DE19904655C1 - Apparatus for gasification of carbon containing solid fuel for production of fuel gas has a reaction-chamber, inlets for oxygen containing gas and solid fuel and outlets - Google Patents
Apparatus for gasification of carbon containing solid fuel for production of fuel gas has a reaction-chamber, inlets for oxygen containing gas and solid fuel and outletsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen, insbesondere zur Erzeugung eines motorentauglichen Brenngases.The invention relates to a device for Gasification of carbon-containing solids, in particular for generating a motor-compatible one Fuel gas.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfah ren und Vorrichtungen zur Vergasung von kohlenstoff haltigen Feststoffen bekannt.Numerous processes are known from the prior art ren and devices for the gasification of carbon containing solids known.
Eine Vielzahl von Entwicklungen behandelt die Vergasung von Kohle, wie dies beispielsweise in der DE 35 09 221 C2 dargestellt ist. In dieser Schrift wird die Vergasung von Kohle, Torf oder Koks beschrieben, die in einem Sauerstoff enthaltenden Gas im Temperatur bereich zwischen 1200° und 1800°C stattfindet.A variety of developments are dealt with Gasification of coal, such as in the DE 35 09 221 C2 is shown. In this writing described the gasification of coal, peat or coke, the temperature of an oxygen-containing gas range between 1200 ° and 1800 ° C.
Derartige Anlagen werden in der Praxis allerdings für Leistungsbereiche eingesetzt, die deutlich oberhalb von 20 MW liegen.In practice, however, such systems are used for Power ranges used that are well above 20 MW are.
Weitere Entwicklungen befassen sich mit der Vergasung von problematischeren Feststoffen, wie beispielsweise Vieh- oder Geflügeldung (DE 36 32 534 C2) oder Teer-Öl-Feststoffschlämmen (DE 196 43 258 A1).Further developments deal with the Gasification of more problematic solids, such as for example livestock or poultry manure (DE 36 32 534 C2) or tar-oil solid sludge (DE 196 43 258 A1).
Bei der DE 36 32 534 C2 wird zur Vergasung ein Wirbelschichtreaktor eingesetzt, bei dem die zugeführte Vergasungsluft mit dem erzeugten Brenngas vorgewärmt wird. Zur Abscheidung von im Brenngas mitgeführten Feststoffteilchen sind zwei dem Reaktor nachgeschaltete Abscheidestufen vorgesehen. DE 36 32 534 C2 uses gasification Fluidized bed reactor used, in which the supplied Gasification air preheated with the fuel gas generated becomes. For the separation of entrained in the fuel gas Solid particles are two downstream of the reactor Separation stages provided.
Die DE 196 43 258 A1 setzt zur Vergasung der Fest stoffe einen Flugstrom- oder einen Festbettreaktor mit einer besonders ausgestalteten Reaktionsraumverkleidung mit integrierten Kühlschlangen ein.DE 196 43 258 A1 sets the gasification of the hard with an entrained-flow reactor or a fixed-bed reactor a specially designed reaction chamber cladding with integrated cooling coils.
Auch die beiden letztgenannten Anlagen sind der Großkraftwerkstechnik und damit einem hohen Leistungs bereich zuzuordnen.The latter two systems are also the Large power plant technology and thus high performance assign area.
Für einen Leistungsbereich unterhalb von ca. 1000 kW werden derzeit keine Wirbelschicht- sondern lediglich Festbettvergaser eingesetzt, wie sie beispielsweise aus der DE 38 16 083 C2 oder der DE 195 36 383 A1 bekannt sind. Der Einsatz von Festbettver gasern hat jedoch den Nachteil, daß diese nur Brenn stoffe mit hoher Körnigkeit/Stückigkeit verarbeiten können. Eine für Festbettvergaser ausreichende Stückig keit ist jedoch beispielsweise bei getrockneten Klär schlämmen nicht gegeben.For a performance range below approx. 1000 kW are currently not fluidized bed but only fixed bed carburetor used as they for example from DE 38 16 083 C2 or DE 195 36 383 A1 are known. The use of fixed bed ver gasern has the disadvantage, however, that it is only burning Process fabrics with high granularity / lumpiness can. A sufficient piece for fixed bed carburettors However, speed is, for example, with dried sewage no slurry given.
Die EP 0 007 807 A1 zeigt schließlich den Einsatz eines Wirbelschichtvergasers zur Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Brenngases. Bei diesem Wirbel schichtvergaser wird sowohl im unteren Teil als auch im oberen Teil des Wirbelbetts ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Hieraus resultiert im oberen Teil des Wirbelbetts eine höhere Temperatur als im unteren Teil. Diese höhere Temperatur liegt auf einem Niveau bei dem die Brennstoffasche erweicht und agglomeriert. Dies soll einerseits dazu dienen, weiteren noch im Brenngas enthaltenen Brennstoff zu vergasen, und andererseits einen kleineren Teil an Brennstoffasche aus dem Wirbelbett auszutragen, so daß die Gasqualität insgesamt verbessert wird.Finally, EP 0 007 807 A1 shows the use a fluidized bed gasifier to produce a high quality fuel gas. With this vortex stratified carburetor is used both in the lower part and in the an oxygen-containing gas in the upper part of the fluidized bed fed. This results in the upper part of the Fluidized bed a higher temperature than in the lower part. This higher temperature is on a level with that the fuel ash softens and agglomerates. This should serve on the one hand, others still in the fuel gas gasify contained fuel, and on the other hand a smaller portion of fuel ash from the Discharge fluidized bed so that the gas quality is improved overall.
Wirbelschichtvergaser werden bisher in der Regel für Leistungen oberhalb von 5 MW eingesetzt. So far, fluidized bed gasifiers have generally been used used for outputs above 5 MW.
Das mit den bekannten Vergasern des Standes der Technik erzeugte Brenngas wird in der Regel in einer nachgeschalteten Verbrennungsstufe verbrannt, wobei die Verbrennungswärme über einen Dampfkreislauf genutzt wird. Die zur Vergasung eingesetzten Brennstoffe erzeugen während des Verbrennungsvorgangs höher molekulare Kohlenwasserstoffe, sogenannte Teere, die eine Nutzung des Brenngases in einem Motor bisher verhindern. Die Stromerzeugung durch Verwendung der Brennstoffe in einem Gasmotor ist daher aus Gründen der Gasqualität in der Regel nicht möglich.That with the known carburetors of the prior art Technology generated fuel gas is usually in one downstream combustion stage, the Combustion heat is used via a steam cycle becomes. The fuels used for gasification generate higher during the combustion process molecular hydrocarbons, so-called tars, the a use of the fuel gas in an engine so far prevent. Electricity generation using the Fuels in a gas engine is therefore for the sake of Gas quality generally not possible.
Eine Verbesserung der Gasqualität durch Sekundär maßnahmen, wie katalytische Crackstufen ist derzeit nach diesseitiger Kenntnis nicht erprobt. Eine nach geschaltete Abscheidung, beispielsweise eine Wäsche der Gase, ist zwar möglich, aber technisch sehr aufwendig. Hinzu kommt, daß hierdurch kein Abbau der Teere, sondern lediglich eine Abscheidung erfolgt, so daß die Problematik nur verschoben wird (Abwasserproblematik).An improvement in gas quality through secondary Measures such as catalytic cracking levels are currently in place not tested after this knowledge. One after switched separation, for example washing the Gases is possible, but technically very complex. In addition, this does not break down the tars, but only a separation takes place, so that the Problem is only postponed (waste water problem).
Die Veröffentlichung "Holz und Köpfchen muß man haben" in der Zeitschrift Umwelttechnik, Februar 1997, Seiten 35/37, zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung und Nutzung von Biogas. Bei diesem Verfahren werden die Feststoffe in ein Wirbelbett einer Reaktionskammer eines Wirbelschichtreaktors eingebracht und unter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases vergast. In einem über dem Wirbelbett liegenden zweiten Bereich der Reaktionskammer wird ein weiteres sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Mit dieser Anordnung kann ein teerarmes Gas ohne aufwendige nachfolgende Gaswäsche erzeugt werden, das zur Verbrennung in einem Gasmotor geeignet ist. The publication "Wood and Brains is a must have "in the journal Umwelttechnik, February 1997, Pages 35/37 shows a method and an apparatus for the production and use of biogas. With this Process the solids in a fluidized bed Reaction chamber of a fluidized bed reactor introduced and with the supply of an oxygen-containing gas gassed. In a second one above the fluidized bed The area of the reaction chamber becomes another supplied oxygen-containing gas. With this arrangement can be a low-tar gas without elaborate subsequent Gas scrubbing can be generated for combustion in one Gas engine is suitable.
Die DE 30 33 115 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelschichtreaktors zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Materialien. Bei diesem Verfahren bzw. der dazugehörigen Vorrichtung wird in einen über der Wirbelschicht befindlichen Nachreaktionsraum, der oberhalb der oberen Begrenzung der Wirbelschicht beginnt, Sauerstoff eingeblasen. Hierdurch kann eine bestimmte Temperaturverteilung - unterhalb des Schmelzpunktes der Asche - entlang der Reaktorachse aufrecht erhalten werden. Das Brenngas entweicht aus der Vorrichtung über einen zentralen Gasaustritt am oberen Ende der Reaktionskammer.DE 30 33 115 A1 relates to a method for Operating a fluidized bed reactor for gasifying carbonaceous materials. With this procedure or the associated device is in a the fluidized bed post-reaction space, the above the upper boundary of the fluidized bed starts blowing oxygen. As a result, a certain temperature distribution - below the Melting point of the ash - along the reactor axis be maintained. The fuel gas escapes the device via a central gas outlet on upper end of the reaction chamber.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen anzugeben, mit der auf einfache Weise unabhängig von der Form der Feststoffe ein für Gasmotoren geeignetes Brenngas erzeugt werden kann. Die Vorrichtung soll ferner die Erzeugung von Brenngas in einem Leistungsbereich von unter 1000 kW ermöglichen.The object of the present invention is therein an improved device for the gasification of to specify carbonaceous solids with the simple way regardless of the shape of the solids a fuel gas suitable for gas engines can be generated can. The device is also intended to generate Fuel gas in an output range of less than 1000 kW enable.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the device according to claim 1 solved. Advantageous embodiments of the device are the subject of the subclaims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer sich vertikal erstreckenden Reaktionskammer, die in zwei Bereiche unterteilt ist. Ein unterer Bereich definiert das Volumen für ein Wirbelbett. Der obere Bereich weist eine Auslaßöffnung für das erzeugte Brenngas auf. Im unteren Bereich sind eine Zuführung für sauerstoffhaltiges Gas und eine Zuführung für die zu vergasenden Feststoffe angeordnet. Im oberen Bereich ist eine weitere Zuführung für ein sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen. Die Zuführung des weiteren Gases ist in einem Bereich des Reaktors angeordnet, in dem der Feststoffgehalt gering ist. Hierdurch wird die Gefahr von Verschlackungen vermieden und der Energiebedarf für die Temperaturerhöhung minimiert.The device according to the invention consists of a vertically extending reaction chamber which in is divided into two areas. A lower area defines the volume for a fluidized bed. The upper Area has an outlet opening for the generated Fuel gas on. There is a feeder in the lower area for oxygen-containing gas and a feed for the arranged to gasify solids. In the upper area is another feeder for an oxygen-containing one Gas provided. The supply of further gas is in a region of the reactor in which the Solids content is low. This will make the danger of slagging avoided and the energy requirement for minimizes the temperature increase.
Die Auslaßöffnung des Reaktionsraumes ist erfindungsgemäß zentral am oberen Ende des oberen Bereiches angeordnet und bildet ein Strömungshindernis für das austretende Brenngas, wobei zwischen der Auslaßöffnung des Reaktionsraumes und einer Austrittsöffnung der Vorrichtung für das Brenngas ein Zwischenraum vorgesehen ist, durch den die Verweilzeit des Brenngases in der Vorrichtung erhöht wird. Die Auslaßöffnung weist hierfür einen im Vergleich zum Querschnitt des oberen Bereiches reduzierten Quer schnitt auf.The outlet opening of the reaction space is according to the invention centrally at the upper end of the upper Area arranged and forms a flow obstacle for the escaping fuel gas, whereby between the Outlet opening of the reaction chamber and one Outlet opening of the device for the fuel gas Space is provided through which the dwell time of the fuel gas in the device is increased. The For this purpose, the outlet opening has a comparison to Cross section of the upper area reduced cross cut open.
Mit diesen Merkmalen wird einerseits eine vollständige Durchmischung des Brenngases erreicht, die eine effiziente Teerreduzierung auf dem erhöhten Temperaturniveau gewährleistet. Anderseits wird durch den Zwischenraum die Verweilzeit des Brenngases auf hohem Temperaturniveau im Reaktor erhöht. Eine ausreichend lange Verweilzeit ist eine wesentliche Voraussetzung für eine effektive Teerminderung.With these characteristics, on the one hand complete mixing of the fuel gas is achieved efficient tar reduction on the elevated Guaranteed temperature level. On the other hand, through the space between the residence time of the fuel gas high temperature level in the reactor increased. A a sufficiently long dwell time is essential A prerequisite for effective tar reduction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt die Wirbel schichttechnik zur Erzeugung des Brenngases ein. Hierbei werden die Feststoffe, wie beispielsweise Klärschlamm, Biomasse oder Kohle, in einem Wirbelbett eines Wirbelschichtreaktors unter Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases vergast. Bei der erfindungs gemäßen Vorrichtung wird zusätzlich in einem Bereich möglichst geringer Feststoffkonzentration, d. h. in einem Bereich außerhalb des Wirbelbetts, dem bereits erzeugten Brenngas ein weiteres sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt. Durch diese weitere Gaszuführung erhöht sich die Temperatur des Brenngases in diesem Bereich über die Temperatur im Wirbelbett.The device according to the invention sets the vortex layering technology for generating the fuel gas. Here, the solids, such as Sewage sludge, biomass or coal, in a fluidized bed of a fluidized bed reactor with feeding one gasified oxygen-containing gas. In the invention contemporary device is also in one area the lowest possible solids concentration, d. H. in an area outside the fluidized bed that already fuel gas generated another oxygen-containing gas, preferably air. Through this further Gas supply increases the temperature of the fuel gas in this area about the temperature in the fluidized bed.
Diese Temperaturerhöhung bewirkt eine Reduzierung des Teergehaltes im Brenngas, so daß das aus dem Reaktor austretende Brenngas einen reduzierten Teer gehalt und somit eine höhere Qualität aufweist. Mit der dargestellten Vorrichtung läßt sich daher auf einfache Weise ein für Gasmotoren geeignetes Brenngas erzeugen.This increase in temperature causes a reduction of the tar content in the fuel gas, so that from the Reactor fuel gas exiting a reduced tar content and thus has a higher quality. With the shown device can therefore be simple Generate a fuel gas suitable for gas engines.
Die technische Einfachheit des dargestellten Verfahrens beruht darauf, daß allein durch den Schritt der zusätzlichen Einspeisung eines weiteren sauerstoff haltigen Gases außerhalb des Wirbelbetts die Temperatur des Brenngases erhöht und damit der Teergehalt redu ziert werden kann.The technical simplicity of what is shown The process is based on the fact that the step the additional feeding of another oxygen containing gas outside the fluidized bed the temperature of the fuel gas increased and thus the tar content reduced can be decorated.
Durch die Zuführung des weiteren Gases in einem Bereich des Reaktors, in dem der Feststoffgehalt gering ist, wird ein überflüssiges und energieintensives Auf heizen größerer Feststoffmengen vermieden.By supplying the further gas in one Area of the reactor in which the solids content is low is a superfluous and energy-intensive task heating larger amounts of solids avoided.
Der Einsatz der Wirbelschichttechnik zur Erzeugung der Brenngase hat weiterhin den Vorteil, daß sich Wirbelschichtvergaser durch eine größere Toleranz gegenüber schwankenden Eigenschaften des eingesetzten Brennstoffes auszeichnen. Derart schwankende Eigen schaften können beispielsweise Körnigkeit, Feuchte oder der Heizwert sein. Darüber hinaus eignen sich Wirbel schichtvergaser in besonderer Weise für Brennstoffe mit hohen Aschegehalten.The use of fluidized bed technology for production The fuel gases also have the advantage that Fluidised bed gasifier through a greater tolerance against fluctuating properties of the used Mark fuel. Such fluctuating properties can be granularity, moisture or the calorific value. Vortexes are also suitable stratified carburetor in a special way for fuels high ash content.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzeugung eines motorentaug lichen Brenngases allein durch Primärmaßnahmen, d. h. ohne eine nachgeschaltete Crackstufe oder Wäsche. Mit der Vorrichtung können, im Gegensatz zu den Vergasern nach dem Festbettprinzip, auch Brennstoffe mit kleiner Körnigkeit (< 50 mm) verarbeitet werden.The proposed device enables in Advantageously, the generation of an engine Liche fuel gas solely through primary measures, d. H. without a downstream cracking stage or washing. With the device, unlike the carburettors according to the fixed bed principle, also fuels with small Grain size (<50 mm) can be processed.
Die Vorrichtung ist aufgrund ihres einfachen Aufbaus bei geeigneter Dimensionierung für die Erzeugung von Brenngas in einem Leistungsbereich von unter 1000 kW geeignet. Hierdurch können in vorteilhafter Weise auch kleinere Mengen an Brennstoff z. B. Klärschlamm, mit der Wirbelschichttechnik verarbeitet werden.The device is simple because of it Structure with suitable dimensions for the Generation of fuel gas in a power range of suitable for less than 1000 kW. This allows in advantageously also smaller amounts of fuel e.g. B. sewage sludge, with the fluidized bed technology are processed.
Vorzugsweise wird die Temperatur oberhalb des Wirbelbetts durch geregelte Zuführung des weiteren Gases nur so weit erhöht, daß die Temperatur des Brenngases noch unterhalb der Erweichungstemperatur von mitgeführter Asche liegt. Hierdurch werden unerwünschte Agglomerationseffekte vermieden.Preferably the temperature is above the Fluidized bed by controlled feeding of the further Gas only increased so far that the temperature of the Fuel gas still below the softening temperature of carried ash is. This will make undesirable Agglomeration effects avoided.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Vorichtung wird das im Reaktor erzeugte Brenn gas im Gegenstrom an der Außenwandung der Reaktions kammer des Reaktors vorbei geführt wird, so daß es Wärme an die Reaktionskammer abgeben kann. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein Teil der zur Temperaturerhöhung verbrauchten chemischen Energie des Brenngases durch den internen Wärmeaustausch zwischen dem an der Außenwand absteigenden erwärmten Brenngas und dem in der Reaktionskammer aufsteigenden Brenngas genutzt werden kann. Als Folge davon reduziert sich die Menge des als Vergasungs- bzw. Fluidisierungs medium einzusetzenden sauerstoffhaltigen Gases. Selbst bei einer Wahl des Wandmaterials der Reaktionskammer mit geringer Wärmeleitfähigkeit hat diese Technik gegenüber anderen Anordnungen den Vorteil einer besseren Isolation des Inneren der Reaktionskammer von der Umgebung des Reaktors. In a further embodiment of the invention according to the device, the fuel generated in the reactor gas in counterflow on the outer wall of the reaction chamber of the reactor is passed so that it Can give off heat to the reaction chamber. Hereby is achieved in an advantageous manner that part of the chemical energy used to increase the temperature of the fuel gas through the internal heat exchange between the heated one descending on the outer wall Fuel gas and the ascending in the reaction chamber Fuel gas can be used. As a result, reduced the amount of gasification or fluidization medium to be used oxygen-containing gas. Self when choosing the wall material of the reaction chamber with low thermal conductivity has this technique the advantage of one over other arrangements better isolation of the interior of the reaction chamber from the vicinity of the reactor.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das zugeführte sauerstoffhaltige Gas regenerativ mit dem erzeugten Brenngas vorgewärmt. Dies führt zu einer weiteren Energieeinsparung.In a further embodiment, the supplied oxygen-containing gas regeneratively with the generated preheated fuel gas. This leads to a further energy saving.
Die erzeugten Brenngase müssen für die weitere Verarbeitung in jedem Fall abgekühlt werden, so daß der Wärmeaustausch mit den sauerstoffhaltigen Gasen bereits als Vorkühlung dient. Die weitere Abkühlung erfolgt dann vorzugsweise in einem Wirbelschichtkühler oder einem Wanderbettkühler. Diese Kühler haben den weiteren Vorteil, daß sie als Abscheidestufe für Restgehalte an im Brenngas verbliebenen Feststoffteilchen bzw. Partikeln, z. B. Teeren oder Stäuben, wirken. Die abgeschiedenen Partikel können zur weiteren Teer reduzierung in den Reaktor zurückgeführt werden. Selbstverständlich sind auch andere Kühler mit derartigen Eigenschaften als Abscheidestufe einsetzbar.The fuel gases generated must be used for the further Processing should be cooled in any case, so that the Heat exchange with the oxygen-containing gases already serves as pre-cooling. The further cooling takes place then preferably in a fluidized bed cooler or a moving bed cooler. These coolers have the other Advantage that they act as a separation stage for residual content solid particles remaining in the fuel gas or Particles, e.g. B. tars or dusts act. The separated particles can cause further tar reduction can be returned to the reactor. Of course, other coolers are also included Such properties can be used as a separation stage.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung weist zumindest ein Teil des oberen Bereiches einen größeren Querschnitt auf als der untere Bereich. Durch diese Querschnittserweiterung wird die Geschwindigkeit des aufströmenden Brenngases reduziert, so daß eventuelle mitgeführte Feststoff teilchen aufgrund der Gravitationswirkung wieder ins Wirbelbett absinken.In a preferred embodiment of the invented device according to the invention has at least part of the a larger cross-section than the lower area. Through this cross-sectional expansion becomes the velocity of the fuel gas flowing up reduced so that any entrained solid particles due to the gravitational effect Lower the fluidized bed.
Vorzugsweise sind sowohl die Auslaßöffnung als auch die Zuführung für das weitere sauerstoffhaltige Gas als Strömungshindernis bzw. Schikane für das Brenn gas ausgebildet. Hierdurch wird eine vollständige Durchmischung des Brenngases erreicht, die eine effiz iente Teerreduzierung auf dem erhöhten Temperaturniveau gewährleistet. Beide Strömungsschikanen fördern zudem die Abscheidung von mitgeführten Feststoffteilchen.Preferably, both the outlet opening and also the feed for the other oxygen-containing Gas as a flow obstacle or baffle for the burning gas trained. This will make a complete Mixing of the fuel gas is achieved, which is an effiz iente tar reduction at the elevated temperature level guaranteed. Both flow chicanes also promote the separation of entrained solid particles.
Die Ausgestaltung der Gaszuführung als Strömungs hindernis wird insbesondere dadurch erreicht, daß diese in den oberen Bereich hineinragt. Durch eine geeignete, insbesondere große Angriffsflächen bietende Form der Zuführung läßt sich die Wirkung als Strömungshindernis noch erhöhen.The design of the gas supply as a flow Obstacle is achieved in particular by the fact that this protrudes into the upper area. With a suitable in particular form of large attack surfaces Feeding can be the effect as an obstacle to flow still increase.
Die Dimensionierung der Reaktionskammer und gegebenenfalls des Umlenkkanals ist vorzugsweise so gewählt, daß das Brenngas etwa 2 bis 10 s in der Vorrichtung verbleibt. Bei dieser Verweilzeit des Brenngases auf dem erhöhten Temperaturniveau werden optimale Ergebnisse bei der Teerreduzierung erhalten. Gerade durch die Anordnung des Umlenkkanals in Verbindung mit dem oben erläuterten internen Wärme austausch kann eine erhöhte Verweilzeit des Brenngases auf hohem Temperaturniveau ohne eine beträchtliche Vergrößerung des Reaktors erreicht werden.The dimensioning of the reaction chamber and optionally the deflection channel is preferably so chosen that the fuel gas about 2 to 10 s in the Device remains. With this dwell time of Fuel gas will be at the elevated temperature level Get optimal results in tar reduction. Precisely through the arrangement of the deflection channel in Connection with the internal heat explained above exchange can increase the residence time of the fuel gas at a high temperature level without a significant Magnification of the reactor can be achieved.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigenThe device according to the invention is as follows using an exemplary embodiment in connection with the Drawings explained again. Show here
Fig. 1 schematisch ein Beispiel für eine Ausführungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Fig. 1 shows schematically an example of an embodiment of the device according to the invention; and
Fig. 2 schematisch eine Prinzipskizze einer erweiter ten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 schematically shows a schematic diagram of an extended embodiment of the invention.
In Fig. 1 ist schematisch ein Wirbelschicht reaktor 10 gemäß einer Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung dargestellt.In Fig. 1, a fluidized bed reactor 10 is shown schematically according to an embodiment of the device according to the Invention.
Der Wirbelschichtreaktor 10 umfaßt ein Wirbelbett 7 mit einem darüberliegenden Freiraum 8. Beide zusammen bilden die Reaktionskammer 9. Der Freiraum 8 weist hierbei einen größeren Querschnitt als das Wirbelbett 7 auf. Am unteren Ende des Wirbelbetts ist eine Zuleitung 1 zur Reaktionskammer vorgesehen, die eine dem Quer schnitt der Reaktionskammer angepaßte Anzahl von Düsen zur Fluidisierung des Wirbelbetts aufweist. Über diese Zuleitung 1 und die Düsen wird sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, als Fluidisierungsmedium in das Wirbelbett eingespeist. Die zu vergasenden Feststoffe werden dem Wirbelbett über die Leitung 2 als Brennstoff zugeführt.The fluidized bed reactor 10 comprises a fluidized bed 7 with an overlying space 8 . Both together form the reaction chamber 9 . The free space 8 has a larger cross section than the fluidized bed 7 . At the lower end of the fluidized bed, a feed line 1 to the reaction chamber is provided, which has a cross-section of the reaction chamber adapted number of nozzles for fluidizing the fluidized bed. Via this feed line 1 and the nozzles, oxygen-containing gas, preferably air, is fed into the fluidized bed as a fluidization medium. The solids to be gasified are fed to the fluidized bed via line 2 as fuel.
Das Wirbelbett 7 besteht aus einem inerten Fest stoff, beispielsweise Quarzsand, oder aus der Asche des vergasten Brennstoffs. Das Fluidisierungsmedium wirbelt das Inertmaterial und den Brennstoff während der Vergasung auf. Durch diese Aufwirbelung zusammen mit dem erzeugten Brenngas aus dem Wirbelbett ausgetragener Feststoff wird im darüberliegenden Freiraum 8 aufgrund des durch die Querschnittserweiterung bedingten Abfalls der Gasgeschwindigkeit in Verbindung mit der Gravita tionswirkung wieder im Wirbelbett 7 abgeschieden.The fluidized bed 7 consists of an inert solid material, for example quartz sand, or from the ashes of the gasified fuel. The fluidization medium swirls the inert material and fuel during gasification. This fluidization together with the fuel gas generated from the fluidized bed solid is deposited in the overlying space 8 due to the decrease in gas velocity due to the cross-sectional expansion in connection with the gravitational effect again in the fluidized bed 7 .
In den Freiraum 8 der Reaktionskammer ragt eine weitere Zuleitung 3 für sauerstoffhaltiges Gas, im folgenden als Sekundärluftdüse bezeichnet. Die Sekun därluftdüse ist aufgrund ihrer breit geformten Düsen öffnung so ausgebildet, daß sie als Strömungshindernis bzw. Schikane für aufsteigendes Gas wirkt. Sie trägt daher ebenfalls zur Abscheidung von ausgetragenem Fest stoff bei.A further feed line 3 for oxygen-containing gas projects into the free space 8 of the reaction chamber, hereinafter referred to as the secondary air nozzle. The secondary därluftdüse is designed due to its wide nozzle opening so that it acts as a flow obstacle or baffle for rising gas. It therefore also contributes to the separation of discharged solid matter.
Der gesamte Reaktor ist zylinderförmig aufgebaut und so dimensioniert, daß die Verweilzeit des erzeugten Brenngases im Reaktor zwischen 2 und 10 s liegt. Diese Verweilzeit kann beispielsweise über die Höhe des Freiraums 8 beeinflußt werden. Die Vergasungstemperatur im Wirbelbett 7 liegt zwischen 750° und 950°C. Durch die Zuführung von weiterem sauerstoffhaltigem Gas über die Sekundärluftdüse 3 erhöht sich die Temperatur des Brenngases im Freiraum, d. h. in einem Volumen mit möglichst geringen Feststoffanteilen, auf über 1000°C. Hierbei wird ein Teil des Brenngases verbraucht. Die Temperatur des Brenngases wird jedoch unterhalb der Temperatur des Erweichungspunktes der aus der Vergasung resultierenden Asche gehalten. Dies wird über die kontrollierte Zuführung des weiteren sauerstoffhaltigen Gases erreicht.The entire reactor is cylindrical and dimensioned so that the residence time of the fuel gas generated in the reactor is between 2 and 10 s. This dwell time can be influenced, for example, by the height of the free space 8 . The gasification temperature in the fluidized bed 7 is between 750 ° and 950 ° C. The supply of further oxygen-containing gas via the secondary air nozzle 3 increases the temperature of the fuel gas in the free space, ie in a volume with as little solids content as possible, to over 1000 ° C. Part of the fuel gas is consumed here. However, the temperature of the fuel gas is kept below the temperature of the softening point of the ash resulting from the gasification. This is achieved through the controlled supply of the further oxygen-containing gas.
Das Brenngas entweicht aus der Reaktionskammer über die Öffnung 11. Diese Öffnung ist zentral an der Deckfläche des Freiraums 8 ausgebildet. Die durch die Öffnung gebildete Querschnittsverengung sorgt für eine vollständige Durchmischung des Brenngases und für eine weitere Abscheidung von mitgerissenem Feststoff.The fuel gas escapes from the reaction chamber via the opening 11 . This opening is formed centrally on the top surface of the free space 8 . The narrowing of the cross section formed by the opening ensures complete mixing of the fuel gas and further separation of entrained solid.
Die möglichst vollständige Durchmischung des Gas stroms, der in unterschiedlichen Bereichen unterschied liche Feststoffkonzentrationen aufweisen kann, sorgt in Verbindung mit der Temperaturerhöhung für optimale Voraussetzungen für eine weitgehende Reduzierung der höhermolekularen Kohlenwasserstoffe (Teere) im Brenn gas. Die zentrale Ausbildung der Öffnung 11 führt hierbei aufgrund der symmetrischen Anordnung zu einer vorteilhaften gleichmäßigen Durchmischung des Brenn gases.The thorough mixing of the gas flow, which can have different solid concentrations in different areas, in combination with the temperature increase ensures optimal conditions for a large reduction in the higher molecular weight hydrocarbons (tars) in the combustion gas. The central configuration of the opening 11 leads here due to the symmetrical arrangement to an advantageous uniform mixing of the fuel gas.
In der vorliegenden Ausführungsform wir das aus der Öffnung 11 austretende Brenngas in den Spalt 12 umgelenkt und über den Anschluß 6 aus dem Reaktor der weiteren Nutzung zugeführt. Der Spalt bzw. Kanal 12 sorgt dafür, daß das erwärmte Brenngas vor dem Austritt aus dem Reaktor an der Außenwand der Reaktionskammer 9 vorbei strömt und hierbei einen Teil der Wärme abgeben kann. Eine gute interne Wärmeübertragung erfordert ein Material mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit für die Reaktionskammer 9. Das Material für die Außenwand des Reaktors 10 selbst sollte demgegenüber eine isolierende Wirkung haben. Für beide Bereiche können beispielsweise geeignete Keramikmaterialien eingesetzt werden.In the present embodiment, the fuel gas emerging from the opening 11 is diverted into the gap 12 and fed via the connection 6 from the reactor for further use. The gap or channel 12 ensures that the heated fuel gas flows past the outer wall of the reaction chamber 9 before it emerges from the reactor and can thereby give off part of the heat. A good internal heat transfer requires a material with sufficient thermal conductivity for the reaction chamber 9 . In contrast, the material for the outer wall of the reactor 10 itself should have an insulating effect. Suitable ceramic materials can be used for both areas.
Die Umlenkung des Gasstroms durch den Kanal 12 hat den weiteren Vorteil, daß sich dadurch die Verweilzeit des Brenngases auf hohem Temperaturniveau im Reaktor erhöht. Eine ausreichend lange Verweilzeit ist eine wesentliche Voraussetzung für eine effektive Teer minderung.The deflection of the gas flow through the channel 12 has the further advantage that this increases the residence time of the fuel gas at a high temperature level in the reactor. A sufficiently long dwell time is an essential prerequisite for effective tar reduction.
In den Kanal mitgeführter Feststoff kann über den Stutzen 5 abgezogen werden. Nicht ausgetragener Fest stoff wird über den Stutzen 4 ausgeschleust.Solid matter carried into the channel can be drawn off via the nozzle 5 . Solid material that is not discharged is discharged via the nozzle 4 .
Die Querschnitte der Zuführungen für Brennstoff und sauerstoffhaltiges Gas hängen von der Größe der Reaktionskammer, den jeweiligen zu vergasenden Stoffen, Stoffmengen und Vergasungstemperaturen ab. Die Zusammenhänge sind dem Fachmann geläufig, so daß an dieser Stelle nicht darauf eingegangen werden muß. The cross sections of the fuel inlets and oxygen-containing gas depend on the size of the Reaction chamber, the respective substances to be gasified, Amounts of substance and gasification temperatures. The Connections are familiar to the expert, so that this point does not need to be discussed.
Fig. 2 zeigt als Prinzipskizze ein Ausführungs beispiel einer erweiterten erfindungsgemäßen Vorrich tung, beispielsweise zur Vergasung von Klärschlamm. Bezugszeichen 10 stellt hierbei einen Wirbel schichtreaktor dar, der beispielsweise wie in Fig. 1 ausgestaltet sein kann. In der dargestellten Anlage wird dem Reaktor 10 auf ca. 500°C vorgewärmte Luft von unten, d. h. über die Zuführung 1 (vgl. Fig. 1), zuge führt. Die Erwärmung der Luft erfolgt hierbei in einem Wärmetauscher 13 mit aus dem Reaktor austretendem heißen Brenngas. Auf diese Weise wird das erzeugte Brenngas gleichzeitig für die weitere Verarbeitung vorgekühlt. Fig. 2 shows a schematic diagram of an embodiment example of an extended Vorrich device according to the invention, for example for the gasification of sewage sludge. Reference numeral 10 here represents a fluidized bed reactor, which can be configured, for example, as in FIG. 1. In the illustrated system, the reactor 10 is preheated to approximately 500 ° C. from below, ie via the feed 1 (see FIG. 1). The air is heated in a heat exchanger 13 with hot fuel gas emerging from the reactor. In this way, the fuel gas generated is simultaneously pre-cooled for further processing.
Der Klärschlamm wird über den Stutzen 2 (vgl. Fig. 1) in den Vergaser 10 eingespeist. Der Klär schlamm ist thermisch auf einen Wassergehalt von ca. 15% vorgetrocknet und weist einen Aschegehalt von 40 bis 60% auf. Die Vergasungsreaktionen werden bei ca. 900°C durchgeführt.The sewage sludge is fed into the gasifier 10 via the nozzle 2 (see FIG. 1). The sewage sludge is thermally pre-dried to a water content of approx. 15% and has an ash content of 40 to 60%. The gasification reactions are carried out at approx. 900 ° C.
Ein Teil der im Wärmetauscher 13 vorgewärmten Luft wird dem oberen Bereich des Reaktors als Sekundärluft (über die Sekundärluftdüse 3 der Fig. 1) zugeführt, wie dies in Fig. 2 schematisch auf der linken Seite des Reaktors 10 angedeutet ist. Durch die Zuführung der Sekundärluft erhöht sich die Temperatur des erzeugten Brenngases auf über 1000°C.Part of the air preheated in the heat exchanger 13 is fed to the upper region of the reactor as secondary air (via the secondary air nozzle 3 in FIG. 1), as is indicated schematically in FIG. 2 on the left side of the reactor 10 . By supplying the secondary air, the temperature of the fuel gas generated increases to over 1000 ° C.
Das Brenngas wird nach dem Verlassen des Reaktors im Wärmetauscher 13 mit der Vergasungsluft als Kühl medium vorgekühlt, wie bereits oben erläutert, und anschließend in einem Wanderbettkühler 14 auf ca. 70°C abgekühlt. Das Feststoffinventar des Wanderbetts dieses Wanderbettkühlers 14 besteht aus dem Inertmaterial des Brennstoffs, dem Brennstoff selbst oder aus Quarzsand. Im Wanderbett werden im Brenngas enthaltene Restgehalte an Teeren und Stäuben abgeschieden. Die resultierende Asche wird über die gleiche Zuleitung wie der Klär schlamm in den Vergasungsreaktor 10 zur Teerreduzierung zurückgeführt.The fuel gas is precooled after leaving the reactor in the heat exchanger 13 with the gasification air as the cooling medium, as already explained above, and then cooled to about 70 ° C. in a moving bed cooler 14 . The solid inventory of the moving bed of this moving bed cooler 14 consists of the inert material of the fuel, the fuel itself or quartz sand. Residual tars and dusts contained in the fuel gas are separated in the moving bed. The resulting ash is fed back into the gasification reactor 10 for tar reduction via the same feed line as the sewage sludge.
Der dargestellte Reaktor ist für Leistungsbereiche von 100 kWth bis 20 MWth problemlos einsetzbar.The reactor shown can be used for power ranges from 100 kW th to 20 MW th without any problems.
Claims (7)
- - einer sich vertikal erstreckenden Reaktions kammer (9) mit einem unteren Bereich, den ein Wirbelbett (7) bildet, und einem oberen Bereich (8), der eine Auslaßöffnung (11) für das erzeugte Brenngas aufweist;
- - einer Zuführung (1) für sauerstoffhaltiges Gas im unteren Bereich der Reaktionskammer; und
- - einer Zuführung (2) für die Feststoffe im unteren Bereich der Reaktionskammer,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auslaßöffnung (11) zentral am oberen Ende des oberen Bereiches (8) vorgesehen ist und ein Strömungshindernis für das austretende Brenngas bildet, wobei zwischen der Auslaßöffnung (11) und einer Austrittsöffnung (6) der Vorrichtung ein Zwischenraum vorgesehen ist, durch den die Verweilzeit des Brenngases in der Vorrichtung erhöht wird.1. Device for the gasification of carbon-containing solids for generating a fuel gas, with
- - A vertically extending reaction chamber ( 9 ) with a lower region which forms a fluidized bed ( 7 ) and an upper region ( 8 ) which has an outlet opening ( 11 ) for the fuel gas generated;
- - A feed ( 1 ) for oxygen-containing gas in the lower region of the reaction chamber; and
- - a feed ( 2 ) for the solids in the lower region of the reaction chamber,
characterized by
that the outlet opening ( 11 ) is provided centrally at the upper end of the upper region ( 8 ) and forms a flow obstacle for the escaping fuel gas, a space being provided between the outlet opening ( 11 ) and an outlet opening ( 6 ) of the device through which the Residence time of the fuel gas in the device is increased.
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