DE4413923A1

DE4413923A1 - Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas in der Wirbelschicht

Info

Publication number: DE4413923A1
Application number: DE19944413923
Authority: DE
Inventors: Bernd Meyer; Wolfgang H Adlhoch; Ingo Schumacher
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1994-04-21
Filing date: 1994-04-21
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2014-04-22
Also published as: DE4413923C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas durch Um setzen von festen, kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffen mit wenigstens einem gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in der Wirbelschicht eines Hochtemperatur-Winkler-Vergasers (HTW-Vergaser), wobei ein mit Fein staub beladenes Rohgas anfällt, aus dem der Feinstaub bei Temperaturen zwischen 150 und 500°C trocken abgeschieden wird.

Als feste Vergasungsrückstände fallen bei der HTW-Vergasung Staub und Boden produkt an. Während das Bodenprodukt unterhalb des Vergasers abgezogen wird, wird der überwiegende Anteil des Staubes aus dem Rohgas über einen Zyklon abgeschieden und in den HTW-Vergaser zurückgeführt. Das aus dem Zyklon aus tretende Rohgas enthält aber noch einen Anteil von Feinstaub. Es wird zu nächst durch einen Abhitzekessel geführt, in dem seine Temperatur auf einen Bereich zwischen 150 und 500°C abgesenkt wird. Anschließend gelangt das mit dem Feinstaub beladene Rohgas in eine Feinstaubabscheidung, meistens einen Kerzenfilter, wo der Feinstaub aus dem Rohgas trocken abgeschieden wird. Aus dem Feinstaubabscheider, auch Absolut-Staubabscheider genannt, tritt ein staubfrei es Rohgas aus, das einer weiteren Behandlung bzw. Verwendung zugeführt wird.

Die festen Vergasungsrückstände, nämlich das Bodenprodukt und der Feinstaub, sind aber noch kohlenstoffhaltig und müssen beispielsweise in einem Kraft werk nachverbrannt werden, damit eine Asche anfällt, die deponierbar ist.

Daneben kann der Feinstaub auch in einer Wasserwäsche aus dem Rohgas abge schieden werden und zusammen mit dem Abwasser in einer Abwasseraufberei tungsanlage nachbehandelt und entsorgt werden.

Die Abkühlung des staubbeladenen heißen Rohgases, das aus dem Zyklon hinter dem HTW-Vergaser austritt, erfolgt üblicherweise in einem Abhitzekessel. Hierbei scheiden sich bestimmte anorganische und organische Spurstoffe auf den Körnern des Feinstaubs ab und gelangen auf diese Weise in die nachge schalteten Behandlungseinrichtungen für das Rohgas. Im Abhitzekessel wird Dampf erzeugt.

Der Aufwand für die Nachbehandlung bzw. Beseitigung der festen Vergasungs rückstände ist beträchtlich. Er erhöht sich noch, wenn im HTW-Vergaser neben Kohle auch noch sogenannte Reststoffe als Vergasungsstoff umgesetzt werden, worunter beispielsweise zerkleinerte Kunststoffe, getrockneter Klärschlamm und Kokse aus der Abluftreinigung fallen. Bei der Vergasung von derartigen Reststoffen werden zusätzliche emissionsmindernde Verfahrensschritte für die Nachbehandlung des Feinstaubes erforderlich. Daneben enthält vor allem der Feinstaub noch erhebliche Anteile von nicht umgesetztem Kohlenstoff, die beispielsweise bis zu 60 Gew.-% ausmachen können. Beim bisher üblichen Ent fernen des Feinstaubs aus dem Vergasungsprozeß wird dieser Kohlenstoff na türlich dem Vergasungsprozeß entzogen, und damit einhergehend sinkt der Um setzungsgrad des Kohlenstoffs im HTW-Verfahren. Bei der Verwendung von HTW- Gas in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk ist die Verringe rung des C-Vergasungsgrades mit einer Verringerung des Stromerzeugungswir kungsgrades verbunden.

Aus dieser Betrachtung des HTW-Vergasungsverfahrens ergibt sich die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, nämlich

- den Aufwand für die Nachbehandlung des Feinstaubes zu verringern,
- den spezifischen Einsatz des Vergasungsstoffs, bezogen auf den erzeugten Heizwertstrom des Rohgases, zu verringern,
- gasförmige Emissionen im HTW-Rohgas zu vermindern und
- Schwermetalle und andere Spurstoffelemente in einen umweltneutralen Zu stand zu überführen.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgesehen, daß man wenigstens eine Teilmenge des abgeschiedenen Feinstaubs in den HTW-Vergaser wieder einträgt und dabei mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in Berührung bringt, das einen Anteil von mehr als 20 Vol.-% Sauerstoff enthält.

Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gilt, wenn der Feinstaub mit der Flamme von mindestens einer mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebenen Vergasungsmitteldüse in Kon takt gebracht wird. Dabei wird der Feinstaub vorzugsweise in Richtung der Flamme einer mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebenen Ver gasungsmitteldüse eingetragen oder unmittelbar mit einer Vergasungsmittel düse eingeblasen. Wenigstens eine Teilmenge oder die gesamte Menge des im Staubabscheider abgeschiedenen Feinstaubes wird in die Wirbelschicht oder bis 3 m oberhalb der Wirbelschicht in den HTW-Vergaser zurückgeführt und mit Vergasungsmittel umgesetzt. Der Eintrag des Feinstaubes in den HTW-Vergaser erfolgt entweder über separate Eintragsvorrichtungen oder gemeinsam mit dem übrigen Vergasungsstoff.

Hierdurch ist eine Reihe von Vorteilen erzielbar, wozu zählt, daß durch die Rückführung des Feinstaubes in den HTW-Vergaser dessen Verweilzeit im Re aktionsraum des Vergasers erhöht wird. Sowohl der Anteil des Kohlenstoffs, der wie erwähnt, bis zu 60 Gew.-% des im Staubabscheider abgeschiedenen Feinstaubes betragen kann, verringert sich wie auch die für eine mögliche Nachbehandlung anfallende Teilmenge an Feinstaub. Die mit dem Feinstaub in den HTW-Vergaser zurückgeführten organischen Spurstoffe werden überwiegend thermisch zersetzt und zu chemischen Grundmolekülen umgewandelt. Anorga nische Spurstoffe, wie z. B. Schwermetalle und Halogene, werden vor allem in die mineralische Matrix der Asche eingebunden und gelangen zusammen mit dieser in das Bodenprodukt.

Besonders vorteilhaft ist der Eintrag des Feinstaubes im Gemisch mit dem Vergasungsstoff in die Wirbelschicht. Die Verweilzeit des Feinstaubes im HTW-Vergaser wird dadurch erhöht. Gleichzeitig katalysiert der Feinstaub die Zersetzung und Umwandlung flüchtiger Pyrolyseprodukte, wie Ammoniak, Zyan wasserstoff, Benzol und Naphthalin. Beim Umsetzen von Vergasungsstoffen mit Ca-haltiger Asche führt der hohe Ca-Gehalt des Feinstaubes zu einer zusätz lichen Einbindung von Schwefel. Auf diese Weise können die Hauptspurstoffe im HTW-Rohgas vermindert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensführung, wenn im Falle eines sauer stoffgeblasenen HTW-Vergasers die Aschebestandteile des Feinstaubes in der Sauerstoff-Flamme bis über den Erweichungspunkt und den Schmelzpunkt aufge heizt werden.

Dabei agglomeriert die staubförmige Asche zu gröberen Partikeln, die in der Wirbelschicht abkühlen, nach unten sinken und als Bodenprodukt abgezogen werden können. Je mehr Asche des Feinstaubs agglomeriert, um so geringer ist der Anfall an Feinstaub im Staubabscheider. Bei günstigen Verfahrensbedin gungen kann der gesamte im Staubabscheider anfallende Feinstaub in den HTW- Vergaser zurückgeführt und umgesetzt werden. Beim Agglomerieren der Asche teilchen werden u. a. auch Schwermetalle eingeschmolzen und auf diese Weise in einen umweltneutralen Zustand überführt.

Im Falle eines luftgeblasenen HTW-Vergasers sind die Temperaturen in der Luftflamme normalerweise zu gering, um eine Agglomeration von Ascheteilchen zu bewirken. Aus diesem Grunde wird beim luftgeblasenen HTW-Vergaser beson ders vorteilhaft wenigstens eine Vergasungsmitteldüse mit Sauerstoff bzw. mit einem mit Sauerstoff angereicherten Vergasungsmittel betrieben. Die Sauerstoffreinheit beträgt dabei vorzugsweise mehr als 30 Vol.-%. In der Sauerstoff-Flamme findet ideal die Ascheagglomeration statt. Diese Agglome ration kann noch dadurch verbessert werden, wenn der Feinstaub seitlich in die Sauerstoff-Flamme eingeblasen oder direkt einem sauerstoffgeblasenen Staubbrenner zugeführt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher be schrieben. Die Figur zeigt in vereinfachter Darstellung ein Schema für einen erfindungsgemäßen Betrieb eines HTW-Vergasers.

In einem HTW-Vergaser 1 wird durch die Zufuhr des sauerstoffhaltigen gas förmigen Vergasungsmittels 2 über mehrere Düsen 3, 4 und 5 eine Wirbel schicht 6 erzeugt, die durch Zufuhr eines kohlenstoffhaltigen Vergasungs stoffes 28, wie beispielsweise Kohle ggfs. im Gemisch mit Reststoffen, ge bildet wird. An den Düsen 3, 4 und 5 bilden sich Sauerstoffflammen 25 aus. Bei der Umsetzung des Vergasungsstoffs 28 in der Wirbelschicht 6 entsteht ein staubbeladenes Rohgas 7. Dieses wird durch einen Zyklon 8 geführt, in welchem der mitgeführte Staub 29 vom Rohgas 7 abgeschieden wird. Das ent staubte Rohgas 9 enthält noch einen Anteil an Feinstaub 30; der abge schiedene Staub 29 selbst wird über eine Rückführleitung 10 in den HTW-Ver gaser 1 seitlich zurückgeführt. Das feinstaubbeladene Rohgas 9, das den Zyklon 8 bei einer Temperatur von etwa 850°C verläßt, wird zunächst durch einen Abhitzekessel 11 geführt, wo die Temperatur der Rohgases 9 auf Werte zwischen 150 und 500°C abgesenkt wird. Mit der dem Rohgas 9 im Abhitze kessel 11 entzogenen fühlbaren Wärme wird Dampf erzeugt.

Nach dem Durchgang durch den Abhitzekessel 11 gelangt das mit Feinstaub beladene Rohgas 9 in einen Absolut-Staubabscheider 12, beispielsweise ein Kerzenfilter. Aus dem Absolut-Staubabscheider 12 tritt ein staubfreies Roh gas 13 aus, das einer weiteren Verwendung bzw. Aufbereitung (nicht gezeigt) zugeführt wird. Der im Absolut-Staubabscheider 12 abgeschiedene Feinstaub 30 wird einer weiteren Kühlung 14 zugeführt, wo dessen Temperatur beispiels weise auf Werte zwischen 60 und 80°C abgesenkt wird. Auch die dabei dem Feinstaub 30 entzogene Wärme wird prozeßtechnisch genutzt. Über ein Absperr organ 15 gelangt der Feinstaub 30 in einen Zwischenbehälter 16 der als Sen degefäß für eine Dichtstromförderung ausgebildet ist. Für die Dichtstrom förderung wird entstaubtes Rohgas 17 eingesetzt, daß vom staubfreien Roh gas 13 abgezweigt wird.

Der Feinstaub 30 wird über die Dichtstromförderleitung 18 und die Eintrags vorrichtung 19, die als Düse ausgebildet ist, in die Wirbelschicht 6 einge tragen. Die Eintragsvorrichtung 19 ist unterhalb der Düse 5 angeordnet; die Düsenmündung der Eintragsvorrichtung 19 zeigt in Richtung der Sauerstoff Flamme 25. Darunter kann noch eine weitere Düse 20 vorgesehen sein.

Durch die aufwärtsgerichtete Strömung in der Wirbelschicht 6 gelangt der Feinstaub 30 auf direktem Wege in die Sauerstoff-Flamme 25. Der C-Anteil vergast, die Asche agglomeriert und sinkt nach unten. Der gesamte, mit dem Rohgas 9 aus dem Vergaser 1 ausgetragene Feinstaub 30 kann auf diese Weise zurückgeführt und im HTW Prozeß genutzt werden. Ist bei besonderen Betriebs bedingungen eine vollständige Rückführung des Feinstaubes 30 nicht möglich, dann wird eine Teilmenge des Feinstaubes 30 über das Zellenrad 24 aus dem Zwischenbehälter 16 abgezogen und der üblichen Verwertung zugeführt.

Der Vorlagebehälter 21 enthält den Vergasungsstoff 28 und/oder Reststoffe, die zur Vergasung vorgesehen sind. Unter die Reststoffe fallen beispiels weise zerkleinerte Kunststoffe, getrockneter Klärschlamm und C-haltige Rück stände aus der Abluftreinigung. Der Vergasungsstoff 28 wird in bekannter Weise aus dem Vorlagebehälter 21 über ein Dosierzellenrad 22 und eine Ein tragsschnecke 23 in die Wirbelschicht 6 eingetragen.

Unterhalb des HTW-Vergasers befindet sich eine Vorrichtung, beispielsweise Förderschnecke 26 zum Abziehen des Bodenprodukts 27.

Bezugszeichenliste

1 HTW-Vergaser
2 gasförmiges Vergasungsmittel
3 Düse
4 Düse
5 Düse
6 Wirbelschicht
7 staubbeladenes Rohgas
8 Zyklon
9 mit Feinstaub beladenes Rohgas
10 Rückführleitung
11 Abhitzekessel
12 Absolut-Staubabscheider
13 staubfrei es Rohgas
14 Staubkühler
15 Absperrschieber
16 Zwischenbehälter
17 entstaubtes Rohgas
18 Dichtstromförderleitung
19 Eintragsvorrichtung
20 weitere Düse
21 Vorlagebehälter
22 Dosierzellenrad
23 Eintragsschnecke
24 Zellenrad
25 Sauerstoff-Flamme
26 Förderschnecke
27 Bodenprodukt
28 Vergasungsstoff
29 mitgeführter Staub
30 Feinstaub

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas durch Umsetzen von festen koh lenstoffhaltigen Vergasungsstoffen mit wenigstens einem gasförmigen sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in der Wirbelschicht eines HTW-Ver gasers, wobei ein mit Feinstaub beladenes Rohgas anfallt, aus dem der Feinstaub bei Temperaturen zwischen 150 und 500°C trocken abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens eine Teilmenge des abgeschiedenen Feinstaubs in den HTW-Vergaser einträgt und dabei mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in Berührung bringt, das einen Anteil von mehr als 20 Vol.-% Sauerstoff aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Fein staub beim Eintrag in den HTW-Vergaser mit der Flamme von wenigstens einer mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebenen Verga sungsmitteldüse in Berührung bringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Fein staub in Richtung der Flamme einer mit einem sauerstoffhaltigen Verga sungsmittel betriebenen Vergasungsmitteldüse in den HTW-Vergaser ein trägt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Fein staub über eine mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betrie bene und zugleich als Staubbrenner ausgebildete Vergasungsmitteldüse in den HTW-Vergaser einbläst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Feinstaub in die Wirbelschicht des HTW-Vergasers einträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Feinstaub in einer Höhe bis zu 3 m oberhalb der Wirbelschicht in den HTW-Vergaser einträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Feinstaub zusammen mit wenigstens einer Teilmenge des kohlen stoffhaltigen Vergasungsstoffs in den HTW-Vergaser einträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den Feinstaub zusammen mit kohlenstoffhaltigen festen Reststoffen in den HTW-Vergaser einträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Rest stoffe zerkleinerte Kunststoffe, Klärschlamm, C-haltige Reststoffe aus der Abluftreinigung oder Mischungen dieser Reststoffe verwendet.

10. HTW-Vergaser zum Erzeugen von Synthesegas durch Umsetzen von festen, kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffen mit wenigstens einem gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel in der Wirbelschicht mit einem Ab scheider für das trockene Abscheiden von Feinstaub aus dem Rohgas bei Temperaturen zwischen 150 und 500°C, gekennzeichnet durch eine Ein tragsvorrichtung (19) für abgeschiedenen Feinstaub (30), die im Bereich der Flamme (25) einer mit einem O₂-haltigen Vergasungsmittel (2) be triebenen Düse (5, 20) im HTW-Vergaser (1) mündet.

11. HTW-Vergaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein tragsvorrichtung (19) für den Feinstaub (30) eine Düse ist, die als Staubbrenner ausgebildet und mit O₂-haltigem Vergasungsmittel (2) be treibbar ist.

12. HTW-Vergaser nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Abscheider (12) und der Eintragsvorrich tung (19) für den Feinstaub (30) eine Abkühlung (14) und/oder ein Ab sperrorgan (15) und/oder ein Zwischenbehälter (16) und/oder ein Dosier organ (24) vorgesehen sind bzw. ist.