Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von festen,
kohlenstoffhaltigen Stoffen in einer Wirbelschicht gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen Vergaser gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 22.
Bei den bekannten Verfahren zur Wirbelschichtvergasung von
festen kohlenstoffhaltigen Materialien wird kein vollständiger
C-Umsatz erreicht. Vielmehr weisen die aus dem Vergaser ausgeschleusten
Vergasungsrückstände, nämlich Staub und Bodenprodukt,
Rest-C-Gehalte von 20 - 60 Ma.-% auf. Ferner kann die
Asche der Vergasungsrückstände in Abhängigkeit von der Zusammensetzung
der Einsatzstoffe auch Kalziumsulfid enthalten.
In jedem Fall müssen die Vergasungsrückstände nachbehandelt
werden, um den C-Gehalt möglichst vollständig zu nutzen und
die Anforderungen an die Deponierbarkeit zu erfüllen. Letzteres
gilt auch bezüglich kalziumsulfidhaltiger Asche, die bei
der üblicherweise in Form einer Nachverbrennung erfolgenden
Nachbehandlung ebenfalls oxidiert, d. h. sulfatiert wird.
Die Nachbehandlung, in welcher Weise sie auch immer erfolgt,
ist ein zusätzlicher Prozeßschritt, der die Kosten erhöht.
Eine thermische Nachbehandlung wird entweder in einem separaten
Wirbelschicht-Dampferzeuger oder in einem sogenannten
Oxidator bzw. Sulfator durchgeführt. Die Trennung von Vergasung
(Carbonizer) und Nachoxidation der C-haltigen Vergasungsrückstände
(Dampferzeugerkessel) ist auch bei den Konzepten
der sogenannten zweiten Generation vorgesehen (vgl. z. B. EP
707137, EP 544350 und EP 698726).
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, den C-Gehalt der
Vergasungsrückstände durch Rückführung des mit dem Rohgas aus
der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes zu reduzieren. So
offenbart die DE 4413923 die Rückführung wenigstens einer
Teilmenge des abgeschiedenen Staubes in die Wirbelschicht. Die
Rückführung des aus der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes
wird auch in DE 3430212 und DE 1576803 behandelt. In jedem
Fall sind zusätzliche technische Einrichtungen und Betriebsmittel
erforderlich. Trotzdem wird keine vollständige Vergasung
im Vergasungsreaktor erreicht, so dass weiterhin mindestens
das C- und ggf. kalziumsulfidhaltige Bodenprodukt und
ggf. nicht vollständig vergaster Staub anfallen, die nachbehandelt
werden müssen.
Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, eine Erhöhung des C-Umsatzes
durch Verbesserung der Vergasungsbedingungen herbeizuführen.
So beschreibt DE 19548324 C2 die Zufuhr von Vergasungstoff
und Vergasungsmittel zur Wirbelschicht derart, daß
sich ein gleichmässiges radiales Strömungsprofil und eine
konstante oder geringfügig ansteigende axiale Strömungsgeschwindigkeit
im Wirbelbett einstellen (Optimierung der Fluiddynamik
und des Reaktionsumsatzes der Vergasung). Ein anderer
Vorschlag sieht vor, die aus der Wirbelschicht nach oben ausgetragenen
C-haltigen staubförmigen Feststoffe in einer in
Strömungsrichtung des Gases der Wirbelschicht nachgeordneten
Nachvergasungszone weiterzuvergasen und dazu Vergasungsmittel
auch in die Nachvergasungszone einzuführen (EP 0214417). Bei
Anwendung dieser beiden Vorschläge läßt sich zwar eine Erhöhung
des C-Umsatzes auf Werte zwischen 90 und maximal 95%
erreichen. Eine zusätzliche oxidative Nachbehandlung der Vergasungsrückstände
ist jedoch auch hier erforderlich.
Wenn Abfälle vergast werden, kann anstelle der Nachvergasungszone
in einer zweiten Vergasungsstufe im Anschluß an die Wirbelschicht
ein Flugstromvergaser vorgesehen sein, in dem eine
vollständige Vergasung des C-haltigen Staubes bei Temperaturen
oberhalb des Schlackeschmelzpunktes stattfindet (DE 4435349).
Das Ziel besteht in der Zersetzung organischer Spurstoffe bei
hohen Temperaturen und die nichteluierbare Einbindung von
Schwermetallen in die Schlacke. Der anlagetechnische Aufwand
und der spezifische Vergasungsmittelverbrauch erfahren dadurch
eine starke Erhöhung. Wesentliche Vorteile der Wirbelschichtvergasung
gegenüber der Flugstromvergasung gehen verloren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vergaser
der einleitend beschriebenen Art so zu verbessern, daß
eine möglichst vollständige Vergasung der Einsatzstoffe und im
Bedarfsfall auch eine Oxidation der mineralischen Vergasungsrückstände
zumindest in dem Ausmaß erreicht wird, daß das
Rückstandsprodukt ohne weiteres, insbesondere ohne zusätzliche
Behandlung, deponierbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe läßt sich dahingehend zusammenfassen,
daß bei der Wirbelschichtvergasung unabhängig davon, ob
letztere mit stationärer oder expandierter Wirbelschicht
durchgeführt wird, mehrere Zonen vorgesehen sind, in denen
folgende Teilprozesse ablaufen, die sich derart zu einem
Gesamtprozeß ergänzen, daß der angestrebte Effekt erreicht
wird:
In der Wirbelschichtzone erfolgt die überwiegende Vergasung
der Einsatzstoffe sowie des Staubes mit ersten Vergasungsmitteln,
wobei gleichzeitig eine Aschegranulation erfolgt, die
im Bedarfsfall in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt der Asche der
eingesetzten Feststoffe unter Anwendung eines zusätzlichen
Vergasungsmittels mit höherem O2-Gehalt abläuft. Die sich in
der Wirbelschichtzone bildenden festen Vergasungsrückstände
sind Restkoks aus den Einsatzstoffen und dem rückgeführten
Staub sowie Aschegranulat und nichtgranulierte Asche.
In der Splashzone über der Wirbelschichtzone wird das staubhaltige
Rohgas mit Rohgas-Staubbeladungen von 1 - 10 kg/m3 i.N.
aus der Wirbelschichtzone abgetrennt. Da die Wirbelschicht im
allgemeinen keine stationäre obere Begrenzung aufweist, wird
sich zwischen Wirbelschicht und Splashzone ein Übergangsbereich
bilden, in welchem Teile des zunächst mit dem Gas aus
der Wirbelschicht mitgerissenen Staubes wieder in die Wirbelschicht
zurückfallen und ein anderer Teil des Staubes vom Gas
mitgeführt wird, so daß es zu der vorerwähnten Staubbeladung
kommt, mit welcher das Gas die anschließenden Zonen durchströmt.
Der vorbeschriebene Effekt kann dadurch gefördert
werden, daß die Splashzone sich zumindest in ihrem unteren
Bereich konisch erweitert, so daß dort, also im wesentlichen
in dem vorerwähnten Übergangsbereich, eine Verringerung der
Strömungsgeschwindigkeit des Gases eintritt.
In der der Splashzone nachgeordneten Kühlzone erfolgen die
Abkühlung des staubhaltigen Rohgases auf Temperaturen von 350
- 700°C, vorzugsweise auf Temperaturen von 550 - 650°C und die
Wärmeabführung aus der Kühlzone.
Im Anschluß an die Kühlzone wird in der Entstaubungszone das
staubhaltige gekühlte Rohgas, ggf. in mehreren Stufen, so weit
wie möglich entstaubt.
In der Rückführzone, die unter der Entstaubungszone angeordnet
sein wird, erfolgt die möglichst vollständige Rückführung des
abgeschiedenen gekühlten Staubes in die Wirbelschichtzone, so
daß bei vollständiger Entstaubung des Rohgases in der Entstaubungszone
praktisch der gesamte mit dem Rohgas aus der
Wirbelschicht ausgetragene Staub wieder in die Wirbelschicht
zurückgeführt wird.
In der ersten Nachvergasungszone unter der Wirbelschichtzone
findet eine Nachvergasung des aus der Wirbelschicht nach unten
ausgetragenen Restkokses statt, der die Rückstände der Einsatzstoffe
und des rückgeführten Staubes darstellt. Diese
Nachvergasung erfolgt unter Verwendung von zweiten Vergasungsmitteln,
welche eine Auflockerung des in der ersten Nachvergasungszone
befindlichen Feststoffes bewirken, ohne daß sich
jedoch eine Wirbelschicht im Sinne einer vollständigen Fluidisierung
einstellt, wobei gleichzeitig die Segregation des
Aschegranulates derart stattfindet, daß es nach unten absinkt
und sich in der zweiten Nachvergasungszone anreichert. Die in
der ersten Nachvergasungszone sich bildenden C-haltigen festen
Vergasungsrückstände sind Restkoks aus dem Bodenprodukt der
Wirbelschicht sowie nichtgranulierte Asche.
In der zweiten Nachvergasungszone, die als Bodenabzug der
ersten Nachvergasungszone und des Vergasers insgesamt aufgefaßt
werden kann, werden die möglichst vollständige Vergasung
des C-Gehaltes der Reststoffe sowie die Oxidation der Asche
mit einem dritten Vergasungsmittel sowie die Abkühlung der als
Bodenprodukt aus dem Vergaser auszuschleusenden festen Vergasungsrückstände
durchgeführt. Das ausgeschleuste Bodenprodukt
besteht aus weitestgehend C-freier, oxidierter Asche und
Aschegranulat. Das Aschegranulat ist aufgrund der bei seiner
Entstehung herrschenden Bedingungen im wesentlichen kalziumsulfidfrei.
Das erste Vergasungsmittel, welches ggf. auch von oben, in die
Wirbelschicht eingeblasen wird, dient der überwiegenden Vergasung
der C-haltigen Einsatzstoffe in der Wirbelschichtzone. Es
besteht aus ggfl. vorgewärmter Luft, Luft/Dampf- oder
O2/Dampf-Gemischen mit den für die Wirbelschichtvergasung
bekannten typischen Zusammensetzungen, ggf. mit Zusätzen anderer
Gase, beispielsweise N2 und CO2. Die Umsetzung des C-haltigen
Einsatzgutes mit den Vergasungsmitteln erfolgt in der
Wirbelschichtzone bei Temperaturen zwischen 750 und 950°C,
wobei lokal in den Bereichen, in denen O2-haltiges Vergasungsmittel
eingeblasen wird, auch höhere Temperaturen auftreten
können, so daß in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt der Asche des
Einsatzgutes die unter Anwendung der O2-haltigen Vergasungsmittel
zumindest lokal auftretenden Temperaturen den Ascheschmelzpunkt
überschreiten und somit ein Granulieren zumindest
eines großen Teils der Aschebestandteile bewirken. Diese Voraussetzungen
können z. B. beim Vergasen von rheinischer Braunkohle
vorhanden sein, deren Asche einen Schmelzpunkt von etwa
1250°C hat. Da in der Wirbelschicht verhältnismäßig gleichmäßige
Strömungsverhältnisse vorhanden sind, wobei die die
Wirbelschicht bildenden Feststoffe im mittleren Bereich überwiegend
sich nach oben und in Umfangsnähe des die Wirbelschicht
aufnehmenden Vergasers nach unten bewegen, kann davon
ausgegangen werden, daß ein großer Teil der Feststoffpartikel
durch die sich insbesondere in den Umfangsbereichen des Wirbelbettes
ausbildenden Flamme, die Bereiche höherer Temperatur
darstellen, durchlaufen, wobei die C-haltigen Bestandteile
dieser Partikel weitestgehend umgesetzt werden und die verbleibenden
Aschebestandteile zu einem grobkörnigen Granulat
agglomerieren, dessen einzelne Körper einen Durchmesser von
mehreren Millimetern aufweisen. Die hinsichtlich der Temperatur
erforderlichen Bedingungen können bei einem derartigen
Einsatzgut beispielsweise dann vorliegen, wenn die ersten
Vergasungsmittel aus einem Gemisch von O2 und Dampf mit einem
Dampf/O2-Verhältnis von ≤ 1 kg/m3 i.N. verwendet werden.
Bei Einsatz von C-haltigen Feststoffen mit Aschen, deren
Schmelzpunkt merklich höher liegt, kann es hingegen erforderlich
sein, zusätzliche Vergasungsmittel zur Granulierung der
Asche in der Wirbelschichtzone in letztere einzublasen. Dies
kann beispielsweise beim Vergasen von Steinkohle der Fall
sein, deren Asche einen Schmelzpunkt von z. B. 1450 - 1500°C
aufweist. Der Sauerstoffgehalt des zusätzlichen Vergasungsmittels
wird zwecks Einstellung der erforderlichen höheren
Temperatur in Teilbereichen des Wirbelbettes ≥ 21 Vol.-% betragen.
Diese zusätzlichen Vergasungsmittel können beispielsweise
O2/Dampf-Gemische mit einem Dampf/O2-Verhältnis im Bereich
von 0,3 - 1 kg/m3 i.N. und/oder aus auf 400 - 600°C vorgewärmter
Luft und/oder aus einem entsprechend vorgewärmten
Luft/Sauerstoff-Dampf-Gemisch bestehen. Diesen zusätzlichen
Vergasungsmitteln können andere Gase, beispielsweise NH3
oder Purge-Gase oder andere zu entsorgende Gase beigemischt
werden, da die am Düsenaustritt in der Wirbelschicht sich
einstellende höhere Temperatur in jedem Fall zu einer Spaltung
von höhermolekularen Verbindungen führt, wobei Gase entstehen,
die in der dem Vergaser nachgeschalteten Gasreinigung entfernt
werden können, ohne dass dabei zusätzliche Probleme auftreten
und/oder zusätzliche Aufwendungen erforderlich wären.
Jedenfalls werden Zusammensetzung und/oder Temperatur der
zusätzlichen Vergasungsmittel derart eingestellt, daß die
Temperatur in der Flamme, die sich bei Eindüsung mittels der
Vergasungsmitteldüsen in der Wirbelschicht ausbildet, ausreichend
hoch ist, um beim jeweils gegebenen Ascheerweichungspunkt
eine Schmelzgranulation der Asche in dieser Flamme zu
bewirken. Flüchtige Alkalien, flüchtige Metalle und andere
anorganische Spurenstoffe werden weitgehend in die sich bildenden
Aschegranulate eingebunden, so daß sie nicht eluiert
werden können.
Die zweiten Vergasungsmittel, welche zwecks Nachvergasung in
die erste Nachvergasungszone eingeführt werden, sind in ihrer
Zusammensetzung der der ersten Vergasungsmittel ähnlich, wobei
die Zusammensetzung durch erhöhten Zusatz weiterer, endotherm
reagierender Vergasungsmittel wie CO2 und Wasserdampf derart
angepaßt sein kann, daß die Temperatur an jeder Stelle der
ersten Nachvergasungszone auf Werte unterhalb der Ascheerweichung
begrenzt wird.
Die dritten Vergasungsmittel werden zur möglichst vollständigen
Vergasung der restlichen C-Bestandteile und zur Oxidation
der Asche in der zweiten Nachvergasungszone im Bodenabzug
eingesetzt. Sie können in mehreren übereinanderliegenden Bereichen
oder Ebenen in die zweite Nachvergasungszone eingeblasen
werden. Dabei besteht die Möglichkeit, im Bedarfsfall in
den einzelnen Ebenen Vergasungsmittel unterschiedlicher Zusammensetzung,
beispielsweise bestehend aus Wasser, O2/Dampf-,
O2/CO2- und O2/Dampf/CO2-Gemischen oder aus Wasser, Luft,
Luft/Dampf-, Luft/CO2-, Luft/Dampf/CO2-Gemischen einzublasen.
Die Verwendung unterschiedlicher Vergasungsmittel in unterschiedlichen
Höhen der zweiten Nachvergasungszone kann sich
daraus ergeben, daß einerseits eine weitestgehende Umsetzung
der Kohlenstoff enthaltenden Rückstände und ggf. auch eine
Oxidation der Asche bzw. der Granulate erfolgen sollen, wobei
andererseits jedoch die Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes
gehalten und ein Endprodukt aus der zweiten Nachvergasungszone
ausgetragen werden soll, welches soweit abgekühlt
ist, daß es mit den üblichen Transportmitteln, Geräten usw.
gehandhabt werden kann. Mithin werden Zusammensetzung und
Menge der dritten Vergasungsmittel so eingestellt, daß der C-Gehalt
des die zweite Nachvergasungszone verlassenden Bodenproduktes
auf die für die Deponierung erforderlichen Werte
reduziert ist. Ferner soll der endgültige Rückstand, der im
wesentlichen aus Asche und Aschegranulat besteht, gekühlt
werden, bevor er den Vergaser verläßt. Der Sauerstoffgehalt
des dritten Vergasungsmittels wird normalerweise ≤ 21 Vol.-%
betragen.
Die Geschwindigkeit, mit welcher die am Ende der zweiten Vergasungszone
verbliebenen festen Reststoffe z. B. mittels eines
Schneckenförderers aus dem Vergaser ausgetragen werden, wird
im wesentlichen bestimmt durch die Verweilzeit der Feststoffe
im Vergaser, die bei den jeweils gegebenen Verhältnissen,
insbesondere den Temperaturen, erforderlich ist, um den angestrebten
Vergasungsgrad des Kohlenstoffes zu erreichen.
Die ersten Vergasungsmittel werden über eine oder mehrere
Düsenebenen, bestehend jeweils aus mehreren Vergasungsmitteldüsen,
in die Wirbelschichtzone und ggf. auch über eine zusätzliche
Düsenebene schräg von oben auf die obere Begrenzung
der Wirbelschichtzone geblasen. Diese zusätzliche Düsenebene
wird am Übergang zwischen der Wirbelschichtzone und der
Splashzone oder geringfügig darüber angeordnet sein, wobei,
wie bereits erwähnt, im allgemeinen keine genau definierte
obere Begrenzung der Wirbelschichtzone vorhanden ist, da deren
oberer Bereich sich normalerweise um beispielsweise mehrere
100 mm auf und abbewegen wird. Die über diese zusätzliche
Düsenebene schräg nach unten auf die obere Begrenzung der
Wirbelschicht geblasenen ersten Vergasungsmittel können zu
einer gewissen Vergleichmäßigung der oberen Begrenzung oder
des oberen Bereiches der Wirbelschicht dienen und darüber
hinaus auch aufgrund der nach unten, also in die Wirbelschichtzone
hinein, gerichteten Strömungskomponente dazu beitragen,
daß zu viel Feststoff aus der Wirbelschichtzone mit
dem letzteren nach oben verlassenden Rohgas ausgetragen wird,
da die von oben auf die oberen Bereiche der Wirbelschicht
einwirkenden Gasströme einen Teil des aus der Wirbelschichtzone
austretenden Staubes wieder nach unten, also in die Wirbelschichtzone
zurück "drücken". Dies führt zu einer längeren
Verweildauer dieser Feststoffe in der Wirbelschicht, welche
Tatsache wiederum den Vergasungswirkungsgrad des gesamten
System verbessert.
Die durch die oberhalb der Wirbelschichtzone vorgesehenen
Vergasungsmitteldüsen, die ebenfalls in wenigstens einer Ebene
angeordnet sein können, in den Vergaser eingeblasenen Vergasungsmittel
sollen nicht dazu dienen, in der Splashzone wesentliche
zusätzliche Umsetzungen mit dem aus der Wirbelschichtzone
ausgetragenen Staub zu bewirken. Vielmehr sollen
sie sich zumindest ganz überwiegend im oberen Bereich der
Wirbelschichtzone mit dem dort vorhandenen Kohlenstoff umsetzen.
Ggf. erforderliche zusätzliche Vergasungsmittel für die Granulation
der Asche werden vorzugsweise über eine Düsenebene oder
über mehrere einzelne Vergasungsmitteldüsen in die Wirbelschichtzone
eingeblasen. Zusammensetzung, Menge und Vorwärmtemperatur
dieser zusätzlichen Vergasungsmittel werden so
eingestellt, daß die Aschegranulierung im gewünschten Umfang
stattfindet.
Da beim erfindungsgemäßen Vergasungsverfahren praktisch die
gesamte Asche im System verbleiben kann, erfolgt die Aschegranulierung
bei wesentlich niedrigeren Ascheerweichungstemperaturen
als bei solchen Vergasungsverfahren, bei denen ständig
ein Teil der aschehaltigen Feststoffe aus dem Vergasersystem
ausgetragen wird. Entsprechend der sich bildenden Eutektika
kommt es zu einer Absenkung des Erweichungspunktes der Gesamtasche
um in der Regel deutlich mehr als 100 K gegenüber den
Erweichungspunkten der einzelnen Aschefraktionen. Dies ist ein
Vorteil gegenüber z. B. dem üblichen HTW-Vergaser, in welchem
bei normalem Betrieb aufgrund des Staubaustrages aus dem System
es in der Wirbelschicht zu einer Anreicherung der hochschmelzenden
Fraktion der Quarz- und alumosilikathaltigen
Aschebestandteile kommt, die jedenfalls bei den praktisch in
Betracht kommenden Teperaturen nur unvollständig agglomeriert
werden kann. In dem nach oben aus dem HTW-Vergaser ausgetragenen
Staub, der das Vergasungssystem über den Zyklon auf kurzem
Weg verläßt, befindet sich die eisen-kalzium-magnesium- und
alkalireiche feinkörnige Fraktion der Asche konzentriert,
deren weitgehendes Fehlen in der Wirbelschicht den Ascheerweichungspunkt
merklich erhöht.
Aufgrund der beim erfindungsgemäßen Verfahren gegebenen Voraussetzungen
hinsichtlich der Zusammensetzung der Aschebestandteile
bewirkt die Aschegranulierung zudem eine Verschiebung
des Körnungsspektrums des Feststoffinventars in der Wirbelschicht
zu größeren Korndurchmessern, so daß die Gasströmungsgeschwindigkeit
bei Einhaltung gleicher Feststoffausträge
erhöht werden kann, wodurch die spezifische Vergaserleistung
steigt.
In der Kühlzone erfolgen die Abkühlung des staubhaltigen Rohgases
und die Wärmeabführung mittels eines Wärmetauschers, der
in einem Abstand von 1 - 5 m oberhalb der oberen Begrenzung
der Wirbelschichtszone angeordnet und vorzugsweise helissenförmig
als Schottenheizfläche ausgebildet ist. Der Wärmetauscher
kühlt das staubhaltige Rohgas auf eine Temperatur im
Bereich von 350 - 700°C und führt Kühlwärme in Form von gesättigtem
und/oder erhitztem Dampf ab. Eine Abkühlung des
Rohgases auf Temperaturen unterhalb 350°C ist im allgemeinen
unzweckmäßig, da dann die Gefahr besteht, daß Teerkohlenwasserstoffe
und/oder andere kondensierbare Bestandteile auf den
Wärmetauscher-Oberflächen und dem nachgeordneten Filter für
die Staubabscheidung kondensieren.
Der mit dem Rohgas mitgeführte Staub besteht im wesentlichen
aus Restkoks mit einem C-Gehalt von ≤ 20 Ma.-%. Aus den bei
der HTW-Vergasung gesammelten Erfahrungen ist bekannt, daß ab
einem Mindest-C-Gehalt ab dieser Größe und einer Staubbeladung
von ≤ 1 - 10 kg/m3 i.N. sich keine Anbackungen am Eintritt z. B.
in den Wärmetauscher bilden. Infolge der hohen Staubbeladung
des Gases kommt es zu einem Selbstreinigungseffekt an den
Wärmetauscher-Oberflächen.
In der vorzugsweise im Anschluß an den Rohgasabgang aus der
Kühlzone angeordneten Entstaubungszone erfolgt eine möglichst
vollständige Abscheidung des im gekühlten Rohgas befindlichen
Staubes. Dabei kann ein vorzugsweise als Jalousie-Abscheider
ausgebildeter Vorabscheider vorgesehen sein, von welchem das
teilentstaubte gekühlte Rohgas in ein Absolutfilter geführt
wird, welches sich anstelle des sonst üblichen Zyklons direkt
an den Vergaser anschließt. Das Absolutfilter, in dem das
Rohgas praktisch vollständig von Staub befreit wird, besteht
vorzugsweise aus einem Kerzenfilter mit keramischen oder metallischen
Filterelementen.
Im Absolutfilter werden gemeinsam mit dem Staub flüchtige
Alkalien und Schwermetalle sowie flüchtige organische und
organische Spur- und Schadsstoffe abgeschieden. Ein Temperaturoptimum
der Staubabscheidung im Absolutfilter liegt bei ca
500 - 700°C. Bei diesen Temperaturen erfolgt eine praktisch
vollständige Alkaliabscheidung sowie eine ausreichend hohe
Spurstoffadsorption bei gleichzeitig angemessener Wärmeauskopplung
im Wärmetauscher.
In der Rückführzone wird der in der Entstaubungszone abgeschiedene
gekühlte Staub mittels Schwerkraft über Rückführsysteme,
im einfachsten Fall bestehend aus einer von Einbauten
freien Rückführleitung, vollständig in die Wirbelschichtzone
und damit vorzugsweise in deren unteren Teil zurückgeführt.
Die Druckdifferenz zwischen der Eintragstelle in der Wirbelschicht
und dem Absolutfilter ist gering, so daß auf Gassperren
oder Transporthilfsmittel in der Rückführzone verzichtet
werden kann.
In der ersten Nachvergasungszone erfolgen die erste Stufe der
Nachvergasung des Restkokses aus der Wirbelschichtzone und die
Segregation des in der Wirbelschichtzone entstandenen Aschegranulates.
Hierzu wird das zweite Vergasungsmittel über
vorzugsweise eine Düsenebene eingeblasen. Der C-Gehalt der die
erste Nachvergasungszone verlassenden Feststoffe - das sind
auf die Einsatzstoffe und den rückgeführten Staub zurückgehender
Restkoks sowie Asche und Aschegranulat - wird dadurch auf
Werte ≤ 20 Ma.-% gesenkt.
In der zweiten Nachvergasungszone, an deren unterem Ende die
festen Vergasungsrückstände aus dem Vergaser abgezogen werden,
erfolgt die möglichst vollständige Vergasung der restlichen C-Bestandteile,
die in der ersten Nachvergasungszone noch nicht
vergast worden waren. Dazu wird drittes Vergasungsmittel im
Gegenstrom zu dem sich in der zweiten Nachvergasungszone ausbildenden
Wanderbett vorzugsweise über mehrere Düsen oder
Düsenebenen, die in vertikalen Abständen voneinander angeordnet
sein können, in die zweite Nachvergasungszone eingeblasen.
Das dritte Vergasungsmittel kann auch mittels sogenannter
offener Düsenböden, also von unten, zugeführt werden.
Die Verteilung der dritten Vergasungsmittel erfolgt derart,
daß in vorzugsweise zwei oder drei in unterschiedlichen Höhen
angeordneten Düsen Vergasungsmittel unterschiedlicher Zusammensetzung
zugeführt werden. Als Vergasungsmittel in der unteren
Zuführung wird Quenchwasser eingedüst, welches verdampft
und als Dampf in die darüber befindlichen Vergasungszonen
strömt, in denen es als endothermes Vergasungsmittel wirkt.
Gleichzeitig wird die Abkühlung der im untersten Bereich der
zweiten Nachvergasungszone befindlichen festen Rückstände
bewirkt. Den auf das Quenchwasser zurückgehenden endothermen
Vergasungsmitteln werden in einem ersten und ggf. auch einem
zweiten darüber befindlichen Bereich sauerstoffhaltige Vergasungsmittel
zugemischt, so daß in der dritten Nachvergasungszone
in den oberhalb der Zuführung des Quenchwassers liegenden
Bereichen der C-Gehalt der Feststoffe auf einen zulässigen
maximalen Gehalt, z. B. ≤ 5 Ma.-% abgesenkt wird. In den Bereichen
oberhalb der Quenchwasserzufuhr erfolgt durch den dort
zugeführten freien Sauerstoff auch die Oxidation von kalziumsulfidhaltiger
Asche, so daß die Kalziumsulfid-Bestandteile
bei Erreichen der Quenchzone zumindest ganz überwiegend sulfatisiert
sind.
Da die aus dem Vergaser auszutragenden festen Rückstände zu
einem großen Teil, wenn nicht überwiegend, in Form von granulierter
Asche vorliegen, welche eine gewisse Mindestkorngröße
nicht unterschreitet, bleibt die Fließfähigkeit der festen
Rückstände auch in der Ebene, in welcher das Wasser eingedüst
wird, erhalten. Das gilt auch dann, wenn die Asche Bestandteile
aufweist, die in Gegenwart von Wasser abbinden. Die
ganulierte Asche liegt überwiegend in einer Korngröße vor, die
ein Abbinden verhindert, welches zu Störungen führen könnte.
Zur Optimierung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es
zweckmäßig, die geometrische Innenkontur des Wirbelschichtvergasers
auf die Einspeisung der Vergasungsmittel sowie die
Zuführung der festen Einsatzstoffe und des rückgeführten Staubes
so abzustimmen, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit von
der Wanderbett- bzw. zweiten Nachvergasungszone bis zum Eintritt
in die Splash-Zone von unten nach oben ansteigt und in
der Splash-Zone wieder abnimmt. Die folgenden Gaströmungsgeschwindigkeiten,
die bezogen auf den Leerraum eingestellt
werden, können zumindest teilweise deutlich über denen von
Wirbelschichtvergasern gemäß dem Stand der Technik liegen:
0,3 - 0,8 m/s in der Wanderbett- bzw. zweiten Nachvergasungszone
vor Eintritt in die Segregationszone, 0,5 - 1,5 m/s in der Segegrations- bzw. ersten Nachvergasungszone
vor Eintritt in die Wirbelschichtzone, 1 - 5 m/s in der Wirbelschichtzone vor Eintritt in die Splash-Zone, 0,5 - 3 m/s in der Spalsh-Zone vor Eintritt in die Kühlzone.
Aufgrund des Agglomerationsprozesses kommt es zu der bereits
erwähnten Kornvergrößerung des Feststoffinventars im Vergaser
mit der Folge, daß höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten ermöglicht
werden. Die angegebenen Geschwindigkeitsbereiche
berücksichtigen das breite Spektrum der Stoffeigenschaften der
C-haltigen Einsatzstoffe.
Das Verfahrens gemäß der Erfindung, bei welchem die Vergasungsmittel
in die Wirbelschichtzone und die beiden Nachvergasungszonen
eingeführt werden, ermöglicht es, auf die Einführung
von Vergasungsmittel in die oberhalb der Wirbelschicht
befindliche Zone, die bei Vergasungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik als "Nachvergasungszone" bezeichnet wird, zu verzichten.
Diese Nachvergasungszone bekannter Vergaser hat den
Nachteil eines geringen spezifischen Reaktionsumsatzes der
endothermen Vergasungsreaktionen und demzufolge eines entsprechend
großen spezifischen Reaktorvolumens sowie exergetischer
Verluste infolge des unverzichtbaren Wasserquenches am
Ausgang der Nachvergasungszone oberhalb der Wirbelschicht. Die
Bildung von Asche- und Schlackeansätzen aufgrund nicht vollständig
vermeidbarer, lokaler und temporärer Übertemperaturen
im Rohgas stellt dabei einen weiteren Nachteil dar. Der Verzicht
auf eine Nachvergasungszone oberhalb der Wirbelschicht,
in die zusätzlich Vergasungsmittel eingeblasen wird, und die
Nutzung des freien Reaktorraumes oberhalb der Splashzone als
Kühlzone zur Abkühlung des staubbeladenen Rohgases mittels
Wärmetauscher ermöglicht eine deutliche Reduzierung des für
die Vergasung und Abhitzenutzung erforderlichen spezifischen
Reaktorvolumens. Zwar ist bei der Staubvergasung gemäß EP
618282 oberhalb des Flugstrom-Vergasungsreaktor ebenfalls ein
Abhitzekesselsystem mit Strahlungskühler und nachgeschalteten
Konvektionskühler vorgesehen, wobei vor dem Strahlungskühler
noch ein Kaltgasquench vorgesehen ist. Der Strahlungskühler
hat hier die Aufgabe, den mit erstarrenden Schlacketröpfchen
beladenen Gasstrom im Anschluß an den Quench so abzukühlen,
daß die Wärmetauscheroberflächen frei von Schlackeanbackungen
bleiben. Die Ausgestaltung des Abhitzekessels ist hierauf und
auf um Größenordnungen niedrigere Rohgasstaubbeladungen von ≤
0,1 kg/m3 i.N. speziell abgestimmt.
Bei einem anderen bekannten Verfahren erfolgt im Unterschied
zur Lösung gemäß der Erfindung die Aschegranulierung im Wirbelschicht-Vergasungsreaktor
in einem zentral angeordneten
vertikalen Verbrennungs-Jet, über den die gesamte Vergasungsluft-
oder Vergasungssauerstoff-Menge ohne Unterteilung zugeführt
wird. Es erfolgt keine vollständige Vergasung bzw.
Oxidation des C-haltigen Bodenproduktes. Eine thermische Nachbehandlung
ist in jedem Fall erforderlich.
Demgegenüber werden durch die Anwendung der Erfindung wesentliche
verfahrens- und anlagetechnische Vereinfachungen erreicht,
beispielsweise der Wegfall der thermischen Nachbehandlung
der Vergasungsrückstände und merkliche Vereinfachungen
bei der Rohgaskühlung und -reinigung. Durch die Abkühlung und
möglichst vollständige Rückführung des Staubes in die Wirbelschichtzone
kommt es zu einer Abscheidung, Rückführung, Zersetzung
und/oder Einbindung einer Vielzahl flüchtiger organischer
und anorganischer Verbindungen und Schadstoffe. Die sich
daraus ergebenden positiven Auswirkungen auf den sich anschließenden
Gasreinigungsprozeß können je nach dem eingesetzten
C-haltigen Stoffen und der Prozessführung unterschiedlich
sein. Insbesondere wird die Schwefeleinbindung in der Eigenasche
und/oder an basischen Zusätzen, die zur Insitu-Entschwefelung
zugegeben werden, verbessert. Von besonderer Bedeutung
ist auch die Tatsache, daß der C-Gehalt der Einsatzstoffe
praktisch vollständig thermisch und stofflich genutzt
werden kann, was zu einer merklichen Erhöhung des thermischen
Wirkungsgrades des Vergasungs- wie auch des Gesamtprozesses
führt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Letztere zeigt in stark vereinfachter und schematischer Darstellung
einen Vergaser zur Erzeugung von Brenngas für den
Einsatz in einer Gasturbine unter Anwendung des Verfahrens
gemäß der Erfindung. Die bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels
im folgenden angegebenen Vergasungsparameter gelten
für das Vergasen von getrockneter Braunkohle mit einem Aschegehalt
von 11 Ma.-%, einem Wassergehalt von 12 Ma.-% und einem
Heizwert Hu von 19,5 MJ/kg bei einem Druck von 27 bar mit Luft
unter Zusatz von Wasserdampf.
Die Einsatzkohle 2 wird über einen oder mehrere Eintragsseinrichtungen
3, die beispielsweise eine Förderschnecke verwenden,
in die Wirbelschichtzone 4 des Wirbelschichtvergasers 1
eingetragen. In die Wirbelschichtzone 4 wird das erste Vergasungsmittel
5 mittels vier übereinander angeordneter Düsenebenen
6 bis 9 eingeblasen. Das Vergasungsmittel 5 besteht aus
verdichteter, 350°C heißer Luft mit Zusatz von 0,18 kg Wasserdampf
pro m3 i.N. Luft. Jede der Düsenebenen 6 bis 9 weist mehrere
Vergasungsmitteldüsen 10 auf, die gleichmäßig über den
Umfang des Wirbelschichtvergasers 1 jeweils einer Ebene verteilt
sind. Die Anordnung der Vergasungsmitteldüsen jeweils in
einer Ebene ist nicht zuletzt wegen der Gleichmäßigkeit des
Vergasungsmitteleintrages in die Wirbelschicht und die daraus
resultierende einfachere Berechenbarkeit der Strömungsverhältnisse
in der Wirbelschicht vorteilhaft. Es ist jedoch auch
eine Anordnung denkbar, bei welcher nicht mehrere Düsen in
jeweils einer Ebene angeordnet sind.
Weiterhin wird in die Wirbelschichtzone 4 ein zusätzliches
Vergasungsmittel 11 über die Düsen 10 der Düsenebene 12 eingeblasen.
Letztere befindet sich zwischen den beiden Düsenebenen
7 und 8 für das erste Vergasungsmittel 5. Das zusätzliche
Vergasungsmittel 11 besteht aus mit Sauerstoff angereicherter
Luft mit einem Sauerstoff-Gehalt von 30 Vol.-%. Es hat eine
Temperatur von 350°C. Der Sauerstoffgehalt ist ausreichend
hoch, um bei der eingesetzten Braunkohle eine Schmelzgranulation
der Asche oberhalb der Ascheerweichungstemperatur von z.
B. 1200° C und die Bildung von Aschegranulat zu bewirken. In
das Aschegranulat werden die flüchtigen Alkalien und Schwermetalle
nicht eluierbar eingebunden. Die mit dem zusätzlichen
Vergasungsmittel 11 zugeführte Menge an Sauerstoff beträgt
etwa 45% der mit dem ersten Vergasungsmittel 5 zugeführten
Sauerstoffmenge. An der oberen Begrenzung der Wirbelschichtzone
4 stellt sich eine Temperatur in der Größenordnung von
900°C ein.
In der oberhalb der Wirbelschichtzone 4 vorgesehenen Splashzone
13 wird die Staubbeladung des aus der Wirbelschicht nach
oben austretenden Rohgases 14 bis zum Eintritt in die in Strömungsrichtung
des Rohgases hinter der Splashzone 13 angeordneten
Kühlzone 15 auf einen Wert von ca. 1 kg/m3 i.N. abgesenkt.
Der C-Gehalt des Staubes beträgt etwa 40 Ma.-%.
Während die Vergasungsmitteldüsen 10 der Düsenebenen 6 bis 8
so angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden ersten
Vergasungsmittel direkt in die Wirbelschichtzone 4 strömen,
sind die Vergasungsmitteldüsen 10 der zuoberst befindlichen
Ebene 9 am Übergang zwischen der Wirbelschichtzone 4 und der
Splashzone 13 derart angeordnet, daß sie in Strömungsrichtung
der die jeweiligen Düse passierenden Vergasungsmittel schräg
nach unten verlaufen mit der Folge, daß über die Ebene 9 zugeführten
ersten Vergasungsmittel eine nach unten gerichtete
Strömungskomponente aufweisen, welche der Strömungsrichtung
des aus der Wirbelschichtzone 4 nach oben austretenden Rohgases
14 entgegengerichtet ist. Dadurch werden an der Oberfläche
der Wirbelschicht Strömungsbedingungen geschaffen, welche dazu
führen, daß ein großer Teil des staubförmigen Feststoffes, der
sonst mit dem Rohgas 14 nach oben in die Splashzone 13 und
weiter in die anschließende Kühlzone 15 ausgetragen worden
wäre, in der Wirbelschicht verbleibt bzw. wieder in diese
absinkt. Auf diese Weise kann der Staubaustrag aus der Wirbelschichtzone
4 verringert werden. Zudem wird durch die in den
oberen Bereich der Wirbelschichtzone einströmenden Vergasungsmittel
dort die Umsetzung der C-haltigen Bestandteile nochmals
intensiviert.
Allerdings ist die Verwendung einer am Übergang zwischen Wirbelschichtzone
4 und Splashzone 13 befindlicher Düsenebene
nicht immer erforderlich. Vielmehr hängt die Zweckmäßigkeit
ihrer Anwendung von den jeweiligen Gegebenheiten, also beispielsweise
auch davon ab, ob es zweckmäßig ist, im oberen
Bereich der Wirbelschichtzone 4 noch eine Zufuhr von Vergasungsmitteln
durchzuführen. Letzteres kann abhängen z. B. von
der Reaktionsfreudigkeit des eingesetzten C-haltigen Materials.
Die Düsen 10 der übrigen Vergasungsmittelebenen 6 - 8 und 12
sind in Strömungsrichtung der sie passierenden Vergasungsmittel
schräg nach oben gerichtet, um so das Fluidisieren der
in der Wirbelschichtzone befindlichen Feststoffe zu fördern.
Beim Passieren der Kühlzone 15 wird das staubhaltige Rohgas 14
auf 600°C abgekühlt. Der Wärmetauscher, bestehend aus einem
Verdampfer 16 mit nachgeschaltetem Überhitzer 17, ist helissenförmig
als Schottenheizfläche ausgeführt. Das staubhaltige,
gekühlte Rohgas 18 verläßt die Kühlzone 15 über den Rohgasabzug
19 und gelangt in die Entstaubungszone 20. Es durchströmt
zunächst einen als Jalousie-Abscheider ausgebildeten
Vorabscheider 21, der den Großteil des Staubes abscheidet, der
in den Staubsammelraum 22 des Kerzenfilters 23 gelangt. Das
staubhaltige, gekühlte Rohgas 18 wird anschließend vollständig
im Kerzenfilter 23 entstaubt. Es verläßt dieses als staubfreies,
gekühltes Rohgas 24. Der insgesamt abgeschiedene Staub
25 wird mittels Schwerkraft über die Rückführzone 26, bestehend
aus einer von Einbauten freien Rückführleitung 38, in den
unteren Teil der Wirbelschichtzone 4 zurückgeführt. Das staubfreie
Rohgas 24 erfüllt die Anforderungen der Gasturbine bezüglich
des geringen Staubgehaltes und des zulässigen Gehaltes
an flüchtigen Alkalien.
In der ersten Nachvergasungszone 27 unterhalb der Wirbelschichtzone
4 wird ein zweites Vergasungsmittel 28 über die in
der Ebene 29 angeordneten Düsen 10 eingeblasen. Das zweite
Vergasungsmittel 28 besteht aus verdichteter, 350°C heißer
Luft mit Zusatz von 0,33 kg Wasserdampf/m3 i.N.. Die mit dem
Vergasungsmittel 28 zugeführte Sauerstoffmenge beträgt ca. 15%
der mit dem ersten Vergasungsmittel 5 zugeführten Sauerstoffmenge.
In der ersten Nachvergasungszone 27 stellt sich eine
Temperatur von 800 - 850 °C ein. Der Abstand zur Ascheerweichungstemperatur
ist ausreichend hoch, um Anbackungen zu vermeiden.
Der C-Gehalt der aus der ersten Nachvergasungszone in
die darunter befindliche zweite Nachvergasungszone übertretenden
Feststoffe wird durch die Nachvergasung in der Nachvergasungszone
27 auf etwa 10 Ma.-% gesenkt.
Durch das durch die Düsen der Ebene 29 eingeblasene Vergasungsmittel
erfährt der in der ersten Nachvergasungszone 27
befindliche Feststoff eine Auflockerung, die zu einer gewissen
Fluidisierung in dieser Zone führen kann, ohne daß sich jedoch
die für eine stationäre Wirbelschicht typischen Strömungsbedingungen
einstellen, bei denen der im mittleren Bereich des
Vergaserquerschnittes befindliche Feststoff sich überwiegend
von unten nach oben bewegt und der in den Randbereichen des
Vergaserquerschnittes befindliche Feststoff überwiegend sich
von oben nach unten bewegt. Vielmehr reicht in der ersten
Nachvergasungszone eine Auflockerung aus, die dazu führt, daß
die schwereren Ascheagglomerate, die sich in der Wirbelschichtzone
4 in der bereits beschriebenen Weise gebildet
haben, schneller nach unten absinken als die kleineren Restkokspartikel,
die noch C-Anteile enthalten und somit länger in
der ersten Nachvergasungszone 27 verweilen, um so auch in
dieser ersten Nachvergasungszone noch einen merklichen C-Umsatz
zu ermöglichen, der zu einem entsprechend niedrigeren C-Gehalt
des Restkokses führt, welcher die erste Nachvergasungszone
27 unten verläßt und in die zweite Nachvergasungszone 30
gelangt, die im Ergebnis den Austragsbereich 31 des Vergasers
1 darstellt, aus welchem die festen Rückstände des Vergasungsprozesses
aus dem Vergaser ausgetragen werden.
Die Feststoffe in der zweiten Nachvergasungszone 30 bilden ein
sich von oben nach unten bewegendes Wanderbett, in welches
dritte Vergasungsmittel 32 eingeführt werden, ohne daß eine
wesentliche Auflockerung des Wanderbettes einträte. Bei dem
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden in den beiden
Ebenen 35 und 36 unterschiedliche Vergasungsmittel eingeführt.
In der unteren Ebene 35 wird Quenchwasser 33 eingeführt, durch
welches das die zweite Nachvergasungszone 30 unten verlassende
Bodenprodukt 37 unter Verdampfungskühlung auf 450°C abgekühlt
wird. Um die möglichst vollständige Vergasung der restlichen
C-Bestandteile und die Oxidation des in der Asche ggf. befindlichen
Kalziumsulfids zu erreichen, wird in der über der Ebene
35 befindlichen Ebene 36 verdichtete, 350°C heiße Luft 34 mit
einem Zusatz von 0,17 kg Dampf/m3 i.N. Luft eingeblasen. Die mit
diesem zweiten Nachvergasungsmittel zugeführte Sauerstoffmenge
beträgt ca. 2,5% der Sauerstoffmenge, die mit dem ersten Vergasungsmittel
in die Wirbelschichtzone eingeblasen wird.
In der zweiten Nachvergasungszone stellt sich eine Temperatur
von maximal 850°C ein. Der Abstand zur Ascheerweichungstemperatur
ist ausreichend groß, um Anbackungen zu vermeiden. In
Höhe der oberen Düsenebene 36 haben die Feststoffe ausreichenden
Kontakt mit der freien sauerstoffenthaltenden Gasatmosphäre,
so daß die Oxidation von kalziumsulfidhaltiger Asche erfolgt.
Die Düsen 10 der Düsenebenen 29 und 36 in erster bzw.
zweiter Nachvergasungszone sind analog den Düsen 10 der Düsenebenen
6 - 8 und 12 ebenfalls in Strömungsrichtung schräg nach
oben verlaufend angeordnet. Hingegen sind die Düsen 10 in der
Ebene 35, in welcher das Quenchwasser zugeführt wird, etwa
analog der Düsenebene 9 nach unten gerichtet, um so den Austrag
der Vergasungsrückstände aus dem Vergaser zu unterstützen.
In das Wanderbett im Bereich der zweiten Nachvergasungszone 30
wird von unten eine geringe Menge Stickstoff als Sperrgas 39
zur Verhinderung von Wasserdampfdurchtritt in die darunter
befindlichen Einrichtungen zur Ausschleusung des Bodenproduktes
(nicht dargestellt) eingegeben.
Die geometrische Innenkontur des Wirbelschichtvergasers 1 ist
auf die Einspeisung der ersten, zweiten und dritten Vergasungsmittel
5, 28, 32 und ggf. des zusätzlichen Vergasungsmittels
11 sowie die Zuführung der Einsatzkohle 2 und des
zurückgeführten abgeschiedenen Staubes 25 so abgestimmt, daß
die Gasströmungsgeschwindigkeit von der zweiten Nachvergasungszone
30 bis zum Eintritt in die Splashzone 13 von unten
nach oben hin ansteigt und in der Splashzone 13 wieder abfällt.
Es werden folgende Gasströmungsgeschwindigkeiten, bezogen
auf den Leerraum, eingestellt:
0,6 m/s in der zweiten Nachvergasungszone 30 am Eintritt in
die erste Nachvergasungszone 27, 1,2 m/s in der ersten Nachvergasungszone 27 am Eintritt in die
Wirbelschichtzone 4, 3 m/s in der Wirbelschichtzone 4 am Eintritt in die Splashzone
13 und 2,5 m/s in der Splashzone 13 am Eintritt in die Kühlzone 15.
Ein Wirbelschichtvergaser 1 für eine thermische Leistung von
1100 MWth, entsprechend einem stündlichen Kohleeinsatz von 202
t, weist in der zweiten Nachvergasungszone 30 einen lichten
Durchmesser von 1,1 m auf. Der lichte Durchmesser der Kühlzone
beträgt 3,7 m. In der Kühlzone 15 wird eine Kühlwärme von 156
MWth in Form von überhitztem Dampf abgeführt. Es werden
600.0000 m3 i.N./h Rohgas (Rohgasheizwert Hu 5,02 MJ/m3 i.N.), entsprechend
einem Rohgas-Heizwertstrom von 837 MWth, erzeugt.