WO2013087521A2 - Verfahren und vorrichtung zur flugstromvergasung fester brennstoffe unter druck - Google Patents

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Martin Gräbner
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Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for entrained flow gasification of solid fuels under pressure.
  • Solid fuels such as coal, petroleum coke, biomass or other carbon-containing dusts are mainly gasified in entrained flow gasifiers and referred to as gasification.
  • Flugstromvergasser are characterized by the fact that the gasification substances in the form of the dry entry by means of dense phase conveying and gas transport medium or in the form of wet entry by slurries, usually with water as a transport medium, are introduced into the carburetor.
  • the entry into the gasification chamber via burners, which usually complete flush with the reactor walls. Reactor walls and burners, in particular their head areas, are water-cooled.
  • the mixing of the gasification substances with the gasification agents which essentially consist of oxygen and, if required, steam, takes place through the burners.
  • Gasification flames are formed in front of the burners in which maximum temperatures of up to 3,000 ° C prevail.
  • the flames are circulated by recirculating hot gases laden with unreacted gasification particles and slag droplets. Due to the recirculation, the reaction principle is similar to that of a stirred tank reactor with temperature compensation in the predominantly entire gasification space.
  • the slag discharge is concentrated downwards towards a slag discharge nozzle. Furthermore, sufficiently low viscosities of the slag flowing off the walls must be achieved.
  • the temperatures in the gasification chambers are adjusted by adjusting the amounts of oxygen accordingly, that the melting temperatures of the ashes of the gasification materials are exceeded by at least 50 K. From the gasification rooms, the raw synthesis gases are removed together with the predominantly liquid slags or separated from the slags.
  • US 2010/0146857 A1 discloses a method for operating a multi-zone gasification reactor with the method steps:
  • Coal, oil or gas is used as the fuel-rich starting material.
  • Low-calorific raw material low-calorific coal and biomass is supplied in dry form to the gasification reactor.
  • CN 101985568 A describes a two-stage oxygen-blown dry-ash pressure carburetor for ash-rich coals with high ash melting points.
  • This is an airstream gasifier with downward flow with a central coal gasification agent burner whose gasification intensity by an additionally impressed Rlickessel (see Fig. 1, the Boxeran extract the nozzles (4) and (5) and the enlarged cross-sectional reaction space ( 6) in the amount of the second stage of the oxygen input) to be increased.
  • the teaching according to EP 0 634 470 A1 (transport principle) is not suitable because the disadvantages of the stirred tank principle avoided are more than compensated by other disadvantages.
  • the method uses a combustion chamber (combuster) for coke burnout with a riser, in which the hot combustion gases are to be contacted with the fresh gasification material. Since, due to the process, only temperatures below the ash starting point can be set, a return of the physical heat of the solid (as heat carrier) and of unreacted gasification substance in mixture with bed material (eg ash or absorbents) is absolutely necessary in order to avoid a drop in efficiency.
  • the apparatuses to be provided for the gasification material return which is to achieve 10 to 250 times the amount of gasification substance introduction, cause a high complexity of the system, with the result that the said disadvantages (1) to (4) come to fruition.
  • the object of the invention is derived, which the basic apparatus simplification of entrainment gasification (burnerless), increasing the gasification pressures up to 100 bar when using the dry entry, the flexibilization with respect to the spectrum and grain sizes of the carburetor and the reduction the susceptibility of the gasification and safety simplification includes.
  • the object is achieved by a method for entrained flow gasification of solid fuels under pressure by means of an entrained flow gasifier with a pressure reactor with two gasification chambers according to claim 1. Further embodiments contain the features of claims 2 to 5.
  • the process for entrained flow gasification of solid fuels under pressure is performed by means of an entrained flow gasifier with a pressure reactor with two gasification chambers and a vertically downward flow in the above burnerless, preferably by gravity dust-like gasification substances are registered in the at least two stages first and second oxygen-containing gasification agents are supplied, so that a first, upper gasification space and then a second, lower gasification space form, and from the gasification products, which consist of raw slag and / or solids loaded Rohsynthesegasen are discharged from the gasification chambers down, wherein the first gasification agent locally separated from the supply of the gasification materials, but locally not higher than the gasification substances are introduced from above into the first gasification space, wherein the entry of the first gasification agent in at least a level by means of first gasification nozzles distributed annularly on at least one circumference of the entrained flow gasifier, wherein the first oxygen-containing gasification agent amount to 10 to 60% of the mass fraction of the sum of all supplied gasification agent, where
  • substantially complete gasification is used in the gasification, because gasification processes usually do not complete, so run to 100% conversion of carbon (carbon sales).
  • Substantially complete gasification in the sense of the entrained-flow gasification according to the invention denotes a carbon conversion of 90-99.9%, preferably 95-99.9%, particularly preferably 98-99.9%.
  • the novel process for entrained flow gasification of solid fuels under pressure is characterized in that at least two stages first and second oxygen-containing gasification agent are added to a brennerlos registered from above, dusty Vergasungsstoffstrom, so that a first, upper gasification chamber and then a second, lower Train gasification room.
  • first and second oxygen-containing gasification agent are added to a brennerlos registered from above, dusty Vergasungsstoffstrom, so that a first, upper gasification chamber and then a second, lower Train gasification room.
  • temperatures are set in the second gasification chamber such that gasification is substantially complete and the desired compositions of the crude synthesis gases of the second gasification products are achieved.
  • the discharge of the ash in dry form and / or in the form of molten slag is possible.
  • a gasification reactor for entrained flow gasification of solid fuels under pressure comprising a pressure reactor, with a first upper, inside predominantly or completely lined reactor part with a first gasification space, with a second, coolable and / or walled reactor part with a second gasification space , a quenching chamber and a crude gas outlet, with at least one bottom product takeoff, wherein the inner clear diameter of the second Gasification space is 130 to 340% of the inner clear diameter of the first gasification space, wherein at the top of the first gasification chamber at least one gravitational entry for burnerless supply of solid gasification materials is arranged, the annular of downwardly inclined, directed into the first gasification gasification agent nozzles for the supply of first gasification agent wherein gasification agent nozzles for second gasification means are arranged above or below and in the vicinity of the inlet of the second gasification space in at least one plane over at least one circumference of the entrained-flow gasifier.
  • the gasification agent nozzles for the first gasification agent nozzles are arranged and designed such that the first gasification agents amount to 10 to 60% of the mass fraction of the sum of all supplied gasification agents and the first gasification agents are quantitatively and in the composition such that a partial gasification of the gasification substances takes place such that the first gasification products have temperatures of at least 600 ° C and the carbon conversion of the first gasification products, based on the carbon input of the gasification materials, not more than 80%.
  • the gasifying agent nozzles for the second gasifying agent nozzles are arranged and designed such that the second gasifying agents are proportioned in quantity and in the composition so that a largely complete gasification of the gasification substances takes place and the desired compositions of the crude synthesis gases of the second gasification products are achieved.
  • the entry of the gasification materials takes place from above, preferably via a central entry at the highest position at the head of the first gasification space, in the preferably cylindrically executed and preferably bricked first gasification space, preferably according to the principle of gravitational force entry. If required, installations or a gas flow (inert gases and / or combustion gases) can be used for the first loosening of the gasification material flow.
  • the first gasification chamber can be advantageously extended in the free cross section downwards. Also at the top of the first gasification room, but not higher than the entry of the gasification substances, the first oxygen-containing gasification agents are added.
  • the entry of the first gasification agent is preferably carried out in a plane by means of distributed over the circumference of the pressure reactor first gasification agent nozzles.
  • the first gasifying agent nozzles are designed either as water-cooled oxygen nozzles, water-cooled oxygen-steam mixture nozzles or as non-cooled two-component nozzles, in which the inner gasifier nozzles Oxygen flow of jacket steam in an annular gap is flowed around as a gasification vapor.
  • the addition of the first gasification agent is to be adjusted so that due to the heat release of the gasification reactions, the masonry in the first gasification chamber temperatures greater than 600 ° C, which ensure an inherent ignition safety and allow the elimination of a classic pilot burner. If the addition of endothermic gasification agents (eg water vapor, carbon dioxide) to limit the temperature is required for high calorific gasification substances, the endothermic gasification agents are preferably added with the first gasification agents.
  • endothermic gasification agents eg water vapor, carbon dioxide
  • the first gasification chamber is usually designed as an attachment to the second gasification chamber.
  • the gasification-side, clear cross-sections of the first gasification chamber and the second gasification chamber are preferably of the same size at the transition from the first gasification chamber to the second.
  • the second gasification chamber widens depending on the system pressure in a transition region to a clear inner diameter of 130 to 340% of the clear diameter of the first gasification chamber.
  • the inner wall of the second gasification chamber is preferably designed as a pressurized water jacket with boiling water natural circulation, wherein the inner jacket thermally insulated, preferably studded and tamped or provided with a Siliziumcarbid- masonry is.
  • a further advantageous solution for heat insulation of the inner wall of the second gasification chamber is to equip the inner wall partially or completely with a ceramic, heat-insulating masonry.
  • the inner contour of the second gasification chamber is cylindrical, but may also preferably be flared downwardly over the entire length or over parts of the length by 1 -2 ° to reduce the solid deposits on the wall.
  • the descending first gasification products are introduced at or near the entrance of the second gasification chamber second gasification agent in at least one plane by means of at least one circumference of the pressure reactor distributed second gasification agent nozzles, at least 2 to at most 12.
  • the second gasification agent can be entered both above or below, but in the vicinity of the entrance of the second gasification chamber.
  • the second gasification nozzles are either radially symmetric or tangentially aligned and are 0 to 90 °, preferably 60 °, down against the horizontal employed.
  • the second gasifier nozzles are either water-cooled oxygen nozzles, water-cooled oxygen-steam mixture nozzles, or uncooled Two-fluid nozzles executed, in which the inner oxygen flow of jacket steam is flowed around in a ring gap as a gasification vapor.
  • a downward flow sets in, which prevents an occurrence of larger recirculation cells of the flow.
  • the addition of the second gasification agent is such that a substantially complete gasification takes place and the desired compositions of the crude synthesis gases of the second gasification products are achieved.
  • the temperatures of the second gasification products are adjusted above the ash melting temperatures, so that forms liquid slag. Temperatures below the ash melting temperatures, however, can be advantageously realized if high-melting, reactive gasification materials are used, in which a sufficiently complete carbon conversion can be achieved even below the ash melting temperature.
  • the second gasification space is bounded at the bottom by the quenching space.
  • the carburetor inner wall is low or preferably not constricted.
  • the particle loading of the crude synthesis gases of the second gasification products is high, because due to the low-recirculation airfoil, only a small amount of ash and slag impinges on the gasifier wall and adheres, so that the vast majority of the ashes and slags are transported in the form of particles with the gas stream. Due to the comparatively small admission of ashes and slags to the inner walls of the gasifier, the gasification in the second gasification space can be operated at temperatures below, at or above the slag melting point.
  • the quenching is designed as a spray quench, wherein the required water flow preferably distributed as uniformly as possible in at least one plane over the circumference, either radially symmetric or tangential aligned quench nozzles is introduced.
  • the jet direction of the nozzles is preferably set at 0 to 30 ° to the horizontal upwards and / or downwards.
  • the crude synthesis gases leave the quench space laterally, the gas outlet preferably being equipped with a baffle and deflection plate in front of it.
  • the invention takes advantage of the finding that, in the combination of (A) complete local separation, the supply of the gasification agents and the gasification agents, (B) the gradual introduction of the gasification agents and (C) the stepped cross-sectional enlargement of the gasification chambers to ensure backmixing low flows in the Such conditions for the flowstream gasification are to be created so that a fundamental simplification of the entire gasification technology including the extension of the gasification substance range is possible.
  • the teaching is thus fundamentally different from the prior art or the approaches proposed in CN101985568A (Two-stage oxygen gasifier).
  • the most important simplifications relate to the elimination of apparatus, operational and safety-consuming burner technologies, the elimination of the required, complex and failure-prone dense stream promotion of gasification, reducing the quality requirements of the gasification materials in particular with regard to limiting grain sizes, water contents, ash contents and ash qualities, the possible increase of Carburetor pressure to 100 bar and the basic structural, technical apparatus and safety simplifications of the gasification reactor and the gasification operation.
  • the task of mixing gasification agent and gasification agent is achieved by the largely recirculation-free designed flow in the first gasification chamber, whereby a certain enforced by the burner technology entry velocity range of dusty gasification materials and imposed by the dense phase current limiting the grain sizes and water contents of the gasification materials are no longer necessary.
  • Essential to the invention is a separation of the gasification space in a first small and a second large gasification chamber, wherein the first gasification chamber is preferably predominantly bricked to ensure stable ignition and ignition safety without the use of a classic pilot burner.
  • the lining of the first gasification space must have temperatures of more than 600 ° C., preferably more than 700 ° C., in the carburetor operation in order to ensure ignition of the mixing gasification agent / gasification agent flow.
  • the heating time for the lining which is realized by at least one powered with gaseous or liquid fuels and arranged at the upper end of the first carburetor Anfahrbrenner is on the one hand by the much higher achievable heat flux density through the reduced inner diameter of the first gasification chamber and on the other hand by the lower required End temperature significantly reduced.
  • the start-up burner advantageously remains installed during the stationary gasification operation and is preferably purged with a small amount of combustible gases, preferably recycled syngas.
  • This has the advantage that it can be dispensed with an expansion of the starting torch and this can be used for covering and that the whereabouts of the burner for flushing no nitrogen is added, which especially at high pressures the gas quality charged.
  • an additional ignition safety is ensured, which allows a substantial flexibilization of the starting materials in terms of grain size and moisture content.
  • reactor linings are characterized by liquid slag attack subject to severe Abzehrung, the first gasification agents in terms of amounts and compositions are chosen so that a partial gasification takes place, in which the temperatures are limited so that little or no liquid Slags occur. This is usually the case when the carbon turnover of the first gasification products, based on the carbon input of the gasification materials, is at most 80%. Due to the low temperatures in the first gasification chamber, the first gasifying agent nozzles and the gasification material entry are only exposed to low thermal loads. As a result, the continuous operating stability of the nozzles and other installations is increased.
  • the oxygen-containing, first gasification means for the first reaction space are fed by first gasification agent nozzles, which are also arranged symmetrically downwardly inclined at the head near the coal inlet. It is important that the first gasification agents are not placed in the first gasification room at a level higher than the gasification materials to ensure that the first gasification agents immediately come into contact with the gasification substances falling down. In terms of safety, it is important that there is still free carbon at the lower end of the first gasification chamber so that uncontrolled reactions of free oxygen can not take place (inherent safety).
  • endothermic gasifying agents eg water vapor, carbon dioxide
  • endothermic gasifying agents eg water vapor, carbon dioxide
  • a high gas mass flow in the first gasification space causes a good mixing of the first gasification agents and the gasification materials and a more homogeneous velocity profile with a small difference in diameter between the two gasification spaces. Therefore, preferably the entire required amount of endothermic gasifying agents is added in the first gasification space.
  • the first gasification agent nozzles used are designed as water-cooled oxygen nozzles, water-cooled oxygen-water vapor mixture nozzles or as non-cooled two-component nozzles in which the inner oxygen-containing gas stream is flowed around by jacket steam in an annular gap as a gasification vapor.
  • the exit velocity of the first gasification agent is between 5 and 40 m / s, preferably between 5 and 20 m / s, wherein in the case of the two-fluid nozzles the Speeds of the shell steam are about 10% higher than those of the internal gas flow.
  • carbon conversions 30 to 80%, preferably 40 to 65%, are established in the first gasification space.
  • the particle residence times in the first gasification chamber are about 1 s and the gas exit velocities at the lower end are 1 to 5 m / s, preferably 2 m / s.
  • the first gasification space is designed as an attachment above the second gasification space.
  • an additional oxygen-containing second gasification agent is added to the particle-laden crude synthesis gas stream of the first gasification products which flow from the first gasification space into the second gasification space.
  • the amounts and compositions of the second gasifying agents are to be such as to achieve an almost complete conversion of the carbon of the gasification products into gaseous products and the desired compositions of the raw synthesis gases of the second gasification products.
  • the second gasification agent nozzles are preferably aligned either radially symmetrically or slightly tangentially in the constriction region on a common circumference in order to achieve on the one hand sufficient mixing of the streams and on the other hand minimal formation of recirculation regions.
  • a further preferred arrangement of the second gasification agent nozzles relates to the arrangement of a nozzle plane at the outlet of the first gasification space such that the nozzles are vertically inclined downwards so far that the nozzle jets radiate freely into the second gasification space.
  • the second gasifying agent nozzles can be placed in "colder", material-preserving, surroundings
  • the exit velocities of the gasifying agents are between 5 and 40 m / s, preferably between 5 and 20 m / s, whereby in the case of the two-component nozzles the velocities of the jacket vapor around 10% higher than the inner gas flow.
  • the proportions of the oxygen-containing gasification agents for the second gasification chamber vary between 90 and 40% relative to the total gasification agent requirement.
  • the gasification-side, clear has Cross-section of an extension in the upper part of the second gasification chamber.
  • the clear inner diameter of the second gasification chamber expands to 130 to 340% of the clear diameter of the first gasification chamber in a transition region.
  • the contour of the transition region can be conical or curved and is preferably shaped such that the most constant gas flow velocity is achieved over the cross section.
  • the carburetor inner wall of the second gasification chamber is preferably designed to be coolable in the form of a pressurized water jacket with boiling water natural circulation, wherein the outer shell is pressure-bearing and the inner shell preferably potted and stripped or executed with a heat-insulating masonry, for example made of silicon carbide.
  • the water jacket pressure is 1 to 3 bar above the system pressure of the gasification chamber.
  • the inner contour of the second gasification chamber is cylindrical, but may also preferably be conically widened over the length or parts of the length downwards by 1 -2 °, on the one hand to reduce the solid deposition on the wall and on the other hand not to interfere with the formation of the transport flow , It store only about 5 to 20% of the total slag on the cooled wall, so that a solid slag layer is formed, which protects the reactor wall from erosion and represents an insulation for excessive heat loss. Internally, the solid slag layer changes into a liquid layer so that newly deposited slag droplets can drain downwards.
  • the reaction space is dimensioned such that the mean gas velocities at the lower end of the second gasification space are between 1 and 5 m / s, preferably 2 m / s, and the particles have residence times of about 2 s after contacting with the second gasification agents in the second Have gasification room.
  • Another advantage of the invention is that the formation of a predominant plug flow leaves most of the solid or liquid gasification products in the gas stream and is not deposited on the wall by recesses. Therefore, there is no need for a tight congestion-prone necking of the second gasification space at the transition to the quench space because the radiant heat losses are limited downwardly by the high particle loadings of the crude synthesis gases of the second gasification products.
  • a small constriction with drip edge is advantageous up to at most 80% of the clear diameter at the lower end of the second gasification chamber, around the quench water nozzles in the upper part protect the underlying quenching space from direct solid or droplet impact.
  • the raw synthesis gas releases some of its sensible heat to the water, which in turn is preheated in the mixture and evaporated.
  • the outlet temperatures of the cooled synthesis crude gases are thus preferably in the vicinity of the system pressure-dependent saturation temperature and can be further reduced by excess quenching water if necessary.
  • the quenching itself is configured as a spray quench, wherein the required water flow is preferably introduced by at least one level evenly distributed over at least one circumference, either radially symmetrical or tangential, aligned, at least 3 quench nozzles is introduced.
  • the jet direction of the nozzles is preferably set at 0 to 30 ° to the horizontal upwards and / or downwards.
  • a sufficient exit velocity of about 20 to 50 m / s ensures that the water incorporation reaches at least the core of the gas flow.
  • the crude synthesis gases leave the reactor laterally via at least one outlet, wherein the outlet is preferably protected from a short-circuit flow by at least one baffle and baffle plate located in front of it.
  • a water bath At the lower end of the quench room is a water bath whose level is regulated to constant heights. Solid gasification residues are deposited below the water surface and are drawn down. The bed is reduced to the appropriate exit diameter by a conical grate and periodically passed down to a solids rejection system by means of a water flow.
  • the first walled reactor part (31) of the gasification reactor for entrained flow gasification comprises a first gasification space (1) and is comprised of a cylindrical pressure vessel consisting of an outer pressure jacket (12) and an inner refractory lining (11).
  • the second cooled reactor part (32) of the gasification reactor for entrained flow gasification is arranged below the first walled reactor part (31) and comprises a second gasification space (2) and a quench space (3) and is comprised of a cylindrical pressure vessel consisting of an outer pressure jacket (16 ), a water space (17) and an inner shell (18). Sheath water supply (27) and jacket water discharge (28) ensure the supply and discharge of the cooling water.
  • the inner clear diameter of the second gasification chamber (2) is 195% of the inner clear diameter of the first gasification chamber (1).
  • the inner shell (18) is furnished and tamped with a refractory material (15) as a ceramic protection.
  • the 4 gasification agent nozzles (9) for first gasification means (7) are set at 45 ° to the horizontal downwards, distributed at equal intervals on a circumference and aligned radially.
  • a bottom product take-off (25) in which only the constituent and quasi-continuously withdrawn bed of slag granules (24), which below the water level (22) in the quench (3) within a conical Schlackerosts (30 ), is implied.
  • the quantitative feed of the first (7) and second gasification means (8) will be explained below for the sake of clarity on the basis of reference of one kg of dry coal (4).
  • a total of 0.6 m 3 (i.N.) of oxygen (5) and 0.1 13 kg of water vapor (6) are fed into the gasification reactor.
  • 0.093 m 3 (iN) of oxygen (5) and 0.1 13 kg of steam (6) are used per kg of dry-coal (2) as the first gasification agent (7), the water vapor being used as an endothermic gasification agent due to the high calorific value of the coal is used.
  • a second gasification agent (8) 0.507 m 3 (iN) of oxygen (5) are used on 1 kg of dry coal (2).
  • 0.507 m 3 (iN) of oxygen (5) are used on 1 kg of dry coal (2).
  • the first gasification means (7) are introduced at a flow rate of 20 m / s and a temperature of 262 ° C via the Vergasungsstoffdüsen (9), designed as a cooled water vapor-oxygen Gemischdüse, in the first gasification space (1) of the upper walled reactor part ( 31) injected.
  • Vergasungsstoffdüsen (9) designed as a cooled water vapor-oxygen Gemischdüse
  • Intensive mixing of the participating feedstock forms a gas-solids flow which is up to 900 ° C hot, vertically downwards and which allows a solids residence time of about 1 s in the first gasification space (1) and leads to a gas velocity at the lower end of approx 2 m / s leads.
  • the lining (1 1) is heated by the flow to temperatures of more than 600 ° C, whereby a sufficient ignition potential and ignition safety is ensured.
  • the vertically downward gas-solid flow leaves the first gasification space (1) at the lower end and passes through an extension into the second gasification space (2) of the second cooled reactor part (32).
  • the extension takes place from 0.87 m clear diameter of the first gasification chamber (1) to 1.7 m clear Diameter of the second gasification chamber.
  • the second gasification means (7) are introduced into the second gasification space (2) of the lower cooled reactor part (32) at a flow rate of 20 m / s and a temperature of 25 ° C via the second gasification agent nozzles (13), designed as a cooled oxygen mixture nozzle ) injected.
  • the products of the second gasification chamber (2) go at a constriction (20) to a clear diameter to about 1, 36 m into the quenching chamber (3), where quench water (19) is injected at a speed of 40 m / s.
  • quench water (19) is injected at a speed of 40 m / s.
  • Intensive mixing of the feed streams, corresponding to the sensible heat of the gas-solid-liquid flow from the second gasification space (2) results in evaporation of a portion of the quench water and further cooling to approximately 256 ° C. by excess quenching water.
  • the liquid slag droplets are granulated and separated together with most of the solid dusts in a water bath, so that it comes to settling of these slag granules (24) below the mirror of the water surface (22).
  • the level of the water surface (22) is kept at a more or less equal level by discharging the excess quench water (29).
  • a baffle (23) before the exit of the Rohsynthesegase (26) the gas flow is forced to change direction, whereby a further separation of particles is achieved in the water bath.
  • the 2 mm or smaller granular solids reach the bottom product draw (25) with a carbon content of less than 0.67 mass%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, die dadurch charakterisiert sind, dass einem brennerlos von oben eingetragenen, staubförmigem Vergasungsstoffstrom in mindestens zwei Stufen erste und zweite sauerstoffhaltige Vergasungsmittel zugegeben werden, so dass sich ein erster, oberer Vergasungsraum und sich daran anschließend ein zweiter, unterer Vergasungsraum ausbilden. Durch die in der Menge und in der Zusammensetzung bemessenen Zugaben der ersten Vergasungsmittel wird eine Teilvergasung der Vergasungsstoffe durchgeführt, wobei sich Temperaturen in dem ersten, oberen Vergasungsraum einstellen, die größer als 600 °C sind. Des Weiteren wird der Kohlenstoff Umsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff-Eintrag der Vergasungsstoffe, auf höchstens 80 % begrenzt. Durch die in der Menge und in der Zusammensetzung bemessenen Zugaben der zweiten Vergasungsmittel werden im zweiten Vergasungsraum so hohe Temperaturen eingestellt, dass eine weitgehend vollständige Vergasung stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden. Dabei ist der Austrag der Asche in trockener Form und/oder in Form aufgeschmolzener Schlacke möglich.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck.
Feste Brennstoffe wie Kohlen, Petrolkoks, Biomassen oder andere kohlenstoffhaltige Stäube werden überwiegend in Flugstromvergasern vergast und als Vergasungsstoffe bezeichnet. Flugstromvergaser zeichnen sich dadurch aus, dass die Vergasungsstoffe in Form des Trockeneintrags mittels Dichtstromförderung und Gas als Transportmedium oder in Form des Nasseintrags mittels Slurries, üblicherweise mit Wasser als Transportmedium, in die Vergaser eingebracht werden. Der Eintrag in den Vergasungsraum erfolgt über Brenner, die in der Regel bündig mit den Reaktorwänden abschließen. Reaktorwände und Brenner, insbesondere deren Kopfbereiche, sind wassergekühlt. Die Vermischung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln, die im Wesentlichen aus Sauerstoff und im Bedarfsfall Wasserdampf bestehen, erfolgt durch die Brenner. Dabei bilden sich vor den Brennern Vergasungsflammen aus, in denen Maximaltemperaturen bis zu 3.000 °C herrschen. Die Flammen werden von rezirkulierenden, heißen Gasen umströmt, die mit nicht umgesetzten Vergasungsstoffpartikeln und Schlacketröpfchen beladen sind. Auf Grund der Rezirkulation gleicht das Reaktionsprinzip dem eines Rührkessel-Reaktors mit Temperaturausgleich im überwiegend gesamten Vergasungsraum. Um - im Falle von Vergasern mit Nassquenchung der Schlacke - die Wärmeverluste durch Strahlung aus dem Vergasungsraum in den Schlackeabkühlraum zu begrenzen, ist der Schlackeabfluss nach unten hin zu einer Schlackeablaufdüse eingeengt. Des Weiteren müssen ausreichend niedrige Viskositäten der an den Wänden abfließenden Schlacken erreicht werden. Die Temperaturen in den Vergasungsräumen werden durch Anpassung der Sauerstoffmengen dementsprechend eingestellt, dass die Schmelztemperaturen der Aschen der Vergasungsstoffe um mindestens 50 K überschritten werden. Aus den Vergasungsräumen werden die Rohsynthesegase zusammen mit den überwiegend flüssigen Schlacken oder getrennt von den Schlacken abgeführt.
Es bestehen grundlegende Unterschiede im Aufbau der Wände der Vergaser. Für Vergaser mit Trockeneintrag kommen sowohl wassergekühlte Reaktorwände (Kühlschirm-Vergaser) oder ausgemauerte Reaktorwände (ausgemauerte Vergaser) zum Einsatz. Letztere sind aus Gründen des Verschleißes nur dann zweckmäßig, wenn Vergasungsstoffe mit sehr geringem Aschegehalt vergast werden. Im Falle des Nasseintrags werden vorzugsweise ausgemauerte Vergaser verwendet. Die wesentlichen Nachteile der bekannten Flugstromvergaser betreffen:
a) die Komplexität des Prozesses, die hervorgerufen wird durch die Anforderungen an einen effizienten und sicherheitstechnisch einwandfreien Betrieb, hierbei insbesondere die sicherheitskritische Funktion des Brenners einschließlich Pilotbrenner bei Kühlschirm-Vergasern und die Dichtstromförderung,
b) die in Folge der Rezirkulation nicht effektiv genutzten Reaktionsräume mit der Folge verminderter spezifischer Leistungen,
c) die bei Nasseintrag erreichbaren geringeren Vergasertemperaturen, die einen unvollständigen Kohlenstoff-Umsatz zur Folge haben,
d) die hohen thermischen und korrosiven Beanspruchungen ausgemauerter Vergaser, e) die vergleichsweise großen Sauerstoffmengen, um die Aschen weit über ihren Schmelztemperaturen aufzuschmelzen,
f) die Begrenzung der Aschegehalte auf ca. 25 % bezogen auf die trockenen Vergasungsstoffe,
g) die Gefahr der Verlegungen des Schlackeablaufs.
Die genannten Nachteile betreffen in der Praxis
(1 ) zu hohe Investitionskosten (große Reaktionsräume sowie hoher apparativer Aufwand insbesondere für Vergaser mit Kühlschirmen und Einspeisesystemen für Trockeneintrag), (2) zu hohe Instandhaltungsaufwendungen (insbesondere für ausgemauerte Vergaser), (3) zu hohe Betriebskosten (insbesondere für Bespannungs- und Fördergase für Vergaser mit Trockeneintrag sowie für die Feinaufmahlung der Kohlen kleiner 100 μηη), (4) die Druckbegrenzung auf ca. 40 bar bei Vergasern mit Trockeneintrag infolge der hohen Mengen an Schleusenbespannungsgasen und Fördergasen der Dichtstromförderung (insbesondere für low rank Kohlen) und (5) die Störanfälligkeit des Vergasungsbetriebes im allgemeinen und bezüglich der Schlackeeigenschaften (insbesondere fehlende Benetzung des Kühlschirmes oder Verstopfung der Schlackeablaufdüse) und des Trockeneintrages (insbesondere Verlegungen im Dichtstromfördersystem) im besonderen.
US 2010/0146857 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrzonenvergasungsreaktors mit den Verfahrensschritten:
- Einbringen eines brennwertreichen Brennmaterials und eines Oxidationsmittels in eine erste Zone,
- Vergasen dieses brennwertreichen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel in der ersten Zone,
- Einbringen eines brennwertarmen sauerstoffhaltigen Rohmaterials in eine zweite Zone und
- Vergasen dieses brennwertarmen sauerstoffhaltigen Ausgangsmaterials in der zweiten Zone.
Als brennwertreiches Ausgangsmaterial wird Kohle, Öl oder Gas eingesetzt. Als brennwertarmes Ausgangsmaterial wird brennwertarme Kohle und Biomasse in trockener Form dem Vergasungsreaktor zugeführt.
CN 101985568 A beschreibt einen zweistufig Sauerstoff-geblasenen, trockenentaschten Druckvergaser für aschereiche Kohlen mit hohen Ascheschmelzpunkten. Hierbei handelt es sich um einen Flugstromvergaser mit abwärtsgerichteter Strömung mit einem zentralen Kohle-Vergasungsmittel-Brenner, dessen Vergasungsintensität durch ein zusätzlich aufgeprägtes Rührkesselverhalten (vgl. Fig. 1 die Boxeranordnung der Düsen (4) und (5) und den im Querschnitt vergrößerten Reaktionsraum (6) in Höhe der zweiten Stufe des Sauerstoffeintrags) erhöht werden soll.
Es wurden Lösungen vorgestellt, das insgesamt nachteilige Prinzip des Rührkessels analog dem Transportprinzip eines Fluid-Catalytic-Crackers zu ersetzen. Die Lehre nach EP 0 634 470 A1 (Transportprinzip) ist nicht geeignet, da die vermiedenen Nachteile des Rührkesselprinzips durch andere Nachteile mehr als kompensiert werden. Das Verfahren nutzt eine Brennkammer (Combuster) zum Koksabbrand mit einem übergangslos angeordneten Steigrohr (Riser), in dem die heißen Verbrennungsgase mit dem frischen Vergasungsstoff kontaktiert werden sollen. Da verfahrensbedingt nur Temperaturen unterhalb des Aschesinterpunktes eingestellt werden können, ist eine Rückführung der physikalischen Wärme des Feststoffes (als Wärmeträger) und von nicht umgesetztem Vergasungsstoff in Mischung mit Bettmaterial (z. T. Asche oder Absorbentien) zwingend erforderlich, um einen Wirkungsgradabfall zu vermeiden. Die für die Vergasungsstoffrückführung, welche die 10- bis 250-fache Menge des Vergasungsstoffeintrags erreichen soll, vorzusehenden Apparaturen verursachen eine hohe Komplexität des Systems mit der Folge, dass die genannten Nachteile (1 ) bis (4) voll zu tragen kommen.
Einen weiteren Ansatz stellt die Lehre nach US 7 547 423 B2 dar, bei welchem das Rührkesselverhalten durch das eines kompakten Rohrreaktors ersetzt werden soll. Da der Reaktor auf Erfahrungen eines Feststoffraketentriebwerkes basieren soll, ist die Vergasungsstoff- und -mittelverteilung (Brenner) am Eintritt des Reaktors sehr aufwendig gestaltet (mehrfache Teilung des Feststoffstromes in viele kleine Röhren) und neigt aufgrund seiner Komplexität zu einer hohen Störanfälligkeit. Weiterhin soll die Innenwand des Vergasers von einer festen, zum Gasraum hin flüssigen Schlackeschicht bedeckt sein, die im Falle eines Flammenabrisses kein Zündpotential zu Verfügung stellen kann, um einen explosionsgefährlichen Sauerstoffdurchbruch in den Rohsynthesegasweg zu verhindern. Daher sind zusätzlich hohe sicherheitstechnische Anforderungen an das System gestellt.
Aus den dargestellten Problemen leitet sich die Aufgabe der Erfindung ab, welche die grundlegende apparative Vereinfachung der Flugstromvergasung (brennerlos), die Erhöhung der Vergasungsdrücke bis 100 bar bei Anwendung des Trocken-eintrages, die Flexibilisierung bezüglich des Spektrums und der Körnungen der Einsatzkohlen und die Verringerung der Störanfälligkeit der Vergasung sowie die sicherheitstechnische Vereinfachung umfasst.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck mittels eines Flugstromvergasers mit einem Druckreaktor mit zwei Vergasungsräumen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen enthalten die Merkmale der Ansprüche 2 bis 5.
Das Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck wird mittels eines Flugstromvergasers mit einem Druckreaktor mit zwei Vergasungsräumen und einer vertikal nach unten gerichteten Strömung geführt, in den von oben brennerlos, vorzugsweise mittels Schwerkraft staubförmige Vergasungsstoffe eingetragen werden, in den in mindestens zwei Stufen erste und zweite sauerstoffhaltige Vergasungsmittel zugeführt werden, so dass sich ein erster, oberer Vergasungsraum und sich daran anschließend ein zweiter, unterer Vergasungsraum ausbilden, und aus dem Vergasungsprodukte, die aus mit flüssigen Schlacken und/oder Feststoffen beladenen Rohsynthesegasen bestehen, aus den Vergasungsräumen nach unten ausgetragen werden, wobei die ersten Vergasungsmittel örtlich getrennt von der Zuführung der Vergasungsstoffe, aber örtlich nicht höher als die Vergasungsstoffe, von oben in den ersten Vergasungsraum eingetragen werden, wobei der Eintrag der ersten Vergasungsmittel in mindestens einer Ebene mittels ringförmig auf mindestens einem Umfang des Flugstromvergasers verteilter erster Vergasungsmitteldüsen erfolgt, wobei die ersten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel 10 bis 60 % des Masseanteils der Summe aller zugeführten Vergasungsmittel betragen, wobei die ersten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen werden, dass eine Teilvergasung der Vergasungsstoffe so stattfindet, dass die ersten Vergasungsprodukte Temperaturen von mindestens 600 °C auf-weisen und der Kohlenstoffumsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff-Eintrag der Vergasungsstoffe, höchstens 80 % beträgt, wobei die ersten Vergasungsprodukte von oben in den, unter dem ersten Vergasungsraum angeordneten, zweiten Vergasungsraum strömen, der sich nach unten hin in Strömungsrichtung erweitert, wobei die zweiten Vergasungsmittel oberhalb oder unterhalb und in der Nähe des Eingangs des zweiten Vergasungsraumes eingetragen werden, wobei der Eintrag der zweiten Vergasungsmittel in mindestens einer Ebene mittels ringförmig auf mindestens einem Umfang des Flugstromvergasers verteilter zweiter Vergasungsmitteldüsen erfolgt, wobei die zweiten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen werden, dass eine weitgehend vollständige Vergasung der Vergasungsstoffe stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden. Die Kennzeichnung "weitgehend vollständige Vergasung" wird bei der Vergasung verwendet, weil Vergasungsprozesse in der Regel nicht vollständig, also zu 100% Umsatz des Kohlenstoffes (Kohlenstoff-Umsatz), ablaufen. Weitgehend vollständige Vergasung im Sinne der erfindungsgemäßen Flugstromvergasung bezeichnet dabei einen Kohlenstoffumsatz von 90 - 99,9 %, vorzugsweise von 95 - 99,9 %, besonders bevorzugt von 98 - 99,9 %.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck ist dadurch charakterisiert, dass einem brennerlos von oben eingetragenen, staubförmigem Vergasungsstoffstrom in mindestens zwei Stufen erste und zweite sauerstoffhaltige Vergasungsmittel zugegeben werden, so dass sich ein erster, oberer Vergasungsraum und sich daran anschließend ein zweiter, unterer Vergasungsraum ausbilden. Durch die in der Menge und in der Zusammensetzung bemessenen Zugaben der ersten Vergasungsmittel wird eine Teilvergasung der Vergasungsstoffe durchgeführt, wobei sich Temperaturen in dem ersten, oberen Vergasungsraum einstellen, die größer als 600 °C sind. Des Weiteren wird der Kohlenstoffumsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff- Eintrag der Vergasungsstoffe, auf höchstens 80 % begrenzt. Durch die in der Menge und in der Zusammensetzung bemessenen Zugaben der zweiten Vergasungsmittel werden im zweiten Vergasungsraum so hohe Temperaturen eingestellt, dass eine weitgehend vollständige Vergasung stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden. Dabei ist der Austrag der Asche in trockener Form und/oder in Form aufgeschmolzener Schlacke möglich.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck gelöst, der einen Druckreaktor umfasst, mit einem ersten oberen, innen überwiegend oder vollständig ausgemauerten Reaktorteil mit einem ersten Vergasungsraum, mit einem zweiten, kühlbaren und/oder ausgemauerten Reaktorteil mit einem zweiten Vergasungsraum, einem Quenchraum und einem Rohgasabgang, mit mindestens einem Bodenproduktabzug, wobei der innere lichte Durchmesser des zweiten Vergasungsraumes 130 bis 340 % des inneren lichten Durchmessers des ersten Vergasungsraumes beträgt, wobei am oberen Ende des ersten Vergasungsraumes mindestens ein Schwerkrafteintrag zur brennerlosen Zuführung fester Vergasungsstoffe angeordnet ist, der ringförmig von nach unten geneigten, in den ersten Vergasungsraum gerichteten Vergasungsmitteldüsen für die Zuführung erster Vergasungsmittel umgeben ist wobei Vergasungsmitteldüsen für zweite Vergasungsmittel oberhalb oder unterhalb und in der Nähe des Eingangs des zweiten Vergasungsraumes in mindestens einer Ebene über mindestens einen Umfang des Flugstromvergasers angeordnet sind.
Dabei sind die Vergasungsmitteldüsen für die ersten Vergasungsmitteldüsen so angeordnet und ausgelegt, dass die ersten Vergasungsmittel 10 bis 60 % des Masseanteils der Summe aller zugeführten Vergasungsmittel betragen und die ersten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen, dass eine Teilvergasung der Vergasungsstoffe so stattfindet, dass die ersten Vergasungsprodukte Temperaturen von mindestens 600 °C aufweisen und der Kohlenstoffumsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff-Eintrag der Vergasungsstoffe, höchstens 80 % beträgt. Die Vergasungsmitteldüsen für die zweiten Vergasungsmitteldüsen sind so angeordnet und ausgelegt, dass die zweiten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen sind, dass eine weitgehend vollständige Vergasung der Vergasungsstoffe stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden.
Der Eintrag der Vergasungsstoffe erfolgt von oben, vorzugsweise über einen zentralen Eintrag an der höchsten Position am Kopf des ersten Vergasungsraumes, in den vorzugsweise zylindrisch ausgeführten und vorzugsweise ausgemauerten ersten Vergasungsraum, vorzugsweise nach dem Prinzip des Schwerkrafteintrages. Im Bedarfsfall können Einbauten oder eine Gasströmung (Inertgase und/oder Brenngase) zur ersten Auflockerung des Vergasungsstoffstromes eingesetzt werden.
Der erste Vergasungsraum kann im freien Querschnitt nach unten hin vorteilhafterweise erweitert ausgeführt sein. Ebenfalls am Kopf des ersten Vergasungsraumes, aber örtlich nicht höher als der Eintrag der Vergasungsstoffe, werden die ersten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel zugegeben. Der Eintrag der ersten Vergasungsmittel erfolgt vorzugsweise in einer Ebene mittels über den Umfang des Druckreaktors verteilter erster Vergasungsmitteldüsen. Die ersten Vergasungsmitteldüsen sind entweder als wassergekühlte Sauerstoff-Düsen, wassergekühlte Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch- Düsen oder als nichtgekühlte Zweistoffdüsen ausgeführt, bei denen der innere Sauerstoffstrom von Manteldampf in einem Ringspalt als Vergasungsdampf umströmt wird. Die Zugabe der ersten Vergasungsmittel ist so einzustellen, dass aufgrund der Wärmefreisetzung der Vergasungsreaktionen das Mauerwerk im ersten Vergasungsraum Temperaturen größer als 600 °C aufweist, welche eine inhärente Zündsicherheit gewährleisten und den Entfall eines klassischen Pilotbrenners ermöglichen. Ist bei heizwertreichen Vergasungsstoffen die Zugabe endotherm reagierender Vergasungsmittel (z. B. Wasserdampf, Kohlendioxid) zur Temperaturbegrenzung erforderlich, werden die endotherm reagierenden Vergasungsmittel vorzugsweise mit den ersten Vergasungsmitteln zugegeben.
Der erste Vergasungsraum ist üblicherweise als Aufsatz auf den zweiten Vergasungsraum ausgeführt. Die vergasungsseitigen, lichten Querschnitte des ersten aufgesetzten Vergasungsraumes und des zweiten Vergasungsraumes sind am Übergang vom ersten zum zweiten Vergasungsraum vorzugsweise gleich groß. Der zweite Vergasungsraum weitet sich abhängig vom Systemdruck in einem Übergangsbereich auf einen lichten inneren Durchmesser von 130 bis 340 % des lichten Durchmessers des ersten Vergasungsraumes auf. Die Innenwand des zweiten Vergasungsraumes ist vorzugsweise als Druckwassermantel mit Siedewasser-Naturumlauf ausgeführt, wobei der Innenmantel wärmeisoliert, vorzugsweise bestiftet und bestampft oder mit einem Siliziumcarbid- Mauerwerk versehen, ist. Eine weitere vorteilhafte Lösung zur Wärmeisolierung der Innenwand des zweiten Vergasungsraumes besteht darin, die Innenwand teilweise oder vollständig mit einem keramischen, wärmeisolierenden Mauerwerk auszustatten. Die Innenkontur des zweiten Vergasungsraumes ist zylindrisch, kann aber auch vorzugsweise nach unten hin über die gesamte Länge oder über Teile der Länge um 1 -2° konisch erweitert sein, um die Feststoffablagerungen an der Wand zu reduzieren.
Den absteigenden ersten Vergasungsprodukten werden am oder in der Nähe des Eingangs des zweiten Vergasungsraumes zweite Vergasungsmittel in mindestens einer Ebene mittels auf mindestens einem Umfang des Druckreaktors verteilten zweiten Vergasungsmitteldüsen, mindestens 2 bis höchstens 12, eingetragen. Dabei können die zweiten Vergasungsmittel sowohl oberhalb oder unterhalb, jedoch in Nähe des Eingangs des zweiten Vergasungsraumes eingetragen werden.
Die zweiten Vergasungsmitteldüsen sind entweder radialsymmetrisch oder tangential ausgerichtet und sind 0 bis 90°, vorzugsweise 60°, nach unten gegen die Horizontale angestellt. Die zweiten Vergasungsmitteldüsen sind entweder als wassergekühlte Sauerstoff- Düsen, wassergekühlte Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch-Düsen oder als nichtgekühlte Zweistoffdüsen ausgeführt, bei denen der innere Sauerstoffstrom von Manteldampf in einem Ringspalt als Vergasungsdampf umströmt wird.
Im zweiten Vergasungsraum stellt sich eine nach unten gerichtete Strömung ein, die ein Auftreten größerer Rezirkulationszellen der Strömung unterbindet. Die Zugabe der zweiten Vergasungsmittel wird so bemessen, dass eine weitgehend vollständige Vergasung stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden. Üblicherweise werden die Temperaturen der zweiten Vergasungsprodukte oberhalb der Ascheschmelztemperaturen eingestellt, so dass sich flüssige Schlacke bildet. Temperaturen unterhalb der Ascheschmelztemperaturen können jedoch dann vorteilhaft realisiert werden, wenn hochschmelzende, reaktionsfähige Vergasungsstoffe eingesetzt werden, bei denen ein ausreichend vollständiger Kohlenstoffumsatz auch unterhalb der Ascheschmelztemperatur erreicht werden kann.
Der zweite Vergasungsraum ist nach unten hin durch den Quenchraum begrenzt. Am unteren Ende des zweiten Vergasungsraumes ist die Vergaserinnenwand gering oder vorzugsweise gar nicht eingeschnürt. Diese apparatetechnische Vereinfachung, die die üblicherweise erforderliche Schlackeablaufdüse überflüssig macht, ist möglich, da die Beladungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte mit flüssigen Schlacken und/oder Feststoffen so hoch sind, dass eine strahlungsbedingte Auskühlung des zweiten Vergasungsraumes nicht erfolgt. Die Partikelbeladung der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte ist hoch, weil aufgrund des rezirkulationsarmen Strömungsprofils nur eine geringe Menge an Aschen und Schlacken auf die Vergaserwand auftrifft und anhaftet, so dass der weitaus überwiegende Teil der Aschen und Schlacken in Form von Partikeln mit dem Gasstrom transportiert wird. Durch die vergleichsweise geringe Beaufschlagung der Vergaserinnenwände mit Aschen und Schlacken kann die Vergasung im zweiten Vergasungsraum bei Temperaturen unter, am oder über dem Schlackeschmelzpunkt betrieben werden.
In den sich an den zweiten Vergasungsraum nach unten hin anschließenden Quenchraum wird Wasser zur Abschreckung (Quenchung) der zweiten Vergasungsprodukte eingedüst, wobei die Quenchung einerseits eine sichere Kühlung der Rohsynthesegase auf Temperaturen unterhalb des Aschesinterpunktes sicherstellt und andererseits eine Vorabscheidung der Partikel in ein am unteren Ende des Quenchraumes befindlichen Wasserbades realisiert. Die Quenchung ist als Sprühquench ausgestaltet, wobei der erforderliche Wasserstrom vorzugsweise durch in mindestens einer Ebene möglichst gleichmäßig über den Umfang verteilte, entweder radialsymmetrisch oder tangential ausgerichtete Quenchdüsen eingebracht wird. Die Strahlrichtung der Düsen ist vorzugsweise 0 bis 30° gegen die Horizontale nach oben und/oder unten angestellt. Die Rohsynthesegase verlassen den Quenchraum seitlich, wobei der Gasauslass vorzugsweise mit einer davor befindlichen Prall- und Umlenkplatte ausgestattet ist.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass in der Kombination von (A) vollständiger örtlicher Trennung der Zuführung der Vergasungsstoffe und der Vergasungsmittel, (B) des gestuften Eintrags der Vergasungsmittel und (C) der gestuften Querschnittserweiterung der Vergasungsräume zur Gewährleistung rückvermischungsarmer Strömungen in den Vergasungsräumen solche Bedingungen für die Flugstromvergasung geschaffen werden, dass eine grundlegende Vereinfachung der gesamten Vergasungstechnologie einschließlich der Erweiterung der Stoffpalette der Vergasungsstoffe möglich wird. Die Lehre unterscheidet sich dadurch grundlegend vom Stand der Technik oder den in CN101985568A (Two-stage oxygen gasifier) vorgestellten Lösungsansätzen.
Die wichtigsten Vereinfachungen betreffen den Entfall der apparativ, betriebstechnisch und sicherheitstechnisch aufwendigen Brennertechnologien, den Entfall der dafür erforderlichen, aufwendigen und störanfälligen Dichtstromförderung der Vergasungsstoffe, die Reduzierung der Qualitätsanforderungen der Vergasungsstoffe insbesondere hinsichtlich Begrenzung der Korngrößen, Wassergehalte, Aschegehalte und Aschequalitäten, die mögliche Erhöhung des Vergaserdruckes auf 100 bar und die grundlegenden konstruktiven, apparatetechnischen und sicherheitstechnischen Vereinfachungen des Vergasungsreaktors und des Vergasungsbetriebes.
Die Aufgabe der Vermischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel wird durch die weitgehend rezirkulationsfrei ausgestaltete Strömung im ersten Vergasungsraum erreicht, wodurch ein bestimmter von der Brennertechnologie erzwungener Eintrittsgeschwindigkeitsbereich der staubförmigen Vergasungsstoffe sowie die durch die Dichtstromförderung auferlegte Begrenzung der Korngrößen und der Wassergehalte der Vergasungsstoffe nicht mehr erforderlich sind.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Schwerkrafteintrages, der nur im Bedarfsfall Einbauten oder eine geringe Gasströmung (Inertgase und/oder Brenngase) zur weiteren Auflockerung des Vergasungsstoffstromes erfordert. Dadurch wird die erforderliche Fördergasmenge bis nahe der Gasfüllung des Lückenvolumens reduziert (750-2000 kg Vergasungsstoff pro m3(i. B.) Gas), was eine Anhebung des Druckniveaus bis auf 100 bar ohne nennenswerte Einschränkungen hinsichtlich der Rohsynthesegasqualität (Anteil von inerten Gasen geringer als 7 Vol.-%) ermöglicht. Grundlegend kann damit die Drucklimitierung auf 60 bis 70 bar, die einen wesentlichen Nachteil aller anderen Flugstromvergasungsverfahren mit trockenem Vergasungsstoffeintrag darstellt, eliminiert werden. Die apparativ sehr aufwendige Dichtstromförderung entfällt und führt durch die genannten Vereinfachungen zu einer wesentlichen Investitions- und Betriebskostenreduktion.
Erfindungswesentlich ist eine Auftrennung des Vergasungsraumes in einen ersten kleinen und einen zweiten großen Vergasungsraum, wobei der erste Vergasungsraum vorzugsweise überwiegend ausgemauert ist, um eine stabile Zündung und Zündsicherheit ohne Einsatz eines klassischen Pilotbrenners zu gewährleisten. Die Ausmauerung des ersten Vergasungsraumes muss im Vergaserbetrieb Temperaturen von mehr als 600 °C, vorzugsweise mehr als 700 °C, aufweisen, um eine Zündung der sich mischenden Vergasungsstoff-Vergasungsmittel-Strömung sicherzustellen. Die Aufheizzeit für die Ausmauerung, die durch mindestens einen mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betriebenen und am oberen Ende des ersten Vergaserraumes angeordneten Anfahrbrenner realisiert wird, ist einerseits durch die wesentlich höhere erreichbare Wärmestromdichte durch den reduzierten inneren Durchmesser des ersten Vergasungsraumes und andererseits durch die geringere erforderliche Endtemperatur deutlich reduziert.
Der Anfahrbrenner bleibt vorteilhaft während des stationären Vergasungsbetriebes installiert und wird vorzugsweise mit einer geringen Menge brennbarer Gase, vorzugsweise recyceltem Synthesegas gespült. Dies hat den Vorteil, dass auf einen Ausbau des Anfahrbrenners verzichtet werden kann und dieser zur Bespannung eingesetzt werden kann und dass beim Verbleib des Brenners zum Spülen kein Stickstoff eingetragen wird, welcher speziell bei hohen Drücken die Gasqualität belastet. Weiterhin sorgt die geringe Zugabe an brennbaren Gasen durch die exotherme Reaktion mit den ersten Vergasungsmitteln oder mit einer geringen, im Anfahrbrenner zugegebenen Menge an Sauerstoff für eine lokale Erwärmung auf über 600°C. Damit ist neben einem heißen Mauerwerk am Kopf des ersten Vergasungsraumes eine zusätzliche Zündsicherheit gewährleistet, die eine wesentliche Flexibilisierung der Einsatzstoffe hinsichtlich Korngröße und Feuchtegehalt zulässt.
Da aus "Mark J. Hornick and John E. McDaniel Tampa Electric Polk Power Station Integrated Gasification Combined Cycle Project - Final Report. Technical Report DE-FC-21 - 91 Mc27363, 2002" bekannt ist, dass Reaktorausmauerungen durch den Angriff flüssiger Schlacken einer starken Abzehrung unterliegen, werden die ersten Vergasungsmittel hinsichtlich der Mengen und Zusammensetzungen so gewählt, dass eine Teilvergasung stattfindet, bei der die Temperaturen so begrenzt sind, dass wenig bzw. keine flüssigen Schlacken auftreten. Dies ist in der Regel der Fall, wenn der Kohlenstoffumsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff-Eintrag der Vergasungsstoffe, höchstens 80 % beträgt. Durch die niedrigen Temperaturen im ersten Vergasungsraum werden die ersten Vergasungsmitteldüsen und der Vergasungsstoffeintrag nur geringen thermischen Belastungen ausgesetzt. Dadurch wird die Dauerbetriebsstabilität der Düsen und sonstigen Einbauten erhöht.
Der Wegfall des klassischen Pilotbrenners bei einem Vergaser mit trockenem Kohleeintrag bringt nicht nur apparative Vereinfachungen, sondern auch eine verringerte Störanfälligkeit aufgrund der reduzierten Komplexität, eine Verringerung der Betriebskosten aufgrund des stark reduzierten Brenngasbedarfs sowie eine sicherheitstechnische Vereinfachung.
Die sauerstoffhaltigen, ersten Vergasungsmittel für den ersten Reaktionsraum werden durch erste Vergasungsmitteldüsen aufgegeben, die ebenfalls am Kopf nahe dem Kohleeinlass symmetrisch nach unten geneigt angeordnet sind. Dabei ist wichtig, dass die ersten Vergasungsmittel örtlich nicht höher als die Vergasungsstoffe in den ersten Vergasungsraum eingetragen werden, um sicherzustellen, dass die ersten Vergasungsmittel sofort mit den nach unten fallenden Vergasungsstoffen in Berührung kommen. Sicherheitstechnisch wichtig ist, dass am unteren Ende des ersten Vergasungsraumes noch freier Kohlenstoff vorliegt, so dass unkontrollierte Reaktionen von freiem Sauerstoff nicht stattfinden können (inhärente Sicherheit).
Der bei heizwertreichen Vergasungsstoffen notwendige Zusatz von endotherm reagierenden Vergasungsmitteln (z. B. Wasserdampf, Kohlendioxid) zur Temperaturbegrenzung kann prinzipiell in beiden Vergasungsräumen erfolgen. Ein hoher Gasmassenstrom im ersten Vergasungsraum verursacht eine gute Durchmischung der ersten Vergasungsmittel und der Vergasungsstoffe sowie ein homogeneres Geschwindigkeitsprofil mit einem geringen Durchmesserunterschied zwischen den beiden Vergasungsräumen. Daher wird vorzugsweise die gesamte erforderliche Menge an endotherm reagierenden Vergasungsmitteln im ersten Vergasungsraum zugegeben.
Die verwendeten ersten Vergasungsmitteldüsen sind als wassergekühlte Sauerstoff-Düsen, wassergekühlte Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch-Düsen oder als nichtgekühlte Zweistoffdüsen ausgeführt, bei denen der innere sauerstoffhaltige Gasstrom von Manteldampf in einem Ringspalt als Vergasungsdampf umströmt wird. Die Austrittsgeschwindigkeit der ersten Vergasungsmittel liegt zwischen 5 und 40 m/s, vorzugsweise zwischen 5 und 20 m/s, wobei im Falle der Zweistoffdüsen die Geschwindigkeiten des Manteldampfes rund 10 % höher sind als die des inneren Gasstromes. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Vergasungsstoffe (z. B. Wassergehalt, Reaktivität, Flüchtigengehalt, Heizwert) und des Systemdrucks stellen sich im ersten Vergasungsraum Kohlenstoffumsätze von 30 bis 80 %, vorzugsweise 40 - 65 %, ein. Dabei liegen die Partikelverweilzeiten im ersten Vergasungsraum bei ca. 1 s und die Gasaustrittsgeschwindigkeiten am unteren Ende betragen 1 bis 5 m/s, vorzugsweise 2 m/s.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Vergasungsraum als Aufsatz oberhalb des zweiten Vergasungsraumes ausgeführt. Im zweiten Vergasungsraum erfolgt eine Zugabe von weiteren sauerstoffhaltigen, zweiten Vergasungsmitteln zu dem mit Partikeln beladenen Rohsynthesegasstrom der ersten Vergasungsprodukte, die aus dem ersten Vergasungsraum in den zweiten Vergasungsraum einströmen. Die Mengen und die Zusammensetzungen der zweiten Vergasungsmittel sind so zu bemessen, dass ein nahezu vollständiger Umsatz des Kohlenstoffes der Vergasungsstoffe in gasförmige Produkte und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden.
Die zweiten Vergasungsmitteldüsen sind vorzugsweise im Einschnürungsbereich auf einem gemeinsamen Umfang entweder radialsymmetrisch oder leicht tangential ausgerichtet, um einerseits eine ausreichende Durchmischung der Ströme und andererseits eine minimale Ausbildung von Rezirkulationsgebieten zu erzielen. Eine weitere vorzugsweise Anordnung der zweiten Vergasungsmitteldüsen betrifft die Anordnung einer Düsenebene am Ausgang des ersten Vergasungsraumes derart, dass die Düsen vertikal soweit nach unten geneigt sind, dass die Düsenstrahlen frei in den zweiten Vergasungsraum abstrahlen. Auf diese Weise können die zweiten Vergasungsmitteldüsen in „kälterer", Material schonenderer, Umgebung platziert werden. Die Austrittsgeschwindigkeiten der Vergasungsmittel liegt zwischen 5 und 40 m/s, vorzugsweise zwischen 5 und 20 m/s, wobei im Fall der Zweistoffdüsen die Geschwindigkeiten des Manteldampfes rund 10 % höher als die des inneren Gasstromes liegen.
In Abhängigkeit des Systemdruckes, der Zuteilung endotherm reagierender Vergasungsmittel und der Eigenschaften der Vergasungsstoffe (z. B. Wassergehalt, Reaktivität, Flüchtigengehalt, Heizwert) variieren die Anteile der sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel für den zweiten Vergasungsraum bezogen auf den Gesamtvergasungsmittelbedarf zwischen 90 und 40 %. Um sich erfindungsgemäß die beschriebenen Vorteile der Ausbildung einer überwiegend rezirkulationsarmen Strömung im zweiten Vergasungsraum zunutze zu machen, weist der vergasungsseitige, lichte Querschnitt eine Erweiterung im oberen Bereich des zweiten Vergasungsraumes auf. Abhängig vom Systemdruck weitet sich der lichte innere Durchmesser des zweiten Vergasungsraums auf 130 bis 340 % des lichten Durchmessers des ersten Vergasungsraumes in einem Übergangsbereich auf. Die Kontur des Übergangsbereiches kann konisch oder geschwungen ausgestaltet sein und ist vorzugsweise derart geformt, dass eine möglichst konstante Gasströmungsgeschwindigkeit über den Querschnitt erreicht wird. Die Vergaserinnenwand des zweiten Vergasungsraums ist vorzugsweise kühlbar in Form eines Druckwassermantels mit Siedewasser-Naturumlauf ausgeführt, wobei der äußere Mantel drucktragend und der Innenmantel vorzugsweise bestiftet und bestampft oder mit einem wärmeisolierenden Mauerwerk beispielsweise aus Siliziumcarbid ausgeführt, ist. Der Wassermantel-Druck liegt dabei um 1 bis 3 bar über dem Systemdruck des Vergasungsraumes.
Die Innenkontur des zweiten Vergasungsraumes ist zylindrisch, kann aber auch vorzugsweise über die Länge oder über Teile der Länge nach unten hin um 1 -2° konisch erweitert sein, um einerseits die Feststoffablagerung an der Wand zu reduzieren und andererseits die Ausbildung der Transportströmung nicht zu stören. Es lagern sich nur ca. 5 bis 20 % der Gesamtschlacke an der gekühlten Wand ab, so dass eine feste Schlackeschicht entsteht, welche die Reaktorwand vor Abzehrung schützt und eine Isolation für zu starken Wärmeverlust darstellt. Nach innen geht die feste Schlackeschicht in eine flüssige Schicht über, so dass neu abgelagerte Schlacketröpfchen nach unten ablaufen können.
Der Reaktionsraum ist so dimensioniert, dass die mittleren Gasgeschwindigkeiten am unteren Ende des zweiten Vergasungsraums zwischen 1 und 5 m/s, vorzugsweise 2 m/s, betragen und die Partikel Verweilzeiten im Mittel von ca. 2 s nach Kontaktierung mit den zweiten Vergasungsmitteln im zweiten Vergasungsraum aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Ausbildung einer überwiegenden Pfropfenströmung der größte Anteil der festen oder flüssigen Vergasungsprodukte im Gasstrom verbleibt und nicht durch Rezikulationen an der Wand abgelagert wird. Daher ist keine enge, verstopfungsanfällige Einschnürung des zweiten Vergasungsraumes am Übergang zum Quenchraum erforderlich, da die Strahlungswärmeverluste nach unten durch die hohen Partikelbeladungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte begrenzt sind. Vorteilhaft ist eine geringe Einschnürung mit Abtropfkante bis höchstens 80% des lichten Durchmessers am unteren Ende des zweiten Vergasungsraumes, um die Quenchwasserdüsen im oberen Teil des darunter befindlichen Quenchraums vor direktem Feststoff- bzw. Tröpfchenaufprall zu schützen.
Die sichere Kühlung der Rohsynthesegase auf Temperaturen unterhalb der Aschesintertemperaturen und eine Vorabscheidung der Feststoffpartikel in ein am unteren Ende des Quenchraums befindliches Wasserbad erfolgt durch eine Eindüsung von Wasser (Quenchung). Dabei gibt das Rohsynthesegas einen Teil seiner fühlbaren Wärme an das Wasser ab, welches seinerseits in der Mischung vorgewärmt, verdampft wird. Die Austrittstemperaturen der gekühlten Syntheserohgase liegen damit vorzugsweise in der Nähe der systemdruckabhängigen Sättigungstemperatur und können durch Quenchwasserüberschuss bei Bedarf weiter gesenkt werden. Die Quenchung selbst ist als Sprühquench ausgestaltet, wobei der erforderliche Wasserstrom vorzugsweise durch in mindestens einer Ebene gleichmäßig über mindestens einen Umfang verteilte, entweder radialsymmetrisch oder tangential, ausgerichtet, mindestens 3 Quenchdüsen eingebracht wird. Die Strahlrichtung der Düsen ist vorzugsweise 0 bis 30° gegen die Horizontale nach oben und/oder unten angestellt. Durch eine ausreichende Austrittsgeschwindigkeit von ca. 20 bis 50 m/s wird gewährleistet, dass die Wassereinmischung mindestens den Kern der Gasströmung erreicht.
Die Rohsynthesegase verlassen den Reaktor seitlich über mindestens einen Auslass, wobei der Auslass vorzugsweise durch mindestens eine davor befindliche Prall- und Umlenkplatte vor einer Kurzschlussströmung geschützt wird. Am unteren Ende des Quenchraumes befindet sich ein Wasserbad, dessen Füllstand auf konstante Höhen geregelt wird. Feste Vergasungsrückstände lagern sich unterhalb der Wasseroberfläche ab und werden nach unten abgezogen. Die Schüttung wird durch einen konischen Rost auf den entsprechenden Austrittsdurchmesser reduziert und periodisch mithilfe einer Wasserströmung nach unten hin an ein Feststoffausschleusesystem übergeben.
Anhand von Figur 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter, schematischer Darstellung einen Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung bestehend aus einem ersten ausgemauerten Reaktorteil (31 ) und einem zweiten unteren gekühlten Reaktorteil (32) mit brennerlosem Eintrag von Vergasungsstoffen (4). Der erste ausgemauerte Reaktorteil (31 ) des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung beinhaltet einen ersten Vergasungsraum (1 ) und wird von einem zylindrischen Druckgefäß umfasst, das aus einem äußeren Druckmantel (12) und einer inneren feuerfesten Ausmauerung (1 1 ) besteht. Der zweite gekühlte Reaktorteil (32) des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung ist unterhalb des ersten ausgemauerten Reaktorteils (31 ) angeordnet und beinhaltet einen zweiten Vergasungsraum (2) und einen Quenchraum (3) und wird von einem zylindrischen Druckgefäß umfasst, das aus einem äußeren Druckmantel (16), einem Wasserraum (17) und einem Innenmantel (18) besteht. Mantelwasserzuführung (27) und Mantelwasserabführung (28) gewährleisten die Zu- und Abführung des Kühlwassers.
Der innere lichte Durchmesser des zweiten Vergasungsraumes (2) beträgt 195 % des inneren lichten Durchmessers des ersten Vergasungsraumes (1 ). Der Innenmantel (18) ist bestiftet und mit einem feuerfesten Material (15) als keramischen Schutz bestampft.
Am oberen Ende des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung befindet sich ein ausgemauerter Vergasungsstoffzuführungsstutzen (10), welcher ringförmig in einer Ebene von 4 Vergasungsmitteldüsen (9) für erste Vergasungsmittel (7) umgeben ist, sowie ein nach innen versetzt angeordneter, ausgemauerter Anfahrbrennerstutzen (33) für den Anfahrbrenner.
Die 4 Vergasungsmitteldüsen (9) für erste Vergasungsmittel (7) sind 45° gegen die Horizontale nach unten angestellt, in gleichmäßigen Abständen auf einem Umfang verteilt und radial ausgerichtet.
Am unteren Ende des Vergasungsreaktors zur Flugstromvergasung befindet sich ein Bodenproduktabzug (25), bei der nur die sich aufbauende und quasikontinuierlich abgezogene Schüttung aus Schlackegranulat (24), welche sich unterhalb des Wasserspiegels (22) im Quenchraum (3) innerhalb eines konischen Schlackerosts (30) aufbaut, angedeutet ist.
Am oberen Ende im Einschnürungsbereich des zweiten Vergasungsraumes (2) befinden sich 6 Vergasungsmitteldüsen (13) für zweite Vergasungsmittel (8), die in einer Ebene auf einem Umfang gleichmäßig verteilt sind und 60° gegen die Horizontale nach unten geneigt radial angeordnet sind und somit zur Ausbildung einer rezirkulationsarmen Transportströmung beitragen. Im oberen Bereich des Quenchraumes (3) befinden sich 8 gleichmäßig über den Umfang verteilte Quenchwasserdüsen (21 ), die unterhalb einer lokalen Einschnürung (20) von 80 % des lichten Innendurchmessers, ausgerichtet an der Horizontale jeweils radial angeordnet sind. Im unteren Bereich des Quenchraums (3) befindet sich seitlich ein Rohsynthesegasabgang (34), welcher durch eine Umlenkplatte (23) vor Kurzschlussströmungen geschützt wird.
Im Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung mit einer thermischen Leistung von 1000 MW wird bei einem Druck von 100 bar staubförmige amerikanische Steinkohle (Pittsburgh#8) (4) mit einem Wassergehalt von 2,4 Ma.-%, einem Aschegehalt von 10,0 Ma.- % und einer Ascheschmelztemperatur von 1.350 °C vergast.
Die mengenmäßige Zuführung der ersten (7) und zweiten Vergasungsmittel (8) wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockensteinkohle (4) erläutert. Auf 1 kg Trockensteinkohle (2) werden insgesamt 0,6 m3(i. N.) Sauerstoff (5) und 0,1 13 kg Wasserdampf (6) in den Vergasungsreaktor zugeführt. Im Ausführungsbeispiel werden als erste Vergasungsmittel (7) 0,093 m3(i.N.) Sauerstoff (5) und 0,1 13 kg Wasserdampf (6) auf 1 kg Trockensteinkohle (2) eingesetzt, wobei der Wasserdampf aufgrund des hohen Heizwertes der Steinkohle als endothermes Vergasungsmittel eingesetzt wird. Als zweite Vergasungsmittel (8) werden 0,507 m3(i.N.) Sauerstoff (5) auf 1 kg Trockensteinkohle (2) eingesetzt. Über den am Anfahrbrennerstutzen (33) angeordneten Anfahrbrenner werden 0,0055 m3 (i.N.) auf 1 kg Trockensteinkohle (2) trockenes, recyceltes Synthesegas (35) zugeführt.
Zur Gaskühlung im Quenchraum (3) wird bezogen auf 1 kg Trockensteinkohle 2,029 kg auf 175°C vorgewärmtes Quenchwasser (19) eingesprüht, wobei ca. 10 % davon als Überschussquenchwasser (29) wieder abgeführt werden.
Die ersten Vergasungsmittel (7) werden mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/s und einer Temperatur von 262 °C über die Vergasungsmitteldüsen (9), ausgeführt als gekühlte Wasserdampf-Sauerstoff-Gemischdüse, in den ersten Vergasungsraum (1 ) des oberen ausgemauerten Reaktorteils (31 ) eingedüst. Unter intensiver Vermischung der beteiligten Eintragstoffe bildet sich eine bis zu 900 °C heiße, vertikal nach unten gerichtete Gas- Feststoff-Strömung aus, die eine Feststoffverweilzeit von etwa 1 s im ersten Vergasungsraum (1 ) ermöglicht und zu einer Gasgeschwindigkeit am unteren Ende von ca. 2 m/s führt. Die Ausmauerung (1 1 ) wird durch die Strömung auf Temperaturen von größer 600 °C aufgeheizt, wodurch ein ausreichendes Zündpotential und Zündsicherheit sichergestellt ist. Die vertikal nach unten gerichtete Gas-Feststoff-Strömung verlässt den ersten Vergasungsraum (1 ) am unteren Ende und geht durch eine Erweiterung über in den zweiten Vergasungsraum (2) des zweiten gekühlten Reaktorteils (32). Die Erweiterung erfolgt von 0,87 m lichten Durchmesser des ersten Vergasungsraums (1 ) auf 1 ,7 m lichten Durchmesser des zweiten Vergasungsraums. Die zweiten Vergasungsmittel (7) werden mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/s und einer Temperatur von 25 °C über die zweiten Vergasungsmitteldüsen (13), ausgeführt als gekühlte Sauerstoff-Gemischdüse, in den zweiten Vergasungsraum (2) des unteren gekühlten Reaktorteils (32) eingedüst. Unter intensiver Vermischung der beteiligten Eintragstoffe bildet sich eine im unteren Bereich mindestens 1450 °C heiße, vertikal nach unten gerichtete Gas-Feststoff/Flüssigkeit- Strömung aus, die eine Feststoffverweilzeit von etwa 2 s im zweiten Vergasungsraum (2) ermöglicht und zu einer Gasgeschwindigkeit am unteren Ende von ca. 2 m/s führt.
Die Produkte des zweiten Vergasungsraums (2) gehen an einer Einschnürung (20) auf einen lichten Durchmesser auf ca. 1 ,36 m über in den Quenchraum (3), wo Quenchwasser (19) mit einer Geschwindigkeit von 40 m/s eingedüst wird. Unter intensiver Vermischung der Eintragsströme kommt es entsprechend der fühlbaren Wärme der Gas-Feststoff- Flüssigkeits-Strömung aus dem zweiten Vergasungsraum (2) zu einer Verdampfung eines Teils des Quenchwassers und einer weiteren Abkühlung auf ca. 256° C durch Quenchwasserüberschuss. Dabei werden die flüssigen Schlacketröpfchen granuliert und zusammen mit dem größten Teil der festen Stäube im Wasserbad abgeschieden, so dass es zum Absetzen dieser Schlackegranulate (24) unterhalb des Spiegels der Wasseroberfläche (22) kommt. Der Spiegel der Wasseroberfläche (22) wird durch das Ablassen des Überschussquenchwassers (29) auf einer mehr oder weniger gleichen Höhe gehalten. Durch eine Umlenkplatte (23) vor dem Austritt der Rohsynthesegase (26) wird die Gasströmung gezwungen ihre Richtung zu ändern, wodurch eine weitere Abscheidung von Partikeln in das Wasserbad erreicht wird. Die 2 mm oder kleineren körnigen Feststoffe gelangen mit einem Kohlenstoffanteil von kleiner 0,67 Ma.-% zum Bodenproduktabzug (25).
Bezugszeichenliste
1 Erster Vergasungsraum
2 Zweiter Vergasungsraum
3 Quenchraum
4 Vergasungsstoff
5 Sauerstoff
6 Wasserdampf
7 erste Vergasungsmittel
8 zweite Vergasungsmittel
9 Vergasungsmitteldüsen für erste Vergasungsmittel
10 Vergasungsstoffzuführungsstutzen
1 1 Ausmauerung
12 Äußerer Druckmantel des ersten Vergasungsraums
13 Vergasungsmitteldüsen für zweite Vergasungsmittel
14 Transportströmung
15 Bestiftung und Bestampfung der Innenwand
16 Äußerer Druckmantel des zweiten Vergasungsraums
17 Wasserraum
18 Innenmantel
19 Quenchwasser
20 Einschnürung
21 Quenchwasserdüsen
22 Wasserspiegel im Quenchraum
23 Prall- oder Umlenkplatte
24 Schlackegranulat
25 Bodenproduktabzug
26 Rohsynthesegase
27 Mantelwasserzuführung
28 Mantelwasserabführung
29 Überschussquenchwasser
30 konischer Schlackerost
31 oberer ausgemauerter Reaktorteil
32 unterer gekühlter Reaktorteil
33 Anfahrbrennerstutzen
34 Rohsynthesegasabgang
35 Brennbares Gas
36 Sauerstoffhaltiges Gas

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck mittels eines Flugstromvergasers mit einem Druckreaktor mit zwei Vergasungsräumen und
- einer vertikal nach unten gerichteten Strömung,
- in den von oben staubförmige Vergasungsstoffe eingetragen werden,
- in den in mindestens zwei Stufen erste und zweite sauerstoffhaltige Vergasungsmittel zugegeben werden, so dass sich ein erster, oberer Vergasungsraum und sich daran anschließend ein zweiter, unterer Vergasungsraum ausbilden, und
- aus dem Vergasungsprodukte, die aus mit flüssigen Schlacken und/oder Feststoffen beladenen Rohsynthesegasen bestehen, aus den Vergasungsräumen nach unten ausgetragen werden,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die staubförmigen Vergasungsstoffe brennerlos eingetragen werden,
- dass die ersten Vergasungsmittel örtlich getrennt von der Zuführung der Vergasungsstoffe, aber örtlich nicht höher als die Vergasungsstoffe, von oben in den ersten Vergasungsraum eingetragen werden,
- dass der Eintrag der ersten Vergasungsmittel in mindestens einer Ebene mittels mindestens auf einem Umfang des Flugstromvergasers verteilter erster Vergasungsmitteldüsen erfolgt,
- dass die ersten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel 10 bis 60 % des Masseanteils der Summe aller zugeführten Vergasungsmittel betragen,
- dass die ersten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen werden, dass eine Teilvergasung der Vergasungsstoffe so stattfindet, dass die ersten Vergasungsprodukte Temperaturen von mindestens 600 °C aufweisen und der Kohlenstoffumsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff-Eintrag der Vergasungsstoffe, höchstens 80 % beträgt,
- dass die ersten Vergasungsprodukte von oben in den, unter dem ersten Vergasungsraum angeordneten, zweiten Vergasungsraum strömen, der sich nach unten hin in Strömungsrichtung erweitert,
- dass die zweiten Vergasungsmittel oberhalb oder unterhalb und in der Nähe des Eingangs des zweiten Vergasungsraumes eingetragen werden,
- dass der Eintrag der zweiten Vergasungsmittel in mindestens einer Ebene mittels mindestens auf einem Umfang des Flugstromvergasers verteilter zweiter Vergasungsmitteldüsen erfolgt, - dass die zweiten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen werden, dass eine weitgehend vollständige Vergasung der Vergasungsstoffe stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei heizwertreichen Vergasungsstoffen endotherm reagierende Vergasungsmittel mit den Vergasungsmitteln, vorzugsweise mit den ersten Vergasungsmitteln zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der zweiten Vergasungsmittel so erfolgt, dass Temperaturen im zweiten Vergasungsraum oberhalb des Ascheschmelzpunktes der Vergasungsprodukte erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei hochschmelzenden, reaktionsfähigen Vergasungsstoffen die Zugabe der zweiten Vergasungsmittel so erfolgt, das Temperaturen im zweiten Vergasungsraum unterhalb des Ascheschmelzpunktes der Vergasungsprodukte erreicht werden.
Verfahren nach jeweils einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren der Flugstromvergasung ein Anfahrbrenner im ersten Vergasungsraum genutzt wird, der während des stationären Vergasungsbetriebes installiert bleibt und mit einer geringen Menge an Gasen, vorzugsweise recycelten Synthesegasen gespült wird.
Vergasungsreaktor zur Flugstromvergasung fester Brennstoffe unter Druck, umfassend einen Druckreaktor, mit einem ersten oberen, innen überwiegend oder vollständig ausgemauerten Reaktorteil mit einem ersten Vergasungsraum, mit einem zweiten kühlbaren und/oder ausgemauerten Reaktorteilteil mit einem zweiten Vergasungsraum, einem Quenchraum und mindestens einem Rohgasabgang, mit mindestens einem Bodenproduktabzug, wobei der innere lichte Durchmesser des zweiten Vergasungsraumes 130 bis 340 % des inneren lichten Durchmessers des ersten Vergasungsraumes beträgt, wobei am oberen Ende des ersten Vergasungsraumes ein Schwerkrafteintrag zur brennerlosen Zuführung fester Vergasungsstoffe angeordnet ist, der ringförmig von nach unten geneigten, in den ersten Vergasungsraum gerichteten Vergasungsmitteldüsen für die Zuführung erster Vergasungsmittel umgeben ist, wobei Vergasungsmitteldüsen für zweite Vergasungsmittel oberhalb oder unterhalb und in der Nähe des Eingangs des zweiten Vergasungsraumes in mindestens einer Ebene über mindestens einen Umfang des Flugstromvergasers angeordnet sind, wobei die Vergasungsmitteldüsen für die ersten Vergasungsmitteldüsen so angeordnet und ausgelegt sind, dass die ersten Vergasungsmittel 10 bis 60 % des Masseanteils der Summe aller zugeführten Vergasungsmittel betragen und die ersten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen sind, dass eine Teilvergasung der Vergasungsstoffe so stattfindet, dass die ersten Vergasungsprodukte Temperaturen von mindestens 600 °C aufweisen und der Kohlenstoffumsatz der ersten Vergasungsprodukte, bezogen auf den Kohlenstoff-Eintrag der Vergasungsstoffe, höchstens 80 % beträgt, wobei die Vergasungsmitteldüsen für die zweiten Vergasungsmitteldüsen so angeordnet und ausgelegt sind, dass die zweiten Vergasungsmittel mengenmäßig und in der Zusammensetzung so bemessen sind, dass eine weitgehend vollständige Vergasung der Vergasungsstoffe stattfindet und die gewünschten Zusammensetzungen der Rohsynthesegase der zweiten Vergasungsprodukte erzielt werden.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des zweiten Vergasungsraumes als Druckwassermantel mit Siedewasser- Naturumlauf mit wärmeisoliertem Innenmantel ausgeführt ist.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des ersten Vergasungsraumes mindestens ein in den Vergasungsraum gerichteter Anfahrbrenner angeordnet ist.
Vergasungsreaktor nach jeweils einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Vergasungsmitteldüsen als wassergekühlte Sauerstoff-Düsen, wassergekühlte Sauerstoff-Wasserdampf- Gemisch-Düsen oder als nichtgekühlte Zweistoffdüsen ausgeführt sind, bei denen der innere Sauerstoffstrom von Manteldampf in einem Ringspalt als Vergasungsdampf umströmt wird.
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