DE19747324A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen, anderen Biomas­ sen, Müll oder Schlämmen, vorzugsweise für daraus hergestellte Pyrolysepro­ dukte zur Realisierung des Verfahrens gemäß Patent PCT/EP 95/00443, wobei bei Verwendung von Pyrolyseprodukten diese vor ihrer Zuführung in den Reaktor weitestgehend in feste und gasförmige Produkte, z. B. Schwelgas und Holzkohle, getrennt und separat dem Reaktor zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Energiewirtschaft, chemischen Industrie und Metallurgie zur hocheffizienten Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas für Kraftmaschinen, Syntheseprozesse, die Erzreduktion und Roheisenerzeugung einsetzbar.
Es existiert eine relativ große Anzahl von Verfahren der Vergasung, die sich im wesentlichen den 3 großen Gruppen der Festbett-, Wirbelschicht- und Flug­ stromvergasung zuordnen lassen. Bei den Vorrichtungen zur Vergasung und dabei speziell bei den Vorrichtungen zur Flugstromvergasung, wohin die erfindungsgemäße Vorrichtung einzuordnen ist, müssen viele Kompromisse in energetischer Hinsicht und beim Vergasungsmittelbedarf eingegangen werden. Flugstromvergaser mit Einschmelzung der mineralischen Bestandteile werden meist einstufig betrieben, d. h. alle an der Vergasungsreaktion beteiligten Medien werden einem Reaktionsraum zugeführt. Damit werden alle Medien auf das hohe Niveau oberhalb Schlackeschmelztemperatur der mineralischen Bestandteile der Brennstoffe angehoben. Dies ist bei Reaktoren mit feuerfest ausgemauerter wie auch mit Kühlschirm ausgekleideter Reaktorwand der Fall. Bei den Reaktoren mit Kühlschirm, wie dies bei dem GSP-Flugstromreaktor typisch ist (siehe Literatur [1, 2]), wird ein erheblicher Anteil der fühlbaren Wärme des Vergasungsgases an die gekühlte Wand abgeführt. Bei den Gleichstromreaktoren mit Wasserquenchung des Vergasungsgases auf Wasserdampfsättigungstemperatur, ob mit oder ohne gekühlter Reaktorwand, wird weiterhin eine sehr große Wärmemenge auf ein niedriges Exergieniveau abgewertet. Bei Reaktoren mit gekühlter Reaktorinnen­ wand, aber auch bei Gegenstromreaktoren, bei denen das Vergasungsgas nach oben und die flüssige Schlacke nach unten den Reaktor verlassen, muß mit zusätzlicher Wärme oder sogar mit zusätzlichen Brennern der Schlackeablauf frei­ gehalten werden. Diese Maßnahmen führen zu einem hohen Sauerstoffbedarf, zur Reduzierung des Heizwertes des Vergasungsgases und damit zu geringen exergetischen Wirkungsgraden der gesamten Vergasung. Trifft man diese Vorsor­ ge nicht, dann ist die Funktion eines Vergasers gestört, weil der Schlackefluß nicht aufrechterhalten werden kann.
Besonders bei mit Sauerstoff als Vergasungsmittel betriebenen Flugstromreakto­ ren liegen sehr kurze Verweilzeiten der Reaktionspartner vor. Zur Vermeidung eines Sauerstoffdurchbruchs bei Brennstoffausfall ist ein sehr großer Meß- und Überwachungsaufwand nötig.
Flugstromreaktoren, die von einer separaten Pyrolyse mit Brennstoff gespeist werden, haben den Nachteil, daß die Pyrolyseprodukte vor Zuführung in den Reaktor gekühlt werden und neben den Wärmeverlusten auch einen hohen Auf­ wand für die Gasaufbereitung und das Handling der Flüssigprodukte erfordern.
Die zu lösende Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Reaktor vorzuschla­ gen, der gegenüber dem Stand der Technik bei einem durchschnittlich niedrige­ rem Temperaturniveau mit höherem exergetischem Wirkungsgrad arbeitet und ein Vergasungsgas erzeugt, das frei von Kohlenwasserstoffen und Chlorkohlen­ wasserstoffen (Dioxinen, Furanen) ist, das als Brenngas zur Verstromung, als Synthesegas oder als Reduktionsgas in einer Hitze mit der Erzreduktion genutzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des 1. Anspruches gelöst. Die weiteren Ansprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung dar. Die Lösung erfolgt in der Weise, daß der Reaktor so aufgebaut wird, daß prinzipiell die physi­ kalische Wärme auf hohem Temperaturniveau, bei nur minimalen Verlusten erhalten bleibt und zur Erhöhung der chemisch gebundenen Wärme ausgenutzt wird. Erfindungsgemäß wird gemäß beiliegender Fig. 1 ein Kombinationsbrenner 1 eingesetzt, der die heißen, gasförmigen Produkte der Schwelung, einschließlich der dampfförmigen Bestandteile wie Teer, Öl, Wasser und von Staub am Eintritts­ stutzen des Schwelproduktkanals 4 aufnimmt und über die Dralleinrichtung 33 in die Brennkammer 9 leitet. Im Schwelproduktkanal des Kombinationsbrenners werden Rohre für die Zuführung von Restkoks, Asche und von Zuschlägen 8 in den Reaktor angeordnet, damit die in der Brennkammer 1 aufzuschmelzenden mineralischen Bestandteile mit verdrallt, aufgeheizt und in der Brennkammer 1 in flüssiger Form zur Wandung geschleudert werden. Für die unterstöchiometrische Verbrennung zu Vergasungsmittel oderhalb der Ascheschmelztemperatur besitzt der Kombinationsbrenner 1 weitere Zuführungskanäle für Sauerstoff 7 oder Luft 3 die gleichsinnig wie die Schwelprodukte über Dralleinrichtungen 33 zur schnellen Umsetzung mit den Schwelprodukten zu Vergasungsmittel und zur Aufschmelzung der mineralischen Bestandteile des Restkokses,der Asche und gegebenenfalls der Zuschläge in die Brennkammer 1 eingeleitet werden. Zwecks Verhinderung von kritischem Wärmeeintrag in ungekühlte Bauteile werden die für das Anfahren und Aufheizen notwendige Zündbrennstoffzuführung 2, Zündluftzuführung 5 und Zündeinrichtung sowie Zündüberwachung 6 mit in den Kombinationsbrenner eingebaut, wo diese Elemente von den anderen strömenden Medien beim statio­ nären Vergasungsbetrieb geschützt werden.
Die Brennkammer 1 wird oberhalb der Schmelztemperatur der mineralischen Bestandteile des Restkokses,der Asche und der Zuschläge betrieben. Die Brenn­ kammerwand 9 ist wärmeleitend, so daß an ihr Schlacke zu einer Schutzschicht infolge Wärmeableitung nach außen erstarrt und darüber flüssige Schlacke auf Grund der Temperatur in der Brennkammer 9 abläuft. Der Boden des Reaktions­ raumes 10 wird als Schlackeauffangwanne mit eingearbeiteten Ablaufrinnen 12 so gestaltet, daß sich ein Schlackebad 13 bilden kann, das aufgrund des direkten Kontaktes der Schlacke mit dem Vergasungsmittel 11 und durch den Gleichstrom mit dem Vergasungsmittel 11 auch durch den Gasaustritt 34 hindurch den Schlackefluß immer gewährleistet. Das Vergasungsmittel 11, das unter Verga­ sungsbedingungen unterstöchiometrisch in der Brennkammer 9 erzeugt wird, dient wegen seines hoch eingestellten CO2- und H2O-Gehaltes als Vergasungs­ mittel im endothermen Flugstromvergaser 14. Die mit dem Vergasungsmittel 11 eingebrachte fühlbare Wärme wird zur Deckung des für die endotherme Verga­ sungsreaktion zwischen Brennstaub und Vergasungsmittel genutzt. Deshalb werden Lanzen 15, 17 für den Brennstaub im Reaktor vorgesehen. Das Verga­ sungsmittel 11 tritt als Tauchstrahl 16 in den endothermen Flugstromvergaser 14 ein und beschleunigt die mitgerissenen Schlacketröpfchen 18, so daß sie im Wasserbad 19 zu eluationsfestem Granulat erstarren. Der Schlackeaustrag 22, der Wasserzulauf 21 und -überlauf 20 wurden zur Medienabführung und Ergän­ zung von verdunstetem Wasser vorgesehen. Sie bilden zusammen mit dem Wasserbad 19 den unteren Abschluß des endothermen Flugstromreaktors 14.
Die ausgeführte Konstruktion sichert durch die Zuführung von sauerstofffreiem Vergasungsmittel 11 sowie zu vergasendem Brennstaub in den endothermen Flugstromreaktor 14 und durch die hohe Vergasungstemperatur über 500°C, daß kein Sauerstoffdurchbruch in kalte Reaktorbereiche hinein eintreten kann.
Für die Erwärmung des bei der endothermen Vergasung abgekühlten Verga­ sungsgases 23 dient der Wärmeausgleichskanalkanal 26, in dem sich gegebe­ nenfalls Leiteinrichtungen 24 befinden. Sie verleihen dem Vergasungsgasstrom 23 einen Verwirbelungsdrall, der die Abfuhr von konvektiver Wärme von der Brennkammerwand 9 so verstärkt, daß die innere Brennkammerwand unter die Schmelztemperatur der Schlacke abgekühlt wird und dadurch sich eine Schutz­ schicht aus erstarrter Schlacke bildet. Zusätzlich erfolgt eine Verstärkung der Kühlung der Brennkammerwand durch die Kühleinrichtung 27, die über Kühlmittel­ zu- und -abläufe 28, 29 versorgt wird. Zur Einsenkung der Vergasungstemperatur, die zwischen 500 und 1200°C liegen soll, ist die Einrichtung zur Qenchung des Vergasungsgases 30 vorgesehen, an die Quenchdüsen 31 montiert sind. Über den feuerfest ausgekleideten Vergasungsaustritt 25 verläßt das Vergasungsgas den Reaktor.
Mit der weiteren Ausgestaltung des mehrstufigen Reaktors, was aus den Ansprü­ chen 2 bis 6 hervorgeht, wird eine wesentliche Erweiterung der Anwendung des Reaktors ermöglicht. So können durch Auswechslung der Restkoks-/Asche- und Brennstaublanzen 8, 15, 17, von Teilen des Kombinationsbrenners und der Qenchdüsen 31 die Möglichkeiten geschaffen werden, fremde mineralische, gegebenenfalls kontaminierte Stoffe, aber auch Erze, einzuschmelzen und fremde feinkörnige Brennstoffe zu vergasen, eigenes Brenngas oder fremdes Fördergas zur Dosierung zu nutzen oder mit unterschiedlichen Medien wie Wasser, Wasser­ dampf oder Kaltgas zu quenchen.
Es ist auch die Gestaltung einer Wanne zum Sammeln der aus der Brennkammer 9 abfließenden Schmelze in flüssiger Form vorgesehen, die anstelle des Wasser­ bades 19 den unteren Abschluß des endothermen Flugstromvergasers 14 dann bildet.
Der Reaktor wird zum chemischen und thermischen Schutz mit einer Feuerfest­ zustellung 32 versehen. Er ist aber auch mit warmfestem, korrosionsbeständigem Material und thermischer Außenisolierung für Drücke bis 10 MPa konzipiert.
Literatur
[1] CARL/FRITZ: "NOELL-KONVERSlONSVERFAHREN" EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1994.
[2] LUCAS u. a.: "Ein Vergleich von Kohlevergasungsverfahren unter Druck in der Flugstaubwolke" Chemische Technik 1988, Heft 7, Seite 277-282.
Bezugszeichenliste
1
Kombinationsbrenner
2
Zündbrennstoffzuführung
3
Verbrennungsluftzuführung
4
Schwelproduktezuführung
5
Zündluftzuführung
6
Zünd- und -überwachungseinrichtung
7
Sauerstoffzuführung
8
Restkoks-/Aschezuführung
9
Brennkammer und Brennkammerwand
10
Reaktionsraum der Brennkammer
11
Vergasungsmittel
12
Schlackeauffangwanne mit Ablaufrinnen
13
Schlackebad
14
Endothermer Flugstromvergaser
15
Brennstaublanzen
16
Vergasungsmitteltauchstrahl
17
Brennstaublanzen
18
Schlacketröpfchen
19
Wasserbad zur Granulierung flüssiger Schlacke
20
Wasserüberlauf
21
Wasserzulauf
22
Schlackeaustrag
23
Vergasungsgasstrom
24
Leiteinrichtung für Vergasungsgas
25
Vergasungsgasaustritt
26
Wärmeausgleichskanal
27
Kühleinrichtung
28
Kühlmitteleintritt
29
Kühlmittelaustritt
30
Einrichtung zur Qenchung des Vergasungsgases
31
Qenchdüsen
32
Wärmeschutzauskleidung
33
Dralleinrichtungen des Kombinationsbrenners
34
Gasaustritt

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen, anderen Biomassen, Müll oder Schlämmen, vorzugsweise für daraus hergestellte Pyrolyseprodukte zur Realisierung des Verfahrens gemäß Patent PCT/EP 95/00443, wobei bei Verwendung von Pyrolyseprodukten diese vor der Zuführung in den Reaktor weitestgehend in gasförmige und feste Produkte, z. B. Schwelgas und Holzkohle, getrennt und separat dem Reaktor zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Reaktor aus einem Kombinationsbrenner (1), einer Brennkammer (9), einem endothermen Flugstromvergaser (14) und einem Wärmeausgleichs­ kanal (26), der aus der Brennkammer (9) und der Wärmeschutzauskleidung (32) des Reaktors gebildet wird, sowie einem Wasserbad (19), das den Reaktor nach unten abschließt, und den für die Durchführung von Verga­ sungsprozessen erforderlichen Medienzu- und -abführungen besteht,
  • - der Wärmeausgleichskanal (26) über eine oder mehrere Vorrichtungen zum Qenchen (30) des Vergasungsgases (23) aus dem endothermen Flug­ stromvergaser (14) und die Wärmeschutzauskleidung (32) in Höhe der Brennkammer (9) über eine Kühleinrichtung (27) verfügen,
  • - der Kombinationsbrenner (1) einerseits zum Zünden und Aufheizen des Reaktors Stutzen für Zündluft (5), Zündbrennstoff (2), Verbrennungsluft (3) sowie Zündeinrichtung (6) und andererseits über Vorrichtungen zur unter­ stöchiometrischen Verbrennung der bis 500°C heißen, gasförmigen Schwelprodukte (4) und Restkoks im Beisein von Asche und Zuschlägen (3) im Reaktionsraum (10) der Brennkammer (9) zu Vergasungsmittel ober­ halb der Schmelztemperatur der Brennstoffasche sowie über Dralleinrich­ tungen (33) verfügt, die die flüssigen, mineralischen Bestandteile zur Brennkammerwand schleudern,
  • - der Boden des Reaktionsraumes (10) der Brennkammer (9) als Schlacke­ auffangwanne mit Ablaufrinnen (12) für die flüssige Schlacke und mit einem Gasaustritt (34) ausgebildet ist, die die von der Brennkammerwand ablau­ fende, flüssige Schlacke im Schlackebad (13) auffängt und über die die flüssige Schlacke in Tropfen (18) und das als Tauchstrahl (16) ausgebildete Vergasungsmittel (11) gemeinsam in den endothermen Flugstromvergaser (14) geleitet werden, wobei die flüssigen Schlacketröpfchen (18) über die Ablaufrinne (12) durch den endothermen Flugstromreaktor (14) in das Wasserbad (19) fallen, dort abkühlen und verglasen, während sich der Tauchstrahl (16) im endothermen Flugstromvergaser (14) auflöst und das Vergasungsmittel bzw. das Vergasungsgas im endothermen Flugstrom­ vergaser (14) aufwärts geführt wird,
  • - der endotherme Flugstromvergaser (14), in dem der Tauchstrahl (16) und die Schlacketröpfchen (18) sich im Gegenstrom zum aufsteigenden Verga­ sungsgasstrom (23) bewegen, über Vorrichtungen verfügt, die das Eintra­ gen von Brennstaub in den Tauchstrahl (16) mittels Eintragslanzen (15, 17) eines pneumatischen Förder- und Dosiersystems so ermöglichen, daß der Brennstaub mit dem Vergasungsmittel aus der Brennkammer (9) im Temperaturbereich zwischen 1500 bis 500°C chemisch endotherm zu Vergasungsgas, abschließend in aufsteigender Strömung reagieren kann
  • - der Wärmeausgleichskanalskanal (26) über Leiteinrichtungen (24) verfügt, die den mit Restkoks aus der endothermen Vergasung beladenen Verga­ sungsgasstrom (23) so verwirbeln, daß dieser durch konvektive Wärmeauf­ nahme die Temperatur der Brennkammerwand (9) unter die Schlacke­ schmelztemperatur senkt, sich an der Innenwand der Brennkammer (9) eine Schutzschicht aus erstarrter Schlacke ausbildet und die vom Verga­ sungsgasstrom (23) aufgenommene Wärme über den Vergasungsgasaus­ tritt (25) aus dem Reaktor abführt,
  • - das Wasserbad (19) ausgerüstet ist mit einem Austrag (22) für das elua­ tionsfeste Schlackegranulat, einem Wasserüberlauf (20) und einem Wasserzulauf (21).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtun­ gen zur Restkoks-/Aschezuführung (8) und die Brennstaublanzen (15, 17) durch mit eigenem Vergasungsgas betriebenen, pneumatischen Förder- und Dosiereinrichtungen verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanzen (8, 15, 17) wechselbar und geeignet sind für die Zuführung fremder minerali­ scher Stoffe zur Einschmelzung oder/und fremder staubförmiger Brennstoffe zur Vergasung.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschluß des Reaktors nicht als Wasserbad (19), sondern als Wanne zum Sammeln der aus der Brennkammer (9) abfließenden Schmelze im flüssigen Zustand ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen zur Qenchung (31) wechselbar und geeignet sind für die Einbringung von Wasser, Wasserdampf oder Kaltgas.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor durch Feuerfestzustellung (32) thermisch und chemisch geschützt ist oder aus warmfestem, korrosionsbeständigem Material mit thermischer Außenisolie­ rung für Drücke bis 10 MPa gefertigt ist.
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