DE3430219A1

DE3430219A1 - Verfahren zum vergasen von festen brennstoffen

Info

Publication number: DE3430219A1
Application number: DE3430219A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. Dr. 5270 Gummersbach Schuster
Original assignee: CARBON GAS TECH GmbH
Current assignee: Deutsche Babcock Werke AG
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1986-02-27
Also published as: CN85107127A; ZA856257B; DE3430219C2; PL255036A1; JPS6157684A; AU4628185A

Description

T 54 454 15. August 1984

Verfahren zum Vergasen von festen Brennstoffen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gaserzeugung aus festen Brennstoffen durch Vergasen mit einem oder mehreren Vergasungsmitteln mittels Wirbelschicht- und Flugstaubvergasung, wobei der feste Rohbrennstoff und Vergasungsmittel in die Wirbelschicht eingebracht werden, die festen Vergasungsrückstände unten aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragen werden und das aus der Wirbelschicht aufsteigende Produktgas den Wirbelschichtreaktor nach Passieren eines Beruhigungs- und Nachreaktionsraumes verläßt.

Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen, festen Brennstoffen in Reaktoren mit integrierter Festbett-, Wirbelschicht- und Staubvergasungsstufe sind aus einer Reihe von Druckschriften bekannt.

Eine Kombination mit einer Wirbelschicht als Hauptstufe, eine darunter angeordneten Festbettstufe und einer über der Wirbelschicht angeordneten Staubvergasungsstufe in einem Reaktor wird in der DE-B- 26 40 180 beschrieben. Der eigentliche Vorteil einer solchen Kombination, nämlich der Wärmeaustausch zwischen den sehr heißen Staubvergasungsprodukten und der erheblich kälteren Wirbelschicht wird darin aber nicht erwähnt, ist dort also auch nicht vorgesehen.

Gemäß DE-A- 27 42 222 soll im Wirbelschichtreaktor an der oberen Begrenzung des Raumes oberhalb der Wirbelschicht zentral, im Reaktionsraum ein Zyklon angeordnet werden, in

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dem die Trennung von Produktgas und Koksstaub erfolgt.

Während das Gas nach oben aus dem Reaktor abgezogen wird, „ soll der Koksstaub nach unten durch den Zyklon in einen Injektor einlaufen, für den als Treibmittel Sauerstoff und Wasserdampf benutzt wird und an den sich eine allerdings völlig unzureichende gekühlte 'Vergasungskammer anschließt, weshalb die für die Staubvergasung zur Verfügung stehenden Vergasungsz.eiten nicht ausreichen.

Die DE-A- 29 25 441 beschreibt ein Verfahren, bei dem sich zwischen dem Zyklonabscheider und der Brennkammer für den Koks eine Schleuse zur Überwindung des Druckverlustes befindet und die Staubvergasungskammern schräg im Wirbelschichtreaktor angeordnet sind. Durch die schräge Anordnung der Staubvergasungskammern müssen die gasförmigen Staubvergasungsprodukte die Wirbelschicht mit schrägem Druckangriff ausschieben, was Anlaß zu.Problemen gibt, da kein gleichmäßiger Kräfteangriff des Gasstromes auf die Wirbelschicht erfolgt. Auch müssen, druckdichte Schleusenarmaturen, die in

ο der Lage sind, einen Koksstaubstrom von 1000 C in ein höheres

Druckgebiet zu transportieren, noch entwickelt werden.

Die bekannten Verfahren mit mehreren integrierten Vergasungsstufen sind technisch aufwendig, was ihre Anfälligkeit erhöht und ihre Verfügbarkeit beeinträchtigt. Bei Ausfall von einer Vergasungsstufe können die jeweils anderen allein nicht mehr betrieben werden. Die einzelnen Vergasungsstufen sind wechselseitig voneinander abhängig. Jede Reparatur einer Einzelstufe führt zur Stillegung der gesamten Anlage und

vermindert deren Verfügbarkeit. Die Verfügbarkeit ist aber ein ganz entscheidender Faktor, weil davon die nachgeschalteten Produktionsanlagen abhängen.

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Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Nachteile und Unzulänglichkeiten bekannter Verfahren zu überwinden. Insbesondere gilt es, ein Verfahren bzw. eine-Anlage hoher Verfügbarkeit bereitzustellen und dabei die im

5. .Verfahren freigesetzte Wärme für den Vergasungsprozeß selbst möglichst vollständig zu nutzen. Schließlich soll _ der Vergasungswirkungsgrad bekannter Verfahren durch möglichst vollständige Umsetzung der eingesetzten Brennstoffe weiter erhöht werden.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der eingangs geschilderten Art gelöst, indem der im Produktgas enthaltene Flugstaub außerhalb des Wirbelschichtreaktors separiert wird, der separierte Flugstaub und Vergasungsmittel einem vom Wirbelschichtreaktor räumlich getrennten Staubvergasungsreaktor zugeführt und dort bei Temperaturen oberhalb·des AscheSchmelzpunktes weitgehend vergast wird und die bei der Flugstaubvergasung erzeugten Produktgase zur Abgabe eines Teiles ihrer fühlbaren Wärme an die Wirbelschicht in die Wirbelschicht zurückgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Erzeugung von Synthesegas für die chemische Industrie, von Reduktionsgasen für metallurgische Prozesse und von Heizgasen für Kraftwerke, insbesondere von Gasturbinen/Dampfturbinen-Prozessen, sowie für andere Brennstellen verwandt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden gegenüber bekannten Verfahren eine Reihe wichtiger Vorteile erzielt. Es ermöglicht die Kopplung mehrerer Vergasungsstufen bei optimaler Auslegung der Einzelvergasungsstufen. Weiter ist eine weitgehende Entkopplung der Einzelvergasungsstufen möglich; ein Ausfall einer Einzelvergasungsstufe führt nicht mehr zur Stillegung der Gesamtanlage. Schlicß-

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•1 lieh ermöglicht das Verfahren auch die Nutzung der ^fühlbaren Wärme der Staubvergasungsprodukte für die Gaserzeugung in der Wirbelschichtstufe.

Ein Teil der Abwärme kann für die Erzeugung und Vorwärmung von Vergasungsmedien verwandt werden. Die Kohleaufbereitungskosten sind gering, der KohlenstoffUmsatz ist höher als in jedem Einzelverfahren. Es treten im Produktgas keine kondensierbaren Bestandteile auf. Gasaustrittstemperaturen, Schlackeaustrittstemperaturen und Sauerstoffbedarf entsprechen jeweils den Werten normaler Wirbelschichtvergasungsverfahren und sind geringer als in reinen Staubvergasungsanlagen.

~ Der Vergasungswirkungsgrad ist aber höher als sowohl in reinen Wirbelschicht- als auch in reinen Staubvergasungsanlagen.

Verfahrensgemäß eingesetzt werden feste Brennstoffe, beispielsweise Braunkohlen, Steinkohlen, Torf und Holz. Bevorzugte Brennstoffe sind Braunkohlen und Steinkohlen. Schließlich können auch flüssige Brennstoffe eingesetzt oder den festen Brennstoffen zugesetzt werden. Bei der Verwendung von Kohlen werden diese in vorgebrochenem und vorgetrocknetem Zustand eingesetzt, beispielsweise mit einem Körnungsbereich von 0 bis 10 mm 0 und einer Restfeuchte von unter 12 % bei Braunkohlen und unter 5 % bei Steinkohlen.

Die zur Vergasung in eine Wirbelschicht eingeführte Kohle wird zunächst auf die Wirbelschichttemperatur aufgeheizt, wozu, je nach Korngröße, unterschiedliche Zeiten benötigt werden. Korngrößen unter 0,1 mm v/erden in etwa 0,1 bis 0,2 s

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bis zum Kornmittelpunkt auf 900 bis 1000°c erwärmt, Korngrößen von 1mm 0 benötigen dazu schon etwa 2 s und Korngrößen von 10 mm 0 etwa 100 s. Während dieses Aufheizvor- ■*■ ganges erfolgt gleichzeitig die' Entgasung der Kohle. Um für Korngrößen unter 0,1 mm die flüchtigen Bestandteile bis auf einen Rest von etwa 2 % auszutragen, werden etwa 3 s benötigt. Für die gröberen Körner dauert dies im Verhältnis zu den vorstehend genannten Aufheizzeiten entsprechend länger. Mit den eingeführten Vergasungsmedien und dem entstehenden Gas ergeben sich für den aufsteigenden Gasstrom je nach eingesetzter Kohlenmenge und in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Wirbelschicht bestimmte Geschwindigkeiten. Zwangsläufig paßt die jeweilige Geschwindigkeit auf eine bestimmte Korngröße; feinere Körner werden nach oben ausgetragen, gröbere Körner fallen nach unten aus. Da in der Wirbelschicht aber eine ständige Ortsveränderung der Körner eintritt und damit verbunden ein ständiges Abbremsen und Beschleunigen sowie Zerkleinern, verbleiben feine wie auch grobe Teilchen doch einige Zeit in der Wirbelschicht, bevor sie ausgeschieden werden.

Die Erfahrung bei drucklosen Wirbelschichtvergasungsanlagen hat gezeigt, daß etwa 2 % der eingetragenen Reinsubstanzmenge nach unten ausgeschieden wird, aber mehr als die Hälfte der (teil-)entgasten Reinsubstanz, d.h. also praktisch Kohlenstoff, nach oben ausgetragen wird. Dieser nach oben ausgetragene Feinstaub hat immer noch einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von bis zu 5 %, aber Temperaturen, die der Wirbelschichttemperatur, beispielsweise 1000 C entsprechen. Die nach unten ausgeschiedenen größeren Teile haben unter Umständen die Wirbelschichttemperatur überhaupt noch niht erreicht und weisen größere Mengen an flüchtigen Bestandteilen auf, bei einer Gasflammkohle beispielsweise bis zu 15 %. Die mittlere in der Wirbelschicht verbleibende Korngruppe benötigt zur Vergasung einen Zeitbedarf ,-der im allgemeinen zwischen 10 und 20 Minuten liegt.

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In der Wirbelschicht werden also die flüchtigen Bestandteile zum größten Teil ausgetrieben, der mittlere Bereich », der eingegebenen Korngruppe im wesentlichen vollständig vergast, die nach unten und oben austretenden Teilchen teilentgast und teilvergast.

Die Wirbelschichtstufe wird bei Braunkohlen beispielsweise 'mit 800 bis 850°c betrieben und bei Steinkohlen mit 950 bis 1050⁰C. Die Temperaturgrenze wird hierbei gesetzt durch den Erweichungspunkt der Äsche, von dem die Wirbelschichttemperatur wenigstens noch 100 bis 150°c entfernt ■ sein sollte, um Ablagerungen an den Reaktorwänden und nachgeschalteten Einrichtungen zu vermeiden.

Betrachtet man die Wirbelschichtstufe als die Hauptstufe einer Kombination mit anderen Vergasungsstufen, so dienen diese anderen Vergasungsstufen der Verbesserung des Wirkungsgrades der Hauptstufe dadurch, daß der nach unten ausfallende Feststoff in einer eigenen Stufe vergast werden kann (sie kann unmittelbar im gleichen Raum mit der Wirbelschichtstufe angeordnet sein) und der nach oben ausgetragene Feststoff ebenfalls in einer für ihn speziell geeigneten Vergasungsstufe umgesetzt wird. Jede dieser Vergasungsstufen hat aber ihre eigenen Bedürfnisse.

Der Wirbelschichtreaktor wird so gestaltet, wie er für die Vergasung des jeweiligen Brennstoffs, beispielsweise Steinoder Braunkohle, am wirtschaftlichsten arbeitet. Der Wirbelschichtstufe kann dabei durchaus eine direkt darunter angeordnete Festbettstufe zugeordnet sein.

Die Vergasung wird zweckmäßigerweise unter Druck durchgeführt, vorzugsweise bei einem Druck von 1 bis 40 bar. Es ist aber auch möglich, unter Normaldruck zu arbeiten.

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Ί Als Vergasungsmittel werden Sauerstoff, sauerstoffhaltige Vergasungsmedien und/oder Dampf sowie Mischungen derselben eingesetzt. Bevorzugt werden Sauerstoff oder Luft und Dampf verwandt. Die Zufuhr der Vergasungsmedien Sauerstoff und Wasserdampf erfolgt im unteren konischen Teil des Wirbelschichtbereiches in bekannter Art und Weise. Bevorzugt werden die Vergasungsmittel der Wirbelschicht in verschiedenen Ebenen über mehrere über den Umfang verteilte Vergasungsmitteldüsen zugeführt.

Die Zufuhr des festen Brennstoffes kann auf herkömmliche Weise erfolgen, beispielsweise über eine normale Schnecke, bei der die Kohle "haufenweise" in die Wirbelschicht eingeschoben wird. Bevorzugt ist aber eine schnell laufende Schnecke (z.B. 1.500 U/min), durch die das einzelne Kohlenkorn in die Wirbelschicht geschleudert bzw. geschossen wird. Damit wird erreicht, daß die Kohle als Einzelkorn in den Bereich der Wirbelschicht mit hohen Wärmeübergangszahlen gerat, so daß mit einer sehr schnellen Aufheizung gerechnet werden kann. Je größer die Aufheizgeschwindigkeit ist, um so weniger kommt die Backfähigkeit der Kohle zum tragen, da die an der Oberfläche der Kohle austretenden bzw. entstehenden backfähigen Anteile schnell verdampfen und nicht mehr backfähige Koksrandschichten entstehen. Der Backbereich der Kohle liegt im allgemeinen zwischen 300 bis 500Oc _t insbesondere in der Nähe von 400⁰C. Diesen Temperaturbereich gilt es möglichst schnell zu überschreiten. Vermieden werden auf diese Weise auch Anbackungen an der Wand des Wirbelschichtreaktors, durch die er von außen nach innen "zuwachsen" könnte.

Die Vergasungsmedien Sauerstoff und Wasserdampf werden der Wirbelschicht bevorzugt in verschiedenen Ebenen über eine möglichst große Zahl von Zugabestellen am Umfang zugeführt, um eine gleichmäßige Wirbelschicht, d.h. eine gleichmäßige Anströmung der Feststoffe zu erreichen. Dabei kann beispicls-

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weise im unteren Bereich der Wirbelschicht ausschließlich

Wasserdampf in den Reaktor geführt werden, um eine » Kühlung der nach unten aus der Wirbelschicht austretenden Feststoffanteile zu bewirken, wenn kein Festbett unterhalb der Wirbelschicht vorgesehen ist.

.Von besonderer Bedeutung ist die Art der Sauerstoffzufuhr. In älteren Verfahren hat man durch die Düsen reinen Sauerstoff in unmittelbarer Nähe der Wand in die Wirbelschicht eingeblasen, was auch bei schwächer backenden Kohlen zu Anbackungen an den Reaktorwänden in diesen Bereichen führte. Man hat dann um diese Sauerstoffdüsen etwas Schleichdampf zuströmen lassen, wodurch die Anbackungen vermindert wurden. Schließlich ist man dazu übergegangen, nicht reinen Sauerstoff einzuführen, sondern Sauerstoff und Dampf vor Eintritt in den Reaktor zu mischen. Dadurch wurde aber die Sauerstoffkonzentration und damit die Wirbelschichttemperatur herabgesetzt. Angestrebt wird aber ein Zustand, bei dem ein möglichst "großer Bereich der Wirbelschicht eine sehr hoiie Temperatur erhält, beispielsweise 1100 bis 1300°c, so daß hier der Umsatz des Kohlenstoffes schneller ablaufen kann und, weiterhin, durch die Temperaturlage in unmittelbarer Nähe des Ascheerweichungspunktes eine Ascheagglomeration erfolgt, durch die die Asche in Form von größeren Gebilden nach unten aus der Wirbelschicht ausgeschieden wird. Durch den großen Wärmeübergang in der Wirbelschicht wird die Temperatur auf dem Weg zur Wand so schnell abgebaut, daß in unmittelbarer Wandnähe geringere Temperaturen herrschen, beispielsweise bei Steinkohle 950 bis 1050⁰C, die genügend weit vom Ascheerweichungspunkt entfernt sind und keine Ascheablagerungen an der Wand verursachen können. Bei bekannten Arten der Sauerstoffzufuhr hatte man zwar diese höheren Temperaturen erreicht, diese aber nicht auf die Reaktormitte beschränken können und als Folge an den Reaktorwänden Ablagerungen verursacht«

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Es kommt also darauf an, in einem genügenden Abstand von der Begrenzungswand in der Wirbelschicht einen Volumenbereich hoher Temperatur zu schaffen, der einerseits hohe Umsätze und eine genügende Ascheagglomeration erlaubt und andererseits noch soweit von der Begrenzungswand entfernt ist, daß ein Temperaturabbau auf ein zulässiges Maß durch den hohen Wärmeübergang ermöglicht wird. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, daß Vergasungsmittel der Wirbelschicht über als Doppelrohr ausgebildete Zweistoffdüsen zugeführt werden, wobei über eine innere Zuleitung Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Medium und über eine diese innere Zuleitung konzentrisch umgebende äußere Zuleitung Wasserdampf geführt werden. Damit wird erreicht, daß der Sauerstoff erst in einem bestimmten Abstand von der Reaktorwand wirksam wird. So entsteht ein großes Feld erhöhter Temperatur mit hinreichendem Abstand zur Wand.

Oberhalb der Wirbelschicht kann im Wirbelschichtreaktor ein beliebig großer und hoher Beruhigungs- und Nachreaktionsraum angeordnet sein, um unter Zugabe von Vergasungsmittel, insbesondere Sauerstoff, oberhalb der Wirbelschicht eine Obervergasung durchzuführen. Dies ist für die Braunkohl ever gasung von besonderer Bedeutung. Ausmaße und Ge~ staltung des Nachreaktionsraumes werden dabei von wirtschaftlichen Erwägungen bestimmt. Die Kosten für den zusätzlich verbrauchten Sauerstoff und einen gegebenenfalls erweiterten oberen Reaktionsraum im Verhältnis zum zusätzlichen Kohlenstoffumsatz geben eine Grenze vor, ab der eine Wirtschaftlichkeit nicht mehr gegeben ist. Im allgemeinen dürfte bsi; der Vergasung von Steinkohlenkoks, der aus der Wirbelschicht nach oben ausgetragen wird, eine Aufenthaltszeit von etwa 10 s (aus drucklosen Anlagen abgeleitet) das wirtschaftliche Optimum darstellen»

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Bei Durchführung einer solchen Obervergasung werden bei der Steinkohlenvergasung etwa 40 bis 50 % des eingesetzten Kohlenstoffes und bei der Braunkohlenvergasung etwa 10 bis 15. % als Staub aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragen. Diesen Anteil zu vergasen ist Aufgabe des dem Wirbelschichtreaktor nachgeordneten Staubvergasungsreaktors.

Die Staubvergasung als Einzelstufe erfordert eine Aufmahlung der Kohle auf Korngrößen unter 0,1 mm, das entspricht einem mittleren Korn von etwa 0,03 mm. Der aus der Wirbelschicht ausgetragene Feinstaub ist aber im mittleren Durchmesser um den Faktor 2 bis 5 gröber. Die normale Staubvergasung arbeitet bei etwa i600°c. Die Gasaustritttemperaturen liegen im allgemeinen bei etwa 1500°c und die der flüssigen Schlacke, die dabei nach unten abgezogen wird, bei etwa 1300 bis 14-00⁰C. Um ein Einfrieren des Staubvergasungsreaktors zu vermeiden, muß die Gasaustrittstemperatur immer um etwa 80 bis 150°c über der Schlacken-Schmelztemperatur liegen. Der nach oben aus der Wirbelschicht ausgetragene Koksstaub kann also in einer Staubvergasungsstufe, wenn auch mit einem längeren Zeitbedarf, vergast werden. Normalerweise genügen für den genannten mittleren Durchmesser (etwa 0,03 mm) bei der normalen Staubvergasung etwa 1 bis 1,5 s zur Umsetzung des Kohlekorns, bei dem Koksstaub aus der Wirbelschichtanlage muß man aber mit einem Zeitbedarf von 'etwa· bis zu A s rechnen.

Von Vorteil ist dabei, daß der Koksstaub bereits heiß, bei-

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spielsweise mit 1000 C, dem Staubvergasungsreaktor züge- .

führt wird. Bei erforderlichen Fördermedien, wie z.B. Dampf, werden sich Mischtemperaturen von 600 bis 900⁰C einstellen. Diese höhere Temperatur gegenüber der normalen Kohlenstaubvejrgasuhg begünstigt den Vergasungsvorgang, führt also zu etwas kürzeren Vergasungszeiten als es für kalten Koksstaub d'jr Fall wäre. Grundsätzlich ist aber eine höhere Aufent-

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haltszeit für diesen Kokskohle,nstoff erforderlich als für den sehr fein aufgemahlenen Brennstoff einer normalen Kohlenstaubvergasung. '

Wenn nun die Staubvergasungsprodukte, Gas/Reststaub und flüssige Schlacke, mit dem hohen Temperaturniveau der Staubvergasungsstufe und entsprechend hohem Inhalt an ■ fühlbarer Wärme in die Wirbelschicht geführt werden und dort ihre Wärme bis auf die Wirbelschichttemperatur an die Wirbelschicht abgeben können, so wird dort der Sauerstoffbedarf der Vergasung reduziert und insgesamt ein Kohlenstoffumsatz erreicht, der von keinem Einzelverfahren erreicht wird. Bei Nutzung aller technischen Möglichkeiten, unter Einbeziehung der in den nächsten Jahren zu erwartenden Weiterentwicklungen bestimmter Apparaturen bezüglich TemperaturStandfestigkeit, Dichtigkeit, etc. wird dazu noch ein Höherer Vergasungswirkungsgrad als bisher erreicht.

Die Vergasung des aus der Wirbelschicht ausgetragenen Flugstaubes erfolgt in einem Staubvergasungsreaktor mit aufgesetztem Staubvergasungsbrenner, in den Vergasungsmittel und der zu vergasende Feststoff eingeführt, gemischt und gleichzeitig gezündet werden.

Vorzugsweise werden der Staubvergasungsreaktor und der Wirbelschichtreaktor räumlich getrennt voneinander so aufgestellt, daß der Gasaustritt aus dem Staubvergasungsreaktor höher liegt, als die Oberfläche der Wirbelschicht, wobei die St-aubvergasungsprodukte der -Wirbelschicht über eine Verbindungeleitung zugeführt werden. Dabei sind die Strömungsrichtungen der Produktgase gegenläufig. Die Produktgase der Wirbelschicht strömen nach oben ab, die der Staubvergasung nach unten.

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Der erfindungsgemäß getrennt vom Wirbelschichtreaktor aufgestellte Staubvergasungsreaktor ist hinsichtlich ->. Formgebung und Auslegung völlig unabhängig vom Wirbelschichtreaktor. Beispielsweise kann diese Kammer ungekühlt ausgeführt werden, sie kann aber auch eine entsprechende Kühlung erhalten. Bei gekühlten Kammern wird eine erhebliche Wärmemenge dem Prozeß entzogen und auf Kühlwasser übertragen und geht damit verloren. Erfolgt die Übertragung in Form einer Siedekühlung, so ist eine Nutzung für die Dampferzeugung möglich. Der Vorteil eines ungekühlten Systems ist, daß die im Reaktor zur Verfügung stehende Wärme nahezu 100%ig dem Vergasungsprozeß zugute kommt. Es liegt aber auch eine hohe Beanspruchung der Ausmauerung vor.

Der Flugstaub wird in den Staubvergasungsreaktor in heißem Zustand eingeführt, d.h. mit einer Temperatur von 600 bis 900Oc, wenn der Transport mit Hilfe eines gasförmigen Fördermediums,, bevorzugt Vergasungsmittel und besonders bevorzugt Dampf, jedoch können auch andere Gase, beispielsweise CO , verwandt werden, erfolgt.

Der Staub kann aber auch mit einer hochsiedenden, vergasungsfähigen Flüssigkeit, beispielsweise Schweröl oder Teer, gemischt als Mischung in den Staubvergasungsreaktor eingespritzt und dort mit Hilfe von Vergasungsmitteln vergast werden,, Da er der Flüssigkeit in heißem Zustand zugemischt wird, muß die Flüssigkeit einen so hohen Verdampfung spunkt aufweisen, daß die Maische, bestehend aus Feststoff und Flüssigkeit, pumpfähig bleibt und in den Reaktor eingespritzt werden kann.

Bei der Flugstaubvergasung v/erden die gleichen Vergasungsmittel eingesetzt, wie bei der Wirbelschichtvergasung.

Bevorzugt werden Sauerstoff und Dampf verwandt, es können aber auch andere geeignete Vergasungsmittel eingesetzt v/erden.

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Der getrennt aufgestellte Staubvergasungsreaktor ist unabhängig von der Größe des Wirbelschichtreaktors entsprechend der notwendigen Vergasungszeit ausgelegt, beispielsweise auf Vergasungszeiten von etwa 4s. Bei den bekannten Kombinationen von Wirbelschichtstufe und Staubvergasungsstufe in einem Reaktor hat man diesen Freiheitsgrad nicht; Wirbelschichtstufe und Staubvergasungsstufe müssen aufeinander abgestimmt und dem gemeinsamen Reaktorgehäuse angepaßt sein.
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Auf dem Staubvergasungsreaktor sitzt ein Staubvergasungsbrenner, mit dessen Hilfe die Vergasungsmedien Sauerstoff und Dampf einschließlich des zu vergasenden Feststoffs eingeführt, gemischt und gleichzeitig gezündet werden. Es können aus anderen Staubvergasungsverfahren bekannte Brennertypen verwandt werden, sofern sie sich für die vorgegebene Aufgabe eignen. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein Drallbrenner verwandt.

Bevorzugt werden die Vergasungsmittel nur über den Brenner in den Staubvergasungsreaktor geführt, jedoch kann Vergasungsmittel durch zusätzliche Düsen auch auf der Länge des Staubvergasungsreaktors zugeführt werden, um ein gleichmäßig hohes Temperaturgebiet über längere Strecken aufrecht zu erhalten.

Die aus der Staubvergasungsstufe austretenden Staubvergasungsprodukte, das sind etwa 1500 c heißes Produktgas, Restfeststoffe gleicher Temperatur und flüssige Schlacke mit einer Temperatur von etwa 1300 bis 14OO°C, v/erden über eine Verbindungsleitung in die Wirbelschicht eingeführt, wo sie ihren Wärmeinhalt bis zur Temperatur der Wirbelschicht an diese abgeben, beispielsweise also die Wärmedifferenz zwischen 1500 und 1000 C. Bei der erheblich niedrigeren Temperatur der Wirbelschicht verfestigt sich die flüssig eingebrachte Schlacke und fällt infolge ihres

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Eigengewichtes nach unten aus der Wirbelschicht aus.

~ Die in der Wirbelschicht verwertbare Wärme der Schlacke aus der Staubvergasung trägt allerdings mit weniger als 0,5 % zum Vergasungswirkungsgrad des Gesamtsystems bei, so daß es unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten vertretbar sein kann, die Flüssigschlacke nicht zur Wirbelschicht zurückzuführen, sondern am Austritt des Staubvergasungsreaktors in ein Wasserbad ablaufen zu lassen, wo sie granuliert und ausgeschieden wird, und nur das Produktgas und den davon mitgeführten Restfeststoff aus dem Staubvergasungsreaktor in die Wirbelschicht zurückzuführen.

Bei den im folgenden beschriebenen Verfahrensvarianten ist eine Rückführung der Flüssigschlacke in die Wirbelschicht aufwendig und deshalb weniger sinnvoll. Der Verlust der in der Flüssigschlacke enthaltenen fühlbaren Wärme kann aber durch die im folgenden genannten Verfahrens varianten trotzdem vermieden und diese Wärme für das Gesamtverfahren nutzbar gemacht werden.

Dazu wird dem Staubvergasungsreaktor eine besondere Wirbelschichtstufe nachgeordnet, die mit einem inerten Feststoff, beispielsweise Schlacke, und Wasserdampf als Fluidisierungs mittel betrieben wird. Zwischen Staubvergasungsstufe und Inertstoffwirbelschicht befindet sich ein Abgang für das Produktgas sov/ie die davon mitgeführten feinen Restkohüenstoffteile, die beide der normalen Wirbelschichtvergasungsstufe zugeführt werden, während die flüssige Schlacke aus der Staubvergasungsstufe nach unten in die Inertstoffwirbelschicht gelangt, sich dort verfestigt und nach unten ausgeschieden wird. Die der flüssigen Schlacke entzogene Wärme wird auf den als Fluidisierungsmittel dienenden Dampf übertragen, der dann mit dem Produktgas aus der Staubvergasung in den Wirbelschichtreaktor geführt wird.

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Weiterhin ist es möglich, mit 'Hilfe zusätzlicher Wärmetauscherflächen in der Inertstoffwirbelschicht Dampf zu produzieren.

Die Staubvergasungsstufe kann einmal als Flugstromstufe, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet sein, sie kann aber auch mit einem flüssigen Medium arbeiten. Als flüssige Medien können beispielsweise Schlacke oder Eisen verwandt werden. In diesem Falle wird der zu vergasende Flugstaub und Vergasungsmittel in oder auf das flüssige Medium geblasen, wobei Vergasungsmittel und Flugstaub sehr schnell auf die Temperatur des umgebenden flüssigen Mediums aufgeheizt werden. Diese Temperatur liegt im Bereich von etwa 16OO C; die Reaktionen laufen dort entsprechend schnell ab. Bei Verwendung von FlüssLgschlacke wird diese zweckmäßigerweise aus der Kohlenasche gebildet, bei Verwendung eines Flüssigeisenbades besteht dies beispielsweise aus Roheisen.

Wird die flüssige Schlacke aus der Staubvergasungsstufe nicht in die Wirbelschichtvergasungsstufe zurückgeführt, sondern nur das Staubvergasungsgas, so fällt in der Wirbelschichtvergasungsstufe nur etwa 1/5 bis 1/6 der im Gesamtverfahren anfallenden Kohlenasche nach unten aus, und zwar in Form grober Teile und verwachsen mit Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff kann in einer unterhalb der Wirbelschicht angeordneten Festbettstufe ebenfalls vergast werden, wenn der Kohlenstoff dem Vergasungsmittel genügend zugänglich ist. Im allgemeinen ist aber der mit der Schlacke ausgeschiedene Anteil an Kohlenstoff so klein, daß sich die Anordnung einer Festbettstufe nicht lohnt, zumal dadurch zusätzlicher verfahrene-, regelungs- und steuerungstechnischer Aufwand das Gesamtverfahren belasten kann. Unter gewissen Umständen, insbesondere bei der Bildung kohlenstoffreicher Schlacke, kann aber die Anordnung einer Festbettstufe günstig sein.

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Es ist auch möglich, die aus dem Wirbelschichtreaktor

nach unten ausgeschiedene, noch kohlenstoffhaltige „ Schlacke unter Betriebsdruck aufzumahlen und als Staub zusätzlich zu dem Koksstaub aus der Wirbelschichtvergasung der Staubvergasung zuzuführen, v/obei der Restkohlenstoff vergast und die Kohlenasche geschmolzen und als Schlacke abgezogen wird. Schlacke ist leichter zu deponieren als Asche, zumal letztere noch durch Wasser ausgewaschen werden kann.

Erfindungsgemäß ist die Vergasung des Flugstaubs auch in einer gekühlten Staubvergasungsstufe möglich. Bei einer gekühlten Staubvergasungsstufe ist bei vorgegebener Geometrie ein bestimmter Feststoffdurchsatz notwendig, um ein Erstarren der Schlacke zu verhindern und trotz der Wärmeabfuhr durch die Kühlung den Schlackenabfluß zu gewährleisten.

Die Menge des .feinen Koksstaubes, der aus der Wirbelschichtvergasungsstufe nach oben ausgetragen wird, ist nicht nur vom Druck abhängig, sondern insbesondere auch von der Art der eingesetzten Kohle, d.h. vom Zerfallsverhalten der Kohle in der Wirbelschicht. So zerfällt Braunkohle in der Wirbelschicht sehr viel schneller und feiner als Steinkohle, hochflüchtige Steinkohle wiederum besser als weniger flüchtige Kohle.

Verfahrensgemäß ist es möglich, die Staubvergasungsstufe nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich zu betreiben, d.h. den aus der Wirbelschicht anfallenden Koksstaub in Vorratsbehältern, die thermisch isoliert sein können, zu sammeln und nur periodisch durch die Staubvergasungsstufe durchzusetzen. Weiterhin ist es möglich, die Flugstaubvergasung in mehreren, parallel betriebenen, um die Wirbelschichtvergasungsstufe angeordneten Staubvergasungsreaktoren durchzuführen, wobei die Leistung einer Staubvergasungsstufe

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dem geringsten zu erv/artenden Auswurf aus der Wirbelschicht entsprechen sollte. Bei höherem Staubauswurf würden dann eine weitere oder noch weitere Staubvergasungsstufen zugeschaltet werden. In diesem Fall wäre allerdings eine gemeinsame Rückführung von Staubvergasungsgas und flüssiger Schlacke in die Wirbelschicht- . vergasungsstufe bevorzugt und nicht die Abtrennung der flüssigen Schlacke und deren besondere Behandlung.

Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Von der Kohleaufbereitungsanlage 1, zu der auch entsprechende Vorratsbehälter und Zuteileinrichtungen gehören gelangt die auf ein dem Betriebsdruck entsprechendes mittleres Korn gebrochene Kohle in die Schleusen 2, wo der Brennstoff auf den erforderlichen Druck gebracht wird. Aus den Schleusen gelangt der Feststoff zu einem Zuteilorgan 3, mit dessen Hilfe der Brennstoff in den Wirbelschichtreaktor 4 eingeführt wird. Beispielsweise kann hierzu eine schnelllaufende Schnecke benutzt werden, mit deren Hilfe das einzelne Festkorn in die Wirbelschicht eingeschleudert wird. Außerdem gelangen über Leitungen 5 und 6 die Vergasungsmedien, beispielsweise Sauerstoff und Wasserdampf, in den Reaktor, und zwar in mehreren Ebenen, wobei jede Ebene aus einer Reihe von über den Reaktorumfang verteilten Düsen besteht. Sauerstoff und Dampf können sowohl getrennt als auch gemeinsam eingeführt werden, wobei um den Sauerstoff stets ein Dampfring angeordnet ist, um den Sauerstoff erst in einem gewissen Abstand von der Reaktorwand wirksam werden zu .lassen.

Aus dem·Wirbelschichtreaktor 4 wird mit dem erzeugten Gas nach oben Koksstaub ausgetragen, der in einem Abscheider vom Produktgas abgetrennt wird. Das heiße Produktgas wird in einem Wärmetauscher 8 abgekühlt, wobei die entzogene

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Wärme zur Erzeugung von Dampf-.benutzt wird. Der Dampf

wird teilweise in den Prozeß zurückgeführt und teilweise ^ in einem Dampfkraftwerk genutzt. Das abgekühlte Gas gelangt dann indie Gasreinigung 9 und wird anschließend dem Verwendungszweck zugeführt. Der Wärmetauscher 8 kann entfallen oder der Gasreinigung nachgeordnet sein, wenn Gasreinigungen zur Verfügung stehen, die unter Druck und * hohen Temperaturen arbeiten können.

Der im Abscheider 7 abgeschiedene Koksstaub gelangt in eine Druckerhöhungsstufe 10, der gegebenenfalls ein Vorratsbehälter 11 vorgeschaltet ist. Von der Druckerhöhungsstufe 10, beispielsweise einer Schleuse, wird der Koksstaub der Staubvergasungsstufe 12 zugeführt, gleichzeitig über die Leitungen 13 und 14 Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmedien. Der Koksstaub selbst kann selbstverständlich auch mit Dampf eingeblasen werden, aber auch mit einem anderen geeigneten gasförmigen Medium, beispielsweise CO oder Produktgas.

Die Staubvergasungsstufe 12 besitzt am Austritt eine Schlackenrinne, in der sich die flüssige Schlacke ansammelt und über einen Überlauf durch die Leitung 15 in die Inertstoffwirbelschicht 16 abfließt. Als Inertstoff wird in dieser Stufe die Schlacke selbst benutzt, der Überschuß an Schlacke nach unten über einen Schlackenbrecher 17 abgezogen, in dem die Schlacke gegebenenfalls auf vorgeschriebene Abmessungen für die Ablagerung in der Deponie gebrochen und in einer anschließenden Schleuse 18 aus dem Druckbereich herausgenommen wird. Über eine Anfeuchtvorrichtung 19 folgt schließlich die restliche Abkühlung der Schlacke, so daß sie zur Deponie transportiert werden kann.

Als Fluidisierungsmittel für die Inertstoffwirbelschicht wird über die Leitung 20 Wasserdampf zugegeben, der durch den Entzug der Schldckenwärrae aufgewärmt und in die Wirbelschicht über die Leitung 21 gebracht wird.

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Die aus dem Wirbelschichtreaktor 4 nach unten ausfallenden gröberen Feststoffe, bestehend aus Kohlenasehe und Kohlenstoff, werden über eine Austragsvorrichtung 22, z.B. eine * schrägstehende Schnecke, einer Zerkleinerungsvorrichtung 23 zugeführt, dort zu Staub gemahlen und über eine Förderanrichtung 25 entweder direkt der Staubvergasungsstufe 12 oder auch der Druckerhöhungsstufe 10 zugeführt oder in der " Zerkleinerungsvorrichtung 23 auf eine für die Deponie geeignete Korngröße gebrochen und über eine Anfeuchtvorrichtung 24 auf die erforderliche. Temperatur abgekühlt und zur Deponie gebracht.

Der im Abhitzekessel 8 und in der Gasreinigung 9 abgeschiedene Feinstaub kann über die Leitungen 28 und 29 zum Vorratsbehälter 11 vor der Staubvergasungsstufe 12 zurückgebracht werden.

Bei einer Störung der Staubvergasungsiufe kann die Wirbelschichtvergasung allein weiterbetrieben werden. Dazu werden ' \ die Leitungen 17 von der Staubvergasungsstufe kommend und die Leitungen 21 aus der Inertstoffstufe kommend zum Reaktor 4 hin abgeschaltet, ebenso die Verbindung vom Vorratsbehälter 11 zur Schleuse 10. Der im Abscheider 7 abgeschiedene Koksstaub wird aus dem folgenden Vorratsraum 11 abgezogen und über Leitung 30 im Zwischenbunker 31 deponiert, falls das Volumen des Vorratsraums 11 für die Zeit der Störbeseitigung nicht ausreichen sollte.

Bei einer Störung der Wirbelschichtstufe kann die Staubver- j

gasung allein weiterbetrieben werden. Dazu v/erden die : Leitungen 17 von der Staubvergasungsstufe kommend und 21 aus

der Inertstoffstufe kommend zum Reaktor 14 hin abgeschaltet, *

ebenso die Leitung von der Zuteilvorrichtung 25 zur Schleuse j 10, außerdem die Verbindungsleitung vom Reaktor 4 zum Ab- j' scheider 7.

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P_n 3430213

Geöffnet werden die Leitungen 26 und 27. Die Staubvergasung wird dann mit Kohlenstaub aus dem·Vorratsbehälter 11 oder dem Zwischenbunker 31 über die Leitung 32 und die Schleuse 10 betrieben. Außerdem kann Kohlenstaub -beispielsweise aus einer Mahlanlage eines Dampferzeugers im Kraftwerk über die Leitung 33 und die Schleuse 10 zugeführt und in der Staubvergasungsstufe 12 eingesetzt werden.

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Claims

34302 T 54 454 15. August 1984 Patentansprüche

1. Verfahren zur Gaserzeugung aus festen Brennstoffen durch Vergasen mit einem oder mehreren Vergasungsmitteln mittels Wirbelschicht- und Flugstaubvergasung, wobei der feste Rohbrennstoff und Vergasungsmittel in die Wirbelschicht eingebracht werden, feste Vergasungsrückstände unten aus der Wirbelschicht ausgetragen werden und das aus der Wirbelschicht aufsteigende Produktgas den Wirbelschichtreaktor nach Passieren eines Beruhigungs- und Nachreaktionsraumes verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß

der im Produktgas enthaltene Flugstaub außerhalb des Wirbelschichtreaktors separiert wird, ■-■-,·

der separierte Flugstaub und Vergasungsmittel einem vom Wirbelschichtreaktor räumlich getrennten Staubvergasungsreaktor zugeführt und dort bei Temperaturen .oberhalb des Ascheschmelzpunktes weitgehend vergast wird und

die bei der Flugstaubvergasung erzeugten Produktgase zur Abgabe eines Teiles ihrer fühlbaren Wärme an die Wirbelschicht in die Wirbelschicht zurückgeführt v/erden. 30

2. Verfahren nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung bei einem Druck von 1 bis 40 bar durchgeführt wird.

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3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsmittel Sauerstoff,

ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmedium und/oder "*" Dampf sowie Mischungen derselben eingesetzt werden. 5

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel der Wirbelschicht in verschiedenen Ebenen über mehrere über den Umfang verteilte Vergasungsmitteldüsen zugeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß im unteren Bereich der Wirbelschicht ausschließlich Wasserdampf in den Reaktor geführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Vergasungsmittel der Wirbelschicht über als Doppelrohr ausgeführte Vergasungsmitteldüsen zugeführt v/erden, wobei über eine innere Zuleitung Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Medium und über eine diese innere Zuleitung konzentrisch umgebende äußere Zuleitung Wasserdampf geführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Zugabe von Vergasungsmittel oberhalb der Wirbelschicht eine Obervergasung durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Wirbelschichtreaktor nach unten ausgeschiedene Schlacke bei zu hohem Kohlenstoffgehalt "aufgemahlen "und der Staubvergasung zugeführt wird.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugstaubvergasung in einem Staubvergasungsreaktor mit aufgesetztem Staubver- * gasungsbrenner, in den Vergasungsmittel undder zu vergasende. Feststoff eingeführt, gemischt und gleichzeitig gezündet -werden, durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub in heißem Zustand mit etwa 600 bis 1000⁰C in den Staubvergasungsreaktor geführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub mit Hilfe eines gasförmigen Fördermediums transportiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Fördermedium Heißdampf verwandt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Vergasungsmittel auch auf der Länge des Staubvergasungsreaktors zugeführt werden.

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

gekennzeichnet, daß die flüssige Schlacke aus der Staubvergasung in eine Wirbelschicht abgegeben wird, die mit einem inerten Feststoff, beispielsweise Schlacke, und Wasserdampf als Fluidisierungsmittel betrieben wird, wobei die gasförmigen Produkte der Staubvergasung -und der Wasserdampf aus der Inertstoffwirbelschicht in die Wirbelschichtvergasungsstufe geführt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugstaubvergasung in einem Flüssigbad durchgeführt wird, wobei der zu vergasende Feststoff und Vergasungsmittel in oder auf das flüssige Medium geblasen werden.

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16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß in dem Flüssigbad Schlacke oder Eisen als flüssige *■ Medien verwandt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Flugstaubvergasung entstehende flüssige Schlacke in die Wirbelschicht geführt wird.

18, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vergasnede Flugstaub in Form einer Mischung mit einer vergasungsfähigen Flüssigkeit in den Staubvergasungsreaktor eingespritzt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugstaubvergasung in mehreren, parallel betriebenen Staubvergasungsreaktoren durchgeführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugstaubvergasung diskontinuierlich betrieben wird.

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