EP0182404B1

EP0182404B1 - Verfahren zum Herstellen kohlehaltiger Pellets für die Vergasung

Info

Publication number: EP0182404B1
Application number: EP85201686A
Authority: EP
Inventors: Dieter Dr. Sauter; Udo Dr. Zentner
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1984-11-15
Filing date: 1985-10-15
Publication date: 1989-04-19
Also published as: DE3441757A1; ZA858788B; AU575445B2; JPS61171794A; EP0182404A3; EP0182404A2; DE3569567D1; AU4992585A; US4773919A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen kohlehaltiger Pellets in einem Reaktor im Druckbereich von 5 bis 150 bar mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungsmittel, wobei die Pellets im Reaktor auf ein Festbett gegeben werden, das sich langsam nach unten bewegt, in das man die Vergasungsmittel von unten einleitet und unter dem die mineralischen Bestandteile als feste Asche oder flüssige Schlacke abgezogen werden.
Ein solches Verfahren ist aus dem Europa-Patent 10 792 bekannt. Die Vergasung körniger Kohle im Festbett ist z. B. in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage (1977), Band 14, Seiten 383 bis 386 dargestellt. Einzelheiten des Vergasungsverfahrens mit festbleibender Asche sind den US-Patentschriften 3 540 867 und 3 854 895 sowie der deutschen Offenlegungsschrift 2 201 278 zu entnehmen. Die Verfahrensvariante mit Abzug flüssiger Schlacke ist in den britischen Patentschriften 1 507 905,1 508 671 und 1 512 677 erläutert. Bei diesen bekannten Verfahren wird bevorzugt körniger Brennstoff mit einer Korngröße etwa im Bereich von 3 bis 60 mm in den Vergasungsreaktor gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise kohlehaltige Pellets herzustellen, die allein oder zusammen mit körnigem Brennstoff im Festbett vergast werden können. Dabei ist es wichtig, daß die Pellets während des Transports zum Vergasungsreaktor nicht zerfallen, auch wenn ein langer Transportweg nötig ist. Ferner sollen die Pellets im Reaktor ein gutes Vergasungsverhalten zeigen und nicht zu Störungen des Vergasungsbetriebs Anlaß geben. Beim eingangs genannten Verfahren wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man zur Herstellung der Pellets nur feinkörnige Steinkohle einer Körnung kleiner 1 mm mit einem Feinkornanteil mit Korngrößen von höchstens 2 Mm von 3 bis 10 Gew.-% und einem Anteil von 70 bis 80 Gew.-% einer Körnung von höchstens 63 Mm verwendet, die feinkörnige Steinkohle mit Bentonit mischt, so daß das Gemisch einen Bentonit-Gehalt von 1 bis 8 Gew.-% aufweist, aus dem Gemisch unter Zugabe von Wasser Pellets mit einem Wassergehalt von 15 bis 25 Gew.-% formt und daß man die Pellets zur Vergasung im feuchten, plastischen Zustand ohne Trocknung dem Festbett aufgibt.
Die hier verwendete Abkürzung "Mm" bedeutet Mikrometer - 10-^B Meter. Jede Kornfraktion, von der nur die obere Fraktionsgrenze angegeben ist, hat als Untergrenze die (theoretische) Korngröße Null.
Bei den für die Pellets zu verwendenden Kohlen handelt es sich um Steinkohlen der Klassen 0 bis 9 nach DIN 23 003, denen nach ASTM die Kohlen der Klassen "high volatile C-bituminous" bis "anthracite" entsprechen. Vorzugsweise verwendet man feinkörnige Steinkohle mit Korngrößen unter 0,35 mm.
Als Bindemittel eignen sich die verschiedenen Bentonite, z. B. natürliche Na-Bentonite, aktivierte Ca-Bentonite und auch bentonitreiche Rohtone. Das Bentonit-Bindemittel kann entweder zusammen mit der Kohle in eine Mahlanlage gegeben oder auch in einem Mischer der gemahlenen Steinkohle zugesetzt werden. Vorzugsweise wird man die Kohle und den Bentonit, gegebenenfalls auch noch zusammen mit einem Flußmittel, gemeinsam einen Mahlprozeß durchlaufen lassen, da auf diese Weise eine sehr homogene Verteilung des Bindemittels erreicht wird. Feinkörniges Flußmittel, insbesondere Kalk, kann zweckmäßig sein, wenn man die Schmelztemperatur der Kohlenasche herabsetzen will. In diesem Fall enthält das zu pelletierende Gemisch das Flußmittel in einem Anteil von 2 bis 15 Gew.-%.
Es ist zweckmäßig, beim Mischen der feinkörnigen Steinkohle mit Bentonit etwas Wasser zuzusetzen, um ein staubfreies Arbeiten zu ermöglichen. Dabei hat der Bentonit auch die Möglichkeit, Wasser aufzunehmen und dadurch zu quellen.
Um aus dem Steinkohle-Bentonit-Gemisch Pellets zu formen, bietet sich die Verwendung bekannter Pelletierteller an, wobei als Pelletierflüssigkeit Wasser verwendet wird. Anstelle eines Pelletiertellers kann z. B. auch ein Drehrohr verwendet werden. Zweckmäßigerweise erzeugt man Pellets mit Durchmesser im Bereich von 6 bis 25 mm und vorzugsweise im Bereich von 8 bis 20 mm. Die fertigen Pellets haben üblicherweise einen Wassergehalt im Bereich von 15 bis 25 Gew.-%, wobei dieser Wassergehalt vor allem eine Funktion der Kohlesubstanz ist und nicht oder kaum vom Bentonitanteil abhängt. Überraschend wurde gefunden, daß diese noch feuchten Pellets, die üblicherweise ein plastisches Verhalten zeigen, den Anforderungen einer staubfreien, mechanischen Handhabung beim Transport, beim Umschlagen und beim Einfüllen in den Vergasungsreaktor voll entsprechen. Dieses plastische Verhalten der Pellets wird nur mit Bentonit als Bindemittel erreicht und tritt bei anderen tonmineralischen Kohlebestandteilen wie beispielsweise illithaltigen Filterschlämmen als Bindemittel nicht in Erscheinung.
Eine geringe, auch natürliche Antrocknung der Formkörper bedeutet bereits einen spürbaren Plastizitätsverlust für die Pellets und bei einer weiteren Trocknung steigt die Bruchanfälligkeit der Pellets und damit auch die Staubbildung stark an. Daraus ergibt sich die Forderung, die Feuchtpellets mit dem sich bei der Pelletierung einstellenden Wassergehalt zu handhaben und der Vergasung zuzuführen. Zahlreiche Tests haben gezeigt, daß diese feuchten, plastischen Pellets aus feinkörniger Steinkohle und Bentonit auch im Festbett des Vergasungsreaktors den thermischen Beanspruchungen genügend standhalten. Im oberen Bereich des Festbettes des Vergasungsreaktors erfolgt ja bekanntlich zunächst eine teilweise Verkokung der Pellets, und erst in einem tieferen Bereich des Festbettes setzt der für die Vergasung typische starke Abbrand in heißerer und sauerstoffreicherer Atmosphäre ein. Der im Vergasungsreaktor von außen nach innen vordringende Kohlenstoffabbau bei der Vergasung der Pellets wurde genau studiert, und es zeigte sich, daß sich die Pellets in jeder Abbrandstufe hervorragend formstabil verhalten. Eine Bestätigung dieser Feststellungen konnte bei der inzwischen erfolgten Herstellung, Handhabung und Vergasung größerer Mengen an Feuchtpellets erbracht werden.
Vorzugsweise beträgt der Feinkornanteil mit Korngrößen bis höchstens 4 Mm 7 bis 15 Gew.-% und der Feinstanteil bis höchstens 2 Mm 4 bis 8 Gew.-% in der zu pelletierenden Steinkohle. Es ist zweckmäßig, Steinkohle mit einem Aschegehalt von mindestens 10 Gew.-% zu verwenden, vorzugsweise liegt der Aschegehalt der Steinkohle im Bereich von 15 bis 40 Gew.-%. Die feuchten, plastischen Pellets können als alleiniger Brennstoff in die Festbett-Vergasung gegeben werden. Es ist natürlich aber auch möglich, die Pellets zusammen mit körniger Kohle mit Korngrößen im Bereich von 3 bis 60 mm zu vergasen.
In den nachfolgend beschriebenen Beispielen wird ein Umschlagtest erwähnt, dem die Pellets unterzogen wurden, um ihre Stabilität beim Transport und beim mehrfachen Schütten aus verschiedenen Höhen zu prüfen. Dieser Test, der die Handhabung der Pellets in der Praxis simuliert, wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Die Pellets laufen zunächst auf einem ersten Förderband 1 zum Fuß 2 eines Schrägbandes 3, wobei die Fallhöhe A 1,5 m beträgt. Vom oberen Ende 4 des Schrägbandes 3 fallen die Pellets über eine Höhe B von 2,5 m auf ein zweites Förderband 5 und von da auf ein drittes Förderband 6, wobei die Fallhöhe C - 2 m beträgt. Vom Förderband 6 bis zum Bunker 7 beträgt die Fallhöhe D - 6 m, danach wandern die Pellets durch die Schütthöhe E des Bunkers 7 von etwa 6 m und fallen die Höhe F von 3,5 m in einen Schleusenbehälter 8. Vom unteren Ende des Schleusenbehälters 8 (Höhe H - 3 m) bis zur Schüttung im Reaktor 9 beträgt die Fallhöhe G = 1 m. Untersucht werden die Pellets schließlich beim Auslaufen aus dem unteren Ende 10 des Reaktors 9.

Beispiel 1

Eine schwach backende deutsche Gasflammkohle in Form von getcorknetem Filterschlamm (Aschegehalt 31 Gew.-%, Feuchtigkeit 2,5 Gew.-%, Blähzahl - 1) wird in aufgemahlenem Zustand mit Korngrößen unter 0,5 mm mit 40 g Bentonit pro kg Kohle (wasserfrei gerechnet) gemischt und die Mischung auf etwa 12 Gew.-% Wassergehalt eingestellt. Der Filterschlamm enthält einen Korngrößenantell bis höchstens 2 Mm von 7 Gew.-%, einen Anteil bis 4 Mm von 12 Gew.-% und einen Anteil bis höchstens 63 Mm von 78 Gew.-ß'o. Auf einem Pelletierteller wird die Mischung unter Besprühen mit Wasser zu Pellets von 8 bis 16 mm Durchmesser geformt. Der Feuchtigkeitsgehalt der Pellets beträgt 17,9 Gew.-%, die Pellets haben Durchmesser im Bereich von 12,5 bis 16 mm und Bruchfestigkeiten im Bereich von 25 bis 32 N. Die Pellets werden dem beschriebenen Umschlagtest unterzogen, dabei fällt weniger als 0,1 Gew.-% Abrieb in Form von Feinkorn unter 1 mm an.
Ein Transport der feuchten Pellets in einem 200 cm hohen, aufrecht stehenden Faß in einem gedeckten Eisenbahnwaggon über eine Strecke von 480 km ergibt keine Veränderung der Pellets, die nicht zusammengeklebt sind, sich leicht ausgießen lassen und keinen Abrieb bilden. In einem Vergasungsreaktor, in welchem das Festbett des zu vergasenden Brennstoffs eine Höhe von 4,5 m und einen Dutchmesser von 1,5 m aufweist, werden 24 t dieser Feuchtpellets bei einem Druck von 25 bar mit einem Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf als Vergasungsmittel vergast. Diese Vergasung verläuft einwandfrei und entspricht der von körniger Kohle. Beim Vergasen der Pellets läßt sich die Asche ebenso wie beim Vergasen von körniger Kohle gut ausschleusen.

Beispiel 2

Eine nicht backende, junge Gaskohle aus Südafrika mit 22 Gew.-% Asche und 5,3 % Feuchtigkeit witd auf eine Korngröße von unter 0,315 mm aufgemahlen, wobei der Körnungsanteil bis höchstens 2 Mm 4 Gew.-%, der Anteil bis höchstens 4 Mm 10 Gew.-% und der Körnungsanteil bis höchstens 63 Hm 71 Gew.- % beträgt. Diese gemahlene Kohle wird mit 50 g Bentonit pro kg Kohle (wasserfrei gerechnet) gemischt und anschließend mit Wasser befeuchtet. Die Mischung wird einem Pelletierteller zugeführt und unter Zugabe von Wasser zu Pellets geformt. Die Pellets weisen einen Feuchtigkeitsgehalt von 21,4 Gew.-% auf, sie haben einen Durchmesser von 12,5 bis 16 mm und eine durchschnittliche Festigkeit von 35 N. Die Pellets werden dem beschriebenen Umschlagtest unterworfen, wobei nur 0,9 Gew.- % Abrieb in Form von Feinkorn der Korngröße unter 1 mm entsteht.
Um das Vergasungsverhalten der feuchten Pellets im Festbett zu prüfen, wird ein Teil der Pellets in einem Spülgasstrom mit einer Temperatur von 150° C getrocknet, wobei die Pellets eine Festigkeit von 60 bis 80 N erreichen. Auch eine anschließende Verkokung unter Bedingungen, wie sie för die Vergasung im Festbett typisch sind, zeigt, daß die Pellets nicht zerfallen, sondern mit einer Bruchfestigkeit von 50 bis 60 N eine befriedigende Pyrolysebeständigkeit besitzen.
50 t der feuchten, nicht getrockneten Pellets werden in dem bereits für Beispiel 1 verwendeten Vergasungsreaktor bei einem Druck von 25 bar vergast. Die Vergasung verläuft ohne Störungen, die Asche läßt sich gut ausschleusen und die Ergebnisse der Vergasung entsprechen denen körniger Kohle.
Vor der Vergasung haben die Feuchtpellets einen Transport über eine Entfernung von 250 km in einem Eisenbahnwaggon für Schüttgüter hinter sich gebracht. Das Entladen der Pellets in einen Tiefbunker mit Räumarm und der anschließende Transport über Gummiförderbänder, Siebmaschine, Becherwerk und Kratzförderband erfolgt ohne Probleme und völlig staubfrei. Die Bildung von Feinkorn kleiner 3 mm ist relativ gering und im wesentlichen auf den Bereich des Räumarmes im Tiefbunker beschränkt. Der weitere Weg der Pellets aus dem Bunker über den Wägebehälter, die Schleuse und den Kohleverteiler auf das Festbett des Vergasungsreaktors erfolgt ohne Schwierigkeiten und ohne Abrieb.

Beispiel 3

Eine nicht backende Magerkohle mit 25 Gew.- % Asche und 1,8 Gew.-% Feuchte wird auf eine Korngröße kleiner 0,315 mm gemahlen und intensiv mit 40 g Bentonit pro kg Kohle (wasserfrei gerechnet) gemischt. Die gemahlene Kohle besitzt eine Kornfraktion bis höchstens 2 Mm von 6 Gew.-%, eine Fraktion bis höchstens 4 Mm von 11 Gew.-% und eine Fraktion bis höchstens 63 Mm von 74 Gew.-%. Die Mischung wird angefeuchtet, und auf einem Pelletierteller werden bei weiterer Wasserzugabe Pellets von 8 bis 20 mm Durchmesser erzeugt. Die Pellets haben einen Feuchtigkeitsgehalt von 18,7 Gew.- % und Durchmesser im Bereich von 12,5 bis 16 mm. Die mittlere Bruchfestigkeit der Pellets liegt bei 22 N. 400 kg dieser Pellets werden dem Umschlagtest unterzogen, dabei entstehen wiederum nur geringste Mengen an Abrieb mit Korngrößen unter 1 mm.
Um das Verhalten beim Vergasen im Festbett zu prüfen, werden die Pellets zunächst getrocknet, wobei im Mittel Bruchfestigkeiten von 70 N entstehen. Bei der Verkokung unter einem Druck von 25 bar verändern sich die Festigkeitswerte der Pellets praktisch nicht, so daß sie als Einsatzgut für die Festbettvergasung voll geeignet sind.

Beispiel 4

Eine nicht backende, anthrazitische Kohle mit 11 Gew.-% Asche und 1,8 Gew.-% Feuchte wird in bekannter Weise aufgemahlen. Hierbei liegen die Feinstanteile der gemahlenen Kohle niedriger als bei anderen, aschereichen Steinkohlen üblich, denn die Kornfraktion bis höchstens 4 Mm beträgt 6 Gew.-%, die Kornfraktion bis höchstens 2 Mm beträgt 2,1 Gew.-%, und die Fraktion bis höchstens 63 Mm beläuft sich auf 68 Gew.-%. Wie im Beispiel 2 werden Feuchtpellets mit 4 Gew.-% Bentonit als Bindemittel hergestellt, wobei die Pellets einen Wassergehalt von 21 Gew.-% aufweisen und eine mittlere Bruchfestigkeit von 17 N besitzen. Die Pellets sind nicht plastisch verformbar und zerbrechen bei einem Fall aus größerer Höhe, auch führen bereits geringe Zug- oder Scherbeanspruchungen zum Zerfall; die Pellets verhalten sich ähnlich wie angetrocknete Pellets.
Eine Anreicherung des Feinstanteils der Kohle durch mehrstufige Mahlung erzeugt ein breiteres Körnungsband. Dadurch kann die Kornfraktion von höchstens 4 Mm auf 9,3 Gew.-%, die Fraktion von höchstens 2 Mm auf 3,6 Gew.-% und die Fraktion von höchstens 63 Mm auf 77 Gew.-% erhöht werden. Wie im Beispiel 2 werden aus dieser Kohle mit 4 Gew.-% Bentonit Pellets mit 12,5 bis 16 mm Durchmesser und 19,2 Gew.-% Feuchte hergestellt, sie haben eine mittlere Bruchfestigkeit von 19 N. Die Pellets zeigen deutlich plastische Eigenschaften und gleichzeitig ein dichteres Gefüge und sind somit voll transportfähig. Die nachfolgende konvektive Trockung zum Prüfen des Verhaltens im oberen Bereich eines Vergasungs-Festbettes ergibt mittlere Bruchfestigkeiten der Pellets von 90 bis 100 N; die Trockung erfolgt bei 150°C. Eine Schwelung der Feuchtpellets unter Bedinungen, wie sie im Vergasungsreaktor vorliegen, ergibt Kokspellets von 60 N Festigkeit. Die plastischen Pellets sind also in jeder Hinsicht als Einsatzgut für den Vergasungsreaktor geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Vergasen kohlehaltiger Pellets in einem Reaktor im Druckbereich von 5 bis 150 bar mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungsmittel, wobei die Pellets im Reaktor auf ein Festbett gegeben werden, das sich langsam nach unten bewegt, in das man die Vergasungsmittel von unten einleitet und unter dem die mineralischen Bestandteile als feste Asche oder flüssige Schlacke abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung der Pellets nur feinkörnige Steinkohle einer Körnung kleiner 1 mm mit einem Feinkornanteil mit Korngrößen bis höchstens 2 Mikrometer von 3 bis 10 Gew.-% und einem Anteil von 70 bis 80 Gew.- % einer Körnung bis höchstens 63 Mikrometer verwendet, die feinkörnige Steinkohle mit Bentonit mischt, so daß das Gemisch einen Bentonitgehalt von 1 bis 8 Gew.-⁰/o aufweist, aus dem Gemisch unter Zugabe von Wasser Pellets mit einem Wassergehalt von 15 bis 25 Gew.-% formt und daß man die Pellets zur Vergasung im feuchten, plastischen Zustand ohne Trocknung dem Feslbett aufgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feinkörnige Steinkohle einen Feinkornanteil bis höchstens 4 Mikrometer von 7 bis 18 Gew.-% aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinkörnige Steinkohle nur Korngrößen von höchstens 0,35 mm aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets Durchmesser im Bereich von 6 bis 25 mm aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinkornanteil mit Korngrößen bis höchstens 2 Mikrometer in der feinkörnigen Steinkohle 4 bis 8 Gew.-% beträgt.

6. Verfahten nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die feinkörnige Steinkohle beim Mahlen mit Bentonit gemischt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Aschegehalt der Steinkohle mindestens 10 Gew.- % beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aschegehalt der Steinkohle 15 bis 40 Gew.-% beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das zu pelletierende Gemisch zum Herabsetzen der Ascheschmelztemperatur ein feinkörniges Flußmittel, insbesondere Kalk, mit einem Anteil von 2 bis 15 Gew.-% enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets zusammen mit körniger Kohle mit Korngrößen im Bereich von 3 bis 60 mm dem Festbett aufgegeben werden.