EP2616528A1 - Verfahren zur erzeugung von synthesegas - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von synthesegas

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EP2616528A1
EP2616528A1 EP11757770.0A EP11757770A EP2616528A1 EP 2616528 A1 EP2616528 A1 EP 2616528A1 EP 11757770 A EP11757770 A EP 11757770A EP 2616528 A1 EP2616528 A1 EP 2616528A1
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EP
European Patent Office
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filter
reactor
gas
synthesis gas
hot gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11757770.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Dostal
Domenico Pavone
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ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Uhde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Uhde GmbH filed Critical ThyssenKrupp Uhde GmbH
Publication of EP2616528A1 publication Critical patent/EP2616528A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin

Definitions

  • the invention is directed to a process for the production of synthesis gas of the type specified in the preamble of claim 1.
  • the process temperature is raised to such an extent that the mineral components of the coal are melted down into liquid slag.
  • the slag flows down the cylindrical wall of the reactor and exits the carburetor through the slag hole in the conical region of the carburetor. It enters a water bath (slag bath), where it solidifies and granulates into small, glassy granules. However, a small proportion of liquid ash drops is entrained by the synthesis gas and passes through the gas outlet into the raw gas cooler.
  • the synthesis gas leaving the upper region of the gasifier has a temperature which is greater than 1500.degree. At this temperature, the fly ash particles are more or less fluid and sticky. Therefore, that must be Synthesis gas must be cooled down in a non-adhesive area of about 850 to 900 ° C, before it is in contact with the heat exchanger tubes of the
  • Smoke tube boiler may occur.
  • the smoke tube boiler has a variety of applications in the heat utilization of flue gases. Above all, the inlet temperature is limiting for its use, since ash particles contained in the flue gas are sticky up to molten at temperatures above 850 ° C.
  • the hot raw gas is cooled only with water partially or with cold gas in a quench tube to temperatures around 850 ° C before the gas is diverted and used in the convective.
  • the object of the invention is to provide a method which makes it possible to use much cheaper smoke tube boiler for heat removal instead of radiation boiler.
  • this object is achieved according to the invention in that the synthesis gas is passed uncooled through a hot gas filter and subsequently cooled by a smoke tube boiler, wherein the deposited on the hot gas filter ash / slag particles are fed in the direction of gravity back into the gasification reactor ,
  • the invention solves a problem that, if the particles cool down too early, they caking on the flue-tube boiler and thus clogging it, which leads to frequent standstill in order to clean the corresponding system components. This is avoided with the invention.
  • the hot gas filter is designed as a ceramic filter, wherein the vaporous alkalis contained in the uncooled synthesis gas be removed from the synthesis gas by or after contact with gettering ceramic.
  • gas velocities of 1 to 10 m / s, in particular 3 m / s are set in the hot gas filter.
  • gas velocity in the flue tube boiler is set at 15-25 m / s.
  • Advantageous embodiments of the invention are that the gasification in the reactor at temperatures of 800 to 1800 ° C and operating pressures of 0.1 to 10 MPh are performed and are added to the separation of impurities in the filter additives before the filter.
  • the invention also provides a plant with a reactor for the production of synthesis gas from carbonaceous fuels under supply of oxygen-containing oxidant in the reactor and with a flue gas cooling, which is characterized in that Flow direction of the raw gas to the reactor first an ash /
  • a further embodiment of such a plant can according to the invention consist in that the ceramic hot gas filter has a ceramic support network and a bed of packing.
  • a pressure monitoring is provided in the filter and the smoke tube boiler for detecting the operating and / or differential pressure.
  • the system may be distinguished in a further embodiment in that the filler used in the one or more filters (s) may be formed as spheres, Raschig rings, baffle rings, Stattel body or as a cylindrical body or as irregular body by breaking Na - turmaterialieri arise, wherein the filler can have a honeycomb or lamellar structure.
  • Fig. 2 is an enlarged view of the gasification reactor with hot gas filter and in
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the procedure according to the invention.
  • a generally denoted by 1 gasification reactor is shown schematically, in the head region, a hot gas filter, generally designated 2, is assigned, to which a smoke tube boiler 3 is connected.
  • the reactor 1 and the filter 2 are thus arranged directly above one another, that is to say the filter 2 effectively forms the reactor outlet.
  • an additional container, an additional Schlackeaustragsorgan and associated heat losses are avoided.
  • the hot gas filter has ceramic filling bodies 8 which rest on a ceramic net 5.
  • the molten ash which is deposited there is designated in FIG. 2 by 6, which is returned to the reactor interior 9 equipped with a slag outlet 7, which is indicated by an arrow 13.
  • a gettering ceramic filter 12 is indicated above the hot gas filter 2, e.g. consumed when used as intended and interchangeably positioned there, which is not shown in detail.
  • Ts melting temperature of the slag
  • w flow velocity of the respective gas indicated.
  • FIG. 3 shows a schematic process diagram using the gasification reactor 1 according to the invention with a downstream high-temperature filter 2 and, in turn, a downstream flue-tube boiler 3.
  • the slag return from the high-temperature filter 2 is symbolically represented by an arrow 13 as well as in FIG. 2, as is the supply of fuel and water vapor (arrows 10 and 11).
  • the flue-tube boiler 3, as shown in FIG. 3, is followed by a scrubber 14, a saturator 15 and a CO shift 16.
  • the filter 2 in the head region of the reactor 1 also a very compact constructability is given because the hot gas (T> T s) can be deflected because in the gas no slag particles are present.
  • the hot gas is cooled far below T s in order to prevent the smoke tube boiler from overgrowing and thus stoppages before it can enter a flue or waste heat boiler.
  • the advantage of a filter 2 assigned in the head region of the reactor 1 is thus also that hot gas with very high temperatures ( ⁇ 1,500 ° C.) can be used for steam production and not only from a temperature of about 850 to 900 ° C.
  • the described embodiment of the invention is still to be modified in many ways, without departing from the spirit.
  • the alkalis that bind getter particles that are added as additives to the flue gas stream may be used. like. More.

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Abstract

Mit einem Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung fester oder flüssiger kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in einem Reaktor, wobei das Synthesegas über Kopf aus dem Reaktor und die während der Reaktion anfallende mineralische Asche-/ Schlacketröpfchen in Schwerkraftrichtung nach unten aus dem Reaktor ausgeführt werden, soll ermöglicht werden, einen deutlich preiswerteren Rauchrohrkessel zur Wärmeabfuhr zu benutzen anstatt Strahlungskessel. Dies wird dadurch erreicht, dass das Synthesegas ungekühlt über einen Heißgasfilter (2) und nachfolgend zur Abkühlung durch einen Rauchrohrkessel (3) geleitet wird, wobei die am Heißgasfilter (2) abgeschiedenen Asche-/Schlackepartikel in Schwerkraftrichtung zurück in den Vergasungsreaktor (2) geführt werden.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Svntheseaas
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung.
Ein derartiges Verfahren, das sich auch mit der Entfernung von Flüssigasche und Alkalien aus einem Synthesegas befasst, beschreibt die WO 2009/080334 A2 der Anmelderin.
Weltweit existiert eine Vielzahl von Anlagen zur Vergasung von Kohle und Bio- masssen. Die überwiegende Anzahl dieser Anlagen dient der Erzeugung von Synthesegas, Ammoniak, Wasserstoff oder Methanol.
Es besteht ein Konsens, dass für IGCC-Kraftwerke und für die Herstellung synthetischer Energieträger vor allem das Verfahren der Flugstromvergasung sinnvoll ist. Allerdings muss die Verfügbarkeit der Flugstromvergaser signifikant erhöht werden.
Bei Prozessen der Flugstromvergasung wird die Prozesstemperatur so weit angehoben, dass die Mineralbestandteile der Kohle zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen werden. Die Schlacke fließt über die zylindrische Wand des Reaktors nach unten und verlässt den Vergaser durch das Schlackeloch im konischen Bereich des Vergasers. Sie gelangt in ein Wasserbad (Schlackenbad), hier wird sie fest und granuliert in kleine, glasartige Granulate. Ein kleiner Anteil von flüssigen Aschetropfen wird jedoch vom Synthesegas mitgerissen und gelangt über den Gasaustritt in den Rohgaskühler.
Das aus dem oberen Bereich des Vergasers austretende Synthesegas besitzt aber eine Temperatur, die größer als 1500°C ist. Bei dieser Temperatur sind die Flugaschepartikel mehr oder weniger flüssig und klebend. Daher muss das Synthesegas in einen nicht klebenden Bereich von ca. 850 bis 900°C runtergekühlt werden, bevor es in Kontakt mit den Wärmetauscherrohren des
Rauchrohrkessels treten darf.
Der Rauchrohrkessel hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Wärmenutzung von Rauchgasen. Limitierend für seinen Einsatz ist vor allem die Eintrittstemperatur, da im Rauchgas enthaltene Aschepartikel bei Temperaturen oberhalb 850°C klebrig bis hin zu schmelzflüssig sind.
Auch gibt es eine Vielzahl Vergasungsverfahren, die auf verschiedene Weise eine Abwärmenutzung durchführen, wobei das heiße Rohgas erst mit Wasser partiell oder mit kaltem Gas in einem Quenchrohr auf Temperaturen um 850°C abgekühlt wird bevor das Gas umgelenkt und im Konvektivkessel genutzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verfahrensweise zu schaffen, die es ermöglicht, deutlich preiswertere Rauchrohrkessel zur Wärmeabfuhr zu benutzen anstatt Strahlungskessel.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Synthesegas ungekühlt über einen Heißgasfilter und nachfolgend zur Abkühlung durch einen Rauchrohrkessel geleitet wird, wobei die am Heißgasfilter abgeschiedenen Asche-/Schlackepartikel in Schwerkraftrichtung zurück in den Vergasungsreaktor geführt werden.
Mit der Erfindung wird ein Problem gelöst, dass bei zu früher Abkühlung der Partikel diese an dem Rauchrohrkessel anbacken und diesen damit verstopfen, was zu einem häufigen Stillstand führt, um die entsprechenden Anlageteile zu reinigen. Dies wird mit der Erfindung vermieden.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Heißgasfilter als Keramikfilter ausgebildet ist, wobei die im ungekühlten Synthesegas enthaltenen dampfförmigen Alkalien durch oder nach Inkontaktbringen mit Getterkeramik aus dem Synthesegas entfernt werden.
Neben der Gestaltung des Heißgasfilters unter Einsatz von Keramikpartikeln besteht beispielsweise eine weitere Möglichkeit darin, im Filter gekühlte Rohre einzusetzen mit einer Beschichtung, z.B. über eine Beschichtung mit Keramik, die beispielsweise über eine Bestiftung dort aufgebracht ist, hier sind auch andere Filtergestaltungen möglich.
Nach der Erfindung ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass im Heißgasfilter Gasgeschwindigkeiten vonl bis 10 m/s, insbesondere 3 m/s, eingestellt werden. Zur optimalen Wärmeübertragung kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Gasgeschwindigkeit im Rauchrohrkessel bei 15-25 m/s eingestellt wird.
Zweckmäßige Ausgestaltungen nach der Erfindung bestehen darin, dass die Vergasung im Reaktor bei Temperaturen von 800 bis 1800°C und Betriebsdrücken von 0,1 bis 10 MPh durchgeführt werden und zur Abscheidung von Störstoffen am Filter Additive vor dem Filter beigemengt werden.
Schließlich kann bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise auch vorgesehen sein, dass mehrere Filterstufen nacheinander durchströmt werden, wobei die Austrittstemperatur des Gases hinter der letzten Filterstufe oberhalb der Fließtemperatur der Asche/Schlacke eingestellt wird. So ist es beispielsweise nach der Erfindung möglich, zunächst zur Schlackeabtrennung einen Heißgasfilter einzusetzen und nachfolgend einen Filter aus Getterkeramik, die sich dann während der Laufzeit langsam selbst verbraucht und gelegentlich auszuwechseln ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Anlage vor mit einem Reaktor zur Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter Zuführung von sauerstoffhaltigem Oxidationsmittel in den Reaktor und mit einer Rauchgaskühlung, der sich dadurch auszeichnet, dass in Strömungsrichtung des Rohgases dem Reaktor zunächst ein Asche-/
Schlackepartikelfilter mit anschließendem Filter aus Getterkeramik und diesen nachfolgend ein Rauchrohrkessel zur Gaskühlung nachgeschaltet sind.
Eine weitere Ausgestaltung einer solchen Anlage kann nach der Erfindung darin bestehen, dass der keramische Heißgasfilter ein keramisches Stütznetz aufweist und eine Schüttung aus Füllkörpern.
In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Drucküberwachung bei dem Filter und dem Rauchrohrkessel zur Erfassung des Betriebs- und/oder Differenzdruckes vorgesehen ist.
Die Anlage kann sich dabei in weiterer Ausgestaltung dadurch auszeichnen, dass die bei dem oder den Filter(n) eingesetzten Füllkörper als Kugeln, Raschig-Ringe, Prallringe, Stattelkörper oder als zylindrische Körper ausgebildet sein können oder als unregelmäßige Körper, die durch Brechen von Na- turmaterialieri entstehen, wobei die Füllkörper eine Waben- oder Lamellenstruktur aufweisen können.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vergasungsreaktors,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Vergasungsreaktors mit Heißgasfilter sowie in
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild zur Verfahrensweise nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein allgemein mit 1 bezeichneter Vergasungsreaktor schematisch dargestellt, dem im Kopfbereich ein Heißgasfilter, allgemein mit 2 bezeichnet, zugeordnet ist, an dem sich ein Rauchrohrkessel 3 anschließt. Der Reaktor 1 und der Filter 2 sind also direkt übereinander angeordnet, d.h. der Filter 2 bildet gewissermaßen den Reaktoraustritt. Hierdurch werden entgegen dem Stand der Technik ein zusätzlicher Behälter, ein zusätzliches Schlackeaustragsorgan sowie damit verbundene Wärmeverluste vermieden.
Im dargestellten Beispiel weist der Heißgasfilter keramische Füllkörper 8 auf, die auf einem keramischen Netz 5 aufliegen. Die schmelzflüssige Asche, die dort abgeschieden wird, ist in Fig. 2 mit 6 bezeichnet, diese wird in den mit einem Schlackeauslass 7 ausgerüsteten Reaktorinnenraum 9 zurückgeführt, was durch einen Pfeil 13 angedeutet ist.
Die Zufuhr von z.B. Brennstoff und Wasserdampf in den Reaktorinnenraum 9 ist mit zwei Pfeilen 10 und 11 vereinfacht dargestellt.
Im Darstellungsbeispiel der Fig. 2 ist noch oberhalb des Heißgasfilters 2 ein Getterkeramikfilter 12 angedeutet, der sich z.B. bei bestimmungsgemäßem Gebrauch verbraucht und austauschbar dort positioniert ist, was nicht näher dargestellt ist.
In Fig. 1 sind noch die Parameter
T = örtliche Temperatur
Ts = Schmelztemperatur der Schlacke
w = Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Gases angegeben.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Verfahrensschaltbild unter Einsatz des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors 1 mit nachgeschaltetem Hochtemperaturfilter 2 und wiederum nachgeschaltetem Rauchrohrkessel 3. Die Schlackerückführung aus dem Hochtemperaturfilter 2 ist, wie auch in Fig. 2, durch einen Pfeil 13 symbolisch dargestellt, ebenso die Zufuhr von Brennstoff und Wasserdampf (Pfeile 10 und 11).
Dem Rauchrohrkessel 3 ist, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Wäscher 14, ein Sättiger 15 und ein CO-Shift 16 nachgeschaltet.
Dadurch, dass im Kopfbereich des Reaktors 1 dem Reaktor 1 der Filter 2 zugeordnet ist, ist zudem eine sehr kompakte Baubarkeit gegeben, da das heiße Gas (T > Ts) umgelenkt werden kann, weil in dem Gas keine Schlackepartikel mehr vorhanden sind. Im Stand der Technik wird dagegen das heiße Gas weit unterhalb Ts gekühlt, um ein Zuwachsen des Rauchrohrkessels und somit Stillstände zu vermeiden, bevor es in einen Rauchrohr- bzw. Abhitzekessel gelangen kann. Der Vorteil eines im Kopfbereich des Reaktors 1 zugeordneten Filters 2 liegt somit auch darin, dass Heißgas mit sehr hohen Temperaturen (~1.500° C) zur Dampfproduktion verwendet werden kann und nicht erst ab einer Temperatur von ca. 850 bis 900° C.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können beispielsweise die Alkalien, durch die Getterpartikel gebunden werden, die als Additive dem Rauchgasstrom hinzugefügt werden u. dgl. mehr.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung fester oder flüssiger kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidati- onsmittel in einem Reaktor, wobei das Synthesegas über Kopf aus dem Reaktor und die während der Reaktion anfallende mineralische Asche-/Schlacke- tröpfchen in Schwerkraftrichtung nach unten aus dem Reaktor ausgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Synthesegas ungekühlt über einen Heißgasfilter und nachfolgend zur Abkühlung durch einen Rauchrohrkessel geleitet wird, wobei die am Heißgasfilter abgeschiedenen Asche-/Schlackepartikel in Schwerkraftrichtung zurück in den Vergasungsreaktor geführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Heißgasfilter als Keramikfilter ausgebildet ist, wobei die im ungekühl- ten Synthesegas enthaltenen dampfförmigen Alkalien durch oder nach Inkon- taktbringen mit Getterkeramik aus dem Synthesegas entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Heißgasfilter Gasgeschwindigkeiten von 1 bis 10 m/s, insbesondere 3 m/s, eingestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gasgeschwindigkeit im Rauchrohrkessel bei 15-25 m/s eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergasung im Reaktor bei Temperaturen von 800 bis 1800°C und Betriebsdrücken von 0,1 bis 10 MPh durchgeführt werden und zur Abscheidung von Störstoffen am Filter Additive vor dem Filter beigemengt werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Filterstufen nacheinander durchströmt werden, wobei die Austrittstemperatur des Gases hinter der letzten Filterstufe oberhalb der Fließtemperatur der Asche/Schlacke eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Synthesegas aus dem Reaktor in den im Kopfbereich des Reaktors angeordneten Heißgasfilter geleitet wird.
8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Reaktor zur Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter Zuführung von sauerstoffhaltigem Oxi- dationsmittel in den Reaktor und mit einer Rauchgaskühlung,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Strömungsrichtung des Rohgases dem Reaktor (1) zunächst ein Asche-/Schlackepartikelfilter (2) mit anschließendem Filter aus Getterkeramik und diesen nachfolgend ein Rauchrohrkessel (3) zur Gaskühlung nachgeschaltet sind.
9. Anlage nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der keramische Heißgasfilter (2) ein keramisches Stütznetz (5) aufweist und eine Schüttung aus Füllkörpern (8).
10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Drucküberwachung bei dem Filter (2) und dem Rauchrohrkessel (3) zur Erfassung des Betriebs- und/oder Differenzdruckes vorgesehen ist.
11. Anlage nach Anspruch 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bei dem oder den Filter(n) eingesetzten Füllkörper (8) als Kugeln, Raschig-Ringe, Prallringe, Stattelkörper oder als zylindrische Körper ausgebildet sein können oder als unregelmäßige Körper, die durch Brechen von Naturmaterialien entstehen.
12. Anlage nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Füllkörper (8) eine Waben- oder Lamellenstruktur aufweisen.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Kopfbereich des Reaktors (1) dem Reaktor (1) der Filter (2) zugeordnet ist.
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