DE3442824A1

DE3442824A1 - Einrichtung zur vergasung von kohlenstoffhaltigem einsatzmaterial

Info

Publication number: DE3442824A1
Application number: DE19843442824
Authority: DE
Inventors: Shuntaro Koyama; Hiroshi Hitachi Miyadera; Tomohiko Takahagi Miyamoto; Atsushi Katsuta Morihara; Sadao Hitachi Takahashi; Shinji Katsuta Tanaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-11-24
Filing date: 1984-11-23
Publication date: 1985-06-05
Also published as: JPS60112890A; JPH0423679B2; FR2560207A1

Description

3A42824

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Einrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Wirbelschicht-Vergasung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial.

Kohlenstoffhaltiges Einsatzmaterial, z. B. Kohle, kann in der Hauptsache entweder durch Partialoxidation mit Luft oder Sauerstoff und Dampf oder durch Hydriervergasung mit Wasserstoff vergast werden. Wasserstoff wird durch umsetzung von Kohle mit Dampf erzeugt, so daß die Hydriervergasung als eine Modifikation der Partialoxidation angesehen werden kann. Andererseits kann die Kohlevergasung eingeteilt werden in Festbett-, Wirbelschicht-, Einspritz-, Schmelzbettvergasung etc., je nach der Art der durchgeführten Umsetzung. Die Wirbelschichtvergasung bietet u. a. den Vorteil, daß Kohle eingesetzt werden kann, die bei der Festbettvergasung nicht verwendbar ist, daß durch den gesamten Vergasungsreaktor eine gleichmäßige Temperaturverteilung stattfindet infolge der Vermischung von Kohle mit dem Gasstrom im Reaktor, wodurch die Ausbildung von Niedrigtemperaturzonen im Reaktor vermieden und die Teerzersetzung beschleunigt wird, was wiederum zu einer verminderten Teererzeugung führt. Ferner haben die Kohleteilchen geringe Teilchengrößen

und großen Flächeninhalt, so daß eine höhere Umsetzungsrate erreicht werden kann, d. h., es kann im Wirbelschicht-Vergasungsreaktor eine größere Aufbereitungskapazität erzielt werden.

Wenn die Asche in der Kohle zum Schmelzen kommt, koaguliert sie und erstarrt unter Bildung von Ascheklumpen, so daß eine Schlackenbildung im Wirbelschicht-Vergasungsreaktor erfolgt; dies hat zur Folge, daß ein gleichmäßiger Betrieb des Wirbelschicht-Vergasungsreaktors nicht erzielbar ist.

Im allgemeinen wird ein sauerstoffhaltiges Gas als Vergasungsmittel in den Wirbelschicht-Vergasungsreaktor durch eine Verteilerplatte, z. B. eine Lochplatte'etc., injiziert, und daher ist die Sauerstoffkonzentration an den Strahldüsen so hoch, daß eine Verbrennungsreaktion von kohlenstoffhaltigen Stoffen unter starker Freisetzung von Wärme stattfindet. So besteht die Tendenz, daß lokale Zonen höherer Temperatur ausgebildet werden und die in der Kohle enthaltene Asche geschmolzen wird. Um die Sauerstoffkonzentration in gewissem Maß zu steuern und eine lokale überhitzung zu vermeiden, wird entweder zusammen mit dem Vergasungsmittel Überschußdampf zugeführt, oder die Form der Verteilerplatte wird dahingehend geändert, daß Bewegungen der Kohleteilchen direkt über der Verteilerplatte aktiviert werden und die durch die Verbrennungsreaktion freigesetzte Wärme sehr schnell zerstreut wird, wodurch die Schlackenbildung verringert wird.

Andererseits ist es im Hinblick auf eine Steigerung der Aufbereitungskapazität oder des Vergasungs-Wirkungsgrads oder die Brauchbarkeit von Produktgas vorteilhaft, einen Kohlevergasungsreaktor unter einem Druck zu betreiben, der mehrere 10 bar beträgt. Es ist jedoch eine besondere Vorrichtung erforderlich, um Festkohleteilchen in den Druckreaktor einzubringen, und üblicherweise wird ein Schleusenbunkersystem angewandt, wobei die Kohle in einem Bunker unter einem Druck gelagert ist, der wenigstens gleich dem Druck im Vergasungsreaktor ist. Bei dem

Schleusenbunkersystem wird Kohle unter atmosphärischem Druck in den Bunker eingefüllt und durch Zufuhr von Druckgas mit Druck beaufschlagt, wonach die Kohle in einen weiteren Bunker zur Aufgabe in den Vergasungsreaktor überführt wird. Dann wird der erste Bunker druckentlastet, so daß wieder Kohle eingefüllt werden kann. Diese Vorgänge sind für sich zwar einfacher Natur, weil sie sich zyklisch wiederholen; es bestehen jedoch trotzdem Nachteile wie hoher Energieverbrauch zur Unterdrucksetzung der Bunker und starker Verschleiß an Umschaltventilen, was eine schlechte Betriebszuverlässigkeit zur Folge hat.

Wenn Kohle zu einem Brei oder einer Aufschlämmung verdünnt wird, kann der Brei gleichmäßig durch Pumpen gefördert werden, und die Handhabung der Kohle wird insbesondere hinsichtlich Transport und Zufuhr stark vereinfacht.

Es wurden nunmehr ausführliche Untersuchungen eines Verfahrens durchgeführt, bei dem Kohle mit einer schweren Erdölfraktion unter Bildung eines Kohlebreis vermischt wird und der Brei einem unter Druck stehenden Wirbelschicht-Vergasungsreaktor zugeführt und darin vergast wird; dabei wurden verschiedene Vorschläge für Vergasungsreaktoren und damit zusammenhängende Verfahren gemacht. Wenn die Kohle unter Erwärmung mit einer schweren Erdölfraktion vermischt wird, wird ein pumpfähiger Kohlebrei erhalten, der vergast werden kann. Es wurde ferner gefunden, daß auch dann, wenn die Kohle zu einer Verkokungssorte gehört, die Bildung koagulierter Massen von Kohleteilchen aufgrund einer gegenseitigen Anhaftung in dem Brei unterdrückt werden kann, so daß ein solcher Brei nicht nur hinsichtlich der Zuführung des Einsatzmaterials vorteilhaft ist, sondern auch hinsichtlich der einsetzbaren Kohlensorten Vorteile bietet.

Nun kann Erdöl teuer sein, oder die schwere Erdölfraktion kann, anstatt einer Vergasung unterworfen zu werden, in leichte Fraktionen umgesetzt werden, je nach den bestehenden Rohstoff-Situationen. In diesem Fall kann als Trägermedium für den Brei Wasser eingesetzt werden. Die Kohlekonzentration in einem

wäßrigen Brei beträgt 60-75 Gew.-% des Breis, so daß dem Vergasungsreaktor 25-40 Gew.-% Wasser zuzuführen sind. Wasser als Trägermedium wird im Vergasungsreaktor verdampft und absorbiert dabei einen großen Teil der Wärme, so daß die Reaktortemperatur abfällt. Daher muß im Gegensatz zum Schleusenbunkersystem, bei dem die Kohle trocken zugeführt wird, Sauerstoff im Überschuß als Vergasungsmittel dem Vergasungsreaktor zugeführt werden. Wenn der Durchsatz des Verdünnungsdampfs nicht nach Maßgabe des Sauerstoffdurchsatzes erhöht wird, besteht ferner die Gefahr von Schlackenbildung.

Wenn also die Kohle in einem wäßrigen Brei zugeführt wird, müssen die Zufuhrmengen an Sauerstoff und Dampf im Vergleich zur Trockenkohlezufuhr erhöht werden, und der Vergasungs-Wirkungsgrad (Vergasungsprodukt-Heizwert/Kohle-Heizwert) wird erheblich verringert. Um diese Nachteile zu überwinden, wurde vorgeschlagen, einen wäßrigen Brei zuerst einem Drucksystem zur Verdampfung von Wasser und dann einem Vergasungsreaktor zuzuführen oder Kohle als Suspension in einer leichteren Erdölfraktion mit einer niedrigeren Verdampfungswärme als Wasser, z. B. in Benzol, Toluol oder Xylol als Medium, zuzuführen. Dadurch wird jedoch der Prozeß komplexer, und es wird schwierig, eine effiziente Vergasung unter guter Verfahrensführung durchzuführen.

In einem Wirbelschichtreaktor wird normalerweise ein Fluidisiergas (im Fall eines Kohlevergasungsreaktors ein Vergasungsmittel) durch eine Verteilerplatte zugeführt, die im unteren Teil des Reaktors angeordnet ist. Es ist aber auch bekannt, das Fluidisiergas durch eine Düse zuzuführen (offengelegte JP-Patentanmeldung 54-97605). Wenn die Zuführung in den Kohlevergasungsreaktor durch Düsen erfolgt, werden größere Gasblasen gebildet als bei dem Feinloch-Einspritzsystem mit Verteilerplatte, und die Bewegung von Teilchen um die großen Gasblasen wird entweder verlangsamt, oder die Verbrennungsreaktion innerhalb der Gasblasen wird so lebhaft, daß die Gefahr einer Schlackenbildung größer als bei Verwendung der Verteilerplatte

ist. Dies führt zu der Möglichkeit, Verdünnungsdampf mit höheren Durchsätzen zuzuführen. Wenn ein Vergasungsmittel nahe der Einspritzdüse für die Einsatzkohle zugeführt wird, werden Gase, die durch die thermische Zersetzung des Einsatzmaterials entstehen, bevorzugt anstatt der Kohle verbrannt, und die Menge an unverbrannter Kohle wird selbst bei gleichem Durchsatz an Sauerstoff erhöht, so daß wiederum die Gefahr einer Senkung des Vergasungs-Wirkungsgrads besteht.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist bei einem Wirbelschicht-Kohlevergasungsreaktor mit Verteilerplatte die Zufuhr von Überschußdampf als Verdünnungsmittel erforderlich, um die Schlackenbildung zu verhindern. In einem Kohle-Wasser-Brei, beidem die Einsatzmaterialzufuhr vereinfacht ist, wird für die Verdampfung oder Erwärmung des Wassers im Vergasungsreaktor viel Wärme verbraucht, wodurch die Reaktortemperatur und der Vergasungs-Wirkungsgrad herabgesetzt werden. Wenn der Durchsatz von Verdünnungsdampf im Fall der Aufgabe von Wasser-Kohle-Brei in den Vergasungsreaktor verringert werden kann, kann man mit einer Steigerung des Vergasungs-Wirkungsgrads rechnen. Wenn der Durchsatz von Verdünnungsdampf ohne die Ausbildung von Schlacken auch bei Zufuhr von Trockenkohle oder einer Aufschlämmung von Kohle in einer schweren Erdölfraktion od. dgl. anstelle des Wasserbreis verringert werden kann, ist ebenfalls eine Steigerung des Vergasungs-Wirkungsgrads zu erwarten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der bei Wirbelschicht-Kohlevergasungsreaktoren auftretenden Nachteile unter Bereitstellung einer Einrichtung zur Wirbelschicht-Kohlevergasung, die mit hohem Vergasungs-Wirkungsgrad arbeitet.

Die Einrichtung nach der Erfindung zum Vergasung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial ist gekennzeichnet durch einen Wirbelschicht-Vergasungsreaktor, dessen Innendurchmesser von unten nach oben allmählich zunimmt, eine erste Düse im unteren Reaktorabschnitt, durch die ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel in den Reaktor eingeblasen wird, eine Verteilerplatte,

durch die das aus der ersten Düse austretende Vergasungsmittel in eine Wirbelschicht eingeblasen wird und die in einem unteren Teil des Vergasungsreaktors und oberhalb der ersten Düse angeordnet ist, und zweite Düsen, durch die kohlenstoffhaltiges Einsatzmaterial zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in die Wirbelschicht eingeblasen wird und die auf mittlerer Höhe in der Wirbelschicht angeordnet sind.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Einflüsse der Umsetzungstemperatur und der Art und Weise der Einblasung eines Vergasungsmittels auf die Kohlenwasserstoffgas-Ausbeute zeigt, wenn ein Wasser-Kohle-Brei in einer Wirbelschicht vergast wird;

Fig. 2 ein der Fig. 1 ähnliches Diagramm, wobei ein

Kohlebrei in einer schweren Erdölfraktion wirbelschichtvergast wird;

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Düsenvorrichtung, wenn ein Vergasungsmittel durch Düsen eingeblasen wird;

Fig. 4 einen Querschnitt A-A nach Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines konventionellen Vergasungsreaktors, dem ein Vergasungsmittel nur durch eine Verteilerplatte zugeführt wird;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines konventionellen Vergasungsreaktors ähnlicher Form wie in Fig. 5, wobei ein Vergasungsmittel durch andere als die Einsatz-Aufgabedüsen eingeblasen wird; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Kohlevergasungsreaktors nach der Erfindung .

Es wurden ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt im Hinblick auf die Einflüsse, die die Durchsätze von Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel und die Einblashöhe auf die Temperatur in einem Wirbelschicht-Vergasungsreaktor, auf die Produktgas-

Vergasungsgeschwindigkeit, den Vergasungswirkungsgrad und die Schlackenbildung haben; dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten.

(1) Wenn Sauerstoff nur durch eine Verteilerplatte eingeblasen wird und die Sauerstoffkonzentration eines Vergasungsmittels (Sauerstoff + Dampf oder Luft + Dampf) 20 Vol.-% übersteigt, besteht die Gefahr von Schlackenbildung. Wenn andererseits ein Vergasungsmittel direkt in eine Wirbelschicht eingeblasen wird, die sich im Fließzustand befindet, also in einem Zustand, in dem Kohleteilchen durch ein Vergasungsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von 20 Vol.-%, das durch eine Verteilerplatte etc. in den Vergasungsreaktor eingeblasen wird, verwirbelt werden, wurde beobachtet, daß um die Einblasdüsen herum auch dann keine Schlackenbildung stattfindet, wenn die Sauerstoffkonzentration des Vergasungsmittels bei 40-50 Vol.-% liegt. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die Teilchenbewegung in der Wirbelschichtzone oberhalb der Verteilerplatte lebhafter ist als direkt über der Verteilerplatte, so daß eine intensivere Wärmeausbreitung erzielt werden kann.

(2) Wenn ein Kohle-Wasser-Brei als Einsatzmaterial verwendet wird, bildet sich selbst dann keine Schlacke um die Aufgabedüsen des Einsatzmaterials, wenn dem Einsatzmaterialbrei nur Sauerstoff ohne Verdünnungsdampf zugeführt wird. Der Grund hierfür ist wohl, daß das Wasser im Einsatzbrei die gleiche Rolle wie der Verdünnungsdampf spielt, so daß selbst bei 100 % Sauerstoff kaum eine Schlackenbildung stattfinden würde. Unter der Annahme, daß der gesamte Wasseranteil des Einsatzbreis in Dampf umgesetzt wird, kann errechnet werden, daß dem Vergasungsreaktor ein Vergasungsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von 50 % oder höher zugeführt werden sollte.

Wenn das Einsatzmaterial zusammen mit dem Vergasungsmittel durch dieselben Düsen aufgegeben wird, würde man erwarten, daß verwertbare brennbare Gaskomponenten, die durch die thermische Zersetzung der Einsatzkohle gebildet werden, z. B. Methan etc.,

in Kontakt mit Sauerstoff gebracht und bevorzugt verbrannt und verbraucht werden; es hat sich jedoch gezeigt (vgl. Fig. 1)_r daß die Methanausbeute oder die Gesamtausbeute an Kohlenstoffgas (C₁-C₃) einschließlich Methan in der Hauptsache durch die Wirbelschichttemperatur und weniger durch die An- oder Abwesenheit von durch die Düsen eingeblasenem Sauerstoff beeinflußt wird. In Fig. 1 bedeuten die schwarzen Punkte und die schwarzen Dreiecke die Injektion von Einsatzmaterial und Sauerstoff durch dieselben Düsen, und die weißen Punkte und weißen Dreiecke bedeuten die Injektion des Einsatzmaterials und des Sauerstoffs durch getrennte Düsen. Es scheint, daß der durch die Düsen eingeblasene Sauerstoff zur Verbrennung und Vergasung von Kohle als Wirbelschichtteilchen beiträgt, wodurch die Wirbelschichttemperatur in der Einblaszone erhöht und in wirksamer Weise die thermische Zersetzung des Einsatzmaterials unterstützt und die Erzeugung von Teer als Nebenprodukt unterdrückt wird.

Fig. 2 zeigt Kohlenwasserstoffgasausbeuten, wenn als Einsatzmaterial ein Brei aus Kohle in einer schweren Erdölfraktion vergast wird. Bei der Vergasung eines Kohle-Schwererdölfraktion-Breis muß das Einsatzmaterial in die Wirbelschicht eingeführt werden, während am Austrittsende der Düse das geförderte Einsatzmaterial zerstäubt wird, und als Zerstäubungsmittel wird normalerweise Dampf eingesetzt. Die schwarzen Punkte in Fig. 2 bedeuten die Vermischung von Sauerstoff mit dem Zerstäubungsdampf (die übrigen Zeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1), und es wurde in diesem Fall ebenso wie vorher im wesentlichen kein Verbrauch von Kohlenwasserstoffgas durch die Sauerstoffeinblasung beobachtet.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, wird die Ausbeute an Kohlenwasserstoffgas durch die Umsetzungstemperatur bestimmt, und die Gesamtsumme an Kohlenwasserstoffgasen (C₁-C^) ist bei 700-800 ⁰C am höchsten, während Methangas bei ca. 800 ⁰C seinen Höchstwert hat. Dies zeigt, daß die Bildung von Methan durch Abbrechen von Kohlenwasserstoffketten mit steigender Temperatur

aktiver wird, aber die Dampfreformierung von Methan wird mit stark steigender Temperatur unterstützt und resultiert in einer Verringerung der Methangasausbeute.

Aus den vorstehend aufgeführten Punkten (1) und (2) ist ersichtlich, daß bei höherer Sauerstoffkonzentration und Einblasung des Sauerstoffs durch Düsen kaum mehr Schlacken gebildet werden als bei Einleitung des Sauerstoffs durch eine Verteilerplatte, wenn also die Dampfinjektion geringer ist, und daß im wesentlichen überhaupt kein Verbrauch von erwünschten brauchbaren Gaskomponenten wie etwa Methan etc. beobachtet wird, auch wenn das Einsatzmaterial und das Vergasungsmittel durch einen gemeinsamen Einlaß aufgegeben werden; der Sauerstoff im Vergasungsmittel trägt eher zu einer Verbrennung und Vergasung von Wirbelschicht-Kohleprodukten um die Einblasdüsen herum sowie zu einer Steigerung der Umsetzungstemperatur bei, wodurch in wirksamer Weise die thermische Zersetzung des Einsatzmaterials unterstützt und die Erzeugung von Teer als Nebenprodukt verringert wird.

Wenn die Einsatzmaterial-Aufgabedüse und die Vergasungsmittel-Aufgabedüse eine Einheit ist, werden folgende Vorteile erzielt:

(i) Bei der Aufbereitung des Einsatzmaterials mit vorgegebenem Durchsatz, kann beim Einblasen eines Vergasungsmittels durch Düsen der Durchsatz des durch eine Verteilerplatte einzublasenden Sauerstoffs um den entsprechenden Durchsatz des durch Düsen eingeblasenen Sauerstoffs verringert werden im Vergleich mit der Einblasung des Vergasungsmittels nur durch die Verteilerplatte, und der Verdünnungsdampf kann entsprechend reduziert werden.

(ii) Bei der Aufbereitung eines Kohle-in-Wasser-Breis kann das Wasser als Trägermedium des Breis als Hemmstoff gegen eine örtliche überhitzung dienen, so daß es nicht erforderlich ist, dem durch Düsen einzublasenden Sauerstoff Verdünnungsdampf zuzusetzen. Selbst wenn Verdünnungsdampf notwendig ist, kann er

mit sehr geringem Durchsatz zugeführt werden. Das Wasser als Träger des Breis verdampft im Vergasungsreaktor und kann auch als Teilchen-Verwirbelungsgas dienen.

(iii) Im Fall der Zerstäubungsaufgabe/ was bei einem Brei aus Kohle in einer schweren Erdölfraktion der Fall ist, wird bei Zugabe von Sauerstoff zum Zerstäubungsdampf kein zusätzlicher Verdünnungsdampf benötigt. Der Sauerstoff kann sogar ebenfalls als Zerstäubungsmittel dienen, so daß es möglich ist, den Einsatz von Zerstäubungsdampf zu reduzieren.

Wie vorstehend beschrieben, kann beim Einblasen von Sauerstoff durch die Düsen eine geringere Schlackenbildung auftreten als beim Einblasen durch die Verteilerplatte, so daß es möglich ist, den Dampfdurchsatz zu verringern und in wirksamer Weise den Vergasungswirkungsgrad zu steigern. Ferner hat eine Untersuchung der Einblaswinkels der Düsen ergeben, daß die Gefahr einer Schlackenbildung weit geringer ist, wenn die Düsen so orientiert sind, daß im Vergasungsreaktor Wirbelströme erzeugt werden. Wenn an einem Vergasungsreaktor 1 vier Düsen zur Aufgabe eines Vergasungsmiteis in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind, und zwar mit einer Versetzung von 9 0 zur Reaktor-Radialrichtung und von 45° zur Reaktormitte (vgl. die Fig. 3 und 4), werden an den Düsen durch das eingeblasene Gas Wirbelströme erzeugt, so daß die Wirbelschichtteilchen mit den Geschwindigkeiten nicht nur in Vertikalrichtung, sondern auch in Umfangsrichtung beaufschlagt werden. Somit scheint es, daß die Bewegung von Teilchen stärker aktiviert und die Wärmeausbreitung unterstützt wird, so daß selbst bei hohen Sauerstoffkonzentrationen kaum Schlacken gebildet werden.

Die Sauerstoff- und Dampfdurchsätze durch die Verteilerplatte können durch Einblasen von Sauerstoff durch Düsen verringert werden (gemäß Abschnitt (i)), aber solange der Reaktordurchmesser über den gesamten Reaktor gleich ist, wird die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die entsprechende Durchsatzverringerung des Vergasungsmittels durch die Verteilerplatte gesenkt,

und die Teilchenbewegung wird ebenfalls über der Verteilerplatte vermindert, so daß die Verwirbelung schlechter wird. Wenn, wie vorstehend ausgeführt, die kinetische Energie von Teilchen reduziert wird, findet keine Wärmeausbreitung statt, auch wenn die Sauerstoffkonzentration niedrig gehalten wird, und es kann zu Schlackenbildung kommen. Es wurde gefunden, daß die Schlackenbildung dadurch verhindert werden kann, daß der Reaktordurchmesser entsprechend der Verringerung des Durchsatzes des Vergasungsmittels durch die Verteilerplatte vermindert wird, so daß ein guter Verwirbelungszustand unterhalten wird.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, wobei ein Vergleich mit konventionellen Vergasungsreaktoren stattfindet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen konventionellen Vergasungsreaktor 1 mit einer Wirbelschicht 2. Durch eine Leitung 3 wird ein Kohle-in-Wasser-Brei, der nachstehend nur als Brei bezeichnet wird, zugeführt. Düsen 4 zur Aufgabe des Breis sind vorgesehen sowie eine Verteilerplatte 8 am ünterende des Reaktors 1, und ein Vergasungsmittel, das Sauerstoff aus Leitung 5 und Dampf aus Leitung 6 umfaßt, wird in einen Raum unter der Verteilerplatte 8 in den Vergasungsreaktor 1 injiziert und gelangt weiter durch die Verteilerplatte 8 in die Wirbelschicht 2. Ein Austrag 7 für Verkohlungsprodukte und Asche ist vorgesehen, und Düsen 12 dienen zum Einblasen eines Vergasungsmittels, umfassend Sauerstoff aus Leitung 10 und Dampf aus Leitung 11, in die Wirbelschicht 2. Die Düsen 12 sind auf einer Höhe angeordnet, die etwas von derjenigen der Düsen 4 abweicht.

Gemäß Fig. 5 wird das gesamte Vergasungsmittel dem Raum unter der Verteilerplatte 8 zugeführt, und es besteht die Gefahr von Schlackenbildung über der Verteilerplatte 8. Um diese Schlackenbildung zu verhindern, muß viel Verdünnungsdampf durch die Verteilerplatte 8 zugeführt werden. Dies führt zu einer nachteiligen Verringerung des Vergasungswirkungsgrads.

Gemäß Fig. 6 wird das Vergasungsmittel durch die Verteilerplatte 8 und durch einige Düsen 12 direkt in die Wirbelschicht 2 eingeleitet, indem das Vergasungsmittel zu den Düsen 12 abgezweigt wird, wo der Vergasungswirkungsgrad gegenüber der Konstruktion von Fig. 5 zwar gesteigert werden kann, die Gasströmungsgeschwindigkeit jedoch durch die entsprechende Verminderung der Einblasmenge an Vergasungsmittel durch die Verteilerplatte 8 vermindert wird; wenn die Sauerstoffkonzentration des Vergasungsmittels durch die Verteilerplatte 8 nur geringfügig gesteigert wird, d. h. wenn der Dampfdurchsatz vermindert wird, besteht die Gefahr der Schlackenbildung. Dies ist der Nachteil des Vergasungsreaktors von Fig. 6.

Der^Vergasungsreaktor nach Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die vorgenannten Nachteile beseitigt sind.

Am ünterende eines Wirbelschicht-Vergasungsreaktors 1 ist eine Verteilerplatte 8 angeordnet, und Düsen 9 zur gleichzeitigen Injektion von Brei aus Leitung 3, Sauerstoff aus Leitung 10 und Dampf aus Leitung 11 sind auf mittlerer Höhe der Wirbelschicht 2 angeordnet. Der Vergasungsreaktor 1 ist so ausgebildet, daß sein Innendurchmesser von unten nach oben allmählich zunimmt. Sauerstoff als Vergasungsmittel aus Leitung 5 sowie Verdünnungsdampf aus Leitung 6 werden durch die Verteilerplatte 8 zugeführt, und Sauerstoff aus Leitung 10 und Dampf aus Leitung 11 werden ferner durch die Düsen 9 eingeblasen.

Ein guter Wirbelschichtzustand kann dadurch erreicht werden, daß der Reaktordurchmesser am Unterende des Vergasungsreaktors 2 so verengt ist, daß eine Geschwindigkeit aufrechterhalten wird, die das 3-5fache der Fluidisations-Auslösegeschwindigkeit (Umf; Leerreaktor-Basis) von Wirbelschichtteilchen (Verkohlungsteilchen) beträgt im Hinblick auf den Durchsatz des Vergasungsmittels durch die Verteilerplatte 8 und die Durchsätze von Gas und Wasser als Trägermedium des Breis durch die Düsen gemäß Fig. 7, und die Schlackenbildung unmittelbar über der

Verteilerplatte 8 oder um die Düsen kann dadurch vermieden werden. Ferner kann eine Temperaturabnahme infolge der Verdampfung von Trägerwasser um die Düsen verhindert werden. Wenn die Düsen 9 entsprechend Fig. 3 so angeordnet sind, daß Wirbelströme erzeugt werden, werden an den Austrittsenden der Düsen auch dann keine Schlacken gebildet, wenn 0,4 kg Sauerstoff je kg Wasserbrei mit einem Kohleanteil von 65 Gew.-% injiziert wird. Wenn die Düsen 9 in Mittenrichtung und nicht zur Bildung von Wirbelströmen angeordnet sind, besteht die Gefahr einer Schlackenbildung um die Düsen 9, wenn Sauerstoff mit einem Durchsatz von wenigstens 0,32 kg/kg Wasserbrei zugeführt wird. Es scheint, daß die Bewegung von Teilchen um die Düsen 9 geringere Aktivität als bei der Anordnung der Düsen zur Bildung von Wirbelstromen aufweist.

Die Ergebnisse von Vergasungsversuchen in den genannten Vergasungsreaktortypen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

•'TABELLE

	' Vergleichsbeicpiel (konventionell)"'	2	• Fig. 5	⁰I⁹	3	■4	0_n6	Erfindungs beispiel	2	Fig! 7	0,3 0,6 ·
Vergasung sr eaktor-Typ	1	0,7	1,6	Fig. 6	¹I³	1	M °r⁵,	0,7 '
Sauer stoff durchs, (kg Ag Kohle) Ver teiierplatte Er eiau fgatedüsen	1,6	740		7.8 0	°:⁹	880
Dampf durchs. (kgAg Kohle) Ver teilerplatte Breiaufgabedüsen	710	7,6	1,6	8,5	860	7,6
Reaktor tempera tür ( C)	-.6,2	.55	750	62	8_T0	' 70
Methanausbeute (Gew. -%) bezogen auf Kohle ·	43	•ja	8,2	ja	68	nein
Vergas irg s-Wirkung sgrad (Kaltgas-Wirkungsgrad, %)	nein	59	nein
Schlackenbildung . ·	nein ·

Bei diesen Versuchen wurde ein Wasserbrei mit einem Anteil von 60 Gew.-% an subbituminöser Kohle japanischer Erzeugung eingesetzt.

Im Vergleichsbeispiel 1 mit dem konventionellen Vergasungsreaktor nach Fig. 5 erfolgte keine Schlackenbildung bei einem Sauerstoffdurchsatz von 0,7 kg/kg Kohle und einem Dampfdurchsatz von 1,6 kg/kg Kohle; nach Steigerung des Sauerstoffdurchsatzes auf 0,9 kg/kg Kohle entsprechend Vergleichsbeispiel 2 fand jedoch eine Schlackenbildung an der Verteilerplatte 8 statt. Die Vergasungs-Wirkungsgrade (Kaltgas-Wirkungsgrad, Produktgas-Heizwert/Einsatzmaterial-Heizwert) betrugen nur 43 % bzw. 55 %, und die Methanausbeute betrug 6,2 % bzw. 7,6 %.

Im Vergleichsbeispiel von Fig. 6 war der Sauerstoffdurchsatz 0,9 kg/kg Kohle wie im Vergleichsbeispiel 2, und der Sauerstoff wurde durch die Verteilerplatte 8 mit einem Durchsatz von 0,6 kg/kg Kohle und durch die Düsen 12 mit einem Durchsatz von 0,3 kg/kg Kohle aufgegeben. Dampf wurde nicht durch die Düsen 12, sondern nur durch die Verteilerplatte 8 mit einem Durchsatz von 1,6 kg/kg Kohle aufgegeben, wobei die Durchsätze von Sauerstoff als Vergasungsmittel und Dampf gleich denjenigen des Vergleichsbeispiels 2 waren; es erfolgte jedoch keine Schlakkenbildung um die Düsen 12 und über der Verteilerplatte 8, und der Temperaturverlust um die Düsen 4 für die Breizufuhr war gering, so daß der Vergasungs-Wirkungsgrad auf 59 % gesteigert wurde. Bei Verringerung des Dampfdurchsatzes durch die Verteilerplatte 8 auf 1,3 kg/kg Kohle entsprechend Vergleichsbeispiel 4 wurde jedoch Schlackenbildung beobachtet.

Bei dem Vergleichsbeispiel 2 erfolgte eine Schlackenbildung bei einem Durchsatz von Sauerstoff als Vergasungsmittel von 0,9 kg/kg Kohle durch die Verteilerplatte 8 und von Dampf mit 1,6 kg/kg Kohle, d. h., bei einer Sauerstoffkonzentration von 24 Gew.-%, wogegen bei dem Vergleichsbeispiel 4 Schlackenbildung bei einem Sauerstoffdurchsatz von 0,6 kg/kg Kohle und einem Dampfdurchsatz von 1,3 kg/kg Kohle, also bei einer Sauer-

Stoffkonzentration von 20,6 Vol.-%, erfolgte. Damit ergibt sich bei dem Vergasungsreaktor von Fig. 6 keine Schlackenbildung bei demselben Dampfdurchsatz wie im Vergasungsreaktor von Fig. 5 (1,6 kg/kg Kohle) selbst bei Zufuhr von mehr Sauerstoff, aber soweit das Vergasungsmittel durch die Verteilerplatte 8 betroffen ist, wird Sauerstoff durch die Verteilerplatte 8 mit um die Verminderung des Sauerstoffdurchsatzes geringerem Durchsatz als in Fig. 5 zugeführt, d. h., um die entsprechende Verminderung des Sauerstoffdurchsatzes gegenüber demjenigen durch die Düsen 12, und es war eigentlich zu erwarten, daß der Dampfdurchsatz dementsprechend vermindert werden könnte; tatsächlich erfolgte jedoch eine Schlackenbildung, wenn nicht der Dampfdurchsatz höher als der erwartete reduzierte Dampfdurchsatz gemacht wurde. Der Grund ist die Verringerung der Gasgeschwindigkeit in der Zone über der Verteilerplatte 8 durch die entsprechende Verringerung des Sauerstoff- und des Dampfdurchsatzes durch die Verteilerplatte 8, so daß der Wirbelschichtzustand der Kohleteilchen verschlechtert wurde und somit eine Schlackenbildung erfolgte, wenn nicht die Sauerstoffkonzentration etwas vermindert wurde.

Andererseits wurden in dem Vergasungsreaktor nach Fig. 7 keine Schlacken gebildet, wenn der Sauerstoff durch die Verteilerplatte 8 mit einem Durchsatz von 0,5 kg/kg Kohle und durch die Einsatzbrei-Aufgabedüsen 9 mit einem Durchsatz von 0,4 kg/kg Kohle aufgegeben wurde, d. h. also mit insgesamt demselben Sauerstoffdurchsatz von 0,9 kg/kg Kohle wie in Vergleichsbeispiel 3, und zwar auch dann, wenn der Dampfdurchsatz durch die Verteilerplatte 8 auf 0,9 kg/kg Kohle vermindert wird. Es ist ersichtlich, daß die Reaktortemperatur um mehr als 100 C erhöht und auch der Vergasungs-Wirkungsgrad- gegenüber demjenigen der Vergleichsbeispiele 2 und 4 um ca. 10 % gesteigert wurde infolge der Verminderung des Dampfdurchsatzes um 60-45 % gegenüber demjenigen der Vergleichsbeispiele 2 und 4.

In Beispiel 2 wurde der Sauerstoffdurchsatz durch die Düsen 9 gesteigert, wogegen derjenige durch die Verteilerplatte 8 verringert wurde, und der Dampfdurchsatz durch die Verteilerplatte 8 wurde dementsprechend vermindert; es fand jedoch keine Schlackenbildung statt. Die Reaktortemperatür wurde um die entsprechende weitere Verminderung des Dampfdurchsatzes erhöht, und auch der Vergasungs-Wirkungsgrad wurde gesteigert.

Bei der Wirbelschicht-Kohlevergasung kann die Verbrennungszone für Kohle als fluidisierte Teilchen dadurch erweitert werden, daß der Reaktordurchmesser im unteren Abschnitt der Wirbelschicht verengt wird, wodurch der Durchmesser der Verteilerplatte vermindert wird, und indem ein sauerstoffhaltiges Gas als Vergasungsmittel durch die EinsatzmateriSl-Aufgabedüsen oder durch andere Düsen, die auf mittlerer Höhe der Wirbelschicht angebracht sind, eingeleitet wird; dadurch kann eine lokale Überhitzung unterdrückt und die Temperatur innerhalb der gesamten Wirbelschicht erhöht werden.

Ferner kann die Vergasungsumsetzung von Kohle unterstützt und dadurch die der fühlbaren Wärme des Produkts entsprechende Wärmemenge verringert werden, was in hohem Maße zu einem besseren Vergasungs-Wirkungsgrad und einer erheblichen Senkung des Energieverbrauchs für die Dampferzeugung beiträgt. Weiter kann die Düsenvorrichtung gemäß der Erfindung entweder Sauerstoff alleine bei Aufgabe der Kohle in Form eines Wasserbreis oder Sauerstoff im Gemisch mit dem Zerstäubungsdampf zuführen, wenn die Kohle in Form eines Breis in einer schweren Erdölfraktion zugeführt wird, und somit kann durch die Düsen zuzuführender Dampf zur Verdünnung des Sauerstoffs im wesentlichen überflüssig gemacht werden. Wenn dem Vergasungsreaktor Trockenkohle zugeführt wird, muß zwar der Sauerstoff mit Dampf verdünnt werden, aber der Dampfdurchsatz kann geringer sein, wenn Sauerstoff durch die Verteilerplatte zugeführt wird.

-- Z

Eine weitere Auswirkung, die sich bei Aufgabe von Kohle zusammen mit einem Vergasungsmittel in die Wirbelschicht ergibt, ist die Verhinderung einer Verkokung um die Einsatzmaterial-Aufgabedüsen. Wenn z. B. Kohle als Brei in einer schweren Erdölfraktion aufgegeben wird, kann die Aufbereitungskapazität je Volumeneinheit des Vergasungsreaktors dadurch gesteigert werden, daß der Reaktordruck erhöht wird; dabei ergeben sich jedoch die Nachteile, daß bei erhöhter Belastung pro Aufgabedüse die Wirbelschichttemperatur um die Düsen abfallen kann oder daß feuchte Teilchen koagulieren und grobe Aggregate bilden oder in feuchtem Zustand auf die Gegenwandung auftreffen unter Bildung von kohlenstoffhaltigen Klumpen. Wenn dem Zerstäubungsdampf Sauerstoff zugemischt wird, wird auch unter solchen Bedingungen das Wirbelschicht-Verkohlungsprodukt um die Einsatzmaterial-Aufgabedüsen herum verbrannt, so daß ein Temperaturabfall vermieden wird. Es gibt also im wesentlichen keinen feuchten Zustand, und eine Verkokung kann in wirksamer Weise verhindert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Vergasung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial,

gekennzeichnet durch einen Wirbelschicht-Vergasungsreaktor (1), dessen Innendurchmesser ;s?on unten nach oben allmählich zunimmt, eine erste Düse im unteren Reaktorabschnitt, durch die ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel in den Reaktor eingeblasen wird,

eine Verteilerplatte (8), durch die das aus der ersten Düse austretende Vergasungsmittel in eine Wirbelschicht (2) eingeblasen wird und die in einem unteren Teil des Vergasungsreaktors oberhalb der ersten Düse angeordnet ist, und zweite Düsen (9), durch die kohlenstoffhaltiges Einsatzmaterial zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in die Wirbelschicht eingeblasen wird und die auf mittlerer Höhe in der Wirbelschicht (2) angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Düsen (9) so angeordnet sind, daß die durch sie eingeblasenen Strahlen Wirbelströme entlang dem Wirbelschichtumfang bilden.

81-A9308-02-Schö

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffdurchsatz durch die zweiten Düsen (9) höher als derjenige durch die Verteilerplatte (8) ist.