LU87065A1 - Verfahren zur herstellung eines fuer die energieerzeugung geeigneten gases - Google Patents

Description

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V / (J 'IR AMD-UVCriÉ DE LUXEMBOURG

), \ *** , „ , .-a^x-s Monsieur ic Ministre _ décembre 1987 : VmL*..2· .

ü£ ’ Economie et des Classes Moyennes

Tjîtv Qéiivr·^ Service de la Propriété Intellectuelle

---—............ I =¾¾ LUXEMBOURG

Demande de Brevet d’invention

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I. Requête SKF Steel EngineeringAB, P.O.Box 202, S-81300 Hofors, re- .

présentéepar Monsieur Jean Waxweiler, 55 rue des Bruyères, Howald, agissant en qualité de mandataire déposeint) ce trois décembre mil neuf cent quatre-vingt-sept , 4 à 7 ® P heures, au Ministère de l'Économie et des Classes Moyennes, à Luxembourg: 1. la présente requête pour l'obtention d'un brevet d’invention concernant:

Verfahren .zur.. Herstellung eines für die .Energieerzeugung < 5 : geeigneten Gases 2. la description en langue ..anglaise.......................... de l’invention en trois exemplaires: 5- 1 ........ planches de dessin, en trois exemplaires: 4. la quittance des taxes versées au Bureau de l'Enregistrement à Luxembourg, le ^ 3 .13.1987 5. la délégation de pouvoir, datée de.................................................. le 6. le document d'ayant cause (autorisation): déclareint) en assumant la responsabilité de cette déclaration, que l’(es) inventeur(s) est (sont): < b

Sven......Eriksson,Jungfruvägen 27B,S-79134 Falun

Sven Santén, Hammarvagen 21, S-81300 Hofors revendique!nt) pour la susdite demande de brevet la priorité d'une (des) demande!s) de , ^ * brevet............................................................... déposée(s)en(Si .Suède______________ _________ le (9i 4 décembre.....1986.............................. ...............

sous le NL> (10) 8605211-5.......................................

au nom de (il) , SKF Steel.......Engineering AB .............

élit!élisent) domicile pour lui (elle) et, si désigné, pour son mandataire, à Luxembourg 55 rue......des Bruyères, Howald _________________________ .... (121 sollicitemt) la délivrance d'un brevet d’invention pour l'objet décrit et représenté dans les annexes susmentionnée?.

avec ajournement de cette délivranc/à .................KA / _______ mois. <1?

LeïiSfKSSKt I mandataire: ' Qj/ QWXvKl)} ... ....... · 14 Π. Procès-verbal de Dépôt

La susdite demande de brevet d'invention a été déposée au Ministère de l'Économie et des Classes Movennes. Service de la Propriété Intellectuelle à Luxembourg, en date du: 03.12.1987 f W· *». - / s? ' ' Pr. le Ministre de l’Economie et des Classes Moyennes.

? 15,00 . - ^ 7^* si. % j. " , ' " v pd- - :>£,; -¾¾ Le chef du service de la propriété intellectuelle.

·. Xl» · _*y & ; ~ . AiSH-__-_______ ( dO K EXPLICATIONS RELATIVES Al FOKMX-XAIR&DE Ι)Ε£ί*Γ » ri aheu Demandeûecertmea!dadditföMitJg^ä^ir.cirt..-alucemanGedeftreve?rnr.CiT-J V......au ~ -. 2-inscnr- ie nor;. cer, r- ’:s .· . aarcs.se du demandeur, lorsque ccius-cj est un particulier ou les dénomination sortait. forme lunûiqü·.. adresse du siece social, lorsque ie demandeur est une personne λ iiH mm nrnnnrr du mandataire BiTet Cdnsfili f»n nmnrif-t« inrbisîrir*îif min. /fur* nru.vmr «.*»1 v "rf>nrpceni<l nnr amu-jm r-,*.

PRIORITÄTS-BEANSPRUCHUNG

der Patent-Anmeldung

If! Schweden VOW 4. Dezember 1986 Unter Nr, 8605211-5

BESCHREIBUNG

ZU EINER PATENTANMEIDUNG IM

GROSSHERZOGTUM LUXEMBURG

SKF Steel Engineering AB

P.0.Box 202 S-81300 Hofors

Verfahren zur Herstellung eines für die Energieerzeugung geeigneten Gases.

« - 1 - 4

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zur Energieerzeugung geeigneten Gases durch Vergasung von Kohle im Gegenstrom mit Luft in einen Schachtofen, um ein Gas mit einer Temperatur von etwa 500eC zu erzeugen, welches neben H2, CO und Schwefelverbindungen und Teerstoffe enthält und welches anschließend Prozessen unterworfen wird, um die Teerstoffe zu entfernen, bevor es durch einen Dolomit- oder Kalkechacht geleitet wird, um die Schwefelverbindungen zu entfernen.

Die Verwendung von Kohle zur Energieerzeugung wird in starkem Maße durch die schwerwiegenden Umweltfaktoren behindert, welche mit der Verbrennung von Kohle verbunden sind. Das Hauptproglem ist die Abgabe von säurebildenden Substanzen wie Schwefel- und Stickstoffoxiden. Es wurden bereits in gewissem Umfange Versuche unternommen, um dieses Problem durch verschiedene Waschschritte zu lösen, doch diese ergeben eine beträchtliche Kostensteigerung und es ist mit der herkömmlichen Technologie äußerst schwierig oder sogar unmöglich, das Ausmaß einer Reinigung zu erreichen, welches gefordert werden muß, wenn Kohle als führendes Rohprodukt für die Energie angenommen werden soll.

Diese Probleme lassen sich lösen, indem zunächst die Kohle vergast wird und dann durch Verbrennung des erzeugten Gases Energie erzeugt wird. Es ist relativ einfach, ein hohes Ausmaß an Entschwefelung, d.h. von mehr als 95%, in dem reduzierenden Steinkohlengas zu erreichen. Da dann ein gasförmiger Brennstoff verbrannt wird, läßt es sich dann einrichten, das beträchtlich weniger Stickoxid gebildet wird als dies mit festen oder li « I / * - 2 - flüseigen Brennstoffen möglich ist. Die Vergasung bietet auch bessere Lösungen für verschiedene andere umweitschädigende Wirkungen der Kohleverbrennung wie beispielsweise die Abgabe von Quecksilber# polyaromatischen Kohlenwasserstoffen# Schwermetallen und Flugasche.

In neuerer Zeit sind beträchtliche Anstrenungen gemacht / , f worden# um die Kohlevergasung sur Energieerzeugung weiter zu entwickeln# doch in allen Fällen haben sich die Kosten als zu hoch erwiesen. Der Hauptgrund dafür liegt in dem sehr hohen Verbrauch an Sauerstoffgas angesichts der hohen Investitionskosten und des relativ hohen Elektrixitätsverbrau<hs der mit der Herstellung des Sauerstoffgases einhergeht.

Außerdem wird in den meisten Kohlevergasungsanlagen 10-20% des erzeugten Gases im Vergasungsreaktor verbrannt, um den Hitzeanforderungen für die Vergasung zu genügen und eine günstige Reaktionstemperatur zu erzielen.

Einfache und preiswerte Verfahren zur Herstellung von Gas# , welches für die Energieerzeugung geeignet ist# sind

Kohlevergasungsprozesse# bei denen Luft verwendet wird# und welche ein Minimum an Kohle verbrauchen. Kohle# und zwar hauptsächlich in Klumpenform, wird im Gegenstrom mit einem heißen Luftstrom im Schachtofen vergast. Das erzeugte Gas hat eine Temperatur von annähernd 500°C und enthält infolge der niedrigen Temperatur reichliche Mengen von Teerstoffen und geringe Mengen von unverbrannter Kohle in Teilchenform.

In den schwedischen Patentanmeldungen 85 04 439-4 sowie 85 04 440-2 der Anraelderin wurde bereits vorgeschlagen, in - 3 - fr einen durch Kohlevergasung erzeugten Gas vorhandene Kohlenwasserstoffe thermisch zu spalten, indem ein durch einen Plasxsagenerator erhitztes Gas zugeführt wurde. Nach teilweiser Aufspaltung wird das Gas durch ein Dolonitfilter der im Wiber-Söderfors-Verfahren verwendeten Art hindurchgeleitet. Eine vollständige Aufspaltung der restlichen Teerstoffe wird während des Transportes durch den Filter erzielt und das Gas wird gleichzeitig entschvefelt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die in den vorgenannten Patentanmeldungen vorgeschlagene Technologie durch weitere Senkung des Elektrixitfitsverbrauche zu verbessern.

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Gekennzeichnet ist das erfindungsgeaäße Verfahren der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch, daß das den Schachtofen verlassende Gas zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in eine Kammer geleitet wird, um die im Gas enthaltenden Teer Stoffe zumindest teilweise zu spalten, wobei die Menge an zugesetztem Sauerstoff derart eingestellt wird, daß das Verhältnis CO^/CO im entstehenden Gas 0,1 nicht übersteigt, daß in der Karner eine Temperatur von 900-1200*C eingehalten wird und das Gas anschließend ln den Dolomit- oder Kalkschacht eingeleitet wird, um Schwefelverbindungen und restliche Teerstoffe zu entfernen und irgendwelche aitgerissenen Kohleteilchen zu vergasen.

Gemäß einem Durchführungsbeispiel der Erfindung wird der Reaktionskammer zur Erzielung einer für die Aufspaltung günstigen Temperatur Energie zugeführt. Dies kann dadurch

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- 4- erfolgen, daß das sauerstoffhaltige Gas vor dem Eintritt ln die Kammer vorgewärmt wird. Vorzugsweise wird die Energie teilweise durch Vorwärmung des sauerstoffhaltigen Gases und teilweise durch Teilverbrennung in der Kammer zugeführt.

Als sauerstoffhaltiges Gas wird vorzugsweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet.

Das Temperaturintervall ist für eine Aufspaltung ohne Schmelzen wichtig und der Gasquotient ist im Hinblick auf die Entschwefelung und natürlich im Hinblick auf die Energiedichte des erzeugten Gases wichtig.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der in*s Einzelne gehenden Erläuterung eines DurchfÜbrungsbeispiels.

Bei dem Vergasungsschacht handelt es sich um den Gaserzeuger, wie er insbesondere in England während der ersten Hälfte des v 20. Jahrhunderts allgemein in Gebrauch war. Diese Gaserzeuger wurden ausschließlich mit Stückkohle befeuert und lieferten ein Brenngas mit extrem hohem Teergehalt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Generator mit heißer Gebläseluft betrieben und die Kohle wird dabei zu einer flüssigen Schlacke geschmolzen. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, daß ein Teil der Kohle die Form von Kohlenstaub hat, wenn das veränderte Wärmegleichgewicht durch die GeblSsetemperatur kompensiert wird. Die Umwandlung der Kohlenaeche in Schlacke ergibt eine hohe Kohlenausbeute, da vernachl&ssigbare Mengen in der I *· - 5 -

Schlacke Zurückbleiben, sodaß das Aschevolumen stark verringert wird und die Auslaugraten beträchtlich niedriger sind.

Bin weiterer durch Umwandlung der Kohlenasche in Schlacke erzielter Vorteil besteht darin, daß der Zusatz von Schlackenbildnern ausgenutzt werden kann, um die Zusammensetzung der Schlacke für die Herstellung von Rohprodukten beispielsweise für Zement zu steuern. Ein Nachteil dieser Art eines Vergasungsschachtee besteht darin, daß nicht alle Kohlearten für eine Gegenstromvergasung bei geringem Temperaturanstieg geeignet sind. Dies gilt hauptsächlich für Kohle, welche ln flüssige Form beim Erhitzen uagewandelt wird, oder Kohle, welche in kleine Teilchen "explodiert”. Teilweise wird dies dadurch ausgeglichen, daß 70% des Rohkohleproduktes in Form von Feinstäuben einspritzbar sind und die vorgenannten Grenzen nicht für diesen Prozentsatz gelten.

Das den Generatorschacht verlassende Gas wird mit Luft vermischt, um der Sauerstoffanforderung zur Aufspaltung der Teerstoffe zu genügen. Vorzugsweise wird die Luft vorgewärmt, um einen zu hohen CO^-Gehalt im Gas zu vermeiden, da dies zu einem schlechteren Effekt bei der nachfolgenden Entschwefelung führen kann. Ein teil des Energiebedarfs kann allerdings durch Verbrennung in der Kammer abgedeckt werden. Der Quotient aus C02 und CO sollte 0,1 nicht übersteigen, um eine Angabe der COj-Kenge zu geben, welche im Gas zugelassen werden kann.

Die Temperatur in der Karner sollte innerhalb des Bereiches von 900-1200°C vorzugsweise bei etwa 110QeC liegen.

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Die Mischung und der Temperaturanstieg erfolgen daher in einem Schritt in einer Mischkammer in direkter Verbindung mit dem Entschwefelungsschacht, in welchem das Gas dann eine ausreichende Zeit lang verbleibt, um eine vollständige Aufspaltung und Entschwefelung zu ermöglichen. Der Schwefelfilter ist ein Filter, wie er im Wiber-Söderfors-Verfahren zur Entschwefelung des Reduktionsgases ausprobiert und getestet wurde. Entsprechend den in diesem Verfahren bei vergleichbaren Gasen durchgeführten Messungen bleibt der Schwefelgehalt in dem abgegebenen Gas stetig bei 20-30 ppm, während das Dolomit vollkommen bis zu einer Tiefe von etwa 6mm ausgenutzt wird, wenn das Gas int Schacht für etwa 36 Stunden verbleibt. Der Hauptgrund dafür, daß der volle Temperaturanstieg im Inden Filter eintretenden Gas nicht durch Teilverbrennung des Gases aufgenommen wird, besteht darin, daß das Gas dann einehöheres Sauerstoff potential erreichen würde, wodurch die Bedingungen für eine Entschwefelung zerstört würde. Der große Vorteil bei einer Entschwefelung, bei der das Ent schwe f« lungsmitte 1 sich in fester Phase befindet statt beispielsweise in Form einer Schlacke, besteht darin, daß die CaO-Aktiv!tSt nahe bei 1 bleibt, wodurch sich eine vollständigere Entschwefelung und ein geringerer Verbrauch an Entschwefelungsmittel ergibt.

Neben den Teerstoffen enthält das den Vergasungsschacht verlassende Gas auch schwankende Mengen an feinen Kohleteilchen. Sie werden im Entschwefelungsschacht abgefangen und können, da das Gas leicht oxidierend ist (annähernd 51 CC>2 4 ' ^-an^sam vergast werden, sodaß das Dolomit praktisch r 1 - 7 - kohlefrei ist, wenn es ausgegeben wird. Die Kombination der Umwandlung von Asche ln Schlacke und die Aufspaltung in Dolomitfiltem führt daher zu einer fast 100%-igen Kohleausnutzung.

Bei dem Entschwefler im Filter handelt es sich um Rohdolomit, welches im oberen Bereich des Schachtes verbrannt wird. Dies *.J» ( Λ ergibt einen Zusatz von kaum 1% und senkt die Gastemperatur um 50-75°C, eodaß das Gas den Filter mit etwa 1000*C verläßt. Das gereinigte Gas durchläuft dann einen Wärmeaustausch mit dem eintretenden Gebläseluftstrom und verläßt die Vergasungsanlage mit etwa 650*0. Die Vergasungsanlage ist auf einen Arbeitsdruck von 0-3 bar Oberdruck ausgelegt, je nachdem, cc-,' zu welchem Zweck das Gas verwendet werden soll.

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Das erzeugte Gas hat einen Wärmewert von etwa 4,6 MJ/m N. Die Flaamentemperatur und die Abgasmenge pro Energieeinheit liegen nahe den Werten, wie sie bei normaler Verbrennung von öl mit ri Luft erreicht werden. Das Gas ist daher als äußerst geeignet ( für die Energieerzeugung anzusehen.

Beispiel

Kohle wird in einem Schacht im Gegenstrom mit vorgewärmter Gebläseluft vergast. Eine Analyse der Kohle ergibt nachstehende Zusammensetzung:

V

i » rs.

- 8ï. - C 75,9 % Μ 4,3 % Ο 9,4 % N 1,3 % S 0,5 %

Asche 8,6 %

Feuchtigkeit 4 %„

Das den Schacht verlassende Gas hat eine Temperatur von 500°C und folgende Zusammensetzung: CH 6,5 % C02 1,8 % H20 1,4 % CO 30,0 % N2 60,2 % h2s 0,1

Stöchiometrisch werden pro 100 kg Kohle 29,3 m N Luft benötigt, um allen Kohlewasserstoff im Gas in CO undKHj aufzuspalten.

Die Temperatur des den Doloraitschacht nach der Mischkaramer verlassenden Gases beträgt etwa 1000eC und es hat folgende Zusammensetzung: C02 0,3% H20 0,1 % U2 12,0 % CO 32,0 % K 55,6 %.

2 ψ ; · . I ♦ » 1 - 9 -

Der Ausgleich zwischen CaO + H2S und CaS + H20 beherrscht die Entschwefelung und für den stöchiometrischen Fall erhält man ein Verhältnis H20 : EL^S von 180, was eine 99%-ige Entschwefelung ergibt.

Bei einem Gasgemisch in der Mischkamraer mit einer Λ Zusammensetzung entsprechend dem Quotient CO, + H,0 -£-±- » 0,075 co2 + e2o + co + h2 werden 64,1 m^N Luft pro 100 kg Kohle benötigt. Das das Dolomitfilter verlassende Gas hat dann eine Temperatur von etwa 1100°C und folgende Zusammensetzung: C02 1#9 % CO 28,4 % H20 1,6 % (' H2 9,7 % N 58,4 % H2S 0,009 %.

In diesem Fall beträgt die Entschwefelung 87,5%.

Claims (4)

1, Verfahren zur Herstellung eines zur Energieerzeugung geeigneten Gases, bei welchem Kohle im Gegenstrom mit Luft in einem Schacht vergast wird und dabei ein Gas mit einer Temperatur von etwa 500eC erhalten wird, welches außer h2, CO und Schwefelverbindungen und TeerStoffe enthält und Prozessen unterworfen wird, um die Teeratoffe zu entfernen, bevor es zur Entfernung der Schwefelverbindungen durch einen • ‘ · . t - 11- Dolomit- oder Kalkschacht geleitet wird, dadurch gekennzeichnet , daß das den Schachtofen verlassende Gas zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in eine Kammer geleitet wird, um die im Gas enthaltenen Teerstoffe zumindest teilweise zu spalten, wobei die Menge an zugesetztea Sauerstoff derart eingestellt wird, daß das Verhältnis CO^/CO . im entstehenden Gas 0,1 nicht übersteigt, daß in der Kammer eine Temperatur von 900-1200°C eingehalten wird und das Gas anschließend in den Dolomit- oder Kalkschacht eingeleitet wird, um Schwefelverbindungen und restliche Teerstoffe zu entfernen und irgendwelche mitgerissenen Kohleteilchen zu vergasen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas vor dem Eintritt in die Kammer vorgewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffhaltiges Gas Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Energie teilweise durch Vorwärmung des sauerstoffhaltigen Gases und teilweise durch Teilverbrennung in der Kammer zugeführt wird.