DE69000323T2

DE69000323T2 - Vorrichtung zur vergasung oder verbrennung von festen kohlenstoffhaltigen materialien.

Info

Publication number: DE69000323T2
Application number: DE9090103442T
Authority: DE
Inventors: Olli Arpalathi
Original assignee: Ahlstrom Corp
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1989-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2010-02-23
Also published as: FI85909C; US4969930A; ATE80908T1; EP0384454A3; ES2036065T3; EP0384454B1; DE384454T1; DE69000323D1; FI890833A0; EP0384454A2; FI85909B; JPH0697082B2; FI890833A; JPH02290406A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur Vergasung oder Verbrennung von festem kohlenstoffhaltigem Material in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor. Der zirkulierende Wirbelschichtreaktor umfaßt einen Abscheider, der hinter der Reaktorkammer angeordnet ist und der zirkulierendes Bettmaterial vom Gas abtrennt. Der Abscheider für zirkulierendes Material ist mit einem Gasaustritt für den Abzug von Gas aus besagtem Abscheider und mit einem Kanal zur Rückführung der abgeschiedenen Teilchen vorzugsweise zum unteren Teil der Reaktorkammer vorgesehen. Ein Abscheider für Feinstpartikeln ist ebenfalls im Gasstrom vom Abscheider angeordnet.
Man hat herausgefunden, daß die Vergasung oder Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Material in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Gases auf solch einem hohen Niveau gehalten wird, daß ein erheblicher Teil der Feststoffpartikeln mit dem Gas aus der Reaktorkammer abgezogen wird und der Großteil der Feststoffpartikeln nach der Abscheidung der Wirbelschicht rückgeführt wird, gegenüber den konventionellen Vergasungs- oder Verbrennungsverfahren mehrere Vorteile aufweist.
Aus EP-A-022 36 19 ist ein Apparat zur Wirbelschichtfeuerung von kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln bekannt, wobei Abgase zwei Abscheider jeweils für grobe und feine Partikeln durchlaufen. Danach werden die groben und feinen Partikeln in einer Rückgewinnungskammer gesammelt und über einen Rückführkanal in eine untere erweiterte Zone der Fluidisierungskammer mit Hilfe von Druckluft geleitet, die aus Einspritzdüsen in die Rückgewinnungskammer eingegeben wird. Die erweiterte Zone am Boden der Reaktorkammer, in der der Rückführkanal ausmündet, bildet einen Teil der Reaktorkammer.
Aus DE-A-3 430 212 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Gas aus kohlenstoffhaltigem Material bekannt. Der Apparat zur Durchführung dieses Verfahrens umfaßt eine Hauptreaktorkammer mit einer Fluidisierungszone, eine Stabilisierungszone und eine Vergasungszone. Im Gas befindliche Teilchen werden in einem Abscheider entfernt und danach in einem Lagerbehälter gelagert, um dem Reaktor durch Düsen gleich oberhalb oder unterhalb der Ebene der Wirbelschicht rückgeführt zu werden. Eine Lanze für Dampf und Sauerstoff verläuft abwärts in der Mitte der Reaktorkammer und mündet in deren Mitte in der Vergasungszone ungefähr auf gleicher Höhe mit den Düsen aus. In dieser Vergasungszone wird die Temperatur oberhalb des Ascheschmelzpunktes gehalten, und der gesamte Ascheinhalt der der Reaktorkammer rückgeführten Feststoffpartikeln wird in der Reaktorkammer geschmolzen und agglomeriert und fällt dann durch die Wirbelschichtzone hindurch, um in Form von größeren Aschepartikeln vom Boden der Reaktorkammer entfernt zu werden.
Bei der Vergasung von festem kohlenstoffhaltigem Brennstoff hat man mehrere verschiedene Verfahren angewandt, wovon die wichtigsten auf dem oben beschriebenen Wirbelschichtprinzip beruhende Vergaser sind. Das Problem besteht bei allen Vergasern, Wirbelschichtvergaser (wenn auch in geringerem Ausmaß inklusive darin, wie ein sehr hoher Kohlenstoffumsatz erreicht werden kann. Dieses Problem wird noch verschärft, wenn Brennstoffe mit niedrigerer Reaktivität, wie etwa Kohle, vergast werden sollen. Es ist auch schwierig, einen hohen Kohlenstoffumsatz mit Brennstoffen einer kleinen Partikelgröße, wie etwa Frästorf zu erreichen.
Ein niedriger Kohlenstoffumsatz ist grundsätzlich das Ergebnis der vergleichsmäßig niedrigen Reaktionstemperatur von Wirbelschichtvergasern, was durch die Schmelztemperatur der Brennstoffasche beschränkt wird. Der Kohlenstoffumsatz kann bedeutend verbessert werden, indem die Reaktionszeit der Vergasung verlängert wird, d. h. durch Rückführung des entfliehenden nicht reagierten Brennstoffes in den Reaktor.
Bei einem zirkulierenden Wirbelschichtvergaser oder -kessel ist die Strömungsgeschwindigkeit des nach oben gerichteten Gases so hoch, daß ein wesentlicher Teil des festen Bettmaterials mit Produkt- oder Rauchgasen aus dem Reaktor abgeführt wird. Der Großteil dieses ausströmenden Bettmaterials wird durch Abscheider aus dem Gas getrennt und in den Reaktor zurückgeführt. Die feinste Fraktion wird jedoch mit dem Gas abgezogen. Das zirkulierende Material im Reaktor besteht aus Asche, Koks und anderem Feststoff, wie etwa Kalkstein, der in den Vergaser eventuell eingegeben wird und gewünschte Reaktionen wie etwa Bindung von Schwefel veranlassen.
Abscheider, wie etwa normalerweise eingesetzte Zyklone haben jedoch eine beschränkte Kapazität bei der Abscheidung von kleinen Partikeln. Normalerweise können Heißzyklone nur Partikeln bis zu einer Korngröße von 50 bis 100 um abscheiden, und feinere Fraktionen sind geneigt, mit den Gasen zu entweichen. Weil der mit dem Gas aus dem Reaktor abgezogene nicht reagierte Brennstoff hauptsächlich Koks ist, aus dem die flüchtigen (reaktiven) Bestandteile bereist entfernt sind, würde er bei Rückführung in den Reaktor eine längere Verweilzeit als der eigentliche frische Brennstoff erfordern. Aufgrund der sehr kleinen Korngröße des rückgeführten Kokses wird die rückgeführte feine Fraktion jedoch unmittelbar erneut aus der Reaktorkammer abgezogen, und somit bleibt die Reaktionszeit zu kurz und der Kohlenstoffumsatz unerwünschterweise niedrig.
Die Korngröße des Kokses nimmt während des Prozesses allmählich ab, wobei die Emission von staubförmigem Material aus dem Zyklon zunimmt, was zu einen niedrigen Kohlenstoffumsatz führt.
Obwohl mit den neuen keramischen Filtern kleine Kokspartikeln aus den Gasen abgeschieden werden können, entstehen weitere Probleme. Feste Brennstoffe enthalten immer Asche, die aus dem System entfernt werden soll, wenn reines Gas erzeugt wird. Wenn ein möglichst hoher Kohlenstoffumsatz angestrebt wird, soll die Asche so entfernt werden, daß der Abzug von großen Mengen nicht reagierter Kohle mit der Asche vermieden wird. Die Partikelgröße der Asche variiert jedoch stets in einem großen Bereich, und feine Asche ist geneigt, mit dem feinen Restkoks aus dem Reaktor herauszufliegen.
Um einen hohen Kohlenstoffumsatz zu erreichen, sollen folgende unterschiedliche Kriterien erfüllt sein:
(1) Abscheidung von Feinstaub aus den Gasen und Rückführung desselben zum Reaktor sollen möglich sein, und
(2) der im rückgeführten Feinstaub enthaltene Kohlenstoff soll zum Reagieren gebracht werden, und die Asche soll aus dem System abgeschieden werden.
Bisher sind Versuche, diese Kriterien zu erfüllen, gescheitert.
Es ist ferner auf Kesselanlagen mit Wirbelschichtvergasung allgemein, daß unverbrannte Kohle mit der Flugasche leicht mitgeführt wird, besonders wenn geringfügig reaktiver Brennstoff verwendet wird oder wenn die Kesselanlage unter geringer Last oder einer äußerst schweren Last steht. Flugasche kann über 10%, ab und zu sogar 20% Kohle enthalten, was den Wirkungsgrad des Kessels herabsetzt. Es ist bekannt, daß die Rückführung von Flugasche in die Brennkammer einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt in der Flugasche ergibt und somit den Wirkungsgrad des Kessels verbessert.
Flugasche ist jedoch ein an sich problematisches Erzeugnis. Zum Beispiel in den USA können nur 20% der Gesamtmenge von Flugasche in der Bauindustrie und dem Straßenbau verwertet werden. Die Endlagerung verursacht Probleme für die Kraftwerke. Flugasche ist ein Material mit geringerer Dichte, was bedeutet, daß die restliche Flugasche ziemlich große Lagerareale beansprucht. Dies stellt ein Problem in dicht bevölkerten Gebieten dar. Ferner soll beachtet werden, daß die Asche so gelagert wird, daß sie mit Grundwasser nicht in Berührung kommt. In der letzten Zeit hat man Ammoniak bei der Reinigung von Rauchgasen eingeführt, was das Flugascheproblem verschlimmert hat. Mit Ammoniak behandelte Flugasche kann in der Betonindustrie nicht verwendet werden.
Die Vergasungstemperaturen in Wirbelschichtkesseln sind wesentlich niedriger als z. B. in Staubfeuerungen, und die Eigenschaften der Asche sind ganz anders. Die durch Vergasung bei niedrigen Temperaturen erzeugte Asche ist nicht stabil, sondern kann je nach den Verhältnissen zu gasförmigen, flüssige oder staubförmigen Emissionen führen.
Das US-Patent Nr. 4,315,758 stellt ein Verfahren und einen Apparat zur Lösung der Problems mit der Rückführung von feinem Material. Diesem Verfahren zufolge wird der feinste aus dem Gas abgeschiedene Staub zurück zum unteren Teil des Reaktors geleitet, während sauerstoffhaltiges Gas an derselben Stelle in den Reaktor eingeführt wird, wobei eine Hochtemperaturzone gebildet wird, in der der zurückgewonnenen Feinstaub mit den Partikel in der Wirbelschicht agglomerieren. Diese Methode stellt eine Verbesserung des sog. U-gas-Process-Verfahrens dar.
Das britische Patent GB 2,065,162 zeigt ein Verfahren und einen Apparat zur Eingabe des aus dem Gas abgeschiedenen feinen Materials zum oberen Teil der Wirbelschicht, wo der Feinstaub mit den Partikeln der Wirbelschicht agglomeriert, wenn sauerstoffhaltiges Gas zur selben Stelle im Reaktor geleitet wird.
Das Problem bei den beiden Verfahren besteht in der Prozeßführung. Beide Verfahren zielen auf eine Agglomeration des abgeschiedenen feinen Materials mit der Wirbelschicht (die ausgezeichnete Wärme- und Materialübertragungseigenschaften aufweist) ab. Es ist von großer Wichtigkeit, daß der Hauptprozeß selbst bei einer optimalen Temperatur arbeiten kann, und er wird leicht gestört, wenn die für die Agglomeration benötigte Temperatur nicht die gleiche ist als die für den Hauptprozeß Benötigte. Dank des guten Wärmeübergangs in der Wirbelschicht sind die Temperaturen geneigt, sich anzugleichen, was neue Probleme verursacht. Wegen des Wärmeüberschusses ist man gezwungen, ein anderes als das zur Vergasung selbst verwendete sauerstoffhaltige Gas zu verwenden. Und weil die Größe der in der Wirbelschicht enthaltenen Partikeln erheblich variiert, ist es außerdem schwierig, die Agglomeration im Reaktor so zu steuern, daß die Entstehung von zu großen Ascheagglomeraten verhindert werden könnte. Die Asche setzt sich sowohl an großen wie auch kleinen Bettpartikeln fest, wobei sich leicht zu große Ascheagglomerate bilden, die die Austragung von Asche erschwert oder verhindert, und der Vergasungsprozeß folglich abgebrochen werden soll. Desweiteren verursacht die Agglomeration im Reaktor selbst örtliche Überhitzung, die wiederum zur Abrasion der Ausmauerungen führt.
Das US-Patent Nr. 3,847,566 zeigt eine Lösung, bei der ein hoher Kohlenstoffumsatz durch Vergasung des aus dem Vergaser entfliehenden feinen Materials in einer getrennten Feuerung angestrebt wird. Der Wirbelschicht entnommenes gröberes kohlenstoffhaltiges Material wird durch die bei der Vergasung freigesetzte Wärme aufgeheizt. Nach dem Aufheizen wird dieses kohlenstoffhaltige Material der Wirbelschicht rückgeführt. Auf diese Weise wird die für die Vergasung benötigte Wärme erzeugt. Die bei der Verbrennung und Vergasung freigesetzten Gase, das Rauchgas und das Produktgas, sollen in zwei separaten Prozessen aus dem System entfernt werden, die beide ein getrenntes Gasreinigungssystem aufweisen. Die Anordnung gemäß diesem Verfahren erfordert somit ziemlich komplizierte Konstruktionen und ergibt schwer zu steuernde Prozesse.
Das Problem mit den oben genannten Verfahren liegt in den schwierigen Prozeßverhältnissen, wo Agglomerationsverhältnisse gesteuert werden sollen. Dies setzt teuere Werkstoffe und gekühlte Konstruktionen voraus.
Dieses Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Apparat gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die Erfindung sieht einen Apparat zur Vergasung oder Verbrennung vor, mit dem ein möglichst hoher Kohlenstoffumsatz ohne die obengenannten Nachteile in der Prozeßführung und ohne komplizierte und teure Konstruktionen erreicht wird. Der Erfindung zufolge ist es möglich, auch die feinsten kohlenstoffhaltigen Stäube aus dem Produkt- oder Rauchgas abzuscheiden und sie dem Reaktor in solcher Form rückzuführen, daß der im Staub enthaltene Kohlenstoff ausgenutzt und die Asche abgeschieden werden kann.
Gemäß der Erfindung wird in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor im Zusammenhang mit dem Rückführkanal für Partikeln eine Agglomerationsvorrichtung vorgesehen, die eine Agglomerations- und Fluidisierungskammer umfaßt. Die Agglomerationskammer steht in Verbindung mit einem Rückführkanal für aus dem Abscheider abgeschiedene zirkulierende Partikeln und mit dem unteren Teil des Rückführkanals, wodurch zirkulierende Partikeln dem unteren Teil des Wirbelschichtreaktors rückgeführt werden. Der Boden der Kammer weist Organe (wie etwa Düsen für Fluidisierungsgas) zur Einführung von Fluidisierungsgas, um eine schwebende Wirbelschicht in der Kammer aufrechtzuerhalten. Das Bettmaterial besteht aus zirkulierenden Partikeln. Das Fluidisierungsgas kann auch z. B. durch eine poröse Bodenplatte in den Reaktor eingegeben werden.
Der obere Teil der Agglomerationskammer ist mit einem Staubbrenner zur Aufheizung und mindestens teilweisen Verbrennung des Feinstaubs. Daher wird Feinstaub aus dem Abscheider durch den Brenner in den freien Raum oberhalb der Wirbelschicht im Reaktor geleitet. Der Staubbrenner umfaßt zwei Kanäle oder Düsen, die eine für sauerstoffhaltiges Gas, die andere für Feinstaub oder für ein Gemisch aus Feinstaub und Gas. Der Staubbrenner ist im oberen Teil der Agglomerationskammer derart angeordnet, daß er bei Verbrennung von Staub eine Flamme hauptsächlich im Raum oberhalb der Wirbelschicht bildet. Deshalb sind die Düse für Staub und die Düse für Gas vorzugsweise so angeordnet, daß die Spitze der Flamme bei Verbrennung von Staub in die schwebende Wirbelschicht hineindringt.
Beim erfindungsgemäßen Apparat wird in der Gasreinigungsstufe abgeschiedener Feinstaub mit dem zirkulierenden Bettmaterial bei einer erhöhten Temperatur agglomeriert, bevor die Feststoffpartikeln der Reaktorkammer rückgeführt werden. Somit werden Partikeln in mindestens zwei Stufen aus dem Gas abgeschieden. In der ersten Stufe werden hauptsächlich gröbere Partikeln abgeschieden, deren Großteil dem Reaktor als zirkulierendes Material rückgeführt wird. In der zweiten Stufe werden hauptsächlich feinere kohlenstoffhaltige Partikeln abgeschieden, wovon mindestens ein Teil, mit dem zirkulierenden Material agglomeriert und vermischt, bei einer erhöhten Temperatur dem Wirbelschichtreaktor rückgeführt wird.
Die Temperatur des abgeschiedenen Feinstaubs wird auf über 1000ºC, vorzugsweise auf 1000 bis 1300ºC angehoben, indem dem Staubstrom sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wobei mindestens ein Teil des Feinstaubs klebrige Partikeln bildet oder dazu übergeht, die veranlaßt werden, mit den zirkulierenden Partikeln zu agglomerieren, bevor sie zurück in die Reaktorkammer geführt werden. Vorzugsweise werden agglomerierte Partikeln veranlaßt, sich gleichmäßig mit zirkulierenden Partikeln zu vermischen, bevor sie dem Reaktor rückgeführt werden.
In Prozessen, wo desto besser für die Reinigung des Gases je höher die Temperatur ist, kann Feinstaub aus dem Produktgas auch dadurch abgeschieden werden, daß man mehrere hintereinander geschaltete Zyklone, Zyklonbatterien oder Hochtemperaturfilter oder andere entsprechende Vorrichtungen einsetzt, die fähig sind, auch Feinstaub abzuscheiden.
Anderseits ist es z. B. in Verbindung mit einem Kombikraftwerk vorteilhaft, das heiße Produktgas zur Überhitzung von Dampf zu verwenden und den Feinstaub aus dem Produktgas nicht abzuscheiden, bevor das Gas auf eine niedrige Temperatur wie etwa 850ºC abgekühlt ist. In diesem Fall kann die Reinigung des Gases auch leichter ausgeführt werden. Bei einer niedrigeren Temperatur enthält das Gas keine störenden Mengen feine Dünste, die schwierig abzuscheiden sind und leicht z. B. die Poren von keramischen Filtern verstopfen. Außerdem sind heiße Dünste chemisch extrem aggressiv und stellen hohe Anforderungen an die Werkstoffe. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher am geeignetsten für Kombikraftwerksanwendungen, weil der Kohlenstoffumsatz des Brennstoffes hoch, das Produktgas rein und für Gasturbinen gut geeignet ist, und ferner die Gesamtwirtschaftlichkeit durch Überhitzung des Dampfes verbessert wird.
Die Agglomeration vergrößert die Partikelgröße des Feinstaubs auf solch ein Maß, daß die Verweilzeit des Staubs im Reaktor länger und der Kohlenstoffumsatz verbessert wird. Wenn die Partikelgröße des rückgeführten Feinstaubs genügend vergrößert wird, können die Aschepartikeln in einer optimalen Stufe aus dem Reaktor entfernt werden, wobei der in den Aschepartikeln enthaltene Kohlenstoff nahezu vollständig reagiert hat.
Durch die Agglomeration der Partikeln außerhalb des eigentlichen Wirbelschichtreaktors, wobei die gröbsten zirkulierenden Partikeln im Durchmesser erheblich kleiner sind als die gröbsten Partikeln im Reaktor selbst, wird die Bildung von zu großen Partikeln vermieden, welche Partikeln mit der Asche aus dem Reaktor ausgetragen werden könnten, wobei dem Kohlenstoff nicht genug Zeit zum vollständigen Reagieren bleiben würde.
Die Vergasung in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor weicht auf gewisse Weise von der Vergasung in einem konventionellen schwebenden Wirbelschichtreaktor. In einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor ist die nach oben gerichtete Strömungsgeschwindigkeit so hoch, typischerweise 2 bis 10 m/s, daß eine große Menge des festen Bettmaterials mit den Gasen zum oberen Teil des Reaktors und aus dem Reaktor heraussteigt, dem es nach der Gasabscheidung rückgeführt wird. In solch einem Reaktor laufen die wichtigen Reaktionen zwischen den Gasen und dem Feststoff im gesamten Reaktorbereich ab, wobei die Suspensionsdichte sogar im oberen Teil des Reaktor 0,5 bis 30 kg/kg Gas, meistens 2 bis 10 kg/kg Gas beträgt.
In einer schwebenden Wirbelschicht, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Gases typischerweise 0,4 bis 2 m/s beträgt und die Suspensionsdichten im oberen Teil des Reaktors rund 10- bis 100mal niedriger sind als im zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, finden die Gas/Feststoff-Reaktionen hauptsächlich im unteren Teil des Reaktors, d. h. im Bett, statt.
Die Erfindung hat z. B. folgende Vorteile:
- Es wird ein hoher Kohlenstoffumsatzgrad erreicht.
- Die Agglomeration von feinem Kohlenstoff kann unter Kontrolle, ohne Störung von Prozeßverhältnissen im Vergaser oder Kessel stattfinden.
- Mit dem zirkulierenden Wirbelschichtkonzept kann der Reaktorquerschnitt deutlich kleiner sein als bei einem sog. schwebenden Wirbelschichtreaktor.
- Dank dem kleineren Querschnitt und den besseren Vermischungsverhältnissen werden wesentlich weniger Brennstoffeingabe- und Ascheaustragungsvorrichtungen im Vergleich zum sog. schwebenden Bett benötigt.
- Die Bindung des im Brennstoff enthaltenen Schwefels kann im Prozeß mit billigem Kalkstein stattfinden.
- Reaktionen zwischen Feststoffpartikeln und Gasen finden im gesamten Bereich des Reaktorteils und des Abscheiders statt.
- Die oben beschriebene Ausstattung erfordert keine teuren Werkstoffe.
- Weil die verschiedenen Prozeßschritte in verschiedenen Vorrichtungen ablaufen, kann der Prozeß in Hinsicht auf das Gesamtergebnis optimal gesteuert werden.
- Es fällt inerte Asche an; und
- Die Probleme mit der Lagerung von Asche nehmen ab.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei zwei Ausführungsformen der vorliegende Erfindung wie folgt dargestellt sind:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Vergasers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer im Vergaser von Fig. 1 anwendbaren Sperr- und Agglomerationsvorrichtung; und
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Kesselanlage, auf der das erfindungsgemäße Prinzip angewandt ist.
Beim in Fig. 1 dargestellten Vergaser ist der obere Teil eines Wirbelschichtreaktors 1 mit einem Partikelabscheider 2 verbunden, dessen unterer Teil mit einem Rückführkanal 3 versehen ist, der zirkulierende Partikeln zum unteren Teil des Reaktors leitet. Das Produktgas wird aus dem oberen Teil des Abscheiders 2 durch einen Abzugskanal 4 zu einem Abscheider 5 zur Entfernung des Feinstaubs abgezogen. Der Abscheider 5 für Feinstaub ist mit einem Kanal 6 versehen, der Feinstaub einer Agglomerationsvorrichtung 7 zuführt, die mit dem Rückführkanal 3 für zirkulierende Partikeln verbunden ist. Der Boden des Wirbelschichtreaktors 1 ist mit einem Verteiler 8 für Fluidisierungsgas versehen. Zu vergasender kohlenstoffhaltiger Feststoff wird in den Reaktor 1 durch einen Stutzen 9 und Kalk oder anderes Material zur Abscheidung des in dem zu vergasenden Material enthaltenen Schwefels durch einen Stutzen 10 eingegeben. Der vorliegenden Erfindung zufolge wird der Großteil des aus dem Reaktor 1 austretenden Feststoffes, der aus nicht reagiertem Kohlenstoff und Feststoff, wie etwa Kalk (der durch Stutzen 10 möglicherweise in den Reaktor eingegeben worden ist) und in der Brennstoff enthaltener Asche besteht im Abscheider 2 vom Gas abgeschieden. Die feinste Fraktion, deren Anteil typischerweise 0,1 bis 2% des aus dem Reaktor ausströmenden Feststoffes beträgt, gerät jedoch in den aus dem Reaktor 1 abgezogenen Produktgasstrom. Der Abscheider 2 kann eines bekannten Typs, wie etwa ein Zyklonabscheider mit feuerfester Ausmauerung oder ein entsprechender Heißgasabscheider.
Im Reaktor 1 und Abscheider 2 herrscht typischerweise eine hohe Temperatur von 750 bis 1100ºC. Der Reaktor 1 und Abscheider 2 sind vorzugsweise inwendig feuerfest ausgemauert. Heißgase zusammen mit der darin enthaltenen kleinen Menge Feinstaubs können gewünschtenfalls durch Kanal 4 einer Wärmerückgewinnungsanlage 11 zugeführt werden, die die Gase auch in gewissem Grad abkühlt.
Hinter der Wärmerückgewinnungsanlage 11 werden die Gase einem weiteren Abscheider 5 für Feinstaub zugeführt, wo der Feststoff praktisch vollständig aus den Gasen abgeschieden wird. Der Abscheider 5 kann eines bekannten Typs sein, wie etwa ein keramischer oder ein anderer Filter, oder ein Zyklonabscheider mit einer hohen Abscheidekapazität. Das reine Gas wird durch Kanal 12 zum Verwendungsort geleitet. Im Abscheider 5 aus dem Gas abgeschiedener Feinstaub fließt durch Kanal 6 der Sperr- und Agglomerationsvorrichtung 7 zu. Wenn der im Abscheider 5 abgeschiedene und Kohlenstaub enthaltende Feinstaub heiß ist, ist es vorteilhaft ein Tauchtopf 13 zu benutzen, um Feinstaub in die Agglomerationsvorrichtung 7 mit sauerstoffhaltigem Gas einzugeben, das durch einen Kanal 14 eingespeist wird. Dies hat eine teilweise Oxidation des im Kanal 6 beförderten Feinstaubs zur Folge, wobei seine Temperatur erhöht wird. Falls der Feinstaub geneigt ist, überhitzt zu werden, ist es möglich, auch anderes Gas durch einen Kanal 15 einzuführen. Bevorzugte andere Gase sind Wasserdampf und Kohlendioxid. Notfalls kann die Beförderung von Feinstaub allein durch ein Inertgas geschehen.
Der große Feststoff-Massenstrom, der vom Abscheider 2 kommt und durch den Kanal 3 zum unteren Teil der Sperr- und Agglomerationsvorrichtung 7 zugeführt wird, kann bei Bedarf mit einem im Kanal 3 angeordneten Kühler 16 abgekühlt werden, wodurch auch Wärme zurückgewonnen wird. Der zirkulierende Strom von groben Partikeln soll gekühlt werden, wenn der zu erhitzende Feinstaubstrom im Verhältnis zum zirkulierenden Partikelstrom groß ist, und somit eine aufheizende Wirkung auf den Reaktor hat. In der Regel ist der Feinstaubstrom im Verhältnis zum zirkulierenden Partikelstrom sehr klein und wirkt sich somit nicht auf die Temperatur des Reaktors aus.
Die in Fig. 2 dargestellte Agglomerationsvorrichtung 7 besteht aus einer Agglomerations- und Fluidisierungskammer 30, wo eine Wirbelschicht 31, die vorzugsweise schwebend ist, aufrechterhalten wird. Das Bettmaterial der Wirbelschicht besteht hauptsächlich aus zirkulierenden Partikeln, die im Abscheider 2 aus dem Prozeßgas abgeschieden sind und weiter zum oberen Teil des Rückführkanals 3 und durch die Eintrittsöffnung 32 in die Agglomerationskammer geleitet werden. Bettmaterial wird aus der Agglomerationskammer 30 kontinuierlich durch Kanal 33 ausgetragen und dem Wirbelschichtreaktor 1 durch den unteren Teil des Kanals 33 zugeführt. Der Boden der Kammer 30 ist aus einer Rostplatte 34 gebildet, die mit Düsen 35 zur Einführung von Fluidisierungsgas aus der Verteilkammer 36 unterhalb des Rostplattes in die Agglomerationskammer. Das Fluidisierungsgas wird der Verteilkammer vorzugsweise durch einstellbare Eintrittsöffnungen 37 zugeführt. Ein geeignetes Fluidisierungsgas für den Partikelstrom aus der Eintrittsöffnung 32 ist entweder Inertgas, wie etwa Stickstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, oder Sauerstoffgas oder eine Kombination aus Sauerstoff und Inertgas.
Der obere Teil der Agglomerationskammer 30 ist mit einer Düse 38 für Feinstaub und Düse 39 für das Verbrennung aufrechterhaltende Gas versehen. Dabei wird eine heiße (> 1200ºC) Flamme 40 im oberen Teil der Kammer gebildet, in welcher Flamme die vom Feinstaub mitgeführte Asche schmilzt und Aschepartikeln sich aneinander festsetzen. Die Spitze der Flamme 40 zur Verbrennung des Feinstaubs, welche Flamme in den Düsen gebildet wird, dringt in die Wirbelschicht hinein. Die Eintrittsöffnung 32 und Austrittsöffnung 33 der Agglomerationskammer können so konstruiert sein, daß sie eine gewisse Höhe der Wirbelschicht in der Kammer aufrechterhalten und ein freier Raum für die Staubflamme im oberen Teil der Kammer oberhalb der Wirbelschicht übriggelassen wird. Die Länge der Flamme kann mittels Düsen 38 und 39 eingestellt werden.
Der feine zu verfeuernde und aus dem Abscheider 5 für Feinstaub entfernte Restkoks und die mit dem feinen Restkoks mitgeführte zu agglomerierende feine Asche werden in der Flamme 40 in der Agglomerationsvorrichtung 7 verbrannt. Die Spitze der Flamme 40 dringt in die Wirbelschicht 31 hinein (siehe Fig. 2). Somit gerät das feine Aschenmaterial, als Ergebnis der Verbrennung von Koks in der heißen Flamme 40 jetzt in geschmolzenem Zustand, in die Wirbelschicht, wo sich die geschmolzenen Partikeln auf der Oberfläche des zirkulierenden Bettmaterials festsetzen und erstarren, weil das zirkulierende Material kälter ist als die geschmolzene Asche. In der Agglomerationsvorrichtung 7 wird das zirkulierende Material daher vorzugsweise auf einer gegenüber der Erstarrungstemperatur von Asche niedrigeren Temperatur gehalten.
Im Hauptapparat, d. h. dem Wirbelschichtreaktor 1 wechselt sich das zu fluidisierende Material fortwährend. Somit wird auch das fluidisierte Bettmaterial in der Agglomerationsvorrichtung 7 kontinuierlich gewechselt und der zur Hauptvorrichtung zurückkehrende zirkulierende Massenstrom rezirkuliert kontinuierlich agglomerierte Asche zur Hauptvorrichtung. In der Agglomerationsvorrichtung wird die Temperatur weitgehend automatisch durch den zirkulierenden Massenstrom geregelt. Weil der aus dem Abscheider 5 abgezogene Staubstrom im allgemeinen wesentlich kleiner ist als der Partikelstrom aus dem Abscheider 2, kann die Agglomeration des Feinstaubs mit dem Hauptstrom kontrolliert, ohne Beeinträchtigung des im Reaktor 1 ablaufenden Hauptprozesses erfolgen. Beim Eintritt in den Reaktor 1 haben sich die Ströme von Feinstaub und anderen Partikeln im Kanal 33 vermischt, und die Temperaturen sich angeglichen. Weil die Partikelgröße der aus dem Abscheider 2 kommenden Partikeln bekannt ist (typischerweise 99% unter 1 mm), wie auch die Korngröße des aus dem Abscheider 5 austretenden Staubs (typischerweise 99% unter 0,1 mm), ist es leicht, die Agglomeration so zu steuern, daß sich größere Partikeln mit einer Korngröße unter 10 mm bilden.
Das Material aus dem Kanal 33 tritt oberhalb des Verteilers 8 für Fluidisierungsgas in den Reaktor 1 ein, wobei besagter Verteiler am Boden des Reaktors 1 in einem sauerstoffhaltigen Atmosphäre angeordnet ist. Hier erreichen die geringfügig reaktiven agglomerierten Kokspartikeln infolge ihrer angestiegenen Korngröße eine für vollständige Reaktion ausreichende Verweilzeit, wobei das durch den Austrittskanal 24 für Asche ausgetragene Material eine sehr kleine Menge an nicht reagiertem Kohlenstoff enthält. Die Ascheaustragung aus dem Reaktor wird über eine Regelvorrichtung 25 geregelt, die z. B. eine Förderschnecke sein kann, und die Asche wird einer Aschebehandlungsvorrichtung 26 zugeführt, die eines konventionellen Typs sein kann.
Das sauerstoffhaltige Gas wird durch einen Kanal 27 unter den Verteiler 8 für Fluidisierungsgas geleitet, der das Gas in den Reaktor verteilt. Außer dem Sauerstoffgas ist es vorteilhaft, Wasserdampf als Fluidisierungsgas durch einen Kanal 28 einzugeben, besonders wenn Kohle vergast wird.
Der zu vergasende Feststoff wird dem Reaktor durch den Stutzen 9 vorzugsweise so zugeführt, daß sich die Eingabestelle oberhalb einer dichteren Fluidisierungsschicht auf dem Boden des Reaktors 1 befindet, wo die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffes teilweise freigesetzt werden, wobei Gas mit einem hohen Heizwert erzeugt wird. Der Feststoff wird vorzugsweise auf einem Niveau zwischen 2 und 4 m oberhalb des Verteilers für das in den Reaktor 1 einzugebende sauerstoffhaltige Gas eingeführt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Kesselanlage wird die Erfindung zur Behandlung von Flugasche in einem zirkulierenden Wirbelschichtkessel für fossile Brennstoffe angewandt. Der Wirbelschichtkessel 1 ist mit einem Partikelabscheider 2 und einem Rückführkanal 3 für zirkulierendes Material verbunden. Das von zirkulierenden Partikeln gereinigte Gas wird durch einen Stutzen 4 einem Konvektionsabschnitt 11 und weiter einer Gasreinigungsvorrichtung 5 zugeführt, die z. B. als Elektrofilter, Sackfilter, keramischer Filter, Multiklon oder entsprechender Abscheider für Feinstaub ausgeführt sein kann.
Feinstaub wird aus der Gasreinigungsvorrichtung 5 durch einen Kanal 6 in eine Agglomerationsvorrichtung 7 befördert, die im Rückführkanal 3 für zirkulierende Partikeln angeordnet ist. Die Agglomerationsvorrichtung 7 arbeitet in der oben beschriebenen Weise. Die Temperatur wird mit sauerstoffhaltigem Gas, vorzugsweise Luft, aus dem Kanal 22 vorzugsweise auf 1000 bis 1250ºC angehoben, bei welcher Temperatur mindestens ein Teil der Flugasche schmilzt und sich an den zirkulierenden Partikeln festsetzt. Der Agglomerationsvorrichtung kann durch dem Kanal 20 zusätzlicher Brennstoff zugeführt werden, wenn der Kohlenstoffgehalt des Feinstaubs nicht ausreicht, die Temperatur auf das gewünschte Niveau anzuheben. Der zusätzliche Brennstoff kann aus im Kessel zu verfeuerndem Brennstoff bestehen. Bei einigen Anwendungen kann all Brennstoff dem Kessel durch die Agglomerationsvorrichtung 7 zugeführt, und die Temperatur in der Agglomerationsvorrichtung durch die Menge und Reinheit des sauerstoffhaltigen Gases geregelt werden.
Weil das Volumen der feinen Partikeln wesentlich kleiner ist als das Volumen der zirkulierenden Partikeln und weil in der Regel allein die Temperatur des Feinstaubs in der Agglomerationsvorrichtung 7 angehoben werden kann, ist eine kontrollierte Rückführung des Staubs ohne Beeinträchtigung des Verbrennungsprozesses selbst möglich. Durch die Agglomeration von Feinstaub mit den zirkulierenden Partikeln außerhalb des Kessels wird die Wahl der Agglomerationstemperatur in Hinsicht auf die Asche erleichtert, ohne nachteilige Wirkungen auf den Prozeß im Kessel, wogegen die Temperatur des Kessels selten auf eine im Kessel selbst stattfindende Agglomeration angepaßt werden kann, ohne den Verbrennungsprozeß zu beeinträchtigen.
Beim Vermischen mit kühleren zirkulierenden Partikeln erstarrt geschmolzene Flugasche und bildet harte und dichte Partikeln, die gröber sind als die zirkulierenden Partikeln, Korngröße typischerweise 2 bis 20 mm. Somit erhaltene grobe Aschekörner fließen mit dem rückgeführten Material zur Brennkammer des Kessels, von wo sie abgeschieden und zusammen mit der normalen abgesetzten Asche durch den Austragungskanal 24 für Asche ausgetragen werden können.
Bei einigen Anwendungen ist es vorteilhaft, den zirkulierenden Wirbelschichtreaktor mit einem Gasdruck von 1 bis 50 zu beaufschlagen, wobei ein von der Größe her kleiner Reaktor in der Lage ist, z. B. für Kombikraftwerksprozesse geeignetes Gas zu erzeugen.
Die Erfindung soll nicht auf die in den obigen Beispielen beschriebenen Vergaser- oder Kesselanlagen beschränkt werden. Bei einigen Anwendungen kann es von Vorteil sein, den Reaktor mit mehreren neben- oder hintereinander angeordneten Partikelabscheidern zu versehen, und eine Agglomerationsvorrichtung nur in einem oder allen Rückführkanälen anzuordnen. Der Feinstaub kann auch in mehreren Abscheidern abgeschieden werden, die verschiedener Typen sein können. Es ist möglich, Feinstaub getrennt vom Rückführkanal 3 zu agglomerieren und lediglich die zirkulierenden Partikeln und den agglomerierten Staub im Rückführkanal zu vermischen. Der untere Teil des Rückführkanals 3 kann auch mit Wärmerückgewinnungsvorrichtungen versehen sein. Ein Festsetzen von agglomerierenden Partikeln an den Wänden des Rückführkanals kann verhindert werden, indem Gasströme die Wände entlange geleitet werden, um die Partikeln abzukühlen, bevor sie die Wände berühren.
Die Erfindung ist auch für solchen Vergasungsreaktoren anwendbar, die kein Sauerstoffgas zur Durchführung der Vergasung verwenden, sondern wobei die Temperatur des Brennstoffes auf eine andere Weise angehoben wird.
Bezugsnummern sind in den Patenansprüchen nur zur besseren Verständnis gegeben und sollen den Schutzumfang in keiner Weise beschränken.

Claims

1. Apparat für Vergasung oder Verbrennung von festem kohlenstoffhaltigem Material in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor, bestehend aus:

einer Reaktorkammer mit einer Wirbelschicht aus Partikeln, einschließlich eines Gasabzugs;

einem ersten Abscheider (2) zur Abscheidung von zirkulierenden Partikeln aus dem aus der Reaktorkammer (1) abgezogenem Gas, wobei besagter Abscheider einen Gasaustritt und einen Partikelaustritt aufweist;

einem ersten Rückführkanal (3, 32), der mit besagtem Partikelaustritt zur anschließenden Rückführung von durch den ersten Abscheider (2) abgeschiedenen Partikeln zu besagter Reaktorkammer verbunden ist;

einem zweiten Abscheider (5) zur Abscheidung von Feinstaub aus dem aus dem Gasabzug (4) abgezogenen Gas aus besagtem ersten Abscheider (2), wobei besagter zweiter Abscheider (5) einen Partikelaustritt aufweist;

einem Strömungskanal (6) der mit besagtem Partikelaustritt des zweiten Abscheiders verbunden ist;

gekennzeichnet durch,

eine Agglomerationsvorrichtung (7), die funktionsmäßig mit besagtem ersten Rückführkanal (3, 32) verbunden ist, zur Aufnahme von in besagtem Rückführkanal fließenden Partikeln, wobei besagte Agglomerationsvorrichtung aus einer Agglomerationskammer (30) und einem Partikelaustritt besteht;

einen zweiten Rückführkanal (33) zur Rückführung von Partikeln aus besagter Agglomerationskammer (30) in einen unteren Teil der Reaktorkammer (1);

einer Aufgabevorrichtung (34, 35) zur Einführung von Fluidisierungsgas auf den Boden der Agglomerationskammer (30) zur Aufrechterhaltung einer schwebenden Wirbelschicht (31) in der Agglomerationskammer; und

einem Brenner (38, 39) für Partikelmaterial, angeordnet oberhalb der Wirbelschicht im oberen Teil der Agglomerationskammer (30) zur Erwärmung und mindestens teilweiser Verbrennung von Feinstaub, welcher Brenner im oberen Teil der Agglomerationskammer in solch einem Abstand von der Oberfläche der schwebenden Wirbelschicht (31) darin angeordnet ist, daß sich die Flamme (40) der brennenden Partikeln hauptsächlich im Raum oberhalb der schwebenden Wirbelschicht befindet.

2. Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner für Partikelmaterial zwei Düsen (38, 39), eine erste Düse (39) für sauerstoffhaltiges Gas und und eine zweite Düse (38) für feines Partikelmaterial oder für ein Gemisch aus Partikelmaterial und einem Trägergas aufweist.

3. Apparat gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Strömungskanal (6) mit besagter zweiten Düse (38) verbunden ist.

4. Apparat gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Düsen (38, 39) in solch einem Abstand von der Oberfläche der schwebenden Wirbelschicht (31) angeordnet sind, daß die Spitze der Flamme (40), die bei der Verbrennung von Partikelmaterial entsteht, in die schwebende Wirbelschicht hineindringt.

5. Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Kühlvorrichtung (16) aufweist, die in besagtem ersten Rückführkanal (3) angeordnet ist.

6. Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Rückgewinnungsvorrichtung (11) umfaßt, die funktionsmäßig zwischen den genannten ersten (12) und zweiten Abscheidern (5) zur Rückgewinnung von Wärme aus dem dazwischen fließenden Gas angeordnet ist.

7. Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Strömungskanal (6) mit besagtem Brenner verbunden ist.

8. Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Rückführkanal (33) Partikeln von der Oberseite der schwebenden Wirbelschicht in besagte Agglomerationskammer (30) der Reaktorkammer (1) zurückführt.

9. Apparat gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rückführkanal (3) Partikeln in einen Bodenabschnitt der Agglomerationskammer (30) eingibt.

10. Verfahren zur Vergasung oder Verbrennung von festen kohlenstoffhaltigem Material, wobei ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor mit einem Gasabzug benutzt wird, bestehend aus den folgenden Schritten:

(a) Abscheidung von groben Partikeln aus dem Gas im Gasabzug aus dem Reaktor, während das Gas stromabwärts vom Reaktor geleitet wird; und

(b) nach Schritt (a) Abscheidung von feinen Partikeln aus dem stromabwärtsfließenden Gas;

gekennzeichnet durch die Schritte mit

(c) mindestens teilweiser Verbrennung der feinen bei Stufe (b) abgeschiedenen Partikeln und Vereinigung derer, oder der bei deren Verbrennung erzeugten Asche mit den bei Stufe (a) abgeschiedenen groben Partikeln, indem eine schwebende Wirbelschicht im unteren Teil einer Agglomerationskammer gebildet wird, die stromabwärts vom Reaktor angeordnet ist, und die feinen Partikeln an erster Stelle oberhalb der schwebenden Wirbelschicht verbrannt werden; und

(d) Rückführung der kombinierten Partikeln von Schritt (c) zum unteren Teil der Reaktorkammer.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) durch Bildung einer Flamme in der Agglomerationskammer nah an deren Oberteil ausgetragen wird, wobei sich die Flamme abwärts bis zu einem Punkt erstreckt, der in der schwebenden Wirbelschicht liegt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) ferner durch Bildung einer Flamme ausgetragen wird, indem sauerstoffhaltiges Gas und Feinstaub dicht aneinander in der Nähe des oberen Teils Agglomerationskammer eingeführt werden.

13. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt zur Kühlung der abgeschiedenen gröberen Partikeln bevor sie in die Agglomerationskammer eingegeben werden.

14. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Gasstrom zwischen Schritt (a) und (b).