DE2751911B2 - Verfahren und Gas-Generator für die Vergasung von Kohlenstaub - Google Patents

Verfahren und Gas-Generator für die Vergasung von Kohlenstaub

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Description

Die Erfindung betrifft ein Vergasungsverfahren für staubförmige Kohle mit zwei kontinuierlich betriebenen Vergasungszonen, und zwar in Form von zwei oder mehr Flugströmen und einer Wirbelschicht, wobei die ersteren, die vorwiegend mit exothermen Vergasungsmitteln und aus dem Produktstrom abgeschiedenem Staub betrieben werden, eine höhere Temperatur besitzen als das Wirbelbett, in das sie eingeführt werden. Die Erfindung betrifft ferner einen hierfür geeigneten Vergaser, bestehend aus einem zylindrischen Schacht mit konisch verjüngtem Unterteil, zwei oder mehreren an der Vergaserseitenwand angeordneten Flugstrom-Vergaserköpfen, oberhalb von diesen angeordnete Einförderöffnungen für Kohle, einem Reaktionsgasabs zug am Kopf des Vergasers, daran angeschlossenen Entstaubungsvorrichtungen für das Rohgas mit Rückführleitungen zu den Vergaserköpfen, Düsen am unteren Teil des zylindrischen Schachtes für die Einführung von Brennstoff sowie von Bewegungs- und
ίο Vergasungsmittel für eine Wirbelschicht und einem Ascheaustrag am Boden des Vergasers.
Es ist bekannt, Kohlenstaub zu vergasen. Bei der bekannten Verfahrensweise wird Kohlenstaub mit Sauerstoff unter Zusatz von Dampf in einer Reaktionsflamme am Ausgang einer Düse, in dem Vergaserkopf, vergast Als Trägergas für die Einförderung des Kohlenstaubes dient der Vergasungssauerstoff. Dabei hat ein Vergaser mindestens zwei diametral einander gegenüberliegende Vergaserköpfe. Die Reaktionsflammen dieser Vergaserköpfe treffen in der Mitte des Reaktionsraumes aufeinander, wonach die entstandenen Reaktionsgase und ein Großteil der mit einer Temperatür von 1500 bis 1600° C den Reaktionsraum verlassen. Diese Verfahrensweise hat die folgenden Nachteile: Die hohe Temperatur der abziehenden Reaktionsprodukte bedeutet einen erheblichen Energieverlust für die Vergasung. Die geschmolzenen Aschen verursachen nach ihrer Erhärtung starke Erosionen in den nachgcschalteten Anlagen. Die Betriebszuverlässigkeit hängt weitgehend vom Aschenschmelzverhalten der eingesetzten Kohle ab. Die Betriebssicherheit hängt vom ununterbrochenen gleichbleibenden Verhältnis der den Vergaserköpfen zuströmenden Kohlen- und Sauerstoffmenge ab.
Aus der DE-PS 9 08 516 ist die Vergasung von Kohlenstaub mit Vergasungsmitteln in Reaktionsströmen bekannt, die man in einen zweiten Vergasungsraum einführt, in dem eine Wirbelschicht aus kohlenstoffhaltigem Feinmaterial unterhalten wird. Die Reaktionsströme werden in Wirbelkammern oder Zyklonen mit vorwiegend oxidierenden Vergasungsmitteln erzeugt und besitzen eine höhere Temperatur als die nachgeschaltete Wirbelschicht Sie werden mit Frischbrennstoffstaub und mit aus dem Produktgas abgeschiedenem Staub betrieben. Das Wirbelbett wird unten und/oder oben mit Brennstoffstaub beschickt; als Vergasungsmittel werden unten sauerstoffhaltige Gase, darüber Wasserdampf eingeleitet; die Vergasungsreaktionen sind hier vorwiegend endotherm. Die Aschebestandteile können als flüssige Schlacke abgezogen werden. Der zweite Vergasungsraum kann mit Füllkörpern, Koks, Erz, versehen sein.
Die DE-PS 9 19 004 betrifft die Vergasung körniger Brennstoffe in der Wirbelschicht unter gewöhnlichem oder erhöhtem Druck. Staubförmige Brennstoffe werden in die Wirbelschicht eingetragen, abgeschiedener Flugstaub und ggf. andere feinteilige Festbrennstoffe sowie flüssige Brennstoffe werden in die Wirbelschicht eingeblasen. Dieser Vergasungsstrom kann vor Einführung in die Wirbelschicht ganz oder teilweise vergast oder verbrannt werden. Die endothermen Vergasungsmittel werden unten, die exothermen in einem Abstand darüber in die Brennstoffschicht eingeführt.
Die DE-OS 24 11 086 beschreibt die Kohlenstaubvergasung in der Schwebe, wobei die in ein Wasserbad tropfende Schlacke vor diesem mit einem Strom zusätzlicher Vergasungsmittel in Berührung gebracht
wird. Das dabei entstehende Gas wird in den Hauptvergasungsraum gebracht, in dem zwei Brenner einander gegenüberliegen, die mit dem im Vergasungsmittel suspendierten Brennstaub beschickt werden.
Die US-PS 39 81690 schließlich beschreibt ein Vergasungsverfahren für grobkörnige Kohle, bei dem die aus dem Produktgas abgeschiedenen feinen Asche- und Kohleteilchen einem heißen, mit Sauerstoff beaufschlagten Brennstoffstrahl zugeführt werden, der in dem Vergaser zentral aufwärts gerichtet ist In diesem wird eine Wirbelschicht, der Frischbrennstoff zugeführt wird, unterhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren und den dabei benutzten Generator dergestalt weiterzubilden, daß nicht nur ungleichmäßige Strömungen im Wirbelbett weitgehend vermieden und Störungen in der Brennstoffzufuhr ohne Schäden leichter ausgeglichen werden können, sondern auch der Staubaustrag mit dem Produktgasstrom geringer gehalten wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß die Flugvergasungsströme aufeinander zu gerichtet in das Wirbelbett eingeführt werden, das mit grobkörnigerem Kohlenstaub betrieben wird.
Die in den Flugvergasungsströmen enthaltenen Reaktionsprodukte werden so im Vergasungsraum in eine Wirbelschicht geschleudert und können sich an der glühenden Wirbelmasse nochmals umsetzen, bevor sie den Vergasungsraum verlassen. Dies ermöglicht eicsn Spielraum im Verhältnis Kohlenstoff zu Sauerstoff in den Flugvergasungsströmen, da in der glühenden Wirbelschicht auch in den Vergasungsströmen enthaltene Verbrennungsprodukte wieder zu Brenngas umgesetzt werden. Die Kohlenstoffreserve des Wirbelbettes verhindert die bei der herkömmlichen Kohlenstaubvergasung gefürchteten Sauerstoffdurchbrüche im Falle einer Störung der Kohlenstoffzufuhr. Durch die radial aufeinander zu und zur Mittelachse des Vergasungsraumes bzw. der Wirbelschicht gerichteten Reaktionsströme wird erreicht, daß diese in der Mitte der Wirbelschicht aufeinandertreffen und so die Wirbelbewegung nicht einseitig beeinflussen. Außerdem kommen die sehr heißen Produkte der Reaktionsströme zunächst mit den Wirbelbetteilchen in Berührung, an die sie ihre Wärme teilweise abgeben und erst dann mit der Vergaserwandung. Da man die Reaktionsströme von der Seite her unmittelbar in der Wirbelschicht einführt, müssen die Reaktionsströme einschließlich ihrer gasförmigen Bestandteile durch die Wirbelschicht hindurchtreten, so daß unerwünschte Komponenten, wie Sauerstoff und Kohlendioxid, weiter zu dem gewünschtem Brenngas umgesetzt werden können. Durch das gleichmäßige Einführen der Reaktionsströme seitlich in die Wirbelschicht wird letztere in ihrer wallenden Bewegung nicht nur nicht gestört, sondern gefördert. Die Wirbelschicht besteht aus körnigem kohlenstoffhaltigem Material, das durch von unten eingeführte Vergasungsmittel teilweise bewegt und vergast wird. Die Kohlenstoffmasse der Wirbelschicht entspricht beispielsweise etwa einem einstündigen Kohlenstoffumsatz im Vergasungsraum, so daß Schwankungen oder Störungen bei der Kohlenstaubzufuhr zu den seitlichen Reaktionsströmen nicht zu Sauerstoffdurchbrüchen führen können. Das körnige, kohlenstoffhaltige Material kann beispielsweise gemahlene Kohle jeglicher Art oder Koks in einem Korngrößenbereich von 0 — 8 mm sein. Als Vergasungsmittel dient ebenso wie in den seitlichen Reaktionsströmen ein Gemisch aus Sauerstoff und Dampf, jedoch ist das Sauerstoff/Dampf-Verhältnis im allgemeinen erheblich geringer als in den Reaktionsströir.en.
Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Temperatur in der Wirbelschicht 800- 10000C und die der Flugströme vorder Wirbelschicht wenigstens 15000C Die glühende Wirbelschicht ist ein ideales Auffangbecken für die in den Reaktionsströmen enthaltenen flüssigen Vergasungsrückstände, da diese an der kühleren Oberfläche des Wirbelmaterials erstarren und sich zum Teil mit den gröberen Vergasungsrückständen der Wirbelschicht am Boden des Vergasers trocken absetzen und ausgetragen werden. Die Reaktionsprodukte der Reaktionsströme geben bei ihrem Eintritt in das Wirbelbett einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an das Bett ab und verlassen den Vergasungsraum mit der Wirbelbett-Temperatur, die wesentlich niedriger ist als die Abgastemperatur bei der wirbelbettfreien Kohienstaubvergasung. Außerdem tragen die Reaktionsprodukte der seitlich in das Wirbeibett eintretenden Reaktionsströme zur Aufwirbelung des Bettes bei.
Weiterhin ist vorgesehen, daß die feinstteiligen Bestandteile, vorzugsweise die unter 0,1 mm, von der Kohle vor der Wirbelschicht abgetrennt und den Flugvergasungsströmen zugeführt werden. Der Feinstanteil wird so unter den forcierten Bedingungen in den Reaktionsströnien weitgehend vergast, während er bei unmittelbarer Einförderung in die Wirbelschicht wegen der dort herrschenden weniger intensiven Vergasungsbedingungen zu einem großen Teil unvergast ausgetragen wird. Die Zumischung von reaktionsfähigem Frischbrennstoff zu weniger reaktionsfähigem Kohlenstaub, wie es z. B. der Flugkoks ist, in die Reaktionsströme, erleichtert auch den totalen Kohlenstoffumsatz.
Zweckmäßigerweise wird der reaktionsfähigere Anteil der körnigen Kohle durch die gleichzeitig als Bewegungsmittel der Wirbelschicht dienenden Vergasungsmittel in den unteren Teil der Wirbelschicht eingeblasen. Die Abscheidung der staubförmig ausgetragenen Anteile erfolgt zweckmäßigerweise in nachgeschalteten Zyklonen. Der abgeschiedene Flugstaub kann noch zu über 50% aus reaktionsträgem (graphitischem) Kohlenstaub bestehen. Die in den Reaktionsströmen herrschenden energischen Reaktionsbedingungen gestatten es, auch diesen Kohlenstoff zu verbrennen und anschließend zu Brenngas umzusetzen, so daß insgesamt eine restlose Vergasung erreicht wird.
Der Vergaser für das erfindungsgemäße Kohlenstaub-Vergasungsverfahren besteht aus einem zylindrischen Schacht mit konisch verjüngtem Unterteil, zwei oder mehreren an der Vergaserseitenwand angeordneten Flugstrom-Vergaserköpfen, oberhalb von diesen angeordnete Einförderöffnungen für Kohlen, einem Reaktionsgasabzug am Kopf des Vergasers, daran angeschlossenen Entstaubungsvorrichtungei. für das Rohgas mit RUckführleitungen zu den Vergaserköpfen, Düsen am unteren Ende des zylindrischen Schachtes für die Einführung von Brennstoff sowie von Bewegungsund Vergasungsmittel für eine Wirbelschicht und einem Ascheaustrag am Boden des Vergasers. Erfindungsgemäß sind die Düsen im konischen Unterteil angeordnet, und die sich im Bereich der Wirbelschicht befindlichen Vergaserköpfe oberhalb der Düsen sind aufeinander zu gerichtet angeordnet.
Es können zwei oder mehrere, beispielsweise auch drei VereaserköDfe voreesehen werden, deren sehr
heiße Reaktionsströme in der Mitte der Wirbelschicht unter gleichen Zentriwinkeln aufeinandertreffen, so daß die Bewegung des Wirbelbettes nicht einseitig beeinflußt wird. Die heißen Reaktionsprodukte der sich in der Mitte des Wirbelbettes treffenden Reaktionsströme kommen somit zunächst vornehmlich mit dem Wirbelbett in Berührung, wodurch ihre Temperatur auf die Wirbelbett-Temperatur absinkt. Erst dann gelangen sie im Zuge der Wirbelbewegung auch an die Vergaserwandungen. Eine zu hohe thermische Beanspruchung der Vergaserwandungen durch die sehr heißen Reaktionsströme wird auf diese Weise vermieden.
Die Düsen im Bereich der Wirbelschicht können in verschiedenen Höhen sowie oberhalb der Wirbelschicht angebracht sein. Durch diese Maßnahme können die bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material sich bildenden Kohlenwasserstoffe gespalten werden, bevor sie den Vergaser verlassen.
Der Schacht des Vergasers ist zweckmäßig mit einer feuerfesten Ausmauerung ausgerüstet Es kann eine gewöhnlich feuerfeste Ausmauerung sein, da die sehr hohe Temperatur der in den Reaktionsströmen enthaltenen Reaktionsprodukte bei Eintritt in die Wirbelschicht sofort auf dessen Temperatur von etwa 900° C absinkt.
Bei einer besonderen Ausführungsform des Vergasers ist die Innenwand des Vergaserschachtes wenigstens stellenweise direkt oder indirekt gekühlt Bei Einsatz von Kohlen mit sehr niedrigem Aschenschmelzverhalten wird so vermieden, daß flüssige Aschenteilchen an die feuerfeste Ausmauerung gelangen und dort unerwünschte Anbackungen bilden können.
Weiterhin ist bei Einsatz von backender Kohle als Wirbelschichtmaterial vorgesehen, daß die Einförderöffnung bzw. -öffnungen für diese Kohle oberhalb der Vergaserköpfe angeordnet ist Auf diese Weise wird eine intensive Magerung der Frischkohle mit den Wirbelbettpartikelchen erreicht und die Agglomerierung backender Kohleteilchen vermieden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben, in der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vergasers mit Flugstaubrückführung zu den Vergaserköpfen schematisch dargestellt ist:
Der Vergaser 1 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Schacht 1* mit einem konischen Unterteil 1*. Im unteren Bereich des Schachtes 1« befinden sich zwei einander gegenüberstehende Vergaserköpfe 4, denen über Leitung 5 ein mit Kohlenstaub beladener Sauerstoffraum und über Leitung 6 Dampf zugeführt wird. Im unteren Bereich des Schachtes 1" und im konischen Unterteil 1* befindet sich eine Wirbelschicht 2 aus kohlenstoffhaltigem Material, die durch ein durch die Düsen 3 zugeführtes Sauerstoff/Dampf-Gemisch vergast und in Bewegung gehalten wird. Frisches kohlenstoffhaltiges Material wird durch die Einförderöffnung le zugeführt; die Vergasungsrückstände der Wirbelschicht werden durch die Aschenaustragsöffnung lcam Boden des Vergaserkonus !^abgezogen.
Das erzeugte Gas verläßt den Vergaser 1 am Kopf
durch die Abzugsöffnung \d und wird dann in den Zyklonen 7 von dem mitgeführten Flugstaub weitgehend befreit. Das so entstaubte Gas wird durch die abgehende Rohrleitung 10 der weiteren Verwendung zugeführt. Der in den Zyklonen 7 abgeschiedene Flugstaub wird in den Staubbunkern 8 gesammelt und über die Zuteilschnecken 9 den Kohlenstaub/Sauerstoff-Strömen zugespeist, die durch die Leitungen 5 den Vergaserköpfen 4 zugeführt werden. Frischbrennstaub kann gegebenenfalls bei U den Reaktionsströmen zugemischt werden.
Ausführungsbeispiel
Im unteren Teil eines Schachtreaktors von 18 m Höhe und 5 m Lichte wird ein mehrere m hohes Wirbelbett mit glühender feinkörniger Kohle unterhalten, wobei als Vergasungs- und Bewegungsmittel 5000 N m/h Sauerstoff und 16 t/h Dampf eingeblasen werden. Ferner werden in das Wirbelbett durch die Kohleeintragsöffnung 48 t/h Frischkohle der Körnung 0—6 mm kontinuierlich eingetragen. Die Analyse der eingesetzten Kohle ist wie folgt:
Asche, % 23
Wasser, % 4
Flüchtiges, % 28
Kohlenstoff, % 59
Wasserstoff, % 3,8
Sauerstoff, % 7,1
Ob. Heizwert, WE/Kg 5700
Siebanalyse,
Anteil < 1 mm, % 25
Backzahl-Kattwinkel 100
In der Wirbelschicht wird der reaktionsfähigere Teil des Brennstoffes vergast Über der Wirbelschicht werden weitere 180ONmVh Sauerstoff eingedüst so daß gebildete Kohlenwasserstoffe gespalten werden.
Den Reaktor verlassen 80 000 NmVh Produktionsgas zusammen mit 22 t/h Flugstaub, der 54% Kohlenstoff enthält Das erzeugte Gas hat die folgende Analyse:
Es werden 4000 Nm3 Gas pro Stunde und m2 Schacht
erzeugt Von dem Flugstaub werden 19,8 t/h in einem
System von Zyklonen abgeschieden und in den Vergaserköpfen mit 7200 NmVh Sauerstoff und 3 t/h Dampf restlos vergast.
Die Reaktionsprodukte der Staubvergasung werden in die Wirbelschicht geschleudert wo ihre fühlbare Wärme für die Wirbelbettvergasung genutzt wird. Die flüssigen Aschen verfestigen sich in der Wirbelschicht deren Temperatur bei 900° C gehalten wird, und werden zusammen mit den Vergasungsrückständen der Wirbelet) schicht am Boden des Schachtkonus ausgetragen.
C02,Vol.-°/o 13
CO,Vol.-% 46
H2,Vol.-% 37
CH<,VoL-% 2,0
N2,Vol.-% 1,5
H2S,Vol.-% 0,5
Ob. Heizwert, WE/Nm3 2750
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Vergasungsverfahren für staubförmige Kohle mit zwei kontinuierlich betriebenen Vergasungszonen, und zwar in Form von zwei oder mehr Flugströmen und einer Wirbelschicht, wobei die ersteren, die vorwiegend mit exothermen Vergasungsmitteln und aus dem Produktstrom abgeschiedenem Staub betrieben werden, eine höhere Temperatur besitzen als das Wirbelbett, in das sie eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugvergasungsströme aufeinander zu gerichtet in das Wirbelbett eingeführt werden, welches mit grobkörnigerem Kohlenstaub betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Wirbelschicht 800 bis 1000° C und die der Flugströme vor der Wirbelschicht wenigstens 1500°C beträgt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinstteiligen Bestandteile, vorzugsweise die unter 0,1 mm, von der Kohle vor der Wirbelschicht abgetrennt und den Flugvergasungsströmen zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reaktionsfähigere Anteil der körnigen Kohle durch die gleichzeitig als Bewegungsmittel der Wirbelschicht dienenden Vergasungsmittel in den unteren Teil der Wirbelschicht eingeblasen wird.
5. Vergaser für das Vergasungsverfahren von Kohlenstaub nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem zylindrischen Schacht mit konisch verjüngtem Unterteil, zwei oder mehreren an der Vergaserseitenwand angeordneten Flugstrom-Vergaserköpfen, oberhalb von diesen angeordnete Einförderöffnungen für Kohle, einem Reaktionsgasabzug am Kopf des Vergasers, daran angeschlossenen Entstaubungsvorrichtungen für das Rohgas mit Rückführleitungen zu den Vergaserköpfen, Düsen am unteren Teil des zylindrischen Schachtes für die Einführung von Brennstoff sowie von Bewegungs- und Vergasungsmittel für eine Wirbelschicht und einem Ascheaustrag an dem Boden des Vergasers, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (3) im konischen Unterteil (1*) angeordnet sind und die sich im Bereich der Wirbelschicht (2) befindlichen Vergaserköpfe (4) oberhalb der Düsen (3) und aufeinander zu gerichtet angeordnet sind.
6. Vergaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Vergaserschachtes (1*) wenigstens stellenweise direkt oder indirekt gekühlt ist.
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