NL8104691A - Werkwijze voor de bereiding van een vrijwel deeltjesvrij synthesegas. - Google Patents

Description

, f i , 81324 vA/mm k

Korte aanduiding: Werkwijze voor de bereiding van een vrijwel deeltjes- vrij synthesegas.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van koolmonoxyde en waterstof, dat wil zeggen synthesegas, uit vaste koolstofhoudende brandstoffen door gedeeltelijke oxidatie met een zuurstof-bevattend gas en de 5 verwijdering van de zo geproduceerde as. Zij heeft in het bijzonder betrekking op de vergassing van vaste koolstofhoudende brandstoffen bij superatmosferische druk in een reactor van het niet-katalytische strooratype waarin een suspensie van vaste brandstof in water in vloeibare fase wordt gevoerd in 10 een reactiezone die op een autogene temperatuur in het traject van ongeveer 983-1760°C wordt gehouden, en daarin met zuurstof in reactie wordt gebracht.

De ontwikkeling van koolmonoxyde en waterstof of synthesegas door niet-katalytische reactie van vaste koolstof-- 15 houdende brandstof met lucht, met zuurstof verrijkte lucht of relatief zuivere zuurstof is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.544.291. Gedeeltelijk oxydatie van vaste brandstoffen, zo als kool of petroleumcokes, betekent een zeer economische werkwijze voor de bereiding van synthesegas 20 in grote hoeveelheden. In de vergasser of gedeeltelijke-oxy-datiereactor van het stroomtype wordt vaste brandstof in reactie gebracht met een zuurstof-bevattend gas in een gesloten compacte reactiezone in afwezigheid van pakking bij een autogene temperatuur binnen het traject van ongeveer 983-1760°C, 25 bij voorkeur bij een temperatuur in het gebied van 1096-1538°C.

Gewoonlijk wordt bij de vergassing van brandstoffen zoals kool of cokes, de brandstof in fijnverdeelde vorm aan 8104691 i -2- gedeeltelijke oxydatie onderworpen met de produktie van een produktgas dat koolmonoxyde en waterstof bevat en. dat ook geringe hoeveelheden kooldioxyde en methaan bevat en indien de voeding zwavel bevat ook waterstofsulfide en carbonylsul-5 fide bevat.

Daar echter omdat onvoldoende zuurstof in de vergassingszone wordt geleid voor de volledige verbranding van de koolstof in de brandstof, dat wil zeggen voor de omzetting

ZgLI

van al de koolstof in de brandstof in kooldioxyde, een klein 10 deel van de vaste brandstof door de vergassingszone .. gaan zonder in een oxyde van koolstof te zijn omgezet. Bovendien r zullen, wanneer de voeding voor de vergassingszone as bevat, :asdeeltjes ook in het produkt gas verschijnen.

Gewoonlijk is het gewenst deze vaste deeltjes uit het 15 produktgas te verwijderen. Indien bijvoorbeeld de voelbare warmte van het gas door indirecte warmtewisseling moet worden teruggewonnen, is het aan te raden de vaste deeltjes uit het gas te verwijderen voordat het in een warmtewisselaar wordt geleid om te verhinderen dat zij verzameld worden op de wanden 70 of warmte-overdrachtoppervlakken van de warmtewisselaar met daaropvolgende storing van de stroom van fluïden daardoor en de overdracht van warmte. Een manier om dit te doen is het laten botsen van de warme deeltjes op het oppervlak van water in een afschrikzone om hen af te schrikken (snel af te koelen) 25 en te bevochtigen waardoor zij uit de gasstroom verwijderd worden en in het water worden overgebracht. In een andere werkwijze, indien het produktgas gebruikt moet worden voor de bereiding van waterstof, wordt het gas gewoonlijk afgeschrikt door het in water te leiden onder het oppervlak daarvan in 30 een afschrikzone waarbij de vaste deeltjes in het water worden vastgehouden en het vrijwel deeltjesvrije gas verzadigd met water vervolgens aan katalytische verwisselingsomzetting wordt onderworpen. Een combinatie van dergelijke technieken is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.998.609. Om het 35 opbouweri van vaste stoffen en/of onzuiverheden in het afschrik-watef te voorkomen wordt periodiek of continu een deel van het afschrikwater verwijderd en om een constant vloeistof niveau in de afschrikzone te handhaven vervangen door water, bij voorkeur gezuiverd water dat teruggevoerd wordt uit een afzetzone 8104691 £ * - 3 - waarheen het verwijderde deel is overgebracht.

Wanneer de vergasser bij verhoogde druk moet werken moeten de vaste deeltjes uit het systeem worden verwijderd zonder dat de druk wordt verbroken en dit kan geschieden door de 5 deeltjes in een sluisvat te leiden en hen daarna uit het systeem af te laten. Daar de werking van het sluisvat door kleppen wordt gecontroleerd/ is de inlaat van het sluisvat in het algemeen van een relatief kleine diameter vergeleken met het vergassingstoestel, wat betekent dat er een deel is van neer-10 waarts afnemend dwarsdoorsnede-oppervlak onmiddellijk boven het sluisvat.

Ongelukkig zijn er gevallen waarbij materiaalbalansen laten zien dat voor de hoeveelheid voeding voor de vergasser en de hoeveelheid geproduceerd, gas er een tekort is in de hoe-15 veelheid vaste deeltjes die door het sluisvat worden verwijderd. Wanneer deze toestand gedurende een langdurige periode voortduurt wordt het nodig de bewerking af te breken en de blokkering te verwijderen die gewoonlijk voorkomt in het vernauwde deel van het toestel boven de bovenste klep van het sluisvat.

20 Een voordeel van de uitvinding is dat zij het moge lijk maakt een vrijwel deeltjesvrij gas dat koolmonoxyde en waterstof bevat te produceren. Een ander voordeel is dat de uitvinding het mogelijk maakt synthesegas onder bovenatmosferi-sche druk te bereiden. Nog een ander voordeel is dat de uit-25 vinding het mogelijk maakt de verwijdering van as en onomgezette vaste brandstofdeeltjes uit een systeem voor de vergassing van as bevattende brandstoffen te verbeteren.

Volgens de uitvinding wordt een werkwijze verschaft voor de bereiding van vrijwel deeltjesvrij synthesegas om-30 vattende het onderwerpen van een asbevattende brandstof aan gedeeltelijke oxydatie onder bovenatmosferische druk om een stroom synthesegas te bereiden die koolmonoxyde en waterstof bevat en warme deeltjes bestaande uit as en onomgezette brandstof bevat, het afschrikken van de warme deeltjes door hen in 35 een afschrikzone met water in aanraking te brengen, het laten afzetten van de deeltjes door deze afschrikzone in een met water gevulde verzamelzone en het handhaven van een stroom water die afgeschrikte deeltjes bevat van deze afschrikzone naar de genoemde verzamelzone, 8104691 V * - 4 -

De voeding van de werkwijze van de uitvinding omvat iedere as bevattende koolstofhoudende brandstof, zoals steenkool, subbitumineuze kool, ligniet, sommige typen cokes, biomassa en dergelijke. Gewoonlijk is een dergelijke brandstof vast, 5 ofschoon ook brandstoffen die bij verhoogde temperaturen vloeibaar zijn, zoals residu van het vloeibaar· maken van kool, ook kunnen worden gebruikt. Om als asbevattend te worden aangemerkt moet de brandstof een asgehalte van tenminste 1 gew.% hebben. Indien.de voeding bij verhoogde temperatuur gesmolten is, - 10 kan zij voorverhit en als een vloeistof in de vergassingszone worden geleid. Indien de brandstof echter bij verhoogde temperaturen vast is moet deze echter gemalen worden tofdeeltjesgrootte van minder dan 0,62 cm en bij voorkeur zo gemalen worden dat tenminste 95% door een U.S. standaardzeef van 14 mesh 15 (1.41 mm opening) gaat. De brandstof wordt daarna in de gas-ontwikkelingszone ingespoten waar deze aan gedeeltelijke oxydatie wordt onderworpen met een gas zoals lucht, met zuurstof verrijkte lucht, of vrijwel zuivere zuurstof, dat wil zeggen zuurstof met een zuiverheid van tenminste ongeveer 20 9.5%. De vaste brandstof kan in de gedeeltelijke-oxydatiezone worden ingebracht als een suspensie in een vloeistof zoals water of olie, of als een suspensie in een gasvormig of dampvormig medium zoals stoom, kooldioxyde of mengsels daarvan. Water of stoom kunnen ook in dè vergassings of gedeeltelijke •25 -oxydatiezone worden ingevoerd als een temperatuurmoderator wanneer de brandstofvoeding vloeibaar of een suspensie van vaste stoffen in olie of andere brandbare vloeistof is.

In de gasontwikkelingszone wordt de brandstof onderworpen aan gedeeltelijke oxydatie bij een autogeen gehouden 30 temperatuur tussen 983-1760°C, bij voorkeur tussen ongeveer i096-1538°C. De druk in de gasontwikkelingszone kan variëren ^ 2 tussen ongeveer 2,8-210 kg/cm bij.voorkeur tussen ongeveer 2 4,2-175 kg/cm . De zuurstof kan in de vergassingszone worden ingevoerd in een atoomverhouding van zuurstof tot koolstof 35 van tussen ongeveer 0.7 en 1.6 bij voorkeur tussen 0.8 en 1.2. Indien de brandstof vast is en in de vergassingszone wordt ingeleid als een suspensie in water, moet de suspensie minder dan Ongeveer’ 50 gew.% water bevatten, daar een watergehalte boven deze hoeveelheid het thermische rendement van de reactie 8104591 - 5 - 5r * zal beïnvloeden.

In een werkwijze voor het terugwinnen van warmte uit synthesegas dat bereid is door gedeeltelijke oxydatie van een asbevattende brandstof, kan het gas in neerwaartse richting 5 van de gasontwikkelaar gevoerd worden door een stralingskoel-zone samen met de meegesleepte deeltjes as of niet omgezette aanwezige brandstofdeeltjes. Het gas wordt dan van zijn oorspronkelijke weg afgeleid door de stralingskoelzone en, in

A

een voorkeursuitvoering, in een min of meer opwaartse richting 10 door een convectiekoelzone waarin het in opwaartse richting wordt gevoerd in indirecte warmte-uitwisseling met een koelmedium zoals water. De vaste deeltjes gaan op hun weg door en komen in kontakt met water in een afschrikzone bij de basis van de stralingskoelzone waar zij bevochtigd worden en de nei-15 ging hebben zich in het water af te zetten. De vaste deeltjes passeren dan in neerwaartse richting door de bovenste klep van een sluisvat dat ook als een afzettingszone kan worden beschouwd, waar zij zich verzamelen. Daar de bovenste klep van het sluisvat voor het grootste deel in open stand wordt gehou-20 den wordt het sluisvat met water gevuld. Periodiek wordt, om de vaste deeltjes af te voeren, de bovenste klep van het sluisvat gesloten en een klep die aan het onderste deel van het sluisvat is gelegen wordt geopend om water en vaste deeltjes uit het systeem af te kunnen voeren. Wanneer dit voltooid is 25 wordt de benedenste klep van het sluisvat gesloten, het sluisvat wordt met water gevuld, onder druk gebracht, en daarna wordt de bovenste klep geopend om extra as of slak te laten afzetten en te verzamelen in het sluisvat. Alternatief en bij voorkeur als een corrosie-voorkomende maatregelT^ëet sluisvat 30 vol water gehouden terwijl de verzamelde vaste stoffen worden afgevoerd. Dit wordt tot stand gebracht door water bij voorkeur bij de top van het sluisvat in te leiden, terwijl de bovenste klep tussen het sluisvat en de afschrikkamer gesloten is, door een afzonderlijke inlaat met dezelfde snelheid als 35 cle inhoud van het sluisvat door de geopende klep wordt afgelaten. Op deze manier is het sluisvat constant vol water en lucht kan het sluisvat niet binnen treden.

Om de vorming van een blokkering boven de bovenste klep van het sluisvat te voorkomen wordt in een uitvoeringsvorm 8104691 * v i.

- 6 -.....

van de uitvinding water extern gecirculeerd van het sluisvat naar de afschrikzone om een neerwaartse stroom te veroorzaken van water dat meegesleepte deeltjes bevat, door de bovenste * ’ ) klep van het sluisvat. Dit kan bewerkstelligd worden door 5 water van de top of van nabij de top van het sluisvat te onttrekken en' het direct of indirect naar de afschrikzone terug te voeren. Door een wijziging van kleppen en leidingen kan de opening die gebruikt wordt voor het onttrekken van water voor terugvoering naar de afschrikzone dezelfde opening zijn welke 10 gebruikt wordt voor het inleiden van water gedurende de cyclus van het ontlaten van het sluisvat. Met voordeel is de uitlaat voor het onttrekken van water van de neerwaartse stromende stroom water die afgeschrikte deeltjes bevat door een schot gescheiden, zodat een minimum aan deeltjes naar de afschrik-15 zone wordt teruggevoerd. Door aldus te werken gaat een continue stroom water neerwaarts van de afschrikzone naar de y verzamelzone daarbij medewerkend in het overbrengen van het vaste materiaal van de afschrikzone naar de verzamelzone of het sluisvat en daardoor wordt de vorming van een blokkering 20 vermeden. Deze stroom wordt echter gestopt wanneer een begin gemaakt wordt met de sluisvatcyclus voor de verwijdering van de verzamelde vaste deeltjes.

De stroomsnelheid van water van de afschrikzone naar de verzamelzone of het sluisvat is niet kritisch maar moet 25 groter zijn dan de opstrooJBsnelheid dat wil zeggen de snelheid • van de 'opwaartse stroom van water dat verplaatst is door de neer'dalende asdeeltjes indien er geen circulatie was. Praktisch moet de neerwaartse stroomsnelheid tenminste 0.91 cm per seconde bij voorkeur tenminste 1.52 cm per seconde zijn.

30 Daar de inlaat en.de uitlaat van het sluisvat door kleppen worden bestuurd heeft de verbinding tussen de uitlaat van de 'afschrikzone en de inlaat naar het sluisvat een deel van geleidelijk afnemend dwarsdoorsnede-oppervlak. Om te voorkomen dat grotere deeltjes as of slak dit oppervlak ver-35 stoppen of de klep verstoppen, is het aan te raden een molen boven het vernauwde deel te hebben.

Nadat het synthesegas de convectiesectie heeft verlaten kan het voor een-geschikt gebruik worden overgebracht zoals voor de synthese van organische verbindingen, de berei- 8104691 * - 7 - ding van waterstof of voor het gebruik als brandstof.

Ofschoon de stralingskoeler beschreven is als een koeler mer neerwaartse stroming en de convectiekoeler als een koeler met opwaartse stroming, is het mogelijk met wijzigingen ^ in het toestel het gas in elke richting door elk deel van het toestel te laten stromen.

In een andere manier van het terugwinnen van warmte wordt het zuurstof bevattende gas en brandstof in de generator of gedeeltelijke-oxydatiezone geleid bij de top daarvan en in 10 neerwaartse richting door de generator gevoerd. Een waterbevat-tende afschrikzone is bij de basis van de generator gelegen maar voordat het warme gasprodukt de afschrikzone bereikt wordt het in een meer of minder opwaartse richting in een stralings-koelzone geleid terwijl de vaste deeltjes hun pad in het af-15 schrikwater voortzetten waar zij bevochtigd worden en door het water in de afschrikzone in een sluisvat of verzamelzone zinken. Het afgeleide gas kan dan in een geval in opwaartse richting door een stralingskoelzone worden geleid en daarna neerwaarts door een convectiezone of in een ander geval neerwaarts door een 20 stralingskoelzone en opwaarts door een convectiekoelzone of alternatief zowel opwaarts of neerwaarts door beide koelzones.

Bovendien wordt, om mee te werken aan de beweging van vaste deeltjes van de afschrikzone naar de verzamelzone, water van de verzamelzone naar de afschrikzone gecirculeerd 25 om een constant neerwaarts stromende stroom te verschaffen van de afschrikzone door de bovenste klep van het sluisvat naar de verzamelzone.

Water dat buitenom van de verzamelzone wordt gecirculeerd kan in de afschrikzone worden ingebracht boven het opper-30 vlak van het water dat daarin aanwezig is en op het oppervlak worden gesproeid, aldus dienende om eventuele drijvende deeltjes te bevochtigen en hen te doen zinken of, aan de andere kant, kan het onder het oppervlak van het afschrikwater worden ingeleid en in opwaartse richting worden gericht naar het opper-35 vlak om de turbulentie in de afschrikzone te verbeteren of neerwaarts worden gericht waardoor de kracht van de waterstroom naar het sluisvat wordt vergroot en de neiging van slak of asdeeltjes wordt verminderd om een brug te vormen over het nauwere deel van de ingang in het sluisvat met als resultaat het 8104691 t - 8 - blokkeren van de stroming van vaste stoffen in het sluisvat of in combinatie van de drie. Wanneer het circulerende water

T

wordt ingevoerd onder het oppervlak van het afschrikwater in een opwaartse richting, wordt er een flotatie-effect geproduceerd 5 dat de neiging heeft de deeltjes die rijk aan koolstof zijn te scheiden van dichtere deeltjes die rijk aan as zijn, daarna wordt met voordeel de afschfikafblaas van nabij het oppervlak van het afschrikwater genomen om water te verwijderen dat een grotere hoeveelheid aan koolstofrijke deeltjes heeft. De af-10 schrikafblaasstroom is een stroom die uit de afschrikzone wordt verwijderd om mede te helpen de hoeveelheid verontreinigingen, zoals chloriden en formiaten in het afschrikwater, te verminderen. Een watertoevoer wordt in de afschrikzone toegevoerd om het water dat onttrokken wordt in de afschrikafblaas te 15 vervangen waardoor het watemiveau in de afschrikzone vrijwel constant wordt gehouden.

In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding kan, liever dan het laten circuleren van water van hét sluisvat naar de afschrikkamer, water aan het sluisvat worden onttrokken en , worden 20. gecombineerd met de afschrikafblaasstroom en overgebracht naar een afzettoestel waarin de vaste deeltjes zich afzetten uit het water dat daarna naar de afschrikzone kan worden teruggevoerd als opmaakafschrikwater of gebruikt worden voor de bereiding van extra suspensievoeding. Om te compenseren voor de 25 vergrote stroom water naar het afzettoestel, wordt de stroom opmaakafschrikwater' in de afschrikzone vergroot in een hoeveelheid die gelijk is aan de hoeveelheid die afgenomen is uit het sluisvat. Op deze manier wordt een stroom water van de afschrikkamer door de bovenste klep van het sluisvat in het sluisvat 30. gehandhaafd.

Een reeks proeven met de hoge-drukvergassing van kool, waarin de voeding voor de vergasser een Kentucky No. 9 kool was, laten de werkzaamheid van de werkwijze volgens de. uitvinding zien. Alle proeven werden onder vrijwel gelijke werk-35 omstandigheden uitgevoerd. De eerste proef duurde 26.6 uren toen de bewerking moest worden stopgezet als gevolg van overbrugging van de slak boven de bovenste klep van het sluisvat.

Na verwijdering van de brug werd de vergassing hervat maar overbrugging met slak had tot gevolg dat de tweede proef na 18 8104691 , » - 9 - uren moest worden stopgezet. De derde proef duurde 20.5 uren en de vierde proef bijna 20 uren toen ieder stopgezet moest worden om dezelfde redenen. Voorafgaande aan de vijfde proef werd een afblaassysteem geïnstalleerd om water af te nemen van 5 de top van het sluisvat in de afschrikafblaas met een vaste snelheid. De neerwaartse stroming van water van de afschrik-kamer door de bovenste klep van het sluisvat in het sluisvat met een snelheid van 2.13 cm per seconde was succesvol omdat de vijfde proef gedurende 42.5 uren doorging en werd beëindigd 10 niet door verstopping met slak maar om mechanische redenen.

Toen deze toestand gecorrigeerd was werd de eenheid opgestart en liep gedurende 66.8 achtereenvolgende uren met succes, toen de proef vrijwillig werd beëindigd. Daaropvolgend liep de eenheid gedurende 112 achtereenvolgende uren.

15 Uit de voorafgaande proeven is duidelijk dat voordat de installatie volgens de uitvinding werd toegepast het nodig was de eenheid na ongeveer 20 tot 25 uren werking stop te zetten als gevolg .van verstopping. Na de installatie van een systeem waarbij men water kon laten stromen van de afschrikkamer door 20 de bovenste klep van het sluisvat in het sluisvat was er echter geen verstopping of brugvorming van slak in de installatie en meer dan 200 uren werden voltooid zonder dit probleem te ontmoeten.

Terwijl de uitvinding beschreven is met betrekking 25 tot vergassingssystemen waarbij het synthesegas in het afschrik-water wordt geleid onder het oppervlak daarvan zodat niet alleen de vaste 'asdeeltjes en onomgezette brandstof worden afgeschrikt v maar ook het synthesegas zelf wordt afgeschrikt, werkt zij eveneens goed in vergassingsbewerkingen waarbij het water in 30 de afschrikzone in een meer of minder rustige toestand is.

8104691

Claims (12)

1. Werkwijzé voor de bereiding van een vrijwel deel-tjesvrij synthesegas omvattende het onderwerpen van een as-bevattende brandstof aan gedeeltelijke oxydatie onder super- 5 atmosferische druk voor het produceren van een stroom synthesegas dat koolmonoxyde en waterstof omvat en warme deeltjes as en onomgezette brandstof bevat, het afschrikken van de deeltjes door hen in een afschrikzone met water in aanraking te brengen, en het zich laten afzetten van de afgeschrikte deeltjes door 10 de genoemde afschrikzone in een met water gevulde verzamelzone, gekenmerkt door het handhaven van een stroom water dat afgeschrikte deeltjes bevat, van de genoemde afschrikzone naar de genoemde verzamelzone.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 daardoor gekenmerkt 15 dat de genoemde stroom wordt gehandhaafd door het circuleren van water van de genoemde verzamelzone naar de genoemde afschrikzone.

3. Werkwijze volgens conclusie 2 daardoor gekenmerkt dat het circulerende water in de afschrikzone wordt geleid 20 boven het oppervlak van het daarin aanwezig water.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 daardoor gekenmerkt dat het circulerende water in de afschrikzone wordt ingebracht onder het oppervlak van het daarin aanwezige water.

5. Werkwijze volgens êénjlran de conclusies 1-4 25 daardoor gekenmerkt dat de gassen en meegesleepte deeltjes die de gedeeltelijke-Qxydatiezone verlaten door een stralingskoelzone gaan voordat de deeltjes de afschrikzone bereiken.

6. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-4 daardoor gekenmerkt dat de gassen naar een stralingskoelzone 30 worden afgeleid terwijl de deeltjes hun weg vervolgen in water in een afschrikzone.

7. Werkwijze volgens conclusie 5 of 6 daardoor gekenmerkt dat de weg van het gas door de genoemde stralingskoelzone in neerwaartse richting is.

8. Werkwijze volgens conclusie 5 of 6 daardoor geken merkt dat de weg van het gas door de genoemde stralingskoelzone in opwaartse richting is.

9. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-8 daardoor gekenmerkt dat de verzamelzone vol water wordt gehouden 8104691 , ' -u - terwijl de deeltjes daaruit worden verwijderd.

10. Werkwijze volgens conclusie 1 daardoor gekenmerkt dat water dat aan de verzamelzone is onttrokken wordt gecombineerd met een afblaasstroom die aan de afschrikzone is onttrok- 5 ken, het zogevormde mengsel in staat wordt gesteld zich af te zetten, en water dat van de afzetzone wordt teruggewonnen naar het systeem wordt teruggebracht.

11. Werkwijze volgens conclusie 10 daardoor gekenmerkt dat het water uit de afzetzone naar de afschrikzone wordt terug- 10 gevoerd.

12. Werkwijze volgens conclusie 10 daardoor gekenmerkt dat het water uit de afzetzone in de gedeeltelijke-oxydatiezone met de as bevattende voeding wordt ingeleid. 8104691