DE4030644A1 - Verfahren zur erzeugung brennbarer gase mit anschliessender gasumwandlung in einem bewegten koksbett - Google Patents

Description

Zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus Brennstoffen bedient man sich sogenannter Gaserzeuger oder Gasgeneratoren.

Die Gasgeneratoren dienen zur Herstellung brennbarer Gase aus festen oder flüssigen Brennstoffen, wofür sie durch unmittelbare Aufnahme der Wärme aus heißen Verbrennungsgasen oder durch Innenbeheizung des Generators auf die für die Umsetzung erforderliche Temperatur erhitzt werden. Im Generator wird Kohlengas, Wassergas, bisweilen auch Ölgas durch Karbration, aus festen und flüssigen Brennstoffen durch Einwirkung von Luft und Sauerstoff allein oder im Gemisch mit Wasserdampf bei höherer Temperatur erzeugt. Weiterhin kommt auch die Entwicklung von Wasserstoff bei der Spaltung des Wasserdampfes durch glühenden Kohlenstoff in Betracht.

Das Ergebnis der Wechselwirkung von Sauerstoff und glühenden Kohlenstoff nennt man die Vergasung. Besteht der Brennstoff, abgesehen von unverbrennlichen Bestandteilen, aus festem Kohlenstoff, wie dies im wesentlichen bei Koks oder Holzkohle der Fall ist, so erschöpft sich die Generatorgasbildung mit dieser Vergasung. Werden jedoch Roh-Brennstoffe, wie Steinkohle, Braunkohle, Torf oder Holz dem Generator zugeführt, so ist an der Umwandlung fester Kohle in die Gasform weiterhin noch die Entgasung beteiligt, ein Vorgang, der außer der Bildung gasförmiger Stoffe auch eine solche von leicht zu verflüssigenden Dämpfen von Kohlenwasserstoffverbindungen zur Folge hat. Die bei der Reinigung des Rohgases abgeschiedenen Zwischenprodukte fanden als Nebenerzeugnisse früher guten Absatz, belasten heute aber in Form von Phenol- oder Essigsäurehaltigem "Gaswasser" die Umwelt.

Da die meisten Brennstoffe wasserhaltig sind, geht bei der Entgasung bereit bei niedrigen Temperaturen eine Austreibung von hygroskopischem Wasser voraus.

Gasgeneratoren werden heute besonders zum Vergasen von für die Industrie nicht nutzbaren Tropenhölzern, wie Bambus und landwirt­ schaftlichen Abfällen, z. B. Oliventrester, Tomatenschalen und Kerne, Baumwollabfälle, Nußschalen und Stroh eingesetzt. Auch diese Naturprodukte bilden bei dem Vergasungsprozeß Dämpfe, die bei der Abkühlung und Reinigung des Generatorgases anfallen, keine weitere Verwendung finden und als umweltbelastende Produkte entsorgt werden müssen.

Das Überleiten von mit Teer und Teerwässern beladenen Gasen über ein glühendes Koksbett, ist bekannt. Hierbei wird häufig im Wechsel­ verfahren gearbeitet, indem zunächst die Glut eines Koksbettes entfacht und anschließend die Gase hindurchgeführt werden, bis dieses Glutbett sich entsprechend abgekühlt hat, wobei parallel hierzu ein zweites Glutbett auf Weißglut gebracht, und nachdem das erste erschöpft hat auf dieses zweite Glutbett umgeschaltet wird und sofort. Statt der wechselseitig betriebenen Glutbetten werden auch glühende Schamottegitter benutzt mit denen die begleitenden Dämpfe thermisch aufgebrochen werden, um ein sauberes heißes Gas, das möglichst nur aus CO, H² und N² bestehen, zu erhalten.

Bei den bekannten Verfahrensweisen hat sich als Nachteil heraus­ gestellt, daß Flugstaub und Ruß die Steinausmauerung und das Koksbett der Rekuperaturen nach und nach verkrusten, wie es übrigens auch bei glühenden Stahlretorten der Fall ist, über welche Öle zur Gaskarburierung den Wassergasprozessen aufgegeben werden.

Eine andere Möglichkeit der Umwandlung bietet ein Glutbett nach dem Prinzip des bekannten Koksofens, in aufsteigender Verfahrensweise. Hierbei wird das Glutbett, welches auf einem eisernen Rost ruht, durch Luftzugabe oder durch ein Sauerstoff-Luft-Dampfgemisch auf Reaktionstemperatur gehalten. Die Vernichtung oder das Aufspalten von Teerwässern, die auch von unten eingeblasen werden, kann auf diese Weise kontinuierlich erfolgen.

Diese Verfahrensweise hat jedoch den Nachteil, daß die Belastung des Eisenrostes durch die notwendige Hitze sehr groß ist und die Reaktionstemperaturen hierdurch limitiert werden. Der Rost verbrennt und verzundert sehr schnell. Ein großes Problem ist auch das einer kontinuierlichen und befriedigenden Entschlackung. Auch ist bei dem bekannten Verfahren von Nachteil, daß die Brennstoffaufgabe des Reaktionsbrennstoffes von oben erfolgt, also auf der Seite des abziehenden Gases, wodurch Feuchte und andere nicht gewünschte Begleiter des Reaktionsbrennstoffes unmittelbar mit in das saubere Gas abgeführt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend aufgeführten Schwierigkeiten, wie sie beim Stand der Technik der Gasumwandlung auftreten, möglichst weitgehend zu eliminieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die ins Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Aufgrund dieser Erkenntnisse wird vorgeschlagen: In einem stabilen, feuerfest ausgekleideten Reaktorzylinder mittels eines entsprechenden Reaktorbrennstoffes, wie z. B. Zechenkoks, Holzkohle oder Schwelkoks ein Glutbett zu entfachen, wobei sich Durchmesser und Höhe dieses Glutbettes nach der beabsichtigten Leistung und der notwendigen Reaktionszeit richten und zur Stützung und Steuerung des Glutbettes der Reaktionszylinder stufenförmig sich erweiternd abgesetzt wird. Auf diese Weise kann in die sich hier bildenden Freiräume Luft, Sauerstoff und Dampf wahlweise gezielt dem Prozeß zugeführt werden, was entsprechend auch für Öl zum Zwecke der Karburierung und Verbesserung des Heizwertes gilt.

Der Reaktorzylinder endet in einem toten Schacht, unter welchem sich ein mechanischer Rostaustrag befindet. Dieser kann ein Pilzrost, Walzenrost oder Kastenrost sein. Eine beliebige , aber steuerbare Austragsvorrichtung kann bei dieser Verfahrensweise zum Einsatz kommen.

In einiger gewünschter Entfernung unterhalb des Rostes befindet sich ein Wasserbecken, welches als Wasserverschluß des Reaktors dient und gleichzeitig die herabfallenden Koks- und Schlackstücke ablöscht. Hierbei entsteht Wasserdampf, der gleichzeitig zur Kühlung des Rostes benutzt werden kann. Eine Vorrichtung in Form eines Kratzers, einer Schnecke oder ähnlichem sorgt für den Austrag des durch- gelaufenen Materials aus dem Wasserbecken.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bei der kontinuierlichen Erzeugung eines Generatorrohrgases mit anschließender Gasumwandlung in einem beweglichen Koksbett unter Einsatz von preiswertem Sauerstoff insbesondere die folgenden: Es wird ein hochwertiges Industriegas, welches gegebenenfalls mit Erdgas vermischt die Wärme für die Entspannung des Erdgases liefert und in jedes Gasnetz eingespeist werden kann vorgegeben. Mit diesem Gas lassen sich problemlos Gasturbinen der NO_x-arme Großgasmaschinen zur Stromerzeugung einsetzen. Schließlich ist es auch noch von großem Vorteil, daß sich das so gereinigte Gas ohne Schwierigkeiten praktisch unbegrenzt speichern und leicht verteilen läßt.

Bei der Müllvergasung nach diesem Verfahren spielt beispielsweise der Anteil an Papierverpackungen keine Rolle. Holz kann direkt vergast werden.

Die beiliegende Zeichnung zeigt eine vereinfachte Darstellung für die Ausbildung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Danach befindet sich eine Aufgabevorrichtung A2 auf einem Reaktor 1 für die Brennstoffaufgabe, welche durch eine entsprechende Schleuse S2 den Reaktor vor ungewolltem Lufteintritt abschließt. Hierdurch wird kontinuierlich frischer und noch nicht verbrauchter Hilfsbrennstoff dem Reaktor zugeführt.

Im Abstand unterhalb der Brennstoffaufgabe A2 wird aus dem Brennstoff K ein über seitliche Düsen oder Erweiterungen 3 geregelt Luft, Sauerstoff und/oder Dampfzugabe erfolgt.

Seitlich oder tangential zur Reaktorwand befindet sich ein Eintritt für das zu behandelnde Rohgas, welches über ein Knierohr 21 aus einem Gasgenerator G zugeführt wird.

Das Generator-Rohgas wird nach Durchlaufen des Glutbettes, wobei es zu den bekannten Reaktionen kommt, durch welche die schweren Kohlenwasserstoffe aufgebrochen werden und ein hochwertiges, heißes Reingas erzeugt wird, über einen Abzug 6 unterhalb, seitlich oder tangential aus dem Reaktor 1 abgeführt.

Im Ausführungsbeispiel ist in den Gasabzug ein Überhitzer eingeschaltet und diesem ein Kessel D nachgeschaltet.

Der Reaktorbrennstoff verbraucht sich entsprechend der Luft/Sauerstoff und Wasserdampfzugabe. Im allgemeinen soll dieser Verbrauch 10% nicht übersteigen. Der Verbrauch ist auch abhängig von der Feuchte des Eintrittsgases. Durch die ablaufende Wassergasreaktion trägt der Koks nebenher zur Verbesserung des Brennwertes des Gases bei.

Zusammen mit dem Reaktionsbrennstoff der verfahrensgemäß als Katalysator Anwendung findet, können auch andere Reaktoren oder Katalysatoren zur Einbindung und zur Ausscheidung von Schadstoffen aufgegeben werden. Hierzu bedarf es einer genauen Kenntnis und Beachtung der Schlackeneigenschaften der Reaktionsbrennstoffe, d. h., der Sekundär-Brennstoffe.

Unterhalb des Gasabzuges 6 befindet sich ein "Totschacht" TS. Hier erlöscht durch Sauerstoffmangel die Glut und schützt so den mechanischen Austrag. Durch diesen soll die glühende Reaktionssäule ständig in einer leichten Abwärtsbewegung gehalten und damit Verkrustungen und Verstopfungen verhindert werden. Hierbei ausgetragener, noch unverbrauchter Reaktionsbrennstoff wird ausgesondert und mit frischem Brennstoff wieder aufgegeben. Die Reaktionssäule stützt sich auf einem Drehrost 7 ab, unter dem sich ein Wasserbad 9 mit Austragsvorrichtung 10 befindet. Absätze 4 des Reaktors 1 bilden in der dargestellten Weise gestufte Hohlräume. Neben dem rohen Generatorgas können auch Ölnebel und andere sonst schädliche Gase und Flüssigkeiten thermisch behandelt und so gezielt in unschädliche Bestandteile zerlegt werden und zu hochwertigem Industriegas umgewandelt werden.

Der Verfahrensablauf ist folgender: Geeignet aufbereitet und homogenisierter Haus- und/oder Industrie­ müll, bzw. Mischmüll jeglicher Art, wird durch die Aufgabevorrichtung A1 lose in den Gasgenerator G gegeben. Das schematisiert angedeutete Schleusensystem S1 sorgt für den erforderlichen Abschluß des Cenerators. Der aufgegebene Mischmüll fällt in den stählernen Einhängezylinder 11 und wird hier vorgetrocknet. Durch seitliche Öffnungen innerhalb des Zylinders 11 kann entstandener Wasserdampf entweichen. Der Mischmüll beginnt in der unterhalb des Zylinders 11 befindlichen Vergasungszone 12 die leichtflüchtigen Gase abzugeben und wird dabei ausgegart, so daß das verbleibende Kohlenstoffgerüst in die tiefer gelegene Vergasungszone 13 wandern kann, in der Restkohlenstoff bei 1400^o bis 1500^o verbrennt und je nach Müll­ zusammensetzung eine flüssige Schlacke bildet. Diese Schlacke wird durch Dampfzusatz von der Vergasungsluft zerstört und schützt als Aschenhaube den Generatorrost 15 vor Verbrennung. Aus der drehbaren Aschenschlüssel 16 wird die granulierte Müllschlacke ausgetragen. Unter dem Rost 15 wird ein Gemisch aus Hochdruckdampf, Sauerstoff und CO₂-Abgas als Vergasungsluft durch den Ventilator 17 unter den Generatorrost gedruckt. Die Mischstation 18 kontrolliert den Dampfzusatz, und die weitere Mischstation 19 den CO₂- und O₂-Bedarf. Über die Leitung 20 gelangt Hochdruckdampf aus einem Übererhitzer, welcher Sattdampf aus dem Kessel D bezieht, zur Mischstation 18.

Das in der Entgasungszone anfallende Rohgas verläßt über das Knie­ rohr 21 mit ca. 450^o bis 500^o den Generator G und wird in den Reaktor 1 eingeleitet. Der Reaktor 1 wird bei Bedarf über die Aufgabevorrichtung A2 mit Sekundärbrennstoff beschickt, und eine Schleusenvorrichtung S2 sorgt auch hier für den erforderlichen Abschluß des Reaktors 1 analog zu der Generatorbeschickung. Dieser ist bis zu einer gewünschten Höhe mit Brennstoff K gefüllt. Durch einen Brenner B mit Zusatzbefeuerung, z. B. Öl oder nur mit dem Rohgas, O₂ und Dampf wird der Kopf des Brennstoffs K in Form eines Glutbettes auf 1000^o bzw. 1200^o gehalten. Durch dieses Glutbett muß die gesamte Gasmenge, welche mit ca. 450^o aus dem Generator durch das Knierohr in den Reaktor strömt. Beim Durchströmen des Glutbettes mit einer Temperatur bis zu 1200^o werden alle organischen Verbindungen gespalten.

Hierbei besteht jedoch die Gefahr einer Verkrustung der Oberfläche des Hilfsbrennstoffes K. Aus diesem Grunde wird die Brennstoffsäule K in einer stetigen langsamen Abwärtsbewegung gehalten. Durch seitliche Erweiterungen 3, hier in Form von sich nach unten erweiternden Abstufungen, wird die Brennstoffsäule auseinandergezogen und so werden die Verkrustungen aufgebrochen, was bei Bedarf durch Dampf­ einblasen unterstützt werden kann. Durch die Absätze 4 bilden sich umlaufende Hohlräume, durch welche Dampf und/oder Abfallöle eingeblasen werden können. Hierdurch findet sowohl eine Wassergas­ reaktion statt sowie auch ein Aufbrechen der Abfallöle, wodurch die Energie der glühenden Hilfsbrennstoffsäule verbraucht wird und diese etwas abgekühlt wird. Gleichzeitig wird ein hochwertiges Gas geliefert. Dieses Gas verläßt durch die Abzüge 6 den Reaktor 1 und strömt mit 800^o bis 900^o in den in der Zeichnung nicht näher bezeichneten Dampfüberhitzer und wie dargestellt von dort mit ca. 500^o in den Dampfkessel D. Anschließend wird das Gas in einem Rieselkühler R nachbehandelt, woran sich weitere Reinigungsanlagen, z. B. für die Chlor-, Schwefel- und andere Komponenten anschließen. Die hier verwendeten Reinigungsverfahren sind bekannt und seit Jahrzehnten erprobt.

Unterhalb des Reingasabzuges 6 beginnt ein sogenannter toter Schacht. Hier wird durch Wassergasreaktion und Ölkarburierung der Hilfsbrenn­ stoff K gekühlt. In dem Schacht erlischt die Glut durch Sauerstoff­ mangel. Über einen Drehrost 7 wird kontinuierlich etwas Hilfsbrenn­ stoff ausgetragen, und zwar in einer Menge, die die Abkühlung erlaubt und wie der freie Reaktionsquerschnitt in dem Glutbett verlangt. Durch den Wasserabfluß 9 fördert die Austragevorrichtung 10 den durchgelaufenen Hilfsbrennstoff nach außen.

In dem Raum über dem Wasserabschluß 9 und unter dem Austragrost 7 sammelt sich aufgrund seines Gewichtes das bei dem Abkühlen der Brennstoffsäule sich bildende CO₂. Um dieses Gas vor dem Übertreten in das Reingas zu hindern, wird es geregelt abgesaugt und anschließend dem Unterwind des Generators zugeführt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von Generatorgas mit anschließender Gasumwandlung in einem beweglichen Koksbett unter Zufuhr von Sauerstoff, bei dem Phenol belastetes Braunkohlen-Rohgas, Essigsäure belastetes Rohgas aus Holz und landwirtschaftlichen Abfällen und/oder anderen regenerativen Energiequellen mit unbekannten Schadstoffen, wie Müll, Abfallöl und Lösungsmittel in ein sauberes energiereiches Industriegas umgewandelt werden kann, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 1) ein Hochtemperatur-Konverter wird mit einem Hilfsbrennstoff wie Holzkohle, Grudekoks oder Zeckenkoks beschickt,
• 2) dem Hilfsbrennstoff werden Katalysatoren beigegeben, welche geeignet sind, Schadstoffe aus diesen Gasen zu binden und in neutrale Schlacke umzuwandeln,
• 3) der Konverter wird durch teilweise Verbrennung des Rohgases, durch separate Öle oder durch Gasbefeuerung mittels Sauerstoff und Heißdampf auf Reaktionstemperatur gehalten,
• 4) der Konverter wird bei absteigender Betriebsweise eine thermisch abgesicherte Austragevorrichtung in ständiger Bewegung gehalten, so daß Verkrustungen und Verstopfungen vermieden werden,
• 5) zum Schutze vor Überhitzung der Austragevorrichtung wird das feste Austragsgut durch einen toten Schacht oberhalb der Austragevorrichtung geleitet in welchen durch Mangel an Sauerstoff der Reaktorbrennstoff erkaltet und
• 6) der durchgelaufene Reaktorbrennstoff wird in den Rohgaserzeuger gegeben und endgültig vergast, um den Brennwert des Primärbrennstoffes zu erhöhen wobei die Schlacken vom Gaserzeuger und dem Reaktor ausgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktorbrennstoff neben Holzkohle, Grudekoks, Zechenkoks, auch frisches Holz, Braunkohle und Steinkohle in dem Maße aufgegeben werden, daß in dem vorhandenen Glutbett die gewünschte Gaskonvertierung nicht unterbrochen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Abkühlung des Hilfsbrennstoffes in dem toten Schacht anfallende CO₂-Gas dem Generatorunterwind zugemischt wird, um den Wärmestrom für die konvektive Wärmeübertragung in dem Vergasungsbett zu erhöhen und dabei den Generatorprozeß zur thermischen Spaltung zu CO zuzuführen. Hierbei wird gleichzeitig verhindert, daß ungewollt CO₂ in das Reingas überschwappt, wodurch der Heizwert des Reingases gemindert würde.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Konverter liegende Gaserzeuger mit einer künstlichen Vergasungsluft, bestehend aus Heißdampf, CO₂-Abgas aus dem Konverter und O₂ betrieben wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsbrennstoff in einer Tasche hinter der Aufgabe­ vorrichtung S2 getrocknet und vorgewärmt wird.