EP0431266A1 - Process and apparatus for gasification of fine granulated to powdery fuels - Google Patents

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EP0431266A1 EP90117263A EP90117263A EP0431266A1 EP 0431266 A1 EP0431266 A1 EP 0431266A1 EP 90117263 A EP90117263 A EP 90117263A EP 90117263 A EP90117263 A EP 90117263A EP 0431266 A1 EP0431266 A1 EP 0431266A1
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Definitions

  • the method used to achieve this object is characterized in that the gasification takes place simultaneously in two or more levels of the gasification reactor, with all gasification burners of the gasification reactor being operated under the same conditions.
  • the method according to the invention differs fundamentally in that the gasification burners are operated at all levels under the same conditions. This means that the same fuel is used and the reaction conditions for the gasification are the same for all gasification burners, whereby, of course, slight deviations between the individual gasification burners are possible due to the process.
  • the number of levels in the gasification reactor which can of course be more than two, depends primarily on the desired throughput and the spatial conditions in the overall system. It should be taken into account here that the height of the gasification reactor increases with the number of levels.
  • the gasification burners are arranged in two levels according to the invention, two gasification burners being provided on each level, which, as shown in the figures, are arranged offset by 90 ° to one another, the result is the following when the gasification reactor is twice the height:

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Abstract

In this process, the fuels are gasified in a fly dust cloud with oxygen and/or air as well as steam at temperatures above the slag melting point and pressures of up to 60 bar in a gasification reactor, whose gasification burners (3; 4; 5; 6) are arranged on two or more planes in uniform distribution around the reactor periphery and offset with respect to the plane above or below. All the gasification burners are here operated under the same conditions. <IMAGE>

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.The invention relates to a method for autothermal direct current gasification (partial oxidation) of fine-grained to dusty fuels in a dust cloud with oxygen and / or air and water vapor at temperatures above the slag melting point and pressures up to 60 bar using a gasification reactor in which two or more gasification burners are arranged are, and a gasification reactor suitable for carrying out the process according to the invention.

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.Gasification processes of the type mentioned above are already known and are offered under different process names by different plant construction companies. For example, a normal print version is known under the name "Koppers-Totzek process" and an overprint version of the generic gasification process is known under the name "Prenflo process" and has already been used in numerous large-scale plants.

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.These methods can be used both for the production of synthesis gas and for the production of gas for power plants and for the production of natural gas exchange gas or reducing gas. Further details on this process can be found in the literature, for example in "Hydrocarbon Processing", April 1984, pages 94 and 95. However, in the practical application of these processes in large-scale plants, the problem arises that the Er Increasing the required throughput of the gasification reactor always results in an increase in the number of gasification burners used and thus a corresponding increase in the diameter of the gasification reactor, because on the one hand large amounts of heat are released at high throughputs and on the other hand the specific thermal surface load of the reactor does not exceed a certain limit can be. The specific thermal surface load can be reduced accordingly by increasing the reactor diameter. In practice, however, the limits of dimensioning are soon reached in pressure equipment construction. In addition, the increase in the reactor diameter causes a disproportionate increase in the investment costs, and the poor transportability of gasification reactors with a large diameter represents a further serious disadvantage. So far, it has been assumed that the throughput of the gasification reactors does not exceed one due to the constructional conditions described above certain limit can be increased.

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.The invention is therefore based on the object of further developing the method of the type mentioned in such a way that the disadvantages described above are avoided with an increase in the throughput of the gasification reactor.

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.The method used to achieve this object is characterized in that the gasification takes place simultaneously in two or more levels of the gasification reactor, with all gasification burners of the gasification reactor being operated under the same conditions.

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.Carrying out the gasification in a gasification reactor on two superimposed levels is in principle already known. So far, however, different conditions have always been maintained at the individual levels, and the methods pursued a different objective than the method according to the invention. For example, DE-OS 35 34 015 discloses a process for producing synthesis gas in which at least two different fuels are used. The gasification burners of the upper level are charged with coal and the gasification burners of the lower level with oil. In the process according to DE-OS 36 17 773 it is provided that the gasification burners of the lower level are operated with a high oxygen / carbon ratio and are directed downwards in order to keep the slag opening free. In contrast, the gasification burners of the upper level are operated with a low oxygen / carbon ratio, as a result of which the lowest possible gas outlet temperature should be reached. The gasification reactor, which is described in "Hitachi Review", Vol 34 (1985) No.2, page 82, also works on practically the same principle. In the lower level, the complete conversion of the coal with a lot of oxygen to CO₂ and H₂O takes place, while in the upper level only a conversion with little oxygen is provided, whereby a reactive tar is to be formed, which is then further implemented in the gasification reactor as it moves downward becomes.

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.In contrast, the method according to the invention differs fundamentally in that the gasification burners are operated at all levels under the same conditions. This means that the same fuel is used and the reaction conditions for the gasification are the same for all gasification burners, whereby, of course, slight deviations between the individual gasification burners are possible due to the process.

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.By using the method according to the invention, it is possible on the one hand to increase the throughput of the gasification reactor without this leading to an undesirable increase in the dimensions, in particular the diameter, of the reactor. On the other hand, it is also possible to reduce the dimensions of the gasification reactor accordingly while maintaining the throughput.

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.In the gasification reactor suitable for carrying out the process according to the invention, the gasification burners are distributed uniformly on the individual levels over the circumference of the reactor and are arranged offset with respect to the level above or below.

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.If two gasification burners are provided for each level, a 90 ° offset to the level above or below is appropriate. With three gasification burners per level, the displacement should expediently be 60 °.

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.The number of levels in the gasification reactor, which can of course be more than two, depends primarily on the desired throughput and the spatial conditions in the overall system. It should be taken into account here that the height of the gasification reactor increases with the number of levels.

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.
The arrangement of the gasification burners on the individual levels is to be further illustrated by the illustrations, which are a highly simplified schematic representation Show gasification reactor with a total of four gasification burners, which are arranged on two levels. Here is
  • Fig. 1 is a longitudinal section
    and
  • Fig. 2 is a cross section at the level of the line AA 'of Fig. 1st

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.In the gasification reactor shown in FIG. 1, the reaction space is designated by 1. This reaction chamber 1 is normally provided on its inside with a refractory lining and also has a cooling jacket, both of which are not shown in the figure. The four gasification burners, of which only the burner orifices protruding into the reaction chamber 1 are shown in the figure, are arranged in pairs on two opposite levels. The gasification burners 3 and 4 are located on the lower level and the gasification burners 5 and 6 on the upper level. As can be clearly seen from FIG. 2, the gasification burners 5 and 6 are 90 ° with respect to the gasification burners 3 and 4 underneath staggered. The partial oxidation crude gas generated is withdrawn via line 2 upward from the gasification reactor, while the slag in the molten state is removed from the lower part of the gasification reactor via discharge 7.

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

Figure imgb0001
worin
f = die spezifische Wärmeflächenbelastung,
Q freigesetzt = die freigesetzte Wärmemenge
(proportional der Vergasungsleistung)
und
F wirksam = die wirksame Wärmefläche bedeuten.The effectiveness of the method according to the invention is demonstrated by the following comparison test. This was based on a gasification reactor that is designed for a throughput of 50,000 kg of coal per hour and has 4 gasification burners, which are distributed in one plane over the circumference of the reactor at the same distance are arranged from each other. With a reactor diameter of 3.5 m and an effective height of 3.5 m, the effective heat area is 57.7 m² and the heat released is 65 x 10⁶ kcal / h. This results in a specific thermal surface load of 1.127. 10⁶ kcal / m² after the approach
Figure imgb0001
 wherein
f = the specific thermal surface load,
Q released = the amount of heat released
(proportional to the gasification output)
and
F effective = mean the effective heat surface.

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:If, on the other hand, the gasification burners are arranged in two levels according to the invention, two gasification burners being provided on each level, which, as shown in the figures, are arranged offset by 90 ° to one another, the result is the following when the gasification reactor is twice the height:

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.In the lower level, the specific thermal surface load drops to a value of 0.676. 10⁶ kcal / m² and at the upper level to a value of 0.844. 10⁶ kcal / m² This means that the increase in the effective heat surface has reduced the specific heat surface load by between 25 and 40%.

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.If you arrange a further pair of burners at the same height distance on a third level, the throughput of the gasification reactor and thus the amount of heat released increase with a total of 6 gasification burners by 50%. However, the specific thermal surface load on the newly added third level is only 0.844. 10⁶ kcal / m². This is 50% less than in the conventional comparison case, in which the 6 gasification burners are arranged on one level.

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.The present figures clearly prove that the throughput of a gasification reactor can be increased on the one hand by using the method and the device according to the invention without this leading to an increase in the reactor diameter or the specific thermal surface load. With the same throughput, on the other hand, the specific thermal surface load can be effectively reduced by using the invention.

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.1.Procedure for autothermal direct current gasification (partial oxidation) of fine-grained to dust-like fuels in a fly dust cloud with oxygen and / or air and water vapor at temperatures above the slag melting point and pressures up to 60 bar using a gasification reactor in which two or more gasification burners are arranged, characterized in that the gasification takes place simultaneously in two or more levels of the gasification reactor, all gasification burners of the gasification reactor being operated under the same conditions. 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.2. Gasification reactor for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the gasification burners (3; 4; 5; 6) are evenly distributed over two or more levels on the circumference of the reactor and offset from the level above or below. 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.3. Gasification reactor according to claim 2, characterized in that when two gasification burners are arranged per level, the offset relative to the level above or below is 90 °. 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.4. Gasification reactor according to claim 2, characterized in that when three gasification burners are arranged per level, the offset relative to the level above or below is 60 °.
EP90117263A 1989-11-04 1990-09-07 Process and apparatus for gasification of fine granulated to powdery fuels Withdrawn EP0431266A1 (en)

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