DE3020684A1 - Verbessertes verfahren zum vergasen kohlenstoffhaltiger stoffe - Google Patents
Verbessertes verfahren zum vergasen kohlenstoffhaltiger stoffeInfo
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Description
Verbessertes Verfahren zum Vergasen kohlenstoffhaltiger
Stoffe
Die vorliegende Erfindung betrifft die Vergasung kohlenstoffhaltiger
Stoffe und insbesondere ein zweistufigesDurchlaufblatt-Vergasungsverfahren
("entrained-bed gasification method") sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben bei der Vergasung
von Kohle.
Kohlenstoffhaltiges Material wie beispielsweise Kohle ist
seit mehr als einem Jahrhundert nach mehreren Verfahren mit Wärme und Druck behandelt worden, um die flüchtigen Komponenten
zu beseitigen und feste, flüssige und gasförmige Produkte als Brenn- bzw. Heizstoffe und Chemikalen herzustellen.
Diese Technologie wurde bereits im Jahre 1807 eingesetzt, als mit aus Kohle hergestelltem Stadtgas in London eine Straßenbeleuchtung
eingeführt wurde. Um die Jahrhundertwende stellten deutsche Chemiker eine Anzahl von Produkten aus Kohle her. Ein
großer Anteil des Treibstoffverbrauchs der deutschen Streitkräfte im zweiten Weltkrieg wurde mit aus Kohle hergestelltem
Benzin bestritten. Vor der Einführung billigen Erdgases und Öls wurde auch in den Vereinigten Staaten aus Kohle hergestelltes
Gas mit niedrigem Heizwert verwendet. Billiges Gas und öl drückten die Kohlevergasungsverfahren beseite und es
fanden bis vor kurzem infolge der erheblich gestiegenen Kosten für Erdgas keine wesentlichen technologischen Fortschritte
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auf diesem Gebiet statt.
Der Vergaser bzw. Reaktor ist das Herz eines Kchlevergasungsverfahrens,
und es gibt vier Haupttypen von Vergasern, die alle externe Wärmequellen erfordern oder bei denen ein Teil
der Kohle verbrannt werden muß, um die zum Vergasen erforderliche
Wärme zu erzeugen.
Eine bekannte Art eines Vergasers, für die der Lurgi-Vergaser typisch ist, ist der Festbettvergaser. Bei diesem Vergaser
wird grcßenklassierte Kohle von oben und das Vergasungsmittel
wie Sauerstoff und Dampf von unten in den Vergaser gefüllt. Derartige Vergaser benötigen die niedrigsten Arbeitstemperaturen aber lange Verweilzeiten von bis zu einer Stunde.
Infolge der niedrigen Arbeitstemperaturen entstehen große Mengen an schweren Flüssigkeiten. Asche wird abhängig von der
Arbeitstemperatur am Boden des Vergasers als Trockenasche
oder Schlacke abgenommen. Zum Verschlacken wird der Vergaser bei verhältnismäßig höheren Temperaturen betrieben und erfordert
dann mehr Sauerstoff und weniger Dampf, arbeitet aber mit einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit als ohne Verschlakkung.
Die dem Festbettverfahren innewohnenden Vorteile sind
der hohe Wärmewirkungsgrad und der hohe Kohlenstoffumsatz sowie eine nur geringe Verunreinigung des Gases mit Feststoffen.
Ein Nachteil ist, daß sich ohne Vorbehandlung keine Backkohle einsetzen läßt. Die Kohle muß eine gleichmäßige Teilchengröße
und gute mechanische Festigkeit haben. Die Erzeugung schwerer Kohlenwasserstoffe ist unerwünscht, wenn das
erzeugte Gas als Synthesegas oder zur Erzeugung von Gas mit hohem Wärmewert dienen soll.
Eine zweite Vergaserart ist der Fließbettvergaser, der mit gestoßener
oder feinteiliger Kohle arbeitet. Der Fließbettver-
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gaser erlaubt gegenüber dem Festbettvergaser eine verbesserte Durchmischung der Gase mit den Feststoffen, eine gleichmäßige
Temperaturverteilung und einen verbesserten Kontakt zwischen den Gasen und den Feststoffen. Fließbettvergaser
sind gegenüber EigenschaftSchwankungen der zugeführten Kohle
während des Betriebs tolerant, zeigen hohe Vergasungsraten pro Querschnittsflächeneinheit des Reaktors und können ohne
wesentlichen Verlust an Wirkungsgrad innerhalb eines breiten Ausstoßbereichs arbeiten. Fließbettvergaser erfordern im allgemeinen
eine Vorbehandlung von Backkohle und längere Verweilzeiten als die unten erläuterten Durchlaufbett-Vergaser.
Die Abgase enthalten im allgemeinen einen hohen Staubanteil und der Bereich der Arbeitsbedingungen wird von den Fließeigenschaften
der Teile und der Gefahr eines Mitreißens derselben begrenzt.
Eine dritte Vergaserart ist der Salz- oder Eisen-Schmelzbadvergaser,
bei dem Kohle mit Sauerstoff und Dampf in ein Schmelzbad gegeben wird. Asche und andere Verunreinigungen
schwimmen als Schlacke nach oben und werden beseitigt.
Die vierte Vergaserart ist der Durchlaufbett-Vergaser ("entrained-bed
gasifier"), bei dem eine ein- und eine zweistufige Variation unterschieden werden.
Der einstufige Vergaser dieser Art wird zuweilen auch als Vergaser
mit partieller Oxidation bezeichnet. Bei diesem Vergaser werden Kohlepulver und das Vergasungsmittel - typischerweise
Sauerstoff und Dampf - gleichzeitig zugeführt und die Kohle mehr oder weniger in Suspension vergast. Das Abgas enthält
wenig oder kein Teer oder Methan, da bei den hohen eingesetzten Temperaturen die homogenen Gasphasenreaktionen
ein thermodynamisches Gleichgewicht einnehmen. Um den Verga-
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ser bei hohen Temperaturen zu betreiben, können unter Umständen
höhere Sauerstoffmengen als bei Fließ- oder Festbettvergasern
erforderlich sein. Die austretenden Gase haben hohe Temperaturen und hohe Anteile an Ascheteilchen. Die Brennstoff-Gas-Erzeugungsraten
pro Volumeneinheit des Vergaserraums insgesamt sind wegen der hohen Reaktionstemperaturen
und der großen Teilchenoberfläche höher als bei den Fließoder Festbettvergasern.
Der zweistufige Durchlaufbett-Vergaser, der in den sechziger
Jahren bei der Fa. Bituminous Coal Research, Inc«,Pittsburgh,
Pennsylvania, V. St. A. entwickelt wurde, hat vielleicht das höchste Potential einer Weiterentwicklung der bekannten Vergasungsprozesse.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung eines solchen zweistufigen Durchlaufbett-Vergasers dar.
Bei dieser zweistufigen Konstruktion wird Kohlepulver in eine zweite bzw. Vergaserstufe eingeführt, in der ein Produktgas
und Verkohlungskohle ("char") entstehen. Diese Verkohlungskohle und das Produktgas werden getrennt und zum Prozeßbeginn zurückgeführt
und mit Sauerstoff und Dampf in einer ersten bzw. Verbrennungsstufe in heißem Verbrennungsgas umgesetzt. Der Ausdruck
"Verbrennungsgas", wie er hier verwendet ist, schließt Kohlendioxid und Wasserdampf zusammen mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid
ein.Das heiße Verbrennungsgas aus der Verbrennungsstufe wird in die vorerwähnte zweite Stufe eingeführt und gerät
in Berührung mit dem dort eingespeisten Kohlepulver. Die Kohle wird dabei erhitzt und reagiert in Berührung mit dem Verbrennungsgas
und dem Dampf zu Synthesegas, Methan und Verkohlungskohie. Diese Vergasungsreaktion erfolgt dabei typischerweise
bei geringen Gasströmungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 bis 4 m/s, Drücken von etwa 6 MPa und Temperaturen
von etwa 12000K.
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Der Druck und die Temperatur des in der ersten Stufe erzeugten Verbrennungsgases sind derart, daß in der zweiten bzw. Vergasungsstufe
die klassichen Kohlenstoff/Dampf- und Kohlenstoff/ Kohlendioxid-Reaktionen stattfinden und CO und H2 entstehen.
Beim Austreten aus der zweiten Stufe werden die austretenden Gase und die mitgerissene Verkohlungskohle in eine Kühlzone
geführt, um das Gas und die Verkohlungskohle unter die Reaktionstemperatur
abzukühlen. Danach wird der gekühlte Strom in seine gasförmigen und Kohlebestandteile aufgeteilt.
Diese Verfahren und die dazugehörige Anlage sind in der Lage, zusätzlich zu einem gasförmigen Produkt ein teerfreies Verkohlungsprodukt
mit niedrigem Schwefelgehalt zu erzeugen. Der zweistufige Vergaser ist ausführlicher in den folgenden Veröffentlichungen
erläutert: "Gas Generator Research and Development Survey and Evaluation", von der Fa. Bitnumious Coal
Research, Inc., veröffentlicht 1965 von U.S. Department of
the Interior, Office of Coal Research; W.P. Hegarty u.a., "An Evaluation of the BCR Bi-Gas SNG Process", Chemical Engineering
Progress, Vol.69, no. 3, März 1973, US-PS 3 746 522; US-PS 3 782 913; US-PS 3 840 354 und US-PS 3 844 733.
Es hat sich in der jüngeren Vergangenheit aufgrund der Experimente
der Erfindung und anderer herausgestellt, daß, wenn man Kohleteilchen sehr schnell erwärmt, d.h. in der Größenordnung
von 10 °K/s und mehr, ein weit höherer Anteil der Kohlemasse von flüchtigen Bestandteilen befreit werden kann
als der sogenannte "Anteil flüchtiger Materie", wie er nach der "Proximate Analysis" der ASTM (American Society for Testing
Materials) definiert ist. Angesichts der sich schnell ändernden und ziemlich inhomogenen Bedingungen bei derartigen Experimenten
ist es üblich, Eigenschaften wie die Geschwindigkeit, Temperatur und die Erwärmungsraten als geeignete räum-
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liehe oder zeitliche Durchschnittswerte anzugeben. Die angegebene
sehr hohe Erwärmungsgeschwindigkeit von 1o °K/s oder
mehr ist ein derartiger Durchschnittswert über de.i Zeitraum
des Austreibens flüchtiger Bestandteile.
Dieser Wert der Erwärmungsgeschwindigkeit in der Größenordnung
10 °K/s und mehr ist in den folgenden Arbeiten dokumentiert:
(1) Kimber, G.M. und Gary, M.D., "Combustion and Flame", 11,
360 (1967)
(2) Ubhayakarm S.K., Stickler, D.B., ν. Rosenberg, C.W.,Jr.
und Gannon, R.E., "Rapid Devolatilization of Pulverized Coal in Hot Combustion Gases", 16th Symposium (International)
on Combustion, 427 (1976).
Wie sich erwiesen hat, erreicht man bei guter Durchmischung und hohen Temperaturen (T >
14000K) mit derartig hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten höhere Ausbeuten an flüchtigen Stoffen
als mit geringeren Erwärmungsgeschwindigkeiten. Ein potentieller Nutzen derartiger Erwärmungsgeschwindigkeiten, den
die Erfinder erkanm. haben und anwenden, ist eine Verringerung
oder gar der Wegfall der nach dem Stand der Technik bestehenden Notwendigkeit heterogener Vergasungsreaktionen,
die langsam und ineffizient sind. Folglich ist bei höheren Erwärmungsraten der Sauerstoffverbrauch für den Prozeß insgesamt
geringer.
Es muß darauf hingewiesen werden, daß die oben angegebenen Daten unter Laborbedingungen erzielt wurden, d.h. mit Mittel
und Verfanrensweisen, die für die gewerbliche bzw. industrielle Vergasung nicht geeignet sind. Bestehende zweistufige
Vergaser haben Verweilzeiten, die mindestens um zwei Größen-
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Ordnungen länger als die zum Arbeiten mit höheren Devolatisierungsraten
erforderlich sind. Der Grund hierfür ist vermutlich folgender: Ein Kohleteilchen muß sehr klein sein, wenn es sehr
schnell aufgeheizt werden soll, und zwar auch in einem sehr heißen Gas. Bisher ließ man derart kleine Teilchen sich langsam
mit dem Heißgas mischen, das sie mitreißt, so daß die Wärme ihnen verhältnismäßig langsam zugeführt wird. Diese Art der
Erwärmung ist infolge des Mischvorgangs begrenzt ("mixing limited" , mischbegrenzt).Unter diesem Umstand erfolgt die Erwärmung,
wenn die charakteristische Mischzeit langer als die charakteristische Zeit für eine diffusive Wärmeströmung zu
den Kohleteilchen und für eine thermische Diffusion in den Teilchen selbst ist. Weiterhin konnten die aus den Teilchen
austretenden flüchtigen Bestandteile nahe den Teilchen bleiben und zu Ruß werden, anstelle mit dem umgebenden Gas zu stabilen
Kohlenwasserstoffen zu reagieren. Eine solche Stabilisierung
ist ebenfalls "mischbegrenzt". Infolgedessen ist der Stand der Technik auf dem Gebiet der zweistufigen Durchlaufbett-Vergaser
derzeit so, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit der kohlenstoffhaltigen
Materieteilchen und die Verweilzeiten der Reaktionsteilnehmer in der Vergasungsstufe "mischbegrenzt" sind.
Beispielsweise benötigt der in der genannten US-PS 3 782 913 beschriebene Vergaser hohe Drücke, Verweilzeiten von 5 bis
15 Sekunden und eine Gleichgewichtschemie, um ein Produktgas zu erzeugen, das im wesentlichen die Gleichgewichtsmenge an
Methan enthält.
In einer Gruppe unserer Experimente wurde beispielsweise Kohle mit 13700C und 1,0 MPa Druck bei Reaktionszeiten von 50 ms mit
Wasserdampf behandelt, wobei Methan über die aufgrund von Gleichgewichtsberechnungen
zu erwartende Menge hinaus entstand. Weitere von uns erzielte Ergebnisse haben gezeigt, daß, wenn man
in Wasserdampf gut verteilte feingepulverte Kohle auf 13700K
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und mehr schnell erwärmt und dann schnell abkühlt, man im Produktgas eine Methankonzentration erreichen kann, die wesentlich
höher ist als man aus Gleichgewichtsbetrachtungen unter den experimentellen Reaktorbedingungen erwarten würde.
Die zu diesem Ergebnis führende Reaktionskette ist im einzelnen nicht bekannt; man weiß jedoch, daß in jedem chemischen
Reaktor ausreichend Zeit erforderlich ist, um eine Gleichgewichts zusammen Setzung zu erreichen. Nach den experimentellen
Bedingungen reichten die Anfangstemperaturen und Reaktionszeiten aus, um große Massenmengen aus der Kohle zu pyrolysieren; in
späteren Stufen reichte der Temperatur-Zeit-Verlauf jedoch
nicht aus, um ein Gleichgewicht unter den Bestandteilen der Gasphase zu erreichen.
Vermutlich bewirkt die Teilchenreaktion in der reduzierenden Vergaseratmosphäre nach der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Austreiben flüchtiger Bestandteile durch eine nicht im Gleichgewicht ablaufende schnelle direkte Pyrolyse, nicht
durch eine gewöhnliche heterogene Gleichgewichtsreaktion, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Vermutlich entstehen nach
der vorliegenden Erfindung Kohlenwasserstoffradikale, die homogen mit dem Hintergrundgas reagieren, wobei eine nicht im
Gleichgewicht befindliche Produktverteilung entsteht, die sich durch ausreichend schnelles Abkühlen fixieren läßt. Was auch
immer die Ursache sein mag: Es ist klar, daß man durch extrem schnelles Erwärmen der Kohleteilchen große Mengen an flüchtigen
Stoffen erhält. Dies erfolgt vorzugsweise in Gegenwart von Gasen, die mit den flüchtigen Bestandteilen reagieren und sie
stabilisieren, um die Bildung von Ruß zu verhindern, und unter so schnellem Abkühlen, daß die Zusammensetzung sich nicht mehr
zum Gleichgewicht hin verschieben kann.
Es ist das allgemeine Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur praktischen Vergasung von
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kohlenstoffhaltigen Stoffen anzugeben, bei dem diese Stoffe sehr schnell erwärmt werden und man eine höhere Gasausbeute
erzielt. Es ist ein spezielles Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die hinsichtlich
der Erwärmungsgeschwindigkeit für die kohlenstoffhaltigen Stoffe oder die Stabilisierung der sich aus diesen
entwickelnden flüchtigen Materie nicht "mischbegrenzt11 sind.
Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele erreicht durch strömungsmechanische Vorkehrungen, infolge deren kleine
Teilchen der kohlenstoffhaltigen Materie in der Vergasungsstufe bezüglich des sie umgebenden Gases sich heftig bewegen,
so daß man eine starke physische Transportwechselwirkung ("physical transport interaction") zwischen den Teilchen und
dem Gas erhält. Generall wird diese Transportwechselwirkung erreicht, indem man eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen
dem Gas und den Teilchen erzwingt, indem man die Trägheit der Teilchen und eine oder mehrere heftige Beschleunigungen
und Verlangsainungen des Gases ausnutzt. Insbesondere werden diese Beschleunigungen und Verlangsamungen nach der vorliegenden
Erfindung erzeugt, indem man die Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials in einer Unterschallströmung des heißen
Verbrennungsgases aus einer oder mehreren Verbrennungsstufen dispergiert, die man in eine Mischzone einführt, dann
die resultierende Mischströmung durch einen Vergasungskanal führt und dann die Beschleunigungen und Verlangsamungen der
Mischströmung durch mindestens eine der folgenden Vorkehrungen erzeugt: Erzeugung einer stark turbulenten Strömung in der
Mischzone, indem man Verbrennungsgas mit hoher Geschwindigkeit einführt, die Gasmasse durch Änderungen der Kanalgestalt beschleunigt,
und die Strömung im Vergaserkanal durch in diesen hinein vorstehende VorSprünge turbulent macht.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung sich in der ersten Stufe mit anderen Verbrennungsstoffen als
der bei der Vergasung der Kohle entstehenden Ve "kohlungskohle sowie auch in der zweiten bzw. Vergasungsstufe mit anderer
kohlenstoffhaltiger Materie als Kohle durchführen läßt. Beispielsweise
kann man die vorliegende Erfindung einsetzen, um ein beliebiges kohlenstoffhaltiges Material zu vergasen, das
sich zerkleinern läßt - beispielsweise Sägemehl, Holzabfälle, Torf oder landwirtschaftliche Abfälle. Ein weiteres Beispiel
ist die Vergasung von flüssigen kohlenstoffhaltigen Materialien, die sich zerstäuben lassen - beispielsweise Erdölprodukte
in der rohen oder raffinierten Form oder als Rückstände, Rohmelasse oder verbrauchte Lösungsmittel. Weiterhin kann die
Erfindung, wenn zum Vergasen flüssiger kohlenstoffhaltiger Materialien
verwendet, einen teerigen oder festen Rückstand ergeben, der als Ausgangsmaterial für die Verkohlungin der ersten
Stufe verwendet werden kann. Nur aus Gründen der Zweckmäßigkeit soll die vorliegende Erfindung an der Verwendung von Verkohlungskohle
aus Kohle und von Kohle selbst beschrieben werden. Ebenfalls ist einzusehen, daß ein Teil der Wärme der ersten
Stufe durch Vorwärmen des Brennstoffs, Wasserdampf oder Oxidiermittel aufgebracht werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes zweistufiges Vergasungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung, dessen
Hauptprodukte eine Verkohlungskohle und ein methanhaltiges Produktgas sind. In der ersten bzw. Verbennungsstufe wird ein Verbrennungsstoff
wie Verkohlungskohle mit Sauerstoff und Wasserdampf bei hoher Temperatur und hohem Druck zu Verbrennungsprodukten
einschließlich eines Verbrennungsgases umgesetzt, das hauptsächlich aus Wasserdampf und Kohlendioxid bei geringeren
Mengen Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Das Verbrennungsgas wird in die zweite oder Vergasungsstufe eingeführt, in der
es in eine Mischzone und aus dieser in einen Vergasungskanal
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geleitet. In dieser Vergasungsstufe wird die Gasströmung durch
Vorkehrungen wie beispielsweise eine stark turbulente Strömung und Gestaltänderungen des Vergasungskanals kräftig beschleunigt
und verlangsamt.
Das zu vergasende kohlenstoffhaltige Material wie beispielsweise Kohlepulver wird zusammen mit einer gegebenenfalls erforderlichen
Menge Trägergas in die Mischzone der zweiten Stufe eingeführt und dort dispergiert, wo es in Wechselwirkung mit
einer beschleunigten Strömung hoher Temperatur und mit den unmittelbar darauf folgenden starken Änderungen der Gasgeschwindigkeit
im Vergasungskanal tritt, so daß die Kohleteilchen sich schnell mit dem Verbrennungsgas durchmischen, die Kohleteilchen
schnell relativ zum Gas bewegen und sich hohe Erwärmungsgeschwindigkeiten und infolgederen eine maximale Umwandlung
der Kohle zu flüchtigen Bestandteilen durch rasche Pyrolyse ergeben. Die schnelle Mischung und die rasche Bewegung fördern
auch stabilisierende Reaktionen zwischen flüchtigen Bestandteilen und dem Verbrennungsgas, so daß die Rußbildung
minimal bleibt. Schließlich hat die schnelle Strömung einen sehr hohen Durchsatz zur Folge.
Entsprechend kann ein flüssiges kohlenstoffhaltiges Material
oder eine aus diesem hergestellte Verkohlungskohle in der ersten Stufe verbrannt und weiteres flüssiges kohlenstoffhaltiges Material
in die zweite Stufe eingespeist werden. Dort bewirkt die Wechselwirkung mit den Geschwindigkeitsschwankungen ein
schnelles Durchmischen der in Dampfform vorliegenden Kohlenwasserstoffe mit dem reaktiven Verbrennungsgas zur Stabilisierung.
Im Fall von Flüssigkeiten, die erhebliche Mengen von Rückständen mit niedrigem Dampfdruck enthalten, die als eine Art
Verkohlungskohle dienen können, kann es bevorzugt sein, diese Verkohlungskohle abzutrennen und zur Verbrennung in die erste
Stufe zurückzuführen.
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Der resultierende Produkts tr oirt kann gekühlt und die mitgerissene
Verkohlungskohle abgetrennt und der ersten Stufe zugeführt werden. Das gasförmige Produkt aus der zweiten Stufe kann als
Basis für ein Gas benutzt werden, das in verschiedenen chemischen Verfahren, als Heizgas oder als Pipeline-Gas verwendet
werden kann. Um ein Heizgas herzustellen, kann man das gasförmige Produkt durch eine Wassergasumstellreaktion ("water gas
shift reaction") führen und kühlen und dann unerwünschte verbleibende Bestandteile wie beispielsweise Schwefelverbindungen
entfernen.
Die vorliegende Erfindung schafft daher ein verbessertes zweistufiges
Durchlaufbett-Vergasungsverfahren und eine Anordnung für dieses.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein verbessertes zweistufiges Durchlaufbett-Vergasungsverfahren und eine Anlage
hierfür mit weit höherem Durchsatz an kohlenstoffhaltigem Material,
das unter Bedingungen behandelt wird, die zu höheren Ausbeuten an flüchtigen Stoffen aus dem kohlenstoffhaltigem
Material führen als bisher erreichbar waren.
Die Erfindung ist nicht in dem Maße wie im Stand der Technik "mischbegrenzt" und erlaubt infolgedessen eine Erhöhung der
Erwärmungsgeschwindigkeit um zwei Größenordnungen oder mehr. Diese Verbesserung führt ihrerseits zu einer wesentlich verbesserten
Nutzung der das Austreiben der flüchtigen Bestandteile bewirkenden Reaktion und eine begleitende Abschwächung
der Ansprüche an die langsameren und weniger wirkungsvollen heterogenen Kohle/Dampf- und Kohle/C02-Reaktionen. Auf diese
Weise erhält man für einen gegebenen Sauerstoffverbrauch eine
höhere Ausbeute an Produktgas als bisher. Außerdem erlaubt die Erfindung eine Verringerung der Reaktionsdauer -um zwei Größenordnungen
und mehr sowie einen dadurch erz-reitent/seiir hohen
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Durchsatz. .
Desgleichen erlaubt die Erfindung die Erzeugung höherer Gleichgewicht
smengen Methan. Dies wird möglich, da der vorherrschende chemische Raktionsweg der einer Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen
Materials in der Vergasungsstufe, gefolgt von homogenen
Stabilisierungsreaktionen in der Gasphase unter Bedingungen einer schnellen Erwärmung und nachfolgender schneller
Kühlung ist.
Die vorliegende Erfindung nutzt also die chemische Zusammensetzung
der Pyrolyseprodukte zur Erzeugung größerer als der
Gleichgewichtsir.enge an Methan direkt und als Ergebnis der
Reaktion dieser Pyrolyseprodukte mit dem umgebenden Gas aus.
Gleichgewichtsir.enge an Methan direkt und als Ergebnis der
Reaktion dieser Pyrolyseprodukte mit dem umgebenden Gas aus.
Die Erfindung ist außerdem leistungsfähiger, da bei ihr die
entstehenden flüchtigen Stoffe stärker in Wechselwirkung mit dem umgebenden Verbrennungsgas treten, wodurch umfassendere
homogene Gasphasenreaktionen stattfinden, die ihrerseits zu
einem stabilen Synthesegas und Produktgas, nicht Ruß führen.
entstehenden flüchtigen Stoffe stärker in Wechselwirkung mit dem umgebenden Verbrennungsgas treten, wodurch umfassendere
homogene Gasphasenreaktionen stattfinden, die ihrerseits zu
einem stabilen Synthesegas und Produktgas, nicht Ruß führen.
Durch die Verwendung einer stark beschleunigten Unterschallströmung
bei hohen Temperaturen erreicht man mit der Erfindung
Erwärmungs- und Mischgeschwindigkeiten, die bisher nicht erreichbar waren. Da die Strömung durch einen Kanal geführt wird, in dem sie beschleunigt und verlangsamt werden oder man-eine vorliegende Beschleunigung oder Verlangsamung verstärken kann, erreicht man mit der Erfindung verbesserte Erwärmungs*-,und
Mischgeschwindigkeiten.
Erwärmungs- und Mischgeschwindigkeiten, die bisher nicht erreichbar waren. Da die Strömung durch einen Kanal geführt wird, in dem sie beschleunigt und verlangsamt werden oder man-eine vorliegende Beschleunigung oder Verlangsamung verstärken kann, erreicht man mit der Erfindung verbesserte Erwärmungs*-,und
Mischgeschwindigkeiten.
Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlich erläutert werden. .-:
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Anlage zur
Durchführung eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine schaubildliche Schnittdarstellung einer Anlage nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine vergrößerte schaubildliche Darstellung eines Teils der Vergasungsstufe der Anlage
nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 ist eine weitere vergrößerte schaubildliche Darstellung eines entsprechenden Teils der
Vergasungsstufe in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Wie nun die Fig. 1 zeigt, die das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung darstellt, werden gepulverter Brennstoff, Oxidationsmittel
und Wasserdampf in die Verbrennungsstufe 11 gegeben,
wie dargestellt. Der Brennstoff kann Kohle oder dergleichen enthalten, ist aber vorzugsweise aus dem Produktstrom
abgetrennte Verkohlungskohle; das Oxidationsmittel ist vorzugsweise Sauerstoff, der Wasserdampf vorzugsweise überhitzt.
Die Verbrennungsstufe 11 für den Betrieb bei hohen oder verhältnismäßig
hohen Temperaturen ist an die Vergasungsstufe angeschlossen, die ausführlicher unter Bezug auf die Fig. 2,
3 und 4 erläutert wird. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden in der Verbrennungsstufe 11 zu Verbrennungsprodukten
einschließlich Verbrennungsgas verbrannt; gleichzeitig erhitzt sich der eingemischte Wasserdampf auf die hohe Austrittstemperatur
der Gase der Verbrennungsstufe. In der Verbrennungsstufe ist die Reaktion der Verkohlungskohle mit dem Sauerstoff
und Wasserdampf exotherm und bewirkt vorzugsweise eine Temperatur von etwa 19000K bis 28000K, abhängig von der Art und
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Menge des Brennstoffs und Oxidiermittels sowie der Temperatur und des Volumens des Wasserdampfs. Die Verkohlungskohle wird
dabei im wesentlichen vollständig vergast und das sich in der Verbrennungsstufe ergebende Verbrennungsgas besteht aus Wasserdampf
und Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Weiterhin können an der Verbrennungsstufe Vorkehrungen
zur Schlackeentfernung getroffen werden, um übermäßige Schlacke zu entfernen. Für Vergasungsanwendungen, in denen ein Gas mit
geringem Heizwert genügt, kann der Sauerstoff ganz oder teilweise durch Luft ersetzt werden; dann muß die zugeführte Dampfmenge
ebenfalls zurückgenommen werden, um dem Verbrennungsgas die geforderte hohe Temperatur zu erteilen.
Das Verbrennungsgas mit dem Wasserdampf und restlicher Verkohlungskohle
oder mineralischer Materie wird in eine Mischzone
22 (Fig. 2) in der Vergasungsstufe 12 gegeben, in die gleichzeitig auch Kohlepulver eingeführt und dort dispergiert wird. In der Vergasungsstufe 12 findet eine Reaktion statt, bei der ein Produktgas aus CO, H2 und CH4 bei minimalem Anteil von CO2 - unabhängig vom eingesetzten Brennstoff und Oxidiermittel entsteht.
22 (Fig. 2) in der Vergasungsstufe 12 gegeben, in die gleichzeitig auch Kohlepulver eingeführt und dort dispergiert wird. In der Vergasungsstufe 12 findet eine Reaktion statt, bei der ein Produktgas aus CO, H2 und CH4 bei minimalem Anteil von CO2 - unabhängig vom eingesetzten Brennstoff und Oxidiermittel entsteht.
Am Ende der Reaktion in der Vergasungsstufe 12 kann, wenn das Gas gekühlt werden muß, das Produktgas in die Abschreckstufe
14 geführt werden. Diese Stufe kann eine Zone enthalten, in
der ein kaltes Strömungsmittel wie Wasser eingespritzt wird,
oder kann ein Wärmeaustauscher sein.Der gekühlte Produktstrom mit der Verkohlungskohle wird dann in eine Abtrennvorrichtung
der ein kaltes Strömungsmittel wie Wasser eingespritzt wird,
oder kann ein Wärmeaustauscher sein.Der gekühlte Produktstrom mit der Verkohlungskohle wird dann in eine Abtrennvorrichtung
15 (beispielsweise einen herkömmlichen Zyklon) eingeführt, in der die Verkohlungskohle abgetrennt wird. Wenn erwünscht, kann
die Kühlstufe mit dieser Abtrennvorrichtung zusammengefaßt
werden. In der Zyklon-Trennvorrichtung wird Produktgas kontinuierlich auf herkömmliche Weise abgezogen und auf beispiels-
werden. In der Zyklon-Trennvorrichtung wird Produktgas kontinuierlich auf herkömmliche Weise abgezogen und auf beispiels-
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einen Wärmeaustauscher 16, um Nutzwärme zu gewinnen und das
Produktgas zu kühlen, und auf eine (nicht gezeigte) Verschiebeumwandlungseinrichtung
("shift conversion apparatus") zur weiteren Verarbeitung gegeben. Die abgetrennte Verkohlungskohle
wird separat auf herkömmliche Weise abgezogen und mindestens ein Teil derselben als Brennstoff in die Verbrennungsstufe 11
gegeben. Liegt die Verkohlungskohle im Überschuß vor, kann der
Rest entnommen und als Kraftwerksbrennstoff oder dergleichen genutzt werden.
Nach dem Trennen kann die Verkohlungskohle beispielsweise in einen Vorratsbehälter (Fig. 2) gefüllt werden, der als
Schleuse in einem Schaltzyklus arbeiten und die Verkohlungskohle
aus dem Zyklon in die mit hohem Druck arbeitenden Kohletrichter geben kann. Aus dem Kohletrichter kann die Verkohlungskohle
dosiert in die Verbrennungsstufe in einem geeigneten
Trägergas - beispielsweise Produktgas - eingeführt werden.
Die Verkohlungskohle kann mit geeigneten Einrichtungen wie Sternrad-Dosiervorrichtungen (nicht gezeigt) dosiert und in
die Verbrennungsstufe eingezogen werden.
Feingepulverte Kohle kann mit Kolbenspeiseeinrichtungen oder
aus Kohletrichtern mit einer (nicht gezeigten) Sternradvorrichtung
in ein unter Druck stehendes Trägermittel wie beispielsweise Produktgas eindosiert und in die Vergasungsstufe 12 als
unter Druck stehende dichte Fließphase eingetragen werden.
Wenn in der Verbrennungsstufe 11 die Wasserdampfversorgung ausfällt,
können die Temperaturen gefährliche Werte erreichen, sofern der Prozeß nicht sofort abgeschaltet wird. Folglich
sind eine sorgfältige Montage und Anlauf- sowie Abschaltvorschriften
empfohlen, die den erforderlichen Schutz bieten.
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In der Verbrennungsstufe läuft die Reaktion der Verkohlungsstufe
mit dem Sauerstoff und dem Wasserdampf exotherm an und es entstehen Temperaturen von etwa 19000K bis 28000K. Die
Verkohlungskohle wird im wesentlichen vollständig vergast und die Verbrennungsprodukte aus der Vertrennungsstufe sind
Wasserdampf und Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Die Verbrennungsstufe kann auch mit Vorkehrungen
zum Entfernen von Schlacke (Fig. 2) versehen werden, um aus der Verbrennungsstufe überschüssige Schlacke abzuziehen.
-Beim Eintritt in die Vergasungsstufe und bei der Berührung
mit der Pulverkohle auf die unten ausführlicher beschriebene Weise erhitzt die Kohle sich sehr schnell und
reagiert mit dem Verbrennungsgas und Wasserdampf zu Synthesegas, Methan und Verkohlungskohle.
Die Fig. 2 zeigt in schaubildlicher Form eine Verbrennungsstufe und eine Vergasungsstufe zusammen mit den für die Vergasungsanlage
erforderlichen Haupt- und Hilfsanlagenteilen.
Die Verbrennungsstufe 11 weist ein Verbrennungsgefäß 31 auf,
in das Verkohlungskohle, überhitzter Dampf und Sauerstoff eingeführt werden und (einschließlich Verbrennungsgas) bei
einem Druck von etwa 0,1 bis 10 MPa, vorzugsweise etwa 0,2 bis 1 MPa, und einer Temperatur von etwa 1900 bis 28000K zu
Verbrennungsprodukten reagieren. Das Verbrennungsgas besteht hauptsächlich aus CO2 und. H»0 mit geringeren Mengen CO und H-.
Die Wände des Verbrennungsgefäßes 31 sind vorzugsweise wassergekühlt und bedecken sich mit einer Schicht erstarrter Schlacke,
auf der geschmolzene Schlacke aus den Mineralanteilen in der Verkohlungskohle abwärts zum Bodenkegel 32_des. Gefäßes fließt.
Von dort kann die Schlacke durch das Schlackenloch 33 in das Kühlwasser in einem Schlackeaufnehmer 34 fallen, wo sie zu
Schlackebruchstücken erstarrt. Damit die Schlacke das Ablaßloch 33 nicht zusetzt, kann man eine sehr schwache Strömung des
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heißen Verbrennungsgases abwärts durch das Ablaßloch in den Aufnehmer 34 und von dort durch den Kühler 35 und ein Drosselventil
36 strömen lassen. Die im Kühler 35 ausgezogene Wärme kann zum Wärmen des Speisewassers dienen; das im Ventil
36 gedrosselte Verbrennungsgas kann man ablassen oder anderswo im Prozeß nutzen. Die erstarrten Schlacketeilchen
lassen sich aus dem Aufnehmer 34 durch die Schleuse 37 entfernen. Während des Anlaufens der Verbrennungsstufe kann Heizgas
anstelle der Verkohlungskohle eingeführt und die Dampfzufuhr zur Temperatursteuerung variiert werden.
Die Verbrennungsstufe 11 liefert einen Strom heißen Verbrennungsgases
an die Vergasungsstufe 12, die in einer Folge mindestens
einen Einlaßkanal 21 aufweist, der zu einer Mischzone 22 führt, in der die eintreffende heiße Strömung aus der Verbrennungsstufe
11 gezwungen wird, sich schnell mit der Speisekohle zu mischen, indem man beispielsweise eine stark turbulente
Strömung so erzeugt, wie es für den sogenannten "strahlgerührten" ("jet-stirred") Reaktor kennzeichnend ist. Die turbulente
Strömung durchströmt mit hoher Unterschallgeschwindigkeit dann einen Vergasungskanal 23, in dem die Turbulenzen sich
fortsetzen und die Strömung durch eine oder mehrere sich wiederholende Änderungen der Kanalgestalt gezwungen wird zu beschleunigen
und zu verlangsamen. Wie beispielsweise die Fig. 3 und 4 zeigen, können die Änderungen in unterschiedlicher
Form vorliegen. Pulverisierte Kohle wird zusammen mit einem Trägergas in einer Einspritzvorrichtung 16 bzw. 26 gemischt
und unter Druck gesetzt, dann in die Strömung heißer Verbrennungsprodukte in der Mischzone eingemischt und dispergiert.
Die Einzelheiten dieses Einspeisens, Dispergierens und Mischens sowie die Prozeßvorteile, die sich ergeben, indem man die Mischung
aus Kohle und Gasen im Vergasungskanal 23 verstärkt beschleunigt und verlangsamt, werden im folgenden unter Bezug
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auf die Fig. 3 und 4 erläutert.
Die Ausgangsströmung aus dem Vergasungskanal 23, die nun im wesentlichen aus Synthesegas und Methan sowie mitgeführten
Teilchen der Verkohlungskohle besteht, kann, falls erwünscht, durch Zugabe von Wasser oder Wasserdampf im Kanal 14 gekühlt
werden, der daher eine Kühlstufe darstellt. Dieses Abkühlen sollte schnell auf eine Temperatur erfolgen, die einerseits
niedrig genug ist, um weitere chemische Reaktionen im Produktstrom zu unterdrücken, und andererseits für die folgende Verkohlungskohle-Abtrenm-'orrichtung
15 sicher aber noch hoch genug ist, um im Wärmeaustauscher 16 Wasserdampf zu erzeugen.
Dieses Abkühlen ist im allgemeinen nicht erforderlich, da die Pyrolyse- und Vergasungsreaktionen in der turbulenten
Mischzone 22 und dem Vergasungskanal 23 insgesamt endotherm ablaufen. Als Sicherheitsmaßnahme sollten jedoch Vorkehrungen
getroffen werden, in diese Bereiche Wasser bei einem Ausfall der Kohlezufuhr und während des Systemanlaufs einzuführen, da
dann die endothermen Reaktionen noch nicht ablaufen und die Gasströmung Temperaturen annehmen kann, die stromabwärtige
Anlagenteile beschädigen können.
Die Teilchen der Verkohlungskohle werden aus der Ausgangsströmung in der Abtrennvorrichtung 15 abgetrennt, so daß man ein
sauberes heißes Produktgas, das in einem Wärmeaustauscher 16 gekühlt wird, sowie heiße Verkohlungskohle erhält, die in einem
oder mehreren Kohlebehältern 17a, 17b gesammelt wird. Mindestens
ein Teil der Verkohlungskohle wird durch eine Schleuse 18a abgezogen und mit einer Spritzvorrichtung 19 in das Verbrennungsgefäß
31 eingespritzt. Das Trägergas für diesen Einspritzvorgang kann mit Vorteil Produktgas vom Ausgang des Wärmetauschers
16 sein, das ein Verdichter 20 unter Druck setzt. Fällt die Verkohlungskohle im Überschuß an, kann der Überschuß
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durch eine weitere Schleuse 18b abgezogen und als Kraftwerksbrennstoff oder dergleichen eingesetzt werden. Zum Einspritzen
der Verkohlungskohle kann als Trägergas auch Wasserdampf dienen.
Die Fig. 3 zeigt nun schaubildlich und vergrößert eine Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung, nämlich denjenigen Teil der Vergasungsstufe 12, der aus unmittelbar aufeinanderfolgenden
Abschnitten von Einlaßkanälen 21 besteht, die zu einer Turbulentmischzone 22, dem Vergasungskanal 23
und dem angrenzenden Teil des Kühlkanals 14 führen. Wie die Fig. 3 ebenfalls zeigt, sind die Einlaßkanäle 21 dicht abgeschlossen
in das Reaktionsgefäß geführt, in dem eine stark turbulente Mischzone 22 hergestellt werden soll. Zu diesem
Zweck sind die Einlaßkanäle 21 mit sich verjüngenden Düsen 25 ausgeführt, die auf einen gemeinsamen Konvergenzpunkt 13 im
Reaktionsgefäß 24 gerichtet sind. Die Umwandlung der kinetischen
Energie der aus den Düseji 25 austretenden Strömungen
zu Turbulenz führt zur Ausbildung einer Mischzone 22 insbesondere nahe dem Konvergenzpunkt 13 und allgemein im gesamten
Innenraum des Reaktionsgefäßes 24, in der die Strömung
stark turbulent ist. In diese Mischzone wird feinzerteilte Kohle oder ein anderes kohlenstoffhaltiges Material in einem Trägergas
durch ein Kohlerohr 26 eingeführt und dann in der stark turbulenten Strömung des heißen Brenngases rasch dispergiert.
Infolge der starken und häufigen Beschleunigungen und Verlangsamungen des Gases in dieser stark turbulenten Strömung und
der Trägheit der Kohleteilchen, werden starke Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Teilchen und dem Gas erzwungen, so
daß eine starke physische Transportwechselwirkung ("physical transport interaction") zwischen ihnen stattfindet, in deren
Folge die Teilchen von dem heißen Verbrennungsgas sehr schnell aufgeheizt und die austretenden flüchtigen Stoffe von den Teilchen
sofort abgeschwemmt und durch die Reaktion mit dem Verbrennungsgas stabilisiert werden.
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In einem Strömungssystem hat eine Strömungsturbulenz immer die
Neigung, sich langsam abzuschwächen. Unter den Bedingungen der hohen Temperatur und der hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten in
einem Vergaser nach der vorliegenden Erfindung und bei ausreichen starker Anfangsturbulenz in der Mischzone 22 kann die Mischströmung
lange genug durch einen einfachen gradlinigen Vergasungskanal 23 geführt werden, daß der Vergasungsvorgang sich
vollendet, und zwar abhängig von den Beschleunigungen infolge der langsam abnehmenden Turbulenz und der abnehmenden Massenströmungsgeschwindigkeit,
um diese gewünschte starke physische Transportwechselwirkung zu erreichen. Diese Beschleunigungen
und Verlangsamungen der turbulenten Strömung können jedoch nicht nur beibehalten, sondern verstärkt werden durch zusätzliche
Beschleunigungen und Verlangsamungen, die man mittels strömungsdynamischer Vorkehrungen einprägen kann. In der schaubildlich
als Beispiel in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine sich wiederholende Folge von Verringerungen
27 und Zunahmen 28 der Kanalquerschnittsfläche, die eine entsprechende Folge von Zunahmen und Abnahmen der Gasgeschwindigkeit
erzwingt. Wie in der Fig. 3 gezeigt, sind die Zunahme der Kanalquerschnittsfläche vorzugsweise weniger abrupt
als die Abnahmen, um eine Strömungsablösung und den dadurch bewirkten Verlust an Verlangsamung zu vermeiden. Ein
Divergenzwinkel· der Wände in der Größenordnung von 0,1 rad ist noch annehmbar.
Der Vergasungskanal 23 in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform weist also eine Folge von verjüngten ünterschalldüsen 27
und ünterschalldiffuser 28 auf; die Folge wird abgeschlossen
durch einen weiteren ünterschalldiffuser 29, der die Strömung
zum Einführen in den Kühlkanal 14 abbremst.
Die Fig. 4 zeigt schaubildlich vergrößert den gleichen Teil einer Vergasungsstufe 12 wie in Fig. 3, aber an einer anderen
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Ausführungsform. Wie die Fig. 4 zeigt, handelt es sich bei der strömungsdynamischen Einrichtung zum Verstärken der Beschleunigungen
und Verlangsamungen der turbuleten Strömung um eine Folge von Biegungen 38 im Vergasungskanal 23. Während
die Gasströmung den Biegungen folgt, wollen die Teilchen infolge ihrer Trägheit gradliniger weiterströmen. Folglich fließt
das Gas nicht nur relativ zu den mitgerissenen Teilchen in seitlichen Schwingungen, sondern es legt auch eine längere
Wegstrecke zurück als ein typisches Teilchen. Dieser Weglängenunterschied bewirkt starke Geschwindigkeitsunterschiede
zwischen den Teilchen und das Gas und somit eine starke physische Transportwechselwirkung.
Der Vergasungskanal 23 der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform besteht aus einer Folge von Kanalbiegungen 38. Auch hier
wird die Felge mit einem Unterschalldiffuser 29 abgeschlossen.
Weiterhin ist für den Fachmann einzusehen, daß man die in Fig. 3 und 4 gezeigten Konstruktionskonzepte zusammenfassen kann.
Eine weitere Form eines Vergasungskanals 23 kann eine oder mehrere Strönungsdrosselstellen aufweisen, die von Vorsprüngen
wie stromabwärts gewandten Stufen in der Wand oder abgestützten Störkörpern ("bluff bodies") in einer Gestalt und Anordnung
gebildet werden derart, daß ein Teil des Gesamtströmungsdrucks zu starken trubulenten Geschwindxgkeitsschwankungen
umgesetzt wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann das feinzerteilte kohlenstoffhaltige Material in der Mischzone 22 in eine schwachturbulente Strömung
eingeführt und dort dispergiert und die resultierende Mischung dann sofort in den Vergasungskanal 23 übergeführt werden,
in dem Änderungen der Kanalgestalt die Gasströmung stark be-
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schleunigen und hohe Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials und dem sie umgebenden
Verbrennungsgas erzeugen. In allen diesen erwähnten Ausführungsformen
werden die dispergierten Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials sehr schnell einer stark beschleunigten
Strömung des umgebenden heißen Verbrennungsgases ausgesetzt, so daß die Erwärmung der Teilchen, das Abschwemmen der flüchtigen
Bestandteile und deren Stabilisierung durch Reaktion mit dem Verbrennungsgas nicht "mischbegrenzt" sind.
Für die Auslegung des Vergasers sind folgende Gesichtspunkte
wichtig: Um die erforderlichen Teilchenbewegungen bezüglich des umgebenden Heißgases zu erreichen, ist nach den unten beschriebenen
Verfahrensweisen berechenbar, daß die mittleren Gasströmungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10m/s
bis 500 m/s liegen sollten, wobei der Bereich von 20 bis m/s bevorzugt ist. Da Gas/Teilchen-Wechselwirkungszeiten in
der Größenordnung von 100 m/s genügen können, um die Kohleteilchen gründlich von flüchtigen Bestandteilen zu befreien
und diese mit dem umgebenden Heißgas zu stabilisieren, ist
einzusehen, daß die angegebenen bevorzugten mittleren Gasgeschwindigkeiten im Vergaser von nur 2 bis 10 m Strömungsstrecke
erfordern - ein zweckmäßiger und praktisch gut erreichbarer Längenbereich.
Mit den gleichen unten beschriebenen Verfahrensweisen ist berechenbar,
daß für eine Anordnung nach der vorliegenden Erfindung und konstante Teilchen/Gas-Wechselwirkung die Abmessungen
der Vergasungsstufe sich fast proportional zur mittleren Gasströmungsgeschwindigkeit
und die Massenströmung mit etwa, der Potenz (5/2) dieser Geschwindigkeit verhalten. Infolge dieser
ziemlich stark exponentieIlen Abhängigkeit ergeben mittlere GasStrömungsgeschwindigkeiten unter der unterenGrenze des Vor-
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zugsbereichs einen Durchsatz, der kleiner ist als für die
meisten Anlagen nach dem Stand der Technik erforderlich. Für Gasgeschwindigkeiten über der oberen Grenze des Vorzugsbereichs
erhält man einen im Vergleich zu den Forderungen der meisten bekannten Anlagen hohen Durchsatz.
Wie sich aus den vorgehenden Erläuterungen erkennen läßt, erlaubt die vorliegende Erfindung die Herstellung von Vergasern
innerhalb eines sehr breiten Größenbereichs ohne wesentlichen Verlust an Wirkungsgrad bei erheblichen Vorteilen gegenüber den
Konstruktionen des Standes der Technik.
Eine weitere unerwartete, aber günstige Eigenschaft eines Vergasers nach der vorliegenden Erfindung ist, daß diese im
Einsatz verhältnismäßig unempfindlich ist für die genaue Feinheit
bzw. Feinheitsverteilung des Kohlepulvers bzw. anderen kohlenstoffhaltigen Materials. Dieser Umstand läßt sich mit
den folgenden strömungsdynamischen Tatsachen erklären: Unter den Bedingungen einer stark beschleunigten Strömung, wie sie
in einem Vergaser nach der vorliegenden Erfindung herrschen, und für typische Teilchengrößen eines feinteiligen Kohlepulvers
liegen die Reynolds-Zahlen der Gasströmung um ein Teilchen
herum allgemein im Bereich von 1 bis 1000. In diesem Bereich
der Reynolds-Zahlen ändert der strömungsmechanische Widerstandsbeiwert eines Teilchens sich etwa invers zur Qudratwurzel
aus der Reynolds-Zahl.Wendet man diesen Umstand auf
die Analyse der Bewegung eines typischen Teilchens in einer beschleunigten Gasströmung an, erhält man ein überraschendes
und interessantes Ergebnis: Die Geschwindigkeit eines solchen Teilchens bezüglich des umgebenden Gases ist im wesentlichen
porportionai zum Teilchendurchmesser, so daß Teilchen unterschiedlicher
Größe in gleich beschleunigten Strömungen in einem gegebenen Zeitraum gleiche Vielfache ihrer eigenen Durchmes-
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ser zurücklegen. Die Teilchengeschwindigkeiten bezüglich der
beschleunigten Gasströmung sind also fast proportional der ersten Potenz der Teilchengröße.
Für die oben angegebenen dynamischen Ströir.ungsbedingungen läßt
sich eine charakteristische Dämpfungszeit berechnen, innerhalb der ein Teilchen einen erheblichen Teil seiner Anfangsgeschwindigkeit
bezüglich des umgebenden Gases verliert. Eine solche Analyse zeigt, daß diese Dämpfungszeit nur sehr wenig von Betrieb
spar ame tern wie der Temperatur und dem Druck abhängt und sich invers zur halben Potenz der Anfangsgeschwindigkeit und
direkt zur Potenz (3/2) des Teilchendurchmessers verhält. Diede Dämpfungszeit - zusammen mit der Teilchengeschwindigkeit
in einer beschleunigten Strömung - definiert eine charakteristische Teilchenweglänge, die proportional der Potenz (5/2)
des Teilchendurchisessers ist. Im Kontext einer dünnen Schicht
aus einem reaktionsfähigen heißen Gas, deren Dicke eine schwache
Funktion des Teilchendurchmessers sein kann, ergibt sich die überraschende, aber sehr günstige Entdeckung, daß die Masse
des Heißgases, mit der ein Teilchen reagieren kann, der dritten Potenz des Teilchendurchmessers, d.h. der Teilchenmasse
grob proportional ist. Unter den in einem Vergaser nach der vorliegenden Erfindung herrschenden Strömungsbedingungen
erfahren Teilchen unterschiedlicher Durchmesser mit dem umgebenden Heißgas insgesamt eine etwa gleiche physische Transportwechselwirkung;
die Vorrichtung kann also im Einsatz gegenüber der Feinheit oder Feinheitsverteilung des eingesetzten
Kohlepulvers verhältnismäßig unempfindlich sein.
Eine Prüfung der oben ausgeführten Analysen auf die Abhängigkeit der Teilchenwegstrecke von Parametern wie dem Druck und
der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ergibt einen weiteren nützlichen Zusammenhang: Indem man die mittlere Gasströmungs-
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geschwindigkeit ir.ir der Potent (1/3) bis (1/4) des Arbeitsdrucks
variiert, erhält man bei einer typischen Teilchen,-"Gas-Bewegung
eine xir. wesentlichen unveränderte physische Transportwechselwirkung
zwischen Teilchen und Gas in Kategorien der Teilchennasse in Vergleich zur Masse des umgebenden Gases.
Folglich kann ir.an rr.it einen Vergaser nach der vorliegenden Erfindung
und der dort herrschenden stark beschleunigten Strömung innerhalb des angegebenen Reynolds-Zahlenbereichs einen
erheblichen Betriebsstellbereich ("turndown capability") für den Durchsatz erreichen, indeir, man den Arbeitsdruck und die
mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der gleichen Richtung ändert. Da die Durchlaufbett-Anlagen nach dem Stand der Technik
unter anderen Strcmungsbedingungen arbeiten, ist bei ihnen der Betriebsstellbereich kaum besser als 2:1. Folglich
ist der größere potentielle Betriebsstellbereich einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung äuBerst attraktiv.
Auf ier Grundlage der vergehenden Erläuterungen kann der Fachmann
unmittelbar andere Konfigurationen und Anordnung treffen,
die vergleichbare Beschleunigungen und Verlangsamungen
in einer ünterschallstrcr.ung in der Vergaserstufe für den
gleichen Zweck bewirken, wie hier beschrieben. Beispielsweise kann man eine andere Anzahl von EinlaSkanälen 21 oder eine Vielzahl
von Kcr.vergenzpunkten 13 vorsehen, um besonders stark turbulente
Srrcmungs- und Mischlauster zu erzeugen. Weiterhin kann man die Emiaßkanäle so richten, daß die Strahlen auf geeignete
ausgestaltete Teile der Wandinnenflächen des Reaktionsgefäßes
24 Drallen.
Cl. bm
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Claims (17)
1. Verfahren zum Vergasen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe,
dadurch gekennzeichnet, daß man (a) kohlenstoffhaltiges Material
und ein Oxidiermittel in einer Verbrennungsstufe brennt, wobei das kohlenstoffhaltige Material und das Oxidiermittel
unter Bildung heißer Verbrennungsprodukte einschließlich eines heißen Verbrennungsgases miteinander reagieren,
(b) Wasserdampf in die Verbrennungsstufe einführt, um einen Bestandteil des Verbrennungsgases zu liefern, (c) das Verbrennungsgas
in eine Mischstufe einführt, durch die das Verbrennungsgas mit Unterschallgeschwindigkeit und mit vorbestimmter
Turbulenzstärke strömt, (d) feinzerteilten kohlenstoffhaltigen Brennstoff in das Verbrennungsgas in der Mischstufe
einführt und dort dispergiert, um im umgebenden heißen Verbrennungsgas eine Mischströmung aus Teilchen des mitgeris-
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ORIGINAL
302P684
senen dispergierten kohlenstoffhaltigen Brennstoffs auszubilden, (e) die Mischströmung in eine Vergasungsstufe einspeist,
in der die Mischströmung mit Unterschallgeschwindigkeit durch einen Kanal strömt, (f) eine oder eine Vielzahl strömungsdynamischer
Beschleunigungen der Mischströmung erzeugt, so daß die Teilchen bezüglich des umgebenden heißen Gases kräftig
bewegt werden, indem unter Ausnutzung der Trägheit der Teilchen und der Beschleunigung des Gases ein Geschwindigkeitsgefälle zwischen den Teilchen und dem Gas erzeugt wird, wobei
die Mischströmung derart beschleunigt wird und das Heißgas eine ausreichend hohe Anfangstemperatur hat, daß die Teilchen
mit mindestens etwa 10 °K/s erwärmt und mindestens teilweise vergast werden und ein Produktgas sich bildet, und daß man
(g) einen das Produktgas enthaltenden Produktstrom aus der Vergasungsstufe abzieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das in die Vergasungsstufe eingeführte Gas eine Temperatur
von 1900 bis 28000K, einen Druck von 0,1 bis 10 MPa und eine
Geschwindigkeit von 10 bis 500 m/s hat und daß die Reynoldszahl der Strömung des heißen Verbrennungsgases über die Teilchen
im Bereich von 1 bis 1000 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mischströmung die strömungsdynamischen Beschleunigungen durch Turbulenz erteilt werden, die in die Mischstufe durch
in diese eintretende sehr schnelle Strahlen des Verbrennungsgases erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man die strömungsdynamischen Beschleunigungen der Mischströmung durch Turbulenz erzeugt, die entsteht, indem man die
Mischströmung an in den Kanal der Vergasungsstufe hinein vorstehenden Vorsprüngen vorbei strömen läßt.
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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die strömungsdynamischen Beschleunigungen der Mischströmung
mit einer Folge von Veränderungen der Kontur des Kanals in der Vergasungsstufe erzeugt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei der Folge von Änderungen der Kontur um eine Folge von Flächenänderungen handelt, durch die im Kanal eine
Folge von sich verjüngenden Unterschalldüsen und Unterschalldiffusern
entsteht.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei der Folge von Konturveränderungen um eine Folge von Richtungsänderungen handelt, wobei der Kanal eine Folge
von gebogenen Kanalabschnitten aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch die Turbulenz in der Mischstufe erzeugten
stromungsdynamischen Beschleunigungen durch im Kanal der Vergasungsstufe erzeugte Turbulenzen verstärkt.
9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß man die durch die in der Mischstufe erzeugte Turbulenz bewirkten strömungsdynamischen Beschleunigungen durch Beschleunigungen
mittels der Folge der Konturänderungen des Kanals in der Vergasungsstufe verstärkt.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom einen so starken Temperaturabfall erfährt,
daß die Komponenten der Gasströmung im wesentlichen kein Gleichgewicht annehmen können.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei dem Brennstoff um feinzerteiltes festes kohlen-
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stoffhaltiges Material handelt, das man vergast, um Verkohlungskohle
und ein Produktgas zu erzeugen, wobei der Produktstrom Verkohlungskohle und Produktgas enthält und man die Verkohlungskohle
vom Produktstrom abtrennt.
12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei dem Brennstoff um feinzerteiltes flüssiges kohlenstoffhaltiges Material handelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
man das flüssige kohlenstoffhaltige Material vergast, um ein Produktgas und ein nicht gasförmiges Restmaterial herzustellen,
wobei der Produktstrom Produktgas und das Restmaterial enthält und man das Restmaterial vom Produktstrom abtrennt.
14. Vergaser zum Umwandeln von kohlenstoffhaltiger Materie
zu Synthese- oder Heizgas, gekennzeichnet durch (a) eine Verbrennungskammer,
(b) eine Vergasungskammer, (c) eine die Verbrennungs- mit der Vergasungskammer verbindende Mischkammer,
(d) eine Einrichtung, um feinzerteilteskohlenstoffhaltiges
Material, ein Oxidiermittel und Wasserdampf in die Verbrennungskammer einzuführen und dort bei ersten gewählten Temperatur-
und Druckbedingungen Verbrennungsprodukte einschließlich Verbrennungsgas und Restwasserdampf zu erzeugen, (e)eine
Einrichtung, um die Verbrennungsprodukte und Wasserdampf in die Mischkammer mit hoher Turbulenz bei Unterschallgeschwindigkeit
einzuführen, (f) eine Einrichtung, um feinzerteilten
kohlenstoffhaltigen Brennstoff in Teilchenform in die turbulenten Verbrennungsprodukte in der Mischkammer einzuführen
und dort zu dispergieren, (g) strömungsdynamische Mittel, um die Teilchen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs kräftig relativ
zu den Verbrennungsprodukten und dem Wasserdampf zu bewegen,
wobei man eine starke physische Transportwechselwir-
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kung zwischen ihnen erhält, indem man einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Teilchen und dem Gas und Wasserdampf
unter Ausnutzung der Trägheit der Teilchen erzeugt und mindestens eine Unterschall-Beschleunigung und Verlangsamung
in der Vergasungskammer die Turbulenz der Verbrennungsprodukte und des Dampfes bei Eintritt in die Vergasungskammer
verstärkt und wobei weiterhin die Verbrennungsprodukte und der Wasserdampf bei der ersten Temperatur eine solche Anfangsgeschwindigkeit und verstärkte Beschleunigung aufweisen, daß
sich eine Erwärmungsgeschwindigkeit von mindestens etwa 10 °K/s ergibt, bei der der Brennstoff mindestens teilweise
vergast und sich ein Produktgas bildet, und durch (h) eine Einrichtung zum Aufnehmen und Auftrennen des Produktgases.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandungen der Vergasungskaimer eine oder eine Folge von
ünterschalidüsen und ünterschalldiffusern bilden.
16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
Änderungen der Wandgestalt in der Vergasungskanuner vorgesehen sind, damit durch die Vergasungskammer strömende gasförmige
Produkte allgemein eine längere Wegstrecke durchlaufend als der Brennstoff beim Durchströmen der Vergasungskammer.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Änderungen der Wandgestalt in der Vergasungskammer durch eine Folge gekrümmter Kanalabschnitte erzeugt werden.
030050/0873
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