DE2738932A1 - Verfahren zur druckvergasung fester brennstoffe - Google Patents

Verfahren zur druckvergasung fester brennstoffe

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Description

Verfahren zur Druckvergasung fester Brennstoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen körniger fester fossiler Brennstoffe in einem Vergasungsreaktor unter einem Druck von 1o bis 1oo bar, wobei sich die Brennstoffe im Reaktor in einem Festbett unter Schwerkraftwirkung von oben nach unten bewegen, im unteren Reaktorbereich über Düsen sauerstoffhaltige Gase und Wasserdampf in das Brennstoffbett eingeleitet und flüssige Schlacke mit einer Temperatur von 135o bis 15oo C durch eine um einen Winkel von 0 bis 45 gegen die Horizontale geneigte Leitung abgezogen und oberhalb des Brennstoffbettes Produktgas aus dem Reaktor abgeführt wird. Der zu vergasende Brennstoff ist zumeist Kohle oder Koks mit einem Körnungsbereich von 2 bis 5o mm, vorzugsweise 5 bis 4o mm.
Diese Art der Druckvergasung fester Brennstoffe, deren charakteristisches Merkmal der Abzug von Schlacke in flüssiger Form ist, kennt man bereits. Verfahren dieser Art wurden von The Gas Council, London, beschrieben und in deren "Research Communications GC 5o und GC 112" veröffentlicht.
Beim bekannten Druckverg-sungsverfahren wird ein sauerstoff haltiges Gas, z.B. hocherhitzte Luft, und Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Sauerstoff-Gemisch über Düsen in den Reaktorraum eingeblasen, in dem sich der Brenn-
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stoff in einer Festbettanordnung befindet. In der von den Düsen in das Brennstoffbett gerichteten Flamme entstehen dabei so hohe Temperaturen, daß die Asche flüssig v/ird und zum Boden des Reaktors abfließt. Die Temperaturen, bei denen die Schlacke genügend leicht flüssig ist, liegen im allgemeinen im Bereich von 13 5o bis 16oo° C und vorzugsweise im Bereich von 14oo bis 15oo° C. Dem Brennstoff können auch noch Flußmittel für die Schlacke zugemischt werden. Vor den Blasdüsen wird der Sauerstoff, der in Reaktion mit dem Kohlenstoff des Brennstoffs tritt, sehr schnell aufgezehrt und in heiße Verbrennungsgase umgesetzt. Die Temperaturen in der Vergasungsmittelflamme liegen deshalb bei etwa 2 ooo C oder noch darüber.
In der Nachbarschaft der Flamme ist Kohlenstoff im Überschuß vorhanden und es setzen sofort Vergasungsreaktionen ein, die die Verbrennungsprodukte CO- und H-O in CO und H2 umwandeln. Dabei stellt sich außerhalb der Flamme sehr schnell ein Gas mit einer Zusammensetzung ein, die einer Gleichgewichts-Temperatur von etwa 12oo bis 13oo° C entspricht. Dies bedeutet, daß die Temperatur der Gasatmosphäre außerhalb der Flamme im Bereich der Blasdüsen unterhalb der Temperatur liegt, bei der Asche in flüssige Schlacke überführt wird.
Um die Schlacke durch das Vergasungs<^as nicht wieder abzukühlen, werden im allgemeinen zwei verschiedene Wege beschritten. Erstens kann die Schlacke diskontinuierlich
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aus dem Reaktor abgelassen werden. Hierzu wird im Bereich des Reaktorbodens periodisch ein Schlackenabfluß geöffnet, aus dem die Schlacke in eine Schleusenkammer mit Wasserbad fließt. Sobald nach Absinken des Schlackespiegels durch die Schlackenabflußleitung auch relativ kaltes Vergasungsgas mit einer Temperatur in der Größenordnung von 12oo° C mit austritt, wird die Abflußleitung wieder geschlossen. Dadurch wird verhindert, daß das relativ kalte Vergasungsgas in der Schlackenabflußleitung die Schlacke abkühlen und zum Erstarren bringen kann.
Ein zweites Verfahren des Schlackenäbzugs besteht darin, die Schlackenabflußleitung an der tiefsten Stelle des Reaktorbodens vorzusehen. Dabei wird durch die Leitung ein Gemisch aus Sauerstoff und Brenngasen mit überdruck von unten in den Reaktor eingeblasen. Die dabei entstehenden Brenngase verhindern, daß Schlacke ausfließt und heizen überdies die Schlacke auf. Der Schlackenabzug erfolgt dadurch, daß man zeitweilig die Erzeugung von Brenngasen abstellt, so daß die Schlacke durch die Leitung nach unten fließen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Abzug der flüssigen Schlacke zu verbessern. Dabei soll nicht nur eine diskontinuierliche Arbeitsweise möglich werden, sondern der Schlackenabzug soll insbesondere auch kontinuierlich erfolgen können. Beim ein gangs genannten Verfahren wird dies dadurch erreicht,
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daß im Bereich des Eine/ rgs der Schlackenableitung sauerstoffreiches Gas von oben auf die flüssige Schlacke gerichtet in den Reaktor eingeleitet und im Gleichstrom mit der Schlacke durch die Schlackenableitung Gas (Leckgas) mit einer Temperatur von mindestens etwa 15oo C abgezogen wird.Das als Leckgas bezeichnete Hilfsgas verhindert, daß die flüssige Schlacke in der Schlackenableitung so weit abkühlen kann, daß sie erstarrt.
Zur Erzeugung des Leckgases wird kurz oberhalb des Eingangs der Schlackenableitung ein Hilfsbrenner angeordnet, der das Leckgas erzeugt. Durch den Hilfsbrenner wird Sauerstoff oder Luft oder auch ein Sauerstoff-Wasserdampf -Gemisch in den Reaktor geleitet. Der Sauerstoff verbrennt eine entsprechende Menge Vergasungsgas; die dabei entstehenden Brenngase weisen eine genügend hohe Temperatur auf, die weit oberhalb des Schlackeschmelzpunktes liegt. Weil die Düse des Hilfsbrenners kurz über dem Eingang der Schlackenableitung angeordnet ist, strömt ihr Verbrennungsgas vorzugsweise in die Schlackenableitung, so daß endotherme Reaktionen innerhalb des Brennstoffbettes praktisch ausbleiben. Auf dem Boden der Schlackenableitung fließt also flüssige Schlacke ab und im Gleichstrom damit strömt heißes Leckgas, das dazu beiträgt, die Schlacke flüssig zu halten.
Es fet zweckmäßig, daß die Schlacke und das Leckgas durch die Ableitung in einen Schleusenbehälter geleitet werden, wobei die Temperatur des Leckgases entlang der ganzen
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Ableitung höher als die Temperatur der flüssigen Schlacke ist.
Weitere Erläuterungen des Verfahrens erfolgen mit Hilfe der Zeichnung, die in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch den Vergasungsreaktor mit zugehörigen Nebeneinrichtungen zeigt.
Der Reaktor weist ein Druckgehäuse 1 auf, das in der Zeichnung ausgemauert wiedergegeben ist. Es kann aber zur Kühlung auch mit einem Wassermantel ausgestattet sein. Der körnige Brennstoff wird über die Schleusenkammer 2 in den Reaktor eingetragen. Die Schleusenkammer besitzt Ventile 3 und 4, die über nicht dargestellte Vorrichtungen, z.B. Gestänge, geöffnet und geschlossen werden können. Zum Einführen und Ableiten von Gas, z.B. zur Bespannung, ist eine Leitung 5 mit Ventil 6 vorgesehen .
Am geöffneten Ventil 4 vorbei fällt der Brennstoff zunächst in einen Zwischenbehälter 7 und wandert von dort in den Reaktorraum 8. Im Reaktorraum 8 befindet sich der Brennstoff im Zustand eines nach unten sich bewegenden Festbettes. Im unteren Bereich des Reaktors sind mehrere Vergasung smitte ldü sen 9 angeordnet, deren Zahl meist größer als 2 ist. Durch die Düsen wird ein Gemisch aus Vergasungsmitteln in das Brennstoffbett eingeblasen. Als Vergasungsmittel dienen üblicherweise Wasserdampf und ein sauerstoffhaltiges Gas. Im Vergasungsmittelgemisch liegt das Volumen-
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verhältnis von Wasserdampf zu Sauerstoff etwa im Bereich von o," : 1 bis 1,4 : 1.
Die mit Hilfe der Vergasungsmittel im Reaktorraum 8 entstehenden Gase strömen im Gegenstrom zum Brennstoffbett nach oben und verlassen den Reaktor durch die Produktgas-Ableitung 1o. Die Schlacke sammelt sich in flüssiger Form über dem Boden des Reaktors, wo sie einen Sumpf 11 bildet. Im allgemeinen bildet sich während des Betriebs der Vergasung am Boden des Reaktors ein kegelförmiger Rückstand 12 aus nicht geschmolzener Schlacke und Brennstoff resten aus, der als "toter Mann" bezeichnet wird.
Zum kontinuierlichen Abzug überschüssiger flüssiger Schlacke dient eine Schlackenableitung 13. Sie besteht aus einem seitlich in der Nähe des Reaktorbodens ansetzenden. Rohr, das zumeist um einen spitzen Winkel gegen die Horizontale geneigt ist. Um ein Erstarren des Schlackeflusse-; in der Ableitung 13 zu verhindern, dient ein Hilfsbrenner 14. Über diesen Hilfsbrenner 14 wird Sauerstoff oder auch Luft, gegebenenfalls zusammen mit Wasserdampf, nahe des Eingangs der Ableitung 13 in Richtung auf den Schlackensumpf 11 in den Reaktor eingeblasen. Die dabei entstehenden heißen Verbrennungsgase strömen mindestens teilweise im Gleichstrom mit der flüssigen Schlacke durch die Schlackenableitung 13. Die heißen Verbrennungsgase, die auch als Leckgas bezeichnet werden, verhindern, daß Störungen im Schlackenabfluß auftreten.
Die Schlacke und auch das Leckgas gelangen von der Ableitung 13 in einen Behälter 15 mit einem Wasserbad
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— Q _
Die flüssige Schlacke fällt in das Wasserbad 16 und granuliert dort. Ab und zu wird über das Bodenventil 17 Schlacke und Wasser aus dem Behälter 15 entfernt und über den Zwischenbehälter 18 abgezogen.
Das Leckgas, das durch die Schlackenableitung 13 in den Behälter 15 gelangte, verläßt diesen durch die Leitung 2o. Die Menge des durch die Leitung 2o strömenden Leckgases kann durch Einstellen des Ventils 21 geregelt v/erden.
Wie bereits erläutert, verläßt das Produktgas den Reaktorraum 8 durch die Ableitung 1o, wobei es etwa Temperaturen von 3oo bis 8oo° C aufweist. In an sich bekannter Weise wird das Produktgas in einem Waschkühler 22 mit wasserhaltiger Waschflüssigkeit aus der Leitung 23 berieselt und dabei abgekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Die gebrauchte Waschflüssigkeit und das abgekühlte Produktgas werden dann über die Leitung 24 einem Abhitzekessel 25 zugeführt. Aus dem Sumpf des Abhitzekessels wird die Waschflüssigkeit durch die Leitung 26 abgezogen und aufgearbeitet, wobei üblicherweise ein Teil der Waschflüssigkeit wieder verwendet wird. Gekühltes Produktgas wird aus dem Abhitzekessel 25 durch die Leitung 27 abgeführt. Wegen der erfolgten Abkühlung ist der Druck in der Leitung 27 niedriger als in der Leitung 2o, so daß dem Produktgas das Leckgas durch die Leitung 28 ohne zusätzlichen Aufwand zugegeben werden kann.
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Wie bereits erläutert, ist es wichtig, daß das durch die Schlackenableitung 13 strömende Leckgas eine Temperatur aufweist, die zumindest gleich der Temperatur der Schlacke ist; vorzugsweise ist die Leckgastemperatur höher als die Schlackentemperatur· Um die Temperatur des Leckgases zu kontrollieren, ist an der Ableitung 13 ein Thermoelement 3o vorgesehen. Es kann auch zweckmäßig sein, die Zusammensetzung des Leckgases zu kontrollieren, v/as mit Hilfe eines üblichen Gasanalysengeräts 31 geschieht. Bei einer Veränderung der Temperatur des Leckgases ändert sich auch dessen Zusammensetzung. Während das Vergasungsgas im Reaktorraum 8 vorwiegend aus CO und H„ besteht, soll das Leckgas einen höheren Gehalt an C0„ und H2O aufweisen. Speist man den Hilfsbrenner mit Luft, so ist der Stickstoffgehalt des Leckgases eine Anzeige für den Anteil des durch diesen Brenner erzeugten Gases im Leckgasstrom. Durch Messen des Stickstoffgehalts mit Hilfe des Analysengeräts 31 kann deshalb eine Aussage gemacht werden, ob genigen""! heißes Gas vom Hilfsbrenner 14 durch die Leitung 13 strömt oder nicht. In diesem Fall, wo der Stickstoff^ahalt im Gas der Leitung 2o genügend charakteristisch ist, kann zur Steuerung des Hilfsbrenners 14 auf das Thermoelement 3o verzichtet werden.
Das im Gleichstrom mit der flüssigen Schlacke durch die Ableitung 13 strömende Leckgas überwiegend durch einen Hilfsbrenner zu erzeugen, ergibt folgende vorteilhafte Selbstregelung:
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Sollte die Schlacke kalter und damit viskoser werden, wird ein größerer Anteil der Querschnittsfläche in der Leitung 13 ausgefüllt und damit der freie Querschnitt für das Leckgas verkleinert. Bei gleichem Druckunterschied zwischen dem Reaktorraum 8 und dem Behälter 15 strömt damit weniger Leckgas durch die Leitung 13. Damit wird dann aber auch der Anteil an relativ kaltem Vergasungsgas im Leckgas kleiner, und der Anteil der Verbrennungsgase vom Hilfsbrenner 14 steigt an. Mit steigendem Anteil der Verbrennungsgase vom Hilfsbrenner steigt aber wieder die Temperatur des Leckgases, so daß die Viskosität der Schlacke in der Leitung 13 abnimmt und leichter abfließen kann. Auf diese Weise schafft sich das Leckgas selbst einen ungefähr gleichbleibenden freien Querschnitt zum Durchtritt durch die Schlackenableitung 13, Im umgekehrten Fall, wenn die Schlacke in der Leitung 13 zu dünnflüssig ist, strömt im Gleichstrom dazu mehr Leck gas, dessen Anteil an relativ kaltem Vergasungsgas größer ist.
Beispiel
In einer Druckvergasungsanlage entsprechend der Zeichnung werden pro Stunde 44 t Kohle mit 1o % Asche und 1o % Feuchtigkeit mit einem Körnungsbereich von 6 bis 3o mm vergast. Der Vergasungsreaktor weist ein ausgemauertes Gehäuse mit einem inneren Durchmesser von 3,2 m und einer lichten Höhe von 1o m auf. Verteilt über acht Vergasungsmitteldüsen werden pro Stunde ein Gemisch aus 12 ooo Nm Sauerstoff und 9,2 t Wasserdampf in den Reaktionsraum 8
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eingeblasen. Im Reaktionsraum herrscht ein Druck i?on 3o bar. Stündlich verlassen den Reaktor 60 000 Nm
wasserdampfhaltes Produktgas mit einer Temperatur von 45o°C und folgender Zusammensetzung:
CO2 3,8 vol. %
co 57,5 Il
H2 26,4 Il
CH4 5,7 Il
N2 1/O ■ 1
H0O 5,6 M
1oo,o Vol.%
Über dem Reaktorboden sammelt sich flüssige Schlacke mit einer Temperatur von 143o C. Die Temperatur des Vergasungsgases im Bereich des Kohlebettes oberhalb der Schlacke und außerhalb der von den Vergasungsmitteldüsen ausgehenden Flammen liegt bei 125o°C. Über dem Hilfsbrenner 14 wird pro Stunde I00 m Luft in den Reaktor in den Bereich des Eingangs der Schlackenableitung 13 eingeblasen.
Das Veryasungsgas im Unterteil des Reaktors hat etwa folgende Zusammensetzung:
CO2 6,ο Vol.%
co 64,ο "
H2 23,ο "
N2 1 ο "
H2O 6,ο "
1oo,o Vol.%
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V7enn 47,6 Nm dieses Vergasungsgases mit 1oo Nm Luft stöchiometrisch verbrannt werden, entstehen 111 Nm Verbrennungsgas folgender Zusammensetzung:
CO2 16,5 Vol. %
N2 71,1 "
H2O 12,4 "
1oo,o Vol. %
Die Temperatur dieses Verbrennungsgases beträgt 28oo° C (ohne Berücksichtigung der Dissoziation). Unter den angenommenen Betriebsverhältnissen, die durch das Regelventil 21 eingestellt werden, strömen auch noch 238 Nm Vergasungsgas mit einer Temperatur von 125o C zur Leitung Als Leckgas ergibt sich so ein Mischgas von 249 Nm mit einer Mischgastemperatur von 185o°C und mit folgender Zusammensetzung:
CO2 9/3 Vol.%
CO 44,4 Il
H2 15,6 Il
N2 22,6 Il
H2O 8,1 Il
1oo,o Vol.
Dieses Leckgas sorgt für einen kontinuierlichen, störungsfreien Abfluß der Schlacke aus dem Reaktor. Die Menge an aus dem Reaktor abgezogenem Leckgas wird mit Hilfe eines Thermoelements 3o und des Ventils 21 geregelt. Das abgezogene Leckgas wird dem gekühlten Produktgas in der Leitung 27 zugemischt.
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L e e r s e i t e

Claims (5)

METALLGESELLSCHAFT Fraokfurt/M., 26. August 1977 Aktiengesellschaft Wgn/IPt Or/ 'i Q Q "3 ") Prov.Nr. 8o.'"'> LT Patentansprüche
1. Verfahren zum Vergasen körniger fester fossiler Brennstoffe in einem Vergasungsreaktor unter einem Druck von 1o bis 1oo bar, wobei sich die Brennstoffe im Reaktor in einem Festbett unter Schwerkraftwirkung von oben nach unten bewegen, im unteren Reaktorbereich über Düsen sauerstoffhaltige Gase und Wasserdampf in das Brennstoffbett eingeleitet und flüssige Schlacke mit einer Temperatur von 135o bis 15oo C durch eine um einen Winkel von O bis 45° gegen die Horizontale geneigte Leitung abgezogen und oberhalb des Brennstoffbettes Produktgas aus dem Reaktor abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Eingangs der Schlackenableitung sauerstoffreiches Gas von oben auf die flüssige Schlacke gerichtet in den Reaktor eingeleitet und im Gleichstrom mit der Schlacke durch die Schlackenableitung Gas (Leckgas) mit einer Temperatur von mindestens etwa 15oo° C abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlacke und das Leckgas durch die Ableitung in einen Schleusenbehälter geleitet werden, wobei die Temperatur des Leckgases entlang der ganzen Ableitung höher als die Temperatur der flüssigen Schlacke ist.
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ORIGINAL INSPECTED
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, äidurch gekennzeichnet, daß das aus der Schlackenableitung abgezogene Leckgas dem Produktgas zugemischt v/ird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Leckgases in der Schlackenableitung gemessen v/ird und diese Temperatur als Regelgröße für die Einstellung der abzuziehenden Leckgasmenge benutzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an abgezogenem Leckgas entsprechend der Zusammensetzung des Leckgases geregelt wird.
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