DE2520883B2

DE2520883B2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor

Info

Publication number: DE2520883B2
Application number: DE19752520883
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.-Ing. Brotzmann; Hans-Georg Dr.-Ing. Fassbinder; Helmut Prof. Dr.-Ing. Knueppel; Joachim Dipl.-Ing. 4034 Angermund Mietzner
Original assignee: EISENWERK-GESELLSCHAFT MAXIMILIANSHUETTE MBH 8458 SULZBACH-ROSENBERG
Current assignee: EISENWERK-GESELLSCHAFT MAXIMILIANSHUETTE MBH 8458 SULZBACH-ROSENBERG
Priority date: 1975-05-10
Filing date: 1975-05-10
Publication date: 1979-07-05
Also published as: SU1052164A3; JPS528004A; JPS5724397B2; DE2520883A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ,in Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind bereits Verfahren bekannt, bei denen Kohle zusammen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in ein Eisenbad eingeblasen wird, um ein im wesentlichen aus CO und H₂ bestehendes Reaktionsgas zu erzeugen.

In den US-PS¹Cn 35 26478 (entspr. der DE-OS 19 55 115) und 35 33 739 werden Verfahren beschrieben, bei denen einem Eisenbad Kohle in feinkörniger Form über wassergekühlte Lanzen unterhalb der Eisenbadoberfläche zugeführt wird. Gleichzeitig wird mit einer zweiten Lanzeneinrichtung Sauerstoff und Wasserdampf ebenfalls unter die Badoberfläche in das Metallbad eingeleitet Die Schlackenbildner, vorzugsweise Kalk, Kalkstein oder Dolomit, zur Erzeugung einer schwefelaufnehmenden Schlacke, werden auf das Eisenbad gegeben. Die Schlacke nimmt den in der Kohie vorhandenen Schwefel auf, so daß ein weitgehend schwefelfreies Gas mit einer Zusammensetzung von etwa 70 bis 80% CO und 15 bis 25% W₁ entsteht

Bei diesen Verfahren ist der gesamte Schlackenhaushalt schwierig zu beherrschen, weil verhältnismäßig große Mengen schwefelreicher Schlacke kontinuierlich durch Zugabe von vorzugsweise Kalkstein zu ersetzen sind Auch stellen die Lanzen für die Zugabe von Brennstoff und Vergasungsmittel unterhalb der BadoberfUche, einschließlich der erforderlichen Verschiebe- und Regeleinrichtungen, ein bisher nicht gelöstes Problem dar. Naturgemäß kann ein Kohlevergasungsverfahren großtechnisch und wirtschaftlich nur angewendet werden, wenn es sich betriebssicher und kontinuierlich über einen langen Zeitraum durchführen läßt, was aber mit den Lanzeneinrichtungen, die über einen Zeitraum von mehreren Tagen nicht ohne Störungen arbeiten, nicht möglich ist

Während intensiv gekühlte Lanzen, beispielsweise solche mit Wasserkühlung, dem Verfahren selbst viel Wärme entziehen, unterliegen Lanzen mit einer feuerfesten Ummantelung wegen der intensiven Badbewegung im Eisenbadreaktor einem erhöhten Angriff

!·■ durch chemische Reaktionen mit der Schlacke und durch Erosion. Ein schnelles Auswechseln der Lanzeneinrichtungen, ohne den Kohlevergasungsprozeß zu stören, ist nicht ohne ,weiteres möglich, weil dabei unkontrollierte Luftmengen in den Eisenbadreaktor

; - gelangen können, wodurch die Gaszusammensetzung geändert wird und auch Explosionsgefahr hervorgerufen wird.

In der DE-PS 4 74 594 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur und der Reduktionskraft der Kon-

:■■: verterabgase beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Sauerstoff und kohle- und wasserstoffhaltige Brennstoffe gleichzeitig der Gebläseluft zugeführt, die z.T. unverbraucht durch das Bad hindurchgehen und oberhalb des Bades eine Flamme bilden. Die Konverter-

:■, abgase werden zur Reduktion von Eisenerzen oder als Heizmittel verwende;.

In der DE-OS 20 02 814, der DE-PS 23 16 768 und der DD-PS 73536 sind Verfahren zum Frischen von Metallen, insbes. Roheisen, beschrieben. Dabei werden

v> Sauerstoff und gegebenenfalls Brennstoffe durch Düsen, die unterhalb der Badoberfläche bzw. im- boden angeordnet sind, zwecks Frischen eingeführt Die Abgase enthalten ca. 98% CO. Um die Düsenstanddauer zu erhöhen, werden dabei die Sauerstoffstrahlen von einem Mantelgas aus Stickstoff, Edelgas oder gas- und dampfförmigen Kohlenwasserstoffen einzeln oder im Gemisch umgeben, in dem Sie durch konzentrische Außenrohre zugeführt werden. — Auch werden dem Sauerstoffstrahl dabei Feinkalk oder weitere Stoffe, wie

i" feste Kohlenstoff träger zugesetzt Dazu werden auch schraubenförmige Führungskörper zum Erzeugen einer Zentrifugalkraft in die Düsen eingesetzt Die Anmelderin geht davon aus, daß die beim Frischen von Roheisen verwendeten Bodendüsen am Konverter nur eine

'"■ Gesamtstandzeit von etwa 2 Tagen Blasdauer haben. Diese Tatsache würde davon abhalten, eine kontinuierliche, langzeitliche Kohlevergasung im Eisenbad mit Bodendüsen durchzuführen. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß eine kontinuierliche Kohlever-

v· gasung über lange Zeiträume mit Bodendüsen möglich ist Langzeitversuche über mehrere Wochen zeigten unerwarteterweise einen äußerst geringen Verschleiß der Bodendüsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

v· Verfahren zur Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor zu schaffen, bei dem eine kontinuierliche Vergasung ohne Unterbrechung über einen langen Zeitraum betriebssicher möglich ist

(V) ErfindungsgemlB wird diese Aufgabe beim eingangs geschilderten Vergasungsverfahren für Kohle oder kohlenstoffhaltige Brennstoffe in einem Eisenbadreaktor mit einer Schlackenschicht dadurch gelöst, daß die Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffe und Sauer-

■ stoff oder sauerstoffhaltigen Gase, letztere von Kohlenwasserstoffen ummantelt, eingeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist außerdem den Vorteil auf, daß gasdichte und außerdem noch eine

gewisse Bewegung erlaubende Durchführungen für Lanzen nicht erforderlich sind und damit neben der Erhöhung der Betriebssicherheit eine Herabsetzung der Explosionsgefahr durch einströmende Falschluft vermieden wird.

Die Düsen sind unterhalb der Badoberfläche in der feuerfesten Ausmauerung des Eisenbadreaktors angeordnet und verschleißen mit der feuerfesten Ausmauerung gleicnlaufend. Gegen den vorteilenden Verschleiß gegenüber dem Mauerwerk werden sie in dadurch geschützt, daß der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas von gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Medien umgeben werden. Zum Beispiel haben sich dafür Methan Ätban, Propan, Butan, verschiedene ölqualitäten, insbesondere leichtes Heizöl, Methanoi, jeweils einzeln oder in beliebigen Mischungen, bewährt

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Reaktionspartner, nämlich insbesondere feinkörnige Kohle und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiges Gis, sowie gegebenenfalls feinkörnige Schlackenbildner, an der gleichen Stelle, d. h. gemeinsam durch die gleiche Düse, dem Eisenbad im Eisenbadreaktor unterhalb der Badoberfläche zuzuführen. Es kennen mehrere selche Düsen, durch die die Reaktionspartner gemeinsam eingeleitet werden, zum Einsatz kommen. Das F^:- '^iten von Kohlenstoff und Sauerstoff an der gleichen Stelle bringt den Vorteil, daß wegen der schnellen Verwirbelung mit der Schmelze eine schnelle Lösung des jo Kohlenstoffs im Eisenbad bewirkt wird. Aus diesem Grund kann beispielsweise die Korngröße des eingeblasenen Kohlenstaubes größer gewählt werden als dies bei getrennter Zuführung der Reaktionspartner möglich ist Ein weiterer Vorteil, der aus dem gemeinsamen J5 Einleiten der Reaktionspartner resultiert, besteht in der Erniedrigung der Temperatur am sogenannten Sauerstoff-Brennfleck, d.h. unmittelbar vor der Düsenmündung, und dies wiederum führt zu einer verminderten Eisenverdampfung.

Brennstoff und/oder Vergasungsmittel können auch in mehrere Kanäle innerhalb einer Düse aufgeteilt werden, so daß einerseits eine intensive Reaktion zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff erfolgt und andererseits ein Teil des Kohlenstoffes hauptsächlich dazu dient, die Brennflecktemperatur herabzusetzen. Diese besondere Zuführung läßt sich beispielsweise durch eine Düse aus mehreren konzentrischen Rohren verwirklichen, bei der im inneren Ringspalt Kohlenstaub, in einem umgebenden Ringspalt Sauerstoff und in einem äußeren Ringspalt abermals Kohlenstoff eingeblasen wird. Der Sauerstoffstrahl wird zwecksmäßigerweise bei dieser Einführung sowohl innen als auch außen von einem Kohlemyasserstoff-Schutzmedhim umgeben. Auf das getrennte Zuführen von Kohlenwasserstoff-Schutzmedium kann verzichtet werden, wenn zur pneumatischen Förderung von Kohlestaub kohlenwasserstoffhaltige Medien als Trägergas zur Anwendung kommea Der gleiche Effekt läßt sich durch eine Suspension von Kohlestaub in einer kohlenwasserstoff· so haltigen Flüssigkeit erreichen.

Es kommt auch in Betracht, Kohlestaub und Sauerstoff bereits vor ihrem Eintritt in das Eisenbad zu vermischen. Aus Sicherheitsgründen sollte diese Durchmischung erst in der Nlhe der Eisenschmelze, vorteilhafterweise erst innerhalb der Einleitungsdüse, erfolgen.

Die Zuführung der Schlackenbildner durch die Düsen

im Boden des Eisenbadreaktors, zur Erzielung einer entschwefeln wirkenden Schlacke auf dem Eisenbad, läßt sich auf verschiedene Weise verwirklichen. Beispielsweise können die Schlackenbildner, vorzugsweise Kalkstaub, mit oder ohne Beimischungen von Kalkstein bzw. Dolomit, dem Sauerstoffstrom aufgeladen werden. Eine andere Lösung besteht darin, die feinkörnigen Schlackbildner mit der feinkörnigen Kohle vor der Zugabe in den Eisenbadreaktor zu vermischen und diese Mischung dann gemeinsam einzuleiten.

Eine schnelle Auflösung des Kohlenstoffes im Eisenbad wird durch eine zusätzliche Durchwirbelung erreicht, die beispeilsweise dadurch verwirklicht wird, wenn in der Kohlenstaubzuführleitung Leiteleinente eingebaut sind, die dem Kohlenstoffstrom einen Drall aufzwingen.

Eine weitere Verbesserung der Intensivierung der Reaktion zwischen den Reaktionspartnern Kohlenstoff und Sauerstoff im Eisenbad wird insbesondere bei Großanlagen, bei denen mehr als 10 . Kohle/h vergast werden dadurch erreicht, daß das DiLensystem im Durchmesser vergrößert wird und der Kern der Düse als Festkörper ausgebildet wird. Alle Reaktionspartner werden bei dieser Düsenform durch konzentrische Ringspai-e in dss Eisenbad eingeleitet Ia der Praxis hat es sich ats vorteilhaft herausgestellt, wenn die Ringspaltbreite höchstens ¹Ao des Ringdurchmessers beträgt

Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit zwisehen dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff im Eisenbad ist auch die pulsierende Zugabe der Reaktionspartner vorteilhaft Dazu wird ein minimaler Mediendruck in der Einleitungsdüse eingestellt, der nur geringfügig über dem ferrostatischen Druck, zugänglich dem Druck über der Schmelze im Eisenbadreaktor, liegt, und das sich so ergebende Druckminimum wird bis maximal etwa seinem 5-fachen Wert periodisch geändert Die Frequenz dieser Druckschwankungen kann btiiebig variiert werden und auch nur über gewisse Zeiträume angewandt werden, beispielsweise um die Gleichmäßigkeit der Kohlenvergasung zu steuern. Bei der großtechnischen Anwendung des Verfahrens zeigten sich nämiich Schwankungen in der Gasentwicklung und im Schwefelgehalt des erzeugten Gases. Wahrscheinlich lassen sich eine zeitweise verminderte Gasentwicklung sowie eine Zunahme des Schwefelgehaltes im erzeugten Gas auf Konzentrationsunterschiede im Bad und in der Schlacke sowie zwischen Schlacke und Bad zurückführen. Bei einem kontinuierlich betriebenen Verfahren wirken sich diese Phinomene störend aus und mit einer kurzzeitig pulsierenden Zugabe der Reaktionspartnc lassen sich sehr schnell wieder die normalen Betriebswerte einstellen. In den meisten Fällen haben beispielsweise 10 Druckstöße pro Minute dafür bereits ausgereicht

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Eisenbadreaktor;

F i g. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Düse aus vier konzentrischen Rohren;

F i g. 3 einen vertikalen Schnitt durch eine Düse aus drei konzentrischen Rohren;

F i g. 4 einen vertikalen Schnitt durch eine Düse, die nur RingspaJte, jedoch teilweise mit Einbauelementen, zur Zuführung der Reaktionspartner aufweist;

F i g. 5 den aufgeschnittenen Kohlenstaubzufuhrkanal einer Düse, in dem als Leitelement eine bandförmige

Wendel zu erkennen ist, und

F i g. 6 eine Ausführungsform einer Düse, bei der die Reaktionspartner bereits vor dem Eintritt in das Eisenbad vermischt werden.

Der in F i g. 1 dargestellte Eisenbadreaktor besteht im wesentlichen aus einem Stahlmantel 1 mit einer feuerfesten Ausmauerung 2. Im Reaktor befindet sich das Eisenbad 3 und darauf die Schlacke 4. Die Reaktionspartner werden dem Eisenbad 3 durch eine oder mehrere Düsen 5, die in der feuerfesten Auskleidung angeordnet sind, zugeführt Die Schlackenbildner, vorzugsweise Kalk mit oder ohne Zusatz von Flußmitteln; werden normalerweise ebenfalls durch die Düse 5 dem Metallbad zugeführt. Üblicherweise verwendet man gebrannten Kalk als Schlackenbildner, jedoch kann zur Temperaturreduzierung, in Abhängigkeit vom Heizwert bzw. Energieinhalt der eingesetzten Kohlen bzw. kohlenstoffhaltigen Substanzen, der gebrannte Kalk teilweise oder ganz durch Kalkstein ersetzt werden.

Die Düsen 5 in der feuerfesten Auskleidung 2 verschleißen gleichmäßig mit dem feuerfesten Material und sind üblicherweise aus konzentrischen Rohren mit kreisförmigem Querschnitt aufgebaut. Es können auch kreisähnliche Querschnitte bis iiin zur Rechteckform verwendet werden, jedoch wird man aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt übliche Rohre mit kreisförmige Querschnitt einsetzen.

Die Düse gemäß F i g. 2 ist aus vier konzentrischen Rohren 6, 7, 8, 9 aufgebaut, die von der Mitte aus gesehen der Reihenfolge nach mit 6 bis 9 numeriert sind. Dabei wird beispielsweise durch das Innenrohr 6 Kohlenstaub mit einem Fördergas in das Eisenbad eingeleitet. Als Fördergase kommen vorzugsweise Inertgase, Stickstoff, CO₂ und Wasserdampf in Frage. CO₂ und Wasserdampf können dabei gleichzeitig zur Temperaturregulierung gemäß der Prozeßwärmebilanz herangezogen werden. Durch den Ringspalt, gebildet aus Rohren 7 und 8, wird Sauerstoff und/oder ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Die beiden Ringspalte, einmal zwischen Rohren 6 und 7 und zum anderen zwischen Rohren 8 und 9 dienen der Zufuhr von Schutz-Medium für die Düse. Das Schutzmedium besteht aus gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffen oder kohlenwasserstoffhaltigen Medien.

Eine Düse, bestehend aus drei Kanälen 10,11,12 zeigt die F i g. 3. Die Kanäle können bei einer derartigen Düsenausführung beispielsweise in folgender Aufteilung für den Transport der Reaktionspartner und Medien benutzt werden. Entweder wird durch das zentrale Rohr 10 Sauerstoff, «Jiurch den Ringspalt 11 Schutzmedium und durch den äußeren Ringspalt 12 Kohlestaub gefördert; oder aber durch das zentrale Rohr 10 und den äußeren Ringspalt 12 wird Kohlenstoff in Suspension mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Schutzmedium eingeleitet, während durch den Ringspalt 11 Sauerstoff strömt

Die Ausführung der Düse nach F i g. 4, die bevorzugt

beim Einleiten großer Kohlemengen angewendet wird, weist einen massiven Kern 13 auf und die Zuführungskanäle 14, 15, 16 haben mindestens teilweise Einbauelemente. Grundsätzlich können die Ringspalte 14,15, 16 sinngemäß wie die Kanäle 10, 11, 12 für das Einleiten der Reaktionspartner und Medien genutzt werden. In Fig.4 dient der Kanal 14 zum Transport von Kohlestaub und in diesem Kanal 14 sind wendeiförmige Leitelemente 17 angebracht, die dem Kohlestaubstrom

ι- einen Drall aufzwingen. Durch den Ringspalt 15 strömt Sauerstoff und der in ungefähr kreisförmige Kanäle aufgeteilte Ringspalt 16 dient dem Schutzmedientransport
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Leitelemente

: - 17 stellt das in F i g. 5 gezeigte massive, wendeiförmige Band 18 dar, das etwa V₄ des Ringspaltes verschließt. Durch das teilweise Verschließen des Ringspaltes mit einem Leitelement 18 wird das Einströmen der aus der Düse austretenden Reaktionsmitteiströme in das Zen-

.'<> trum des Eisenbades erleichtert

Eine Sonderform einer Düse zeigt F i g. 6. Es werden Kohlestaub 19 und Sauerstoff 20 bereits vor ihrem Eintritt in das Eisenbad miteinander gemischt Dabei führt man den Kohlestaub 19 und den Sauerstoff 20

:■· zunächst getrennt durch den Stahlmantel 1 des

Eisenbadreaktors bis teilweise in die Mauerung 2 und

läßt dort in der Düse das Mischen der Reaktionspartner

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines

;■■■■ Beispieles näher erläutert

In einem Eisenbadreaktor für die Erzeugung von lOOOOONmVh Gas der Zusammensetzung von etwa 25% H₂ und 75% CO befand sich ein Eisenbad von 601 und darauf eine Schlackenmenge von 15 t Der freie

:■■ Raum im neu ausgemauerten Eisenbadreaktor betrug 80 m³. Im Boden dieses Reaktors waren zwei Düsen vorgesehen.

Die Düsen bestanden aus vier konzentrischen Edelstahlrohren 6, 7, 8, 9 mit einer Wandstärke von

■»" 3 mm. Die wesentlichen Legierungselemente des Edelstahles waren 0,4% C und 13% Cr. Das Rohr 6 hatte einen lichten Durchmesser von 70 mm und es wurden dadurch mit dem Fördergas 50 000 kg/h Kohle mit einer Maximalkorngröße von 0,5 mm in das Eisenbad

⁴") gefördert Der Rjngspalt, gebildet aus den Rohren 7 und 8, hatte eine Breite von 8 mm und dadurch wurden 40 000 Nm³/h Sauerstoff eingeleitet Die beiden Schutzmedienringspalte, gebildet aus den Rohren 6 und 7 sowie den Rohren 8 und 9 hatten eine Breite von

*> 0,5 nun, und es strömten dadurch je Ringspalt 2000 NnWh Erdgas mit einer Zusammensetzung von 90% CH₄, 4% C_nH₀₁, 3% CO₂ und 3% N₂. Als Schlackenbildner wurden der Kohle 20% Feinkalk (CaO) beigemischt Die beiden Düsen wurden mit

-0 gleichen Mengen beschickt

Dieser Eisenbadreaktor zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle lief ohne Betriebsstörungen über einen Zeitraum von zwei Monaten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor mit einer Schlackenschicht zu einem im wesentlichen aus CO und H2 bestehenden Gas, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel unterhalb der Oberfläche des Eisenbades durch ein oder mehrere Düsen eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle oder kohlenstoffhaltige Brennstoffe und Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase, letztere von Kohlenwasserstoffen ummantelt, eingeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe mit Drall eingeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schlackenbildner, vorzugsweise Kalk, Kit der feinkörnigen Kohle gemischt, zugeführt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem das Eisenbad mit Schlackenschicht enthaltenden Gefäß, das Zufuhrleitungen für Brennstoffe und Vergasungsmittel sowie Schlackenbildner aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der feuerfesten Ausmauerung des Eisenbadreaktors unterhalb der Eisenbadoberfläche eine oder mehrere aus konzentrischen Rohren bestehende Düse angeordnet sind.