WO2014124875A1 - Wirbelschichtvergaser - Google Patents

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WO2014124875A1
WO2014124875A1 PCT/EP2014/052427 EP2014052427W WO2014124875A1 WO 2014124875 A1 WO2014124875 A1 WO 2014124875A1 EP 2014052427 W EP2014052427 W EP 2014052427W WO 2014124875 A1 WO2014124875 A1 WO 2014124875A1
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Ralf Abraham
Dobrin Toporov
Thomas Werner
Domenico Pavone
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Thyssenkrupp Industrial Solutions Gmbh
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    • C10J3/54—Gasification of granular or pulverulent fuels by the Winkler technique, i.e. by fluidisation
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    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/1223—Heating the gasifier by burners

Definitions

  • the invention is directed to a fluidized bed gasifier, in particular high temperature Winkler carburettor, with a cyclone separator associated with the gasifier head and with a solids return line from the cyclone to the bottom of the gasifier.
  • Winkler carburettors are known, for example, EP 0 264 810 or DE 11 2009 000 287 or WO 2009/145724.
  • a fluidized bed is generated and at least a portion of the dust discharged with the raw gas a cyclone separated and returned to the carburetor (DE 44 13 923 AI).
  • heating torches are provided in the lower funnel area, which serves for the ash discharge, which bring the refractory lining of the carburetor to the necessary temperature.
  • the storage heat of the lining makes it possible to ignite a fluidized bed material (charcoal, hearth furnace coke) and thus to enable the starting process.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages described above, i. to make an expansion of Auffilbrenner dispensable.
  • this object is achieved according to the invention in that in particular in the lower region of the carburetor planar Auffilbrenner are provided which have a metallic or ceramic cellular structure.
  • the invention also provides in an embodiment that the flat heating torch are positioned further up in the cylindrical portion of the carburetor.
  • the burners can be positioned in the post-gasification zone, so that less purge gas is required, because there the solids content is lower.
  • the AufMapnner can advantageously for example from a Metal fabric may be formed from a high-temperature steel or else, as the invention also provides in an embodiment, of a ceramic with a cellular structure.
  • a high temperature steel may be Fe-Cr-Al based alloys that have high corrosion and high temperature resistance.
  • the resistance is improved by the presence of an oxide layer on the surface, in particular by Al 2 O 3, whereby this oxide layer forms spontaneously on the surface due to the oxidation of Al to Al 2 O 3 on its own.
  • Temperatures between 1000 ° C and 1200 ° C are preferred for such pre-oxidation.
  • a further embodiment of the burner according to the invention may consist in that for the formation of the burner metal oxides, such as Al2O3, as already mentioned above, or CaO, CeO, Cr 2 0 3 , Fe 2 0 3 , Hf0 2 , MgO, Si0 2 , Zr0 2nd as single components or as a mixture, non-metal oxides such as BN, BC, MoSi 2 or SiN as single components or as a mixture or metals based on Fe-Cr-Al with additions of Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta and Lanthanides are used.
  • the burner metal oxides such as Al2O3, as already mentioned above, or CaO, CeO, Cr 2 0 3 , Fe 2 0 3 , Hf0 2 , MgO, Si0 2 , Zr0 2nd as single components or as a mixture
  • non-metal oxides such as BN, BC, MoSi 2 or SiN as single components or as a mixture or
  • the burners may be designed according to the invention, for example, as rectangular or trapezoidal surface elements for installation in the funnel wall of the reactor, without the invention being limited to this particular shape.
  • the combustion media can be air, oxygen and moderator (C02, N 2 ), which can be provided as flushing media eg C0 2 , N 2 , synthesis gas or flue gas.
  • the burners can be stoichiometric or substoichiometric.
  • 1 is a simplified representation of a section through a high-temperature Winkler carburetor and in
  • Fig. 2 shows an enlarged detail of the ash hopper with AufMultibrennern in a simplified representation.
  • a high temperature Winkler carburetor is formed by a carburetor body 2 of refractory masonry, which is provided in the direction of gravity at the bottom with a conical outlet region 2a.
  • a supply line 3 is positioned to a cyclone 4, wherein the cyclone 4 passes the separated solid particles via a return line 5 in the lower portion 2a of the carburetor 2.
  • Feed lines for introducing gasification components and for exit into a fluidized bed are shown in FIG. 1 only indicated and designated 6 to 8.
  • the heating torches 9 according to the invention are positioned, this region in FIG. 2 enlarged, but also simplified.
  • the AufMapnner 9 have on their surface on a cellular structure 10, through which flow the combustion gases or, depending on the operation, purge gases which are supplied via lines 11 to the flat burners.
  • This cellular Structure may be provided, for example, by a metal mesh formed of high-temperature steel or also of ceramic having a corresponding cellular structure.
  • the flat burners may be rectangular or trapezoidal, without the invention being limited to these specific designs.
  • Fig. 1 is still indicated that the burner 9a can be positioned further up in the cylindrical part of the carburetor body 2, as described above.

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Abstract

Bei einem Wirbelschichtvergaser, insbesondere Hochtemperatur-Winkler- Vergaser mit einem Zyklon- bzw. Zentrifugalabscheider, der dem Vergaserkopf zugeordnet ist, und mit einer Feststoffrückführleitung vom Zyklon in den unteren Bereich des Vergasers, sollen die bekannten Nachteile vermieden werden, d.h. ein Ausbau der Aufheizbrenner entbehrlich gemacht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass insbesondere im unteren Bereich (2a) des Vergasers flächige Aufheizbrenner (9) vorgesehen sind, die eine metallische oder keramische zelluläre Struktur (10) aufweisen.

Description

Wirbelschichtvergaser
Die Erfindung richtet sich auf einen Wirbelschichtvergaser, insbesondere Hochtemperatur-Winkler-Vergaser, mit einem Zyklon- bzw. Zentrifugalabscheider, der dem Vergaserkopf zugeordnet ist, und mit einer Feststoffrückführleitung vom Zyklon in den unteren Bereich des Vergasers.
Derartige Hochtemperatur-Winkler-Vergaser sind bekannt, hier sei beispielsweise die EP 0 264 810 genannt oder die DE 11 2009 000 287 oder die WO 2009/145724.
Bei einem derartigen Vergaser wird zur Erzeugung von Synthese- oder Brenngas durch Umsetzen von kohlenstoffhaltigen Materialien (z. B. Kohlen, Biomassen, kunststoffhaltiger Abfall od . dgl.) im unteren Bereich eine Wirbelschicht erzeugt und zumindest ein Teil des mit dem Rohgas ausgetragenen Staubes in einem Zyklon abgeschieden und in den Vergaser zurückgeführt (DE 44 13 923 AI). Dazu sind im unteren Trichterbereich, der zum Ascheabzug dient, Aufheizbrenner vorgesehen, die die feuerfeste Ausmauerung des Vergasers auf die notwendige Temperatur bringen. Die Speicherwärme der Ausmauerung ermöglicht ein Wirbelbettmaterial (Holzkohle, Herdofenkoks) zu entzünden und somit den Startvorgang zu ermöglichen.
Es gibt Lösungen, bei denen diese Aufheizbrenner nach dem Aufheizvorgang wieder demontiert werden. Die entstehenden Öffnungen werden mit Blinddeckeln verschlossen, wobei vermieden werden muss, dass etwa Rückströmun- gen erfolgen, so dass erhebliche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen. Um einen derartigen Aufwand zu vermeiden, werden in einer nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin im Kopfbereich des Vergasers Aufheizbrenner vorgesehen, die während des Gesamtbetriebes dort verbleiben können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es in gleicher Weise, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden, d.h. einen Ausbau der Aufheizbrenner entbehrlich zu machen.
Bei einem Wirbelschichtvergaser der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass insbesondere im unteren Bereich des Vergasers flächige Aufheizbrenner vorgesehen sind, die eine metallische oder keramische zelluläre Struktur aufweisen.
Durch die Erfindung ist es möglich, die zum Aufheizen notwendigen Temperaturen ebenso zu erreichen, wie die Möglichkeit, die Brenner im unteren Ascheabzugbereich des Vergasers permanent zu belassen.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die flächigen Aufheizbrenner einen Teil des Ascheabzugtrichters des Vergasers bilden. Durch die Positionierung der Aufheizbrenner im unteren Teil des Wirbelschichtvergasers ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass durch erforderliche Spülvorgänge der Brenner die Wirbelschichtfunktion der in diesem Bereich positionierten Düsenebene zu unterstützen, was beispielsweise zu einer Vergleichmäßigung der Wirbelschicht führt.
Die Erfindung sieht dabei in Ausgestaltung auch vor, dass die flächigen Aufheizbrenner weiter oben im zylindrischen Bereich des Vergasers positioniert sind . Dabei können die Brenner in der Nachvergasungszone positioniert sein, so dass weniger Spülgas benötigt wird, da dort der Feststoffanteil geringer ist.
Die Aufheizbrenner können in vorteilhafter Weise beispielsweise aus einem Metallgewebe aus einem Hochtemperaturstahl gebildet sein oder aber auch, wie dies die Erfindung ebenfalls in Ausgestaltung vorsieht, aus einer Keramik mit zellulärer Struktur.
Bei einem Hochtemperaturstahl kann es sich beispielsweise um Fe-Cr-Al- basierte Legierungen handeln, die große Korrosions- und hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Die Widerstandsfähigkeit wird durch die Anwesenheit einer Oxidschicht auf der Oberfläche verbessert, insbesondere durch AI2O3, wobei sich diese Oxidschicht spontan auf der Oberfläche durch die Oxidation von AI zu AI2O3 von selber bildet. Dabei werden Temperaturen zwischen 1000°C und 1200°C für eine solche Vor-Oxidation bevorzugt.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brenner kann darin bestehen, dass zur Bildung der Brenner Metalloxide, wie AI2O3, wie oben schon erwähnt, oder CaO, CeO, Cr203, Fe203, Hf02, MgO, Si02, Zr02 als Einfachkomponenten oder im Gemisch, Nichtmetalloxide, wie BN, BC, MoSi2 oder SiN als Einfachkomponenten oder im Gemisch oder Metalle basierend auf Fe-Cr-Al mit Zusätzen von Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthaniden eingesetzt sind .
Da die Brenner, wie oben schon angegeben, während des Gesamtbetriebes im unteren Bereich des Vergasers positioniert bleiben, sind diese erfindungsgemäß nicht nur mit Zuführleitungen für Brennstoff, sondern auch für Spülgas ausgerüstet. Mit dem Spülgas ist es z. B. möglich, während des normalen Betriebes des Vergasers durch das Spülgas ein Zusetzen der zellulären Strukturen der Brenner zu verhindern . Die Beaufschlagung der erfindungsgemäßen Brenner erfolgt während des Aufheizvorganges mit Brennstoff und während des Betriebes mit Spülgas.
Die Brenner können erfindungsgemäß z.B. als rechteckige oder trapezförmige Flächenelemente zum Einbau in der Trichterwand des Reaktors ausgebildet sein, ohne dass die Erfindung auf diese besondere Formgebung beschränkt wäre. Als Brennstoffe können gasförmige Brennstoffe herangezogen werden, die Verbrennungsmedien können Luft, Sauerstoff und Moderatorgas (C02,N2) sein, wobei als Spülmedien z.B. C02, N2, Synthesegas oder Rauchgas vorgesehen sein können. Die Brenner können stöchiometrisch oder unterstöchiometrisch erfolgen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Schnittes durch einen Hochtemperatur-Winkler-Vergaser sowie in
Fig. 2 ein vergrößertes Detail des Aschetrichters mit Aufheizbrennern in vereinfachter Darstellung .
Ein allgemein mit 1 bezeichneter Hochtemperatur-Winkler-Vergaser wird von einem Vergaserkörper 2 aus feuerfestem Mauerwerk gebildet, der in Schwerkraftrichtung unten mit einem konischen Auslaufbereich 2a versehen ist. Im Kopfbereich 2b ist eine Zuführleitung 3 zu einem Zyklon 4 positioniert, wobei der Zyklon 4 die abgetrennten Feststoffpartikel über eine Rückführleitung 5 in den unteren Bereich 2a des Vergasers 2 leitet. Zuführleitungen zum Einbringen von Vergasungskomponenten und zum Austritt in eine Wirbelschicht sind in Fig . 1 nur angedeutet und mit 6 bis 8 bezeichnet.
Im unteren Ascheabzugsbereich, d.h. im konischen Bereich 2a, sind die erfindungsgemäßen Aufheizbrenner 9 positioniert, wobei dieser Bereich in Fig . 2 vergrößert, aber ebenfalls vereinfacht wiedergegeben ist.
Die Aufheizbrenner 9 weisen auf ihrer Oberfläche eine zelluläre Struktur 10 auf, durch die die Brenngase oder je nach Betrieb auch Spülgase strömen, die über Leitungen 11 den flächigen Brennern zugeführt werden. Diese zelluläre Struktur kann beispielsweise von einem Metallgewebe bereitgestellt werden, welches aus Hochtemperaturstahl gebildet ist oder aber auch aus Keramik mit einer entsprechenden zellulären Struktur.
Die flächigen Brenner können rechteckig oder trapezförmig sein, ohne dass die Erfindung auf diese spezielle Gestaltungen beschränkt wäre.
In Fig. 1 ist noch angedeutet, dass die Brenner 9a auch weiter oben im zylindrischen Teil des Vergaserkörpers 2 positioniert sein können, wie dies weiter oben beschrieben ist.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel noch in vielfacher Hinsicht abänderbar, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So ist insbesondere die Position derartiger Brenner den jeweiligen Bedürfnissen anpassbar, auch die Verteilung und die Anzahl der entsprechenden Brenner kann variieren u. dgl. mehr.
Bezugszeichenliste :
1 Hochtemperatur- Winkler- Vergaser
2 Vergaserkörper
2a konischer Auslaufbereich
2b Kopfbereich
2c Ascheabzugtrichter
3, 6, 7, 8 Zuführleitung
4 Zyklon
5 Rückführleitung
9, 9a Aufheizbrenner
10 Zelluläre Struktur
11 Leitungen

Claims

Patentansprüche:
1. Wirbelschichtvergaser, insbesondere Hochtemperatur-Winkler-Vergaser mit einem Zyklon- bzw. Zentrifugalabscheider, der dem Vergaserkopf zugeordnet ist, und mit einer Feststoffrückführleitung vom Zyklon in den unteren Bereich des Vergasers,
dadurch gekennzeichnet,
dass insbesondere im unteren Bereich (2a) des Vergasers flächige Aufheizbrenner (9) vorgesehen sind, die eine metallische oder keramische zelluläre Struktur (10) aufweisen.
2. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die flächigen Aufheizbrenner (9) einen Teil des Ascheabzugtrichters (2c) des Vergasers bilden.
3. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die flächigen Aufheizbrenner (9) weiter oben im zylindrischen Bereich des Vergasers positioniert sind .
4. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die flächigen Aufheizbrenner (9) aus einem Metallgewebe aus einem Hochtemperaturstahl gebildet sind .
5. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufheizbrenner (9) aus einer Keramik mit zellulärer Struktur gebildet sind .
6. Wirbelschichtvergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bildung der Aufheizbrenner (9) Metalloxide, wie AI2O3, CaO, CeO, Cr203, Fe203, Hf02, MgO, Si02, Zr02 als Einfachkomponenten oder im Gemisch, Nichtmetalloxide, wie BN, BC, MoSi2 oder SiN als Einfachkomponenten oder im Gemisch oder Metalle basierend auf Fe-Cr-Al mit Zusätzen von Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthaniden eingesetzt sind .
7. Wirbelschichtvergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die flächigen Aufheizbrenner (9) mit Zuführleitungen (11) für Brennstoff und/oder Spülgas versehen sind .
8. Wirbelschichtvergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufheizbrenner (9) als rechteckige oder trapezförmige Flächenelemente zum Einbau in der Trichterwand des Reaktors (1) ausgebildet sind.
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