DE2700281A1 - Verfahren und anlage zur autothermen vergasung von festen brennstoffen, insbesondere von steinkohle in einer wirbelschicht mit einem vergasungsmittel - Google Patents

Description

• "Verfahren und Anlage zur autothermen Vergasung von festen
• Brennstoffen, insbesondere vor. Steinkohle in einer Wirbelschicht mit einem Vergasungsmittel" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur autothermen Vergasung von festen £3rennstoffen, insbesondere von Steinkohle in eine Wirbelschicht mit einem Vergasungsmittel, z.B. Wasserdampf bzw. Kohlendioxid und Luft bzw.
• Sauerstoff, bei dem der Brennstoff mit einer Körnung von ca. 0 - 10 mm aus einem Bunker in einen Reaktionsraum eines Reaktors, gegebenenfalls zusammen mit Zuschlägen eingespeist, der Wirbelschicht zur Vergasung zugeführt und die bei der Vergasung anfallende Asche nach außen abgegeben wird.
• Außerdem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Für die Vergasung in einer Wirbelschicht werden vor allem Brennstoffe mit verglecsweise hoher Reaktionsfähigkeit bevorzugt. Deswegen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren außer auf Steinkohle auch auf Braunkohle, Petrolkoks, Schwelkoks und ähnliche feste Brennstoffe oder andere kohlenstoffhaltige Substanzen anwenden, die feinkörnig vorliegen. Soweit. in dem erfindungsgemäßen Verfahren Zuschläge vorgesehen sind, dienen diese vor allem der Beeinflussung des Schmelzpunktes der Asche, um Verklebungen durch verflüssigte Asche vorzubeugen, welche bei entsprechend hohen Vcrgasungstemperaturen auftreten können. Außerdem können die Zuschläge zur Entschwefelung des Gases und zur Erleichterung der nachfolgenden Bearbeitung der Asche, z.B. im Rahmen ihrer Verarbeitung zu Zement verwendet werden.
• Die Wirbelschichtvergasung in dieser Form ist bereits bekannt (W. Peters, Kohlevergasung, Verlag Glückauf 1976, 77, 87). Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Vergasung unter Normaldruck. Man hat sich zwar bemüht, die Vergasungstemperatur auf ca. 15000 C anzuheben, um ein höherwertiges Gas zu erhalten, bei dem der Co-Gehalt zu Gunsten des CO2-Gehaltes angehoben ist.
• Jedoch sind die Durchsatzmengen hierdurch nicht nachhaltig gesteigert worden. Vorrichtungsmäßig tritt bei der bekannten Wirbelschichtvergasung der Nachteil auf, daß man eine relativ komplizierte Aufgabeschleuse benötigt, die unter Schutzgasüberdruck gehalten werden muß, um Explosionen vor allem im Aufgabebunker zu vermeiden. Als Fördermittel zum Eintragen des Brennstoffes und zum Austragen der Asche verwendet man meist Schneckenförderer. Diese Förderer haben u.a. den Nachteil, daß sie nur bedingt gegen Druck fördern können, d.h. daß vor und hinter der Förderschnecke etwa gleicher Druck herrschen muß.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs angegebenen Verfahren das zum Ein- und Austragen notwendige Zufördern des Brennstoffes und Abfördern der Asche zu vereinfachen und dabei eine bei erhöhten Durchsatzmengen hinreichend genaue Dosierung der Brennstoffaufgabe- sowie der Aschenabgabemenge unabhängig vom Druck der Vergasungssphäre im Reaktor zu erreichen.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch anlöst, daß bei unter Uberdruck stehender Vergasungssphäre die Asche und/oder der Brennstoff ohne Flüssigkeitszusatz gepumpt werden, wobei aus dem Bunker entsprechend der dosierten Aufgabemenge abgeteilte Brennstoffportionen auf den Sphärendruck des Reaktors komprimiert werden, von dem Verdrängerdruck druckdicht abgeschlossen und kontinuierlich in den Reaktor freigegeben werden, währena die Asche quasi kontinuierlich aus dem Reaktor entnommen, auf den Atmosphärendruck entspannt, sowie danach freigegeben wird.
• Die unter Uberdruck betriebene Vergasung führt zu einer wesentlichen Steigerung des Brennstoffdurchsatzes, sowie des Methangehaltes im Gas, wirkt sich jedoch nicht erschwerend auf die Zu- oder Abführung der Stoffe aus, weil das Pumpen des Brennstoffes nicht nur wege des dabei erfolgenden druckdichten Abschlusses der Brennstoffportionen die bisherige Schleusenanlage überflüssig macht, sondern auch eine feine Dosierung der Brennstoff- bzw. Aschemengen ermöglicht und weil die Ascheabführung aus den gleichen Gründen ohne Schleusenanlage auskommt, obgleich ein erheblicher Uberdruck im Reaktor herrscht.
• Die Erfindung hat deswegen den Vorteil, daß die Wirtschaftlichkeit des Prozesses durch höhere Durchsatzmengen und durch Vereinfachung der Anlage wesentlich gesteigert wird.
• Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Sphärendruck des Reaktors bis bau ca. 200 bar bei Vergasungstemperaturen von ca.
• 9000 C bis 12000 C eingestellt werden. Hierdurch gelingt es, die bekannte Hochtemperatur-Wirbelschichtvergasung wegen des erheblichen Vergasungsdruckes mit nachhaltig gesteigerten Durchsatzmengen durchzuführen.
• Vorzugsweise wird die Asche, bevor Sie gepumpt wird, abgekühlt. Bei einer beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Abkühlung der Asche auf ca. 2000 C.
• Diese Ascheabkühlung läßt sich am wirtschaftlichsten unter Verwendung des Vergasungsmittels durchführen.
• Deswegen ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der Asche wenigstens ein Teilstrom des Vergasungsmittels verwendet wird.
• Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäBen Verfahrens erfolgt die Freigabe der Brennstoffportion oberhalb des Wirbelbettes von oben in den Reaktionsraum des Reaktors. Bei Brennstoffen mit größerem Feinkornanteil kann die Aufgabe eines Teils des Vergasungsmittels ebenfalls von oben erfolgen, um Verluste durch vom Produktionsgas mitgeführte, nicht umgesetzte Feingutteilchen zu unterbinden bzw. zu verringern. Da man durch Wahl der Vergasungstemperatur den Sinterpunkt der Asche überschreiten kann, findet innerhalb des Wirbelbettes eine Agglomeration der Schlackenteilchen statt, die aufgrund ihrer höheren Dichte sowie des vergrößerten Teilchendurchmessers im Wirbelbett bevorzugt nach unten sinken. Die kontinuierliche Zuführung des Brennstoffes von oben führt zur Verwirklichung eines teilweisen Gegenstromes. Hierdurch kann Wärme, die sonst nur außerhalb des Reaktionsraumes zurückgewonnen werden kann, im Reaktionsraum des Reaktors gehalten werden. Das führt insgesamt zu einem geringeren Sauerstoffbedarf und zu einer auf den Brennstoff bezogenen höheren Gasausbeute.
• Wenn man dagegen die Temperatur absenkt, so kann man ein relativ methanreiches Gas erzeugen, das sich gut zur Erzeugung eines Erdgasaustausches eignet.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Freigabe des Brennstoffes direkt in das Wirbelbett. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Austrag von Feinkorn (Kohle bzw. Asche) mit dem Gasstrom erheblich reduziert wird, was auf die Verringerung der freien Wegstrecken in der Gutsäule des Wirbelbettes zurückzuführen ist. Dadurch wird vor allem der Staubgehal. des erzeugten Gases vermindert.
• Man kann diese Wirkung noch dadurch verbessern, daß man Teer oder ähnliche Stoffe in die obere Zone des Wirbelbettes führt, in der insbesondere der Feinkornanteil angereichert ist. hier führt der Teer zu einer vorteilhaften Agglomeration des feinkörnigen Staubes zu größeren Partikeln. Auch hierdurch läßt sich dem überhchten Staubaustrag entgegenwirken.
• Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage wird beispielsweise nachfolgend beschrieben; es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform schematisch, d.h.
• unter Fortlassung aller Einzelheiten, die für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, Fig. 2 in der Fig. 1 entsprechender Darstellung eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage, Fig. 3 eine Pumpe, die gemäß der Erfindung zum Eintragen des Brennstoffes Verwndung findet in Seitenansicht und Fig. 4 eine Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. 3.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen einander enstsprechende Teile.
• Einem Bunker 1 wird aufbereitete Steinkohle bei 2 z.B. in einer Körnung von 0 - 10 nuil aufgegeben. Aus dem bunker 1 eine allgemein mit 3 bezeichnete Pumpe in weiter unen noch näher beschriebener Weise den bei 4 gezeichneten Brennstoff portionsweise, setzt ihn unter Uberdruck und gibt ihn bei 5 bzw. 6 in einen Reaktor 7 frei, nachdera die betreffende Brennstoffportion vorher vom Verdrängerdruck druckdicht abgeschlossen worden ist. Durch Kombination mehrerer, vorzugsweise dreier wechselweise betriebener Zylinder in einer Pumpe und das Zusammenführen der Brennstoffströme in einer Leitung wird ein gleichmäßig dosierter Mengenstrom erreicht. In dem Reaktor befindet sich ein schematisch bei 8 gezeichnetes Wirbelbett, dem das Vergasungsmittel bei 9 von unten zugeführt wird. Als Vergasungsmittel dient Wasserdampf und Luft oder Sauerstoff.
• Das Gas wird in der Wirbel schicht 8 erzeugt und ca.
• 3 - 4 m oberhalb des Wirbelbettes gegebenenfalls nach einer Nachvergasung bei 10 abgeführt. Die Asche wird aus dem unteren kegelstumpfartig eingezogenen Teil 11 des Reaktors über einen Schacht 12 abgezogen.
• Dazu dient eine Pumpe 13, die ähnlich wie die Pumpe 3 aufgebaut ist und deswegen weiter unten erläutert wird. Dampf oder Sauerstoff mit Dampf werden bei 14 eingespeist, um die Asche abzukühlen. Da der Reaktor 7 einen crheblich über der Atmosphäre liegenden Druck aufweist, der z.B. 200 bar bei Vergasungstemperaturen von 9000 C - 12000 C ausmachen kann, wird mit Hilfe der Pumpe 13 die portionsweise abgeteilte Asche zunächst auf den Spärendruck entspannt, bevor sie bei 14 abgegeben wird.
• Gemäß der abgeänderten Ausführungsform erfolgt der Eintrag des Brennstoffes aus dem Vorratsbunker 1 über die Pumpe 31 jedoch nunmehr durch eine gekühlte Lanze 15 unmittelbar in das bei 8 gezeichnete Wirbelbett. Die Zuführung des Vergasungsmittels erfolgt wiederum durch eine Ringleitung 9, welche unterhalb des Wirbelbettes 8 angeordnet ist. Der Reaktor 7 hat deswegen eine etwas andere Form. Während nämlich im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der obere Teil 10 nach unten konisch verengt ist, handelt es sich bei dem Reaktor 7 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 um ein etwa zylindrisches Druckgefäß mit leicht gewölbtem oberen Abschluß 16, unter dem die Austrittsleitung 17 für das erzeugte Gas angeordnet ist. Dagegen ist der untere Teil 11 des Reaktors 7 konisch eingezogen und endet in einem verengten Schacht 12, unter dem die Pumpe 13 angeordnet ist, die zum Austragen der Asche Verwendung findet. Wiederum ist eine Ringleitung 14 für einen Teilstrom des Vergasungsmittels vorgesehen, welcher zur Abkühlung der Asche dient, bevor diese in die Pumpe 13 eingespeist wird.
• Die Pumpe selbst ist eine Doppelkolbenpumpe oder vorzugsweise Dreikolbenpumpe mit dementsprechend zwei Zylindern 20 und 21 (Fig. 4) bzw. drei Zylindern.
• In den Zylindern laufen parallel je ein fester Verdrängerkolben 23 bzw. 24. Die Rückseite dieser Kolben ist mit einem hydraulischen Druckmittel bei 25 bzw. 26 beaufschlagt. Aus dem drucklosen Bunker 1 schiebt der erste Kolben 24 eine Brenstoffportion 27 in den Zylinder 21 ein. Wie am Beispiel des Kolbens 23 in Fig. 4 gezeigt ist, ist das diesem Zylinder 20 zugeordnete Ventil 28 zunächst geschlossen, so daß beim Vorlauf des Kolbens 23 in der dort gezeichneten Brennstoffportion 29 ein erhöhter Druck aufgebaut wird.
• Der Enddruck entspricht dem Innendruck des Reaktors.
• Nachdem der Reaktordruck erreicht worden ist, öffnet das zylinderförmige Ventil,was am Beispiel des Ventils 30 in Fig. 2 gezeichnet ist. Dazu wird das Ventil aus der bei 28 gezeichneten Stellung um 900 gedreht. Dadurch wird die Bohrung 31 des Ventils, die den gleichen Durchmesser wie der Zylinderraum 32 aufweist, in Ubereinstimmung mit dem Zylinder 21 gebracht.
• Da vor und hinter den Ventilen 28 und 30 der gleiche Druck herrscht, ist die Antriebs- und Gleitflächenbelastung dieser Ventile 28 und 30 sehr gering. Das gleiche gilt für die bei geöffneten Ventilen erfolgende Eintragung der Brennstoffportionen in den Druckraum, die mit sehr langsamer Vorschubgeschwindigkeit des Kolbens erfolgt.
• Eine nicht gezeichnete Sperrschaltung läßt den Rücklauf des Kolbens nur bei wieder geschlossenem Ventil (Stellung des Ventils 28 in Fig. 2) zu. Während des Füll- und Druckerzeugungsvorganges des Kolbens 23 fördert der zweiteKolber 24 die entsprechende Brennstoifportion in den Druckraum. Dadurch ergeben sich geringe Totzeiten bei wechselseitigen Schließen und öffnen der Ventile 28 und 30.
• Selbstverständlich können mehr als zwei Kolben 23 bei 24 mit zugeordneten Zylindern 21, 21 vorgesehen sein. Falls man drei Anordnungen dieser Art verwendet, können die Totzeiten praktisch ganz ausgeschaltet werden.
• Es ist auch ersichtlich, daß die Brennstoffportion, wie am Bei-spiel des Kolbens 24 mit dem zugeordnete Zylinder 21 durch die Stellung des Ventils 30 dargestellt ist, erst dann in den Druckraum freigegeben wird, wenn der Druckraum seinerseits vom Verdrängexdruck des Kolbens 23 abgeschlossen ist, was durch die Stellung des Ventils 28 wiedergegeben ist.
• Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird Teer über eine Leitung 40 und eine Düse 41 oberhalb des Wirbelbettes 8 dem Druckraum des Reaktors 7 zugeführt.
• In allen Fällen ist die zur Abführung der Asche dienende Pumpe 13 analog der Pumpe 3 ausgebildet, die zum Zuführen des Brennstoffes in der aus den F g.
• 3 und 4 ersichtlichen Weise verwendet wird. Folglich sind die Ventile der Aschepumpe 13, die den Ventilen 28 und 30 der Pumpe 3 entsprechen, abgabeseitig mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt.
• Patentansprüche

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur autothermen Vergasung von festen Brennstoffen oder anderen kohlenstoffhaltigen Materialien, insbesondere von Steinkohle in einer Wirbelschicht mit einem Vergasungsmittel., nämlich Wasserdampf bzw. Kohlendioxid und Luft bzw. Sauerstoff, bei dem der Brennstoff aus einem Bunker in eisen Reaktionsraum eines Reaktors gegebenenfalls zusammen mit Zuschlägen eingespeist, der Wirnelschicht zur Vergasung zugeführt und die bei der Vergasung anfallende Asche nach außen abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei unter Uberdruck stehender Vergasungssphäre die Asche und/oder der Brennstoff gepumpt werden, wobei aus dem Bunker entsprechend der dosierten Aufgabemenge abgeteilte Brennstoffportionen auf den Sphärendruck des Reaktors komprimiert werden, von dem Verdränger druckdicht abgeschlossen und in den Reaktor freigegeben werden, während die Asche portionsweise aus dem Reaktor entnommen, auf den Atmosphärendruck entspannt sowie danach freigegeben wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sphärendruck des Reaktors auf bis zu 200 bar bei Vergasungstemperaturen von ca. 9000 C bis 12000 C eingestellt werden kann.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche, bevor sie gepumpt wird, abgekühlt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Asche auf 2000 C abgekühlt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der Asche wenigstens ein Teilstrom des Vergasungsmittels verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Freigabe der Brennstoffportionen oberhalb des Wirbelbettes von oben in den ReaktiDnsraum des Reaktors erfolgt.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß bei Brennstoffen mit hohan Feingutanteil ein Teil des Vergasungsmittels ebenfalls von oben in den Reaktionsraum eingespeist wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Freigabe der Brennsto.fportionen direkt In das Wirbelbett erfolgt.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e k e n n z e i c h n t d u r c h Einbringen von Teer und/oder ähnlichen Stoffen in eine oberhalb des Wirbelbettes angeordnete Zone des Reaktors.
10. 10. Anlage zur Durchführung des \/erfahrens nach einem der Ansprüche 1 Lis 8 m.it einem Reaktor, dem über ein Fördermittel der den Brennstoff enthaltende Bunker vorgeschaltet ist und der ein vorzugsweise kegelstumpfartig eingezogenes Unterteil mit einer hiean angeschlossenen weiteren Fördervorrichtung aufweist, die zum Abziehen der Asche dient, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das dem Reaktor (7) xtoraeschaltete und/oder das an sein Unterteil (12) angeschlossene Fördermittcl (3, 13) als Pumpe ausbildet sind, welche einen oder mehrere feste Verdrängerkolben (23, 24) und druckseitig ein oder mehrere Auslaßventile (28, 30) aufweist, welche bei der vorgeschalte@en Pumpe (3) abgabeseitig mit dem Druck der Reaktorsphäre beaufschlagt sind, während die Auslaßventile der Ascheputape (13) abgabeseitig unter Atmosphärendruck stehen.
11. 11. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsrau, in dessen Spitze (o) der Brenrstoff zugeführt wird, sich ausgehend von der Zuführungsstellc halhkugelfibrmig nach unten erweitert.
12. 12. Anlage nach Anspruch 9, g e k e n n z e i c ii n e t d u r c h eine gekühlte Lanze (15) zum Eintragen des Brennstoffes in das Wirbelbett (8).
13. 13. Anlage nach Anspruch 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine oder mehrere Diesen, die im Wirbelbett angeordnet sind und zum Eintragen der Brennstoffportionen dienen.
14. 14. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Wirbelbettes (8) eine Teereinspeisung (40) vorgesehen ist.