DE2718539A1 - Verfahren zur vergasung feinverteilter, asche enthaltender brennstoffe - Google Patents

Verfahren zur vergasung feinverteilter, asche enthaltender brennstoffe

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Description

Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Den Haag, Niederlande
Verfahren zur Vergasung feinverteilter, Asche enthaltender Brennstoffe
Beanspruchte Priorität:
28.April 1976 Niederlande Nr. 7604513
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Vergasung feinverteilter, Asche enthaltender Brennstoffe in einer Reaktionszone, bei dem ein erzeugtes Rohgas, das Viasserdampf und klebrige Partikel enthält, von der Reaktionszone längs einer kalten Oberfläche abgezogen wird. Ein ähnliches Verfahren ist aus der DT-OS 24 25 962 (Patentanmeldung P 24 25 962.9) bekannt.
Jeder Asche enthaltende Brennstoff kann als Zufuhrmaterial für das vorliegende Verfahren gewählt werden. In der nachfolgenden
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Beschreibung wird mit dem Ausdruck "Brennstoff" irgendein festes
oder flüssiges, verbrennbares Material verstanden, das im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Der Brennstoff kann auch noch Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und/oder Stickstoff enthalten. So ein Zuführungsmaterial kann ζ.B: aus Braunkohle, Anthrazit, bituminöser Kohle, Koks, Schieferöl, Mineralölen oder ölfraktionen oder aus öl bestehen, das aus Teersand gewonnen wurde. Wenn der Brennstoff fest ist, sollte er in Pulverform zugeführt werden, so daß er leicht in Reaktion in der Reaktionszone eintritt. Vorzugsweise wird der Kohlenstoff enthaltende Brennstoff so zerkleinert, daß 70% des Brennstoffs eine Partikelgröße aufweisen, die durch ein Sieb von 200 mesh (entsprechend Tyler-Siebtabelle) paßt. Wenn der Brennstoff flüssig ist, wird er mittels eines Brenners zu kleinen Tröpfchen in der Reaktionszone atomisiert.
Die vorstehend erwähnten festen und flüssigen Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffe weisen in der Regel anorganische Bestandteile, wie z.B. Metalle und Salze, auf. Nach der Umsetzung der Brennstoffe zu gasförmigen Produkten verbleibt ein Teil dieser anorganischen Bestandteile in Form von Asche. Ein anderer Teil der anorganischen Bestandteile des Ausgangsmaterials für das Verfahren wird jedoch in d«jn erzeugtefcGas in feinverteiltem und schwebendem Zustand absorbiert. Während und unmittelbar nach der Umsetzung des Ausgangsmaterials in das Produktgas ist die Temperatur des letzteren so hoch, daß die in ihm vorhandenen feinverteilten Aschepartikel sich in einem geschmolzenen Zustand
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befinden; solche Aschetropfen sind klebrig.
Die hier verwendete Bezeichnung "klebrige Partikel" soll daher ganz oder teilweise geschmolzene Aschepartikel bezeichnen. Sie bestehen aus Metallen, Salzen und/oder Schlacke. Kühlt man sie auf eine ausreichend tiefe Temperatur ab, so werden sie verfestigt oder wenigstens so steif, daß ihre Klebrigkeit verschwindet. Im allgemeinen weisen sie einen Schmelzbereich anstelle eines einzelnen Schmelzpunktes auf. So ein Schmelzbereich kann dabei viele Hunderte von Graden umfassen.
Gase, die klebrige Partikel enthalten, können schlecht behandelt werden, da auf Wänden und Ventilen Absetzungen auftreten, welche das einwandfreie Funktionieren und den ordnungsgemäßen Ablauf von Prozeßschritten stören oder ein vollständiges Blockieren von Leitungen bewirken. Vielfach sind geschmolzene Verunreinigungen in einem Gas in so hohem Maße flüssig, daß keinerlei Probleme bestehen, den größeren Teil von ihnen zu entfernen. Dennoch verbleibt ganz allgemein in dem Gas ein Nebel von geschmolzenen Partikeln, die bei Abkühlung zeitweise klebrig werden und dann die aufgezeigten Schwierigkeiten bewirken.
Ein wichtiges Verfahren, bei dem ein Rohgasprodukt mit klebrigen Partikeln gebildet wird, ist die Erzeugung von CO-enthaltenden Gasen durch unvollständige Verbrennung eines Kohlenstoffs enthal tenden Brennstoffs, wie z.B. Kohle, Braunkohle und Restöl. Ins-
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besondere die Verbrennung von Kohle bereitet große Schwierigkeiten, da Kohle einen hohen Anteil an Mineralstoffen - bis zu 30% - aufweist, der während der Verbrennung der Kohle eine Schlacke ausbildet. Beim Austritt aus dem Reaktor hat das Gas eine Temperatur, die im allgemeinen höher als 1400° C liegt und bei der die Asche vollständig flüssig ist. Das austretende Gas enthält einen Nebel an geschmolzenen Schlacke-Partikeln. Für die weiteren Behandlungsstufen des erzeugten Rohgases muß dieses auf z.B. 300° C abgekühlt werden. Die Schlacke, die von der Kohle abstammt, ist im allgemeinen in dem Temperaturbereich von 1500° C bis 900° C klebrig, wobei in diesem Temperaturbereich die besagten Schwierigkeiten auftreten. Wenn nach einer genügend starken Abkühlung die Partikel nicht mehr länger klebrig sind, können sie durch bekannte Techniken entfernt werden, wie z.B. durch Zyklonen, Bogenseparatoren, Filter o.a. Die Erfindung sieht nun ein Verfahren für die Herstellung solcher Gase vor, bei dem die störenden Folgen der Klebrigkeit der Partikel eliminiert werden können.
Die Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren für die Vergasung fein verteilter, Asche enthaltender Brennstoffe in einer Reaktionszone, bei dem ein Rohgasprodukt, das Wasserdampf und klebrige Partikel enthält, von der Reaktionszone längs einer kalten Oberfläche abgezogen wird. Erfindungsgemäß wird dabei ein Viasserfilm auf die kalte Oberfläche durch Kühlen des Gases unter dessen Taupunkt abgesondert.
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Erfindungsgemäß werden die feinverteilten, Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffe vorzugsweise durch teilweise Verbrennung mit einem Oxydator vergast, obwohl andere Vergasungsverfahren, wie z.B. Pyrolyse und Hydrocracken ebenfalls möglich sind und gewählt werden können.
Wenn die Vergasung durch teilweise Verbrennung durchgeführt wird, dann sind vorzugsweise verwendbare Oxydatoren Luft und Sauerstoff, auf Wunsch mit Dampf, Kohlendioxid, Stickstoff und/oder Argon verdünnt. .";...
Der Oxydator wird vorzugsweise vor der Reaktion mit dem feinverteilten kohlenstoffhaltigen Brennstoff erhitzt. Das Vorheizen des Oxydators wird geeigneterweise indirekt unter Verwendung von V7ärmeaustausch mit einer Wärmequelle durchgeführt, z.B. unter Verwendung des heißen Produktgases, das in dem vorliegenden Verfahren erhalten wird. Der Oxydator wird vorzugsweise zu einer Temperatur zwischen 200° C und 1300° C (in Abhängigkeit von der Art des gewählten Oxydators) aufgeheizt. Nach dem Aufheizen wird der heiße Oxydator vorzugsweise mit kohlenstoffhaltigem Brennstoff vermischt, wonach die Mischung von Oxydator und Brennstoff, vorzugsweise in Form eines oder mehrerer Strahlen, in die Reaktionszone gebracht wird.
In der Reaktionszone findet die Reaktion zwischen dem feinverteilten kohlenstoffhaltigen Brennstoff und dem Oxydator statt,
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vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 1000° C bis 2000° C und bei einem Druck im Bereich von 1 bis 100 bar abs. Als Ergebnis dieser Reaktion wird ein Synthese-Rohgas erzeugt, d.h. eine Mischung aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Methan und Kohlendioxid, gemischt oder nicht gemischt mit Dampf, Stickstoff, Schwefelwasserstoff und/öder Argon ,was jeweils von der Zusammensetzung des Brennstoffs und des Oxydators abhängt.
Wie vorstehend schon erwähnt, werden die anorganischen Bestandteile, die in dem Brennstoff vorliegen, während der Reaktion in eine flüssige Schlacke umgesetzt. Ein Teil dieser Schlacke fällt unmittelbar nach unten in die Reaktionszone und wird in flüssiger Form vom Boden der Reaktionszone abgeleitet, oder - vorzugsweise - in einem Wasserbad gesammelt, das unterhalb der Reaktionszone angeordnet ist. Ein anderer Teil der Schlacke wird in Form kleiner Tröpfchen in dem Produktgas mitgeführt; dieser Teil verläßt die Reaktionszone vorzugsweise nach oben. Bei Verlassen der Reaktionszone weist das erzeugte Gas in der Regel eine Temperatur in dem Bereich von 1300° C bis 1600° C und einen Anteil an Schlacke-Tropfen im Bereich von 1 bis 15 Gew.-% auf.
Es wurde vorstehend bereits darauf hingewiesen, daß die im Gas enthaltenen Schlacke-Partikeln bei dieser Temperatur flüssig sind. Für die weitere Behandlung des erzeugten Rohgases wird
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dieses vorzugsweise gekühlt. Dies wird vorteilhafterweise dadurch ausgeführt, daß als erstes Wasser, Dampf und/oder kaltes rezykliertes Gas eingespritzt wird und dann das Rohgasprodukt über eine kalte Oberfläche abgezogen wird; allerdings ist es auch möglich, die direkte Abkühlung mit Wasser, Dampf und/oder rezykliertem Gas zu unterlassen oder die direkte Abkühlung mehr oder weniger gleichzeitig mit dem indirekten Abkühlen längs der kalten Oberfläche durchzuführen. Als Ergebnis des direkten Kühlens mittels Wasser, Dampf und/oder rezykliertem Gas wird die Temperatur des Rohgasproduktes vorzugsweise zuerst auf einen Wert im Bereich von 800° C bis 1000° C abgesenkt. Wenn die Zusammensetzung, Temperatur und Menge des erzeugten Rohgases bekannt sind, kann die Menge an Wasser, Dampf und/oder rezykliertem Gas, die für das direkte Kühlen des erzeugten Rohgasproduktes auf eine bestimmte Temperatur erforderlich ist, in einfacher Weise berechnet werden.
Während der indirekten Abkühlung des erzeugten Rohgases durch dessen Vorbeiführen längs der kalten Oberfläche wird zumindest die Gasschicht, die unmittelbar an der kalten Oberfläche entlängströmt, auf eine Temperatur im Bereich von 40° C bis 300° C abgekühlt. In Abhängigkeit von dem verwendeten Ausgangsmaterial, dem angewendeten Oxydator und/oder dem verwendeten Kühlmittel für die direkte Kühlung weist das Rohgasprodukt einen Wassergehalt im Bereich von 2 bis 15 Vol.-% auf. Erfindungsgemäß
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wird die indirekte Kühlung jetzt in einer solchen Weise ausgeführt, daß zumindest das Gas, welches entlang der Kühlfläche strömt, unter seinen Taupunkt bei dem hier vorliegenden Druck abgekühlt wird. Hierfür läßt man das Gas längs der kalten Wand strömen, vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 bis 20 m/sec über eine Zeitdauer im Bereich von 0,1 bis 10 Sekunden.
Als Ergebnis der indirekten Kühlung des Gases wird ein Wasserfilm auf der kalten Oberfläche abgesondert werden. Flüssige, klebrige Schlackentröpfchen werden, wenn sie auf diese Oberfläche gelangen, nicht mehr an ihr anhaften, sondern in dem Wasserfilm absorbiert und zusammen mit ihm zu einer Stelle transportiert werden, wo sie von dem System zusammen mit dem Film abgezogen werden können.
Das Abziehen des Gases wird vorzugsweise über eine oder mehrere Abzugsrohre vorgenommen, die von außen gekühlt werden; ganz besonders vorzugsweise führt man den Abzug über ein einzelnes Rohr aus, da es erwünscht ist, die Innenoberfläche der Wand des Abzugs so klein wie möglich zu halten.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die innere Oberfläche des Gasabzugs dadurch kalt gehalten, daß sie mit einem Kühlmantel umgeben wird, durch den man Kühlwasser strömen läßt. In diesem Kühlmantel kann vorteilhafter-
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weise Dampf erzeugt werden.
Die kalte Oberfläche, auf der sich der Viasserfilm (der die klebrigen Schlackepartikeln absorbiert) ausbildet, wird geeigneterweise vertikal angeordnet. Hierdurch wird der Wasserfilm dann veranlaßt, nach abwärts zu strömen, entgegen der Richtung des erzeugten Rohgases, das die Reaktionszone verläßt.
In einer sehr vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in einer Vorrichtung ausgeführt, in der der Gasabzug über der Reaktionszone befestigt ist. Der Wasserfilm wird dann längs der gekühlten inneren Wände des Gasabzugs nach unten zur Reaktionszone hin abfließen. Es ist jetzt möglich, die Reaktionsbedingungen in der Reaktionszone, die Dimensionen des Gasabzugs, die Menge und Temperatur des Wassers, Dampfes und/oder des kalten rezyklierten Gases, das auf Wunsch in das erzeugte Reaktionsgas eingespritzt werden kann, und/oder die Temperatur der inneren Oberflächen des Gasabzuges so auszuwählen, daß der Wasserfilm mit den Schlackepartikeln, die in ihm absorbiert sind, in die Reaktionszone hineinfließt. Das Wasser wird dann dort verdampf und abgezogen, zusammen mit dem Reaktionsprodukt (Gas), während der größte Teil der Schlackepartikeln zusammen mit der Schlacke, die in der Reaktionszone ausgebildet wird, vom Boden der Reaktionszone abgezogen werden kann.
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In einer weiteren, vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung werden die vorgenannten Variablen aber so gewählt, daß der auf der Innenwand des Gasabzugs abwärts fließende Wasserfilm von dem ansteigenden Produktgas in Form eines Nebels aufgenommen wird, bevor der Wasserfilm die Reaktionszone erreicht.
Die Schlackentropfen, die von dem Produktgas an den Wasserfilm abgegeben werden, werden durch die in dem Wasserfilm erfolgende Abkühlung in Festkörper-Schlackepartikeln umgewandelt, die nicht mehr klebrig sind. Diese Partikel werden daher nicht mehr auf der Innenseite des Gasabzugs anhaften, wenn sie an einer höheren Stelle dieses Abzugs als der, an der der Wasserfilm vorhanden ist, abgelagert werden. Sie werden zusammen mit dem erzeugten Rohgas von dem Gaserzeugungssystem zu einem Gasreinigungssystem abgezogen, wo sie recht leicht aus dem Gas entfernt werden können, z.B. mittels eine Zyklon oder eines Filters.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Dabei ist in der Figur nur eine prinzipielle Darstellung widergegeben, bei der die verschiedenen Hilfseinrichtungen, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind (wie z.B. Pumpen, Kompressoren,die verschiedenen Ventile etc.) weggelassen sind.
Über Brenner 1 wird ein Gemisch aus feinverteiltem Brennstoff, Sauerstoff und - falls gewünscht - Wasserdampf in eine Reaktions-
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eingeleitet und dort verbrannt. Das entstehende Rohgas wird von
der Reaktionszone 2 durch einen Gasabzug 3 abgeführt, über Lei-Wasserdampf
tungen 4 wird Wasser, / oder kaltes rezykliertes Gas in das heiße Rohgas eingespritzt bzw. eingeleitet, wodurch dieses abkühlt. Die Wandung 5 des Gasabzugs 3 wird mittels Kühlwasser abgekühlt, das durch eine Leitung 6 zu einem Kühlmantel 7 geleitet und durch eine Leitung 8 wieder abgezogen wird. Da das erzeugte Gas über die kalte Wand 5 des Gasabzugs 3 streicht, wird zumindest ein Teil davon unter dessen Taupunkt abgekühlt, was dazu führt, daß ein Viasserfilm auf der inneren Oberfläche der Wandung(en) 5 des Gasabzugs 3 ausgebildet wird. Unter dem Einfluß der Schwerkraft fließt dieser Viasserfilm abwärts entgegen dem aufwärts strömenden erzeugten Gasstrom.
Schlackentröpfchen, die in diesem Gas enthalten sind und gegen die Wand 5 geschleudert werden, werden in dem Wasserfilm absorbiert und in ihm in Richtung auf die Reaktionszone 2 fortgeführt. In Abhängigkeit von den gewählten (oben erwähnten) Bedingungen kann der Wasserfilm in die Reaktionszone fließen oder er wird von dem aufwärts strömenden Gas mitgerissen. In beiden Fällen werden keinerlei klebrige Aschen- oder Schlackentröpfchen oder -partikel auf der Wand 5 abgelagert.
Der größte Teil der flüssigen Schlacke, die in der Reaktionszone 2 entsteht, fällt abwärts und kommt über die Wände der Reaktionszone 2 oder auf einem anderen Weg über einen Schlackenabzug 9 in das Wasserbad 10. Hier wird die Asche bzw. Schlacke
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in Form von Körnern verfestigt und durch eine Leitung 11 zusammen mit dem Wasser abgezogen. Zur Ergänzung des.abgezogenen Wassers wird Frischwasser über eine Leitung 12 dem Wasserbad 10 zugeführt.
Zur näheren Beschreibung der Erfindung wird weiterhin auf das nachfolgende Beispiel verwiesen:
Beispiel:
Bei einer Anlage des prinzipiellen Aufbaus, wie er. in der Figur dargestellt ist, wurde als zugeführter Brennstoff Kohle mit der folgenden Zusammensetzung benutzt:
Gew.-%
C 73,5
H 4,8
0 10,1
S 1,4
N 1,6
Asche 8,6
Diese Kohle enthielt 35,4 Gew.-% leicht flüchtiger Bestandteile und 1,0 Gew.-% Wasser. Die Kohle wurde zu einem Puder zerrieben, wobei 70% dieses Puders durch ein Sieb von 200 mesh durchführbar waren.
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Eine Menge von 50 000 kg/h an Kohle wurde mit 41 887 kg/h eines Oxydationsgases gemischt, das 97,9 Gew.-% O- und 11 751 kg/h von Dampf bei einer Temperatur von 300° C enthielt.
Die aus Kohle und Gas bestehende Suspension wurde über die Brenner 1 in die Reaktionszone 2 mit einer linearen Geschwindigkeit von 70 m/sec. eingeführt. Die Reaktionstemperatur in der Reaktionszone 2 betrug 1500° C und der Druck lag bei
30 kg/cm abs.
Die Verweilzeit der Reaktionskomponenten in der Reaktionszone betrug 6 Sekunden.
Von der Reaktionszone 2 wurden über den Gasabzug(3) 98 881 kg/h eines Mischgases mit der folgenden Zusammensetzung abgezogen:
Gew.- %
CO 57,4
H2 30,8
CO2 3,9
N2 1,1
H2S 0,4
H2O 6,4
Der Gasabzug 3 wies einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von einem Meter auf.
709845/0980
In die heiße Gasmischung wurden 91 876 kg/h rezyklierten Gases bei einer Temperatur von 200° C über die Zufuhrleitungen 4 eingeführt. Hierdurch wurde eine Abkühlung der Gasmischung auf eine Temperatur von 900° C bewirkt.
In den Kühlmantel 7 wurden 35 280 kg/h Kühlwasser bei einer Temperatur von 40° C über die Leitung 6 eingepumpt. Dieses Wasser verließ den Kühlmantel 7 über die Abzugsleitung 8 mit einer Temperatur von 60° C.
Während des Durchlaufs durch den kühlenden,wassergekühlten Teil des Gasabzugs 3, der 6 m lang ausgeführt war, wurde das erzeugte Gas auf eine Temperatur von 850° C abgekühlt. Es hatte während dieses Durchlaufs dabei eine lineare Geschwindigkeit von 10 m/sec, und ein Wasserfilm mit einer maximalen Dicke von 0,5 mm wurde auf den Innenwänden 5 des Gasabzugs 3 ausgebildet. Obwohl das erzeugte Gas beim Verlassen der Reaktionszone(2) 1,8 Gew.-% Asche und 0,5 Gew.-% nicht umgesetzten Kohlenstoff in Form von Schlackentropfen enthielt, wurde keine Schlacke auf den Innenwänden 5 des Gasabzugs 3 abgelagert.
Nach Durchlaufen des gekühlten Teils des Gasabzugs 3 wurden die klebrigen Schlackentropfen zu nicht-klebrigen Schlackenpartikeln verfestigt, so daß keinerlei Risiko mehr dahingehend bestand, daß sie an dem (in der Figur nicht gezeigten ) weiteren Teil des Gasabzugssystems sich anlagern könnten, über dem Schlacken-
27Ί8539
abzug 9 wurden 2 500 kg/h flüssiger Schlacke zu dem Wasserbad 10 hin abgeführt, in dem die Schlacke in Form von Körnchen verfestigt wurde. Die verfestigte Schlacke wurde dann über die Abzugsleitung 11 mit 25 000 kg/h Wasser abgezogen.
Ansprüche
709845/0980
4*
Leerseite

Claims (8)

Ansprüche
1. Verfahren zur Vergasung feinverteilter, Asche enthaltender Brennstoffe in einer Reaktionszone, bei dem ein erzeugtes Rohgas, das Wasserdampf und klebrige Partikel enthält, von der Reaktionszone längs einer kalten Oberfläche abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet , daß auf der kalten Oberfläche (5) ein Wasserfilm durch Abkühlung des Gases unter dessen Taupunkt abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Oberfläche von der Innenwand (5) wenigstens eines von außen gekühlten Rohres (3) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Oberfläche (5) im wesentlichen vertikal angeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Rohgas auf eine Temperatur im Bereich von 800° C bis 1000° C durch Einspritzen von Wasser, Dampf und/oder kaltem rezykliertem Gas abgekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar längs der kalten Oberfläche (5)
7U9845/098 0 ORtGiNAL INSPECTED
- yr -
X 2718639
strömende Schicht auf eine Temperatur im Bereich von 40° C bis 300° C abgekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das erzeugte Rohgas längs der kalten Oberfläche (5) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 bis 20
m/sec strömt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das erzeugte Rohgas längs der kalten Oberfläche während einer Zeitdauer von 0,1 bis 10 see entlanggeführt wird.
8. Gas, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugt worden ist.
70984 57 0960
DE19772718539 1976-04-28 1977-04-26 Verfahren zur vergasung feinverteilter, asche enthaltender brennstoffe Pending DE2718539A1 (de)

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NL (1) NL7604513A (de)

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Publication number Publication date
FR2349642A1 (fr) 1977-11-25
JPS52132005A (en) 1977-11-05
NL7604513A (nl) 1977-11-01

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