DE2857286A1 - Kohlevergasungsverfahren und vorrichtung dafuer - Google Patents

Kohlevergasungsverfahren und vorrichtung dafuer

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Description

British Gas Corporation, 59 Bryanston Street» London, WlA 2AZ
79 019 Kü/u
Diese Anmeldung entspricht der europäischen Patentanmeldung 78 300 130.8, für die die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 29 246/77 vom 12. Juli 1977 beansprucht wi rd.
Kohlevergasungsverfahren und Vorrichtung dafür
Die Erfindung bezieht sich auf Kohlevergasungsanlagen und insbesondere auf eine verbesserte und abgeänderte Ausführungsform eines Vergasers mit Schlackenaustrag, bei dem Kohle oder ein anderer kohlenstoffhaltiger Brennstoff in das obere Ende eines säulenartigen Vergasungsbehälters eingebracht und unter hohem Druck und hoher Temperatur mittels Sauerstoff und Dampf vergast wird, die in der Nähe des Brennstoffbettes über Blasdüsen eingeführt werden. Die Restasche sammelt sich als geschmolzene Schlacke und Eisen im Schmelzherd des Vergasungsbehälters, aus dem diese abwärts durch einen Schlackenauslaß oder eine Schlackenöffnung im Schmelzherd in Wasser abgelassen wird, das in einer Löschkammer enthalten ist. üblicherweise wird ein Schmelzbad aus geschmolzener Schlacke und Eisen im Schmelzherd dadurch aufrechterhalten, daß heiße Verbrennungsprodukte aus einem unterhalb der Schlackenauslaßöffnung angeordneten Brenner die Schlackenauslaßöffnung aufwärts gerichtet wird, um das Schmelzbad aus Schlacke und Eisen im Schmelzherd festzuhalten, wobei das Austragen der geschmolzenen Schlacke
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und des Eisens dadurch eingeleitet und gesteuert wird, daß der Brennerausgang gestoppt oder reduziert wird und daß der Druck in der Löschkammer durch kontrolliertes Entlüften zur Atmosphäre hin durch dessen Entlüftungssystem reduziert wird, um eine Druckdifferenz zwischen der Löschkammer und dem Vergasungsbehälter zu erzeugen.
Ausführungsbeispiele solcher Gaserzeuger sind in der GB-PS 977 122 und in den "Gas Council Research Communications" Nr. GC 50 und GC 112 beschrieben.
Eine Vergasungs- bzw. Gaserzeugungsanlage mit Schlackenaustrag der vorgenannten Gattung stellt eine Vergasung mit Schlackenaustrag in ihrer einfachsten Form dar und ist eine Form, die für die Festbettvergasung von Stückkohle (mit einer Nennkorngröße von 2 Zoll bis 1/4 Zoll) bei hohem Druck in Dampf und Sauerstoff angemessen ist. Sie ist besonders geeignet für die Erzeugung von Ersatznaturgas (SNG) und von synthetischem Gas. Der Gaserzeuger hat einen Ausgang bzw. Durchsatz, der zweibis dreimal größer ist als der allgemein bekannte konventionelle Rost-Vergaser, er hat einen geringeren Dampfverbrauch, produziert weniger wäßrige Flüssigkeit, hat einen größeren Wärmewirkungsgrad und hat bei den weniger reaktiven Kohlesorten mit niedrigerem Aschen-Schmelzpunkt einen geringeren Sauerstoffverbrauch. Weder die Gaserzeuger mit Schlackenaustrag noch diejenigen mit Rosten können mit einem Kohleeintrag arbeiten, der einen hohen Anteil von Feinkohle bzw. Kohlengrus enthält, obwohl der Gaserzeuger mit Schlackenaustrag die Injektion von Feinkohle an den Blasdüsen bis etwa 10 % der gesamten Brennstoffzufuhr aufnimmt. Zukünftige Kohlelieferungen können aus noch mehr Grus bestehen als die heutigen, und die Fähigkeit, den Gesamtertrag einer Mine zu verbrauchen, wird ein wichtiges Erfordernis für die Erhaltung von Energiequellen sein.
Ersatznaturgasanlagen in den USA und solche, die später in Europa gebaut werden könnten, haben erwartungsgemäß Kapazitäten
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von 250 MMSCFD und erfordern etwa 5,5 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr, die von einem oder mehreren der Anlage zugeordneten Bergwerken kommen. Bei Übertageförderung wird ein Minimum von 20 % Material unterhalb I/4 Zoll Größe erzeugt, mechanisierte Untertage-Kohlenförderung erzeugt bis 40 %, während Werte bis zu 60 % für die Übertageförderung von Braunkohle in Deutschland angegeben wurden. Die Möglichkeit, Feinkohle zu vergasen, wird daher eine Hauptbedingung, wenn nicht eine wesentliche Bedingung für zukünftige Vergasungssysteme werden. Verfahren des völlig eingeschlossenen Typs mit pulverisierter Kohle und des Wirbelbettyps, die nunmehr in der Entwicklung sind, können den gesamten Bergwerksertrag aufnehmen, aber auf Kosten des Mahlens oder Pulverisierens der gesamten Kohle, unter Einbußen im Wärmewirkungsgrad im ersteren Fall und im letzteren Fall bei Komplizierung in der Reaktor- und Verfahrenstechnologie usw.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind ein Kohlevergasungsverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen von Brennstoff in den oberen Bereich eines Reaktionsbehälters und zum separaten Aufrechterhalten einer Festbett-Brennstoffvergasungszone in diesem Bereich, ferner durch das Zuführen von zusätzlichem Brennstoff zusammen mit einem Vergasungsmittel, um die Reaktion in einer eingeschlossenen Brennstoffvergasungszone im unteren Bereich des Behälters einzuleiten und aufrechtzuerhalten, wobei die Vergasungsprodukte aus der eingeschlossenen Brennstoffvergasungszone aufwärts durch die Festbett-Vergasungszone strömt und Brennstoff in dieser vergast, und wobei Schlacke aus der oberen Vergasungszone abwärts strömt, um sich mit Schlacke aus der eingeschlossenen Stufe zu mischen und über einen Schlakkenauslaß in ein Schiackenlöschsystem unterhalb des Reaktionsbehälters auszutreten.
Die Festbett-Vergasungszone kann im oberen Bereich des Behälters durch eine Einschnürung aufrechterhalten werden, die
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innerhalb des Behälters gebildet ist, um die Abwärtsströmung von Brennstoff zu beschränken und das Brennstoffbett abzustützen.
Bei einer alternativen Anordnung kann das Brennstoffbett auf einem Rost abgestützt werden, welcher sich quer zum Behälter erstreckt. Dieser Rost kann durch Umlauf eines entsprechenden Kühlungsmittels durch die den Rost bildenden Elemente gekühlt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zusätzliche Vergasungsmittel in die Festbett-Vergasungszone eingeführt. Diese Vergasungsmittel können oberhalb oder unterhalb der Einschnürung oder des Rostes eingeführt werden.
Verfahren zur Ausführung der Erfindung werden nunmehr beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die nur zwei besondere Ausführungsformen zeigt, wobei
Fig. 1 einen allgemeinen Querschnitt durch einen Kohlevergasungs-Reaktionsbehälter mit Verwendung einer Einschnürung im Behälter,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines ähnlichen Behälters bei Verwendung eines Rostes innerhalb des Behälters und
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zusammengesetzten Vergasers bzw. Gaserzeugers wiedergibt.
Der Kohlevergaser nach Fig. 1 weist einen Reaktionsbehälter 1 auf, der innerhalb des oberen Bereiches eine Festbett-Vergasungszone 2 und im unteren Teilstück eine völlig eingeschlossene Brennstoffvergasungszone 3 aufweist.
Der Vergaser ist mit Kohleeinfül!trichtern 25 versehen, die Stückkohle über Trichterschleusen 12 und 13 und Kohleschächte 14 in den oberen Bereich des Reaktionsbehälters einbringen.
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Das Innere des Behälters ist mit einem feuerfesten Material 8 ausgekleidet, und das untere Ende"des Behälters ist mit einer SchlackenauslaßÖffnung 4 versehen, durch welche flüssige Schlacke in eine wassergefüllte Schlackenlöschkammer 10 abgelassen werden kann. Nach Kühlung der granulierten Schlacke kann diese über Schlacken-Trichterschleusen 11 abgeführt werden.
Ein Gasbrenner 5, der unterhalb des Schlackenauslasses 4 angeordnet ist, liefert heiße Verbrennungsprodukte, die, wenn sie die Schlackenablaßöffnung aufwärts gerichtet werden, die Schmelze aus Eisen und Schlacke im Schmelzherdbereich zurückhalten. Eine Ausführungsform von Schlackenablaß und Brenner ist im einzelnen in der GB-PS 1 512 677 beschrieben.
Die feuerfeste Auskleidung, die sich bis in die Schmelzherdzone erstreckt, ist mit Kühlschlangen 9 ausgestattet, so daß ein entsprechendes Kühlmittel durch die feuerfeste Auskleidung geschickt werden kann.
Eine Gasabzugleitung 15 ist am oberen Teil des Behälters angebracht. Die feuerfeste Auskleidung des Abzugs und des Behälters ist mit Kühlschlangen 16 versehen.
Eine Einschnürung 18 kann aus einem gegossenen feuerfesten Material gebildet und mit Kühlmittelkanälen 17 ausgestattet werden. Auch andere Materialien können verwendet werden. Ober Blasdüsen 6 werden pulverisierter Brennstoff und Vergasungsmittel, z.B. Dampf, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, in die völlig eingeschlossene Vergasungszone 3 injiziert, und über Blasdüsen 7 oberhalb der Einschnürung 18 können zusätzliche Vergasungsmittel in die Festbett-Vergasungszone 2 injiziert werden. Zusätzliche Blasdüsen (nicht dargestellt) oder Blasdüsen 7 können ggf. unterhalb der Einschnürung 18 angeordnet werden, um die zusätzlichen Vergasungsmittel zuzuführen.
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Der Vergaser bzw. Gaserzeuger weist bei Betrieb eine Festbett-Vergasungszone in den oberen Bereichen des Reaktions· behälters und eine völlig eingeschlossene Vergasungszone im unteren Teil des Behälters auf.
Das feste Brennstoffbett wird auf der Einschnürung 18 abgestützt, unter der sich die Verbrennungskammer befindet, worin eine völlig eingeschlossene Vergasungszone eingeleitet und durch Injektion von pulverisiertem Brennstoff und Vergasungsmitteln über die Blasdüsen 6 aufrechterhalten wird. Die aus der eingeschlossenen Zone kommenden Vergasungsprodukte, welche im wesentlichen aus Dampf, Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehen, gelangen durch die Einschnürung nach oben, um den Brennstoff in der Festbett-Vergasungszone darüber zu vergasen. Die in der Festbett-Vergasungszone erzeugte Schlacke läuft abwärts durch die Einschnürung hindurch, und die aus dem pulverisierten Brennstoff in der eingeschlossenen Zone erzeugte Schlacke sammelt sich und läuft durch den Schlackenablaß in das mit Wasser gefüllte Löschsystem oder wird in dieses abgelassen. Die Verbrennungsreaktionen in der völlig eingeschlossenen Zone können in einem Wirbel stattfinden, wobei die Schlacke auf die Brennkammerwände herausgeschleudert wird, oder kann in der Turbulenz von einander gegenüberliegend angeordneten Düsen stattfinden. Da die Wände und der Boden dieser Kammer mit Wasserkühlschlangen ausgekleidet sind, wobei die wassergekühlte Einschnürung sozusagen das Dach bildet, kann die gesamte Wand mit erstarrter Schlacke bis zu einer gewissen Gleichgewichtsdicke überzogen sein. Die Schicht aus erstarrter Schlacke bildet einen Schutz für das Behälterinnere und kann den Fluß der Schlacke an den Wänden abwärts von der oberen Vergasungszone erleichtern.
Zusätzlicher Dampf und Sauerstoff (oder mit Sauerstoff angereicherte Luft) können über Blasdüsen 7 in die Festbett-Vergasungszone eingeführt werden. Teere und öle können ebenfalls über diese Blasdüsen 7 oder durch Blasdüsen 6 eingebracht werden.
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Es liegt an der Möglichkeit, das Vergasungsmittel über die volle Querschnittsfläche zu verteilen und große Kohle, insbesondere im oberen Bett, zu verwenden, daß mit weniger stark zusammenbackenden Kohlestücken Durchsätze erzielt werden, die deutlich über denen von bekannten Vergasern mit Schiackenaustrag liegen.
Bei der alternativen Ausführungsform nach Fig. 2 wird das Brennstoffbett in der Festbett-Vergasungszone auf einem Rost 20 abgestützt, der sich quer durch den Reaktionsbehälter erstreckt. Der Behälter kann außerdem mit einer Einschnürung 21 aus feuerfestem Material versehen sein, und die den Rost bildenden Elemente sowie die Einschnürung sind mit inneren Kühlmittelkanälen 22 und 23 ausgestattet.
Ein Gaserzeuger nach der Erfindung hat einige der Vorteile sowohl der Gaserzeuger mit völlig eingeschlossenem Brennstoffbett als auch solchen mit einem Festbett. Er nimmt den gesamten Ausstoß einer Mine bzw. eines Bergwerks bei einem Minimum von Aufbereitung auf. Das Festbett gibt dem System eine "Kohlenstoffkapazität", mit der eine große Menge Kohlenstoff gemeint ist, der innerhalb des Reaktionsbehälters anwesend ist, wobei die Empfindlichkeit, die ein völlig eingeschlossenes System gegenüber einem Verlust von Brennstoffeinspeisung hat, reduziert, wenn nicht gar beseitigt wird. Außerdem wird dadurch ein Gegenstrom des Brennstoffs zum Produktgas hinzugefügt und somit eine gewisse Wiedergewinnung von Wärme vorgesehen, die bei einem völlig eingeschlossenen System fehlt. Ferner wird die Erzeugung von Methan bei Hindurchführung des Produktes durch das Bett begünstigt.
Ein weiterer möglicher Vorteil des zusammengesetzten Gaserzeugers besteht darin, daß er für den Betrieb mit Luft oder mit durch Sauerstoff angereicherter Luft für die Erzeugung einer niedrigen Btu (160 Btu/SCF) als eine von Feststoffpartikeln und Schwefel freie Reduzierung von Synthesegas und als ein Brenn-
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stoffgas für die Energieerzeugung mit kombiniertem Zyklus oder direkte Kesselbeheizung eingerichtet werden kann.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Verfahrens. Die Tabellen 1 und 2 können in Verbindung mit Fig. 3 verwendet werden, um die Werte der Materialverhältnisse aufzuzeigen für Fälle, bei denen es einen hohen Wärmeverlust aus dem Verfahren bzw. alternativ einen niedrigen Wärmeverlust gibt.
Die Teerbeseitigung aus dem Produktgas kann dazu verwendet werden, einen Nebel oder Staub oben auf das Kohlebett aufzulegen, doch bei Verwendung in dieser Weise wird der Teer im Teeraufbereitungssystem wiedergewonnen. Teer kann dadurch vergast werden, daß er vorzugsweise über die Blasdüsen 7 in die Festbett-Vergasungszone injiziert wird.
Herkömmliche Festbettvergaser mit Luftgebläse sind beschränkt durch die niedrige Temperatur oder einen Betrieb, der durch die Notwendigkeit beeinträchtigt wird, eine Brockenbildung zu vermeiden, ein Problem, das beseitigt werden kann, wenn ein Schlackenaustrag-Betrieb angewandt werden kann.
Der Gaserzeuger mit Schlackenaustrag ist nicht besonders geeignet für einen Betrieb mit Luft, da der Stickstoff in der Luft das Volumen der Gase, die in die Verbrennungszone gelangen, verdreifacht und die Tendenz hat, zu einer Instabilität und zu schlechten Verschlackungsbedingungen zu führen. Die Zugabe von Grus unterhalb des Festbettes von Brennstoff in dem Vergaser gemäß der Erfindung erleichtert die Verwendung von Luft oder von mit Sauerstoff angereicherter Luft für die Vergasung unter Verschlackungsbedingungen.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht unbedingt von der Verwendung einer Einschnürung oder eines wassergekühlten Rostes abhängig ist, um die beiden Vergasungssysteme voneinander zu trennen, sondern daß auch andere Mittel für die Kontrolle dieser Grenze in Erwägung gezogen werden können und im Bereich der Erfindung liegen.
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Tabelle 1: Anfängliche Berechnung
der
1 Materia I verhäItn- 2 isse 6 689 4 -
Kohle (bei Zufuhr zu hohem Wärmeverlust) Rohgas- Abfall- 689 Schlacken Gesamt
Strömung Nr. zum Festbett- 3 Produkt schlacke - ablaß-
Strömungs- Fe st- blasdüsen Zufuhr zur Brennergas
iη ha It bett eingeschl.
Stufe 832
931
Einlaß 8045 22674 13408
Bestandteil 1661
Kohle (DAF) 804 5363 1803 919
Kohlefeuch 408 101 680
tigkeit 342 115 33 342
Kohleasche 135 272 55 135
Teere 59 64 169
üle 3304 2215 9472
Stickstoff 3885 110 44 4555
Sauerstoff 6168 37
Dampf 670 162 89 89
Brennergas 56 587 587
CH4 342 1478 1478
Γ 4 9257 7725 135 2154 31834
»l 5 -
Gesamt 12698 31145 Gesamt
Strömung Nr. 736
Strömungs
inhalt
Auslaß 832
Bestandtei1 931
Wasserstoff 22674
Methan 1661
CO 1803
CO9 101
N2 2 33
C?Hfi ' 55
C2H4 64
HCL 2215
H2S 44
Dampf 37
NH3 162
Phenole 56
Naphtha 342
Fettsäure 135
Teere* 689
öle 31834
Schiacke -
Gesamt
Temp.(0C)
Druck = 450 Alle Ströme
PSIG (31,5 bar) in lbs/h
* außer Teer, der zum oberen Teil des Festbettes zurückgeführt wird
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Tabelle 2 .· Anfängliche Berechnung der
1 Materia Iverhä" 1 tmsse 352 89 -
Kohle (bei niedrigem Wärmeverlust) 139 587 Gesamt
Strömung Nr. zum 2 3 4 62 123 1478
Strömungs Fest- Zufuhr zu Zufuhr zur Schlacken- 3447 6901 7331 13633 2154
inhalt Festbett- eingeschl. ablaß- 3331 690 6
blasdüsen Stufe Brennergas Abfall
Einlaß 8281 schlacke 13802
Bestandteil
Kohle 828 5521 946
Kohlefeuch 420 700
tigkeit 118 352
Kohleasche 280 139
Teere 185
öle 10348
Stickstoff 4021
Sauerstoff
Dampf 89
Brennergas 587
CH4 1478
Γ 4
i/o		 9529 32647
N2 5 -
Gesamt Rohgas- Gesamt
Strömung Nr. Produkt
Strömungs
inhalt
Auslaß 795 709 7 95
Bestandtei 1 931 709 931
Wasserstoff 23356 - 23356
Methan 1756 1756
CO 1823 1823
COp 104 104
H0 34 34
C2H6 57 57
C2H4 66 66
HCL 2218 2218
HS 46 46
Dampf 38 38
NH3 166 166
Phenole 57 57
Naphtha 352 352
Fettsäure 139 139
Teere* 709
öle 31938 32647
Schiacke 730 -
Gesamt
Temp.(0C)
Druck = 450
Alle Ströme
PSIG (31 in lbs/h
5 bar)
* außer Teer, der zum oberen Teil
des Festbettes zurückgeführt wird 030009/0564
Leerseite

Claims (5)

PATENTANWALT Friedrich-Ebert-Str. 27 DIPL-ING. ROLF PÜRCKHAUER ' ^Sn1*0928 D- 5900 Siegen 1 Telefon (0271)331970 Telegramm-Anschrift: Patschub, Siegen 79 019 Kü/u British Gas Corporation P 28 57 286.3 " 6' SEP. 1979 Patentansprüche
1. Kohlevergasungsverfahren und Vorrichtung dafür, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen von Brennstoff zum oberen Bereich eines Reaktionsbehälters (1) und zum separaten Aufrechterhalten einer Festbett-Brennstoffvergasungszone (2), durch Zuführen von zusätzlichem Brennstoff zusammen mit einem Vergasungsmittel, um die Reaktion in einer eingeschlossenen Brennstoffvergasungszone (3) einzuleiten und aufrechtzuerhalten, die im unteren Bereich des Behälters (1) angeordnet ist, wobei die Vergasungsprodukte aus der eingeschlossenen Brennstoff-Vergasungszone (3) aufwärts durch die Festbett-Vergasungszone strömen und Brennstoff in dieser vergasen, wobei ferner Schlacke aus der oberen Vergasungszone (2) abwärts strömt, um sich mit der Schlacke aus der eingeschlossenen Vergasungszone (3) zu vermischen und über einen Schlackenauslaß (4) in ein Schiackenlöschsystem (10) unterhalb des Reaktionsbehälters (1) austritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Vergasungsmittel der Festbett-Vergasungszone (2) zugeführt werden.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß die Festbett-Vergasungszone im oberen Bereich des Behälters durch eine Einschnürung (18) gehalten wird, welche innerhalb des Behälters gebildet ist, um die Abwärtsströmung des Brennstoffes zu begrenzen und das Brennstoffbett abzustützen .
030009/0564
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festbett-Vergasungszone (2) im oberen Bereich des Behälters (1) durch einen Rost (20) gehalten wird, der sich quer durch den Behälter erstreckt, um die Abwärtsströmung von Brennstoff zu begrenzen und das Brennstoffbett abzustützen.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost (20) durch Umlauf eines entsprechenden Kühlmittels durch die den Rost bildenden Elemente gekühlt wird.
030009/0564
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