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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Entfernung von fester
Schlacke aus einem Gemisch von fester Schlacke und Wasser, welches
in einer Abschreckzone vorliegt, gerichtet, welche Abschreckzone
Teil eines Verfahrens zur Herstellung von Synthesegas durch teilweise
Verbrennung von fein verteiltem festem kohlenstoffenthaltendem Brennstoff
mit einem sauerstoffhältigen
Gas ist.
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GB-A-2086931
beschreibt ein Verfahren zur Ascheentfernung und Synthesegasgewinnung
aus Kohle. Solch ein Verfahren ist in EP-A-290087 beschrieben. In diesem Verfahren
wird ein Gemisch aus Wasser und fester Schlacke chargenweise aus
einem unter Druck gesetzten Vergasungssystem ausgeschleust. Flüssige Schlacke
ist ein Nebenprodukt der Vergasung oder der teilweisen Verbrennung
von beispielsweise Kohle. Flüssige
Schlacke wird durch den Auslaß,
welcher am Reaktorboden angeordnet ist, abgezogen und mittels Schwerkraft
durch ein Schlackenentnahmemittel in ein Wasserbad oder ein Schlackenabschreckgefäß geleitet,
in welchen das Gemisch aus Wasser und festen Schlacketeilchen ausgebildet
wird. Das chargenweise Ausschleusen des Gemisches aus dem unter
Druck gesetzten Vergasungssystem zu einer Entnahmezone mit niedrigerem
Druck wird mittels eines Sperrtrichters (lockhopper) durchgeführt. Während des
Ausschleusekreislaufes ist der Sperrtrichter vom Vergasungssystem durch
Schließen
eines oder mehrerer Ventile in der Verbindungsleitung zwischen dem
Schlackeabschreckgefäß und dem
Sperrtrichter isoliert.
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Ein
Problem dieses Ausschleuseverfahrens besteht darin, daß bei geschlossenem
Ventil zwischen dem Sperrtrichter und dem Abschreckgefäß die sich
stromaufwärts
von diesem Ventil akkumulierende Schlacke eine Tendenz zur Brückenbildung
im engen Raum unmittelbar über
dem Ventil zeigt. Es hat sich als sehr schwierig erwiesen, daß die Schlacke
nach dem Wiederverbinden des Sperrtrichters mit dem Vergasungssystem
in den Sperrtrichter fällt. Dieses
Problem wird durch das in EP-A-290087 beschriebene Verfahren gelöst, worin
eine permanente Stickstoffgasblase oder eine Stickstoffgaskappe
im Sperrtrichter aufrechterhalten wird. Durch Sicherstellen, daß der Druck
der Stickstoffgasblase geringer als der Druck im Schlackenabschreckgefäß ist, wird ein
anfänglicher
stromabwärtiger
Fluß von
Wasser und Schlacke während
der Öffnung
der Ventile zwischen dem Sperrtrichter und dem Schlackenabschreckgefäß erzielt.
Dieses Verfahren führt
auch zu einer raschen Entnahme der Schlacke aus dem Abschreckgefäß in den
Sperrtrichter.
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Obwohl
sich das vorstehende Verfahren in der kommerziellen Praxis als zufriedenstellend
arbeitend erwiesen hat, besitzt es weiterhin einige Nachteile. Ein
Nachteil besteht darin, daß eine
zusätzliche Ausrüstung zur
Zufuhr von Stickstoff zu installieren ist, und in den mit dem Stickstoffverbrauch
während jedes
Ausschleusekreislaufes verbundenen Kosten. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß gemeinsam mit
dem entnommenen Gemisch eine Menge an Schwefelverbindungen, wovon
Schwefelwasserstoff die prominenteste ist, und andere gelöste Komponenten,
beispielsweise Ammoniak, Chlorid und Kohlenmonoxid, ebenfalls entnommen
werden. Schwefelwasserstoff wird im Reaktor aus schwefelhältigen Verbindungen,
welche im Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial vorhanden sind, ausgebildet.
Ein Teil des Schwefelwasserstoffs wird sich im Wasser, welches im
Schlackenabschreckgefäß vorhanden
ist, lösen und
wird so gemeinsam mit der Schlacke im vorstehend beschriebenen Verfahren
entnommen werden.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein einfaches Verfahren, um
feste Schlacketeilchen rasch aus einer Abschreckzone abzutrennen,
welche Zone ein Gemisch der Schlacketeilchen mit Wasser enthält, sodaß keine
oder nur sehr wenige schwefelhäl tige
Verbindungen mit der Schlacke aus der Abschreckzone entfernt werden.
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Dieses
Ziel wird durch das folgende Verfahren erreicht. Ein Verfahren zur
Entfernung von festen Schlacketeilchen aus einem Gemisch von festen Schlacketeilchen
und Wasser, welches Gemisch in einer Abschreckzone vorliegt, welche
Abschreckzone Teil eines Verfahren der Herstellung von Synthesegas
durch teilweise Verbrennung von feinverteilten festen Kohlenstoff-enthaltendem Brennstoff
mit einem sauerstoffhältigen
Gas ist, durch
- (a) Abführen des Gemisches aus der
Abschreckzone in ein erstes Gefäß
- (b) Abführen
von Schlacketeilchen aus dem ersten Gefäß in ein zweites Gefäß und Abführen von an
fester Schlacke armem Wasser aus dem zweiten Gefäß, welches zweite Gefäß unterhalb
des ersten Gefäßes angeordnet
und mit diesem mittels einer mit Pumpmitteln ausgestatteten offenen verbindenden
Leitung fluidverbunden ist und ferner mit geschlossenen Mitteln
zum Abführen
der Schlacke aus seinem unteren Ende ausgestattet ist
- (c) fluidmäßiges Abschließen des
ersten Gefäßes vom
zweiten Gefäß
- (d) Öffnen
der Mittel zum Abführen
von Schlacke aus dem zweiten Gefäß, um Schlacke
aus dem zweiten Gefäß in eine
einen niedrigeren Druck aufweisende Zone zu entfernen, und
- (e) Schließen
der Mittel zum Abführen
der Schlacke aus dem zweiten Gefäß und Wiederholen
der Schritte (a) bis (e).
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Bei
Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es möglich,
feste Schlacketeilchen aus einem ein Gemisch aus Flüssigkeit
und festen Schlacketeilchen enthaltendem Gefäß zu entfernen, wobei die Menge
an schwefelhältigen
Verbindungen, welche gemeinsam mit Wasser entnommen werden, geringer
als in Verfahren des Standes der Technik ist. Es wird somit weniger Schwefelwasserstoff
gemeinsam mit den Schlacketeilchen entnommen werden. Der üblicherweise
gemeinsam mit der Schlacke entnommene Schwefelwasserstoff wird nun
mit dem Syntheseproduktgasen entnommen werden. Da die Synthesegase
typischerweise eine bestimmte Menge an Schwefelwasserstoff enthalten,
wird es kein Problem sein, diese zusätzliche Menge an Schwefelwasserstoff
in den existierenden stromabwärtigen Entfernungsabschnitten
für Schwefelwasserstoff
zu entfernen. Weitere Vorteile des vorliegenden Verfahrens werden
beim Lesen der detaillierten Beschreibung dieser Erfindung verständlich werden.
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Das
vorliegende Verfahren ist auf die Abtrennung von Schlacketeilchen
aus einem Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch teilweise
Verbrennung von fein verteilten festen kohlenstoffenthaltendem Brennstoff
mit einem sauerstoffhältigen
Gas gerichtet. Beispiele von kohlenstoffenthaltendem Brennstoff
sind Kohle, Torf, Holz, Koks, beispielsweise Petrolkoks, Ruß, kohlenstoffhältiger Abfall,
Biomasse und Gemische dieser. Gemische der zuvor erwähnten Einsatzmaterialien
und metallenthaltende Abfallströme
können
ebenfalls als Einsatzmaterial verwendet werden.
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Das
Verhältnis
vom Volumen an schlackearmem Wasser, welches aus dem zweiten Gefäß gewonnen
wird, relativ zum Volumen an Feststoffen, welche die Leitung aus
dem ersten Gefäß in das zweite
Gefäß innerhalb
der selben Zeitspanne passieren, beträgt vorzugsweise von 0,7 bis
1,5 und stärker
bevorzugt von 0,8 bis 1. Am stärksten
bevorzugt ist die Volumsmenge an aus dem zweiten Gefäß gewonnener
und zum ersten Gefäß zugeführter Flüssigkeit,
etwa die gleiche wie die Volumsmenge an Feststoffen, welche infolge
der Schwerkraft aus dem ersten zum zweiten Gefäß strömt. Die Flüssigkeit in der Verbindungsleitung
zwischen dem ersten und dem zweiten Gefäß wird dann nahezu stagnieren
gelassen werden. Diese Situation verringert weiter jedwede Schwefelverbindungen,
die in das zweite Gefäß gelangen.
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Vorzugsweise
beträgt
der Massenfluß der Schlacketeilchen
in die Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Gefäß von 100
bis 150 kg Schlacketeilchen pro Quadratmeter der Querschnittsfläche der
Leitung oder des Ventils, welche immer die kleinste ist, pro Sekunde
(kg/m2/s).
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Da
ein erstes Gefäß zwischen
der Abschreckzone und dem zweiten Gefäß oder dem Sperrtrichter vorhanden
ist, wird ein Gradient in der Konzentration an Schwefelverbindungen
vorhanden sein, wobei die Konzentration der Schwefelverbindungen
im ersten Gefäß geringer
als in der Abschreckzone sein wird. Dieser Konzentrationsgradient
wird insbesondere erzielt, wenn das Verhältnis von Höhe über Durchmesser des ersten
Gefäßes größer als
drei ist. Vorzugsweise wird das aus dem zweiten Gefäß gewonnene
schlackearme Wasser zum unteren Ende des ersten Gefäßes zugeführt, um diesen
Konzentrationsgradienten weiter zu erhöhen. Dieser Konzentrationsgradient
ist vorteilhaft, da er die Chancen jedweder Schwefelverbindungen
in das zweite Gefäß einzutreten,
weiter verringert.
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Das
Volumen des ersten Gefäßes ist
vorzugsweise von der gleiche Größe oder
größer als
jenes des zweiten Gefäßes. Das
zusätzliche
Volumen wirkt als Pufferkapazität
zur Problemlösung
und verringert zusätzlich
die Chancen jedweder Schwefelverbindungen in das zweite Gefäß einzutreten.
Wenn das erste Gefäß vom zweiten
Gefäß im Schritt
(c) abgeschlossen wird, werden vorzugsweise keine oder sehr wenige
Schlacketeilchen in der Verbindungsleitung vorhanden sein, wodurch
die Möglichkeit,
daß die
Schlacketeilchen das in der genannten Leitung vorhandene Ventil
blockieren, verringert wird, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung des
Ventils verringert wird, und die zur Vorwegnahme von möglichen
auftretenden Problemen verfügba re
Pufferkapazität
gehalten wird. Das zweite Gefäß ist vorzugsweise
nicht zu klein, da dies zu einer zu hohen Ausschleusefreguenz führen wird,
was eine schlechte Kapazität
des Verfahrens mit sich bringt. Geeigneterweise beträgt das Volumen
des ersten Gefäßes vom 2-
bis 3-fachen des Volumens des zweiten Gefäßes. Das Volumen des zweiten
Gefäßes wird
durch die erforderliche Kapazität
zur Entfernung von Schlacketeilchen bestimmt werden. Ein Fachmann
kann leicht das optimale Volumen ermitteln, indem die erforderliche
Zeit zur Durchführung
der Schritte (a) bis (e) und der Wunsch, die Größe der Gefäße zu minimieren, in Betracht
gezogen werden.
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Durch
das Gewinnen von verhältnismäßig sauberem
Wasser aus dem zweiten Gefäß wird eine Art
von Saugwirkung erzielt, welche die Feststoffe aus dem ersten Gefäß überwiegend
in das zweite Gefäß zieht.
Das zweite Gefäß muß groß genug
sein, um es den Feststoffen zu ermöglichen, sich während des
Schritts (b) ausreichend abzusetzen, um eine Region zu erzielen,
welche an Feststoffen arm ist, und eine niedrigere Region, welche
an Feststoffen reich ist.
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Um
die Menge an Schwefelverbindungen, welche aus dem ersten Gefäß in das
zweite Gefäß abgeführt werden
können,
weiter zu reduzieren, ist es vorteilhaft, das zweite Gefäß mit sauberem
oder frischem Wasser zu füllen,
nachdem die Schlacketeilchen aus dem zweiten Gefäß im Schritt (d) entfernt wurden,
und/oder im Schritt (e), bevor Schritt (a) durchgeführt wird.
Wenn Schlacketeilchen in das zweite Gefäß eintreten, wird ein Teil
dieses sauberen Wassers, welcher geeigneterweise etwa das Volumen
der eintretenden Teilchen besitzt, in das erste Gefäß abgeführt, oder
alternativ, aber weniger bevorzugt, in einen anderen Auslaß. Wenn
dieses saubere Wasser in das erste Gefäß eintritt, tritt eine weitere Verringerung
im Gehalt an Schwefelverbindungen in diesem ersten Gefäß auf, wie
dies auch vorstehend erörtert
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das erste Gefäß auch mit Mitteln zum Abführen von
schlackearmem Wasser ausgestattet. Dies ist vorteilhaft, da Schlacketeilchen
dann leichter aus der Abschreckzone in das erste Gefäß eintreten
können.
Dieses Wasser kann vorteilhafterweise als Mittel zum Kühlen der
Abschreckzone verwendet werden, indem Wärme aus diesem Strom durch
Kühlwasser,
Kühlluft
oder ein anderes Medium abgeführt
wird. Es kann auch vorteilhaft sein, dieses Wasser zu verwenden,
um an der Oberfläche
der in der Abschreckzone vorhandenen Wasserschicht ausgebildete
Ablagerungen zu zerstören
und/oder durch Reinigen zu entfernen, ebenso wie Ablagerungen, welche
in der Abschreckzonenkonstruktion selbst vorhanden sind. Es kann
vorteilhaft sein, etwas von diesem Strom abzuziehen, um einen Aufbau
von verunreinigenden Stoffen zu verhindern. Die bevorzugte Stelle,
an welcher schlackearmes Wasser aus dem ersten Gefäß abgeführt wird,
ist dieselbe, wie sie für
das zweite Gefäß erörtert wurde.
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Das
vorliegende Verfahren wird sehr vorteilhaft in. einer Situation
verwendet, worin der Druck im ersten Gefäß höher als der Druck der Umgebung
ist, in welche die abgetrennten Feststoffe aus dem zweiten Gefäß abgeführt werden.
In einem Vergasungsverfahren liegt der Druck in der Abschreckzone
und in dem damit verbundenen ersten Gefäß im Verfahren gemäß der Erfindung
typischerweise zwischen 20 und 60 bar, wobei die Feststoffe üblicherweise
bei etwa Umgebungsdruck aus dem zweiten Gefäß entnommen werden, welches
manchmal als Sperrtrichtergefäß bezeichnet
wird.
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Die
Figur stellt eine Apparatur zur Durchführung der vorstehend beschriebenen
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dar. Die Apparatur umfaßt
ein erstes Gefäß (1), ein
zweites Gefäß (2),
welches vorzugsweise unterhalb des ersten Gefäßes angeordnet ist, und eine erste
Leitung (3) und eine zweite Leitung (4), welche mit
dem ersten und dem zweiten Gefäß in Flüssigkeitsverbindung
steht. Die erste Leitung (3) ist vorzugsweise derart angeordnet,
daß die
Schlacketeilchen im Schritt (b) durch Schwerkraft aus dem ersten Gefäß (1)
in das zweite Gefäß (2)
bewegt werden. Die zweite Leitung (4) ist mit Pumpmitteln
(5) ausgestattet, um an Schlacketeilchen armes Wasser aus dem
zweiten Gefäß in das
erste Gefäß zu transportieren.
Geeignete Mittel zum Pumpen einer Flüssigkeit sind beispielsweise
eine Zahnradpumpe, eine Kolbenpumpe, eine Rotationspumpe, eine Zentrifugalpumpe
oder ein Heber. Der Einlaß der
zweiten Leitung (4) ist derart angeordnet, daß Wasser,
welches an Schlacketeilchen arm ist, aus dem zweiten Gefäß (2)
in das erste Gefäß (1)
gepumpt wird. Die Schlacketeilchen, welche in das zweite Gefäß (2) über die
Leitung (3) eintreten, werden sich im unteren Teil des
zweiten Gefäßes akkumulieren,
was dazu führt,
daß der
obere Teil des zweiten Gefäßes relativ zum
unteren Teil an Schlacketeilchen arm ist.
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Vorzugsweise
befindet sich daher der Einlaß (6)
von Leitung (4) im oberen Teil des zweiten Gefäßes (2)
und weg von der Auslaßöffnung (8)
der ersten Leitung (3), welche in das zweite Gefäß (2)
eintritt. Stärker
bevorzugt ist eine röhrenförmige Abschirmung
(7) um den Auslaß (8)
der Leitung (3) vorhanden, welche die in das zweite Gefäß (2)
eintretenden Schlacketeilchen stromabwärts und vom Einlaß (6) der
zweiten Leitung (4) weg steuert. Das zweite Gefäß ist darüber hinaus
mit einer Auslaßöffnung (9) ausgestattet,
durch welche feste Teilchen entnommen werden können, und das erste Gefäß ist mit
einer Einlaßöffnung (10)
zur Aufnahme des Gemisches aus der Abschreckzone (14) ausgestattet.
Die Öffnung
(10) kann wahlweise mit einer Schlackenmühle ausgerüstet sein,
um große
Schlacketeilchen vor dem Eintritt in das erste Gefäß aufzubrechen.
Wenn keine Schlackenmühle
vorhanden ist, wird die Öffnung
(10) typischerweise größer als
die Öffnung
in der Leitung sein, welche das erste (1) und das zweite (2)
Gefäß verbindet,
wodurch eine turbulenzfreie Strömung
von Schlacketeilchen in das erste Gefäß (1) aus der Abschreckzone
(14) ermöglicht
wird.
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Die
Figur zeigt auch Ventile (11, 13), welche in den
Leitungen (3) und (9) vorhanden sind, um das Verfahren
im Ausschleusemodus gemäß der vorliegenden
Erfindung zu betreiben. Im Schritt (c) ist das Ventil (11)
geschlossen und die Pumpe (5) nicht in Betrieb. Im Schritt
(d) ist das Ventil (13) in einer offenen Stellung, um die
Schlacketeilchen aus dem zweiten Gefäß (2) abzuführen. Die
Figur zeigt auch eine Entnahmezone (12).
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Die
Figur zeigt auch eine Leitung (15), durch welche schlackearmes
Wasser aus dem ersten Gefäß entnommen
werden kann, und eine röhrenförmige Abschirmung
(16), welche die gleiche Funktionalität wie die Abschirmung (7)
aufweist, die im zweiten Gefäß beschrieben
ist.
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Die
Erfindung soll durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht
werden.
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Beispiel 1
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In
einer experimentellen Anordnung, wie sie in 2 veranschaulicht
ist, wurde das Gefäß 1 mit einem
Gemisch aus Wasser und 172 kg Schlacke beladen, welche aus einem
Kohlevergasungsverfahren erhalten wurde und eine Dichte von 2335
kg/m3 besitzt. Die meisten Schlacketeilchen
waren am Boden des Gefäßes 1 nahe
dem Ventil 11 vorhanden. Das Gefäß 2 wurde mit sauberem
Wasser befüllt.
Nach dem Öffnen
des Ventils 11 mit einem Durchmesser von 10 cm und nach
der Inbetriebnahme der Pumpe 5 wurde ein stabiler Ausschleusestrom
durch das Ventil beobachtet. Die Pumpendurchflußrate betrug 15,5 l/min und
die 172 kg Schlacke wurden in 3,65 min ausgeschleust. Das Verhältnis von
Volumen an Flüssigkeit,
welche aus dem zweiten Gefäß in das erste
Gefäß über die
Leitung (4) transportiert wurde, relativ zum Volumen der
Feststoffe, welche die Leitung (3) in der selben Zeitspanne
passieren, beträgt in
diesem Beispiel somit 0,75.
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Beispiel 2
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Das
Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß der Pumpendurchfluß 36,3 l/min
betrug. Es wurden die gleichen 172 kg Schlacke in 2,44 min ausgeschleust.
Das Verhältnis
von Volumen an Flüssigkeit,
welche aus dem zweiten Gefäß zum ersten
Gefäß über die
Leitung (4) transportiert wird, relativ zum Volumen der
Feststoffe, welche in der selben Zeitspanne durch die Leitung (3)
treten, beträgt in
diesem Beispiel 1,18.
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Vergleichsexperiment
A
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Das
Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Pumpe 5 nicht
verwendet wurde. Der Durchfluß durch
das Ventil 11 war sehr instabil und das Experiment wurde
15 mal wiederholt, um ein zuverlässiges
Testergebnis zu erzielen. Durchschnittlich erforderte es 5,6 min,
bis die 172 kg Schlacke durch das Ventil 11 hindurchtraten.
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Die
vorstehenden experimentellen Ergebnisse zeigen, daß bei Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein hoher Strom an Schlacke aus einem oberen Gefäß zu einem unteren Gefäß transportiert
werden kann, während
die Menge an Wasser, welche vom oberen Gefäß zum unteren Gefäß transportiert
werden muß,
minimiert wird.