DE3143213A1

DE3143213A1 - Verfahren und vorrichtung zur kohlevergasung unter verwendung von kohlenstaub

Info

Publication number: DE3143213A1
Application number: DE19813143213
Authority: DE
Inventors: Kenichi Yokohama Kanagawa Kikuchi; Tetsuro Yokohama Kanagawa Mochizuki; Akio Kawasaki Kanagawa Suzuki
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1980-10-31
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1982-05-19
Also published as: CA1182290A; JPS5776088A; US5089031A; AU547499B2; FR2493333B1; US4721514A; AU7674981A; FR2493333A1

Description

3H3213

U.Z. 858.25

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha 1-2 Marunouchi-1-ch.ome Chiyoda-ku, Tokio Japan

YEEE¹AHREN UND VORRICHTUNG ¹ZUR KOHIiEVERGASUNG UNTER YER-

WENDUNG VON KOHLENSTAUB

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kohlevergasung unter Verwendung von Kohlenstaub, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aufgrund der jüngsten Ereignisse im Zusammenhang mit dem Energieproblem gelangt die Verwendung von Kohlenenergie erneut ins Rampenlicht.

Um den Anforderungen der Lieferer und Verbraucher gerecht zu werden, die an die leicht zu handhabende Form herkömmlicherweise verwendeter Energiequellen wie Erdöl und Gase gewöhnt sind, wurde es als dringende Notwendigkeit empfunden, die Probleme der Kohleverflüssigung und -vergasung zu untersuchen und zu lösen, und zu diesem Zweck wurden zahlreiche Möglichkeiten vorgeschlagen. Zu den herkömmlichen Verfahren der Kohlevergasung gehören Wirbelschichtverfahren mit Festbett (fixed-bed type fluidized bed methods), Gasstromverfahren (jet stream methods) und andere, und das Verfahren

: gemäß der Erfindung gehört in die Kategorie der Wirbelschichtverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem der Reaktionstemperaturbereich einer Wirbelschicht bei ca. 11oo°C gehalten wird, so daß sich ein Agglomeratbett aus fluidisiertem Material (agglomerated bed of fluidized material) bildet und dadurch die Leistungsfähigkeit des Vergasungsofens und die Kohlevergasungsmenge erhöht wird.

Die US-PS 3 454 383 beschreibt ein Wirbelschichtverfahren zur Kohlevergasung und eine Vorrichtung der obengenannten Art. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird Kohle mit einer Größe von 6,4 bis 9,5 mm (1/4 - 3/8") einschließlich der Maschenweite 100 überschreitenden Größen in den Einfüllhals eines vertikalen Vergasungsofens geleitet, um dessen Außenfläche eine Kühlschlange verläuft, und der mit hitzebeständigem Material ausgelegt ist und mit dem erzeugten Gas in Berührung steht, das noch zu beschreiben ist.

Desgleichen wird Luft und gesiebter Kohlenstaub mit einer Größe unter Maschen-weite 100 in einen Zyklonofen zusammen mit dem dabei erzeugten Gas geleitet, das noch zu beschreiben ist, und diese Bestandteile werden dann vom Zyklonofen in die Ofenkammer eingeblasen und darin mit einer Verbrennungstemperatur von 165o°C (3ooo°F) verbrannt, wodurch eine Vergasungszone als Wirbelschicht im Teil oberhalb des Einfüllhalses entsteht. Das entstehende Gas und die übrigen Produkte werden in den an den Vergasungsofen anschließenden Wärmetauscher eingeführt,, und'deren Eigenwärme von 98o°C (i8oo°P) wird zum Wärmeaustausch verwendet. Das Gas und die übrigen Produkte werden dann in einen Staubabscheider geleitet, so daß das abgeschiedene Verkokungsprodukt in den Zyklonofen zurückgeführt wird, und ein Teil des erzeugten· Gases wird ebenfalls in die Verbrennungsanlage zurückgeleitet„

Das oben beschriebene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Reaktionstemperatur wegen der normalen Wirbelschicht-Auslegung niedrig ist, desgleichen ist die Reaktionszeit wegen der Größe der groben Kohleteilchen lang=

Zu den bekannten Gasstromverfahren zur Kohlevergasung gehört das Koppers-Totζek-Verfahrenο Dieses Verfahren ist insofern ungünstig, als die Kohle derart zermahlen werden muß, daß mehr als 8o.% durch ein Sieb mit Maschenweite 2oo fallt, wodurch die Kosten ansteigen, und als mit dem bei diesem Verfahren verwendeten Ofen das Vergasungsverhältnis (Verhältnis der Kohlevergasung zu reduzierenden Gasen wie CO und Hp sowie oxidierenden Gasen wie COp) nur 9o % beträgt» Diese Nachteile sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß zur Verhinderung

des Zusammenbackens der Asche an dem Teil der Vorrichtung, die der Abführung des erzeugten Gases dient, die 50 bis 90 % der anfallenden Produkte ausmachende Asche dadurch abgeführt wird, daß sie vom Gas mitgerissen wird, und dies führt zur Bildung von unverbranntem Kohlenstoff.

Demzufolge ist es bezüglich der Verfahren und Vorrichtungen zur Kohlevergasung wünschenswert, daß ein Gasum-Wandlungsverhältnis von 95 bis 100 % sichergestellt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kohlevergasung unter Verwendung von Kohlenstaub zu schaffen, durch welche die oben genannten Nachteile ausgeschaltet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Kohlenstaub zusammen mit Sauerstoff oder Luft und Dampf in eine Reaktionskammer geleitet wird, daß das in der Reaktionskammer erzeugte und aufgefangene Verkohlungs- oder Verkokungsprodukt (char) oder das Verkokungsprodukt und Kohle zusammen mit Sauerstoff und Dampf in eine Brennkammer geleitet wird, die im unteren Teil der Reaktionskammer ausgebildet ist, und in dieser Verbrennungskamin er verbrannt wird, um darin eine -Temperatur von ca. 1.600 C aufrechtzuerhalten, und daß in der Reaktionskammer eine Temperatur zwischen 9oo und 1.3oo°C aufrechterhalten und dadurch ein Agglomeratbett aus fluidisierter Kohle (agglomerated bed of fluidized coal) gebildet wird.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung zur Kohlevergasung unter Verwendung von Kohlenstaub geschaffen, die sich zusammensetzt aus einem Vergasungsofen und einer Reaktionskammer, deren unterer Teil eine

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Verengung mit leicht reduziertem Durchmesser bildet, und mit einer darunter ausgebildeten Verbrennungskammer, die mit der Reaktionskammer verbunden ist, wobei eine Zuführdüse zum Einbringen des rohen Kohlenstaubs sowie von Sauerstoff oder Luft und Dampf in den mittleren Teil der Eeaktionskammer sowie eine weitere Zuführdüse zur Einbringung des Verkokungsprodukts oder von Kohle mit Luft oder Sauerstoff und Dampf in die Verbrennungskammer vorgesehen ist.
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Anhand der Figur, die eine Vorrichtung zur Kohlevergasung zeigt, wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Eeaktionskammer, deren unterer Teil als Verengung 30 mit leicht reduziertem Durchmesser ausgebildet ist, und Bezugszahl 2 bezeichnet eine Verbrennungskammer, die mit dem unteren Teil der Eeaktionskammer 1 verbunden ist. Die Kammern 1 und 2 bilden einen Vergasungsofen. Die Bezugs-· zahlen 12 und 11 bezeichnen Zuführdüsen zur Einbringung von Kohlenstaub bzw. Sauerstoff oder Luft und Gas im wesentlichen in den mittleren Teil der Eeaktionskammer 1. Die Bezugszahl 20 bezeichnet eine Zuführdüse zur Einbringung des Verkokungsprodukts oder von Kohle mit Sauerstoff oder Luft und Dampf in die Verbrennungskammer 2. Die Bezugszahl 7 bezeichnet einen Aschefänger, der im unteren Teil der Verbrennungskammer 2 angeordnet ist, und 13", 14 und 15 sind Rohre zur Abführung des erzeugten Gases und weiterer Produkte, die aus der Eeaktionskammer 1 ausgeschieden und einem Staubabscheider 5 zugeführt werden. Die Bezugszahl 23 bezeichnet ein Zuführungsrohr für das Verkokungsprodukt zur Einführung des Verkokungsprodukts und einer kleinen Menge der im

Staubabscheider 5 abgeschiedenen Asche in einen Trichter 8. Bezugszahl 24- bezeichnet ein Zuleitungsrohr für Kohle, das verwendet wird, wenn Kohle zusätzlich zum Verkokungsprodukt aus dem Vergasungsofen eingespeist werden soll, wie noch ausführlich zu beschreiben ist.

Die Bezugszahl 21 bezeichnet ein Brennstoff-Zuleitungsrohr zur Einspeisung des Verkokungsprodukts oder von Kohle in eine Zuführdüse 20. Bezugszahl 18 bezeichnet ein Zuleitungsrohr für zusätzliches Verkokungsprodukt, durch das überschüssiges Verkokungsprodukt zur Vermischung mit rohem Kohlenstaub zugeführt wird. Bezugszahl 19 bezeichnet ein Zuführungsrohr für Kohlenstaub zur Einspeisung rohen Kohlenstaubs, der zuvor auf einen Teilchendur chmess er von 2-3 ^¹¹¹I. oder darunter zermahlen wurde, in einen Kohlenstaubtrichter 3₅ und. 10 ist ein Zuleitungsrohr für Kohlenstaub zur Einspeisung des Kohlenstaubs aus dem Kohlenstaubtrichter 3 in- die Zuführdüse

Der Betrieb des Verfahrens zur Kohlevergasung unter Verwendung von Kohlenstaub gemäß der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung näher beschrieben. Es wird Kohlenstaub mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 3 ™ zusammen mit Sauerstoff und Dampf (der Dampf wird aus einem noch zu beschreibenden Kessel zugeführt) in die Reaktionskammer 1 des Wirbelschicht-Vergasungsofens geleitet. Andererseits wird das Verkokungsprodukt (in dem noch zu beschreibenden Staubabscheider gesammeltes Verkokungsprodukt) mit Sauerstoff und Dampf (aus dem bereits erwähnten Kessel zugeführt) in die Verbrennungskammer 2 eingeführt, die im unteren Teil der Reaktionskammer 1 ausgebildet ist. Auf diese

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Weise wird die Temperatur in der Verbrennungskammer auf ca. 1.600 C gehalten, und die Temperatur in der Reaktionskammer 1 wird im wesentlichen bei 1„3oo°C gehalten= Die Bezugszahl ^y4- bezeichnet einen Abwärmekessel, der oberhalb des Wirbelschicht-Vergasungsofens angeordnet und derart ausgelegt ist, daß er die Eigenwärme des im Wirbelschicht-Vergasungsofen erzeugten und daraus abgeführten Gases von ca, 800⁰O verwertet* Das durch den Abwärmekessel 1 strömende Gas wird mit einer Temperatur von ca. 3oo°G in den Staubabscheider

5 geleitet, und das Gas wird sodann in einem Kühlturm

6 etwa auf Raumtemperatur abgekühlt und von dort zur weiteren Verwertung abgegeben«'Es ist zu beachten, daß bei diesem Verfahren das abgekühlte Gas in einem Gaskühlkreis als Kühlmittel zur Abkühlung der Anlage im oberen Teil des Wirbelschicht-Vergasungsofens verwendet wird. Der im Abwärmekessel 4 erzeugte Dampf wird teilweise der Wirbelschicht-Reaktionskammer 1 sowie der Verbrennungskammer 2, wie erwähnt, zugeführt, und der restliche Dampf wird zu anderweitiger Verwertung nach außen geliefert. Das im Staubabscheider 5 vom erzeugten Gas abgeschiedene Verkokungsprodukt wird wie erwähnt in die Verbrennungskammer 2 geleitet, und in diesem .Pail wird die Asche zusammen mit dem Verkokungsprodukt zugeführt. Das Verkokungsprodukt und die Asche, die im Gaskühlturm 6 vom erzeugten Gas abgeschieden werden, werden zusammen mit den Abfallprodukten des Gaskühlturms 6 abgeführt«

Bisher wurde der Gesamtfluß des Verfahrens beschrieben, und nunmehr soll das Vergasungsverfahren für den Kohlenstaub in der Wirbelschicht-Reaktionskammer 1 beschrieben werden«

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Das zusammen mit Sauerstoff und Dampf in die Verbrennungskammer 2 eingeführte Verkokungsprodukt wird zunächst durch den Sauerstoff und den Dampf verbrannt, und die Temperatur in der Verbrennungskammer 2 wird erhöht. Wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer 2 sich so weit erhöht hat, daß die Temperatur in der Reaktionskammer 1 in den Temperaturbereich gelangt, der die Reaktion ermöglicht, wird Kohlenstaub zusammen mit Sauerstoff und Dampf zugeführt und beginnt zu reagieren, so daß die Vergasung erfolgt.

In diesem Fall wird dadurch, daß die Temperatur in der Verbrennungskammer.2 bei ca. 1.6oo°C gehalten wird, die Temperatur in der Reaktionskammer 1 im Temperaturbereich zwischen 9oo und 1.3oo°C gehalten, was den Betrieb mit dem besten Wirkungsgrad sicherstellt.

Dabei wird die Asche in der Wirbelschicht-Reaktionskammer 1 verklumpt, durch die Verengung 30 hindurch gegen die Geschwindigkeit des Gasstroms aus der Verbrennungskammer 2 abgesetzt, in der Verbrennungskammer 2 zusammengebacken und in den Aschenfänger 7 abgeleitet.

Bei dem oben genannten Verfahren gemäß der Erfindung wird die Wirbelschicht-Reaktionskammer 1 aus dem Grund auf einer Temperatur zwischen 9oo und 1.3oo°G gehalten, daß durch die Ausbildung eines Wirbtelschicht-Agglomeratbetts (agglomerated fluidized bed) in der Reaktionskammer 1, wie oben erwähnt, die Asche zusammengebacken und durch die Verengung 30 in den Verbrennungsraum 2 gegen den sich darin nach oben bewegenden Gasstrom abgesetzt wird, anstatt die gesamte Asche mit dem erzeugten Gas mitreißen zu lassen, wie dies nach dem Stand der Technik der Pail ist.

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Um dies zu erreichen, sind Temperaturen unter 9oo°C ungeeignet, da keine vollständige Vergasung der Kohle erfolgen kann. Ebenfalls kann im allgemeinen bei Temperaturen über 1.3oo°C kein Agglomeratbett aus fluidisiertem Material entstehen, wenngleich je nach Kohlequalität Ausnahmen möglich sind. Daher wurde der erwähnte Temperaturbereich gewählt.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ergab sich im Vergleich zum Heizwert von 619o χ 1o^ kcal pro Tonne Rohkohle ein Heizwert des gewonnenen Gases von 5«o33 χ 1cr kcal oder 81,ο %, und der Kaltwirkungsgrad erwies sich als sehr hoch.

Die nachstehende Tabelle zeigt die Rechnungsergebnisse der Materialbilanz pro Tonne Rohkohle für das Verfahren gemäß der Erfindung für folgende drei Fälle: Redizierende Verbrennung in der Mischkammer, oxidierende Verbrennung in der Mischkammer und oxidierende Verbrennung von 1o % zermahlener Kohle von der der Mischkammer zugeführten Rohkohle.

Verbrennungsart

Reduzierende ,
Verbrennung
in Mischkammer

Voraussetzungen

CO,

Dampf Benötigte

Tempera- „

tür (⁰C) ^P~ CO-H₀O Menge (kg) Menge (kg) "2"

Erzeugte Gasmenge
Nm³

CO H_n

(trocken %)

CO. 0„ Gesamt

Mischkammer
(pro 0,107 kg ₁₆₀₀

Verkokungsprodukt-Durchsatz)

Wirbelschicht-Vergasungskam- 1300
mer

0,256

0,333

Kohle in Rohkohle in Mischkammer

dukt & 0,1 kg
Rohkohle)

Wirbelschicht-Vergasungskammer

Gesamt

1290 0,343

0,17

0,12

	Gesamt (Zersetzungs- geschw. 50%)	1700	°2 Überschuß	0,29	0,67
Oxidierende Verbrennung in Mischkammer	Mischkammer (pro 0,107 kg Ve rkokungspro- dukt-Durchsatz)	1250	0,358	0,53	0,68
	Wirbelschicht- Vergasungskam mer				0,04
	Gesamt	1800	°2 Überschuß	0,53	0,72
Oxidierende Verbrennung von 10% zennahlener	Mischkammer (pro 0,107 kg Verkokunesüro-		0,88	0,68

0,88

0,13 0,14 0,08 0,06 Sp ' 0,41

0,23 1,06 0,72 0,11 Sp⁺⁾ 2,12 (56) (38) (6)

.0,66 Sp⁺⁾ Sp⁺⁾ 0,20 0,28 1,14

0,50 0,93 0,75 0,22 Sp (49) (40) (11)

0,89 0,81 0,76 0,33 Sp (43) (40) (17)

2,4Ö

1,11 Sp⁺⁾ Sp⁺⁾ 0,28 0,20 1,59

2,79

- 12 Sp = Spuren (tr)

Claims

Pat entansprüche

1. Verfahren zur Kohlevergasung unter Verwendung von Kohlenstaub, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstaub zusammen mit Sauerstoff oder Luft und Dampf in eine Reaktionskammer geleitet wird, daß das in der Reaktionskammer erzeugte und aufgefangene Verkohlungs- oder Verkokungsprodukt (char) oder das Verkokungsprodukt und Kohle zusammen mit Sauerstoff und Dampf in eine Brennkammer geleitet wird, die im unteren Teil der Reaktionskammer ausgebildet ist, und in dieser Verbren- nungskammer verbrannt wird, um darin eine Temperatur von ca. 1.6oo°C aufrechtzuerhalten, und daß in der Reaktionskammer eine Temperatur zwischen 9°o und 1„3oo G aufrechterhalten und dadurch ein Agglomeratbett aus fluidisierter Kohle (agglomerated bed of fluidized coal) gebildet wird.

2. Vorrichtung zur Kohlevergasung, gekennzeichnet durch einen Vergasungsofen mit einer Brennkammer und einer Reaktionskammer, die voneinander durch eine Verengung getrennt sind, einen Wärmetauscher", einen Staubabscheider, wobei der Vergasungsofen, der Wärmetauscher und der Staubabscheider in Strömungsrichtung aufeinanderfolgen, durch Rohmaterial-Beschickungsleitungen

Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

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für die Zufuhr von rohem Kohlenstaub, Luft oder Sauerstoff und Dampf, durch eine Rohmaterial-Zuführdüse, die mit den Rohmaterial-Beschickungsleitungen und mit dem mittleren Teil der Reaktionskammer verbunden ist, ein Zuleitungsrohr für überschüssiges Verkokungsprodukt, das mit den Rohmaterial-Beschickungsleitungen und mit dem Staubabscheider verbunden ist, eine Brennstoff-Zuführdüse, die mit der Brennkammer verbunden ist, eine Beschickungsleitung für Verkokungsprodukt, die mit der Brennstoff-Beschickungsleitung und mit dem Staubabscheider verbunden ist, eine Besehickungsleitung, die mit der Brennstoff—Zuführdüse zur Zuleitung von Luft oder Sauersotff, Kohle und Dampf verbunden ist, sowie durch eine Dampfleitung, die mit dem Wärmetau-

11 scher und mit der Brennkammer verbunden ist.