DE2044310B2 - Verfahren zur herstellung von kohlenmonoxid und wasserstoff aus festem brennstoff - Google Patents

Description

Die Lösung dieser Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus festem Brennstoff in einem füllkörperfreien Reaktionsraum durch Partialoxydation mit Sauerstoff und Wasserdampf bei einer autogenen Temperatur im Bereich von etwa 980 bis 1650°C und unter einem Druck von etwa 7 bis 211 atü, wobei fester Brennstoff als Aufschlämmung in mindestens 35 Gewichtsprozent Wasser dem Reaktionsraum zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschlämmung, enthaltend 45 bis 55 Gewichtsprozent festen, feinteiligen Brennstoff, vor dem Einleiten in den Reaktionsraum auf eine Temperatur vorgeheizt wird, die unter der Verdampfungstemperatur von Wasser bei dem im Reaktionsraum herrschenden Druck liegt.

Pumpfähige Auf schlämmungen von körnigen, festen Brennstoffen in einem flüssigen Träger lassen sich herstellen durch Vermischen von gepulverter Kohle oder Kokspulver. Nachfolgend wird als fester Brennstoff jeweils Kohle oder Koks angegeben. Außer Petrolkoks können jedoch auch andere Kohlearten, wie Lignit, Torf, Braunkohle, Anthrazit und andere feste Kohlenwasserstoffe und kohlereiche Feststoffe vergast werden. G;eignete Trägerflüssigkeiten sind Wasser, Kohlenwasserstofföle und Wasser-Öl-Emulsionen. Für das Verfahren der Erfindung wird eine Aufschlämmung von Kohle oder Koks in Wasser bevorzugt, die etwa 45 bis 55 Gewichtsprozent körnigen Feststoff enthält und durch ihren Wassergehalt fließfähig ist. Wasserüberschuß soll vermieden werden, da er für den Reaktor eine Wärmebelastung darstellt und die Ausnutzung des Sauerstoffs in der Reaktion herabsetzt.

Nach einem bevorzugten Fließschema für das Verfahren wird fester Brennstoff in einen Mischer eingeführt, wo er mit einer Trägerflüssigkeit in eine Aufschlämmung verwandelt wird, indem dem Mischer Wasser zugeführt wird. Aus dem Mischer wird die Kohle-Wasser-Aufschlämmung in einen Eindicker geschickt, wo dem Gemisch überschüssiges Wasser entzogen und eine pumpfähige Aufschlämmung von Kohle und Wasser erzeugt wird, die etwa 45 bis 55 Gewichtsprozent festen Brennstoff enthält.

Die Aufschlämmung wird vom Eindicker mittels einer Pumpe durch den Heizkessel zu einem Mischer-Brenner am Synthesegasgenerator gedrückt. Im Heizkessel wird die Kohleaufschlämmung auf eine Temperatur gebracht, die den Siedepunkt von Wasser bei dem in der Reaktionszone herrschenden Druck nicht überschreitet. Sauerstoff wird dem Brenner zugeführt. Die wäßrige Brennstoff-Aufschlämmung wird durch ein zentrisches Rohr im Brenner unmittelbar in das obere Ende der Reaktionszone des Generators im Gemisch mit Sauerstoff eingeführt.

Der Vorheizkessel vermindert die Wärmebelastung des Gasgenerators und verbessert die Ausnutzung von Brennstoff und Sauerstoff. Alles Wasser, das man zur Erzeugung von Synthesegas in der Reaktionszone benötigt, wird dieser in flüssiger Phase zugeführt.

Der Synthesegasgenerator besteht aus einem zylindrischen Druckgefäß mit einer feuerfesten Auskleidung, die eine zylindrische, gedrungene, füllkörperfreie Reaktionszone begrenzt. Das Gemisch aus Kohle, Wasser und Sauerstoff wird vom Brenner axial in das obere Ende der Reaktionszone durch einen Einlaß eingeleitet. Aus dem unteren Ende der Reaktionszone werden die Reaktionsprodukte axial durch einen Auslaß in eine Schlacken-Abschreckkammer abgelassen. Unveränderter fester Brennstoff und die dem festen Brennstoff entstammende Schlacke oder Asche strömen mit dem Produktgasstrom in die Abschreckkammer, wo die größeren Teilchen der Festkörper und die geschmolzene Asche oder Schlacke in den Wasservorrat fallen. Das Gas entströmt der Abschreckkammer durch eine Leitung, die mit einer feuerfesten Auskleidung versehen ist.

In der Reaktionszone des Gasgenerators reagiert das Gemisch aus festem Brennstoff, Wasser und Sauerstoff, das dem Brenner entströmt, zu einem aus CO und H₂ bestehenden Synthesegas bei einer autogenen Temperatur oberhalb etwa 980°C, d.h. bei einer Temperatur im Bereich von 1093 bis 1538° C. Dieses Synthesegas enthält noch kleinere Anteile von Kohlendioxid, inerten atmosphärischen Gasen und festem Kohlenstoff. Unter dem Ausdruck »Synthesegas« wird hier ein hauptsächlich aus CO und H₂ bestehendes Gemisch bezeichnet, das sich als Ausgangsmaterial zur Synthese von Kohlenwasserstoffen und Alkoholen, als Wasserstoffquelle für Hydrierreaktionen und zur NH₃-Synthese sowie als reduzierendes Gas für die Erzreduktion u. dgl. eignet.

Die relativen Anteile von festem Brennstoff, Wasser und Sauerstoff in der Beschickung des Gasgenerators werden sorgfältig geregelt, um einen wesentlichen Teil des Kohlenstoffs, d. h. etwa 85 Gewichtsprozent, in Kohlenoxide umzuwandeln und in der Reaktionszone eine autogene Temperatur von etwa 982 bis 1760, vorzugsweise 1093 bis 1538 ⁰C, aufrechtzuerhalten. Der erzeugte Gasstrom enthält außer unverbranntem Kohlenstoff und Asche noch Kohlendioxid in Anteilen von etwa 10 bis 20 Volumprozent, bezogen auf trockenes Gasprodukt, das teilweise durch eine Wassergas-Konversionsreaktion entstehen kann. Je nach der Reinheit von Brennstoff und Sauerstoff, die dem Prozeß zugeführt werden, enthält das Gasprodukt gewöhnlich noch etwas Stickstoff und Argon.

Das heiße Gasprodukt gelangt in einen Gaswäscher mit daran anschließendem Abscheider mit Tauchrohr. Im Wasservorrat des Abscheiders werden die Feststoffteilchen festgehalten.

Beispiele

In den folgenden Beispielen wird eine Aufschlämmung von Koks in Wasser verwendet und ohne Vorheizung als Beschickung in einen füllkörperfreien Durchfluß-Synthesegasgenerator mit einem Rauminhalt von 0,333 m³ geführt. Die Koksbeschickung dieser Beispiele hatte die folgende Elementaranalyse in Gewichtsprozent.

Analyse des Brennstoffs

	Beispiele Ibis 3	Beispiel 4
Kohlenstoff	88,01 3,63 3,06 2,30 1,09 1,91	85,77 3,65 4,24 2,21 1,05 3,08
Wasserstoff .
Sauerstoff
Stickstoff . .
Schwefel ...
Unbekannt

5 6

Die Arbeitsbedingungen und Ergebnisse sind aus der folgenden Zusammenstellung ersichtlich

	1	Beispiel Nr.	2	3	4	1321
	239,1	256,4	263,4	236,9	28,1
Brennstoffbeschickung Koks, kg/h	221,0	217,6	217,6	210,4	3
Wasser, kg/h	52,0	54,2	54,8	51,0*)	654,8
Koksanteil in Beschickung, Gewichtsprozent	28,3	41,1	38,9	—	37,17
Temperatur am Brenner, ° C	206,9	204,5	208,8	183,6	42,89
Sauerstoffbeschickung Durchsatz Nm3/h	149,0	144,8	144,8	—	18,92
Temperatur am Brenner, ° C	1371	1404,5	1446	0,16
Arbeitsbedingungen Generatortemperatur, ° C	27,4	28,34	14,2	0,02
Generatordruck, atü	3	8	5	0,03
Versuchsdauer, h	624,7	625,7	600,3	0,69
Produkt Gasstrom, trocken Nm3/h	33,12	34,24	32,19	0,12
Zusammensetzung, Volum prozent Wasserstoff	46,46	45,99	49,01	0,7728
Kohlenmonoxid	19,00	18,69	17,76	0,89
Kohlendioxid	0,02	0,05	0,09	0,914
Methan	0,04	0,02	0,04	362,9
Carbonylsulfid	0,10	0,18	0,00	2,47
Schwefelwasserstoff	1,15	0,68	0,78	545
Stickstoff	0,11	0,15	0,13
Argon	0,8644	0,7965	0,7969
Reaktandenverhältnisse und Ausbeute Sauerstoff zu Brennstoff Nm3/kg	0,92	0,85	0,82
Wasser zu Brennstoff kg/kg	0,996	0,918	0,912
Sauerstoff zu Kohlenstoff O/C	412,3	406,4	419,0
Sauerstoff-Verbrauch Nm3/1000 Nm3 H2 + CO	0,51	8,82	10,31
Nichtumgesetzter Kohlenstoff, Gewichtsprozent	522	534	498
H2 + CO, Nm3/h (unter Druck)

*) Außer Koks waren in der Aufschlämmung 2% Melasse enthalten.

Claims (2)

1 2 gasungsprozeß arbeitet am wirksamsten bei erhöhtem Druck, d. h. 7 bis 56 atü, und bei Temperaturen über Patentansprüche: dem Schmelzpunkt der in der Kohle oder dem Koks enthaltenen Asche, so daß geschmolzene Schlacke 5 entsteht. Die Schlackenschmelze wird aus dem Reaktor

1. Verfahren zur Herstellung von Kohlen- durch einen Auslaß oder eine Öffnung in der Wandung monoxid und Wasserstoff aus festem Brennstoff des Reaktors, die vorzugsweise an einem Ende der in einem füllkörperfreien Reaktionsraum durch Reaktionszone liegt, in eine Abschreckzone hinein Partialoxydation mit Sauerstoff und Wasserdampf abgelassen, die Wasser enthält, in das die Schlacke bei einer autogenen Temperatur im Bereich von io hineinfällt und in dem sie abgeschreckt wird und etwa 980 bis 1650⁰C und unter einem Druck erstarrt.

von etwa 7 bis 211 atü, wobei fester Brennstoff Außer CO und H₂ enthält der Produktgasstrom geals Aufschlämmung in mindestens 35 Gewichts- wohnlich Kohlendioxid, Methan und mitgerissenen, prozent Wasser dem Reaktionsraum zugeführt nicht umgesetzten Kohlenstoff. In dem Prozeß entwird, dadurch gekennzeichnet, daß 15 stehender Kohlenstoff kann die Form sehr feiner die Aufschlämmung, enthaltend 45 bis 55 Ge- Rußteilchen und unveränderter Teile des festen wichtsprozent festen, feinteiligen Brennstoff, vor Brennstoffs besitzen. Aus dem Produktgasstrom läßt dem Einleiten in den Reaktionsraum auf eine sich Kohlenstoff gewinnen, indem man den Gasstrom Temperatur vorgeheizt wird, die unter der Ver- in einem geeigneten Gas-Flüssigkeits-Kontaktbehälter dampfungstemperatur von Wasser bei dem im 20 mit Wasser zusammenbringt und dann als Brennstoff Reaktionsraum herrschenden Druck liegt. in den Synthesegasgenerator zurückführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Die der Reaktionszone zugeführten Sauerstoffzeichnet, daß der Aufschlämmung des Brenn- mengen werden in Bezug auf das Brennstoffangebot stoffes ein flüssiger Kohlenwasserstoff in einer beschränkt, so daß man annähernd maximale Aus-Menge, die 25 Gewichtsprozent der Aufschläm- 25 beuten an CO und H₂ in der Vergasungsreaktion mung nicht überschreitet, zugesetzt wird. erhält. Gewöhnlich ist die Verwendung hochreinen

Sauerstoffs, d. h. sauerstoffreicher Gasströme, die

mehr als 95 Volumprozent Sauerstoff enthalten, zu

bevorzugen. Solche Sauerstoff-Konzentrationen sind

30 in den technischen Sauerstofftrennanlagen leicht her-

stellbar.

In der USA.-Patentschrift 2 669 509 wird ein Verfahren zur Vergasung festen, kohlenstoffhaltigen Materials beschrieben, in dem ein Erhitzen einer Auf-

35 schlämmung von gepulvertem, festem Brennstoffmaterial in einer Flüssigkeit vor Eingabe der Auf-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung schlämmung in den Vergasungsreaktor durchgeführt von Synthesegas, d. h. CO + H₂, aus festen Kohle- wird. Ziel des Erhitzens ist ein möglichst vollständiges brennstoffen durch unvollständige Verbrennung in Verdampfen der Flüssigkeit mit weiterer Pulverieinem sauerstoffhaltigen Gas. Sie bezieht sich insbe- 40 sierung des Feststoffmaterials, wobei die weitere Pulsondere auf die Vergasung fester Kohlebrennstoffe verisierung durch starke Druckverminderung in der in einer nichtkatalytischen Durchflußreaktion, bei dem Vergasungsreaktor vorgeschalteten Heizschlange der eine Aufschlämmung von festem Brennstoff in gefördert werden soll.

Wasser in flüssiger Phase in eine Reaktionszone, die Gegenwärtig hat es sich eingeführt, aus dem auf einer autogenen Temperatur von etwa 980 bis 45 pulverisierten, festen Brennstoff eine Dispersion oder 1650⁰C gehalten wird, eingebracht und dort mit ver- Suspension in einem Trägergas, wie zurückgeführtes hältnismäßig reinem Sauerstoff umgesetzt wird. Produktgas, Wasserdampf, oder einem Gemisch aus Es ist bekannt, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, Synthesegas und Dampf, herzustellen und diese d. h. Synthesegas, durch nichtkatalytische Reaktion Dispersion in die Reaktionskammer im Gemisch mit von festen Kohlebrennstoffen mit Sauerstoff oder 50 getrennt dorthin eingeleitetem Sauerstoff einzubringen, mit O₂ angereicherter Luft sowie Wasserdampf her- Eine besonders wirksame Methode zur Dispergiezustellen. Die Teilverbrennung von festen Brenn- rung von gepulvertem, festem Brennstoff in Dampf stoffen, wie Kohle oder Petrolkoks, stellt ein sehr wird in der USA.-Patentschrift 2 987 387 beschrieben, wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Syn- Bei diesem Verfahren wird fester Brennstoff mit Wasser thesegas in großen Mengen dar. Beim Durchfluß- 55 oder einem wäßrigen Träger vermischt und geht mit vergasungs- oder Teilverbrennungsverfahren wird verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit in einen Einfester Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas, rohrkessel, wo das Wasser in Dampf verwandelt wird vorzugsweise annähernd reinem O₂, in einer ge- und eine Dispersion der festen Teilchen in Dampf erschlossenen, gedrungenen Reaktionszone in Abwesen- zeugt wird. Die erhaltene Dispersion wird dann einer heit von Füllstoffen oder Katalysatoren bei einer 60 Durchfluß-Vergasungsanlage zugeführt. Ein Nachteil autogenen Temperatur im Bereich von etwa 980 bis dieses bekannten Verfahrens ist die schwierige Unter-1760, vorzugsweise 1090 bis 1540⁰C, umgesetzt. haltung der Kesselanlagen, die auf den inneren Ober-Gewöhnlich suspendiert man den festen Brennstoff flächen der Heizrohre einer Kesselsteinbildung sowie in feinteiliger Form in Wasserdampf und leitet ihn der Erosion durch die festen Teilchen ausgesetzt sind, in die Reaktionszone, wo er mit einer begrenzten 65 Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung Sauerstoffmenge zusammentrifft. Es findet praktisch eines Verfahrens, welches die Einführung der Brennsofort eine Reaktion statt, die als Hauptprodukte Stoffmaterialien in den Vergasungsreaktor in flüssiger Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugt. Der Ver- Phase gestattet.