DE3628866A1

DE3628866A1 - Reaktor zur kohlenstaubvergasung

Info

Publication number: DE3628866A1
Application number: DE19863628866
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Goehler; Rolf Dr Ing Mangler; Manfred Dr Ing Schingnitz; Wolfgang Seidel; Friedrich Dr Ing Berger; Ernest Dr Ing Gudymov; Vladimir Dr Ing Semenov; Vasilij Fedotov; David Dr Ing Gamburg
Original assignee: Brennstoffinstitut Freiberg; GNII PI AZOTNOJ
Current assignee: Brennstoffinstitut Freiberg; GNII PI AZOTNOJ
Priority date: 1985-11-12
Filing date: 1986-08-26
Publication date: 1987-05-21
Also published as: AU5911186A; AU585360B2; CS578286A1; DD252734A3; US4710202A; CS266396B1; DE3628866C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung von Kohlenstaub mit Dampf und sauerstoffhaltigem Gas gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und kann in der chemischen Industrie zur Erzeugung von Generatorgas aus festen Brennstoffen eingesetzt werden.

Aus dem SU-Erfinderschein 11 36 475 ist eine Vorrich tung zur Kohlenstaubvergasung bekannt, die ein Gehäuse mit Wärmeisolation und mit Stutzen zur Ableitung des Generatorgases und der granulierten Schlacke, einen Kohlenstaubbrenner im oberen Teil des Gehäuses, ein Überströmrohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstands im unteren Teil des Gehäuses und einen gasdichten Rohr schirm mit einer Einschnürung enthält, die den Innen raum in eine Reaktionszone und in eine Strahlungszone unterteilt. Ein Stutzen leitet das Generatorgas und die flüssige Schlacke aus der Reaktionszone in die Strah lungszone. Der Schirm in der Reaktionszone ist bestif tet und an den Stiften ist eine feuerfeste Stampfmasse vorgesehen.

Dieser Reaktor hat einige gravierende Nachteile:

1. Die geringe Qualität des Generatorgases und ein hoher Energieaufwand sind darauf zurückzuführen, daß mit Flüssigentschlackung gearbeitet wird und daß der Schirm eine Einschnürung enthält, in der Reaktionszone bestiftet ist und an den Stiften eine feuerfeste Stampfmasse aufweist. Dadurch muß die Generatorgastemperatur vor der Einschnürung um 200 bis 400 °C höher liegen als die erforderliche Verga sungstemperatur. Zur Aufrechterhaltung dieser Tempe ratur wird ein Teil des anfallenden H₂ und CO ver brannt, wodurch die Gasqualität abnimmt und der Sauerstoffverbrauch steigt.
2. Ferner können Brennstoffe mit relativ niedrigschmel zenden Schlacke- bzw. Aschekomponenten nicht verar beitet werden, da sich auf dem Rohrschirm in der Strahlungszone die niedrigschmelzenden Aschekompo nenten ablagern und den Schirm sowie die Kanäle zum Durchtritt des Gases verschlacken, was letztendlich zum Ausfall des Reaktors führt.

Die Erfindung geht von einem anderen Reaktor zur Kohlen staubvergasung aus, der ein Gehäuse mit einem Deckel mit Wärmeisolierung, in der Seitenwandung im unteren Teil des Gehäuses einen Gasstutzen, einen zentralen Stutzen als Austrag der granulierten Schlacke, im Deckel einen zentralen Kohlenstaubbrenner aufweist. Im unteren Teil des Gehäuses befindet sich ein Wasserbad mit Überlauf rohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstands. Ein gas dichter Rohrschirm hat Öffnungen im oberen und unteren Teil, die durch Rohrgitter gebildet werden. Injektions stutzen für Dampf sind an einen gemeinsamen Kollektor angeschlossen. In diesem Reaktor kann die Vergasung bei Temperaturen über dem Schlackenschmelzpunkt durch geführt werden. Eine Verschlackung des Rohrschirmes und der anderen Reaktorflächen wird vermieden durch eine Flächenströmung von kaltem Wälzgas an dem Rohr schirm, die eine Schutzschicht mit einer Temperatur unter der Ascheerweichungstemperatur bildet.

Dieser Reaktor hat folgende Nachteile:

1. Eine unbefriedigende Qualität des Generatorgases und ein relativ hoher Energieaufwand ergeben sich durch den Kühlrohrschirm, der dem Generatorgas einen beträchtlichen Teil der Wärme entzieht. Zur Kompen sation muß zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Vergasungstemperatur ein Teil des anfallenden Produk tes (CO + H₂) verbrannt werden, wodurch der Gehalt an CO und H₂ im Generatorgas abnimmt und der Sauer stoffverbrauch zu hoch wird.
2. Der Reaktor kann nicht mit Kohlen mit niedrigschmel zenden Aschekomponenten betrieben werden, da diese Komponenten verdampfen und sich an dem Rohrschirm ab lagern, wodurch der Schirm mit der Zeit verschlackt und sich die Kanäle zwischen der Wärmeisolierung und dem Schirm zusetzen, was zum Ausfall des Reaktors führen kann.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Qualität des Generatorgases, in der Reduzierung des Energieaufwands und in der Möglichkeit, Kohlen mit niedrigschmelzenden Aschekomponenten einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor zur Druck vergasung von Kohlenstaub od. dgl. durch Partialoxidation zu schaffen, bei dem Kohlenarten auch mit niedrigschmel zender Asche eingesetzt werden können und der ein hoch wertiges Gas mit hoher Gasausbeute liefert.

Der Reaktor zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Ge häuse mit Deckel und Wärmeisolierung, einen in der Seitenwandung im unteren Teil des Gehäuses angeordneten Stutzen zur Ableitung des Generatorgases, einen im unteren Teil des Gehäuses in seiner Achse angeordneten Stutzen zur Ableitung der granulierten Schlacke, einen Kohlenstaubbrenner im Deckel des Gehäuses in dessen Achse, ein Überlaufrohr für die Aufrechterhaltung des Wasserstands im unteren Teil des Gehäuses und durch einen gemeinsamen Kollektor verbundene Injektionsstutzen für Dampf auf. Erfindungsgemäß ist eine Auskleidung oberhalb des Stutzens zur Ableitung des Generatorgases angeordnet und zwischen der Auskleidung und der Wärme isolierung sind durchgehende rechtwinklig abgebogene Kanäle vorgesehen, deren unterer Abschnitt vertikal in Längsrichtung der Gehäusewandungen und deren oberer Abschnitt tangential zur Apparateachse am Deckel des Gehäuses verläuft. Die Austrittsöffnungen der Kanäle liegen am Deckel in Höhe des Austrittsbereichs des Kohlenstaubbrenners und die Eintrittsöffnungen koaxial über den Injektionsstutzen für Dampf. In den Wandungen des Gehäuses sind in mehreren über dessen Höhe verteil ten Reihen Düsen zur Zufuhr von Wasser bzw. einer Dampf-Wasser-Emulsion vorgesehen.

Die Kanäle können als Öffnungen zwischen der Ausklei dung und der Isolierung und/oder aus Rohren aus feuer festem Stahl ausgeführt sein.

Die Ausstattung des Reaktors mit einer Auskleidung an Stelle des Rohrschirms bietet die Möglichkeit, eine unerwünschte Wärmeabführung aus der Flamme während der Vergasung zu verhindern, was eine Reduzierung des Sauerstoffverbrauchs und eine Erhöhung des CO- und H₂- Gehalts im Generatorgas ergibt. Außerdem entfällt die Gefahr der Kondensation niedrigschmelzender Aschekomp nenten (mit einer hohen Dampfspannung) auf der Ausklei dung, da deren Temperatur ein ziemlich hohes Niveau erreicht (800-1000°C), so daß Kohlen mit niedrigschmelzenden Aschekomponenten, z.B. Salzkohlen, vergast werden können.

Die Anordnung der rechtwinklig abgebogenen Kanäle zwi schen der Auskleidung und der Wärmeisolierung mit den Öffnungen zwischen ihnen oder in Gestalt von Rohren aus feuerfestem Stahl ermöglicht es, die Kondensation niedrigschmelzender Komponenten zu vermeiden.

Die tangential zur Apparateachse verlaufenden horizon talen Abschnitte der Kanäle bieten die Möglichkeit, die Schutzschicht aus rezirkulierendem, kühlerem Generator gas, in der die Asche im festen Zustand vorliegt, auf grund des Zentrifugaleffekts stabiler zu gestalten und somit den Verbrauch von durch die Injektionsstutzen zu geführtem Dampf, der die Rezirkulation des Generator gases bewirkt, zu reduzieren, was zu einer Senkung des Energieaufwands führt.

Die Ausstattung des Apparats mit mehreren Düsenreihen zur Zuleitung des Dampfes oder einer Dampf-Wasser- Emulsion verbessert die Stabilisierung der Schutzschicht und hält das Generatorwälzgas auf einer Temperatur unter der Ascheerweichungstemperatur, wodurch die Ver schlackung des Austrittsstutzens und der Kanäle ver mieden werden.

Im folgenden wird ein Anwendungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vergasungsreaktor im Längsschnitt;

Fig. 2 den Vergasungsreaktor im Querschnitt A-A.

Der dargestellte Reaktor zur Kohlenstaubvergasung ent hält einen Gehäusemantel 1 mit einer Wärmeisolierung 2, in den seitlich ein Gasstutzen 3 für das Generatorgas in einem erweiterten unteren Reaktorabschnitt ausmündet. Ein Kohlenstaubbrenner 5 ist zentral in der Behälter decke angeordnet und durchragt die Wärmeisolierung 2. Im trichterförmigen Gehäuseunterteil befindet sich ein Austragsstutzen 4 für die granulierte Schlacke und ein Wasserbad, dessen Pegel durch ein Überlaufrohr 6 ein gestellt bzw. konstantgehalten werden kann. In dem er weiterten unteren Reaktorabschnitt sind Dampfinjektor rohre 7 parallel zur Reaktorwandung in Form z.B. eines Kranzes angeordnet, die durch einen Ringsammler 8 mit einer Dampfleitung 9 verbunden sind. Zwischen einer Auskleidung 10 aus feuerfestem Material und der Wärme isolierung 2 sind oben rechtwinklig abgebogene durch gehende Kanäle vorgesehen, deren vertikale Abschnitte 11 in dem erweiterten unteren Reaktorabschnitt vor den Öffnungen der Dampfrohre 7 ausmünden und deren horizon tale Abschnitte 12 tangential zur Achse verlaufen und vor dem unteren Brennerende ausmünden. Eine obere und eine untere Düsenreihe 13, 14 zur Zufuhr von Wasser bzw. einer Dampf-Wasser-Emulsion ist schräg nach unten gerichtet in der Reaktorwandung angeordnet.

Der Reaktor wird folgendermaßen betrieben:
Vor der Inbetriebnahme wird der Reaktor mit einem Inert gas gefüllt und der Innendruck wird auf den Betriebs druck erhöht. Aus der Dampfleitung 9 wird Wasserdampf in den Ringsammler 8 eingeleitet, der aus den Injektor rohren 7 ausströmt und Inertgas mit hoher Geschwindig keit in die Kanäle 11 ansaugt und fördert. Am Austritt aus den horizontalen Abschnitten 12 erzeugt das Gemisch aus Dampf und Inertgas eine flächige Schutzströmung entlang der Auskleidung 10, deren Stabilität durch den Zentrifugaleffekt des tangential ausströmenden Ge misches gesichert wird. Der Überschuß des Gemisches wird über den Stutzen 3 abgeleitet. Unmittelbar an die Brennermündung begrenzt die innere verdickte Ausklei dung 10 einen konischen Innenraum. Über die untere Düsenreihe 14 wird Wasser eingeleitet, das im unteren Teil des Gehäuses 1 ein Bad bildet, dessen Höhe mit Hilfe des Überlaufrohrs 6 konstantgehalten wird.

Über den Kohlenstaubbrenner 5 erfolgt die Zufuhr von Kohlenstaub, sauerstoffhaltigem Gas und Wasserdampf. In der Reaktorachse bildet sich eine Flamme, in der die Vergasung des Kohlenstaubes erfolgt. Über die obere Reihe 13 wird Wasser oder eine Dampf-Wasser-Emulsion zur weiteren Stabilisierung der Schutzschicht eingeleitet. Allmählich wird das Inertgas durch Generatorgas ersetzt, und als Schutzschicht bildet sich ein Gemisch von Gene ratorgas und Wasserdampf. Die aus dem Generatorgas aus fallende Schlacke wird im Wasserbad granuliert und über den Stutzen 4 abgezogen. Das Generatorgas wird über den Stutzen 3 abgeleitet.

Die Generatorgastemperatur wird vor dem Stutzen 3 und folglich auch vor den Kanälen 11 mit Hilfe der Düsen 13 und im wesentlichen 14 auf einer Temperatur von 700- 800°C konstantgehalten, während die Temperatur der Auskleidung im Bereich von 800-1000°C liegt, was die Gefahr der Kondensation von Dämpfen der niedrigschmel zenden Aschekomponenten vermindert. Die Temperatur der Wälzgase bleibt unter der Erweichungstemperatur der Asche, so daß flüssige und teigige Schlackepartikel in dieser Schutzschicht erstarren.

In den Tabellen 1 und 2 sind Vergleichskennwerte für den Betrieb eines älteren Reaktors (Prototyp) und eines Reaktors gemäß der Erfindung zusammengestellt, und zwar für einen Durchsatz von 50 t/h Braunkohlenstaub unter einem Druck von 30 atm bei Sauerstoffvergasung (Tabelle 1) und für einen Durchsatz von 25 t/h Staub bei Luftvergasung (Tabelle 2).

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, bietet der erfindungs gemäße Reaktor bei einer Reduzierung des Sauerstoffver brauchs um 7% die Möglichkeit, die Ausbeute des H₂-CO- Gemisches um 5,3% zu erhöhen bzw. den Sauerstoffver brauch pro 1000 m³i.N. Gemisch um 13% zu senken.

Tabelle 2

Die Tabelle 2 zeigt, daß der Luftverbrauch im erfindungs gemäßen Reaktor bei Luftvergasung um 14% niedriger liegt, während die Ausbeute des H₂-CO-Gemisches um 22% höher bzw. der Luftverbrauch pro 1000 m³i.N. um 40% niedriger liegt.

Claims

Reaktor zur Kohlenstaubvergasung der ein Druckgehäuse mit einer Wärmeisolierung, einen in der Seitenwandung des unteren Gehäuseteils angeordneten Gasstutzen zur Ableitung des Generatorgases, einen im unteren Gehäuse teil zentral angeordneten Abzugsstutzen für die granu lierte Schlacke, einen Kohlenstaubbrenner zentral im Gehäusedeckel, ein Überlaufrohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstands im unteren Gehäuseteil und Injektions stutzen zur Dampfzuleitung enthält, gekennzeichnet dadurch,
daß eine innere warmfeste Auskleidung (10) oberhalb des Gasstutzens (3) vorgesehen ist,
daß zwischen der Auskleidung (10) und der Wärmeisolie rung (2) abgebogene Kanäle angeordnet sind, deren untere Abschnitte (11) vertikal längs der Gehäusewandungen und deren obere Abschnitte (12) etwa tangential zum Brenner ende verlaufen und
daß die Austrittsöffnungen der oberen Abschnitte (12) etwa in der Höhe des Brennerendes liegen und die Ein trittsöffnungen der vertikalen Kanalabschnitte (11) über den Dampfinjektorrohren (7) gleichachsig zu diesen angeordnet sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wandungen des Druckgehäuses (1) in mehreren vertikal beabstandeten Reihen Düsen (13, 14) zur Zufuhr von Wasser oder einer Dampf-Wasser-Emulsion angeordnet sind.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinklig abgebogenen durchgehenden Kanäle (11, 12) als Öffnungen zwischen der Auskleidung (10) und der Wärmeisolierung (2) ausgeführt sind.
4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinklig abgebogenen durchgehenden Kanäle (11, 12) aus Rohren aus feuerfestem Stahl bestehen.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oben offenen Dampfinjektorrohre (7) in einem verbreiterten unteren Abschnitt des Reaktorinnenraumes angeordnet sind.