DE3617773C2

DE3617773C2 - Verfahren und Reaktor zum Vergasen von Kohle mit hohem Feuchtigkeits- und Aschegehalt

Info

Publication number: DE3617773C2
Application number: DE19863617773
Authority: DE
Inventors: Hermanus Marie Henricus Wechem; Charles Victor Sternling
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-27
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2006-05-28
Also published as: GR861407B; TR23780A; ES555345A0; CN86103455A; ES8707283A1; CN1010028B; AU5794686A; AU577698B2; DE3617773A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor zum Erzeugen von Synthesegas aus Kohle. Insbesondere ist der Reaktor so gestaltet, daß Kohle mit hohem Feuchtigkeitsgehalt und hohem Aschegehalt verwendet werden kann, beispielsweise Braunkohle oder Texas-Lignit. Reaktoren zum Erzeugen von Synthesegas aus Kohle sind zwar bekannt und werden seit vielen Jahren verwendet, jedoch ergeben sich mehrere Probleme, wenn Kohle verwendet wird, die hohen Feuchtigkeitsgehalt und hohen Aschegehalt hat. Der hohe Gehalt an Feuchtigkeit und Asche führt zur Bildung einer großen Menge von Schlacke und zu niedrigen Betriebstemperaturen. Daher besteht das Be streben der Schlacke, den Schlackenauslaß des Reaktors zu blockieren bzw. zu verstopfen. Dies zwingt natürlich zum Stillsetzen des Reaktors, bis die Schlackenöffnung freigemacht werden kann. Es sind zwar verschiedene Versuche unternommen worden, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit welcher die oben genannten Probleme gelöst werden, jedoch waren diese Versuche nicht immer erfolgreich.

Beispielsweise existiert ein System, bei welchem ein Bauteil periodisch aufwärts durch die Schlackenabscheideöffnung be wegt und dann zurückgezogen wird, um die Öffnung freizuhalten. Wenn auch hiermit das genannte Problem gelöst werden könnte, führt dieses System zu einem komplizierteren Mechanismus, der selbstverständlich zu der Möglichkeit eines Versagens führt.

Die DE 34 11 268 A1 beschreibt einen Kohlevergaser und ein Verfahren zum Vergasen von Kohle, bei denen zweistufige Reaktionen in einer einzigen Vergasungszone durchgeführt werden, wobei Kohle und ein Vergasungsmittel durch obere Brenner an einem senkrecht über der Mitte der Vergasungszone gelegenen Oberteil und durch untere Brenner an einem unter der Mitte der Vergasungszone gelegenen Unterteil zugeführt werden. Dadurch wird die Wirbelströmung bzw. das Mengenverhältnis von Vergasungsmittel zu Kohle an den unteren Brennern größer als an den oberen Brennern, wobei der Wirbeldurchmesser, der durch die von den oberen Brennern eingespritzte Kohle mit Vergasungsmittel gebildet wird, größer als der durch die unteren Brenner gebildete Wirbeldurchmesser ist. Dabei wird z. B. ein Mengenverhältnis von 0/1 bis 0,65/1 kg/kg im Oberteil der Vergasungszone und ein Mengenverhältnis von 0,9/1 bis 1,6/1 kg/kg im Unterteil angegeben. Durch die Einstellung bestimmter Wirbeldurchmesser im oberen und unteren Bereich der Vergaserkammer können jeweils bestimmte Verweilzeiten im den jeweiligen Bereichen erreicht werden.

Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einen Reaktor zu schaffen, bei denen die oben geschilderten Nachteile nicht auftreten. Weiterhin ist es ein Zweck der Erfindung, ein Verfahren und einen Reaktor zu schaffen, durch welche das Einbringen bzw. Zünden des in den Reaktor eingebrachten Gemisches aus Kohle und Sauerstoff derart gesteuert wird, daß in bequemer Weise die Möglichkeit vermieden wird, daß die Schlacke kondensiert und die Schlackenöffnung blockiert wird.

Die Erfindung schafft dazu ein Verfahren und einen Reaktor zum Vergasen von Kohle mit hohem Feuchtigkeitsgehalt und hohem Aschegehalt gemäß den Ansprüchen 1 und 4.

Die Unteransprüche 2 und 3 sowie 5 und 6 beschreiben bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Reaktors.

Vorteilhafterweise weist der Reaktor gemäß der Erfindung dabei ein zylindrisches Reaktorgefäß mit einer Mehrzahl von Brenneröffnungen auf, die rund um seinen Umfang angeordnet sind. Insbesondere sind die Brenner in zwei Gruppen unterteilt, von denen eine Gruppe von Brenneröffnungen an einer niedrigeren Höhe als die zweite Gruppe von Öffnungen angeordnet ist. Die in den an der niedrigeren Höhe befindlichen Öffnungen angeordneten Brenner sind nach unten gerichtet, so daß das Gemisch aus Kohle und Sauerstoff nach unten in Richtung gegen die Schlackenöffnung gerichtet bzw. in dieser Richtung vergast wird. Weiterhin werden die an der niedrigeren Höhe befindlichen Brenner mit hohem Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis betrieben, so daß die Temperatur im unteren Teil des Reaktors gut oberhalb der Verfestigungstemperatur der Schlacke gehalten wird. Die Brenner an der höheren Höhe sind in waagerechter Richtung oder in nach oben weisender Richtung und mit niedrigem Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis betrieben, wodurch das Gesamtverhältnis von Sauerstoff und Kohlenstoff in dem Vergasungsreaktor auf einem optimalen Wert gehalten wird für wirksame Umwandlung des in der Kohle enthaltenen Kohlenstoffs zu Gas, wobei jedoch die Temperatur ausreichend niedrig ist, um ein Stören der Gasabkühlung oder Gasabschreckung zu verhindern. Es kann zwar irgendeine Anzahl von Brenneröffnungen verwendet werden, jedoch ist es vorteilhaft, an der niedrigeren und der höheren Höhe jeweils eine gleiche Anzahl von Brenneröffnungen zu haben. Die Brenner können in dem Reaktor an irgendeiner Stelle angeordnet werden, jedoch sind sie bei einer vorteilhaften Ausführungsform annähernd in einem Abstand entsprechend eines Durchmessers des Reaktors oberhalb des Unterendes des Reaktors angeordnet. Eine Anordnung in dieser Lage gewährleistet, daß die Menge an Kohle oder nicht umgewandeltem Kohlenstoff, die durch die Abgabeöffnungen des Reaktors abgegeben wird, auf einem Minimum gehalten wird, während ein kurzer Abstand zwischen den Brennern und Schlackenöffnung aufrechterhalten wird, so daß die Temperatur ausreichend gehalten werden kann, damit gewährleistet wird, daß die Schlacke in flüssigem Zustand verbleibt.

Zusätzlich zu den oben genannten Merkmalen wird gemäß der Erfindung vorteilhafterweise eine Schlackenöffnung verwendet, deren Durchmesser bequem vergrößert oder verkleinert werden kann zwecks Anpassung an verschiedene Arten von Kohlen, die unterschiedliche Mengen an Asche enthalten. Der Durchmesser der Schlackenöffnung kann dabei gesteuert werden durch Hinzufügen oder Entfernen von kreisförmigen Wasserkühlrohren, welche die Schlackenöffnung umgeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert, deren einzige Figur eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Reaktors gemäß der Erfindung zeigt.

In der Zeichnung ist ein senkrechter zylindrischer Reaktor 10 dargestellt. Der Reaktor 10 weist eine innere Membranwand 11 auf, die mit einer isolierenden feuerfesten Auskleidung 12 versehen ist. Der äußere Druckmantel 13 des Reaktors 10 umgibt die Membranwand 11 und umschließt die nachstehend beschriebenen Brenneröffnungen. Die Gestaltung des Reaktorgefäßes hängt von den Betriebsbedingungen ab, die für die Vergasung ausgewählt werden, und insbesondere von dem Druck und der Temperatur.

Verschiedene Gestaltungen für Reaktorgefäße stehen zur Ver fügung und werden nicht beschrieben. Das Reaktorgefäß ist am Oberende mit einem Auslaß 20 versehen, der mit dem nicht dargestellten Kühl- oder Abschreckabschnitt zum Kühlen des erzeugten Gases verbunden ist. Eine Schlackenöffnung 21 ist im Boden des Reaktors 10 gebildet und sie steht mit einem geeigneten (nicht dargestellten) System oder einer solchen Einrichtung zum Kühlen und Wegführen der Schlacke in Ver bindung. Der Reaktor 10 ist mit vier Brenneröffnungen ver sehen, von denen drei in der Zeichnung dargestellt sind. Insbesondere befinden sich Brenneröffnungen 22 und 23 ein ander diametral gegenüberliegend an einer niedrigeren Höhe, während eine Brenneröffnung 24 und die gegenüberliegende Brenneröffnung (nicht dargestellt) an einer höheren Höhe angeordnet sind. Alle Brenneröffnungen sind mit einer Reihe von Rohren 25 versehen für das Umlaufen von Kühlwasser zum Kühlen der Wände der Brenneröffnungen 22 bis 24.

Die Schlackenöffnung 21 ist durch eine Mehrzahl von konzen trischen kreisförmigen Rohren 26 gebildet. Jedes Rohr 26 ist mit einer nicht dargestellten Verteilerleitung verbunden, über welche den Rohren 26 Kühlwasser zugeführt wird. Die Rohre 26 können einzeln von der Verteilerleitung entfernt werden, um die Schlackenöffnung 21 zu vergrößern. Wie dar gestellt, hat die Schlackenöffnung 21 einen kleinen Durch messer, der vergrößert werden kann, wenn die unteren Rohre 26 entfernt werden. Der Pfeil "A" zeigt die Abgabe zum Schlacken abscheider.

Geeignete Brenner 30, 31 und 34 sind in den Brenneröffnungen angeordnet, wobei die Brenner 30 und 31 nach unten entlang von Achsen 32 und 33 gerichtet sind. Der nach unten gerichtete Brennwinkel der Brenner 30 und 31 kann sich in einem weiten Bereich ändern, jedoch liegt er bei einer vorteilhaften Aus führungsform der Erfindung im Bereich von 0 bis 15° gegenüber der Horizontalen. Der Brenner 34 (und der nicht dargestellte zugehörige Brenner) an der höheren Höhe ist gewöhnlich in waagerechter Richtung gerichtet, obwohl es manchmal erwünscht sein kann, ihn in einem Winkel nach unten oder nach oben zu richten. In diesen Fällen sollte der Brennwinkel der Brenner an der höheren Höhe auf einen kleinen Winkel gegenüber der Horizontalen begrenzt sein, beispielsweise auf +5 oder -5°. Verschiedene Brennergestaltungen können verwendet werden, beispielsweise eine Brennerausführung, wie sie in der US- PS 4 350 103 offenbart ist. Alle beschriebenen Brenner sind derart ausgeführt, daß sie ein pulverförmiges Gemisch aus Kohle und Sauerstoff einem Vergasungsreaktor zuführen.

Die Brenner 30 und 31, die in den Brenneröffnungen 22 und 23 an der niedrigeren Höhe angeordnet sind, werden mit hohem Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis betrieben, während der Brenner 34 an der höheren Höhe mit niedrigem Sauerstoff/Kohlen stoff-Verhältnis betrieben wird. Die Summe der Sauerstoff/ Kohlenstoff-Verhältnisse aller Brenner 30, 31 und 34 wird derart gesteuert, daß wirksame Umwandlung der Kohle zu Synthesegas erhalten wird. Insbesondere wird das Sauerstoff/ Kohlenstoff-Massenverhältnis der Brenner 30, 31 an der niedri geren Höhe zwischen 1,0 und 1,2 gesteuert, während die oberen Brenner 34 zwischen 0,85 und 1,05 gesteuert werden. Die An wendung eines höheren Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnisses bei den Brennern 30, 31 an der niedrigeren Höhe führt zu einer vollständigeren Verbrennung des Kohlenstoffs und dem gemäß zu einer höheren Temperatur im unteren Teil des Reaktors 10. Die höheren Temperaturen gewährleisten, daß die Schlacke in geschmolzenem Zustand verbleibt und aus der Schlacken öffnung 21 angegeben wird. Während die Verbrennung im unteren Teil des Reaktors vollständiger ist, wird durch das niedrigere Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis bei dem höher angeordneten Brenner 34 gewährleistet, daß die endgültige Umwandlung des Kohlenstoffs zu Synthesegas nahe optimaler Werte erfolgt.

Die obige Beschreibung betrifft einen Vergasungsreaktor mit vier Brennern, jedoch kann eine andere Anzahl von Brennern verwendet werden. Es ist vorteilhaft, an jeder Höhe wenig stens zwei Brenner zu verwenden, obwohl unter gewissen Be dingungen auch an jeder Höhe lediglich ein einziger Brenner verwendet werden könnte. In gleicher Weise könnte eine größere Anzahl von Brennern an jeder Höhe verwendet werden, und die Anzahl der Brenner an jeder Höhe könnte verschieden sein.

Der oben beschriebene Reaktor ist ein zylindrischer Reaktor, an welchem Brenneröffnungen gebildet sind. Offensichtlich könnten auch andere Arten von Reaktoren verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Vergasen von Kohle mit hohem Feuch tigkeitsgehalt und hohem Aschegehalt in einem Reaktor, wobei die Kohle und Sauerstoff dem Reaktor über eine Mehrzahl von Brennern zugeführt werden, die in dem Reaktor an zwei Höhen angeordnet sind,
das Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis der Brenner an der unteren Höhe derart gesteuert wird, daß ein höheres Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis erhalten wird, und
das Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis der Brenner an der oberen Höhe derart gesteuert wird, daß ein niedrigeres Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis erhalten wird, wobei durch die Kombination der Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnisse der Brenner an der unteren und an der oberen Höhe wirksame Ge samtumwandlung und niedrige Gasauslaßtemperaturen erhalten werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kohle/Sauerstoff-Gemisch aus den Brennern an der unteren Höhe nach unten eingespritzt wird und
daß die Brenner, die in den Brenneröffnungen an der unteren Höhe angeordnet sind, mit einem Sauerstoff/Kohlen stoff-Massenverhältnis von 1,0 bis 1,2 betrieben werden, wäh rend die Brenner, die in den Brenneröffnungen an der oberen Höhe angeordnet sind, mit einem Sauerstoff/Kohlenstoff-Mas senverhältnis von 0,85 bis 1,05 betrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohle/Sauerstoff-Gemisch an der oberen Höhe waage recht eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohle/Sauerstoff-Gemisch aus den Brennern an beiden Höhen nach unten eingespritzt wird.

4. Reaktor zum Vergasen von Kohle mit hohem Feuchtig keitsgehalt und hohem Aschegehalt, insbesondere zum Durchfüh ren eines Verfahrens, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der folgende Merkmale aufweist:
ein senkrechtes Reaktorgefäß (10) mit einem Gasaus laß (20) am Oberende und einem Schlackenauslaß (21) am Unter ende,
eine Mehrzahl von Brenneröffnungen (22, 23, 24) in dem Reaktorgefäß, die an zwei unterschiedlichen Höhen ange ordnet sind, und
eine Mehrzahl von Brennern (30, 31, 34), von denen einer in jeder der Brenneröffnungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens die in den Öffnungen an der niedri geren Höhe angeordneten Brenner nach unten in Richtung gegen den Schlackenabscheider gerichtet sind, und
daß die Brenner, die in den Brenneröffnungen an der unteren Höhe angeordnet sind, in einem Winkel von 5 bis 15° gegenüber der Horizontalen nach unten gerichtet sind, und
daß die Brenner, die in den Brenneröffnungen an der oberen Höhe angeordnet sind, in einem Winkel von +5 oder -0° gegenüber der Horizontalen gerichtet sind.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Höhe mehr als eine Brenneröffnung gebildet ist.

6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Höhe eine gleiche Anzahl von Brenneröffnungen gebildet ist.