Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Vergasung von feinkörnigen
bis staubförmigen festen Brennstoffen. Feste Brennstoffe bezeichnet
insbesondere Steinkohle, Koks, Petrolkoks und dergleichen. Die Vergasung
geschieht mit Sauerstoff und/oder Luft und gegebenenfalls
Wasserdampf im Flugstrom und führt zu einem Rohgas aus hauptsächlich
Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Rohgas führt Flugstaub mit,
der einen Anteil an Restkohlenstoff aufweist. Die Vergasung ist eine
Druckvergasung.
Die Erfindung betrifft konkret ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage
für die Vergasung feinkörniger staubförmiger fester Brennstoffe
mit Vergasungsreaktor, der mit Vergasungsbrennern ausgerüstet ist,
Einrichtung für die Flugstaubabscheidung aus dem Rohgas, Flugstaub
sammelbehälter und Einrichtung für die Flugstaubrückführung in den
Vergasungsreaktor, wobei die Vergasungsbrenner mit einem am Verga
sungsbrenneraustritt rotationssymmetrischen Brennstoff/Reaktionsmittel-
Strahl in den Vergasungsreaktor hineinbrennen und von den Brennstoff/
Reaktionsmittel-Strahlen in dem Vergasungsreaktor eine Primärreaktionszone
hoher Temperatur gebildet wird. Sie betrifft fernerhin
eine Anlage, die für den Betrieb entsprechend diesem Verfahren besonders
eingerichtet ist. - In dem Ausdruck Brennstoff/Reaktionsmittel-
Strahl bezeichnet Reaktionsmittel sowohl die Oxidationsmittel als
auch bereits gebildete Reaktionsprodukte und gegebenenfalls auch
Moderatorgas sowie Trägergas.
Im Rahmen der bekannten Maßnahmen, von denen die Erfindung ausgeht
(EP 00 72 457 B1, EP 01 09 109 B1) wird der Flugstaub dem
frischen Brennstoff beigemischt und zusammen mit dem Brennstoff den
Vergasungsbrennern zugeführt. Das ist aufwendig und erfordert eine
besondere Aufbereitung des Flugstaubes, nämlich umfangreiche und
komplizierte technische Einrichtungen mit großen Sicherheitsvorkehrungen.
Der Porenraum oder Lückenraum des aus dem Rohgas abgezogenen
Flugstaubes ist mit dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff
enthaltenden Rohgas gefüllt, welches erst durch mehrmaliges Beaufschlagen
und Umpumpen mit Inertgas bis unter die Gefahrengrenze
verdünnte oder entfernt werden muß. Auch die Behandlung des aus dem
Flugstaub abgetrennten Rohgases ist umständlich und aufwendig, da es
häufig schwefelhaltig ist und aus Gründen des Umweltschutzes weder
abgefackelt noch sonstwie verbrannt oder an die Atomsphäre abgegeben
werden kann. Im übrigen stört, daß der dem frischen Brennstoff
beigemischte Flugstaub den Heizwert des Brennstoffes reduziert, was
die Thermodynamik und die Reaktionskinetik des Vergasungsprozesses
beeinflußt.
Grundsätzlich ist es bekannt,
Flugstaub in einen Vergasungsreaktor zurückzuführen (DE 24 09 008 C2),
und zwar über besondere, von den Vergasungsbrennern getrennte Zu
führungsdüsen. Das beeinträchtigt die Vergasungsreaktion und hat in
die Praxis kaum Eingang gefunden. In dieser Praxis ist es eher üblich
(DE-AS 23 25 204), den Flugstaub in einem Reaktor auf die Schlacke
aufzublasen, wobei im allgemeinen auch der mitgeführte Restkohlenstoff
in die Schlacke geht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene
Verfahren so zu führen, daß ohne besondere Aufbereitung des Flugstaubes
sowie ohne störende Beeinflussung der Thermodynamik oder
Reaktionskinetik des Vergasungsprozesses eine ausreichend vollständige
Einbindung des Flugstaubes in die Schlacke erreicht werden kann, und
zwar bei gleichzeitiger Verbrennung des Restkohlenstoffes.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Flugstaub mit
seinem Gehalt an Rohgas und seinem Restkohlenstoff durch einen Fördergasstrom
in die Achse von zumindest einem Brennstoff/Reaktionsmittel-
Strahl eingeführt, von diesem in die Primärreaktionszone eingebracht
und in dieser eingeschmolzen wird. Nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung wird der Flugstaub durch die Achse des
jeweiligen Vergasungsbrenners eingeführt. - Die Erfindung nutzt die
Tatsache, daß bei Vergasung mit rotationssymmetrisychen Brennstoff/
Reaktionsmittel-Strahlen, die zur Vergasung fester Brennstoffe eingesetzt
werden, die Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahlen in gasdynamischer Hin
sicht sehr stabil sind und einen Flugstaubmengenstrom in die Primär
reaktionszone hineintragen können. Die Vergasungsreaktion beginnt
bekanntlich bereits in dem Brennstoff-Reaktionsmittel-Strom und wird
hier sowie in der Primärreaktionszone durch den Flugstaub nicht gestört,
wozu beiträgt, daß auch deren Restkohlenstoff vergast wird.
Der Mengenstrom an Flugstaub darf allerdings nicht zu groß gewählt
werden. In der Primärreaktionszone entstehen die üblichen hohen
Temperaturen, von beispielsweise 2000°C und mehr, die für das Ein
schmelzen des Flugstaubes erforderlich sind. Überraschenderweise wird
trotz der erfindungsgemäßen Flugstaubrückführung aus der Primärreaktionszone
der Flugstaub kaum stärker ausgetragen als üblich und
ohne die beschriebene Rückführung von Flugstaub. Im ungereinigten
Rohgas reichert sich der Flugstaub nicht störend an, so daß die beschriebene
Kreislaufführung möglich ist.
Im einzelnen bestehen mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorteilhaft wird mit Vergasungsbrennern
gearbeitet, die einen zur Vergasungsbrennerachse koaxialen
Zuführungskanal in Primärsauerstoff, einen umgebenden Ringkanal für
die Brennstoffzuführung und einen diesen mittelbar oder unmittelbar
umgebenden Ringkanal für die Zuführung von Sekundärsauerstoff aufweisen.
Hier empfiehlt die Erfindung, den Flugstaub in der Achse des
Zuführungskanals für den Primärsauerstoff durch einen besonderen Zu
führungskanal zuzuführen. Der Primärsauerstoffstrom kann in zwei
konzentrische Teilströme aufgeteilt werden. Um die Vergasungsreaktion
nicht zu beeinträchtigen, empfiehlt es sich, so vorzugehen, daß die
Vergasungsbrenner für die Zuführung eines Flugstaubmengenstromes
eingerichtet sind, der um einen Faktor von 0,01 bis 0,15 kleiner ist
als der Brennstoffmengenstrom. Das gilt praktisch proportional für
andere Auslegungen des Vergasungsbrenners. Diese Abstimung läßt
sich bei üblichen Vergasungsreaktoren des eingangs beschriebenen
Aufbaus ohne Schwierigkeiten dann verwirklichen, wenn der Flugstaub
über alle Vergasungsbrenner zugeführt wird. Zusätzliche Maßnahmen
für die Sauerstoffzuführung und die Regelung der Sauerstoffzuführung
sind nicht erforderlich. Vielmehr genügt es, daß die Menge des
Primärsauerstoffes und/oder des Sekundärsauerstoffes nach Maßgabe
des Restkohlenstoffgehaltes im Flugstaub erhöht wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage die für die Durchführung
des Verfahrens besonders geeignet ist. Sie wird im folgenden
anhand einer Zeichnung näher erläutert. - Die einzige Zeichnung zeigt
das Schema einer erfindungsgemäßen Anlage.
Die in der Figur dargestellte Anlage besteht in ihrem grundsätzlichen
Aufbau aus einem Vergasungsreaktor 1, der mit Vergasungsbrennern 2
ausgerüstet ist, einer Einrichtung 3 für die Flugstaubabscheidung aus
dem Rohgas, einem Flugstaubsammelbehälter 4 mit Einrichtung für die
Flugstaubrückführung in den Vergasungsreaktor 1. Die Vergasungsbrenner
2 brennen mit am Vergasungsbrenneraustritt rotationssymmetrischen
Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl 5 in den Vergasungsreaktor 1
hinein und erzeugen in diesem eine Primärreaktionszone 6 hoher Temperatur.
Wie sich aus dem vergrößerten Ausschnitt A ergibt, besitzen
die Vergasungsbrenner 2 einen zentralen Zuführungskanal 7 für den
Flugstaub. Dieser ist von einem Ringkanal 8 für die Zuführung von
Primärsauerstoff umgeben. Die Anordnung ist fernerhin so getroffen,
daß die zentralen Zuführungskanäle 7 über eine Dosiereinrichtung 9
an den Flugstaubsammelbehälter 4 angeschlossen sind. - Es versteht
sich, daß die Vergasungsbrenner 2 im übirgen wie bei der Vergasung
von festen Brennstoffen üblich eingerichtet sein können.
Aus dem Vergasungsreaktor 1 gelangt das mit Flugstaub beladene Rohgas
durch die Leitung 10 in die Einrichtung 3 für die Flugstaubabscheidung,
die als Abscheidezyklon ausgeführt ist. Hier wird der
Flugstaub abgetrennt. Der abgetrennte Flugstaub, der in seinem
Porenraum oder Lückenraum noch Rohgas enthält, fällt durch die Leitung
11 in den Flugstaubsammelbehälter 4. Aus diesem Flugstaubsammelbehälter
4 wird die Dosiereinrichtung 9 bedient. Zu ihr gehören
zwei Zuteilbehälter 12. Periodisch werden aus dem Flugstaubsammelbehälter
4 durch freien Fall die beiden Zuteilbehälter 12 über Leitungen
13 gefüllt. Der jeweils mit Flugstaub gefüllte Zuteilbehälter 12 wird
durch eine Leitung 14 mit gereinigtem Rohgas oder Inertgas unter
einen Druck gesetzt, der nur unwesentlich über dem Druck im Vergasungsreaktor
1 liegt. Durch die Leitungen 15 wird der Flugstaub unter
ausreichenden Druck über die Leitung 16 in die Leitungen eingeführt,
die in den Vergasungsbrennern 2 münden. Sie münden in den zentralen
Zuführungskanal 7 für den Flugstaub, der von dem Ringkanal 8 für
die Zuführung von Primärsauerstoff umgeben ist. Die Leitungen 17 sind
Entspannungsleitungen für die jeweils geleerten Zuteilbehälter 12 und
führen in die aus der Einrichtung 3 für die Flugstaubabscheidung abgehende
Leitung 18 für das gereinigte Rohgas. - Es versteht sich, daß
das Verfahren von den Hilfsmitteln der modernen Verfahrenstechnik begleitet
werden muß. Dazu werden die üblichen Meß- und Regelorgane
eingebaut und werden die erforderlichen Regel- und Steuerungsmaßnahmen
rechnergestützt durchgeführt. (Vgl. P 38 13 357.1)
Ausführungsbeispiel
Analyse des Brennstoffes (Kohle):
C |
68,40 Gew.-% wf |
H |
4,40 Gew.-% wf |
O |
6,03 Gew.-% wf |
N |
1,60 Gew.-% wf |
S |
1,10 Gew.-% wf |
Cl |
0,17 Gew.-% wf |
Asche |
18,30 Gew.-% wf
|
gesamt |
100,00 Gew.-% wf |
Hu |
27,1326 MJ/kgwf |
Kohlenstaubmenge je Brenner |
13 005 kgwf/h |
Chemische Wärmemenge der Kohle je Brenner |
352 860 MJ/h |
Flugstaubmenge je Brenner |
540 kg/wf/h |
Chemische Wärmemenge des Flugstaubes je Brenner |
2824 MJ/h |
Rohgasmenge im Lückenvolumen des Flugstaubes |
17,25 m³n tr/h |
Chemische Wärmemenge des Rohgases |
192,8 MJ/h |
Diese Mengenrelationen ergeben sich aus folgenden Gründen:
80% der in den Vergasungsreaktor mit dem Brennstoff eingesetzten
Asche werden als Schlacke ausgetragen, 20% der Asche plus unvergaster
Kohlenstaub werden mit dem Gas ausgetragen. 80% der im Gas
enthaltenen Feststoffe (Flugstaub) werden in dem Flugstaubabscheider
abgeschieden und unter den beschriebenen Bedingungen in die Vergasungsbrenner
zurückgeführt.