DE2609320C3 - Kohlevergasungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kohlevergasungseinrichtung, bei der aus Kohle über eine Hydriervergasung und eine nachgeschaltete Wasserdampfvergasung Methan oder andere kchlenwasserstoffhaltige Gase oder Flüssigkeiten erzeugt werden. Eine mehrstufige Kohlevergasungseinrichtung ist aus dem Buch »Rohstoffwirtschaft International«, Band 4, »Kohlenvergasung«, 1976, Verlag Glückauf GmbH, Essen, Seiten 175 bis 185, bekannt. Hier ist ein Prozeß zur Kohlevergasung beschrieben, bei der kombiniert eine hydrierende Vergasung und eine Wasserdampfvergasung vorgenommen wird. Der bei der Wasserdampfvergasung entstehende Wasserstoff wird zusammen mit dem Wasserdampf zur Hydriervergasung der Kohle in einer darüberliegenden Stufe verwendet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kohlevergasungseinrichtung, die es gestattet, die Kohle nahezu vollständig in Asche umzuwandeln und bei der als Reaktionsdampf der Wasserdampfvergasung Mitteldruck-Wasserdampf mit etwa 20 bis 100 bar

ϊ verwendet werden kann.

Gemäß der vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist es möglich, bei eier Hydriervergasung ohne eine Wirbelkammer auszukommen und mit Hilfe des Abschlammes aus einer Wasseraufbereitungsanlage die übrigbleibende Asche zu einem als Baumaterial verwendbaren Stoff aufzubereiten.

Die Erfindung betrifft damit eine Kohlevergasungseinrichtung zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, bestehend aus einem Hydriervergaser zur

is Vergasung der flüchtigen und leicht reaktiven Bestandteile der Kohle und einem nachgeschalteten Wasserdampfvergaser, bei dem zusätzlich zum Wasserdampf Sauerstoff zugeführt wird, entsprechend den vorstehenden Patentansprüchen.

Das Neue besteht erfindungsgemäß darin, daß zwischen dem Hydriervergaser und dem Wasserdampfvergaser eine Druckschleuse vorgesehen ist, die den Übertritt des im Wasserdampfvergaser erzeugten Gases in den Hydriervergaser verhindert und daß eine Gasleitung vom Wasserdampfvergaser über einen Wärmetauscher führt, dessen Anschlüsse für das zweite wärmetauschende Medium in die zum Wasserdampfvergaser führende Wasserdampfleitung eingeschaltet sind.

Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in F i g. 1 dargestellt. Die Rohkohle gelangt über ein Förderband 1 in einen Vortrockner 2 und von da aus über einen Nachtrockner 3 in einen Hydriervergaser 4. Der Nachtrockner 3 kann dabei als Wirbelbett-Trock-

i> ner in bekannter Weise ausgebildet sein. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen ohne Wirbelbett sind in den Fig.2 und 3 angegeben. Zwischen dem Hydriervergaser 4 und dem nachgeschalteten Wasserdampfvergaser 5 befindet sich eine Druckschleuse 6, die

to Hydriervergaser 4 und Wasserdampfvergaser 5 weitgehend gasdicht voneinander trennt, es jeuoch gestattet, daß Kohle vom Hydriervergaser 4 in den Wasserdampfvergaser 5 gelangen kann. Eiine Ausführungsform für eine solche Schleuse ist in F i g. 3 näher dargestellt.

π Von dem Wasserdampfvergaser 5 führt eine Gasleitung 7 über die Anschlüsse für ein erstes wärmetauschendes Mittel eines Wärmetauschers 8, wo es von der Innentemperatur von etwa 800⁰C im Wasserdampfvergaser 5 auf einen niedrigeren Temperaturwert abge-

-,o kühlt wird. In der Gasleitung 7 strömt ein Gasgemisch aus CH₄, H₂, CO₂, CO und H₂O. Von dem Wärmetauscher 8 gelangt dieses Gasgemisch über einen Wärmetauscher I5 und einen Einspritzkühler 9 zu einer Konvertierungseinrichtung 10. In der Konvertierungs-

-,-> einrichtung 10 wird das Gasgemisch aufbereitet, wobei im wesentlichen Wasserstoff und Kohlendioxid nach folgender Formel gewonnen wird:

7CO + 3H₂ + 7H₂O
^h" *=» K)H₂ + 7CO, ( -288.8 k.l/7 mol CO₂)

Das so gewonnene Gasgemisch wird in einem der Konvertierungscinrichning 10 nachgeschalteten wash'i sergekühlten Wärmetauscher 11 abgekühlt und in einer Gaswascheinrichtung 12 wird das im Gasgemisch enthaltene CO₂ und H₂S abgeschieden. Das übrigbleibende Gas, bestehend ε us H; und CHi, gelangt über eine

Gasleitung 13, einen Verdichter 14 und den Wärmetauscher 15 zur Aufheizung des Gases in den Hydriervergaser 4. Hier findet eine Reaktion zwischen dem eingespeisten Wasserstoff und den flüchtigen und leicht trennbaren Teilen der Kohle entsprechend folgender Formel statt:

29C + CO + CH₄ + 57H₂ + H₂O

-»30CH₄ + CG₂ (-85 kJ/mol CH₄)

Das hierbei entstehende Rohgas, das im wesentlichen aus Methan besteht wird beim Ausführungsbeispie! nach F i g. 1 über eine Leitung 35 sowie über einen zur Erzeugung des für den Vortrockner 2 notwendigen Wasserdampfes dienenden Wärmetauscher 16 abgeführt und kann anschließend aufbereitet oder in flüssige Brennstoffe umgewandelt werden.

Während die Reaktion im Hydriervergaser exotherm ist, so daß die Reaktionstemperatur nicht absinkt findet in dem Wasserdampfvergaser 5 eine ebenfalls exotherme Reaktion nach der Gleichung

39 C + SO₂ + 59H₂O

->CH₄ + CO + 57H₂ + 37CO₂ (- IX kJ/mol H₂)

Der Wasserdampfvergaser 5 ist über eine Verbindung 17, die kohle- und gasdurchlässig ist, mit einer Restoxydationseinrichtung 18 verbunden. Die im Wasserdampfvergaser 5 entgaste Kohle enthält noch einen Rest von etwa fünf Prozent Kohlenstoff. Diesem Kohle-Asche-Gemisch wird in der Restoxydationseinrichtung 18 über eine Luftzerlegungsanlage 19 Sauerstoff und über eine Leitung 20 Abschlamm aus einer Wasseraufbereitungsanlage 21 zugeführt Dieser Abschlamm vermischt sich mit der unter Sauerstoffeinfluß in der Restoxydationseinrichtung 18 verbrannten Kohle und bildet zusammen mit der übrigen Asche einen porösen, für Bauzwecke geeigneten Abfallstoff, der über eine Druckschleuse 22 entnommen werden kann. Die Luftzerlegungsanlage 19 wird von einem Verdichter 23 mit Luft versorgt. Durch eine Leitung 24 strömt der übrigbleibende Stickstoff ab.

Die Abwasseraufbereitungsanlage 21 entnimmt ihr Wasser aus dem Gaswäscher 58 und anschließendem Abscheider 59 nach dem Wärmetauscher 16, wo der im Gas enthaltene Wasserdampf auskondensiert, und führt das aufbereitete vollentsalzte Wasser (Deionat) der anschließenden Speisewasseraufbereitungsanlage 60 über eine Leitung 25 mit einer Speisepumpe 26 zu dem Dampferzeuger 27 eines Leichtwasserreaktors 28, dessen Kühlwasserkreislauf von einer Umwälzpumpe 29 aufrechterhalten wird. In dem Dampferzeuger 27, der gleichzeitig auch Dampf zum Betrieb einer Turbine erzeugen kann, wird der entstehende Wasserdampf über eine Leitung 30 mit einer Temperatur von etwa 300°C entnommen und über die Anschlüsse für das zweite wärmetauschende Medium des Wärmetauschers 8 zum Wasserdampfvergaser 5 geführt Im Wärmetauscher 8 wird dabei der Wasserdampf auf eine Temperatur von etwa 600 bis 800⁰C überhitzt, so da(3 die endotherme Reaktion bei der Wasserdampfvcrgasung eine genügend hohe Temperatur zur Verfügung steht Dadurch, daß in den Wasserdampfvergaser trotz Verwendung von ProzeOaampf niedrigerer Temperatur Dampf mit hoher Temperatur eingespeist werden kann. wird in der nachgeschalteten Restoxydationseinrichtung 18 relativ wenig Sauerstoff verbraucht. Die Trennung von Wasserdampfvergaser und Restoxydationseinrichtung macht es zusätzlich möglich, nur den

ί bei der Wasserdampfvergasung nicht zu vergasenden Anteil an Kohlenstoff mit zu verbrennen.

In Fig.2 ist eine besonders vorteilhafte Anordnung der Dreistufenvergasung dargestellt, bei der die Hydriervergasung ohne Vergasungseinrichtung in

ίο einem Wirbelbett durchzuführen ist und bei der ein gemeinsamer Behälter für alle drei Vergasungsstufen vorgesehen ist In dem oberen Teil des Reaktionsbehäälters 31 findet die Hvdriervergasung statt. Der Wasserstoff wird durch Düsen 32 zugeführt und die

ι ί aufbereitete Kohle gelangt durch eine Druckschleuse 33 in den oberen Teil des Reaktionsbehälters 31 und rutscht dort langsam über schräge Zwischenboden 34 nach unten. Aus einer Leitung 35 wird das erzeugte Methan entnommen. Der obere Teil des Reakuonsbe-

2(i hälrers 31 ist von dem unteren Teil durcn eine Trennwand 36 getrennt Die Trennwand 36 besitzt in der Mitte eine öffnung, in die eine Druckschleuse 6 eingebaut ist Vom Gasraum des unteren Teils des Reaktionsbehälters 31 führt die Leitung 7 ab, über die

2-) die entstehenden Gase über den Wärmetauscher 8 zur Konvertierungseinrichtung 10 geführt werden. Der untere Teil Jes Reaktionsbehälters 31 stellt den Wasserdampfvergaser 5 dar und wird nach unten von dem Bodenteil des Reaktionsbehälters 31 durch

«ι Wasserdampfdüsen 37 getrennt Der Raum unterhalb der Wasserdampfdüsen 37 dient als Restoxidationseinrichtung 18. Unmittelbar oberhalb des Bodens des Reaktionsbehälters 31 münden die Sauerstoffdüsen 38, die zur Zuführung des in der Luftzerlegungsanlage 19

D erzeugten Sauerstoffes dienen. Die Leitung 20 für den Abschlamm aus der Wasseraufbereitungsanlage 21 besteht hier aus mehreren Teilleitungen 39 bis 42, die am Umfang verteilt in den Reaktionsbehälter 31 münden, so daß der dort austretende Abschlamm sich mit der heißen Asche mischen kann. Unterhalb des Reaktionsbehälters 31 ist die Druckschleuse 22 angeordnet. Darunter ist ein Förderband 43 für den Abtransport des Baumaterials vorgesehen.
Um in dem Hydriervergaser 4 nach F i g. 2 eine

-r, ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit erzielen zu können, wird die über das Förderband 1 ankommende Kohle in einem Vorwärmer 45 mit Wasserdampf vorgewärmt, der über die Düsen 44 zugeführt wird. Unterhalb des Vorwärmers 45 ist eine Druckschleuse 46

jo vorgesehen, die den unter Atmosphärendruck stehenden Vorwärmer 45 von dem Erhitzungsbehälter 47 trennt. Der Erhitzungsbehälter 47 besitzt ebenfalls Dampfeinstromdüsen 48, die Mitteldruckdampf zuführen, der beispielsweise ebenfalls im Dampferzeuger 27

j j in Fig. < eniiicmmen werden kann. Im Erhitzungsbehäiter 47 wird die Kohle bei einem Druck von etwa 20 bis 100 bar erhitzt. Der die tiohle umströmende Wasserdampf und der hohe Druck verhindern, daß das in der Kohle enthaltene Wasser ausdampft, so daß die

Mi wasserhaltige Kohle auf eine Temperatur weit über 100⁰C erhitzt werden kann. Unterhalb des Erhitzungsbehälters 47 befindet sich nun eine weitere Druckschleu= se 49, die an eine Luftleitung 50 angeschlossen ist. In der Druckschleuse 49 wird der die Kohle umgebende Druck

tr> plötzlich vermindert. Dies hat zusammen mit dem Luftstrom in der Luftleitung 50 zur Folge, daß das in den Kohlestücken enthaltene Wasser plötzlich verdampft und eine Vielzahl von feinen, nach außen offenen

Kanälen in den Kohleslücken gebildet werden. Die so aufbereitete Kohle besitzt eine sehr große Oberfläche, so daß man eine schnelle Reaktion — unterstützt durch Katalysatoren — in dem Hydriervergaser 4 erzielen kann, ohne daß es notwendig ist, einen Wirbelbett-Trockner entsprechend dem Nachtrockner 3 in Fig. I vorzusehen. Oberhalb der Druckschleuse 33 wird das Kohle-Luft-Gemisch in einem Einfüllstutzen 51 getrennt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform für den Erhitzungsbehälter 47 ist in F i g. 3 gezeigt. Der hier dargestellte Frhilzungsbehälter 47 enthält einen schragen Hoden 52. Unterhalb dieses Bodens sind Dampfrohre 53 verlegt, die mit Düsen 54 bestückt sind. Hierdurch wird die Kohle langsam die schräge Ebene herabrutschen und intensiv vom Dampf umspült. In F" i g. 3 ist auch zu erkennen, daß die Druckschleusen 46 und 49 je einen hohlkugelförmig ausgebildeten, drehbar gelagerten und mit einer Öffnung 57 versehenen Schleusenbc-

U^t.„.. cc ~;«..~Li:~n_nn r—\_n-„A_n n;~u»u,.i.._n„ cc .-:-,!

ΙΙΠΚΙ.Ι J*J >.1ir.1\-IIIIVI./l.lt. I kU\-l ItUt. l-riVlltlV</l2.<_ll JJ .11ItU außerhalb der Schleuscnbehälter 56 vorgesehen und verhindern einen Gasübertritt. Durch Rotation eines Schleusenbehälters 56 wird die in ihm enthaltene öffnung 57 abwechselnd mit dem Raum innerhalb und außerhalb des Erhitzungsbehälters 47 verbunden, so daß die Kohle unter Einwirkung der Schwerkraft in den Behälter hinein- oder aus diesem hcraustransportiert werden kann. In gleicher Weise können auch alle anderen beschriebenen Druckschleusen aufgebaut sein.

Bezugszeichenliste	Förderband
1	Vortrockner
2	Nachtrockner
3	Hydriervergaser
4	Wasserdampf vergaser
5	Druckschleuse
6	Gasleitung
7	Wärmetauscher
8	Einspritzkühler
9	Konvertierungseinrichtung
10	Wärmetauscher
11	Gas wascheinrichtung
12	Gasleitung
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14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

JJ

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52

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56

57

58

59

60

Verdichter

Wärmetauscher

Wärmetauscher

Verbindung

Restoxydationseinrichtung

Luftzerlegungsanlage

Leitung

Wasseraufbereitungsanlage

Druckschleuse

Verdichter

Leitung

Leitung

Speisepumpe

Dampferzeuger

Leichtwasserreaktor

Umwälzpumpe

Leitung

Reaktionsbehälter

Düsen

Γ\ 1 Ul

ΙΊ lHrV3VllllLlM

Zwischenboden

Leitung

Trennwand

Wasserdampfdüsen

Sauerstoffdüsen

Teilleitungen

Teillcitungen

Förderband

Düsen

Vorwärmer

Druckschleuse

Erhitzungsbehälter

Dampfeinströmdüsen

Druckschleuse

Luftstrom

Einfüllstutzen

schräger Boden

Dampfrohre

Düsen

Lichtbolzen

Schleusenbehälter

öffnung

Gaswäsche nach Hydriervergasung

Teer-. Ölabscheider

Speisewasseraufbereitting

I lier/ii

Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kohlevergasungseinrichtung zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, bestehend aus einem Hydriervergaser zur Vergasung der flüchtigen und leicht reaktiven Bestandteile der Kohle und einem nachgeschalteten Wasserdampfvergaser, bei dem zusätzlich zum Wasserdampf Sauerstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hydriervergaser (4) und dem Wasserdampfvergaser (5) eine Druckschleuse (6) vorgesehen ist, die den Übertritt des im Wasserdampfvergaser (5) erzeugten Gases in den Hydriervergaser (4) verhindert und daß eine Gasleitung (7) vom Wasserdampfvergaser (5) über einen Wärmetauscher (8) führt, dessen Anschlüsse für das zweite wärmetauschende Medium in die zum Wasserdampfvergaser (5) führende Wasserdampfleitung (30) eingeschaltet sind.

2. Kohlevergasungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (7) über einen Wärmetauscher (15) geführt ist, dessen Anschlüsse für das andere wärmetauschende Medium in die Gasleitung (13) eingeschaltet sind, die zur Zuführung des für den Hydriervergaser (4) vorgesehenen Gasspeichers (H2, CH4) dient.

3. Kohlevergasungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfvergaser (5) voneinander getrennte Einlaßöffnungen (Wasserdampfdüsen 37 und Sauerstoffdüsen 38) für den Wasserdampf und den Sauerstoff besitzt und daß die Einlaßöffnungen für den Wasserdampf sich oberhalb derjenigen für den Sauerstoff befinden, so daß der untere Teil des Benälters für die Wasserdampfvergasung eine Restoxydationseinrichtung (18) darstellt.

4. Kohlevergasungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Restoxydationseinrichtung (18) Abschlammleitunen (20, 39 bis 42) einer Wasseraufbereitungsanlage (21) münden.

5. Kohlevergasungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hydriervergaser (4) ein dampfbeheizter Erhitzungsbehälter (47) für die Kohle vorgeschaltet ist und daß der Erhitzungsbehälter mit einer Druckschleuse (46) zum Ausschleusen und plötzlichen Entspannen der Kohle und des darin enthaltenen Wassers versehen ist.