NL7904625A - Werkwijze, reactor en brander voor de vergassing van vaste brandstof. - Google Patents

Description

·* Z 6948 33E3?

Aanvrager: Shell Internationale Research Maatschappij B.7.,

Carel van Bylandtlaan 30, ' s-Gravenhage

Korte aanduiding: "Werkwijze, reactor en brander voor de vergassing van vaste brandstof."

De uitvinding heeft betrekking op de vergassing van fijn verdeelde vaste brandstof.

Deze vergassing - ook wel partiële verbranding genoemd -geschiedt door reactie van de vaste brandstof met een zuurstof-5 bevattend gas. De brandstof bevat als nuttige bestanddelen in hoofdzaak koolstof en waterstof, welke met de zuurstof - en eventueel met stoom en kooldioxide - tot koolmonoxide en waterstof reageren. Afhankelijk van de temperatuur kan ook methaan worden gevormd. Als brandstof komen in principe alle mogelijke vaste stoffen van plant-10 aardige of dierlijke oorsprong in aanmerking, zoals steenkool, bruinkool, teer, houtpulp, etc. Het zuurstofbevattende-gas is gewoonlijk lucht of zuivere zuurstof of een mengsel van deze beide.

Bij een in de praktijk toegepast steenkoolvergassingsproces 13 worden steenkooldeeltjes in een reactor bij temperaturen onder 1000°C in een vast of gefluldiseerd bed in contaet gebracht met het zuurstofbevattende gas. De verblijftijd van de steenkool·* deeltjes is relatief groot (zeker meer dan één minuut). Een nadeel van dit proces is dat niet alle soorten vaste brandstof op deze 20 wijze kunnen worden vergast, hetgeen de flexibiliteit van dit proces beperkt. Sterk zwellende steenkool bijvoorbeeld is ongeschikt omdat het aaneensintert en de reactor verstopt. In sommige gevallen is de hoge methaanopbrengst van dit proces een nadeel.

Men heeft derhalve een alternatief proces ontwikkeld waarbij 7904825 f * - 2 - fijnverdeelde vaste brandstof via een brander met betrekkelijk hoge snelheid in een reactor wordt gebracht en waarbij de brandstof aldaar met het zuurstof-bevattende gas in de vlam reageert bij temperaturen boven 1000°C. Bij dit proces is de verblijftijd van de brandstof in 5 de reactor relatief kort (gewoonlijk minder dan 10 seconden). Met dit proces is men in staat alle soorten vaste brandstof te vergassen. Be methaanopbrengst is gering. Het proces kan bij hoge druk worden bedreven.

Be brandstof wordt bij dit laatstgenoemde proces gewoonlijk in 10 een draaggas via de brander naar de reactor gevoerd, terwijl ook het zuurstof-bevattende gas via de brander naar de reactor wordt gevoerd. Aangezien vaste brandstof, zelfs indien het fijnverdeeld is, gewoonlijk minder reactief is dan vloeibare of gasvormige brandstof (het laat zich niet verstuiven door de brander) wordt grote zorg besteed 15 aan de wijze waarop de brandstof en de zuurstof worden vermengd.

Vanneer de menging in de reactor onvoldoende is treden in de reactor zones van te hoge temperatuur op naast zones van te lage temperatuur, aangezien een deel van de brandstof dan géén zuurstof ziet en een ‘ ander deel van de brandstof te veel zuurstof. Een deel van de brand-20 stof wordt dan niet volledig vergast en een ander deel wordt volledig omgezet tot kooldioxide en waterdamp. Een nadeel van plaatselijk hoge temperaturen in de reactor is dat de vuurvaste bekleding welke gewoonlijk daarin is aangebracht wordt aangetast.

Vaak voert men ten einde de temperatuur in de reactor te 25 controleren een waterdampbevattend moderatorgas toe aan de reactor.

Be waterdamp reageert met een deel van de brandstof, onder vorming van waterstof en koolmonoxide. Het betreft hier een endotherme reactie. Het moderatorgas kan via de brander of op andere wijze aan de reactor worden toegevoerd.

30 Ten einde een goede vermenging van brandstof en zuurstofbe- vattend gas te waarborgen heeft men reeds voorgesteld deze menging reeds in of stroomopwaarts van de brander te doen plaatsvinden. Een groot nadeel daarvan is echter dat - vooral wanneer men de vergassing bij hoge druk uitvoert - het ontwerpen en bedrijven van een daartoe 35 geschikte installatie zeer kritisch wordt. Te allen tijde dient nl.

7904625 * - 3 - > de tijd welke verstrijkt tussen het moment van mengen en het moment waarop het mengsel in de reactor treedt korter te zijn dan de ver-brandings inductie-tijd van dat mengsel. Deze inductietijd neemt bij toename van de vergassingsdruk sterk af. Bij dit probleem dient 5 in ogenschouw te worden genomen dat de brandstof in een draaggas wordt aangevoerd, dat de belading van het draaggas met brandstof hoog dient te zijn om te verzekeren dat het draaggas niet een te grote thermische ballast vormt en dat de hoeveelheid toe te voeren zuurstof gerelateerd is aan de hoeveelheid toegevoerde brandstof, 10 doch dat men niettegenstaande al deze limiterende factoren de reactor met variabele produktie wil kunnen bedrijven, d.w.z. nu-eens veel en dan weer weinig brandstof wil kunnen toevoeren via eén en dezelfde brander. Het zal duidelijk zijn dat bij de toevoer van weinig brandstof (draaggas) en daarmede weinig zuurstofbevattend gas de snelheid 15 in de brander klein zal zijn, zodat de bovengenoemdè inductie-tijd wordt bereikt of overschreden.

De onderhavige uitvinding beoogt deze nadelen op te heffen en een werkwijze aan te geven waarbij enerzijds de brandstof en het zuurstofbevattende gas pas nabij het uiteinde van de brander worden 20 gemengd en anderzijds een intensieve menging wordt bereikt in een vroegtijdig stadium, d.w.z. bij het intreden van brandstof en zuurstofbevattend gas in de reactor - zonder dat daarbij plaatselijke oververhitting van de reactorwand nabij de brander optreedt.

De uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze voor 25 de bereiding van een in hoofdzaak uit waterstof en koolmonoxide bestaand gas door de partiële verbranding in de vlam van een fijnverdeelde vaste brandstof met een zuurstofbevattend gas onder gebruikmaking van een moderatorgas, waarbij deze drie componenten via een brander elk afzonderlijk worden toegevoerd aan een lege reactor-50 ruimte, welke werkwijze volgens de uitvinding hierdoor wordt gekenmerkt dat de vaste brandstof in een draaggas centraal door de brander wordt gevoerd, het zuurstofbevattend gas concentrisch om de brandstofstroom heen en daarvan gescheiden door de brander wordt gevoerd en het moderatorgas concentrisch om het zuurstofbevattend 35 gas heen en daarvan gescheiden door de brander wordt gevoerd.

Hu het moderatorgas de uit de brander tredende stromen brandstof 7904625

Sf - 4 -

T

en zuurstofbevattend gas omringt en een vrijheidsgraad is ontstaan ten aanzien van de snelheid waarmee en de richting waarin het moderatorgas en het zuurstofbevattende gas nit de brander treden kan enerzijds een effectieve menging van brandstof en zuurstofbe-5 vattend gas worden geëffectueerd en anderzijds een goede koeling van de reactorwand nabij de brander worden bewerkstelligd aangezien het moderatorgas hiermede in aanraking komt*

Bovendien voorkomt de mantel van moderatorgas welke in de reactor direct naast de brander de stromen brandstof-bevattend gas en zuurstof-10 bevattend gas omringt dat het hete mengsel van koolmonoxide en waterstof dat zich in de reactor heeft gevormd vroegtijdig vermengd raakt met de stroom zuurstof-bevattend gas (waardoor een aanzienlijke oververhitting in de omgeving van de brandermond wordt voorkomen). De vorming van een heet vlamfront aan de brandermond wordt 15 aldus voorkomen.

Ten einde een goede menging van brandstof-bevattend gas en zuurstof-bevattend gas te verkrijgen wordt volgens de uitvinding bij voorkeur zorg gedragen dat het brandstofbevattende draaggas met een zuiver axiaal moment en het zuurstofbevattend gas met een axiaal en 20 een radiaal naar binnen gericht moment de brander verlaat. Op deze wijze is de stroom zuurstof-bevattend gas buiten de brander gericht op de stroom brandstofbevattend draaggas.

Onder "moment" van een gasstroom wordt in deze beschrijving het produkt van massa-doorzet en snelheid (in v) begrepen, waarbij de 25 doorzet het aantal ligmassa van de desbetreffende stroom is dat per sec. de brander verlaat. De doorzet wordt uitgedrukt in kg massa/ sec. en de snelheid in m/sec.

Een goede menging wordt in de praktijk veelal-verkregen wanneer de verhouding van het radiale moment van het zuurstofbevattende gas 50 en het axiale moment van het brandstofbevattende draaggas tussen 0,2 en 1,0 is gelegen.

De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding maakt het mogelijk gebruik te maken van een brander waarvan aan de voorzijde een wand met kopvlak aan de reactorruimte grenst, waarbij deze wand aan de 35 binnenzijde van de brander wordt gekoeld met het moderatorgas. Op deze 7804625 SÉ - 5 - wijze wordt een afdoende bescherming van de voorzijde van de brander verkregen.

Bij voorkeur verlaat het moderatorgas de brander met een axiaal en met een radiaal naar binnen gericht moment. Daardoor wordt voor-5 komen dat het brandstofbevattend gas en het zuurstofbevattend gas in een vroegtijdig stadium vermengd raken met heet koolmonoxide en waterstof en de reactorwand nabij de brander raken, zodat plaatselijke oververhitting wordt voorkomen.

Uiteraard kan de werkwijze volgens de uitvinding ook worden 10 uitgevoerd onder gebruikmaking van twee of meer in de vergassings-reactor uitmondende branders.

Het uitsluitend recht strekt zich mede uit tot een reactor voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding, voorzien van één of meer branders met centrale doorvoer voor brandstofbevattend 15 draaggas en concentrische doorvoeren voor zuurstofbevattend gas en moderatorgas daaromheen.

Yolgens de uitvinding bevat deze reactor bij voorkeur een brander met schuin naar voren op één punt gerichte uittree-openingen voor het zuurstofbevattende gas en één of meer in hoofdzaak evenwijdig daaraan 20 lopende uittree-openingen voor het moderatorgas. Het een dergelijke brander worden goede resultaten verkregen.

Deze brander kan aan de voorzijde zijn voorzien van een wand met loodrecht op de branderas staand kopvlak langs welke wand aan de binnenzijde de doorvoer voor moderatorgas is gelegen, welke doorvoer 25 aldaar van richting verandert. Op deze wijze wordt een goede koeling van de brandervoorzijde verkregen.

Hieronder zal de uitvinding nog nadér worden verduidelijkt aan de hand van de bijbehorende tekening.

In de tekening is schematisch een axiale doorsnede van de voor-50 zijde van een brander volgens een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding afgebeeld.

De brander is aangebracht in een opening van de schematisch aan gegeven reactorwand 1 en omvat een buitenwand 2 en een inwendige dubbele wand 3, 4* Tussen de buitenwand 2 en de buitenste dubbele 35 wand 3 bevindt zich een ringvormige ruimte 5 voor de doorvoer en 7 § Q 4 6 2 5 i

A

- 6 - moderatorgas. Tassen de dubbele wanden 5 en 4 bevindt zich een ringvormige ruimte 6 voor de doorvoer van zuurstofbevattend gas en binnen de binnenste dubbele wand 4 bevindt zich een axiale doorvoer 7 voor draaggas met fijnverdeelde vaste brandstof.

5 Be doorvoer 7 opent rechtstreeks op de ruimte 8 binnen de mond van de brander. Be dubbele wanden 3» 4 zijn aan hun voorzijde verbonden door een verbindingswand 9· In deze wand is een aantal boringen 10 aangebracht waarvan de middellijnen 11 op een kegel-vlak liggen waarvan de top 12 in of zelfs voorbij de ruimte 8 ligt 10 gezien in de richting van stroming 13· De boringen 10 vormen de verbinding tussen de ruimte 6 en de ruimte 8.

De buitenwand 2 is aan de voorzijde voorzien van een kopwand 14 welke loodrecht op de middellijn 15 van de brander is gericht en tevens een naar binnen gericht uiteinde 16 bezit dat ruim past in 15 een ringvormige gleuf 17 van de verbindingswand 9· Op deze wijze loopt de ruimte 5 nabij de voorzijde van de brander langs de binnenzijde van de kopwand 14 en mondt deze ruimte 5 toch uit in de ruimte 8 in een richting welke in hoofdzaak evenwijdig is aan de boringen 10.

In gebruik injecteert de brander een goed gemengde stroom brand-20 stof/zuurstof, omringd door een mantel van moderatorgas in de reactor, terwijl de voorzijde van de brander wordt gekoeld door moderatorgas.

Het zal duidelijk zijn dat tal van wijzigingen aan de afgebeelde brander kunnen worden aangebracht. Zo kan het aantal boringen 1Ö worden gevarieerd of vervangen door een ringvormige spleet en kan de 25 ringspleet 17 worden vervangen door separate boringen.

7304625

Claims (9)

1. Werkwijze voor de bereiding van een in hoofdzaak nit waterstof en koolmonoxide bestaand gas door de partiële verbranding in de vlam van een fijnverdeelde vaste brandstof met een zuurstof bevattend gas onder gebruikmaking van een moderatorgas, waarbij deze drie compo- 5 nenten via een brander elk afzonderlijk worden toegevoerd aan een lege reactorruimte, met het kenmerk, dat de vaste brandstof in een draaggas centraal door de brander wordt gevoerd, het zuurstofbevat-tend gas concentrisch om de brandstofstroom heen en daarvan gescheiden door de brander wordt gevoerd en het moderatorgas con-10 centrisch om het zuurstofbevattend gas heen en daarvan gescheiden door de brander wordt gevoerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het brand-stofbevattende draaggas met een zuiver axiaal moment en het zuurstofbevattend gas met een axiaal en een radiaal naar binnen gericht 15 moment de brander verlaat.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de verhouding van het radiale moment van het zuurstofbevattende gas en het axiale moment van het brandstofbevattende draaggas tussen 0,2 en 1,0 is gelegen. 20

4· Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3» met het kenmerk, dat gebruik wordt gemaakt van een brander waarvan aan de voorzijde een wand met kopvlak aan de reactorruimte grenst en dat deze wand aan de binnenzijde van de brander wordt gekoeld met het moderatorgas.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4» met het kenmerk, dat 25 het moderatorgas de brander verlaat met een axiaal en een radiaal naar binnen gericht moment.

6. Reactor voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, voorzien van één of meer branders met centrale doorvoer voor hrandstofbevattend draaggas en concentrische 30 doorvoeren voor zuurstofbevattend gas en moderatorgas daaromheen.

7. Reactor volgens conclusie 6, gekenmerkt door een brander met schuin naar voren op één punt gerichte uittree-openingen voor het zuurstofbevattende gas en één of meer in hoofdzaak evenwijdig daaraan lopende uittree-openingen voor het moderatorgas. 7904625 - 8 - * **

8. Eeactor volgens conclusie 6 of 7» gekenmerkt door een brander met aan de voorzijde een wand met loodrecht op de branderas staand kopvlak langs welke wand aan de binnenzijde de doorvoer voor moderatorgas is gelegen, welke doorvoer aldaar van richting verandert. 5

9· Brander voor een reactor volgens een der conclusies 6-8. 7304625