WO2008095977A1 - Verfahren und vorrichtung zur flugstromvergasung fester brennstoffe unter druck - Google Patents

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flow
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ash
entrained
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Bernd Meyer
Peter Seifert
Steffen Krzack
Sirko Ogriseck
Hardy Rauchfuss
Mathias Rieger
Michael Trompelt
Stefan Guhl
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Technische Universität Bergakademie Freiberg
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Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for entrained flow gasification of solid fuels under pressure
  • the raw gases must be strongly cooled / quenched immediately after exiting the gasification chamber of Flugstromvergasers at a short distance before they can enter the raw gas heat exchanger
  • Many variants of the external Rohgasquenches were developed, of which the gas quench and the chemical quench have prevailed technically
  • the Application of the gas quench leads to losses of working heat (exergy)
  • the chemical quench in which carbonaceous substances are mixed into the hot raw gas stream, this disadvantage is largely avoided
  • the chemical quench in continuous operation with high technical complexity and with serious disadvantages, such , B Tar and soot formation as well as formation of scale, connected
  • the hot and the escaping from the entrained flow gasifier are cooled slag-containing raw gases used as an alternative quench cooling with water.
  • this is simple and robust, but has the disadvantage that the resulting in the evaporation of water low temperature heat can be used practically only in the rarest cases.
  • DE 26 40 180 B discloses the gasification of Festbrcnn ⁇ open different grain size (dust to coarse grained) with a lower fixed bed and an upper dust gasification zone, above the fixed bed generates a fluidized bed and about a dust gasification is to be performed.
  • the solid fuel should be introduced into the fluidized bed. In the process itself, the fuel should be separated into fractions of different sizes.
  • the object of the invention is derived from fundamentally further develop the method of entrained flow gasification, so that the serious disadvantages of entrained flow gasification can be used, in particular that fuels with high ash contents and high ash flow points can be used without problems that arising at the outlet of the gasifier crude gases fed without using an external Quenchung a Abhitze strong in Rohgas139 (2004)n and the resulting ash or slag can be separated with little investment effort from the raw gases and discharged from the Flugstromvergaser, it being ensured that the dust-like fuels used in the entrained flow gasifier are virtually completely gasified.
  • the object of the invention is achieved by a method for entrained flow gasification of solid fuels under pressure, in which solid fuels with gasification agents consisting predominantly of oxygen, are converted in the flow stream to the gasification products raw gas and slag, that in an upward, internally circulating Air flow using first oxygen-rich gasification agent
  • Solid fuels used are predominantly solid fuels, which essentially contain dust-like fuels and dusts containing carbon. Furthermore, special forms of solid fuels such. As fuel / water or fuel / oil slurries, can be used with variable solids content. The solid fuels can be used in dry and / or in one or more of these special forms for entrained flow gasification become. They include a wide range of coal, biomass or carbonaceous waste, and in small proportions even liquid or gaseous fuels and residues.
  • the deducted from the flow of dust dust-laden raw gases are preferably fed to their further processing indirect heat exchangers and dust collectors.
  • the C-containing dusts are almost completely separated from the dust-laden raw gases and returned to the flow stream as far as possible.
  • the invention makes use of the knowledge that by a flow gasification with internally circulating air flow in conjunction with a arranged under the entrained flow gasification gasification virtually complete implementation dust-like fuels to oxidized ashes and slags and raw gases is feasible so that the dust-laden raw gases with Temperatures corresponding to those of the raw gas outlet temperatures of fluidized bed gasification, from the flow stream and the oxidized ash and slags with temperatures ⁇ 600 0 C, preferably ⁇ 500 0 C, more preferably ⁇ 400 0 C, can be removed from the moving bed.
  • the vertical extent of the flow stream extends from the raw gas outlet at the upper end of the entrained flow gasifier to the surface of the bed of the moving bed.
  • the moving bed extends down to the bottoms product discharge located at the bottom of the gasification reactor for entrained flow gasification.
  • Essential to the invention is the self-regulating interaction of the processes of gasification of solid fuels and agglomeration of ashes to coarse agglomerates in the circulating air stream with the formation of the moving bed below the circulating air stream consisting of predominantly coarse-grained agglomerates, the material properties of the solid fuels in wide Limits can vary without disturbing influences on the process control.
  • the teaching differs fundamentally from the proposals for solution described in DE 26 40 180 B.
  • the gasification in the circulating air stream is designed as follows. Into the air stream are introduced as solid fuels, the gasified dust-like fuels and the recycled C-containing dusts and also Nachvergasungsrohgase and first gasification agent.
  • the gasification agents are supplied in proportion to the introduced solid fuels in quantity and composition so that the Rohgasabgang temperatures are set below the critical ash intercept, but at least so high that the largely complete gasification of the C-containing components takes place.
  • the dusts entrained with the dust-laden raw gases will have C contents of ⁇ about 30 to ⁇ about 80% by weight. After they have been separated from the raw gases, the carbonaceous dusts are almost completely returned to the flow stream and subjected to the gasification process again.
  • oxygen-rich gasification agent Fundamental to the largely complete gasification is the use of oxygen-rich gasification agent. Their oxygen concentrations are within a range from 21 to 100 vol .-%, preferably from 40 to 70 vol .-%, in the case of the use of steam with steam / oxygen ratios of 0 to 1.5 kg / m 3 (iN) accordingly, adjusted.
  • the high values of oxygen concentrations apply to dusty fuels with high ash contents and high ash flow points.
  • the critical ash point ts p is the temperature which must be undershot, so that the ashes in the freeboard and during the cooling of the dust-laden raw gases do not lead to disruptive caking or laying.
  • Non-representative, typical numerical examples for the critical ash intercept ts p are z. B. 700 0 C for biomasses, z. B. 1,000 0 C for lignite and z. B. 1.100 0 C for coal.
  • lignite which have a critical ash point of, for example, 1,000 0 C, a largely complete gasification is given when the temperatures at the raw gas outlet values of 900 to 950 0 C (temperature range of 50 to 100 K).
  • the invention thus exploits the temperature range relevant to most dust-type fuels between these two characteristic temperatures. If the critical ash point ts p below the temperature necessary for gasification, such. For example, in some biomasses, melting and addition point melting additives must be added to the entrained flow gasifier to the critical ash point ts p above the gasification temperature. In this case, the point-increasing additives can be introduced either together with the solid fuels or separately from them.
  • the internally circulating air flow is formed as follows.
  • the solid fuels, as well as the first gasification agents, are introduced from these locally separated into the gasification chamber in the lower region of the air flow.
  • the dense phase promotion has proven itself; but it is also the entry in the form of slurries suitable.
  • one or more, preferably distributed over the circumference of the entrained flow gasifier and preferably in a nozzle plane, supply nozzles are provided.
  • the first gasification agents are injected by means of gasification agent nozzles, wherein the injection is oriented predominantly horizontally and predominantly radially to the flow axis of the gasification chamber and takes place with inlet velocities of> 10 to about 80 m / s.
  • the gasification agent nozzles are also preferably in a nozzle plane. It is also possible to make the locally separate entry of the fuels and the gasification agent via one or more dust burner.
  • the gasification in the internally circulating air flow allows due to the very high heating rates and rapid distribution in the reaction chamber, the use of baking and expanding coal, as well as the use of coals with high ash contents and highest ash flow points. For this, it is crucial that temperatures set in the flame areas exceed the ash point temperature by about 1,000 K and more.
  • flame regions with temperatures up to> 2000 ° C. are formed in front of the gasification agent nozzles, which generate an upward, hot flow, preferably in the form of a central flow.
  • the ash melts, melts and agglomerates.
  • it is coarsened in its grain size (about 1 to 5 mm) until the agglomerates from the air flow down into the moving bed.
  • the flame areas or the central flow widen until they fill the entire cross-section of the gasification space approximately in the form of a pipe flow at the latest at the raw gas outlet.
  • the hot central flow is surrounded by a downward "cold" wall flow, in which the endothermic reactions also dominate.
  • the wall flow includes the falling down particles falling out of the flame areas and the central flow due to gravity, and is heavily laden with solids
  • the reaction area of the internally circulating stream of air thus consists of one or more central, hot reaction areas in which predominantly run the exothermic oxidation reactions and in which the granulation of the ash takes place and a near the carburetor head of the gasifier wall and the surface of the moving bed, "cold" reaction area in which dominate the endothermic gasification reactions and the main C-conversion takes place.
  • the zone of the pipe flow at the upper end of the gasification chamber forms a kind of buffer zone for the required decay of the temperatures before the raw gas outlet.
  • the moving bed is adapted to the requirements of the flow stream as follows.
  • the second, low-oxygen gasification agents are supplied in quantity and composition so that on the one hand the ash softening point is not exceeded and on the other hand the moving bed regular, d. H. neither channel nor vortex-like, is flowed through.
  • the low oxygen content ensures that the ashes and ash granules are almost completely oxidized while avoiding softening or melting. The requirement of relocation and slag-free operation of the moving bed is thus taken into account.
  • oxygen concentrations in the range from about 5 to about 20% by volume have proven suitable.
  • the oxygen supplied with the second low-oxygen gasifying agent is about 10 to 30% of the total oxygen supplied. The higher values are attributed to ash-rich coals, since the higher ash loadings carry higher carbon loads.
  • An advantage of the invention is that the chemical oxygen consumption for the oxidation of the ash constituents of the soil products or the fuel ash is relatively lower than in the classical fixed bed gasification, for example according to the principle Lurgi. From the latter it is known that for the oxidation of the predominantly non-vitrified fuel ashes to the highest oxidation states, a few percent of the gasification oxygen is needed, which is lost to the actual gasification process. This is not the case in the present invention, since the vast majority of the ashes of the dust-like fuels are melted under reducing gas atmospheres with minimal chemical oxygen demand and behave the formed ash granules inert to oxygen in the moving bed.
  • the amount of the second gasification agent supplied is limited to such values that the flow rates of the forming Nachvergasungsrohgase at the upper end of the moving bed (based on the solids-free flow cross-section) 0.1 to 0.5 m / s, preferably 0.1 to 0.3 m / s do not exceed.
  • the low upper limit of the flow velocities applies to conditions in the air flow, by which Use of gasifiers with relatively low oxygen concentrations predominantly very fine-grained ash granules with grain sizes mainly ⁇ 0.5 mm form (for example, dust-like fuels with high-melting ashes, but with low, critical ash intersections), and the high upper limit according to conditions in which Use of gasification agents with relatively high oxygen concentrations form predominantly coarse-grained ash granules with particle sizes mainly> 0.5 mm.
  • the setting of high flow velocities of 0.5 m / s may prove to be expedient.
  • large amounts of carbon are reacted, and the ash is cooled accordingly.
  • high flow velocities have a positive effect on the fact that the particle sizes of the agglomerates forming the moving bed increase, with the positive result of making the through-bed of the moving bed more uniform.
  • the flow rates of Nachvergasungsrohgase at the exit from the moving bed are sufficiently high at 0.1 to 0.5 m / s, so that the introduced into the gasification dust-like fuels deposit only a very small proportion on the moving bed.
  • the C concentration in the moving bed is therefore usually so low that oxygen is more than stoichiometric in relation to the carbon and thus the carbon conversion is virtually complete, and the oxidation of all oxidizable ash constituents is guaranteed.
  • the post-gasification raw gases entering the circulating air stream from the moving bed are mixed therein, thermally treated and participate in the gasification reactions in accordance with the present gasification conditions.
  • second gasification agents are preferably used, which consist of oxygen and carbon dioxide (instead of water vapor) and whose temperature is as close as possible to the ambient temperature.
  • This makes it possible to use the sensible heat of the oxidized soil products for the gasification process in Flugstromvergaser and on the other hand to dispense with the otherwise required for the ash handling aftercooling.
  • the advantageousness of the use of carbon dioxide is evident from the fact that the outlet temperatures of the bottom products of below about 650 0 C, preferably below about 600 0 C in the case of oxygen and steam as a second gasification agent to below about 400 0 C, preferably be lowered below about 300 0 C in the case of carbon dioxide instead of water vapor.
  • the nearly C-free, oxidized soil products can easily be landfilled or be recycled.
  • Another advantageous embodiment of the invention consists in supplying steam, which is generated in the water jacket surrounding the gasification chamber, partially or completely to the second gasification means.
  • the bed height of the moving bed during operation by a, z. B. radiometric, level measurement is determined and adjusted by controlling the bottom product take-off at the desired height and / or kept constant.
  • the bottom product take-off takes place, for example, by means of a rotary grate according to known and proven design.
  • the rotary grate at the same time takes over the function of feeding and distributing the second gasification agent over the cross section of the moving bed.
  • the object is achieved by a gasification reactor for entrained flow gasification of solid fuel under pressure consisting essentially of a coolable pressure vessel (3) and a heat shield equipped with inner jacket (7), wherein at the upper end of the pressure vessel (3) at least one Rohgasabgang (8 at least one bottom product outlet (9) is arranged at the lower end, wherein the pressure vessel (3) has at least room for a moving bed and an airflow circulating internally over the surface (12) of the moving bed and above for a buffer zone, at a height of approx 1 to 3 m above the surface (12) of the moving bed (13) supply nozzles (15) for the dust-like fuels and Vergasungsstoffdüsen (16) for the supply of first gasification means (17) are arranged, wherein the Vergasungsffendüsen are designed such that the first Gasification agents are injected into the stream of air so that an upward , hot central flow and a downward "cold" wall flow is formed, and wherein at the bottom product take-off (9) at least one supply
  • the surrounding walls of the gasification space which extend from the raw gas outlet (8) at the upper end to the bottom product outlet (9) at the lower end of the gasification reactor for entrained flow gasification, are preferably formed over the height without appreciable cross-sectional changes, most simply in the form of a cylinder.
  • the entire gasifier is preferably equipped analog fixed-bed gasifiers for cooling with a water jacket; but it can also be used water-cooled tubular membrane walls.
  • the protection of the carburetor inner shell (7) on the hot side is preferably in one usual foundation and a ceramic thin coating, z. As with SiC or other refractory ceramic materials as ceramic protection.
  • the gasification agent nozzles (16) are distributed according to an advantageous embodiment of the invention evenly distributed over the circumference of the outer pressure jacket (5), radially and 10 to 30 ° inclined upward.
  • the feed ports (15) for the solid fuels are advantageously arranged at approximately the same height or below the gasification agent nozzles.
  • the height arrangement of the gasifying agent nozzles and the supply nozzle can be varied within certain limits.
  • the feed nozzles are located at about the same height or up to about 1 m below the gasification agent nozzles and at least about 1 m above the surface of the bed of the moving bed.
  • the gasification agent nozzles and the supply nozzles are arranged on a common plane, approximately 1 to 3 m above the surface of the bed of the moving bed. Compliance with the vertical minimum distance of the feed port to the moving bed guarantees the undisturbed supply of solid fuels, and the equal or lower position of the feed nozzle against the gasification agent nozzles ensures that free oxygen does not react with the solid fuels near the wall.
  • the bottom product take-off (9) is advantageously designed as a rotary grate.
  • the internally circulating air flow (11) is formed above the surface (12) of the moving bed (13).
  • the buffer zone is located above the internally circulating airflow (11).
  • the combination of internally circulating air flow and moving bed below the circulating air flow in the manner according to the invention leads to a fundamental simplification of the entire system technology and the gasification operation.
  • the most important simplifications concern the gasification reactor for entrainment gasification.
  • the enclosure walls of the gasification space which extend from the raw gas outlet at the upper end to the bottom product outlet at the lower end of the entrained flow gasifier, are formed over the height without significant changes in cross section, most conveniently in the form of a cylinder.
  • the heat protection of the carburetor inner shell on the hot side is preferably in a conventional foundation and a ceramic coating. A lining is not required. In the case of ceramic coatings are fast Arrival and departure times can be realized.
  • the invention also includes a plant for entrained flow gasification under pressure.
  • the plant consists of a gasification reactor according to the invention with associated facilities for the supply of gasification agents and solid fuels, for the further processing of the raw gases and the removal of the ash.
  • the Rohgasabgang (8) of the gasification reactor is connected to a waste heat exchanger (25) in connection with a dust separator for separating the entrained dusts and a dense flow conveyor for returning the separated dusts in the internally circulating air stream (11) are connected downstream.
  • the raw gases leaving the dust collector can be used or fed to a gas treatment device before use.
  • Fig. 1 shows a highly simplified schematic representation of a gasification reactor (1) with internally circulating air flow.
  • the gasification space (3) of the gasification reactor for entrainment gasification (1) is comprised of a cylindrical pressure vessel (4) which consists of an outer pressure jacket (5), a water space (6) and an inner shell (7).
  • the inner shell (7) is furnished and tamped with a refractory material as a ceramic protection.
  • At the upper end of the entrained flow gasifier (1) is the raw gas outlet (8) and at the lower end of the bottom product withdrawal (9), of which in the figure, only the upper contour of the rotary grate (10) is indicated.
  • the internally circulating air flow (11) is formed above the surface (12) of the moving bed (13).
  • a level (14) at a height of about 1 m above the surface (12) of the moving bed (13) are 180 ° offset, two supply nozzle (15) for the dense stream entry of the dusty dry lignite (2) and 6 gasification nozzles ( 16) for the feed of the first gasification agent (17).
  • the Gasification nozzles (16) are distributed uniformly over the circumference of the outer pressure jacket (5). They are oriented radially and inclined 30 ° upwards.
  • the Rohgasabgang (8) communicates with waste heat exchanger (25) in connection with a hot gas fan (26) for separating the entrained dusts and a dense flow conveyor for returning the separated dusts (20) in the internally circulating air stream (11) are connected downstream.
  • the gasification reactor for entrained-flow gasification (1) is gasified at a pressure of 33 bar powdery dry lignite (2) with a water content of 12 wt .-%, an ash content of 6 wt .-% and a critical ash-sintering temperature of 1000 0 C.
  • the quantitative supply of the first gasification agent (17) is explained below for the sake of clarity on the basis of one kilogram of dry lignite (2).
  • On 1 kg of dry lignite (2), a total of 0.366 m 3 (iN) of oxygen (18), 0.058 m 3 (iN) of carbon dioxide (29) and 0.171 kg of water vapor (19) are supplied.
  • the first gasification means (17) are injected at a flow rate of 30 m / s and a temperature of 280 0 C via the Vergasungsffendüsen (16) in the gasification space (3) of the gasification reactor (1).
  • the internally circulating air stream (11) in addition to the first gasification agent (17) and the dust-like dry lignite (2) recycled dusts (20) and the moving bed (12) upwardly exiting Nachvergasungsrohgas (21) introduced.
  • the second gasification means (28) which are mixed from oxygen (18) and carbon dioxide (29) in the volume ratio of 10 vol .-% oxygen and 90 vol .-% carbon dioxide, with a temperature of 80 0 C introduced into the moving bed (13).
  • the extracted via the bottom product take-off (9), oxidized soil products (30) leave the entrained flow gasifier (1) with a temperature of 140 0 C.
  • Their C content is ⁇ 2 Ma .-%, so that they will be disposed of or disposed of without further treatment can.
  • the second gasification means (28) are quantitatively supplied so that set on the surface (12) of the moving bed (13) flow rates based on the free flow area by 0.3 m / s. This ensures a uniform, regular flow through the moving bed (13).

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Abstract

Vergasungsreaktor (1) und Zugehöriges zur Flugstromvergasung fester Bennstoffe unter Druck, bestehend in Wesentlichen aus einem kühlbaren Druckgefäß (4) und einem mit Hitzeschutz ausgerüsteten Innenmantel (7), wobei am oberen Ende des Zylindrischen Druckgefäßes mindestens ein Rohgasabgang (8) und am unteren Ende mindestens ein Bodenproduktabzug (30) angeordnet ist, wobei das Druckgefäß wenigstens Raum für ein Wanderbett (13) und einen über der Oberfläche des Wanderbettes intern zirkulierenden Flugstrom (11) und darüber für eine Pufferzone (3) aufweist, wobei in einer Höhe von ca. 1 bis 3 über der Oberfläche des Wanderbettes Zuführungsstutzen für die festen Brennstoffe (15) und Vergasungsmitteldüsen für die Einspeisung erster Vergasungsmittel (16) angeordnet sind, wobei die Vergasgungsmitteldüsen so ausgestaltet sind, dass die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sie eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwärtsgerichtete 'kalte' Wandströmung ausbildet, und wobei am Bodenproduktabzug mindestens eine Zuführungseinrichtung für zweite Vergasungsmittel (28) angeordnet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck
Die Erfindung betrifft em Verfahren und eine Vorrichtung zur Flugstromvergasung fester Bennstoffe unter Druck
Bei den bekannten Verfahren der Flugstromvergasung werden staubförmige, kohlenstoffhaltige (C -haltige) Brennstoffe mit Vergasungsmitteln, die überwiegend aus Sauerstoff bestehen, bei Temperaturen über dem Fließpunkt der Asche zu den Vergasungsprodukten Rohgas und Schlacke umgewandelt Um die Asche aufzuschmelzen, sind im Vergasungsraum sehr hohe Temperaturen erforderlich Je nach Aschefließpunkt liegen sie bei ca. 1 400 bis 1.600 0C. Die Rohgase und die Schlacke müssen bei diesen hohen Temperaturen am Austritt aus dem Flugstromvergaser abgezogen werden Der spezifische Sauerstoffbedarf bezogen auf die staubförmigen Brennstoffe ist im Vergleich zu Vergasungsverfahren, die wie die Wirbelschichtvergasung bei Temperaturen arbeiten, die um ca. 400 bis 600 K niedrigere Austrittstemperaturen der Rohgase aufweisen, um ca. 20 bis 30 % hoher Brennstoffe mit hohen Aschegehalten, bezogen auf den trockenen Brennstoff, von mehr als ca 20 Ma. -% und hohen Aschefiießpunkten über ca 1.400 0C, können weder energetisch effizient noch zu wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen in bekannten Flugstromvergasungsverfahren verwertet werden Von entscheidendem Nachteil ist weiterhin, dass bei der Flugstromvergasung em sehr hoher betriebs- und anlagentechnischer Aufwand betrieben werden muss, um die Schlacke vor der weiteren Verwendung der Rohgase von diesen zu trennen, insbesondere dann, wenn die fühlbare Wärme der aus dem Flugstromvergaser austretenden heißen Rohgase zur Erzeugung von Abhitzedampf genutzt werden soll. Hierzu müssen die Rohgase unmittelbar nach dem Austritt aus dem Vergasungsraum des Flugstromvergasers auf kurzer Distanz stark abgekühlt / gequencht werden, bevor sie in die Rohgaswärmetauscher eintreten können Es wurden viele Varianten des externen Rohgasquenches entwickelt, wovon sich der Gasquench und der chemische Quench technisch durchgesetzt haben Die Anwendung des Gasquenches führt zu Verlusten an arbeitsfähiger Wärme (Exergie) Beim chemischen Quench, bei dem kohlenstoffhaltige Stoffe in den heißen Rohgasstrom eingemischt werden, wird dieser Nachteil weitgehend umgangen Jedoch ist der chemische Quench im Dauerbetrieb mit hohem technischem Aufwand sowie mit gravierenden Nachteilen, wie z. B Teer- und Russbildung sowie Ansatzbildung, verbunden Um den hohen Aufwand für die Abhitzenutzung zu umgehen, wird für die Abkühlung der aus dem Flugstromvergaser austretenden, heißen sowie schlackehaltigen Rohgase als Alternative die Quenchkühlung mit Wasser angewendet. Diese ist zwar einfach und robust, hat aber den Nachteil, dass die bei der Wasserverdampfung anfallende Niedertemperaturwärme praktisch nur in den seltensten Fällen genutzt werden kann.
DE 26 40 180 B offenbart die Vergasung von Festbrcnn^offen unterschiedlicher Korngröße (Staub bis grobkörnig) mit einem unteren Festbett und einer oberen Staubvergasungszone, wobei über dem Festbett eine Wirbelschicht erzeugt und darüber eine Staubvergasung vollzogen werden soll. Der Festbrennstoff soll in die Wirbelschicht eingetragen werden. Im Prozess selbst soll eine Trennung des Brennstoffes in Anteile unterschiedlicher Größe stattfinden.
Die Lehre nach DE 26 40 180 B ist nicht geeignet, um eine vollständige Vergasung durchzuführen, da erhebliche Mengen an aschehaltigem Koksstaub in das Produktgas gelangen und aus diesem abgeschieden werden müssen. Eine Rückführung in den Prozess scheidet aus, da sich aschehaltige Staubanteile innerhalb kurzer Zeit im Prozess so weit anreichern würden, dass der Prozess zum Erliegen käme. Desweiteren bleiben andere grundlegende Fragen ungelöst, insbesondere die Anpassung der Prozessführung an die oftmals sich beliebig verändernden Korngrößenverteilungen und Aschegehaltsschwankungen sowohl der Gesamtasche als auch der einzelnen Korngrößenfraktionen. Beispielsweise würde das Festbett in die Wirbelschicht „hineinwachsen", wenn der Grobkornanteil der Festbrennstoffe zu hoch wird und aus bilanziellen und fluiddynamischen Begrenzungen nicht genügend Vergasungsmittel in das Festbett eingebracht werden kann. Der mit DE 26 40 180 B vorgeschlagene Prozessvorschlag konnte sich mindestens aus den genannten Gründen technisch nicht durchsetzen.
Aus den dargestellte Nachteilen leitet sich die Aufgabe der Erfindung ab, das Verfahren der Flugstromvergasung grundlegend weiterzuentwickeln, damit die gravierenden Nachteile der Flugstromvergasung gelöst werden, insbesondere dass Brennstoffe mit hohen Aschegehalten und hohen Aschefließpunkten problemlos eingesetzt werden können, dass die am Austritt des Vergasers anfallenden Rohgase ohne Inanspruchnahme einer externen Quenchung einer Abhitzenutzung in Rohgaswärmetauschern zugeführt und die anfallenden Aschen bzw. Schlacken mit geringem anlagentechnischen Aufwand von den Rohgasen abgetrennt und aus dem Flugstromvergaser ausgetragen werden können, wobei sicherzustellen ist, dass die eingesetzten staub förmigen Brennstoffe im Flugstromvergaser praktisch vollständig vergast werden. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, bei dem feste Brennstoffe mit Vergasungsmitteln, die überwiegend aus Sauerstoff bestehen, im Flugstrom zu den Vergasungsprodukten Rohgas und Schlacke umgewandelt werden, dadurch gelöst, dass in einem aufwärts gerichteten, intern zirkulierenden Flugstrom unter Verwendung erster sauerstoffreicher Vergasungsmittel
a) eine weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile der festen Brennstoffe und b) eine thermische Behandlung von Nachvergasungsrohgasen sowie c) eine Granulierung der Asche bei Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgen,
wobei kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände, Aschegranulate und staubbeladene Rohgase gebildet und staubbeladene Rohgase bei Temperaturen unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes aus dem Flugstrom nach oben in eine Pufferzone abgezogen und von dort einer Weiterverarbeitung zugeführt werden, wobei die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwärtsgerichtete „kalte" Wandströmung ausbildet, wobei in einem unter dem Flugstrom befindlichen Wanderbett unter Verwendung zweiter sauerstoffarmer Vergasungsmittel eine weitestgehende bis vollständige Oxidation der den Flugstrom nach unten verlassenden kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände und Aschegranulate bei Temperaturen unterhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgt und dabei Nachvergasungsrohgase und oxidierte Bodenprodukte gebildet werden, wobei die zweiten Vergasungsmittel in Menge und Zusammensetzung so zugeführt werden, dass einerseits der Ascheerweichungspunkt im Wanderbett nicht überschritten und andererseits das Wanderbett regulär durchströmt wird und wobei die oxidierten Bodenprodukte im Gegenstrom zu den zweiten Vergasungsmitteln nach unten aus dem Wanderbett abgezogen und die Nachvergasungsrohgase aus dem Wanderbett nach oben in den Flugstrom eingeleitet werden.
Als feste Brennstoffe werden vorwiegend feste Brennstoffe, die im wesentlichen staubförmige Brennstoffe und C-haltigen Stäube enthalten, eingesetzt. Weiterhin können auch Sonderformen fester Brennstoffe, wie z. B. Brennstoff/Wasser- oder Brennstoff/Öl-Slurrys, mit variablem Feststoffgehalt eingesetzt werden. Die festen Brennstoffe können in trockener und/oder in einer oder mehreren dieser Sonderformen zur Flugstromvergasung eingesetzt werden. Sie umfassen ein breites Spektrum an Kohlen, Biomassen oder kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe, in geringen Anteilen sogar flüssige oder gasförmigen Brenn- und Reststoffe.
Die aus dem Flugstrom abgezogenen staubbeladenen Rohgase werden zu deren Weiterverarbeitung vorzugsweise indirekten Wärmetauschern und danach Staubabscheidern zugeführt. In den Staubabscheidern werden die C-haltigen Stäube aus den staubbeladenen Rohgasen annähernd vollständig abgetrennt und weitestgehend bis vollständig in den Flugstrom zurückgeführt.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch eine Flugstromvergasung mit intern zirkulierendem Flugstrom in Verbindung mit einer unter der Flugstromvergasung angeordneten Wanderbettvergasung die praktisch vollständige Umsetzung staub förmiger Brennstoffe zu oxidierten Aschen und Schlacken und zu Rohgasen derart durchführbar ist, dass die staubbeladenen Rohgase mit Temperaturen, die denen der Rohgasaustrittstemperaturen der Wirbelschichtvergasung entsprechen, aus dem Flugstrom und die oxidierten Aschen und Schlacken mit Temperaturen < 6000C, vorzugsweise < 500 0C, besonders bevorzugt < 400 0C, aus dem Wanderbett abgezogen werden können. Die vertikale Ausdehnung des Flugstromes erstreckt sich vom Rohgasabgang am oberen Ende des Flugstromvergasers bis zur Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes. Das Wanderbett reicht nach unten bis zum Bodenproduktabzug, der sich am unteren Ende des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung befindet.
Erfindungswesentlich ist das sich selbst regelnde Zusammenwirken der Prozesse der Vergasung der festen Brennstoffe und der Agglomeration der Asche zu grobkörnigen Agglomeraten im zirkulierenden Flugstrom mit der Ausbildung des Wanderbettes unterhalb des zirkulierenden Flugstromes, bestehend aus überwiegend grobkörnigen Agglomeraten, wobei die stofflichen Eigenschaften der festen Brennstoffe in weiten Grenzen ohne störende Einflüsse auf die Prozessführung variieren können. Die Lehre unterscheidet sich dadurch grundlegend von den in DE 26 40 180 B beschriebenen Lösungsvorschlägen. Dies betrifft sowohl den Gesamtprozess (grundlegend andersartige Ausbildung heißer und „kalter" Reaktionsbereiche oder der verschiedenen Vergasungsbereiche Wanderbett, Wirbelschicht, Flugstrom), als auch die Teilprozesse, wie den Eintrag der festen Brennstoffe (staubförmig versus Staub bis notwendigerweise grobkörnig), den Austrag der Vergasungsrückstände aus der Wanderbett- oder Festbettzone (Austrag geregelt nach Brennstoffasche versus geregelt nach Anteil grobkörniger Kohle), vertikale Gasumwälzung in der Staub vergasungszone (heiße, nach oben gerichtete zentrale Strömungen versus zentral nach unten gerichtete Einführung von Gasen).
Die Vergasung im zirkulierenden Flugstrom wird wie folgt ausgestaltet. In den Flugstrom werden als feste Brennstoffe die zu vergasenden staubförmigen Brennstoffe und die zurückgeführten C-haltigen Stäube sowie außerdem Nachvergasungsrohgase und erste Vergasungsmittel eingebracht. Die Vergasungsmittel werden im Verhältnis zu den eingebrachten festen Brennstoffen in Menge und Zusammensetzung so zugeführt, dass am Rohgasabgang Temperaturen eingestellt werden, die unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes liegen, aber mindestens so hoch sind, dass die weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile erfolgt. Die mit den staubbeladenen Rohgasen mitgeführten Stäube werden C-Gehalte von < ca. 30 bis < ca. 80 Ma.-% aufweisen. Die C- haltigen Stäube werden nach deren Abtrennung aus den Rohgasen praktisch vollständig in den Flugstrom zurückgeführt und erneut dem Vergasungsprozess unterzogen. Grundlegend für die weitgehend vollständige Vergasung ist die Anwendung sauerstoffreicher Vergasungsmittel. Deren Sauerstoffkonzentrationen wird innerhalb eines Wertebereiches von 21 bis 100 Vol.-%, vorzugsweise von 40 bis 70 Vol.-%, im Falle des Einsatzes von Wasserdampf mit Dampf/Sauerstoff- Verhältnissen von 0 bis 1,5 kg/m3(i.N.) entsprechend, eingeregelt. Die hohen Werte der Sauerstoffkonzentrationen gelten für staubförmige Brennstoffe mit hohen Aschegehalten und hohen Aschefließpunkten.
Als kritischer Aschesinterpunkt tsp wird die Temperatur bezeichnet, die unterschritten sein muss, damit die Asche im Freeboard und bei der Abkühlung der staubbeladenen Rohgase nicht zu betriebsstörenden Anbackungen oder Verlegungen führt. Nichtrepräsentative, typische Zahlenbeispiele für den kritischen Aschesinterpunkt tsp sind z. B. 700 0C für Biomassen, z. B. 1.000 0C für Braunkohlen und z. B. 1.100 0C für Steinkohlen. Bei Braunkohlen, die einen kritischen Aschesinterpunkt von beispielsweise 1.000 0C aufweisen, ist eine weitestgehend vollständige Vergasung gegeben, wenn die Temperaturen am Rohgasabgang Werte von 900 bis 950 0C aufweisen (Temperaturspanne von 50 bis 100 K). Die Erfindung nutzt somit die für die meisten staubförmigen Brennstoffe relevante Temperaturspanne zwischen diesen beiden charakteristischen Temperaturen aus. Sofern der kritische Aschesinterpunkt tsp unterhalb der zur Vergasung notwendigen Temperatur liegt, wie z. B. bei manchen Biomassen, müssen in den Flugstromvergaser zusätzlich schmelz- und sinterpunkterhöhende Zuschlagstoffe zugegeben werden, um den kritischen Aschesinterpunkt tsp über die Vergasungstemperatur anzuheben. Dabei können die sinterpunkterhöhenden Zuschlagstoffe entweder gemeinsam mit den festen Brennstoffen oder separat von diesen eingebracht werden.
Der intern zirkulierende Flugstrom wird folgendermaßen ausgebildet. Die festen Brennstoffe werden, ebenso wie die ersten Vergasungsmittel, von diesen örtlich getrennt in den Vergasungsraum im unteren Bereich des Flugstromes eingeführt. Für den Eintrag der Brennstoffe hat sich die Dichtstromförderung bewährt; es ist aber auch der Eintrag in Form von Slurries geeignet. Je nach thermischer Leistung des Flugstromvergasers und der zuzuführenden Brennstoffe sind eine oder mehrere, vorzugsweise über den Umfang des Flugstromvergasers und vorzugsweise in einer Stutzenebene verteilte, Zuführungsstutzen vorgesehen. Die ersten Vergasungsmittel werden mittels Vergasungsmitteldüsen eingedüst, wobei die Eindüsung überwiegend horizontal sowie überwiegend radial zur Strömungsachse des Vergasungsraumes hin ausgerichtet ist und mit Eintrittsgeschwindigkeiten von > 10 bis ca. 80 m/s erfolgt. Die Vergasungsmitteldüsen befinden sich ebenfalls vorzugsweise in einer Düsenebene. Es ist auch möglich, den örtlich getrennten Eintrag der Brennstoffe und der Vergasungsmittel über einen oder mehrere Staubbrenner vorzunehmen.
Die Vergasung im intern zirkulierenden Flugstrom gestattet auf Grund der sehr hohen Aufheizgeschwindigkeiten und der schnellen Verteilung im Reaktionsraum den Einsatz backender und blähender Kohlen, ebenso den Einsatz von Kohlen mit hohen Aschegehalten und höchsten Aschefließpunkten. Hierfür ist ausschlaggebend, dass sich in den Flammenbereichen Temperaturen einstellen, die die Aschfließpunkt-Temperaturen um ca. 1.000 K und mehr übersteigen.
Auf Grund der mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Vergasungsraum eintretenden Vergasungsmittel werden vor den Vergasungsmitteldüsen Flammenbereiche mit Temperaturen bis > 2.000 0C gebildet, die eine aufwärtsgerichtete, heiße Strömung, bevorzugt in Form einer Zentralströmung, erzeugen. In den Flammenbereichen und in dem heißen Bereich einer sich bildenden Zentralströmung erweicht, schmilzt und agglomeriert die Asche. Dadurch wird sie in ihrer Korngröße soweit vergröbert (ca. 1 bis 5 mm), bis die Agglomerate aus dem Flugstrom nach unten in das Wanderbett überwechseln. Mit zunehmender Höhe verbreitern sich die Flammenbereiche bzw. die Zentralströmung, bis sie spätestens am Rohgasabgang den gesamten Querschnitt des Vergasungsraumes in etwa in Form einer Rohrströmung ausfüllen. Gleichzeitig kühlt sich die Strömung auf Grund der endothermen Reaktionen auf dem Strömungsweg zum Rohgasabgang hin ab und erreicht Temperaturen, die denen entsprechen, wenn die endothermen Vergasungsreaktionen zum Stillstand kommen. Die heiße Zentralströmung ist von einer abwärtsgerichteten „kalten" Wandströmung umgeben, in denen ebenfalls die endothermen Reaktionen dominieren. Die Wandströmung umfasst die aus den Flammenbereichen und der Zentralströmung schwerkraftbedingt herausfallenden, nach unten absinkenden Partikel und ist stark mit Feststoff beladen. Die Wandströmung mischt sich am unteren Ende des Flugstromes wieder in die Aufwärtsströmung ein, wobei sich die gröberen Partikel nach unten absetzen. Der Reaktionsbereich des intern zirkulierenden Flugstromes besteht somit aus einem oder mehreren zentralen, heißen Reaktionsbereichen, in denen überwiegend die exothermen Oxidationsreaktionen ablaufen und in denen die Granulierung der Asche stattfindet und einem dem Vergaserkopf der Vergaserwand und der Oberfläche des Wanderbettes nahen, „kalten" Reaktionsbereich, in dem die endothermen Vergasungsreaktionen dominieren und der hauptsächliche C-Umsatz stattfindet. Die Zone der Rohrströmung am oberen Ende des Vergasungsraumes bildet gewissermaßen eine Pufferzone für das erforderliche Abklingen der Temperaturen vor dem Rohgasabgang.
Bereits beim ersten Durchlauf der eingeführten staubförmigen Brennstoffe durch die heißen Reaktionsbereiche wird der überwiegende Teil der Asche granuliert und nach unten in das Wanderbett abgeschieden. Infolge der vorteilhaften Bedingungen für die Aschegranulation in den zentralen, heißen Reaktionsbereichen wird die Menge der mit den staubbeladenen Rohgasen mitgeführten Stäube auf ein sehr niedriges Niveau gebracht, mengenmäßig dem 1- bis 2-fachen der mit den staubförmigen Brennstoffen eingebrachten Asche entsprechend. Durch die spezielle Ausprägung der Vergasungsreaktionen und der Strömungsführung werden auf kleinem Raum Reaktionsbedingungen geschaffen, die es gestatten, Rohgase mit niedrigen Staubbeladungen aus dem Flugstromvergaser bei Temperaturen unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes tsp abzuziehen, die ohne zusätzliche Aufwendungen der Weiterverarbeitung in Abhitzedampferzeugern zur Abhitzenutzung zugeführt werden können. Sollte es bei schwierigen staubförmigen Brennstoffen auf Grund einer nicht vollständig vermeidbaren Verschmutzungs- und Verlegungsgefahr der aus dem Flugstromvergaser abgezogenen staubbeladenen Rohgase erforderlich werden, eine weitere Abkühlung vorzunehmen, dann werden am Kopf des Flugstromvergasers vorzugsweise Wasser oder Wasserdampf eingedüst, je nachdem, ob eine starke (> ca. 200, vorzugsweise >100 K) oder eine weniger starke Abkühlung (< ca. 200, vorzugsweise < ca. 100 K) erforderlich ist. Bei dieser zusätzlichen Abkühlung findet vorteilhaft ein endothermer Reaktionsumsatz durch ablaufende Vergasungsreaktionen statt (Quenchkonvertierung).
Das Wanderbett wird an die Erfordernisse des Flugstromes wie folgt angepasst. Die zweiten, sauerstoffarmen Vergasungsmittel werden in Menge und Zusammensetzung so zugeführt, dass einerseits der Ascheerweichungspunkt nicht überschritten und andererseits das Wanderbett regulär, d. h. weder kanal- noch wirbelschichtartig, durchströmt wird. Durch den niedrigen Sauerstoffgehalt wird gewährleistet, dass die Asche und die Aschegranulate unter Vermeidung des Erweichens oder Schmelzens praktisch vollständig nachoxidiert werden. Dem Erfordernis des verlegungs- und verschlackungsfreien Betriebes des Wanderbettes wird somit Rechnung getragen. In Abhängigkeit der Höhe des Ascheerweichungspunktes der eingesetzten Brennstoffe haben sich Sauerstoffkonzentrationen im Bereich von ca. 5 bis ca. 20 Vol.-% als geeignet erwiesen. Der mit den zweiten, sauerstoffarmen Vergasungsmitteln zugeführte Sauerstoff beträgt etwa 10 bis 30 % des insgesamt zugeführten Sauerstoffs. Die höheren Werte sind aschereichen Kohlen zuzuordnen, da durch die erhöhten Ascheaustragsmengen höhere Kohlenstoff-Frachten mitgeführt werden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der chemische Sauerstoffverbrauch für die Oxidation der Aschebestandteile der Bodenprodukte bzw. der Brennstoffaschen vergleichsweise niedriger ausfällt als bei der klassischen Festbettvergasung, beispielsweise nach dem Prinzip Lurgi. Von letzterem ist bekannt, dass für die Aufoxidation der überwiegend nichtverglasten Brennstoffaschen auf die höchsten Oxidationsstufen einige Prozent des Vergasungssauerstoffes benötigt werden, die dem eigentlichen Vergasungsprozess verloren gehen. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall, da die weit überwiegenden Mengenanteile der Aschen der staubförmigen Brennstoffe unter reduzierenden Gasatmosphären mit minimalem chemischen Sauerstoffbedarf eingeschmolzen werden und sich die dabei gebildeten Aschegranulate gegenüber Sauerstoff im Wanderbett inert verhalten.
Die Menge der zugeführten zweiten Vergasungsmittel wird auf solche Werte begrenzt, dass die Strömungsgeschwindigkeiten der sich bildenden Nachvergasungsrohgase am oberen Ende des Wanderbettes (bezogen auf den feststofffreien Strömungsquerschnitt) 0,1 bis 0,5 m/s, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 m/s nicht übersteigen. Die niedrige Obergrenze der Strömungsgeschwindigkeiten gilt für Bedingungen im Flugstrom, bei denen sich durch Anwendung von Vergasungsmitteln mit relativ niedrigen Sauerstoffkonzentrationen vorwiegend sehr feinkörnige Aschegranulate mit Korngrößen hauptsächlich < 0,5 mm bilden (z. B. bei staubförmigen Brennstoffen mit hochschmelzenden Aschen, aber mit niedrigen, kritischen Aschesinterpunkten), und die hohe Obergrenze entsprechend Bedingungen, bei denen durch Anwendung von Vergasungsmitteln mit relativ hohen Sauerstoffkonzentrationen überwiegend grobkörnige Aschegranulate mit Korngrößen hauptsächlich > 0,5 mm bilden. Auch im Falle aschereicher staubförmiger Brennstoffe kann sich die Einstellung von hohen Strömungsgeschwindigkeiten um 0,5 m/s als zweckmäßig erweisen. Es werden entsprechend große Anteile an Kohlenstoff umgesetzt, und die Asche wird entsprechend abgekühlt. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten wirken sich insgesamt dahin positiv aus, dass sich die Korngrößen der das Wanderbett bildenden Agglomerate vergrößern, mit der positiven Folge der Vergleichmäßigung der Durchströmbarkeit des Wanderbettes.
Die Strömungsgeschwindigkeiten der Nachvergasungsrohgase beim Austritt aus dem Wanderbett sind mit 0,1 bis 0,5 m/s ausreichend hoch, damit sich die in den Vergasungsraum eingeführten staubförmigen Brennstoffe nur zu einem sehr geringen Anteil auf dem Wanderbett abscheiden. Die C-Konzentration im Wanderbett ist daher in der Regel so gering, dass Sauerstoff überstöchiometrisch im Verhältnis zum Kohlenstoff vorliegt und somit der Kohlenstoffumsatz praktisch vollständig erfolgt, sowie die Aufoxidation aller oxidierbaren Aschebestandteile gewährleistet ist. Die aus dem Wanderbett nach oben in den zirkulierenden Flugstrom eintretenden Nachvergasungsrohgase werden dort eingemischt, thermisch behandelt und nehmen an den Vergasungsreaktionen entsprechend der vorliegenden Vergasungsbedingungen teil.
Für die im Gegenstrom erfolgende Abkühlung der oxidierten Bodenprodukte werden bevorzugt zweite Vergasungsmittel eingesetzt, die aus Sauerstoff und Kohlendioxid (anstelle von Wasserdampf) bestehen und deren Temperatur möglichst nahe der Umgebungstemperatur liegt. Dadurch ist es möglich, die fühlbare Wärme der oxidierten Bodenprodukte für den Vergasungsprozess im Flugstromvergaser zu nutzen und andererseits auf die sonst für das Aschehandling erforderliche Nachkühlung zu verzichten. Die Vorteilhaftigkeit der Verwendung von Kohlendioxid wird daran deutlich, dass die Austrittstemperaturen der Bodenprodukte von unter ca. 650 0C, vorzugsweise von unter ca. 600 0C im Falle von Sauerstoff und Dampf als zweite Vergasungsmittel auf unter ca. 400 0C, vorzugsweise auf unter ca. 300 0C im Falle von Kohlendioxid anstelle von Wasserdampf abgesenkt werden können. Die nahezu C-freien, oxidierten Bodenprodukte können problemlos deponiert oder weiterverwertet werden. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, Dampf, der in dem dem Vergasungsraum umgebenden Wassermantel erzeugt wird, teilweise oder vollständig den zweiten Vergasungsmitteln zuzuführen.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Schütthöhe des Wanderbettes während des Betriebes durch eine, z. B. radiometrische, Füllstandsmessung ermittelt und durch Regelung des Bodenproduktabzuges in der gewünschten Höhe eingestellt und/oder konstant gehalten wird. Der Bodenproduktabzug erfolgt beispielsweise mittels eines Drehrostes nach bekannter und bewährter Ausführung. Der Drehrost übernimmt gleichzeitig die Funktion der Zuführung und der Verteilung der zweiten Vergasungsmittel über den Querschnitt des Wanderbettes.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung fester Bennstoffe unter Druck gelöst, der im Wesentlichen aus einem kühlbaren Druckgefäß (3) und einem mit Hitzeschutz ausgerüsteten Innenmantel (7) besteht, wobei am oberen Ende des Druckgefäßes (3) mindestens ein Rohgasabgang (8) und am unteren Ende mindestens ein Bodenproduktabzug (9) angeordnet ist, wobei das Druckgefäß (3) wenigstens Raum für ein Wanderbett und einen über der Oberfläche (12) des Wanderbettes intern zirkulierenden Flugstrom und darüber für eine Pufferzone aufweist wobei in einer Höhe von ca. 1 bis 3 m über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) Zuführungsstutzen (15) für die staub förmigen Brennstoffe und Vergasungsmitteldüsen (16) für die Einspeisung erster Vergasungsmittel (17) angeordnet sind wobei die Vergasungsmitteldüsen so ausgestaltet sind, dass die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwärtsgerichtete „kalte" Wandströmung ausbildet, und wobei am Bodenproduktabzug (9) mindestens eine Zuführungseinrichtung für zweite Vergasungsmittel angeordnet ist.
Die Umfassungswände des Vergasungsraumes, die vom Rohgasabgang (8) am oberen Ende bis zum Bodenproduktabzug (9) am unteren Ende des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung reichen, sind über die Höhe vorzugsweise ohne nennenswerte Querschnittsveränderungen, am einfachsten in Form eines Zylinders, ausgebildet. Der gesamte Vergaser ist vorzugsweise analog Festbettvergasern zur Kühlung mit einem Wassermantel ausgestattet; es sind aber auch wassergekühlte Rohrmembranwände einsetzbar. Der Schutz des Vergaserinnenmantels (7) auf der heißen Seite besteht vorzugsweise in einer üblichen Bestiftung und einer keramischen Dünnbeschichtung, z. B. mit SiC oder anderen feuerfesten keramischen Materialien als keramischen Schutz.
Die Vergasungsmitteldüsen (16) sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gleichmäßig über den Umfang des äußeren Druckmantels (5) verteilt angeordnet, radial und 10 bis 30° nach oben geneigt ausgerichtet.
Die Zuführungsstutzen (15) für die festen Brennstoffe sind vorteilhaft in etwa gleicher Höhe oder unterhalb der Vergasungsmitteldüsen angeordnet.
Die Höhenanordnung der Vergasungsmitteldüsen und der Zuführungsstutzen ist innerhalb bestimmter Grenzen variierbar. Die Zuführungsstutzen befinden sich in etwa gleicher Höhe oder bis ca. 1 m unter den Vergasungsmitteldüsen und mindesten ca. 1 m über der Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes. Vorzugsweise sind die Vergasungsmitteldüsen und die Zuführungsstutzen auf einer gemeinsamen Ebene, ca. 1 bis 3 m über der Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes, angeordnet. Die Einhaltung des vertikalen Mindestabstandes der Zuführungsstutzen zum Wanderbett garantiert die ungestörte Zuführung der festen Brennstoffe, und die Gleich- oder Tieferstellung der Zuführungsstutzen gegenüber den Vergasungsmitteldüsen gewährleistet, dass freier Sauerstoff nicht in Wandnähe mit den festen Brennstoffen reagiert.
Der Bodenproduktabzug (9) ist vorteilhaft als Drehrost ausgeführt.
Der intern zirkulierende Flugstrom (11) ist über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) ausgebildet. Die Pufferzone ist über dem intern zirkulierenden Flugstrom (11) angeordnet.
Die Kombination von intern zirkulierendem Flugstrom und Wanderbett unterhalb des zirkulierenden Flugstromes in der erfindungsgemäßen Weise führt zu einer grundlegenden Vereinfachung der gesamten Anlagentechnik und des Vergasungsbetriebes. Die wichtigsten Vereinfachungen betreffen den Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung. Die Umfassungswände des Vergasungsraumes, die vom Rohgasabgang am oberen Ende bis zum Bodenproduktabzug am unteren Ende des Flugstromvergasers reichen, sind über die Höhe ohne nennenswerte Querschnittsveränderungen, am einfachsten in Form eines Zylinders, ausgebildet. Der Hitzeschutz des Vergaserinnenmantels auf der heißen Seite besteht vorzugsweise in einer üblichen Bestiftung und einer keramischen Beschichtung. Eine Ausmauerung ist nicht erforderlich. Im Falle von keramischen Beschichtungen sind schnelle An- und Abfahrzeiten realisierbar. Auf der Rohgas-Seite entfallen Heißzyklone, Kaltgasquenche sowie Kühl- und Nachbehandlungseinrichtungen für die abgeschiedenen Stäube und auf der Bodenprodukt-Seite ebenfalls die Kühl- und Nachbehandlungseinrichtungen. Schließlich kann die Zuführung der Vergasungsmittel und der festen Brennstoffe drastisch vereinfacht werden, indem anstelle aufwendiger, integrierter Brennerkonstruktionen getrennte Systeme mit gekühlten Rohrzuführungen zur Anwendung vorgesehen werden können.
Zur Erfindung gehört auch eine Anlage zur Flugstromvergasung unter Druck. Die Anlage besteht aus einem erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor mit zugehörigen Einrichtungen für die Zuführung von Vergasungsmitteln und festen Brennstoffen, für die Weiterverarbeitung der Rohgase und die Abführung der Asche.
Der Rohgasabgang (8) des Vergasungsreaktors steht mit einem Abhitzewärmetauscher (25) in Verbindung, dem ein Staubabscheider zur Abtrennung der mitgeführten Stäube und ein Dichtstromförderer zur Rückführung der abgetrennten Stäube in den intern zirkulierenden Flugstrom (11) nachgeschaltet sind.
Die den Staubscheider verlassenden Rohgase können genutzt oder vor der Nutzung einer Gasaufbereitungseinrichtung zugeführt werden.
Anhand Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Vergasungsreaktor (1) mit intern zirkulierendem Flugstrom. Der Vergasungsraum (3) des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung (1) wird von einem zylindrischen Druckgefäß (4) umfasst, das aus einem äußeren Druckmantel (5), einem Wasserraum (6) und einem Innenmantel (7) besteht. Der Innenmantel (7) ist bestiftet und mit mit einem feuerfesten Material als keramischen Schutz bestampft. Am oberen Ende des Flugstromvergasers (1) befindet sich der Rohgasabgang (8) und am unteren Ende der Bodenproduktabzug (9), von dem in der Figur nur die obere Kontur des Drehrostes (10) angedeutet ist. Der intern zirkulierende Flugstrom (11) ist über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) ausgebildet. Auf einer Ebene (14) in einer Höhe von ca. 1 m über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) befinden sich, 180° versetzt, zwei Zuführungsstutzen (15) für den Dichtstromeintrag der staubförmigen Trockenbraunkohle (2) und 6 Vergasungsmitteldüsen (16) für die Einspeisung der ersten Vergasungsmittel (17). Die Vergasungsmitteldüsen (16) sind gleichmäßig über den Umfang des äußeren Druckmantels (5) verteilt angeordnet. Sie sind radial und 30° nach oben geneigt ausgerichtet.
Der Rohgasabgang (8) steht mit Abhitzewärmetauscher (25) in Verbindung, dem ein Warmgasfüter (26) zur Abtrennung der mitgeführten Stäube und ein Dichtstromförderer zur Rückführung der abgetrennten Stäube (20) in den intern zirkulierenden Flugstrom (11) nachgeschaltet sind.
Im Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung (1) wird bei einem Druck von 33 bar staubförmige Trockenbraunkohle (2) mit einem Wassergehalt von 12 Ma.-%, einem Aschegehalt von 6 Ma.-% und einem kritischen Aschesinterpunkt von 1.000 0C vergast. Die mengenmäßige Zuführung der ersten Vergasungsmittel (17) wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockenbraunkohle (2) erläutert. Auf 1 kg Trockenbraunkohle (2) werden insgesamt 0,366 m3(i.N.) Sauerstoff (18), 0,058 m3(i.N.) Kohlendioxid (29) und 0,171 kg Wasserdampf (19) zugeführt.
Die ersten Vergasungsmittel (17) werden mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 m/s und einer Temperatur von 280 0C über die Vergasungsmitteldüsen (16) in den Vergasungsraum (3) des Vergasungsreaktors (1) eingedüst. In den intern zirkulierenden Flugstrom (11) werden neben den ersten Vergasungsmittel (17) und der staub förmigen Trockenbraunkohle (2) zurückgeführte Stäube (20) und das das Wanderbett (12) nach oben verlassende Nachvergasungsrohgas (21) eingebracht.
Unter intensiver Vermischung der beteiligten Eintragstoffe bildet sich im intern zirkulierenden Flugstrom (11) die aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung (22) aus, die von der abwärtsgerichteten „kalten" Wandströmung (23) umgeben ist. In der aufwärtsgerichteten, heißen Zentralströmung (22) granuliert die Asche zu Aschegranulaten, die sich mit einer Korngröße von hauptsächlich 2 mm nach unten auf die Oberfläche des Wanderbettes (12) absetzen. Die staubbeladenen Rohgase (24), die eine Staubeladung von ca. 30 g/m3(i.N.) aufweisen, wobei die Stäube je mengenmäßig hälftig aus Kohlenstoff und Asche bestehen, verlassen den Flugstromvergaser (1) mit einer Temperatur von ca. 950 0C über den Rohgasabgang (8) und gelangen über den Abhitzewärmetauscher (25), in dem sie auf ca. 250 0C abgekühlt werden, in den Warmgasfüter (26). Dort werden die mitgeführten Stäube (20) praktisch vollständig abgeschieden und mittels einer Einrichtung zur Dichtstromförderung (27) in den zirkulierenden Flugstrom (11) zurückgeführt.
Über den Drehrost (10) werden die zweiten Vergasungsmittel (28), die aus Sauerstoff (18) und Kohlendioxid (29) im Volumenverhältnis von 10 Vol.-% Sauerstoff und 90 Vol.-% Kohlendioxid gemischt werden, mit einer Temperatur von 80 0C in das Wanderbett (13) eingebracht. Die über den Bodenproduktabzug (9) abgezogenen, oxidierten Bodenprodukte (30) verlassen den Flugstromvergaser (1) mit einer Temperatur von 140 0C. Ihr C-Gehalt beträgt < 2 Ma.-%, so dass sie ohne Nachbehandlung umweltgerecht deponiert oder weiterverwertet werde können. Die zweiten Vergasungsmittel (28) werden mengenmäßig so zugeführt, dass sich an der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) Strömungsgeschwindigkeiten bezogen auf den freien Strömungsquerschnitt um 0,3 m/s einstellen. Damit ist eine gleichmäßige, reguläre Durchströmung des Wanderbettes (13) gewährleistet.
Bezugszeichenliste
1 Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung
2 staubförmige Trockenbraunkohle
3 zylindrisches Druckgefäß
4 Druckgefäß
5 äußerer Druckmantel
6 Wasserraum
7 Innenmantel
8 Rohgasabgang
9 Bodenproduktabzug
10 obere Kontur des Drehrostes
11 intern zirkulierender Flugstrom
12 Oberfläche
13 Wanderbett
14 Ebene
15 Zuführungsstutzen
16 Vergasungsmitteldüsen
17 erste Vergasungsmittel
18 Sauerstoff
19 Wasserdampf
20 Stäube
21 Nachvergasungsrohgas
22 heiße Zentralströmung
23 kalte Wandströmung
24 staubbeladene Rohgase
25 Abhitzewärmetauscher
26 Warmgasfüter
27 Einrichtung zur Dichtstromförderung
28 zweite Vergasungsmittel
29 Kohlendioxid
30 oxidierte Bodenprodukte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, wobei in einem aufwärts gerichteten, intern zirkulierenden Flugstrom unter Verwendung erster sauerstoffreicher Vergasungsmittel
a) eine weitgehend vollständige Vergasung der C-haltigen Bestandteile der festen Brennstoffe und b) eine thermische Behandlung von Nachvergasungsrohgasen sowie c) eine Granulierung der Asche bei Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgen,
wobei kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände, Aschegranulate und staubbeladene Rohgase gebildet und staubbeladene Rohgase bei Temperaturen unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes aus dem Flugstrom nach oben in eine Pufferzone abgezogen und von dort einer Weiterverarbeitung zugeführt werden, wobei die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwärtsgerichtete „kalte" Wandströmung ausbildet, und wobei in einem unter dem Flugstrom befindlichen Wanderbett unter Verwendung zweiter sauerstoffarmer Vergasungsmittel eine weitestgehende bis vollständige Oxidation der den Flugstrom nach unten verlassenden kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände und Aschegranulate bei Temperaturen unterhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgt und dabei Nachvergasungsrohgase und oxidierte Bodenprodukte gebildet werden, wobei die zweiten Vergasungsmittel in Menge und Zusammensetzung so zugeführt werden, dass einerseits der Ascheerweichungspunkt im Wanderbett nicht überschritten und andererseits das Wanderbett regulär durchströmt wird und wobei die oxidierten Bodenprodukte im Gegenstrom zu den zweiten Vergasungsmitteln nach unten aus dem Wanderbett abgezogen und die Nachvergasungsrohgase aus dem Wanderbett nach oben in den Flugstrom eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Flugstrom abgezogenen staubbeladenen Rohgase vorzugsweise indirekten Wärmetauschern und danach Staubabscheidern zur Abtrennung C-haltiger Stäube zugeführt und dass die abgetrennten C-haltigen Stäube weitestgehend bis vollständig in den Flugstrom zurückgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Vergasungsmittel mit Sauerstoffgehalten von 21 bis 100 Vol.-% zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Vergasungsmittel mit Sauerstoffgehalten von 5 bis 20 Vol.-% zugeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten sauerstoffarmen Vergasungsmittel aus Sauerstoff und Kohlendioxid bestehen und mit Temperaturen von vorzugsweise < 100 0C in das Wanderbett eingebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Brennstoffe ausgewählt sind aus staubförmigen Brennstoffen, C-haltigen Stäuben oder deren Mischungen oder feststoffhaltigen Brennstoff/Wasser- oder Brennstoff/Öl- Slurrys.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der festen Brennstoffe in gleicher Höhe oder bis ca. 1 m unterhalb der Höhe der Zuführung der ersten Vergasungsmittel erfolgt, mindestens aber ca. 1 m über der Oberfläche der Schüttung des Wanderbettes.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Brennstoffe mittels Dichtstromförderung und/oder in Form von Slurries eingetragen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Vergasungsmittel mit Strömungsgeschwindigkeiten von > 10 bis ca. 80 m/s in den Vergasungsraum eingedüst werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den festen Brennstoffen, deren kritischer Aschesinterpunkt unterhalb der zur Vergasung notwendigen Temperatur liegt, zusätzlich schmelz- und sinterpunkterhöhende Zuschlagsstoffe zugegeben werden.
11. Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung fester Bennstoffe unter Druck bestehend im Wesentlichen aus einem kühlbaren Druckgefäß (3) und einem mit Hitzeschutz ausgerüsteten Innenmantel (7), wobei am oberen Ende des zylindrischen Druckgefäßes (3) mindestens ein Rohgasabgang (8) und am unteren Ende mindestens ein Bodenproduktabzug (9) angeordnet ist, wobei das Druckgefäß (3) wenigstens Raum für ein Wanderbett und einen über der Oberfläche (12) des Wanderbettes intern zirkulierenden Flugstrom und darüber für eine Pufferzone aufweist, wobei in einer Höhe von ca. 1 bis 3m über der Oberfläche (12) des Wanderbettes (13) Zuführungsstutzen (15) für die festen Brennstoffe und Vergasungsmitteldüsen (16) für die Einspeisung erster Vergasungsmittel (17) angeordnet, wobei die Vergasungsmitteldüsen so ausgestaltet sind, dass die ersten Vergasungsmittel in den Flugstrom so eingedüst werden, dass sich eine aufwärtsgerichtete, heiße Zentralströmung und eine abwärtsgerichtete „kalte" Wandströmung ausbildet, und wobei am Bodenproduktabzug (9) mindestens eine Zuführungseinrichtung für zweite Vergasungsmittel angeordnet ist.
12. Vergasungsreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmitteldüsen (16) gleichmäßig über den Umfang des äußeren Druckmantels (5) verteilt angeordnet, radial und 10 bis 30° nach oben geneigt ausgerichtet sind.
13. Vergasungsreaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäß (3) als zylindrisches Druckgefäß ohne nennenswerte Querschnittsveränderungen ausgeführt ist.
14. Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (7) bestiftet und mit SiC und/oder anderen feuerfesten keramischen Materialien als keramischen Hitzeschutz bestampft ist.
15. Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefäß eine wassergekühlte Rohrmembranwand aufweist.
16. Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsstutzen (15) für die festen Brennstoffe in etwa gleicher Höhe oder unterhalb der Vergasungsmitteldüsen angeordnet sind.
17. Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenproduktabzug als Drehrost ausgeführt ist.
18. Anlage zur Flugstromvergasung unter Druck, umfassend mindestens einen Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 17 mit zugehörigen Einrichtungen für die Zuführung von Vergasungsmitteln und festen Brennstoffen, für die Weiterverarbeitung der Rohgase und die Abführung der Asche, wobei der Rohgasabgang (8) des Vergasungsreaktors mit einem Abhitzewärmetauscher (25) in Verbindung steht, dem ein Staubabscheider (26) zur Abtrennung der mitgeführten Stäube und ein Dichtstromförderer zur Rückführung der abgetrennten C-haltigen Stäube in den intern zirkulierenden Flugstrom (11) nachgeschaltet sind.
19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgasabgang des Staubscheiders (26) mit einer Gasaufbereitungseinrichtung verbunden ist.
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