DE3031680C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft den Gegenstand der Patentansprüche.
Die kontinuierliche Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen
Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor mit einer Schlackenschicht
zu einem im wesentlichen aus CO und H2 bestehenden Gas, wobei
Brennstoff und Vergasungsmittel unterhalb der Oberfläche des Ei
senbades durch eine oder mehrere Düsen eingeleitet werden, ist
nach der deutschen Auslegeschrift 25 20 883 bekannt. Bei diesem
Verfahren wird die Kohle oder der kohlenstoffhaltige Brennstoff
und Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase, letztere von Kohlen
wasserstoffen ummantelt, in das Eisenbad eingeführt. Weiterhin ge
hört ein Verfahren zur Zuführung von Wärme beim Kohlenvergasungs
prozeß nach dem deutschen Patent 25 20 868 zum Stand der Technik.
Gemäß dieser Erfindung wird dem Eisenbad zusätzlich energiereiche
Kohle, ungebundener Kohlenstoff, Aluminium, Silizium, Kalziumkar
bid oder Mischungen, gegebenenfalls unabhängig von der Verga
sungskohle, im Eisenbadreaktor zugeführt.
Den genannten Verfahren ist gemeinsam, die Reaktionspartner Brenn
stoff und Sauerstoff, gegebenenfalls mit zusätzlichen Wärmeträ
gern, deren Oxidationsreaktion stark exotherm verläuft, dem Ei
senbad zuzuführen, d. h. unterhalb der Badoberfläche in die Schmel
ze einzublasen. Der Vergasungsprozeß, bei dem ein aus CO und H2
bestehendes Gas erzeugt wird, verläuft entsprechend der Wärmebi
lanz der zugeführten Reaktionspartner autotherm ohne Einbringen
von zusätzlicher Energie. Den Erfindungen liegt die Erkenntnis zu
grunde, daß alle Maßnahmen, dem Eisenbadreaktor Energie von außen
zuzuführen, sich in der Praxis aufgrund der hohen Reaktionsdichte
bzw. Reaktionsgeschwindigkeit beim Umsatz von Kohle und Sauerstoff
im Eisenbad als vollkommen unwirksam erwiesen haben. Demgemäß ist
es mit den bekannten Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhal
tigen Brennstoffen im Eisenbad bislang nicht möglich, in wirt
schaftlicher Weise, ohne Zusatz von energiereichen Brennstoffen,
Kohlesorten mit geringem Heizwert zu vergasen oder preiswert zur
Verfügung stehende oxidierende Gase, wie beispielsweise Luft, zu
verwenden.
In der DE-PS 4 74 594 wird ein Verfahren beschrieben, bei
dem zur Erhöhung der Temperatur der Konverterabgase der
Gebläseluft zusätzlich kohlenstoff- und wasserstoffhaltige
Brennstoffe und gleichzeitig Sauerstoff zugeführt wird.
Es wird jedoch allgemein angestrebt, die Zufuhr zusätzlicher
Energiequellen zu vermeiden.
In der DE-PS 4 50 460, der DE-AS 10 40 743 und der
DE-OS 24 43 740 werden ebenfalls Verfahren zur Gaserzeugung
beschrieben. Eine zusätzliche Zufuhr von Wärme zum Eisen
bad, um eine günstige Energiebilanz zu erreichen, wird
dabei aber nicht angestrebt.
Die deutsche Auslegeschrift 27 55 165 und die deutsche Offenle
gungsschrift 28 38 983 befassen sich mit Verfahren, die Wärmebi
lanz und die Wärmezufuhr bei der Stahlerzeugung in einem Konver
ter zu verbessern. Das wesentliche Merkmal dieser Erfindungen
besteht darin, Sauerstoff unterhalb und oberhalb der Badoberflä
che einer Schmelze im Konverter zuzuführen. Diese Verfahren zei
gen einen Weg, den wärmetechnischen Wirkungsgrad von kohlenstoff
haltigen Brennstoffen bei der Stahlerzeugung mit der Zielsetzung
zu verbessern, höhere Schrottsätze einzuschmelzen. Die Verfahren
sind jedoch in Hinblick auf die Kohlevergasung mit der Einschrän
kung behaftet, daß lediglich Sauerstoff als Oxidationsmittel zur
Anwendung kommt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zu schaffen, mit dem es in wirtschaftlicher Weise
möglich ist, in einem Eisenbadreaktor durch Zufuhr von
kohlenstoffhaltigen, festen oder flüssigen Brennstoffen
und Sauerstoff enthaltenden Gasen ein brennbares Gas zu
erzeugen, das sich im Gasraum oberhalb der Badoberfläche
des Eisenbadreaktors sammelt und von dort abgeleitet wird
und die Nachteile der bekannten Verfahren, insbesondere
die Zugabe von Stoffen mit stark exothermer Oxidations
reaktion zum Ausgleich der Wärmebilanz des Vergasungs
prozesses, zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß durch den Gasraum und auf die Badoberfläche ein
zumindest teilweise aus Sauerstoff bestehender Gasstrahl
geblasen wird, der beim Durchlaufen des Gasraumes die
erzeugten Gase ansaugt, teilweise verbrennt und so zur
Badoberfläche mitreißt, daß die bei der Verbrennung der
erzeugten Gase entstehende Wärme an das Eisenbad über
tragen wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung macht sich die überraschende
Erkenntnis zunutze, daß beim Einleiten der Reaktionspartner Brenn
stoff und Sauerstoff, auch in Form sauerstoffenthaltender Gase
(Luft), in die Schmelze eines Eisenbadreaktors und bei gleichzei
tigem Aufblasen oxidierend wirkender Gase (Sauerstoff, Luft) auf
die Badoberfläche es möglich wird, die Wärmebilanz in einem Eisen
badreaktor wesentlich zu verbessern. Offenbar wird ein Teil der
im Eisenbad erzeugten Gase durch die als Freistrahl auf die Bad
oberfläche geblasene Luft oder Sauerstoff nachverbrannt und die
dabei entstehende Wärme an die Eisenschmelze zurückgeführt.
Eine Möglichkeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht
darin, Luft als sauerstoffhaltiges Gas zu verwenden. Luft steht
normalerweise kostengünstig zur Verfügung und kann mit einfachen
Mitteln auf den erforderlichen Arbeitsdruck komprimiert werden.
Es liegt im Sinne der Erfindung, die Luft vorzuheizen, um somit
in vorteilhafter Weise weitere Wärme dem Vergasungsprozeß zuzu
führen. Begrenzungen für die Vorheiztemperatur bestehen normaler
weise nicht. Jedoch hat sich in der Praxis eine Temperatur von
300 bis 400°C als zweckmäßig erwiesen. Bis zu dieser Temperatur
können übliche Rohrleitungssysteme und Absperrorgane verwendet
werden, auch die Wärmeisolierung der Zuführungssysteme ist einfach.
Selbstverständlich eignen sich als Sauerstoffträger bei der An
wendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auch Sauerstoff selbst
und andere sauerstoffenthaltenden Gase. Es können beispielsweise
mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Mischungen aus Sauerstoff
und Inertgas, z. B. Argon, eingesetzt werden. In welchem Umfang
Luft durch sauerstoffreichere Gase ersetzt wird, hängt in erster
Linie von wirtschaftlichen Überlegungen ab.
Gemäß der Erfindung werden die kohlenstoffhaltigen, festen
oder flüssigen Brennstoffe und Sauerstoff enthaltenden
Gase unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze des
Eisenbadreaktors eingeblasen. Zum Transport der
genannten Brennstoffe verwendet man Trägergase, wie bei
spielsweise Luft, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Erdgas,
Inertgas, z. B. Argon, oder beliebige Mischungen der
genannten Gase.
Der Sauerstoff, häufig in Form von sauerstoffenthaltenden Gasen,
wie Luft, zur Oxidation der Brennstoffe wird in beliebigem Mengen
verhältnis unterhalb der Badoberfläche und gleichzeitig auf die
Badoberfläche der Eisenschmelze im Reaktorgefäß geleitet. Unter
halb der Badoberfläche wendet man die bekannten Düsensysteme, bei
spielsweise aus mehreren konzentrischen Rohren, zum Einleiten des
Brennstoffs und des oxidierenden Gases an. Das Aufblasen der oxi
dierenden Gase erfolgt aus größerem Abstand auf die Badoberfläche,
vorzugsweise ungefähr auf das Zentrum der Badoberfläche. Die auf
die Badoberfläche gerichteten Gasstrahlen sollen eine hinreichend
lange Laufstrecke im freien Gasraum des Eisenbadreaktors aufwei
sen. Normalerweise ist ein Mindestabstand zwischen den Öffnungen
der Gaszuführungsvorrichtung und der ruhenden Badoberfläche von
2 m einzuhalten. Als Zuführungssystem für die oxidierenden Gase
oberhalb der Badoberfläche haben sich insbesondere Düsen in der
feuerfesten Ausmauerung im oberen Bereich des Eisenbadreaktors be
währt. Diese Düsen können, hauptsächlich beim Aufblasen von Luft,
aus einem einfachen Rohr oder wie z. B. beim Einsatz von Sauerstoff,
aus zwei konzentrischen Rohren bestehen. Bei der zweiten Ausfüh
rungsform strömt das oxidierende Gas durch das Zentralrohr, und
zum Schutz der Düsen wird im Ringspalt Stickstoff, CO, Inertgase,
wie Argon, oder Kohlenwasserstoffe in geringen Mengen (0,1 bis 5%,
bezogen auf das oxidierende Gas) eingeleitet. Es können aber auch
wassergekühlte Lanzen oberhalb der Eisenbadoberfläche eingesetzt
werden. Die Lanzen können in den Reaktorraum hineinragen, wobei der
Abstand zwischen Lanzenöffnung und ruhender Eisenbadoberfläche min
destens 1,50 m betragen sollte.
Gemäß der Erfindung kann das Verhältnis von auf und in die
Schmelze geleitetem, oxidierendem Gas beliebig gewählt werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß mindestens 10% des Sauerstoffs
in Form von Sauerstoff oder von sauerstoffenthaltendem Gas, bei
spielsweise Luft, auf die Eisenbadoberfläche zu blasen sind, um
die Vorteile der Erfindung hinsichtlich des Wärmehaushalts zu
nutzen. Dieser Anteil des aufgeblasenen oxidierenden Gases kann
bis zu 100% gesteigert werden. Es hat sich unerwarteterweise
gezeigt, daß der Sauerstoff zur Oxidation des Brennstoffs im Ei
senbad auch ohne Nachteile auf das Bad geblasen werden kann. Bei
der üblichen Betriebsweise des Eisenbadreaktors gemäß der Erfin
dung führt man jedoch nur ca. 40 bis 90% des oxidierenden Gases
der Badoberfläche zu. Den von oben zugeführten Teil des Oxida
tionsmittels hält man schon aus wirtschaftlichen Gründen mög
lichst hoch, weil dieser Anteil an der Gesamtgasmenge im all
gemeinen mit einem niedrigeren Druck im Vergleich zu den Boden
düsen eingeblasen wird.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens be
steht darin, im Eisenbadreaktor ein weitgehend schwefelfreies
Gas zur Verbrennung in Kessel- und Heizungsanlagen, beispiels
weise für die Stromerzeugung, aus schwefelhaltigen Brennstoffen
herzustellen. Der Schwefel wird dabei von einer CaO-haltigen
Schlacke im Eisenbadreaktor aufgenommen. Die erforderlichen
Schlackenbildner, insbesondere CaO, werden bevorzugt in pulveri
sierter Form den sauerstoffhaltigen Gasen, die man unterhalb der
Badoberfläche in das Eisenbad einführt, aufgeladen. Das Zumi
schen der Schlackenbildner zu den Brennstoffen oder ein ge
trenntes Einleiten von CaO mit einem Trägergas, liegt eben
falls im Sinne der Erfindung. Die gebildete Schlacke, einschließ
lich der darin angereicherten Aschebestandteile der Brennstoffe,
kann portionsweise aus dem Eisenbadreaktor entfernt werden oder
zur Verbesserung der Wärmebilanz gemäß des deutschen Patentes
25 20 584 im flüssigen Zustand entschwefelt und weitgehend dem
Eisenbadreaktor wieder flüssig zugeführt werden.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat beispiels
weise, abhängig vom eingesetzten Brennstoff, Produktionsgase der
nachfolgend genannten Zusammensetzung ergeben. Für das Vergasen
von 1 t Koks mit ca. 10% Asche und einem Schwefelgehalt von 1%
werden ca. 2400 m3 Luft mit einer Vorwärmtemperatur von 300°C un
terhalb der Badoberfläche in das Eisenbad geleitet und gleichzei
tig 2400 m3 Luft mit gleicher Vorheiztemperatur auf das Bad ge
blasen. Die Eisenschmelze hat eine Temperatur von ca. 1400°C und
einen Kohlenstoffgehalt von ca. 2%. Pro Tonne Koks sind 5500 m3
Gas, bestehend aus ca. 25% CO, ca. 6% CO2, ca. 69% N2, ca.
0,002% Schwefel, mit einer Temperatur von 1400°C entstanden.
Das Gas hatte einen Staubanteil von ca. 2 g/m3 und ließ sich di
rekt in einer Kesselanlage verfeuern.
Beim Vergasen einer Gasflammkohle mit 78% C, 5% H, 7% O, 5%
Asche, entstand ein Gas folgender Zusammensetzung: 19,0% CO,
4,8% H2, 4,6% CO2, 66,5% N2.
Eine energiearme, getrocknete Braunkohle mit 64,0 Gew.-% C, 4,9
Gew.-% H, 23,6 Gew.-% O, 5,9 Gew.-% Asche, 0,4 Gew.-% Schwefel und
einem Heizwert H u von 5680 kcal, die mit Luft von 300°C nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren im Eisenbadreaktor vergast wird, er
gibt ein Gas mit 21,4 Vol.-% CO, 6,2 Vol.-% H2, 5,4 Vol.-% CO2,
6,2 Vol.-% H2O, 60,7 Vol.-% N2, 20 ppm Schwefel und einem Heiz
wert von 806 kcal/m3. Zur Entschwefelung werden ca. 9 kg CaO/
t Kohle dem Eisenbadreaktor zugeführt.
Die Anwendung von Sauerstoff gemäß der Erfindung, erweist sich
immer dann als vorteilhaft, wenn die Forderung nach einem ener
giereichen Gas mit geringem N2-Gehalt im Vordergrund steht oder
wenn besonders energiearme Brennstoffe für die Vergasung im Ei
senbadreaktor herangezogen werden. Welche Sauerstoffträgergase
oder ob reiner Sauerstoff bei der Vergasung im Eisenbadreaktor
zum Einsatz kommen, ist in erster Linie nach wirtschaftlichen
Gesichtspunkten und in Hinblick auf die Anwendung der erzeug
ten Gase zu entscheiden. Es ergeben sich keine verfahrenstechni
schen Probleme beim Vergasen und beim Ausgleich der Energiebi
lanz des Prozesses durch die teilweise Verbrennung der erzeug
ten Gase im Gasraum des Reaktors und beim Einsatz unterschied
licher sauerstoffhaltiger Medien, gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
Claims (5)
1. Verfahren zur Gaserzeugung in einem Eisenbadreaktor
durch Zufuhr von kohlenstoffhaltigen, festen oder
flüssigen Brennstoffen und Sauerstoff enthaltenden
Gasen in das Eisenbad, wobei die erzeugten Gase sich
im Gasraum oberhalb der Badoberfläche des Eisenbad
reaktors sammeln und von dort abgeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch den Gasraum und auf die Badoberfläche ein
zumindest teilweise aus Sauerstoff bestehender Gasstrahl
geblasen wird, der beim Durchlaufen des Gasraumes die
erzeugten Gase ansaugt, teilweise verbrennt und so
zur Badoberfläche mitreißt, daß die bei der Verbrennung
der erzeugten Gase entstehende Wärme an das Eisenbad
übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der für die Gaserzeugung und die teilweise Ver
brennung der Gase im Reaktorraum erforderliche Sauer
stoff, in Form von Sauerstoff oder eines Sauerstoff
enthaltenden Gases, (z. B. Luft), unterhalb der Badober
fläche in das Eisenbad und gleichzeitig auf das Eisen
bad als auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen
zugeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Menge
des auf die Eisenbadoberfläche geblasenen Sauerstoffs,
auch in Form Sauerstoff enthaltender Gase
mindestens 10% der Gesamtgasmenge beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff
enthaltenden Gase (z. B. Luft) vorgeheizt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kohle Gasflammkohle eingesetzt wird.
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