DE3441356A1

DE3441356A1 - Verfahren und einrichtung zur reduktion von oxidischem material bei gleichzeitiger erzeugung eines zur rueckgewinnung von waermeenergie geeigneten gases

Info

Publication number: DE3441356A1
Application number: DE19843441356
Authority: DE
Inventors: Björn Sala Hammarskog; Göran Hofors Mathisson; Sven Santén
Original assignee: SKF Steel Engineering AB
Current assignee: SKF Steel Engineering AB
Priority date: 1983-12-02
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1985-06-13
Also published as: FR2556006A1; GB2150591A; GB8427967D0; ES8605455A1; BE901160A; AU3525384A; IT8423369A0; DE3441356C2; DD229712A5; NO844801L; IT8423369A1; IT1177076B; BR8406066A; ES538146A0; PL250671A1

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reduktion von oxidischem Material unter gleichzeitiger Erzeugung eines zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gases.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein im Hinblick auf die Prozeßtechnologie sowie im Hinblick auf die·Energieausnutzung optimales Reduktionsverfahren zu verwirklichen, welches ein speziell leicht steuerbares Gaserzeugungssystem besitzt, durch welches gleichzeitig eine einfache und direkte Entnahme des ursprünglich zur Reduktion des oxidischem Materials verwendeten Reduktionsgases zur Erzeugung von Wärmeenergie möglich ist. Dabei soll das Verfahren außerdem so flexibel sein, daß ein geeigneter Teilstrom des ursprünglich zur Reduktion des oxidischen Materials verwendeten Reduktionsgases erneut verwendet werden kann, um frisches Reduktionsgas zu erzeugen.

Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduktion von oxidischem Material bei gleichzeitiger Erzeugung eines zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gases im wesentlichen dadurch, daß

a) ein hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Reduktionsgas aus einem kohlenstoffhaltigen und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsmaterial hergestellt wird, wobei dieses Ausgangsmaterial zusammen mit einem Oxidationsmittel und wahlweise ebenfalls einem Schlackenbildner in eine Vergasungszone oder eine Vergasungskammer eingebracht wird, während gleichzeitig Wärmeenergie von wenigstens einem Plasmagenerator zugeführt wird;

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b) das derart hergestellte Reduktionsgas auf eine für den nachfolgenden Reduktionsprozeß geeignete Temperatur gebracht und anschließend in einen Reduktionsschachtofen eingeleitet wird, welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, wobei dieses Gas im Gegenstrom zu dem oxidischen Material geleitet wird;

c) im wesentlichen das gesamte Wasser und staubartige Teilchen aus dem Reduktionsgas entfernt werden, welches nach Reduktion des oxidischen Material im Hinblick auf seine Reduktionsfähigkeit teilweise verbraucht ist und oxidierende Bestandteile, vorzugsweise Kohlendioxid und Wasser sowie staubartige Teilchen, enthält;

d) zumindest ein Teilstrom des derart behandelten Umlaufgases dem System zwecks Rückgewinnung von Wärmeenergie entzogen wird und der restliche Teilstrom dem Prozeß erneut zugeführt wird.

Das verwendete Oxidationsmittel besteht zweckmäßigerweise aus Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Luft und/oder Umlaufgas, welches dem Vergasungsprozeß insgesamt oder teilweise durch einen Plasmagenerator zugeführt wird.

Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Äusgangsmaterial zur Erzeugung des Reduktionsgases in Pulverform und/oder flüssiger Form und/oder, stückiger Form verwendet.

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Erfinäungsgemäß wird die Verbrennungszone zweckmäßigerweise im unteren Bereich eines mit festem kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form gefüllten schachtförmigen Gasgenerators ausgebildet.

Erfindungsgemäß wird, ein Teilstrom des teilweise verbrauchten Gases, welches CO- enthält, dem Reduktionsschachtofen entnommen und in den mit stückigem Reduktionsmaterial gefüllten Gasgenerator von oben und in einem geeigneten Abstand von der Verbrennungszone eingeleitet, um die Hitze in der Schachtfüllung auszunutzen, um H_0 in H₂ + CO und das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln. Ein Teilstrom dieses Rückstromes an verbrauchtem Reduktionsgas vom Schachtofen kann auch als Trägergas für das Einbringen eines pulverförmigen kohlenstoffhaltigen Materials und/oder Schlackenbildners zusammen wahlweise mit Schwefelakzeptoren unmittelbar vor dem Plasmagenerator verwendet werden. Ein Teilstrom dieses Rückstromes an verbrauchtem Reduktionsgas vom Schachtofen wird auch als Trägergas für die durch den Plasmagenerator zugeführte Wärmeenergie verwendet.

Zweckmäßigerweise wird das in dem Gasgenerator erzeugte Reduktionsgas von irgendwelchen Schwefelverunreinigungen befreit, indem geeignete Schwefelakzeptoren.in die Schachtfüllung eingebracht werden und/oder indem das abgezogene Gas durch einen Schwefelfilter hindurchgeleitet wird. Alternativ können Schwefelakzeptoren auch in die Vergasungszone eingeblasen werden.

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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Temperatur des der Verbrennungszone des Gasgenerators entnommenen Reduktionsgases auf eine Endtemperatur zwischen 700 und 1000⁰C gesteuert,

a) indem es mit einer derartigen Menge des teilweise verbrauchten Reduktionsgases aus dem Reduktionsschachtofen vermischt wird und/oder

b) einer Kühlung unterworfen wird und/oder

c) ihm eine derartige Menge an Wasser und/oder Wasserdampf zugesetzt wird, daß

die gewünschte Temperatur erreicht wird.

Wenn nur eine geringe Menge dieses teilweise verbrauchten Reduktionsgases für die Temperatursteuerung verwendet wird., wird dieses teilweise verbrauchte Reduktionsgas beim Durchgang durch den unmittelbar hinter dem Gasauslaß im. oberen Teil des Reduktionsschachtofens angeordneten Gaswäscher abgekühlt, sodaß die gewünschte Endtemperatur der Gasmischung ohne weiteres erzielbar ist. Wenn jedoch ein großer Rückstrom mit dem frisch erzeugten Reduktionsgas vermischt wird, wird dieser Rückstrom zweckmäßigerweise vor der Vermischung mit dem Reduktionsgas beispielsweise unter Einsatz eines Plasmagenerators erwärmt.

Bevorzugt wird das Reduktionsgas mittels einer zweistufigen Vergasung erzeugt, bei welcher das Ausgangsmaterial teilweise verbrannt und zumindest teilweise in einer Vergasungskammer

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vergast wird, woraufhin die Gasmischung in einen eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material enthaltenden Schacht eingeleitet wird und daß der physikalische Wärmegehalt der Mischung aus der Vergasungskammer in der Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material ausgenutzt wird, um den Gehalt an Kohlendioxid und Wasser im Gas zu verringern, wobei der Gaserzeugungsprozeß derart gesteuert wird, daß das abgezogene Gas eine für einen nachfolgenden Prozeßschritt geeignete Temperatur und Zusammensetzung besitzt.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen Gasgenerator für Reduktionsgas mit einer Reaktionskammer, wenigstens einem Plasmagenerator mit im Boden der Reaktionskammer liegender Mündung, einem an den Gasgenerator wahlweise über einen Schwefelfilter angeschlossenen Schachtofen, welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, einen im oberen Teil dieses Schachtofens angeordneten Gasauslaß, einen neben diesem Gasauslaß angeordneten Abscheider zur Abscheidung von Wasser und staubartigen Teilchen aus dem gewaschenen Gasstrom und einen nachfolgenden Gasauslaß zur Abgabe von zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gas sowie einer Hauptrückführleitung für wenigstens einen Teilstrom dieses Gases zum Gasgenerator und/oder zur Temperatursteuerung des im Gasgenerator erzeugten Reduktionsgases.

Weitere Merkmale und Besonderheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigt

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Fig.1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem einstufigem Gasgenerator; und

Fig.2 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem zweistufigen Gasgenerator.

Die Einrichtung gemäß Fig.1 besitzt einen Reduktionsschachtofen 1 zur Reduktion von oxidischem stückigem Material. Dieser Schachtofen 1 besitzt eine Beschickungseinrichtung 2 zum Einbringen von zu reduzierendem oxidischem stückigem Material. Am Boden des Schachtofens befindet sich eine Einlaßleitung für heißes Reduktionsgas, welches im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, wobei dieses Gas im Gegenstrom durch den Schachtofen 1 hindurchgeleitet und anschliessend durch eine obere Auslaßleitung 4 entnommen wird. Diese Auslaßleitung 4 ist mit einem Abscheider 5 für staubartige Teilchen und- Wasser, einem sogenannten Gaswäscher, verbunden, von welchem das von Wasser und Staubteilchen befreite und gleichzeitig abgekühlte Gas einem Auslaß 6 zuströmt, während ein restlicher Teilstrom über eine Hauptrückleitung 7 zwecks erneuter Verwendung im Prozeß zurückgeführt wird, wie noch zu beschreiben sein wird. Das am Auslaß 6 entnommene Gas kann' beispielsweise als Brenngas verwendet werden. Die Hauptrückleitung 7 enthält einen Kompressor 8.

Wenigstens ein Plasmagenerator 10 mündet in einen schachtförmigen Gasgenerator 11. Eine Lanze 12 für die Zufuhr von zur Gaserzeugung erforderlichem Material mündet ebenfalls in diesen Gasgenerator, während am Boden des Gasgenerators ein

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Auslaß 13 vorgesehen ist. Von der Hauptrückleitung 7 geht eine zweite Hauptleitung 14 ab, welche hauptsächlich für die Zufuhr von Umlaufgas bestimmt ist, welches von Kohlendioxid frei ist und mit dem frisch erzeugten Reduktionsgas vermischt werden soll, um dessen Temperatur zu steuern. Über Abzweigleitungen 15a, 15 ist die Leitung 14 ferner mit dem Eingang des P.lasmagenerators 10 verbindbar bezw. mit dem Innenraum seines Gehäuses vor dem Plasmagenerator. Zweckmäßierweise ist in der Leitung 15a ein Kompressor 8a angeordnet.

Im Prinzip bietet diese Anordnung nachstehende Punktionsbequemlichkeiten:

Über eine erste Abzweigleitung 16 kann die Leitung 14 mit dem oberen Bereich des Gasgenerators verbunden werden;

die Hauptrückleitung 7 kann über zusätzliche Abzweigleitungen 15 und 15a mit der Vergasungszone im unteren Bereich des Gasgenerators verbunden werden, d.h. Umlaufgas kann vor dem Plasmagenerator durch die Leitung 15 und nach Verdichtung im Kompressor 8a über die Leitung 15a hinter dem Plasmagenerator eingespeist werden, um diesen zu durchlaufen;

über eine weitere Abzweigleitung 17 kann die Leitung 14 mit dem vom Gasgenerator entnommenen Reduktionsgas, welches den oberen Teil des Gasgenerators über eine Auslaßleitung 18 verläßt, verbunden werden, und

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über eine weitere Abzweigleitung 19 kann die Leitung über eine Mischkammer 20 mit dem aus einem Schwefelfilter 22 über eine Leitung 21 ausströmenden Reduktionsgas verbunden werden, und schließlich kann die Leitung 14 mit der Reduktionsgasleitung 21 unmittelbar vor dem Eintritt des Reduktionsgases in den Reduktionsschachtofen. 1 verbunden werden.

Auf diese Weise läßt sich der CO₂~Gehalt im Uniaufgas einwandfrei steuern.

In der Leitung 18 ist ein Gasauslaß 23b zur Entnahme z.B. von Exportgas vorgesehen, sowie ebenfalls ein Gasauslaß 23a in der Leitung 21 und ein weiterer Gasauslaß 23 in der Zufuhrleitung 3 zum Reduktionsschachtofen 1.

Eine Speiseleitung 9 für das Oxidationsmittel, beispielsweise in Form von Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Luft, ist direkt mit dem Plasmagenerator 10, wahlweise nach Vorwärmung, verbunden, wobei dieses Oxidationsmittel der Reaktionszone im Boden des Gasgenerators 11 zugeführt werden kann.

Die vorbeschriebene und in Fig.1 dargestellte Einrichtung arbeitet im Prinzip folgendermaßen:

Das Reduktionsgas zur Reduktion des oxidischen Materials im Schachtofen 1, welches in denselben über die Einlaßleitung 3 eingeleitet wird, wird im Prinzip im Gasgenerator 11 erzeugt, indem ein kohlenstoffhaltiges und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial zusammen mit Oxidationsmittel und

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wahlweise mit Schlackenbildnern einer Verbrennungszone im unteren Teil des Gasgenerators 11 zugeführt wird, während gleichzeitig Wärmeenergie über wenigstens einen Plasmagenerator 10 zugeführt wird. Das auf diese Weise hergestellte Reduktionsgas wird dann im Prinzip auf eine für die nachfolgende Reduktion des oxidischen Materials im Schachtofen 1 geeignete Temperatur gebracht und in den Schachtofen 1 im Gegenstrom zu dem zu reduzierenden Material eingeblasen. Nach Reduktion des oxidischen Materials enthält das Reduktionsgas oxidierende Bestandteile wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasser sowie staubartige Teilchen und ist daher in Bezug auf seine Reduktionsfähigkeit teilweise verbraucht. Das Reduktionsgas wird durch die Gasauslaßleitung 4 von der Gicht des Reduktionsschachtofens abgezogen und anschließend von Wasser und staubartigen Teilchen im Gaswäscher 5 befreit. Das auf diese Weise, im Gaswäscher 5 behandelte Gas, welches gleichzeitig dabei abgekühlt wurde, kann dann dem System über die Gasauslaßleitung 6 wie gewünscht entnommen werden und zur Rückgewinnung von Wärmeenergie beispielsweise in Form von Brenngas verwandt werden. Gleichzeitig kann der verbleibende Teilstrom dieses Gases dem Prozeß durch die Rückleitung 7 erneut zugeführt werden, d.h. es kann erneut zur Erzeugung von Reduktionsgas verwendet werden.

Die Gaserzeugung im schachtförmigen Gasgenerator 11 kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Pulveriges und/oder flüssiges kohlenstoffhaltiges und/oder kohlenwasserstöffhaltiges Ausgangsmaterial kann in die Vergasungszone beispielsweise durch eine Zufuhrleitung 12 eingeblasen werden, in welchem

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Fall Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff oder Wasserdampf in die Reaktionszone durch den Plasmagenerator eingebracht werden kann. Umlaufgas kann der Vergasungszone vor dem Plasmabrenner über die Leitung 15 zugeführt werden, oder das Gas kann durch den Plasmagenerator über die Leitung 15a zugeführt werden. Das kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial kann auch in stückiger Form über die Gicht des Gasgenerators zugeführt werden, sodaß ' die Vergasungszone im unteren Teil des mit festem kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form gefüllten Gasgenerators hergestellt wird. Zweckmäßigerweise wird als kohlenstoffhaltige Füllung des Gasgenerators Koks verwendet. ;

Außerdem kann Wasser oder ein Teil des teilweise verbrauchten Reduktionsgases, welches dem Reduktionsschachtofen 1 über die Leitung 7 und die Abzweigleitung 16 entzogen wurde, ebenfalls in den Gasgenerator 11 eingebracht werden, welcher in diesem Fall mit stückigem Reduktionsmaterial gefüllt ist. In diesem Fall wird das Gas infolgedessen über der Vergasungszone selbst und in einem geeigneten Abstand von derselben eingebracht, wodurch die Hitze der Schachtfüllung ausgenutzt wird, um H₂O in H« + CO' und Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln.

Die Gaserzeugung im Gasgenerator 11 kann auch dadurch erreicht werden, daß pulveriges, kohlenstoffhaltiges Material, wahlweise mit Schwefelakzeptoren und/oder Schlackenbildnern mittels Wasser oder Wasserdampf oder einem Trägergas eingeblasen wird, welches aus teilweise verbrauchtem Reduktionsgas eines Teilstromes besteht, der dem Reduktionsschachtofen

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entnommen wurde, oder aus Sauerstoff oder einer Mischung von Sauerstoff und Wasserdampf.

Das im Gasgenerator 11 erzeugte Reduktionsgas kann entschwefelt werden, indem beispielsweise ein geeigneter Schwefelakzeptor der Schachtfüllung zugesetzt wird, oder indem Schwefelakzeptoren in die Vergasungszone eingeblasen werden oder indem das in dem Gasgenerator erzeugte Gas über die Auslaßleitung 18 einem Schwefelabscheidefilter 22 zugeleitet wird. Irgendwelche übrigbleibenden Schwefelverunreinigungen werden von dem Metalloxid absorbiert, welches im unteren Teil des Reduktionsschachtofens reduziert wird.

Das Reduktionsgas wird im allgemeinen auf einem Temperaturbereich von 1000-1500⁰C gehalten. Allerdings kann ein derart heißes Reduktionsgas nicht direkt zur Reduktion im Reduktionsschachtofen verwendet werden, sodaß seine Temperatur beträchtlich herabgesetzt werden muß, bevor es in den Schachtofen 1 eingeleitet wird. Dies kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise erfolgen.

Beispielsweise kann das aus dem Gasgenerator 11 ausströmende Reduktionsgas über die Leitung 18 mit einem geeigneten Teilstrom von Umlaufgas vermischt werden. Dies geschieht über die Leitung 14, sodaß die Temperatur der Gasmischung zwischen 700 und 1000⁰C liegt. Alternativ kann diese Vermischung mit einem Teilstrom des vom Reduktionsschachtofen 1 zurückgeführten Gases dadurch erreicht werden, daß das Reduktionsgas nach Durchlaufen des Schwefelfilters 22, d.h. auf seinem Wege von

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der Leitung 14 zur Leitung 3, vermischt wird. Wenn ein geringer Teilstrom an Umlaufgas aus der Leitung 14 verwendet wird, sollte dies ausreichen, um die gewünschte Abkühlung des erzeugten Reduktionsgases zu bewirken. Wenn allerdings eine überaus große Menge an Umlaufgas dem Reduktionsgas zugemischt wird, sollte ein derart starker Strom vorzugsweise auf die genaue Temperatur in der Mischkammer 20 aufgeheizt werden. Diese Aufheizung kann beispielsweise mittels eines Plasmagenerators erfolgen.

Die Temperatureinstellung kann auch dadurch erreicht werden, daß ein Teilstrom des erzeugten Gases durch Leitungen 21 und 19 durch eine als Kühler wirkende Mischkammer 20 geleitet wird.

Außerdem kann die erforderliche Temperatureinstellung auch zumindest teilweise durch die Zufuhr von Wasser und/oder Wasserdampf über eine Zufuhrleitung 24 erfolgen. Diese Maßnahme verhindert auch das Entstehen von Rußablagerungen.

Um das Aufkohlungspotential des erzeugten Reduktionsgases zu steuern und um eine Methanisierung zu verhindern, können geeignete kohlenstoffhaltige Materialien wie beispielsweise Methan, Methanol und/oder Propan über die Leitung 25 zugeführt werden.

Rußablagerungen kann auch dadurch entgegengewirkt werden, daß H₀S über die Leitung 26 eingeblasen wird.

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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der CC^-Gehalt in dem zur Steuerung der Temperatur des Reduktionsgases verwendeten Umlaufgas fortlaufend durch die CO₂-Wascheinrichtung gesteuert werden kann.

Die vorbeschriebene Erzeugung von Reduktionsgas im schachtartigen Gasgenerator 11 kann auch durch eine zweistufige Vergasung durchgeführt werden, wie dies in Fig.2 dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Gaserzeugung bietet wichtige technische Vorteile. Die Gaserzeugung kann bei derartigen Temperaturen durchgeführt werden, daß die Asche eine leicht handhabbare Schlacke bildet, welche abgelassen wird, ohne daß Verstopfungsprobleme im Prozeß entstehen. Der Wasserstoffgehalt im Reduktionsgas kann auf einen für den Reduktionsprozeß geeigneten Prozentsatz gesteuert werden, indem Wasser und/oder Sauerstoff in der Gaserzeugungsstufe und in der Temperatursteuerstufe gesteuert eingeblasen wird. Auch im Hinblick auf den Energieverbrauch wird ein optimaler Reduktionsprozeß und ein bequem steuerbares Gaserzeugungssystem verwirklicht. Die Steuerung der Anteile von Η»0 und CO₂ in der Leitung 3 kann infolgedessen in der Weise ausgeführt werden, daß die Strömung in den Leitungen 14 bis 18 und 21 und 3 bezw. auch in der Leitung 24 eingestellt wird.

Wie bereits erwähnt, kann die Entschwefelung statt durch einen besonderen Schwefelfilter auch direkt in dem Gasgenerator eingebaut werden, indem die Koksschüttung beispiels-

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weise mit geeignetem Material versehen wird oder indem geeignetes Material in die Vergasungszone eingeblasen wird.

Die in Fig.2 dargestellte abgewandelte Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung besitzt anstelle des einstufigen Gasgenerators gemäß Fig.1 einen zweistufigen Gasgenerator. Die Einrichtung ist im übrigen nach den gleichen Prinzipien wie die in Fig.1 dargestellte Einrichtung aufgebaut.

Der zweistufige Gasgenerator gemäß Fig.2 besitzt eine Vergasungskammer 29 und einen mit einer Koksschüttung 31 gefüllten Schacht 30.

Die Vergasungskammer 29 besitzt ein wassergekühltes Außengehäuse 32 sowie eine feuerfeste Auskleidung 33 und ist vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Vorzugsweise sind außerdem rund um den Schacht 30 mehrere Vergasungskammern angeordnet.

Der Schacht 30 besitzt einen unteren Schlackenauslaß 34 und einen oberen Gasauslaß 35. Koks in stückiger Form wird dem Schacht durch eine gasdichte Zuführung 36 am Kopf zugeführt. Die Mündung der Vergasungskammer 29 befindet sich im unteren Teil des Schachtes, und das Gas strömt durch die Koksschüttung nach oben und durch den Gasauslaß aus dem Schacht heraus. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Schlackenauslaß 34 für die Vergasungskammer und den Schacht gemeinsam.

In Verbindung mit der Vergasungskammer ist wenigstens ein Brenner vorgesehen, welcher bei dem dargestellten Ausführungs-

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beispiel aus einem Plasmagenerator 37 besteht. Der Plasmagenerator ist mit der Vergasungskammer durch ein Ventil 38 verbunden. Oxidationsmittel wird in den Plasmagenerator durch eine Speiseleitung 9 gleitet oder kann auch vor den Plasmagenerator durch eine Speiseleitung 39 eingebracht werden. Das Oxidationsmittel kann auch aus einem Trägergas bestehen, welches durch den Plasmagenerator hindurchgeleitet wird, oder aus einem Umlaufgas, welches durch die Leitung 15a zugeführt wird. Das heiße turbulente Gas, welches im Plasmagenerator erzeugt wird, gelängt durch die Mündung 40 des Plasmagenerators in die Vergasungskammer. Der kohlensto-fhaltige Brennstoff, vorzugsweise in Pulverform, wird durch eine Speiseleitung 41 in einen Ringraum 42 eingeblasen, welcher konzentrisch um die Mündung des Plasmagenerators ausgebildet ist, und/oder durch eine Lanze 43, welche auch für die Zufuhr weiterer Zuschläge wie beispielsweise Schlackenbildner verwendet werden kann.

Im Schqcht sind außerdem Lanzen 44 und 45 vorgesehen, durch welche wahlweise weiteres Oxidationsmittel wie beispielsweise H₃O₇ CO₂, zugesetzt werden kann, um die physikalische Überschußhitze im Gas auszunutzen. Dadurch lassen sich auch die Temperatur und die Zusammensetzung des Gases steuern.

Am Ausgang der Vergasungskammer ist ein erster Meßfühler 46 angeordnet, während ein zweiter Meßfühler 47 im Gasauslaß des Schachtes sitzt. Diese Meßfühler dienen zur Messung der Temperatur und/oder zur Analyse des Gases. Diese beiden Meßfühler geben die Möglichkeit, den Prozeß durch Steuerung der zugeführten Außenenergie und/oder der zugeführten Materialströme zu steuern.

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Fig.2 zeigt nur ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten zweistufigen Gasgenerators in einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei viele andere Lösungen ebenfalls denkbar sind. Beispielsweise können die Plasmageneratoren tangential um Umfang der Vergasungskammer angeordnet werden, sodaß in der Vergasungskammer eine umlaufende Strömung erzielt wird. Außerdem kann zur Erleichterung der Schlackenabscheidung die Vergasungskammer vertikal angeordnet werden, oder die Vergasungskammer und der Schacht können mit getrennten Schlackenauslässen versehen werden.

Bei der zweistufigen Vergasungseinrichturig gemäß Fig.2 wird das Ausgangsmaterial teilweise verbrannt oder zumindest teilweise in der Vergasungskammer vergast, und die auf diese Weise erhaltene Mischung wird in einen Schacht eingebracht, welcher eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form enthält. Der physikalische Wärmegehalt der Gasmischung, welche von der Vergasungskammer kommt, wird dadurch in der Koksschüttung ausgenutzt, um den Gehalt an Kohlendioxid und Wasser im Gas zu reduzieren. Auf diese Weise kann der Gaserzeugungsprozeß derart gesteuert werden, daß das ausströmende Gas eine mit dem nachfolgenden Prozeßschritt ohne weiteres verträgliche Temperatur und Zusammensetzung aufweist.

Das vom Plasmagenerator herkommende heiße Trägergas erhält zweckmäßigerweise eine Drehbewegung, bevor es in die Vergasungskammer eingebracht wird, und der pulverige kohlenstoffhaltige Brennstoff kann konzentrisch um den heißen Gasstrom eingebracht werden, welcher in die Vergasungskammer

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einströmt.. Dadurch, daß das Material in der Vergasungskammer eine Drehbewegung erhält, ergibt sich eine Schutzschicht aus Schlacke an den inneren Wandungen der Vergasungskammer.

Naturgemäß ist die Erfindung keineswegs auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele bestimmt, sondern kann auf mancherlei Weise abgewandelt werden. So kann beispielsweise zur Gaserzeugung durch Vorwärmung des Oxidationsmittels von außen her Wärmeenergie zugeführt werden. . .

Claims

Andrejewski, Honke & Partner

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Patentanwälte

Diplom-Physiker

Dr. Walter Andrejewski

Diplom-Ingenieur

Dr.-lng. Manfred Honke

Diplom-Physiker

Dr. Karl Gerhard Masch

Anwaltsakte:

62 481/E-th

4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf 100254

9. November 1984

P atentanmeldung SKF Steel Engineering AB

P. 0. Box 202 S-813 00 HOFORS, Schweden

Verfahren und Einrichtung zur Reduktion von oxidischem Material bei gleichzeitiger Erzeugung eines zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gases.

Patentansprüche.

1. Verfahren zur Reduktion von oxidischem Material unter gleichzeitiger Erzeugung eines zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gases, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Reduktionsgas aus einem kohlenstoffhaltigen und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsmaterial hergestellt wird,

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wobei dieses Ausgangsmaterial zusammen mit einem Oxidationsmittel und wahlweise ebenfalls einem Schlackenbildner in eine Vergasungszone oder eine Vergasungskammer (29) eingebracht wird, während gleichzeitig Wärmeenergie von wenigstens einem Plasmagenerator (10; 37) zugeführt wird;

b) das derart hergestellte Reduktionsgas auf eine für den nachfolgenden Reduktionsprozeß geeignete Temperatur gebracht und anschließend in einen Reduktionsschachtofen (1) eingeleitet wird, welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, wobei dieses Gas im Gegenstrom zu dem oxidischen Material geleitet wird;

c) im wesentlichen das gesamte Wasser und staubartige Teilchen aus dem Reduktionsgas entfernt werden, welches nach Reduktion des oxidischen Materials im Hinblick auf seine Reduktionsfähigkeit teilweise verbraucht ist und oxidierende Bestandteile, vorzugsweise Kohlendioxid und Wasser sowie staubartige Teilchen, enthält;

d) zumindest ein Teilstrom des derart behandelten Umlaufgases dem System zwecks Rückgewinnung von Wärmeenergie entzogen wird und der restliche TEilstrom dem Prozeß erneut zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des zur Einleitung in den Reduktionsschachtofen (1) hergestellten Reduktionsgases dem System zwecks

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Rückgewinnung von Wärmeenergie oder zur Verwendung als Synthesegas entzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel für die Gaserzeugung Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Luft und/oder Umlaufgas verwendet wird und der Reaktionszone insgesamt oder teilweise durch den Plasmagenerator (10;37) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Plasmagenerator zugeführte Oxidationsmittel vor dem Eintritt in den Plasmagenerator (10; 37) vorgewärmt wird.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial zur Erzeugung des .Reduktionsgases in Pulverform und/oder flüssiger Form und/oder stückiger Form verwendet wird.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone im unteren Bereich eines mit festem, kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form gefüllten schachtförmigen Gasgenerators (11; 31) erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltige Füllung des Schachtes (11; 31) Koks verwendet wird.

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8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser oder ein Teilstrom des teilweise verbrauchten Reduktionsgases in den mit Reduktionsmaterial in stückiger Form gefüllten Schacht (11, 31) über und in einem geeigneten Abstand von der Verbrennungszone eingebracht wird, um die Wärme in der Schachtfüllung zur Umwandlung von H₂O in H₂ + CO und des Kohlendioxids in Kohlenmonoxid auszunutzen.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiges kohlenstoffhaltiges Material und/oder Schlackenbildner zusammen wahlweise mit Schwefelakzeptoren in das System unmittelbar vor dem Plasmagenerator (10; 37) mit Hilfe von Wasser oder Dampf oder einem Trägergas eingeblasen wird, welches aus einem Teilstrom des teilweise verbrauchten Reduktionsgases oder aus Sauerstoff oder Luft besteht, die dem Reduktionsschachtofen (1) entzogen wurden.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise zusätzliches Oxidationsmittel zur Erzeugung des Reduktionsgases und wahlweise ebenfalls Schlackenbildner und/oder Schwefelakzeptoren in die Reaktionszone vor dem Plasmagenerator (10; 37) eingebracht werden.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material und einem geeigneten Schwefelakzeptor als Schachtfüllung über der Verbrennungszone verwendet wird.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Reduktionsgas entschwefelt wird, bevor es in den Reduktionsschachtofen (1) eingeleitet wird.

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13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionsgases innerhalb eines Temperaturbereiches von 1000-1500°C gehalten wird. . ■

14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des..erzeugten Reduktionsgases auf 700-1000⁰C, vorzugsweise 825°C, gesteuert wird, bevor es in den Reduktionsschachtofen (1) eingeleitet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des den Gasgenerator (11; 31) verlassenden heißen Reduktionsgases eventuell nach seiner Entschwefelung gesteuert wird, indem

a) eine derartige Menge des teilweise verbrauchten Reduktionsgases, welches dem Reduktionsschachtofen (1) entnommen wurde, beigemischt wird und/oder

b) das heiße Reduktionsgas abgekühlt wird und/oder

c) eine derartige Menge an Wasser und/oder Wasserdampf zugesetzt wird, daß

die Endtemperatur des Gases zwischen 700 und 1000⁰C liegt.

16. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Teilstrom an erneut in Umlauf gebrachtem Gichtgas des ReduktionsSchachtofens . (1) zwecks Temperaturregelung des Reduktionsgases vor seinem Zusatz zum Reduktionsgas erwärmt wird.

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17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mittels Wärmetauschern'(20) in der Gichtgas-Zufuhr leitung durchgeführt wird.

18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der erneut in Umlauf gebrachte Teilstrom an verbrauchtem Reduktionsgas aus dem Reduktionsschachtofen (1) mittels wenigstens eines Kompressors (8) auf den für den Prozeß erforderlichen Druck gebracht wird.

19. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenstoffträger wie beispielsweise Methan, Methanol und/oder Propan zugesetzt wird, um das Aufkohlungspotential des erzeugten Reduktionsgases zu steuern und einer Methanisierung entgegenzuwirken.

20.. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenmittel gegen Rußablagerungen H₀S zugeführt wird.

21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas mittels einer zweistufigen Vergasung erzeugt wird, bei welcher· das Ausgangsmaterial teilweise verbrannt und zumindest teilweise in einer Vergasungskammer (29) vergast wird, woraufhin die Gasmischung in einen eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material enthaltenden Schacht (31) eingeleitet wird und daß der physikalische Wärmegehalt der Mischung aus der Vergasungskammer in der Schüttung aus kohlenstoffhaltigem.,

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stückigem Material ausgenutzt wird, um den Gehalt an Kohlendioxid und Wasser im Gas zu verringern, wobei der Gaserzeugungsprozeß derart gesteuert wird, daß das abgezogene Gas eine für einen nachfolgenden Prozeßschritt geeignete Temperatur und Zusammensetzung besitzt.

22. Einrichtung zur. Reduktion von oxidischem Material bei gleichzeitiger Erzeugung eines zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gases zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gasgenerator (1.1; 31) für Reduktionsgas mit einer Reaktionskammer, wenigstens einem Plasmagenerator (10; 37) mit im Boden der Reaktionskammer liegender Mündung, einem an den Gasgenerator wahlweise über einen Schwefelfilter (22) angeschlossenen Schachtofen (1), welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, einen im oberen Teil dieses Schachtofens angeordneten Gasauslaß (4), einen neben diesem Gasauslaß angeordneten Abscheider (5) zur Abscheidung von Wasser und staubartigen Teilchen aus dem gewaschenen Gasstrom und einen nachfolgenden Gasauslaß (6) zur Abgabe von zur Rückgewinnung von Wärmeenergie geeigneten Gas sowie einer Hauptrückführleitung (7, 14) für wenigstens einen Teilstrom dieses Gases zum Gasgenerator und/oder zur Temperatursteuerung des im Gasgenerator erzeugten Reduktionsgases.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß in den Leitungen zwischen dem Gasgenerator (11; 31) und dem Schachtofen (1) zusätzliche Gasauslässe (23, 23a, 23b) angeordnet sind.

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24. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7, 14) mit wenigstens einem Kompressor (8) versehen ist.

25. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7, 14) über erste Abzweigleitungen (17, 18) mit dem oberen Teil des Gasgenerators (11, 31) verbunden ist.

26. Einrichtung.nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7) über eine Abzweigleitung (15) mit der Reaktionszone im unteren Teil des Gasgenerators (11; 31) verbunden ist.

27. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7) mit dem Einlaß des Plasmagenerators (10; 37) über eine Abzweigleitung (15a) verbunden ist.

28. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator (10; 37) an eine Zufuhr von Oxidationsmittel für den direkten Durchgang des wahlweise vorgewärmten Oxidationsmittels durch den Plasmagenerator in die Reaktionszone verbunden ist.

29. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (11; 31) einen Schlackenauslaß (13; 34) besitzt.

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30. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (11; 31) eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem stückigem Material, wahlweise mit Schwefelakzep.toren aufnimmt. ;

31. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung zwischen dem Gasgenerator und dem Schwefelfilter über eine Rohrleitung am einen Teilstrom aus Umlaufgas angeschlossen ist.

32. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsgasleitung (21, 3) zwischen dem Schwefelabscheider (22) und dem Gaseinlaß des ReduktionsSchachtofens (1) an einen temperaturregelnden Gasteilstrom über .eine Kühleinrichtung in Form einer Mischkammer (20) verbindbar ist.

33. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung des Teilstromes an erneut in Umlauf gebrachtem Gas in der Mischkammer (20) Wärmetauscher in der Gichtgasrückfuhrleitung angeordnet sind.

34. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß in die Speiseleitung (3) eine Zufuhrleitung (24) für Wasser und/oder Wasserdampf einmündet.

35. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhrleitung (25) für einen Kohlenstoffträger z.B. Methan, Propan und/oder Methanol in die Speiseleitung (3) einmündet.

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36. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhrleitung (26) für H₂S in die Speiseleitung (3) einmündet.

37. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß sie Abzapfeinrichtungen (6, 23, 23a, 23b) für Teilströme aufweist, welche beispielsweise als Brenngas verwendbar sind.