NO844797L - Fremgangsmaate ved forgassing av et karbonholdig materiale. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for generering av en hovedsakelig CO og inneholdende varm gass fra et karbonholdig utgangsmateriale som i finfordelt form ved hjelp av en transportgass sammen med oksydasjonsmiddel og eventuelle slaggdanneré innføres i et forgasningskammer, og hvilket utgangsmateriale i nevnte kammer partielt forbrennes og i det"minste partielt forgasses.

Generering av reduksjons- eller brenngass basert på et innhold av karbonoksyd og hydrogengass skjer idag jned flere typer fremgangsmåter som arbeider etter helt forskjellige prinsipper, men som alle er beheftet med visse ulemper. Den nødvendige energi genereres som regel ved forbrenning av ett i et tomt kammer injisert karbonholdig utgangsmateriale med oksydasjonsmiddel. For å dekke varmebehovet ved fremgangsmåten "må en viss del av dannet CO og H2forbrennes til CO2og H2O, hvilket fører til at gassen oppviser høyere innehold av karbondioksyd og vann enn hva som er ønsket.

Dette fører til at den ved kjente karbonforgasningsprosesser genererte gass i et separat etterfølgende trinn må befris fra en del av sitt karbondioksydinnhold, hvilket innebærer at gassen først må kjøles for siden igjen å oppvarmes. Ved andre fremgangsmåter anvendes så lave temperaturer at dan-nelse av tjære og fenoler oppstår, hvilket fører til at gassen må vaskes for siden igjen å oppvarmes for å kunne anvendes i etterfølgende prosesstrinn.

På bakgrunn av ovenfor nevnte er hovedformålet med foreliggende oppfinnelse å frembringe en fremgangsmåte for generering av en hovedsakelig karbonoksyd og hydrogen inneholdende varm reduksjons- eller brenngass, hvilken fremgangsmåte medfører styring av den genererte gassens utgangstempera-tur og sammensetning likesom fremgangsmåten også skal gi en optimal energiutnyttelse.

Dette og andre formål oppnås ved fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse, som hovedsakelig kjennetegnes av at utgangsmaterialet partielt forbrennes og i det minste delvis forgasses i et forgasningskammer, at den derved resulterende gassblanding deretter innføres i en sjakt som inneholder et sjikt av stykkeformet karbonholdig materiale, at det fysiske varmeinnhold i den fra forgasningskammeret kommende gass utnyttes for i koksbedet å redusere inneholdt karbondioksyd og vann i gassen og at gassgenereringsfrem-gangsmåten styres slik at den avgående gass oppviser en temperatur og en sammensetning som er tilpasset til et etter-følgende prosesstrinn.

Som oksydas jonsmiddel kan anvendes 02, C02, H20, luft eller forskjellige vilkårlige blandinger derav.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen genereres den nødven-dige varmeenergi i forgasningskammeret ved tilførsel av et overskudd av luft og/eller oksygengass med høyst ca. 20 % H2O, som reagerer oksotermt eller autotermt med en del av det karbonholdige "utgangsmateriale.

Ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen tilføres ekstern varmeenergi til forgasningskammeret. Herved kan den eks-terne varmeenergi tilføres ved hjelp av i plasmageneratorer opphetet gass, hvilken fortrinnsvis velges fra en gruppe bestående av 02, H20,. luft resirkulert CO + H2+ C02+ H20 inneholdende gass eller blandinger av to eller flere i gruppen inngående komponenter.

I henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen utgjø-res transportgassen av oksydasjonsmiddel.

Ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen genereres for jtiaterialinnmatning og/eller som bæregass utnyttet damp helt eller delvis ved hjelp av i et trykksatt kjølevannsystem i vannkjølte deler av anordningen oppvarmet kjølevann og/eller ved utnyttelse av den fysiske varme i den genererte gass.

Ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen utnyttes

det fysiske varmeinnholdet i den fra forgasningskammeret kommende gassblanding for å omdanne i kokssjiktet eksternt injisert gass som inneholder karbondioksyd og/eller vann til karbonoksyd og hydrogengass.

Ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen styres hele

gassgenereringsprosessen ved gassanalyse med hensyn til oksygenpotensialet i gassblandingen før og/eller den kokssjiktinneholdende sjakt.

I henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen mates slagget ut separat fra forgasningskammeret respektive den kokssjiktinneholdende sjakt. Alternativt skjer slaggutmat-ningen i fellesskap fra sjakten.

I henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen skjer tilsetningen av svovelakseptor ved injeksjon i pulverform i forgasningskammeret og/eller i stykkform i kokssjakten.

i •

Ifølge en ytteligere utførelsesform av oppfinnelsen bibringes materialet som injiseres i forgasningskammeret en roterende bevegelse, hvorved tilveiebringes et på forgasningskammerets innervegger beskyttende slaggsjikt.

Ytterligere kjennetegn, fordeler og utførelsesformer av oppfinnelsen vil fremgå av nedenforstående detaljerte beskri-velse.

Fremgangsmåten er naturligvis ikke begrenset til bare ett forgasningskammer pr. sjakt, men fortrinnsvis er flere for-gasningskamre anordnet i tilslutning til en koksfylt sjakt.

Store fordeler er forbundet med å gjennomføre en større del av forgasningsreaksjonene i et forgasningskammer og siden sluttføre reaksjonene i et kokssjikt.

Således kan forgasningen gjennomføres ved en høy temperatur, som alltid skal ligge over slaggets smeltepunkt og som regel over ca. 1400°C, hvoretter gassens fysiske varmeinnhold kan utnyttes i den etterfølgende sjakt for å gjennomføre karbureringsreaksjonene, hvilke opphører ved ca. 1000°C.

Som antydet foran kan varmeoverskuddet i gass utnyttes på flere forskjellige måter. Slik kan et relativt høyt innhold av karbondioksyd tillates i den i forgasningskammeret genererte gass, hvilken siden ved utnyttelse av gassens fysiske varmeinnhold omdannes til karbonoksyd i kokssjiktet.

Fordelen ved å arbeide med forhøyet CC^-innhold i forgas-ningstrinnet er at det med høyt CC^-innhold følgende høyere oksygenpotensial gir en høyere reaksjonshastighet mellom brenslet og oksydasjonsmidlet, samtidig som fremgangsmåten bringes til å arbeide lengere fra sotningsgrensen.

En annen eller kompletterende måte å utnytte varmeoverskuddet på, er å injisere karbondioksyd og/eller vann i kokssjiktet. Dette kan eksempelvis skje ved at man utnytter en delvis forbrukt resirkulasjonsgass med høyt innhold av karbondioksyd og vann.

Kokssjiktet fyller en rekke viktige funksjoner som antydet ovenfor og som nærmere skal beskrives nedenfor.

Kokssjiktet fanger opp eventuelle kokspartikler og slaggdrå-per, som føres med gassblandingen fra forgasningskammeret. Disse oppfangete partikler og dråper kommer siden til å tilbakeføres i prosessen i den takt koksen i kokssjiktet forbrukes, hvorved en meget høy utnyttelsesgrad av brenslet oppnås.

Kokssjiktet fungerer videre som et varmemagasin, som utjevner eventuelle variasjoner i tilført varmemengde i forgasningskammeret og samtidig fungerer kokssjiktet som karbon- forråd og utjevner som sådant eventuelle variasjoner i mengden tilført karbonholdig materiale i forhold til mengden tilført oksydasjonsmiddel. Dette innebærer igjen minsket eller praktisk talt en helt eliminert eksplosjonsrisiko, uan-sett om rent oksygen skulle tilføres uten at tilsvarende mengder karbonholdig materiale tilføres i forgasningskammeret. Dette med eksplosjonsrisikoen er vanligvis ellers et meget alvorlig problem.

Brenslet eller det karbonholdige utgangsmateriale tilføres

i finfordelt form. Når utgangsmaterialet utgjøres av pulverformig, fast materiale kan dette ifølge den foretrukne utfø-relsesform av oppfinnelsen injiseres eksempelvis ved hjelp av vanndamp.

Det karbonholdige utgangsmateriale kan velges fra en gruppe bestående av olje, karbon, koks, trekull, gass, torv, tre-pulver og forskjellige blandinger derav. Dette innebærer store økonomiske fordeler sammenlignet med hittil kjente for-gasningsprosesser, som alle er begrenset med hensyn til valg av utgangsmateriale. Koksforbruket holdes nede for en stor del ved at oksydasjonsmidlet tvinges til å reagere med det karbonholdige materiale i forgasningskammeret innen det når den varme og dermed reaktive koks.

Når bare forbrenning utnyttes for generering av den for reaksjonene nødvendige varme, begrenses man av reaksjonenes var-mebalanse som fører til et relativt høyt karbondioksydinnhold, og som tidligere har innebåret at karbondioksyd måtte fjernes fra gassen i et separat etterfølgende prosesstrinn. Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen byr dette ikke på

noe problem. Når oksygengass anvendes som oksydasjonsmiddel med tilsetning av f^O oppstår ved en vanninnblanding på

ca. 20% autoterme betingelser, dvs. reaksjonene skrider frem, men det genereres ingen overskuddsenergi. Ved å til-føre ekstern varmeenergi erholdes et energioverskudd som i likhet med det ovenfor beskrevne siden kan utnyttes i

det etterfølgende kokssjikt. Herved kan man utnytte elektrisk energi og da fortrinnsvis ved anvendelse av plasmageneratorer, i hvilke en bæregass opphetes meget kraftig ved å passere gjennom en mellom elektroder i plasmageneratoren dannet elektrisk lysbue. Bæregassen er herved i den foretrukne utførelsesform oksygengass og vanndamp, men som bæregass kan også utnyttes f.eks. vanndamp, en blanding av H2O og oksygengass, ren oksygengass eller eventuelt luft.

Tilførsel av ekstern energi muliggjør f.eks. anvendelse av en forbrukt reduksjonsgass som inneholder høye innhold av karbondioksyd og vann som oksydasjonsmiddel.

Ifølge en foretrukken utførelsesform kan fremgangsmåten styres ved at man registrerer innholdet av C02eller C^-parti-altrykket i den genererte gass umiddelbart etter forgasningskammeret før innførsel i kokssjiktet og/eller i gass-utløpet etter kokssjiktet. Analysen umiddelbart etter forgasningskammeret utnyttes fortrinnsvis for å regulere for-holdet mellom innmatet karbonholdig materiale og oksydasjonsmiddel og eventuelt også den utgående gassens temperatur, ved at analysen av gassen etter kokssjiktet utnyttes for å styre mengden innmatet C02og/eller H20 i kokssjiktet. Herved kan man altså produsere en ferdig gass som har den sammensetning og temperatur som man ønsker for en etter-følgende prosess, som f.eks. kan være en jernsopp-prosess, samtidig som man kan oppnå en nær idealistisk energioppti-mering.

På grunn av de høye temperaturer som utnyttes i prosessen, må i det minste deler av sjakten likesom hele f orgasningskammeret, samt de derved anvendte brennere være vannavkjølte. Ved å anordne kjøle-systemet å arbeide under trykk, fortrinnsvis i størrelsesor-denen 5-6 bar overtrykk, kan det oppvarmete kjølevann utnyttes for å generere damp, som siden kan utnyttes som bære- og/eller transportgass. På denne måte kan altså kjø-levarmetapene utnyttes.

Forgasningskammeret skal fortrinnsvis være utformet med i det vesentlige sirkulære innervegger, hvorved ifølge oppfinnelsen gass- og materialstrømmene som innføres i forgasningskammeret kan bringes til å rotere. Herved avskil-les slaggpartikler og avsetter seg som et beskyttende sjikt på forgasningskammerets innervegger. Tykkelsen av dette slaggsjikt bestemmes av den termiske balanse mellom til kjølekappen bortført varmeenergi og til slaggoverfla-ten ved konveksjon og stråling tilført varmeenergi. Over-skytende slaggmengde renner ut gjennom et slaggutløp som kan være anordnet separat for forgasningskammeret alternativt være felles med sjaktens slaggutløp.

Slaggdannere og/eller svovelakseptorer kan injiseres i forgasningskammeret i finfordelt form sammen med det karbonholdige materiale eller separat og/eller det kan inn-føres sammen med det stykkeformige, karbonholdige materiale i sjakten og derved inngå som en del i kokssjiktet.

For å bevirke en rask og effektiv omblanding mellom den i plasmageneratoren genererte varme gass og det tilførte, pulverformige karbonbærende brensel innføres den hete gassen ved plasmageneratorens munning inn i forgasningskammeret, hvilket oppnås ved at bæregassen bibringes en roterende bevegelse under passasjen gjennom plamagenerato-ren ved at det pulverformige brensel bibringes en roterende bevegelse før det trer inn i forgasningskammeret, og/ eller ved at plasmageneratoren og/eller tilførselsanord-ningen for karbonholdig brensel anordnes å munne ut tangensielt i forgasningskammeret. Herved oppnås at den hete gassen ekspanderer når den trer inn i forgasningskammeret og at den turbulente bevegelse gir en ekstremt kort blandingsstrekning.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere i tilslutning til vedlagte tegning, på hvilken vises en utføresesform av en anordning for gjennomføring av prosessen i henhold til opp f innel s en.

På figuren vises en forgasningsanordning med ett med 1 betegnet forgasningskammer og en med 2 betegnet sjakt med en koksfylling 3.

Forgasningskammeret 1 oppviser en ytre, vannavkjølt kappe

4, og en ildfast foring 5 og er fortrinnsvis utformet i det vesentlige sylindrisk. Fortrinnsvis er flere forgasnings-kammere anordnet i tilslutning til en sjakt.

Sjakten 2 oppviser et nedre slaggutløp 6 og et øvre gassut-løp 7. Stykkeformig koks tilføres til sjakten gjennom en i sjaktens topp munnende tilførselsanordning 8, som er anordnet gasstett. Forgasningskammeret 1 munner ut i sjaktens nedre del hvorfra gassen passerer opp gjennom kokssjiktet og ut gjennom gassutløpet. I den viste utførelsesform er dessuten slaggutløpet 6 felles for såvel forgasningskammeret som for sjakten.

I tilslutning til forgasningskammeret er anordnet i det minste én brenner som i den viste utførelsesform utgjøres av en plasmagenerator 9. Plasmageneratoren er tilsluttet til forgasningskammeret via en véntilanordning 10. Oksydasjonsmiddel innføres i plasmageneratoren ved en tilførselsledning 11. Oksydasjonsmidlet kan utgjøres av bæregass som ledes gjenom plasmageneratoren, alternativt kan en separat bæregass utnyttes. Den i plasmageneratoren genererte hete, turbulente gass innføres i forgasningskammeret gjennom plasmageneratoren munning 12. Det karbonholdige brensel som fortrinnsvis foreligger i pulverform, innføres gjennom en til-førselsledning 13 inn i en konsentrisk rundt om plasmageneratorens munning anordnet ringspalte 14 og/eller en lanse 15 som også kan utnyttes for tilførsel av eventuelt til-setningsmiddel, som til eksempel slaggdannere.

I sjakten er videre anordnet lanser 16, 17 for tilførsel

av eventuelt ytterligere oksydasjonsmiddel, såsom f.eks. H20, C02, for utnyttelse av fysisk oveskuddsvarme i gassen.

Dette gjør det da også mulig å regulere gassens temperatur og sammensetning.

I forgasningskammerets ved koksfyllingens beliggende ende er anordnet en første tappeanordning 18 og i gassutløpet 7 fra sjakten er anordnet en andre tappeanordning 19 for temperaturmåling og/eller gassanalyse. Ved hjelp av disse to tappeanordninger kan prosessen styres ved regulering av tilført ekstern energi og/eller ved variasjon i de tilførte materialstrømmer.

Figuren viser således bare én utførelsesform av en anordning for gjennomføring av prosessen ifølge oppfinnelsen. Mange andre løsninger kan tenkes. F.eks. kan plasmageneratorene alternativt brennerne være anordnet tangensielt på forgasningskammerets periferi og da anordnet slik at en sirku-lerende strømning oppnås i forgasningskammeret. Videre kan forgasningskammeret for å lette slaggutskillelsen være anordnet vertikalt likeledes som forgasningskammeret og sjakten utnytte separate slaggutløp.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for generering av en hovedsakelig CO og H2 inneholdend het gass fra et karbonholdig utgangsmateriale som i finfordelt form ved hjelp av en transportgass sammen med oksydasjonsmiddel og eventuelle slaggdannere innføres i et forgasningskammer og hvilket utgangsmateriale i nevnte kammer partielt forbrennes og i det minste partielt forgasses, karakterisert ved at utgangsmaterialet partielt forbrennes og i det minste delvis forgasses i et forgasningskammer, at den derved resulterende blanding innføres i en sjakt som inneholder et sjikt av stykkeformet, karbonholdig materiale, at den fra forgasningskammeret kommende blandings fysiske varmeinnhold utnyttes for å i kokssjiktet redusere innholdet av karbondioksyd og vann i gassen, og at gassgenereringsprosessen styres slik at den utgående gass oppviser en temperatur og en sammensetning som er tilpasset til et etterfølgende prosesstrinn.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at oksydas jonsmidlet er 02 , H2 °' C02' -'-u^t eHer blandinger derav.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, karakterisert ved at nødvendig energi genereres i kammeret ved tilførsel av ét overskudd av luft og/eller oksygengass med høyst ca. 20 % H2 0, som reagerer eksotermt eller autotermt med en del av det karbonholdige utgangsmateriale.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, karakterisert ved at ekstern varmeenergi tilføres til forgasningskammeret.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakter i- sert ved at ekstern varmeenergi tilføres ved hjelp av i plasmageneratorer oppvarmet bæregass.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at bæregassen velges fra en gruppe bestående av 02 , H2 0, luft tilbakesirkulert CO + H2 + C02 + H2 0 inneholdende gass, eller blandinger av to eller flere komponenter i gruppen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1-6, karakterisert ved at transportgassen består av oksydas jonsmidlet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1-6, karakterisert ved at resirkulasjonsgassen utnyttes for in-jinsering av pulverformig, karbonholdig utgangsmateriale.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1-8, karakterisert ved at eventuelt for materialinnmatning og/ eller som bæregass utnyttet vanndamp helt eller delvis genereres ved hjelp av i et trykksatt kjølesystem i vannav-kjølte deler av anordningen opphetet kjølevann.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1-9, karakterisert ved at den hete fra plasmageneratoren kommende bæregass bibringes en roterende bevegelse innen den innføres i forgasningskammeret og at pulverformig karbonholdig brensel innføres konsentrisk rundt den i forgasningskammeret innstrømmende hete gass.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 1-10, karakterisert ved at den fra forgasningskammeret kommende gassblandings fysiske varmeinnhold utnyttes for å omdanne i kokssjiktet ekternt injisert gass inneholdende karbondioksyd og/eller vann til karbonoksyd og hydrogengass.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1-11, karakterisert ved at gassgenereringsprosessen styres ved gassanalyse med hensyn til karbondioksydinnholdet eller oksygenpotensialet i gassblandingen før og/eller etter den kokssjikt inneholdende sjakt.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1-12, karakterisert ved at slagget mates ut separat fra forgasningskammeret respektive den kokssjiktinneholdende sj akt.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 1-13, karakterisert ved at slagget fra forgasningskammeret mates til sjakten hvorfra den felles slaggmengde avtrekkes.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 1-14, karakterisert ved at tilsetning-av svovelakseptor skjer ved injeksjon i pulverform i forgasningskammeret og/eller i stykkeform i kokssjakten.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 1-15, karakterisert ved at materialet i forgasningskammeret bibringes en roterende bevegelse for tilveiebringelse av et beskyttende slaggsjikt på forgasningskammerets innervegger.