DE2520883B2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem EisenbadreaktorInfo
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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.
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.
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
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
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
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
läßt dort in der Düse das Mischen der Reaktionspartner
;■■■■ 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% CnH01, 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.
Claims (4)
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.
Priority Applications (21)
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