EP0431266A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung von feinkörnigen bis staubförmigen Brennstoffen - Google Patents

Abstract

Bei diesem Verfahren werden die Brennstoffe in einer Flugstaubwolke mit Sauerstoff und/oder Luft sowie Wasserdampf bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes und Drücken bis zu 60 bar in einem Vergasungsreaktor vergast, dessen Vergasungsbrenner (3; 4; 5; 6) auf zwei oder mehr Ebenen auf den Reaktorumfang gleichmäßig verteilt und gegenüber der darüberliegenden bzw. darunterliegenden Ebene versetzt angeordnet sind. Hierbei werden alle Vergasungsbrenner unter den gleichen Bedingungen betrieben.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur autothermen Gleichstromvergasung (Partialoxidation) von feinkörnigen bis staubförmigen Brennstoffen in einer Flugstaubwolke mit Sauerstoff und/oder Luft sowie Wasserdampf bei Temperatu­ren oberhalb des Schlackeschmelzpunktes und Drücken bis zu 60 bar unter Anwendung eines Vergasungsreaktors, in dem zwei oder mehr Vergasungsbrenner angeordnet sind, sowie einem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vergasungsreaktor.
• Vergasungsverfahren der vorstehend genannten Art sind be­reits bekannt und werden unter unterschiedlichen Verfah­rensbezeichnungen von verschiedenen Anlagebaufirmen ange­boten. So ist beispielsweise unter dem Namen "Koppers-Totzek-Verfahren" eine Normaldruckversion und un­ter dem Namen "Prenflo-Verfahren" eine Überdruckversion des gattungsgemäßen Vergasungsverfahrens bekannt, die bereits in zahlreichen großtechnischen Anlagen eingesetzt wurde.
• Diese Verfahren können dabei sowohl zur Erzeugung von Syn­thesegas als auch zur Erzeugung von Gas für Kraftwerke so­wie für die Herstellung von Erdgasaustauschgas oder Reduk­tionsgas eingesetzt werden. Weitere Einzelheiten zu diesem Verfahren finden sich in der Literatur, beispielsweise in "Hydrocarbon Processing", April 1984, Seite 94 und 95. Bei der praktischen Anwendung dieser Verfahren in großtechni­schen Anlagen ergibt sich jedoch das Problem, daß die Er­ höhung der geforderten Durchsatzleistung des Vergasungsre­aktors immer eine Erhöhung der Zahl der eingesetzten Ver­gasungsbrenner und damit eine entsprechende Vergrößerung des Durchmessers des Vergasungsreaktors bedingt, weil bei hohen Durchsatzleistungen einerseits auch entsprechend große Wärmemengen freigesetzt werden und andererseits die spezifische Wärmeflächenbelastung des Reaktors nicht über einen gewissen Grenzwert hinaus erhöht werden kann. Zwar kann man durch die Vergrößerung des Reaktordurchmessers die spezifische Wärmeflächenbelastung entsprechend verrin­gern. Hierbei werden in der Praxis jedoch sehr bald die Grenzen der Dimensionierung beim Druckapparatebau er­reicht. Außerdem bedingt die Vergrößerung des Reaktor­durchmessers eine überproportionale Steigerung der Inve­stitionskosten, und die mangelhafte Transportfähigkeit von Vergasungsreaktoren mit großem Durchmesser stellt einen weiteren schwerwiegenden Nachteil dar. Bisher ist man deshalb davon ausgegangen, daß auf Grund der vorstehend geschilderten konstruktiven Gegebenheiten die Durchsatz­leistung der Vergasungsreaktoren nicht über einen gewissen Grenzwert hinaus gesteigert werden kann.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Ver­fahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuent­wickeln, daß die vorstehend geschilderten Nachteile bei einer Erhöhung der Durchsatzleistung des Vergasungsreak­tors vermieden werden.
• Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren ist er­findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung gleichzeitig in zwei oder mehr Ebenen des Vergasungsreak­tors stattfindet, wobei alle Vergasungsbrenner des Verga­sungsreaktors unter den gleichen Bedingungen betrieben werden.
• Die Vergasung in einem Vergasungsreaktor auf zwei überein­anderliegenden Ebenen durchzuführen, ist zwar im Prinzip bereits bekannt. Hierbei wurden bisher jedoch auf den ein­zelnen Ebenen stets unterschiedliche Bedingungen eingehal­ten, und die Verfahren verfolgten eine andere Zielsetzung als das erfindungsgemäße Verfahren. So ist aus der DE-OS 35 34 015 ein Verfahren zur Erzeugung von Synthese­gas bekannt, bei dem mindestens zwei verschiedene Brenn­stoffe zum Einsatz gelangen. Dabei werden die Vergasungs­brenner der oberen Ebene mit Kohle und die Vergasungsbren­ner der unteren Ebene mit öl beschickt. Beim Verfahren nach der DE-OS 36 17 773 ist vorgesehen, daß die Verga­sungsbrenner der unteren Ebene mit einem hohen Sauerstoff­/Kohlenstoff-Verhältnis betrieben werden und nach unten gerichtet sind, um die Schlackenöffnung freizuhalten. Die Vergasungsbrenner der oberen Ebene werden dagegen mit einem niedrigen Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis betrie­ben, wodurch eine möglichst niedrige Gasaustrittstempera­tur ereicht werden soll. Nach praktisch dem gleichen Prin­zip arbeitet auch der Vergasungsreaktor, der in der "Hitachi Review", Vol 34 (1985) No.2, Seite 82, beschrie­ben wird. In der unteren Ebene erfolgt dabei die vollstän­dige Umsetzung der Kohle mit viel Sauerstoff zu CO₂ und H₂O, während in der oberen Ebene nur eine Umsetzung mit wenig Sauerstoff vorgesehen ist, wobei ein reaktionsfähi­ger Teer gebildet werden soll, der dann bei seiner Ab­wärtsbewegung im Vergasungsreaktor weiter umgesetzt wird.
• Demgegenüber unterscheidet sich das erfindungsgemäße Ver­fahren grundsätzlich dadurch, daß die Vergasungsbrenner auf allen Ebenen unter den gleichen Bedingungen betrieben werden. Das heißt, es wird mit dem gleichen Brennstoff gearbeitet und die Reaktionsbedingungen für die Vergasung sind für alle Vergasungsbrenner gleich, wobei natürlich verfahrensbedingt geringfügige Abweichungen zwischen den einzelnen Vergasungsbrennern möglich sind.
• Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge­lingt es einerseits, die Durchsatzleistung des Vergasungs­reaktors zu steigern, ohne daß dies zu einer unerwünschten Vergrößerung der Abmessungen, insbesondere des Durchmes­sers, des Reaktors führt. Andererseits ist es aber auch möglich, bei gleichbleibender Durchsatleistung die Abmes­sungen des Vergasungsreaktors entsprechend zu verkleinern.
• Bei dem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vergasungsreaktor sind die Vergasungsbrenner auf den einzelnen Ebenen auf den Reaktorumfang gleichmäßig verteilt und gegenüber der darüberliegenden bzw. darunter­liegenden Ebene versetzt angeordnet.
• Sind hierbei zwei Vergasungsbrenner pro Ebene vorgesehen, so ist eine Versetzung um 90° gegenüber der darüberliegen­den bzw. darunterliegenden Ebene sinnvoll. Bei drei Verga­sungsbrennern pro Ebene sollte die Versetzung zweckmäßi­gerweise 60° betragen.
• Die Zahl der Ebenen im Vergasungsreaktors die selbstver­ständlich mehr als zwei betragen kann, richtet sich in erster Linie nach der gewünschten Durchsatzleistung sowie den räumlichen Gegebenheiten in der Gesamtanlage. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß mit der Zahl der Ebenen die Höhe des Vergasungsreaktors wächst.
• Die Anordnung der Vergasungsbrenner auf den einzelnen Ebe­nen soll durch die Abbildungen weiter verdeutlicht werden, die in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Vergasungsreaktor mit insgesamt vier Vergasungsbrennern zeigen, die auf zwei Ebenen angeordnet sind. Hierbei ist
• Fig. 1 ein Längsschnitt
  und
• Fig. 2 ein Querschnitt in Höhe der Linie A-A′ von Fig. 1.
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten Vergasungsreaktor ist der Reaktionsraum mit 1 bezeichnet. Dieser Reaktionsraum 1 ist normalerweise auf seiner Innenseite mit einer feuerfesten Auskleidung versehen und weist außerdem einen Kühlmantel auf, die beide in der Abbildung nicht dargestellt sind. Die vier Vergasungsbrenner, von denen in der Abbildung je­weils nur die in den Reaktionsraum 1 hineinragenden Bren­nermündungen wiedergegeben wurden, sind paarweise gegen­überliegend in zwei Ebenen angeordnet. Auf der unteren Ebene befinden sich dabei die Vergasungsbrenner 3 und 4 und auf der oberen Ebene die Vergasungsbrenner 5 und 6. Die aus Fig. 2 eindeutig zu erkennen ist, sind dabei die Vergasungsbrenner 5 und 6 gegenüber den darunterliegenden Vergasungsbrennern 3 und 4 um 90° versetzt angeordnet. Das erzeugte Partialoxidationsrohgas wird über die Leitung 2 nach oben aus dem Vergasungsreaktor abgezogen, während die anfallende Schlacke im schmelzflüssigen Zustand über den Austrag 7 aus dem Unterteil des Vergasungsreaktors ent­fernt wird.
• Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den nachfolgenden Vergleichsversuch belegt. Hierbei wurde von einem Vergasungsreaktor ausgegangen, der für eine Durchsatzleistung von 50.000 kg Kohle pro Stunde aus­gelegt ist und 4 Vergasungssbrenner aufweist, die in einer Ebene über den Reaktorumfang verteilt im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind. Bei einem Reaktordurchmesser von 3,5 m und einer wirksamen Höhe von 3,5 m beträgt die wirksame Wärmefläche 57,7 m² und die freigesetzte Wärme 65 x 10⁶ kcal/h. Daraus resultiert eine spezifische Wärme­flächenbelastung von 1,127 . 10⁶ kcal/m² nach dem Ansatz

  

  worin
  f = die spezifische Wärmeflächenbelastung,
  Q freigesetzt = die freigesetzte Wärmemenge
  (proportional der Vergasungsleistung)
  und
  F wirksam = die wirksame Wärmefläche bedeuten.
• Werden dagegen erfindungsgemäß die Vergasungsbrenner in zwei Ebenen angeordnet, wobei auf jeder Ebene 2 Verga­sungsbrenner vorgesehen sind, die, wie in den Abbildungen dargestellt, um 90° zueinander versetzt angeordnet sind, so ergibt sich bei doppelter Höhe des Vergasungsreaktors folgendes Bild:
• In der unteren Ebene sinkt die spezifische Wärmeflächenbe­lastung auf einen Wert von 0,676 . 10⁶ kcal/m² und auf der oberen Ebene auf einen Wert von 0,844 . 10⁶ kcal/m² Das heißt, durch die Zunahme der wirksamen Wärmefläche konnte die spezifische Wärmeflächenbelastung zwischen 25 und 40 % abgesenkt werden.
• Ordnet man ein weiteres Brennerpaar im gleichen Höhenab­stand auf einer dritten Ebene an, so steigt die Durchsatz­leistung des Vergasungsreaktors und damit auch die freige­setzte Wärmemenge bei insgesamt 6 Vergasungsbrennern um 50 %. Die spzifische Wärmeflächenbelastung auf der neu hinzugekommenen dritten Ebene liegt jedoch nur bei 0,844 . 10⁶ kcal/m². Das sind 50 % weniger als im her­kömmlichen Vergleichsfall, bei dem die 6 Vergasungsbrenner in einer Ebene angeordnet werden.
• Die vorliegenden Zahlen beweisen eindeutig, daß durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfin­dungsgemäßen Vorrichtung einerseits die Durchsatzleistung eines Vergasungsreaktors gesteigert werden kann, ohne daß dies eine Vergrößerung des Reaktordurchmessers bzw. der spezifischen Wärmeflächenbelastung zur Folge hat. Bei gleicher Durchsatzleistung läßt sich andererseits durch Anwendung der Erfindung die spezifische Wärmeflächenbe­lastung wirksam verringern.

Claims (4)

1. Verfahren zur autothermen Gleichstromvergasung (Partialoxidation) von feinkörnigen bis staubförmigen Brennstoffen in einer Flugstaubwolke mit Sauerstoff und/oder Luft sowie Wasserdampf bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes und Drücken bis zu 60 bar unter Anwendung eines Vergasungsreaktors, in dem zwei oder mehr Vergasungsbrenner angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungs gleichzeitig in zwei oder mehr Ebenen des Vergasungs­reaktors stattfindet, wobei alle Vergasungsbrenner des Vergasungsreaktors unter den gleichen Bedingungen betrieben werden.

2. Vergasungsreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­gasungsbrenner (3; 4; 5; 6) auf zwei oder mehr Ebenen auf den Reaktorumfang gleichmäßig verteilt und gegen­über der darüberliegenden bzw. darunterliegenden Ebene versetzt angeordnet sind.

3. Vergasungsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß bei Anordnung von zwei Vergasungsbren­nern pro Ebene die Versetzung gegenüber der darüber­liegenden bzw. darunterliegenden Ebene 90° beträgt.

4. Vergasungsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß bei Anordnung von drei Vergasungsbren­nern pro Ebene die Versetzung gegenüber der darüber­liegenden bzw. darunterliegenden Ebene 60° beträgt.

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