SE426403B - Forfarande for kolforgasning - Google Patents

Description

sioszoifs Vad beträffar svårigheten att åstadkomma en hög gasproduktion är denna ,förknippad med reaktorkärlets storlek. ' / Tillförseln av reaktanter sker företrädesvis medelst ett pneumatiskt injektionssystem, där injektionen sker vid botten av reaktionskärlet.

I en process, där gas och pulver injiceras i ett smält järnbad bestäms det maximala flödet av injicerat material av systemets'förmåga att ac- cumulera gas. Kolmonoxid (CO) och vätgas (H2) bildas mer eller mindre omedelbart efter injektion och ger därvid upphov till en gasström, som desintegreras till små bubblor, som stiger mot badytan. Höjden av den bubbelkolonn, som bildas ökar med ökande tillförsel av reaktiva kompof nenter till systemet. I fallet ett järnbad med ovanpåliggande slagg, skall således den utvecklade gasen både passera genom smält metall och slagg, varigenom både metallen och slaggen kommer att öka sin höjd jäm- fört med dess nominella höjder, d.v.s. då gasutveckling ej sker. Vid ett visst injektionsflöde kommer blandningen av metall, slagg och gas att nå till reaktorkärlets övre kant, varvid metall och slagg kastas ut. När detta sker är vad man kan kalla systemets övre hydrodynamiska begränsning överskriden.

Vad beträffar foderslïtage är detta intimt förknippat med en hög gas- produktion.

Ett kärl avsett för en järnsmälta är beklätt med ett eller oftast fle- ra keramiska material, utgörande en isolering. Det keramiska materialet förslits vid kontakt med metall och slagg. Förslitningsmekanismerna kan i huvudsak indelas i kemiskt sönderfall, erosion och termisk spaltníng.

Erosionen är mycket kraftig vid en process av här avsett slag och har visat sig vara direkt beroende av det volymetriska gasflödet genom re- aktorkärlet. Skälet till detta är att en hög gasutveckling, d.v.s. ett stort volymetriskt flöde, ger en kraftig omrörning av badet.

Förgasning av kol till CO och H2 ger ett värmeenergitillskott till sys- temet, medan spaltning av järnoxider är en endotermisk reaktion. Det är emellertid önskvärt att producera relativt stora mängder råjärn i reak- torkärlet, enär man då bl.a. erhåller en fördelaktig omsättning av järn- badet.

En hög råjärnsproduktion är fördelaktig dels därför att järnsmältan upp- tager föroreningar från injicerat kol, dels därför att en relativt hög råjärnsproduktion är en förutsättning för att göra processen ekonomiskt ww. . 8103201-3 försvarbar.

Erforderligt värmeenergitillskott genom kolförgasningsreaktionen är emel- lertid av sådan ordning att stora mängder kol jämfört med badvolymen mås- te förgasas för att reduktion av erforderliga järnoxider skall kunna ske.

De tre ovan diskuterade problemen skulle således lösas om gasproduktionen kunde hållas hög i förhållande till badvolymen.

Stoftbildning är ett stort och på ett sätt avgörande problem vid kolför- gasning. Det är sedan längd känt att stora mängder järn bortgår vid injek- tion av syrgas i ett kolhaltigt järnbad. Vid toppblåsning, medelst det s.k. LD-förfarandet, kan huvuddelen av stoftbíldningen förklaras med den s.k. bubbelbristningsteorin.

Om injektionen däremot sker från botten eller från sidan av reaktorkärlet har det befunnits att järn förångas vid fasgränsytorna mellan metall och gas, på grund av den mycket höga temperatur, som uppstår vid reaktionen mellan injicerad syrgas och kol. Förångningen av järn sker vid de fasgräns- ytor, som ej är täckta av järnoxid.

Samtliga de ovan nämnda problemen elimineras, eller i vafiefall kraftigt reduceras, medelst föreliggande uppfinning.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett förfarande för förgas- ning av kol (C) i form av kol, kolväten och/eller kolväteföreningar inne~ fattande att i ett reaktorkärl innehållande en järnsmälta genom injektion under järnsmältans yta införa kol, syrgas och järnoxider, där järnoxider- na utgör ett kylmedel och är avsedda reduceras och där kol injiceras i ett stökiometriskt överskott relativt i smältan ingående syre i form av oxider samt där järnsmältan har sådan kolhalt att den inlöser kol och utmärkas av att reaktorkärlet bringas att ha ett inre totalt tryck av 2 till 50 bar, företrädesvis Å till 10 bar.

Reaktorkäriet utföres helt avtätat mot omgivningen, så när som på ett gas- utsläpp och injektionsformor. Lämpligen utföres gasutsläppet med en regler- bar strypning för att möjliggöra en reglering av trycket i reaktorkärlet.

Nedan beskrives uppfinningen närmare delvis i samband med bifogade ritnin g där - fig. l visar ett diagram över stofthalt avsatt mot totalt tryck i reak- torkärlet. - fig. 2 visar ett diagram över stofthalt avsatt mot svavelhalt í badet. 8103201-3 Enl. föreliggande uppfinning bríngas reaktorkärlet att arbeta med ett övertryck. övertrycket (totalt tryck) kan vara från c:a 2 bar till 50 bar beroende på avsedd kapacitet, storlek på reaktorkärl etc. Emeller- tid är ett föredraget tryckíntervall omkring Å till 10 bar och speci- ellt omkring 6 till 8 bar.

Den volym gas, som ackumuleras i blandningen av metall, slagg och gas beror huvudsakligen endast av det volymetriska gasflödet. Vid ett kon- stant volymetriskt flöde blir således massflödet proportionellt mot _ trycket. Mängden injicerat kol per tidsenhet kan således ökas, jämfört med när atmosfärstryck råder, i direkt proportion mot trycket utan att därvid storleken av den ackumulerade gasvolymen påverkas. Detta medför att den ovan omtalade hydrodynamiska gränsen för reaktorkärlet, d.v.s. där metall och slagg kastas ur reaktorkärlet också ökar proportionellt mot trycket. En betydligt större gasproduktion per tidsenhet möjliggö- res således genom en trycksättning av reaktorkärlet.

Ett ökat massflöde kan som nämnts åstadkommas utan att det volymetris- ka flödet ökar. Detta får i sin tur till följd att den ovan omtalade erosionen kan hållas konstant, trots ökad gasproduktion, eller fås att minska genom att sänka det volymetriska flödet trots ett massflöde, som är större än massflödet vid atmosfärstryck i reaktorkärlet. Ett minskat volymetriskt flöde ger nämligen en mindre omrörning och därmed en lägre _ erosion.

Massflödet bríngas att öka genom att en större mängd kol och syrgas in- jiceras. Den större mängden kol och syrgas medför att badet tillföres en större värmeenergimängd, vilken utnyttjas för reducering av en stör- re mängd järnoxider till råjärn. Vârmeförlusterna genom reaktorkärlets väggar bestäms av skillnaden mellan väggarnas inner- och yttertempera- tur, varför någon större värmeförlust inte uppträder så länge som ba- dets temperatur inte höjs.

En ytterligare effekt på värmebalansen erhålles genom det höjda total- trycket. När volymen av en gasformig jämviktsblandning minskas, ökar koncentrationen av samtliga komponenter och blandningens totaitryck, i motsvarande grad. Är det totala antalet moler av reaktanter och produk- ter enl. en reaktionsformel olika kommer koncentrationsbrâkets täljare och nämnare att ändras i olika grad. Systemet kommer då inte att vara i jämvikt efter tryckökningen. Jämvikten förskjutes då åt den sida, som representerar det minsta antalet moler i reaktionsformeln. 8103201-3 Den gassammansättning, som erhålles medelst föreliggande process bestäms i princip av reaktionen _13 (i re) + cozigm: 2 co(g) (1) Andelen vätgas/vattenånga kan beräknas genom den s.k. skiftreaktlonen.

H20 (g) + cum: H2 (g) + :02 (g) (2) Bringas totaltrycket att höjas kommer reaktion (1) att förskjutas åt väns- ter, vilket även förskjuter reaktion (2) åt vänster.

Utgående gas kommer vid ett förhöjt totaltryck således att innehålla en större andel C02 och H20 än vid atmosfärstryck och därmed ha en högre förbränningsgrad, vilket medför ett ytterligare värmetillskott till reak- torn. Detta ytterligare värmetillskott ger en extra reduktionspotential i reaktorn.

Emellertid kan i stället för en ökad järnreduktion i stället en ökad an- del vattenånga tillsättas, genom injektion, vilket medför en ökad andel vätgas i utgående gas och således berikar den utgående gasens kemiska vär- meinnehåll och ger gasen ett förhöjt H2/C0~förhållande. Det senare är bl.a. gynnsamt om gasen exempelvis skall användas för metanolframställning.

Stoftbildning är ett allvarligt problem vid kolförgasningsprocesser av här avsett slag. Ovan nämndes att järn förångas från fasgränsytorna mellan me- tall och gas, på grund av den mycket höga temperatur, som uppstår vid reak- tionen mellan syrgas och kol.

Den totala fasgränsytan vid konstant massflöde i systement minskar med ett ökat tryck på grund av ett minskat volymetriskt flöde. Detta medför i sin tur att förångningen och stoftbildningen minskar.

I fig. l visas, som ett exempel, ett diagram över stofthalten uttryckt i g/Nm3 avsatt mot totaltrycket uttryckt i bar. Diagrammet visar tre olika kurvor representerande olika svavelhalter i badet och varierande mängd in- jicerad syrgas. Med en triangel betecknas försök vid en svavelhalt av 0,92 2 f0,05% och en kolhalt av 0,61% É0,05% samt ett syrgasflöde av ü,2 Nl/min.

Med cirklar betecknas försök med samma svavelhalt och kolhalt men med ett syrgasflöde av 2,b Nl/min. Med kvadrater betecknas försök med en svavel- halt av 1,75% f0,19% och en kolhalt av 0,11% i0,07 2 samt ett syrgasflöde av Å,2 Nl/min. 8103201-3 Experimenten redovisade i fig. 1 utfördes i laboratorieskala, där kol och syrgas injicerades i flytande järn vid en temperatur av 155006.

Diagrammet visar tydligt att stoftbildningen markant minskar redan vid relativt små övertryck. Denna effekt förstärkas vid högre tryck. Vid en hög svavelhalt i badet är stoftbildningen över huvud taget lägre och påverkas relativt lite av trycket, jämfört med när svavelhalten är högre. Vidare visas i diagrammet att vid oförändrade halter av sva- vel och_kol i badet minskar stoftbildningen med minskande syrgasflöde.

Det har således upptäckts att en hög svavelhalt minskar stoftbildningen markant vid en given kolhalt och ett givet syrgasflöde. Svavelhalten bör, isolerat ur denna synvinkel, överstiga 0,52 till 1,52, men under- stiga 2,0% till 2,5%. Ett föredraget intervall för svavelhalten är om- kring Û,5% till 2%. Fig. 2 visar stofthalten i g/Nm3 avsatt mot svavel- halten, i 2, i badet. Fyllda cirklar avser mätningar med en järnsmälta med en kolhalt överstigande 32 och ofyllda cirklar avser en järnsmälta med mindre än 0,82 kol. Fig. 2 avser förhållanden vid atmosfärstryck.

Enl. föreliggande uppfinning är det föredraget att operera en reaktor på ovan angivet sätt under det att svavelhalten i badet bringas vara omkring 0,52 till 2% Samtidigt som kolhalten i badet bringas att vara mindre än 3%, företrädesvis mindre än 22.

Kolhalten i järnbadet regleras med mängden injicerat kol i förhållande till övriga reaktanter. Svavelhalten i järnbadet regleras med mängden och typ av slaggbildande föreningar.

Det är helt tydligt att samtliga de inledningsvis nämnda problemen eli- mineras, eller i vart fall kraftigt reduceras, genom att utföra förfa- randet under det att reaktorkärlet trycksättes. Förbättringen accentu- eras av att badet bringas att antaga ovan angivna svavel- och kolhalter.

Genom utnyttjande av uppfinningen reduceras således stoftbildningen kraf- tigt liksom foderslitaget. Vidare kan en betydande råjärnsproduktion ske tack vare en större värmeenergiutveckling i badet. En av de väsentligas- te fördelarna är dock att gasproduktionen kan ökas väsentligt.

Uppfinningen skall inte anses begränsad till de ovan angivna utförings- formerna, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram.

Claims (2)

8103201-3 7 Patentkrav

1. Förfarande för förgasning av kol (C) i form av kol, kolväten och/ eller kolväteföreníngar innefattande att i ett reaktorkärl innehållande en järnsmälta genom injektion under järnsmäitans yta införa kol, syrgas och järnoxider, där järnoxiderna utgör ett kylmedel och är avsedda att reduceras och där kol injiceras i ett stökiometriskt överskott relativt i smältan ingående syre i form av oxider samt där järnsmäitan har sådan kolhalt att den íniöser kol, k ä n n e t e c k n a t a v, att reaktor- kärlet bringas att ha ett inre totalt tryck av 2 till Sflbar företrädes- vis Å till 10 bar.

2. Förfarande enl. krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v, att nämnda koihalt i järnsmältan bringas understiga BZC, företrädesvis 226 och att samtidigt svaveihalten i järnsmältan bringas att vara omkring 0,5% till 2ï. N*