DE3143556A1

DE3143556A1 - Reaktor zur vergasung kohlenstoffhaltiger materialien

Info

Publication number: DE3143556A1
Application number: DE19813143556
Authority: DE
Inventors: Richard Glenn Pittsburgh Pa. Anderson; Peter Bethel Park Pa. Cherish; Gaurang Bhalchandra Youngwood Pa. Haldipur
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: KRW Energy Systems Inc
Priority date: 1981-03-05
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1982-09-16
Also published as: FR2501222B1; IT8124865A0; ZA816623B; GB2094171B; BR8107150A; JPS57149390A; KR880002252B1; IN151987B; ES8305405A1; FR2501222A1; KR830007798A; AU545367B2; IT1140051B; BE890991A; CA1179845A; AU7567481A; US4391611A; GB2094171A; ES506829A0

Description

3H3.556

WS287P-2399

Reaktor zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien

Die Erfindung betrifft einen Reaktor mit einem turbulenten fluidisieren Brennstoffbett, bei welchem Teilehen eines kohlenstoffhaltigen Materials in einen vertikal angeordneten Reaktorkessel zur Erzeugung eines brennbaren Gasproduktes eingespeist werden, mit einem inneren vertikal in den Kessel ragenden zylindrischen Rohr, durch welches ein Gemisch aus den Materialteilchen und einem Transportgas nach oben in den Kessel eingeführt wird, und ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Gasprodukts aus einem kohlenstoffhaltigen Material.

Eine sehr vielversprechende Form Energie nutzbar zu machen, ist die Herstellung von Gasprodukten aus kohlenstoffhaltigem Material, wie z.B. Kohle. Ein bekanntes Verfahren zum Vergasen von Kohle verwendet ein Bett aus einem turbulenten fluidisiertem Brennstoff (US-PS 3 804 606 und 3 847 563). In das in einem Reaktorkessel befindliche turbulente fluidisierte Brennstoffbett werden die Prozessmedien in vertikaler Richtung von unten nach oben

injiziert

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injiziert. Das Injektionssystem hat ein inneres Rohr, durch welches die Materialteilchen in einem Gemisch mit einem Transportgas zugeführt werden und welches von einem Ringraum umgeben ist, durch welchen ein Gemisch aus einem oxidierenden Medium, z.B. Sauerstoff und Wasserdampf, zuströmt. Diese Medien werden von unten her in das Brennstoffbett injiziert. Ferner wird ein fluidisierendes und kühlendes Gas, z.B. Wasserdampf, radial zugegeben, u.z. in einer nach unten versetzten und im wesentlichen unterhalb der Fluidisierungszone liegenden Ebene, um die Separierung von verbrennbaren Teilchen und Asche zu erleichtern.

Dieses System arbeitet an sich zufriedenstellend, jedoch sollen weitere Verbesserungen gemacht werden, da man festgestellt hat, daß am oberen Rand des Injektionssystems die kohlenstoffhaltigen Materialteilchen zum sintern tendieren, u.z. primär wegen der hohen Temperatur, so daß sieh Asche niederschlägt und aufbaut. Die Ascheteilchen können verhältnismäßig groß sein und z.B. in der Größenordnung eine Länge von etwa 15 cm sowie eine Dicke von mehreren cm haben. Diese Asche teilchen sind im Vergleich zu den Materialteilchen, welche durch ein 40-Maschensieb fallen würden, verhältnismäßig groß. Die sich aufbauende Asche bricht schließlich ab u. z. vorzugsweise unter Beeinflussung der Injektionsgeschwindigkeit für das oxidierende Gas, und tendiert dazu, wegen der großen Teilchengröße, das Entfernen der Asche am unteren Teil des Reaktorkessels zu behindern. Diese Erscheinung ist besonders nachteilig und ernst zu nehmen, wenn ein Sauerstoff-Wasserdampfgemisch verwendet wird und in der Verbrennungszone die Temperatur Werte annimmt, bei welchen die Asche weich zu werden beginnt.

Um den Aufbau von Sinterprodukten zu mindern, kann ein starker Dampfstrom mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen werden, der die Tendenz hat, das zusammengesinterte Material zu entfernen. Eine hohe intensive Dampfinjektion beeinflußt jedoch den Heizwert des Gasproduktes, welcher dadurch erniedrigt wird, und benachteiligt noch mehr das Entfernen der Asche. Eine sehr starke Dampfinjektion hat auch zur Folge, daß die Betriebs- und Kapitalkosten für die Vergasung wesentlich erhöht werden.

Der

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor und ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu schaffen, bei welchem der Heizwert des produzierten Gasproduktes vergrößert und das Verhältnis von Sauerstoff und Wasserdampf erhöht werden kann, wobei jedoch trotz der Erhöhung der Temperatur der Jetflamme die Sintererseheinung ver-· ringert wird, so daß dadurch die unerwünschten großen Ablagerungen von Asche vermieden werden. Dadurch soll die Entfernung der Asche gleichzeitig erleichtert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweites Rohr konzentrisch im inneren Rohr unter Ausbildung einen inneren Ringraumes angeordnet ist, daß Einrichtungen vorhanden sind, um ein mit Sauerstoff angereichertes Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf durch den inneren Ringraum in das Brennstoffbett einzuleiten, daß ein drittes Rohr das zweite Rohr konzentrisch unter Ausbildung eines zweiten Ringraumes umschließt, und daß Einrichtungen vorhanden sind, um ein sauerstoffarmes gasförmiges Medium durch den zweiten Ringraum nach oben in das Brennstoffbett einzuleiten.

Für das Verfahren gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf nach oben in das Brennstoffbett derart eingeleitet wird, daß es das Partikel- und Gasgemisch umgibt, daß ein sauerstoffarmes gasförmiges Medium in das Brennstoffbett injiziert wird, um das Sauerstoff-Wasserdampfgemisch zu umschließen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

In diesem Zusammenhang werden die oberen Enden der Rohre derart ausgebildet, daß der innere Ringraum sich vorzugsweise konisch nach oben verengt, wobei der Konus mit einem Winkel von weniger als 7 1/2 von der Vertikalen nach außen verläuft. Dieser konische Tail kann entweder durch eine entsprechende konische Ausbildung der Wandung des Rohres gebildet werden, indem z.B. der obere Rand des zweiten Rohres sich messerartig verjüngt. Entsprechend wird der obere Rand des inneren Rohres im Durchmesser vergrößert, so daß eine enger werdende Schlitzdüse entsteht. Es ist auch vorgesehen, daß der innere Ringraum in vertikaler Richtung ohne

Verjüngung

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Verjüngung bis zur Austrittsebene verläuft.

Das zweite Rohr wird von einem dritten Rohr umgeben, wobei ein zweiter Ringraum zwischen den beiden Rohren ausgebildet ist. Das obere Ende des dritten Rohres endet vorzugsweise in einer Ebene unterhalb der Austrittsebene des ersten und zweiten Rohres und ist nach innen konisch verformt, wobei sieh am oberen Ende ebenfalls ein messerschneidenartiger.Rand ergibt. Innerhalb des zweiten Ringraumes können Strömungshindernisse ausgebildet sein, die sowohl am zweiten als auch am dritten Rohr angebracht sein können, mit welchen dafür gesorgt wird, daß das austretende Medium pulsierend durch die Düsen fließt.

Durch das innere Rohrfließen in das Bett aus turbulentem fluidisiertem Brennstoff die Teilchen des kohlenstoffhaltigen Materials vermischt mit einem Transportgas, wofür zweckmäßigerweise ein Teil des erzeugten Gasproduktes Verwendung findet. Durch den inneren Ringraum fließt ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf, in welchem etwa 80 Volumenprozent und mehr Sauerstoff enthalten ist. Durch die konische Ausbildung der Düse strömt das Gas mantelförmig um den inneren Jetstrahl herum aus. Ein Wasserdampfstrom wird durch den zweiten Ringraum mit hoher Geschwindigkeit geführt und tritt pulsierend aufgrund der Strömungshindernisse aus. Diese Wasserdampfströmung tendiert dazu, am oberen Ende des zweiten Rohres entlang zu fließen und sich dann zu verteilen. In einer weiter zurückgesetzten Ebene ist ein dritter Ringraum ausgebildet, durch welchen ein fluidisierendes Gas ausströmt, um die Separation von verbrennbaren Materialteilehen und Asche in bekannter Weise zu erleichtern.

Die nahezu messerscharfen Ränder des vorzugsweise zweiten und des dritten Rohres verringern die Oberflächen, an welchen sich Asche durch Sintern niederschlagen kann. An der verbreiterten Vorderkannte des inneren Rohres lagert sich gesinterte Asche nur wesentlich geringer ab. Es wurde ferner festgestellt, daß, obwohl ein höherer Prozentsatz an Sauerstoff zugeführt werden kann und damit eine Tendenz zu höheren Temperaturen im Injektions

bereich

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bereich für die Kohle besteht, sowie eine stärkere Sinterung zu erwarten ist, sieh für das beschriebene System kaum eine Erhöhung der Sinterung ergibt, da der um die innere Jetflamme herum austretende Dampfstrom eine sauerstoff verarm te Grenzschicht bewirkt. Durch diese sauerstoffverarmte Grenzschicht treten die im fluidisierten Brennstoffbett zirkulierenden Kohle- und Staubteilchen in die Jetflamme nicht durch Zonen von sehr hohem und sehr niederem Sauerstoffgehalt ein, sondern durch eine zusätzliche Zwischenzone mit einem verringertem Sauerstoffgehalt. Die anfängliche Injektion der Teilchen in die Jetflamme geschieht mit sehr hoher Geschwindigkeit, so daß die Verweilzeit der Teilchen für eine Sinterung nicht ausreicht. Selbst bei einer hohen Sauerstoffinjektion wird somit eine Verringerung des Sintereffektes bewirkt und ein Gasprodukt mit einem wesentlich höheren Heizwert erzeugt.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand von auf die Zeichnung Bezug nehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. IA eine vereinfachte seitliche Schnittansicht eines Reaktorkessels und eines Injektionssystems zur Kohlevergasung gemäß der Erfindung;

Fig. IB eine Vergrößerung des unteren Teils der Darstellung gemäß Fig. IA mit weiteren Details;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils des Injektionssystems gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines zweiten Rohres längs der Linie III-III der Fig. 4;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das zweite Rohr des Injektionssystems;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teil eines dritten Rohres des Injektionssystems;

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Einsatz in das obere Ende des inneren Rohres des Injektionssystems;

Fig. 7

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Fig. 7 einen Schnitt durch ein Injektionssystem nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine schematisierte Teilschnittdarstellung einer Verbrennungsdüse anhand welcher der typische Teilchenfluß erläutert wird;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des von einem Teilchen durchflossenen Bereichs während der Vergasung beim Injektionssystem gemäß der Erfindung.

In den Fig. IA und IB ist ein Reaktor 10, welcher unter Verwendung eines turbulenten fluidisierten Brennstoffes ein brennbares Gasprodukt herstellt. Das fluidisierte Brennstoffbett ist innerhalb eines Reaktorkessels 12 angeordnet, der einen grundsätzlichen zylindrischen unteren Teil 14 hat. An diesem unteren Teil schließt ein ebenfalls zylindrischer oberer Teil 16 an, wobei konische Übergangsbereiche 18 und ein konischer Gitterbereich 17 zwischen den verschiedenen Zylinderdurchmessern ausgebildet ist. Im unteren Bereich ist ferner ein zylindrischer Kanal 19 zur Aschebeseitigung vorgesehen. Das Prozessmedium wird in den Reaktor 10 durch ein Injektionssystem 20 eingespeist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dieses Injektionssystem umfaßt ein inneres Rohr 22, ein zweites Rohr 24 und ein drittes Rohr 26, sowie im unteren Bereich ein äußeres Rohr 28. Zwischen der äußeren Oberfläche 32 des inneren Rohres 22 und der inneren Oberfläche 34 des zweiten Rohres 24 ist ein innerer Ringraum 30 ausgebildet. Ein zweiter Ringraum 36 erstreckt sich zwischen dem zweiten Rohr 24 und dem dritten Rohr 26. Außerhalb des dritten Rohres 26 und innerhalb des äußeren Rohres 28 ist ein dritter Ringraum 38 vorgesehen. Wie aus den Fig. IA und IB hervorgeht, enden das innere Rohr 22, das zweite Rohr 24 und das dritte Rohr 26 im konischen Gitterbereich 17.

Aus den Fig. 3, 4 und 5 gehen die oberen Abschnitte des zweiten Rohres 24 und des dritten Rohres 26 hervor. Das zweite Rohr 24 ist am oberen Ende konisch ausgebildet, so daß ein dünner Rand 40 entsteht. Die tatsächliche Ausbildung dieses dünnen Randes 14 kann verschieden sein und sowohl eine

flache

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flache als auch eine gerundete Oberfläche haben. Der sich durch die konische Formgebung ausbildende Winkel ist vorzugsweise kleiner 7 1/2 und beim Ausführungsbeispiel etwa 5°. Das zweite Rohr 24 ist ferner mit Einrichtungen versehen, welche eine Pulsierung des Prozessmediums im zweiten Ringraum 36 bewirken. Diese Einrichtungen können aus Strömungshindernissen 42 bestehen. Einrichtungen, um eine Pulsierung auszulösen, können auch in anderer Form im zweiten Ringraum 36 oder in der nicht dargestellten Pumpeinrichtung vorgesehen sein, welche das Medium durch den zweiten Ringraum 36 fördert. Das dritte Rohr 26 ist ebenfalls mit einem dünnen vorderen Rand 44 versehen, wobei für das Ausführungsbeispiel die Winkel (2> und ^ Größen von etwa 10 bzw. etwa 5° vorgesehen sind. Am vorderen Ende des dritten Rohres 26 ist ein zylindrischer Öffnungsbereich 46 ausgebildet, der etwa 13 mm lang ist. Wenn das zweite Rohr 24 innerhalb des dritten Rohres 26 angeordnet ist, ergibt sich am vorderen Ende ein Ringspalt mit einer Toleranz von etwa + 0,69 mm. Die Strömungshindernisse 42 füllen den zweiten Ringraum 36 im wesentlichen aus und lassen nur einen Spalt frei von etwa 0,069 mm. Das dritte Rohr 26 endet etwa 6,3 mm unterhalb des zweiten Rohres 24. Hierauf wird im Zusammenhang mit Fig. 9 noch näher eingegangen.

In Fig. 6 ist ein weiterer zusätzlicher Teil in Form eines inneren Düseneinsatzes 48 dargestellt, welcher am inneren Rohr 22 im Mündungsbereich angebracht ist. Dieser innere Düseneinsatz 48 besteht aus einem nach innen verlaufenden konischen Ring mit einem Scheitelwinkel Λ von etwa 5 . An de m Düseneinsatz sind drei Abstandsflossen 50 montiert, welche eine bessere Strömungsverteilung im inneren Ringraum 30 bewirken sollen. Das innere Rohr 22 mit dem aufgesetzten Düseneinsatz 48 ist konzentrisch innerhalb des zweiten Rohres 24 montiert, wobei die äußere Oberfläche 32 des inneren Rohres 22 grundsätzlich parallel zur inneren Oberfläche 34 des oberen Teils des zweiten Rohres 24 verläuft, wobei beide Flächen um weniger als etwa 7 1/2 vorzugsweise 5 von der Vertikalen abweichen. Der innere Ringraum 30 erstreckt sich somit in vertikaler Richtung vom Boden des Reaktorkessels 12 aus nach oben, wobei er radial nach außen am oberen Ende aufgeweitet ist. Es können auch andere Konfigurationen verwendet werden, um einen nach außen und oben gerichteten Injektionsverlauf zu erhalten.

Die

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Die Abmessungen für die beispielsweise erläuterte Ausführungsform, welche in einer Kohlevergasungseinheit mit einer Kapazität von 15 Tonnen /Tag erfolgreich eingesetzt wurde ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle I.

TABELLE

Innendurchmesser inneres Rohr Außendurchmesser inneres Rohr Oberer äußerer Durehmesser Düseneinsatz Innendurchmesser Düseneinsatz Äußerer Durchmesser zweites Rohr Innendurchmesser zweites Rohr Äußerer Durchmesser des die Strömungshindernisse umschließenden Kreises Äußerer Durehmesser drittes Rohr Innerer Durchmesser drittes Rohr Oberer innerer Durchmesser drittes Rohr

25,4 mm

32.4 mm

50.8 mm

32.5 mm 60,3 mm

53.6 mm

61.6 mm

88.9 mm 78,0 mm

61.7 mm

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, daß der innere Ringraum 30 keine zum Endbereich hin nach außen winklig verlaufende Konfiguration hat, sondern über die gesamte Länge vertikal verläuft. Damit sind auch das innere Rohr 22 und das zweite Rohr 24 über die gesamte Länge parallel verlaufend. Es kann jedoch auch ein verringerter Randbereieh Verwendung finden. Das dritte Rohr 26 ist vorzugsweise konisch verjüngt und endet etwa 13 mm unterhalb dem inneren Rohr 22 und dem zweiten Rohr 24. Es ist ebenfalls ein zylindrischer Düseneinsatz 70 vorgesehen, der auf dem inneren Rohr 22 angeordnet ist. Dieser Düseneinsatz 70 stützt sich an dem zweiten Rohr 24 mit Hilfe von drei Abstandsflossen ab. Auf diese Weise ist das innere Rohr 22 bei einer thermischen Ausdehnung der verschiedenen Rohre frei in seiner Expansionsbewegung und kann sich axial bezüglich des Düseneinsatzes 70 verschieben

Der

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Der Düseneinsatz jedoch sichert eine seitliehe Abstützung und hält die Rohre in einer konzentrischen Position zueinander.

Wenn es wünschenswert ist, kann der innere Ringraum 30 mit Einrichtungen versehen sein, um eine Flamme zu unterdrücken, deren Ausbildung innerhalb des Ringraumes unerwünscht ist.

Im Betrieb verarbeitet der Reaktor partikuliertes kohlenstoffhaltiges Material, wie z.B. Kohle, um daraus ein brennbares Gasprodukt zu bilden. Dieses Gasprodukt tritt durch die Öffnung 58 am oberen Ende des Reaktorkessels gemäß Fig. IA aus, wogegen die sich bildende Asche über einen entsprechenden Bodenanschluß 60 gemäß Fig. IB nach unten abgeführt wird.. Bei dem beispielsweise dargestellten System wird die zerkleinerte Kohle in einem Transportgas, welches vorzugsweise ein Teil des erzeugten Gasproduktes ist, - im inneren Rohr 22 nach oben direkt in das Zentrum der Brennflamme 62 gemäß Fig. 8 gefördert. Im inneren Ringraum 30 fließt ein Gemisch aus Sauerstoff und Dampf nach oben, wobei aufgrund des winkligen Ausströmens bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 eine sauerstoffarme Grenzschicht um die Brennflamme herum entsteht. Es ist bekannt, daß beim Fehlen eines gerichteten Austritts die frei austretende Flamme nach außen expandiert, u. z. um einen Winkel von etwa 7 1/2 zur Vertikalen. Man hat festgestellt, daß eine Flamme, wie sie bei dem beschriebenen fluidisierten Brennstoffsystem entsteht, ebenfalls diese Tendenz der Expansion nach außen um einen Winkel von etwa 7 1/2 hat. Durch eine Steuerung des Austrittswinkels kann die Diffusionszone zwischen den austretenden Strömen größer gemacht werden.

Der mit hoher Geschwindigkeit durch den zweiten Ringraum 36 nach oben in das turbulente fluidisierte Brennstoffbett fließende Dampfstrom tendiert dazu einen Kühlmantel um die innere Jetflamme aufzubauen. Dieser kühlende Dampfmantel bewirkt eine sauerstoffverarmte Phase um die Jetflamme herum, so daß die in dem fluidisierten turbulenten Bett zirkulierenden Kohleteilchen, welche in die Verbrennungszone von außen eindringen, erst dann in die Jetflamme gelangen, nachdem sie den sauerstoffarmen Kühlmantel durchdrungen haben. Ein solcher Manteleffekt ist mit den Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 7 erzielbar.

Grundsätzlich

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Grundsätzlich strömt ein kohlenstoffhaltiges Teilchen im inneren Rohr 22 nach oben und schnell durch den zentralen Bereich der Jetflamme. Dieses Durchströmen der Jetflamme im zentralen Bereich erfolgt mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit, um ein Sintern im wesentlichen zu verhindern. Das Teilchen hält sieh dann in den oberen Übergangsbereichen des Reaktorkessels im turbulent fluidisierten Bett auf und durchwandert die Jetflamme in der in Fig. 8 dargestellten Weise. Dieser Verlauf wird solange beibehalten, bis die Dichte des Teilchens einen Wert angenommen hat, bei welchem die Tendenz zum Fluidisieren nachläßt, so daß schließlich ein Ascheteilchen nach unten und aus dem Reaktorkessel heraus abfließt.

Mit dem erläuterten Aufbau können 2 Effekte miteinander verbunden werden, um den bisher in Erscheinung getretenen Sinterprozess zu verringern. Zunächst bewegen sich die injizierten Kohleteilchen mit höherer Geschwindigkeit, da die Jetflamme verhältnismäßig stark in denjenigen Bereich eingeengt ist, in welchen die Kohleteilchen injiziert werden. Dadurch können sich die Kohleteilchen rascher bewegen und verbleiben nicht lange genug in einem Bereich hoher Temperatur, in welchem die Sinterbedingungen gegeben sind. Damit wird ein Sintern selbst bei der Zuführung eines größeren Sauerstoffanteils verringert, was von Vorteil ist, da ein Gasprodukt mit einem höheren Heizwert entsteht. Außerdem treten Kohle und zu verkohlende Teilchen, welche von außerhalb in und durch die Jetflamme in dem turbulenten fluidisierten Brennstoffbett zirkulieren durch eine Grenzschicht mit niedrigerem Sauerstoffgehalt ein, womit eine Vergasung in mehreren Stufen im Gegensatz zu der raschen Kohlenstoffverarmung möglich ist, welche eine für das Sintern typische Erscheinung darstellt.

In Fig. 9 sind die abgestuften Vergasungsbereiche dargestellt. Ein Teilchen 72, welches in die Jetflamme von der äußeren Grenzschicht her eindringt, durchläuft zunächst einen äußeren Bereich 74 des Dampfstromes. Dieser Dampfstrom tritt durch den zweiten Ringraum 36 aus und dehnt sich unter einem Winkel von etwa 7 1/2 nach oben und nach der Seite aus. Der Dampfstrombereich repräsentiert eine Zone, in der grundsätzlich eine Sauerstoffverarmung existiert.

Da

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Da das obere Ende des dritten Rohres 26 geringfügig unterhalb dem oberen Ende des zweiten Rohres 24 angeordnet ist, trifft der austretende Dampfstrom auf die Oberfläche 76 des zweiten Rohres und breitet sich erst danach über dessen oberen Rand aus. Dieses Entlangströmen über die äußere Oberfläche 76 trägt zur Verringerung eines wesentlichen Sintermaterialaufbaus 78 bei. Aus diesem Grund sollten die relativen Abmessungen und die Abstützkonfiguration für die verschiedenen Rohre dafür sorgen, daß der Höhenabstand bei den normalen Betriebstemperaturen gewährleistet ist, wobei die relative thermische Ausdehnung der einzelnen Teile berücksichtigt werden muß.

Das Teilchen 72 wandert auf dem Weg nach innen in einen Zwischenbereich 80, welcher überwiegend durch die angereicherte Sauerstoffströmung und den Dampfaustritt aus dem inneren Ringraum 30 definiert ist. Unabhängig davon, ob das Austreten zunächst nach oben unter einem nach außen gerichteten Winkel oder nur senkrecht nach oben erfolgt, dehnt sich dieser Zwischenbereich aus, so daß sich eine Vermischung mit dem Dampf im äußeren Bereich 74 ergibt. Dadurch bilden sieh zwei grundsätzliche Zonen 80' und 80", von welchen die Zone 80" eine höhere Sauerstoffkonzentration als die Zone 80' hat. Die gestrichelte Line 82 repräsentiert die Grenzschicht der mit dem Transportgas aus dem inneren Rohr 22 austretenden Kohleteilchen, welche die Jetflamme rasch durchlaufen.

Damit durchwandert das Teilchen 72 die Bereiche 74, 80' und 80", welche zunehmend mit Sauerstoff angereichert sind. Dies trägt dazu bei, daß die unerwünscht rasche Kohlenstoffverarmung vermieden wird und eine geringere Sinterung auftritt.

Ein weiteres zusätzliches Kühl- und Fluidisiergas, wobei Dampf oder ein Teil des rezirkulierten Gasproduktes Verwendung finden kann, fließt gemäß Fig. im dritten Ringraum 38 nach oben und tritt in einer radialen vorzugsweise nach unten verlaufenden Richtung in den Reaktor, u.z. räumlich unterhalb des zuvor diskutierten Mediums. Dieses Medium begünstigt insbesondere die Separation von verbrennbaren Teilchen und Asche und begünstigt die Entfernung der Asche.

Die

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Die Geschwindigkeit der Injektion der Kohleteilehen und des Transportgases sollte größer sein, als die Drosselgeschwindigkeit der Teilchen. Für das Beispiel einer Tagesmenge von 15 Tonnen wurden bei Versuchen erfolgreich zwischen 0 und 70 Gewichtsprozent an Festmaterial im rezirkulierten Gasprodukt mit örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten am Austrittsrand zwischen 9 m/s und 22 m/s erreicht. Das System erlaubt eine hohe prozentuale Sauerstoffkonzentration im Sauerstoff-Dampfgemisch bis zu 70 bzw. 80 Volumenprozent und darüber. Ein erfolgreicher Betrieb konnte bei der Verwendung eines Sauerstoff-Dampfgemisches mit bis zu 80 Volumenprozent Sauerstoff bei Geschwindigkeiten von 15 m/s bis 50 m/s unter Verwendung unterschiedlicher Kohlensorten demonstriert werden. Die Temperatur des Transportgases liegt vorzugsweise bei etwa 260 C. Es wird erwartet, daß ein erfolgreicher Betrieb bei einer Sauerstoffkonzentration bis zu 100 % möglich ist. Unter Verwendung derselben Kohlensorten wurde auch ein erfolgreicher Betrieb mit einem Luft-Dampfgemisch erzielt, welches aus dem inneren Ringraum 30 mit Geschwindigkeiten zwischen 15 m/s und 91 m/s austrat, wobei das Gemisch etwa '21 Volumenprozent Sauerstoff enthielt. Damit kann gewünschtenfalls der prozentuale Sauerstoffanteil zwischen etwa 21 96 und annähernd 100 % in Abhängigkeit von der Charakteristik des verwendeten, kohlenstoffhaltigen Materials und des gewünschten Heizwertes für das Gasprodukt eingestellt werden. Der zusätzlich injizierte schirmartige Dampfstrom wird vor-" zugsweise mit hohen Geschwindigkeiten u.z. mit Geschwindigkeiten über 30,5 m/s injiziert, wobei Geschwindigkeiten bis 46 m/s erfolgreich eingesetzt wurden. Durch den zweiten Ringraum 36 können auch andere gasförmige Medien zugeführt werden, solange diese einen verhältnismäßig geringen Sauerstoffgehalt verglichen mit dem Sauerstoffgehalt im inneren Ringraum haben. So wurde z.B. erfolgreich Kohlendioxyd verwendet, welches besonders günstig beim Startbetrieb ist, solange die Betriebstemperaturen noch nicht erreicht sind.

Die Geschwindigkeiten der drei injizierten Medien sollten relativ zueinander so eingestellt sein, daß der injizierte innere Teilchenstrom mit einer Geschwindigkeit austritt, die über der Drosselgesehwindigkeit liegt, und ausreichend hoch ist, um ein Sintern beim anfänglichen Durchdringen des zentralen Bereichs der Jetflamme zu vermeiden. Die aus dem zweiten Ringraum 36

austretende

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austretende Strömung sollte mit einer geringeren oder bestenfalls gleichen Geschwindigkeit als die Strömung aus dem inneren Ringraum 30 austreten. Dieses Verhältnis ist vorzugsweise aufrecht zu erhalten, um eine relative freie Expansion des oberen Abschnitts des sauerstoffarmen Bereichs zu ermöglichen. Eine Restriktion der Expansion durch einen starken Dampfstrom würde dazu tendieren, die Jetflamme einzuschnüren und einzuengen, sowie ferner das Volumen der sauerstoffarmen Zonen verkleinern. Wenn die Geschwindigkeit der äußeren Dampfinjektion verglichen mit der Injektionsgesehwindigkeit der Sauerstoff- und Dampfinjektion im inneren Ringraum zu niedrig ist, tendiert die Jetflamme dazu sich rasch aufzuweiten und zu verteilen, wodurch der Vorteil der Unterteilung in mehrere Zonen verloren geht. Unter diesen Bedingungen arbeitet das System, wie wenn keine bestimmte Zonen vorhanden wären und läßt damit sehr viel Material zusammensintern. Das bevorzugte Verhältnis der Injektionsgesehwindigkeit aus dem zweiten Ringraum zur Injektionsgesehwindigkeit aus dem ersten Ringraum beträgt etwa 70 bis 85 %, wobei vorzugsweise 80 % eingestellt werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Reaktor mit einem turbulenten fluidisierten Brennstoffbett, bei welchem Teilchen eines kohlenstoffhaltigen Materials in einen vertikal angeordneten Reaktorkessel zur Erzeugung eines brennbaren Gasproduktes eingespeist werden^ mit einem inneren vertikal in den Kessel ragenden zylindrischen Rohr, durch welches ein Gemisch aus den Materialteilchen und einem Transportgas nach oben in den Kessel eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Rohr (24) konzentrisch im inneren Rohr (22) unter Ausbildung eines inneren Ringraumes (30) angeordnet ist, daß Einrichtungen vorhanden sind, um ein mit Sauerstoff angereichertes Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf durch den inneren Ringraum (30) in das Brennstoffbett einzuleiten,

daß ein drittes Rohr (26) das zweite Rohr (24) konzentrisch unter Ausbildung eines zweiten Ringraumes (36) umsehließt, und daß Einrichtungen vorhanden sind, um ein sauerstoffarmes gasförmiges Medium durch den zweiten Ringraum (36) nach oben in das Brennstoffbett einzuleiten.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das zweite und dritte Rohr (24,26) am oberen Ende konisch ausgeformt ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die oberen Abschnitte des inneren Rohres (22) und des zweiten Rohres (24) derart geformt sind, daß der obere Abschnitt des inneren Ringraumes (30) sich unter einem
Vertikalen nach außen erstreckt.

Ringraumes (30) sich unter einem Winkel von weniger als 7 1/2 zur

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel etwa 5 beträgt.

5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der obere Abschnitt des inneren Rohres (22) mit einer ringförmig und konisch sich nach oben erweiternden Verdickung versehen ist.

6. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das obere Ende des dritten Rohres (26) etwa 13 mm unterhalb des oberen Randes des zweiten Rohres (24) verläuft.

7. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der obere Abschnitt des inneren Rohres (22) mit einer zylindrischen koaxial zur Innenwandung des zweiten Rohres (24) verlaufenden Verdickung versehen ist.

8. Verfahren zum Vergasen von Teilchen eines kohlenstoffhaltigen Materials, welches in einen senkrecht angeordneten und mit einem turbulenten fluidisierten Brennstoff versehenen Kessel eingeleitet wird, wobei die Materialteilchen mit einem Transportgas vermischt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf nach oben in das Brenn-

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stoffbett derart eingeleitet wird, daß es das Partikel- und Gasgemisch umgibt,

daß ein sauerstoffarmes gasförmiges Medium in das Brennstoffbett injiziert wird, um d_as Sauerstoff-Wasserdampfgemisch zu umschließen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gemisch aus Materialteilehen und Transportgas und das Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf in das fluidisierte Brennstoffbett etwa in der gleichen Höhe injiziert werden,

und daß das sauerstoffarme gasförmige Medium in das fluidisierte Brennstoffbett in einem geringfügig darunterliegenden Niveau injiziert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß das sauerstoffarme gasförmige Medium in einem Abstand von etwa 13 mm unterhalb der Ausström ebene des Gemisches aus Materialteilchen und Transportgas sowie des Gemisches aus Sauerstoff und Wasserdampf injiziert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf nach oben in das Brennstoffbett unter einem nach außen gerichteten Winkel von weniger als 7 1/2 zur Vertikalen injiziert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf in das Brennstoffbett pulsierend injiziert wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gemisch aus Materialteilchen und Transportgas mit einer Geschwindigkeit injiziert wird, die größer als die Drosselgeschwindigkeit der Materialteilchen ist,

daß das Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf mit einer Geschwindigkeit injiziert wird, welche größer als die Injektionsgeschwindigkeit des Gemisches aus Materialteilchen und Transportgas ist,

und daß das sauerstoffarme gasförmige Medium mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 70 % und etwa 85 % der Injektionsgesehwindigkeit des Gemisches aus Sauerstoff und Wasserdampf injiziert wird.

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14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gemisch aus Materialteilchen und Transportgas mit einer Geschwindigkeit zwischen 12 m/s und 19 m/s injiziert wird, und daß das Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf mit einer Geschwindigkeit größer 21 m/s injiziert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf mit einer Sauerstoffkonzentration größer als 70 Volumenprozent injiziert wird.