DE2831027A1

DE2831027A1 - Kohlevergasungsverfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2831027A1
Application number: DE19782831027
Authority: DE
Inventors: Henry John Blaskowski; Arun Kumar Mehta
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1977-08-29
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1979-03-22
Also published as: AU514817B2; ZA783173B; IN149399B; FR2401982A1; JPS5446201A; DE2831027C2; US4158552A; FR2401982B1; AU3764878A; CA1092822A; SE7809013L; JPS6030356B2

Description

DIPL.-ING. H. MARSCH

DIPL.-ING. K. SPARING LlXDEiiAWNS-THASSK »I

PATBNTAXWlWE ίΖ^Ζ_ωω

46/188

B e s c h r ei bung zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. 06095/USA

betreffend:

¹¹ Kohlevergasungsverfahren und Vorrichtung zu seiner Durchführung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Kohlevergasung und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Kohlevergasung handelt es sich hauptsächlich um eine unvollständige Verbrennung von Kohle. Der maximale Heizwert des Gases ist theoretisch erzielbar durch Aufrechterhalten eines minimalen Luft- oder Sauerstoff/Kohle-Verhältnisses. Die Möglichkeiten,dies zu erzielen, sind jedoch begrenzt infolge des relativ hohen Temperaturpegels, der notwendig ist, um die endothermen Kohlevergasungsreaktionen aufrecht zu erhalten.

Ein bekanntes Kohlevergasungsverfahren beruht auf der Suspension von Kohle oder Kokspartikeln in einem Heißgasstrom, der durch Verbrennung von Brennstoff erzeugt wird. Diese Partikel strömen dann gleichsinnig mit dem Strom des erzeugten Gases. Da die Partikel in dem Gasstrom suspendiert sind, führen das Öligwerden und Klebrigwerden der Partikel während der Vergasung nicht zu Problemen des Verstopfens in der Strömung der Kohle.

909812/0663

Wenn in einem solchen Verfahren die Gastemperatur bis zu dem Bereich von 930 - 1100⁰C abfällt, sinkt auch die Vergasungsrate der Kohlepartikel auf einen Punkt, bei dem kein praktischer Sinn mehr darin liegt, den Vergasungsprozeß fortzusetzen. Ein Teil der Hitze, erzeugt durch die Ausgangsverbrennung von Brennstoff, ist dabei verwendet worden, um flüchtige Bestandteile auszutreiben und steht deshalb nicht mehr zur Verfügung, um die Vergasung der Kokspartikel durchzuführen. Obwohl der Gasstrom immer noch einen erheblichen Wärmeinhalt hat, wird er nicht für die Kohlevergasung verwendet, sondern allenfalls für die Erzeugung von Dampf, der dann anderweitig verbraucht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kohlevergasung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen zu schaffen, bei dem die Verbrennungsenergie besser ausgenutzt wird, um den Heizwert des erzeugten Gases zu steigern. Der kennzeichnende Teil des Patentanspruchs 1 gibt die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung wMer. Zusammengefaßt wird demgemäß ein hoher Temperaturpegel des Abgasstromes erzeugt durch Verbrennen von hauptsächlich Koks mit der zugeführten Luft. Unmittelbar danach wird zusätzlicher Koks in den Hochtemperaturstrom für die Vergasung dieser Kohlepartikel eingeführt. Danach, hinter der endothermen Vergasungsreaktion , bei der Gase abkühlen, wird neue frische Kohle eingeführt, wobei diese Kohle bei relativ niedriger Temperatur von ihren flüchtigen Bestandteilen befreit wird, so daß diese auf niedrigem Temperaturpegel liegende Energie ausgenutzt wird. Die mitgerissenen Kokspartikel werden danach aus dem Gasstrom abgetrennt und wieder in den Vergasungsprozeß eingeführt.

Die Entgasung (= Austreiben der flüchtigen Bestandteile) der frischen Kohle wird erreicht bei Gastemperaturen auf einem Pegel, der nicht hinreicht, um den Kohlevergasungsprozeß (= unvollständige Verbrennung) mit gutem Wirkungsgrad fortzusetzen. Demgemäß wird mehr der zur Verfügung stehenden

909812/0663

- 3 -ORIGiNALlNSPECTED

--ar-

Energie verwendet für den Grundzweck der Kohlevergasung, der natürlich darin besteht, ein Gas zu erzeugen, das einen maximalen vernünftigerweise erreichbaren Heizwert besitzt.

Die Unteransprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen und/oder Vorrxchtungsmerkmale in Verbindung mit der Erfindung.

Nachfolgend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden, die schematisch eine Anlage für die Kohlevergasung, welche gemäß der Erfindung arbeitet, darstellt.

Die Reaktionskammer 10 umfaßt eine Verbrennungszone 12, eine Reduktionszone 14 und eine Niedertemperaturentgasungszone 16. Sauerstoff wird in die Verbrennungszone 12 eingespeist durch Zufuhr von Luft mittels eines Gebläses und Regulierschiebern 20. Die Luftmenge wird reguliert entsprechend dem gewünschten Durchsatz der Vergasungsanlage. Koks, bestehend aus Kohlenstoff und Asche, wird durch Leitung 22 eingeführt, wobei die Steuerung über den Förderer 24 erfolgt. Das Verhältnis Koks/Luft wird geregelt, um eine vorgewählte Temperatur am Auslaß 26 der Verbrennungszone aufrechtzuerhalten.

Vorzusweise wird dieses Verhältnis in der Verbrennungszone auf der brennstoffreichen Seite des stöchiometrischen Verhältnisses gehalten. Die maximale Temperatur (nahe Stöchiometrie) wird angestrebt, wobei jedoch die Wärmestandfestigkeit der Materialien zu berücksichtigen ist, aus denen die Verbrennungszone aufgebaut wird. Die Temperatur sollte oberhalb 1540⁰C liegen, um ein Verschlacken der Asche in der Verbrennungszone sicherzustellen, und vorzugsweise bei etwa 1650⁰C. Die in den Kokspartikeln enthaltene Asche schmilzt

909812/0663

ORIGINAL INSPECTED

in der Verbrennungszone und fließt durch den Schlackenabstich 28 ab.

Der Verbrennungsgasstrom, der in der Verbrennungszone erzeugt wird, strömt nach oben in den Reduktionsabschnitt 14. An dieser Stelle unmittelbar stromabwärts der Verbrennungszone wird weiterer Koks über Leitung 30 eingesetzt, gesteuert durch den Förderer 32. Diese Kokspartikel reagieren endotherm mit den Verbrennungsprodukten aus der Verbrennungszone 12, wobei sich Kohlenmonoxid und Wasserstoff bilden durch Reaktion mit Kohlendioxid und Wasserdampf, enthalten in den Verbrennungsgasen aus der Verbrennungszone. Diese Reaktion wird fortgesetzt, bis die Gase den Auslaß 34 der Reduktionszone erreichen, wo die Gastemperatur vorzugsweise 930 - 1100⁰C beträgt. Bei diesen Temperaturpegeln nimmt die Rate der Koksvergasungsreaktion ab. Deshalb wird frische Kohle über Leitung 36, gesteuert vom F0örderer 38, eingesetzt.

Diese Kohle gelangt in den auf Niedertemperatur liegenden Entgasungsabschnitt 16, wo der Gasstrom angereichert wird und weiter abgekühlt wird, primär infolge der Erhitzung und Entgasung der eingesetzten Kohle und der Reaktion der flüchtigen Besbandteile. Bei einer Temperatur unterhalb 760⁰C und bei vorzugsweise etwa 540⁰C treten die Gase aus der Niedertemperaturentgasungszone 16 aus und strömen über den Gasauslaß 40 zu einem Partikelabscheider 42. Die optimale Temperatur liegt bei dem Minimum, das dadurch definiert ist, daß es oberhalb jener Temperatur liegen muß, bei der sich öl für die jeweils verarbeitete Kohle bildet. Der Gasstrom gelangt dann über Leitung 44 für das endgültige Entfernen von Verunreinigung des Gases und für die Weiterverwendung des Gases. Kokspartikel werden aus dem Gasstrom in den Partikelabscheider 42 entfernt und über Leitung 46 den Förderern 32 und 24 wieder zugeführt.

909812/0 6 63

-Jer-

Die Aufgabe der Verbrennungszone 12 besteht darin, die Hitze zu liefern, die für den Prozeß erforderlich ist_r und die Asche aus dem System zu entfernen. Zwar ist dabei die stöchiometrische Temperatur bevorzugt, doch wo- dies nicht tolerierbar ist, läßt man die Vergasung auch teilweise in der Verbrennungszone erfolgen, um die Temperatur niedriger zu halten- Da der Koks, der in die Verbrennungszone eingeführt wird, nur wenig flüchtige Bestandteile enthält, kann es erforderlich sein, zusätzlichen Brennstoff, wie etwa Frisfokohle, einzuführen., doch nur in solchen Mengen, als erforderlich, ist, die Stabilität der Flamme aufrechtzuerhalten..

Die Rezirkulation der Kokspartikel zu der Reduktionszone 14 bewirkt die Aufrechterhaltung einer relativ hohen Kokspartikeldichte im Vergleich mit einem einfachen Durchlaufsystem, so daß man erwarten kann, daß eine relativ rapide Reaktion mit dem Gasstrom erfolgt. Der Gasstrom, in den sie eingesetzt werden, liegt außerdem auf dem maximal erhältlichen Temperaturpegel, womit die Koks/Gasumsetzung begünstigt wird.

Erst nachdem die Gastemperatur in der Reduktionszone auf einen Pegel abgesunken ist, bei dem die Vergasung nur noch langsam fortschreitet, ist es erwünscht, die Frischkohle einzuführen, um die Niedertemperaturentgasung ablaufen zu lassen. Die Wärme, die dabei für die Entgasung verbraucht wird, ist die Niedertemperaturenergie, die sonst nicht für den eigentlichen Vergasungsprozeß ausgenutzt würde.

Je nach der verarbeiteten Kohle muß nicht unbedingt die Einführung der gesamten Kohle in die Niedertemperaturentgasungszone das Optimum darstellen. Ein Teil der Kohle kann auch aus verschiedenen Gründen am Auslaß der Verbrennungszone eingeführt werden.

909812/0663

Bei einer gegebenen !Luftströmung und Vergasung der gesamten Kahle ernält man den maximalen Heizwert, wenn die Auslaßgastemperataar minimal ist, unter der Voraussetzung, daß die Temperaturabsenkung zurückzuführen ist auf den Vergasungsprozeß und nicht auf den Wärmeaustausch mit anderen Oberflächen. Es ist für die Erfindung bedeutungsvoll, daß mindestens ein Teil der Frischkohle in die Niedertemperaturentgasungszone eingeführt wird. Die Grenzwerte hinsichtlich der Menge sind entweder gegeben durch die Kohlerezirkulationskapazität oder die Gesamtkapazität der Anlage.

Bei der Niedertemperaturentgasung wird nur ein sehr kleiner Anteil des Kokses vergast. Daraus folgt, daß dieser Koks in die Vergasungsanlage rezirkuliert werden muß, so daß sich eine höhere Koksrezirkulationslast ergibt. Andererseits wird bei Hochtemperaturentgasungsbedingungen an dem Auslaß der Verbrennungszone

¹ -eingesetzter ein größerer Anteil des Kohlenstoffgehaltes von hier)Kohle sofort entgast. Darüber hinaus wird der verbleibende Kohlenstoff teilweise vergast, da er durch die Reduktionszone gelangt. Es ist jedoch festzuhalten, daß die Temperatur des Gases, das aus der Verbrennungszone austritt, absinkt wegen der Entgasung der Kohle und damit wird entsprechend die Gastemperatur verringert, die für die ursprüngliche Koksvergasungsreaktion zur Verfügung steht.

Bei exzessiven Mengen an Kohle in der Niedertemperaturen tgasungs zone kann die Rezirkulation des Kokses die Kapazität der Koksfördereinrichtungen übersteigen, oder es kann sich ein exzessiver Druckabfall in der Vergasungsanlage ergeben. Dies kann man verringern, indem man einen Teil der Frischkohle in den Reduktionsabschnitt einführt.

Der Gesamteffekt des Verschiebungsphänomens, der sich mit der Einführung einer gegebenen Kohle ergibt, kann nicht genau vorausberechnet werden. Die Einführung von Kohle am Reduktionszoneneinlaß verringert die Menge an zu vergasendem Koks, ver-

909812/0663

-r-

ringert aber auch die Möglichkeit, den Koks zur Reaktion zu bringen. Mit einer festen Anlagengröße und einer bestimmten Kohlesorte wird eine optimale Auswertung des Volumens erwartet, mit einem festen Verhältnis für die Einsetzung der Kohle in den Niedertemperatur- und den Hochtemperaturabschnitt. Dieses Verhältnis muß aber experimentell festgelegt werden.

Wenn der gewünschte Grenzwert für die Einsetzung von Brennstoff in den Niedertemperaturentgasungsabschnitt erreicht ist, wird ein Teil der Kohlezufuhr über Leitung 48 abgezweigt, und gesteuert durch Förderer 50 für die Einsetzung am stromaufwärts liegenden Ende der Reduktionszone 14. Diese Einführung erfolgt unmittelbar hinter der Verbrennungszone und vor der Einführung des Kokses.

Eine Methode für die Steuerung dieser Einsetzung umfaßt die Regulierung der Kohle über Förderer 50, um eine Temperatur an dem Reduktionszonenauslaß 34 aufrechtzuerhalten, und Regulierung der Kohle über Förderer 38, um die Temperatur aufrechtzuerhalten am Auslaß des Niedertemperaturentgasungsabschnitts 16.

Die Methode der Regelung des Verhältnisses des rezirkulierten Kokses und der Luft, um eine vorgewählte Temperatur am Verbrennungszonenauslaß zu erzielen, kann ausgeführt werden mittels einer Regelanlage, die schematisch dargestellt ist. Der Temperatursensor 51 liefert ein Steuersignal über Steuerleitung 52, das am Einstellpunkt 54 mit dem gewünschten Temperatursignal verglichen wird. Ein Regelsignal entsprechend dem Fehler gelangt über Steuerleitung 56 zum Verhältniseinsteller 58. Ein Steuersignal gelangt über Steuerleitung 60 zum Einsteller 62, welcher die Geschwindigkeit des Förderers 24 nachstellt. Ein weiteres Steuersignal entgegengesetzter Richtung gelangt über Steuerleitungen 64 zum Einsteller 66, mittels dem die Lufdtströmung geregelt wird.

909812/0663

Die Gastemperatur am Auslaß der Reduktionszone 14 kann geregelt warden durch Messung der Auslaßtemperatur mittels Temperatursensor 68. Ein Steuersignal gelangt über Steuerleitung 70 und wird mit einem Soll-Temperatursignal am Einstellpunkt 72 verglichen. Ein Fehlersignal gelangt über Leitung 74 zum Einsteller 76, der so arbeitet, daß die Geschwindigkeit des Förderers 50 verändert wird im Sinne einer Regelung des Einführens frishcer Kohle in die Reduktionszone.

In ähnlicher Weise wird die Auslaßtemperatur der Niedertemperaturentgasungszone 16 mittels Temperatursensor 78 erfaßt, der ein Steuersignal über Steuerleitung 80 überträgt. Dieses Signal wird am Einstellpunkt 82 mit dem Soll-Temperatursignal verglichen und das sich ergebende Fehlersignal gelangt über Leitung 84 zum Einsteller 86. Dieser Einsteller verändert die Geschwindigkeit des Förderers 38 zur Regelung der Menge an Brennstoff, der in die Niedertemperaturentgasungszone eingeführt wird.

909812/0663

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur Kohlevergasung, bei dem Sauerstoff und Koks in eine Verbrennungszone eingesetzt werden und der Koks verbrannt wird zur Erzeugung eines Abgasstromes, das Verhältnis von Sauerstoff und Koks so eingestellt wird, daß der aus der Verbrennungszone austretende Gasstrom eine oberhalb 1540⁰C liegende Temperatur aufweist, zusätzlicher Koks in den Abgasstrom an einer Stelle stromabwärts der Verbrennungszone in eine Reduktionszone eingesetzt wird unter Vergasung mindestens eines Teils des Kokses in dem Abgasstrom unter endo-thermer Abkühlung des Gasstromes auf eine Temperatur unterhalb 1100⁰C, und Entfernen unverbrannten Kokses aus dem Abgasstrom zur Einsetzung in die Verbrennungszone und Reduktionszone, gekennzeichnet durch das Einsetzen frischer Kohle in den Abgasstrom in einer Niedertemperatur-Entgasungszone an einer Stelle stromabwärts der Reduktionszone zum Austreiben der flüchtigen Komponenten aus der frischen Kohle unter Abkühlung des Abgasstromes auf eine Temperatur unterhalb derjenigen, bei der noch eine merkbare Koksvergasungsreaktion erfolgt.

2) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Regelung der Einsetzung von Kohle in den Abgasstrom auf eine solche Menge, daß der Abgasstrom auf eine Temperatur unterhalb 760⁰C abgekühlt wird.

3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsetzen der Kohle in den Abgasstrom so geregelt wird, daß der Abgasstrom auf eine Temperatur unterhalb 540⁰C abgekühlt wird.

909812/0663
ORIGINAL INSPECTED

4) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom endotherm auf eine Temperatur unterhalb 930⁰C gekühlt wird.

5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Koks-Verhältnis beim Einsetzen in die Verbrennungszone auf SauerstoffUnterschuß gehalten wird.

6) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Koks-Verhältnis beim Einsetzen in die Verbrennungszone so geregelt wird, daß sich ein brennstoffreiches Abgas ergibt mit einer Temperatur am Auslaß der Verbrennungszone oberhalb 1650⁰C.

7) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einsetzen frischer Kohle in die Reduktionszone unmittelbar stromabwärts der Verbrennungszone und stromaufwärts der Stelle, an der der Koks in die Reduktionszone eingesetzt wird.

8) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Messung der Temperatur des Abgasstromes am Auslaß der Niedertemperaturentgasungszone und Regelung der Kohlezufuhr in die Niedertemperaturen tgasungs zone in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur.

9) Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Messung der Reduktionszonenauslaßtemperatur des Abgasstromes und Regelung der Kohlezufuhr in die Reduktionszone in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur.

10) Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Regelung der Menge des zusätzlich eingeführten Brennstoffes auf einen Wert derart, daß eine TemperatürabSenkung des Abgasstromes am Auslaß der Reduktionszone auf einen Wert unterhalb 98O⁰C vermieden ist.

909812/0GS3 _ ₃ _

11) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer gasdurchströmten Vergasungskammer mit einer Verbrennungszone, einer Reduktionszone und einer Niedertemperaturentgasungszone in in Strömungsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgender Anordnung, mit einem Gebläse zum Einsetzen von Sauerstoff in die Kammer für aufeinanderfolgendes Durchströmen der Zone, mit einem Abscheider zum Abtrennen von Koks aus den aus der Kammer austretenden Gasen, mit einem Rezirkulationssystem für das Einsetzen des entfernten Kokses in die Verbrennungszone und mit einem Förderer zum Einsetzen von Kohlenstoff enthaltendem Material an einer stromaufwärts liegenden Stelle in die Reduktionszone, gekennzeichnet durch einen Förderer (38, 36) zum Einsetzen von Kohle an einer stromaufwärts liegenden Stelle in der Niedertemperaturentgasungszone, durch einen ersten Sensor (78) zum Erfassen der Austrittstemperatur der Gase aus der Niedertemperaturentgasungszone (16), und durch einen Regler (86, 38), der auf das Ausgangssignal des ersten Sensors ansprechend ausgebildet ist für die Regelung der Kohleeinsatzmenge in die Entgasungszone.

12) Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen zweiten Sensor (68) für die Erfassung der Auslaßtemperatur der Gase aus der Reduktionszone (14) und durch einen Regler (76, 50), der ansprechend auf das Ausgangssignal des zweiten Sensors ausgebildet ist für die Mengenregelung der von dem Förderer eingesetzten Kohle.

13) Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen dritten Sensor (50) zum Erfassen der Auslaßtemperatur der Gase aus der Verbrennungszone (12) und durch einen Regler (58), der auf das Ausgangssignal des dritten Sensors ansprechend ausgebildet ist für die Regelung des Koks/Sauerstoff-Verhältnisses bei der Einführung in die Verbrennungszone.

909812/0663