DE2947222A1 - Verfahren zur vergasung von festem, staubfoermig bis stueckigem kohlestoffhaltigem material - Google Patents
Verfahren zur vergasung von festem, staubfoermig bis stueckigem kohlestoffhaltigem materialInfo
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Description
PATENTANMELDUNG
Anmelder: Carbon Gas Technologie GmbH, 4030 Ratingen
Titel: Verfahren zur Vergasung von festem, staubförmig bis stückigem kohlestoffhaltigem
Material.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von festem, staubförmigem
bis stückigem, kohlenstoffhaltigem Material in einem Prozeß, bei dem Wirbelschicht-und
Flugstaubvergasung und ggf. auch noch eine Festbettvergasung in einem, aus einer oder mehreren Stufen bestehendem Reaktionsraum gemeinsam
ablaufen, wobei eine Rückführung des aus dem erzeugten Gas abgeschiedenen Feststoffes in. den Raktionsraum erfolgt.
Verfahren mit der Anwendung der drei Gas-Feststoff-Raktionen in einem
Reaktionsraum sind bekannt. Dabei wird der vom Produktgas mitgeführte Anteil an feineren Feststoffpartikeln aus der Wirbelschicht in einem Zyklon abgeschieden,
der oberhalb der Wirbelschicht im Reaktioneraum angeordnet ist. Der
im Zyklon abgeschiedene Feststoff fällt unmittelbar einer sich am unteren Austritt des Zyklons angeschlossenen Vergasungseinrichtung zu, die aus einem
Vergasungsbrenner und einer Vergasunskammer besteht. Aus der Vergasungskammer treten die Staub-Vergasungsprodukte (Gas-Feststoff und flüssige
Schlacke) aus und werden von oben auf die Wirbelschicht geblasen. Dabei geben sie einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an die Wirbeischicht ab. Die flüssige
Schlacke soll verfestigt und durch die Wirbelschicht in das darunter angeordnete
Festbett abgeschieden werden.
Beim Aufblasen der Staub-Vergasungsprodukte auf die Wirbelschicht wird ein
umso kleinerer Teil der fühlbaren Wärme der Staubvergasungsprodukte zur
Aufwärmung der Wirbelschicht genutzt, je geringer die Eindringtiefe des Gasstrahles in die Wirbelschicht ist. Dadurch wird das Staubvergasungsgas
möglicherweise nicht weit genug abgekühlt und die Mischtemperatur von Staubvergasungsgas und Wirbelschichtvergasungsgas auf dem Weg zum Zyklon
liegt höher, als beim vollständigen Wärmetausch innerhalb der Wirbelschicht.
Dadurch besteht die Gefahr, daß Aschenteile, insbesondere Feinanteile, im Schmelzbereich verbleiben und an den Wänden des Reaktionsraumes auf dem Wege zum Zyklon und in diesem selbst ankleben.
Dadurch besteht die Gefahr, daß Aschenteile, insbesondere Feinanteile, im Schmelzbereich verbleiben und an den Wänden des Reaktionsraumes auf dem Wege zum Zyklon und in diesem selbst ankleben.
130022/0487
ORIGINAL INSPECTED
ORIGINAL INSPECTED
Bei dem bekannten Wirbelschichtvergasungsverfahren erfolgt die Trennung von
Ga3 und aus der Wirbelschicht aufgetragenem Feststoff in einem Zyklon, der
entweder im Reaktionsraum untergebracht ist, von wo aus der Feststoff durch Fallrohre wieder in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, oder auch in einem
Zyklon außerhalb des Reaktionsraumes, von wo der Feststoff ebenfalls in die Wirbelschicht zurückgebracht wird.
Wegen seiner Feinheit wird dieser rückgeführte Feststoff aber wieder sehr
schnell aus der Wirbelschicht aufgetragen, so daß dort nur ein Teil der in ihm
enthaltenen Reinsubstanz umgesetzt werden kann. Dadurch kann der Umlauf
dieses Feststoffanteiles unter Umständen auf erhebliche Werte ansteigen und zu einer Anreicherung der Asche in der Wirbelschicht führen.
Durch einen über der Wirbelschicht angeordneten, sehr voluminösen sogenannten
Berührungsraum, in den auch noch zusätzlich Sauerstoff für eine Nachvergasung eingeführt wird, versucht man diesen Nachteil zu begegnen, was in der Praxis
jedoch nur zum Teil gelingt.
Die Zusammenfassung von Zyklon-Vergasungsbrenner und Vergasungskannmer zu
einer Einheit in einem ergänzenden Vorschlag hat aus der Sicht der Betriebsführung den entscheidenen Nachteil, daß eine Wartung des empfindlichen
Staubvergasungsbrenners nicht oder nur unter Inkaufnahme erheblicher Ausfallzeiten
möglicht ist, da Zyklon, Staubveryasungsbrenner und Vergasungskammer
als eine gekühlte Einheit im Reaktionsraum selbst angeordnet sind.
Die Verfügbarkeit einer Betriebsanlage wird damit beträchtlich eingeschränkt.
Die Verfügbarkeit einer Betriebsanlage wird damit beträchtlich eingeschränkt.
Ein weiterer erheblicher Nachteil ist der Umstand, daß diese Staubvergasungsvorrichtung
blind betrieben werden muß, da man nicht feststellen kann, ob überhaupt und wieviel Feststoff über die vier Ausläufe des Zyklons zum
Vergasungsbrenner geführt wird. Eine richtige Zuordnung des Vergasungsmittels z. B. Sauerstoff ist daher nicht möglich. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist
man gezwungen, Wasserstoff oder gereinigtes, in der Anlage selbst produziertes Gas in einer solchen Menge der Staubvergasung zuzuführen, daß der Sauerstoff
auch bei Ausfall der Feststoffzuführung vollsändig umgesetzt wird. Wasserstoff
bzw. gereinigtes Produktgas ist über der teuerste im Verfahren eingesetzte Energieträger.
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ORIGINAL INSPECTED
Beide werden zu Wasserdampf bzw. Wasserdampf und Kohlendioxyd unter
Erzeugung einer sehr hohen Temperatur verbrannt und sollen sich wieder mit der Reinstubstanz des Feststoffes zu Wasserstoff und Kohlenmonoxyd umsetzen.
Bekanntlich laufen solche Vorgänge nicht vollständig ab, umsoweniger, je
schlechter die Mischung Feststoff und Vergasungsmedium und je kleiner bei gegebener Reaktionstemperatur die zur Verfugung stehende Zeit ist.
Bei dem bekannten Vorschlag sind diese Mischungsverhältnisse nicht optimal, da
sich der Feststoff vom Vergasungsmedium wegen der Einwirkung der Fliehkraft
entfernt.
Es steht außerdem in der bekannten Staub-Vergasungseinrichtung nur eine
Vergasungszeit in der Größenordnung von 0.05 Sekunden zur Verfugung. Diese
Zeit reicht nur aus, einen :.ohr kleinen Teil des Feststoffes umzusetzen, da bei
Stnub 0,1 mrn zur vollständigen Umsetzung wenigstens 0,2 -0,3 Sekunden bei
Reaktionstemperaturen gröüer 1 600 ° C benötigt werden.
Man hat auch übersehen, daß bei den bekannten Staubvergasungsverfahren
Korngrößen 0,1 mm, d.h. mittlere Korngrößen um 0,025 mm eingesetzt
werden, aus der Wirbelschicht wird der Staub aber mit Korngrößen bis 1 mm ausgetragen. Der rückgeführte Feststoff hat also eine mittlere Korngröße, die
um mindestens einen Zehnerfaktor höher liegt als bei der Staubvergasung. Dementsprechend wird bei gleichen Reaktionstemperaturen und -zeiten auch
entsprechend weniger Reinsubstanz des rückgeführten Feststoffes umgesetzt.
Weiter soll nach dem bekannten Verfahren die Asche vollständig geschmolzen und
in der darunter befindlichen Wirbelschicht granuliert und daraus ausgeschieden werden. Ein Aschekorn ν in 0,1 mrn 0 benötigt aber bei 1 600 0C Reaktionstemperatur und einem Ascheschmelpunkt von z. B. 1 300 C zum Durchschmelzen
schon eine Zeit von knapp Ü,3 Sekunden.
Das bedeutet, daß in dem bekannten Staubvergaserteil nur ein geringer Anteil der
Reinsubstanz umgesetzt und nur ein kleiner Teil der Asche eingeschmolzen wird.
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IWSPEÖItD
Damit erhöht sich die Menge des umlaufenden und ständig zurückgeführten
Feststoffes derart, daß unter Umständen durch den Vergasungsbrenner genau so viel oder noch mehr Feststoffe eingeführt werden wie in die Wirbelschicht-und
Festbettzone zusammen. Das führt aber auch zu einem hohen Sauerstoff- und Gasbedarf, da der mehrmals rückyeführto Feststoff auch mehrmals von z.B.
1 000 C auf 1 6000 C aufgewärmt werden muß. Außerdem ist dann der Wärmeausgleich zwischen dur Wirbelschicht und den Staubvergasungsprodukten
wegen des zu großen Anteiles der Staubvergasunrjsprodukte nicht mehr
aufeinander abzustimmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, das diese
Nachteile vermeidet und den Einsatz kombinierter Verfahren in der Praxix
ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Vergasung von festem,
etaubförmigem bis stückigem, kohlenstoffhaltigem Material mit Sauerstoff
und/oder Luft und ggf. Wasserdampf bei Drücken von 1 bis etwa 80 bar in einem Prozeß vorgeschlagen, bei dem Wirbelschicht- und Flugstaubvergasung ggf. auch
noch eine Festbettvergasung in einem aus einer oder mehreren Stufen bestehendem Reaktionsraum gemeinsam ablaufen und wobei eine Rückführung der aus den
erzeugten Gasen abgeschiedenen Feststoffe in den Reaktionsraum erfolgt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in Richtung des Gasstromes einer ggf.
vorhandenen Festbettverganunn zwei übereinander angeordnete und miteinander
verbundene Stufen einer Wirbijlsehichtvercjafiuny folgen, wobei in diu untere
Wirbelschicht die Einführung des Rahfeststoffes erfolgt und außerdem von oben
eine oder mehrere Flugstaub-Vergasungskammern mit außerhalb des Reaktionsraumes aufgesetzten Vergasungsbrennern eintauchen oder direkt über der
Wirbelschicht enden, denen die rückgeführten Feststoffe entweder unmittelbar einem oder mehreren, oberhalb der oberen Wirbelschicht im Reaktionsraum
angeordneten Zyklonen oder nach Trennung von dem erzeugten Gas in außerhalb
des Reaktionsraumes angeordneten Abscheidern, denen oder dem ggf. eine Abkühlung des abzuscheidenden Feststoffes folgt bzw. vorgeschaltet ist und
woran sich ggf. eine Zerkleinerung des abgekühlten Feststoffes anschließt,
zugeführt wird.
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ORiQlNAL
Der zu vergasende Roh-Brennstoff wird in die untere Wirbelschicht eingebracht
z. B. seitlich mit Hilfe von Schnecken, durch ein Fallrohr von oben oder in sonstiger Weise. Die Korngröße des Brennstoffes reicht von 0 bis 100 oder auch
nur von 0 bis 30 mm, wenn unter der Wirbelschicht ein Festbett vorgesehen ist; von 0 bis 8 oder 10 mm, wenn nur ein verkleinertes Festbett oder auch nur ein
Ascheaustrag vorhanden ist. Im ersten Fall kann der Feinanteil der Kohle, d.h.
der Anteil kleiner als 1 mm ca. 15 bis 20 % betragen, im zweiten Fall aber auch Werte von z.B. 40 % erreichen.
Zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht muß die Wirbelgeschwindigkeit des die
Wirbelschicht durchströmenden Gases, entstanden aus Vergasungsmittel und Kohle, etwa das 3- bis 4fache der sogenannten Lockerungsgeschwindigkeit
betragen, die auf das mittlere Korn der Wirbelschicht bezogen wird. Bei den
Körnern, die grüOer 3ind als dus mittlere Korn, ist dae Verhältnis von Wirbel-zu
Lockerungsgeschwindigkeit dann kleiner als 3 bis 4. Diese groben Anteile
bewegen sich im unteren Teil der Wirbelschicht oder fallen aus dieser aus. Umgekehrt ist es bei den Kornanteilen, die feiner sind als das mittlere Korn. Sie
bewegen sich im oberen Teil der Wirbelschicht und werden ab einer bestimmten Größe mit dem Gas aus der Wirbelschicht ausgetragen. Mit steigendem
Vergasungsdruck sinkt die Lockerungsgeschwindigkeit - bei gröberen Teilen stärker als bei feineren - und damit auch die effektiv erforderliche Wirbelgeschwindigkeit.
Die Wirbelschicht wird stabiler. Von den Feinanteilen wird der
gröbere Anteil, der beim drucklosen Betrieb noch nach oben ausgetragen würde, in der Wirbelschicht verbleiben und damit den prozentualen Anteil des ausgetragenen
Feststoffes von der insgesamt in den Reaktionsraum eingetragenen Brennstoffmenge verringern.
Der nach relativ kurzer Zeit aus der Wirbelschicht ausgetragenen feine
Feststoffanteil ist nur entgast oder teilvergast. Aus wirtschaftlichen Gründen, zumindest bei hohen Brennstoff kosten, ist es notwendig, diesen Feststoff zur
vollsändigen Vergasung in das System zurückzuführen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es am zweckmäßigsten, diesen Feinkornanteil
zu Vergasungsbrennern zu bringen, die außerhalb des Reaktionsraumes so angeordnet sind, daß sie im technischen ßotrieb leicht zu warten sind. Dazu wild
als eine der Möglichkeiten vorgeschlagen, die Wirbelschicht in zwei, durch eine
Strecke engeren Querschnittes verbundene Wirbelschichtstufen zu unterteilen.
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Ä inspected
Im Bereich der Querachnittsverengung werden außerhalb des Reaktionsraumes
der bzw. die Vergasungsbrenner angeordnet, denen sich nach unten die in den
Reaktionsraum hineinragenden Vergasungskammern anschließen, die bis dicht über bzw. in die untere Wirbelschicht hineinragen. In weiterem Ausbau der
Erfindung wird außerdem vorgeschlagen, jede Staubvergasungskammer in Länge
und Volumen so zu dimensionieren, daß über der Wirbelschicht ein Beruhigungsraum von einer Höhe entsteht, der wenigstens dem dreifachem der Wirbelschichthöhe
entspricht und wobei die Vergasungskammern ein Volumen aufweisen, das, bezogen auf die dort erzeugte Gasmenge, ausreicht, wenigstens die Hälfte der
eingeführten Reinsubstanz zu vergasen und mindestens die Hälfte der eingeführten
Asche zu schmelzen.
Weiter wird vorgeschlagen, daß die Vergasungskammern so dicht über die
Wirbelschicht geführt werden oder in diese eintauchen, daß zwischen dem aus ihnen austretenden heißen Gasstrahl, der flüssigen Schlacke und der Wirbelschicht
ein so großer Wärmeaustausch erfolgt, daß die aus der Vergasungskammer austretende flüssige Schlacke zumindestens oberflächlich soweit verfestigt wird,
daß die aus der Wirbelschicht nach unten ausgeschiedenen groben Schlackenteile und die mit dem Gasstrom nach oben mitgerissenen feinen Schlacketeilchen keine
Verechlackungserscheinungen mehr verursachen.
Bei einer Teilvergasung von Kohlenstaub mit einer Korngröße < 0,1 mm
werden für einen Reinkohlenumsatz von z.B. 70 % bei einer Reaktionstemperatur
von z.B. 1 500 0C etwa 0,3 Sekunden benötigt. Etwa die gleiche Zeit ist
erforderlich, um bei Temperaturen von 1 600 C und mehr die Reinsubstanz
nahezu vollständig zu vergasen. Aber auch der Schmelzvorgang der Asche ist
zeitabhängig. Um ein Aschekorn von 0,1 mm 0 durchzuschmelzen, werden bei z.B.
auch ca. 0,3 Sekunden benötigt., wenn der Ascheschmelzpunkt bei 1 300 C liegt.
Daraus folgt, daß nach der vorliegenden Erfindung die Aufenthaltszeit in der Staubvergasungskammer bei Korngrößen 0,1 mm und einer Reaktionstemperatur
von 1 600 0C und mehr wenigstens 0,2 Sekunden beträgt um für den
Brennstoffumsatz und die Schlacke-Einschmelzung einen ausreichenden Wert zu erreichen. Kornfeinheit, Reaktionstamperatur, Aufenthaltszeit und Ascheschmelzpunkt
sind also die Faktoren, die aufeinander abgestimmt sein müssen.
In einem Kohlekorn sind Reinsubstanz und Asche vermengt. Das Aschegerüst
beginnt, wie die Erfahrung zeigt, erst dann zu schmelzen, wenn wenigstens 80 % der Reinsubstanz abgebaut sind. 1 3 0 Ω ? ? / f) / ß 7
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ORIGINAL INSPECTED
Der Schmelz Vorgang erfährt damit also eine zusätzliche Verzögerung, d.h.,
bezüglich dee Schmelzena dor Asche eines Kokskornes ist eine größere Aufenthaltszeit
in der Staubvergasungskammer erforderlich als für ein reines Aschekorn
gleicher Größe.
Von Vorteil ist, daß durch die vom Vergasungsbrenner erzwungene Rotationsströmung in der Vergasungskammer die schweren Ascheteile schnell an die
Begrenzungswände geführt werden, wo sie mit ihrer erweichenden Oberfläche auf den an der Wand bereits vorhandenen flüssigen Schlackenfilm bzw. auf in der
Erweichung fortgeschrittene Ascheteile auf treffen und anhaften. Dann steht
ihnen zur Verflüssigung mehr Zeit zur Verfügung als im Gasstrom allein.
Der Auslauf der flüssigen Schlacke aus der Vergasungskammer wird zweckmäOigerweise
so gestaltet, daß die Schlacke in Flüssigkeitsstrahlen solcher Dicke in die Wirbelschicht ausströmt, daß in der Wirbelschicht bei der Verfestigung
Schlackenkörner entstehen, die mit Sicherheit nach unten aus der Wirbelschicht ausfallen.
Die Qualität des Wärmeaustausch zwischen Wirbelschicht und Staubvergasungsprodukten
bestimmt die Einsparung an Oxydationsmittel, z. B. vom Sauerstoff zur Aufheizung der Wirbelschicht. Bei einer Austrittstemperatur der Staubvergasungsprodukte
von z. B. 1 6000C in die Wirbelschicht wird z.B. nur gerade
soviel Sauerstoff neben dem erforderlichen Dampf in die Wirbelschicht von unten
eingeführt, daß sich eine Wirbelschichttemperatur von z. B. 1000 C einstellt und
mit dieser Temperatur die Vergasungsprodukte den Reaktionsraum verlassen. Die Grenze dieser Temperatur wird nach oben bestimmt von der erforderlichen
Vergasungsgeschwindigkeit einerseits und dem Erweichungsverhalten der Asche bzw. Schlacke andererseits.
Die Führung der Staubvergasungsprodukte bis dicht über die Wirbelschicht oder in
diese hinein führt dort zu einer erheblichen Turbulenz, wodurch ein stärkerer Auswurf gröberer Anteile aus der Wirbelschicht nach oben zu erwarten ist als bei
einer normalen Wirbelschicht. Aus diesem Grund wird nach der Erfindung
vorgeschlagen, über den Wirbelschichten einen Beruhigungsraum anzuordnen, der
wenigstens die 3fache Höhe der Wirbelschicht selbst aufweist, um den aus der Wirbelschicht ausgeschleuderten gröberen Teilen die Möglichkeit zu geben,
wieder in die Wirbelschicht zurückzufallen.
130022/0487 OMGlNAL INSPECTED
Eine Wirbelschicht zeichnet sich durch hohe Wärme- und Stoffübergänge und
durch eine sehr gleichmäßige Temparaturverteilung über dem Schichtquerschnitt
aus. Der Wärmevorrat ist wegen der großen Masse der Schicht sehr hoch, so da3
man bei Erwärmung der im Vergleich dazu geringen Menge des eingebrachten Rohbrennstoffes von nahezu gleichbleibender Umgebungstemperatur ausgehen
kann. Wird Kohle mit Korngrößen von z.B. 0 bi3 50 mm eingeführt, so erwärmen
sich die einzelnen Körner, Kugelgestalt vereinfachend vorausgesetzt, um so
schneller, je kleiner ihr Durchmesser ist. Wegen des hohen Wärmeüberganges in der Wirbelschicht auf die Kohlekugel und der sehr kleinen Wärmeleitfähigkeit der
Kohle kann die Oberflächentemperatur der Kohle über einen bestimmten Zeitraum der Erwärmung der Kornmittelpunkttemperatur weit vorauseilen, d. h.
es bilden sich erhebliche Temperaturdifferenzen aus, die mit zunehmender Korngröße zunehmen. Der Temperaturabfall von der Kornoberfläche zum
Mittelpunkt erfolgt dabei praktisch bereits in der äußersten Kornschicht.
Diese Temperaturdifferenzen können, zusammen mit der Entwicklung der
flüchtigen Bestandteile der Kohle während der Erwärmung und den Reibungs- und
StoOeffekten in der Wirbelschicht, zur weiteren Zerkleinerung der eingeführten
Feststoffe führen. Dadurch kann der zur Festbettvergasung gelangende Grobanteil
kleiner werden als nach der Körnungskennlinie des Rohgutes erwartet, dagegen der aus der Wirbelschicht ausgetragenen Feinanteil vergrößert werden.
in die Wirbelschicht eingeführten Rohstoffes, beispielsweise durch Vorentgasung,
Voroxydation usw.
Der aus der unteren Wirbelschicht trotz des darüber angeordneten Beruhigungsraumes nach oben ausgetragene Feststoffanteil gelangt über die hier gewählte
Strecke engeren Querschnittes zur oberen Wirbelschicht. Diese Methode ist nur eine der Übergangsmöglichkeiten Da in der oberen Wirbelschicht nur noch der
feinere Anteil des insgesamt eingebrachten Kornbandes behandelt wird, wird diese Stufe wegen der erforderlichen geringeren Wirbelgeschwindigkeit im
Querschnitt vorteilhafterweise größer ausgelegt, als die untere Wirbelschicht, wodurch die Vergasungzeit der au3 der unteren Wirbelschicht zu schnell
ausgetragenen Feinstoffanteile erheblich vergrößert werden kann. Der nach noch mit dem Vergasungsgas ausgetragene Staubanteil gelangt nach dem Beruhigungsraum über der obenen Wirbelschicht zu den Abscheidern, in denen produziertes
Vergasungsgas von verbleibendem Koksstaub getrennt wird.
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Diese Trennstelle, es können auch mehrere sein, kann sowohl im Reaktionsraum
als auch außerhalb desselben angeordnet sein. Bei der Abscheidung im Reaktionsraum erfolgt die Trennung von Gas und Koksstaub bei sehr hohen Temperaturen,
z.B. bei 900 - 1 000 0C. Es ist bekannt, daß der Abscheidegrad eines Zyklon bei
hohen Temperaturen erheblich schlechter iat als bei niedrigen, wenn man nicht
einen entsprechend höheren Druckverlust in Kauf nehmen will. Selbstverständlich kann die Abscheidung bei hohenTemperaturen auch außerhalb des Reaktionsraumes stattfinden. Zweckmäßigerweise wird man aber das Gas-Koksstaub-Gemisch
erst auf eine mit Hilfte von Wärmetauschern vernünftigerweise anstrebbare Temperatur abkühlen, z. B. 150 bJ3 200 C und dann eine Trennung in
Elektro- oder Tuchfiltern vornehmen. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, den aus dem Reaktionsraum ausgetragenen Feststoff in einen gröberen und einen feineren
Anteil aufzuteilen, wobei der gröbere Anteil in den Umlenkungen des Wärmetauschers
zur Abkühlung des Ga3-Staub-Gemisches z.B. einem Abhitzekessel anfällt, der Feinanteil im Filter. Nach der vorliegenden Erfindung werden die
Feststoffe aus der Feinentstaubung, falls sie noch einen zu hohen Reinsubstanzgehalt
aufweisen, direkt den Vergasungsbrennern zugeführt, die Feststoffe aus den Grobentstaubung, z.B. aus dem Abhitzekessel, entweder direkt in eine der
Wirbelschichten, vorzugsweise in die untere, eingebracht oder nach Aufmahlung auf Korngrößen
< 0,1 mm dem Vergasungsbrenner zugeführt. Wenn nach einer Grobentstaubung die Feststoffe aus der Feinentstaubung wegen zu hohen
Ascheanteiles aus dem Pro/eß ausgeschieden werden, kann der Grobanteil oder
der ggf. aufgemahlene Grobanteil auch Vergasungsbrennern zugeführt werden, deren nachgeschaltete Vergasungskammern nicht im Reaktionsraum sondern
seitlich an diesem in Bereichen geringer Stoffdichte angeordnet sind, z.B. im Übergangsbereich zwischen Festbett und Wirbelschicht oder im Bereich der
Beruhigungsräume. Dabei muß nicht unbedingt ein Einschmelzen der Asche
erfolgen. In diesem Falle werden Temperaturen angewandt, die z.B. nicht über
1 450 0C liegen bei Vergasungszeiten in der Größenordnung von 0,5 Sekunden.
Der Reinsubstanzumsatz wird dabei mehr als 60 % betragen, weshalb etwa ein l,5facher Umlauf der Feinanteile in Kauf genommen würde. Bei seitlicher
Anordnung einer oder mehrerer Vergasungskammern ist das Verhältnis der durch
sie eingeführten Wärmemenge zu der im entsprechenden Bereich des Reaktionsraumes vorhandenen zu beachten, da an keiner Stelle eine Temperatur überschritten
werden darf, die ein Ansetzen der Asche an die Wände des Reaktionsraumes infolge Ascheschmelzens verursachen könnte.
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Weiter ist zu beachten, daß bei schräger Anordnung der Staubvergasungseinrichtungen
der Strömungsablauf in der Staubvergasungskammer, damit der
Feststoffumsatz, umsomehr gestört wird, je dichter das Medium ist, in das die
Vergasungsprodukte einströmen müssen.
Bei der Anordung von einem oder mehreren Zyklonen im Beruhigungsraum des
Reaktionsraumes vor Austritt des Gases fällt der dort abgeschiedene Staub direkt
den nachgeordneten, außen auf die Vergasungskammern aufgesetzen Vergasungsbrennern zu, denen daneben auch noch die Vergasungsmedien, Sauerstoff
und/oder Luft und ggf. Wasserdampf zugeführt werden, die gleichzeitig zum Transport des abgeschiedenen Staubes durch die Vergasungskammern genutzt
werden. Da die abgeschiedene Staubmenge aus dem Zyklon nicht bekannt ist, dieser Staubmenge aber die Vergasungsmedien zuzuordnen sind, wird man
zweckmäßigerweise eine Dichtemessung des Stromes im Zuführungsruhr zur Vergasungskammer mit Hilfe von Strahlungsgeräten der Regelung zugrunde
legen. Exakter läßt sich die Zuordnung der Vergasungsmittel zu dem zu vergasenden Feststoff ausführen, wenn der innerhalb oder außerhalb des
Reaktionsraumes aus dem Gas-Staub-Gemisch abgeschiedene Staub nicht unmittelbar,
sondern über einen Zwischenbehälter dem Vergasungsbrenner zudosiert wird. Ein weitere Vorteil ist der, daß den Vergasungsmitteln ein sehr viel
größerer Druckbereich zur Überwindung der dem Brenner nachfolgenden Druckverluete
zur Verfügung steht als z.B. bei der direkten Überführung de3 abgeschiedenen Staubes aus dem Zyklon zum Brenner mit Hilfe von Injektoren
oder Difusoren. Da mechanische Koksstaubzuteilorgane sehr hohen Staubtemperaturen
nicht gewachsen sind, wird nach der Erfindung vorgeschlagen, eine Abkühlung des abgeschiedenen Staubes, z.B. in den Zwischenbehältern, durchzuführen.
Wird abgeschiedener Staub vor der Nachvergasung aufgemahlen, ist auch
von daher eine Abkühlung des Staubes zweckmäßig. Die aus dem abgeschiedenen heißen Koksstaub entzogene Wärme, wie auch bei gemeinsamer Abkühlung von
Gas und Koksstaub, wird nach der Erfindung auf im Vergasungsprozeß benötigte
Medien übertragen, der Überschuß auf fremde Medien, z.B. zur Erzeugung von
Dampf für eine Turbine genutzt.
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Die aus dem Roaktionsraum ausgetragene Staubmenge kann in der Menge stark
schwanken. Zum Ausgleich, aber auch aus anderen Gründen, können nach der
Erfindung dem oder den Vergasungsbrennern neben oder anstelle des rückgeführten teilvergasten Feststoff es auch andere Brennstoffe zugeführt werden,
z.B. Kohlenstaub, Teer, Heizöl oder ähnliche. Beispielsweise könnte auch
Gichtstaub eingesetzt werden, um eine eisenreiche Schlacke zu gewinnen, die zu Eisenschwamm aufgearbeitet werden könnte. Im Prinzip könnten also Stoffe
zusätzlich eingesetzt werden, die einen Beitrag zum Vergasungsprozeß leisten könnten, da sie z.B. anders nicht mehr wirtschaftlich verwertbar sind oder die
Gewinnung eines weiteren, verwertbaren Produktes neben dem Gas ermöglichen.
Erfolgt eine Aufmahlung des vom Gas abgetrennten Feststoffes und Rückführung
zum Staubvergasungsbrenner, wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die
obere Wirbelschicht entfällt. Die obere Wirbelschicht hat im wesentlichen die
Aufgabe, den aus der unteren Wirbelschicht ausgetragenen gröberen Staubanteilen
eine zusätzliche Vergasungsmüglichkeit zu bieten. Wegen der relativen
Feinheit werden diese Teile aber auch dort nicht lange genug verbleiben, wenn man den Querschnitt der oberen Wirbelschicht nicht entsprechend groß gegenüber
der unteren Stufe ausführt. Ein gewisser Anteil wird daher auch aus der oberen
Wirbelschicht ausgetragen. Wenn aber eine Aufmahlung der gröberen Anteile erfolgt, spielt es keine entscheidene Rolle, ob z.B. 15 oder 20 % der insgesamt in
den Reaktionsraum eingeführten Brennstoffmenge zu Koksstaub auf gemahlen wird, wenn eine Mahleinrichtung sowieso vorhanden ist. Koksstaub, der durch
schnelle Erhitzung von Kohlenstaub entstanden ist, benötigt weniger Mahlenergie als gleichgroßer Kohlenstaub.
Auf den bisher üblichen großen Beruhigungsraum über einer Wirbelschicht könnte
zumindest zum großen Teil verzichtet werden, da auch der Übergang z.B. zum
nachgeschalteten Abhitzekessel als solcher benutzt werden könnte.
In der Wirbelschicht erfolgt eine Separation der eingeführten Rohbrennstoffe
nach den Korngrößen. Körner unter z.B. 1 mm werden mehr oder weniger schnell aus der Wirbelschicht nach oben ausgetragen, Körner größer z.B. 10 mm nach
unten in das Festbett ausgeschieden. Daneben findet eine Aufheizung der Kohlekörner statt, deren Geschwindigkeit von der Korngröße abhängt.
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Wahrend der Separation nach Korngrößen und der unterschiedlichen Aufwärmung
erfolgt gleichzeitig eine von der Korngröße abhängige, mehr oder weniger vollständige Entgasung, das heißt, eine Umwandlung vom Kohlekorn zum
Kokekorn. In der relativ kurzen Zeit vom Einbringen in die Wirbelschicht bis zum
Ausscheiden der groben Kornanteile in das Festbett ist das Feinkorn unter 1 mm praktische entgast und zum Teil auch schon teilvergast, während z.B. das 50 mm
Korn nur oberflächlich vorbehandelt in das Festbett ausfällt.
Im Festbett wird das Vergasungsmittel von unten zugegeben, dort liegt dann auch
die heißeste Zone. Das dort gebildtete Gas strömt durch die Schüttung nach oben,
gibt dabei Wärme an den aufzuheizenden Feststoff ab und strömt mit relativ niedriger Temperatur zur Wirbelschicht, wo die kondensierbaren Bestandteile wie
z.B. Teer aufgespalten werden. Dieser Übergang vom Festbett zur Wirbelschicht ist, wie schon erwähnt ein möglicher Ort zur Anordnung der Staubvergasungseinrichtung,
insbesondere dann, wenn die Staubvergasung bzw. Staubteilvergasung bei Temperaturen erfolgt, bei denen noch kein Schmelzen der Asche eintritt.
Wird dabei dennoch flüssige Schlacke in das Festbett abgeschieden, muß sichergestellt sein, daß möglicherweise auftretenden Verschlackungen im Festbett
durch fitrömungstechnische Maßnahmen z.B. periodisch stoßweises Zugeben
werden, damit die Gasströmung sichergestellt ist.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher erläutert. Die Figuren 1 bie 3 zeigen jeweils
schematisch im Längsschnitt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
In der Figur 1 ist ein Beispiel für die Abtrennung de3 Koksstaubes in Zyklonen im
Reaktionsraum oberhalb der oberen Wirbelschieht-stufe mit jeweils einem
direktem Zulauf zu außerhalb des Reatkionsraumes angeordneten Vergasungsbrennern, deren Vergasungskammern in die untere Wirbelschichtstufe ragen. Das
Beispiel gilt im Prinzip sowohl für den Betrieb unter Druck als auch für den drucklosen Betrieb. Der Gesamt-Reaktion3rauin umfaßt die untere Wirbelschichtstufe
1, die obere Wirbelschichtstufe 2, die Verbindungsstücke 3 zwischen den
beiden Wirbelschichtstufen, die Feststoffstufe 4 mit dem Übergang 5 zur
Wirbelschicht sowie die Asche- bzw. Schlackenschleusen 6.
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Der zu vergasende Brennstoff wird mit Schnecken 7 in die untere Wirbelschicht 1
eingeführt, dem bei 8 die Vergasungsrnedien Sauerstoff und/oder Luft sowie ggf.
Wasserdampf zugeführt werden. Die Zugabe der Vergasungsmittel, auch bei 9 für die obere Wirbelschicht 2 und 10 für das Festbett 4, richtet sich nach den dort zu
vergasenden Anteilen und werden zweckmäOigerweise so hoch wie wirtschaftlich
vertretbar vorgewärmt. Während die Grobteile aus der unteren Wirbelschichtstufe 1 durch das Übergangsstück 5 in die Festbettstufe 4 gelangen, werden die
Feinanteile durch den1 Beruhigungsraum 11 und die Verbindungsstrecke 3 sowie
daa Übergangsstück 12 in die obere Wirbelschichtstufe 2 transportiert, um dort
ggf. durch Zugabe weiterer Vergasungsmittel bei 9 weiter vergast zu werden. Die
obere Wirbelschichtstufe 2 weist dabei einen größeren Querschnitt auf als die untere Wirbelschichtstufe 1.
Der aus der oberen Wirbelschichtstufe 2 ausgetragene Feststoff gelangt mit dem
Gas durch den Beruhigungsraum 13 zu den Zyklonen 14, in die sie bei 15 eintreten. Das Vergasungsgas verläßt die Zyklone 14 über Leitungen 16 zu
beispielsweise einer Sammelleitung 17, die zu nachgeschalteten Wärmetauschern zur Abkühlung do3 Gases führt. Der abgeschiedene Koksstaub fallt über
Fallrohre 1Θ den Vergasungsbrennern 19 zu, dem über Zugänge 20 Vergasungsmittel,
z. B. Sauerstoff und Wasserdampf, in geeigneter Weise zugeführt wird.
Zwischen Austritt es Fallrohres 18 aus dem oberen Wirbelschichtberich 2/12 bis
zum Eintritt in den Vergasungsbrenner 19 ist eine Meßstrecke 20 angeordnet, wo durch Dichtmessungen mit Hilfe von Strahlungsgeräten die Menge des nach unten
strömenden Koksstaubes gemessen wird. Dieser Meßwert ist der Geber für Menge
und Verhältnis der in den Vergasungsbrenner 19 bei 20 eingeführten Vergasungsmedien, womit deren richtige Zuordnung zur Koksstaubmenge gewährleistet ist.
Auch die zusätzliche Zuteilung fremder Brennstoffe, fest, flüssig oder gasförmig,
ist durch die Brenner 19 möglich. Unter dem Staubvergasungsbrenner 19 ist die
Staubvergasungskammer 21 angeschlossen, die entsprechend der Vergasungstemperatur
konstruiert ist, beispielsweise gekühlt ausgeführt und mit feuerfestem Material ausgekleidet ist, insbesondere dann, wenn ein flüssiger Schlackenabfluß
erfolgt. In diesem Fall ist der Austritt 22 der Staubvergasungskammer so ausgeführt, daß die flüssige Schlacke über einen überlauf in einem oder mehreren
so dicken Schlackenströmen in die Wirbelschicht 1 ausfließen kann,daß dort ein Granulat von einer Größe entsteht, das nach unten in das Festbett ausfällt. Von
dort erfolgt die Entfernung von Ascho und Schlacke aus dem System über die
Ascheschleuse 6.
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Die Staubvergasungskammer 21 muß bei geringem Anteil der Menge des Staubvergasungsgases
zur Gesamtgasmenge der Wirbelschicht nicht unbedingt in die untere Wirbelsicht 1 eintauchen. Sie muß es aber umsomehr, je höher dieser
Anteil wird, da sonst die Temperatur des zur oberen Wirbelschichtstufe 2
stromenden Mischgases einschließlich des mitgeführten Feststoffes zu hoch wird
und möglicherweise keine ausreichende Verfestigung feiner, vorher flüssig
gewesener Schlackenteilchen erfolgt, die sich dann an den Wänden ansetzen können.
Selbstversändüch könnte anstelle mehrerer Zyklone 14, z.B. 2 oder 4, auch nur
ein zentraler Zyklon eingesetzt werden, von dessen Festatoffaustritt dann eine Aufteilung in mehrere, der Zahl der Staubvergasungsbrenner entsprechende Zahl
von Fallrohren erfolgt.
In der Figur 2 ist, ein Beispiel gezeigt für eine zentrale Abscheidung 23 des
Fein3taubes im Reaktionsraum mit Abführung des abgeschiedenen Feststoffes
über eine Leitung 24 zu einem außerhalb des Reaktionsraumes angeordneten Sammelbehälter 24, in dem ggf. der Staub abgekühlt wird. Der Staub wird einer
aufgemahlen wird und von wo er über einen Zwischenbunker 27, Zuteiler 28 und Leitungen 30 mit Hilfe eines Fördergases 29, z.B. Gas oder Dampf, den
Vergasungsbrennern 19 zugeführt wird.
Ähnlich sähe die Kombination aus, wenn der zentrale Abscheider 23 nicht im
Reaktionsraum, sondern unmittelbar nach Austritt des Gas-Staub-Gemisches aus dem Reaktionsraum angeordnet wäre. Daran schlösse sich dann für das Gas, wie
in Figur 2 nach dem Abgang 17, z.B. der Abhitzekessel zur Abkühlung des Gases und des Reststaubes an.
Bei dem Beispiel in Figur 3 entfällt die obere Wirbelschichtstufe 2 und die
Vergasungseinrichtung ist direkt einem Abhitzekessel 31 vorgeschaltet, dem das Gas-Staub-Gemisch der Vergasung über eine Leitung oder Kanal 32 zuströmt.
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Der Grobanteil des mitgeführten Staubes, der in den Umlenkungen des Abhitzekessels
31 abgeschieden wird, wird in einen Sammelbehälter 33 abgeschieden, von dort der Mahlanlage 26 zugeführt und als Feinkoksstaub schließlich aus dem
Bunker 27 und Zuteiler 28 mit Hilfe eines Fördergases 29 und Leitung 34 der Staubvergasungskammer zugeleitet, der außerdem auch noch andere, fremde
Brennstoffe bei 40 zugeführt werden können. Nach dem Abhitzekessel folgt z.B. ein Elektrofilter 35. Der dort abgeschiedene Feinstaub wird über die Leitung 36
der Staubvergasungsbrennern zugeführt oder über die Leitung 37 aus dem Prozess
ausgeschieden. Da3 feinentstaubte Gas gelangt über Leitung 38 zur Gasreinigung. Aus dem Abhitzekessel 31 kann der dort anfallende gröbere Feinanteil z.B. auch
über eine Leitung 39 direkt in das Wirbelbett zurückgeführt werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:
Optimale Zuordnung von Vergasungsmittel zum zu vergasenden Koksstaub bei der
Staubvergasung. Optimaler Wärmeaustausch zwischen Staubvergasungsprodukten
und den Reaktanden der Wirbelschichtvergasung. Optimale Staubvergasung und Ascheeinschmelzung durch Vergrößerung der Reaktions-Oberläche des rückgeführten
Stoffes. Gute Zugänglichkeit zu den außerhalb des Reaktionsraumes angebrachten Staubvergasungsbrennern. Optimale Auslegung der Staubvergasungsbrenner
durch Kontrolle aller zugeführten Vergasungspartner. Optimale Gestaltungsmöglichkeit der Staub vergasungsbrenner, auch für die Zuführung
zusätzlicher fremder Brennstoffe: große Variationsbreite bezüglich der Eintauchtiefe
der Staubvergasungskammer in die Wirbelschicht wegen der Unabhänigkelt
von zu übernehmendem Druckgefällen.
Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung
dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt,
für sich allein oder auch in Kombination als unter die Erfindung fallend
angesehen werden.
• , - 130022/0487
Claims (8)
1. Verfahren zur Vergasung von festem, staubförmig bis stückigem kohlenstoffhaltigem
Material mit Sauerstoff und/oder Luft und ggf. Wasserdampf bei Drücken vm 1 bis etwa i)Q bar in einem Prozeß, bei dem Wirbelschicht- und
Flugstaubvergasung ggf. auch noch eine Festbettvergasung in einem, aus einer oder mehreren Stufen bestehendem Reaktionsraum gemeinsam ablaufen
und wobei eine Rückführung der aus den erzeugten Gasen abgeschiedenen Feststoffe in den Reaktionsraum erfolgt,dadurch gekennzeichnet, daß
in Richtung des Gasstromes einer ggf. vorhandenen Festbettvergasung zwei übereinander angeordnete und miteinander verbundene Stufen einer Wirbel-3chichtvergasung
folgen, wobei in die untere Wirbelschicht die Einführung des Rohfeststoffes erfolgt und auGerdem von oben eine oder mehrere
Flugstaubvergasungskammern mit außerhalb des Reaktionsraumes aufgesetzen
Vergasungsbrennern eintauchen oder dicht über die Wirbelschicht enden, denen die rückgeführten Feststoffe entweder unmittelbar aus einem
oder mehreren, oberhalb der oberen Wirbelschicht im Reaktionsraum angeordneten Zyklonen oder nach Trennung von dem erzeugten Gas in
außerhalb des Reaktionsraumes angeordneten Abscheidern, denen oder dem
ggf. eine Abkühlung des abzuscheidenden Feststoffes folgt bzw. vorgeschaltet ist und woran sich ggf. eine Zerkleinerung des abgekühlten
Feststoffes anschließt, zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede in den
Reaktionsraum bia zur oder in die Wirbelschicht hineinragende Staubvergasungskammer
in Länge und Volumen so dimensioniert ist, daß über der Wirbelschicht ein Beruhigungsraum von einer Höhe entsteht, der wenigstens
dem dreifachen der Wirbelschichthöhe entspricht und wobei die Vergasungskammern ein Volumen aufweisen, das, bezogen auf die dort erzeugte
Gasmenge, eine Aufenthaltszeit in der Staubvergasungskammer gewährleistet, die ausreicht, mindestens die Hälfte der eingeführten Reinsubstanz
zu vergasen und mindestens die Hälfte der eingeführten Asche zu schmelzen,
beispielsweise wenigstens 0,2 Sekunden bei Temperaturen von ca. 1 600 C
und mehr, Korngrößen kleiner 0,1 mm und einer Ascheschmelztemperatur von z. B. 1 300 0C.
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3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die
Vergasungskammern so dicht über die Wirbelschicht geführt sind oder in
diese eintauchen, daß zwischen dem aus ihnen austretendem heißen Gasstrahl, der flüssigen Schlacke und der Wirbelschicht ein so größerer
Wärmetausch erfolgt, daß die aus der Vergasungskammer austretende flüssige Schlacke zumindest oberflächlich soweit verfestigt wird, daß die in
der Wirbelschicht nach unten ausgeschiedenen groben Schlacketeile und die mit dem Gasstrom nach oben mitgerissenen feinen Schlacketeilchen keine
Verschlackungserscheinungen mehr verursachen.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
Aufmahlung des abgetrennten Feststoffes und Rückführung zur Staubvergasungskammer
die obere Wirbelschicht entfällt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
Abscheidung des aus dem Reaktionsraum ausgetragenen Feststoffes außerhalb des Reaktionsraumes zunächst sine Grobentstaubung und danach eine
Feinentstaubung erfolgt, wobei die Feststoffe aus der Feinentstaubung, falls
sie noch einen zu hohen Reinsubstanzgehalt aufweisen, direkt dem Vergasungsbrenner
zugeführt werden, die Feststoffe aus der Grobentstaubung entweder in die untere Wirbelschicht eingebracht, oder nach Aufmahlung auf
Korngrößen 0,1 mm dem Vergasungsbrenner zugeführt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - cj dadurch gekennzeichnet, daß vor der
Aufmahlung des aufgetragenen Feststoffes oder eines Teiles davon die
fühlbare Wärine des Gas-Feststoff-Gemisches auf im Vergasungsprozeß
benötigte oder auf fremde Medien übertragen wird mindestens bis zu einpr Temperatur, die für den Zerkleinerungsvorgang zulässig ist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß der oder
die Wärmetauscher zur Abkühlung des Gas-Feststoff-Gemisches, z.B. Abhitzekessel zur Grobentstaubung benutzt werden.
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ORIGINAL INSPECTED
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß dem
Vergasungsbrenner neben oder anstelle des rückgeführten Feststoffes andere Brennstoffe zugeführt werden.
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