DE3430212C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gaserzeugung aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen durch Vergasen mit einem oder mehreren Vergasungsmitteln mittels Wirbelschicht- und Flugstaubvergasung, wobei die Vergasungsrückstände unten aus dem Reaktor ausgetragen werden, das aus der Wirbelschichtzone aufsteigende Produktgas im Reaktor nach Passieren einer Beruhigungszone oben verläßt, der im Produktgas enthaltene Flugstaub weitgehend separiert, der separierte Flugstaub mit Hilfe eines Fördermediums in den Reaktor zurückgeführt und in einer Zone hoher Temperatur bei einer Temperatur oberhalb der in der Wirbelschicht herrschenden Temperatur umgesetzt wird und die in erweichter oder flüssiger Form anfallende Schlacke in der Wirbelschicht verfestigt wird.

Mehrere Verfahren zur Vergasung von festen Brennstoffen in Wirbelschichtreaktoren sind bekannt. Ein wesentliches Problem dieser Verfahren ist die Abscheidung bzw. Nachbehandlung des aus der Wirbelschicht austretenden Staubes. Ein Unterlassen der Nachbehandlung senkt den Wirkungsgrad so weit, daß eine Wirtschaftlichkeit nur unter besonderen Umständen, z. B. bei direkter anderweitiger Verwertung des Flugstaubes gegeben ist.

Allen Verfahren ist deshalb gemeinsam, daß der aus der Wirbelschicht austretende Flugstaub nachbehandelt wird, sei es durch eine Obervergasungsstufe und/oder durch eine zumindest teilweise Rückführung des Staubes in den Wirbelschichtreaktor.

Ein spezifisches Merkmal konventioneller Wirbelschichtreaktoren (Winklergeneratoren) ist die sogenannte Obervergasung. Eine solche Obervergasung erfolgt beispielsweise bei dem in der GB-PS 7 17 812 beschriebenen Verfahren. Hierbei wird durch Düsenkränze in der Reaktorwand, die oberhalb der Wirbelschicht angeordnet sind, Vergasungsmittel in den Freiraum oberhalb der Wirbelschicht eingedüst. Diese Vergasungsmittel reagieren mit dem Gas aus der Wirbelschicht; die hierbei entstehende Wärme wird zur Vergasung des Kohlenstoffanteils des ausgetragenen Flugstaubs genützt (J. Anwer, F. Bogner Kohlevergasung im Fluidatbett (Winkler-Vergasung) unter Druck, Brennst.-Wärme, Kraft, 28 (1976), 57).

Limitiert wird die Vergasungsmittelmenge in der Obervergasung durch die entstehenden Temperaturen, da ein Flüssigwerden oder auch Teigigwerden der mitgeführten Aschepartikel vermieden werden muß. Ist die Temperatur in bezug auf das Ascheverhalten der eingesetzten Kohle zu hoch gewählt, kommt es zu Anbackungen an den Wänden im Freiraum des Reaktors und in nachgeschalteten Anlagenteilen, die den Betrieb der Anlage beeinträchtigen können.

Die als Folge der im gesamten Beruhigungsraum ablaufenden Obervergasung sehr hohen Gasauslaßtemperaturen beeinträchtigen weiterhin den Vergasungswirkungsgrad, da ein Teil der mit der Kohle eingetragenen Energie den Reaktor nicht in Form von chemisch gebundener Wärme, sondern als fühlbare Wärme verläßt. Ein Wärmeaustausch zwischen Wirbelschicht und der Obervergasungsstufe tritt nicht auf.

Im sogenannten HTW-Prozeß, Rheinische Braunkohlenwerke AG, mit klassischer Obervergasung wird der grobe Flugstaub in die Wirbelschicht zurückgeführt. Für die Obervergasung werden über einen oder mehrere Düsenkränze in unterschiedlicher Höhe die Vergasungsmittel in den Reaktor eingebracht. Auch diese Lösung weist die Nachteile des konventionellen Winkler-Verfahrens auf. Die zuführbare Menge an Vergasungsmittel wird - wie beim konventionellen Winkler- Verfahren - durch die Temperatur, bei der die Asche zu sintern beginnt, begrenzt, wobei auch Temperaturspitzen in Wandnähe berücksichtigt werden müssen. Die Asche wird zum kleineren Teil am Vergaserfuß und zum größeren Teil in Form von Flugasche über einen Zyklon aus dem Verfahren entfernt.

In weiteren Verfahren (Westinghouse, The Westinghouse Coal Gasification Process, International Gas Research Conference June 1980; The U-Gas Process, Energy Research Vol. 4, 149 (1980)) wird der im Primärzyklon abgeschiedene Flugstaub mit Dampf/Kreislaufgas, o. ähnl. am Reaktorfuß zusammen mit der Frischkohle in die Wirbelschicht zurückgeführt und unter Zugabe von Vergasungsmitteln bei so hohen Temperaturen umgesetzt, daß die Asche agglomeriert und am Vergaserfuß in Form von Agglomeraten abgeführt werden kann. Die bei der Umsetzung entstehende heiße Zone ist integraler Bestandteil der Wirbelschicht.

Eine für die kommerzielle Nutzung notwendige Vergrößerung der Anlage erscheint problematisch.

In der DE-OS 29 47 222 wird ein kombiniertes Wirbelschicht- und Flugstaubvergasungsverfahren beschrieben, bei dem der aus der Wirbelschicht ausgetragene Staub abgeschieden und in oberhalb von der Wirbelschicht angeordneten Staubvergasungskammern vergast wird. Bei den Staubvergasungskammern handelt es sich um komplizierte Systeme, die störungsanfällig sind und bei Ausfall oder Wartung zum Stillstand der gesamten Anlage führen. In der EP-PS 0 027 280 wird eine Vergasung kohlenwasserstoffhaltiger Feststoffe mit einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf in einer Wirbelbettreaktionszone beschrieben. Der vom Produktgas aus der Wirbelschicht ausgetragene Koksstaub wird in zwei hintereinander geschalteten Zyklonen abgeschieden. Die groben Anteile aus dem ersten Zyklon werden in den Randbereich der Wirbelschicht zurückgeführt, die im zweiten Zyklon abgeschiedenen Feinanteile werden in den Bereich einer zentral angeordneten Sauerstoffflamme geführt, die sich am unteren konisch zulaufenden Ende des Reaktors direkt oberhalb des Schlackenabzugs befindet. Der in die Wirbelschicht zurückgeführte grobe Staub wird aufgrund der herrschenden Strömungsmechanik bereits nach kurzer Zeit wieder ausgetragen. Dies führt zu ungünstigen Staubumläufen, die das Vierfache des Gewichts der eingetragenen Kohlenmenge ausmachen können. Die DE-PS 4 96 393 beschreibt einen Gaserzeuger mit erweitertem Nachvergasungsraum, in dem der im Produktgas enthaltene Kohlenstaub nachvergast wird. Der abgeschiedene Flugstaub wird direkt vom Abscheiderin die Wirbelschicht zurückgeführt. Derartige Nachvergasungsvorgänge besitzen den Nachteil, daß sie leicht zur Verschlackung von Anlagenteilen führen können. Außerdem wird durch die Gegenwart von reaktionsfähigem Produktgas die Steuerung der Nachvergasung erschwert. Die hierfür benötigten Anlagen sind zudem außerordentlich aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Nachteile und Unzulänglichkeiten bekannter Verfahren zu überwinden und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das bei sehr guter Ausnutzung des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs und bei einer wirksamen Verminderung der Belastung des Gasstromes durch Feststoffe die Reaktion im Wirbelbett noch günstiger gestaltet. Aufgabe ist weiterhin, ein Verfahren anzugeben, das die Nutzung der bei der Nachvergasung des separierten Flugstaubes erzeugten Energie für das Gesamtverfahren ermöglicht, ohne dabei den Limitierungen bekannter Verfahren zu unterliegen. Schließlich strebt die Erfindung die Schaffung eines Generators an, mit dem ein solches Verfahrens vorteilhaft durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vor, daß der abgetrennte Flugstaub gesammelt und im Bereich der Wirbelschichtoberfläche dosiert in den Reaktor eingeblasen wird, wobei vom Reaktorkopf her zugeführte und in gleicher Höhe des eingeblasenen Flugstaubes austretende(s) Vergasungsmittel in für dessen Vergasung erforderlicher Menge in den Reaktor so eingeführt werden, daß der rückgeführte Flugstaub auch im Bereich der Wirbelschichtoberfläche vergast wird.

Verfahrensgemäß werden kohlenstoffhaltige feste Materialien mit Vergasungsmitteln zu brennbaren Gasen umgesetzt. Die produzierten Gase haben nach einfacher Nachbehandlung Heizgas- bzw. Synthesequalität.

Bevorzugt werden feste, reaktive Brennstoffe mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen eingesetzt, vor allem Braunkohlen, junge Steinkohlen, Torf und Holz. Es können aber auch Brennstoffe mit geringeren Gehalten an flüchtigen Bestandteilen verwandt werden. Bei Verwendung von Kohlen werden diese in vorgebrochenem und vorgetrocknetem Zustand eingesetzt. Die Körnung kann beispielsweise im Bereich von 0 bis 8 mm liegen, die Restfeuchte beträgt bei Steinkohlen vorzugsweise <5%, bei Braunkohlen <12%.

Als Vergasungsmittel kommen vorzugsweise Sauerstoff, Luft oder Wasserdampf sowie Kombinationen derselben in Betracht. Bei Verwendung mehrerer Vergasungsmittel können diese jedes für sich oder auch als Mischung in die Reaktion eingeführt werden.

Das Verfahren wird zweckmäßig unter Druck durchgeführt, vorzugsweise bei einem Druck bis zu 80 bar. Es ist aber auch möglich, bei Normaldruck zu arbeiten.

Der zu vergasende Rohbrennstoff wird über ein geeignetes Schleusensystem auf den jeweiligen Betriebsdruck des Reaktors gebracht und über ein mechanisches Eintragsystem kontinuierlich und dosiert in den Wirbelschichtbereich des Reaktors eingespeist. Die Wirbelschicht hat, je nach Auslegung des Reaktors, eine Höhe von etwa 1 bis 3 m. Die Einspeisung des zu vergasenden Brennstoffs erfolgt in den zentralen Wirbelschichtbereich, die der Vergasungsmittel auch in den unteren Wirbelschichtbereich. Die bei der Vergasung entstehende Schlacke fällt aus der Wirbelschicht heraus und wird am Fußende des Reaktors ausgetragen.

In der Wirbelschicht herrscht eine Temperatur von etwa 800 bis 1000°C in Abhängigkeit vom eingesetzten Brennstoff. Beim Einsatz von Braunkohlen beträgt die Temperatur beispielsweise etwa 800 bis 900°C und bei Einsatz von jungen reaktiven Steinkohlen etwa 900 bis 1000°C.

Die Wirbelschicht wird so betrieben, daß etwa 50% des mit dem zu vergasenden Brennstoff eingetragenen Kohlenstoffes zu Gas umgesetzt wird. Der restliche Kohlenstoff verläßt die Wirbelschicht in Form von Flugstaub und wird mit dem Produktgas in einen Beruhigungsraum geführt, der gegenüber der Wirbelschichtzone einen größeren Querschnitt aufweist (F _WS : F _BR ≅ 0,5). Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases reduziert, größere Flugstaubpartikel, die hier nicht mehr in Schwebe gehalten werden können, fallen in die Wirbelschicht zurück.

Der restliche Flugstaub wird mit dem Produktgas über einen Gasabzug einer Trocken-Heiß-Entstaubungsstufe zugeführt und separiert.

Während das Produktgas einer weiteren Gasnachbehandlung zugeleitet wird, gelangt der abgetrennte Flugstaub in einen thermisch isolierten Vorlagebehälter. Aus diesem Behälter heraus wird der Flugstaub dosiert mit einem Fördermedium in den Reaktor zurückgeführt. Als Fördermedien kommen vor allem Dampf, Inertgas, Prozeßgas und CO₂ sowie Mischungen derselben in Betracht. Diese Fördergase werden vorzugsweise vorgeheizt, mit 500 bis 700°C, eingesetzt. Das Fördermedium dient vorzugsweise auch als Vergasungsmittel. Bevorzugte Fördergase sind CO₂ und überhitzter Dampf; besonders bevorzugt ist überhitzter Dampf.

Verfahrensgemäß wird der Flugstaub zentral oder an mehreren symmetrisch in gleicher Höhe am Reaktor angeordneten Stellen in den Reaktor eingeblasen. Der Förderdruck in der Flugstaubrückführung liegt dabei über dem Betriebsdruck des Reaktors und soll ausreichen, den rückgeführten Flugstaub etwa bis in die Reaktormitte zu transportieren. Die Einblasstellen sind dabei so ausgerichtet, daß die Förderrichtungen sich entweder in der Reaktorachse schneiden, oder tangential auf einen um die Reaktormitte gedachten Kreis treffen. Die Höhe des Schnittpunktes bzw. der Kreisebene befindet sich entweder unmittelbar oberhalb der Wirbelschichtoberfläche oder direkt in der Wirbelschicht. Gleichzeitig wird über eine zentrale gekühlte Lanze, die vom Reaktorkopf aus an die Einblasstelle bzw. -ebene herangeführt wird, Vergasungsmittel in der zur vollständigen Flugstaubumsetzung erforderlichen Menge eingeblasen. Als Vergasungsmittel werden vorzugsweise Sauerstoff oder ein Sauerstoff-Dampfgemisch eingesetzt.

Anstelle einer einzelnen gekühlten Lanze kann auch ein Kranz gekühlter Lanzen verwandt werden.

Alternativ kann der Flugstaub auch durch eine zentrale, in der Reaktormitte verlaufende Lanze in den Reaktor eingeblasen werden. In diesem Fall ist die dazu dienende Lanze, die vom Reaktorkopf herabführt, konzentrisch von einer oder einem Kranz gekühlter Vergasungsmittellanzen umgeben.

Die Flugstaubvergasung wird auf begrenztem Raum im Reaktorzentrum im Bereich bzw. etwa in Höhe der Wirbelschichtoberfläche bei einer Temperatur oberhalb der in der Wirbelschicht herrschenden Temperatur durchgeführt, wobei die Staubvergasungsprodukte in die Wirbelschicht abgegeben werden und die in erweichter oder flüssiger Form anfallende Schlacke agglomeriert und sich unter Wärmeübertragung an die Wirbelschicht verfestigt.

Bei solcher Umsetzung des Staubes werden Temperaturen erreicht, die in unmittelbarer Nähe oder oberhalb des Ascheerweichungspunktes des jeweiligen Brennstoffes liegen. Diese Temperaturen führen zu einer Agglomeration der mit Fortschritt des Vergasungsvorganges zunehmend freigelegten Aschestruktur der Brennstoffpartikel.

Die noch aschehaltigen Agglomerate fallen aufgrund ihres hohen spezifischen Gewichts und ihrer Größe in den unteren Wirbelschichtbereich zurück und werden über den Ascheaustrag abgezogen. Die hohen Temperaturen sind weiterhin Vorraussetzung für eine schnelle und vollständige Umsetzung des rückgeführten bzw. entstehenden Flugstaubes.

Durch die auf die Oberfläche bzw. den unteren Bereich der Wirbelschicht gerichtete Gasströme wird ein intensiver Wärme- und Stoffaustausch zwischen den Vergasungsprodukten der Flugstaubvergasung und der Wirbelschicht erreicht. Durch den bekannt sehr guten Wärmeübergang in der Wirbelschicht wird diese Wärme schnell in der gesamten Wirbelschicht aufgenommen; die Folge hiervon ist ein entsprechend reduzierter Sauerstoff- und Kohlebedarf zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Reaktionstemperatur der Wirbelschicht. Weiterhin wird hierdurch die durch die Flugstaubvergasung entstehende heiße Temperaturzone eng begrenzt, so daß der Wandbereich nur der relativ niedrigen Wirbelschichttemperatur ausgesetzt ist. Aus diesem Grunde besteht für die Reaktorwand kein erhöhtes Temperaturrisiko sowie keine Gefahr der Anbackung von Ascheteilchen.

Durch die Wärmeübertragung an die Wirbelschicht wird weiterhin erreicht, daß die Temperatur im oberhalb der Wirbelschicht gelegenen Beruhigungsraum durch die bei der Flugstaubvergasung gebildeten heißen Produktgase nicht wesentlich erhöht wird. Somit bleibt auch die Produktgasaustrittstemperatur im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren (Wirbelschichtverfahren mit Obervergasung) niedrig.

Der gute Stoffaustausch führt weiterhin zu einer direkten Nutzung der bei der Flugstaubvergasung vorhandenen Gaskomponenten CO₂ und H₂O als sekundäre Vergasungs- bzw. Moderationsmittel in der Wirbelschicht.

Die Steuerung/Regelung der Staubvergasung erfolgt in besonders einfacher Form über Temperaturmessungen in der Wirbelschicht und im Beruhigungsraum und über die Messung des Kohlenstoffgehaltes im Flugstaub. Die besonders kritische Zudosierung von O₂ in die Flugstaubvergasung richtet sich nach der zudosierten Staubmenge, deren Kohlenstoffgehalt kontinuierlich z. B. über radiometrische Messung erfaßt werden kann. Hierbei erfolgt die Kontrolle der Gesamtvergasung anhand der Temperaturmessung im Beruhigungsraum. Sowohl die Messung der absoluten Temperaturen in der Wirbelschicht und im Beruhigungsraum als auch deren Differenz weist unmittelbar und bereits sehr frühzeitig auf Unregelmäßigkeiten z. B. beim Staubtransport hin, auf die somit rechzeitig reagiert werden kann. Dabei verhindert die hohe Stoff- und Wärmekapazität der Wirbelschicht in jedem denkbaren Betriebszustand gefährliche Sauerstoff- und Wärmedurchbrüche.

Um den Verbrauch von Sauerstoff und Brennstoff zu senken, kann es angezeigt sein, die im Verfahren verwandten Vergasungsmittel vorzuheizen. Dies kann beispielsweise durch eine Übertragung der in den Produktgasen enthaltenen fühlbaren Wärme mittels Wärmeaustauscher erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Die Vergasung des rückgeführten Flugstaubs kann bei Temperaturen im Bereich oberhalb des Ascheerweichungspunktes durchgeführt werden. Die Asche agglomeriert Mittel, sinkt unter Wärmeabgabe und Verfestigung durch die Wirbelschicht ab und kann am Reaktorfuß ausgetragen werden. Durch die hohe Temperatur gewinnt die Flugstaubvergasung an Effizienz. Die mittige Einbringung der Flugstaubvergasungsmittel ermöglicht die Durchführung der Staubvergasung auf begrenztem Raum im Reaktorzentrum und somit einen Schutz der Reaktorwände vor Übertemperatur. Weiterhin ermöglicht die Durchführung der Flugstaubvergasung dicht oberhalb oder unterhalb der oberen Wirbelschichtgrenze einen Stoff- und Wärmeaustausch mit der Wirbelschicht. Die Verwendung von beispielsweise CO₂ oder Wasserdampf als Fördermedium erlaubt eine Staubrückführung ohne Zwischenkühlung des Staubes. Schließlich ist mit Hilfe der Temperaturmeßwerte eine einfache Regelung des Verfahrens möglich. Dabei werden der Kohlenstoffgehalt des rückgeführten Flugstaubes sowie die im Reaktor in der Wirbelschicht und im Beruhigungsraum herrschenden Temperaturen als Regelgrößen insbesondere zur Steuerung der Flugstaubvergasung verwandt.

Ein druckfester Reaktor zur Durchführung des Verfahrens weist einen am Reaktorfuß angeordneten Ascheaustrag, ein durch Ausmauerung gegen hohe Temperaturen geschütztes Reaktorgehäuse mit einer Wirbelschichtzone im unteren Teil und eine einen größeren Querschnitt aufweisende Beruhigungszone im oberen Teil sowie eine Staubvergasungszone, einen am Reaktorkopf angeordneten Produktgasabzug, der mit einer Trocken-Heiß-Entstaubungsstufe verbunden ist, mindestens eine Brennstoffzuführung und Vergasungsmittelzuführung in die Wirbelschichtzone sowie eine Flugstaubrückführung und eine zentrale Vergasungsmittelzuführung in die Flugstaubvergasungszone auf. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß an die Trocken-Heiß-Entstaubungsstufe ein Flugstaubsammelbehälter angeschlossen ist, welcher über eine Zuleitung mit der Flugstaubrückführung verbunden ist, die in den Bereich der Wirbelschichtoberfläche führt, die Zuführung für die Flugstaubvergasungsmittel vom Reaktorkopf bis in die Höhe der Flugstaubrückführung ragt und Dosiervorrichtungen für den rückgeführten Flugstaub und das Flugstaubvergasungsmittel vorhanden sind.

Aus Gründen der Handhabung und Verfügbarkeit empfiehlt sich ein einfacher Generator. Der erfindungsgemäße Generator, wie nachstehend beschrieben, zeichnet sich aus durch Einfachheit in der Regelung sowie durch große Sicherheit im Betrieb und läßt daher hohe Verfügbarkeit erwarten. Dies gilt insbesondere für die erfindungsgemäße Weise der Flugstaubrückführung und -umsetzung.

Die Abscheidung des im Produktgas enthaltenen Flugstaubs erfolgt in einer innerhalb oder außerhalb des Reaktors angeordneten Trocken-Heiß-Entstaubungsstufe, in die der mit dem Reaktorkopf verbundene Gasabzug mündet. Als Entstaubungsstufe dient bevorzugt ein Zyklon, der, wenn außerhalb des Reaktors angeordnet, vorzugsweise auch thermisch isoliert ist, jedoch können auch andere geeignete Vorrichtungen verwandt werden.

Der Abscheider ist mit einem thermisch isolierten Sammelbehälter verbunden, in den der abgetrennte Flugstaub heiß gelangt. Der Sammelbehälter ist über eine Rückführungsleitung zur Rückförderung des Flugstaubs mit dem Reaktor verbunden. Angeschlossen sind eine Zuleitung für das gasförmige Transportmedium sowie eine oder mehrere Regel- und Dosiervorrichtungen, mit der oder denen die Menge an gasförmigem Fördermedium, gegebenenfalls bei Verwendung von Gasmischungen, deren Zusammensetzung die Menge an rückführendem Flugstaub und der Druck in der Rückführung bestimmt werden können.

Die Flugstaubrückführung ist im Bereich der Wirbelschichtobergrenze oder dicht oberhalb der Wirbelschichtoberfläche angeordnet.

Die Einblasvorrichtungen für die Rückführung des Flugstaubs sind symmetrisch so in gleicher Höhe am Reaktor angeordnet, daß sich die Förderrichtungen in der Reaktorachse schneiden. Alternativ können die Einblasvorrichtungen symmetrisch aber auch so angeordnet sein, daß die Förderrichtungen tangential auf einen um die Reaktorachse gedachten Kreis treffen. Der Durchmesser dieses Kreises soll aber klein sein gegenüber dem Durchmesser des Reaktorraums.

Vom Reaktorkopf ragt eine Lanze, durch die Gas geführt werden kann, bis etwa in die Höhe der Einblasstellen. Diese Lanze ist in der Reaktormitte angeordnet und gekühlt. Innerhalb der Lanze können die für die Vergasung benötigten Vergasungsmittel zusammen oder getrennt geführt werden. Die Lanze endet in einem geeigneten Düsensystem. Es können sowohl Einstoff- als auch Zweistoffdüsen vorhanden sein, beispielsweise bei der Verwendung von Luft und Dampf als Vergasungsmittel jeweils Einstoffdüsen oder bei Verwendung von Sauerstoff und Dampf Zweistoffdüsen.

Anstelle einer einzelnen Lanze kann auch ein Bündel oder Kranz von Lanzen vorhanden sein. Auch in diesem Fall sind die einzelnen Lanzen gekühlt. Werden mehrere Vergasungsmittel verwandt, so können diese durch verschiedene Lanzen des Bündels oder Kranzes geführt werden.

Erfolgt die Rückführung zentral durch die Reaktorachse, so ist die Einblasvorrichtung als Lanze, die vom Reaktorkopf bis in die Flugstaubvergasungszone ragt, ausgebildet, wobei die Lanze konzentrisch von einer oder mehreren gekühlten Lanzen für die Zuführung von Vergasungsmittel umgeben ist.

Es ist vorteilhaft, die Menge an durch die zentrale gekühlte Lanze herangeführten Vergasungsmittel auf die Menge und den Brennstoffgehalt des rückgeführten Flugstaubs abzustimmen. Hierfür ist dann eine über eine zentrale Steuereinheit geregelte Dosiervorrichtung vorhanden. Der Kohlenstoffgehalt des Flugstaubs kann z. B. durch radiometrische Messung, die bei der Abscheidung, im Vorlagebehälter oder vor der Rückführung erfolgt, bestimmt werden.

Für eine zentrale Steuerung der Flugstaubvergasung können auch weitere Parameter berücksichtigt werden, etwa die Temperatur in der Wirbelschicht und im Beruhigungsraum, die über geeignete Temperaturfühler gemessen werden können, und die Menge an mit dem gasförmigen Fördermedium der Flugstaubvergasung zugeführtem weiterem Vergasungsmittel.

Fig. 1 zeigt weitgehend schematisch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Reaktors, wie er für die Vergasung von Braunkohlen oder hochflüchtiger Steinkohle geeignet ist, in vertikalem Längsschnitt.

Der Reaktor nach Fig. 1 weist ein den Gesamtreaktionsraum umschließendes Reaktorgefäß in Form eines Rotationshohlkörpers mit zylindrischen und konischen Bereichen, der eine Wirbelschichtvergasungszone A im unteren Teil, eine Beruhigungszone B im oberen Teil und eine Staubvergasungszone C enthält. Der Reaktorfuß 1 mündet in ein zylindrisches Rohrstück, an das der Ascheaustrag 2 angeschlossen ist. Der Reaktionsraum ist am Reaktorkopf 10 z. B. durch eine Klöpperboden abgeschlossen. Die Reaktorwände sind durch eine geeignete Ausmauerung gegen hohe Temperturen geschützt.

Die Wirbelschichtzone A im unteren Reaktorteil hat je nach Auslegung des Reaktors eine Höhe zwischen 1 und 3 m. Die Brennstoffzuführung 6 befindet sich im zentralen Wirbelbettbereich. Der Brennstoff wird über eine Förderschnecke zugeteilt, jedoch können auch andere Vorrichtungen zum Einbringen des Brennstoffes vorgesehen sein. Zur Überwindung des Reaktordruckes ist eine Schleuse vorgesehen.

Unterhalb der Brennstoffzuführung 6 befinden sich die ringförmig über den Umfang verteilten Zuführungen 7 für Vergasungsmittel. Dieser den Wirbelbettbereich A einschließende Teil des Reaktors hat einen sich nach oben hin erweiternden, insbesondere konischen Innenquerschnitt. Die Form sowie der obere und der untere Endquerschnitt dieses Bereiches A sind so gewählt, daß körniger Brennstoff mit gegebenem Kornspektrum unter dem Einfluß des zugeführten Vergasungsmittels sowie der bei der Vergasung gebildeten Gase im Wirbelzustand gehalten wird.

Der Reaktor ist geschlossen und so ausgebildet, daß die Gaserzeugung unter erhöhtem Innendruck durchgeführt werden kann. Es kann aber auch ohne erhöhten Druck gearbeitet werden. Wenn nur letzteres in Betracht kommt, können gegebenenfalls die Schleusen am Brennstoffeinlaß 6 entfallen bzw. durch andere Einrichtungen ersetzt werden.

Die Vergasungsmittelzuführungen 7 sind als Einstoff- und/oder Zweistoffdüsen-Systeme ausgebildet, beispielsweise bei der Verwendung von Luft und Dampf als Vergasungsmittel jeweils Einstoffdüsen und bei der Verwendung von Sauerstoff und Dampf Zweistoffdüsen.

Im oberen Teil des Reaktors befindet sich der Beruhigungsraum B. Dieser weist gegenüber der Wirbelschichtzone A einen größeren Querschnitt F auf, wobei F _WS : F _BR ≅ 1 : 2.

Im Reaktorkopf 10 befindet sich ein Produktgasabzug 3, der in diesem Fall seitlich angeordnet ist, und der zu einer Trocken-Heiß-Entstaubungsstufe 4, etwa einem Zyklon, führt, in der der Flugstaub abgeschieden wird. Das Produktgas wird weiter über den Produktgasabzug 3 einer herkömmlichen Gasnachbehandlung zugeführt.

Der abgetrennte Flugstaub gelangt aus der Entstaubungsstufe in einen Sammelbehälter 5, wo er gesammelt wird. Dieser Vorlagebehälter enthält eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes im Flugstaub 15, beispielsweise eine radiometrische Meßvorrichtung bestehend aus Strahler und Empfänger. Diese Meßvorrichtung ist über eine Leitung mit einem zentralen Steuergerät 16 zur Steuerung der Flugstaubvergasung verbunden.

Im stationären Betriebszustand wird die Staubentnahme aus dem Sammelbehälter 5 so eingestellt, daß ein konstantes Niveau gehalten wird. Dieser Höhenstand kann mit Hilfe der z. B. radiometrischen Höhenmeßeinrichtung 18 kontrolliert werden.

Die Zuleitung 11 für den aus dem Sammelbehälter 5 rückgeführten Flugstaub weist eine Dosiervorrichtung 12 und eine Zuführung 13 für das gasförmige Fördermedium auf.

Der Flugstaub wird aus dem Sammelbehälter 5 über eine Leitung 11 in den Reaktor zurückgeführt. Die Menge an rückgeführtem Flugstaub kann über eine Dosiervorrichtung 12 gesteuert werden. Als Transportmedium wird ein Gas, vorzugsweise Dampf, über die Zuführung 13 eingespeist. Die Regelung der Dosiervorrichtung 12 erfolgt über das Steuergerät 16.

Die Zuleitung 11 führt über mehrere in gleicher Höhe symmetrisch um den Reaktor verteilte Flugstaubrückführungen 8 in den Reaktor. Diese Flugstaubrückführungen 8 können jeweils auf die Reaktormitte gerichtet sein oder tangential auf einen um die Reaktormitte gedachten Kreis gerichtet sein. Die Flugstaubrückführungen 8 in der Form von Einblasdüsen können mit der Reaktorwand enden oder in den Reaktorraum hineinragen; vorzugsweise ragen sie in den Reaktorraum hinein.

Vom Reaktorkopf 10 ragt zentral in der Reaktormitte die Zuführung 9 in Form einer kühlbaren Lanze, in anderen Ausführungsformen als ein Bündel kühlbarer Lanzen, bis in die Höhe der Flugstaubrückführung 8. Durch diese Lanze wird Vergasungsmittel, etwa Sauerstoff und Wasserdampf zusammen oder getrennt über ein geeignetes Düsensystem in die Höhe der Flugstaubrückführung 9 geleitet. Dies ermöglicht die Nachvergasung des im Flugstaub enthaltenen Kohlenstoffs in einer eng begrenzten Zone C in der Reaktormitte in der Höhe der Wirbelschichtoberfläche bei Temperaturen nicht unterhalb des Ascheschmelzpunktes. Der gesamte Aschegehalt der Feststoffe erweicht oder wird aufgeschmolzen, agglomeriert und fällt aufgrund seines höheren Gewichts durch die Wirbelschichtzone A und kann in Form von Ascheknollen ausgetragen werden.

Im Bereich der Wirbelschicht A und der Beruhigungszone B befinden sich Fühler 14 zur Temperaturmessung, die mit der Steuereinheit 16 in Verbindung stehen.

Die Vergasungsmittelzufuhr in die Nachvergasungszone C über die Zuführung 9 in Form einer Lanze wird vom Steuergerät 16 über eine Dosiervorrichtung 17 geregelt.

Die zentrale Zuführung 9 in Form einer Lanze ist zum Schutz gegen die im Reaktorraum herrschenden hohen Temperaturen kühlbar ausgelegt.

Die Kühlung erfolgt üblicherweise über ein von der Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, durchflossenes Doppelmantelrohr, in dessen Innerem die eigentliche Vergasungsmittelleitung verläuft. Das Doppelmantelrohr kann auch mehrere Einzelleitungen für Vergasungsmittel umschließen. Bei Verwendung eines Lanzenkranzes ist jede einzelne Lanze entsprechend ausgelegt.

Nachstendes Verfahrensbeispiel gibt einige Kenndaten bei dem Einsatz von Braunkohle im vorstehend beschriebenen Reaktor.

Verfahrensbeispiel Verfahrenstechnische Kenndaten bei Einsatz von Braunkohle

Reaktor-Druck15 bar Reaktor-Temperatur
(Glasauslaß)1100°C

Vergasungsmittelverbrauch
- Dampf0,38 Nm³/kg Kohle waf. - Sauerstoff0,45 Nm³/kg Kohle waf.

Spez.
Rohgasproduktion1,81 Nm³(tr.)/kg Kohle waf.

Rohgasanalyse
CO48,8 Vol.-% (tr.) H₂32,0 Vol.-% (tr.) CH₄ 3,0 Vol.-% (tr.) CO₂15,4 Vol.-% (tr.) H₂S 0,1 Vol.-% (tr.) N₂ 0,7 Vol.-% (tr.)

C-Umsatz96%

Vergasungs-
wirkungsgrad78,5%

Claims (14)

1. Verfahren zur Gaserzeugung aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen durch Vergasen mit einem oder mehreren Vergasungsmitteln mittels Wirbelschicht- und Flugstaubvergasung, wobei die Vergasungsrückstände unten aus dem Reaktor ausgetragen werden, das aus der Wirbelschichtzone aufsteigende Produktgas den Reaktor nach Passieren einer Beruhigungszone oben verläßt, der im Produktgas enthaltene Flugstaub weitgehend separiert, der separierte Flugstaub mit Hilfe eines Fördermediums in den Reaktor zurückgeführt und in einer Zone hoher Temperatur bei einer Temperatur oberhalb der in der Wirbelschicht herrschenden Temperatur umgesetzt wird und die in erweichter oder flüssiger Form anfallende Schlacke in der Wirbelschicht verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetrennte Flugstaub gesammelt und im Bereich der Wirbelschichtoberfläche dosiert in den Reaktor eingeblasen wird, wobei vom Reaktorkopf her eingeführte und in gleicher Höhe des eingeblasenen Flugstaubes austretende(s) Vergasungsmittel in für dessen Vergasung erforderlicher Menge in den Reaktor so eingeführt werden, daß der rückgeführte Flugstaub auch im Bereich der Wirbelschichtoberfläche vergast wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub in mehreren symmetrischen, in gleicher Höhe eintretenden Blasstrahlen radial in den Reaktor eingeblasen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub in mehreren symmetrischen in gleicher Höhe eintretenden Strahlen eingeblasen wird, die sich auf einen um die Reaktorachse gedachten Kreis treffen, dessen Durchmesser klein ist gegenüber dem des Reaktors.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub durch eine zentrale Lanze von oben her in den Reaktor eingeblasen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Fördermedium für den Flugstaub Dampf, CO₂ oder Mischungen derselben verwandt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Fördermedium für den Flugstaub Heißdampf verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgrößen zur Steuerung der Flugstaubvergasung der Kohlenstoffgehalt des rückgeführten Flugstaubes sowie die im Reaktor in der Wirbelschicht und im Beruhigungsraum herrschenden Temperaturen verwandt werden.

8. Druckfester Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit am Reaktorfuß (1) angeordnetem Ascheaustrag (2), durch Ausmauerung gegen hohe Temperaturen geschütztem Reaktorgehäuse mit einer Wirbelschichtzone (A) im unteren Teil und einer größeren Querschnitt aufweisenden Beruhigungszone (B) im oberen Teil sowie einer Staubvergasungszone (C), am Reaktorkopf angeordnetem Produktgasabzug (3), der mit einer Trocken-Heiß- Entstaubungsstufe (4) verbunden ist, mindestens einer Brennstoffzuführung (6) und Vergasungsmittelzuführungen (7), die Wirbelschichtzone (A) sowie einer Flugstaubrückführung (8) und einer zentralen Vergasungsmittelzuführung (9) in die Flugstaubvergasungszone (C), dadurch gekennzeichnet, daß an die Trocken-Heiß-Entstaubungsstufe (4) ein Flugstaubsammelbehälter (5) angeschlossen ist, welcher über eine Zuleitung (11) mit der Flugstaubrückführung (8) verbunden ist, die in den Bereich der Wirbelschichtoberfläche führt, die Zuführung für die Flugstaubvergasungsmittel vom Reaktorkopf (10) in die Höhe der Flugstaubrückführung (8) ragt und Dosiervorrichtungen vorrichtungen (12, 17) für den rückgeführten Flugstaub und das Flugstaubvergasungsmittel vorhanden sind.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittelzuführungen (7) als Zweistoffdüsensysteme ausgebildet sind.

10. Reaktor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (11) für den aus dem Sammelbehälter (5) entnommenen Flugstaub die Dosiervorrichtung (12) und eine Zuführung (13) für das gasförmige Fördermedium aufweist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasstellen der Flugstaubrückführung (8) symmetrisch in gleicher Höhe am Reaktor angeordnet sind und sich ihre Förderrichtungen in der Reaktorachse schneiden.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasstellen der Flugstaubrückführung (8) in gleicher Höhe am Reaktor angeordnet sind, und sich ihre Förderrichtungen tangential auf einen um die Reaktorachse gedachten Kreis treffen, dessen Durchmesser klein ist gegenüber dem des Reaktors.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittelzuführung (9) als Bündel von Vergasungsmittellanzen ausgebildet ist.

14. Reaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugstaubrückführleitung (8) eine vom Reaktorkopf (10) bis etwa in die Höhe der Wirbelschichtoberfläche ragende Lanze ist, die konzentrisch von einer oder mehreren gekühlten Lanzen (9) für die Vergasungsmittel umgeben ist.