-
Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von feinteiligem, kohlenstoffhaltigem
Material Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von
feinteiligem, kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere ein Verfahren zur selektiven,
pneumatischen Einführung von festem, feinteiligem, kohlenstoffhaltigem Material
in ein Wirbelbett.
-
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzte Wirbelbett dient
mit Vorteil zur Vergasung von feinteiligem, kohlenstoffhaltigem Material. Es umfaßt
ein unteres, dichtes Wirbelbett aus dem Material und eine obere, verdünnte Gaszone
mit ausgetragenem Feinkorn, die an die obere Phasengrenze des Bettes angrenzt.
-
Das Wirbelbett zeigt eine deutliche obere Phasengrenze oder Oberfläche,
die aussieht wie die Oberfläche einer kräftig kochenden Flüssigkeit. Im allgemeinen
ist die Höhe des Wirbelbettes etwa
1,3 oder 1,5 bis 3 mal so hoch
wie das Bett in kompakter Form.
-
Die Bettverluste entstehen nicht nur dadurch, daß festes Material,
zB. Kohle, zu Produktgas umgesetzt wird, sondern auch durch den Abzug von Ascheteilchen
(falls Asche in der Kohle enthalten ist) aus dem Unterteil des Bettes und durch
die Entfernung kleinerer Teilchen, die mit den in dem Vergaser aufwärts strömenden
Gasen ausgetragen werden. Das Bett wird daher mit zusätzlichem feinteiligem, kohlenstoffhaltigem
Material (z.B. Kohle) wieder aufgefüllt, damit die Produktgaserzeugung aufrechterhalten
werden kann.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur
kontinuierlichen Einführung von feinteiligem, kohlenstoffhaltigem Material in ein
sehr bewegtes Wirbelbett der obengenannten Art, in dem eine gleichmäßige Temperatur
der Feststoffe und Gase begünstigt wird und die Vergasungsbedingungen in kurzer
Zeit die Erreichung des Gleichgewichts ermöglichen. Eine andere Aufgabe besteht
in der Schaffung eines Verfahrens, das unkompliziert und daher im Betrieb störungsfrei
ist und Änderungen der Betriebsbedingungen, z.B. des Druckes, in einem gegebenen
Bereich ohne größere Anpassungen der Anlage zulassen. Eine andere Aufgabe besteht
in der Schaffung eines Verfahrens, bei dem das feinteilige, kohlenstoffhaltige Material
wirkungsvoll in die Masse des Wirbelbettes integriert wird, so daß sich ein kontinuierlicher,
wirksamer Wirbelbettbetrieb ergibt. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines
Verfahrens, bei dem ein kohlenstoffhaltiges Material mit flüchtigen Bestandteilen
eingesetzt werden kann, ohne daß es vor seiner Einführung in das Wirbelbett einer
Vorbehandlung
zur Entfernung der flüchtigen Bestandteile bedarf.
Die fehlende Vorbehandlung macht nicht nur eine zusätzliche Vorbehandlungsanlage
sowie Energieaufwand für die Entfernung der flüchtigen Bestandteile unnötig, sondern
führt die entwickelten flüchtigen Bestandteile einer vorteilhaften Verwendung zu.
Diese flüchtigen Bestandteile würden sonst verworfen und nicht dem Gasgenerator
für die Umwandlung in Produktgas zugeführt werden. Eine weitere Aufgabe besteht
in der Schaffung eines Verfahrens, bei dem backende Kohle eingesetzt werden kann
und die Neigung dieser Kohle verringert wird, zu agglomerieren und große Stücke
zu bilden, die nicht richtig aufgewirbelt werden Eine andere Aufgabe ist die Schaffung
eines Verfahrens, bei dem ein Aufwachsen des Materials oder Verstopfen durch das
Material in der Nähe seiner Einführung in das Bett vermieden wird.
-
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens unter Verwendung eines pneumatischen Zuführleitungssystems, wobei der
Wirbelbettbetrieb unter Druck durchgeführt wird und das Drucksystem vollständig
abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Förderschnecken, die außenliegende Motore
und dergl. und daher auch Abdichtungen erfordern, ist die pneumatische Zuführung
von Druckdichtungen relativ frei. Die pneumatische Zuführung kann auch bei einem
Schleusenbunkersystem Anwendung finden, um Kohle von Umgebungsdruck auf den erhöhten
Druck des Wirbelbettbetriebes zu bringen. Beim Betrieb unter Normaldruck wie auch
unter Überdruck kommt die abriebempfindliche Kohle bei Anwendung eines pneumatischen
Transports nicht mit einem sich bewegenden Zuführmechanismus in Berührung. Eine
weitere
Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens unter Verwendung
- -eines pneumatischen Zuführsystems mit einem Trägergas, das an den Vergasungsreaktionen
beteiligt ist und sie begünstigt.
-
Erfindungsgemäß führt man festes, feinteiliges, kohlenstoffhaltiges
Material, z0B. Kohle, pneumatisch in ein Wirbelbett unter Benutzung eines pneumatischen
Zuführsystems unter selektiven Bedingungen ein, die den Wärmeübergang von dem Wirbelbett
auf die in dem Zuführsystem befindliche Kohle hemmt, während gleichzeitig wesentliche
Kohlemengen in das Wirbelbettvolumen eingeführt, mit dem Bett schnell gemischt und
von diesem aufgenommen werden. Mit Vorteil wird in dem System mit der Kohle zusammen
ein Trägergas angewendet. Der Wirbelbettbetrieb erfolgt in einem Vergaserbehälter.
Der Wärmeübergang von dem Vergaser auf das Kohle/Gas-Medium in dem Zuführsystem
wird gehemmt, da er zur Kohleagglomerierung führen könnte.
-
Die selektiven Bedingungen umfassen eine Wechselbeziehung zwischen
dem Druckabfall je effektive Längeneinheit der Leitung, dem in dem Vergaser angewandten
Druck, dem Verhältnis von Kohle zu Trägergas und der Trägergastemperatur bei einem
gegebenen Teilchengrößenbereich der eingesetzten Kohle.
-
Das verwendete Trägergas kann Rückführproduktgas, Kohlendioxid, Inertgas,
z.B. Stickstoff, Dampf, sauerstoffhaltiges Gas, z.B.
-
Luft, und Gemische davon sein. Es wird vorzugsweise in Abhängigkeit
von dem gewünschten Vergasungsprodukt so gewählt, daß es an den Vergasungsreaktionen
teilnimmt und diese unterstützt.
-
Der Druckabfall in dem System ist so, daß er den Absolutdruck in
dem
Vergaser nicht übersteigt; er liegt normalerweise in dem Bereich bis zu etwa 5,
z.B. 0,1 bis 5 Atmosphären je nach Vergaserdruck. Je höher der Druck in dem Vergaser
ist, um so größer ist der auftretende Druckverlust. Der Druckverlust reicht aus,
das Kohle/Gas-Medium ein gutes Stück von den Vergaserwandungen entfernt in das Wirbelbett
einzutragen und den Übergang von Strahlungswärme aus dem Bett auf die Zuleitung
wesentlich zu hemmen.
-
Der Druckabfall wird von der Stelle bzw. den Stellen abströmseitig
der Einführungsstelle(n) in den Vergaser geregelt, an der bzw.
-
an denen in der pneumatischen Zuleitung die in den Vergaser einzuführende
Kohle mit Trägergas gemischt oder in dieses eingebracht wird.
-
Das kohlehaltige Trägergas wird unterhalb und/oder oberhalb der oberen
Phasengrenze des Wirbelbettes direkt in den Vergaser eingeführt. Es wird unter Überdruck
eingeführt, im allgemeinen bei einem Druck etwas über dem in dem Vergaser herrschenden
Druck, z.B, im allgemeinen zwischen etwa 1,05 und 105 at, je nach Betriebsdruck.
Die feinteilige Kohle wird in der Leitung in einer solchen Menge in dem Trägergas
suspendiert oder von diesem fortgetragen, daß sich im allgemeinen ein Verhältnis
von etwa 3,2 bis 32, vorzugsweise von etwa 4,8 bis 24 ke Kohle je tatsächlicher
m3 Trägergas, d.h. je m3 Trägergas unter den herrschenden Bedingungen, ergibt. Das
Trägergas kann zweckmäßigerweise zur Vorwärmung des feinteiligen Materials erwärmt
werden, beispielsweise auf Temperaturen von etwa Umgebungstemperatur bis etwa 2040C
oder 3160C oder etwa 5380C.
-
Das mit dem Trägergas fortgetragene Feinmaterial wird mit im
wesentlichen
kontinuierlicher Geschwindigkeit in das Wirbelbett eingeführt und so in dem Vergaser
ein stationärer Betrieb aufrechterhalten. Das feinteilige Material wird in ausreichenden
Mengen zugeführt, so daß die obere Phasengrenze auf einem gegebenen Niveau bleibt,
beispielsweise etwa 1,22 bis 6,10 m oberhalb der unteren Phasengrenze des Wirbelbettes,
wobei das öhenverhältnis der verdünnten Gas zone zum Wirbelbett im Bereich von etwa
3:1 bis 10:1 liegt. Das feinteilige Material wird genügend weit von den Vergaserwandungen
weg in den Vergaser eingeführt, d.h.
-
eingeblasen oder eingeworfen, damit eine unzulässige Agglomerierung
an den Vergaserwandungen, insbesondere nahe der Einführungsstelle, verhindert wird.
Flüchtige Bestandteile enthaltendes feinteiliges Material kann beim Erhitzen auf
Vergasertemperaturen klebrig werden; wenn solche klebrigen Teilchen die Vergaserwandungen
berühren, können sie an den Wandungen haften bleiben, und es können agglomerierte
Ansätze aufwachsen. Daher führt man das feinteilige Material vorzugsweise so ein,
daß es in das Wirbelbett gelangt, ohne an der Einführstelle oder diametral gegenüber
in bedeutendem Ausmaß auf die Vergaserwandungen aufzutreffen, solange nicht im wesentlichen
alle flüchtigen Bestandteile aus dem Material freigesetzt sind. Zweckmäßigerweise
führt man das feinteilige Material abwärts gerichtet, z.B. in einer horizontal und
abwärts gerichteten Richtung, ein, um die gewünschte schnelle Vermischung mit und
die Aufnahme von der Masse des Bettes zu begünstigen und das mögliche, unzulässige
Aufwachsen von agglomeriertem Material an der Einführungsstelle zu vermeiden. Wenn
das Material-abwärts gerichtet wird, beispielsweise durch die Einblasdüse, unterstützt
die Wirkung der Schwerkraft die Entfernung
des Materials aus der
Nähe der Aufgabestelle.
-
Das feinteilige, kohlenstoffhaltige Material, z.B. Kohle, hat im allgemeinen
eine Teilchengröße in dem Bereich von 0 bis etwa 9,5 mm und wird zweckmäßigerweise
in den Vergaser pneumatisch durch Eingabe in den Trägergasstrom eingeführt, vorzugsweise
in einen erhitzten Gasstrom, der zur Vorwärmung der Kohle dient. Geeignete Trägergas
sind Inertgase, Kohlendioxid, Rückführgase und vorzugsweise Dampf oder Mischungen
aus Dampf und Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, je nach der
Reaktionsfähigkeit der in das Wirbelbett eingeführten Kohle. Wenn beispielsweise
die Kohle verhältnismäßig inaktiv ist, kann eine Zugabe von Luft oder mit Sauerstoff
angereicherter Luft zu dem Trägergas erwünscht sein, um eine reaktionslose Zone
in dem Bett nahe der Eintrittsöffnung des Vergasers zu vermeiden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft in ein Verfahren zur
kontinuierlichen Vergasung von festem, feinteiligem, kohlenstoffhaltigem Material
integriert, bei dem unter selektiven Bedingungen ein an Kohlenmonoxid und Wasserstoff
und gegebenenfalls Methan reiches Gasprodukt erzeugt wird. Das Material, das Wirbelmedium
und das sauerstoffhaltige Gas (das Vergasungsmedium) werden mit kontrollierten Zuführungsgeschwindigkeiten
und unter bestimmten Zufuhrbedingungen in einen geschlossenen Vergaser eingeführt.
Der Vergaser enthält ein begrenztes Wirbelbett aus dem Material als untere dichte
Phase mit einer oberen und einer unteren Phasengrenze. Die aus dem Wirbelbett entweichenden,
ausgetragene Teilchen mitnehmenden Gase bilden in dem Vergaser im wesentlichen
eine
obere verdünnte, ausgetragenes feinteiliges Material enthaltende Gaszone, die an
die obere Phasengrenze des Wirbelbettes angrenzt.
-
Das kohlenstoffhaltige Material wird bei der Aufwirbelung in dem Bett
mit selektiven Mengen Wirbelmedium und Sauerstoff enthaltendem Gas unter selektiven
Bedingungen entgast, karbonisiert, oxidiert, hydriert und vergast (diese Vorgänge
werden nachfolgend unter "vergast" zusammengefaßt) Das rohe Produktgas wird unter
selektiven Bedingungen erzeugt, um die Bildung unerwünschter schwerer Kohlenwasserstoffe
als Nebenprodukte auf ein Mindestmaß zu beschränken.
-
Das gasförmige rohe Reaktionsprodukt strömt durch die verdünnte Gaszone,
so daß als Kopfprodukt ein gasförmiges, an Kohlenmonoxid und Wasserstoff und gewünschtenfalls
Methan reiches Produkt, das in der Regel unerwünschtes feinteiliges Material (z.B.
teilweise verbrauchte Kohle) enthält, und als Bodenprodukt ein Ascheprodukt (z.B.
teilweise verbrauchte Kohle) anfallen, das aus Teilchen besteht, die größer als
die in der verdünnten Phase sind. Das Asche produkt wandert durch das Bett abwärts
und wird am Boden des Vergasers ausgetragen. Das Kopfprodukt verläßt den Vergaser
unter Betriebsdruck und hohen Temperaturen (z.B. etwa 815 bis 13160C).
-
Das Produktgas wird gekühlt (auf Temperaturen von etwa 93 bis 2600C),
wobei sein Wärmeinhalt gewonnen wird und wesentliche Mengen teilweise verbrauchter
Kohle entfernt werden. Die gewonnene Wärme wird mit Vorteil zur Erzeugung von Dampf
ausgenutzt, von dem ein Teil in dem Prozeß verbraucht wird. Das gekühlte Produktgas,
das
in einer Wärmegewinnungszone gekühlt wurde und unter dem Druck der Wärmegewinnungszone
steht, der kleiner als die Drucke in dem Vergaser ist, wird mit Vorteil durch einen
Hochleistungswäscher mit hohem Druckverlust geleitet, um feine, teilweise verbrauchte
Kohleteilchen zu entfernen und ein Produktgas zu gewinnen, das weniger als etwa
3,53 (z.B. weniger als etwa 0,35) Feststoffteilchen je Nm3 Gas, wenigstens etwa
10 Vol.-% Kohlenmonoxid und wenigstens etwa 10 Vol.-* Wasserstoff enthält und einen
Heizwert von wenigstens etwa 800 Kcal/Nm3 aufweist. Der Druck in dem Vergaser wird
mit Vorteil durch eine Gegendruckregelung aufrechterhalten, die an dem Gassystem
an einer Stelle abströmseitig des Vergasers erfolgt.
-
Das kohlenstoffhaltige Material kann Koks oder Kohle oder andere im
wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende feste Materialien sein. Die Kohle kann backend,
mäßig backend und nicht backend sein. Wenn backende Kohle eingesetzt wird, ist dafür
zu sorgen, daß das Aufgabematerial, das bei der Einführung in den Vergaser erhöhten
Temperaturen ausgesetzt ist, keine schädliche Agglomerierung erfährt. Typische Kohlen
sind Braunkohle, subbituminöse und bituminöse Kohle usw.. Im allgemeinen ist die
erforderliche Vergasungstemperatur um so niedriger, je reaktionsfähiger die Kohle
ist. Das kohlenstoffhaltige Material kann Asche enthalten, da nach dem vorliegenden
Verfahren die Asche aus dem Vergaser entfernt wird, wenngleich mit der Asche auch
ein Verlust an fühlbarer Wärme eintritt. Das dem Vergaser zugeführte, kohlenstoffhaltige
Material kann unterschiedliche Qualität aufweisen, und das Verfahren läßt sich leicht
ohne physikalische Änderung von
einer Kohleart auf die andere umstellen.
Zur Vereinfachung der Darlegungen wird nachfolgend als Beispiel für kohlenstoffhaltiges
Material Kohle behandelt.
-
Das verfahrensgemäß benutzte Wirbelbett kann sehr unterschiedliche
Kohleteilchengrößen verarbeiten; es können feine und grobe Teilchen gleichzeitig
eingesetzt werden. Die dem Vergaser zugeführte Kohle liegt im allgemeinen in dem
Durchmessergrößenbereich von bis zu 9,5 mm. Häufig beträgt die mittlere Teilchengröße
etwa 2,4 bis 4,8 mm. Die Kohle kann trocken sein, z.B. ein Feuchtigkeitsgehalt von
weniger als 10 Gew.-% aufweisen, wenngleich vor der Zuführung zum Vergaser nicht
immer eine Trocknung notwendig ist. Die Einsatzkohle kann häufig bis zu 25 oder
30 Gew.-% oder mehr Wasser enthalten.
-
Das Wirbelmedium ist im Prinzip Dampf, der auch als Reaktionsteilnehmer
dient. Es kann auch Luft, Kohlendioxid oder Rückführgas, jeweils mit oder ohne Dampf
sein. Der Einfachheit halber wird das Wirbelmedium nachfolgend beispielhaft als
Dampf angegeben. Dampf ist als Wirbelmedium besonders geeignet; es kann auch als
Verdünnungsgas für das Vergasungsmedium dienen, da es kondensiert und von dem Produktgas
leicht getrennt werden kann, wobei ein Produktgas mit einem höheren Heizwert zurückbleibt.
-
Dampf ist auch bei den angewandten Drucken leicht verfügbar und kann
mit Vorteil mit Hilfe der Abhitze erzeugt werden, die durch die insgesamt exotherme
Natur des Verfahrens entsteht.
-
Das Vergasungsmedium ist im Prinzip das sauerstoffhaltige Gas;
es
trägt ebenfalls zur Aufwirbelung des Bettes bei. Es enthält freien oder gebundenen
Sauerstoff, der für die Reaktion mit Kohlenstoff verfügbar ist. Es kann Sauerstoff
sein oder Sauerstoff mit Verdünnungsmitteln, beispielsweise Luft oder mit Sauerstoff
angereicherte Luft. Vorzugsweise wird es an mehreren räumlich getrennten Stellen
in das Bett eingeführt. Verdünnungsmittel für das Vergasungsmedium können eingesetzt
werden, und zwar in Mengen, die größer als die für die Vergasungsreaktion erforderliche
Menge sind. Kohlendioxid, rückgeführtes Produktgas, Stickstoff und dergl. können
verwendet werden. Dampf wird jedoch bevorzugt.
-
Reaktionsträge Verdünnungsmittel, wie Stickstoff, verringern die Temperatur
in dem Vergaser und setzen den Heizwert des Produktgases je Gasvolumeneinheit herab.
Ein Verdünnungsmittel, wie Kohlendioxid, kann sich unter Bildung von Kohlenmonoxid
an der Reaktion beteiligen; eine solche Reaktion ist endotherin. Wenn das Produktgas
auf Leitungsqualität gebracht werden soll, z.B. ein Heizgas mit mittlerem Heizwert
(etwa 2490 Kcal/Nm3) sein soll, ist ein sauerstoffhaltiges Gas, das soviel Stickstoff
wie Luft enthält, unzulässig. Wenn andererseits das Produktgas zu Synthesezwecken,
z.B. für Ammoniak eingesetzt werden soll, kann Luft mit Sauerstoff angereichert
als sauerstoffhaltiges Gas geeignet sein, jedoch wird Sauerstoff bevorzugt. Wenn
das gewünschte Produkt Methanol ist, wird vorzugsweise Sauerstoff allein eingesetzt.
-
Luft eignet sich für die Herstellung von Heizgas mit niedrigem Heizwert
oder von Kraftgas (etwa 1110 Kcal/Nm3). Wenn das Sauerstoff enthaltende Gas Verdünnungsmittel
enthält, muß für den gewünschten Druck in dem Vergaser ein größeres Gasvolumen komprimiert
werden. Wenn Luft als Sauerstoff enthaltendes Gas eingesetzt wird, dient vorzugsweise
Luft zusammen mit Dampf als Wirbelmedium;
wenn Sauerstoff als Sauerstoff
enthaltendes Gas eingesetzt wird, dient vorzugsweise Dampf allein als Wirbelmedium.
-
Die primäre Vergasung (z.B. Oxidation oder Reaktion) der Kohle erfolgt
im Wirbelbett. Die in dem Bett vergasten Kohleteilchen haben dort eine mittlere
Verweilzeit von etwa 30 bis 100 Minuten.
-
Diese Verweilzeit ist wesentlich größer als die Verweilzeit des Gasproduktes
(etwa 2 bis 50 Sekunden). Die Verweilzeit gegebener Teilchen in dem Bett ist ausreichend,
um wesentliche Mengen des verfügbaren Kohlenstoffs zu Kohlenmonoxid zu oxidieren.
Das Bett erfährt eine starke Rührung, die primär durch das Wirbelmedium unter Mithilfe
des Vergasungsmediums erfolgt. Wie oben erwähnt, kann diese Rührung als eine Siedebewegung
beschrieben werden.
-
Das sauerstoffhaltige Gas, vorzugsweise mit bis zu etwa 50 Vol.-%
Dampf, und im allgemeinen mit einer mittleren Gesamttemperatur von etwa 38 bis 5380C
und bei einem Druck etwas oberhalb des Vergaserdrucks, wird vorzugsweise an räumlich
getrennten gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen in verschiedenen Höhen
in den Vergaser eingeführt, und zwar in Mengen, die ausreichen, um es mit den Bestandteilen
des Wirbelbettes unter kontrollierten selektiven Reaktionsbedingungen gleichmäßig
in Berührung zu bringen und diese Bestandteile zu vergasen. Vorzugsweise werden
wenigstens etwa 50 Gew.-% des dem Wirbelbett zugeführten Dampfes an der unteren
Phasengrenze des Wirbelbettes an räumlich getrennten, im wesentlichen gleichmäßig
über den Umfang verteilten Stellen im allgemeinen bei einer Temperatur bis zu etwa
6490C und einem Druck etwas oberhalb des Vergaserdrucks und einer Geschwindigkeit
eingeführt, die zur Aufwirbelung des unteren Teils des
Bettes ausreicht.
-
Jede Stelle des Bettes ist infolge der durch das Wirbelbett geschaffenen
Rührung bestrebt, bezüglich der Zeit die gleiche Temperatur anzunehmen. Jedoch können
die Zusammensetzung des Wirbelmediums und die Verteilungspunkte für die Einführung
des Wirbelmediums in das Bett dazu dienen, Veränderungen des Temperaturprofils in
dem Bett zu erreichen, was zu Produktgasen unterschie& licher Qualität führen
kann. Beispielsweise können die Kohleteilchen in dem unteren Teil des Bettes mit
Dampf in Kontakt kommen. Der Dampf wird vorzugsweise in die untere Ebene des Bettes
eingeblasen, um die Teilchen aufzuwirbeln und vorzugsweise Wärme aus den am Boden
des Bettes austretenden Ascheteilchen (z.B. Teilchen aus teilweise verbrauchter
Kohle) zu gewinnen und diese Teilchen zu kühlen und so den Dampf vorzuwärmen. In
ähnlicher Weise kann ein Anteil des sauerstoffhaltigen Gases dem oberen Teil des
Bettes zugeführt werden, um den verbliebenen Kohlenstoff zu oxidieren. Ein weiterer
Anteil des sauerstoffhaltigen Gases, vorzugsweise mit etwa 0,1 bis 10 Vol.-% Dampf,
kann an oder dicht oberhalb der Phasengrenze zwischen dem Wirbelbett und der verdünnten
Phase an räumlich getrennten, im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang verteilten
Stellen in ausreichenden Mengen eingeführt werden, so daß sie mit den das Wirbelbett
verlassenden Kohlenstoffanteilen reagieren, die Temperatur in der verdünnten Phase
steigern, den Kohlenstoffumsatz des Verfahrens erhöhen und ein rohes Produktgas
liefern, das wenigstens etwa 50% des oxidierten Kohlenstoffs als Kohlenmonoxid enthält.
-
Die der Phasengrenzfläche anliegende Fläche des Bettes, d.h. die
Grenzfläche
zwischen dem Bett und der verdünnt-phasigen Gas zone kann im allgemeinen höhere
Temperaturen aufweisen, da dort die primären Oxidationen ablaufen und dieser Bereich
mit den heißen Reaktionsgasen aus den unteren Teilen des Bettes in Kontakt ist.
-
Die bei diesem Verfahren ablaufenden Vergasungsreaktionen umfassen
die Kohlenstoffoxidation sowie die Reduktion von Kohlendioxid unter Bildung eines
Produktgases, das im wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält. Die Ausgangsstoffe
sind Kohle und Sauerstoff, der durch das Sauerstoff enthaltende Gas und Dampf geliefert
wird. Die grundlegenden Vergasungsreaktionen sind wie folgt: C + 02 = C02 (exotherm)
C + 0,5 02 = CO (exotherm) C + C02 = 2 CO (endotherm) C + H20 = CO + H2 (endotherm)
C + 2 H20 = C02 + 2 H2 (endotherm) C + 2 H2 = CH4 (exotherm) Die Geschwindigkeiten
dieser Reaktionen werden durch erhöhte Temperaturen begünstigt. Die Kohle in dem
Wirbelbett wird mit Vorteil bei einer Maximaltemperatur in dem Vergaser in dem Bereich
von etwa 816 bis 13160C vergast. Vorzugsweise liegt die Haupttemperatur in der dichten
Phase unterhalb der Erweichungstemperatur der in dem Material enthaltenen Asche
Es wird ein gasförmiges Reaktionsprodukt erzeugt, das Kohlenmonoxid, Wasserstoff,
Kohlendioxid, Methan und Verdünnungsmittel enthält und in die verdünnte Phase übergeht.
Zugleich entstehen bei der Vergasung Feststoffe aus teilweise verbrauchter Kohle.
Die Temperatur in der dichten Phase des Vergasers wird vorzugsweise etwa 280C unter
der
Erweichungstemperatur der Asche gehalten. Die angewandte Temperatur hängt von der
Menge des Verdünnungsgases in den Wirbel-und Vergasungsmedien, der Art der Kohle,
der Erweichungstemperatur der Asche, der Wärmetoleranz des Vergasers und dergl.
ab. Im allgemeinen beträgt die Temperatur wenigstens etwa 816 bis zu etwa 13160C
oder mehr, und zur Erreichung einer guten Wärmeleistung, vorzugsweise etwa 927 bis
1093 oder 12040C. Die verdünnte te Phase hat vorteilhaft die höchstmögliche Temperatur
soweit diese mit den Eigenschaften der enthaltenden Asche vereinbar ist.
-
Die Reaktionen in dem Vergaser werden mit Vorteil unter ueberdruck
durchgeführt, im allgemeinen oberhalb 1,5, z.B. von etwa 1,5 oder 2 bis 20, mit
Vorteil von etwa 2 oder 2,5 bis 15 und vorzugsweise von etwa 6 bis 14 ata. Die Auswahl
des in einer gegebenen Anlage angewandten Überdruckes hängt von der Auslegung und
der Drucktoleranz in der Verarbeitungsanlage, dem Druckabfall in der Anlage abströmseitig
des Vergasers, der gewünschten speziellen Verwendung des Produktgases und dergl.
ab, sowie davon, ob Mehrfachvergaser in Strängen eingesetzt werden. Die Anwendung
höherer Reaktionsdrucke nach der Erfindung begünstigt auch den Ausnutzungsgrad der
Kohle für die Produktgaserzeugung und erhöht den Vergaserdurchsatz.
-
Bei diesem Verfahren werden selektive Mengen Kohle, sauerstoffhaltiges
Gas und Dampf in Abhängigkeit von mehreren Variablen eingesetzt, um die Betriebsbedingungen
(z.B. Temperaturen), den Heizwert des Produktgases und die Produktionsgeschwindigkeit
aufrechtzuerhalten. Die gesamte eingesetzte Dampfmenge soll ausreichend sein, um
das Bett in dem gewünschten Wirbelzustand und der
gewünschten Temperatur
zu halten. Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, daß
der für die Aufwirbelung und Vergasung benötigte Dampf durch Ausnutzung der Prozeßwärme
für die Dampferzeugung gewonnen werden kann. Hierbei fällt ein gekühltes Produktgas,
vorzugsweise mit weniger als etwa 141 Feststoffteilchen je Nm3, etwa bei Vergasungsdruck
und bei für die Weiterverarbeitung besser geeigneten Temperaturen an, wobei wesentliche
Mengen von teilweise verbrauchter Kohle aus dem Rohproduktgas zum Zwecke der Entnahme
aus dem Prozeß, der Rückführung oder der Aufarbeitung unter anderen Bedingungen
entfernt werden und die Kühlung des Produktgases auf Temperaturen von 0 etwa 93
bis 260 C in einer Wärmerückgewinnungszone erfolgt. Es kann ein Überschuß an Hochdruckdampf
über die in dem Prozeß benötigte Menge hinaus erzeugt werden. Dieser Überschuß ist
daher für den Antrieb der Turbine für die Produktgaskompression und im Falle der
Verwendung von Luft für den Antrieb des Luftkompressors verfügbar. Im allgemeinen
werden bis zu etwa 60 Gew.-% teilweise verbrauchte Kohle vom Boden des Bettes abgezogen
und mit Vorteil mit an der unteren Phasengrenze in das Bett eingeführtem Dampf in
Berührung gebracht, wodurch die fühlbare Wärme der verbrauchten Kohle gewonnen und
für die Dampfvorwärmung verwendet wird.
-
Das Verhältnis zwischen Kohle und Sauerstoff enthaltendem Gas soll
die Erzeugung einer ausreichenden Wärmemenge durch Oxidationsreaktionen für die
Aufrechterhaltung der Vergasung erlauben; die Wärmemenge soll jedoch kleiner als
die Wärmemenge sein, die zu einer überschußproduktion von Kohlendioxid führen würden
(z.B.
-
weniger als etwa 15 bis 20 Vol.-%). Bei einer konstanten Kohlezufuhrungsgeschwindigkeit
wird das Verhältnis von Sauerstoff enthaltendem
Gas und Dampf
zu Kohle zur Aufrechterhaltung der gewünschten Bettemperatur selektiv geregelt.
Wenn Luft als Vergasungsmedium verwendet wird, können für die Bereitstellung der
für die Kohlevergasung erforderlichen Luft mit Vorteil Kompressoren Verwendung finden,
die durch eine Dampfturbine angetrieben werden. Wie oben erwähnt, können zusätzliche
Anteile Dampf oder Sauerstoff enthaltendes Gas auch an oder in der Nähe der Bettoberfläche
selektiv eingeblasen werden, um in die verdünnte Phase ausgetragene Kohlenstoffteilchen
weiter zu vergasen. Diese Einblasung erfolgt in ausreichender Höhe, so daß eine
weitere Vergasung der mitgenommenen Kohleteilchen und eine Abtrennung eines Teils
des fortgetragenen festen Materials möglich ist.
-
Das Gas und die aus dem Wirbelbett aus getragenen Teilchen bilden
unmittelbar über dem Bett eine verdünnte, ausgetragene Teilchen enthaltende Gas
zone. Im Gegensatz zu dem Bett hat diese verdünnte Phase keine obere Phasengrenze
oder Oberfläche. Sie dehnt sich vielmehr in den durch den geschlossenen Gasgenerator
gegebenen Raum aus; ihre Dimension wird daher durch die Dimensionen des umgebenden
Vergasers bestimmt. Die mitgenommenen Teilchen werden gewöhnlich zusammen mit dem
Produktgas aus der verdünnten Phase abgezogen.
-
Die Höhe der die mitgenommenen Teilchen enthaltenden, verdünnten Phase
sorgt dafür, daß die Teilchen eine zusätzliche Zeitdauer unter den Vergasungsbedingungen
bleiben, so daß die Vergasung fortgesetzt wird und ein Teil des festen Materials
aus der verdünnten Phase in das Bett zurückkehrt, bevor das Produktgas den Vergaser
verläßt. Die Höhe der verdünnten Phase im Vergleich zu
dem Bett
kann Variiert werden. Beispielsweise kann sie verringert werden, um die Menge des
ausgetragenen feinteiligen Materials zu steigern. Wenn jedoch die Höhe der verdünnten
Phase ungenügend ist, können zu große Kohlenstoffinengen aus dem Gasgenerator verloren
gehen. Das Oberteil des Gasgenerators kann einen größeren Durchmesser als das Unterteil
haben, so daß die Gasgeschwindigkeit verringert und demzufolge die Verweilzeit der
Teilchen in der verdünnten Phase erhöht und die Rückkehr mitgenommener Teilchen
in das Wirbelbett begünstigt wird. Bei einer üblichen Teilchengrößenverteilung des
Aufgabegutes werden etwa 40 bis 70 % des den Vergaser verlassenden, festen Materials
in Form des aus der verdünnten Phase abgezogenen Produktes entfernt. Im allgemeinen
beträgt die Höhe der verdünnten Phase das etwa 3- bis 10-fache, vorzugsweise das
etwa 4- bis 8-fache der Höhe des Wirbelbettes.
-
Eine andere Möglichkeit, die Zeit zu verlängern, in der die feinen
Kohleteilchen den Vergasungsbedingungen ausgesetzt sind, ist die Rückführung eines
Teils der in einem Heißzyklon abgeschiedenen Kohle.
-
Das aus der Umsetzung von Kohlenstoff, Dampf und Sauerstoff enthaltendem
Gas entstehende, rohe, gasförmige Reaktionsprodukt hat im allgemeinen eine Verweilzeit
von etwa 2 bis 50 Sekunden, vorzugsweise etwa 5 bis 30 Sekunden, in der oberen verdünnten
Phase des Vergasers. Die Leerrohrgeschwindigkeit des rohen Produktgases in dem Vergaser
liegt erheblich über dem Punkt der beginnenden Aufwirbelung und reicht im allgemeinen
bis zu etwa 6 m/s in Abhängigkeit von dem Betriebsdruck.
-
Das Produktgas ist reich an Kohlenmonoxid und Wasserstoff und
enthält
im allgemeinen beispielsweise etwa 50 bis 90 %, vorzugsweise etwa 55 bis 85 % Kohlenmonoxid,
bezogen auf den gesamten oxidierten Kohlenstoff. Der Rest des oxidierten Kohlenstoffs
ist im wesentlichen Kohlendioxid. Es können auch geringere Mengen Methan anwesend
sein; im allgemeinen liegen weniger als etwa 10 % oder sogar weniger als 6 % des
Kohlenstoffs in dem Produktgas als Methan vor. Größere Methanmengen (z.B. mehr als
etwa 10 % und bis zu etwa 35 t) können unter die Methanbildung begünstigenden Bedingungen
in dem Vergaser erzeugt werden. Die Anwesenheit des Methans ist vorteilhaft, wenn
das Produktgas als Heiz- oder Kraftgas eingesetzt wird. Die erzeugte Methanmenge
wird durch die bei der Vergasung angewendeten Betriebsbedingungen beeinflußt. Günstige
Bedingungen für die Methanbildung sind der Einsatz geringer Dampfmengen (wenn Dampf
eingesetzt wird), wobei die weggelassene Dampfmenge ganz oder teilweise durch Rückführgas
ersetzt wird, Temperaturen in dem Bereich von etwa 816 bis 9270C und Drucke in dem
Vergaser von wenigstens etwa 10 ata. Ferner wird die Kohle mit Vorteil oberhalb
der oberen Phasengrenze des Wirbelbettes ein geführt.
-
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung und an Beispielen
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein schematisches Fließbild einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kohlevergasung unter selektiven Bedingungen
zu einem an Kohlenmonoxid und Wasserstoff reichen Produktgas;
Fig.
2 eine schematische Darstellung einer Einblaszone und -düse für die Einführung der
Kohle in den Vergaser mit mehr Einzelheiten als in Fig. 1.
-
In Fig. 1 ist ein Vergaser 10 mit einem Wirbelbett 12 und einer verdünnten
Phase 14 abgebildet. Er ist gewöhnlich so ausgebildet, daß das Unterteil ein kegelstumpfförmiger
Abschnitt ist, in dessen kegeligem Teil sich der Hauptteil des Bettes befindet.
Die Reaktionsteilnehmer werden in dem Bett vereinigt.
-
Das feste Material wird dem Vergaser 10 in folgender Weise zugeführt.
Kohle der spezifizierten Korngröße wird dem Forderapparat 16 aufgegeben und zu dem
Beschickungstrichter 18 transportiert.
-
Der Förderapparat 16 kann ein Förderband, Becherförderer oder dergleichen
sein. Zweckmäßigerweise wird ein Kettenfdrderer eingesetzt, da sich dieser gewöhnlich
nicht verklemmt und auch nicht zum Stillstand kommt, wenn der Behälter voll ist.
-
Der Bunker 18 liefert Kohle an zwei Schleusenbunker 20 und 22.
-
In der Praxis, insbesondere bei einem Betrieb unter Druck von mehr
als 2,5 ata, kann es erwünscht sein, zusätzliche parallel oder möglicherweise in
Reihe angeordnete Schleusenbunker vorzusehen, damit eine kontinuierliche Kohlezuführung
zu dem Vergaser gewährleistet ist. Die Schleusenbunker ermöglichen einen Druckanstieg
in der Umgebung der Kohle bis auf einen für die Einführung in den Gasgenerator geeigneten
Wert. Im allgemeinen steht die Kohlencharge zur Vermeidung eines Gasrückstromes
unter einem Druck, der größer als der Druck in dem Vergaser ist. Es können
auch
andere Methoden angewandt werden, um Kohle von Normaldruck auf erhöhten Druck zu
bringen.
-
Die Schleusenbunker arbeiten im Zyklus. In der ersten Stufe des Zyklus
ist das untere Ventil des Bunkers geschlossen und das obere Ventil geöffnet, so
daß der Schleusenbunker chargiert werden kann. Wenn der Schleusenbunker chargiert
ist, wird das obere Ventil geschlossen, und es wird zur Druckerhöhung ein Gas eingeleitet.
Schließlich wird die Charge unter erhöhtem Druck durch den Boden des Bunkers entleert.
Die Charge fällt in den Haltebunker 24. Die Einführung des Druckgases, z.B. eines
Inertgases, wie Stickstoff oder Kohlendioxid, in den Schleusenbunker kann zwecks
Beschleunigung der Chargenübergabe während der Entladung fortgesetzt werden.
-
Die Kohle wird pneumatisch von den Haltebunker 24 zum Vergaser 10
durch die Leitung 26, die pneumatische Zuführungsleitung, transportiert, deren lichte
Weite vom anströmseitigen Endpunkt 8 bis zur Stelle ihrer Mündung in den Vergaser
10 im wesentlichen gleich ist. Der oben beschriebene, gewählte Druckabfall wird
zwischen diesen Punkten aufrechterhalten, um die Kohle in der gewünschten Weise
einzuführen. Die Kohle kann zur besseren Verteilung und bei gegebenem Produkt zur
Verbesserung der Betriebseigenschaften des Verfahrens an mehreren Stellen eingeführt
werden.
-
Das Trägergas für den pneumatischen Kohletransport kann ein Gemisch
aus Dampf und sauerstoffhaltigem Gas sein. Der Dampf kann zweckmäßigerweise aus
einer abströmseitigen Verarbeitungsstufe, z.B. einer Abhitzeanlage, mit einer Temperatur
von 204 bis 6490C
entnommen werden. Der Dampf kann mit sauerstoffhaltigem
Gas gemischt werden, das durch Leitung 64 von der sauerstoffhaltiges Gas führenden
Leitung 65 abgezweigt wird. Der Dampf und das sauerstoffhaltige Trägergas strömen
durch Leitung 25,und feinteilige Kohle aus dem Haltebunker 24 wird in den Trägergasstrom
eincrebracht, so daß sich in dem Trägergasstrom ein relativ hoher Feststoffgehalt
ergibt, zuB. etwa 3,2 bis 32 kg Feststoffe je m3 Trägergas unter dem herrschenden
Druck. Der feststoffhaltige Strom gelangt durch Leitung 26 zum Vergaser 10. Die
Leitung 26 wird in der Nähe der Düse, durch welche die Kohle in den Vergaser eingeführt
wird, gekühlt. Die Kühlung reicht aus, die festen Kohleteilchen in dem in den Vergaser
eintretenden Strom in einem frei fließenden Zustand zu halten und eine Erwärmung
durch die in dem Vergaser herrschende Hitze bis auf den Agglomerationspunkt der
Feststoffe zu vermeiden. Wenn man flüchtige Bestandteile enthaltende Kohle erhitzt,
können im allgemeinen Temperaturen erreicht werden, bei denen die Kohleoberfläche
weich und klebrig wird, so daß die Teilchen zusammenbacken können. Größere Agglomerate
sind in dem Wirbelbett zu vermeiden, da sie unter den herrschenden Bedingungen nicht
über eine zur Vergasung ausreichend lange Zeit aufgewirbelt werden können. Zu starke
Agglomerierung kann auch zu einer Verstopfung der Düse führen. Ein fluides Kühlmittel,
z.B.
-
Dampf von tiefer Temperatur, wird durch Leitung 27 zugeführt, umströmt
die Düse und wird durch Leitung 29 von der Düse abgezogen.
-
Alternativ kann das Kühlmittel Wasser oder ein anderes Strömungsmittel
sein.
-
In Fig. 2 ist die durch die Bezugszahl 31 allgemein bezeichnete
Düse
genauer dargestellt0 Die Düse besteht aus einem äußeren Düsengehäuse 80, das mit
dem Vergasergehäuse 82 verschweißt ist.
-
Nach der Darstellung ist das Düsengehäuse so angeordnet, daß der feststoffhaltige
Strom abwärts in das dichte Wirbelbett des Vergasers gerichtet ist. Diese Ausrichtung
begünstigt die gewünschte Vermischung der Kohle in dem Bett. In dem äußeren Düsengehäuse
sind ein äußeres Kühlrohr 84 und konzentrisch in diesem ein Einblasrohr 86 angebracht.
Das Einblasrohr 86 ist durch eine Kupplung 94 mit der Leitung 26 verbunden. Das
äußere Kühlrohr 84 und das Einblasrohr 86 erstrecken sich durch die Isolierausmauerung
88, welche die Innenseite des Vergasers bildet. Die Ringkappe 90 verbindet das äußere
Kühlrohr 84 und das Einblasrohr 86 auf der Innenseite des Vergasers. Ein Flansch
92 ist auf das äußere Düsengehäuse 80 aufgeschraubt und dichtet die Fläche zwischen
dem äußeren Kühlrohr und dem Einblasrohr auf der Außenseite des Vergasers ab. Der
Flansch 92 nimmt die Leitungen 27 und 29 für den Einlauf- und den Austritt des Kühlmittels
auf. Bei einer anderen Ausführungsform ist in dem durch das äußere Kühlrohr 84 und
das Einblasrohr 86 gebildeten Kühlmittelkanal ein zu dem Einblasrohr konzentrisches
Leitrohr vorgesehen. Das Leitrohr kann dem Flansch 92 dichtend anliegen, jedoch
am Ende zur Kappe 90 hin einen Strömungskanal freilassen. Das Kühlmittel gelangt
dann aus der Leitung 27 in den durch das Leitrohr gebildeten inneren Kanal, strömt
im Gleichstrom mit dem Feststoff enthaltenden Gasstrom zum Ende der durch die Kappe
90 gebildeten Düse und tritt dort in den zwischen dem Leitrohr und dem äußeren Kühlrohr
84 gebildeten äußeren Kanal über. Das Kühlmittel strömt dann im Gegenstrom zu dem
die Feststoffe enthaltenden Gasstrom zurück und wird durch Leitung 29 abgezogen.
-
Im Betrieb gelangt der Feststoff enthaltende Strom durch das Einblasrohr
86 in den Vergaser. Das Kühlmittel verhindert, daß die in dem Vergaser herrschende
Hitze die Kohle übermäßig erwärmt und so beim übergang der Kohle in den Vergaser
unerwünschte Agglomeratmengen gebildet werden. Nach einer Ausführungsform der Erfindung
werden die Kohleteilchen durch die Düse entfernt von den Vergaserwandungen in das
dichte Wirbelbett eingeworfen, so daß eine gute Durchmischung in dem Bett gewährleistet
ist und eine unzulässige Agglomerierung in der Nähe der Düse vermieden wird.
-
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 werden die Wirbelgase häufig an mehreren
Stellen in den Vergaser eingeblasen. Auf diese Weise kann die Reaktion der dichten
Bettphase so gesteuert werden, daß die Kohleausnutzung ansteigt und sich ein Produktgas
hoher Qualität ergibt. Wie dargestellt, wird ein im wesentlichen nur aus Dampf (100
%) bestehender Strom durch Leitung 28 an der unteren Phasengrenze des Wirbelbettes
eingeführt. Der Dampf dient nicht nur als primäres Wirbelgas, sondern auch zur Kühlung
der Ascheteilchen (z.B. auch Teilchen aus nur teilweise verbrauchter Kohle) zum
Zweck der Austragung aus dem Unterteil des Gas generators.
-
Durch die Leitungen 30, 32 und 34 wird ein Sauerstoff enthaltendes
Gas eingeführt, das auch den Dampf als Verdünnungsmittel eng halten kann. Der Sauerstoff
und das Verdünnungsmittel Dampf unterstützen die Vergasung und tragen zusammen mit
anderen Verdünnungsmitteln in dem Sauerstoff enthaltenden Gas zur Bettaufwirbelung
und Temperaturkontrolle bei. Leitung 34 führt das Sauerstoff enthaltende Gas vorzugsweise
an oder eben oberhalb der Phasengrenze zwischen dem Bett 12 und der verdünnten Phase
14 zu,
Die Gaseinführungen sind häufig halbtangentiale Düsen. Zur
Gewährleistung einer guten Rührung hat das Wirbelbett im allgemeinen ein Verhältnis
von Höhe zu maximalem Durchmesser von etwa 1:2 bis 5:1. Die verdünnt-phasige Gaszone
enthält mitgenommene Teilchen aus dem Bett. Das Rohproduktgas wird nach dem Austritt
aus dem Vergaser 10 über Leitung 36 in dem Zyklon 38 behandelt.
-
Die Einplanung des Zyklons 38 hängt von dem eingesetzten Ausgangsstoff,
insbesondere seiner Korngröße, ab. Die Leitung 40 führt das abgeschiedene feinteilige
Material zum Bett zurück, da dieses Material verwertbaren Kohlenstoff enthalten
kann. Wenn das abgetrennte feinteilige Material in den Vergaser zurückgeführt wird,
ist es von Vorteil, die Reaktionstemperatur beizubehalten, um einen unnötigen Wärmeverlust
und Aufwand an Kohlenstoff zu vermeiden. Das durch den Zyklon abgeschiedene feinteilige
Material kann in verschiedener Weise verwertet werden, z.B. als Brennstoff oder
- bei mehreren Stufen - als Beschickungsgut für einen anderen Vergaser. Die in den
den Vergaser verlassenden Produkt nicht umgesetzte Kohle zeigt eine schwere Vergasbarkeit
unter den Vergasungsbedingungen in dem Vergaser, so daß es von Vorteil ist, diese
Materialien in einem Vergaser einzusetzen, der unter schärferen Bedingungen gefahren
wird.
-
In Fig. 1 ist der Boden des Vergasers 10 auch mit einer Vorrichtung
zur Entfernung der Asche versehen. Die größeren und schwereren Ascheteilchen sind
unbeständig und fallen aus dem Wirbelbett heraus. Diese Teilchen werden gesammelt
und durch eine wassergekühlte Förderschnecke 41 zwecks Entfernung aus dem System
zu dem Austragsschleusenbunker 42 transportiert. Zur Verringerung der
Teilchengröße
der Asche auf eine leicht transportierbare Größe kann ein Brecher vorgesehen werden0
Das rohe Produktgas aus dem Vergaser 10 wird durch indirekten Wärmeaustausch in
dem Wärmeaustauscher 44 unter Wärmegewinnung gekühlt. Feinteiliges Material, das
sich bei der Kühlung aus den Gasen absetzt, kann aus dem Wärmetauscher 44 über Leitung
46 abgezogen werden. Das feinteilige Material kann in gleicher Weise gehandhabt
werden wie die Asche am Boden des Gasgenerators. Die gekühlten Gase verlassen den
Wärmeaustauscher 44 über Leitung 48.
-
Das Wärmeaustauschmedium für den Wärmeaustauscher 44 ist Dampf.
-
Kesselspeisewasser tritt durch Leitung 50 in den Wärmeaustauscher
44 ein und gelangt nach der Vorwärmung über Leitung 54 zu der Dampftrommel 52. Die
Dampftrommel 52 kann mit einem Strahlungskessel (nicht dargestellt) in dem Oberteil
des Vergasers 20 in Verbindung stehen. Die Wärme aus dem Strahlungskessel kann für
den indirekten Wärme austausch mit dem Dampf in der Dampftrommel 52 benutzt werden.
Sattdampf, der in dem Wärmeaustauscher 44 erzeugt wurde, verläßt die Dampftrommel
52 über die Leitung 60 und kehrt in den Kessel 44 zurück, wo er vor seiner Abgabe
an das Dampfnetz der Anlage durch Leitung 62 überhitzt wird. Ein Teil des Dampfes
aus Leitung 62 wird mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas aus Leitung 65 vereinigt
und dient bei der Einführung in den Vergaser als Verdünnungsmittel für das Gas in
den Leitungen 30, 32 und 34. Ein anderer Teil des Dampfes gelangt durch Leitung
28 zum Vergaser. Das Verfahren kann unter solchen Bedingungen betrieben werden,
daß genügend Dampf für die Abgabe aus der- Vergasungsanlage
erzeugt
wird. Unter bestimmten Bedingungen ist genügend fühlbare Wärme verfügbar, die mit
Vorteil zur Vorwärmung des Sauerstoff enthaltenden Gases in dem Abhitze-Rückgewinnungsstrang
oder gewünschtenfalls auch für Begleitverfahren verwendet werden kann0 Die den Wärmeaustauscher
44 verlassenden, gekühlten Gase gelangen über Leitung 48 durch einen Zyklon 68 und
durch Leitung 74 zu dem Wäscher 72, wobei der Zyklon mit einer Leitung 70 zur Entfernung
des abgetrennten feinteiligen Materials (nämlich teilweise verbrauchter Kohle) ausgestattet
ist. Die Masse der teilweise verbrauchten Kohle in dem Produktgas, die in der Wärmegewinnungsanlage
und dem Zyklon abgetrennt wurde, kann durch eine Förderschnecke zu einem Kohlebunker
(nicht dargestellt) gelangen.
-
Die Wärmerückgewinnungseinheit und der Zyklon können zusammen wenigstens
etwa 50 Gew.-% und mehr als 75 Gew.-% der mit dem Produktgas ausgetragenen Feststoffe
abtrennen. Bei einer Heizgasanlage wird die Kohle von den Kohlebunker zu der Anlagengrenze,
bei einer Ammoniak- oder Methanolanlaqe wird sie zum Kohlebeschickungsbunker des
kohlegefeuerten Kessels transportiert. Ein Wasserwäscher ist vorgesehen, um den
Förderstickstoff vor dem Abblasen zu waschen.
-
Der Wäscher 72 entfernt feinteiliges Material und kondensiert Dampf
aus dem Gas, Das Gas aus dem Zyklon strömt durch den Venturi-Wäscher 72, wo die
verbliebenen Kohleteilchen bis auf einen Gehalt von weniger als 0,035 Teilchen/Nm3
entfernt werden. Um den Wasseraufwand auf ein Mindestmaß zu beschränken, wird das
Venturi-Wasser
gekühlt und nach Entfernung der Asche in einem Absetzbehälter rezirkuliert.
-
Für den Ascheabsetzbehälter kann Zugabewasser erforderlich sein.
-
Die Kohle wird in Form eines nassen Schlamms aus dem Absetzbehälter
entfernt und zur Anlagengrenze gepumpt.
-
Geeignete Wäscher sind Sprühtürme, zyklonartige Sprühtürme, Venturiwäscher
(z.B. ein Typ mit hoher Wirksamkeit und hohem Druckverlust) und dergleichen. Die
Venturi-Wäscher oder venturiartigen Wäscher sind besonders von Vorteil, da eine
anschließende weitere Teilchenabtrennung aus den Gasen nicht erforderlich ist. Elektrostatische
Abscheider und Desintegratoren wurden abströmseitig des Wäschers eingesetzt, um
erforderlichenfalls die mitgenommenen Teilchen zu entfernen. Die Gase verlassen
den Wäscher über die Leitung 76.
-
Beispiel Das in Fig. 1 dargestellte System wird zur Vergasung einer
halbbituminösen Kohle mit etwa 50 % Kohlenstoff, 20 % Asche, 15 96 Wasser und 10
% Sauerstoff und einem oberen Heizwert trocken von 5720 Kcal/Kg eingesetzt. Die
Asche hat einen Erweichungspunkt o 0 von 1260 C, einen Schmelzpunkt von 1427 C und
einen Fließpunkt 0 von 1482 C. Die Kohle wird auf eine Teilchengröße in dem Bereich
von 0 bis 9,5 mm gebrochen.
-
Der Vergaser ist etwa 20 m hoch, hat einen Innendurchmesser von etwa
5 m und ist am Boden kegelförmig ausgebildet. Die Oberseite
des
Wirbelbettes befindet sich in einer Höhe von etwa 4 m oberhalb des Vergaserbodens.
-
Dem unter einem Druck von etwa 9 ata arbeitenden Vergaser werden pro
Tag etwa 1600 t Kohle zugeführt. Die feinteilige Kohle wird unter Verwendung eines
Trägergases aus 50 Vol.-t Dampf und 50 Vol.- Luft pneumatisch zum Vergaser befördert.
Dabei enthält dieser kohleartige Förderstrom 20,8 kg Kohle je m3 Trägergas unter
den tatsächlich herrschenden Bedingungen. Das kohlehaltige Trägergas hat bei der
Mischung eine Temperatur von etwa 2040C und einen Druck von etwa 9,8 ata oder etwa
0,5 ata mehr als der in der Vergaserumgebung herrschende Druck. Das Trägergas wird
den pneumatischen System, d.h. auf der Anströmseite in Leitung 25, mit einem Druck
von 12,6 ata zugeführt. In dem pneumatischen Zuführsystem wird ein Druckabfall von
2,25 at aufrechterhalten. Die Düse 31 wird mit 906 kg/h Niederdruckdampf gekühlt
und auf einer Temperatur von 2040C gehalten, so daß eine unzulässige Agglomerierung
feinteiliger Kohle vermieden wird. Die Düse 31 ist abwärts gerichtet, und die Kohlefeststoffe
werden zum Mittelpunkt des dichten Wirbelbettes hin etwa 61 cm unterhalb seiner
oberen Grenzfläche abgeworfen.
-
Dem Vergaser werden etwa 5,9 t/h Dampf mit einer Temperatur von 26O0C
zugeführt, von denen etwa 5,0 t/h Dampf unterhalb des Wirbelbettes eingeführt werden.
Es werden etwa 24.600 Nm3/h eines Gemisches aus etwa 5 Vol.-* Dampf und 95 Vol.-*
Luft durch Leitung 34, 52.400 Nm3 eines Gemisches aus 2 Vol.-% Dampf und 98 Vol0-%
Luft durch Leitung 32 und 41.900 Nm3 eines Gemisches aus
3 Vol.-%
Dampf und 97 Vol.-% Luft durch Leitung 30 dem Vergaser zugeführt. Die Luft wird
durch Wärmeaustausch mit dem rohen Produktgas in einem Teil des Abhitzegewinnungssystems
vorgewärmt (in Fig. 1 nicht gezeigt). Die Verweilzeit der Gase in dem Vergaser beträgt
etwa 20 Sekunden und die Leerrohrgeschwindigkeit beträgt 1,13 m/s. Fast die gesamte
Umsetzung mit der Kohle und den aus dem Bett aus getragenen Kohleteilchen erfolgt
in dem Vergaser innerhalb von 14 Metern vom Boden ab gerechnet.
-
0 Die Umsetzung erfolgt bei 1038 bis 1149 C. Die den Vergaser unter
einem Druck von etwa 9 ata verlassenden Gase enthalten 19 Vol.-% CO, 7 Vol.-% C02,
12 Vol.-% H2, 1,4 Vol.-% Methan d5 % des in dem Produktgas enthaltenen Kohlenstoffs),
50,3 Vol.-% N2 und 10,3 Vol.-% Dampf und haben eine Temperatur von etwa 9820C Die
Abfallasche (teilweise verbrauchte Kohle) wird durch den Förderer 41 in einer Menge
von etwa 3 t/h abgeführt, sie besteht aus 78 % Asche und 22 % Kohlenstoff. Das Gas
strömt durch den Wärmeaustauscher 44 und den Zyklon 68, wo aus ihm Wärme gewonnen
und weiteres feinteiliges Material entfernt wird. Das Gas hat beim Verlassen des
Wärmeaustauschers 44 eine Temperatur von etwa 1490C und enthält beim Verlassen des
Zyklons 68 etwa 141 Staubteilchen je Nm3. Es gelangt dann durch den Venturiwäscher
72, bei dessen Verlassen die Gase eine Temperatur von etwa 380C, einen Druck von
etwa 8 at und einen Staubgehalt von weniger als 0,035 Staubteilchen je Nm3 aufweisen.
Der obere Heizwert des Gases beträgt etwa 1130 Kcal/Nm3. Die Kohlenstoffausnutzung,
berechnet aus dem Kohlenstoffgehalt des Gases geteilt durch Kohlenstoffgehalt der
Rohle, beträgt etwa 90 %. Die Vergasungsleistung, berechnet durch das Verhältnis
der oberen Heizwerte von Gas zu Kohle, beträgt
etwa 65 %. Der Gesamtaufwand
für die Produktgaskompression-Se= ~ trägt 24.590 KW bei Abgabe unter 15 ata je 17,9
. 109 Kcal/d.
-
Anstelle der im Beispiel angegebenen Luft können auch mit Sauerstoff
angereicherte Luft oder Sauerstoff eingesetzt werden. Als Trägergas können auch
Rückführproduktgas, Kohlendioxid, Stickstoff, Dampf oder Sauerstoff dienen.
-
Zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur selektiven,
pneumatischen Einführung von festem, teilchenförmigem, kohlenstoffhaltigem Material
in den Wirbelbettbetrieb eines Vergasers, in dem sich ein unteres, dichtes Wirbelbett
aus dem Material und an die obere Phasengrenze des Bettes angrenzend eine obere,
verdünnte, ausgetragene Teilchen enthaltende Gas zone befinden, wobei Wirbelbett
und Gas zone in gegenseitiger Wechselwirkung sind.
-
Das Material wird mit einem Wirbelmedium und einem Sauerstoff enthaltenden
Gas unter kontrollierten Zuführungsgeschwindigkeiten und selektiven Verfahrensbedingungen
zu einem an Kohlenmonoxid und Wasserstoff reichen Produkt vergast. Die pneumatische
Zuführung erfolgt durch eine pneumatische Zuführungsleitung unter Verwendung eines
Trägergases einer Temperatur von Umgebungstemperatur bis zu etwa 5380C bei einer
Beladung von etwa 3,2 bis 32 kg teilchenförmiges Kohlematerial je m3 Trägergas unter
den herrschenden Bedingungen, wobei der Teilchengrößenbereich des Materials von
0 bis etwa 9,5 mm liegt. Man arbeitet mit einem Druckverlust in der pneumatischen
Zuführungsleitung, der den absoluten Druck in dem Bett nicht übersteigt und ausreicht,
den Wärmeübergang aus dem Bett auf die Leitung zu hemmen, während das Material
zum
Zwecke einer schnellen Vermischung mit und einer Aufnahme von der Masse des Bettes
mit Abstand von den Vergaserwandungen in den Vergaser eingetragen wird.