DE3035715C2 - Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus festen Brennstoffen mittels Lichtbogen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus festen Brenn<=toffen mittels lichtbogen.

Das erfinduägsgemäß erhaltene Synthesegas läßt sich in der Wärmeenergiewirtschaft als Energiebrennstoff, beispielsweise ki Feuerungen, Gasturbinen u. a. nx, in der chemischen Industrie als Rohstoff zur Synthese von Produkten wie Ammoniak (NH₃), Methan (CH«), Methanol (CHjOH), höhere Alkohole u.a.m. und in der Hüttenindustrie zur Herstellung von Reduktionsgas mit größtem Erfolg verwenden.

Der industrielle Verbrauch an organischen Brennstoffen, beispielsweise an Erdöl, Naturgas und hochwertigen Kohlen, steigt von Jahr zu Jahr an. Ihre Vorräte versiegen jedoch, was die starke Verteuerung organischer Brennstoffe auf dem Weltmarkt zur Folge hat. Deshalb wurde das Problem aktuell, billige feste Brennstoffe wie Braunkohlen, Schiefer und andere durch Plasmavergarung zu veredeln und a« Plasmavergasungsproduktcn synthetische Brennstoffe herzustellen.

Durch Plasmavergasung von festen Brennstoffen kann außerdem die Aufgabe gelöst werden, die Umgebung vor Verunreinigung mit Schwefelverbindungen und Staub zu schützen.

Die Versuche, drsses Problem zu lösen, bewirkten die Entwicklung von derartigen Verfahren zur thermischen Veredlung von festen Brennstoffen, beispielsweise von bituminösen Kohlen.

Eine Lösung des Problems der Herstellung von synthetischen Brennstoffen stellt ein Verfahren zur thermisehen Veredlung von festem Brennstoff, beispielsweise von Brennschiefern im Argonplasmastrahl, dar (M. S. Polak u. a, Plasmastrahlpyrolyse vo·- Brandschiefern. Zeitschrift Chimiya vysokikh energy, 1974,8, Nr. 5).

Dieses Verfahren besteht in folgendem: Brennschiefer in Pulverform und einen Oxidationsmittelstrom, und

zwar Waoserdampf, führt man einer beim Leiten von Argon durch elektrische Entladung gebildeten Aussirömungszone des Plasmastrahls zu. Im Argonplasmaslrahl erfolgt die Vergasung des organischen Brennstoffanteils bei einer mittleren Reaktionsmassentemperatur von 2600 bis 2800° K. Durch die Vergasung erhält man das Synthesegas (CO und H₂).

Zur Durchführung des bekannten Verfahrens ist ein großer Elektroenergieaufwand erforderlich, weil Argon als Wärmeträger und Wasserdampf als Vergasungsmittel zur Verwendung kommen. Das Verfahren ist außerdem kostspielig wegen der Verwendung von Argon und dessen Rückgewinnung aus den Vergasungsprodukten des Brennstoffs. Das oben beschriebene Verfahren weist eine geringe, auf das Synthesegas bezogene Leistung auf, weil die Vergasungsprodukte des Brennstoffs COj enthalten.

In »Chemie-Ingenieur-Technik«, 1973, Seite A 1277. werden Laborversuche unter Einsaugen von Kohlcpulvcr in einen elektrischen Lichtbogen durch Pulsieren eines elektrischen Stromfiusscs beschrieben. Diese Versuche wurden mit feuchtem Kohlestaub und zusätzlich eingebrachtem Wasser durchgeführt. Wie aus dem Artikel hervorgeht, entstanden aufgrund chemischer Reaktion der Rcagenticn gasförmige Produkte aus Methan und CO2, oder aus Methan und CO, oder auch aus CO und H2. Die Verfasser geben jedoch fälschlicherweise an, d;iß bei der Entladungstemperatur des Lichtbogens von IO 000⁰C die thermodynaniischen und kinetischen Bedingungen für die Vergasung des Kohlepulven günstig seien.

In der US-PS 19 74 125 mit dem Titel »Verfahren zur Herstellung gasförmiger Brennstoffe« ist eine Zwcikammer-Anlage zur Herstellung eines brennbaren Gases aus kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit Hilfe elektrischer Wärme beschrieben.

Ein wichtiges Merkmal des bekannten Verfahrens besteht darin, daß das zu vergasende kohlenstoffhaltige Material in einer Kammer über der Wasseroberfläche elektrischer Wärme ausgesetzt wird, wobei die Kammer so eingerichtet ist. daß der zu vergasende Stoff einer Strahlungshitze ausgesetzt ist. Wie in der US-PS angegeben ist, wird die erste Hauptkammer zur Vergasung mit Sägemehl, Torf, Holzspänen, Koksstaub und anderen Stoffen beschickt, die mit Wasserdampf reagieren, der aus verdampftem Wasser vom Boden der Kammer her eintritt, so daß sich durch die Reaktion Hj, Kohlenwasserstoffe und CÖ als gasförmige Produkte bilden. Diese Gase werden in die zweite Kammer geleitet, wo sie durch ihre Hitze Stückkohle vergasen.

In der DE-PS 8 09 334 wird ein Verfahren zur Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch elektrische Entladung an Kohleelektroden beschrieben. Daraufhin gehen der Sauerstoff und der Wasserstoff eine chemische Verbindung mit dem Kohlenstoff der Kohlcelcktrodcn ein unter Bildung von Wassergas, das abgeschieden wird.

Die DE-PS 4 57 179 betrifft ein Verfahren zum Erhitzen von körnigen Substanzen zwischen zwei erhil/.baren

Stahlelektroden zur Herstellung von Wassergas. Zur Vermeidung einer örtlichen Überhitzung der Grudekörner wird die Füllschicht durch Aufpressen von Gas in die Füllschicht dauernd in Bewegung gehalten.

Bei der Zufuhr von überhitztem Wasserdampf mit einer Temperatur von 250⁰C in die Füllschicht aus zu erhitzendem Halbkoks erfolgt eine Entstehung von Gas, das CO2, CO, CH₄, H₂ und N₂ enthält Das körnige Material wird bis zu einer Temperatur von höchstens 750⁰C erhitzt.

In der GB-PS 10 89 092 mit dem Titel »Verfahren zur Kohlebehandlung« wird ein Verfahren zur Behandlung von Kohle mit einem Trägergas, wie Methan oder Wasserstoff, bei hohen Temperatüren von über 2000⁰C in einem Lichtbogen zur Herstellung von festen und gasförmigen Produkten, nämlich Kohlenstoff mit schwerschmelzbarer Asche, Ruß, Acetylen, beschrieben.

Dieses bekannte Verfahren ermöglicht keine Gewinnung von Synthesegas.

ρ Dieses Verfahren besteht im wesentlichen aus folgenden Schritten: man trocknet und zerkleinert bituminöse

H Kohle und führt dann die staubförmige Kohle mit einem Trägergas in den Plasmastrahl bzw. Lichtbogen. Bei

fp einer \nittleren Massertiemperatur von 2500⁰C und einer Reaktionszeit von 0,003 s entstehen Acetylen und

fx Äthylen, die anschließend auf 500⁰C abgeschreckt werden. Bei der Umsetzung des Methan- oder Wasserstoff-

|j plasmastrahls mit Kohlenstaub kommt es aber zur Bildung eines aus Kohlenstoff und Asche bestehenden

ä; Festrückstands neben Acetylen und Äthylen.

Fi Die Aufgabe, mit einem Lichtbogen aus Kohle Synthesegas zu erzeugen, wird in aus den vorstehenden

!* Ansprüchen ersichtlicher Weise gelöst.

iw Das Verfahren ist hochleistungsfähig, weil der organische Brennstoffanteil vollständig in Synthesegas (CO und

Jg H») und H2S übergeht. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem aus

S Vergasungsmittel und zerkleinertem festen Brennstoff bestehenden Gemisch und der Brennzor^ des Lichtbo-

ff gens unter Konstanthalten der initiieren Massenternperatur der Vergasungsprodukte in dem angegebenen

|| Bereich intensiviert

ψ Die Zufuhr des Gemisches, bestehend aus zerkleinertem festem Brennstoff und Vergasungsmittel, in die

g| Brennzone des Lichtbogens in solcher Weise, daß der Stromgeschwindigkeitsvektor dieses Gemisches eine zur

l| Plasmastrahlachse parallellaufende Komponente besitzt, gibt die Möglichkeit, den Lichtbogen längs der Zufuhr-

|| richtung der Reaktionsmittel zu verlängern, wodurch es möglich wird, das Verfahren bei größeren Lichtbogen-

p längen durchzuführen.

|| Durch die Wärmeentwicklung bei der elektrischen Entladung und im Laufe der Oxidation der Kohlenstoff-

|i masse des Brennstoffs mit Sauerstoff zu CO wird der notwendige Wärmezustand geschaffen, der d?n schnellen

|| Verlauf der Vergasung des staubförmigen Brennstoffs bewirkt.

|^!!| Als Vergasungsmittel verwendet man zweckmäßigerweise ein Gemisch von überhitztem Wasserdampf mit

|;l Sauerstoff, und zwar45 bis 15 Gcw.-°/o Wasserdampf und 55 Gew.-% Sauerstoff.

;·( Dies gestaltet, den energetischen Wirkungsgrad des Verfahrens zu erhöhen. Während der Vergasung steigt

'.p] die Synthesegasausbeute durch den teilweisen Übergang der elektrischen Energie in die chemische Energie der

If gasförmigen Produkte an, wenn man dem Vergasungsmittel Wasserdampf, auf 550⁰C, mittels der Eigenwärme

ti' der Vergasungsprodukte im voraus überhitzt, zugibt.

£S Bei der Entladung erfolgt der Übergang der elektrischen Energie in die Wärmeenergie, welche im Laufe der

Pt Vergasung sowohl für Zwecke der Steigerung der Reaktionsmitteltemperatur auf den vorgegebenen Wert -ils

;; auch für die Durchführung der endothermen Reaktionen verbraucht wird. Die mittlere Massentemperatur von

C; Vergasungsprodukten wird in einem Bereich von 1200 bis 1700⁰C durch Regelung der dem Lichtbogen zuge-

h führten Leistung konstantgehalten.

^ Als Vergasungsmittel dienen Heißdampf cder Sauerstoff oder deren Gemisch.

? Die höchste Synthesegasmenge erhält man bei der Vergasung eines solchen festen Brennstoffs, der einen

;^; hohen Gehalt an Kohlenstoff aufweist, wenn als Vergasungsmittel überhitzter Wasserdampf dient. Der energeti-

sehe Wirkungsgrad der Vergasung beträgt etwa 70%.

Wird der Wasserdampf auf eine Temperatur von 550⁰C. unter Ausnutzung der Eigenwärme der Vergasungs-)'; produkte, erhitzt, so setzen sich etwa 80% Energie der elektrischen Entladung in die potentielle Energie des

$ Synthesegases um. Von größtem Interesse ist die Vergasung der trockenen zerkleinerten Kohle in einem

fi; Vergasungsmittel, das aus einem Gemisch von überhitztem Wasserdampf und Sauerstoff besteht. Der Sauer-

j Stoffzusatz bewirkt die Verminderung des Elektroenergieverbrauchs und erhöht somit den energetischen Wir-

' kungsgrad der Vergasung auf 88,6%.

Bei oxidierten Braunkohlen, deren Aschegehalt 30% übersteigt, ist die Vergasung, d. h. deren vollständige Überführung in Synthesegas, vorteilhaft unter Anwendung von S"uf;rstoff-Vergasungsmitteln zu verwirklichen, wobei das Gemisch von Sauerstoff mit zerkleinertem Brennstoff in die Brennzone des Lichtbogens zugeführt wird. In diesem Falle beträgt der energetische Wirkungsgrad der Vergasung 87%.

Andere Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, den konkreten Ausführungsbeispiclen und der Zeichnung, die schsmatisch ein Verfahren zur thermischen Veredelung von festen Brennstoffen zeigt, ersichtlich.

Der vorzcrkleincrte und getrocknete feste Brennstoff gelangt nach Pfeil in einen Bunker 1, aus dem er in eine Kammer 2 zum Vermischen mit einem Vergasungsmittel aufgegeben wird. Nach Pfeil, gezeigt als unterbrochene Linie, führt man der Kammer 2 ein Vergasungsmittel, gewählt aus der Gruppe überhitzter Wasserdampf, Sauerstoff, ein Gemisch von überhitztem Wasserdampf mit Sauerstoff, zu. Das erhaltene Gemisch von zerkleinertem festem Brennstoff mit Vergasungsmittel kommt in einen Reaktor 3 nach Pfeil, gezeigt als strichpunktierte Linie, und zwar in die Brennzonc des Lichtbogens so, daß der Stromgeschwindigkeitsvektor dieses Gemisch eine zur Phisniiistrtihlachsc parallellaufende Komponente besitzt. Das Brennen de* Lichtbogens wird durch eine Spciseqüclle 4 gesichert. Durch Regelung der Lichtbogenleistung wird im Reaktor 3 die mittlere Masscntemperaiur de'" Verwesungsprodukte in einem Bereich von 1200 bis 1700⁰C gehalten. Durch die elektrokatalytische

Einwirkung der Elektronen- und lonenkomponenten des Entladungsslroms läuft die Vergasungsreaktion des Kohlenstoffes des Brennstoffs unter Bildung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff ab, wobei der im festen Brennstoff enthaltene Schwefel im Laufe der Umsetzung mit Wasserstoff Schwefelwasserstoff bildet. Die Vergasungsprodukte werden in einen Zyklon 5 geleitet, wo aus diesen die Asche abgetrennt wird. Das gasförmige Gemisch von CO, H₂ und H2S kommt zur Weiterverarbeitung.

Als Beispiel werden Versuchsangaben, erhalten an 1 rockener, zerkleinerter Kohle, angeführt:

1. Kohle von Irscha-Borodino folgender Elemcniar/usammenscizung in Gewichtsprozent:

C:	65,07
H:	4,55
O:	20.20
N:	0.91
S:	0.27
A (Asche):	9,00
oberer Heizwert	Q 6 130 kcal/kg
unterer Heizwert	Q 5880 kcal/kg
Moskauer Kohle folge	nder Zusammensetz
C:	42.16
H:	3.60
O:	1333
N:	0.68
S:	8.03
A:	32,00
oberer Heizwert	Q 4270 kcal/kg
unterer Heizwert	Q 4070 kcal/kg

Die Tabelle 1 gibt den Verbrauchan einem Vergasungsmittel, und zwar an auf 550° C erhitztem Wasserdampf. Wasserdampf-Sauerstoff-Gemisch und reinem Sauerstoff sowie den spezifischen Aufwand an trockener Kohle. Sauerstoff. Wasserdampf und Elektroenergie je 1 Nm^J Synthesegas und den energetischen Wirkungsgrad der Plasmavergasung bei einer mittleren Massentemperaiur von Vergasungsprodukten, die 1200⁰C beträgt, an.

Die Tabellenangaben zeigen, daß die Plasmavergasung einen hohen energetischen Wirkungsgrad aufweist und ermöglicht, die ganze organische Masse des Brennstoffs in Synthesegas und Schwefelwasserstoff überzuführen. Nach der Reinigung des Gases von H₂S erhält man reines Synthesegas, welches zu hei/.wertreichcin (Jas CH₄ und flüssigem Methylbrennstoff verarbeitet werden kann.

Tabelle 1

lfd.

Nr.

Vergasungsmiltelverbrauch je 1 t trockene Kohle, kg

H₂O

O₂

spezifischer Verbrauch an Kohle. Sauerstoff. energetischer

Wasserdampf und Gesamtclektrocnergie/Nm¹ Gas Wirkungsgrad

des Verfahrens

trockene Kohle. O₂. Wasserdampf. Elektrode- //.%

kg kg kg energie

(insgesamt).

kWh

Kohle von Irscha-Borodino	748,8	480.2	0	0,376	0	0282	1.056	69,5
1	342,1	219.4	3613	0.465	0.168	0,159	0373	783
2	2815	0	415.0	0.482	0200	0.136	0,479	82.0
3	133^		547,0	0329	0^89	0,071	0224	86,7
4	95,0	581,1	0343	0315	0,052	0.150	88.6
5	Moskauer Kohle
6	0	0377	0	0277	1.125	b%b
7	2315	0,710	0,165	0.156	0.669	76.5
8	4263	0,881	0.376	0	0.140	87.3
		Hierzu	1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gas aus festen Brennstoffen durch

— Zerkleinern des festen Brennstoffes,

— Mischen des Brennstoffes mit einem Trägergas. Erhitzen dieser Mischung und Leiten durch einen

Lichtbogen,
das zur Herstellung von Synthesegas dadurch gekennzeichnet ist,

— daß als Trägergas ein Vergasungsmittel, insbesondere Wasserdampf, verwendet wird und

— daß das Gemisch aus Brennstoff und Vergasungsmittel dem Lichtbogen schräg zu seiner Längsachse ίο zugeführt wird, wobei eine mittlere Gas-Temperatur von 1200 bis 1700⁰C durch Regelung des Lidnbo-

gens konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergasungsmittel ein Gemisch aus überhitztem Wasserdampf und Sauerstoff ist, das aus 45 bis 15 Gew.-% überhitztem Wasserdampf und 55 bis 85 Gew.-°/o Sauerstoff besteht.