DE3020684C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Vergasung kohlenstoff­ haltiger Stoffe und insbesondere ein zweistufiges Durchlaufbett- Vergasungsverfahren ("entrained-bed gasification method") sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben bei der Ver­ gasung 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 Kompo­ nenten zu beseitigen und feste, flüssige und gasförmige Pro­ dukte als Brenn- bzw. Heizstoffe und Chemikalen herzustellen.

Diese Technologie wurde bereits im Jahre 1807 eingesetzt, als mit aus Kohle hergestelltem Stadtgas in London eine Straßen­ beleuchtung eingeführt wurde. Um die Jahrhundertwende stellten deutsche Chemiker eine Anzahl von Produkten aus Kohle her. Ein großer Anteil des Treibstoffverbrauchs der deutschen Streit­ kräfte im zweiten Weltkrieg wurde mit aus Kohle hergestell­ tem Benzin bestritten. Vor der Einführung billigen Erdgases und Öls wurde auch in den Vereinigten Staaten aus Kohle her­ gestelltes Gas mit niedrigem Heizwert verwendet. Billiges Gas und Öl drückten die Kohlevergasungsverfahren beiseite und es fanden bis vor kurzem infolge der erheblich gestiegenen Kosten für Erdgas keine wesentlichen technologischen Fortschritte auf diesem Gebiet statt.

Der Vergaser bzw. Reaktor ist das Herz eines Kohlevergasungs­ verfahrens, 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 erfor­ derliche Wärme zu erzeugen.

Eine bekannte Art eines Vergasers, für die der Lurgi-Verga­ ser typisch ist, ist der Festbettvergaser. Bei diesem Verga­ ser wird größenklassierte Kohle von oben und das Vergasungs­ mittel wie Sauerstoff und Dampf von unten in den Vergaser gefüllt. Derartige Vergaser benötigen die niedrigsten Arbeits­ temperaturen aber lange Verweilzeiten von bis zu einer Stun­ de. 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 erfor­ dert dann mehr Sauerstoff und weniger Dampf, arbeitet aber mit einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit als ohne Verschlackung. Die dem Festbettverfahren innewohnenden Vorteile sind der hohe Wärmewirkungsgrad und der hohe Kohlenstoffumsatz sowie eine nur geringe Verunreinigung des Gases mit Feststof­ fen. Ein Nachteil ist, daß sich ohne Vorbehandlung keine Back­ kohle einsetzen läßt. Die Kohle muß eine gleichmäßige Teil­ chengröße und gute mechanische Festigkeit haben. Die Erzeu­ gung 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 ge­ stoßener oder feinteiliger Kohle arbeitet. Der Fließbettver­ gaser erlaubt gegenüber dem Festbettvergaser eine verbesser­ te Durchmischung der Gase mit den Feststoffen, eine gleich­ mäßige 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 all­ gemeinen eine Vorbehandlung von Backkohle und längere Ver­ weilzeiten als die unten erläuterten Durchlaufbett-Vergaser. Die Abgase enthalten im allgemeinen einen hohen Staubanteil, und der Bereich der Arbeitsbedingungen wird von den Fließei­ genschaften der Teile und der Gefahr eines Mitreißens der­ selben begrenzt.

Eine dritte Vergaserart ist der Salz- oder Eisen-Schmelzbad­ vergaser, 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 ("en­ trained-bed gasifier"), bei dem eine ein- und eine zweistufige Variation unterschieden werden.

Der einstufige Vergaser dieser Art wird zuweilen auch als Ver­ gaser mit partieller Oxidation bezeichnet. Bei diesem Verga­ ser werden Kohlepulver und das Vergasungsmittel - typischer­ weise Sauerstoff und Dampf - gleichzeitig zugeführt und die Kohle mehr oder weniger in Suspension vergast. Das Abgas ent­ hält wenig oder kein Teer oder Methan, da bei den hohen ein­ gesetzten Temperaturen die homogenen Gasphasenreaktionen ein thermodynamisches Gleichgewicht einnehmen. Um den Verga­ ser bei hohen Temperaturen zu betreiben, können unter Umstän­ den höhere Sauerstoffmengen als bei Fließ- oder Festbettver­ gasern erforderlich sein. Die austretenden Gase haben hohe Temperaturen und hohe Anteile an Ascheteilchen. Die Brenn­ stoff-Gas-Erzeugungsraten pro Volumeneinheit des Vergaser­ raums insgesamt sind wegen der hohen Reaktionstemperaturen und der großen Teilchenoberfläche höher als bei den Fließ- oder 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 Ver­ gasungsprozesse. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbes­ serung 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 zurück­ geführt und mit Sauerstoff und Dampf in einer ersten bzw. Ver­ brennungsstufe in heißem Verbrennungsgas umgesetzt. Der Aus­ druck "Verbrennungsgas", wie er hier verwendet ist, schließt Kohlendioxid und Wasserdampf zusammen mit Wasserstoff und Koh­ lenmonoxid ein. Das heiße Verbrennungsgas aus der Verbrennungs­ stufe wird in die vorerwähnte zweite Stufe eingeführt und ge­ rät in Berührung mit dem dort eingespeisten Kohlepulver. Die Kohle wird dabei erhitzt und reagiert in Berührung mit dem Ver­ brennungsgas und dem Dampf zu Synthesegas, Methan und Verkoh­ lungskohle. Diese Vergasungsreaktion erfolgt dabei typischer­ weise bei geringen Gasströmungsgeschwindigkeiten in der Größen­ ordnung von 1 bis 4 m/s, Drücken von etwa 6 MPa und Tempera­ turen von etwa 1200° K.

Der Druck und die Temperatur des in der ersten Stufe erzeugten Verbrennungsgases sind derart, daß in der zweiten bzw. Verga­ sungsstufe die klassischen 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 Reak­ tionstemperatur 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 Ver­ kohlungsprodukt mit niedrigem Schwefelgehalt zu erzeugen. Der zweistufige Vergaser ist ausführlicher in den folgenden Ver­ öffentlichungen erläutert: "Gas Generator Research and Deve­ lopment 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 Enginee­ ring Progress, Vol. 69, no. 3, März 1973, US-PS 37 46 522; US-PS 37 82 913; US-PS 38 40 354 und US-PS 38 44 733.

Es hat sich in der jüngeren Vergangenheit aufgrund der Expe­ rimente der Erfindung und anderer herausgestellt, daß, wenn man Kohleteilchen sehr schnell erwärmt, d. h. in der Größen­ ordnung von 10⁵° 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 ändern­ den und ziemlich inhomogenen Bedingungen bei derartigen Ex­ perimenten ist es üblich, Eigenschaften wie die Geschwindig­ keit, Temperatur und die Erwärmungsraten als geeignete räum­ liche oder zeitliche Durchschnittswerte anzugeben. Die ange­ gebene sehr hohe Erwärmungsgeschwindigkeit von 10⁵° K/s oder mehr ist ein derartiger Durchschnittswert über den Zeitraum des Austreibens flüchtiger Bestandteile.

Dieser Wert der Erwärmungsgeschwindigkeit in der Größenord­ nung 10⁵° K/s und mehr ist in den folgenden Arbeiten dokumen­ tiert:

• (1) Kimber, G. M. und Gary, M. D., "Combustion and Flame", 11, 360 (1967)
• (2) Ubhayakarm S. K., Stickler, D. B., v. Rosenberg, C. W., Jr. und Gannon, R. E., "Rapid Devolatilization of Pulverized Coal in Hot Combustion Gases", 16th Symposium (Interna­ tional) on Combustion, 427 (1976).

Wie sich erwiesen hat, erreicht man bei guter Durchmischung und hohen Temperaturen (T ≧1400° K) mit derartig hohen Erwär­ mungsgeschwindigkeiten höhere Ausbeuten an flüchtigen Stof­ fen als mit geringeren Erwärmungsgeschwindigkeiten. Ein po­ tentieller Nutzen derartiger Erwärmungsgeschwindigkeiten, den die Erfinder erkannt haben und anwenden, ist eine Verringe­ rung oder gar der Wegfall der nach dem Stand der Technik be­ stehenden Notwendigkeit heterogener Vergasungsreaktionen, die langsam und ineffizient sind. Folglich ist bei höheren Er­ wärmungsraten 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 Verfahrensweisen, die für die gewerbliche bzw. industri­ elle Vergasung nicht geeignet sind. Bestehende zweistufige Vergaser haben Verweilzeiten, die mindestens um zwei Größen­ ordnungen länger als die zum Arbeiten mit höheren Devolatisie­ rungsraten 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 Er­ wärmung, wenn die charakteristische Mischzeit länger 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 blei­ ben und zu Ruß werden, anstelle mit dem umgebenden Gas zu sta­ bilen Kohlenwasserstoffen zu reagieren. Eine solche Stabilisie­ rung ist ebenfalls "mischbegrenzt". Infolgedessen ist der Stand der Technik auf dem Gebiet der zweistufigen Durchlaufbett-Ver­ gaser derzeit so, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit der kohlen­ stoffhaltigen Materieteilchen und die Verweilzeiten der Reak­ tionsteilnehmer in der Vergasungsstufe "mischbegrenzt" sind. Beispielsweise benötigt der in der genannten US-PS 37 82 913 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 1370° C und 1,0 MPa Druck bei Reaktionszeiten von 50 ms mit Wasserdampf behandelt, wobei Methan über die aufgrund von Gleich­ gewichtsberechnungen zu erwartende Menge hinaus entstand. Wei­ tere von uns erzielte Ergebnisse haben gezeigt, daß, wenn man in Wasserdampf gut verteilte feingepulverte Kohle auf 1370° K und mehr schnell erwärmt und dann schnell abkühlt, man im Produktgas eine Methankonzentration erreichen kann, die we­ sentlich höher ist als man aus Gleichgewichtsbetrachtungen unter den experimentellen Reaktorbedingungen erwarten würde. Die zu diesem Ergebnis führende Reaktionskette ist im ein­ zelnen nicht bekannt; man weiß jedoch, daß in jedem chemischen Reaktor ausreichend Zeit erforderlich ist, um eine Gleichge­ wichtszusammensetzung 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 ver­ bessertes 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 ho­ mogen 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 flüchti­ gen 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 kohlenstoffhaltigen Stoffen anzugeben, bei dem diese Stoffe sehr schnell erwärmt werden und man eine höhere Gasausbeute erzielt. Es ist ein spezielles Ziel der vorliegenden Erfin­ dung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die hin­ sichtlich der Erwärmungsgeschwindigkeit für die kohlenstoff­ haltigen Stoffe oder die Stabilisierung der sich aus diesen entwickelnden flüchtigen Materie nicht "mischbegrenzt" sind.

Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele erreicht durch strömungsmechanische Vorkehrungen, infolge deren kleine Teilchen der kohlenstoffhaltigen Materie in der Vergasungs­ stufe 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. Generell 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 Verlangsamungen des Gases ausnutzt. Insbesondere werden diese Beschleunigungen und Verlangsamungen nach der vorlie­ genden Erfindung erzeugt, indem man die Teilchen des kohlen­ stoffhaltigen Materials in einer Unterschallströmung des hei­ ßen Verbrennungsgases aus einer oder mehreren Verbrennungs­ stufen 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 Vorkehrun­ gen erzeugt: Erzeugung einer stark turbulenten Strömung in der Mischzone, indem man Verbrennungsgas mit hoher Geschwindigkeit einführt, die Gasmasse durch Änderungen der Kanalgestalt be­ schleunigt, und die Strömung im Vergaserkanal durch in diesen hinein vorstehende Vorsprünge turbulent macht.

Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung sich in der ersten Stufe mit anderen Verbrennungsstoffen als der bei der Vergasung der Kohle entstehenden Verkohlungskohle sowie auch in der zweiten bzw. Vergasungsstufe mit anderer kohlenstoffhaltiger Materie als Kohle durchführen läßt. Bei­ spielsweise 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 Materia­ lien, die sich zerstäuben lassen - beispielsweise Erdölpro­ dukte in der rohen oder raffinierten Form oder als Rückstände, Rohmelasse oder verbrauchte Lösungsmittel. Weiterhin kann die Erfindung, wenn zum Vergasen flüssiger kohlenstoffhaltiger Ma­ terialien verwendet, einen teerigen oder festen Rückstand er­ geben, der als Ausgangsmaterial für die Verkohlung in der ersten Stufe verwendet werden kann. Nur aus Gründen der Zweckmäßig­ keit soll die vorliegende Erfindung an der Verwendung von Ver­ kohlungskohle 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 Oxi­ diermittel aufgebracht werden kann.

Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes zweistufiges Vergasungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung, dessen Hauptprodukte eine Verkohlungskohle und ein methanhaltiges Pro­ duktgas sind. In der ersten bzw. Verbrennungsstufe wird ein Ver­ brennungsstoff wie Verkohlungskohle mit Sauerstoff und Wasser­ dampf bei hoher Temperatur und hohem Druck zu Verbrennungspro­ dukten einschließlich eines Verbrennungsgases umgesetzt, das hauptsächlich aus Wasserdampf und Kohlendioxid bei geringeren Mengen Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Das Verbrennungs­ gas wird in die zweite oder Vergasungsstufe eingeführt, in der es in eine Mischzone und aus dieser in einen Vergasungskanal geleitet. In dieser Vergasungsstufe wird die Gasströmung durch Vorkehrungen wie beispielsweise eine stark turbulente Strö­ mung und Gestaltänderungen des Vergasungskanals kräftig be­ schleunigt und verlangsamt.

Das zu vergasende kohlenstoffhaltige Material wie beispielswei­ se Kohlepulver, wird zusammen mit einer gegebenenfalls erfor­ derlichen 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 un­ mittelbar darauf folgenden starken Änderungen der Gasgeschwin­ digkeit im Vergasungskanal tritt, so daß die Kohleteilchen sich schnell mit dem Verbrennungsgas durchmischen, die Kohleteil­ chen schnell relativ zum Gas bewegen und sich hohe Erwärmungs­ geschwindigkeiten und infolgederen eine maximale Umwandlung der Kohle zu flüchtigen Bestandteilen durch rasche Pyrolyse ergeben. Die schnelle Mischung und die rasche Bewegung för­ dern auch stabilisierende Reaktionen zwischen flüchtigen Be­ standteilen 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 Kohlen­ wasserstoffe mit dem reaktiven Verbrennungsgas zur Stabilisie­ rung. Im Fall von Flüssigkeiten, die erhebliche Mengen von Rück­ ständen 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.

Der resultierende Produktstrom kann gekühlt und die mitgeris­ sene 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 chemi­ schen Verfahren, als Heizgas oder als Pipeline-Gas verwendet werden kann. Um ein Heizgas herzustellen, kann man das gasför­ mige Produkt durch eine Wassergasumstellreaktion ("water gas shift reaction") führen und kühlen und dann unerwünschte ver­ bleibende Bestandteile wie beispielsweise Schwefelverbindungen entfernen.

Die vorliegende Erfindung schafft daher ein verbessertes zwei­ stufiges 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 Ma­ terial, das unter Bedingungen behandelt wird, die zu höheren Ausbeuten an flüchtigen Stoffen aus dem kohlenstoffhaltigen 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 ver­ besserten Nutzung der das Austreiben der flüchtigen Bestand­ teile bewirkenden Reaktion und eine begleitende Abschwächung der Ansprüche an die langsameren und weniger wirkungsvollen heterogenen Kohle/Dampf- und Kohle/CO₂-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 Größen­ ordnungen und mehr sowie einen dadurch erzielten sehr hohen Durchsatz.

Desgleichen erlaubt die Erfindung die Erzeugung höherer Gleich­ gewichtsmengen Methan. Dies wird möglich, da der vorherrschen­ de chemische Reaktionsweg der einer Pyrolyse des kohlenstoff­ haltigen Materials in der Vergasungsstufe, gefolgt von homo­ genen Stabilisierungsreaktionen in der Gasphase unter Bedin­ gungen einer schnellen Erwärmung und nachfolgender schneller Kühlung ist.

Die vorliegende Erfindung nutzt also die chemische Zusammen­ setzung der Pyrolyseprodukte zur Erzeugung größerer als der Gleichgewichtsmenge 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.

Durch die Verwendung einer stark beschleunigten Unterschallströ­ mung bei hohen Temperaturen erreicht man mit der Erfindung Erwärmungs- und Mischgeschwindigkeiten, die bisher nicht er­ reichbar 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.

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 Darstel­ lung eines Teils der Vergasungsstufe der An­ lage nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ist eine weitere vergrößerte schaubildliche Darstellung eines entsprechenden Teils der Vergasungsstufe in einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung.

Wie nun die Fig. 1 zeigt, die das Verfahren nach der vorlie­ genden Erfindung darstellt, werden gepulverter Brennstoff, Oxi­ dationsmittel und Wasserdampf in die Verbrennungsstufe 11 ge­ geben, wie dargestellt. Der Brennstoff kann Kohle oder der­ gleichen enthalten, ist aber vorzugsweise aus dem Produkt­ strom abgetrennte Verkohlungskohle; das Oxidationsmittel ist vorzugsweise Sauerstoff, der Wasserdampf vorzugsweise überhitzt.

Die Verbrennungsstufe 11 für den Betrieb bei hohen oder ver­ hältnismäßig hohen Temperaturen ist an die Vergasungsstufe 12 angeschlossen, die ausführlicher unter Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 erläutert wird. Der Brennstoff und das Oxidationsmit­ tel werden in der Verbrennungsstufe 11 zu Verbrennungsprodukten einschließlich Verbrennungsgas verbrannt; gleichzeitig erhitzt sich der eingemischte Wasserdampf auf die hohe Austrittstempe­ ratur der Gase der Verbrennungsstufe. In der Verbrennungs­ stufe ist die Reaktion der Verkohlungskohle mit dem Sauerstoff und Wasserdampf exotherm und bewirkt vorzugsweise eine Tempe­ ratur von etwa 1900° K bis 2800° K, abhängig von der Art und 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 Was­ serdampf und Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff und Kohlen­ monoxid. 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 teil­ weise durch Luft ersetzt werden; dann muß die zugeführte Dampf­ menge ebenfalls zurückgenommen werden, um dem Verbrennungsgas die geforderte hohe Temperatur zu erteilen.

Das Verbrennungsgas mit dem Wasserdampf und restlicher Verkoh­ lungskohle oder mineralischer Materie wird in eine Mischzone 22 (Fig. 2) in der Vergasungsstufe 12 gegeben, in die gleich­ zeitig 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 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 konti­ nuierlich auf herkömmliche Weise abgezogen und auf beispielsweise einen Wärmeaustauscher 16, um Nutzwärme zu gewinnen und das Produktgas zu kühlen, und auf eine (nicht gezeigte) Verschie­ beumwandlungseinrichtung ("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 Verkohlungs­ kohle aus dem Zyklon in die mit hohem Druck arbeitenden Kohle­ trichter geben kann. Aus dem Kohletrichter kann die Verkoh­ lungskohle dosiert in die Verbrennungsstufe in einem geeigne­ ten 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) Sternradvorrich­ tung in ein unter Druck stehendes Trägermittel wie beispiels­ weise Produktgas eindosiert und in die Vergasungsstufe 12 als unter Druck stehende dichte Fließphase eingetragen werden.

Wenn in der Verbrennungsstufe 11 die Wasserdampfversorgung aus­ fällt, können die Temperaturen gefährliche Werte erreichen, sofern der Prozeß nicht sofort abgeschaltet wird. Folglich sind eine sorgfältige Montage und Anlauf- sowie Abschaltvor­ schriften empfohlen, die den erforderlichen Schutz bieten.

In der Verbrennungsstufe läuft die Reaktion der Verkohlungs­ stufe mit dem Sauerstoff und dem Wasserdampf exotherm an, und es entstehen Temperaturen von etwa 1900° K bis 2800° K. 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 Vorkeh­ rungen zum Entfernen von Schlacke (Fig. 2) versehen werden, um aus der Verbrennungsstufe überschüssige Schlacke abzu­ ziehen. Beim Eintritt in die Vergasungsstufe und bei der Be­ rührung mit der Pulverkohle auf die unten ausführlicher be­ schriebene Weise erhitzt die Kohle sich sehr schnell und reagiert mit dem Verbrennungsgas und Wasserdampf zu Synthese­ gas, Methan und Verkohlungskohle.

Die Fig. 2 zeigt in schaubildlicher Form eine Verbrennungs­ stufe und eine Vergasungsstufe zusammen mit den für die Ver­ gasungsanlage 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 2800° K zu Verbrennungsprodukten reagieren. Das Verbrennungsgas besteht hauptsächlich aus CO₂ und H₂O mit geringeren Mengen CO und H₂. Die Wände des Verbrennungsgefäßes 31 sind vorzugsweise wasser­ gekühlt 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 heißen Verbrennungsgases abwärts durch das Ablaßloch in den Aufnehmer 34 und von dort durch den Kühler 35 und ein Dros­ selventil 36 strömen lassen. Die im Kühler 35 ausgezogene Wärme kann zum Wärmen des Speisewassers dienen; das im Ven­ til 36 gedrosselte Verbrennungsgas kann man ablassen oder anderswo im Prozeß nutzen. Die erstarrten Schlacketeilchen lassen sich aus dem Aufnehmer 34 durch die Schleuse 37 ent­ fernen. Während des Anlaufens der Verbrennungsstufe kann Heiz­ gas anstelle der Verkohlungskohle eingeführt und die Dampf­ zufuhr zur Temperatursteuerung variiert werden.

Die Verbrennungsstufe 11 liefert einen Strom heißen Verbren­ nungsgases an die Vergasungsstufe 12, die in einer Folge min­ destens einen Einlaßkanal 21 aufweist, der zu einer Mischzone 22 führt, in der die eintreffende heiße Strömung aus der Ver­ brennungsstufe 11 gezwungen wird, sich schnell mit der Speise­ kohle zu mischen, indem man beispielsweise eine stark turbu­ lente Strömung so erzeugt, wie es für den sogenannten "strahl­ gerührten" ("jet-stirred") Reaktor kennzeichnend ist. Die tur­ bulente Strömung durchströmt mit hoher Unterschallgeschwindig­ keit dann einen Vergasungskanal 23, in dem die Turbulenzen sich fortsetzen und die Strömung durch eine oder mehrere sich wie­ derholende Änderungen der Kanalgestalt gezwungen wird zu be­ schleunigen 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 Verbren­ nungsprodukte in der Mischzone eingemischt und dispergiert. Die Einzelheiten dieses Einspeisens, Dispergierens und Mischens sowie die Prozeßvorteile, die sich ergeben, indem man die Mi­ schung aus Kohle und Gasen im Vergasungskanal 23 verstärkt be­ schleunigt und verlangsamt, werden im folgenden unter Bezug 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 Produkt­ strom zu unterdrücken, und andererseits für die folgende Ver­ kohlungskohle-Abtrennvorrichtung 15 sicher aber noch hoch genug ist, um im Wärmeaustauscher 16 Wasserdampf zu erzeu­ gen. 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 Ausgangsströ­ mung 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 ei­ nem oder mehreren Kohlebehältern 17 a, 17 b gesammelt wird. Min­ destens ein Teil der Verkohlungskohle wird durch eine Schleuse 18 a abgezogen und mit einer Spritzvorrichtung 19 in das Ver­ brennungsgefäß 31 eingespritzt. Das Trägergas für diesen Ein­ spritzvorgang kann mit Vorteil Produktgas vom Ausgang des Wär­ metauschers 16 sein, das ein Verdichter 20 unter Druck setzt. Fällt die Verkohlungskohle im Überschuß an, kann der Überschuß durch eine weitere Schleuse 18 b abgezogen und als Kraftwerks­ brennstoff oder dergleichen eingesetzt werden. Zum Einspritzen der Verkohlungskohle kann als Trägergas auch Wasserdampf dienen.

Die Fig. 3 zeigt nun schaubildlich und vergrößert eine Aus­ führungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, nämlich den­ jenigen Teil der Vergasungsstufe 12, der aus unmittelbar auf­ einanderfolgenden 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 abge­ schlossen 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 kineti­ schen Energie der aus den Düsen 25 austretenden Strömungen zu Turbulenz führt zur Ausbildung einer Mischzone 22 ins­ besondere nahe dem Konvergenzpunkt 13 und allgemein im ge­ samten Innenraum des Reaktionsgefäßes 24, in der die Strömung stark turbulent ist. In diese Mischzone wird feinzerteilte Kohle oder ein anderes kohlenstoffhaltiges Material in einem Träger­ gas durch ein Kohlerohr 26 eingeführt und dann in der stark turbulenten Strömung des heißen Brenngases rasch dispergiert. Infolge der starken und häufigen Beschleunigungen und Verlang­ samungen des Gases in dieser stark turbulenten Strömung und der Trägheit der Kohleteilchen, werden starke Geschwindigkeits­ unterschiede 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 Teil­ chen sofort abgeschwemmt und durch die Reaktion mit dem Ver­ brennungsgas stabilisiert werden.

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 ausrei­ chend starker Anfangsturbulenz in der Mischzone 22 kann die Misch­ strömung lange genug durch einen einfachen gradlinigen Verga­ sungskanal 23 geführt werden, daß der Vergasungsvorgang sich vollendet, und zwar abhängig von den Beschleunigungen infolge der langsam abnehmenden Turbulenz und der abnehmenden Massen­ strömungsgeschwindigkeit, um diese gewünschte starke physische Transportwechselwirkung zu erreichen. Diese Beschleunigungen und Verlangsamungen der turbulenten Strömung können jedoch nicht nur beibehalten, sondern verstärkt werden durch zusätz­ liche Beschleunigungen und Verlangsamungen, die man mittels strömungsdynamischer Vorkehrungen einprägen kann. In der schau­ bildlich als Beispiel in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine sich wiederholende Folge von Verrin­ gerungen 27 und Zunahmen 28 der Kanalquerschnittsfläche, die eine entsprechende Folge von Zunahmen und Abnahmen der Gas­ geschwindigkeit erzwingt. Wie in der Fig. 3 gezeigt, sind die Zunahme der Kanalquerschnittsfläche vorzugsweise weniger ab­ rupt als die Abnahmen, um eine Strömungsablösung und den da­ durch 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 Ausführungs­ form weist eine Folge von verjüngten Unterschalldüsen 27 und Unterschalldiffuser 28 auf; die Folge wird abgeschlossen durch einen weiteren Unterschalldiffuser 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 Ausführungsform. Wie die Fig. 4 zeigt, handelt es sich bei der strömungsdynamischen Einrichtung zum Verstärken der Be­ schleunigungen und Verlangsamungen der turbulenten Strömung um eine Folge von Biegungen 38 im Vergasungskanal 23. Während die Gasströmung den Biegungen folgt, wollen die Teilchen in­ folge 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 Weglän­ genunterschied bewirkt starke Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Teilchen und das Gas und somit eine starke phy­ sische Transportwechselwirkung.

Der Vergasungskanal 23 der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungs­ form besteht aus einer Folge von Kanalbiegungen 38. Auch hier wird die Folge 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 Strömungsdrosselstellen aufweisen, die von Vorsprün­ gen wie stromabwärts gewandten Stufen in der Wand oder abge­ stützten Störkörpern ("bluff bodies") in einer Gestalt und An­ ordnung gebildet werden derart, daß ein Teil des Gesamtströ­ mungsdrucks zu starken turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen umgesetzt wird.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung kann das feinzerteilte kohlenstoffhaltige Material in der Mischzone 22 in eine schwachturbulente Strö­ mung eingeführt und dort dispergiert und die resultierende Mi­ schung dann sofort in den Vergasungskanal 23 übergeführt werden, in dem Änderungen der Kanalgestalt die Gasströmung stark be­ schleunigen und hohe Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials und dem sie umge­ benden Verbrennungsgas erzeugen. In allen diesen erwähnten Aus­ führungsformen werden die dispergierten Teilchen des kohlen­ stoffhaltigen Materials sehr schnell einer stark beschleunig­ ten Strömung des umgebenden heißen Verbrennungsgases ausgesetzt, so daß die Erwärmung der Teilchen, das Abschwemmen der flüch­ tigen 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 be­ schriebenen Verfahrensweisen berechenbar, daß die mittleren Gasströmungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 m/s bis 500 m/s liegen sollten, wobei der Bereich von 20 bis 100 m/s bevorzugt ist. Da Gas/Teilchen-Wechselwirkungszeiten in der Größenordnung von 100 m/s genügen können, um die Kohle­ teilchen gründlich von flüchtigen Bestandteilen zu befreien und diese mit dem umgebenden Heißgas zu stabilisieren, ist einzusehen, daß die angegebenen bevorzugten mittleren Gasge­ schwindigkeiten im Vergaser von nur 2 bis 10 m Strömungsstrecke erfordern - ein zweckmäßiger und praktisch gut erreichbarer Längenbereich.

Mit den gleichen unten beschriebenen Verfahrensweisen ist be­ rechenbar, daß für eine Anordnung nach der vorliegenden Erfin­ dung und konstante Teilchen/Gas-Wechselwirkung die Abmessungen der Vergasungsstufe sich fast proportional zur mittleren Gas­ strömungsgeschwindigkeit und die Massenströmung mit etwa der Potenz (5/2) dieser Geschwindigkeit verhalten. Infolge dieser ziemlich stark exponentiellen Abhängigkeit ergeben mittlere Gasströmungsgeschwindigkeiten unter der unteren Grenze des Vor­ 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 be­ kannten Anlagen hohen Durchsatz.

Wie sich aus den vorgehenden Erläuterungen erkennen läßt, er­ laubt 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 Fein­ heit 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 Kohlepul­ vers liegen die Reynolds-Zahlen der Gasströmung um ein Teil­ chen herum allgemein im Bereich von 1 bis 1000. In diesem Be­ reich der Reynolds-Zahlen ändert der strömungsmechanische Wi­ derstandsbeiwert eines Teilchens sich etwa invers zur Quadrat­ wurzel 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 porportional zum Teilchendurchmesser, so daß Teilchen unter­ schiedlicher Größe in gleich beschleunigten Strömungen in einem gegebenen Zeitraum gleiche Vielfache ihrer eigenen Durchmes­ ser zurücklegen. Die Teilchengeschwindigkeiten bezüglich der beschleunigten Gasströmung sind also fast proportional der ersten Potenz der Teilchengröße.

Für die oben angegebenen dynamischen Strömungsbedingungen läßt sich eine charakteristische Dämpfungszeit berechnen, innerhalb der ein Teilchen einen erheblichen Teil seiner Anfangsgeschwin­ digkeit bezüglich des umgebenden Gases verliert. Eine solche Analyse zeigt, daß diese Dämpfungszeit nur sehr wenig von Be­ triebsparametern wie der Temperatur und dem Druck abhängt und sich invers zur halben Potenz der Anfangsgeschwindigkeit und direkt zur Potenz (3/2) des Teilchendurchmessers verhält. Die­ se Dämpfungszeit - zusammen mit der Teilchengeschwindigkeit in einer beschleunigten Strömung - definiert eine charakteri­ stische Teilchenweglänge, die proportional der Potenz (5/2) des Teilchendurchmessers ist. Im Kontext einer dünnen Schicht aus einem reaktionsfähigen heißen Gas, deren Dicke eine schwa­ che Funktion des Teilchendurchmessers sein kann, ergibt sich die überraschende, aber sehr günstige Entdeckung, daß die Mas­ se des Heißgases, mit der ein Teilchen reagieren kann, der dritten Potenz des Teilchendurchmessers, d. h. der Teilchen­ masse grob proportional ist. Unter den in einem Vergaser nach der vorliegenden Erfindung herrschenden Strömungsbedingungen erfahren Teilchen unterschiedlicher Durchmesser mit dem um­ gebenden Heißgas insgesamt eine etwa gleiche physische Trans­ portwechselwirkung; die Vorrichtung kann also im Einsatz ge­ genüber der Feinheit oder Feinheitsverteilung des eingesetzten Kohlepulvers verhältnismäßig unempfindlich sein.

Eine Prüfung der oben ausgeführten Analysen auf die Abhängig­ keit der Teilchenwegstrecke von Parametern wie dem Druck und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ergibt einen weiteren nützlichen Zusammenhang: Indem man die mittlere Gasströmungs­ geschwindigkeit mit der Potenz (1/3) bis (1/4) des Arbeits­ drucks variiert, erhält man bei einer typischen Teilchen/Gas- Bewegung eine im wesentlichen unveränderte physische Transport­ wechselwirkung zwischen Teilchen und Gas in Kategorien der Teilchenmasse im Vergleich zur Masse des umgebenden Gases. Folglich kann man mit einem Vergaser nach der vorliegenden Er­ findung und der dort herrschenden stark beschleunigten Strö­ mung innerhalb des angegebenen Reynolds-Zahlenbereichs einen erheblichen Betriebsstellbereich ("turndown capability") für den Durchsatz erreichen, in dem man den Arbeitsdruck und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der gleichen Richtung ändert. Da die Durchlaufbett-Anlagen nach dem Stand der Technik unter anderen Strömungsbedingungen arbeiten, ist bei ihnen der Betriebsstellbereich kaum besser als 2 : 1. Folglich ist der größere potentielle Betriebsstellbereich einer Anord­ nung nach der vorliegenden Erfindung attraktiv.

Auf der Grundlage der vorgehenden Erläuterungen kann der Fach­ mann unmittelbar andere Konfigurationen und Anordnung tref­ fen, die vergleichbare Beschleunigungen und Verlangsamungen in einer Unterschallströmung in der Vergaserstufe für den gleichen Zweck bewirken, wie hier beschrieben. Beispielsweise kann man eine andere Anzahl von Einlaßkanälen 21 oder eine Viel­ zahl von Konvergenzpunkten 13 vorsehen, um besonders stark tur­ bulente Strömungs- und Mischmuster zu erzeugen. Weiterhin kann man die Einlaßkanäle so richten, daß die Strahlen auf geeig­ nete ausgestaltete Teile der Wandinnenflächen des Reaktionsge­ fäßes 24 prallen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Vergasen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß man

   • (a) kohlenstoffhaltiges Ma­ terial und ein Oxidiermittel in einer Verbrennungsstufe brennt, wobei das kohlenstoffhaltige Material und das Oxidier­ mittel unter Bildung heißer Verbrennungsprodukte einschließ­ lich eines heißen Verbrennungsgases miteinander reagieren,
   • (b) Wasserdampf in die Verbrennungsstufe einführt, um einen Bestandteil des Verbrennungsgases zu liefern,
   • (c) das Ver­ brennungsgas in eine Mischstufe einführt, durch die das Ver­ brennungsgas mit Unterschallgeschwindigkeit und mit vorbe­ stimmter Turbulenzstärke strömt,
   • (d) feinzerteilten kohlen­ stoffhaltigen Brennstoff in das Verbrennungsgas in der Misch­ stufe einführt und dort dispergiert, um im umgebenden heißen Verbrennungsgas eine Mischströmung aus Teilchen des mitgeris­ senen dispergierten kohlenstoffhaltigen Brennstoffs auszubil­ den,
   • (e) die Mischströmung in eine Vergasungsstufe einspeist, in der die Mischströmung mit Unterschallgeschwindigkeit durch einen Kanal strömt,
   • (f) eine oder eine Vielzahl strömungsdy­ namischer Beschleunigungen der Mischströmung erzeugt, so daß die Teilchen bezüglich des umgebenden heißen Gases kräftig bewegt werden, indem unter Ausnutzung der Trägheit der Teil­ chen und der Beschleunigung des Gases ein Geschwindigkeits­ gefälle 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 10⁵° 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. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Vergasungsstufe eingeführte Gas eine Temperatur von 1900 bis 2800° K, einen Druck von 0,1 bis 10 MPa und eine Geschwindigkeit von 10 bis 500 m/s hat und daß die Reynolds­ zahl der Strömung des heißen Verbrennungsgases über die Teil­ chen im Bereich von 1 bis 1000 liegt.
3. 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 Verbrennungs­ gases erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die strömungsdynamischen Beschleunigungen der Mischströ­ mung durch Turbulenz erzeugt, die entsteht, indem man die Mischströmung an in den Kanal der Vergasungsstufe hinein vor­ stehenden Vorsprüngen vorbei strömen läßt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die strömungsdynamischen Beschleunigungen der Mischströ­ mung mit einer Folge von Veränderungen der Kontur des Kanals in der Vergasungsstufe erzeugt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Folge von Änderungen der Kontur um eine Fol­ ge von Flächenänderungen handelt, durch die im Kanal eine Folge von sich verjüngenden Unterschalldüsen und Unterschall­ diffusern entsteht.
7. 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. 8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch die Turbulenz in der Mischstufe erzeugten strömungsdynamischen Beschleunigungen durch im Kanal der Ver­ gasungsstufe erzeugte Turbulenzen verstärkt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch die in der Mischstufe erzeugte Turbulenz bewirkten strömungsdynamischen Beschleunigungen durch Be­ schleunigungen mittels der Folge der Konturänderungen des Kanals in der Vergasungsstufe verstärkt.
10. 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. 11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Brennstoff um feinzerteiltes festes kohlen­ stoffhaltiges Material handelt, das man vergast, um Verkoh­ lungskohle und ein Produktgas zu erzeugen, wobei der Produkt­ strom Verkohlungskohle und Produktgas enthält und man die Ver­ kohlungskohle vom Produktstrom abtrennt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Brennstoff um feinzerteiltes flüssiges koh­ lenstoffhaltiges Material handelt.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige kohlenstoffhaltige Material vergast, um ein Produktgas und ein nicht gasförmiges Restmaterial herzustel­ len, wobei der Produktstrom Produktgas und das Restmaterial enthält und man das Restmaterial vom Produktstrom abtrennt.
14. 14. Vergaser zum Umwandeln von kohlenstoffhaltiger Materie zu Synthese- oder Heizgas, gekennzeichnet durch

    • (a) eine Ver­ brennungskammer,
    • (b) eine Vergasungskammer,
    • (c) eine die Ver­ brennungs- mit der Vergasungskammer verbindende Mischkammer,
    • (d) eine Einrichtung, um feinzerteiltes kohlenstoffhaltiges Material, ein Oxidiermittel und Wasserdampf in die Verbren­ nungskammer einzuführen und dort bei ersten gewählten Tempe­ ratur- und Druckbedingungen Verbrennungsprodukte einschließ­ lich Verbrennungsgas und Restwasserdampf zu erzeugen,
    • (e) eine Einrichtung, um die Verbrennungsprodukte und Wasserdampf in die Mischkammer mit hoher Turbulenz bei Unterschallgeschwin­ digkeit einzuführen,
    • (f) eine Einrichtung, um feinzerteilten kohlenstoffhaltigen Brennstoff in Teilchenform in die turbu­ lenten Verbrennungsprodukte in der Mischkammer einzuführen und dort zu dispergieren,
    • (g) strömungsdynamische Mittel, um die Teilchen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs kräftig re­ lativ zu den Verbrennungsprodukten und dem Wasserdampf zu be­ wegen, wobei man eine starke physische Transportwechselwir­ kung zwischen ihnen erhält, indem man einen Geschwindigkeits­ unterschied zwischen den Teilchen und dem Gas und Wasserdampf unter Ausnutzung der Trägheit der Teilchen erzeugt und min­ destens eine Unterschall-Beschleunigung und Verlangsamung in der Vergasungskammer die Turbulenz der Verbrennungspro­ dukte und des Dampfes bei Eintritt in die Vergasungskammer verstärkt und wobei weiterhin die Verbrennungsprodukte und der Wasserdampf bei der ersten Temperatur eine solche Anfangs­ geschwindigkeit und verstärkte Beschleunigung aufweisen, daß sich eine Erwärmungsgeschwindigkeit von mindestens etwa 10⁵° 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. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Vergasungskammer eine oder eine Folge von Unterschalldüsen und Unterschalldiffusern bilden.
16. 16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen der Wandgestalt in der Vergasungskammer vorge­ sehen sind, damit durch die Vergasungskammer strömende gas­ förmige Produkte allgemein eine längere Wegstrecke durchlau­ fen als der Brennstoff beim Durchströmen der Vergasungskammer.
17. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Wandgestalt in der Vergasungskammer durch eine Folge gekrümmter Kanalabschnitte erzeugt werden.