DE2448354A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von gas, teer und dampf aus kohle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von gas, teer und dampf aus kohle

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DE2448354A1 DE19742448354 DE2448354A DE2448354A1 DE 2448354 A1 DE2448354 A1 DE 2448354A1 DE 19742448354 DE19742448354 DE 19742448354 DE 2448354 A DE2448354 A DE 2448354A DE 2448354 A1 DE2448354 A1 DE 2448354A1
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Description

Bergwerksverband GmbH
43 Essen
Frillendorfer Str. 351 2a. 9. 1974
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Gas, Teer und
Dampf aus Kohle
Die Erfindung betrifft die Kombination einer Wirbelschicht-Kohleentgasung mit einer Wirbelschichtverbrennung des in der ersten Stufe hergestellten Feinkokses und zwar in einer kompakten gemeinsamen Wirbelschichtanlage, so dass gleichzeitig kontinuierlich aus Feinkohle Schwelgas, Schwelteer und Dampf erzeugt werden. Auf diese Weise lassen sich hintereinander mehrere Reaktionen zwischen dem festen Brennstoff und verschiedenen Gasen in einem einzigen Behältersystem durchführen.
Eine solche kombinierte Wirbelschichtanlage hat den Zweck, in einer ersten Wirbelschichtkammer eine Vorentgasung oder Teilvergasung von Steinkohlen durchführen zu können, während in einer zweiten Wirbelschichtkammer die Verbrennung des erhaltenen Schwelkokses unter Nutzung der Brennstoffwärme in einem Dampfkessel erfolgt. Ausserdem kann man beispielsweise in einer weiteren Kammer der Wirbelschichtanlage körnige Additive, die der Kohle zur Bindung von im Rauchgas befindlichem Schwefeldioxid zugesetzt werden, z.B. Dolomit, wieder regenerieren.
Es ist bekannt, bei der Crackung von Rohöldämpfen und bei der Schwelung von Ölschiefern mehrere Wirbelschichtreaktoren für die verschiedenen Prozeßstufen, beispielsweise das katalytische Cracken von Rohöldämpfen und die Regenerierung des Katalysators oder die Schwelung von ölschiefer zur Gaser-
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zeugung und die Verbrennung des Schwelkokses hintereinander ira Verband zu betreiben. Die Verbindung zwischen den Reaktoren erfolgt bei den bekannten Verfahren durch pneumatische Förderleitungen (Ulimann 1958, Bd. 10, Seite 235/236). Solche pneumatische Förderleitungen sind jedoch sehr verschleissanfällig, da hier körnige Feststoffe mit relativ hoher Geschwindigkeit über gegebenenfalls weite Strecken transportiert werden müssen.
Es ist auch bekannt, Kohle in einer Wirbelschicht zur Dampferzeugung in einem Wirbelschicht-Kessel-System zu verbrennen. Diese Feuerungen können mit bis zu 25 bar Druck im Feuerraum betrieben werden (DT-PS 973 248, Papers of Third International Conference on Fluidizid Bed Combustion, U.S. Environmental Protection Agency Okt./Nov. 1972). Der Nachteil der bekannten Wirbelschichtfeuerungen besteht darin, dass eine gleichmässige Verteilung des Brennstoffs über den gesamten Querschnitt der Wirbelschichten nur durch eine gleichmässige Verteilung vieler Brennstoffzuführungsstellen über die Anströmfläche erfolgen kann.
Es sind schliesslich auch langgestreckte Wirbelschichtanlagen bekannt, in denen eine Strömung von fluidisierten Feststoffen in horizontaler Richtung durch ein leichtes Gefälle von der Feststoffaufgabe zum Feststoffauslauf in den rinnenartigen Wirbelschichtaggregaten erzeugt wird (Glückauf-Forschungshefte 26 (1965), Heft 2, Seite 67/68).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entgasung und Verbrennung von Kohle soweit zu verbessern, dass auf engstem Raum und auf fortschrittlichste Weise Gas, Teer und Dampf in einem einzigen Aggregat gleichzeitig erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass feinkörnige Kohle in der ersten Kammer einer langgestreckten, an die Aufgabestelle der Kohle zurückgeführten und in zwei oder mehr Kammern unterteilten Wirbelschichtanlage eingeführt
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wird, die in ihrer Gesamtheit von einem Wärmeträgerstrom durchflossen wird, wobei in der ersten Kammer (Entgasungszone) unter Aufwirbelung der Kohle mit stickstoff- und sauerstoffarmen Gasen eine Entgasung der Kohleteilchen und in der zweiten Kammer (Verbrennungszone) durch Aufwirbelung der Koksteilchen mit Luft eine Verbrennung unter gleichzeitiger Dampferzeugung in Rohren, die in die Wirbelschicht eintauchen, und überhitzung der Wärmeträgerteilchen erfolgt, und die überhitzten Wärmeträger im Kreislauf zwecks Erhitzung der in die Entgasungszone eingeführten Kohle in diese zurückgeführt werden.
Als Wärmeträger und Transportmedium für die Feinkohle durch die Wirbelschichtanlage dient beispielsweise die Kohlenasche, körniger Kalkstein oder Dolomit sowie Sand, der in der Entgasungszone mit rückgeführtem, vom Teer befreiten Produktgas und/oder mit Wasserdampf und in der Verbrennungszone mit Luft durch die Anströmböden hindurch aufwärts angeblasen und fluidisiert wird. Sofern eine weitere Kammer zur Regenerierung des umlaufenden Kalksteins nachgeschaltet ist, kann diese Wirbelschichtkammer mit dem Rauchgas der Verbrennungszone betrieben werden. In die Verbrennungszone können oberhalb der Wirbelschicht zusätzliche Dampfregister eingebaut sein, die die Wärme der heissen Rauchgase, die die Wirbelschicht verlassen, ausnutzen.
Wärmeträger und Brennstoff werden miteinander vermischt und aus jeder Kammer über ein oder mehrere Syphons in die nächste Kammer im Kreislauf durch die Wirbelschichtanlage geführt. Diese Syphon-Systeme sind in den Trennwänden zwischen zwei Wirbelschichtkammern angeordnet. Die horizontale Kreislaufbewegung des Brennstoff-Wärmeträgergemisches in der Wirbelschichtanlage wird durch Einführung von Gasen in die Syphon-Systeme aufrechterhalten. Auf diese Weise werden die Trennwände für die körnigen Feststoffe durchlässig, während sie
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für die Anströmgase der einzelnen Kammern weitgehend undurchlässig sind. Die Wirbelschichtanlage kann auch mit Gasdruck bis zu 25 bar in den einzelnen Kammern betrieben werden. Es ist dann erforderlich, dass alle Kammern mit nahezu gleichem Druck betrieben werden. Die Rauchgase aus der Verbrennungskammer werden dann über eine Gasturbine geleitet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirbelschichtanlage im Querschnitt;
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Anlage nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine vergrösserte schematische Darstellung eines Syphon-Systems im Querschnitt.
Nach Fig. 1 und 2 besteht die Wirbelschichtanlage aus einem langgestreckten liegenden Behälter 1, der durch Syphon-Systeme 2 und 3 in zwei rinnenartige Wirbelschichtkammern 4 und 5 unterteilt ist. Hierbei ist das Ende der zweiten Wirbelschichtkammer 5 für die Verbrennungszone an den Ausgangspunkt der ersten Wirbelschichtkammer 4 für die Entgasungszone zurückgeführt worden. Beide Wirbelschichtkammern 4 und 5 sind durch die Syphon-Systeme 2 und 3 weitgehend gasdicht voneinander abgetrennt. In der ersten Wirbelschichtkammer 4 werden beispielsweise 50 t/h Feinkohle mit einem Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen zwischen 30 und 40 % und in einer Körnung bis 6 mm, die mittels einer mit Dampf betriebenen pneumatischen Aufgabevorrichtung durch das Rohr 6 eingeführt werden, mit 150 t/h heissen, festen Wärmeträgern vermischt. Der Wärmeträger besteht beispielsweise aus Kohlenasche, Sand und Kalkstein und er gelangt über den Syphon 3 mit einer Temperatur von etwa 800 C in die erste Wirbelschichtkammer 4. Durch die Zugabe der Fein-
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kohle ergibt sich hier eine Mischtemperatur von 450 bis 600°C, wobei etwa 10 t/h Rohgas entstehen, die über den Produktgasabzug 7 einer Gasreinigung und Gaszerlegung zugeführt werden. Es werden hierbei etwa 6,5 t/h Teer und Schwelbenzin sowie 3,5 t/h Ferngas mit hohem Heizwert erhalten. Die Fluidisierung der Feststoffe erfolgt in der Wirbelschichtkammer 4 mit Hilfe des in der Entgasungszone gebildeten Rohgases sowie mit durch das Rohr 8 zurückgeführtem gereinigtem Produktgas oder durch Wasserdampf in einer solchen Menge, dass gerade eine ausreichende Aufwirbelung und Mischung der Feststoffe über dem Anströmboden 9 entsteht.
Die nach der Entgasung verbleibenden 40 t/h Schwelkoks werden mit den 150 t/h Wärmeträgern über den Syphon 2 in die Wirbelschichtkammer 5 eingebracht. Dort wird diese Mischung mit Hilfe der über das Rohr 10 zugeführten, auf etwa 400°C vorgewärmten Luft vollständig verbrannt. Die durch die Verbrennung freiwerdende Wärme wird zum grössten Teil durch den Wärmeträger auf Kesselrohre 11 übertragen, die in die Wirbelschicht der Verbrennungszone eintauchen. Bei einem Luftüberschuss von nur etwa 10 % wird hierbei eine mittlere Wirbelschicht-Temperatur von 800 - 900°C eingehalten. Hierzu ist ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Anströmfläche des Anströmbodens 9a und der in die Wirbelschicht eintauchenden Wärmetauschfläche der Kesselrohre 11 erforderlich. Dieses Verhältnis ist vom Betriebszustand der Wirbelschichtkammer 5 abhängig und kann durch Einstellen unterschiedlicher Wirbelschichthöhen angepasst werden.
Ein Teil der Verbrennungswärme dient zur Aufheizung der Wärmeträger, die dann über den Syphon 3 der Wirbelschichtkammer 4 wieder zugeführt werden, überschüssige Asche wird aus der Verbrennungszone in der Wirbelschichtkammer 5 über einen Ablauf 12 abgezogen.
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Zwischen dem Ende der Wirbelschichtkammer 5 und dem Syphon 3 kann über ein weiteres nicht gezeichnetes Syphon-System eine weitere Wirbelschichtkammer angeordnet sein, in der der im Kreislauf mit dem Wärmeträger geführte Kalkstein durch Erhitzen mit Rauchgasen wieder regeneriert werden kann. Ergänzende Kalksteinmengen werden mit der Kohle durch das Rohr 6 der Entgasungszone in der Wirbelschichtkammer 4 aufgegeben.
Das Rauchgas, das die Wirbelschichtkammer 5 mit einer Temperatur von ebenfalls 800 bis 900°C über das Rohr 13 verlässt, wird nachgeschalteten Konvektionsheiζflächen zur Dampferzeugung, Speisewasservorwärmung oder Lufterhitzung zugeführt und gelangt dann über einen Staubabscheider zum Kamin. Wird die Wirbelschichtanlage unter Druck betrieben, so werden die entstaubten heissen Rauchgase über eine Abgasturbine entspannt. Die Dampferzeugung des vorstehenden Ausführungsbeispiels reicht aus, eine elektrische Leistung von ca. 100 MWeI zu erhalten.
Nach Fig. 3 sind beim Syphon 3, der die Wirbelschichtkammer 5 mit der Wirbelschichtkammer 4 verbindet, beide Wirbelschicht-Kammern durch die Trennwand 14 gegeneinander abgeteilt. Der körnige Feststoff tritt über den Einlaufschacht 15 in den Syphon 3 ein und gleitet über den schrägen Syphonboden zur Düsenleiste 17 hinab, wo durch das Rohr 18 das Syphon-Antriebsgas eingeblasen wird. Durch das Antriebsgas, das beispielsweise beim Syphon 3 aus Dampf und beim Syphon 2 aus Luft besteht, wird der Feststoff unter heftiger Blasenbildung aufgewirbelt und mit den aufsteigenden Gasblasen in den Austrittsschacht 19 mitgerissen. Durch die Abwärtsbewegung der Feststoffe im Eintrittschacht 15 und den horizontalen Abstand zwischen Eintrittsschacht 15 und der horizontal angeordneten Düsenleiste 17 wird verhindert, dass eine rückwärtige Gasströmung in die Wirbelschichtkammer 5 entsteht. Bei einer Druckdifferenz bis zu 0,03 bar, vorzugsweise nicht mehr als
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0f01 bar zwischen den Wibelschichtkairanern 4 und 5 ist ein einwandfreier Betrieb der Wirbelschichtanlage möglich, ohne dass die Gefahr für einen unerwünschten Gasdurchtritt von einer Wirbelschichtkammer in die andere besteht. Die Umlaufgeschwindigkeit des Feststoffes in der Wirbelschichtanlage lässt sich durch die Grosse der Syphoneinlaufschachte, die Anordnung der schrägen Syphonböden und durch die durch die Düsenleisten strömenden Gasmengen einstellen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass Entgasung und/oder Vergasung von Steinkohlen und die Verbrennung des anfallenden Schwelkokses in einer gemeinsamen Wirbelschichtanlage durchgeführt werden können. Deshalb entfallen lange Transportwege für die Feststoffe von einer Wirbelschichtkammer zur anderen. Ausserdem lassen sich durch die Aufteilung der Wirbelschichtenlage in mehrere auf gleicher Ebene liegende Wirbelschichtkammern die Verweilzeiten der Feststoffe in den einzelnen Wirbelschichtkammern beliebig einstellen. Auf diese Weise kann ein gezielter Wärmetransport mittels der festen Wärmeträger durchgeführt werden.
Da ein Teil des körnigen Feststoffes als Wärmeträger im Kreislauf durch die Wirbelschichtanlage geführt wird, lässt sich auch eine intensive Mischung in einer Mischkammer durchführen, wodurch eine gleichmässige Verteilung dieser Mischung in den anschliessenden Kammern erzielt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Aufgabe von frischer Kohle sowie der Abzug von festen Produkten an jeder gewünschten Stelle der Wirbelschichtanlage erfolgen kann. Ausserdem gestatten die Syphon-Systeme in der Wirbelschichtanlage in jeder der Wirbelschichtkammern eine getrennte Gasführung und somit auch eine getrennte Behandlung der Produktgase durchzuführen.
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Ein grosser Vorteil ist insbesondere, dass die Wirbelschichtanlage kaum mechanisch bewegte Teile im Bereich heisser Zonen benötigt. Auch die Regeleinrichtungen können in Bereichen mit keiner oder nur geringer Wärmebelastung untergebracht werden. Es ist lediglich erforderlich, dass alle Wirbelschichtkammern mit einem bis auf die für den horizintalen Feststofftransport erforderlichen geringen Druckdifferenzen annähernd gleichen
Gasdruck betrieben werden, um die Wirkung der Syphon-Systeme
nicht zu beeinträchtigen.
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Claims (9)

P a te ntansprüche :
1. Verfahren zur Erzeugung von Gas, Teer und Dampf in Wirbelschichtreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass feinkörnige Kohle in der ersten Kammer einer langgestreckten, an die Aufgabestelle der Kohle zurückgeführten und in zwei oder mehr Kammern unterteilten Wirbelschichtanlage eingeführt wird, die in ihrer Gesamtheit von einem Wärmeträgerstrom durchflossen wird, wobei in der ersten Kammer (Entgasungszone) unter Aufwirbelung der Kohle mit stickstoff- und sauerstoffarmen Gasen eine Entgasung der Kohleteilchen und in der zweiten Kammer (Verbrennungszone) durch Aufwirbelung der Koksteilchen mit Luft eine Verbrennung unter gleichzeitiger Dampferzeugung in Rohren, die in die Wirbelschicht eintauchen, und überhitzung der Wärmeträgerteilchen erfolgt und die überhitzten Wärmeträger im Kreislauf zwecks Erhitzung der in die Entgasungszone eingeführten Kohle in diese zurückgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff mit den Wärmeträgern \annischt aus jeder Kammer über ein oder mehrere Syphons in die nächste Kammer im Kreislauf durch die Wirbelschichtanlage geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwirbelung in der Entgasungszone mit rückgeführten, von Teer befreiten Gasen der Entgasungszone und/oder mit Wasserdampf erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Kreislaufbewegung des Brennstoff-Wärmeträger gemisches in der Wirbelschichtanlage durch Einführung von Gasen in die Syphon-Systeme aufrechterhalten wird.
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5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbrennungszone oberhalb der Wirbelschicht ebenfalls Dampfregister eingebaut sind, die die Wärme des die Wirbelschicht verlassenden Rauchgases ausnutzen.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wirbelschichtanlage mit Gasdrücken bis zu 25 bar
in
betrieben wird, wobei die Rauchgase einer Abgasturbine entspannt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Wirbelschichtkammern eine Druckdifferenz von nicht mehr als 0,03 bar, vorzugsweise 0,01 bar eingehalten wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass ein langgestreckter, liegender Behälter (1) durch Syphon-Systeme (2, 3) in zwei oder mehr rinnenartige Wirbelschichtkammern (4, 5) unterteilt ist, wobei das Ende der Wirbelschichtrinne der zweiten Kammer (5) zum Ausgangspunkt der ersten Kammer (4) zurückgeführt ist, und an die erste Kammer (4) (Entgasungszone) Einrichtungen zur Entfernung, Reinigung und Rückführung der Entgasungsgase angeschlossen sowie in oder nach der zweiten Kammer (5) (Verbrennungszone) Einrichtungen zur Erzeugung von Dampf und zur Abführung der Verbrennungsgase angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Syphon-Systeme aus einem durch die Trennwand (14) und einem schrägen Syphonboden (16) mit einer horizontal angeordneten Düsenleiste (17) gebildeten Syphon-Einlaufschacht (15) und einem Auslaufschacht (19) bestehen.
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