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Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Ver-
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.