DE3214649A1

DE3214649A1 - Verfahren und vorrichtung zur vergasung von festem kohlenhaltigem material

Info

Publication number: DE3214649A1
Application number: DE19823214649
Authority: DE
Inventors: Seppo 48770 Karhula Ruottu
Original assignee: A Ahlstroem 29600 Noormarkku Oy; Ahlstrom Corp
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1981-05-22
Filing date: 1982-04-21
Publication date: 1982-12-23
Also published as: DE3214649C2; JPS57198791A; SE461150C; JPS6210596B2; SE8202857L; FI62554C; SE461150B; FI62554B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung von festem kohlen-
haltigem Material Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von festem kohlenhaltigem Material in einem Wirbelschichtreaktor, wobei in den im oberen Teil des Reaktors austretenden Gasen enthaltene feste Partikel abgeschieden und in den unteren Teil des Reaktors zurückgeführt werden.
Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zustande gegbracht werden, mit denen es sich festes kohlenhaltiges Material vergasen lässt, indem im Gasgenerator der frei Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Gases an erster Stelle zur oxydierenden Vergasung der infolge von Pyrolyse entstandenen Feststoffpartikel verwendet wird.
Bei der Vergasung von festen Stoffen liegt das zentrale Problem in der Reduktion der in der Oxydationsphase entstehenden CO2 und H2 0 mittels fester Xohle über kinetisch träge Reaktionen CO2 + C(D) -> 2CO und H2O + C -> CO + H2 Die ältesten Gasgeneratortypen waren sog. Gegenstromgeneratoren, bei denen das Vergasungsmaterial von der Oberseite einer festen Vergasungsmittelschicht und das Oxydationsmittel von der Unterseite der betreffenden Schicht aufgegeben wurden.
Beim Durchlauf nach unten wurde das Material bei diesen sog.
Festbettgeneratoren zuerst in der reduzierenden Umgebung mit niedriger Temperatur pyrolysiert. Die Temperatur der unteren 0 Schicht beträgt - 1000 C, und es steht reichlich reduzierende Kohlenfläche/Volumen zur Verfügung, wodurch eine wirksame Reduktion der Gasphase erreicht wird. Die bekannten Nachteile dieser Generatortypen bestehen in den Teerverbindungen des Produktgases sowie darin, dass die Produktgase kleine Partikel mitführen.
Beim Gleichstromgenerator werden sowohl das Vergasungsmaterial als auch das Oxydationsmittel im Einlaufende des Reaktors eingetragen zu CO2 und H20 oxydiert werden. Die zurückbleibende feste Kohle soll hierbei durch die oben genannten trägen Reduktionsreaktionen vergast werden. Daher bestehen die Probleme bei konventionellen Gleichstromgeneratoren entweder in grossen CO2- und H20-Gehalten oder erheblichen Kohlenverlusten.
Bei den Gasgeneratoren mit zwei Reaktoren hat man die Nachteile der obigen Generatortypen vermeiden wollen, in dem der Vergasungsablauf auf zwei Reaktoren verteilt wird, und zwar so, dass das zu vergasende Material anfangs pyrolysiert wird. Das von der Pyrolysation zurückbleibende feste Material wird in einem getrennten Reaktor vergast, dessen Rauchgase dem Pyrolysationsreaktor zugeführt werden. Dadurch erfolgt die Vergasung in zwei in Gleichstrom geschalteten Reaktoren. Nachteile der Zwei-Reaktoren-Generatoren sind strömungstechnische Probleme sowie hohe Investierungskosten.
Aus dem US-Patent 4,154,581 ist ein zweistufiger Vergasungsprozess bekannt, der in einem Wirbelschichtreaktor abläuft.
Die Wirbelschicht ist dabei durch eine Trennwand in zwei Abschnitte geteilt; die Temperatur des unteren wird für Verbrennung oder Vergasung geeignet gehalten, und die Temperatur des oberen wird hinsichtlich der Absorption von Schwefel möglichst günstig eingestellt. Der Brennstoff oder das Vergasungsmaterial werden dem unteren Teil der Wirbelschicht aufgegegen, wo noch freier Sauerstoff übrig ist. Dabei oxydieren an erster Stelle die pyrolysierenden Kohlenwasserstoffe unter Bildung von CO2 und H20, wobei erheblich Kohlenrückstände entstehen, die mit den Verbrennungsprodukten der Kohlenwasserstoffe vergast werden soll.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lösung, bei der die im Zusammenhang mit dem Zwei-Reaktor-Generator beschriebene Funktion in einem Reaktor wie folgt in die Wege geleitet wird.
Die Vergasungsmaterial-Eintragstelle wird passend oberhalb der Luftdüsen (3 - 6 m) in einen Bereich angehoben, wo der Gehalt am freien Sauerstoff gering ist. Dabei oxydieren die in der v Nähe der Eintragstelle entstehenden Pyrolysegase nicht, sondern teilen sich in thermisch kurzkettige Kohlenwasserstoffe, die ihrerseits mit den aus dem unteren Reaktorteil emporsteigenden CO2 und H20 reagieren. Diese sog. Reduktionsreaktionen laufen im oberen Teil des Vergasungsreaktors ab, wo die Gas-Verweilzeit (2 - 20 Sek.) und -Temperatur (- 900 OC) so gewählt sind, dass die Produktgase nahezu einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand erreichen. Die für die Reduktionsreaktionen erforderliche Energie wird aus den im Reaktor-Unterteil erfolgenden Oxydationsreaktionen, an erster Stelle der des Kohlenstoffes, gewonnen. Um zu hohe Temperaturen zu vermeiden, werden die Temperaturunterschiede im Reduktions-und Oxydationszone ausgeglichen, indem durch beide Zonen des Reaktors ein inerstes Material, z.B. Sand, zirkuliert. Da die Oxydations- und Reduktionszonen in dem selben Reaktor angeordnet sind, lässt sich die Zirkulation leicht verwirklichen, indem Körngrösse und Menge des inerten Materials so gewählt werden, dass sich bei dem angewendeten Gasströmungsgeschwindigkeitsbereich ein passender Teil des Gesamtmaterials in pneumatischer Förderung befindet. Dabei durchläuft der im Gasreiniger abgeschiedene Feststoff, der in den Unterteil des Reaktors zurückgeführt wird, zuerst diese heisse Oxydationszone und kühlt sich anschliessend beim Durchlaufen der Reduktionszone ab. Der Massenstrom der Inertkreislaufs wird durch Einstellung der Menge des Umlaufmaterials so eingestellt, dass die höchste Temperatur des zu vergasenden Gutes nach der Sinterungstemperatur von Asche in der Oxydationszone - 970 -1200 OC und nach der Reduktionszone 70 - 120 OC darunter beträgt.
Damit die Temperaturunterschiede in der oxydierenden und reduzierenden Zone in den oben genannten Grenzen gehalten werden können, soll der Feststoff so zirkulieren, dass sich im Reaktorgas 500 - 1000 g/mol Feststoff befindet. Aus dem Abscheider sollen also ein grosser Massenstrom feinkörniger Sand (10 m < dp < 400 m) sowie unreagierter Kohlenstoff dem Unterteil des Reaktors zugeführt werden.
Im folgenden wird die Erfindung unter Verweis auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die eine das erfindungsgemässe Verfahren anwendende Vorrichtung in Vertikalschnitt schematisch darstellt.
In Fig. 1 bedeuten Nummer 1 einen nach dem Wirbelschicht-Prinzip arbeitenden Vergasungsreaktor, 2 einen Zyklonabscheider, in dem der Feststoff auf eine an sich bekannte Weise von den im oberen Teil des Reaktors abgeführten Gasen getrennt wird und 3 ein Rücklaufrohr für den Feststoff. Am unteren Reaktorende ist eine mit Öffnungen ausgestattete Verteilerscheibe 4, durch die das sauerstoffhaltige Gas, z.B. Luft, dem unteren Teil des Reaktors zugeführt wird. Am oberen Ende des Reaktors ist eine Gasablauföffnung 5 angeordnet, durch die die Gase tangential dem Wirbelkammer des Abscheiders 2 zugeführt werden. Der zu vergasende Stoff wird in ein Eintragssilo 7 gefördert, von wo er mittels eines Schneckenförderers 8 durch eine Öffnung 9 in den Reaktor eingetragen wird. Für die Einleitung des Ablaufs ist der Reaktor mit einem Anfahrbrenner 10 ausgestattet.
In der Wirbelkammer des Abscheiders ist ein axiales Gasabzugsrohr 11 angeordnet, durch das das Gas, von dem feste Partikel abgeschieden sind, aus der Kammer nach oben hin entweicht. Die in den Gasen enthaltene Wärme wird zur Vorwärmung der dem Reaktor zuzuführenden Luft herangezogen, und das vorerwärmte Gas wird in die unterhalb der Verteilerscheibe befindliche Luftschleuse 12 geleitet.
Die festen Partikel setzen sich im richterförmigen Unterteil des Abscheiders ab, von wo sie über das Rohr 3 durch die Öffnung 14 in den unteren Reaktorteil zurückgeführt werden.
Die Eintragstelle des Vergasungsgutes ist so gewählt, dass sie sich oberhalb der Verteilerscheibe in einer Höhe befindet, wo es nicht mehr bedeutend Sauerstoff vorkommt.
Beispiel: In einen Vergasungsreaktor mit einer Höhe von 600 mm, Höhe von der Verteilerscheibe bis zur Gasabzugsöffnung 11 m und Höhe der Eintragstelle von der Verteilerscheibe gemessen 4 m, wurde Torf unter folgenden Bedingungen vergast: Trockener Torfdurchsatz 100 g/s Wasserdurchsatz 25 g/s Luftdurchsatz 210 g/s Höchsttemperatur in der 990 0C Oxydationszone 990 OC Temperatur nach dem Abscheider 890 OC Hinter dem Zyklon wies das Gas folgende Zusammensetzung auf: Verbindung Molenanteil CO 0,245 CO2 0,051 H20 0,092 CH4 0,018 2 0,163 N2 0,412 H2S 0.0004 Molendurchsatz von Gas 14.2 mol/s Durchsatz des Umlaufgutes 7.8 kg/s (Sand)

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Vergasung von festem kohlenhaltigem Material in einem Wirbelschichtreaktor, wobei in den in oberen Teil des Reaktors austretenden Gasen enthaltene feste Partikel abgeschieden und in den unteren Teil des Reaktors zurückgeführt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem unteren Teil des Reaktors sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt wird, dass das von den Gasen getrennte nicht reagierte kohlenhaltige Material im unteren Teil des Reaktors oxydiert wird, dass kohlenhaltiges Material einer wesentlich sauerstofffreien Zone oberhalb der Oxydationszone aufgegeben wird, und dass das kohlenhaltige Material durch die aus dem unteren Teil des Reaktors emporsteigenden heissen Gase und Partikel pyrolysiert und reduziert wird.
2. Vorrichtung zur Vergasung von festem kohlenhaltigem Material, bestehend aus einem Wirbelschichtreaktor, in dessen oberen Teil befindliche Austrittsöffnung mit einem Abscheider verbunden ist, in dem von den aus dem Reaktor austretenden Gasen feste Partikel abgeschieden werden, und in dessen unteren Teil sich eine Eintrittsöffnung für die Rückführung der abgeschiedenen Partikel in den Reaktor sowie eine Verteilerscheibe zur Aufgabe von sauerstoffhaltigem Gas in den Reaktor befinden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass sie eine Eintragsvorrichtung umfasst, die zu vergasendes Material dem Reaktor oberhalb der Verteilerscheibe in eine Zone aufgibt, in deren Höhe es nicht bedeutend Sauerstoff vorkommt.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabeställe mindestens 3 m - bevorzugt 4 - 6 m - oberhalb der Verteilerscheibe ist.