DE19747324C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen, Biomassen, Müll oder Schlämmen - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen, Biomassen, Müll oder SchlämmenInfo
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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 DE 44 04 673, 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 Vergsungsmittel 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 Wärmeausgleichskanal 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 Vergasungsgasaustritt 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-KONVERSIONSVERFAHREN" 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
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, 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
- 1. 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,
- 2. 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,
- 3. 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,
- 4. 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,
- 5. 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
- 6. der Wärmeausgleichskanal (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,
- 7. 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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