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Verfahren zum Bett oben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen
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von kohlenstoffhaltigem Material Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betrieben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von festem, kohlenstoffhaltigem
Material unter Verwendung von exotherme und endotherme Umsetzungen bewirkenden gasförmigen
Reaktionsmitteln, z. B. von sauerstoffhaltigen Gasen und Dampf, C02 oder anderen
Gasen, mit einem oberhalb des Wirbelbettes angeordneten Nachreaktionsraum, wobei
Reaktionsmittel in das Wirbelbett und in den Nachreaktionsraum eingeführt wird.
Bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere Kohle, ist es bekannt,
in einen Wirbelbettreaktor mit einem unteren fluidisierten Feststoffbett und einer
darüber befindlichen Nachreaktionszone, in der sich mitgerissene, kohlenstoffhaltige
Feststoffteilchen befinden, Reaktionsmittel als Vergasungsmittel - z. B. Sauerstoff
und Wasserdampf - einzublasen, wobei diese in den unteren Bereich des Reaktors eingeblasenen
Reaktionsmittel zugleich auch die Fluidisierung der Wirbelschicht bewirken. Ferner
ist es bekannt, oberhalb der oberen Begrenzung der Wirbelschicht zusätzlich Reaktionsmittel
zuzuführen. Dadurch soll erreicht werden, dass der aus der Wirbelschicht nach oben
ausgetragene Feststoff auf dem Wege durch den Nachreaktionsraum mehr oder weniger
vollständig vergast wird.
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Demnach sollte sich die Menge des oberhalb des Wirbelbettes eingeblasenen
Reaktionsmittels
nach der Menge des im Nachreaktionsraum noch zu vergasende Kohlenstoffes richten.
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Das aus dem Wirbelbett nach oben in den Nachreaktionsraum strömende
Gasgemisch enthält an brennbaren Gasen im wesentlichen CO, H2 und ggf. etwas CH4.
Der in den Nachreaktionsraum eingeführte Sauerstoff verbrennt mit einem Teil dieser
Gase unter Bildung von im wesentlichen CO2 und H20. Diese Massnahme dient insbesondere
der Temperaturerhöhung, damit die Umsetzung des Kohlenstoffes der im Nachreaktionsraum
befindlichen Feststoffpartikel mit C02 und H2 0 zu CO bzw. H2 begünstigt wird. Die
Temperatur im Nachreaktionsraum ist aber auch in Anbetracht des Boudouardschen Gleichgewichts
für die Umsetzung C + C02 =2 CO von besonderer Bedeutung, da mit steigender Temperatur
die Bildung von CO zunimmt.
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Da C02 im Produktgas unerwünscht ist, sollte somit im Nachreaktionsraum
auch aus diesem Grunde eine möglichst hohe Temperatur erreicht und aufrechterhalten
werden. Entsprechendes gilt auch für das Wassergas-Gleichgewicht gemäss der Summen-Umsetzung
C + H20 = CO + H2. Bei steigenden Temperaturen entsteht bei der Reaktion zwischen
C und H20 neben CO auch CO2. Aus diesem Grunde sind auch bei der Wassergasreaktion
möglichst hohe Temperaturen erwünscht. Der Wasserdampf im Nachreaktionsraum stammt
zu einem Teil von dem in das Wirbelbett eingeblasenen Wasserdampf. Ein anderer Teil
des Wasserdampfes wird durch Verdampfen des im zu vergasenden Feststoff enthaltenen
Wassers entstehen, da der Feststoff praktisch immer einen gewissen Feuchtigkeitsgehalt,
beispielsweise in der Grössenordnung von 10%, aufweist.
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Andererseits ist jedoch die Notwendigkeit zu berücksichtigen, mit
der Maximaltemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Asche des festen Kohlenstoffes
zu bleiben, da es im anderen Fall zu Anbackungen im Reaktor und/oder in den Leitungen
kommt, in denen das Produktgas nach VErlassen des Reaktors zu nachgeschalteten Einrichtungen
geführt wird.
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Somit kann dem Temperaturprofil, d. h. dem Temperaturverlauf entlang
der Längsachse im NachrcXaktionsraum eine grosse Bedeutung für den Betrieb des Reaktors
und auch für die Qualität des darin
hergestellten Gases und schliesslich
auch für eine möglichst weitgehende Umsetzung des in den Reaktor eingeführten Kohlenstoffes
zu. Eine zu hohe Temperatur begünstigt zwar die CO-Ausbeute, kann jedoch bei schmelzender
Asche zu Anbackungen und Bildung von Agglomeraten führen, die den Betrieb des Reaktors
beeinträchtigen oder sogar zu Betriebsunterbrechungen führen.
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Eine zu niedrige Temperatur vermeidet zwar Schwierigkeiten durch Schmelzen
der Asche, führt jedoch andererseits zu einem höheren C02-Anteil im Produktgas.
Ausserdem findet dabei die Umsetzung des festen Kohlenstoffes mit C02 und H20 zu
CO und H2 keine besonders günstigen Bedingungen.
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Es ist bekannt, im mittleren Bereich des Nachreaktionsraumes sauerstoffhaltiges
Vergasungsmittel einzublasen, wobei zwangsläufig die vorbeschriebenen Umsetzungen
stattfinden. Es ist auch bereits bekannt, das Reaktionsmittel unter einem spitzen
Winkel zur Reaktorlängsachse in den Nachreaktionsraum einzublasen, um es über einen
grösseren Bereich des Nachreaktionsraumes zu verteilen. In allen diesen Fällen ist
es vielfach unvermeidbar, dass sich an den wenigen Bereichen, in denen Sauerstoff
eingeblasen wird, grosse Temperaturpeaks herausbilden. Dies führt zu einem Temperaturprofil
über die Längsachse des Reaktors, das ungünstig ist: In jenem Bereich des Nachreaktionsraumes,
in welchem das sich exotherm umsetzende Vergasungsmittel mehr oder weniger konzentriert
eingeblasen wird, ist eine sehr hohe Temperatur vorhanden, wohingegen sich in den
anderen Bereichen ein merklich geringeres Temperaturniveau einstellt. Wenn im Bereich
des Peaks im Hinblick auf den Schmelzpunkt der Asche zulässige Maximaltemperatur
herrscht,
liegt in den anderen Bereiche eine tiefere Temperatur vor, so dass dort die Bildung
von CO zugunsten von Wenn CO zurückgeh2,-laindererseits in den Bereichen niedrigerer
Tem-Co2 in den Bereichen niedrigerer Temperatur bis an die durch den Ascheschmelzpunkt
gezogene Grenze gegangen wird, ist diese Grenze im Bereich des Peaks überschritten,
welche Tatsache die bereits genannten nachteiligen Wirkungen zur Folge hat.
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Zwar mag beim Einblasen des Reaktionsmittels unter einem spitzen Winkel
zur Reaktorlängsachse nach oben und/oder nach unten der pro Einblasestelle verursachte
Peak weniger ausgeprägt sein oder über einen grösseren Bereich des Reaktors entlang
seiner Längsachse sich erstrecken. Jedoch macht dieses schräge Einblasen eine genaue
Einstellung oder Beeinflussung des Temperaturprofils nicht möglich, da insbesondere
bei Einblasen schräg nach unten das Erreichen von tiefer liegenden Ebenen einen
grösseren Einblasdruck voraussetzt, der die Strömungsmechanik innerhalb des Reaktors
in jedem Fall beeinflusst, wobei es nicht immer möglich sein wird, die resultierenden
Strömungsbedingungen im Reaktor genau zu bestimmen. Die Steuerung der Zugabe des
Vergasungsmittels bezüglich Menge und Ort innerhalb des Nachreaktionsraumes ist
unpräzise, so dass auch die Gefahr von zu hohen Temperaturen und damit von Anbackungen
grösser ist als bei gleichmässig verteilt eingeblasenem Reaktorsmittel.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der einleitend beschriebenen Art so abzuwandeln, dass insbesondere unter Berücksichtigung
des boudouardschen Gleichgewichtes
und/oder der Wassergasreaktion
der CO-Anteil und/oder der H2-Anteil im den Reaktor verlassenden Gasgemisch so hoch
wie im Hinblick auf die durch den Ascheschmelzpunkt gesetzten Grenzen möglich ist.
Die in den Reaktor eingebrachten Reaktionsmittel sollen gezielt einsetzbar sein,
so dass mit einem möglichst geringen Aufwand an Vergasungsmittel ein möglichst grosser
Effekt im Sinne einer weitgehenden Vergasung der festen Kohlepartikel hohe CO-und
H2-Anteile erreichbar sind. Dabei sollen trotz des angestrebten hohen Co- bzw. H2-Anteiles
und eines entsprechend niedrigen C02-Anteils Anbackungen im Reaktor und in den diesem
nachgeschalteten Leitungen vermeidbar sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass die Reaktionsmittel
entlang der Reaktorlängsachse derart verteilt in den Nachreaktionsraum eingeführt
werden, dass wenigstens oberhalb des Wirbelbettes eine möglichst gleichbleibende
Temperatur entlang der Reaktorachse des kurz oberhalb der Ebene eingehalten wird,
in welcher die letzte Zuführung von Reaktionsmittel vor dem Reaktorausgang erfolgt.
Eine solche Verfahrensführung gibt die Möglichkeit, mit der Temperatur im Nachreaktionsraum
bis nahe an den Punkt zu gehen, an welchem die Asche der Kohle zu schmelzen beginnt.
Im allgemeinen wird als letztes vor dem Reaktorausgang zugeführtes Reaktionsmittel
ein eine exotherme Umsetzung bewirkendes Reaktionsmittel verwendet. - Es ist selbstverständlich
nicht möglich, eine über die Höhe des Nachreaktionsraumes absolut konstante Temperatur
einzuhalten, da praktisch in jeder Ebene, in welcher Reaktionsmittel eingeblasen
wird, ein kleines Peak entsteht.
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Jedoch sollte die Anzahl der Stellen oder Ebenen,an denen eine exotherme
Umsetzung
bewirkendes Reaktionsmittel in den Nachreaktionsraum
eingeblasen wird, so gross sein, dass in jeder Ebene oder in jedem sungsmittelmengen
Bereich nur verhältnismässig kleine exotherme Verga- in den Nachreaktionsraum gelangen
und ein dementsprechend nur schwach ausgebildetes Peak verursachen. Bei mehreren
entlang der Längsachse des Reaktors angeordneten Einblasestellen oder -ebenen ergibt
sich dann ein etwa sägezahnartiger Verlauf des Temperaturprofils, wobei mit zunehmender
Anzahl der Einblasstellen oder -ebenen die Amplitude der einzelnen Sägezähne und
damit die Abweichung des Maximalwertes und des Minimalwertes von einer gedachten
Ideallinie des Temperaturverlaufes abnehmen. Im allgemeinen wird es vorteilhaft
sein, das Reaktionsmittel in wenigstens drei entlang der Reaktorachse einen Abstand
voneinander aufweisenden Bereichen oder Ebenen in den Nachreaktionsraum einzublasen.
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Es ist möglich, den Vergasungsvorgang in der Wirbelschicht so zu betreiben,
dass die aus der Wirbelschicht oben austretenden Gase im wesentlichen die Temperatur
aufweisen, die im Nachreaktionsraum eingehalten werden soll. In diesem Fall herrscht
im Bereich gedachten von derVOberfläche des Wirbelbettes bis an das obere Ende des
Nachreaktionsraumes im wesentlichen die gleiche Temperatur. Es kann aber auch zweckmässig
sein, die Vergasung im Wirbelbett so zu führen, dass das oben aus dem Wirbelbett
austretende Gas eine niedrigere Temperatur als die im Nachreaktionsraum einzuhaltende
Temperatur aufweist. Dabei kann dann durch entsprechend stärkere Zugabe von exotherm
reagierendem Reaktionsmittel dicht oberhalb des Wirbelbettes zunächst eine Temperaturerhöhung
auf die im Nachreaktionsraum einzuhaltende Temperatur bewirkt werden, wobei die
Zuführung
von exotherm reagierenden Vergasungsmitteln in den nach oben anschliessenden Bereich
des Nachreaktionsraumes so dosiert und verteilt ist, dass die unmittelbar oberhalb
des Wirbelbettes erreichte Temperatur aufrechterhalten bleibt.
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Die Zugabe des Reaktionsmittels in den einzelnen Bereichen des Nachreaktionsraumes
kann zweckmässig in Abhängigkeit von der dort jeweils festgestellten Temperatur
gesteuert werden. Im Ergebnis sollte der durch die endothermen Reaktionen C + C02
= 2 CO und C + H20 = CO + H2 bewirkte Wärmeverbrauch kompensiert werden.
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Es wird im allgemeinen zweckmässig sein, oberhalb einer bestimmten
Ebene des Nachreaktionsraumes, die in einem kurzen Abstand vor dem oberen Ende des
Reaktors liegt, kein exotherm reagierendes Vergasungsmittel einzuführen, weil dieser
letzte Bereich dazu dient, die dort noch befindlichen festen Kohlepartikel umzusetzen,
bevor das Gas den Nachreaktionsraum verlässt. In diesem unmittelbar vor der Austrittsöffnung
befindlichen Bereich erfolgt eine Abnahme der Temperatur, da hier keine Kompensation
des durch die endothermen Umsetzungen bewirkten Wärmeverbrauches durch Verbrennen
eines Teils des Produktgases erfolgt.
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Selbstverständlich besteht beim Verfahren gemäss der Erfindung die
Möglichkeit, durch Zugabe von CaO und/oder MgO oder Verbindungen, die L'aO unu/oder
MgO freisetzen, eine Heraufsetzung des Ascheschmelzpunktes zu bewirken.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 im Schema einen Längsschnitt durch einen Wirbelbettreaktor mit
daneben dargestelltem Temperaturprofil entlang der Längsachse des Reaktors, Fig.
2 das Temperaturprofil einer anderen Verfahrensführung, Fig. 3 das Temperaturprofil
bei einer dritten Verfahrensführung.
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In den unteren Bereichen eines Wirbelbettreaktors 10 werden zu vergasender
Brennstoff und ggf. Zuschlagsstoffe, die beispielsweise dazu dienen, den Ascheschmelzpunkt
zu erhöhen, durch eine Schnecke 12 eingebracht. Unter dem Einfluss von gasförmigem
Vergasungsmittel baut sich ein Wirbelbett 15 auf, dessen obere und untere Begrenzung
mit 14 bzw. 16 bezeichnet sind. Unterhalb der unteren Begrenzung befindet sich ein
Festbett 18, welches aus schwereren bzw. gröberen Feststoffteilchen bezieht, die
nach weitgehender Umsetzung des in ihnen enthaltenen Kohlenstoffs durch eine am
unteren Ende des Reaktors 10 befindliche Öffnung 20 ausgetragen werden.
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Die die Wirbelung des Bettes 15 bewirkenden gasförmigen Reaktionsmittel
werden durch Einblasdüsen 22, 24 zugeführt. Im allgemeinen sind mehrere Düsen 22,
24 über den Umfang des Reaktors verteilt angeordnet. Der Zuführeinrichtung 12 für
die Kohle liegt ein Zündstutzen 26 gegenüber.
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Für den Aufbau eines Wirbelbettes ist auch eine Ausgestaltung denkbar,
bei welcher das Wirbelmedium von unten durch einen Rost, der das Wirbelbett unterseitig
begrenzt, in letzteres eintritt.
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Normalerweise wird der Reaktor 10 so betrieben, dass durch die Düsen
22 Dampf und/oder C02 und durch die Düsen 24 02 oder mit °2 angereicherte Luft,
ggf. auch mit Zusatz von Dampf und/oder C02, eingeblasen werden. Somit laufen im
Wirbelbett gleichzeitig endotherme und exotherme Umsetzungsprozesse ab, wobei die
exothermen Reaktionen auch dazu dienen, die für die endothermen Reaktionen notwendige
Wärme zu liefern.
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Es ist unvermeidbar, dass zumindest ein Teil der feineren Feststoffpartikel
aus dem Wirbelbett 15 in den oberhalb desselben befindlichen Nachreaktionsraum 28
durch das nach oben strömende Gasgemisch mitgerissen wird. Diese Partikel enthalten
noch Kohlenstoff, der innerhalb des Nachreaktionsraumes umgesetzt werden soll. Die
dazu notwendige Wärme wird durch Verbrennen eines Teiles der im Gasgemisch enthaltenen
brennbaren Gase, im wesentlichen CO und H2, zugeführt. Der dazu erforderliche Sauerstoff
wird durch Leitungen bzw. Düsen 30, 32, 34 eingeführt, die entlang der Längsachse
des Reaktors 10 verteilt oberhalb des Wirbelbettes 15 in den Nachreaktionsraum 28
münden. Auch hier gilt, dass jeweils mehrere Leitungen oder Düsen 30, 32, 34 über
den Umfang des Nachreaktionsraumes verteilt in diesen einmünden können.- In dem
in Fig. 1 eben dem Reaktor dargestellten Tempraturprofil sind die Ebenen, in denen
eine exotherme Umsetzung bewirkende Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 28
eingeführt werden, durch gestrichelte Linien angedeutet,die in den einzelnen Einblasebenen
zugeordneten Teilen enden.
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Im Wirbelbett 15 baut sich aufgrund der exothermen Umsetzung der Kohle
mit dem durch die Leitungen 24 zugeführten Reaktionsmittel verhältnismässig schnell
eine hohe Temperatur auf, die bei den in sämtlichen Ausführungsbeispielen angenommenen
Fällen maximal 1100° C betragen soll. Dies ist etwa die obere, durch den Ascheschmelzpunkt
festgelegte Grenze, die bei Verwendung von Braunkohle aus dem Rheinland einzuhalten
ist. Von der Ebene oder dem Bereich 34, in welcher bzw. welchem im Wirbelbett die
maximale Temperatur herrscht - etwa auf halber Höhe des Wirbelbettes 15 - geht die
Temperatur in Richtung auf die obere Begrenzung 14 des Wirbelbettes 15 etwas zurück,
und zwar auf eine Temperatur in der Grössenordnung von 9500 C. Das Ausmass dieser
Temperaturverringerung ist abhängig insbesondere vom Verhältnis der eine exotherme
Umsetzung bewirkenden Vergasungsmittels zu den eine endotherme Umsetzung bewirkenden
Vergasungsmitteln, aber auch von der Dichte des Wirbelbettes 15. Es ist nicht immer
notwendig, ein eine endotherme Umsetzung bewirkendes Vergasungsmittel gesondert
zuzuführen, da normalerweise die in den Reaktor eingeführte Kohle einen gewissen
Wassergehalt aufweisen wird, der in der Wirbelschicht verdampft und damit zugleich
ein Vergasungsmittel liefert.
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Die erste Zuführung von exotherm reagierendem Vergasungsmittel in
den Nachreaktionsraum 28 hinein erfolgt über die Leitung 30 dicht oberhalb der oberen
Begrenzung 14 des Wirbelbettes 15. Ein Teil der das Wirbelbett verlassenden brennbaren
Gase, vor allem H2 und CO, werden verbrannt. Dies hat eine entsprechende, insbesondere
von der Menge des Vergasungsmittels und somit der Menge des verbrannten Gases, Temperatursteigerungen
bis zur Maximaltemperatur
von etwa 1100° C zur Folge, die im Scheitelbereich
des Peaks 38 erreicht wird. Diese zusätzliche Zufuhr von Wärme begünstigt die Umsetzung
des Kohlenstoffs der im Nachreaktionsraum befindlichen Partikel mit C02 und H20
unter Bildung von CO und H2, wobei mit steigender Temperatur das Boudourdsche und
das Wassergas-Gleichgewicht sich in Richtung eines grösseren Anteils von CO bzw.
H2 verschieben. Die Umsetzung braucht Wärme, so dass im Zuge der Aufwärtsbewegung
des Gasgemisches dieses wieder eine Herabsetzung seiner Temperatur erfährt. Es wird
alsdann, sobald die Temperaturverringerung ein bestimmtes Mass überschritten hat
- bei dem in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bei Erreichen
einer Temperatur von etwa 9500 C - durch die Leitungen 32 erneut exotherm reagierendes
Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 28 in einer höheren Ebene desselben eingegeben,
so dass wiederum eine Teilverbrennung von gasförmigen Bestandteilen mit einer erneuten
Temperaturerhöhung stattfindet, die durch das Peak 40 in der Darstellung des Temperaturprofils
angedeutet ist. Die gestrichelten Kurven 42 deuten jeweils den Temperaturverlauf
an, der gegeben sein würde, falls auf das Einblasen von exotherm reagierenden Vergasungsmitteln
im Nachreaktionsraum verzichtet werden würde.
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Die Temperatursteigerung im Bereich des Peaks 40 begünstigt wiederum
die bereits erwähnte endotherme Umsetzung des festen Kohlenstoffs mit C02 und H20,
wobei das aufwärtsströmende Gasgemisch auch wieder eine Verringerung seiner Temperatur
erfährt, bis es in den Bereich gelangt, in welchem erneut durch die Leitungen 34
exotherm reagierendes Vergasungsmittel zugeführt wird. Die bei der resultierenden
Verbrennung zugeführte Wärmemenge übersteigt -wie
auch im Bereich
der anderen Peaks - zunächst die durch endotherme Reaktionen verbrauchte Wärmemenge
mit dem Ergebnis einer Temperatursteigerung bis zum Peak 44. Danach nimmt die Temperatur
wieder ab, da der Wärmeverbrauch durch die endothermen Reaktionen ggf. durch Verbrennung
noch zugeführte Wärmemengen übersteigt.und eine weitere Zufuhr von exotherm reagierenden
Vergasungsmitteln aufgrund der noch verbleibenden kurzen Verweilzeit bis zum Erreichen
der Austrittsöffnung 46 nicht mehr erfolgt. Es kommt daher darauf an, den Bereich,
in welchem das letzte exotherm reagierende Vergasungsmittel zugegeben wird bzw.
den Abstand dieses Bereiches von der Austrittsöffnung des Reaktors so zu wählen,
dass der Temperaturabfall nach dem letzten Peak 44 so gering wie möglich bleibt.
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Das vorbeschriebene Temperaturprofil ist aufgrund der zwischen den
Peaks befindlichen Bereichen niedrigerer Temperatur nicht ideal, da es günstiger
sein würde, bis kurz vor Austritt des Gases aus dem Reaktor, also bis etwa in Höhe
des Peaks 44, die jeweils zulässige Maximaltemperatur, im Falle des Ausführungsbeispiels
etwa 11000 C, beizubehalten. Dies würde jedoch eine mehr oder weniger kontinuierliche
Zufuhr von exotherm reagierendem Vergasungsmittel entlang der Längsachse des Reaktors
voraussetzen. Die dazu notwendigen apparativen Einrichtungen sind jedoch für den
Normalfall zu aufwendig. Es kommt also in der Praxis darauf an, exotherm reagierendes
Vergasungsmittel so stöchiometrisch dosiert und so verteilt über die Längsachse
des Reaktors in den Nachreaktionsraum einzublasen, dass eine möglichst weitgehende
Annäherung an eine in Strömungsrichtung 36 gleichbleibende,
möglichst
hohe Temperatur erzielt wird, wie sie etwa durch die gestrichelte Linie 47 angedeutet
ist.
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Dies gilt auch für die beiden in den Figuren 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele, in denen gleiche Teile auch gleiche, jeweils um 100 höhere
Bezugszeichen tragen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist die Temperatur innerhalb
des Wirbelbettes wesentlich tiefer als bei jenem gemäss Fig. 1. Im Bereich 134 der
Höchstemperatur liegt diese zwischen etwa 700 und 8000 C. Eine derartige Betriebsweise
kann bei einem sehr dichten Wirbelbett, also bei einem Wirbelbett mit sehr viel
Feststoffteilchen pro Volumeneinheit, notwendig sein, da es dabei zu einer ungleichmässigen
Temperaturverteilung kommen kann, so dass es bei einer bestimmten Durchschnittstemperatur
im Bett Bereiche mit wesentlich höhrer Temperatur geben kann. Wenn die Durchschnittstemperatur
dicht an der im Hinblick auf den Ascheschmelzpunkt zulässigen Maximaltemperatur
liegt, kann es bei Auftreten von überhitzten Bereichen zu Anbackungen kommen. In
diesem Fall ist es zweckmässig oder sogar notwendig, im Wirbelbett selbst eine merklich
tiefere Durchschnittstemperatur einzuhalten. Die vorgenannten Voraussetzungen, also
die Gefahr des Vorhandenseins von Bereichen mit merkmlich höherer Temperatur, sind
im Nachreaktionsraum bei richtig dosierter Zuführung von exothermen Vergasungsmitteln
nicht vorhanden, da die Feststoffdichte, also die Menge Feststoffteilchen pro Volumeneinheit,
merklich geringer ist als im Wirbelbett. Somit ist die Zugabe von exotherm reagierenden
Reaktionsmitteln unmittelbar oberhalb der oberen Begrenzung des
Wirbelbettes
im Bereich 130 so zu bemessen, dass das aus dem Wirbelbett ausströmende Gasgemisch
eine merkliche Temperatursteigerung bis auf die Maximaltemperatur von ca. 1100°
C erfährt. Die daran anschliessende Betriebsweise entspricht der des Ausführungsbeispieles
gemäss Fig. 1, wobei trotz der insoweit übereinstimmenden Temperaturprofile die
in den Nachreaktionsraum in den folgenden Bereichen 132, 134 gegebenen exotherm
reagierenden Vergasungsmitteln mengenmässig nicht mit denen des Ausführungsbeispiels
gemäss Fig. 1 übereinstimmen müssen. Eine niedrigere Temperatur im Wirbelbett kann
zur Voraussetzung haben, dass weniger exothermes Reaktionsmittel eingeblasen wird,
so dass - in Abhängigkeit von den anderen Voraussetzungen - ggf. eine geringere
Strömungsgeschwindigkeit des nach oben durch das Fluidatbett und aus diesem austretenden
Gases vorhanden ist mit dem Ergebnis, dass auch weniger feine Feststoffpartikel
nach oben in den Nachreaktionsraum mitgerissen werden. Dies hat einen geringeren
Wärmeverbrauch zur Folge, da die endothermen Umsetzungen quantitativ geringer sind.
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Umgekehrte Voraussetzungen liegen beim Ausführungsbeispiel gemäss
Fig. 3 vor, welches eine relativ lockere Wirbelschicht aufweist, bei der die Feststoffmenge
pro Volumenarbeit im Wirbelbett geringer ist. Dies kann - abhängig auch von anderen
Einflussgrössen, beispielsweise Korngrösse der zu vergasenden Kohle -zur Voraussetzung
haben, dass das Wirbelbett von grösseren Gasmengen durchströmt wird, die aufgrund
des festgelegten Querschnitts im Reaktor eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zur
Folge haben. Grössere Gasmengen treten z. B. dann auf, wenn als
exothermes
Vergasungsmittel stark mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet wird, weil dadurch
bei der Umsetzung gemäss der Gleichung C + 02 = 2 CO zwangsläufig eine grössere
Gasmenge entsteht.
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Die höhere Gasgeschwindigkeit hat zur Folge, dass ein grösserer Anteil
an feinerem Korn aus dem Wirbelbett nach oben in den Nachreaktionsraum ausgetragen
wird. Dies kann soweit gehen, dass die Grenzen zwischen dem Wirbelbett einerseits
und den im Nachreaktionsraum verteilten Feststoffteilchen fliessen, der Unterschied
bezüglich der Anzahl von Feststoffteilchen pro Volumeneinheit zwischen Wirbelbett
einerseits und Nachreaktionsraum andererseits somit relativ gering ist.
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Bei einer weniger dichten Wirbelschicht ist es normalerweise ohne
weiteres möglich, in der Wirbelschicht eine Maximaltemperatur aufrechtzuerhalten,
die nahe der durch den Ascheschmelzpunkt gegebenen Grenztemperatur liegt. Der Temperaturabfall
in Strömungsrichtung des Gases vom Peak 234 bis an die obere Begrenzung der Wirbelschicht
ist etwas stärker als bei dichten Wirbelbetten, so dass auch in diesem Fall im unteren
Bereich 232 des Nachreaktionsraumes, also dicht oberhalb der oberen Begrenzung der
Wirbelschicht, mehr exothermes Reaktionsmittel zugeführt wird als dies in den weiter
oben befindlichen Bereichen des Nachreaktionsraumes der Fall ist, um die Temperatur
mit dem Peak 238 wieder in das Maximum zu bringen. Die daran anschliessende Betriebsweise
im mittleren und oberen Bereich des Nachreaktionsraumes entspricht der der beiden
anderen Ausführungsbeispielen.
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In allen drei Fällen wird angestrebt, die Umsetzung der im Nachreaktionsraum
befindlichen kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel so zu führen, dass über die Längserstreckung
des Nachreaktionsraumes die quantitative Umsetzung möglichst gleichbleibend ist.
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Diese Verfahrensführung beruht auf der Uberlegung, dass es nicht nur
darauf ankommt, an einer oder ggf. auch zwei Stellen so viel exotherm reagierendes
Vergasungsmittel pro Zeiteinheit zuzuführen, dass es stöchiometrisch für die Umsetzung
des in dieser Zeiteinheit im Nachreaktionsraum vorhandenen festen Kohlenstoffes
ausreicht. Dies entspräche z. B. jener bekannten Betriebsweise, bei welcher nur
einmal, nämlich dicht oberhalb des Wirbelbettes, eine verhältnismässig grosse Menge
exotherm reagierenden Vergasungsmittels zugegeben wird, um eine möglichst weitgehende
Umsetzung der aus dem Wirbelbett nach oben ausgetragenen kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel
zu erreichen, wobei die Verhältnisse im darüber befindlichen Bereich des Nachreaktionsraumes
mehr oder weniger sich selbst überlassen bleiben. Durch die erfindungsgemässe Verfahrensführung
wird eine möglichst gleichmässige kontinuierliche oder zumindest an diese Bedingungen
angenäherte Umsetzung im gesamten Nachreaktionsraum erzielt, die zu übersichtlichen
Betriebsverhältnissen führt, so dass es von vornherein leichter ist, die angestrebten
Betriebskenngrössen, insbesondere das Temperaturprofil und in Abhängigkeit davon
die Zugabe an Reaktionsmittel, in optimaler Weise zu steuern. Insbesondere lassen
sich auf diese Weise trotz einer hohen mittleren Temperatur 47 bzw. 147 bzw. 247
Oberhitzungen vermeiden, die zu Anbackungen und damit zu Betriebsstörungen führen
können.
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Falls erforderlich, kann unmittelbar vor Verlassen des Reaktors die
Gastemperatur durch Zugabe von Wasser und/oder Wasserdampf herabgesetzt werden.
Dieses Quenchen hat den Sinn, einerseits die erreichte Gaszusammensetzung "einzufrieren"
und andererseits nach Anbacken von verbliebenen Feststoffteilchen, insbesondere
Ascheteilchen, in nachgeschalteten Leitungen zu vermeiden.