DE3033115A1 - Verfahren zum betreiben eines wirbelbettreaktors zum vergasen von kohlenstoffhaltigem material - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines wirbelbettreaktors zum vergasen von kohlenstoffhaltigem material

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DE3033115A1 DE19803033115 DE3033115A DE3033115A1 DE 3033115 A1 DE3033115 A1 DE 3033115A1 DE 19803033115 DE19803033115 DE 19803033115 DE 3033115 A DE3033115 A DE 3033115A DE 3033115 A1 DE3033115 A1 DE 3033115A1
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Description

  • Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Ver-
  • gasen von kohlenstoffhaltigem Material Zusatz zu Patentanmeldung P 29 49 533.8 Die Hauptanmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von festem, kohlenstoffhaltigem Material unter Verwendung von exotherme Umsetzungen und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln mit einem oberhalb des Wirbelbetts angeordneten Nachreaktionsraum, der von dem aus dem Wirbelbett austretenden Gasgemisch und kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen durchströmt wird, wobei Vergasungsmittel in das Wirbelbett und über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden.
  • Bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere Kohle, ist es bekannt, in einen Wirbelbettreaktor mit einem unteren Wirbelbett und einem darüber befindlichen Nachreaktionsraum, in dem sich mitgerissene, kohlenstoffhaltige Feststoffteilchen befinden, Vergasungsmittel - z. B. Sauerstoff und Wasserdampf - einzublasen, wobei die in den unteren Bereich des Reaktors eingeblasenen Vergasungsmittel zugleich auch die Fluidisierung der Wirbelschicht bewirken. Ferner ist es bekannt, oberhalb der oberen Begrenzung der Wirbelschicht zusätzliche Vergasungsmittel zuzuführen. Dadurch soll erreicht werden, dass der aus der Wirbelschicht nach oben ausgetragene Feststoff auf dem Wege durch den Nachreaktionsraum möglichst vollständig vergast wird. Es ist auch bekannt, die Temperaturverteilung entlang der Reaktorachse durch die Zugabe von Vergasungsmitteln in mehreren entlang der Reaktorachse einen Abstand voneinander aufweisenden Bereichen im mittleren und/oder oberen Bereich des Nachreaktionsraumes zu beeinflussen. Dabei sinkt die Temperatur von einem Maximum dicht oberhalb der oberen Begrenzung des Wirbelbettes mehr oder weniger kontinuierlich auf eine wesentlich tiefere Temperatur im oberen Bereich des Reaktionsraumes.
  • Dabei ist es notwendig, mit der Maximaltemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Asche des festen Kohlenstoffs zu bleiben, da es im anderen Fall zu Anbackungen im Reaktor und/oder in den Leitungen kommt, in denen das Produktgas nach Verlassen des Reaktors zu nachgeschalteten Einrichtungen geführt wird.
  • Die Erfindung bezweckt eine weitere Ausgestaltung der Lehre der Hauptanmeldung. Ihr liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend beschriebenen Art so abzuwandeln, dass das aus dem Wirbelbett nach oben in den Nachreaktionsraum ausgetragene kohlenstoffhaltige Material möglichst weitgehend und mit einem möglichst geringen Aufwand an Vergasungsmitteln umgesetzt wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass zum Einhalten eines oder mehrerer möglichst gleichbleibend hoher Temperaturniveaus die Summe der jeweils im Nachreaktionsraum zugegebenen Vergasungsmittel nach oben abnimmt und die Menge des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels konstant oder abnehmend gehalten wird. Selbstverständlich ist es nicht möglich, eine über die Höhe des Nachreaktionsraumes absolut konstante Temperatur einzuhalten, da praktisch in jeder Ebene, in welcher Vergasungsmittel eingeblasen wird, ein kleines Temperaturpeak entsteht und im Anschluss daran in Strömungsrichtung, d. h. nach oben, die Temperatur aufgrund der dann überwiegenden endothermen Umsetzungen abnimmt. Jedoch sollte die Anzahl der Bereiche oder Ebenen, in denen sauerstoffhaltige Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum eingeblasen werden, so gross sein, dass der vorangegebene Temperaturabfall nicht sehr ausgeprägt ist. Es ergibt sich dann ein etwa sägezahnartiger Verlauf des Temperaturprofils, wobei mit zunehmender Anzahl der Einblasebereiche oder -ebenen die Amplitude der einzelnen Sägezähne und damit die Abweichung der oberen Werte und der unteren Werte von einer unterhalb des zulässigen oberen Wertes liegenden mittleren Temperatur abnehmen.
  • Es ist möglich, dass im Nachreaktionsraum sich über wenigstens zwei Einblaseebenen erstreckende Längsbereiche vorhanden sind, in denen die Temperaturniveaus sich unterscheiden. Wesentlich ist jedoch, dass in jedem Bereich die Temperatur im vorbeschriebenen Sinne gleichbleibend ist, wobei sie in Anpassung an den jeweils in diesem Bereich vorhandenen bzw. umzusetzenden Kohlenstoff optimal eingestellt wird.
  • Selbstverständlich soll die Erfindung die Möglichkeit nicht ausschliessen, im oberen Bereich des Reaktors kurz vor dessen Austrittsöffnung für das Produktgas ein Quenchmittel zuzuführen, welches einen mehr oder weniger ausgeprägten Temperaturrückgancj bcwirkt. Dies ist an sich bekannt und wird insbesondere dann zur Anwendung kommen, wenn die im Nachreaktionsraum eingehaltene hohe Temperatur so dicht am Ascheschmelzpunkt liegt, dass, zur sicheren Vermeidung von Anbackungen, eine Herabsetzung der Temperatur des Produktgases vor Verlassen des Nachreaktionsraumes zweckmässig ist. In diesem Fall würden somit der bzw. die Bereich(e) gleichbleibend hoher Temperatur sich zwischen Wirbelbett und Quenchzone erstrecken.
  • Im allgemeinen wird es vorteilhaft sein, die Vergasungsmittel in wenigstens vier entlang der Reaktorachse einen Abstand voneinander aufweisenden Bereichen oder Ebenen in den Nachreaktionsraum einzublasen. Es kann jedoch auch zweckmässig sein, wenigstens sechs derartige Bereiche vorzusehen.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass das den Reaktor verlassende Produktgas nur wenig unverbrauchten Dampf enthält, welche Tatsache die Nachbehandlung des Produktgases weniger aufwendig macht. Weiterhin werden örtliche über hitzungen grösseren Ausmasses im Nachreaktionsraum vermieden.
  • In vielen Fällen wird eine Verfahrensführung vorteilhaft sein, bei welcher das Verhältnis zwischen exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln einerseits und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln andererseits von unten nach oben zunimmt mit dem Ergebnis, dass der Anteil des exotherme Umsetzungen bewirkenden Reaktionsmittels relativ zunimmt.
  • Die Zuführung der Vergasungsmittel kann in der üblichen Weise erfolgen. Die Abstände zwischen den einzelnen Einblasebereichen oder -ebenen können konstant sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Vergasungsmittel in von unten nach oben grösser werdenden Abständen in den Nachreaktionsraum einzublasen, wobei es dann möglich, wenngleich nicht notwendig, ist, die Einblasemenge pro Bereich konstant zu halten.
  • Es ist möglich, den Vergasungsvorgang in der Wirbelschicht so zu betreiben, dass die aus der Wirbelschicht oben austretenden Gase im wesentlichen die Temperatur aufweisen, die im Nachreaktionsraum eingehalten werden soll. Es kann aber auch zweckmässig sein, die Vergasung im Wirbelbett so zu führen, dass das oben aus ihm tretende Gas- und Feststoffgemischt eine niedrigere Temperatur als die im Nachreaktionsraum einzuhaltende Temperatur aufweist.
  • Dabei kann dann durch entsprechend stärkere Zugabe von exotherm reagierendem Vergasungsmittel dicht oberhalb des Wirbelbettes zunächst eine Temperaturerhöhung auf die im Nachreaktionsraum einzuhaltende Temperatur bewirkt werden. Es ist natürlich auch möglich, die Steigerung der Temperatur des aus dem Wirbelbett austretenden Gases auf die im Nachreaktionsraum gewünschte Temperatur in zwei Stufen durchzuführen, so dass erst im Anschluss an den zweiten oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Einblasebereich die im verbleibenden Abschnitt des Nachreaktionsraumes dann einzuhaltende Temperatur erreicht wird. Die Zugabe des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels in den einzelnen Einblasebereichen des Nachreaktionsraums kann in Abhängigkeit von der dort jeweils festgestellten Temperatur gesteuert werden. Es ist auch möglich, die Zugabe auch der endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittel in Abhängigkeit von anderen Parametern, beispielsweise vom Kohlenstoffgehalt der Feststoffteilchen des den Nachreaktionsraum durchströmenden Gas-Feststoff-Gemisches zu steuern.
  • Selbstverständlich besteht auch beim Verfahren gemäss der Erfindung die an sich bekannte Möglichkeit, durch Zugabe von CaO und/ oder MgO oder Verbindungen, die CaO und/oder MgO freisetzen, eine Heraufsetzung des Ascheschmelzpunktes bewirken.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 im Schema einen Längsschnitt durch einen Wirbelbettreaktor mit daneben dargestelltem Temperaturprofil entlang der Längsachse des Reaktors, Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels.
  • In den unteren Bereich eines Wirbelbettreaktors 10 werden zu vergasender Brennstoff und ggf. Zuschlagsstoffe, die beispielsweise dazu dienen, den Ascheschmelzpunkt zu erhöhen, durch eine bei 12 angedeutete Zuführeinrichtung, die als Schnecke oder sonstwie in.
  • geeigneter Weise ausgebildet sein kann, eingebracht. Unter dem Einfluss von Vergasungsmitteln, die nahe dem unteren Ende bei 14 in den Wirbelbettreaktor eingeblasen werden, baut sich ein Wirbelbett 15 auf, dessen obere und untere Begrenzung mit 16 bzw. 17 bezeichnet sind. Unterhalb der unteren Begrenzung 17 befindet sich eine Schicht 18, deren Teile durch eine am unteren Ende des Reaktors 10 befindliche Öffnung 20 ausgetragen werden.
  • Bei den die Wirbelung des Bettes 15 bewirkenden Vergasungsmitteln wird es sich normalerweise um sauerstoffhaltige, also eine exotherme Umsetzung bewirkende Vergasungsmittel und um Dampf und/oder CO2, also um eine endotherme Umsetzung bewirkende Vergasungsmittel handeln. Im allgeme-inen sind mehrere Düsen über den Umfang des Reaktors verteilt angeordnet, wobei es möglich ist, Dampf und sauerstoffhaltige Gase auch in zwei getrennten übereinanderliegenden Bereichen oder Ebenen zuzuführen.
  • Es ist unvermeidbar, dass zumindest ein Teil der feineren Feststoffpartikel aus dem Wirbelbett 15 in den oberhalb desselben befindlichen Nachreaktionsraum 20 durch das nach oben strömende Gasgemisch mitgerissen wird. Bei letzterem handelt es sich einmal um die gasförmigen Umsetzungsprodukte aus dem Wirbelbett und zum anderen um Reste der nicht umgesetzten Vergasungsmittel, insbesondere Dampf. Die Feststoffpartikel enthalten auch Kohlenstoff, der innerhalb des Nachreaktionsraumes umgesetzt werden soll. Die dazu notwendige Wärme wird durch Verbrennen eines Teiles der im Gasgemisch enthaltenen brennbaren Gase, im wesentlichen CO und H21 und eines Teils des kohlenstoffhaltigen Feststoffes zugeführt. Der dazu erforderliche Sauerstoff wird durch Leitungen und Düsen eingeblasen, die entlang der Längsachse des Reaktors verteilt oberhalb des Wirbelbettes 15 in den Nachreaktionsraum 20 münden und bei 21, 23, 25 und 27 angedeutet sind. Auch hier gilt, dass jeweils mehrere Leitungen oder Düsen über den Umfang des Nachreaktionsraumes verteilt in diesen einmünden können. Weiterhin wird durch die Düsen 21, 23, 25 und 27 Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 eingeblasen. Dabei ist es möglich, sauerstoffhaltige Gase einerseits und Dampf andererseits in Mischung oder aber auch durch getrennte Zuleitungssysteme und Düsen einzublasen. In dem in Fig. 1 neben dem Reaktor 10 dargestellten Temperaturprofil sind die Ebenen,in denen Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 eingeführt werden, durch gestrichelte Linien angedeutet, die an den den einzelnen Einblaseebenen zugeordneten Pfeilen enden.
  • Im Wirbelbett 15 baut sich aufgrund der exothermen Umsetzung der Kohle mit dem bei 14 zugeführten Vergasungsmittel verhältnismässig schnell eine hohe Temperatur auf, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 10500 C betragen soll. Die erste Zuführung von Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 hinein erfolgt über die Zuleitungen 21, die sich in verhältnismässig kurzem Abstand oberhalb der oberen Begrenzung 16 des Wirbelbettes 15 befindet. Ein Teil der das Wirbelbett verlassenden brennbaren Gase, vor allem H2 und CO, sowie der Feststoffpartikel werden mit dem Sauerstoff des über die Zuleitungen 21 zugeführten Vergasungsmittelgemisches verbrannt. Dies hat eine entsprechende, von der Menge des Sauerstoffs und somit der Menge der verbrannten Gases sowie der kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel abhängige Temperatursteigerung bis zur oberen Temperatur von etwa 1100° C zur Folge, die im Scheitelbereich des Peaks 30 kurz oberhalb der Einblaseebene 21a erreicht wird. Diese zusätzliche Zufuhr von Wärme begünstigt die Umsetzung des Kohlenstoffs der im Nachreaktionsraum befindlichen Partikel mit ebenfalls über Zuleitung 21 zugeführten C02-und Dampfmenge unter Bildung von CO und H2. Diese Vergasungsreaktion verbraucht Wärme, so dass im Zuge der Aufwärtsbewegung des Gasgemisches dieses wieder eine Herabsetzung seiner Temperatur erfährt. Es wird alsdann, sobald die Temperaturverringerung ein bestimmtes Mass überschritten hat - bei dem in Fig.
  • 1 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bei Erreichen einer Temperatur von ca. 10500 C - durch die Zuführungsleitungen 23, 25, 27 erneut exotherm und endotherm reagierende Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 in den Einblaseebenen 23a, 25a, 27a eingeblasen, wobei jeweils die geschilderte Reaktionsfolge eintritt.
  • Kurz vor der Austrittsöffnung 28 des Reaktors 10 wird über Zuleitungen 40 in der Ebene 40a ein Quenchmittel in den Nachreaktionsraum gegeben, welches die Temperatur des Gases um etwa 80 -100° C herabsetzt, um auf diese Weise sicherzustellen, dass das den Reaktor verlassende Gasgemisch keine Feststoffteilchen enthält, deren Asche erweicht ist und Anbackungen in nachgeschalteten Leitungen verursachen könnte.
  • Aufgrund der Kohlenstoffumsetzung nimmt die Menge des festen Kohlenstoff es im Nachreaktionsraum 20 von unten nach oben ab, so dass demzufolge von unten nach oben acchweniger Vergasungsmittel für die Umsetzung benötigt werden. Dem wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 dadurch Rechnung getragen, dass die Abstände zwischen den Einblaseebenen 21a, 23a, 25a und 27a von unten nach oben zunehmen.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist die Temperatur innerhalb des Wirbelbettes 115 wesentlich tiefer als bei jenem gemäss Fig. 1. Sie liegt zwischen etwa 700 und 8000 C. Somit ist die Zugabe von sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel unmittelbar oberhalb der oberen Begrenzung 116 des Wirbelbettes 115 in der Einblaseebene 121a so zu bemessen, dass das aus dem Wirbelbett ausströmende Gas- und Feststoffgemisch eine merkliche Temperatursteigerung bis auf die obere Temperatur des vom Peak 130 bis zum Peak 136 reichenden unteren Bereiches gleichbleibender hoher Temperatur von ca. 11000 C erfährt. Die daran anschliessende Betriebsweise entspricht bis zur Einblaseebene 127a, d. h., bis zum Peak 136 im Prinzip der des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 1, wobei allerdings die Zuleitungen 121, 123, 125, 127, 142, 144 und demzufolge auch die zugehörigen Einblasebereiche bzw, -ebenen 121a, 123a, l25a, 127a, 142a, 144a in gleichbleibenden vertikalen Abständen voneinander angeordnet. D. h., dass die Abnahme der Zugabe der Vergasungsmittel von unten nach oben durch entsprechende Verringerung der Menge pro Einblasebene bewirkt wird.
  • Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 sind statt vier sechs Zuleitungen und Einblasebereiche vorhanden, wobei nach dem dem Einblasebereich 127a zugeordneten Peak 136 die mittlere Temperatur, die bis dahin 10750 C beträgt, um 40° gesenkt wird, so dass bei einer Amplitude von 500 zwischen oberem und unterem Wert die Temperaturen im folgenden, in Strömungsrichtung 148 auf dem Peak 136 folgenden Bereich zwischen 1010 und 10600 C schwanken. D. h., dass in diesem Abschnitt die gleichbleibende hohe Temperatur gegenüber dem unteren Abschnitt etwas herabgesetzt ist, und zwar zwecks Anpassung an den in diesem Bereich noch im Nachreaktionsraum vorhandenen festen Kohlenstoff. D. h., dass in beiden Bereichen jeweils die dafür optimalen Temperaturen eingestellt werden.
  • Unabhängig davon, ob die Temperatur des aus dem Wirbelbett austretenden Gas- und Feststoffgemisches bereits die im Nachreaktionsraum einzuhaltende Temperatur aufweist oder aber erst oberhalb des Wirbelbettes auf die im Nachreaktionsraum vorgesehene Temperatur gebracht wird, gilt für beide Ausführungsbeispiele, dass die Umsetzung der im Nachreaktionsraum befindlichen kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel so geführt werden soll, dass Wärmeverbraudh und Wärmezufuhr einander derart entsprechen, dass in den einzelnen Bereichen eine möglichst konstante Temperatur aufrechterhalten bleibt oder - genauer gesagt - die Temperatur innerhalb des Nachreaktionsraumes bzw. der Bereich über dessen bzw. deren axialer Erstreckung um einen Mittelwert nur geringfügig nach beiden Seiten variiert, wobei die auftretende Maximaltemperatur ggf. dicht unterhalb des Niveaus liegt, bei welchem das Erweichen der Aschepartikel zu Schwierigkeiten, d. h. zu Anbackungen oder Bildungen von grösseren Agglomeraten führen könnte.

Claims (8)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e ============================= 1. Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen Von festem, kohlenstoffhaltigem Material unter Verwendung von exotherme Umsetzungen und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln mit einem oberhalb des Wirbelbettes angeordneten Nachreaktionsraum, der von dem aus dem Wirbelbett austretenden Gasgemisch und kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen durchströmt wird, wobei Vergasungsmittel in das Wirbelbett und über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, -nach Patentanmeldung P 29 49 533.8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einhalten eines oder mehrerer möglichst gleichbleibend hoher Temperaturniveaus die Summe der jeweils im Nachreaktionsraum zugegebenen Vergasungsmittel nach oben abnimmt, die Menge des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels konstant oder abnehmend gehalten wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Menge des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels als auch die Menge des endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels von unten nach oben abnehmen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln einerseits und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln andererseits von unten nach oben zunimmt.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in von unten nach oben grösser werdenden Abständen in den Nachreaktionsraum eingeblasen werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wirbelbetts niedriger ist als die im Nachreaktionsraum.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wirbelbettes gleich der im Nachreaktionsraum ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in wenigstens vier Abstände voneinander aufweisenden Bereichen in den Nachreaktionsraum eingeblasen werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in wenigstens sechs Abstände voneinander aufweisenden Bereichen in den Nachreaktionsraum eingeblasen werden.
DE19803033115 1979-12-08 1980-09-03 Verfahren zum betreiben eines wirbelbettreaktors zum vergasen von kohlenstoffhaltigem material Withdrawn DE3033115A1 (de)

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