im wesentlichen die rückläufige Reaktion zu verhindern.
Zur Durchführung dieser Reaktionen ist es schon bekanntgeworden, die Reaktionsteilnehmer in eine Reaktionskammer von vorzugsweise zylindrischer Gestalt tangential einzuführen. Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art werden die Produktgase an einem Ende der Reaktionskammer durch eine an einem Zylinderende, vorzugsweise in der Mitte, angeordnete Auslaßöffnung entfernt, nachdem durch die tangentiale Einführung der einzelnen Reaktionsteilnehmer eine wirbelartige Bewegung dieser Stoffe durch die ganze Kammer erreicht worden ist. Bei den bekanntgewordenen Einrichtungen dieser Art bestand jedoch vielfach die Gefahr schädlicher örtlicher ü)erhitzungen, wobei die zunächst entstehenden Reaktionsprodukte einer starken Strahlungswärme durch die äußerst exotherrne primäre Umsetzung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlendioxyd ausgesetzt wurden. Diese starke Umsetzung ist vor allem entlang der Außenschicht in der Reaktionszone zu verzeichnen.
Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird in den langgestreckten zylindrischen Reaktionsraum ebenfalls tangential zur Innenwand ein Strom des in dem Wasserdampf suspendierten Brennstoffes, aber getrennt davon gleichsinnig tangential ein Strom des sauerstoffhaltigen Gases eingeführt. Vorzugsweise wird dem Dampf noch eine kleine Menge eines Kohlenwasserstoffgases oder Sauerstoff und/oder dem gesondert von ihm eingeführten sauerstoffhaltigen Gas noch etwas Wasserdampf beigemengt. Das Besondere liegt dabei darin, daß die Einführungsstellen für die Brennstoff-Dampf-Suspension und das sauerstoffhaltige Gas in der Nähe des einen Endes des Reaktionsraumes liegen und der Auslaß für das erzeugte Gas aus diesem Raum an einer zwischen der Einführungsstelle der Reaktionsteilnehmer und dem anderen Ende des Reaktionsraumes liegenden Stelle, wobei der Auslaß so angeordnet ist, daß das Gas axial und in Richtung auf dasjenige Ende des Reaktionsraumes hin abgezogen wird, an dem sich die Reaktionsteilnehmer-Einführungen befinden.
Vorzugsweise steht der zylindrische Reaktionsraum aufrecht, und die Einführungsstellen für die Reaktionsteilnehmer liegen in der Nähe seines oberen Endes, und zwar möglichst dicht beieinander, und sind so angeordnet, daß der Strom des sauerstoffhaltigen Gases in den Brennstoff-Dampf-Strom hineingerichtet ist.
Vorzugsweise betreibt man diese Einrichtung derart. daß das sauerstoffhaltige Gas mehr als 90 Volumprozent Sauerstoff enthält.
Die Einführung der Reaktionsteilnehmer in die Reaktionskammer tangential zu ihrer Innenwandung nahe dem einen Zylinderende und das Abziehen der Produktgase axial von einem Punkt zwischen der Einführungsstelle der Reaktionsteilnehmer und dem entgegengesetzten Zylinderende ermöglicht eine sehr günstige schraubenlinienförmige Bewegung der Kohleteilchen entlang der Reaktorwandung. Die dabei auftretenden Zentrifugalkräfte halten die schwereren Teilchen im Abstand von der Zylinderachse, so daß die mitgeführten Teilchen und die daraus zurückbleibenden Ascheteilchen nur wenig von den abziehenden Gasen mitgenommen werden. Dadurch, daß die Reaktionsteilnehmer etwa in gleicher Höhe, jedoch in einem gewissen tangentialen Abstand eingeblasen werden, bildet sich ferner auf der Innenwand der Reaktionskammer eine Gasschicht heraus, die für eine g Y Wisse Dauer der Verwirbelung erhalten bleibt und e die Verbrennung etwas verlangsamt, so daß die Innenwand vor unmittelbarer Berührung mit dem Sauerstoffstrom geschützt wird und die Temperaturen Örtlich nicht zu hoch ansteigen können. Die sekundären Reaktionen jedoch, z. B. die endotherme Reaktion zwischen Wasserdampf und Kohle, werden in der Mitte der Reaktionskammer durch die abstrahlende Wärme begünstigt und können so praktisch völlig zu Ende geführt werden.
Bei den bisher bekanntgewordenen Einrichtungen mit tangentialer Einführung der Reaktionsteilnehmer dagegen wirbeln die Gase nur an dem Ende der Reaktionszone nach der Auslaßöffnung zu, wobei eine größere -Menge fester, nicht umgesetzter Teilchen in die abziehenden Produkte gelangt als bei der Einrichtung nach der Erfindung.
Für den Betrieb der Einrichtungen nach der Erfindung sind erhöhte Temperatur und erhöhter Druck von Vorteil. Am besten arbeitet man bei Temperaturen zwischen 1090 und 2200° C; die Höhe der Temperatur wird vor allem durch die Art der feuerfesten Auskleidung der Reaktionskammer bestimmt. Grundsätzlich empfiehlt es sich, mit den Temperaturen so hoch wie möglich zu gehen, insbesondere für die endothermen Reaktionen. Bei erhöhtem Druck erhält man höhere Konzentrationen an den gasförmigen Reaktionsteilnehmern. Vorzugsweise arbeitet man mit Drücken über 7 kg/cm2.
Die Einrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Erzeugung der Brenngase auf eine besonders wirksame Art, wie in der folgenden eingehenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen noch ausführlicher dargelegt wird.
Fig. 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsforen der Einrichtung. Fig. 2 ist ein waagerechter Querschnitt entlang der Ebene 2--2 der Fig. 1.
Der in den Zeichnungen abgebildete Gaserzeuger ist besonders zur 1'ergasung von Kohlenstaub für die Herstellung von Synthesegas geeignet. Um die eingehende Beschreibung der abgebildeten Vorrichtung zu vereinfachen, wird die Anlage hier nur für die Umsetzung von Kohlenstaub erläutert. Es können aber ebensogut auch andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe, wie Koks, Braunkohle u. dgl., verarbeitet werden.
In den Zeichnungen hat der Gaserzeuger ein äußeres zylindrisches Stahlgehäuse 5, das imstande ist, dem `'erfahrensdruck zu widerstehen, mit einer feuerfesten Auskleidung 6, die den bei dein Verfahren auftretenden Temperaturbedingungen standhalten kann. Mit überhitztem Dampf vermischte gemahlene Kohle wird durch einen Einlaß 8 in den Oberteil der langen, zylindrischen, senkrechten Reaktionskammer 7 eitigefiihrt. Sauerstoff gelangt in diese Kammer durch einen Einlaß 9, der den Sauerstoffstrom unmittelbar in den aus Kohle und Dampf bestehenden Strom einleitet. Sowohl der aus Kohle und Dampf bestehende Strom wie auch der Sauerstoffstrom werden in den Oberteil der Reaktionskammer an deren Peripherie, und zwar möglichst tangential eingeführt. Durch diese Anordnung werden Kohle und Sauerstoff in der Kammer innig vermischt, und es wird eine unmittelbare Einwirkung des Sauerstoffstromes auf die Wandung der Reaktionskammer verhindert, weil diese vor dem durch den Einlaß 9 zuströmenden Sauerstoff durch den aus dem Einlaß 8 kommenden, aus Kohle und Dampf bestehenden Strom geschützt wird.
Sauerstoff und Kohle setzen sich unmittelbar miteinander unter Freiwerden einer großen Wärmemenge um. Die bei der Oxydationsreaktion entstehenden Gase und erhitzten Kohlenstoffteilchen ziehen in der Reaktionskammer 7 entlang der Peripherie an der Innenwandung nach unten, wobei die tangentiale Einführung der Reaktionsteilnehmer dem Gasstrom und den erwärmten Kohleteilchen eine schraubenlinienförmige Wirbelbewegung verleiht. Das in dem heißen Gasstrom befindliche Kohlendioxyd setzt sich im Unterteil der Kammer mit den erhitzten Kohleteilchen um, wobei Kohlenmonoxyd entsteht.
Bei der Wirbelbewegung «-erden aus dem Gasstrom geschmolzene Asche und Schlacke ausgeschieden, die sich unten in der Reaktionszone ansammeln, von wo sie durch den Schlackenablaß 10 in das Auslaßrohr 11 abgegeben werden können. Das Schlackenabflußrohr 12 hat eine feuerfeste Auskleidung 13.
Die aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehenden Gasprodukte ziehen durch das axiale Rohr 14 aus der Reaktionskammer unterhalb der Einlaßstelle der Reaktionsteilnehmer ab. Das Rohr 14 reicht bis etwas oberhalb der 'Mitte der Reaktionskammer. Die Synthesegase ziehen von 14 durch das Auslaßrohr 16 in die Abflußleitung 17, die ebenfalls eine feuerfeste.Auskleidung 18 hat. Das Synthesegas kann z. B. durch Berührung mit einem Wassersprühstrahl abgeschreckt und in einem Abhitzekessel unter Erzeugung von Dampf weiter gekühlt werden.
Ein Zündbrenner 21 ragt durch eine Öffnung in den Oberteil der Kammer bis oberhalb der Stelle, wo Sauerstoff und Kohle zusammentreffen. Heizgas kann durch die Leitung 22 und Sauerstoff durch die Leitung 23 in den Brenner strömen.
Alle mitgerissenen geschmolzenen Ascheteilchen, die mit dem Synthesegas ausströmen, ergeben bei der Kühlung kleine Flugascheteilchen, die sich leicht aus dem Synthesegas abscheiden lassen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird zerkleinerte, in einem überhitzten Dampfstrom suspendierte Kohle mit einem Teilchengrößendurchmesser von etwa 0,6 cm durch die Einlaßöffnung 8 in den Gaserzeuger eingeblasen, wobei der Druck ausreicht, um das Gemenge durch die Einlaßöffnung 8 mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit eintreten zu lassen. Der Sauerstoff tritt ebenfalls unter Druck und mit einer solchen Geschwindigkeit durch die Einlaßöffnung 9 in den Gaserzeuger ein, daß er sich unbedingt mit der Kohle vermischen muß. Die Kohleteilchen wirbeln in den Gasströmen an der Peripherie der Reaktionskammer von der Einführungsstelle der Reaktionsteilnehmer aus herum, wodurch sie reichlich Gelegenheit zur vollständigen Umsetzung mit dein Sauerstoff haben.
Vorzugsweise wird der Sauerstoff vor der Einführung in das Reaktionsgefäß auf etwa 200 bis 335° C vorgewärmt, und zwar so hoch, wie es die Kammerauskleidung gestattet. Der Dampf kann auf jede gewünschte Temperatur vorgewärmt werden, vorzugsweise auf 260° C oder höher, etwa in einem Röhrenerhitzer auf 540 bis 815° C oder durch unmittelbare Berührung mit heißen Feststoffen auf 220° C. Ein mit umlaufenden festen Wärmeträgern arbeitender Regenerativ-Vorwärmer ist in der Lage, den Dampf auf über 540° C zu erwärmen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Erzeugung eines Brenngases durch Vergasen eines festen feinzerteilten Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Wasserdampf, bestehend aus einem langgestreckten zylindrischen Reaktionsraum, in den tangential zur Innenwand ein Strom des in dem Wasserdampf suspendierten Brennstoffes und getrennt davon gleichsinnig tangential ein Strom des sauerstoffhaltigen Gases eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführungsstellen für die Brennstoff-Dampf-Suspension und das sauerstoffhaltige Gas in der Nähe des einen Endes des Reaktionsraumes liegen und der Auslaß für das erzeugte Gas aus dem Reaktionsraum an einer zwischen der Einführungsstelle der Reaktionsteilnehmer und dem anderen Ende des Reaktionsraumes liegenden Stelle so angeordnet ist, daß das Gas axial und in Richtung auf das Ende des Reaktionsraumes, an dem sich die Reaktionsteilnehmer-Einführungen befinden, abgezogen wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reaktionsraum aufrecht steht und die Einführungsstellen für die Reaktionsteilnehmer in der Nähe seines oberen Endes liegen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführungsstellen für die Reaktionsteilnehmer dicht beieinanderliegen und so angeordnet sind, daß der Strom des sauerstoffhaltigen Gases in den Brennstoff-Dampf-Strom hineingerichtet ist.
4. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas mehr als 90 Volumprozent Sauerstoff enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampf eine kleine Menge eines Kohlenwasserstoffgases oder Sauerstoff und/oder dem gesondert von ihm eingeführten sauerstoffhaltigen Gas etwas Wasserdampf beigemengt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 458 074, 507 917, 551682, 616 466; deutsche Patentanmeldungen K 5956 V/24 e (bekanntgemacht am 12.3.1953),K 5988 V/24e (bekanntgemacht am 17. 9. 1953), K 6015 V/24 e (bekanntgemacht am 14.8.1952), K 7407 V/24 e (bekanntgemacht am 23. 10. 1952).