EP0030323A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material - Google Patents

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EP0030323A1
EP0030323A1 EP80107380A EP80107380A EP0030323A1 EP 0030323 A1 EP0030323 A1 EP 0030323A1 EP 80107380 A EP80107380 A EP 80107380A EP 80107380 A EP80107380 A EP 80107380A EP 0030323 A1 EP0030323 A1 EP 0030323A1
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temperature
reactor
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Friedrich H. Dr. Ing. Franke
Ernst Dipl.-Ing. Pattas
Wolfgang Dr. Adlhoch
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fluidized bed reactor for the gasification of carbon-containing material using exothermic and endothermic gasifying agents with a post-reaction space located above the fluidized bed, through which the gas mixture emerging from the fluidized bed and carbon-containing solid particles flows, whereby gasifying agent into Fluidized bed and introduced into the post-reaction space via at least three injection areas arranged along the longitudinal axis of the reactor.
  • air, oxygen and hydrogen are suitable as exothermic gasifying agents and water vapor and CO 2 as endothermic gasifying agents.
  • gasifying carbonaceous material e.g. B. coal
  • carbon-containing solid particles having a fluidized bed and a post-reaction room above, in which entrained, carbon-containing solid particles are gasifying agent - z. B. oxygen and water vapor - to be blown
  • the gasifying agents blown into the lower region of the reactor also simultaneously effecting the fluidization of the fluidized bed.
  • additional gasifying agents above the upper limit of the fluidized bed. There is intended to ensure that the solid discharged upward from the fluidized bed is gasified as completely as possible on the way through the after-reaction space.
  • the temperature drops more or less continuously from a maximum just above the upper boundary of the fluidized bed to a much lower temperature in the upper region of the reaction space.
  • the temperature profile ie the temperature profile along the longitudinal axis in the after-reaction space, is of great importance for the operation of the reactor and also for the quality of the gas produced therein.
  • the temperature profile is also important for the greatest possible conversion of the carbon-containing material introduced into the reactor.
  • a high temperature in the presence of carbonaceous material favors the CO and H 2 T yield. If the ash melts, however, a temperature that is too high can lead to the caking already mentioned and to the formation of agglomerates which impair the operation of the reactor or even lead to interruptions in operation. Too low a temperature avoids difficulties due to melting the ash, but on the other hand leads to a higher C0 2 and H 2 0 content in the product gas.
  • the implementation of the solid carbon is also involved Co 2 and H 2 0 to CO and H 2 are not particularly favorable conditions.
  • the invention is based inter alia on the object of modifying the method of the type described in the introduction in such a way that, in view of the limits set by the ash melting point, the most complete possible implementation of the carbon-containing material located in the post-reaction space is effected.
  • the gasification agents introduced into the reactor should be selectively usable, so that the greatest possible effect in terms of extensive gasification of the solid carbon particles with the formation of usable gases can be achieved with the least possible expenditure on gasification agents.
  • the invention proposes to achieve this object proposes that the gasification agents be introduced into the post-reaction space so distributed along the longitudinal axis of the reactor that a temperature level which is as constant as possible along the reactor axis is maintained above the fluidized bed.
  • the gasification agents are introduced into the post-reaction space distributed along the longitudinal axis of the reactor in such a way that above the fluidized bed there are at least two distinct sections of the post-reaction space which extend over at least two blowing-in areas and in which the temperature levels are as constant as possible of different heights along the reactor axis. It also applies to the second section that the temperature is as constant as possible in the sense described above, it being optimally adjusted to match the carbon present or to be converted in this area.
  • Both of the above-mentioned possibilities of metering the gasification agents are based on the consideration that it is not only important to add as much gasification agent at one or possibly at two points that it is sufficient to convert the carbon present in the after-reaction space. This would correspond to e.g. B. that known mode of operation, in which only a comparatively large amount of gasifying agent is added only once, namely just above the fluidized bed, in order to achieve the greatest possible conversion of the carbon-containing solid particles discharged upward from the fluidized bed, the ratios being in the range above of the post-reaction space are more or less left to their own devices.
  • the implementation of the method according to the invention achieves a reaction in the entire post-reaction space which is directed over the longitudinal extent of the post-reaction space and leads to clear operating conditions, so that it is easier from the outset to optimally target the desired operating parameters, for example the temperature profile and, depending on this, the addition of gasifying agents to control.
  • the desired operating parameters for example the temperature profile and, depending on this, the addition of gasifying agents to control.
  • overheating which can lead to caking and thus to malfunctions, can be avoided in this way despite a high mean temperature.
  • the gasification agents can be supplied in the usual manner.
  • the distances between the individual blowing areas or levels can be constant.
  • the gas and solid mixture emerging from the top of the fluidized bed essentially has the temperature which is to be maintained in the after-reaction space or in the lower section thereof.
  • a correspondingly stronger addition of exothermic gasifying agent just above the fluidized bed can initially bring about a temperature increase to the temperature level to be maintained in the after-reaction space.
  • the addition of the gasification agents in the individual blowing areas can be controlled depending on the temperature determined there. It is also possible to add the gasifier depending on others To control parameters, for example of the carbon content of the solid particles of the gas-solid mixture flowing through the after-reaction space.
  • the gasifier depending on others
  • To control parameters for example of the carbon content of the solid particles of the gas-solid mixture flowing through the after-reaction space.
  • a feed device indicated at 12 which can be designed as a screw or otherwise in a suitable manner.
  • a fluidized bed 15 is built up, the upper and lower limits of which are designated 16 and 17, respectively.
  • a layer 18 Below the lower boundary 17 there is a layer 18, the at least predominantly containing ash. Parts are discharged through an opening 19 located at the lower end of the reactor 10.
  • the gasification agents which cause the swirling of the bed 15 can normally be oxygen-containing gasification agents, that is to say an exothermic reaction, and steam and / or CO 2 , that is to say an endothermic reaction gasification agents.
  • the gases can arrive via nozzles, several of which are distributed over the circumference of the reactor. are ordered, are blown in, it is possible to effect endothermic gasifying agents and exothermic gasifying agents in two separate, e.g. B. feed superimposed areas or levels.
  • the post-reaction space 20 located above it by the gas mixture flowing upwards.
  • the latter is firstly the gaseous reaction products from the fluidized bed and secondly residues of the unreacted gasifying agents, in particular steam.
  • the solid particles still contain carbon, which is to be reacted within the post-reaction space.
  • the heat required for this is supplied by burning part of the combustible gases contained in the gas mixture, essentially CO and H 2 , and part of the carbon-containing solid.
  • the necessary means e.g. B.
  • oxygen is injected through lines and nozzles, which are distributed along the longitudinal axis of the reactor above the fluidized bed 15 in the post-reaction space 20th and are designated 21, 23, 25 and 27. It also applies here that a plurality of lines or nozzles can open into the post-reaction space and flow into it. Furthermore, gasification agent is blown into the after-reaction space 20 through the nozzles 21, 23, 25, and 27. It is possible to inject exothermic gases on the one hand and endothermic gases on the other hand as a mixture or through separate supply systems and nozzles. In the temperature profile shown in FIG. 1 in addition to the reactor 10, the levels in which gasification agents are introduced into the after-reaction space 20 are indicated by dashed lines which end at the arrows assigned to the individual blowing levels corresponding to lines or nozzles.
  • This additional supply of heat favors the reaction of the carbon of the particles located in the after-reaction space with the likewise supplied via feed line 21 - e.g. B. -C0 2 - and steam amount to form CO and H 2 .
  • This gasification reaction consumes heat, so that in the course of the upward movement of the gas mixture, the temperature of the gas mixture is reduced again. It is then, as soon as the temperature reduction has exceeded a certain level - in which in Fig. 1 the drawing illustrated embodiment when reaching a temperature of about 1050 ° C - through the supply lines 23, 25, 27 again exothermic and endothermic gasifying agent in the post-reaction chamber 20 in the blowing levels 23a, 25a, 27a, wherein the reaction sequence described occurs.
  • a quenching agent is introduced via lines 40 in the level 40a into the post-reaction space, which lowers the temperature of the gas by approximately 80 to 100 ° C., in order to ensure that the gas mixture leaving the reactor does not contain any solid particles contains, whose ashes have softened and could cause caking in the downstream lines.
  • the amount of solid carbon in the after-reaction space 20 decreases from bottom to top, so that consequently fewer gasifying agents are required for the conversion from bottom to top. This is taken into account in the exemplary embodiment according to FIG. 1 in that the distances between the blowing levels 21a, 23a, 25a and 27a increase from the bottom up.
  • the temperature inside the fluidized bed 115 is substantially lower than that according to FIG. 1. It is between approximately 700 and 800 ° C.
  • the addition of exothermic gasifying agent is immediately above the upper limit 116 of the fluidized bed 115 to be dimensioned in the blowing-in plane 121a in such a way that the gas and solid mixture flowing out of the fluidized bed experiences a noticeable increase in temperature in the lower section, which reaches the upper temperature of the lower section, which extends from peak 130 to peak 136, at a temperature of 1100 ° C.
  • the subsequent mode of operation corresponds up to the blowing-in level 127a, ie up to the peak 136, in principle that of the exemplary embodiment according to FIG.
  • the fine grain separated from the product gas which normally still contains carbon, is returned to the fluidized bed, ie to the reactor, in addition to the carbon freshly introduced into the reactor.
  • the blowing in of the endothermally reacting gasification agent along the longitudinal axis of the after-reaction space depends on the desired uniform conversion at a uniform temperature profile. It is the case that, depending on the concentration of the carbon-containing material in the post-reaction space, only a more or less large part of the endothermic gasification agent blown into the lower blowing-in region is converted, so that the ratio between exothermic and endothermic reacting amounts of gasification agent remains constant or can also increase.
  • the injection areas in the post-reaction space can be arranged at the same distance from one another. The temperature profile resulting from this procedure gives a uniform sawtooth-like up and down of the temperature over the length of the after-reaction space.
  • the procedure described above is possible in connection with the exemplary embodiment shown in FIG. 3 of the drawing.
  • the temperature in the fluidized bed 215 corresponds approximately to that of the exemplary embodiment according to FIG. 1, although that according to FIG. 2 is also possible.
  • the blow-in areas 221 to 227 are arranged at constant intervals. In all blowing levels 221a to 227a, the exothermic and endothermic gasifying agents are blown in at constant ratios to one another and, if appropriate, also in constant amounts. The latter would mean that equal amounts of endothermic and exothermic gasifying agents are blown in from all the blowing areas from bottom to top.
  • a quenching agent can be supplied via a feed line 240.
  • Solid particles should be managed in such a way that heat consumption and heat supply correspond to each other in such a way that a constant temperature level is maintained in the individual sections or - more precisely - the temperature within the post-reaction space or the sections over its or its axial extent by an average value only slightly varied on both sides, the maximum temperature occurring possibly being just below the temperature limit at which softening the ash particles to difficulties, i. H. could lead to caking or formation of larger agglomerates.
  • the temperature profile is idealized in all the figures of the drawing.
  • the crucial point is that the temperature fluctuations around an average temperature, which in turn can fluctuate to a small extent, are kept as small as possible, and the amplitude does not have to be constant over the entire length of the after-reaction space. Rather, it can fluctuate within limits along the reactor axis, that is, it can become larger or smaller.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors (10) zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material unter Verwendung von exotherme und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln mit einem oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Nachreaktionsraum (20), der von dem aus dem Wirbelbett (15) austretenden Gasgemisch und kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen durchströmt wird, wobei Vergasungsmittel in das Wirbelbett über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeblasen werden, soll so durchgeführt werden, daß oberhalb des Wirbelbettes im Nachreaktionsraum eine möglichst gleichbleibend hohe Temperatur entlang der Reaktorachse eingehalten wird. Dies wird durch entsprechende Dosierung der Zugabe der Vergasungsmittel entlang der Reaktorachse erreicht. Auf diese Weise soll bei möglicht geringem Aufwand an Vergasungsmitteln eine möglicht weitgehende Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Teilchen unter Bildung nutzbarer Gase mit möglichst vorteilhafter Zusammensetzung erzielt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material unter Verwendung von exotherme Umsetzungen und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln mit einem oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Nachreaktionsraum, der von dem aus dem Wirbelbett austretenden Gasgemisch und kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen durchströmt wird, wobei Vergasungsmittel in das Wirbelbett und über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden.
  • Dafür kommen beispielsweise Luft, Sauerstoff und Wasserstoff als exotherm reagierende Vergasungsmittel und Wasserdampf und C02 als endotherm reagierende Vergasungsmittel in Frage.
  • Bei der Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material, z. B. Kohle, ist es bekannt, in einen Wirbelbettreaktor mit einem unteren, die kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen aufweisenden Wirbelbett und einem darüber befindlichen Nachreaktionsraum, in dem sich mitgerissene, kohlenstoffhaltige Feststoffteilchen befinden, Vergasungsmittel - z. B. Sauerstoff und Wasserdampf - einzublasen, wobei die in den unteren Bereich des Reaktors eingeblasenen Vergasungsmittel zugleich auch die Fluidisierung des Wirbelbettes bewirken. Ferner ist es bekannt, oberhalb der oberen Begrenzung des Wirbelbettes zusätzliche Vergasungsmittel zuzuführen. Dadurch soll erreicht werden, dass der aus der Wirbelschicht nach oben ausgetragene Feststoff auf dem Wege durch den Nachreaktionsraum möglichst vollständig vergast wird. Es ist auch bekannt, die Temperaturverteilung entlang der Reaktorachse durch die Zugabe von Vergasungsmitteln in mehreren entlang der Reaktorachse einen Abstand voneinander aufweisenden Bereichen im mittleren und/oder oberen Bereich des Nachreaktionsraumes zu beeinflussen. Dabei sinkt die Tempereatur von einem Maximum dicht oberhalb der oberen Begrenzung des Wirbelbettes mehr oder weniger kontinuierlich auf eine wesentlich tiefere Temperatur im oberen Bereich des Reaktionsraumes ab.
  • Es ist notwendig, mit der Maximaltemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Asche des kohlenstoffhaltigen Materials zu bleiben, da es im anderen Fall zu Anbackungen im Reaktor und/oder in den Leitungen kommt, in denen das Produktgas nach Verlassen des Reaktors zu nachgeordneten Einrichtungen geführt wird.
  • Dem Temperaturprofil, d. h., dem Temperaturverlauf entlang der Längsachse im Nachreaktionsraum kommt eine grosse Bedeutung für den Betrieb des Reaktors und auch für die Qualität des darin hergestellten Gases zu. Der Temperaturverlauf ist weiterhin wichtig für eine möglichst weitgehende Umsetzung des in den Reaktor eingeführten kohlenstoffhaltigen Materials. So begünstigt eine hohe Temperatur bei Anwesenheit von kohlenstoffhaltigem Material die CO- und H2T Ausbeute. Eine zu hohe Temperatur kann jedoch bei schmelzender Asche zu den bereits erwähnten Anbackungen und zur Bildung von Agglomeraten führen, die den Betrieb des Reaktors beeinträchtigen oder gar zu Betriebsunterbrechungen führen. Eine zu niedrige Temperatur vermeidet zwar Schwierigkeiten durch Schmelzen der Asche, führt jedoch andererseits zu einem höheren C02- und H20-Anteil im Produktgas. Ausserdem findet dabei die Umsetzung des festen Kohlenstoffes mit Co2 und H20 zu CO und H2 keine besonders günstigen Bedingungen.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der einleitend beschriebenen Art so abzuwandeln, dass im Hinblick auf die durch den Ascheschmelzpunkt gesetzten Grenzen eine möglichst vollständige Umsetzung des im Nachreaktionsraum des im Nachreaktionsraum befindlichen, kohlenstoffhaltigen Materials bewirkt wird. Die in den Reaktor eingebrachten Vergasungsmittel sollen gezie'lt einsetzbar sein, so dass mit einem möglichst geringen Aufwand an Vergasungsmitteln ein möglichst grosser Effekt im Sinne einer weitgehenden Vergasung der festen Kohlepartikel unter Bildung nutzbarer Gase erreichbar ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung
    vor, dass die Vergasungsmittel entlang der Reaktorlängsachse derart verteilt in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, dass oberhalb des Wirbelbettes ein möglichst gleichbleibend hohes Temperaturniveau entlang der Reaktorachse eingehalten wird.
  • Selbstverständlich ist es nicht möglich, eine über die Höhe des Nachreaktionsraumes absolut konstante Temperatur einzuhalten, da praktisch in jeder Ebene, in welcher Vergasungsmittel eingeblasen wird, aufgrund der dann überwiegend exothermen Umsetzungen ein kleines Temperaturpeak entsteht und im Anschluss daran in Strömungsrichtung, d. h. nach oben, die Temperatur aufgrund der danach überwiegend endothermen Umsetzungen abnimmt. Jedoch sollte die Anzahl der Bereiche oder Ebenen, in denen exotherm reagierendes Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum eingeblasen wird, so gross sein, dass der vorangehende Temperaturabfall nicht sehr ausgeprägt ist. Es ergibt sich dann ein etwa sägezahnartiger Verlauf des Temperaturprofils, wobei sich mit zunehmender Anzahl der Einblasebereiche oder -ebenen die Abweichung der oberen Werte und der unteren Werte von der vorgegebenen hohen Temperatur verringert.
  • Es ist auch möglich, das erfindungsgemässe Verfahren so zu führen, dass die Vergasungsmittel entlang der Reaktorlängsachse derart verteilt in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, dass oberhalb des Wirbelbettes wenigstens zwei sich über wenigstens zwei Einblasebereiche erstreckende deutliche Abschnitte des Nachreaktionsraumes vorhanden sind, in denen möglichst gleichbleibende Temperaturniveaus unterschiedlicher Höhe entlang der Reaktorachse eingehalten werden. Für den zweiten Abschnitt gilt ebenfalls, dass die Temperatur im vorbeschriebenen Sinne möglichst gleichbleibend ist, wobei sie in Anpassung an den jeweils in diesem Bereich vorhandenen bzw. umzusetzenden Kohlenstoff optimal eingestellt wird.
  • Es ist bekannt, Produktgas unmittelbar vor dem Austritt aus dem Wirbelbettreaktor durch Einblasen von Wasser oder Dampf abzukühlen. Dieses Quenchen wird - wie auch das Absenken der Temperatur im oberen Abschnitt des Nachreaktbnsraumes - insbesondere dann zur Anwendung kommen, wenn die im Nachreaktionsraum eingehaltene hohe Temperatur so dicht am Ascheschmelzpunkt liegt, dass zur sicheren Vermeidung von Anbackungen in den dem Reaktor nachgeordneten Leitungen eine Herabsetzung der Temperatur des Produktgases vor Verlassen des Nachreaktionsraumes zweckmässig ist. Bei Anwendung des Quenchens würden somit der bzw. die Abschnitt(e) gleichbleibend hoher Temperatur sich zwischen Wirbelbett und Quenchzone erstrecken. Im anderen Fall,also ohne Quenchen, würde die möglichst gleichbleibende, hohe Temperatur im Nachreaktionsraum bzw. im oberen Abschnitt desselben sich bis kurz oberhalb des Bereiches erstrecken, in welchem die letzte Zuführung von Vergasungsmittel vor dem Reaktorausgang erfolgt.
  • Es ist möglich, die Umsetzung der im Nachreaktionsraum befindlichen kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel so zu führen, dass über die Längserstreckung des Nachreaktionsraumes die Umsetzung möglichst gleichbleibend ist. Dabei wird die Zufuhr an Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum über dessen Höhe ebenfalls möglichst gleichbleibend sein.
  • Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Summe der jeweils im Nachreaktionsraum zugegebenen Vergasungsmittel von unten nach oben abnimmt. Ein Vorteil dieser Verfahrensführung kann beispielsweise darin bestehen, dass das den Reaktor verlassende Produktgas nur wenig unverbrauchten Wasserdampf enthält.
  • Beide vorerwähnten Möglichkeiten der Dosierung der Vergasungsmittel basieren auf der Überlegung, dass es nicht nur darauf ankommt, an einer oder ggf. auch an zwei Stellen soviel Vergasungsmittel zuzuführen, dass es zur Umsetzung des im Nachreaktionsraum vorhandenen Kohlenstoffes ausreicht. Dies entspräche z. B. jener bekannten Betriebsweise, bei welcher nur einmal, nämlich dicht oberhalb des Wirbelbettes, eine verhältnismässig grosse Menge von Vergasungsmittel zugegeben wird, um eine möglichst weitgehende Umsetzung der aus dem Wirbelbett nach oben ausgetragenen kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel zu erreichen, wobei die Verhältnisse im darüber befindlichen Bereich des Nachreaktionsraumes mehr oder weniger sich selbst überlassen bleiben. Durch die erfindungsgemässe Verfahrensführung wird eine über die Längserstreckung des Nachreaktionsraumes gelenkte Umsetzung im gesamten Nachreaktionsraum erzielt, die zu übersichtlichen Betriebsverhältnissen führt, so dass von vornherein es leichter ist, die angestrebten Betriebskenngrössen, beispielsweise das Temperaturprofil und in Abhängigkeit davon die Zugabe an Vergasungsmitteln in optimaler Weise zu steuern. Insbesondere lassen sich auf diese Weise trotz einer hohen mittleren Temperatur Überhitzungen vermeiden, die zu Anbackungen und damit zu Betriebsstörungen führen können.
  • Die Zuführung der Vergasungsmittel kann in der üblichen Weise erfolgen. Die Abstände zwischen den einzelnen Einblasebereichen oder -ebenen können konstant sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Vergasungsmittel in von unten nach oben grösser werdenden Abständen in den Nachreaktionsraum einzublasen, wobei es dann zwecks Erzielung einer von unten nach oben abnehmenden Vergasungsmittelmenge möglich, wenngleich nicht notwendig ist, die eingeblasene Vergasungsmittelmenge pro Bereich konstant zu halten.
  • Es ist möglich, den Vergasungsvorgang in der Wirbelschicht so zu betreiben, dass das oben aus der Wirbelschicht austretende Gas- und Feststoffgemisch im wesentlichen die Temperatur aufweist, die im Nachreaktionsraum bzw. im unteren Abschnitt desselben eingehalten werden soll. Es kann aber auch zweckmässig sein, die Vergasung im Wirbelbett so zu führen, dass das aus ihm austretende Gas- und Feststoffgemisch eine niedrigere Temperatur als die im Nachreaktionsraum bzw. im unteren Abschnitt desselben einzuhaltende Temperatur aufweist. Dabei kann durch entsprechend stärkere Zugabe von exotherm reagierendem Vergasungsmittel dicht oberhalb des Wirbelbettes zunächst eine Temperaturerhöhung auf das im Nachreaktionsraum einzuhaltende Temperaturniveau bewirkt werden. Es ist natürlich auch möglich, die Steigerung der Temperatur des aus dem Wirbelbett austretenden Gas- und Feststoffgemisches auf das im Nachreaktionsraum gewünschte Temperaturniveau in Stufen durchzuführen, so dass erst im Anschluss an einen weiter oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Einblasebereich das im verbleibenden Abschnitt des Nachreaktionsraumes einzuhaltende Temperaturniveau erreicht wird.
  • Die Zugabe der Vergasungsmittel in den einzelnen Einblase- bereichen kann in Abhängigkeit von der dort jeweils festgestellten Temperatur gesteuert werden. Es ist auch möglich, die Zugabe der Vergasungsmittel in Abhängigkeit von anderen Parametern, beispielsweise vom Kohlenstoffgehalt der Feststoffteilchen des den Nachreaktionsraum durchströmenden Gas-Feststoff-Gemisches zu steuern. Darüber hinaus besteht die an sich bekannte Möglichkeit, durch Zugabe von Ca0 und/oder MgO oder Verbindungen die CaO und/oder MgO freisetzen, eine Heraufsetzung des Ascheschmelzpunktes zu bewirken.
  • In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1 im Schema einen Längsschnitt durch einen Wirbelbettreaktor mit deneben dargestelltem Temperaturprofil entlang der Längsachse des Reaktors,
    • Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels,
    • Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels.
  • In den unteren Bereich eines Wirbelbettreaktors 10 werden zu vergasender Brennstoff und ggf. Zuschlagsstoffe, die beispielsweise dazu dienen, den Ascheschmelzpunkt zu erhöhen, durch eine bei 12 angedeutete Zuführeinrichtung, die als Schnecke oder sonstwie in geeigneter Weise ausgebildet sein kann, eingebracht. Unter dem Einfluss von Vergasungsmitteln, die nahe dem unteren Ende bei 14 in den Wirbelbettreaktor eingeblasen werden, baut sich ein Wirbelbett 15 auf, dessen obere und untere Begrenzung 16 bzw. 17 bezeichnet sind. Unterhalb des unteren Begrenzung 17 befindet sich eine Schicht 18, deren zumindest überwiegend Asche enthaltende. Teile durch eine am unteren Ende des Reaktors 10 befindliche öffnung 19 ausgetragen werden.
  • Bei den die Wirbelung des Bettes 15 bewirkenden Vergasungsmitteln kann es sich normalerweise um sauerstoffhaltige, also eine exotherme Umsetzung bewirkende Vergasungsmittel, und um Dampf und/oder C02, also um eine endotherme Umsetzung bewirkende Vergasungsmittel handeln. Die Gase können über Düsen, von denen mehrere über den Umfang des Reaktors verteilt an- . geordnet sind, eingeblasen werden, wobei es möglich ist, endotherme Umsetzungen bewirkende Vergasungsmittel sowie exotherme Umsetzungen bewirkende Vergasungsmittel auch in zwei getrennten, z. B. übereinanderliegenden Bereichen oder Ebenen zuzuführen.
  • Es ist unvermeidbar, dass zumindest ein Teil der feineren Feststoffpartikel aus dem Wirbelbett 15 in den oberhalb desselben befindlichen Nachreaktionsraum 20 durch das nach oben strömende Gasgemisch mitgerissen wird. Bei letzterem handelt es sich einmal um die gasförmigen Umsetzungsprodukte aus dem Wirbelbett und zum anderen um Reste der nicht umgesetzten Vergasungsmittel, insbesondere Dampf. Die Feststoffpartikel enthalten noch Kohlenstoff, der innerhalb des Nachreaktionsraumes umgesetzt werden soll. Die dazu notwendige Wärme wird durch Verbrennen eines Teils der im Gasgemisch enthaltenen brennbaren Gase, im wesentlichen CO und H2, und eines Teils des kohlenstoffhaltigen Feststoffes zugeführt. Das dazu erforderliche Mittel, z. B. Sauerstoff, wird durch Leitungen und Düsen eingeblasen, die entlang der Längsachse des Reaktors verteilt oberhalb des Wirbelbettes 15 in den Nachreaktionsraum 20. münden und mit 21, 23, 25 und 27 bezeichnet sind. Auch hier gilt, dass jeweils mehrere Leitungen oder Düsen über den Umfang des Nachreaktionsraumes verteilt in diesen einmünden können. Weiterhin wird durch die Düsen 21, 23, 25, und 27 Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 eingeblasen. Dabei ist es möglich, exotherm reagierende Gase einerseits und endotherm reagierende Gase andererseits in Mischung oder aber auch durch getrennte Zuleitungssysteme und Düsen einzublasen. In dem in Fig. l neben dem Reaktor 10 dargestellten Temperaturprofil sind die Ebenen, in denen Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 eingeführt werden, durch gestrichelte Linien angedeutet, die an den den einzelnen Einblasebenen entsprechenden Leitungen bzw. Düsen zugeordneten Pfeilen enden.
  • Im Wirbelbett 15 baut sich aufgrund der exothermen Umsetzung der Kohle mit dem bei 14 zugeführten Vergasungsmittel verhältnismässig schnell eine hohe und gleichmässige Temperatur auf, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 1050° C betragen soll. So ist es z. B. in einem weniger dichten Wirbelbett ohne weiteres möglich, eine Maximaltemperatur aufrechtzuerhalten, die nahe der durch den Ascheschmelzpunkt gegebenen Grenztemperatur liegt. Die erste Zuführung von Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 hinein erfolgt über die Zuleitungen 21, die sich in verhältnismässig kurzem Abstand oberhalb der oberen Begrenzung 16 des Wirbelbettes 15 befindet. Bei Betrieb eines Reaktors mit höheren Gasgeschwindigkeiten im Wirbelbett wird ein grösserer Anteil Feinkorn in den Nachreaktionsraum mitgerissen. Dies kann soweit gehen, dass die Grenze zwischen dem Wirbelbett einerseits und den im Nachreaktionsraum verteilten Feststoffteilchen andererseits nicht sehr scharf ist, der Unterschied bezüglich der Anzahl der Feststoffteilchen pro Volumeneinheit zwischen Wirbelbett einerseits und Nachreaktionsraum andererseits somit relativ gering ist. Ein Teil der das Wirbelbett verlassenden brennbaren Gase, vor allem H2 und CO, sowie der Feststoffpartikel werden mit z. B. Sauerstoff des über die Zuleitungen 21 zugeführten Vergasungsmittelgemisches verbrannt. Dies hat eine entsprechende, von der Menge des Sauerstoffs und somit der Menge der verbrannten Gase sowie der kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel abhängige Temperatursteigerung bis zur oberen Temperatur von etwa 1100° C zur Folge, die im Scheitelbereich des Peaks 30 kurz oberhalb der Einblaseebene 21a erreicht wird. Diese zusätzliche Zufuhr von Wärme begünstigt die Umsetzung des Kohlenstoffs der im Nachreaktionsraum befindlichen Partikel mit der ebenfalls über Zuleitung 21 zugeführten - z. B. -C02- und Dampfmenge unter Bildung von CO und H2. Diese Vergasungsreaktion verbraucht Wärme, so dass im Zuge der Aufwärtsbewegung des Gasgemisches dieses wieder eine Herabsetzung seiner Temperatur erfährt. Es wird alsdann, sobald die Temperaturverringerung ein bestimmtes Mass überschritten hat - bei dem in Fig. l der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel bei Erreichen einer Temperatur von ca. 1050° C - durch die Zuführungsleitungen 23, 25, 27 erneut exotherm und endotherm reagierendes Vergasungsmittel in den Nachreaktionsraum 20 in den Einblaseebenen 23a, 25a, 27a eingeblasen, wobei jeweils die geschilderte Reaktionsfolge eintritt.
  • Kurz vor der Austrittsöffnung 28 des Reaktors wird über Zuleitungen 40 in der Ebene 40a ein Quenchmittel in den Nachreaktionsraum gegeben, welches die Temperatur des Gases um etwa 80 bis 100° C herabsetzt, um auf diese Weise sicherzustellen, dass das den Reaktor verlassende Gasgemisch keine Feststoffteilchen enthält, deren Asche erweicht ist und Anbackungen in nachgeschalteten Leitungen verursachen könnte.
  • Aufgrund der Kohlenstoffumsetzung nimmt die Menge des festen Kohlenstoffes im Nachreaktionsraum 20 von unten nach oben ab, so dass demzufolge von unten nach oben auch weniger Vergasungsmittel für die Umsetzung benötigt werden. Dem wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 dadurch Rechnung getragen, dass die Abstände zwischen den Einblaseebenen 21a, 23a, 25a und 27a von unten nach oben zunehmen.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist die Temperatur innerhalb des Wirbelbettes 115 wesentlich tiefer als bei jenem gemäss Fig. 1. Sie liegt zwischen etwa 700 und 800° C. Somit ist die Zugabe von exotherm reagierendem Vergasungsmittel unmittelbar oberhalb der oberen Begrenzung 116 des Wirbelbettes 115 in der Einblaseebene 121a so zu bemessen, dass das aus dem Wirbelbett ausströmende Gas- und Feststoffgemisch eine merkliche Temperatursteigerung des auf die obere Temperatur des vom Peak 130 bis zum Peak 136 reichenden unteren Abschnittes gleichbleibend hoher Temperatur von ea. 1100° C erfährt. Die daran anschliessende Betriebsweise entspricht bis zur Einblaseebene 127a, d. h. bis zum Peak 136 im Prinzip der des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. l, wobei allerdings die Zuleitungen 121, 123, 125, 127 einerseits und die Zuleitungen 142, 144 andererseits und demzufolge auch die zugehörigen Einblasebereiche bzw. -ebenen 121a, 123a, 125a, 127a, einerseits und die Einblasebereiche bzw. -ebenen 142a, 144a andererseits in im wesentlichen gleichbleibenden vertikalen Abständen voneinander angeordnet sind. D. h., dass die Abnahme der Zugabe der Vergasungsmittel von unten nach oben durch entsprechende Verringerung der Menge pro Einblasebene bewirkt wird.
  • Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 sind sechs anstelle von vier Zuleitungen und Einblasebereiche vorhanden, wobei nach dem dem Einblasebereich 127a zugeordneten Peak 136 die mittlere Temperatur, die bis dahin 1075° C beträgt, um 40° C gesenkt wird, so dass bei einer Amplitude von 50° zwischen oberem und unterem Wert die Temperaturen im folgenden, in Strömungsrichtung 148 auf den Peak 136 folgenden Bereich zwischen 1010 und 1060° C schwanken. D. h., dass in diesem Abschnitt das gleichbleibend hohe Temperaturniveau gegenüber dem unteren Abschnitt etwas herabgesetzt ist, und zwar zwecks Anpassung an den in diesem Bereich noch im Nachreaktionsraum vorhandenen festen Kohlenstoff. D. h.,dass in beiden Bereichen jeweils die dafür optimalen Temperaturen eingestellt werden.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann bei Betrieb eines Wirbelbettreaktors mit höheren Gasgeschwindigkeiten ein grösserer Anteil Feinkorn in den Nachreaktionsraum mitgerissen werden. Die Menge dieses mitgerissenen Feinkorns kann in der Grössenordnung der Menge des frisch in den Wirbelbettreaktor eingetragenen kohlenstoffhaltigen Materials liegen oder auch sehr viel grösser sein. Bei einer solchen Betriebsweise wird im allgemeinen das aus dem Produktgas ausgeschiedene Feinkorn, welches normalerweise noch Kohlenstoff enthält, zusätzlich zum frisch in den Reaktor eingeführten Kohlenstoff in das Wirbelbett, also in den Reaktor, zurückgeführt.
  • In diesem Fall ist es zweckmässig, das exotherm reagierende Vergasungsmittel in gleichen Mengen über die entlang der Längsachse des Nachreaktionsraums angeordneten Einblasebereiche einzublasen. Das Einblasen des endotherm reagierenden Vergasungsmittels entlang der Längsachse des Nachreaktionsraumes richtet sich nach der angestrebten gleichmässigen Umsetzung bei einem gleichmässigen Temperaturprofil. Dabei ist es so, dass von dem in den unteren Einblasebereich eingeblasenen endotherm reagierenden Vergasungsmittel in Abhängigkeit von der Konzentration des kohlenstoffhaltigen Materials im Nachreaktionsraum nur ein mehr oder weniger grosser Teil umgesetzt wird, so dass an den oberen Einblasebereichen im Nachreaktionsraum das Verhältnis zwischen exotherm reagierenden und endotherm reagierenden Vergasungsmittelmengen konstant bleibt oder auch zunehmen kann. Bei dieser Verfahrensweise können die Einblasebereiche in den Nachreaktionsraum mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sein. Das aus dieser Verfahrensweise resultierende Temperaturprofil gibt ein gleichmässiges sägezahnförmiges Auf und Ab der Temperatur über die Länge des Nachreaktionsraumes.
  • Die vorbeschriebene Verfahrensweise ist im Zusammenhang mit dem in Fig. 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel möglich. Die Temperatur im Wirbelbett 215 entspricht etwa jener des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. l, wenngleich auch die gemäss Fig. 2 möglich ist. Die Einblasebereiche 221 bis 227 sind in gleichbleibenden Abständen angeordnet. In sämtlichen Einblaseebenen 221a bis 227a werden die exotherm reagierenden und die endotherm reagierenden Vergasungsmittel in konstanten Verhältnissen zueinander und gegebenenfalls auch in konstanten Mengen eingeblasen. Letzteres würde bedeuten, dass über sämtliche Einblasebereiche von unten nach oben gleiche Mengen an endotherm reagierenden und exotherm reagierenden Vergasungsmitteln eingeblasen werden. - Kurz vor der Austrittsöffnung 228 kann - wie bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 1 und 2 - über eine Zuleitung 240 ein Quenchmittel zugeführt werden.
  • Unabhängig davon, ob die Temperatur des aus dem Wirbelbett austretenden Gas- und Feststoffgemisches bereits die im Nachreaktionsraum einzuhaltende Temperatur aufweist oder aber erst oberhalb des Wirbelbettes auf die im Nachreaktionsraum vorgesehene Temperatur gebracht wird, gilt für alle Ausführungsbeispiele, dass die Umsetzung der im Nachreaktionsraum befindlichen kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikel so geführt werden soll, dass Wärmeverbrauch und Wärmezufuhr einander derart entsprechen, dass in den einzelnen Abschnitten ein möglichst konstantes Temperaturniveau aufrechterhalten bleibt oder - genauer gesagt - die Temperatur innerhalb des Nachreaktionsraumes bzw. der Abschnitte über dessen bzw. deren axiale Erstreckung um einen Mittelwert nur geringfügig nach beiden Seiten variiert, wobei die auftretende Maximaltemperatur ggf. dicht unterhalb der Temperaturgrenze liegt, bei welcher das Erweichen der Aschepartikel zu Schwierigkeiten, d. h. zu Anbackungen oder Bildungen von grösseren Agglomeraten führen könnte.
  • Selbstverständlich ist in sämtlichen Figuren der Zeichnung das Temperaturprofil idealisiert dargestellt. Der entscheidende Punkt ist der, dass die Temperaturschwankungen um eine mittlere Temperatur, die ihrerseits auch um ein geringes Ausmass schwanken kann, so klein wie möglich gehalten werden, wobei auch die Amplitude nicht über die gesamte Länge des Nachreaktionsraumes konstant zu sein braucht. Sie kann vielmehr entlang der Reaktorachse in Grenzen schwanken, also grösser oder kleiner werden.

Claims (19)

1. Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von festem, kohlenstoffhaltigem Material unter Verwendung von exotherme und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln mit einem oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Nachreaktionsraum, der von dem aus dem Wirbelbett austretenden Gasgemisch und kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen durchströmt wird, wobei Vergasungsmittel in das Wirbelbett über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel entlang der Reaktorlängsachse derart verteilt in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, dass oberhalb des Wirbelbettes eine möglichst gleichbleibende, hohe Temperatur entlang der Reaktorachse eingehalten wird.
2. Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von festem, kohlenstoffhaltigem Material unter Verwendung von exotherme und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmitteln mit einem oberhalb des Wirbelbettes befindlichem Nachreaktionsraum, der von dem aus dem Wirbelbett austretenden Gasgemisch und kohlenstoffhaltigen Feststoffteilchen durchströmt wird, wobei Vergasungsmittel in das Wirbelbett und über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel entlang der Reaktorlängsachse derart verteilt in den Nachreaktionsraum eingeführt werden, dass oberhalb des Wirbelbettes wenigstens zwei sich über wenigstens zwei Einblasebereiche erstreckende Abschnitte vorhanden sind, in denen eine möglichst gleichbleibende, hohe Temperatur entlang der Reaktorachse eingehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die möglichst gleichbleibende hohe Temperatur im Nachreaktionsraum bzw. im oberen Abschnitt desselben bis kurz oberhalb des Bereiches eingehalten wird, in welchem die letzte Zuführung von Vergasungsmitteln vor dem Reaktorausgang erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturniveau im oberen Abschnitt geringer ist als im unteren.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der jeweils im Nachreaktionsraum in jedem Abschnitt zugegebenen Vergasungsmittel von unten nach oben abnimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der jeweils im Nachreaktionsraum in jedem Abschnitt zuzugebenden Vergasungsmittel von unten nach oben konstant bleibt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels in jedem Abschnitt konstant gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels in jedem Abschnitt von unten nach oben abnimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Menge des exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels als auch die Menge des endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittels in jedem Abschnitt von unten nach oben abnehmen.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen exotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittel und endotherme Umsetzungen bewirkenden Vergasungsmittel in jedem Abschnitt von unten nach oben zunimmt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen exotherme Umsetzungen bewirkendem Vergasungsmittel und endotherme Umsetzungen bewirkendem Vergasungsmittel in jedem Abschnitt von unten nach oben konstant bleibt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in von unten nach oben grösser werdenden Abständen in den Nachreaktionsraum bzw. in die Abschnitte eingeführt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Wirbelbett nach oben austretende Feststoff-Gas-Gemisch eine Temperatur aufweist, die etwa gleich der Temperatur ist, die im Nachreaktionsraum bzw. in dem oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Abschnitt desselben einzuhalten ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Wirbelbett nach oben austretende Feststoff-Gas-Gemisch eine niedrigere Temperatur als die im Nachreaktionsraum bzw. in dem oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Abschnitt einzuhaltende Temperatur aufweist und durch entsprechende Zugabe von eine exotherme Umsetzung bewirkendem Vergasungsmittel dicht oberhalb des Wirbelbettes auf die im Nachreaktionsraum bzw. in dem oberhalb des Wirbelbettes befindlichen Abschnitt einzuhaltende Temperatur gebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in wenigstens vier, Abstände voneinander aufweisenden Bereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in wenigstens sechs Abstände voneinander aufweisenden Bereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des eine exotherme Umsetzung bewirkenden Vergasungsmittels in den einzelnen Einblase-Bereichen in Abhängigkeit von der dort jeweils festgestellten Temperatur und/oder Feststoffgehalt gesteuert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des eine endotherme Umsetzung bewirkenden Vergasungsmittels in den einzelnen Einblasebereichen in Abhängigkeit von dem dort jeweils vorhandenen kohlenstoffhaltigen Feststoff gesteuert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel in im wesentlichen horizontalen Ebenen in den Nachreaktionsraum eingeblasen werden.
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