DE3327743A1 - Verfahren zum vergasen von kohle - Google Patents

Verfahren zum vergasen von kohle

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Vergasen von Kohle unter Verwendung eines mit zwei Stufen arbeitenden Mitnahmestromvergasers mit hohem Vergasungswirkungsgrad und hervorragender Betriebssteuerbarkeit.
Es werden zur Zeit Verfahren zum Vergasen von Kohle mit hohem Wirkungsgrad entwickelt,.die Grundstoffe für Chemikalien, Kraftstoff für industrielle Verwendung und Stadtgas liefern.
Die Mitnahmestromkohlevergasung, bei der die Vergasungstemperatur höher als der Schmelzpunkt der Kohleasche ist, hat die folgenden Merkmale und dürfte als Kohlevergasungsverfahren weite Anwendung finden:
(a) Die Vergasungsgeschwindigkeit von Kohlenstoff kann erhöht werden.
(b) Da Teer vollständig abgebaut werden kann, können durch ihn verursachte Schwierigkeiten verhindert werden.
(c) Da Kohleasche in Form von geschmolzener Schlacke entnommen werden kann, kann sie so wie sie ist beseitigt werden, ohne»- große Schwierigkeiten bei der Umweltverschmutzung zu bereiten.
Die Mitnahmestrom-Kohlevergasungsverfahren können in zwei Kategorien unterteilt werden. Die eine Kategorie umfaßt das Einspritzen eines Vergasungsmittels (Sauerstoff oder Luft und Dampf) und von Kohle durch einen einzigen Zuführungsbrenner in einen Vergaser zur Erzeugung an H-, und CO reichen Gasen durch Teilverbrennung (Einstufenvergasungsverfahren). Die andere Kategorie umfaßt das gesonderte Liefern von Kohle oder Koks als Pyrolyseprodukt von Kohle aus zwei Zu£ührunysbrennern zur Erzeu-
gung von an H , CO und CH. reichen Gasen durch Pyrolyse und Teilverbrennung (Zweistufenvergasungsverfahren).
Beim Zweistufenvergasungsverfahren sind die folgenden Hauptverfahren bekannt:
(I) Ein Verfahren, bei dem Kohle der Pyrolyse und der erzeugte Koks einer Verbrennung oder Teilverbrennung unterworfen werden, wobei die erzeugte Wärme als Wärmequelle für die Pyrolyse verwendet wird (Bi-Gas-Verfahren, z. B. "Recent Development in High Pressure, Entrained Flow, Slagging Gasification of Coal", R.K. Young in 8th International Conference on Coal Gasification, Liquefaction & Conversion to Electricity: University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA., 4. bis 6. August 1981).
(II) Ein Verfahren, bei dem Kohle nicht nur zu einer Pyrolysezone, sondern auch zu einer Verbrennungszone für Koks geliefert und zusammen mit dem Koks vergast wird (Combustion Engineering Process, ζ. Β. US-PS 4 168 956).
Selbst bei Anwendung der einstufigen oder zweistufigen Mitnahmestromvergasungsverfahren wird jedoch die Kohle in einem Vergaser bei einem Durchgang nicht vollständig vergast, so daß unter den aus dem Vergaser austretenden Teilchen (diese Teilchen werden "Koks" genannt) nicht umgesetzte Teilchen enthalten sind, wobei der Vergasungswirkungsgrad nicht verbessert werden kann, wenn nicht der Koks zurückgewonnen und in den Vergaser rezirkuliert wird.
Typische Vergasungsreaktionen von Kohle können durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben werden:
3 + CO (1)
Kohle ->· -> 2 Koks 2 (C) + CH4 +
C + 0„ 0 CO
C + CO 2° -»■ 2 2 CO
C + H2 -*■ H + CO
CO + H co2 + H2
Die Pyrolysereaktion (1) und die katalytische Kohlenoxid-Konvertierungsreaktion (5) erfolgen verhältnismäßig schnell, wobei die Verbrennungsreaktion (2) in einer sehr kurzen Zeit beendet ist. Die Reaktionsgeschwindigkeiten der Reaktionen
(3) und (4) sind jedoch verglichen mit den übrigen Reaktionen klein, wobei für die Vergasung eine lange Zeit erforderlich ist. Daher häng+· die Verbesserung des Vergasungswirkungsgrads davon ab, wie die Reaktionen (3) oder (4) schneller gemacht werden. D:e Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktionen (3) oder
(4) wird beeinflußt durch die Reaktionstemperatur, die Partialdrücke der Vergasungsmittel, die Eigenschaften der Kohleteilchen usw. Bei den oben angegebenen Vergasungsverfahren werden jedoch nicht immer optimale Bedingungen angewendet,
so daß aus dem Vergaser Koks ausgestoßen wird.
Andererseits ergibt die Rezirkulierung von Koks folgende Nachteile des Betriebs des Vergasungsgeräts. Da im allgeminen Koks im Nachstrom des Vergasers zurückgewonnen wird, d. h. dort, wo der Druck geringer als derjenige des Vergasers, z. B. eines Zyklons, ist, ist der Koks bestrebt, zur Niederdruckseite im Rezirkuliersystem rückwärts zu strömen. Somit müßten Vorrichtungen oder Geräte eingebaut werden, die dem Gasstrom widerstehen, etwa eine Kokszufuhrvorrichtung, Ventile, eine Teilchenpackschicht usw. Dies macht die Steuerung der Koksrezirkulierung kompliziert und die Betriebseigenschaften des Vergasers schlecht. Da die Rezirkulierung von Koks eine Voraussetzung ist und die Vergasungstemperatur durch die Verbrennungswärme des Koks aufrechterhalten wird, bewirkt eine Verringerung des Strömungsdurchsatzes an Koks im Rezirkulierungssystem oder keine Strömung an Koks eine Herabsetzung der Temperatur an der Verbrennungszone, eine Verfestigung der Kohleasche und ein Schließen des Abströmkanals von Schlacke, während die Temperatur an der Pyrolysezone herabgesetzt, Teer erzeugt und Verkokungsschwierigkeiten am Nachstrom des Vergasers verursacht werden. Dies ergibt eine Unterbrechung des Betriebs des Vergasers. Wenn ferner im Bi-Gas-Verfahren Dampf als Verga-
sungsmittel für den Transport von Koks verwendet wird, wird die Steuerung des Rezirkulierungssystems schwieriger, da die Vergasungs- und die Transportbedingungen gleichzeitig erfüllt sein sollten.
Das oben genannte verbrennungstechnische Verfahren (II) hat, verglichen mit dem Bi-Gas-Verfahren, einen verbesserten Betrieb des Vergasers, da die Kohle dem Oberteil und dem Unterteil getrennt zugeführt wird und die Vergasungstemperatur selbst dann aufrechterhalten werden kann, wenn die Zufuhr von Koks instabil wird. Die Vergasungsbedingungen sind aber nicht optimal, wobei nach wie vor Koks rezirkuliert wird.
Wie oben angegeben, ist es ein schwerer Nachteil der Mitnahmestromvergasung, daß die Verbesserung des Vergasungswirkungsgrads nur durch Rezirkulieren von Koks erzielt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Vergasen von Kohle unter Verwendung eines mit zwei Stufen arbeitenden Mitnahmestromvergasers mit hohem Wirkungsgrad, wobei die Kohleteilchen den Vergaser nur einmal durchlaufen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel· der Erfindung anhand der Zeichnung.beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Pyrolyseeigenschaften von Kohle;
Fig. 2 und 3 graphische Darsteilungen der Vergasungseigenschaften von Kohie bei Verwendung von CO0;
—· 7 —
Fig. 4 ein Fließschema einer Ausführungsform des Kohlevergasungsverfahrens nach der Erfindung;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Teilchengrößenverteilung von Kohle;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Endgeschwindigkeit der Kohleteilchen und der Teilchengröße.
Die Erfindung kam zustande beim Studium einer großen Anzahl von Versuchen bezüglich der Wahl der Vergasungsbedingungen, etwa des Verteilungsverhältnisses der Kohlezufuhr zu einer Pyrolysezone und zu einer Verbrennungszone, des Lieferverhältnisses von Kohle zu einem Vergasungsmittel, der Teilchengröße der Kohle, •der Temperaturverteilung im Vergaser, zur Erhöhung des Vergasungswirkungsgrads. Im folgenden werden die Ergebnisse derartiger Versuche in Verbindung mit den bei der Erfindung angewendeten Schritten erläutert.
Als erstes sollten die folgenden drei Bedingungen bei der Mitnahmestromvergasung erfüllt sein:
(T) Der durch die Pyrolyse erzeugte Teer wird vollständig zersetzt (oder abgebaut).
(T) Das Erzeugen der Mengen an EL· und CO je Kohlegewichtseinheit wird so weit wie möglich erhöht.
(T) Nach der Erfüllung der obigen Bedingungen (T) und (T) sollte die Reaktionsgeschwindigkeit der oben angegebenen Reaktionsgleichung (3) oder (4) erhöht werden.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Pyrolyseigenschaften von Kohle. Fig. 1 zeigt eine Beziehung zwischen einer Teerproduktionsgeschwindigkeit und der Temperatur der Pyrolyse (oder ther-
mischen Zuersetzung) unter Verwendung von Taiheiyo-Kohle mit einer Zusammensetzung und Eigenschaften gemäß Tabelle I und einer Teilchengröße von 110 μιη unter einem Stickstoffstrom bei Atmosphärendruck mit einer Gasverweilzeit von etwa 8 Sekunden. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Produktion von Teer durch Temperaturerhöhung verringert werden kann, wobei beinahe die gesamte Teermenge bei einer Temperatur von 900 bis 95 0 0C zersetzt werden kann.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Vergasungseigenschaften von Kohle mit Kohlendioxid (COp) unter Verwendung von Taiheiyc Kohle mit einer Teilchengröße von 110 μιη bei 1340 0C. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das Verhältnis von CO„/C umso größer, je kürzer die Zeit wird, die für eine beinahe 100%ige Reaktion von Kohlenstoff erforderlich ist (d. h. die vollständige Reaktionszeit 6Q). Insbesondere wird die vollständige Reaktionszeit merklich verringert, bis das Verhältnis von CO„/C gleich 1,2 (Mol/Mol) wird. Der Grund hierfür ist, daß die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion C + CO2 -*■ 2 CO proportional dem Partialdruck von CO2 ist. Der Partialdruck von CO wird mit dem Fortschreiten der Reaktion bei CO2/C =1/1 (Mol/Mol) herabgesetzt, weshalb die Reaktionsgeschwindigkeit umso geringer wird, je näher die Kohlenstoffumwandlung an 100 % kommt. Daher ist es bei der durch die Reaktionsgleichung (3) dargestellten Reaktion wirkungsvoll, das Verhältnis von CO2/C gleich 1 ,2 (Mol/Mol) oder größer, vorzugsweise 1,4 oder mehr, zu machen.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zeit θο zur vollständigen Reaktion und einer Teilchengröße (dp) der Kohle in der Reaktion der Reaktionsgleichung (3) bei einem CO2/C-Verhältnis von 1,6 (Mol/Mol) und bei 1340 0C unter Verwendung von Taiheiyo-Kohle. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Zeit zur vollständigen Reaktion proportional der Teilchengröße der Kohle. Wenn die Teilchengröße der Kohle 100 um oder kleiner ist, kann eine beinahe vollständige Vergasung innerhalb von 10 Sekunden oder weniger ,erzielt werden.
Die kürzere vollständige Reaktionszeit kann das Volumen des Vergasers kleiner machen oder kann die Behandlungsmenge der Kohle im gleichen Volumen des Vergasers größer machen. Daher ist zu erwarten, daß die kleinere Teilchengröße der Kohle die besseren Ergebnisse ergibt, während die zum Pulverisieren der Kohle erforderliche Energie größer wird, wenn die Teilchengröße kleiner wird. Εε ist daher erforderlich, eine geeignete Teilchengröße der Kehle zu wählen und beides in Betrachtung zu ziehen. Da die Kohleteilchen zusammen mit Gasen im Mitnahmestromvergaser bewegt werden, kommt die Verweilzeit der Kohleteilchen derjenigen der Gase sehr nahe, so daß das Volumen des Vergasers unter Beachtung dessen bestimmt wird, daß die Verweilzeit der Gase die vollständige Reaktionszeit der Kohleteilchen ist. Beim Mitnahmestrom wird die Gasgeschwindigkeit für gewöhnlich auf 2 bis 10 m/sec gesteuert, so daß die benötigte Höhe des Vergasers 20 bis 100 m wird, wenn eine vollständige Reaktionszeit von beispielsweise 10 Sekunden erforderlich ist. In Anbetracht der Wärmeverluste eines Vergasers ist es nicht empfehlenswert, einen zu großen Vergaser zu verwenden, wobei sich Probleme beim praktischen Betrieb und der Konstruktion des Vergasers ergeben. In Anbetracht der oben angegebenen Bedingungen ist eine Zeit zur vollständigen Reaktion von einigen Sekunden eher zu bevorzugen , weshalb die Verwendung von Kohle mit einer Teilchengröße von 50 μπι oder weniger zu bevorzugen ist.
Bei der Verbrennungsreaktion von Kohle mit Sauerstoff wird bekanntlich die KohlenstoffUmwandlung verbessert, wenn das Verhältnis der Sauerstoffzufuhr zur Kohlenzufuhr größer wird. Da aber der Gehalt an CO- in den erzeugten Gasen mehr zunimmt und die Gehalte an H„ und CO bei Annäherung an die vollständige Verbrennung abnehmen, ist es nicht empfehlenswert, einfach die Sauerstoffmenge zu erhöhen, und zwar vom Standpunkt der Erhöhung der Gehalte der wirksamen Gaskomponenten aus.
Unter völliger Beachtung der oben angegebenen Vergasungscharakteristiken sind die zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung erforderlichen Bedingungen gegeben. Das heißt:
(I) Ein Teil der zum Unterteil des Vergasers gelieferten pulverisierten Kohle wird unter Bedingungen vergast, die der vollständigen Vergasung nahe kommen, wodurch die vollständige Vergasung beim Schmelzpunkt von Kohleasche oder darüber erfolgt.
(II) Die bei der obigen Reaktion (I) an CO2 reichen Hochtemperaturgase werden mit der Restkohle der Reaktion (I) in Berührung gebracht, was die folgende Vercasungsreaktion ergibt: C + C0„ -> 2 CO. Diese Vergasungsreaktion erfolgt durch unmittelbares Leiten der am Unterteil des Vergasers erzeugten Gase zum Oberteil des Vergasers, wobei die Temperatur auf 900 0C oder höher gehalten wird, um in Anbetracht der in Fig. 1 gezeigten Ergebnisse den erzeugten Teer vollständig zu zersetzen.
(III) Da die Reaktion bei (II) im Vergleich zur Reaktion (I) viel mehr Zeit für die Vergasung benötigt, wird pulverisierte Kohle (oder Kohlestaub) mit verhältnismäßig groben Teilchen zum Unterteil des Vergasers geliefert, um die Reaktion von (I) durchzuführen, während Kohlestaub mit einer feineren Teilchengröße (100 μπι oder weniger, vorzugsweise 50 um oder weniger entsprechend den Ergebnissen von Fig. 3) zum Oberteil des Gases geliefert wird, um die Reaktion von (II) durchzuführen. Gleichzeitig wird die Liefermenge von Kohle für das Unterteil größer als für das Oberteil gemacht, uei das Verhältnis des bei der Reaktion von (I) erzeugten CO „ zu der zur Reaktion gemäß (II) zugeführten Kohle vorzugsweise zu 1,2 (Mol/Mol) oder mehr, vorzugsweise zu 1,6 (Mol/Mol) oder mehr, zu machen in Anbetracht der Ergebnisse von Fig. 2.
(IV) Da die Vergasungszone, in der die Reaktion von (I) stattfindet, bestrebt ist, merklich höhere Temperaturen zu haben und das Vergasermaterial zu beschädigen, wird die Temperatur durch Zuführung von Wasser oder Dampf gesteuert, und auf dem Schmelzpunkt von Kohleasche oder höher gehalten. Der Dampf reagiert mit der Kohle in der Vergasungszone, wobei die obige Reaktion (II) stattfindet und den Vergasungswirkungsgrad
- 11 durch die Reaktion C + H0O -»· EL· + CO verbessert.
Die Erfindung wird im einzelnen in Verbindung mit Fig. 4 erläutert, die eine optimale Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Pulverisierte Kohle 1 wird in einem bei normalen Druck arbeitenden Bunker 5 gespeichert. Aus diesem fällt der Kohlestaub in unter Druck gesetzten Bunker 6 und 7. Diese Bunker 5, 6 und 7 sind sogenannte absperrbare Bunker. Dann wird der Kohlestaub mengenmäßig vom Bunker 7 über einen Rotationsförderer 24 zu einem Wirbelbett verteiler 8 geliefert. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet ein Ventil. Im Wirbelbettverteiler 8 wird der Kohlestaub durch ein Wirbelgas 4 (ζ. B. N-/ C0_ oder ein Teil der erzeugten Gase) so fluidisiert, daß der Kohlestaub durch Wählen einer geeigneten Gasgeschwindigkeit in gröbere und feinere Teilchen aufgeteilt wird. Das heißt, einige Teilchen werden mit dem Gasstrom mitgenommen, andere nicht. Durch Erhöhen der Gasgeschwindigkeit vergrößert sich die Menge der mitgenommenen Teilchen. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Teilchengrößenverteilung von zu einem Mitnahmestromvergaser zu liefernden Kohlestaub. Wenn auf den Kohlestaub mit einer Teilchengrößenverteiiung gemäß Fig. 5 ein Gasstrom ansgeübt wird, der beispielsweise eine Gasgeschwindigkeit hat, bei der Teilchen mit einer Teilchengröße von 100 μΐη oder weniger mitgenommen werden (im folgenden als Endgeschwindigkeit bezeichnet), werden 85 Gew.% der Teilchen der gesamten gelieferten Kohleteilchen mit dem Gasstrom mitgenommen, während der Rest der Teilchen im Wirbelbett verbleibt.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Endgeschwindigkeit U. und der Teilchengröße ineiner Stickstof f atmosphäre bei normaler Temperatur. Fig. 6 zeigt deutlich, daß die Endgeschwindigkeit der Teilchengröße proportional ist. Daher können die Anteile der mit dem Gasstrom mitzunehmenden Kohle und der in der Wirbelschicht zurückzuhaltenden Kohle so-
lange beliebig geändert werden, wie die Teilchengröße-Gewichtsanteile der mitzunehmenden Kohle aus Fig. 5 entnommen werden können, wobei aus Fig. 6 eine der Endgeschwindigkeit U, entsprechend geeignete Strömungsgeschwindigkeit entnommen werden kann.
Die mit dem Gas aus dem Wirbelbettverteiler 8 mitgenommene Kohle wird zusammen mit dem Gas zu einem Oberteil 10 in einem Vergaser 9 geliefert, während die im Wirbelbettverteiler 8 zurückgehaltene Kohle zu einerm Unterteil 11 im Vergaser 9 zusammen mit derselben Art von Gas 4', wie es als Fluidisierungsgas 4 beim Gasstromtransport verwendet wird, durch einen Ejektor 25 geliefert wird.
Die gesamte Durchsatzmenge der Kohle kann durch einen Rotationsförderer 24 gesteuert werden. Die Verteilungsmengen des Oberteils und des Unterteils des Vergasers können durch die Zufuhrmengen des Fluidisierungsgases 4 gesteuert werden. Die Zufuhrdurchsatzmengen für das Oberteil und das Unterteil des Vergasers können erfaßt werden durch Beobachten von Druckdifferenzen bei 31 und 32 an Zufuhrohren 29 und 30.
Die zum Oberteil 10 gelieferte Kohle wird sofort der Pyrolyse unterworfen zur Umwandlung in Pyrolysegase (CH., C3H6, C2H4' H„, CO und CO2) und Koks. Zum Unterteil 11 wird die Kohle zusammen mit Sauerstoff 2 als Vergasungsmittel geliefert zur Vergasung mit einer Sauerstoffmenge im Bereich derjenigen Menge, die zur vollständigen Verbrennung von Kohle bis zur Hälfte dieser Menge erforderlich ist. Die an C02~reichen (und H2O, H3 und CO enthaltenden) und im Unterteil 11 erzeugten Gase können eine Wärmequelle für die Pyrolyse im Oberteil 10 sein und gleichzeitig durch die Reaktion mit Koks im Oberteil 10 sich in an CO und H reiche Gase umwandeln.
Die Temperatur der Unterteils 11 muß auf dem Schmelzpunkt von Kohleasche oder höher gehalten werden. Diese Temperatur beträgt
für gewöhnlich etwa 1600 bis 1800 0C, schwankt aber in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Kohle. Da bei der Erfindung Bedingungen für eine beinahe vollständige Verbrennung Anwendung finden, wird die Temperatur höher. Es ist aber empfehlenswert die Temperatur des Unterteils 11 in Anbetracht der Lebensdauer des Vergasermaterial und dgl. auf 1800 bis 2600 0C zu steuern. Die Temperatur kann durch Wasser oder Dampf 3 gesteuert werden. Die Asche in der zum Unterteil 11 geliefertenKohle wird vollständig geschmolzen und fließt nach unten in eine Schlackenquetsche 12. Kühlwasser 19 wird durch eine Schlackenkühlwasser rezirkulierende Pumpe 17 ?:ur Schlackenquetsche 12 geliefert und entnommen, um die Wasseroberfläche in der Schlackenquetsche 12 konstant zu halten, und zur Pumpe 17 zurückgeleitet. Die Kohleasche wird aus der Schlackenquetsche 12 entnommen und zu einem Schlackenbunker 13 geliefert, der ein bekannter Absperrbunker ist, aus dem Kühlwasser 19 und der Schlacke 22 entnommen werden. Die Bezugszeichen 27 und 28 bezeichnen Ventile.
Die zum Oberteil 10 gelieferte Kohle wird durch die hohe Temperatur der an CO„ und H-O-reichen Gase vollständig vergast , die vom Unterteil 11 unmittelbar zugeführt werden. Die Temperatur des Oberteils sollte auf 900 0C oder darüber gehalten werden, um den Teer vollständig zu zersetzen, und kann gesteuert werden durch Ändern der Zuführungsdurchsatzmenge an Kohle zum Oberteil in einem Bereich, in dem die Zuführungsdurchsatzmenge zum Oberteil kleiner als zum Unterteil ist. Wenn die Zuführungsdurchsatzmenge an Kohle zum Oberteil verringert wird, wird die Temperatur des Oberteils erhöht. Somit können die Temperaturen der Ober- und Unterteile des Vergasers wie folgt gesteuert werden.
Als erstes wird die Zuführungsdurchsatzmenge an Kohle zum Ober- und Unterteil durch Steuern der Größe des Gasstroms im Wirbelbettverteiler 8 bestimmt. Zum Unterteil wird Sauerstoff geliefert, der für die beinahe vollständige Verbrennung der Kohle erforderlich ist. Gleichzeitig wird Wasser oder Dampf zugeführt, um die Temperatur am Unterteil auf 1800 bis 250 0 0C zu bringen. Wenn
die Temperatur im Oberteil kleiner als 900 0C wird, wird die Gasstromdurchsatzmenge im Wirbelbettverteiler 8 verringert, während die Zuführungsdurchsatzmenge an Kohle zum Oberteil verringert wird, um die Temperatur im Oberteil zu erhöhen.
Die Asche wird zumsammen mit dem Produktgas 18 in Form von Staub zu einer Zyklon 14 geleitet, indem die Asche vom Produktgas 18 getrennt wird. Das Produktgas wird zu einem Wärmerückgewinnungssystem und zu einem Gasreinigungssystem geleitet. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Zyklonbunker, 16 einen Bunker, 26 ein Ventil und 21 die Asche.
Bei der oben angegebenen Ausführungsform wird Taiheiyo-Kohle mit einer Zusammensetzung und Eigenschaften gemäß Tabelle I verwendet.
Tabelle I 6,1 %
11 ,4 %
43,8 %
38,7 %
6710 kcal/kg
Angenährte Analyse
(Gew.%)		 Feuchtigkeit
Asche
flüchtige Bestand
teile
fester Kohlenstoff		 1290 0C
1330 0C
1370 0C
Heizwert (HHV)
Schmelzpunkt von
Asche
(oxidierend)		 Erweichungspunkt
Schmelzpunkt
Verflüs s igungs punkt
Die Tabelle II zeigt die Versuchsergebnisse der Vergasung unter Verwendung des Geräts von Fig. 4. In Tabelle II ist der Durchlauf Nr. 1 ein Fall, in dem Kohle nur von der unteren Düse zum Unterteil des Vergasers geliefert wird (einstufiges Vergasungsverfahren) . Wenn beim einstufigen Vergasungsverfahren die
Zuführungsdurchsatzmenge an Sauerstoff größer als diejenige von Kohle ist, wird trotz Temperaturerhöhung der Anteil an CO „ in den erzeugten Gasen erhöht, jedoch der Kaltgaswirkungsgrad verringert. Wenn andererseits die Zuführungsdurchsatzmenge an Sauerstoff verringert und die Zuführungsdurchsatzmenge an Wasser erhöht wird, wird der Kaltgaswirkungsgrad verbessert, jedoch die Temperatur verringert. Daher sind die in Tabelle II aufgeführten Bedingungen die optimalen in der einstufigen Vergasung. Ferner ist die Kohlenstoffumwandlung im Durchlauf Nr. 1 gering und betrag». 88,7 %, weshalb der vom Zyklon 14 zurückgewonnene Koks zum Vergaser 9 rezirkuliert werden muß.
Tabelle II
Durchlauf Nr.
Druck (at)
Temperatur
(0C ·)
Kohlezufuhrmenge
(kg/h)
Oberteil Unterteil
Oberteil
(Teilchengröße oder weniger) Unterteil
Sauerstoffzufuhrmenge Unterteil (kg/h)
Wasserzufuhrmenge Unterteil ikg/h)
— ,1 1150 ,4 gesamt
19,8		 980 ,4 gesamt
19,8
10 ,8 2450 ,4 2230 ,4
8 ,8 7 ,5
20 11 12
13 13 12
9,1
9,1
- Fortsetzung -
CO CO NJ
Tabelle II (Fortsetzung)
erzeugte Gasmenge (m3 /h)
Gaszusammensetzung (Vol.%)
N2
H2 CO
CO2
CH4 C2H6
Heizwert (kcal/m3)
35,5 35,2 34,3
1 ,9 1,6 1,8
35,0 35,6 34,93
58,2 48,0 50,1
4,7 10,8 9,1
0 2,7 2,0
0 1,3 1,3
0,18 0,17 0,17
2820 3002 3033
KohlenstoffUmwandlung *1 (%) Kaltgaswirkungsgrad *" (%)
88,7 74,2
91 ,2 79,5
89,4 78,5
Anmerkung: *1: Umwandlung des in der Kohle enthaltenen Kohlenstoffgases.
„ ,,_ . , , (Heizwert des erzeugten Gases)χ(erzeugte Menge an Gasen)
*2: Kaltgaswirkungsgrad = (Heizwert von Kohle)χ(Zufuhrmenge an Kohle)
Im Durchlauf Nr. 2 wird dieselbe Zuführungsdurchsatzmenge an Sauerstoff wie im Durchlauf Nr. 1. von der unteren Düse zum Unterteil des Vergasers geliefert, während Kohle zu ihrer Verteilung von zwei Düsen so geliefert wird, daß das Verhältnis von Kohle zu Sauerstoff am Unterteil des Vergasers sich der vollständigen Verbrennung nähert. Folglich wird die Temperatur am Oberteil zu 1150 0C, während die Temperatur am Unterteil zu 2450 0C wird. Die Temperatur des Unterteils ist ausreichend hoch für die Zufuhr von Wasser. Als Ergebnis der Wasserzufuhr werden beinahe 100 % der Kohle am Unterteil des Vergasers vergast. Andererseits werden im Oberteil des Vergasers Pyrolysegase, etwa CH. und C2 H6' erzeugt und wird gleichzeitig der Koks durch die an CO„ und H„O reichen Gase aus dem Unterteil vergast. Als Ergebnis werden Kohlenstoffumwandlung und der Kaltgaswirkungsgrad gegenüber dem Durchlauf Nr. 1 verbessert.
Wenn die zugeführte Wassermenge unter der Bedingung erhöht wird, daß die Temperatur des Oberteils nicht geringer als 900 0C ist, kann die Kohlenstoffumwandlung zum Beispiel bis etwa 95 % erhöht werden. Derart hohe Kohlenstoffvergasungsraten erfordern keine Rezirkulierung von Koks.
Wenn andererseits Kohle zum Oberteil und zum Unterteil des Vergasers geliefert wird, jedoch die Teilchengröße der Kohle im Oberteil und im Unterteil nicht verändert wird und weitere Bedingungen dieselben wie beim Durchlauf Nr. 2 sind, wird ein Gas mit einer Zusammensetzung erzielt, die derjenigen des Durchlaufs.Nr. 2 sehr nahe kommt. Die Kohlenstoffumwandlung ist jedoch niedrig und beträgt 90 %, während der Kaltgaswirkungsgrad ebenfalls niedrig ist und 78,8 % beträgt. Dies zeigt deutlich, daß die Verteilung von Kohlenstaub in Abhängigkeit von der Teilchengröße von 100 μΐη oder weniger vor der Zuführung zum Vergaser beim Verfahren nach der Erfindung notwendig und wichtig ist.
Der Durchlauf Nr. 3 ist ein Fall, bei dem die Sauerstoffzuführungsdurchsatzmenge gegenüber dem Durchlauf Nr. 2 um 10 % verringert ist, während das Verteilungsverhältnis der zugeführten Kohle etwa dasselbe wie beim Durchlauf Nr. 2 ist. Somit nähert sich die Reaktion um Unterteil der Teilverbrennung anstelle der vollständigen Verbrennung vom Durchlauf Nr. 2. Aus der Tabelle II ist ersichtlich, daß die Kohlenstoffumwandlung geringer als diejenige beim Durchlauf Nr. 2, jedoch noch höher als diejenige beim Durchlauf Nr. 1 ist.
Wie oben angegeben, können durch Zuführen von Kohlenstaub zu zwei Teilen, d. h. zum Oberteil und zum Unterteil des Vergasers, bei einer Verteilung der Kohleteilchen in Abhängigkeit von einer Teilchengröße von 100 μΐη oder weniger und durch weitere Annäherung der Reaktion am Unterteil an die vollständige Verbrennung anstelle der Teilverbrennung folgende Vorteile erzielt werden: Die vollständige Vergasung kann am Unterteil erzielt werden, da die dortige Temperatur weitaus höher als der Schmelzpunkt von Kohleasche ist, Wasser oder Dampf können zum Unterteil geliefert werden, um die dortige Temperatur zu erniedrigen, Wasser oder Dampf können als Vergasungsmittel wirken, um die Vergasungsreaktion im Oberteil zu beschleunigen, usw. Da ferner die Temperatur am Unterteil in gewissem Ausmaß verändert werden kann, kann bei der Erfindung auch Kohleasche mit einem höheren Schmelzpunkt verwendet werden. Dies bedeutet, daß verschiedene Arten von Kohle in weitem Umfang im Vergaser nach der Erfindung Anwendung finden können.

Claims (6)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vergasen von Kohle durch gesondertes Liefern von pulverisierter Kohle zu zwei unterschiedlichen Niveaus in einem Mitnahmestromvergaser,
gekennzeichnet
- durch Liefern von Kohle mit einer Teilchengröße von 100 um oder weniger zu einem Oberteil des Vergasers, wobei die Vergasung bei 900 0C oder mehr in Abwesenheit von Sauerstoff erfolgt,
- durch Liefern von Kohlenstaub einschließlich grober Teilchen und von Sauerstoff in einer zur vollständigen Verbrennung der Kohle erforderlichen Menge bis zur Hälfte der zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Menge zu einem Unterteil des Vergasers, wobei . die Vergasung beim Schmelzpunkt von Kohlenasche oder darüber erfolgt, und
- durch Leiten der am Unterteil des Vergasers erzeugten Gase unmittelbar in das Oberteil des Vergasers.
81-A7858-02
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß der zum Oberteil des Vergasers gelieferte Kohlestaub eine Teilchengröße von 50 μπι oder weniger hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Trennung der zum Oberteil und zum Unterteil des Vergasers gelieferten Kohle durch Zuführen der Kohle zu einem Fluidisierungsgasstrom erfolgt,
- daß die Kohlezufuhrmenge für das Oberteil und das Unterteil durch Ändern der GasStromgeschwindigkeit gesteuert wird,
- wodurch die mit dem Gasstrom mitgenommene Kohle zum Oberteil und die mit dem Gasstrom mitgenommene Kohle zum Unterteil geliefert wird, und
- daß die Kohlezufuhrmenge für das Unterteil größer als für das Oberteil ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß die am Oberteil herrschende Temperatur von 900 0C oder darüber durch Ändern der Kohlezufuhrmenge für das Oberteil solange gesteuert wird, bis die Kohlezufuhrmenge für das Oberteil kleiner als für das Unterteil ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß die am Unterteil herrschende Temperatur des Schmelzpunkts von Kohleasche oder eine höhere Temperatur durch Zuführen von Wasser oder Dampf gesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
- daß die am Unterteil herrschende Temperatur 1800 bis 2600 0C beträgt.
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