DE3537758A1

DE3537758A1 - Verfahren zur erzeugung von co- und h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-haltigem gas und vorrichtung zu dessen durchfuehrung

Info

Publication number: DE3537758A1
Application number: DE19853537758
Authority: DE
Inventors: Gero Dr Papst; Rolf Dr Hauk; Walter Dr Maschlanka
Original assignee: Korf Engineering GmbH
Current assignee: Deutsche Voest Alpine Industrieanlagenbau GmbH
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1985-10-21
Publication date: 1987-04-23
Also published as: DE3537758C2; BR8605125A; AU6386286A; ZA867628B; US4865626A; AU595247B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Zur Erzeugung von CO- oder H₂-haltigen Gasen sind verschiedene Verfahren bekannt. Beim sogenannten Hochtemperatur-Winkler (HTW)-Verfahren wird vorzugsweise Braunkohle in einem Wirbelbett unter Druck vergast. Hierbei wird die Braunkohle über ein Schleusensystem auf Vergaserdruck gebracht und dann in den unteren Teil des Vergasers eingetragen und vergast. Der Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß bei relativ niedrigen Temperaturen vergast wird und die Kohleasche trocken ausgetragen wird. Dadurch ist der Anteil an CO und H₂ im erzeugten Gas in der Regel nicht so hoch, daß das Gas ohne Nachbehandlung weiterverwendet werden kann.

Ferner kommt es zu Anbackungen und Agglomerationen von teigigen Aschepartikeln und zu Schwierigkeiten beim Ascheaustrag. Das Verfahren ist hauptsächlich für hochflüchtige, hochreaktive Kohlen geeignet. Bei niederflüchtigen Kohlen sinkt der Kohleumsatz stark ab.

Beim sogenannten Shell-Koppers Prozeß erfolgt eine autotherme Vergasung von Kohlenstaub mit Sauerstoff bzw. Luft und Wasserdampf. Hierzu werden der Kohlenstaub und die Vergasungsmittel im Gleichstrom in den Reaktor eingeführt. Die Vergasung findet unter Druck und unter verschlackenden Bedingungen statt. Hierbei werden Temperaturen über 1400°C und Drücke im Bereich zwischen 20-40 bar angestrebt.

Nachteilig ist hierbei, daß die Kohle staubförmig aufgemahlen werden muß und dadurch zusätzliche Kosten entstehen. Als äußerst schwierig hat sich weiterhin die Dosierung der Kohle erwiesen, da bei diesem Verfahren Kohle und Sauerstoff stöchiometrisch zugegeben werden müssen, um eine optimale Gasqualität bzw. einen hohen Kohlenstoffumsatz zu erreichen.

Aus der DE-OS 27 50 725 ist ein Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen CO und H₂ enthaltenden Gases durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einer Schmelze, in welche der Brennstoff sowie mindestens ein oxidierendes Vergasungsmittel eingeführt werden, bekannt. Bei diesem Verfahren kann der Brennstoff ebenfalls nicht in grobkörnigem Zustand in die Schmelze gegeben werden, sondern muß zunächst aufgemahlen werden. Bei diesem Verfahren ergeben sich hinsichtlich der stöchiometrischen Zugabe ähnliche Nachteile wie beim Shell-Koppers Prozeß. Weiterhin ist das Verfahren auf die Verwendung von niederflüchtigen Kohlen begrenzt, da es sonst zu starken Auswurferscheinungen bzw. zu starkem Temperaturabfall in der Schmelze kommt.

Aus der DE-PS 10 17 314 schließlich ist ein Verfahren zur Erzeugung von Brenngasen, insbesondere Synthesegasen, aus staubförmigen bis grobkörnigen Brennstoffen bekannt, bei dem sich die Brennstoffschicht durch die Vergasungsmittel in auf und ab wirbelnder Bewegung befindet und die Vergasungsrückstände flüssig abgezogen werden. Die endotherm reagierenden Vergasungsmittel werden in den oberen Teil und die exotherm reagierenden Vergasungsmittel in den unteren Teil der Brennstoffschicht des Gaserzeugers eingeführt. Der frische Brennstoff wird entweder oberhalb der Einführungsstelle der endotherm reagierenden Vergasungsmittel oder zwischen den Einführungsstellen der exotherm und der endotherm reagierenden Vergasungsmittel in den Gaserzeuger eingegeben. Der Einsatz von verschiedenen Vergasungsmitteln und die Zufuhr der Kohle in die Wirbelschicht führt zu erheblichen Einschränkungen hinsichtlich der Verwendbarkeit der Kohle. Wenn Kohle mit einem hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen und/oder Feuchtigkeit eingebracht wird, erhält man eine relativ starke Abkühlung im unteren Teil des Vergasers, was zu einer Behinderung des flüssigen Schlackeaustrags führt. Daher ist man auf die Verwendung bestimmter hochqualitativer Kohlesorten beschränkt. Weiterhin hat das erzeugte Gas durch Zufuhr von endothermen Vergasungsmitteln einen für Reduktionszwecke zu hohen Gehalt an CO₂ und gegebenenfalls H₂O; es wird beispielsweise folgende Zusammensetzung angegeben:
10% CO₂; 50% CO; 36% H₂; 0,5% CH₄; 3,5% N₂.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von CO- und H₂- haltigem Gas aus staubförmiger bis grobkörniger Kohle mit geringen Anteilen an CO₂ und H₂O in einer Wirbelschicht eines Vergasers, der durch verschiedene Einlaßöffnungen im Vergaser Kohle und exotherm reagierende Vergasungsmittel zugeführt werden, derart, daß die exotherm reagierenden Vergasungsmittel im wesentlichen in den unteren Teil der Wirbelschicht eingeführt werden, anzugeben, das mit staubförmiger bis grobkörniger Kohle unterschiedlicher Qualität betrieben werden kann und bei dem eine hohe Wärmeausnutzung erfolgt und die Schlacke flüssig abgezogen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bevorzugte Vorrichtungen zu dessen Durchführung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kohle im Gegenstrom zu dem aus der Wirbelschicht abgeführten Gas zur Wirbelschicht hin befördert wird. Beim Eintritt der Kohle in den Beruhigungsraum des Vergasers oberhalb der Wirbelschicht erfolgt eine spontane Trocknung und Entgasung der Kohleteilchen, so daß sie unabhängig von ihrem Ausgangszustand die für die Vergasung in der Wirbelschicht geeigneten Eigenschaften erhält. Die endothermen Vorgänge bewirken einen Temperaturabfall im oberen Teil der Wirbelschicht und gewährleisten, daß nur die Bestandteile der Kohle in den unteren Teil der Wirbelschicht gelangen, die eine hohe Vergasungstemperatur bewirken.

Auf diese Weise ist ein flüssiger Schlackenabzug jederzeit sichergestellt. Die Kohle wird vom entgegenströmenden Gas aufgewärmt, so daß auch ein hoher Wärmeausnutzungsgrad erzielt wird.

Auch die Wirbelschichthöhe hat einen starken Einfluß auf den CO₂-Gehalt des erzeugten Gases. Bei Reduzierung der Wirbelschichthöhe steigt die Temperatur im Kopf des Vergasers, da das vor den Sauerstoffeinblasdüsen erzeugte Gas beim Austritt aus der Wirbelschicht eine höhere Temperatur besitzt. Wird jedoch die Wirbelschichthöhe zu niedrig gewählt, kann der CO₂-Gehalt des Gases ansteigen, da die Verweilzeit des vor den Sauerstoffeinblasdüsen gebildeten CO₂ in der Wirbelschicht zu kurz ist, um sich wieder in CO umzusetzen. Es wird daher eine optimale Wirbelschichthöhe angestrebt, die im Bereich zwischen 1 und 5 m, vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 m liegt.

Von wesentlicher Bedeutung ist auch die Leerrohrgeschwindigkeit des erzeugten Gases im Vergaser. Eine Erhöhung der Leerrohrgeschwindigkeit führt zu einem höheren Wärmeaustausch zwischen der heißen Zone vor den Sauerstoffeinblasdüsen und dem oberen Teil der Wirbelschicht. Diese Wärme wird auch in den Vergaserkopf übertragen, so daß die Temperatur des Gases erhöht und damit dessen CO₂-Gehalt gesenkt wird. Allerdings darf die Leerrohrgeschwindigkeit nicht zu hoch gewählt werden, da sonst die Mitnahme von festen Teilchen aus dem Vergaser zu stark wird. Es ist daher zweckmäßig, daß die Leerrohrgeschwindigkeit des erzeugten Gases in der Wirbelschicht auf einen Wert im Bereich zwischen 0,2 m/2 und 1,4 m/s, vorzugsweise zwischen 0,6 m/s und 0,8 m/s eingestellt wird.

Ebenso führt eine Verringerung des mittleren Korndurchmessers der Kohle zu einem größeren Wärmeaustausch zwischen dem unteren heißen Teil der Wirbelschicht und den darüberliegenden kälteren Zonen. Es kann daher vorteilhaft sein, für Kohle mit unterschiedlichen Gehalten an flüchtigen Bestandteilen unterschiedliche Korngrößen zu wählen.

Um im Vergaser eine optimale Temperaturverteilung und damit einen niedrigen CO₂-Gehalt im Gas zu erhalten, sollten in Abhängigkeit von dem Gehalt an Flüchtigen in der Kohle folgende Korngrößen vorzugsweise eingesetzt werden:

bis 20% Flüchtige ca. 0-10 mm
20-30% Flüchtige ca. 0-20 mm
30-40% Flüchtige ca. 0-30 mm
40-50% Flüchtige ca. 0-40 mm

Um den Bereich der verwendbaren Kohlen zu erweitern, kann es bei extrem schlechten Kohlequalitäten vorteilhaft sein, das Vergasungsmittel durch einen Plasmabrenner vorzuwärmen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, rückgeführtes Prozeßgas auf diese Weise vorzuwärmen und zum Wärmeeintrag in den Vergaser zu benutzen.

Eine Herabsetzung der Feuchtigkeit der zugeführten Kohle um 1% führt zu einer Temperaturerhöhung im Vergaserkopf von etwa 30°C, was ebenfalls eine entsprechende Senkung des CO₂-Gehaltes bedeutet. Daher ist es vorteilhaft, Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 2-7%, vorzugsweise 4-5% zuzuführen. Hierzu kann gegebenenfalls in die Anlage eine Kohletrocknungsvorrichtung integriert sein.

Es ist bekannt, daß bei der Wirbelschichtvergasung eine große aus Feinkoks bestehende Staubmenge mit dem Gas aus dem Vergaser ausgetragen und in einem Zyklon abgeschieden wird. Um die Abgastemperatur und damit die Gasqualität des Vergasers zu beeinflussen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Staub mittels zurückgeführtem Prozeßgas einem Brenner zuzuführen und mittels Sauerstoff zu vergasen. Durch Wahl einer geeigneten Sauerstoffmenge und Festlegung der Einblashöhe im Vergaser kann die Gasqualität optimiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vergaser in vereinfachter Querschnittsdarstellung, und

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform des Vergaserkopfes.

In den Vergaser mit einem Wirbelschichtbereich 1 und einem Beruhigungsraum 2 wird stückige Kohle über ein Fallrohr 13 und einen oder mehrere im Vergaserkopf befindliche Einlässe 3 eingebracht. Die Kohle kann sowohl fein als auch grobkörnig sein. Die Kohle gelangt durch den Beruhigungsraum 2 in den Wirbelschichtbereich 1 und wird in diesem mit Hilfe von in einen Bereich 4 unterhalb des Wirbelschichtbereiches 1 über einen oder mehrere Einlässe 5 eingeblasenem, von einer Sauerstoffquelle 6 geliefertem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas vergast.

In Bodennähe des Vergasers befindet sich eine Abzugsstelle 9 für flüssige Schlacke.

Das aus dem Wirbelschichtbereich 1 austretende und durch den Beruhigungsraum 2 im Gegenstrom zur Kohle strömende Gas wird zu einem Auslaß 10 geführt.

Etwaiger mit dem Gas in Form von Staub mitgeführter Feinkoks wird in einem Heißzyklon 11 abgeschieden und über eine Leitung 12 mit Fördergas in den Vergaser zurückgeführt. Das Fördergas wird über eine Leitung 7 zugeführt. Die Vergasung des Staubes erfolgt mittels über eine Leitung 8 zugeführten Saurstoffes.

Durch die Gegenströmung von Kohle und Gas erfolgt im Beruhigungsraum 2 eine innige Vermischung zwischen diesen, wodurch eine Vorwärmung und Trocknung sowie Entgasung der Kohle stattfindet und auch ein Teil des im Gas befindlichen CO₂ mit dem Kohlenstoff der Kohle unter Bildung von CO reagiert.

Damit wird der Anteil der reduzierenden Bestandteile im Gas erhöht und der Anteil der oxidierenden Bestandteile verringert. Das im Heißzyklon 11 gereinigte Gas ist daher insbesondere für Reduktionsvorgänge geeignet.

Die Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Vergaserkopfes im Bereich des Kohleeinlasses. Auf den Vergaser ist hier eine Kappe 14 aufgesetzt, in die die Kohle mittels einer Schnecke 15 transportiert wird, bevor sie in den Vergaser fällt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von CO- und H₂- haltigem Gas aus staubförmiger bis grobkörniger Kohle in einer Wirbelschicht eines Vergasers, der durch verschiedene Einlaßöffnungen im Vergaser Kohle und exotherm reagierende Vergasungsmittel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle im Gegenstrom zu dem aus der Wirbelschicht (1) abgeführten Gas zur Wirbelschicht (1) hin befördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wirbelschicht mit einer Höhe im Bereich zwischen 1,0 und 5,0 m, vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 m erzeugt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerrohrgeschwindigkeit des erzeugten Gases in der Wirbelschicht auf einen Wert im Bereich zwischen 0,2 m/s und 1,4 m/s, vorzugsweise zwischen 0,6 m/s und 0,8 m/s eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße der verwendeten Kohle so gewählt wird, daß sie mit steigendem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen ebenfalls ansteigt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 2-7%, vorzugsweise 4-5% zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem erzeugten Gas in einem Zyklon abgeschiedene Staub oberhalb der Wirbelschicht in den Vergaser zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem erzeugten Gas in einem Zyklon abgeschiedene Staub in die Wirbelschicht des Vergasers zurückgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärmung der Vergasungsmittel und/oder von zurückgeführtem Prozeßgas ein Plasmabrenner benutzt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fallrohr (13) für die Zuführung der Kohle in den Dom des Vergasers mündet.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohleeinlaß in den Vergaser mit einer auf den Vergaser aufgesetzten Kappe (14) verbunden ist.