WO2017211938A1 - Verfahren und vorrichtung zur nachoxidation von kohlenstoffhaltigen vergasungsprodukten - Google Patents

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WO2017211938A1
WO2017211938A1 PCT/EP2017/063936 EP2017063936W WO2017211938A1 WO 2017211938 A1 WO2017211938 A1 WO 2017211938A1 EP 2017063936 W EP2017063936 W EP 2017063936W WO 2017211938 A1 WO2017211938 A1 WO 2017211938A1
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bed
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post
oxidation
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Bernd Meyer
Christian WOLFERSDORF
Martin SCHURZ
Alexander Laugwitz
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Technische Universität Bergakademie Freiberg
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for post-oxidation of carbonaceous gasification products of a Primärvergasers.
  • the fluidized bed gasification of solid fuels has advantages compared to the flow gasification advantages in terms of lower oxygen consumption, lower gasification temperatures, lower raw gas temperatures, tolerance to higher ash contents or lower requirements for the fuel pretreatment (grain size 0 - about 10 mm) , Particularly advantageous in this respect is the fluidized bed gasification for coals which have a high reactivity (brown coal, hard lignite, subbituminous coal, etc.).
  • the highly carbon-containing gasification residues that is, the bottom products withdrawn below and the dusts discharged with the raw gas, must be laboriously cooled and thermally aftertreated, i. burned up, become.
  • the post-combusted carbon is not found in the synthesis gas and increases the CO 2 emission.
  • the carbon content of the post-oxidized bottoms product should be measured continuously. Apart from the fact that the ceramic elements would need to be thermally shock resistant and exposed to extremely harsh conditions, complete post-oxidation is difficult due to the uneven distribution of the oxidizer and C-containing bottoms over the height and cross section of the reactor.
  • the internals of the post-oxidation reactor according to DE 10 2013 107 31 1 A1 form local cross-sectional constrictions and lead to local higher gas velocities.
  • the soil products are flowed through unevenly by the oxidizing agent.
  • the object of the invention is the complete post-oxidation of fine-grained, carbon-containing bottom products of the gasification of solid gasification substances in the fluidized bed.
  • the object is achieved by a process for the post-oxidation of fine-grained, carbonaceous soil products (bottom products) of a primary gasifier (primary gasification) by gasification in fluidized beds by arranging a fixed bed gasifier (2) with a post-oxidation moving bed (1) below the primary gasifier (21) the primary gasification bottom products (31) withdrawn from the primary gasifier (21) into the post-oxidation moving bed (1) with secondary gasification agents (8) from oxygen diluted with steam and / or CO 2 are gasified in countercurrent and postoxidized (postoxidation) wherein the formed Nachoxidations-bottom products (31) as the ashes below the Nachoxidations-moving bed (1) and the formed Nachoxidations-raw gases (30) are drawn up into the Primärvergaser (21).
  • a primary gasifier primary gasification
  • the method is characterized in that a) the reaction chamber of the primary gasifier (21) is connected without interruption directly or via a connector tube (14) to the reaction space of the fixed bed gasifier (2) without interruption and both form a common pressure chamber, the connection between primary ( 21) and fixed bed gasifier (2) compared to the reaction spaces of primary (21) and fixed bed gasifier (2) has a smaller cross section,
  • the gases entering the primary gasifier (21) from the upper end of the connection are introduced at flow rates at least sufficient to fluidize the primary gasification bottoms (31) above the upper end of the connection,
  • Direct connection means that the lower part (22) of the bottom of the primary gasifier (2) and the gasifier head (12) of the fixed bed gasifier (2) are connected so that the reaction space of the primary gasifier (21) and the fixed bed gasifier (2) without interruption in connection stand.
  • the primary gasification bottom products (31) forming the post-oxidation moving bed (1) may fall from the top of the primary gasifier (21) through the compound into the post-oxidation moving bed (1).
  • Fluidized beds include stationary fluidized beds, circulating fluidized beds and special forms such. As the internally circulating fluidized bed with formation of a bubble layer.
  • the particularly advantageous combination of a very large flow cross-section for post-oxidation with a small flow cross-section of the connection between the reaction spaces of the post-oxidation and the primary gasification is essential.
  • the large flow cross-section allows the complete post-oxidation of the primary gasification bottom products (31) in the ideal manner of a fixed bed gasifier (2) with the formation of a lower ash zone, above an oxidation zone and above a gasification zone.
  • the narrowing of the flow cross-section at the transition between the two reaction chambers takes on three basic functions in addition to the basic functions of apparatus-technical connection and the guarantee of upward gas flow and solids transport: the basic fluidization, the segregation and the reaction space.
  • the upward, with flow rates of up to 10 m / s centrally flowing into the primary gasification post-oxidation raw gases (30) take over the function of the base fluidization of the fluidized bed gasification.
  • the countercurrently falling primary gasification bottoms (31) are spotted in density and grain size, i. Light and fine-grained material is mainly transported back to the primary gasification and heavy, coarse-grained material mainly into the post-oxidation (segregation).
  • the connector tube (14) is a reaction space for endothermic gasification reactions between the primary gasification bottom products (31) and the water vapor of the post-oxidation raw gases (30).
  • the C content of the primary gasification bottom products (31) decreases, and the amount of the secondary gasification agents (8) can be reduced.
  • the C conversion in the reaction space of the primary gasification in which very high energy densities and reaction conversions can be achieved, is higher than the C conversion in the fluid-dynamically limited reaction space of the post-oxidation.
  • the secondary gasification means (8) are distributed over the cross section of the reaction space of the fixed bed gasifier (2), preferably by means of a rotary grate (6) from below into the Post-oxidation moving bed (1) initiated.
  • the cross section of the post-oxidation moving bed (1) is dimensioned so large that the post-oxidation moving bed (1) flows regularly (and not channel-like).
  • An important condition for the uniform flow through the post-oxidation moving bed (1) is the most uniform possible injection of the secondary gasification agent (8) over the cross section from below into the post-oxidation moving bed (1). This is preferably done by means of a rotary grate (6), which simultaneously assumes the function of the discharge of the ash from the post-oxidation moving bed (1).
  • the amount of the secondary gasification agent (8) introduced upward into the post-oxidation moving bed (1) is adjusted so that the flow rates of the gases at the upper end of the cylindrical part (9) guarantee a regular flow (and no channel flow).
  • the reaction space of the post-oxidation moving bed (1) is free of cross-section narrowing internals. As a result, the post-oxidation moving bed (1) can be operated at comparatively high gas velocities.
  • the carbonaceous primary gasification bottoms (31) entering the post-oxidation bed (1) are composed of grain originated from the feed coal and secondary grain formed by melt granulation and / or sintering. In the post-oxidation moving bed (1), they are transformed into dumpable ashes with residual carbon contents of ⁇ 5% by mass, generally ⁇ 2-3% by mass.
  • the primary gasification bottom products (31) may have different grain spectra.
  • the temperature at the exit from the post-oxidation moving bed (1) 50 - 300 K, preferably 100 - 200 K, above the temperature of the secondary Gasification agent (8) is located.
  • the oxygen content of the secondary gasification agent (8) is adjusted so that in the oxidation zone of the post-oxidation moving bed (1) at most a permanent sintering and / or a local and temporally limited melting of the ash, but no slagging, entry.
  • the oxygen concentration of the secondary gasification agent (8) is changed alternately between a lower (cold mode) and an upper level (hot mode), wherein at the upper level, the ash melts and at the lower level (to to 0% by volume of oxygen) unmelted ash is formed as a loosening intermediate.
  • Hot operation at the slag limit which allows normal operation without disruptive slagging, means that temperatures in the oxidation zone are set which reach up to the temperatures of the slag limit and sometimes go beyond that.
  • the change between cold and hot driving means that in coals with very fine-grained ashes, the oxygen content of the secondary gasification agent (8) is adjusted so that in the oxidation zone of the post-oxidation moving bed (1) at most a permanent sintering and / or a local and temporally limited melting of the ash, but no slagging, occurs.
  • the quantitative ratio of steam / CC> 2 and oxygen eg steam / oxygen ratio in kg steam / m 3 (iN) oxygen
  • iN oxygen
  • Another advantageous possibility to achieve a defined grain coarsening of the ash by partial melting without operationally disturbing slagging, consists in the alternating hot driving.
  • the oxygen concentration of the secondary gasifying agent (8) is changed alternately between a lower and an upper level, wherein at the upper level, the ash melts and at the lower level (up to 0 vol .-% oxygen) unmelted ash is formed as a loosening intermediate ,
  • the optimum operating conditions for setting the levels and the time changes are to be determined individually according to the ash quality.
  • propellants are supplied in an advantageous embodiment of the method according to the invention in the free space above the post-oxidation moving bed (1).
  • the supply of the propellant gases is carried out continuously or in pulses.
  • the propellants used are gases which do not contain free oxygen, e.g. CO2, water vapor, N2, or recirculated product gases.
  • the free space above the post-oxidation moving bed (1) is advantageously suitable for injecting liquid substances onto the surface (19) of the post-oxidation moving bed (1) for thermal treatment of these liquids and / or for controlling the gas outlet temperature from the moving bed (1 ).
  • liquids are therefore introduced into the free space above the post-oxidation bed (1) and / or the surface (19) of the post-oxidation bed.
  • These liquids include thermally post-treated liquids or evaporative cooling liquids, eg, tars, tar oil-water mixtures, loaded and evaporated water, such as organically contaminated waters or slurries, or aqueous organic or inorganic wastes.
  • propellants are injected into the connector tube (14).
  • gases which do not contain free oxygen e.g. CO2, water vapor, N2, or recirculated product gases.
  • the invention also includes an apparatus for the post-oxidation of fine-grained, carbonaceous soil products of a primary gasifier (21)
  • Direct connection means that the lower part of the bottom of the primary gasifier (21) and the gasifier head (12) of the fixed bed gasifier (2) are connected such that the reaction space of the primary gasifier (21) and the fixed bed gasifier (2) are connected without interruption.
  • the primary gasification bottom products (31) forming the post-oxidation moving bed (1) may fall from the top of the primary gasifier (21) through the compound into the post-oxidation moving bed (1).
  • the secondary gasification means (8) are distributed over the cross section from below into the post-oxidation moving bed (1), the average flow rate of the secondary gasification means (8) (moving bed flow velocity based on the free cross section of the post-oxidation moving bed (1) and based on a certain temperature, usually the melting temperature of the ash) are at most so high that even a regular flow through the post-oxidation moving bed (1) is ensured.
  • the oxygen content of the secondary gasification agent (8) is adjustable so that in the oxidation zone of the post-oxidation moving bed (1) at most a permanent sintering and / or a local and temporally limited melting of the ash, but no slagging occurs.
  • reaction space of the fixed-bed gasifier (2) according to the invention is free of cross-sectional narrowing internals.
  • the post-oxidation moving bed (1) can be operated at higher gas velocities.
  • the device according to the invention are on fixed-bed gasifier (2) in the region of the free space above the post-oxidation moving bed (1) additionally supplies for propellant gases (15) and / or feeds for spraying liquids (16).
  • propellant gases are supplied with the propellant gas feeds (15) if necessary.
  • the propellant gas feeds (15) are designed so that the desired flow velocities at the transition between primary (21) and fixed bed gasifier (2) can be adjusted and that the propellant gas supply can be continuous or pulse-like.
  • thermally nachzubetelnde liquids or liquids for controlling the gas outlet temperature from the moving bed (1) via the leads for spraying liquids (17) are injected onto the surface of the post-oxidation moving bed (1).
  • the connector tube (14) is in the simplest case tubular and opens flush with its upper end (32) and continuously in the lower end of the conically constricted reaction chamber of the primary gasification and with its lower end flush and stepless in the upper end of the constricted reaction space of the post-oxidation.
  • the lower end (20) of the connector tube (14) can also protrude into the reaction space of the post-oxidation and be conically widened.
  • the connector tube (14) can be conically tapered or expanded at the top. The design options are diverse and serve to optimally fulfill the functions of the connector tube (14).
  • the connector tube (14) is to be used as a reaction space for endothermic gasification reactions between the primary gasification bottom products (31) and the water vapor of the post-oxidation raw gases (30), it will be extended at least upward, so that in the upper part of the connector tube (14) forms a fluidized bed. This is advantageous if the primary gasification is carried out as a fluidized bed. If in another case, for example in the case of the internally circulating fluidized bed, the base fluidization of the overlying reaction space takes place at high gas velocities, the diameter of the connector tube (14) is not widened towards the top.
  • An extension of the lower end _ (20) of the connector tube (14) is preferably used on very fine-grained primary gasification bottoms (31) to produce intense segregation conditions.
  • the connector tube flow velocity can be up to 10 m / s.
  • High velocities of 5-10 m / s are used when, for example, low-ash, non-reactive coals in primary gasification produce a large fraction of coarse-grained cokes, which must be kept longer in primary gasification for better conversion.
  • Flow rates of 2 - 5 m / s are selected for most high dust and fines applications in primary gasification bottoms (31).
  • the variability that results from the choice results in a significant advantage of the connector tube principle according to the invention, since it provides a great freedom of design for the base fluidization in the primary gasification.
  • the flow velocities can also be varied in the concrete application in wide ranges, caused by the usually large load range of the supply of secondary gasification agent (8), eg due to partial load, variable ash contents and / or variable carbon sales in the post-oxidation.
  • the gas flow can even be temporarily interrupted without any disadvantages for the operation, eg with hot standby.
  • a supply of propellant gases is provided in the space above the post-oxidation moving bed (1), with which the desired flow rates can be adjusted .
  • the propellant gas supply may also be pulsed, e.g. unstable two-phase flow conditions in the connector tube (14).
  • By the flow conditions in the post-oxidation not influencing propellant gas supply another degree of freedom for the functionality of the connector tube (14) is created.
  • both gasification agents such as water vapor, CO2 and mixtures thereof, even with small amounts of oxygen, or oxygen-free gases, such as thermally treated purge gases, recirculated raw gases or mixtures thereof can be used.
  • the propellant gas supply can be combined with the supply of liquid substances in the free space above the post-oxidation moving bed (1).
  • a great advantage of the invention is that it can rely on industrially proven technologies that can be connected according to modified.
  • Fig. 1 shows a fixed bed gasifier (2) which is connected via a connector tube (14) with a primary gasifier (21).
  • the post-oxidation moving bed (1) is arranged in a fixed-bed gasifier (2).
  • This consists of a pressure vessel (3) with water jacket (4), which comprises an inner jacket (5), a rotating grate (6) with a feed (7) for the secondary gasification means (8), one above the cylindrical part (9 ) of the fixed bed gasifier (2) extending ceramic lining (10), preferably with silicon carbide, a lower ash vent (1 1) and a carburetor head (12).
  • the connector tube (14) protrudes.
  • nozzle tubes for propellant gases (15) and nozzle tubes for spraying liquids (16) are arranged, wherein in each case only one nozzle tube is shown by several.
  • the connector tube (14) is tubular and opens with its upper end (32) flush and continuously in the lower end of the bottom (22) of the conically constricted reaction space of the Primärvergasers (21).
  • the pressure vessel (24) of the primary gasifier (21) with inner jacket (26) and water jacket (25) also has a ceramic lining (27).
  • the gases are shown with dashed arrows and the solids with solid arrows.
  • the secondary gasification means (8) flow equally distributed over the rotary grate (6) in the post-oxidation moving bed (1).
  • the upward flowing gases (28) are counteracted by the downwardly migrating solids (29).
  • the moving bed protrudes with its tip (17) into the lower end (20) of the connector tube (14).
  • the post-oxidation raw gases (30) emerging from the moving bed surface (19) are collected in the connector pipe (14) and flow against the descending primary gasification bottom products (31) to the upper end (32) of the connector pipe (14) the base fluidization (23) begins in the lower part of the carburetor bottom (22) of the primary gasifier (21).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachoxidation von kohlenstoffhaltigen Vergasungsprodukten eines Primärvergasers mittels Vergasung in Wirbelschichten durch Anordnung eines Festbettvergasers mit einem Nachoxidations- Wanderbett unterhalb des Primärvergasers. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, a) dass der Reaktionsraum des Primärvergasers direkt oder über ein Konnektorrohr mit dem Reaktionsraum eines Festbettvergasers unterbrechungsfrei in Verbindung steht und beide einen gemeinsamen Druckraum bilden, wobei die Verbindung zwischen Primär-und Festbettvergaser gegenüber den Reaktionsräumen von Primär-und Festbettvergaser einen kleineren Querschnitt aufweist, b) dass das Nachoxidations-Wanderbett im Festbettvergaser aus einem unteren zylindrischen Teil und einem oberen, sich einschnürenden Teil, dessen oberes Ende höchstens bis zum unteren Ende der Verbindung zum Primärvergaser reicht, gebildet wird, c) dass die aus dem Nachoxidations-Wanderbett nach oben steigenden Gase (umfassend Nachoxidations-Rohgase und weitere Gase) mit Strömungsgeschwindigkeiten in das untere Ende der Verbindung zum Primärvergaser eingeleitet werden, die höchstens so groß sind, dass die das Nachoxidations- Wanderbett bildenden Primärvergasungs-Bodenprodukte, von oben aus dem Primärvergaser durch die Verbindung in das Nachoxidations-Wanderbett fallen können, d) dass die aus dem oberen Ende der Verbindung nach oben in den Primärvergaser eintretenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet werden, die mindestens so groß sind, dass die Primärvergasungs-Bodenprodukte oberhalb des oberen Endes der Verbindung fluidisiert werden e) dass die sekundären Vergasungsmittel verteilt über den Querschnitt des Reaktionsraums des Festbettvergasers von unten in das Nachoxidations-Wanderbett eingeleitet werden, f) dass der Querschnitt des Nachoxidations-Wanderbettes so groß bemessen ist, dass das Nachoxidations-Wanderbett regulär (und nicht kanalartig) durchströmt wird, g) und dass die Menge der nach oben in das Nachoxidations-Wanderbett eingebrachten sekundären Vergasungsmittel und die Menge der aus dem Nachoxidations- Wanderbett nach unten abgezogenen Nachoxidations-Bodenprodukte so eingestellt werden, dass die Nachoxidation unterhalb des oberen Endes des zylindrischen Teils des Wanderbetts abgeschlossen ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Nachoxidation von kohlenstoffhaltigen Vergasungsprodukten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachoxidation von kohlenstoffhaltigen Vergasungsprodukten eines Primärvergasers.
Die Wirbelschicht-Vergasung fester Brennstoffe weist gegenüber der Flugstrom-Vergasung Vorteile bezüglich des geringeren Sauerstoffverbrauchs, der geringeren Vergasungstemperaturen, der geringeren Rohgastemperaturen, der Toleranz gegenüber höheren Aschegehalten oder der geringeren Anforderungen an die Brennstoff-Vorbehandlung (Korngröße 0 - ca. 10 mm) auf. Diesbezüglich besonders vorteilhaft ist die Wirbelschicht-Vergasung für Kohlen, die eine hohe Reaktionsfähigkeit aufweisen (Braunkohlen, Hartbraunkohlen, subbituminöse Kohlen etc.). Ein Nachteil, warum sich Wirbelschicht-Verfahren, wie das Hochtemperatur- Winkler(HTW)-Verfahren, nicht stärker am Markt durchsetzen konnten, ist die fehlende Deponiefähigkeit der festen Vergasungsrückstände. Die noch stark kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände, das sind die unten abgezogenen Bodenprodukte und die mit dem Rohgas ausgetragenen Stäube, müssen aufwendig gekühlt und thermisch nachbehandelt, d.h. nachverbrannt, werden. Der nachverbrannte Kohlenstoff findet sich nicht im Synthesegas wieder und erhöht die C02-Emission.
Es gibt verschiedene Lösungsansätze, um dem Problem der Deponiefähigkeit der Vergasungsasche aus Wirbelschichten zu begegnen. Gemäß DE 10 2007 006 982 B4 ist unter der Wirbelschichtvergasung ein Wanderbett für die Nachvergasung des Bodenprodukts bei Temperaturen unterhalb des Ascheerweichungspunktes vorgesehen. Die angestrebte Ausbildung einer gleichmäßigen Wirbelschicht oberhalb des Wanderbettes ist praktisch jedoch nicht möglich, da die Abströmung über dem Querschnitt des Wanderbetts nicht gleichmäßig erfolgt, d.h. es bilden sich lokale Aufschüttungen von nicht- oder nur teilweise vergaster Kohle, so dass die Vergasungsmittel, die in diese nichtfluidisierten Bereiche eingeblasen werden, Schlacken bilden. Dadurch ist ein gleichmäßiger Betrieb nicht gewährleistet.
In Abwandlung der Wirbelschichtvergasung zu einer intern zirkulierenden Wirbelschichtvergasung durch Einsatz staubförmiger Kohle schlägt DE 10 2007 006 981 B4 vor, in einem Vergasungsreaktor mit einem gemeinsamen Reaktionsraum unterhalb der intern zirkulierenden Wirbelschichtvergasung mit Temperaturen unterhalb der kritischen Aschesintergrenze eine Wanderbett-Vergasung anzuordnen. Die in der intern zirkulierenden Vergasung gebildeten Aschegranulate sollen nach unten ins Festbett fallen und dort mit sauerstoffarmen, sekun- dären Vergasungsmitteln verschlackungsfrei nachoxidiert werden. Der über Kopf ausgetragene Staub wird aus dem Rohgas abfiltriert und vollständig in den Vergaser zurückgeführt. Der Vorschlag berücksichtigt nicht, dass das Gas aus dem Festbett ungleichmäßig verteilt über den Querschnitt des Wanderbetts nach oben strömt. Die ungleichmäßige Gasströmung sowie die Aufschüttungen und Anreicherungen von nicht- oder nur teilweise vergaster Kohle im Wanderbett verhindern den regulären Betrieb dieses Wanderbetts, so dass der Prozess in der vorgeschlagenen Weise nicht durchgeführt werden kann.
DE 10 2013 107 311 A1 beschreibt die Anordnung eines Nachoxidationsreaktors unterhalb der Wirbelschicht, in dem die versinterungsfreie Nachbehandlung des C-haltigen Bodenprodukts mit Oxidationsmitteln (02/Dampf oder O2/CO2) vorgesehen ist. Dazu weist der Nachoxidationsreaktor als Einbauten im Kopfbereich ein kegelförmiges Verteilungselement und in mehreren Ebenen keramische Gasspülsteine auf. In die Ebenen der Gasspülsteine wird Oxidationsmittel zugeführt.
Zur Steuerung des Prozesses, soll der Kohlenstoffgehalt des nachoxidierten Bodenproduktes kontinuierlich messtechnisch erfasst werden. Abgesehen davon, dass die keramischen Elemente thermoschockbeständig sein müssten und extrem harschen Bedingungen ausgesetzt sind, ist eine vollständige Nachoxidation auf Grund der ungleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels und der C-haltigen Bodenprodukte über die Höhe und den Querschnitt des Reaktors schwer möglich.
Die Einbauten des Nachoxidationsreaktors nach DE 10 2013 107 31 1 A1 bilden lokale Querschnittsverengungen und führen zu lokalen höheren Gasgeschwindigkeiten. Die Bodenprodukte werden vom Oxidationsmittel ungleichmäßig durchströmt.
Aufgabe der Erfindung ist die vollständige Nachoxidation feinkörniger, kohlenstoffhaltiger Bodenprodukte der Vergasung fester Vergasungsstoffe in der Wirbelschicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Nachoxidation von feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Bodenprodukten (Bodenprodukte) eines Primärvergasers (Primärvergasung) mittels Vergasung in Wirbelschichten durch Anordnung eines Festbettvergasers (2) mit einem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) unterhalb des Primärvergasers (21 ) gelöst, bei dem die aus dem Primärvergaser (21 ) in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) abgezogenen Primärver- gasungs-Bodenprodukte (31 ) mit sekundären Vergasungsmitteln (8) aus mit Dampf und/oder CO2 verdünntem Sauerstoff, im Gegenstrom vergast und nachoxidiert werden (Nachoxidation), wobei die gebildeten Nachoxidations-Bodenprodukte (31 ) als Aschen unterseits des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) und die gebildeten Nachoxidations-Rohgase (30) nach oben in den Primärvergaser (21 ) abgezogen werden. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, a) dass der Reaktionsraum des Primärvergasers (21 ) direkt oder über ein Konnektorrohr (14) mit dem Reaktionsraum des Festbettvergasers (2) unterbrechungsfrei in Verbindung steht und beide einen gemeinsamen Druckraum bilden, wobei die Verbindung zwischen Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) gegenüber den Reaktionsräumen von Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) einen kleineren Querschnitt aufweist,
b) dass das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) im Festbettvergaser (2) aus einem unteren zylindrischen Teil (9) und einem oberen, sich einschnürenden Teil, dessen oberes Ende höchstens bis zum unteren Ende der Verbindung zum Primärvergaser (21 ) reicht, gebildet wird,
c) dass die aus dem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) nach oben steigenden Gase (umfassend Nachoxidations-Rohgase (30) und weitere Gase) mit Strömungsgeschwindigkeiten in das untere Ende der Verbindung zum Primärvergaser (21 ) eingeleitet werden, die höchstens so groß sind, dass die das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) bildenden Primär- vergasungs-Bodenprodukte (31 ), von oben aus dem Primärvergaser (21 ) durch die Verbindung in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) fallen können,
d) dass die aus dem oberen Ende der Verbindung nach oben in den Primärvergaser (21 ) eintretenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet werden, die mindestens so groß sind, dass die Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) oberhalb des oberen Endes der Verbindung fluidisiert werden,
e) dass die sekundären Vergasungsmittel (8) verteilt über den Querschnitt des Reaktionsraums des Festbettvergasers (2) von unten in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingeleitet werden,
f) und dass die Menge der nach oben in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingebrachten sekundären Vergasungsmittel (8) und die Menge der aus dem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) nach unten abgezogenen Nachoxidations-Bodenprodukte (31 ) so eingestellt werden, dass die Nachoxidation unterhalb des oberen Endes des zylindrischen Teils (9) des Wanderbetts (1 ) abgeschlossen ist.
Direkter Anschluss heißt, dass der untere Teil (22) des Bodens des Primärvergasers (2) und der Vergaserkopf (12) des Festbettvergasers (2) so verbunden sind, dass der Reaktionsraum des Primärvergasers (21 ) und des Festbettvergasers (2) unterbrechungsfrei in Verbindung stehen. Trotz kleinerem Querschnitt der Verbindung können die das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) bildenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) von oben aus dem Primärvergaser (21 ) durch die Verbindung in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) fallen.
Wirbelschichten umfassen stationäre Wirbelschichten, zirkulierende Wirbelschichten und Sonderformen, wie z. B. die intern zirkulierende Wirbelschicht mit Ausbildung einer Sprudelschicht.
Für die Erfindung ist die besonders vorteilhafte Kombination eines sehr großen Strömungsquerschnitts für die Nachoxidation mit einem kleinen Strömungsquerschnitt der Verbindung zwischen den Reaktionsräumen der Nachoxidation und der Primärvergasung wesentlich. Dabei ermöglicht der große Strömungsquerschnitt die vollständige Nachoxidation der Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) in der idealtypischen Weise eines Festbettvergasers (2) mit der Ausbildung einer unteren Aschezone, darüber einer Oxidationszone und darüber einer Vergasungszone.
Die Einengung des Strömungsquerschnitts am Übergang zwischen den beiden Reaktionsräumen übernimmt neben den Grundfunktionen der apparatetechnischen Verbindung und der Gewährleistung der Gasströmung nach oben und des Feststofftransports nach unten noch drei weitere Funktionen: die der Basisfluidisierung, der Segregation und des Reaktionsraums. Die nach oben, mit Strömungsgeschwindigkeiten von bis 10 m/s zentral in die Primärvergasung strömenden Nachoxidations-Rohgase (30) übernehmen die Funktion der Basisfluidisierung der Wirbelschichtvergasung. Die im Gegenstrom nach unten fallenden Primärvergasungs- Bodenprodukte (31 ) werden in Dichte und Korngröße gesichtet, d.h. leichtes und feinkörniges Material wird überwiegend zurück in die Primärvergasung und schweres, grobköniges überwiegend in die Nachoxidation transportiert (Segregation). Die Durchströmbarkeit der Schüttung im Oberteil des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) wird dadurch verbessert. Und schließlich ist das Konnektorrohr (14) ein Reaktionsraum für endotherme Vergasungsreaktionen zwischen den Primärvergasungs-Bodenprodukten (31 ) und dem Wasserdampf der Nachoxidations-Rohgase (30). Dadurch verringert sich der C-Gehalt der Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) und die Menge der sekundären Vergasungsmittel (8) kann verringert werden. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der C-Umsatz im Reaktionsraum der Primärvergasung, in dem fluiddynamisch bedingt sehr hohe Energiedichten und Reaktionsumsätze erreicht werden können, höher als der der C-Umsatz im fluiddynamisch limitierten Reaktionsraum der Nachoxidation.
Die sekundären Vergasungsmittel (8) werden verteilt über den Querschnitt des Reaktionsraums des Festbettvergasers (2), vorzugsweise mittels eines Drehrostes (6) von unten in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingeleitet. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Querschnitt des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) dabei so groß bemessen, dass das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) regulär (und nicht kanalartig) durchströmt wird.
Eine wichtige Bedingung für die gleichmäßige Durchströmung des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) ist eine möglichst gleichmäßige Eindüsung der sekundären Vergasungsmittel (8) über den Querschnitt von unten in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ). Dies geschieht vorzugsweise mittels eines Drehrosts (6), der gleichzeitig die Funktion des Austragsorgans der Asche aus dem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) übernimmt.
Auch wird die Menge der nach oben in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingebrachten sekundären Vergasungsmittel (8) so eingestellt, dass die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase am oberen Ende des zylindrischen Teils (9) eine reguläre Durchströmung (und keine kanalartige Durchströmung) garantieren.
Der Reaktionsraum des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) ist dabei frei von querschnittsverengenden Einbauten. Dadurch kann das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) bei vergleichsweise höheren Gasgeschwindigkeiten betrieben werden.
Für die Dimensionierung des Querschnitts des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) ist die maximal zulässige Wanderbett-Strömungsgeschwindigkeit entscheidend, die maßgeblich von der Korngrößenverteilung in der Schüttung bestimmt wird. Die in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eintretenden kohlenstoffhaltigen Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) setzen sich aus originär aus der Einsatzkohle entstandenem Korn und durch Schmelzgranulation und/oder Sinterung gebildetem sekundären Korn zusammen. Im Nachoxidations-Wanderbett (1 ) werden sie zu deponiefähigen Aschen mit Restkohlenstoff-Gehalten von < 5 Ma.-%, in der Regel < 2 - 3 Ma.-%, umgewandelt. In Abhängigkeit der Art der Primärvergasung und der Art und Körnung der eingesetzten Kohlen und der Gasgeschwindigkeit der Basisfluidisierung oder der Gasgeschwindigkeit in der Verbindung der Reaktionsräume können die Primärvergasungs- Bodenprodukte (31 ) unterschiedliche Körnungsspektren aufweisen. Sie können damit aus noch nicht vollständig vergasten, feinkörnigen Koksen und feinkörnigen ungeschmolzenen sowie grobkörnigen, schmelzgranulierten Aschen mit einem Spektrum von staubförmigem (< 0,1 mm), feinkörnigem (< 1 mm) bis körnigem (< 10 - 20 mm) Material in unterschiedlichen Mengenanteilen bestehen. Die durch Nachoxidation unterhalb der Aschesintertemperatur (kalte Fahrweise) freigelegten Aschen sind in der Regel weitaus feinkörniger als die Ausgangskörnung. Daraus ergibt sich die Aufgabe, für eine z.T. sehr feinkörnige, schwer durchströmbare Wanderbett-Schüttung, einen möglichst großen Bereich der Wanderbett-Strömungsgeschwindigkeit zu finden, bei dem die Durchströmung des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) bei einer stabilen Wanderbett- Schüttung gewährleistet wird. Andernfalls würde es zu einer kanalartigen, nichtregulären Durchströmung kommen, so dass keine abgekühlte, nachoxidierte Asche, sondern eine glühende Koks/Asche-Mischung ausgetragen würde.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) so viel Asche abgezogen, dass deren Temperatur beim Austritt aus dem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) 50 - 300 K, vorzugsweise 100 - 200 K, oberhalb der Temperatur der sekundären Vergasungsmittel (8) liegt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sauerstoffgehalt der sekundären Vergasungsmittel (8) so eingestellt, dass in der Oxidationszone des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) höchstens ein dauerhaftes Sintern und/oder ein lokales und zeitlich befristetes Schmelzen der Asche, jedoch keine Verschlackung, eintritt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sauerstoffkonzentration der sekundären Vergasungsmittel (8) alternierend zwischen einem unteren (kalte Fahrweise) und einem oberen Niveau (heiße Fahrweise) verändert, wobei bei dem oberen Niveau die Asche schmilzt und bei dem unteren Niveau (bis zu 0 Vol.-% Sauerstoff) ungeschmolzene Asche als auflockerndes Zwischenmittel gebildet wird.
Im Falle sehr feinkörniger Aschen, wie sie für deutsche Braunkohlen typisch sind, sind die Wanderbett-Strömungsgeschwindigkeiten auf sehr niedrige Werte (wenige cm/s) begrenzt. Die thermische Leistung der Nachoxidation wäre sehr gering, bzw. der Querschnitt des Nachoxidations-Wanderbetts sehr groß. Die Erfahrungen aus der großtechnischen Festbett- Druckvergasung bei 25 bar in Lurgi-Festbettvergasern von Braunkohlenbriketts von Lausitzer Braunkohlen lehren jedoch, dass durch die sogenannte heiße Fahrweise bis an die Temperaturen der Schlackegrenze der Stabilitätsbereich der Schüttung stark erweitert werden kann und wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten und damit höhere Leistungen realisierbar sind. Heiße Fahrweise an der Schlackegrenze, bei der ein bestimmungemäßer Betrieb ohne betriebsstörende Verschlackungen möglich ist, bedeutet, dass Temperaturen in der Oxidati- onszone eingestellt werden, die bis an die Temperaturen der Schlackegrenze reichen und zeitweise darüber hinaus gehen. Für die erfindungsgemäße Durchführung der Nachoxidation bedeutet der Wechsel zwischen kalter und heißer Fahrweise, dass bei Kohlen mit sehr feinkörnigen Aschen der Sauerstoffgehalt der sekundären Vergasungsmittel (8) so eingestellt wird, dass in der Oxidationszone des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) höchstens ein dauerhaftes Sintern und/oder ein lokales und zeitlich befristetes Schmelzen der Asche, jedoch keine Verschlackung, eintritt.
Bei permanent heißer Fahrweise wird das Mengenverhältnis von Dampf/CC>2 und Sauerstoff (z.B. Dampf/Sauerstoff-Verhältnis in kg Dampf / m3(i.N.) Sauerstoff) entsprechend der visuellen Bewertung des aktuellen Sinter- und Schmelzzustands des Nachoxidations-Boden- produkts (31 ) permanent nachjustiert. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, eine definierte Korn vergröberung der Asche durch partielles Schmelzen ohne betriebsstörende Verschlackungen zu erreichen, besteht in der alternierend heißen Fahrweise. Hierbei wird die Sauerstoffkonzentration der sekundären Vergasungsmittel (8) alternierend zwischen einem unteren und einem oberen Niveau verändert, wobei bei dem oberen Niveau die Asche schmilzt und bei dem unteren Niveau (bis zu 0 Vol.-% Sauerstoff) ungeschmolzene Asche als auflockerndes Zwischenmittel gebildet wird. Die betrieblich optimalen Bedingungen für die Einstellung der Niveaus und der zeitliche Wechsel sind entsprechend der Aschequalität individuell zu ermitteln.
Zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten am oberen Ende der Verbindung werden nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) Treibgase zugeführt. Die Zuführung der Treibgase erfolgt dazu stetig oder pulsartig.
Als Treibgase werden Gase verwendet, die keinen freien Sauerstoff enthalten, z.B. CO2, Wasserdampf, N2, oder rezirkulierte Produktgase.
Der Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) eignet sich vorteilhaft für die Ein- düsung flüssiger Stoffe auf die Oberfläche (19) des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) zur thermischen Aufbereitung dieser Flüssigkeiten und/oder zur Steuerung der Gasaustrittstemperatur aus dem Wanderbett (1 ). Für die thermische Aufbereitung, die gleichzeitig der Kühlung des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) dient, werden deshalb Flüssigkeiten in den Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) und/oder auf die Oberfläche (19) des Nachoxi- dations-Wanderbetts (1 ) eingedüst. Diese Flüssigkeiten umfassen thermisch nachzubehandelnde Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten zur Verdampfungskühlung, z.B. Teere, Teeröl-Was- ser-Gemische, beladene und eingedampfte Wässer, wie organisch belastete Wässer oder Slurries oder wässrige organische oder anorganische Abfallstoffe.
Bei Verbindung von Primärvergaser (21 ) und Festbettvergaser (2) mit einem Konnektorrohr (14) werden die Gase aus dem Konnektorrohr (14) nach oben in den Primärvergaser (21 ) so abgezogen, dass ihre mittleren, auf den freien Querschnitt am oberen Ende des Konnektor- rohres (14) bezogenen Konnektorrrohr-Strömungsgeschwindigkeiten, Werte aufweisen, die über denen der Wirbelpunkt-Geschwindigkeiten der Feststoffe am Boden des Primärvergasers (21 ), bevorzugt bei den für schnelle Wirbelschichten bis hin zu zirkulierenden Wirbelschichten typischen Werten, liegen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei Verwendung eines Konnektorrohres (14) die das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) oberseits verlassenden Nachoxidations-Rohgase (30) unterseits in das Konnektorrohr (14) mit Strömungsgeschwindigkeiten bis 10 m/s (Konnektorrohr-Strömungsgeschwindigkeiten bezogen auf den freien Querschnitt) abgesaugt und oberseits des Konnektorrohrs (14) zentral in die Primärvergasung eingeblasen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in das Konnektorrohr (14) Treibgase eingedüst.
Als Treibgase werden auch hier Gase verwendet, die keinen freien Sauerstoff enthalten, z.B. CO2, Wasserdampf, N2, oder rezirkulierte Produktgase.
Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zur Nachoxidation von feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Bodenprodukten eines Primärvergasers (21 ), umfassend
• einen Festbettvergaser (2) für die Nachoxidation mit einem Druckbehälter (3) zur Aufnahme eines Wanderbettes (1 ), mit einem Drehrost (6) mit Zuführung (7) für sekundäre Vergasungsmittel (8), mit einem unteren Ascheabzug (1 1 ), wobei die Zuführung (7) für sekundäre Vergasungsmittel (8) eine reguläre Durchströmung des Wanderbettes (1 ) und eine im Sauerstoffgehalt regelbare Einstellung erlaubt,
• und eine Verbindung zum direkten Anschluß oder Anschluß über ein Konnektorrohr (14) an den Primärvergaser (21 ) und zur druckdichten und unterbrechungsfreien Verbindung von Primärvergaser (21 ) und Festbettvergaser (2), wobei die Verbindung zwischen Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) einen gegenüber den Reaktionsräumen von Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) kleineren Querschnitt aufweist.
Direkter Anschluss heißt, dass der untere Teil des Bodens des Primärvergasers (21 ) und der Vergaserkopf (12) des Festbettvergasers (2) so verbunden sind, dass der Reaktionsraum des Primärvergasers (21 ) und des Festbettvergasers (2) unterbrechungsfrei in Verbindung stehen.
Trotz kleinerem Querschnitt der Verbindung können die das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) bildenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) von oben aus dem Primärvergaser (21 ) durch die Verbindung in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) fallen.
Über die Zuführungen (7) für die sekundären Vergasungsmittel (8) werden die sekundären Vergasungsmittel (8) verteilt über den Querschnitt von unten in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingedüst, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der sekundären Vergasungsmittel (8) (Wanderbett-Strömungsgeschwindigkeit bezogen auf den freien Querschnitt des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) und bezogen auf eine bestimmte Temperatur, in der Regel die der Schmelztemperatur der Asche) höchstens so hoch einstellbar sind, dass noch eine reguläre Durchströmung des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) gewährleistet ist.
Der Sauerstoffgehalt der sekundären Vergasungsmittel (8) ist so einstellbar, dass in der Oxi- dationszone des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) höchstens ein dauerhaftes Sintern und/oder ein lokales und zeitlich befristetes Schmelzen der Asche, jedoch keine Verschlackung, eintritt.
Der Reaktionsraum des erfindungsgemäßen Festbettvergasers (2) ist frei von querschnittsverengenden Einbauten. Dadurch kann das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) bei höheren Gasgeschwindigkeiten betrieben werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind am Festbettvergaser (2) im Bereich des Freiraumes oberhalb des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) zusätzlich Zuführungen für Treibgase (15) und/oder Zuführungen zum Versprühen von Flüssigkeiten (16) angeordnet.
Im Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) werden mit den Treibgaszuführungen (15) im Bedarfsfall Treibgase zugeführt. Die Treibgaszuführungen (15) sind dabei so ausgestaltet, dass die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten am Übergang zwischen Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) eingestellt werden können und dass die Treibgaszuführung stetig oder pulsartig erfolgen kann. Auch können im Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) thermisch nachzubehandelnde Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten zur Steuerung der Gasaustrittstemperatur aus dem Wanderbett (1 ) über die Zuführungen zum Versprühen von Flüssigkeiten (17) auf die Oberfläche des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) eingedüst werden.
Bei Verbindung des Primärvergasers (21 ) und des Festbettvergasers (2) über das Konnektor- rohr (14) mündet dessen oberes Ende (32) bündig im Boden (22) des Primärvergasers (21 ) und dessen unteres Ende (20) bündig oder nicht bündig im Kopf (12) des Festbettvergasers (2), wobei die Kontur des Konnektorrohres (14) der eines Zylinders oder eines sich zum oberen Ende und/oder zum unteren Ende hin erweiternden Rohres entspricht, und wobei die Länge des Konnektorrohres (14) mindestens so groß wie dessen mittlerer Durchmesser ist.
Das Konnektorrohr (14) ist im einfachsten Fall rohrförmig und mündet mit seinem oberen Ende (32) bündig und stufenlos im unteren Ende des konisch eingeschnürten Reaktionsraums der Primärvergasung und mit seinem unteren Ende bündig und stufenlos im oberen Ende des eingeschnürten Reaktionsraums der Nachoxidation. Das untere Ende (20) des Konnektorrohrs (14) kann aber auch in den Reaktionsraum der Nachoxidation hineinragen und konisch erweitert sein. Auch kann das Konnektorrohr (14) nach oben hin konisch verjüngt oder erweitert ausgeführt sein. Die Gestaltungsmöglichkeiten sind vielfältig und dienen der optimalen Erfüllung der Funktionen des Konnektorrohrs (14). Soll beispielsweise das Konnektorrohr (14) als Reaktionsraum für endotherme Vergasungsreaktionen zwischen den Primärvergasungs- Bodenprodukten (31 ) und dem Wasserdampf der Nachoxidations-Rohgase (30) genutzt werden, wird es mindestens nach oben hin erweitert ausgeführt werden, damit sich im oberen Teil des Konnektorrohrs (14) eine Wirbelschicht ausbildet. Dies ist vorteilhaft, wenn die Primärvergasung als Wirbelschicht ausgeführt ist. Soll in einem anderen Fall, z.B. im Fall der intern zirkulierenden Wirbelschicht, die Basisfluidisierung des darüber liegenden Reaktionsraums mit hohen Gasgeschwindigkeiten erfolgen, wird der Durchmesser des Konnektorrohrs (14) nach oben hin nicht erweitert. Eine Erweiterung des unteren Endes _(20) des Konnektorrohrs (14) wird bevorzugt bei sehr feinkörnigen Primärvergasungs-Bodenprodukten (31 ) angewendet, um intensive Segregationsbedingungen herzustellen. Die Konnektorrohr-Strömungsgeschwin- digkeit kann bis 10 m/s betragen. Hohe Geschwindigkeiten von 5 - 10 m/s werden dann angewendet, wenn zum Beispiel bei aschearmen, reaktionsträgen Kohlen in der Primärvergasung eine große Fraktion grobkörniger Kokse entsteht, die für einen besseren Umsatz länger in der Primärvergasung gehalten werden müssen. Für die meisten Anwendungen mit hohen Staub- und Feinkornanteilen in den Primärvergasungs-Bodenprodukten (31 ) werden Strömungsgeschwindigkeiten von 2 - 5 m/s gewählt. Die Variabilität, welche sich aus der Wahl der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb einer großen Bandbreite ergibt, stellt einen wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Konnektorrohr-Prinzips dar, da sie eine große Gestaltungsfreiheit für die Basisfluidisierung in der Primärvergasung schafft. Die Strömungsgeschwindigkeiten können darüber hinaus auch in der konkreten Anwendung in weiten Bereichen variiert werden, hervorgerufen durch den im Regelfall großen Lastbereich der Zuführung der sekundären Vergasungsmittel (8), z.B. infolge Teillast, veränderlicher Aschegehalte und/oder veränderlicher Kohlenstoff-Umsätze in der Nachoxidation. Die Gasströmung kann ohne Nachteile für den Betrieb sogar temporär unterbrochen werden, z.B. bei Hot Standby.
Für den Fall, dass unabhängig von der aktuellen Zuführung der sekundären Vergasungsmittel (8) eine höhere Konnektorrohr-Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden soll, ist im Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) eine Zuführung von Treibgasen vorgesehen, mit der die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt werden können. Die Treibgaszuführung kann auch pulsartig erfolgen, um z.B. instabile Zweiphasen-Strö- mungszustände im Konnektorrohr (14) aufzulösen. Durch die die Strömungsverhältnisse in der Nachoxidation nicht beeinflussende Treibgaszuführung wird ein weiterer Freiheitsgrad für die Funktionalität des Konnektorrohrs (14) geschaffen. Als Treibgase können sowohl Vergasungsmittel, wie Wasserdampf, CO2 und Gemische daraus, auch mit geringen Anteilen von Sauerstoff versetzt, oder sauerstofffreie Gase, wie thermisch aufzubereitende Purgegase, rezirkulierte Rohgase oder Gemische daraus eingesetzt werden. Die Treibgaszuführung kann mit der Zuführung flüssiger Stoffe im Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) kombiniert werden.
Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie auf großtechnisch bewährte Technologien zurückgreifen kann, die entsprechend modifiziert miteinander verbunden werden können. Für die Nachoxidation bietet sich die klassische Lurgi-Festbettvergasung und für die Primärvergasung die HTW-Vergasung oder andere Wirbelschichtvergasungsverfahren, wie z.B. das U-Gas-Verfahren, an.
Ausführungsbeispiel
Anhand der in Fig. 1 gezeigten Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Nachoxidation wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Festbettvergaser (2), der über ein Konnektorrohr (14) mit einem Primärvergaser (21 ) verbunden ist. Das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) ist in einem Festbettvergaser (2) angeordnet. Dieser besteht aus einem Druckbehälter (3) mit Wassermantel (4), der einen inneren Mantel (5) umfasst, einem Drehrost (6) mit einer Zuführung (7) für das sekundäre Vergasungsmittel (8), einer sich über den zylindrischen Teil (9) des Festbettvergasers (2) erstreckenden keramischen Ausmauerung (10), vorzugsweise mit Siliziumcarbid, einen unteren Ascheabzug (1 1 ) und einen Vergaserkopf (12). In den Vergaserkopf (12) des Festbettvergasers (2) ragt das Konnektorrohr (14) hinein. Weiterhin sind am Vergaserkopf (12) Düsenrohre für Treibgase (15) und Düsenrohre zum Versprühen von Flüssigkeiten (16) angeordnet, wobei jeweils nur ein Düsenrohr von mehreren dargestellt ist.
Das Konnektorrohr (14) ist rohrförmig und mündet mit seinem oberen Ende (32) bündig und stufenlos im unteren Ende des Bodens (22) des konisch eingeschnürten Reaktionsraums des Primärvergasers (21 ). Der Druckbehälter (24) des Primärvergasers (21 ) mit Innenmantel (26) und Wassermantel (25) besitzt ebenfalls eine keramische Ausmauerung (27).
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise sind in Fig. 1 die Gase mit gestrichelten Pfeilen und die Feststoffe mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt. Die sekundären Vergasungsmittel (8) strömen gleichverteilt über den Drehrost (6) in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ). Den aufwärts strömenden Gasen (28) kommen die abwärts wandernden Feststoffe (29) entgegen. Das Wanderbett ragt mit seiner Spitze (17) in das untere Ende (20) des Konnektorrohrs (14) hinein. Die aus der Wanderbett-Oberfläche (19) austretenden Nachoxidations-Rohgase (30) werden im Konnektorrohr (14) gesammelt und strömen entgegen den abwärts fallenden Primärvergasungs-Bodenprodukten (31 ) bis zum oberen Ende (32) des Konnektorrohrs (14), ab wo die Basisfluidisierung (23) im unterer Teil des Vergaserbodens (22) des Primärvergasers (21 ) beginnt. Im Bereich der Basisfluidisierung (23) zirkulieren mit hohen Beladungsdichten Feststoffe aus der Primärvergasung, während die Gase nach oben steigen. Im Bereich des Konnektorrohres (14) findet die Segregation grober und schwerer Partikel statt, die bevorzugt in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) gelangen. Im Konnektorrohr (14) und in dessen Umgebung laufen in erheblichem Maße Vergasungsreaktionen ab.
Die im Nachoxidations-Wanderbett (1 ) vollständig nachoxidierten Aschen (33) werden vom Drehrost (6) gleichmäßig nach unten abgezogen und fallen in den unteren Ascheabzug (1 1 ), von dem sie in bekannter Weise über eine Ascheschleuse (nicht dargestellt) aus dem Druckraum ausgeschleust werden. Bezugszeichen
1 Nachoxidations-Wanderbett
2 Festbettvergaser
3 Druckbehälter Festbettvergaser
4 Wassermantel Festbettvergaser
5 innerer Mantel Festbettvergaser
6 Drehrost
7 Zuführung für sekundäre Vergasungsmittel
8 sekundäre Vergasungsmittel
9 zylindrischer Teil Festbettvergaser
10 keramische Ausmauerung
1 1 unterer Ascheabzug
12 Vergaserkopf
13 keramische Ausmauerung Konnektorrohr
14 Konnektorrohr
15 Düsenrohre für Treibgase
16 Düsenrohre zum Versprühen von Flüssigkeiten
17 Spitze
18 Schüttkegel
19 Wanderbett-Oberfläche
20 unteres Ende Konnektorrohr
21 Primärvergaser
22 unterer Teil des Bodens des Primärvergasers
23 Basisfluidisierung
24 Druckbehälter Primärvergaser
25 Wassermantel Primärvergaser
26 Innenmantel Primärvergaser
27 keramische Ausmauerung Primärvergaser
28 aufwärts strömende Gase
29 abwärts wandernde Feststoffe
30 Nachoxidations-Rohgase
31 Primärvergasungs-Bodenprodukte
32 oberes Ende Konnektorrohr
33 nachoxidierte Asche

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Nachoxidation von feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Bodenprodukten (31 ) eines Primärvergasers (21 ) mittels Vergasung in Wirbelschichten durch Anordnung eines Festbettvergasers (2) mit einem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) unterhalb des Primärvergasers (21 ), bei dem die aus dem Primärvergaser (21 ) in das Nachoxidations- Wanderbett (1 ) abgezogenen Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) mit sekundären Vergasungsmitteln (8) aus mit Dampf und/oder CO2 verdünntem Sauerstoff, im Gegenstrom vergast und nachoxidiert werden, wobei die gebildeten Nachoxidations- Bodenprodukte (33) unterseits des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) und die gebildeten Nachoxidations-Rohgase (30) nach oben in den Primärvergaser (21 ) abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Reaktionsraum des Primärvergasers (21 ) direkt oder über ein Konnektor- rohr (14) mit dem Reaktionsraum des Festbettvergasers (2) unterbrechungsfrei in Verbindung steht und beide einen gemeinsamen Druckraum bilden, wobei die Verbindung zwischen Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) gegenüber den Reaktionsräumen von Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) einen kleineren Querschnitt aufweist, b) dass das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) im Festbettvergaser (2) aus einem unteren zylindrischen Teil (9) und einem oberen, sich einschnürenden Teil, dessen oberes Ende höchstens bis zum unteren Ende der Verbindung zum Primärvergaser reicht, gebildet wird,
c) dass die aus dem Nachoxidations-Wanderbett (1 ) nach oben steigenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten in das untere Ende der Verbindung zum Primärvergaser (21 ) eingeleitet werden, die höchstens so groß sind, dass die das Nachoxidations- Wanderbett (1 ) bildenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) von oben aus dem Primärvergaser (21 ) durch die Verbindung in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) fallen können,
d) dass die aus dem oberen Ende der Verbindung nach oben in den Primärvergaser (21 ) eintretenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet werden, die mindestens so groß sind, dass die Primärvergasungs-Bodenprodukte (31 ) oberhalb des oberen Endes der Verbindung fluidisiert werden,
e) dass die sekundären Vergasungsmittel (8) verteilt über den Querschnitt des Reaktionsraums des Festbettvergasers (2) von unten in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingeleitet werden,
f) und dass die Menge der nach oben in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingebrachten sekundären Vergasungsmittel (8) und die Menge der aus dem Nachoxidations- Wanderbett (1 ) nach unten abgezogenen Nachoxidations-Bodenprodukte (31 ) so eingestellt werden, dass die Nachoxidation unterhalb des oberen Endes des zylindrischen Teils (9) des Wanderbetts (1 ) abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Nachoxi- dations-Wanderbettes (1 ) so groß bemessen ist, dass das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) regulär (und nicht kanalartig) durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Gehalt der sekundären Vergasungsmittel (8) so eingestellt wird, dass in der Oxidationszone des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) höchstens ein dauerhaftes Sintern und/oder ein lokales und zeitlich befristetes Schmelzen der Asche, jedoch keine Verschlackung, eintritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) Treibgase zugeführt werden, mit denen die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase an der Verbindung zum Primärvergaser (21 ) eingestellt werden und dass die Zuführung der Treibgase stetig oder pulsartig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeiten in den Freiraum oberhalb des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) und/oder auf die Oberfläche (19) des Nachoxidations-Wanderbetts (1 ) eingedüst werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verbindung von Primärvergaser (21 ) und Festbettvergaser (2) mit einem Konnektorrohr (14) die das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) oberseits verlassenden Nachoxidations-Rohgase (30) unterseits in das Konnektorrohr (14) mit Strömungsgeschwindigkeiten bis 10 m/s (Konnektorrohr-Strö- mungsgeschwindigkeiten bezogen auf den freien Querschnitt) abgesaugt und oberseits des Konnektorrohres (14) zentral in die Primärvergasung eingeblasen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in das Konnektorrohr (14) Treibgase eingedüst werden.
Vorrichtung zur Nachoxidation von feinkörnigen, kohlenstoffhaltigen Bodenprodukten eines Primärvergasers (21 ), umfassend einen Festbettvergaser (2) für die Nachoxidation mit einem Druckbehälter (3) zur Aufnahme eines Wanderbettes (1 ), mit einem Drehrost (6) mit Zuführung (7) für sekundäre Vergasungsmittel (8), und mit einem unteren Ascheabzug (1 1 ), und eine Verbindung zum direkten Anschluss oder Anschluss über ein Konnektorrohr (14) an den Primärvergaser (21 ) und zur druckdichten und unterbrechungsfreien Verbindung von Primärvergaser (21 ) und Festbettvergaser (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) einen gegenüber den Reaktionsräumen von Primär- (21 ) und Festbettvergaser (2) kleineren Querschnitt aufweist, dass der Drehrost (6) mit Zuführung (7) für sekundäre Vergasungsmittel (8) so ausgestaltet ist, dass die sekundären Vergasungsmittel (8) verteilt über den Querschnitt des Reaktionsraums des Festbettvergasers (2) von unten in das Nachoxidations-Wanderbett (1 ) eingeleitet werden und dass der Querschnitt des Nachoxidations-Wanderbettes (1 ) so groß bemessen ist, dass das Nachoxidations- Wanderbett (1 ) regulär (und nicht kanalartig) durchströmt wird, und dass die Zuführung (7) für sekundäre Vergasungsmittel (8) eine reguläre Durchströmung des Wanderbettes (1 ) und eine im Sauerstoffgehalt regelbare Einstellung erlaubt.
9. Vorrichtung zur Nachoxidation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen, sich einschnürenden Teil des Festbettvergasers (2) zusätzlich Zuführungen für Treibgase (15) und/oder Zuführungen zum Versprühen von Flüssigkeiten (16) angeordnet sind.
10. Vorrichtung zur Nachoxidation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verbindung des Primärvergasers (21 ) und des Festbettvergasers (2) über das Konnektorrohr (14) dessen oberes Ende (32) bündig im Boden des Primärvergasers (21 ) und dessen unteres Ende (20) bündig oder nicht bündig im Kopf (12) des Festbettvergasers (2) mündet, wobei die Kontur des Konnektorrohres (14) der eines Zylinders oder eines sich zum oberen Ende und/oder zum unteren Ende hin erweiternden Rohres entspricht, und wobei die Länge des Konnektorrohres (14) mindestens so groß wie dessen mittlerer Durchmesser ist.
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