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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoff-
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und kohlenzaonoxidhaltigen Gasgemisches Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Produktgases
durch Umsetzung von flüssigem oder staubförmigem Kohlenwasserstoff mit Wasser oder
Wasserdampf und gegebenenfalls Sauerstoff in einem Reaktor, sowie'eine Vorrichtung
zur DurchfUhrung des Verfahrens.
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In der US-Patentschrift 2 931 715 ist ein Reaktor zur Vergasung fester
kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe beschrieben worden. Mit Kohlenstaub vermischter
Wasserdampf wird vorgewärmt und dem Reaktor zugeführt. Gleichzeitig wird dem Reaktor
Sauerstoff zugeführt, der in einer stark exothermen Reaktion mit dem Kohlenstaub
reagiert. Dabei wird der Kohlenwasserstoff teilweise gecrackt und es entsteht ein
Produktgas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid als wesentliche Bestandteile enthält.
Der Sauerstoff erfüllt dabei zweierlei Funktionen: Zum einen dient er als Reaktionspartner
und zum anderen liefert er durch die Exothermie seiner Reaktion mit dem Kohlenwasserstoff
die zum Cracken des Kohlenwasserstoffes erforderliche Wärme.
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Ein derartiges Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß zu seiner
Durchführung viel Energie aufgewendet werden muß, wobei die Energie in Form eines
hochwertigen Einsatzstoffes (Sauerstoff und Einsatzkohlenwasserstoff) benötigt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, das sich durch geringeren Energieverbrauch
und eine bessere Energieausnützung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens
ein Teil der für die Umsetzung benötigten Wärme durch ein Wärmeträgerfluid geliefert
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur kontinuierlichen Vergasung
unter Druck von flüssigen oder festen Kohlenwasserstoffen, z.B. Kohlen, Hydrierrückständen.
Als Wärmeträgerfluid gemäß der Erfindung wird ein brennbares Gas,beispielsweise
Restgas oder Schwachgas eingesetzt. Derartige Gase fallen bei verschiedenen Prozessen
im Überschuß an. Als Beispiele sind brennbare Abfallgase bei Gasreinigungsprozessen,
im Hüttenwesen, bei Trocknungsprozessen unter reduzierender Atmosphäre, Raffinerieabgase,
die bisher in Resselanlagen mit geringem Wirkungsgrad verbrannt wurden, zu nennen.
Sie liefern mindestens einen Teil der zur Pyrolyse des Kohlenwasserstoffes benötigte
Energie in Form von fühlbarer Warme sowie durch Verbrennung. Fühlbare Wärme kann
beispielsweise auch durch Einkoppelung der Abwärme eines Kernreaktors geliefert
werden. Für den Fall, daß das W-ärmeträgerfluid nicht ausreichend Energie für die
vollständige Vergasung des Koblenwasserstoff-Einsatzes liefert, wird die zusätzlich
benötigte Energie durch partielle Oxidation des Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff
als Reaktionspartner geliefert. Die Menge des gegebenenfalls hierbei eingesetzen
Sauerstoffs ist jedoch erheblich geringer als beim bisher
bekannten
Verfahren,da ein Großteil der aufzuwendenden Energie durch das Wärmeträgerfluid
geliefert wird.
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Durch Einkopplung preiswerter Restenergie in Form eines Wärmeträgers
findet eine optimale Energieausnützung statt.
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Gleichzeitig wird die Ausbeute, bezogen auf den Anteil der eingesetzten
Kohlenwasserstoffe, wesentlich erhöht. Durch den Erfindungsgegenstand ist es möglich,
auch Kohlenwasserstoffe mit hohem Ascheanteil zu vergasen. Aufgrund der grö-Beren
Effektivität des Verfahrens verkürzt sich die Verweilzeit der Ausgangsstoffe im
Reaktor, wodurch die Größe des Reaktionsraums reduziert und die Wärmeverluste des
Reaktors verringert werden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe erweist es sich als vorteilhaft,
wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes bei der
Umsetzung entstehende Schlacke in flüssiger Form abgeführt und unter dem im Reaktor
herrschenden Druck zu Stein- oder Glaswolle verbla--sen wird. Indem die Schlacke
in flü-ssiger Form aus dem Reaktorabgelührt wird, wird die in der flüssigen Schlacke
enthaltene Energie ausgenutzt. Während beim bisher bekannten Verfahren die Schlacke
abgekühlt und granuliert aus dem Reaktor abgeführt wurde steht nunmehr die Schlacke
ohne erneute Wiedererhitzung für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal wird die flüssig abgeuhrte
Schlacke unter dem im Reaktor herrschenden Druck je nach ihrer Zusammensetzung zu
Stein- oder Glaswolle verblasen. Da rund drei Viertel der Herstellungskosten von
Stein- oder Glaswolle beim Schmelzen anfallen, bedeutet die unmittelbare Weiterverarbeitung
eine erhebliche Energieeinsprung.
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Um je nach Zusammensetzung des Wärmeträgerfluids eine vollständige
Verbrennung der brennbaren Anteile des Wärmeträgers zu gewährleisten, wird bei einer
bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes das Wärmeträgerfluid mit
Sauerstoff angereichert. Sauerstoffüberschuß dient zur partiellen Oxidation des
Einsatzkohlenwasserstoffes.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird
das Wärmeträgerfluid in tangentialer Richtung in den Reaktor eingedüst, wobei der
Kohlenwasserstoff dem Reaktor im Bereich der Reaktorachse zugeführt wird Der Kohlenwasserstoff
kann dem Reaktor sowohl in axialer Richtung als auch unter Gegenrotation zum Wärmeträgefluid
zugeführt werden.
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Durch die Überlagerung des den Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluidstroms
mit dem Wärmeträgefluidstrom entsteht im Reaktionsraum eine rotierende Drehströmung,
die zu einer Reihe wesentlicher Vorteile führt.
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Das Wärmeträgefluid wird im Bereich seiner höchsten Turbulenz, d.h.
in der Trennschicht zwischen Festkörper- und Potentialwirbel von dem sehr schnell
reagierenden hochdispersen Kohlenwasserstoff durchstoßen. Während die gasförmigen
Vergasungsprodukte der axial gerichteten Grundströmung folgen und den Reaktionsraum
durch einen in axialer Richtung der Einlaßöffnung für den Kohlenwasserstoff gegenüberliegenden
Gasaustritt wieder verlassen, fliegen die schwereren Rückstände unter Einwirkung
der durch die Wirbelströmung erzeugten Zentrifugalkraft zur Wand des Reaktionsraums
und sammeln sich am Boden des Reaktionsraums. Insbesondere der überwiegende Teil
der Schlacke läßt sich auf diese Weise leicht vom Produktgas abtrennen.
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Die Drehströmung ermöglichtdarüber hinaus eine intensive
Vermischung
der Einsatzstoffe, sowie hohe Energieumsetzungsdichten und große Beschleunigungskräfte
im Reaktionsraum.Das Strömungsfeld läßt sich durch Verändern der Geschwindigkeit
der Fluidströme variieren, so daß ein und derselbe Reaktor unabhängig von Art und
Form des eingesetzten Rohstoffs über einen weiten Einsatzbereich verwendbar ist.
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Gleichzeitig läßt sich mit der Drehströmung auch die Verweilzeit der
Einsatzstoffe variieren und den jeweiligen Bedingungen optimal anpassen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn gemäß einer Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes das Eindüsen des Wärmeträgerfluids etwa in Höhe des Eintritts
des Kohlenwasserstoffes-in den Reaktor erfolgt.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, die am Boden des Reaktors befindliche
Schlacke zu beheizen, um sie flüssig zu halten.
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Ein Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt
einen im Bereich seiner Achse angeordneten Einlaß für Kohlenwasserstoff, Wasser
oder Wasserdampf sowie gegebenenfalls weitere Reaktionspartner, einen dem Einlaß
axial gegenüberliegenden Auslaß für Produktgas,sowie einen zwischen Einlaß und Auslaß
gelegenen rotationssymmetrischen Reaktionsraum, und ist gekennzeichnet durch eine
etwa in Höhe des Einlasses angeordnete Gas zuführung für ein Wärmeträgerfluid, sowie
mindestens einen Schlackenabzugskanal im Bodenbereich des Reaktionsraums.
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Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Gas zuführung für das Wärmeträgerfluid
in tangentialer Richtung in den Reaktionsraum mündet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä-
ßen
Reaktors ist am Boden des Reaktionlsraums um den Auslaß für Produktgas eine Auffangrinne
fUr flüssige Schlacke angeordnet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors
ist die Auffangrinne schraubenförmig ausgebildet und ist vorzugsweise in ihrem untersten
Bereich an den Schlackenabzugskanal angeschlossen.Das Gefälle derAuffangrinne verläuft
dabei in Richtung der durch die tangentiale Eindüsung des Wärmeträgerfluids erzeugten
Drehströmung.
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Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn der Schlackenabzugskanal elektrisch
beheizt ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auffangrinne
elektrisch oder durch Sauerstofflanzen beheizt.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Hierbei zeigen: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Reaktor im Längsschnitt,
Figur 2 einen Reaktor gemäß Figur 1 im Querschnitt.
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Der erfindungsgemäße Reaktor dient zur Vergasung von Kohlenwasserstoff
bei hohen Temperaturen (etwa zwischen 12500C und 15900C) und hohen Drücken (etwa
zwischen 20 bar und 80 bar).
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Der Reaktor 1 weist einen druckfesten Außenmantel 2 aus Stahl auf,
der mit einer feuerfesten Auskleidung 3 aus Keramik versehen ist. Die Auskleidung
3 umschließt einen rotationssymmetrischen Reaktionsraum 4.
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In der Achse des Reaktors 1 ist an seiner Oberseite eine Zu-
führung
5 vorgesehen, die einen Zerstäuber und eine Brennerplatte enthält, die beide wassergekühlt
sind. Über die Zuführung 5 wird dem Reaktionsraum 4 ein Gemisch von flüssigem und/oder
staubförmigem Kohlenwasserstoff, beispielsweise Kohlestaub oder Hydrierrückstand,
Sauerstoff, Dampf, Wasser und/oder Ascheflußmittel zugeführt. Dieses Gemisch wird
im Zerstäuber zerstäubt,mit dem heißen Wärmeträgerstrom vermischt und durch die
Verbrennung von Sauerstoff mit einem Teil des Kohlenwasserstoffes im Reaktionsraum
4 auf etwa 13586C erhitzt.
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Erfindungsgemäß wird über Zuführungen 6,die über den Umfang des Reaktors
1 verteilt angeordnet sind, ein Wärmeträgerfluid in den Reaktionsraum 4 eingedüst.
Als Wärmeträgerfluid wird ein vorgewärmtes brennbares Gas, beispielsweise Restgas
oder Schwachgas,mit Sauerstoff verbrannt.
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Als Restgas oder Schwachgas werden beispielsweise Abfallgase aus dem
Hüttenwesen, von Gasreinigungsprozessen der chemischen Industrie, oder Raffineriegase,die
bisher hauptsächlich zur Kesselunterfeuerung dienten, verwendet.
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Falls die Temperatur des Wärmeträgerfluids nicht ausreicht, um den
Kohlenwasserstoff zu cracken, wird,um die Temperatur im Reaktionsraum zu erhöhen,
ein Teil des eingesetzten Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff verbrannt. Je nach
der Menge der mit dem ausreagierten Brenngas dem Reaktor 1 zugeführten Wärmemenge
kann auf die Zuführung von Sauerstoff als Reaktionspartner für den Kohlenwasserstoff
zum Teil oder sogar ganz verzichtet werden. Hierdurch steigt die Ausbeute an erzeugtem
Synthesegas bezogen auf den eingesetzten Kohlenwasserstoff.
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Die Zuführung des Wärmetauschfluids in den Reaktionsraum 4 erfolgt
gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfin-
dung in tangentialer
Richtung am oberen Ende des Reaktionsraums 4. Die Ausströmgeschwindigkeit des Wärmetauschfluids
ist variabel und bestimmt die Intensität der Drehbewegung der Reaktionsprodukte
im Raum 4. Hierbei können Geschwindige keiten von über 0,5 Ma erzielt werden.
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Die beiden über die Zuführungen 5 und 6 in den Reaktionsraum 4 eingeleiteten
Fluidströme mischen sich und erzeugen im Reaktionsraum 4 eine rotierende Drehströmung,
wie durch Strömungslinie 7 angedeutet ist. Die Drehströmung bewirkt eine intensive
Vermischung der Reaktionsgase im Reaktionsraum, sowie große Scherkräfte (Turbulenzen),die
hohe Energieumsetzungsdichten ermöglichen, d.h. die Verweilzeit verkürzen und somit
kleinere Bauformen ermöglichen.
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Als weiterer wesentlicher Vorteil kommt hinzu, daß der grö-Bere Teil
der Schlacke unter der Zentrifugalkraft radial nach außen abgelenkt (Pfeile 8) und
von den gasförmigen Verbrennungsprodukten abgetrennt wird, die der axialen Grundströmung
folgen und den Reaktionsraum 4 am Gasaustritt 9 verlassen.
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Das Produktgas, das am Gasaustritt 9 eine Temperatur von ca.
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1250/14500C aufweist, wird durch Einsprühen von Wasser 10 abgequencht,
wobei es sich auf ca. 300°C abkühlt. Anschlie-Bend wird das Produktgas, in dem noch
Verunreinigungspartikel, insbesondere Flugasche, enthalten sind, zur Entfernung
dieser Partikel zweimal abgetaucht.
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Hierzu wird das Produktgas über ein Rohr 11 in ein Wasserbad 14 geleitet.
Während der größte Teil der Verunreinigungspartikel im Wasserbad 14 bleibt und darin
absinkt. steigt ein kleiner Teil zusammen mit dem einmal abgetauchten Produktgas
auf und gelangt zunächst in einen inneren Ringraum, der durch das Rohr 11 und ein
um das Rohr 11 mit radialem Abstand
zu diesem angeordnetes zweites
Rohr 12, das an seiner Ober- und Unterseite offen ist,gebildet ist.Das zweite Rohr
12 reicht tiefer in das Wasserbad 14 hinein als das Rohr 11, damit möglichst das
gesamte Produktgas in den inneren Ringraum gelangt. Anschließend wird das Produktgas
über ein mit radialem Abstand zum zweiten Rohr angeordnetes drittes Rohr 13 umgelenkt
und gelangt durch einen äußeren Ringraum,der von den Rohren 12 und 13 gebildet ist,nochmals
in das Wasserbad 14,in dem restliche Verunreinigungen abgetrennt werden.Das gereinigte
Produktgas'wird über Rohgasaustritt 15 entnommen,die Verunreinigungen werden zusammen
mit dem Wasser kontinuierlich über oeffnung 16 abgeführt.Anstelle der Direktquenchung
kann auch ein Abhitzekessel eingesetzt werden.
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Die durch die Drehströmung zur Außenwand des Reaktionsraums 4 abgelenkte
Schlacke sammelt sich in flüssiger Form am Boden des Reaktionsraums 4.Um die Schlacke
gut abführen zu können, ist am Boden des Reaktionsraums 4 eine schraubenförmig verlaufende
Auffangrinne 17 angeordnet, wobei das Gefälle der Auffangrinne 17 in Richtung der
Drehströmung verläuft.
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An der tiefsten Stelle der Auffangrinne 17 münden ein oder vorzugsweise
mehrere Schlackenabzugskanäle; in der Figur ist ein Schlackenabzugskanal 18 eingezeichnet.
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Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß die flüssige Schlacke sowohl
durch das Gefälle in der Auffangrinne 17, als auch durch die im Reaktionsraum 4
herrschende Drehströmung zur Mündungsstelle des Schlackenabzugskanals 18 getrieben
wird.
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Um die Schlacke flüssig zu halten,ist eine über der Auffangrinne 17
angeordnete Sauerstofflanze 19 vorgesehen.Selbstverständlich können auch mehrere
Sauerstofflanzen über den Umfang des Reaktionsraums 4 verteilt vorgesehen sein.Alternativ
oder zusätzlich kann die Schlacke auch elektrisch be-
heizt werden.
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Der Schlackenabzugskanal 18 ist aus hochwarmfestem Metall, z.B. Platin,oder
Iridium,gefertigt und elektrisch beheizt.
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Die flüssig abgezogene Schlacke wird in einem nicht dargestellten
Verfahrensschritt zu Glas- oder Steinwolle (je nach ihrer Zusammensetzung) verblasen,
wobei der im Reaktionsraum 4 herrschende Druck ein direktes Verblasen ohne Querstrom
ermöglicht.
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Figur 2 dient zur Veranschaulichung der Zuführungen 5 und 6.
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Für analoge Bauteile sind dieselben Bezugszeichen verwendet wie in
Figur 1. Es sind vier in gleichen Winkelabständen über den Umfang des Reaktionsraums
4 verteilte Zuführungen 6 für das Wärmeträgerfluid vorgesehen, die tangential in
den Reaktionsraum 4 münden. Die Anzahl der Zuführungen 6 richtet sich nach den jeweiligen
Anforderungen.
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In der Achse des Reaktionsraums 4 ist die Zuführung 5 für den Kohlenwasserstoff
vorgesehen.