NO328487B1 - Fremgangsmate og anordning for fremstilling av brenn-, syntese- og reduksjonsgass av fast brennstoff. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for frembringelse av brenn-, syntese- og reduksjonsgass av produktive og fossile brennstoffer, andre biomasser, avfall eller slam ved forbrenning i en brenner under tilsetting av gassformet oksygen og/eller oksygenholdige gasser i understøkiometriske forhold over smeltetemperaturen for de anorganiske andeler til CO2- og H20-holdige forgassingsmidler.

Oppfinnelsen er tiltenkt fortrinnsvis for derav frem-stilte pyrolyseprodukter ifølge patent DE 44 04 673, hvorved pyrolyseprodukter, når disse anvendes, innen de inn-føres i reaktoren, i størst mulig grad tilføres reaktoren i faste og gassformede produkter, f.eks. ulmeforbrenningsgass og trekull, adskilt og separat.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan finne anvendelse i energiforsyning, kjemisk industri og metallurgi for høy-effektiv fremstilling av brenn-, syntese- og reduksjonsgass for kraftmaskiner, synteseprosesser, malmreduksjon og rå-j ernfremstilling.

Det eksisterer et relativt stort antall av forgas-singsmetoder som i hovedsak kan tilordnes de tre store

grupper av fastleie-, virvelsjikt- og flygestrømforgassing. Ved anordningene for forgassing og spesielt ved anordningen for flygestrømforgassing hvortil anordningen ifølge oppfinnelsen må innordnes, må det inngås mange kompromisser utfra energetiske hensyn og ved forgassingsmiddelbehov. Flyge-strømforgassing med innsmelting av de mineralske bestanddeler foregår mest i ettrinns-prosess, hvilket innebærer at samtlige medier som deltar i forgassingsreaksjonen, til-

føres et reaksjonskammer. Derved heves samtlige medier til det høye nivå over slaggsmeltetemperaturen for de mineralske bestanddeler i brennstoffene. Dette er tilfellet ved reaktorer så vel med oppmurt ildfast og med kjøleskjermbe-kledt reaktorvegg. Ved reaktorene med kjøleskjerm, som typisk ved GSP-flygestrømreaktoren (se litteratur [1,2]), blir en betydelig andel av forgassingsgassens følbare varme avledet ved den avkjølte vegg. Ved likestrømreaktorene med vannbråkjøling av forgassingsgassen til vanndampmettings-temperatur, med eller uten avkjølt reaktorvegg, blir også en meget stor varmemengde nedsatt til et lavt ekserginivå. Ved reaktorer med avkjølt reaktorinnervegg men også ved motstrømsreaktorer hvor forgassingsgassen forlater reaktoren oppover og den flytende slagg nedover, må slakkav-løpet holdes fritt med ekstra varme eller endog med ekstra brennere. Disse forholdsregler medfører et høyt oksygen-behov for redusering av forbrenningsgassens varmeverdi og derav følgende lave eksertegiske virkningsgrader ved hele forgassingen. Hvis disse forholdsregler ikke treffes, for-styrres en forgassers funksjon, fordi slaggstrømmen ikke kan opprettholdes.

Særlig ved flygestrømsreaktorer som drives med oksygen, har reaksjonspartnerne meget korte oppholdstider. For å unngå et oksygengjennombrudd ved brennstoffbortfall kreves måling og overvåking i meget stor grad.

Flygestrømreaktorer som mates av en separat pyrolyse med brennstoff, har den ulempe at pyrolyseproduktene av-kjøles før tilføringen i reaktoren og, foruten varmetapene, også krever en meget omfattende gassbehandling og hånd-tering av væskeproduktene.

Som eksempel på bakgrunnsteknikk skal det anføres US 3,840,354 som omfatter en tretrinns fremgangsmåte for å fremstille gass fra karbonholdig materiale, og da spesielt produksjon av forbrenningsgass rik på metan ved bruk av forhøyet temperatur og trykk.

Oppfinnelsen har som formål å foreslå en fremgangsmåte og en reaktor som i forhold til teknikkens stand vil fungere ved et gjennomsnittlig lavere temperaturnivå med høyere eksergetisk virkningsgrad og frembringe en forgassingsgass som er fri for hydrokarbon og klorhydrokarbon (dioksiner, furaner) og som kan utnyttes som brenngass for strømning, som syntesegass eller som reduksjonsgass i en hete med malmreduksjon.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen med særtrekkene ifølge de selvstendige kravene 1 og 13. De øvrige uselvstendige kravene 2-12 og 14-22 gjelder utførelses-former av oppfinnelsen.

Formålet er oppnådd ved at reaktoren er slik konstruert at den fysikalske varme opprettholdes på et høyt temperaturnivå med bare minimale tap og utnyttes for øking av den kjemisk bundne varme. Derved bringes brennstoff og/ eller gass av brenntemperatur i rotasjon først ved brenner-utgangen eller ved brennkammerinngangen, hvilket medfører at varme slaggdråper slynges mot kammerveggen og bortflyter langs denne til et slaggtrau på brennkammerbunnen. Brennkammerveggen holdes derved på et slikt temperaturnivå at det på veggen avsettes et sjikt av størknet slaggsmelt med ytterligere, ovenpåliggende og avrennende slagg og for dette omspyles av (reflektert) forgassingsgass.

Brennkammerbunnen er utstyrt med en midtåpning hvorigjennom den frigjorte gass fra slaggdråpene utstrømmer som dykkestråle og innløper i flygestrømforgasseren. Slaggen som nedstrømmer langs kammerveggen, oppsamles i trauet som omgir åpningen og som fortrinnsvis er utstyrt med radiale avløpsrenner, og flyter parallelt med gassen i flygestrøm-forgasseren. Gassutløpet er derved utformet som kanal, hvorved forgassingsgassen laminariseres. Dette medfører gode resultater. For det første blir det bortflytende slagg akselerert mot vannbadet ved foten av forgasseren, og for det andre blir den nedadutstrømmende gass i forgasseren opprettholdt relativt lenge som stråle, hvorved denne, av-bremses av seg selv ovenfor vannbadet grunnet fortetnings-effekter og avbøyes oppad (reflekteres) og deretter ledes oppad parallelt med dykkestrålen ved forgasserveggen. I den nedadrettede gasstråle innblåses det karbonholdige for-brenningsstøv under reduserende betingelser, medføres først synkende og når deretter inn i den mantelformet oppad-rettede gassdel, idet anordningens dimensjonering og strøm-ningshastigheten er bestemt med henblikk på vidtgående forgassing av forbrenningsstøvet.

Rundt gassutløpet kan det, for hemming av retursammen-blandinger av den oppadstrømmende gassandel med den ut-strømmende stråle, være anordnet en mantel av temperatur-fast stål eller keramikk, hvorigjennom brennstoffstøv kan tilføres gjennom lanser.

Den oppadstrømmende gass innføres, f.eks. gjennom en ledeinnretning, i et mellomrom mellom et ytterhylster på anordningen og brennkammermantelen, hvor den forårsaker en varmeutjevning og forlater anordningen gjennom forgassings-gassutløpet.

Anordningen er utstyrt med en varmebeskyttelses-kledning og fortrinnsvis avkjølt.

Den oppstående gass er av høy kvalitet og kan anvendes direkte.

Innen den oppadstrømmende gassen innløper i varmeutjevningskanalen, kan den bråkjøles ved innsprøyting av vann eller kaldgass, f.eks. ved ustabile driftsforhold.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende i tilknytning til den medfølgende tegning.

Det anvendes en kombinasjonsbrenner 1 som opptar varme, gassformede og ulmende produkter, deriblant damp-formede bestanddeler, så som tjære, olje, vann og støv gjennom innløpsstussen til ulmeproduktkanalen 4 og leder disse inn i brennkammeret 9 ved hjelp av en skruebeveg-elsesanordning 33. I kombinasjonsbrennerens ulmeprodukt-kanal anvendes rør for tilførsel av restkoks, aske og til-slag 8 i reaktoren, slik at de mineralske bestanddeler som skal oppsmeltes i brennkammeret 1 innslynges mot sideveggen av brennkammeret 1 dreiende, oppvarme og i flytende form. For den understøkiometriske forbrenning til forgassingsmiddel over askesmeltetemperaturen er kombinasjonsbrenneren 1 utstyrt med ytterligere tilførselskanaler for oksygen 7 eller luft 3 som, på samme måte som ulmeproduktene innføres i brennkammeret 1 ved hjelp av skruebevegelsesanordninger

33 for hurtigere omsetning med ulmeproduktene til forgassingsmiddel og for smelting av de mineralske bestanddeler i restkoksen, asken og eventuelt tilslagene. For å

forhindre kritisk varmeinnføring i uavkjølte konstruksjons-deler er tennbrennstofftilførselen 2, tennlufttilførselen 5 og tenninnretningen samt tennovervåkingen 6 som kreves for igangsetting og oppvarming, innebygd i kombinasjonsbrenneren, hvor disse elementer er beskyttet mot andre, strømmende medier under stasjonær forgassingsdrift.

Det kan også anvendes en kjent skruebevegelsesbrenner for karbonforbrenningsstøv.

Brennkammeret 9 blir drevet ovenfor smeltetemperaturen for de mineralske bestanddeler av restkoksen, asken og tilslagene. Veggen i brennkammeret 9 er varmeledende slik at mot denne løper slagg til et beskyttelsessjikt ifølge varmeavleding størknet utad og derover flytende slagg på grunn av temperaturen i brennkammeret 9. Bunnen av reak-sjonsrommet 10 utformes med slaggoppfangingstrau med inn-arbeidede avløpsrenner 12, at et slaggebad 13 kan dannes, som på grunn av den direkte kontakt mellom slaggen og forgassingsmidlet 11 og gjennom likestrømmen med forgassingsmidlet 11 også alltid sikrer slaggeflyten gjennom gassut-løpet 34. Forgassingsmidlet 11 som under forgassings-betingelser utvikles understøkiometrisk i brennkammeret 9, tjener grunnet sin høyt innstilte CO2- og I^O-gehalt som forgassingsmiddel i den endoterme flygestrømforgasser 14. Den med forgassingsmidlet 11 innbrakte, følbare varme utnyttes for dekning av den endoterme forgassingsreaksjon mellom brennstøv og forgassingsmiddel. Av den grunn blir lanser 15, 17 anordnet for forbrenningsstøvet i reaktoren. Forgassingsmidlet 11 trer som dykkstråle 16 i den endoterme svevestrømforgasser 14 og påskynder de medrevne slaggdråper 18, slik at de innført i vannbadet 19, størkner dertil eluasjonsfast granulat. Slaggutløpet 22, vanninnløpet 21 og -overløpet 20 er anordnet for mediefjerning og supplering av fordampet vann. De danner, sammen med vannbadet 19, den nedre avslutning av den endoterme flygestrømsreaktor 14.

Videre kan dykkstrålen stabiliseres og en retursammen-blanding med den reflekterte gass som mantelformet strømmer oppad parallelt med kammerveggen, hemmes ved at det, nedenfor gassutløpet 34, anordnes en mantel 35 av varmebestandig stål eller keramikk hvor de gjennomgående forbrenningsstøv-lanser 15 er innført. Ytterligere lanser 17 kan befinne seg nedenfor de andre.

Den utførte konstruksjon sikrer ved tilføringen av oksygenfritt forgassingsmiddel 11 samt til forgassende for-brenningsstøv i den endoterme svevestrømsreaktor 14 og, gjennom den høye forgassingstemperatur over 500°C, at intet oksygengjennombrudd kan inntre i kalde reaktorområder.

For oppvarming av forgassingsgassen 23 som er avkjølt ved den endoterme forgassing tjener varmeutjevningskanalen 26 med eventuelt innmonterte ledeinnretninger 24. De på-fører forgassingsgasstrømmen 23 en virvelskruebevegelse som øker avledingen av konvektiv varme fra sideveggen av brennkammeret 9 slik at brennkammerinnerveggen avkjøles under slaggets smeltetemperatur og derved danner seg et beskyttelsessjikt av størknet slagg. I tillegg øker avkjølingen av brennkammerveggen ved hjelp av kjøleinnretningen 27 som forsynes gjennom kjølemiddelinnløp og -utløp 28 og 29. For senking av forgassingstemperaturen som skal ligge mellom 500 og 1.200°C, er det anordnet en innretning 30 for brå-kjøling av forgassingsgassen og med påmonterte kjøledyser 31. Gjennom det ildfast kledde forgassingsgassutløp 25 forlater forgassingsgassen reaktoren.

Med videre utforming av flertrinnsreaktoren mulig-gjøres en betydelig utvidet bruk av reaktoren. Således kan ved utskifting av restkoks-/aske- og forbrenningsstøv-lansene 8, 15 og 17 av deler av kombinasjonsbrenneren og kjøledysene 31 skapes muligheter for fremmedmineralske, eventuelt kontaminerte stoffer men også malm, innsmelting og forgassing av fremmede finkornede brennstoffer, egen forbrenningsgass eller å benytte fremmed transportgass for dosering eller for kjøling med forskjellige medier så som vann, vanndamp eller kaldgass.

Det er også tatt hensyn til utformingen av et trau for samling av den smelt som avflyter fra brennkammeret 9 i flytende form, som istedenfor vannbadet 19 da danner den nedre avslutning av den endoterme flygestrømforgasser 14.

For kjemisk og termisk beskyttelse blir reaktoren forsynt med en ildfast-levering 32. Den er imidlertid også konsipert med varmefast, korrosjonsbestandig materiale og termisk ytterisolering for trykk til 10 MPa.

For sikring mot et gjennombrudd av brennkammeret 9 i den endoterme flygestrømforgasser 14 er den nedre del av varmeutjevningskanalen 26 utformet konisk.

Litteratur:

[1] CARL/FRITZ: "NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN" EF-Verlaug fur Energie- und Umwelttechnik GmbH, 1994.

[2] LUCAS et al: "Ein Vergleich von Kohlevergasungs-verfahren unter Druck in der Flugstaubwolke" Chemische Technik, 1988, hefte 7, p 277-282.

Referansetegnsliste

Claims (22)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av brenn-, syntese- og reduksjonsgass av reproduktive og fossile brennstoffer, andre biomasser, avfall eller slam ved forbrenning i en brenner (1) under tilsetting av gassformet oksygen og/eller oksygenholdige gasser i understøkiometriske forhold over smeltetemperaturen for de anorganiske andeler til CC^- og H20-holdige forgassingsmidler, karakterisert ved at brennstoff og/eller gass ved innstrømning i et brennkammer (9) påføres rotasjon og de flytende, mineralske bestanddeler slynges mot en stort sett vertikalt anordnet brennervegg og avskilles fra det derved oppstående forgassingsmiddel, forgassingsmidlet ledes gjennom en midtåpning i bunnen av brennkammeret (9) i en forgassingsreaktor og derved danner en dykkstråle, de fraskilte flyktige bestanddeler bortledes gjennom midtåpningen i bunnen av brennkammeret (9) og derved medrives som slaggdråper av forgassingsmiddeldykkstrålen og akselereres mot reaktorbunnen, hvor de samles og avledes av denne, hvor det i forgasseren (14) tilføres karbonholdig for-brenningsstøv til forgassingsmidlet, idet karbondioksid reduseres til karbonmonoksid og vanndamp til hydrogen under den igangværende forgassingsreaksjon, og gassdykkstrålen (16) ombøyes ovenfor reaktorbunnen og den frembrakte forgassingsgass i øvre del av reaktoren avleder og til brenn-, syntese- eller reduksjonsgass under etterfølgende avstøving og kjemisk rensing blir oppbevart.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at brennstoffene allotherm eller autotherm blir oppvarmet fra 300 til 800°C hvorved produktene før tilføringen til brennkammeret (9) i gassformede og faste karbonholdige brennstoffer f.eks. ulmegass og trekull tilføres separat og adskilt og i tilknytning til metoden.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at de faste kullstoffholdige brennstoffer males til forbrenningsstøv.

4. Fremgangsmåte i samsvar med kravene 1 til 3, karakterisert ved at en del av brennerens (1) varmebehov dekkes ved varmeutveksling med forgassingsgassen og/eller brenn-, syntese- eller reduksjonsgassen.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4, karakterisert ved at forbrenningsgassen føres gjennom rommet mellom reaktorveggen og en ytre brennkammervegg og opptar en del av varmen som skal avledes fra brennkammeret .

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5 eller 6, karakterisert ved at den varme forgassingsgass før innstrømningen i rommet eller i rommet mellom reaktorveggen og den ytterste brennkammervegg avkjøles.

7. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at slaggen samles i et vannbad på reaktorbunnen og avledes derfra.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 6, karakterisert ved at kjølingen foregår direkte ved bråkjøling med vann, vanndamp og/eller kaldgass eller ved hjelp av en kjøleflate som er forbundet med reaktorveggen eller deres utmuring.

9. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 8, karakterisert ved at fremre mineralske stoffer og/eller malm tilsettes og ved brenning innsmeltes i de karbonholdige faste brennstoffer.

10. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 3-9, karakterisert ved at det i forbrennings-støvet tilsettes fremmede finkornige brennstoffer.

11. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-10, karakterisert ved at brennstøvet blåses gjennom én eller flere lanser inn i dykkerstrålen, fortrinnsvis umiddelbart nedenfor brennkammerbunnen.

12. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-11, karakterisert ved at slagget samles i et slaggoppfangertrau på bunnen av brennkammeret og tilføres midtåpningen gjennom avløpsrenner.

13. Anordning for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-12, bestående av en kombinasjonsbrenner (1) samt et nedenunder anordnet brennkammer (9) med tilføringer av brennstoff og gass (2, 3, 4, 5, 7, 8), karakterisert veda) at ved foten av brennkammeret (9) er det anordnet en skruebevegelsesinnretning (33) hvorover brennstoffene og gasser ut fra kombinasjonsbrenneren (1) ledes nedad til et gassutløp (34) midt i bunnen, b) at gassutløpet i dets øvre ende er omsluttet av et slaggtrau (12), c) at nedenfor gassutløpet (34) befinner det seg en endoterm flygestrømforgasser (14) med et slaggtrau (19) og et slaggutløp (22), og d) at nedenfor gassutløpet (34) er det anordnet brenn-støvlanser (15) som rager inn i forgasseren (14).

14. Anordning i samsvar med krav 13, karakterisert ved at gassutløpet (34) er omsluttet av en mantel (35) av temperaturbestandig materiale

15. Anordning i samsvar med krav 13 eller 14, karakterisert ved at øvre (15) og nedre brennstofflanser (17) er anordnet hvorav de øvre (15) er ført gjennom mantelen (35).

16. Anordning i samsvar med et av kravene 13-15, karakterisert ved at den endoterme flyge-strømforgasser (14) er omgitt av en varmebeskyttelses-kledning (32).

17. Anordning i samsvar med et av kravene 13-16, karakterisert ved at varmebeskyttelses-kledningen omgir brennkammeret (9) med avstand under dannelse av en varmeutligningskanal (26) i form av et ringkammer.

18. Anordning i samsvar med et av kravene 13-17, karakterisert ved at varmebeskyttelses-kledningen (32) er forsynt med en kjøleinnretning (27) i sonen ved brennkammeret (9).

19. Anordning i samsvar med et av kravene 13-18, karakterisert ved at det i ringkammeret eller varmeutjevningskanalen (26) er anordnet ledeinnretninger (24).

20. Anordning i samsvar med et av kravene 13-19, karakterisert ved at det i den øvre sone av den endoterme flygestrømforgasser (14) og/eller i varme-ut j evningskanalen er anordnet bråkjølingsinnretninger (30).

21. Anordning i samsvar med et av kravene 13-20, karakterisert ved at slaggtrauet (12) er utformet kjegleformet og med avløpsrenner for slagget.

22. Anordning i samsvar med et av kravene 13-21, karakterisert ved at bunnen av brennkammeret (9) er utført konusformet og flygestrømforgasseren (14) som gjennombruddssikring omfatter en motkonus som med avstand omgir brennkammerbunnen.