NL8201211A

NL8201211A - Werkwijze en inrichting voor het bereiden van een brandbaar gasmengsel, alsmede energie-opwekkingsinstallatie.

Info

Publication number: NL8201211A
Application number: NL8201211A
Authority: NL
Original assignee: Thomassen Int Bv
Priority date: 1982-03-23
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1983-10-17
Also published as: FI830989A0; DE3361663D1; ZA831936B; CA1210934A; DK128883D0; AU553894B2; FI73237C; EP0089726A1; EP0089726B1; NO831035L; ATE17257T1; FI73237B; JPS58173192A; AU1274283A; DK128883A; FI830989L

Description

r * * ' 81.5125/M/Be

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het bereiden van een brandbaar gasmengsel, alsmede energieopwekkings-installatie.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het 5 bereiden van een brandbaar gasmengsel uit vaste of vloeibare brandstoffen zoals bijvoorbeeld steenkool, zware olie of teerzand, onder toepassing van een behandelingstraject dat onder meer gevormd door de binnenzijde van tenminste een als omwentelingslichaam uitgevoerd, draaiend kelkvormig steunrooster waarbij de brandstof in dit behan-10 delingstraject ten gevolge van een centrifugaal veld langs de binnenzijde voortbeweegt in een richting vanaf de bodem van het kelkvormig steunrooster naar de vrije rand, terwijl een vergassingsmedium'(het procesgas) wordt toegevoerd aan de buitenzijde van het steunrooster onder een druk die hoger is dan aan de binnenzijde van dit rooster, 15 waarna het brandbare gasmengsel (het produktgas) via een zeeflaag van een sorbent materiaal wordt afgevoerd.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit de oudere octrooiaanvrage 79 06303, waarbij voor het eerst werd voorgesteld een continue vergassingsproces mogelijk te maken met behulp van een kunstmatig 20 gravitatie veld dat het behandelingstraject vormt van de aangeboden brandstof. De onderhavige uitvinding beoogt in verschillende opzichten dit bekende procédé te verbeteren en wel zodanig dat een hoogwaardig brandbaar gasmengsel van betrekkelijk hoge zuiverheid ter beschikking komt.

25 Deze oogmerken worden volgens de uitvinding bereikt doordat - eerst een korrelig vuurvast materiaal in een ononderbroken stroom tegen de binnenzijde van het steunrooster wordt gedeponeerd zodat een bekledingslaag ontstaat die tezamen met de hier op aangevoerde brandstof als een schuivend bed in het centrifu- 30 gaalveld langs het steunrooster voortbeweegt; - de snelheid van het naar de buitenzijde van het steunrooster toegevoerde procesgas zodanig in samenhang met de centrifugaal-versnelling in het schuivende bed wordt bepaald, dat alleen 8201211 i i - 2 - deeltjes in dit bed die kleiner zijn dan bijvoorbeeld 5 micrometer met het produktgas worden meegevoerd, en - de samenstelling van het procesgas en de per tijdseenheid aangevoerde hoeveelheid brandstof zodanig op elkaar worden 5 afgestemd, dat de temperatuur van het produktgas in de orde van 900°C ligt.

Als vuurvast materiaal kan bijvoorbeeld zand worden toegepast waarmede een continue schuivend zandbed aan de binnenzijde van het steunrooster tot stand komt, waarbij de vaste of vloeibare brand-10 stof op dit zandbed rust en hiermede geleidelijk het behandelings-traject doorloopt. Het proces-gas zal ten gevolge van de zandkorrels in fijn verdeelde toestand met de brandstof kunnen reageren en daarbij zullen een aantal deeltjes die kleiner zijn dan een bepaalde maximale maat, worden meegevoerd. De overige deeltjes, het grootste 15 deel van de toegevoerde hoeveelheid zand, blijven ten gevolge van de centrifugaalkracht aanwezig aan de binnenzijde van het steunrooster en het produktgas kan alleen deeltjes bevatten die kleiner zijn dan de gespecificeerde afmeting.

Ten gevolge van het beperken van de optredende verbrandings-20 temperatuur tot een waarde tussen 700° en 1000°C kan een maximale binding worden verkregen van ontwikkeld aan het sorbent materiaal dat in de vorm van een zeeflaag aanwezig is en waardoor heen het produkt-gas moet stromen. Belangrijk is voorts dat de as van de brandstof vermengd met zand enerzijds en het sorbent materiaal 25 anderzijds gescheiden worden afgevoerd, hetgeen de eventuele regeneratie van gereageerd sorbent materiaal mogelijk maakt. Dit sorbent materiaal bestaat bijvoorbeeld uit dolomiet, half-gecalcineerd dolomiet, krijt, mergel, CaCO^, MgCO^, CaOH, MgOH, enz. Door de toepassing van een dergelijk materiaal wordt het uiteindelijke 30 produktgas nagenoeg vrij van ^S. Aangezien deze binding in situ plaats vindt, kunnen hoog-zwavelige kolen en olie vergast worden.

Een sintering van as en zand vindt niet plaats omdat de procestemperatuur zoals hierboven aangegeven ver beneden de asfusie- 8201211 * ’ »· - 3 - temperatuur ligt. Aangezien alle kleine deeltjes boven de gespecificeerde afmeting tegen de binnenzijde van het steunrooster zuilen worden gehouden, kunnen verontreinigingen in het produktgas tot een minimum beperkt worden. Dit geldt zowel voor vaste verontreinigingen 5 zoals bijvoorbeeld Vc^Og alsmede Na en K verbindingen, als voor vloeibare verontreinigingen zoals bijvoorbeeld Na2S, KgS, en

KgSO^· Er kunnen ook gasvormige verontreinigingen aanwezig zijn, bij voorbeeld dampvormen van vloeibare verontreinigingen. Ten gevolge van de relatief lage procestemperatuur zoals hierboven aangegeven, 10 zullen de dampspanningen van verontreinigingen laag zijn. Anderzijds bevat het produktgas geen teerachtige stoffen omdat de procestemperatuur hoog genoeg is om teervormige produkten spontaan te doen kraken. Het produktgas is een schoon gas dat direkt kan worden gebruikt.

15 Bij voorkeur zal de werkwijze volgens de uitvinding zodanig worden uitgevoerd dat het schuivende vergassingsbed en de zeeflaag werkzaam ijn in een gemeenschappelijke omsluiting waarbij tijdens bedrijf een overdruk binnen deze omsluiting in stand wordt gehouden.

3

Bij een overdruk van bij voorbeeld 1 è 2.10 kPa kunnen de afmetingen 20 van de roterende steunrooster klein zijn en een hoge energie dichtheid worden bereikt. Een belangrijk voordeel is voorts dat de geringe massa van de roterende delen en de hierop aanwezige materialen een snelle opstartprocedure mogelijk maken.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inrichting 25 voor het uitvoeren van de hierboven aangegeven werkwijze, omvattende tenminste twee draaibare kelkvormige steunroosters met een aandrijving, welke roosters voorts elk zijn voorzien van tenminste één toevoerorgaan voor materiaal dat bij het beoogde vergassingsproces is betrokken, waarbij de inrichting verder is uitgevoerd met een in-30 laat voor procesgas en een afvoer van produktgas. Volgens de uit vinding onderscheidt zich deze inrichting doordat het ene steunrooster (het hoofdrooster) is voorzien van tenminste twee aanvoerorganen, waarvan er één dichter bij de bodem van de kelk uitmondt dan het (de) 8201211 - 4 - andere. Het genoemde hoofdrooster vormt dan het eigenlijke vergas-singsbed, terwijl het of de overige steunroosters (hulproosters) kunnen dienst doen voor het opnemen van sorbent materiaal teneinde daarmede een brandbaar gasmengsel van grote zuiverheid te verkrijgen.

De uitvinding is eveneens belichaamd in een installatie voor 5 het door middel van een gasturbine opwekken van mechanische energie die is gekenmerkt door de aanwezigheid van de hiervoor beschreven inrichting, waarbij een recuperator aanwezig is en althans een aftakking van de leiding uit de compressor via de recuperator is verbonden met de inlaat voor het procesgas, terwijl de afvoer voor 10 het produktgas is verbonden met de verbrandingsruimte van de gasturbine.

In deze installatie wordt het door de vergasser tot stand gebracht schone produktgas rechtstreeks gebruikt in de gasturbine, zodat er geen verlies aan latente warmte ontstaat. Tot dusver was 15 men vaak genoodzaakt achter de vergasser een deeltjes afvang systeem te schakelen, bij voorbeeld bestaande uit cyclonen of stoffilters. Deze veroorzaken een druk- en warmteverlies, hetgeen in de installatie volgens de uitvinding wordt voorkomen.

Opgemerkt wordt dat het produktgas verkregen met de werkwijze 20 c.q. inrichting volgens de uitvinding een lage calorische waarde heeft omdat als procesgas normale, onder druk gebrachte lucht wordt toegepast. Men verkrijgt derhalve een laag calorisch, schoon en heet produktgas met een hoog thermisch rendement, welk gas rechtstreeks bruikbaar is in een gasturbine zodat de hiervoor beschreven 25 installatie in het algemeen kan worden toegepast voor zowel sta- . tionair als mobiel gebruik, bij voorbeeld bij spoorwegen en schepen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening die een enkele uitvoeringsvorm van de inrichting en van de installatie toont.

30 Fig. 1 is een langsdoorsnede van een vereenvoudigde weergave van de vergasser volgens de uitvinding.

8201211 I , - 5 - t

Fig. 2 geeft schematisch de installatie bestaande uit een vergasser met een gasturbine.

Fig. 3 is een schema van de installatie volgens fig. 2 met daarin aangegeven de toegevoerde en afgevoerde materialen.

5 De in fig. 1 afgebeelde uitvoeringsvorm van de inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze is opgebouwd uit twee draaibare kelkvormige steunroosters1 en 2 die concentrisch zijn opgesteld.

Het buitenste steunrooster (het hoofdrooster) 1 is verbonden met een holle as 3 welke kan worden aangedreven met een toerental nl 10 door middel van een (niet afgebeelde) krachtbron.

Het steunrooster (het hulprooster) 2 is bevestigd op een as 4 die kan worden aangedreven met een toerental n2. De steunroosters 1 en 2 zijn aangebracht binnen een gemeenschappelijke omsluiting of huis 5 met deksels 6 en 7. De holle as 3 steekt via een afdichting 8 door 15 de deksel 6 terwijl de as 4 via een afdichting 9 door de deksel 7 wordt gevoerd.

Het hoofdrooster 1 is voorzien van twee buisvormige aanvoer-organen 10 en 11, waarbij het orgaan 10 dichter bij de bodem van de kelk uitmondt dan het andere orgaan 11. Via het orgaan 10 wordt 20 korrelig vuurvast materiaal ( bij voorbeeld zand) in een ononderbroken stroom tegen de binnenzijde van het steunrooster 1 gedeponeerd, zodat een bekledingslaag 12 ontstaat. Via het aanvoerorgaan 11 wordt de vaste of vloeibare brandstof zoals bij voorbeeld poederkool, zware olie of teerzand aangevoerd. Deze brandstof komt te rusten op de 8201211 - 6 - bekledingslaag 12, die tijdens bedrijf als een schuivend bed beweegt in het centrifugaal veld langs het steunrooster 1.

Binnen het hulprooster 2 is een buisvormig aanvoerorgaan 13 voor een sorbent materiaal aangebracht. Hierdoor ontstaat een zeef-5 laag 14 tegen de binnenwand van het hulprooster 2. De beide roosters 1 en 2 zijn langs hun open rand voorzien van een ringvormige afdichting 15 ten opzichte van het stilstaande huis 5. In de cilinderman-tel van dit huis is een inlaat 16 aanwezig voor procesgas (meestal lucht) alsmede een afvoer 17 voor as welke afkomstig is van het 10 hoofdrooster 1 en een afvoer 18 voor verbruikt sorbent materiaal afkomstig van het hulprooster 2, Tenslotte is in de deksel 7 een afvoer 19 aanwezig voor het produktgas.

Tijdens bedrijf waarbij de steunroosters 1 en 2 worden aangedreven, ontstaat voor beide roosters een centrifugaal veld waarbij 15 de binnenzijde van het hoofdrooster 1 een behandelingstraject vormt voor de via het orgaan 11 aangevoerde brandstof. De bekledingslaag 12 zal ten gevolge van het centrifugaal veld langs de binnenzijde van het hoofdrooster 1 voortbewegen in een richting vanaf de bodem van het kelkvormige rooster naar de vrije rand waarbij het afge-20 werkte materiaal verdwijnt via de afvoer 17. Het onder enige overdruk via de inlaat 16 toegevoerde procesgas dringt door het rooster 1 en door de hiertegen rustende bekledingslaag 12 heen en veroorzaakt de beoogde vergassing van de via het orgaan 11 aangevoerde brandstof. Het aldus verkregen produktgas wordt gedwongen door het 25 hulprooster 2 te stromen en door de hiertegen rustende zeeflaag 14 van sorbent materiaal. Hiermede wordt een retentie van HgS alsmede een adsorptie van de hiervoor genoemde verontreinigingen uit het produktgas verkregen, welk gas vervolgens via de afvoer 19 naar de beoogde bestemming kan stromen. Ook de zeeflaag 14 beweegt geleide-30 lijk in een richting van af de bodem naar de vrije rand van de kelk om vervolgens te verdwijnen via de afvoer 18. Indien mogelijk kan dit materiaal worden geregenereerd om tenslotte weer te worden aan- 8201211 - 7 - gevoerd via het orgaan 13.

Belangrijk voor de onderhavige bereidingswijze is de snelheid van het naar de buitenzijde van het hoofdrooster 1 toegevoerde procesgas, welke snelheid zodanig in samenhang met de centrifugaal 5 versnelling in het schuivende bed (de bekledingslaag 12) wordt bepaald dat alleen deeltjes in dit bed die kleiner zijn dan 5 micrometer met het produktgas worden meegevoerd. Onder bepaalde omstandigheden kan de maat van de meegevoerde deeltjes beperkt worden tot 3 en zelfs 2 micrometer. Voorts is belangrijk dat de samenstel-10 ling van het via de inlaat 16 toegevoerde procesgas en de per tijdseenheid via het orgaan 11 aangevoerde hoeveelheid brandstof zodanig op elkaar worden afgestemd dat de temperatuur van het produktgas in de orde van 900°C ligt. Onder deze definitie wordt verstaan een temperatuur die gelegen is tussen 700° en 1000°C.

15 Opgemerkt wordt dat de g-waarde van het centrifugaal veld in de zeeflaag 14 onafhankelijk kan worden bepaald van de g-waarde in het schuivende vergassingsbed of bekledingslaag 12. Deze waarden kunnen met behulp van de juiste bepaling van de respectievelijke toerentallen n2 en nl worden verkregen.

20 In de figuren 2 en 3 is een belangrijke toepassing van de vergasser volgens fig. 1 afgebeeld, namelijk een installatie voor het door middel van een gasturbine opwekken van mechanische energie. Als gasturbine kan worden gebruikt een machine van het type TF-10, regenerative intercooled cycle, met een thermisch rendement van 44$. 25 De belangrijkste elementen van deze gasturbine zijn aan de rechterzijde van fig. 2 afgebeeld en bestaan uit een compressor 20, een verbrandingsruimte 21 en de eigenlijke turbine 22. Aan de linkerzijde van fig. 2 is de vergasser afgebeeld d.w.z. het huis 5 in combinatie met een apparaat 23 voor het maken van 30 poederkool met een deeltjes-grootte kleiner dan 1,5 mm. Verder is een luchtcompressor 24 aanwezig die via een leiding 25 is aangesloten op de inlaat 16.

8201211 - 8 -

De installatie omvat voorts een recuperator 26 die een warmte uitwisseling tot stand brengt tussen de door de compressor 20 samengeperste en door een leiding 27 stromende lucht enerzijds en de via een leiding 28 ontwijkende afgassen van de gasturbine 22. De 5 leiding 27 uit de recuperator 26 heeft een aftakking 29 die voert naar de luchtcompressor 24. De afvoer 19 voor het produktgas is via een leiding 30 verbonden met de verbrandingsruimte 21. Op deze ruimte mondt bovendien de leiding 27 uit voor eventuele toevoer van een gedeelte van de gecomprimeerde lucht, afkomstig uit de inlaat 31 10 van de compressor 20. Fig. 3 toont zeer schematisch de in- en uitgaande stromen behorende bij de installatie volgens fig. 2.

Opgemerkt wordt, dat de onderhavige inrichting niet beperkt is tot de toepassing van twee binnen elkaar opgestelde steuntrommels. Er kunnen meer steuntrommels zijn, terwijl deze ook in eikaars ver-15 lengde kunnen zijn opgesteld, zie de eerder genoemde octrooiaanvrage 79 06303, Fig. 4.

Tenslotte volgt een voorbeeld van de toegepaste hoeveelheden, drukken en snelheden in de onderhavige werkwijze met de daarbij verkregen samenstelling van het produktgas: 20 VOORBEELD: - soort kolen : Illinois sub-bituminous - hoeveelheid zand...........................= 0,2 kg/sec.

- hoeveelheid kolen..........................= 0,7 11 - gemidd. diameter kolen............... = 1,5 mm 25 - verblijftijd kolen.........................= 58 sec.

- toerental nl steunrooster 1 (kolen)........= 2000 rpm id n2 id 2 (sorbent)......= 5700 rpm - luchtsnelheid door steunrooster 1..........= 5 m/sec.

- procesdruk in produktafvoer 19.............s 1380 kPa

30 - procestemperatuur........... ..............= 880°C

- thermisch rendement........................= 80/C

- stofconcentratie, deeltjes ^5 micrometer.. <J5 ppm 8201211 .-9- 1 4 - concentratie alkaliverbindingen.............= 0,08 ppm 3 - onderste calorische waarde produktgas........= 5700 kj/nm - id id inclusief latente warmte.....= 6024 " samenstelling produktgas: 5 ^2 ” 50,25$ Cg- nihil C02 - 0,5 " C3H8 - CO - 32,2 " C4H10 - H2 - 16,05" C5H12- - CH4 - 0,5 " H2S - 10 H20 - 0,5 " 100,0 % - conclusies - 8201211

Claims

1. Werkwijze voor het bereiden van een brandbaar gasmengsel uit vaste of wloeibare brandstoffen zoals bijvoorbeeld steenkool, zware olie of teerzand, onder toepassing van een behandelings-traject dat onder meer gevormd wordt door de binnenzijde van ten- 5 minste een als omwentelingslichaam uitgevoerd, draaiend kelkvormig steunrooster waarbij de brandstof in dit behandelingstraject ten gevolge van een centrifugaalveld langs de binnenzijde voortbeweegt in een richting vanaf de bodem van het kelkvormige steunrooster naar de vrije rand, terwijl een vergassingsmedium (het procesgas) 10 wordt toegevoerd aan de buitenzijde van het steunrooster onder een druk die hoger is dan aan de binnenzijde van dit rooster, waarna het brandbare gasmengsel (het produktgas) via een zeeflaag van een sorbent materiaal wordt afgevoerd, met het kenmerk, - dat eerst een korrelig vuurvast materiaal in een ononder-15 broken stroom tegen de binnenzijde van het steunrooster wordt gedeponeerd zodat een bekledingslaag ontstaat die tezamen met de hier op aangevoerde brandstof als een schuivend bed in het centrifugaalveld langs het steunrooster voortbeweegt, - dat de snelheid van het naar de buitenzijde van het steun-20 rooster toegevoerde procesgas zodanig in samenhang met de centrifugaalversnelling in het schuivende bed wordt bepaald dat alleen deeltjes in dit bed die kleiner zijn dan 5 micrometer met het produktgas worden meegevoerd, en - dat de samenstelling van het procesgas en de per tijdseen-25 heid aangevoerde hoeveelheid brandstof zodanig op elkaar worden afgestemd, dat de temperatuur van het produktgas in de orde van 900°C ligt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat het verschuivende vergassingsbed en de zeeflaag werkzaam zijn 30 ineen gemeenschappelijke omsluiting, waarbij tijdens bedrijf een 8201211 4 * - 11 - overdruk binnen deze omsluiting in stand wordt gehouden.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij ook in de zeef-laag van sorbent materiaal een centrifugaalveld in stand wordt gehouden, met het kenmerk, dat de g-waarde van het cen- 5 trifugaalveld in de zeeflaag onafhankelijk wordt bepaald van de g-waarde in het schuivende vergassingsbed.

4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een der conclusies 1-3, omvattende tenminste twee draaibare kelkvormige steunroosters met een aandrijving, welke roosters voorts elk zijn 10 voorzien van tenminste één toevoerorgaan voor materiaal dat bij het beoogde vergassingsproces is betrokken, waarbij de inrichting verder is uitgevoerd met een inlaat voor procesgas en een afvoer van pro-duktgas, met het kenmerk, dat het ene steunrooster (1) is voorzien van tenminste twee aanvoerorganen (10,11),'waarvan er 15 één (10) dichter bij de bodem van de kelk uitmondt dan het (de) andere (11).

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat buitenom de steunroosters (1,2) een afdichtend huis (5-7) aanwezig is, voorzien van de inlaat (16) voor het procesgas, de afvoer 20 (19) voor het produktgas en tenminste één afdichtende doorlaat (8,9) voor een draaibare as (3,4).

6. Inrichting volgens conclusies 4 of 5, met het kenmerk, dat de aandrijving (nl) van het ene steunrooster (1) onafhankelijk regelbaar is van die (n2) van het andere steunrooster (2). 25

7. Installatie voor het door middel van een gasturbine opwekken van mechanische energie, gekenmerkt door de aanwezigheid van een inrichting volgens een der conclusies 4-6, waarbij een recuperator (26) aanwezig is en althans een aftakking (29) van de leiding (27) uit de compressor (20) via de recuperator (26) is ver-30 bonden met de inlaat (16) voor het procesgas, terwijl de afvoer (19) voor het produktgas is verbonden met de verbrqndingsruimte (21) van de gasturbine (22) 8201211