WO2017211940A1 - Vergasungsreaktor zur erzeugung von synthesegasen aus festen vergasungsstoffen mit hilfe sauerstoffhaltiger vergasungsmittel - Google Patents

Vergasungsreaktor zur erzeugung von synthesegasen aus festen vergasungsstoffen mit hilfe sauerstoffhaltiger vergasungsmittel Download PDF

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WO2017211940A1
WO2017211940A1 PCT/EP2017/063940 EP2017063940W WO2017211940A1 WO 2017211940 A1 WO2017211940 A1 WO 2017211940A1 EP 2017063940 W EP2017063940 W EP 2017063940W WO 2017211940 A1 WO2017211940 A1 WO 2017211940A1
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WO
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gasification
post
primary
oxidation
reaction space
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Application number
PCT/EP2017/063940
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Inventor
Bernd Meyer
Steffen Krzack
Alexander Laugwitz
Martin SCHURZ
Christian WOLFERSDORF
Original Assignee
Technische Universität Bergakademie Freiberg
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/482—Gasifiers with stationary fluidised bed
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    • C10J3/721—Multistage gasification, e.g. plural parallel or serial gasification stages
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    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
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    • F23G5/26—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a vertical, substantially cylindrical, combustion chamber having rotating bottom
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J2200/15—Details of feeding means
    • C10J2200/152—Nozzles or lances for introducing gas, liquids or suspensions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/1625—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with solids treatment
    • C10J2300/1628—Ash post-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/30—Solid combustion residues, e.g. bottom or flyash

Definitions

  • the invention relates to a process and a gasification reactor for the production of synthesis gas from solid gasification substances with the aid of oxygen-containing gasification agents.
  • the gasification of solid fuels in the fluidized bed 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 5 mm) on.
  • Particularly advantageous in this respect is the fluidized bed gasification for coals which have a high reactivity (brown coal, hard lignite, subbituminous coal, etc.).
  • a modification of the classical fluidized-bed gasification represents the Spouted bed gasification (Spouted bed), in which the gasification agent, consisting of oxygen, water vapor, CO2 or air alone or in mixtures, are injected at the bottom of the fluidized bed in high solids density areas, wherein the solids to to circulate the gasification agent jet (s).
  • the released ash is sintered or melted and forms granules, which fall down after reaching a certain size of several millimeters to over one centimeter and are withdrawn as a bottoms product.
  • the carburetor temperatures can not be freely selected. They are limited in accordance with the ash melting behavior of the coal used upwards, to avoid that the ashes cause in the freeboard of the fluidized-bed gasifier even during the cooling of the dust-laden raw gas operationally disturbing deposits, caking or slagging.
  • the particle temperatures at the gasifier outlet should be below a critical value, referred to below as the critical ash sintering limit. This is often very low in the coals used in fluidized bed gasifiers, which preferably have a high reactivity (lignite, hard lignite, subbituminous coal, etc.). Typical values for lignite are around 1, 000 ° C, for "young" coal about 1,100 ° C. When admixing biomass, the values decrease significantly.
  • the temperature limitation has the consequence that the raw gas containing increasing process pressures increasing proportions of undesirable gas components and trace substances, such as aliphatic hydrocarbons of methane to C4 hydrocarbons or aromatic hydrocarbons such as BETX and naphthalene.
  • undesirable gas components and trace substances such as aliphatic hydrocarbons of methane to C4 hydrocarbons or aromatic hydrocarbons such as BETX and naphthalene.
  • the high methane levels of up to 10% by volume and above virtually preclude the use of fluidized-bed or bubble-layer gasification at the high pressure level of up to 60 bar required for chemical syntheses.
  • the gasification in a cylindrical fluidized bed reactor is to be carried out at temperatures up to a maximum of the ash melting temperature of up to approx. 1 .200 ° C.
  • oxygen-free to -free gasification agents must be supplied in order to lower the temperatures of the dusty raw gases leaving the gasifier to values up to and below the final kinetic reaction temperatures which are below the critical ash sintering limit.
  • the reaction end temperatures are at about 900 ° C and lower, so that due to equilibrium takes place a regression of methane, higher hydrocarbons or ammonia. The solution is therefore not suitable for achieving a fundamental improvement in gas quality.
  • EP 1 201 731 A1 provides for a second post-gasification zone in continuation of the narrowed cross-section of the bottom product take-off below the fluidized bed zone. In this zone are gradually injected gasification agent to liquid water. Since fluidization must be avoided, the supply of the gasification agents and the reaction conversion are severely limited. Complete post-oxidation of fluidised bed gasification products at higher C levels can not be ensured.
  • the proposal does not take into account that the gas from the fixed bed flows unevenly upwards across the cross section of the moving bed.
  • the uneven gas flow and the accumulation and accumulation of non- or only partially gasified coal in the moving bed prevent the regular operation of this moving bed, so that the process in the proposed manner can be performed only limited.
  • DE 10 2013 107 31 1 A1 describes the arrangement of a post-oxidation reactor below the fluidized bed, in which the sintering-free aftertreatment of the C-containing bottom product with oxidizing agents (O 2 / steam or O 2 / CO 2) is provided.
  • the supply of the oxidizing agent is provided with open-pored, ceramic elements which can be arranged variably and in many shapes over the height of the post-oxidation reactor.
  • the carbon content of the post-oxidized bottoms product should be measured continuously. Apart from the fact that the ceramic elements would have to be thermoshock resistant and exposed to extremely harsh conditions, complete post-oxidation would be difficult due to the uneven distribution of the oxidizer and C-containing bottoms over the height and cross section of the reactor.
  • the object of the invention is to develop a process and a gasification reactor for the production of synthesis gases from solid gasification substances with the aid of oxygen-containing gasification agents at high pressures, in which the carbon of the gasification substances is largely converted to CO and subordinate CO2.
  • the object is achieved by a process for the production of synthesis, reduction and / or combustion gases from solid gasification materials with the aid of oxygen-containing gasification agents containing water vapor and possibly CO2 as endothermic gasification agent at elevated pressures using fluidized bed gasification (primary gasification) means a gasification reactor (v) with a gasification reaction space (vi), from bottom to top
  • primary gasification means a gasification reactor (v) with a gasification reaction space (vi), from bottom to top
  • a Nachoxidations fixed-bed gasifier with a pressure vessel with a post-oxidation reaction space (a2) for receiving a moving bed, with a Ash discharge (a1) at the bottom of the post-oxidation fixed bed gasifier (a), and with a post-oxidation gasification agent supply (36),
  • a primary gasification fluidized bed gasifier having a primary gasification reaction space (b1) with a zone for central fluidization (b1 12), with a multi-part primary gasification gasification agent entry (b14), with a plurality of gasification substance entries (b13), with a secondary gasification reaction space (b) b2), and having a raw gas outlet (b4) at the top of the primary gasification fluidized bed gasifier (b),
  • the gasification reaction space (vi) forms an uninterrupted coherent reaction space, in which the post-oxidation reaction space (a2) is connected to the primary gasification reaction space (b1) through the connection reaction space and that from the ash discharge (a1) c) wherein in the post-oxidation reaction space (a2) in a post-oxidation moving bed (a22), the reactor principle of fixed-bed gasification, in the reaction space connection predominantly the reactor principle of entrained flow gasification, in the primary gasification reaction space (b1) the reactor principle the fluidized-bed gasification of the central fluidized-bed, passing into that of the fluidized-bed gasification, and in the secondary gasification reaction space (b2) the reactor principle of the fluidized-bed gasification,
  • primary gasification means primary gasification gasification means (27)
  • primary gasification means primary gasification gasification means (27)
  • the post-oxidation bottom products (39) being withdrawn upwardly into the primary gasification as landfillable ashes below the post-oxidation bed (a22) and the post-oxidation raw gases (38) formed; g) wherein the post-oxidation moving bed (a22) in the post-oxidation fixed-bed gasifier (a) consists of a lower cylindrical portion and an upper constricting portion whose upper end extends at most to the lower end of the connection to the primary gasification fluidized bed gasifier (b) becomes,
  • the gases rising from the post-oxidation moving bed (a22) (comprising post-oxidation raw gases (38) and other gases) are introduced at flow rates into the lower end of the connection to the primary gasification fluidized bed gasifier (b) which is at most as large in that the primary gasification bottom products (30) forming the post-oxidation moving bed (a22) can fall from above from the primary gasification fluidized-bed gasifier (b) through the connection into the post-oxidation moving bed (a22),
  • the primary gasification gasification means (27) are so injected and the gasification agent jets are provided with flow pulses that they do not touch the opposite walls of the primary gasifier, and the gasification agent jets penetrate into the zone of central fluidization (b1 12), however, they do not penetrate and, in conjunction with the gases ascending from the post-oxidation moving bed (a22), lead to the formation of a bubble layer gasification proceeding from the central fluidization.
  • the oxygen content of the post-oxidation gasification means (27) is adjusted so that in the oxidation zone of the post-oxidation moving bed (a22) at most a permanent sintering and / or a local and temporally limited melting of the ash, but no slagging occurs.
  • 70-95% of the oxygen of the total supplied gasification agent is introduced as primary gasification oxygen with the primary gasification gasification means 27 and 30-5% as post-oxidation oxygen with the post-oxidation gasification means 36.
  • the invention also includes a gasification reactor for the production of synthesis, reduction and / or combustion gases from solid gasification materials with the aid of oxygen-containing gasification agents containing water vapor and possibly CO2 as endothermic gasification agent, at elevated pressures using fluidized bed gasification (primary gasification), with a Post-oxidation fixed-bed gasifier (a) with a pressure vessel with a post-oxidation reaction space (a2) for receiving a moving bed (a22), with a rotary grate (a21) with supply for post-oxidation gasification means (36) and with a ash discharge (a1) at the bottom of the Post-oxidation fixed bed gasifier (a), having a primary gasification fluidized bed gasifier (b) with a primary gasification reaction space (b1) with a zone for central fluidization (b1 12), with a secondary gasification reaction space (b2), with a raw gas outlet (b4 ) at the head (1) of the primary gasification fluidized bed gasifier (b), with a multi-part n primary gasification gasification
  • An embodiment of the gasification reactor according to the invention consists in that feeds in the form of post-oxidation process material nozzles (9) for post-oxidation process materials (35) are additionally arranged on the post-oxidation gas dome (a23) of the post-oxidation fixed-bed gasifier (a).
  • the connector tube (c) When connecting the primary gasification fluidized bed gasifier (b) and the Nachoxidations- fixed bed gasifier (a) via the connector tube (c) opens its upper end flush according to an advantageous embodiment of the gasification reactor according to the invention flush in the bottom of the primary gasification fluidized bed gasifier (b) and its lower end not flush in the post-oxidation gas dome (a23) of the post-oxidation fixed bed gasifier (a), the contour of the connector tube (c) being that of a cylinder or a tube flaring towards the top and / or bottom and the length of the tube Connector tube (c) is at least as large as its average diameter.
  • the primary gasification fluidized-bed gasifier (b) has a quench zone reaction space (b3) above the secondary gasification reaction space (b2), into which quench nozzles (12) extend for the injection of quench water (22).
  • the reaction space (b1) of the primary gasification fluidized-bed gasifier (b) is connected directly or via a connector pipe (c) to the reaction space (a2) of the post-oxidation fixed-bed gasifier.
  • sers (a) uninterruptible in connection. Both form a common pressure chamber, the connection between the primary gasification fluidized-bed gasifier (b) and post-oxidation fixed-bed gasifier (a) having a smaller cross section than the reaction spaces of primary gasification fluidized bed gasifier (b) and post-oxidation fixed-bed gasifier (a).
  • Direct connection means that the lower part of the bottom of the primary gasification fluidized-bed gasifier (b) and the after-oxidation gas dome (a23) of the after-oxidation fixed-bed gasifier (a) are connected so that the reaction spaces of the primary gasification fluidized bed gasifier ( b) and the post-oxidation fixed-bed gasifier (a) are connected without interruption.
  • Direct connection also means that the primary gasification bottom products (30) forming the post-oxidation moving bed (a22) can fall from above from the primary gasification fluidized bed gasifier (b) through the compound into the post-oxidation moving bed (a22).
  • the primary gasification of the registered solid gasification materials (25) is performed with primary gasification agents (primary gasification gasification agent (27)) in the fluidized bed or in the bubbling bed.
  • primary gasification agents primary gasification gasification agent (27)
  • a post-oxidation gasification is arranged in a post-oxidation moving bed (a22) in which the C-containing primary gasification bottoms (30) withdrawn from the primary gasification are gassed in countercurrent with post-oxidation gasification means (36) and reoxidized ( Post-oxidation), wherein the formed Nachoxidations-bottom products (39) are deducted as landfillable ashes below the post-oxidation moving bed (a22) and the formed Nachoxidations-raw gases (38) up into the primary gasification.
  • a gas calming space Above the primary gasification, a gas calming space, a raw gas outlet (b4) and one or more hot gas cyclones for the separation and recycling of the C-containing dusts discharged with the raw gases are successively arranged in the primary gasification.
  • the hot gases cyclones (n) leaving and loaded with C-containing particulate matter raw gases are subjected to a wet or dry total dedusting, and the deposited C-containing particulate matter partially or completely returned to the primary gasification or partially or completely post-combusted in a furnace.
  • the gasification reactor (v) with a gasification reaction space comprises from bottom to top a post-oxidation fixed bed gasifier (a) with a ash discharge (a1) at the bottom of the post-oxidation fixed-bed gasifier (a) and having a post-oxidation reaction space (a2), a direct connection or connection by means of a connector pipe (c) to a connection reaction space, and a primary gasification fluidized bed gasifier (b) having a primary gasification Reaction space (b1), with a secondary gasification reaction space (b2), if necessary with a quench zone reaction space (b3), and with a raw gas outlet (b4) at the head (1) of the primary gasification fluidized bed gasifier (b).
  • the gasification reaction space (vi) forms an uninterrupted coherent reaction space in which the post-oxidation reaction space (a2) is connected to the primary gasification reaction space (b1) through the connection reaction space and from the ash discharge (a1) to the raw gas outlet (b4 ), wherein in the post-oxidation reaction space (a2) in the post-oxidation moving bed (a22), the reactor principle of the fixed bed gasification, in the connection reaction space predominantly the reactor principle of entrained flow gasification and in the primary gasification reaction chamber (b1), the reactor principle of the central fluidized bubbler gasification, transitioning into that of the fluidized-bed gasification, in the secondary gasification reaction chamber (b2) the reactor principle of fluidized-bed gasification and in the quench-zone reaction space (b3), if required, the reactor principle of fluidized-bed gasification are used in the reactor principle of entrained flow gasification.
  • the post-oxidation fixed-bed gasifier (a) comprises from bottom to top an ash discharge (a1), a post-oxidation reaction space (a2), a rotary grate (a21), a post-oxidation moving bed (a22), a post-oxidation gas dome (a23), at least one Post-oxidation process material entry (a24) and a central top post-oxidation gas exit (a25).
  • the primary gasification reaction space (b1) has a bottom of the primary gasification reaction space (b1 1) that tapers conically upwards at a cone angle of 25-40 °, which merges into a cylindrical primary gasification reaction space (b12) and with at least one gasification substance Entry (b13), at least one primary gasification agent entry (b14) and, if necessary, at least one primary gasification process entry (b15).
  • the primary gasification reaction space (b1 1) is bounded at the bottom by a central bottoms removal (b1 1 1) of the primary gasification bottoms (30) over which centrally extends a zone of central fluidization (b1 12), the secondary gasification react - onsraum (b2) continues the primary gasification reaction space (b12) up to the if necessary to be provided quench zone reaction space (b3) or to the raw gas outlet (b4) at the head (1) of the primary gasification fluidized bed gasifier (b).
  • the quench zone reaction space (b3) continues the secondary gasification reaction space (b2) and has a lower quench area (b31) with at least one quench nozzle or at least one quench nozzle plane (b31 1) and an upper equalization area (b32), which extends to the crude gas outlet (b4) at the top (1) of the primary gasification fluidized-bed gasifier (b).
  • the reaction chambers of the primary gasification Wirbel Anlagenvergasers (b) and the Nachvoxidations-fixed bed gasifier (a) by means of a connector tube (c) are connected to a cylindrical or in diameter upwards steadily, conically widening slightly or down towards continuously conically or stepwise slightly widening connector tube reaction space (c1) and its ratio of length to average, clear diameter can be varied in the areas required for the apparatus engineering execution areas.
  • This connector tube (c) connects the central top post-oxidation gas outlet (a25) to the central bottom product vent (b1 1) without interruption and, if necessary, includes a connector tube process entry.
  • the raw gas outlet is followed by direct or indirect cooling of the raw gases laden with fine dusts, separation of the fine dusts and provision of the cooled, separated wet or dry fine dusts.
  • the separated fine dusts are recycled as primary gasification process substances (26) into the primary gasification reaction space (b12).
  • the solid carbon-containing gasification substances (25) are laterally and / or centrally via the primary gasification-gasification agent inputs into the primary gasification reaction space (b1) via the gasification substance entries (b13) (b14) the primary gasification-gasification means (27), from top to bottom from the secondary gasification reaction chamber (b2) recirculating secondary gasification fine dusts (40), from bottom to top of the bottom product take-off (b1 1 1) with the connector - Pipeline dusts (32) loaded raw-tube connector tubes (33) and if necessary laterally introduced via the primary gasification-process material entries (b15) primary gasification process materials (26).
  • the primary gasification crude gases (29) loaded with primary gasification dusts (28) and from top to bottom from the quench zone reaction space to be provided if required (b) are blown into the secondary gasification reaction space (b2) from the bottom upwards from the primary gasification reaction space (b12) ( b3) recirculating quench zone fine dust (42) and discharged from the secondary gasification reaction chamber (b2) from top to bottom recirculating secondary gasification fine dust (23) and discharged from bottom to top with secondary gasification fine dust (23) laden secondary gasification crude gases (24 ), which in the case of an unscheduled quench zone reaction space (b3), represent the raw gases (21), which rise from below and are withdrawn laterally via the crude gas outlet (b4), loaded with fine dusts (20).
  • the quench zone reaction space (b3) provided in the quench zone reaction chamber (b31) from bottom to top is the secondary gasification crude gas (24) loaded with secondary gasification fine dust (23) and from above bottom, but also from bottom to top, or from the edge to the middle, but also from the middle to the edge, via the Quenchdüs- plane (b31 1) Quench essentialkeiten, preferably quench water (22), injected and from the homogenization area (b32) of Quench zone reaction space (b3) from below, via the crude gas outlet (b4), the quenched and cooled raw gases (21) loaded with fine dusts (20) and from top to bottom from the quench zone reaction space (b3) quench zone fine dusts (b3) 42).
  • the primary gasification bottom products (30) are introduced into the connector tube reaction space (c1) from top to bottom via the central bottoms removal (b1 1 1) and from bottom to top via the central top post oxidation Gas outlet (a25) the Nachoxidations-raw gases (38) loaded with post-oxidation dusts (37) and from the top of the connector tube reaction chamber (c1) the connector tube bottom products (34) and withdrawn from bottom to top, the connector tube raw gases (33) loaded with connector tube taps (32).
  • connector tube process substances can be entered into the connector tube reaction space (c1) from top to bottom or from bottom to top.
  • post-oxidation reaction space (a2) from above to below via the central upper post-oxidation gas outlet (a25) connector tube bottoms (34), forming the post-oxidation moving bed (a22) with an upper boundary in the form of a Nachoxidations-Schüttkegels ( 1 1) and above a post-oxidation gas dome (a23), and if necessary via a post-oxidation process material feed (a24), post-oxidation process substances (35) into the post-oxidation gas dome (a23) and injected via the rotary grate (a21) from bottom to top the post-oxidation gasification agent (36) introduced.
  • From the post-oxidation reaction space (a2) are from the top to bottom postoxidation gas outlet (a25) from bottom to top loaded with post-oxidation dusts (37) post-oxidation raw gases (38) and from top to bottom over the ash discharge (a1) cooled post-oxidation bottoms (39) as C-free ashes.
  • the amounts and compositions of the primary gasification gasifying means (27) can be adjusted so that raw gas can be withdrawn from the raw gas outlet (b4) with the desired gas qualities and fine dusts, which are either completely gasified, i. have a landfillable, low carbon content, or whose carbon contents specifically have higher values up to about 50 wt .-%.
  • the amounts and compositions of the post-oxidation gasification agents (36) are adjusted to remove cooled, carbon-free, unmelted, sintered or at most partially melted ashes via the ash effluent (a1), the compositions of the post-oxidation gasification agents (36 ) are adjusted so that there is no malfunctioning slag formations in the post-oxidation reaction space (a2), and wherein the amounts of the post-oxidation gasification means (36) are limited so that it does not lead to non-regular, channel-like flows of the post-oxidation moving bed (a22) comes.
  • the cross-section of the cylindrical part of the post-oxidation reaction space (a2) and the height of the post-oxidation moving bed (a22) measured from the upper edge of the rotary grate (a21) to the central upper post-oxidation gas outlet (a25) are according to an advantageous embodiment of the invention such that 60-90% of the ashes introduced with the solid oil-containing gasification substances (25) are drawn off via the ash outlet (a1).
  • the empty-tube velocities of the post-oxidation raw gases (38) emerging from the central product withdrawal (b1 1 1), based on the free cross-section of the central product withdrawal (b1 1 1), advantageously have values that are well above the fluidization point Speeds, ie at speeds typical of fast fluidized beds to circulating fluidized beds, and are such that the zone of central fluidization (b1 12) extends at least to the level of the lowest primary gasification gasifier entries (b14), with their gasification agent Jets penetrate into the zone of central fluidization (b1 12).
  • the length of the cylindrical primary gasification reaction space (b12) is at least dimensioned so that the oxygen of the injected primary gasification gasification agent (27) has completely reacted chemically before the primary gasification crude gases (29) in the secondary gasification Reaction space (b2).
  • the cross-section of the cylindrical primary gasification reaction space (b12) and the secondary gasification reaction space (b2) are, according to an advantageous embodiment of the invention, dimensioned such that average flow velocities are withdrawn from the secondary gasification reaction space (b2) and with secondary gasification. Adjust fine dust (23) to the secondary gasification raw gases (24) that correspond to those of the sinking rates of the secondary gasification fine dust (23) with specified discharge grain diameters in the range of up to 0.1 mm.
  • the length of the secondary gasification reaction space (b2) taking into account at least gasification pressure, gasification temperature at the upper end of the secondary gaseous reaction space (b2) and reactivity of the secondary gasification fine dusts (23), such that at least a sufficiently long time is set to set the values for the carbon contents of the quench zone fine dusts (41) or fine dusts (20) ,
  • a quench zone reaction space (b3) is provided when the secondary gasification reaction space (b2) is to be limited to a level below the raw gas outlet (b4) in order to maintain the carbon-consuming endothermic gasification reactions at the desired carbon content values Freezing of secondary gasification fine dusts (23) in the range up to approx. 50% by weight, and / or if the temperatures of the secondary gasification crude gases (24) loaded with secondary gasification fine dusts (23) are to be reduced to values below the critical ash sintering limits ,
  • a temperature reduction in the quench zone reaction space (b3) to values below the critical ash sintering limits in the quench region (b31) is carried out in such a way that the quenching by means of several quench nozzles (12) in at least one Quenchdü- senebene (b31 1), one preferably close to the wall or a make uniform quenching over the cross section, as far as it is concluded that at least one cooling of the near quench zone fine dust (42) takes place at temperatures below the critical ash sintering limits, so that it is not to malfunctioning caking or deposits on the inner walls of the gasification reactor (v) up to and including of the raw gas outlet (b4), wherein the subsequent homogenization area (b32) extends so far that the homogenization of the temperatures below the critical ash sintering limits is completed at least until the raw gas outlet (b4).
  • the primary gasification gasification means (27) are disposed on at least one and at most three primary gasification / gasification agent nozzle planes (3) by means of the primary gasification agent gasification entries (b14) having primary gasification gasification agent nozzles (3). each containing at least three evenly distributed over the circumference of the primary gasification gasification agent nozzles (4) whose gasification agent nozzle jets at angles of -30 ° to + 30 ° to the horizontal and on the carburetor axis or with angles of ⁇ 30 ° of the carburetor axis are directed away, injected.
  • the gasification agent jets are provided with such flow pulses that they do not touch the opposite walls, and that the gasification agent jets of at least the lowest primary gasification gasification agent nozzle levels (6) penetrate into the zone of central fluidization (b1 12), but they do not penetrate.
  • the gasification agent jets of the topmost primary gasification-gasifying agent nozzle plane (7) range not significantly above the height marking the transition from the conical primary gasification reaction space (b1 1) to a cylindrical primary gasification reaction space (b12).
  • the primary gasification gasifiers (27) may be in addition to, or in lieu of, the bottom of the primary gasification gasifier nozzle planes (6) via a central primary gasification gasifier nozzle located on the gasifier axis at or above the central bottom product vent (b1 1 1) in the lower part of the zone of Monfluidisie- tion (b1 12) is arranged to be injected vertically upwards.
  • the solid gasification substances (25) are introduced laterally via the gasification substance entries (b13) gravimetrically by means of inclined tubes and / or mechanically by means of conveying screws and / or pneumatically or hydraulically by means of pipelines, whereby one or more circumferentially distributed entries are provided and the entries via the inclined tubes are just above the height of the beginning of the conical primary gasification reaction space (b1 1).
  • process substance entries (a24), (b15) and the process substance entry of the connector tube (c), which consist of tubes or nozzles can be gasified or thermally treated, gaseous, liquid or solid process materials or mixtures thereof in the reaction spaces (a2), (b1) or (c1) are introduced or injected, gaseous and liquid process materials preferably in the reaction chambers of the primary gasification (b1) and the connector tube (c1) and solid process materials, such as the separated dry or wet fine dusts, preferably be introduced or injected into the post-oxidation reaction space (a2).
  • the amounts of the gaseous and / or liquid post-oxidation process substances (35) injected into the post-oxidation gas dome (a23) are adjusted so that the empty tube velocities of the post-oxidation raw gases leaving the central product withdrawal (b1 1 1) are as desired be increased, preferably using the endothermic gasification agents water vapor / evaporating water and / or CO2 are used.
  • the coupling of the five different fixed bed gasification, entrained flow gasification, fluidized bed gasification, fluidized bed gasification and fluidized bed gasification techniques into a new gasification reactor combines the principles in new ways, with advantages turn.
  • this relates to the coupling of the fixed-bed gasification to the bottom product take-off (b1 1 1) of the centrally fluidized bubbler gasification via a direct connection or a connection by means of the connector tube (c).
  • the coupling for the first time makes it possible to increase the process pressure of the bubble layer or fluidized bed gasification to high process pressures> 60 bar without additional outlay for the base fluidization.
  • the necessary according to the prior art supply or recirculation of large quantities of cold gases and their reheating renounce.
  • the inferior, heated post-oxidation gasification gases with typical water vapor contents of 60 to 80 vol .-% represent high-quality gasification agents for gasification in the primary gasification fluidized bed gasifier (b).
  • the advantage is the advantage of the compound at the transition from the fixed bed to centrally fluidized bubbler gasification Application of the connector tube (c) possible.
  • the central position of the direct connection or connection via the connector tube (c) eliminates a further disadvantage of the fixed-bed gasification, the lateral gas outlet, and thereby allows a symmetrical flow over the entire bed height of the after-oxidation moving bed (a22).
  • the primary gasification reaction space (b1 1) can therefore be equipped with a much stronger cone angle of the primary reaction space of 25-40 ° compared to the classical fluidized bed gasification of ⁇ 25 °.
  • the upwardly directed central fluidization (b1 12) can advantageously be achieved by vertically upwardly directed injection of primary gasification gasification agent (27) via a central primary gasification gasification agent nozzle located at or above the central bottom product gasifier axis.
  • Discharge (b1 1 1) located in the lower part of the zone of central fluidization (b1 12) can be combined.
  • the concentrated, lateral injection is therefore particularly advantageous because the strong, near-ground fluidization with their high heat and mass transfer highest energy densities for the highly exothermic chemical reactions of oxygen by partial oxidation allows, whereby the gasification agent jets of the top primary gasification gasification agent nozzle level ( 7) can be limited to a height that marks the transition from the conical primary gasification reaction space (b1 1) into the cylindrical primary gasification reaction space (b12). Adjusted to the material and process conditions at which the gasification is to be carried out, one to three primary gasification agent gasification nozzle levels shall be used, with one primary gasification agent gasification nozzle level having at least three uniformly circumferentially distributed primary gasification gasification agent nozzles (4) for reasons of symmetry.
  • gasification agent jets are oriented at angles of -30 ° to + 30 ° to the horizontal and to the carburetor axis or at angles of ⁇ 30 ° away from the carburetor axis.
  • 10 to 20 ° downwardly directed and centrally on the carburetor axis oriented primary gasification-gasification agent nozzles (4) are used.
  • Gasifier jet jets directed away from the carburettor axis are used to better utilize the primary gasification reaction space (b1 1) by an impressed swirl flow, preferably at the higher primary gasification gasification agent nozzle levels.
  • the disadvantages of the separately operated reactor principles are the combination and superposition of the reactor principles in conjunction with the use of solid gasification materials in a specific grain size ranging from 0 - 0.1 mm to about 0 - 2 mm, overcome.
  • the gasification temperatures can be shifted to atypically high values for fluid bed and bubble bed gasification and atypically low for entrainment gasification.
  • the gasification temperatures at the upper end of the secondary gasification reaction chamber (b2) raised to 1 .100 ° C and above and thus be brought closer to the melting point of, for example, 1250 ° C, wherein in the gasification agent locally gasification temperatures significantly above the pour point of about 1 .400 ° C prevail.
  • the use of very high temperatures in the centrally fluidized liquefaction gasification in the primary gasification reaction space (b1) and atypically high temperatures in the fluidized bed gasification in the secondary gasification reaction space (b2) allows the application of high pressures up to 60 bar and above, whereby for the first time required for synthesis gas gas qualities, For example, low methane levels less ö Vol.
  • the solid gasification substances (25) and, if necessary. the primary gasification process substances (26) are introduced close to the wall via the gasification substance entries (b13) into the primary gasification reaction chamber (b1 1) which widens conically upwards. They are introduced at heights between the upper region of the conically expanding primary gasification reaction space (b1 1) and the lower area of the cylindrical primary gasification reaction space (b12).
  • Vergasungsstoff- entries are inclined tubes for gravity entry and / or screw conveyors for the mechanical entry and / or piping for the pneumatic or hydraulic entry in question, the height of the entry via the inclined tubes just above the height of the beginning of the conical primary gasification Reaction space (b1 1) is located.
  • the solid gasification substances (25) are transported by the wall-like downward flow by gravity predominantly into the zone of central fluidization (b1 12). From here, most of the solids are transported upwards and react at locally very high temperatures up to> 2,000 ° C with the laterally and / or centrally injected primary gasification gasification means (27). The grain sizes of the carbonaceous gasification substances (25) are reduced and the liberated ash melts and agglomerates to form melt agglomerates.
  • the incoming solid gasification materials (25) and optionally the primary gasification process materials (26) are mixed and heated on the shortest route and the gasification substances and molten substances heated by the oxidation reactions Cool ashes or melt agglomerates just as quickly and solidify.
  • the extreme fluidization in the zone of central fluidization (b1 12) is due to high flow rates of the raw gases flowing up from the bottom product (b1 1 1), which far above the vortex point speeds, ie for fast fluidized beds to circulating fluidized beds typical speeds, lie, reached. It is assisted by the injection of the primary gasification agent (27) directed towards the zone of central fluidization (b1 12) and extended upwards.
  • the height of the zone of central fluidization (b1 12) reaches - without this extension - at least double to five times the diameter of the product withdrawal (b1 1 1).
  • the highest energy densities occur in the primary gasification reaction space (b1 1) as a result of the strongly dominating, exothermic reactions of the partial oxidation, the high carbon concentrations of the circulating solids permanently ensure that the gasifier walls remain free from ashes or slag caking or slagging enter the streams of the bubble layer gasification.
  • the circulating flow of the centrally fluidized bubbler gasification around the zone of central fluidization (b1 12) is so strong that a strong conical expansion of the bottom of the Primary gasification reaction space (b1 1) to the cylindrical primary gasification reaction chamber (b12) with cone angles of 25-40 ° is possible without the ground having to be fluidized with additional gas feeds.
  • the primary gasification bottoms (30) consist predominantly of coarser and heavier ash-rich particles, including the resulting ash agglomerates, with grain sizes ranging up to 10 mm. Since the temperatures of the primary gasification bottoms (30) are normally significantly higher than those of the countercurrent post-oxidation raw gases (38), endothermic gasification reactions take place in the connector reaction space (c1) with the primary gasification bottom products (30) cooling down. the carbon contents of the downwardly extending plug pipe bottoms (34) are slightly lower than those of the top entry gasification bottoms (30).
  • the flow states in the connector tube reaction space (c1) can alternate or overlap between a channel-like moving bed flow-through and a pneumatic conveying, whereby the reactor principle of the entrainment gasification dominates.
  • a further particle size and density separation takes place in favor of coarser and heavier ash-rich particles as feedstock for the post-oxidation moving bed (a22).
  • the geometric configuration of the connector tube reaction space (c1) can be adapted to the requirements of the concrete application of the gasification reactor (v) in terms of length, diameter, diameter extensions, inlet and outlet design in a variety of ways, e.g. the ratio of length to average diameter according to an optimal apparatus engineering execution.
  • the constricted pressure jacket of the primary gasification fluidized-bed gasifier (b) can be connected to the likewise constricted pressure jacket of the post-oxidation fixed bed gasifier (a) by a flange connection in the height of the connector tube (c). It is also possible to install an adjustable slide valve in the flange connection, with which the two reaction chambers can be separated from one another on the solids side, if necessary (for example, for starting or stopping the gasification reactor (v)).
  • the connector tube bottom products (34) emerging from the post-oxidation gas outlet (a25) pass into the post-oxidation moving bed (a22) to form the post-oxidation bulk cone (11) and the post-oxidation gas dome (a23).
  • post-oxidation Reaction space (a2) the reactor principle of the fixed-bed gasification is realized, and in contrast to the conventional Lurgi fixed-bed gasification of coal in the prior art in the post-oxidation moving bed (a22) no drying and pyrolysis zone is present and a bed is present, the much hotter and in most cases is much finer-grained. According to the material and granulometric properties of the post-oxidation moving bed (a22), the compositions and the amounts of the post-oxidation-reducing agents (36) are adjusted.
  • the preferred control quantity is the so-called steam / oxygen ratio, expressed in kg of steam per m 3 (iN) of oxygen. This is adjusted so that unmelted, sintered or at most partially melted ashes are removed by means of the rotary grate (a21) and there is no malfunctioning slag formations in the post-oxidation reaction space (a2).
  • Typical values for the steam / oxygen ratio are 5-7 kg / m 3 (iN) for gasifiers with high ash melting points and 7-10 kg / m 3 (iN) for those with low ash melting points.
  • the preferred control quantity is the real oxygen level or the area specific oxygen load.
  • the surface-related amount of oxygen is limited in accordance with the grain sizes of the ashes forming in the post-oxidation moving bed (a22) so that non-regular, channel-like flows through the post-oxidation traveling bed (a22) do not occur.
  • Typical values are 200 to 500 m 3 (iN) of oxygen / m 2 cross-sectional area of the post-oxidation bed (a22), depending on the granularity of the beds.
  • the post-oxidised, dumpable ashes with carbon contents ⁇ 5% by mass are discharged into the ash outlet (a1) by means of the rotary grate (a21), the rotating grate (a21) corresponding to the temperatures of the discharged, cooled ashes lying in a corridor of 100%. 200 K above the temperatures of the post-oxidation gasification agent (36) are controlled.
  • the centrally fluidized bubbling gasification in the primary gasification reaction space (b1) extends over the conical primary gasification reaction space (b1 1) into the cylindrical primary gasification reaction space (b12).
  • the hot gas-solid jet and the large-scale solids recirculation flow pass from a jet fluidized bed into a fluidized bed in which the flow rates and temperatures of the primary gasification crude gases (29) loaded with primary gasification dusts (28) exceed the flow rate Balancing cross-section and prevails the reactor principle of a fluidized bed gasification.
  • recirculating secondary gasification fine dusts (23) enter from the secondary gasification reaction space (b2) lying above them.
  • the hot primary gasification raw gases (29) withdrawn from bottom to top into the secondary gasification reaction space (b2), which are loaded with carbon-rich primary gasification dusts (28), are the result of the predominantly occurring reactions of the total oxidation with formation of CO2 and H2O. They cool in the secondary gasification reaction space (b2) as a result of the endothermic, carbon-consuming gasification reactions to form CO and H2.
  • the gasification temperatures characteristic of the gasification are the settling temperatures of the endothermic gasification reactions which occur at the upper end of the secondary gasification reaction space (b2).
  • the grain sizes of the primary gasification dusts (28) are reduced to the discharge grain diameter of the secondary gasification fine dust (23), which are withdrawn with the secondary gasification raw gas (24) from the secondary gasification reaction space (b2), the carbon contents decrease.
  • the average flow rates of the secondary gasification gas withdrawn from the secondary gasification reaction chamber (b2) and loaded with secondary gasification fine dusts (23) are calculated.
  • Raw gases (24) set correspondingly low. The achievable in conjunction with high gasification pressures, low flow velocities of secondary gassing raw gases (24) loaded with secondary gasification fine dusts (23) are an important feature of the invention.
  • a quench zone reaction space (b3) is arranged above the secondary gasification reaction space (b2) is, in Quench Scheme (b31) quench liquids, preferably Quenchicas- ser (22) to inject.
  • the amount of quenching liquids to be injected is adjusted so that the temperatures above the quench zone reaction space (b3) are lowered below the critical ash sintering limits.
  • the injection takes place by means of several quench nozzles (12) in at least one Quenchdüsenebene (b31 1) either cross-sectionally equal or at least close to the wall.
  • the homogenization area (b32) which adjoins the quench area (b31) is expanded so far that the homogenization of the temperatures below the critical ash sintering limits is completed at least until the crude gas outlet (b4).
  • the injected quench waters (22) not only cool the quench zone fine dusts (41).
  • the quench waters (22) under the prevailing conditions of fluidized bed gasification also transition into entrainment gasification to some extent with the carbon of the carbonaceous quench zone particulate matter (41) forming carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen.
  • the quenched and cooled raw gases (21) loaded with fine dusts (20) are drawn off above the crude gas outlet (b4) at the top of the primary gasification fluidized-bed gasifier (b).
  • the quenching process can be used to advantage for pollutant disposal.
  • quenching liquids come next to be treated thermally treated wastewater, which are contaminated with inorganic or organic substances, and chemically treated liquids, such as ammonia waters in question.
  • the gasification reactor (v) is dimensioned and designed according to the given boundary conditions.
  • the most important boundary conditions are the thermal performance, the raw gas quality, the properties of the solid gasification substances and the gasification pressure.
  • the most important criteria for the dimensioning of the main dimensions height and diameter of the primary gasification reaction space (b1) and the secondary gasification reaction space (b2) are the required residence times of the solid gasification materials (25), so that the vast majority gasification of the gasification materials used (25) is guaranteed , which is expressed by the fact that 70-95% of the oxygen is added to the total gasification agent as primary gasification oxygen with the primary gasification Verga- sungsstoffn (27) in the primary gasification reaction space (b1) are introduced.
  • the low values are for less reactive coals, especially hard coal, where the proportion of post-oxidation is higher, and the high values for reactive coals, such as lignite.
  • the post-oxidation reaction space (a2) is dimensioned with respect to the cross section of the cylindrical part and the height of the post-oxidation moving bed (a22) measured from the upper edge of the rotary grate (a21) to the central upper post-oxidation gas outlet (a25) - 90% of the ash introduced with the solid C-containing gasification substances can be removed via the ash discharge (a1).
  • 30 to 5% of the total oxygen supplied with the post-oxidation gasification means is to be introduced via the rotary grate (a21).
  • the process according to the invention and the gasification reactor according to the invention relate to the production of synthesis gases from solid, carbonaceous gasification substances, the processes described so far relying primarily on the use of primary carbon carriers such as lignite and hard coal.
  • primary carbon carriers such as lignite and hard coal.
  • secondary carbon sources such as residual carbonaceous waste
  • Carbonaceous residual waste includes, among other things, dried sewage sludge, municipal waste (eg household waste), substitute fuels (EBS), carbon fiber reinforced plastics (CFRP), glass fiber reinforced plastics, shredder light fractions from automotive recycling or biomass waste.
  • the secondary carbon sources may be used separately or in admixture with the primary gasification materials, with admixture rates of the secondary carbon sources of up to 60% by weight, preferably up to 40% by weight, based on the total carbonaceous gasification substances used being possible.
  • the feed in mixture with the primary gasification substances is advantageous.
  • the maximum possible proportion depends on the type and composition of the secondary carbon sources, since these have deviations in thermal conversion and ash agglomeration behavior compared to primary carbon sources. They differ from coals by significantly higher volatiles content of up to 90%, strongly fluctuating carbon and thus energy contents and predominantly significantly higher proportions of mineral, especially metallic, components.
  • the residual carbonaceous wastes are thermally disintegrated immediately after introduction into the primary gasification reaction space (b1) and contact with the fluidized bed.
  • the gasification reactor (v) with a gasification reaction space (vi) is obtained from a post-oxidation fixed-bed gasifier (a) with a pressure vessel with a post-oxidation reaction space (a2) for receiving a moving bed, with a ash discharge (a1) at the bottom of the post-oxidation Fixed-bed gasifier (a), comprising a rotary grate (a21) with supply for post-oxidation gasification means (36), a connector tube (c) with a connector tube reaction space (c1), a primary gasification fluidized bed gasifier (b) with a primary gasification Reaction space (b1) with a zone for the central fluidization (b1 12), with a secondary gasification reaction space (b2), with a quench zone reaction space (b3) with quench nozzles (12) for the injection of quench water (22), with a raw gas outlet (b4) at the top of the primary gasification fluidized bed gasifier (b), with a multi-part primary gasification gasification agent entry (b14), with a pluralit
  • the gasification reaction space (vi) represents an uninterrupted coherent reaction space in which the post-oxidation reaction space (a2) is connected to the primary gasification reaction space (b1) via the connector tube reaction space (c1) and the ash discharge (a1 ) to the raw gas outlet (b4).
  • the post-oxidation fixed-bed gasifier (a) comprises an ash discharge (a1) and a post-oxidation reaction space (a2) comprising a rotary grate (a21), a post-oxidation moving bed (a22), a post-oxidation gas dome (a23 ), a post-oxidation process material feed (a24) in the form of a post-oxidation process nozzle plane (8) of six circumferentially-dispersed post-oxidation process nozzles (9) and a central top post-oxidation gas exit (a25).
  • the primary gasification reaction space (b1) is viewed from a bottom (2) of the conical primary gasification reaction space (b1 1) which tapers conically upwards at a cone angle of 45 °, provided with a multi-part primary gasification Gas input (b14) merging into a cylindrical primary gasification reaction space (b12) equipped with three gasification substance entries (b13) and primary gasification process substance entries (b15).
  • the multi-part primary gasification-gasification agent inlet (b14) consists of two superposed primary gasification-gasification agent nozzle planes (3), each with six circumferentially equally distributed primary gasification-gasification agent nozzles (4).
  • the primary gasification-gasification agent nozzles (4) are arranged offset one above the other, with a tilt angle (5) of 15 ° inclined downwards and aligned centrally on the carburetor axis.
  • the lower primary gasification-gasifying agent nozzle plane (6) is arranged at the level of the first third of the conical bottom (2) and the upper primary gasification-gasifying agent nozzle plane (7) at the level of 90% of the conical bottom (2).
  • the primary gasification gasification agent nozzles are water-cooled and wear-protected mixture nozzles with which oxygen and steam are mixed in the mixture as a primary gasification gasification agent (27).
  • the lower end of the conical primary gasification reaction space (b1 1) forms the central bottoms removal (b1 1 1), over which the C-containing primary gasification bottom products (30) are withdrawn into the connector tube (c).
  • the secondary gasification reaction space (b2) represents the connection of the cylindrical primary gasification reaction space (b12) with the quench zone reaction space (b3). This consists of a lower quench area (b31) with a quench nozzle plane (b31 1) and an upper homogenization area (b32), which reaches the crude gas outlet (b4) at the head (1) of the primary gasification fluidized bed gasifier (b).
  • the connector tube (c) comprises a cylindrical connector tube reaction space (c1) whose length to light diameter ratio is 4.
  • the primary gasification gasification means (27) top down from the secondary gasification reaction chamber (b2) recirculating secondary gasification fine dusts (40), from bottom to top from the bottom product vent (b1 1 1) the connector pipe raw gases (33) loaded with connector pipe dusts (32) and introducing primary gasification process materials (26) via the primary gasification process inputs (b15).
  • the primary gasification bottoms (30) and from bottom to top from the cylindrical primary gasification reaction space (b12) are fed from top to bottom through the bottoms product feed (b1 1 1). Dust (28) loaded primary gasification crude gases (29) applied.
  • the solid gasification materials (25) are introduced at heights between the upper region of the conically expanding primary gasification reaction space (b1 1) and the lower region of the cylindrical primary gasification reaction space (b12).
  • the primary gasification-gasification means (27) of the lower primary gasification-gasifying agent nozzle plane (6) are injected at an altitude such that the primary gasification gasifying means (27) penetrate into the zone of central fluidization (b1 12) and expand it upwards ,
  • the primary gasification process substances (26) introduced via the primary gasification process substance entries (b15) also comprise the wet gas (21), which is separated from the fine gas (20) loaded with fine dusts (20), in a water wash.
  • the primary gasification crude gases (29) loaded with primary gasification dusts (28) and from top to bottom out of the quench zone reaction space (b3) are pumped from bottom to top out of the primary gasification reaction space (b1) into the secondary gasification reaction space (b2) ) recirculating quench zone fine dusts (42) registered.
  • Secondary gasification fine dusts (40) are discharged from the secondary gasification reaction space (b2) from top to bottom, and the secondary gasification raw gases (24) loaded with secondary gas dusts (23) are withdrawn from bottom to top.
  • the secondary gasification crude gases (24) loaded with secondary gasification fine dusts (23) enter from the bottom up via the lower quench area (b31) and are quench nozzles (12) in the quench nozzle levels (b31 1). Injected quench water (22).
  • the quenched and cooled raw gases (21) loaded with fine dusts (20) are withdrawn from below laterally via the crude gas outlet (b4) and from top to bottom are removed from the quench zone.
  • Reaction chamber (b3) Quench zone fine dust (42) discharged.
  • a raw gas water scrubbing (not shown in FIG.
  • the connector tube bottom products (34) are drawn from top to bottom, and the raw tube connectors (33) loaded with connector tube dusts (32) are drawn from bottom to top.
  • the connector tube bottoms (34) forming the post-oxidation moving bed (a22) with an upper limit in the form of a post-oxidation bulk cone ( 1 1) and above a post-oxidation gas dome (a23) and via the post-oxidation process material feed (a24) by means of post-oxidation process nozzles (9) post-oxidation process materials (35) which comprise concentrated effluents from the crude gas water wash , injected into the post-oxidation gas dome (a23) and introduced via the rotary grate (a21) from bottom to top, the post-oxidation gasification agent (36).
  • the post-oxidation process materials (35) are sprayed onto the surface (10) of the post-oxidation bulk cone (1 1) that forms, thereby cooling the post-oxidation bed (a22). From the post-oxidation reaction space (a2) from the top to bottom postoxidation gas outlet (a25) from bottom to top loaded with post-oxidation dusts (37) post-oxidation raw gases (38) and from top to bottom over the ash discharge (a1) cooled post-oxidation bottoms (C-free ashes) (39) withdrawn.
  • the solid gasification substances (25) are transported by the wall-like downward flow by gravity predominantly into the zone of central fluidization (b1 12). From here, most of the solids are transported upwards and react locally very high Temperatures up to> 2,000 ° C with side-injected primary gasification gasification agents (27). The grain sizes of the carbonaceous gasification substances (25) are reduced and the liberated ash melts and agglomerates to form melt agglomerates.
  • the primary gasification reaction space (b1) there are so intense heat and mass transfer conditions that the incoming solid gasification materials (25) and primary gasification process materials (26) are mixed and heated along the shortest path and the solid gasification materials and molten ashes heated by the oxidation reactions or melt agglomerates just as quickly cool and solidify.
  • the extreme fluidization in the zone of central fluidization (b1 12) is achieved by high flow rates of the secondary gasification raw gas flowing up from the product bottoms removal (b1 1 1).
  • the flow rates, based on the free cross section of the central bottom product take-off (b1 1 1), are at 2-6 m / s and thus in the typical range for circulating fluidized beds.
  • the height of the zone of central fluidization (b1 12) - without the extension by the injection of the primary gasification-gasification agent (27) - reaches three times the diameter of the bottom product take-off (b1 1 1).
  • the primary gasification bottoms (30) descend countercurrent to the raw tube (33) reactors that flow upwardly and exert a sifter through the central bottoms removal (b1 1 1) into the connector tube reaction space (c1).
  • the primary gasification bottoms (30) consist predominantly of coarser and heavier, ash-rich particles including the resulting ash agglomerates. Since the temperatures of the primary gasification bottom products (30) are significantly higher than those of the counter-flowing raw connector tube gases (33), find in the connector reaction chamber (c1) with cooling the Primary gasification bottoms (30) endothermic gasification reactions take place, ie, the carbon contents of the downwardly leaking plug pipe bottoms (34) are lower than those of the top entry gasification bottom products (30).
  • the connector tube reaction space (c1) dominates the reactor principle of entrained flow gasification. Especially in the vicinity of the central upper post-oxidation gas outlet (a25), a further particle size and density separation takes place in favor of coarser and heavier ash-rich particles as feedstock for the post-oxidation moving bed (a22).
  • the post-oxidized, nearly C-free ashes suitable for landfilling are discharged into the ash outlet (a1) at temperatures of approx. 400 ° C by means of a rotary grate (a21).
  • the centrally fluidized bubbling gasification in the primary gasification reaction space (b1) extends over the conical primary gasification reaction space (b1 1) into the cylindrical primary gasification reaction space (b12).
  • the hot gas-solid jet and the large-scale solid recycle flow pass into a highly expanded fluidized bed in which the flow rates and temperatures of the primary gasification dusts (28) loaded primary gasification raw gases (29) over the cross-section compensate Reactor principle of a fluidized bed gasification prevails.
  • the hot primary gasification raw gases (29) withdrawn from bottom to top into the secondary gasification reaction space (b2), which are loaded with carbon-rich primary gasification dusts (28), are the result of the predominantly occurring reactions of the total oxidation with formation of CO2 and H2O. They cool in the secondary gasification reaction space (b2) as a result of the endothermic, carbon-consuming gasification reactions to form CO and H2.
  • the decay temperatures of the endothermic gasification reactions are reached at approx. 1 100 ° C.
  • the particle sizes of the primary gasification dusts (28) are reduced to the discharge particle diameters of the secondary gasification fine dusts (23) which are withdrawn from the secondary gasification reaction space (b2) with the secondary gasification raw gases (24) Lose weight.
  • the average flow rates of the secondary gasification reaction chamber (b2) withdrawn are loaded with secondary gasification fine dusts (23)
  • Secondary gasification raw gases (24) set correspondingly low. They allow the largely complete carbon conversion over a short path length of the flow, ie at low overall height of the gasification reactor (v).
  • the grain sizes decrease from bottom to top and this prevails Reactor principle of the fluidized bed gasification before.
  • This area is extended so long that fine dusts are withdrawn from bottom to top into the quench zone reaction space (b3), the carbon contents of which have deliberately values up to about 50% by mass, so that a correspondingly shorter secondary gasification reaction space (b2) is realized.
  • High carbon contents are desirable at high gasification temperatures as a so-called plaster carbon to avoid slagging or laying.
  • a quench zone reaction space (b3) is arranged, the task of which is to inject quench water (22) into the lower quench area (b31).
  • the amount of quench water to be injected is adjusted so that the temperatures above the quench zone reaction space (b3) are lowered below the critical ash sintering limits in the range of about 950 ° C.
  • the injection takes place by means of several quench nozzles (12).
  • the injected quench waters (22) not only cool the fine dust.
  • the quench water In the quench zone reaction space (b3), under the prevailing conditions of fluidized-bed gasification, the quench water also reacts with the carbon of the carbon-containing particulate matter in conditions of entrainment gasification, carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen being formed.
  • the quenched and cooled raw gases (21) loaded with fine dusts (20) are drawn off above the crude gas outlet (b4) at the top of the primary gasification fluidized-bed gasifier (b).
  • the quenching process is used to advantage for pollutant disposal.
  • the technical apparatus design of the jacket of the reaction space (vi) is not shown in Fig. 1 and comprises, as usual for fixed-bed pressure reactors, a pressure vessel with water jacket and saturated steam generation and an inner shell with refractory lining.
  • the most important material and process data of the gasification reactor (v) for the production of synthesis gas are described in which at a gasification pressure of 60 bar dried lignite with water contents of about 12 wt .-% and grain sizes of about 0 - 2 mm be gasified with oxygen and water vapor as a gasifying agent.
  • the lignite used is characterized by high reaction capabilities, average ash melting temperatures of about 1,250 ° C, critical ash sintering limits of about 1,000 ° C and in dry ashing very fine-grained ashes with grain sizes ⁇ about 0.2 mm.
  • post-oxidation gasification agent (36) enter into the post-oxidation reaction space (a2) 1 1% of the total oxygen (post-oxidation oxygen) and 96% of the total supplied gasification water vapor.
  • the oxygen loadings of the free cross section of the post-oxidation reaction space (a2) are about 200 m 3 (iN) / m 2 , and the steam / 02 ratio is about 7 kg / m 3 (iN).
  • the post-oxidised ashes of the post-oxidation bottoms (39) are stripped off at C contents ⁇ 5% by weight and temperatures around 400 ° C.
  • the post-oxidation crude gases (38) loaded with post-oxidation dusts (37) enter the connector tube reaction space (c1) at temperatures around 900 ° C.
  • the primary gasification gasifying agent (27) 89% of the total oxygen (primary gasification oxygen) and 4% of the total gasification gas supplied enter into the primary gasification reaction space (b1), with 1/3 of the primary gasification oxygen via the lower primary gasification gasification medium. Inject nozzle plane (6) and 2/3 via the upper primary gasifier-gasification nozzle plane (7). In the mixture nozzles of the primary gasification oxygen is injected in a mixture with 5 vol .-% steam. At the upper end of the primary gasification reaction space (b1), temperatures of 1,150-1,200 ° C. are reached, with about 62% of the carbon contained in the gasification substance (25) being converted.
  • gas flow rates of about 0.5 m / s and average gas residence times of about 5 s are established.
  • gasification temperatures of about 1 .100 ° C. and a carbon conversion of about 85% of the carbon in the gasification substance (25) are achieved.
  • Due to the additional C conversion in the post-oxidation reaction space (a2) a carbon conversion of about 99.8% of the carbon contained in the gasification substance (25) is achieved in the entire gasification reaction space (v).
  • the crude gas is cooled in the quench zone reaction space (b3) to a temperature of about 950 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthesegasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel bei erhöhten Drücken unter Anwendung der Wirbelschichtvergasung (Primärvergasung), mittels eines Vergasungsreaktors (v) mit einem Vergasungs-Reaktionsraum (v1), der von unten nach oben einen Nachoxidations-Festbettvergaser (a), eine Verbindung mit einem Verbindungs-Reaktionsraumundeinen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b), aufweist, a )wobei der Reaktionsraum des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) direkt oder über ein Konnektorrohr (c)mit dem Reaktionsraum des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) unterbrechungsfrei in Verbindung steht und beide einen gemeinsamen Druckraum bilden, wobei die Verbindung zwischen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergasers (a) einen gegenüber den Reaktionsräumen von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergaser (a) kleineren Querschnitt aufweist, c) wobei im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) in einem Nachoxidations-Wanderbett das Reaktorprinzip der Festbettvergasung, im Verbindungs-Reaktionsraum überwiegend das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung und im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1) das Reaktorprinzip der zentral-fluidisierten Sprudelschichtvergasung, übergehend in das der Strahlwirbelschichtvergasung, und im Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) das Reaktorprinzip der Wirbelschichtvergasung angewendet werden, d) wobei die Primärvergasung der eingetragenen festen Vergasungsstoffe (25) mit primären Vergasungsmitteln (Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) in der stationären Wirbelschicht, zirkulierenden Wirbelschicht, Strahlwirbelschicht oder Sprudelschicht durchgeführt wird, e) und wobei die aus der Primärvergasung abgezogenen C-haltigen Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) mit Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) im Nachoxidations-Wanderbett (a22) im Gegenstrom nachoxidiert und teilweise vergast werden (Nachoxidation).

Description

Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthesegasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthesegasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel.
Die Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht 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. 5 mm) auf. Diesbezüglich besonders vorteilhaft ist die Wirbelschicht-Vergasung für Kohlen, die eine hohe Reaktionsfähigkeit aufweisen (Braunkohlen, Hartbraunkohlen, subbituminöse Kohlen etc.). Eine Abwandlung der klassischen Wirbelschicht-Vergasung stellt die Sprudelschichtvergasung (Spouted bed) dar, bei der die Vergasungsmittel, bestehend aus Sauerstoff, Wasserdampf, CO2 oder Luft allein oder in Mischungen, am Boden der Wirbelschicht in Bereiche hoher Feststoffdichte eingeblasen werden, wobei die Feststoffe um den/die Vergasungsmittel-Jet/s zirkulieren. In den Gebieten, in denen sich durch die Oxidation hohe Temperaturen einstellen, wird die freigesetzte Asche gesintert oder geschmolzen und bildet Granulate, die nach Erreichen einer bestimmten Größe von mehreren Millimetern bis zu über einem Zentimeter nach unten fallen und als Bodenprodukt abgezogen werden.
Zwei der größten Nachteile, warum sich Wirbelschicht-Verfahren, wie das Hochtemperatur- Winkler(HTW)-Verfahren, nicht stärker am Markt durchsetzen konnten, sind die nach oben hin begrenzten Vergaser- bzw. Rohgastemperaturen und die fehlende Deponiefähigkeit der festen Vergasungsrückstände. Der Aufwand für die Gasaufbereitung und für die Nachbehandlung der Vergasungsrückstände durch Nachvergasung bzw. Nachoxidation ist hoch. Insgesamt stehen geringeren Synthesegasausbeuten höhere C02-Emissionen gegenüber.
Die Vergasertemperaturen können nicht frei gewählt werden. Sie sind entsprechend des Ascheschmelzverhaltens der eingesetzten Kohlen nach oben hin begrenzt, um zu vermeiden, dass die Aschen weder im Freeboard des Wirbelschicht-Vergasers noch bei der Abkühlung des staubbeladenen Rohgases betriebsstörende Ablagerungen, Anbackungen oder Verschlackungen hervorrufen. Die Partikeltemperaturen am Vergaseraustritt sollten unterhalb eines kritischen Wertes liegen, im Folgenden als kritische Aschesintergrenze bezeichnet. Diese ist bei den in Wirbelschichtvergasern eingesetzten Kohlen, die vorzugsweise eine hohe Reaktionsfähigkeit aufweisen (Braunkohlen, Hartbraunkohlen, subbituminöse Kohlen etc.), häufig sehr niedrig. Typische Werte für Braunkohlen liegen bei ca. 1 .000 °C, für„junge" Steinkohlen bei ca. 1.100 °C. Bei Zumischung von Biomassen verringern sich die Werte deutlich. Die Temperaturbegrenzung hat zur Folge, dass das Rohgas mit steigenden Prozessdrücken zunehmende Anteile unerwünschter Gaskomponenten und Spurenstoffe enthält, wie z.B. aliphatische Kohlenwasserstoffe von Methan bis C4-Kohlenwasserstoffe oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie BETX und Naphthalin. Die hohen Methangehalte bis 10 Vol.-% und darüber schließen die Anwendung der Wirbelschicht- oder der Sprudelschichtvergasung auf dem für die chemischen Synthesen erforderlichen hohen Druckniveau bis 60 bar praktisch aus.
Um die Temperaturen der Wirbelschichtvergasung zu erhöhen und eine vollständige Vergasung einschließlich Nachoxidation der festen Vergasungsrückstände zu erreichen, werden verschiedene Ansätze verfolgt.
In DE 10 2007 006 982 B4 soll die Vergasung in einem zylinderförmigen Wirbelschichtreaktor bei Temperaturen bis maximal zur Ascheschmelztemperatur bis ca. 1 .200 °C durchgeführt werden. Im Freeboard oberhalb der Wirbelschicht müssen aber sauerstoffarme bis -freie Vergasungsmittel zugeführt werden, um die Temperaturen der den Vergaser verlassenden staub- haltigen Rohgase auf werte bis auf und unterhalb der kinetischen Reaktionsendtemperaturen, die unterhalb der kritischen Aschesintergrenze liegen, abzusenken. Bei niedriginkohlten Kohlen liegen die Reaktionsendtemperaturen bei ca. 900 °C und tiefer, so dass gleichgewichtsbedingt eine Rückbildung von Methan, höheren Kohlenwasserstoffen oder Ammoniak stattfindet. Die Lösung ist deshalb nicht geeignet, um eine grundlegende Verbesserung der Gasqualität zu erreichen. An die Wirbelschicht schließt sich nach unten hin ein Wanderbett an, in dem die Nachvergasung und Nachoxidation der kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände der Wirbelschicht stattfinden soll. Abgesehen davon, dass es wegen lokaler Überschüttungen des Wanderbetts Schwierigkeiten bereitet, durch randliche Eindüsung von Vergasungsmitteln über dem Wanderbett eine gleichmäßige Wirbelschicht zu bilden, erfordert die für die Vermeidung von Verschlackungen erforderliche schnelle Absenkung der Temperatur im Freeboard einen hohen Verteilungsaufwand über dem Querschnitt. Dies ist bei Wirbelschichtvergasern großer Leistungen nicht ohne weiteres zu gewährleisten.
DE 10 2007 006 980 B4 verfolgt einen gegenteiligen Ansatz. Im Freeboard wird ein zentraler Hot-Spot erzeugt, der von einem kälteren Reaktionsraum mit endothermen Reaktionen umhüllt wird. Da die hohen Temperaturen im Oberteil des Vergasers auftreten, sind große Vergaserhöhen erforderlich, um die nötigen Abklinglängen für die hohen Temperaturen bis zum Rohgasabgang zu gewährleisten. Dabei treten ebenfalls sekundäre Reaktionen der Neubildung von Methan, höheren Kohlenwasserstoffen oder Ammoniak auf. Schließlich überdeckt der zentrale Hot-Spot nicht den gesamten Vergaserquerschnitt, so dass Gase aus der Wirbelschicht, die unerwünschte Gaskomponenten enthalten, thermisch unbehandelt zum Rohgasabgang nach oben strömen.
Es gibt verschiedene Lösungsansätze, um die noch stark kohlenstoffhaltigen, festen Vergasungsrückstände (C > 5 Ma.-%), d.h. die unten abgezogenen Bodenprodukte und die mit dem Rohgas ausgetragenen Stäube, zu behandeln. Insbesondere sollen Alternativen für die aufwendige Kühlung des heißen, feinkörnigen bis staubförmigen Materials zur Herstellung der Lager- und Transportfähigkeit, und für die externe Nachverbrennung, die vorzugsweise in einer Wirbelschichtfeuerung durchgeführt wird, gefunden werden. Für die Verwertung der Stäube bietet sich an, diese nach möglichst trockener Abscheidung in den Vergaser zurückzuführen, z.B. DE 10 2007 006 981 B4, DE 10 2007 006 982 B4, EP 1 201 731 A1.
Lösungsvorschläge zur Nachvergasung und Nachoxidation des Bodenprodukts in einem Wanderbett streben die gleichzeitige Abkühlung der nachoxidierten Bodenprodukte mit den entgegenströmenden, kalten Vergasungsmitteln an. Gemäß DE 10 2007 006 982 B4 ist unter der Wirbelschichtvergasung ein Wanderbett für die Nachvergasung des Bodenprodukts bei Temperaturen unterhalb des Ascheerweichungspunktes beschrieben. Die praktische Realisierung ist dadurch stark eingeschränkt, dass die vorgesehene Ausbildung einer gleichmäßigen Wirbelschicht oberhalb des Wanderbettes nur schwer erreicht werden kann, da die Abströmung über den 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 der Wirbelschicht und in der Folge des Wanderbetts nicht gewährleistet.
EP 1 201 731 A1 sieht in Fortsetzung des eingeengten Querschnitts des Bodenproduktabzugs unterhalb der Wirbelschichtzone eine zweite Nachvergasungszone vor. In diese Zone werden gestuft Vergasungsmittel bis hin zu flüssigem Wasser eingedüst. Da eine Fluidisation zwingend vermieden werden muss, sind die Zufuhr der Vergasungsmittel und der Reaktionsumsatz stark begrenzt. Eine vollständige Nachoxidation von Bodenprodukten der Wirbelschichtvergasung mit höheren C-Gehalten kann nicht sichergestellt werden.
In DE 4 339 973 C1 werden die C-haltigen Vergasungsrückstände der Wirbelschichtvergasung einem Flugstromvergaser zugeführt und in diesem vollständig vergast. Der hohe technische Aufwand steht einer Realisierung jedoch entgegen. In Abwandlung der Wirbelschichtvergasung zu einer intern zirkulierenden Wirbelschichtvergasung durch Einsatz staubförmiger Kohle schlägt DE 10 2007 006 981 B4 vor, 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, sekundären 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 nur eingeschränkt durchgeführt werden kann.
DE 10 2013 107 31 1 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. Die Zuführung der Oxi- dationsmittel ist mit offenporigen, keramischen Elementen, die über die Höhe des Nachoxidationsreaktors variabel und vielgestaltig angeordnet sein können, vorgesehen. Zur Steuerung des Prozesses, soll der Kohlenstoffgehalt des nachoxidierten Bodenproduktes kontinuierlich messtechnisch erfasst werden. Abgesehen davon, dass die keramischen Elemente thermos- chockbeständig sein müssten und extrem harschen Bedingungen ausgesetzt sind, wäre 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 Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthesegasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel bei hohen Drücken zu entwickeln, bei dem der Kohlenstoff der Vergasungsstoffe unter Bildung von CO und untergeordnet von CO2 weitestgehend umgewandelt wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von Synthese-, Reduktionsund/oder Brenngasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln, die Wasserdampf und ggfs. CO2 als endotherm reagierende Vergasungsmittel enthalten, bei erhöhten Drücken unter Anwendung der Wirbelschichtvergasung (Primärvergasung), mittels eines Vergasungsreaktors (v) mit einem Vergasungs-Reaktionsraum (vi ), der von unten nach oben
einen Nachoxidations-Festbettvergaser (a) mit einem Druckbehälter mit einem Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) zur Aufnahme eines Wanderbettes, mit einem Ascheaustrag (a1 ) am Boden des Nachoxidations-Festbettvergasers (a), und mit einer Zuführung für Nachoxidations-Vergasungsmittel (36),
eine Verbindung mit einem Verbindungs-Reaktionsraum,
und einen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) mit einem Primärvergasungs- Reaktionsraum (b1 ) mit einer Zone für die Zentralfluidisierung (b1 12), mit einem mehrteiligen Primärvergasungs-Vergasungsmitteleintrag (b14), mit mehreren Vergasungsstoffeinträgen (b13), mit einem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2), und mit einem Rohgasabgang (b4) am Kopf des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b), aufweist,
a) wobei der Reaktionsraum (b1 ) des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) direkt oder über ein Konnektorrohr (c) mit dem Reaktionsraum (a2) des Nachoxidations-Fest- bettvergasers (a) unterbrechungsfrei in Verbindung steht und beide einen gemeinsamen Druckraum bilden, wobei die Verbindung zwischen Primärvergasungs-Wirbelschichtverga- ser (b) und Nachoxidations-Festbettvergasers (a) einen gegenüber den Reaktionsräumen von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettverga- ser (a) kleineren Querschnitt aufweist,
b) wobei der Vergasungs-Reaktionsraum (vi ) einen unterbrechungsfrei zusammenhängenden Reaktionsraum bildet, bei dem der Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) mit dem Pri- märvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) durch den Verbindungs-Reaktionsraum miteinander verbunden ist und der vom Ascheaustrag (a1 ) bis zum Rohgasabgang (b4) reicht, c) wobei im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) in einem Nachoxidations-Wanderbett (a22) das Reaktorprinzip der Festbettvergasung, im Verbindungs-Reaktionsraum überwiegend das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung, im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) das Reaktorprinzip der zentral-fluidisierten Sprudelschichtvergasung, übergehend in das der Strahlwirbelschichtvergasung, und im Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) das Reaktorprinzip der Wirbelschichtvergasung angewendet werden,
d) wobei die Primärvergasung der eingetragenen festen Vergasungsstoffe mit primären Vergasungsmitteln (Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27)) in der stationären Wirbelschicht, zirkulierenden Wirbelschicht, Strahlwirbelschicht oder Sprudelschicht im Primär- vergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) durchgeführt wird,
e) wobei die aus der Primärvergasung abgezogenen C-haltigen Primärvergasungs-Boden- produkte (30) mit Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) im Nachoxidations-Wanderbett (a22) des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) im Gegenstrom nachoxidiert und teilweise vergast werden (Nachoxidation),
f) wobei die gebildeten Nachoxidations-Bodenprodukte (39) als deponiefähige Aschen un- terseits des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) und die gebildeten Nachoxidations-Roh- gase (38) nach oben in die Primärvergasung abgezogen werden, g) wobei das Nachoxidations-Wanderbett (a22) im Nachoxidations-Festbettvergaser (a) aus einem unteren zylindrischen Teil und einem oberen, sich einschnürenden Teil, dessen oberes Ende höchstens bis zum unteren Ende der Verbindung zum Primärvergasungs- Wirbelschichtvergaser (b) reicht, gebildet wird,
h) wobei die aus dem Nachoxidations-Wanderbett (a22) nach oben steigenden Gase (umfassend Nachoxidations-Rohgase (38) und weitere Gase) mit Strömungsgeschwindigkeiten in das untere Ende der Verbindung zum Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) eingeleitet werden, die höchstens so groß sind, dass die das Nachoxidations-Wanderbett (a22) bildenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) von oben aus dem Primärver- gasungs-Wirbelschichtvergaser (b) durch die Verbindung in das Nachoxidations- Wanderbett (a22) fallen können,
i) wobei die aus dem oberen Ende der Verbindung nach oben in den Primärvergasungs- Wirbelschichtvergaser (b) eintretenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet werden, die mindestens so groß sind, dass die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) oberhalb des oberen Endes der Verbindung fluidisiert werden,
j) wobei die Menge der nach oben in das Nachoxidations-Wanderbett (a22) eingebrachten Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) und die Menge der aus dem Nachoxidations-Wanderbett (a22) nach unten abgezogenen Nachoxidations-Bodenprodukte (39) so eingestellt werden, dass die Nachoxidation unterhalb des oberen Endes des zylindrischen Teils des Wanderbetts (a22) abgeschlossen ist,
k) wobei in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) die festen C-haltigen Vergasungsstoffe (25) über Vergasungsstoff-Einträge (b13) auf Höhen eingetragen werden, die zwischen dem oberen Bereich des sich konisch erweiternden Primärvergasungs-Reaktions- raums (b1 1 ) und dem unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs- Reaktionsraums (b1 ) liegen,
I) wobei die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) seitlich und/oder zentral mittels Vergasungsmitteldüsen (4) über die Primärvergasungs-Vergasungsmitteleinträge (b14) auf Höhen eingetragen werden, die mindestens in der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) liegen und die bis zum unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktions- raums (b1 ) reichen,
m) und wobei die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) so eingedüst werden und die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen mit Strömungsimpulsen versehen sind, dass sie die gegenüberliegenden Wände des Primärvergasers nicht berühren, und die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen, sie jedoch nicht durchdringen, und in Verbindung mit den aus dem Nachoxidation-Wanderbett (a22) aufsteigenden Gasen zur Ausbildung einer Sprudelschichtvergasung ausgehend von der Zentralfluidisierung führen. Vorteilhaft wird der Sauerstoffgehalt der Nachoxidations-Vergasungsmittel (27) so eingestellt, dass in der Oxidationszone des Nachoxidations-Wanderbettes (a22) höchstens ein dauerhaftes Sintern und/oder ein lokales und zeitlich befristetes Schmelzen der Asche, jedoch keine Verschlackung, eintritt.
Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden 70 - 95 % des Sauerstoffs der insgesamt zugeführten Vergasungsmittel als Primärvergasungs-Sauerstoff mit den Primärvergasungs-Vergasungsmitteln (27) und 30 - 5 % als Nachoxidations-Sauerstoff mit den Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) eingebracht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird oberhalb des Sekundärvergasungs-Reaktionsraumes (b2) über Quenchdüsen (12) Quench- wasser (22) derart eingedüst, dass die Temperaturen der mit Sekundärvergasungs-Feinstäu- ben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) auf werte unterhalb der kritischen A- schesintergrenzen abgesenkt werden.
Zur Erfindung gehört auch ein Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthese-, Reduktionsund/oder Brenngasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln, die Wasserdampf und ggfs. CO2 als endotherm reagierende Vergasungsmittel enthalten, bei erhöhten Drücken unter Anwendung der Wirbelschichtvergasung (Primärvergasung), mit einem Nachoxidations-Festbettvergaser (a) mit einem Druckbehälter mit einem Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) zur Aufnahme eines Wanderbettes (a22), mit einem Drehrost (a21 ) mit Zuführung für Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) und mit einem Ascheaustrag (a1 ) am Boden des Nachoxidations-Festbettvergasers (a), mit einem Primärver- gasungs-Wirbelschichtvergaser (b) mit einem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) mit einer Zone für die Zentralfluidisierung (b1 12), mit einem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2), mit einem Rohgasabgang (b4) am Kopf (1 ) des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b), mit einem mehrteiligen Primärvergasungs-Vergasungsmitteleintrag (b14), und mit mehreren Vergasungsstoffeinträgen (b13) und mit einer Verbindung zwischen Nachoxidations-Festbett- vergaser (a) und Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) als direkte Verbindung oder Verbindung über ein Konnektorrohr (c) zur druckdichten und unterbrechungsfreien Verbindung der Reaktionsräume von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations- Festbettvergaser (a), wobei die Verbindung zwischen Primärvergasungs-Wirbelschichtverga- ser (b) und Nachoxidations-Festbettvergaser (a) einen gegenüber den Reaktionsräumen von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergasers (a) kleineren Querschnitt aufweist, wobei die Vergasungsstoffeinträge (b13) als Schrägrohreinträge am Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) so angeordnet und ausgestaltet sind, dass die Vergasungsstoffe (25) in den Randbereich des Primärvergasungs-Reaktionsraumes (b1 ) eingetragen werden, wobei der mehrteilige Primärvergasungs-Vergasungsmitteleintrag (b14) mehrere über den Umfang in mindestens einer Ebene, am unteren Ende des Primärverga- sungs-Wirbelschichtvergasers (b) gleichverteilte, abwärts geneigte und auf die Primärvergasung-Vergaserachse in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) ausgerichtete Primärverga- sungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) aufweist, und wobei der Primärvergasungs- Vergasungsmitteleintrag (b14) mit den Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) so ausgestaltet ist, dass die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) so eingedüst werden und die Primärvergasungsmittel-Düsenstrahlen mit Strömungsimpulsen versehen sind, dass sie die gegenüberliegenden Wände des Primärvergasers (b) nicht berühren, und die Primärverga- sungsmittel-Düsenstrahlen in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen, sie jedoch nicht durchdringen, und in Verbindung mit den aus dem Nachoxidations-Wanderbett (a22) aufsteigenden Gasen zur Ausbildung einer Sprudelschichtvergasung ausgehend von der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) führen.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors besteht darin, dass am Nachoxidations-Gasdom (a23) des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) zusätzlich Zuführungen in Form von Nachoxidations-Prozessstoff-Düsen (9) für Nachoxidations-Prozess- stoffe (35) angeordnet sind.
Bei Verbindung des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) und des Nachoxidations- Festbettvergasers (a) über das Konnektorrohr (c) mündet dessen oberes Ende nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors bündig im Boden des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) und dessen unteres Ende bündig oder nicht bündig im Nachoxidations-Gasdom (a23) des Nachoxidations-Festbettvergasers (a), wobei die Kontur des Konnektorrohres (c) der eines Zylinders oder eines sich zum oberen Ende und/oder zum unteren Ende hin erweiternden Rohres entspricht, und wobei die Länge des Konnektorrohres (c) mindestens so groß wie dessen mittlerer Durchmesser ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors weist der Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) oberhalb des Sekundärvergasungs- Reaktionsraumes (b2) einen Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) auf, in den Quenchdüsen (12) zur Eindüsung von Quenchwasser (22) hineinreichen.
Der Reaktionsraum (b1 ) des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) steht direkt oder über ein Konnektorrohr (c) mit dem Reaktionsraum (a2) des Nachoxidations-Festbettverga- sers (a) unterbrechungsfrei in Verbindung. Beide bilden einen gemeinsamen Druckraum, wobei die Verbindung zwischen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxida- tions-Festbettvergaser (a) gegenüber den Reaktionsräumen von Primärvergasungs-Wirbel- schichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergaser (a) einen kleineren Querschnitt aufweist.
Direkter Anschluss heißt, dass der untere Teil des Bodens des Primärvergasungs-Wirbel- schichtvergasers (b) und der Nachoxidations-Gasdom (a23) des Nachoxidations-Festbettver- gasers (a) so verbunden sind, dass die Reaktionsräume des Primärvergasungs-Wirbelschicht- vergasers (b) und des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) unterbrechungsfrei in Verbindung stehen.
Direkter Anschluss heißt auch, dass die das Nachoxidations-Wanderbett (a22) bildenden Pri- märvergasungs-Bodenprodukte (30) von oben aus dem Primärvergasungs-Wirbelschichtver- gaser (b) durch die Verbindung in das Nachoxidations-Wanderbett (a22) fallen können.
Die Primärvergasung der eingetragenen festen Vergasungsstoffe (25) wird mit primären Vergasungsmitteln (Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27)) in der Wirbelschicht oder in der Sprudelschicht durchgeführt. Unterhalb der Primärvergasung ist eine Nachoxidations-Verga- sung in einem Nachoxidations-Wanderbett (a22) angeordnet, in der die aus der Primärvergasung abgezogenen C-haltigen Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) mit Nachoxidations- Vergasungsmitteln (36) im Gegenstrom vergast und nachoxidiert werden (Nachoxidation), wobei die gebildeten Nachoxidations-Bodenprodukte (39) als deponiefähige Aschen unterseits des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) und die gebildeten Nachoxidations-Rohgase (38) nach oben in die Primärvergasung abgezogen werden.
Oberhalb der Primärvergasung sind nacheinander ein Gasberuhigungsraum, ein Rohgasabgang (b4) und ein oder mehrere Heißgaszyklone zur Abscheidung und Rückführung der mit den Rohgasen ausgetragenen C-haltigen Stäube in die Primärvergasung angeordnet.
Die die Heißgaszyklone(n) verlassenden und mit C-haltigen Feinstäuben beladenen Rohgase werden einer nassen oder trockenen Totalentstaubung unterzogen, und die abgeschiedenen C-haltigen Feinstäube teilweise oder vollständig in die Primärvergasung zurückgeführt oder teilweise oder vollständig in einer Feuerung nachverbrannt.
Der Vergasungsreaktor (v) mit einem Vergasungs-Reaktionsraum (vi ) umfasst von unten nach oben einen Nachoxidations-Festbettvergaser (a) mit einem Ascheaustrag (a1 ) am Boden des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) und mit einem Nachoxidations-Reaktionsraum (a2), eine direkte Verbindung oder Verbindung mittels eines Konnektorrohres (c) mit einem Verbin- dungs-Reaktionsraum, und einen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) mit einem Pri- märvergasungs-Reaktionsraum (b1 ), mit einem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2), im Bedarfsfall mit einem Quenchzonen-Reaktionsraum (b3), und mit einem Rohgasabgang (b4) am Kopf (1 ) des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b).
Der Vergasungs-Reaktionsraum (vi ) bildet einen unterbrechungsfrei zusammenhängenden Reaktionsraum, bei dem der Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) mit dem Primärvergasungs- Reaktionsraum (b1 ) durch den Verbindungs-Reaktionsraum miteinander verbunden ist und der vom Ascheaustrag (a1 ) bis zum Rohgasabgang (b4) reicht, wobei im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) im Nachoxidations-Wanderbett (a22) das Reaktorprinzip der Festbettvergasung, im Verbindungs-Reaktionsraum überwiegend das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung und im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) das Reaktorprinzip der zentral- fluidisierten Sprudelschichtvergasung, übergehend in das der Strahlwirbelschichtvergasung, im Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) das Reaktorprinzip der Wirbelschichtvergasung und in dem im Bedarfsfall vorzusehenden Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) das Reaktorprinzip der Wirbelschichtvergasung übergehend in das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung angewendet werden.
Der Nachoxidations-Festbettvergaser (a) umfasst von unten nach oben einen Ascheaustrag (a1 ), einen Nachoxidations-Reaktionsraum (a2), einen Drehrost (a21 ), ein Nachoxidations-Wanderbett (a22), ein Nachoxidations-Gasdom (a23), mindestens einen Nachoxida- tions-Prozessstoff-Eintrag (a24) und einen zentralen oberen Nachoxidations-Gas- abgang (a25).
Der Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) weist einen sich mit einem Konuswinkel von 25- 40° konisch nach oben hin erweiternden Boden des Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) auf, der in einen zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) übergeht und mit mindestens einem Vergasungsstoff-Eintrag (b13), mindestens einem Primärvergasungs-Verga- sungsmittel-Eintrag (b14) und bei Bedarf mit mindestens einem Primärvergasungs-Prozess- stoff-Eintrag (b15) ausgestattet ist.
Der Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 1 ) wird nach unten von einem zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) der Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) begrenzt, über den sich zentral eine Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) erstreckt, wobei der Sekundärvergasungs-Reakti- onsraum (b2) den Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) bis zu dem im Bedarfsfall vorzusehenden Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) oder bis zum Rohgasabgang (b4) am Kopf (1 ) des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) fortsetzt.
Der im Bedarfsfall vorzusehende Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) setzt den Sekundärver- gasungs-Reaktionsraums (b2) fort und weist einen unteren Quenchbereich (b31 ) mit mindestens einer Quenchdüse oder mindestens einer Quenchdüsenebene (b31 1 ) und einem oberen Vergleichmäßigungsbereich (b32) auf, der bis zum Rohgasabgang (b4) am Kopf (1 ) des Pri- märvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) reicht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Vergasungsreaktors sind die Reaktionsräume des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) und des Nachvoxidations-Festbettvergasers (a) mittels eines Konnektorrohrs (c) verbunden, das einen zylindrischen oder sich im Durchmesser nach oben hin stetig, konisch leicht erweiternden oder nach unten hin stetig konisch oder stufenförmig leicht erweiternden Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) aufweist und dessen Verhältnis von Länge zu mittlerem, lichten Durchmesser in den für die apparatetechnische Ausführung erforderlichen Bereichen variiert werden kann. Dieses Konnektorrohr (c) verbindet den zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) unterbrechungsfrei mit dem zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 ) und umfasst bei Bedarf einen Konnektorrohr-Prozessstoff-Eintrag.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich an den Rohgasabgang eine direkte oder indirekte Kühlung der mit Feinstäuben beladenen Rohgase, eine Abscheidung der Feinstäube und eine Bereitstellung der gekühlten, abgetrennten nassen oder trockenen Feinstäube an. Die abgetrennten Feinstäube werden als Primärvergasungs-Prozess- stoffe (26) in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) zurückgeführt.
Bei Verbindung mit einem Konnektorrohr (c) werden in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) seitlich über die Vergasungsstoff-Einträge (b13) die festen C-haltigen Vergasungsstoffe (25), seitlich und/oder zentral über die Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Ein- träge (b14) die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27), von oben nach unten aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) rezirkulierende Sekundärvergasungs-Fein- stäube (40), von unten nach oben aus dem Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) die mit Konnektor- rohr-Stäuben (32) beladenen Konnektorrohr-Rohgase (33) und bei Bedarf seitlich über die Pri- märvergasungs-Prozessstoff-Einträge (b15) Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) eingebracht.
Aus dem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) werden von oben nach unten über den Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) und von unten nach oben aus dem zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) die mit Primärverga- sungs-Stäuben (28) beladenen Primärvergasungs-Rohgase (29) ausgebracht, wobei die festen Vergasungsstoffe (25) auf Höhen eingetragen werden, die zwischen dem oberen Bereich des sich konisch erweiternden Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) und dem unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) liegen, wobei die Primärver- gasungs-Vergasungsmittel (27) auf Höhen eingedüst werden, die mindestens in der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) liegen und die bis zum unteren Bereich des zylindrischen Primär- vergasungs-Reaktionsraums (b12) liegen können, und wobei die Primärvergasungs-Prozess- stoffe (26) auf allen Höhen direkt in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) oder über die Vergasungsstoff-Einträge (b13) eingetragen werden können.
In den Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) werden von unten nach oben aus dem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) die mit Primärvergasungs-Stäuben (28) beladenen Primärvergasungs-Rohgase (29) und von oben nach unten aus dem im Bedarfsfall vorzusehenden Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) rezirkulierende Quenchzonen-Feinstäube (42) eingetragen und aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) von oben nach unten rezirkulierende Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) ausgetragen und von unten nach oben die mit Sekundärvergasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) abgezogen, die im Falle eines nicht vorgesehenen Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) die von unten aufsteigenden seitlich über den Rohgasabgang (b4) abgezogenen, mit Feinstäuben (20) beladenen Rohgase (21 ) darstellen.
In den im Bedarfsfall vorzusehenden Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) werden nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens über den Quenchbe- reich (b31 ) von unten nach oben die mit Sekundärvergasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) und von oben nach unten, aber auch von unten nach oben, oder vom Rand in die Mitte, aber auch von der Mitte zum Rand, über die Quenchdü- senebene (b31 1 ) Quenchflüssigkeiten, vorzugsweise Quenchwässer (22), eingedüst und aus dem Vergleichmäßigungsbereich (b32) des Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) von unten seitlich über den Rohgasabgang (b4) die mit Feinstäuben (20) beladenen, gequenchten und abgekühlten Rohgase (21 ) abgezogen und von oben nach unten aus dem Quenchzonen-Re- aktionsraum (b3) Quenchzonen-Feinstäube (42) ausgetragen.
Bei Verbindung mit einem Konnektorrohr (c) werden in den Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) von oben nach unten über den zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) die Primärvergasungs- Bodenprodukte (30) und von unten nach oben über den zentralen oberen Nachoxidations- Gasabgang (a25) die mit Nachoxidations-Stäuben (37) beladenen Nachoxidations-Roh- gase (38) eingetragen und aus dem Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) von oben nach unten die Konnektorrohr-Bodenprodukte (34) und von unten nach oben die mit Konnektorrohr-Stäu- ben (32) beladenen Konnektorrohr-Rohgase (33) abgezogen. In den Konnektorrohr-Reakti- onsraum (c1 ) können bei Bedarf über einen Konnektorrohr-Prozessstoff-Eintrag von oben nach unten oder von unten nach oben Konnektorrohr-Prozessstoffe eingetragen werden.
In den Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) werden von oben nach unten über den zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) Konnektorrohr-Bodenprodukte (34), unter Ausbildung des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) mit einer oberen Begrenzung in Form eines Nachoxidations-Schüttkegels (1 1 ) und darüber eines Nachoxidations-Gasdoms (a23), und bei Bedarf über einen Nachoxidations-Prozessstoff-Eintrag (a24) Nachoxidations-Prozess- stoffe (35) in den Nachoxidations-Gasdom (a23) eingedüst und über den Drehrost (a21 ) von unten nach oben die Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) eingebracht.
Aus dem Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) werden über den zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) von unten nach oben die mit Nachoxidations-Stäuben (37) beladenen Nachoxidations-Rohgase (38) und von oben nach unten über den Ascheaustrag (a1 ) die gekühlten Nachoxidations-Bodenprodukte (39) als C-freie Aschen, abgezogen.
Über die Vergasungsstoff-Einträge (b13) werden staubförmige bis feinkörnige, C-haltige Vergasungsstoffe (25) mit Korngrößen entsprechend < ca. 0,5 mm bis < ca. 2 mm und bei Bedarf Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) eingetragen.
Die Mengen und die Zusammensetzungen der Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) können so eingestellt werden, dass aus dem Rohgasabgang (b4) Rohgase mit den gewünschten Gasqualitäten und Feinstäube abgezogen werden können, die entweder vollständig vergast sind, d.h. einen deponiefähigen, geringen Kohlenstoffgehalt aufweisen, oder deren Kohlenstoffgehalte gezielt höhere Werte bis ca. 50 Ma.-% aufweisen.
Die Mengen und die Zusammensetzungen der Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) werden so eingestellt, dass über den Ascheaustrag (a1 ) abgekühlte, Kohlenstoff-freie, nicht geschmolzene, gesinterte oder höchstens partiell geschmolzene Aschen abgezogen werden, wobei die Zusammensetzungen der Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) so eingestellt werden, dass es nicht zu betriebsstörenden Schlackebildungen im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) kommt, und wobei die Mengen der Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) so begrenzt werden, dass es nicht zu nichtregulären, kanalartigen Durchströmungen des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) kommt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden 70 - 95 % des Sauerstoffs der insgesamt zugeführten Vergasungsmittel als Primärvergasungs-Sauer- stoff mit den Primärvergasungs-Vergasungsmitteln (27) und 30 - 5 % als Nachoxidations-Sau- erstoff mit den Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) eingebracht.
Der Querschnitt des zylindrischen Teils des Nachoxidations-Reaktionsraums (a2) und die Höhe des Nachoxidations-Wanderbetts (a22), gemessen von der Oberkante des Dreh- rosts (a21 ) bis zum zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25), sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so bemessen, dass 60 - 90 % der mit den festen Ölhaltigen Vergasungsstoffen (25) eingebrachten Aschen über den Ascheaustrag (a1 ) abgezogen werden.
Die Leerrohr-Geschwindigkeiten der aus dem zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) austretenden Nachoxidations-Rohgase (38), bezogen auf den freien Querschnitt des zentralen Bodenprodukt-Abzugs (b1 1 1 ), weisen vorteilhaft Werte auf, die weit über den Wirbelpunkt-Geschwindigkeiten, d.h. bei für schnelle Wirbelschichten bis hin zu zirkulierenden Wirbelschichten typischen Geschwindigkeiten, liegen, und so bemessen sind, dass die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) mindestens bis zur Höhe der untersten Primärvergasungs-Ver- gasungsmittel-Einträge (b14) reicht, wobei deren Vergasungsmittel-Düsenstrahlen in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Länge des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) mindestens so bemessen, dass sich der Sauerstoff der eingedüsten Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) chemisch vollständig umgesetzt hat, bevor die Primärvergasungs-Rohgase (29) in den Sekundärvergasungs-Reaktions- raum (b2) eintreten.
Der Querschnitt des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) und des Sekun- därvergasungs-Reaktionsraums (b2) sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so bemessen, dass sich mittlere Strömungsgeschwindigkeiten der aus dem Sekundär- vergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen und mit Sekundärvergasungs- Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) einstellen, die denen der Sinkgeschwindigkeiten der Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) mit vorgegebenen Aus- trags-Korndurchmessern im Bereich bis 0,1 mm entsprechen.
Vorteilhaft wird die Länge des Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2), unter Einbeziehung von mindestens Vergasungsdruck, Vergasungstemperatur am oberen Ende des Sekundärver- gasungs-Reaktionsraums (b2) und Reaktionsfähigkeit der Sekundärvergasungs-Fein- stäube (23), so bemessen, dass mindestens eine ausreichend lange Zeit zur Einstellung der Werte für die Kohlenstoffgehalte der Quenchzonen-Feinstäube (41 ) bzw. der Feinstäube (20) eingestellt wird.
Ein Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) wird dann vorgesehen, wenn der Sekundärverga- sungs-Reaktionsraums (b2) auf eine Höhe unterhalb des Rohgasabgangs (b4) zu begrenzen ist, um die Kohlenstoff-verbrauchenden, endothermen Vergasungsreaktionen bei den gewünschten Werten für die Kohlenstoffgehalte der Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) im Bereich bis ca. 50 Ma.-% einzufrieren, und/oder wenn die Temperaturen der mit Sekundärver- gasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) auf Werte unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen abgesenkt werden sollen.
Eine Temperaturabsenkung im Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) auf werte unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen im Quenchbereich (b31 ) wird derart vorgenommen, dass die Quenchung mittels mehrerer Quenchdüsen (12) in mindestens einer Quenchdü- senebene (b31 1 ), die eine vorzugsweise wandnahe oder eine über den Querschnitt gleichmäßige Quenchung vornehmen, soweit abgeschlossen ist, dass mindestens eine Abkühlung der wandnahen Quenchzonen-Feinstäube (42) auf Temperaturen unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen erfolgt, so dass es nicht zu betriebsstörenden Anbackungen oder Ablagerungen an den Innenwänden des Vergasungsreaktors (v) bis einschließlich des Rohgasabgangs (b4) kommen kann, wobei der sich anschließende Vergleichmäßigungsbereich (b32) soweit erstreckt, dass die Vergleichmäßigung der Temperaturen unterhalb der kritischen A- schesintergrenzen mindestens bis zum Rohgasabgang (b4) abgeschlossen ist.
Vorteilhaft werden die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) mittels der Primärverga- sungs-Vergasungsmittel-Einträge (b14), die Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) aufweisen, auf mindestens einer und höchstens drei Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Dü- senebenen (3), die jeweils mindestens drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Primär- vergasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) enthalten, deren Vergasungsmittel-Düsenstrahlen mit Winkeln von -30° bis +30° gegen die Horizontale und auf die Vergaserachse oder mit Winkeln von < 30° von der Vergaserachse weg gerichtet sind, eingedüst. Dabei sind die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen mit solchen Strömungsimpulsen versehen, dass sie die gegenüberliegenden Wände nicht berühren, und dass die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen der mindestens untersten Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebenen (6) in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen, sie jedoch nicht durchdringen. Die Vergasungsmittel- Düsenstrahlen der obersten Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene (7) reichen nicht wesentlich über die Höhe hinaus, die den Übergang vom konischen Primärvergasungs- Reaktionsraum (b1 1 ) in einen zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) markiert.
Die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) können zusätzlich zur oder anstelle der untersten der Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebenen (6) über eine zentrale Primärver- gasungs-Vergasungsmittel-Düse, die auf der Vergaserachse in der Höhe oder oberhalb des zentralen Bodenprodukt-Abzugs (b1 1 1 ) im unteren Bereich der Zone der Zentralfluidisie- rung (b1 12) angeordnet ist, vertikal nach oben eingedüst werden.
Die festen Vergasungsstoffe (25) werden seitlich über die Vergasungsstoff-Einträge (b13) gra- vimetrisch mittels Schrägrohren und/oder mechanisch mittels Förderschnecken und/oder pneumatisch oder hydraulisch mittels Rohrleitungen eingetragen, wobei ein oder mehrere über den Umfang verteilte Einträge vorgesehen sind und wobei die Einträge über die Schrägrohre kurz oberhalb der Höhe des Beginns des konischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) liegen.
Mittels der Prozessstoff-Einträge (a24), (b15) und des Prozessstoff-Eintrages des Konnektor- rohres (c), die aus Rohren oder Düsen bestehen, können zu vergasende oder thermisch zu behandelnde, gasförmige, flüssige oder feste Prozessstoffe oder Gemischen daraus in die Reaktionsräume (a2), (b1 ) oder (c1 ) eingebracht oder eingedüst werden, wobei gasförmige und flüssige Prozessstoffe vorzugsweise in die Reaktionsräume der Primärvergasung (b1 ) und des Konnektorrohres (c1 ) und feste Prozessstoffe, wie die abgetrennten trockenen oder nassen Feinstäube, vorzugsweise in den Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) eingebracht oder eingedüst werden.
Die Mengen der in den Nachoxidations-Gasdom (a23) eingedüsten gasförmigen und/oderflüssigen Nachoxidations-Prozessstoffe (35) werden so eingestellt, dass die Leerrohr-Geschwindigkeiten der aus dem zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) austretenden Nachoxidations- Rohgase im gewünschten Maße erhöht werden, wobei vorzugsweise die endotherm reagierenden Vergasungsmittel Wasserdampf/verdampfendes Wasser und/oder CO2 zum Einsatz kommen.
Vorteilhaft wird nahezu die gesamte Menge der insgesamt zugeführten, endotherm reagierenden Vergasungsmittel Wasserdampf und ggfs. CO2 mit den Nachoxidations-Vergasungsmit- teln (36) eingebracht und den Primärvergasungs-Vergasungsmitteln (27) mindestens so viel endotherm reagierende Vergasungsmittel zugemischt, dass eine Spülfunktion bei Sauerstoff- Unterbrechung gewährleistet ist. In der erfindungsgemäßen Weise führt die Kopplung der fünf verschiedenen Reaktorprinzipien der Festbettvergasung, der Flugstromvergasung, der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung, der Strahlwirbelschichtvergasung und der Wirbelschichtvergasung zu einem neuen Vergasungsreaktor, der die Prinzipien auf neue Art und Weise so miteinander verbindet, dass sich deren Nachteile in Vorteile verwandeln.
Zum Ersten betrifft das die Ankopplung der Festbettvergasung an den Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung über eine direkte Verbindung o- der eine Verbindung mittels des Konnektorrohrs (c).
Die Nachteile der Festbettvergasung, das sind in diesem Zusammenhang der hohe Über- schuss des endotherm reagierenden Vergasungsmittels Wasserdampf im Vergasungsmittel und der geringe Reaktionsumsatz des Wasserdampfs, heben die Nachteile des Bodenproduktabzugs der Wirbelschichtvergasung, das sind in diesem Zusammenhang die aufwendige Bodenprodukt-Kühlung, der hohe C-Gehalt der Bodenprodukte und die mit zunehmendem Prozessdruck nicht mehr sinnvoll realisierbare hohe Gaseinspeisung oder Gasrezirkulation für die Basisfluidisierung, auf.
In der erfindungsgemäßen Weise wird durch die Kopplung erstmals eine Anhebung des Prozessdrucks der Sprudelschicht- oder der Wirbelschichtvergasung auf hohe Prozessdrücke > 60 bar ohne Zusatzaufwand für die Basisfluidisierung möglich. Die nach dem Stand der Technik notwendige Einspeisung oder Rezirkulation großer Mengen kalter Gase und deren Wie- deraufheizung entfallen. Die minderwertigen, aufgeheizten Nachoxidations-Vergasungsgase mit typischen Wasserdampfgehalten von 60 bis 80 Vol.-% stellen hochwertige Vergasungsmittel für die Vergasung im Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) dar. Die Vorteilsnutzung wird durch die Verbindung am Übergang von der Festbett- zur zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung unter Anwendung des Konnektorrohrs (c) möglich.
Die zentrale Position der direkten Verbindung oder Verbindung über das Konnektorrohr (c) hebt einen weiteren Nachteil der Festbettvergasung, den seitlichen Gasabgang, auf und ermöglicht dadurch eine über die gesamte Betthöhe symmetrische Durchströmung des Nachoxi- dations-Wanderbetts (a22).
Durch die Ankopplung der Festbettvergasung an den Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) mittels des Konnektorrohres (c) und die Ausbildung einer Zone intensiver Zentralfluidisierung (b1 12), die von einer Sprudelschichtvergasung umgeben ist, wird ein neues Vergasungsprinzip einer intensiv vermischten Sprudelschichtvergasung geschaffen, hier als zentral fluidisierte Sprudelschichtvergasung bezeichnet. Ein wichtiges Merkmal der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung ist der große Abstand der gegenüberliegenden Vergaserinnenwände an der unteren, engsten Stelle des Bodenprodukt-Abzugs (b1 1 1 ), an der die Zentralfluidisierung beginnt. Dementsprechend können hohe Mengen von Primärvergasungs-Vergasungsmit- teln (27) in geringen vertikalen Abständen zum Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) mittels der Pri- märvergasungs-Vergasungsmittel-Einträge (b14) mit nur wenigen Primärvergasungs- Vergasungsmittel-Düsen (4) seitlich eingedüst werden, ohne das die gegenüberliegenden Wände berührt werden. Die bereits starke Zentralfluidisierung (b1 12) am Boden des Vergasungsreaktors wird durch die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen, die in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen, noch verstärkt.
Der Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 1 ) kann deshalb mit einen wesentlich stärkeren Konuswinkel des Primärreaktionsraums von 25 - 40° gegenüber der klassischen Wirbelschichtvergasung von < 25° ausgestattet werden. Die nach oben gerichtete Zentralfluidisierung (b1 12) kann vorteilhaft mit einer vertikal nach oben gerichteten Eindüsung von Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) über eine zentrale Primärvergasungs-Vergasungs- mittel-Düse, die sich auf der Vergaserachse in der Höhe oder oberhalb des zentralen Bodenprodukt-Abzugs (b1 1 1 ) im unteren Bereich der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) befindet, kombiniert werden. Mit dieser zentralen Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düse können theoretisch die gesamten Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) eingetragen werden, wobei sich ein weit nach oben erstreckender, zentraler Vergasungsmittel-Düsenstrahl ausbildet, der die Höhe des Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 ) verlängert. Zur Verringerung der Höhe des Vergasungsreaktors ist es deshalb von Vorteil, wenn zusätzlich oder anstelle der Mono-Eindüsung über die zentrale Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düse die seitliche Eindüsung von Primärvergasungs-Vergasungsmitteln (27) über mindestens eine Primärverga- sungs-Vergasungsmittel-Düsenebene erfolgt. Die konzentrierte, seitliche Eindüsung ist deshalb besonders vorteilhaft, da die starke, bodennahe Fluidisierung mit ihren hohen Wärme- und Stoffübergängen höchste Energiedichten für die stark exothermen chemischen Reaktionen des Sauerstoffs durch Partialoxidation ermöglicht, wodurch die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen der obersten Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene (7) auf eine Höhe begrenzt werden können, die den Übergang vom konischen Primärvergasungs- Reaktionsraum (b1 1 ) in den zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) markiert. Angepasst an die stofflichen und Prozessbedingungen, bei denen die Vergasung durchgeführt werden soll, sind eine bis drei Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebenen anzuwenden, wobei eine Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene aus Symmetriegründen mindestens drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Primärvergasungs-Vergasungsmittel- Düsen (4) umfasst, deren Vergasungsmittel-Düsenstrahlen mit Winkeln von - 30° bis +30° gegen die Horizontale und auf die Vergaserachse hin oder mit Winkeln von < 30° von der Vergaserachse weg ausgerichtet sind. Vorzugsweise werden mit 10 - 20° abwärtsgerichtete und zentral auf die Vergaserachse ausgerichtete Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Dü- sen (4) eingesetzt. Von der Vergaserachse weggerichtete Vergasungsmittel-Düsenstrahlen werden zur besseren Ausnutzung des Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) durch eine aufgeprägte Drallströmung vorzugsweise bei den höheren Primärvergasungs-Vergasungsmit- tel-Düsenebenen angewendet.
Die zentral fluidisierte Sprudelschichtvergasung beseitigt einen entscheidenden Nachteil der bisherigen Wirbelschicht- oder der Sprudelschichtvergasung, der darin besteht, dass eine starke Einschnürung des zylindrischen Vergaserraums hin zu einem engen Bodenprodukt- Abzug notwendig ist. Bei der klassischen Wirbelschicht wird dies durch einen langgezogenen, sich konisch verengenden Reaktionsraum realisiert, der eine unnötige Verlängerung des Reaktionsraums des Wirbelschichtvergasers bedingt und der mittels vieler, über die Höhe gestufter Vergasungsmittel-Düsenebenen fluidisiert werden muss. Bei der Sprudelschichtvergasung nach dem Stand der Technik ist ein hoher Fluidisierungsaufwand über den gesamten (Sieb-)Boden des Sprudelschichtvergasers erforderlich.
Zum Zweiten werden die bisher nicht überwindbaren Limitierungen der Vergasungstemperaturen der Wirbelschicht- oder Sprudelschichtvergasung und der Flugstromvergasung aufgehoben. Die bisherige Wirbelschicht- oder die Sprudelschichtvergasung arbeitet bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Ascheschmelzpunktes, weshalb trotz Anwendung eines Rückführzyklons keine vollständigen C-Umsätze erreicht werden können und die Rohgase hohe Anteile unerwünschter Gaskomponenten und Spurenstoffe enthalten. Demgegenüber werden bei der Flugstromvergasung vollständige C-Umsätze und hochwertige Rohgase erreicht, jedoch bei den zur Verfügung stehenden kurzen Verweilzeiten im Vergaser nur unter Anwendung hoher Vergasertemperaturen oberhalb der Aschefließtemperaturen. Die Nachteile der getrennt betriebenen Reaktorprinzipien werden durch die Kombination und Übereinander-An- ordnung der Reaktorprinzipen in Verbindung mit dem Einsatz der festen Vergasungsstoffe in einer speziellen Körnung, die im Bereich von 0 - 0,1 mm bis ca. 0 - 2 mm liegt, überwunden. Durch die Übereinander-Anordnung der Reaktorprinzipien der Festbettvergasung, der Flugstromvergasung, der zentral fluidisierten Sprudelschicht-Vergasung und der Wirbelschichtvergasung können die Vergasungstemperaturen auf für Wirbelschicht- und Sprudelschichtvergasung untypisch hohe Werte und auf für Flugstromvergasung untypisch niedrige Werte verschoben werden. Beispielsweise können für Braunkohlen erstmals die Vergasungstemperaturen am oberen Ende des Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2) auf 1 .100 °C und darüber angehoben und damit näher an den Schmelzpunkt von z.B. 1.250 °C herangerückt werden, wobei in den Vergasungsmittel-Strahlen lokal Vergasungstemperaturen deutlich oberhalb des Fließpunktes von ca. 1 .400 °C herrschen. Die Anwendung sehr hoher Temperaturen in der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) und untypisch hoher Temperaturen in der Wirbelschichtvergasung im Sekundärvergasungs- Reaktionsraum (b2) ermöglicht die Anwendung hoher Drücke bis 60 bar und darüber, wodurch erstmals die für Synthesegase geforderten Gasqualitäten, beispielsweise niedrige Methangehalte kleiner ö Vol. -% bei einem Druck von 60 bar und darüber, erreicht werden. Mit der Druckerhöhung geht bei gleicher Leistung eine Verringerung der Gasgeschwindigkeiten, d.h. eine Erhöhung der Verweilzeit, sowie eine Erhöhung der Partialdrücke der endotherm reagierenden Vergasungsmittel Wasserdampf und Kohlendioxid einher. Damit steigt die Reaktionsgeschwindigkeit der endothermen Vergasungsprozesse, so dass für den vollständigen bzw. den gewünschten Kohlenstoff-Umsatz nur geringe Verweilzeiten im Sekundärvergasungs-Reakti- onsraum (b2) von wenigen Sekunden ausreichend sind.
Die spezielle Körnung der festen Vergasungsstoffe im Bereich von 0 - 0,1 mm bis ca. 0 - 2 mm, die zwischen den für die Flugstromvergasung und den für die Wirbelschichtvergasung typischen Werten von < 0,1 mm und < 4 - 6 mm liegt, ist einerseits optimal für die zentral fluidisierte Sprudelschichtvergasung und andererseits für die finale Vergasung unter den Bedingungen der Wirbelschichtvergasung im Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2). In der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung sind Korngrößen oberhalb der Staubkörnung > 0,1 mm erforderlich, um einen zu starken Austrag aus dem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 1 ) zu vermeiden, andererseits wären die für die Wirbelschichtvergasung typischen Werten < 4 - 6 mm zu grob, um bei den angestrebten hohen, auf den Querschnitt bezogenen Vergaserleistungen in wenigen Sekunden die vollständigen bis gewünschten Kohlenstoff-Umsätze der Sekundärvergasungs-Feinstäube mit Kohlenstoffgehalten im Bereich bis ca. 50 Ma.- % zu erreichen.
Im Folgenden werden die Reaktorprinzipien in den verschiedenen Reaktionsräumen auf dem Weg der Feststoffe, zunächst nach unten bis zum Ascheaustrag (a1 ) und dann nach oben bis zum Rohgasabgang (b4), kurz erläutert werden. Die festen Vergasungsstoffe (25) und ggfs. die Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) werden über die Vergasungsstoff-Einträge (b13) wandnah in den sich konisch nach oben hin erweiternden Primärvergasungs-Reaktions- raum (b1 1 ) eingebracht. Sie werden auf Höhen eingetragen, die zwischen dem oberen Bereich des sich konisch erweiternden Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) und dem unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) liegen. Als Vergasungsstoff- Einträge (b13) kommen Schrägrohre für den Schwerkrafteintrag und/oder Förderschnecken für den mechanischen Eintrag und/oder Rohrleitungen für den pneumatischen oder hydraulischen Eintrag in Frage, wobei der Höhe des Eintrags über die Schrägrohre kurz oberhalb der Höhe des Beginns des konischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) liegt.
Die festen Vergasungsstoffe (25) werden von der wandnahen Abwärtsströmung durch Schwerkraft überwiegend in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) transportiert. Von hier wird der größte Teil der Feststoffe nach oben transportiert und reagiert bei örtlich sehr hohen Temperaturen bis > 2.000 °C mit den seitlich und/oder zentral eingedüsten Primärvergasungs- Vergasungsmitteln (27). Dabei verringern sich die Korngrößen der kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffe (25) und die freigesetzten Aschen schmelzen und agglomerieren unter Bildung von Schmelzagglomeraten. Im gesamten Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 1 ) herrschen so intensive Wärme- und Stoffübertragungsbedingungen, dass die eintretenden festen Vergasungsstoffe (25) und ggfs. die Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) auf kürzester Wegstrecke vermischt und aufgeheizt und die durch die Oxidationsreaktionen aufgeheizten Vergasungsstoffe und schmelzflüssigen Aschen oder Schmelzagglomerate ebenso schnell wieder abkühlen und erstarren. Die extreme Fluidisierung in der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) wird durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten der aus dem Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) nach oben strömenden Rohgase, die weit über den Wirbelpunkt-Geschwindigkeiten, d.h. bei für schnelle Wirbelschichten bis hin zu zirkulierenden Wirbelschichten typischen Geschwindigkeiten, liegen, erreicht. Sie wird unterstützt durch die Eindüsung der Primärvergasungs-Verga- sungsmittel (27), die auf die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) gerichtet ist, und verlängert diese nach oben. Die Höhe der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) erreicht - ohne diese Verlängerung - das mindestens Doppelte bis Fünffache des Durchmessers des Bodenprodukt- Abzugs (b1 1 1 ). Obwohl im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 1 ) infolge der stark dominierenden, exothermen Reaktionen der Partialoxidation die höchsten Energiedichten auftreten, wird durch die hohen Kohlenstoff-Konzentrationen der zirkulierenden Feststoffe permanent sichergestellt, dass die Vergaserwände frei von Anbackungen von Aschen oder Schlacken bleiben oder Verschlackungen in den Strömungen der Sprudelschichtvergasung eintreten. Die Zirkulationsströmung der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung um die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) ist so stark, dass eine starke konische Erweiterung des Bodens des Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) bis zum zylindrischen Primärvergasungs-Reaktions- raum (b12) mit Konuswinkeln von 25-40 ° möglich ist, ohne dass der Boden mit zusätzlichen Gaszuführungen fluidisiert werden muss.
Ein Teil der Feststoffe, das sind die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30), sinken im Gegenstrom zu den Rohgasen, die nach oben ausströmen und eine Sichterwirkung entfalten, durch den zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) in den Verbindungs- bzw. Konnektorrohr-Reakti- onsraum (c1 ). Die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) bestehen überwiegend aus gröberen und schwereren, aschereichen Partikeln einschließlich der entstandenen Ascheagglomerate, wobei deren Korngrößen bis zu 10 mm reichen können. Da die Temperaturen der Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) normalerweise deutlich höher sind als die der entgegen strömenden Nachoxidations-Rohgase (38), finden im Konnektor-Reaktionsraum (c1 ) unter Abkühlung der Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) endotherme Vergasungsreaktionen statt, d.h. die Kohlenstoffgehalte der nach unten austretenden Konnektorrohr-Bodenpro- dukte (34) sind etwas niedriger als die der von oben eintretenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (30). Die Strömungszustände im Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) können zwischen einer kanalartigen Wanderbett-Durchströmung und einer pneumatischen Förderung wechseln oder sich überlagern, wobei das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung dominiert. Besonders in der Nähe des zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgangs (a25) findet eine weitere Korngrößen- und Dichte-Separation zugunsten gröberer und schwererer, aschereicher Partikel als Einsatzmaterial für das Nachoxidations-Wanderbett (a22) statt.
Die geometrische Gestaltung des Konnektorrohr-Reaktionsraums (c1 ) kann hinsichtlich Länge, Durchmesser, Durchmessererweiterungen, Einlauf- und Auslaufgestaltung in vielfältiger Weise an die Anforderungen der konkreten Anwendung des Vergasungsreaktors (v) an- gepasst werden, so z.B. das Verhältnis von Länge zu mittlerem Durchmesser entsprechend einer optimalen apparatetechnischen Ausführung. Vorteilhafter Weise kann der eingeschnürte Druckmantel des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) mit dem ebenfalls eingeschnürten Druckmantel des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) durch eine Flanschverbindung in Höhe des Konnektorrohrs (c) miteinander verbunden sein. Auch ist es möglich, in die Flanschverbindung einen verstellbaren Schieber einzubauen, mit dem die beiden Reaktionsräume im Bedarfsfall (z.B. zum An- oder Abfahren des Vergasungsreaktors (v)) feststoffseitig voneinander getrennt werden können.
Die aus dem Nachoxidations-Gasabgang (a25) nach unten austretenden Konnektorrohr-Bo- denprodukte (34) gelangen unter Ausbildung des Nachoxidations-Schüttkegels (1 1 ) und des Nachoxidations-Gasdoms (a23) in das Nachoxidations-Wanderbett (a22). Im Nachoxidations- Reaktionsraum (a2) ist das Reaktorprinzip der Festbettvergasung realisiert, wobei im Gegensatz zu der üblichen Lurgi-Festbettvergasung von Kohlen nach dem Stand der Technik im Nachoxidations-Wanderbett (a22) keine Trocknungs- und Pyrolysezone vorhanden ist und eine Schüttung vorliegt, die wesentlich heißer und in den meisten Fällen viel feinkörniger ist. Entsprechend der stofflichen und granulometrischen Eigenschaften des Nachoxidations-Wan- derbetts (a22) werden die Zusammensetzungen und die Mengen der Nachoxidations-Verga- sungsmittel (36) eingestellt. Was die Zusammensetzungen betrifft, ist die bevorzugte Steuergröße das sogenannte Dampf/Sauerstoff-Verhältnis, ausgedrückt in kg Dampf pro m3(i.N.) Sauerstoff. Dieses wird so eingestellt, dass mittels des Drehrosts (a21 ) nicht geschmolzene, gesinterte oder höchstens partiell geschmolzene Aschen abgezogen werden und es nicht zu betriebsstörenden Schlackebildungen im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) kommt. Übliche Werte für das Dampf/Sauerstoff-Verhältnis liegen bei 5 - 7 kg/m3(i.N.) für Vergasungsstoffe mit hohen Ascheschmelzpunkten und 7 - 10 kg/m3(i.N.) für solche mit niedrigen Ascheschmelzpunkten. Was die Mengen der Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) betrifft, ist die bevorzugte Steuerungsgröße die reale Sauerstoffmenge oder die flächenbezogene, spezifische Sauerstoffbelastung. Die flächenbezogene Sauerstoffmenge wird entsprechend der Körnungen der sich im Nachoxidations-Wanderbett (a22) bildenden Aschen so begrenzt, dass es nicht zu nichtregulären, kanalartigen Durchströmungen des Nachoxidations-Wander- betts (a22) kommt. Typische Werte betragen 200 bis 500 m3(i.N.) Sauersoff/m2 Querschnittsfläche des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) in Abhängigkeit von der Körnigkeit der Schüttungen.
Die nachoxidierten, deponiefähigen Aschen mit Kohlenstoffgehalten < 5 Ma.-% werden mittels des Drehrosts (a21 ) in den Ascheaustrag (a1 ) ausgetragen, wobei der Drehrost (a21 ) entsprechend der Temperaturen der ausgetragenen, abgekühlten Aschen, die in einem Korridor von 100 - 200 K oberhalb der Temperaturen der Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) liegen, gesteuert wird.
Die zentral fluidisierte Sprudelschichtvergasung im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) reicht über den konischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) bis in den zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12). Hier gehen der heiße Gas-Feststoff-Jet und die großräumige Feststoff-Rezirkulationsströmung von einer Strahlwirbelschicht in eine Wirbelschicht über, in der sich die Strömungsgeschwindigkeiten und die Temperaturen der mit Pri- märvergasungs-Stäuben (28) beladenen Primärvergasungs-Rohgase (29) über den Querschnitt ausgleichen und das Reaktorprinzip einer Wirbelschichtvergasung vorherrscht. In den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) treten aus dem darüber liegenden Sekundärverga- sungs-Reaktionsraum (b2) rezirkulierende Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) ein. Die von unten nach oben in den Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen, heißen Primärvergasungs-Rohgase (29), die mit Kohlenstoff-reichen Primärvergasungs-Stäu- ben (28) beladen sind, sind das Ergebnis der überwiegend ablaufenden Reaktionen der To- taloxidation unter Bildung von CO2 und H2O. Sie kühlen sich im Sekundärvergasungs- Reaktionsraum (b2) in Folge der endothermen, Kohlenstoff-verbrauchenden Vergasungsreaktionen unter Bildung von CO und H2 ab. Die für die Vergasung charakteristischen Vergasungstemperaturen sind die sich am oberen Ende des Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2) einstellenden Abklingtemperaturen der endothermen Vergasungsreaktionen. Die Korngrößen der Primärvergasungs-Stäube (28) verringern sich bis auf die Austrags-Korndurchmesser der Sekundärvergasungs-Feinstäube (23), die mit den Sekundärvergasungs-Rohgasen (24) aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen werden, wobei die Kohlenstoffgehalte abnehmen. Um die vorgegebenen, geringen Austrags-Korndurchmesser der Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) mit Werten kleiner 0,1 mm zu erreichen, werden die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen, mit Sekundärvergasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Roh- gase (24) entsprechend niedrig eingestellt. Die in Verbindung mit hohen Vergasungsdrücken realisierbaren, niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten der mit Sekundärvergasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) sind ein wichtiges Kennzeichen der Erfindung. Sie ermöglichen den weitgehend vollständigen bis gewünschten Kohlenstoff-Umsatz über eine kurze Weglänge der Strömung, d.h. bei geringer Bauhöhe des Vergasungsreaktors (v). Im Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2) nehmen Korngrößen von unten nach oben ab und es herrscht das Reaktorprinzip einer Wirbelschichtvergasung vor. Dieser Bereich wird solange ausgedehnt, dass von unten nach oben in den Quenchzonen-Reaktionsraum oder in den Rohgasabgang Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) oder andere Feinstäube (20) abgezogen werden, die entweder vollständig vergast sind, d.h. einen deponiefähigen, geringen Kohlenstoffgehalt aufweisen, oder deren Kohlenstoffgehalte gezielt höhere Werte bis ca. 50 Ma.-% aufweisen.
Im Falle der Vergasung bei hohen Temperaturen, bei denen die Temperaturen an die Reaktionsfähigkeiten der festen Vergasungsstoffe angepasst sind, und begünstigt durch hohe Vergasungsdrücke, ist die vollständige Vergasung der Stäube in einer Zeit von nur wenigen Sekunden abgeschlossen. Vorgegebene, höhere Werte für die Kohlenstoffgehalte bis ca. 50 Ma.- % werden durch einen entsprechend kürzeren Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) oder niedrigere Vergasungstemperaturen am oberen Ende des Sekundärvergasungs-Reaktions- raums (b2) erreicht. Hohe Kohlenstoffgehalte sind beispielsweise bei hohen Vergasungstemperaturen als sogenannter Putz-Kohlenstoff erwünscht, um Verschlackungen oder Verlegungen zu vermeiden. Im Falle der Vergasung bei niedrigen Temperaturen am Ende des Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2), beispielweise zur Erzeugung von methanreichen Rohgasen, werden ebenfalls hohe Kohlenstoffgehalte der Sekundärvergasungs-Fein- stäube (23) angestrebt.
Im Falle der Vergasung bei hohen Temperaturen am Ende des Sekundärvergasungs-Reakti- onsraums (b2) kann es von Vorteil oder erforderlich sein, wenn oberhalb des Sekundärverga- sungs-Reaktionsraums (b2) ein Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) angeordnet ist, dessen Aufgabe es ist, im Quenchbereich (b31 ) Quenchflüssigkeiten, vorzugsweise Quenchwäs- ser (22), einzudüsen. Die Menge der einzudüsenden Quenchflüssigkeiten wird so eingestellt, dass die Temperaturen oberhalb des Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) auf werte unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen abgesenkt werden. Die Eindüsung erfolgt mittels mehrerer Quenchdüsen (12) in mindestens einer Quenchdüsenebene (b31 1 ) entweder querschnittsgleich oder mindestens wandnah. Der sich über dem Quenchbereich (b31 ) anschließende Vergleichmäßigungsbereich (b32) ist so weit ausgedehnt, dass die Vergleichmäßigung der Temperaturen unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen mindestens bis zum Rohgasabgang (b4) abgeschlossen ist. Die eingedüsten Quenchwässer (22) kühlen nicht nur die Quenchzonen-Feinstäube (41 ). Im Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) reagieren die Quenchwässer (22) unter den vorherrschenden Bedingungen der Wirbelschichtvergasung übergehend in die Flugstromvergasung auch in gewissem Maß mit dem Kohlenstoff der kohlenstoffhaltigen Quenchzonen-Feinstäube (41 ), wobei Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff gebildet werden. Aus dem Vergleichmäßigungsbereich (b32) werden nach oben über den Rohgasabgang (b4) am Kopf des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) die mit Feinstäuben (20) beladenen, gequenchten und abgekühlten Rohgase (21 ) abgezogen. Der Quenchprozess kann vorteilhaft zur Schadstoffentsorgung genutzt werden. Als Quenchflüssigkeiten kommen neben thermisch zu behandelnden Abwässern, die mit anorganischen oder organischen Substanzen belastet sind, auch chemisch zu behandelnde Flüssigkeiten, wie Ammoniakwässer, in Frage.
Der Vergasungsreaktor (v) wird entsprechend der vorgegebenen Randbedingungen dimensioniert und ausgelegt. Die wichtigsten, vorgegebenen Randbedingungen sind die thermische Leistung, die Rohgasqualität, die Eigenschaften der festen Vergasungsstoffe und der Vergasungsdruck. Die wichtigsten Kriterien für die Dimensionierung der Hauptabmessungen Höhe und Durchmesser des Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 ) und des Sekundärvergasungs- Reaktionsraum (b2) sind die erforderlichen Verweilzeiten der festen Vergasungsstoffe (25), damit die weit überwiegende Vergasung der eingesetzten Vergasungsstoffe (25) gewährleistet ist, was darin zum Ausdruck kommt, dass 70 - 95 % des Sauerstoffs der insgesamt zugeführ- ten Vergasungsmittel als Primärvergasungs-Sauerstoff mit den Primärvergasungs-Verga- sungsmitteln (27) in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) eingebracht werden. Die niedrigen Werte stehen für wenig reaktionsfähige Kohlen, insbesondere Steinkohlen, bei der der Anteil der Nachoxidation höher ist, und die hohen Werte umgekehrt für reaktionsfreudige Kohlen, wie Braunkohlen. Der Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) ist hinsichtlich des Querschnitts des zylindrischen Teils und der Höhe des Nachoxidations-Wanderbetts (a22), gemessen von der Oberkante des Drehrosts (a21 ) bis zum zentralen oberen Nachoxidations- Gasabgang (a25), so bemessen, dass 60 - 90 % der mit den festen C-haltigen Vergasungsstoffen eingebrachten Aschen über den Ascheaustrag (a1 ) abgezogen werden können. Hierfür sind über den Drehrost (a21 ) 30 - 5 % des mit den Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) insgesamt zugeführten Sauerstoffs (Nachoxidations-Sauerstoff) einzubringen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor bezieht sich auf die Erzeugung von Synthesegasen aus festen, kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffen, wobei die bisher beschriebenen Abläufe vorrangig auf den Einsatz von primären Kohlenstoffträgern wie Braunkohlen und Steinkohlen abstellen. Darüber hinaus ist auch der Einsatz sekundärer Kohlenstoffquellen, wie kohlenstoffhaltiger Restabfälle, im beschriebenen Verfahren und Vergasungsreaktor möglich. Zu kohlenstoffhaltigen Restabfällen zählen u.a. getrockneter Klärschlamm, kommunale Abfälle (z. B. Hausmüll), Ersatzbrennstoffe (EBS), kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), glasfaserverstärkte Kunststoffe, Shredderleichtfraktionen des Automobil- Recyclings oder Biomasseabfälle. Die sekundären Kohlenstoffquellen können getrennt oder in Mischung mit den primären Vergasungsstoffen eingesetzt werden, wobei Beimischraten der sekundären Kohlenstoffquellen bis zu 60 Ma.-%, bevorzugt bis zu 40 Ma.-% bezogen auf die gesamten eingesetzten kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffe möglich sind. Vorteilhaft ist die Zuführung in Mischung mit den primären Vergasungsstoffen. Der maximal mögliche Anteil ist abhängig von der Art und Zusammensetzung der sekundären Kohlenstoffquellen, da diese im Vergleich zu primären Kohlenstoffquellen Abweichungen im thermischen Umsetzungs- und Ascheagglomerationsverhalten aufweisen. Sie unterscheiden sich von Kohlen durch deutlich höhere Flüchtigengehalte von bis zu 90 %, stark schwankende Kohlenstoff- und somit Energiegehalte und überwiegend deutlich höhere Anteile an mineralischen, besonders metallischen, Bestandteilen. Die kohlenstoffhaltigen Restabfälle werden sofort nach Einbringung in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) und den Kontakt mit der Wirbelschicht thermisch desintegriert. Dadurch können größere Korngrößen, in denen die Reststoffe anfallen, akzeptiert werden. Vorteilhaft werden im erfindungsgemäßen Verfahren und Vergasungsreaktor sekundäre Kohlenstoffquellen mit Korngrößen zwischen kleiner 10 und kleiner 100 mm eingesetzt, was in der Regel nur eine Grobzerkleinerung, seltener eine zusätzliche Aufbereitung der Einsatzstoffe, erfordert (z.B. Pelletierung von Hausmüll). Anhand der in Fig. 1 gezeigten Prinzipdarstellung eines Vergasungsreaktors zur Erzeugung von Synthesegasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe sauerstoffhaltiger Vergasungsmittel wird die Erfindung näher beschrieben.
Der Vergasungsreaktor (v) mit einem Vergasungsreaktionsraum (vi ) wird aus einem Nachoxi- dations-Festbettvergaser (a) mit einem Druckbehälter mit einem Nachoxidations-Reaktions- raum (a2) zur Aufnahme eines Wanderbettes, mit einem Ascheaustrag (a1 ) am Boden des Nachoxidations-Festbettvergasers (a), mit einem Drehrost (a21 ) mit Zuführung für Nachoxida- tions-Vergasungsmittel (36), einem Konnektorrohr (c) mit einem Konnektorrohr-Reaktions- raum (c1 ), einem Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) mit einem Primärvergasungs- Reaktionsraum (b1 ) mit einer Zone für die Zentralfluidisierung (b1 12), mit einem Sekundärver- gasungs-Reaktionsraum (b2), mit einem Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) mit Quenchdü- sen (12) zur Eindüsung von Quenchwasser (22), mit einem Rohgasabgang (b4) am Kopf des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b), mit einem mehrteiligen Primärvergasungs-Ver- gasungsmitteleintrag (b14), mit mehreren Vergasungsstoffeinträgen (b13) gebildet.
Der Vergasungs-Reaktionsraum (vi ) stellt einen unterbrechungsfrei zusammenhängenden Reaktionsraum dar, bei dem der Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) mit dem Primärverga- sungs-Reaktionsraum (b1 ) über den Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) miteinander verbunden ist und der vom Ascheaustrag (a1 ) bis zum Rohgasabgang (b4) reicht.
Der Nachoxidations-Festbettvergaser (a) umfasst - von unten nach oben gesehen - einen Ascheaustrag (a1 ) und einen Nachoxidations-Reaktionsraum (a2), der einen Drehrost (a21 ), ein Nachoxidations-Wanderbett (a22), ein Nachoxidations-Gasdom (a23), einen Nachoxida- tions-Prozessstoff-Eintrag (a24) in Form einer Nachoxidations-Prozessstoff-Düsenebene (8) von sechs über den Umfang verteilten Nachoxidations-Prozessstoff-Düsen (9) und einem zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) enthält.
Der Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) wird von einem - von unten nach oben gesehen - aus einem sich mit einem Konuswinkel von 45° konisch nach oben hin erweiternden Boden (2) des konischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ), ausgestattet mit einem mehrteiligen Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Eintrag (b14), der in einen zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12) übergeht, ausgestattet mit drei Vergasungsstoff-Einträgen (b13) und Primärvergasungs-Prozessstoff-Einträgen (b15), gebildet. Der mehrteilige Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Eintrag (b14) besteht aus zwei übereinanderliegenden Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebenen (3) mit je sechs über den Umfang gleichverteilten Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4). Die Primärver- gasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) sind übereinander versetzt angeordnet, mit einem Neigungswinkel (5) von 15° abwärts geneigt und zentral auf die Vergaserachse ausgerichtet. Die untere Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene (6) ist in der Höhe des ersten Drittels des konischen Bodens (2) und die obere Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen- ebene (7) in der Höhe von 90 % des konischen Bodens (2) angeordnet. Die Primärvergasungs- Vergasungsmittel-Düsen sind wassergekühlte und verschleißgeschützte Gemischdüsen, mit denen Sauerstoff und Dampf im Gemisch als Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) einge- düst werden.
Das untere Ende des konischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) bildet der zentrale Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ), über den die C-haltigen Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) in das Konnektorrohr (c) abgezogen werden.
Der Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2) stellt die Verbindung des zylindrischen Pri- märvergasungs-Reaktionsraums (b12) mit dem Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) dar. Dieser besteht aus einem unteren Quenchbereich (b31 ) mit einer Quenchdüsenebene (b31 1 ) und einem oberen Vergleichmäßigungsbereich (b32), der bis zum Rohgasabgang (b4) am Kopf (1 ) des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) reicht.
Das Konnektorrohr (c) umfasst einen zylindrischen Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ), dessen Verhältnis von Länge zu lichtem Durchmesser 4 beträgt.
Im Folgenden werden die in den Reaktionsräumen ein- und austretenden Stoffe beschrieben. Zum besseren Verständnis der Funktionsweise sind in Fig. 1 die Fluide mit gestrichelten Pfeilen und die Feststoffe mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt.
In den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) werden über die Vergasungsstoff-Einträge (b13) mittels Schrägrohreintrag die festen C-haltigen Vergasungsstoffe (25), über die Primär- vergasungs-Vergasungsmittel-Einträge (b14) die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27), von oben nach unten aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) rezirkulierende Se- kundärvergasungs-Feinstäube (40), von unten nach oben aus dem Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) die mit Konnektorrohr-Stäuben (32) beladenen Konnektorrohr-Rohgase (33) und über die Primärvergasungs-Prozessstoff-Einträge (b15) Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) eingebracht. Aus dem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) werden von oben nach unten über den Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) und von unten nach oben aus dem zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) die mit Primärverga- sungs-Stäuben (28) beladenen Primärvergasungs-Rohgase (29) ausgebracht.
Die festen Vergasungsstoffe (25) werden auf Höhen eingetragen, die zwischen dem oberen Bereich des sich konisch erweiternden Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) und dem unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b12) liegen. Die Primär- vergasungs-Vergasungsmittel (27) der unteren Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen- ebene (6) werden auf einer Höhe eingedüst, dass die Primärvergasungs- Vergasungsmittel (27) in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen und diese nach oben erweitern.
Die über die Primärvergasungs-Prozessstoff-Einträge (b15) eingetragenen Primärverga- sungs-Prozessstoffe (26) umfassen auch die aus dem mit Feinstäuben (20) beladenem Rohgas (21 ) in einer Wasserwäsche abgetrennten, nassen Feinstäube.
In den Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) werden von unten nach oben aus dem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) die mit Primärvergasungs-Stäuben (28) beladenen Primärvergasungs-Rohgase (29) und von oben nach unten aus dem Quenchzonen-Reaktions- raums (b3) rezirkulierende Quenchzonen-Feinstäube (42) eingetragen.
Aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) werden von oben nach unten Sekundär- vergasungs-Feinstäube (40) ausgetragen und von unten nach oben die mit Sekundärverga- sungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) abgezogen.
Im Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) treten über den unteren Quenchbereich (b31 ) von unten nach oben die mit Sekundärvergasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs- Rohgase (24) ein und es wird über Quenchdüsen (12) in der Quenchdüsenebenen (b31 1 ) Quenchwasser (22) eingedüst. Aus dem Vergleichmäßigungsbereich (b32) des Quenchzo- nen-Reaktionsraums (b3) werden von unten seitlich über den Rohgasabgang (b4) die mit Feinstäuben (20) beladenen, gequenchten und abgekühlten Rohgase (21 ) abgezogen und von oben nach unten aus dem Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) Quenchzonen-Feinstäube (42) ausgetragen. Nach dem Rohgasabgang (b4) schließt sich eine in Fig. 1 nicht dargestellte Rohgas-Wasserwäsche der mit Feinstäuben (20), deren C-Gehalte ca. 50 Ma.-% betragen, beladenen Rohgase (21 ) mittels eines Venturiwäschers an. Die Feinstäube (20) werden aus dem Wasser abgetrennt und als Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) über die Vergasungsstoffeinträge (b13) oder getrennt von den Vergasungsstoffeinträgen (b13) in den Primärvergasungs- Reaktionsraum (b12) zurückgeführt.
In den Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) werden von oben nach unten über den zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 ) die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) und von unten nach oben über den zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) die mit Nachoxidations- Stäuben (37) beladenen Nachoxidations-Rohgase (38) eingetragen.
Aus dem Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) werden von oben nach unten die Konnektorrohr- Bodenprodukte (34) und von unten nach oben die mit Konnektorrohr-Stäuben (32) beladenen Konnektorrohr-Rohgase (33) abgezogen.
In den Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) werden von oben nach unten über den zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) die Konnektorrohr-Bodenprodukte (34) unter Ausbildung des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) mit einer oberen Begrenzung in Form eines Nachoxidations-Schüttkegels (1 1 ) und darüber eines Nachoxidations-Gasdoms (a23) und über den Nachoxidations-Prozessstoff-Eintrag (a24) mittels Nachoxidations-Prozesssstoff-Dü- sen (9) Nachoxidations-Prozessstoffe (35), welche konzentrierte Abwässer aus der Rohgas- Wasserwäsche umfassen, in den Nachoxidations-Gasdom (a23) eingedüst und über den Drehrost (a21 ) von unten nach oben die Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) eingebracht.
Die Nachoxidations-Prozessstoffe (35) werden auf die Oberfläche (10) des sich ausbildendenden Nachoxidations-Schüttkegels (1 1 ) aufgesprüht, wodurch das Nachoxidations-Wander- bett (a22) gekühlt wird. Aus dem Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) werden über den zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgang (a25) von unten nach oben die mit Nachoxidations- Stäuben (37) beladenen Nachoxidations-Rohgase (38) und von oben nach unten über den Ascheaustrag (a1 ) die gekühlten Nachoxidations-Bodenprodukte (C-freie Aschen) (39) abgezogen.
Die festen Vergasungsstoffe (25) werden von der wandnahen Abwärtsströmung durch Schwerkraft überwiegend in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) transportiert. Von hier wird der größte Teil der Feststoffe nach oben transportiert und reagiert bei örtlich sehr hohen Temperaturen bis > 2.000 °C mit den seitlich eingedüsten Primärvergasungs-Vergasungsmit- teln (27). Dabei verringern sich die Korngrößen der kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffe (25) und die freigesetzten Aschen schmelzen und agglomerieren unter Bildung von Schmelzagglomeraten. Im gesamten Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) herrschen so intensive Wärme- und Stoffübertragungsbedingungen, dass die eintretenden festen Vergasungsstoffe (25) und die Primärvergasungs-Prozessstoffe (26) auf kürzester Wegstrecke vermischt und aufgeheizt und die durch die Oxidationsreaktionen aufgeheizten, festen Vergasungsstoffe und schmelzflüssigen Aschen oder Schmelzagglomerate ebenso schnell wieder abkühlen und erstarren. Die extreme Fluidisierung in der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) wird durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten der aus dem Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) nach oben strömenden Sekundärvergasungs-Rohgase erreicht. Die Strömungsgeschwindigkeiten, auf den freien Querschnitt des zentralen Bodenprodukt-Abzugs (b1 1 1 ) bezogen, liegen bei 2 - 6 m/s und damit in dem für zirkulierende Wirbelschichten typischen Bereich. Die Höhe der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) erreicht - ohne die Verlängerung durch die Eindüsung der Primär- vergasungs-Vergasungsmittel (27) - das Dreifache des Durchmessers des Bodenprodukt-Abzugs (b1 1 1 ).
Durch die Eindüsung der Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) verlängert diese nach oben auf das etwa 6-fache. Obwohl im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 1 ) infolge der stark dominierenden, exothermen Reaktionen der Par- tialoxidation die höchsten Energiedichten auftreten, wird durch die hohen Kohlenstoff- Konzentrationen der zirkulierenden Feststoffe permanent sichergestellt, dass die Vergaserwände frei von Anbackungen von Aschen oder Schlacken bleiben oder Verschlackungen in den Strömungen der Sprudelschichtvergasung eintreten.
Die Zirkulationsströmung der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung um die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) ist so stark, dass keine zusätzlichen Gaszuführungen über den Boden (2) zur Fluidisierung erforderlich sind.
Die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30), sinken im Gegenstrom zu den Konnektorrohr- Rohgasen (33), die nach oben ausströmen und eine Sichterwirkung entfalten, durch den zentralen Bodenprodukt-Abzug (b1 1 1 ) in den Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ). Die Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) bestehen überwiegend aus gröberen und schwereren, aschereichen Partikeln einschließlich der entstandenen Ascheagglomerate. Da die Temperaturen der Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) deutlich höher sind als die der entgegen strömenden Konnektorrohr-Rohgase (33), finden im Konnektor-Reaktionsraum (c1 ) unter Abkühlung der Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) endotherme Vergasungsreaktionen statt, d.h. die Kohlenstoffgehalte der nach unten austretenden Konnektorrohr-Bodenprodukte (34) sind niedriger als die der von oben eintretenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (30).
Im Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) dominiert das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung. Besonders in der Nähe des zentralen oberen Nachoxidations-Gasabgangs (a25) findet eine weitere Korngrößen- und Dichte-Separation zugunsten gröberer und schwererer, aschereicher Partikel als Einsatzmaterial für das Nachoxidations-Wanderbett (a22) statt. Die nachoxi- dierten, deponiefähigen nahezu C-freien Aschen werden bei Temperaturen um ca. 400 °C mittels Drehrost (a21 ) in den Ascheaustrag (a1 ) ausgetragen.
Die zentral fluidisierte Sprudelschichtvergasung im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) reicht über den konischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) bis in den zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraum (b12). Hier gehen der heiße Gas-Feststoff-Jet und die großräumige Feststoff-Rezirkulationsströmung in eine hochexpandierte Wirbelschicht über, in der sich die Strömungsgeschwindigkeiten und die Temperaturen der mit Primärvergasungs- Stäuben (28) beladenen Primärvergasungs-Rohgase (29) über den Querschnitt ausgleichen und das Reaktorprinzip einer Wirbelschichtvergasung vorherrscht.
Die von unten nach oben in den Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen, heißen Primärvergasungs-Rohgase (29), die mit Kohlenstoff-reichen Primärvergasungs-Stäu- ben (28) beladen sind, sind das Ergebnis der überwiegend ablaufenden Reaktionen der To- taloxidation unter Bildung von CO2 und H2O. Sie kühlen sich im Sekundärvergasungs- Reaktionsraum (b2) in Folge der endothermen, Kohlenstoff-verbrauchenden Vergasungsreaktionen unter Bildung von CO und H2 ab. Am oberen Ende des Sekundärvergasungs-Reakti- onsraums (b2) werden die Abklingtemperaturen der endothermen Vergasungsreaktionen bei ca. 1 100 °C erreicht. Die Korngrößen der Primärvergasungs-Stäube (28) verringern sich bis auf die Austrags-Korndurchmesser der Sekundärvergasungs-Feinstäube (23), die mit den Se- kundärvergasungs-Rohgasen (24) aus dem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen werden, wobei die Kohlenstoff-Gehalte abnehmen. Um die vorgegebenen, geringen Austrags-Korndurchmesser der Sekundärvergasungs-Feinstäube (23) mit Werten kleiner 0,1 mm zu erreichen, werden die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der aus dem Sekundär- vergasungs-Reaktionsraum (b2) abgezogenen, mit Sekundärvergasungs-Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) entsprechend niedrig eingestellt. Sie ermöglichen den weitgehend vollständigen Kohlenstoff-Umsatz über eine kurze Weglänge der Strömung, d.h. bei geringer Bauhöhe des Vergasungsreaktors (v). Im Sekundärvergasungs-Reak- tionsraum (b2) nehmen die Korngrößen von unten nach oben ab und es herrscht das Reaktorprinzip der Wirbelschichtvergasung vor. Dieser Bereich wird solange ausgedehnt, dass von unten nach oben in den Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) Feinstäube abgezogen werden, deren Kohlenstoffgehalte gezielt Werte bis ca. 50 Ma.-% aufweisen, sodass ein entsprechend kürzerer Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) realisiert wird. Hohe Kohlenstoffgehalte sind bei hohen Vergasungstemperaturen als sogenannter Putz-Kohlenstoff erwünscht, um Verschlackungen oder Verlegungen zu vermeiden.
Oberhalb des Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2) ist ein Quenchzonen-Reaktions- raums (b3) angeordnet, dessen Aufgabe es ist, in den unteren Quenchbereich (b31 ) Quench- wasser (22) einzudüsen. Die Menge der einzudüsenden Quenchwässer wird so eingestellt, dass die Temperaturen oberhalb des Quenchzonen-Reaktionsraums (b3) auf werte unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen im Bereich von ca. 950 °C abgesenkt werden. Die Ein- düsung erfolgt mittels mehrerer Quenchdüsen (12). Die eingedüsten Quenchwässer (22) kühlen nicht nur den Feinstaub. Im Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) reagieren die Quenchwässer unter den vorherrschenden Bedingungen der Wirbelschichtvergasung übergehend in Bedingungen der Flugstromvergasung auch mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoff-haltigen Feinstäube, wobei Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff gebildet werden. Aus dem Vergleichmäßigungsbereich (b32) werden nach oben über den Rohgasabgang (b4) am Kopf des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) die mit Feinstäuben (20) beladenen, ge- quenchten und abgekühlten Rohgase (21 ) abgezogen. Der Quenchprozess wird dabei vorteilhaft zur Schadstoffentsorgung genutzt.
Die apparatetechnische Gestaltung der Ummantelung des Reaktionsraums (vi ) ist in Fig. 1 nicht dargestellt und umfasst, wie für Festbett-Druckreaktoren üblich, einen Druckbehälter mit Wassermantel und Sattdampferzeugung und einen inneren Mantel mit feuerfester Ausmauerung.
Im Folgenden werden die wichtigsten Stoff- und Prozessdaten des Vergasungsreaktors (v) für die Erzeugung von Synthesegas beschrieben, in dem bei einem Vergasungsdruck von 60 bar getrocknete Braunkohlen mit Wassergehalten um ca. 12 Ma.-% und Körnungen um ca. 0 - 2 mm mit Sauerstoff und Wasserdampf als Vergasungsmittel vergast werden. Die eingesetzte Braunkohle zeichnet sich durch hohe Reaktionsfähigkeiten, mittlere Ascheschmelztemperaturen um ca. 1.250 °C, kritische Aschesintergrenzen um ca. 1.000 °C und bei trockener Veraschung sehr feinkörnige Aschen mit Körnungen < ca. 0,2 mm aus. Als Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) treten in den Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) 1 1 % des Gesamtsauerstoffs (Nachoxidations-Sauerstoff) und 96 % des insgesamt zugeführten Vergasungsmittels Wasserdampf ein. Die Sauerstoff-Belastungen des freien Querschnitts des Nachoxidations-Reaktionsraums (a2) liegen bei ca. 200 m3(i.N.)/m2, und das Dampf/02- Verhältnis beträgt ca. 7 kg/m3(i.N.). Die nachoxidierten Aschen der Nachoxidations-Bodenpro- dukte (39) werden mit C-Gehalten < 5 Ma.-% und Temperaturen um ca. 400 °C abgezogen. Die mit Nachoxidations-Stäuben (37) beladenen Nachoxidations-Rohgase (38) treten mit Temperaturen um 900 °C in den Konnektorrohr-Reaktionsraum (c1 ) ein. Als Primärvergasungs- Vergasungsmittel (27) treten in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) 89 % des Gesamtsauerstoffs (Primärvergasungs-Sauerstoff) und 4 % des insgesamt zugeführten Vergasungsmittels Wasserdampf ein, wobei 1/3 des Primärvergasungs-Sauerstoffs über die untere Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene (6) und 2/3 über die obere Primärverga- sungs-Vergasungsmittel-Düsenebene (7) eingedüst werden. In den Gemischdüsen wird der Primärvergasungs-Sauerstoff im Gemisch mit 5 Vol.-% Wasserdampf eingedüst. Am oberen Ende des Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 ) werden Temperaturen von 1.150-1.200 °C erreicht, wobei ca. 62 % des im Vergasungsstoff (25) enthaltenen Kohlenstoffs umgesetzt wurden. Im Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2) stellen sich Gasströmungsgeschwindigkeiten von etwa 0,5 m/s und mittlere Gasverweilzeiten von ca. 5 s ein. Am oberen Ende des Sekundärvergasungs-Reaktionsraums (b2) werden Vergasungstemperaturen von ca. 1 .100 °C und ein Kohlenstoffumsatz von ca. 85 % des im Vergasungsstoff (25) enthaltenen Kohlenstoffs erreicht. Durch den zusätzlichen C-Umsatz im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) wird im gesamten Vergasungs-Reaktionsraum (v) ein Kohlenstoffumsatz von ca. 99,8 % des im Vergasungsstoff (25) enthaltenen Kohlenstoffs erreicht. Das Rohgas wird im Quench- zonen-Reaktionsraum (b3) auf eine Temperatur von ca. 950 °C abgekühlt.
Bezugszeichen
(v) Vergasungsreaktor
(vi ) Vergasungs-Reaktionsraum
(a) Nachoxidations-Festbettvergaser
(a1 ) Ascheaustrag
(a2) Nachoxidations-Reaktionsraum
(a21 ) Drehrost
(a22) Nachoxidations-Wanderbett
(a23) Nachoxidations-Gasdom
(a24) Nachoxidations-Prozessstoff-Eintrag
(a25) zentraler oberer Nachoxidations-Gasabgang
(b) Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser
(b1 ) Primärvergasungs-Reaktionsraum
(b1 1 ) konischer Primärvergasungs-Reaktionsraum
(b1 1 1 ) zentraler Bodenprodukt-Abzug
(b1 12) Zone der Zentralfluidisierung
(b12) zylindrischer Primärvergasungs-Reaktionsraum
(b13) Vergasungsstoff-Einträge
(b14) mehrteiliger Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Eintrag
(b15) Primärvergasungs-Prozessstoff-Eintrag
(b2) Sekundärvergasungs-Reaktionsraum
(b3) Quenchzonen-Reaktionsraum
(b31 ) unterer Quenchbereich
(b31 1 ) Quenchdüsenebene
(b32) oberer Vergleichmäßigungsbereich
(b4) Rohgasabgang
(c) Konnektorrohr
(c1 ) Konnektorrohr-Reaktionsraum
(1 ) Kopf Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser
(2) Boden des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser
(3) zwei übereinander liegende Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebenen
(4) Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen
(5) Neigungswinkel 15°
(6) untere Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene
(7) obere Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsenebene
(8) Nachoxidations-Prozessstoff-Düsenebene (9) Nachoxidations-Prozessstoff-Düsen
(10) Oberfläche des Nachoxidations-Schüttkegels
(1 1 ) Nachoxidations-Schüttkegel
(12) Quenchdüsen
(20) (C-haltige) Feinstäube
(21 ) beladene Rohgase
(22) Quenchwasser
(23) Sekundärvergasungs-Feinstäube
(24) beladene Sekundärvergasungs-Rohgase
(25) Vergasungsstoff
(26) Primärvergasungs-Prozessstoff
(27) Primärvergasungs-Vergasungsmittel
(28) Primärvergasungs-Stäube
(29) beladene Primärvergasungs-Rohgase
(30) (C-haltige) Primärvergasungs-Bodenprodukte
(32) Konnektorrohr-Stäube
(33) beladene Konnektorrohr-Rohgase
(34) Konnektorrohr-Bodenprodukte
(35) Nachoxidations-Prozessstoffe
(36) Nachoxidations-Vergasungsmittel
(37) Nachoxidations-Stäube
(38) beladene Nachoxidations-Rohgase
(39) Nachoxidations-Bodenprodukte (C-freie Asche)
(40) rezirkulierende Sekundärvergasungs-Feinstäube
(41 ) Quenchzonen-Feinstäube
(42) rezirkulierende Quenchzonen-Feinstäube

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Erzeugung von Synthese-, Reduktions- und/oder Brenngasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln, die Wasserdampf und ggfs. CO2 als endotherm reagierende Vergasungsmittel enthalten, bei erhöhten Drücken unter Anwendung der Wirbelschichtvergasung, mittels eines Vergasungsreaktors (v) mit einem Vergasungs-Reaktionsraum (vi ), der von unten nach oben einen Nachoxidations-Festbettvergaser (a) mit einem Druckbehälter mit einem Nachoxidations- Reaktionsraum (a2) zur Aufnahme eines Wanderbettes (a22), mit einem Ascheaustrag (a1 ) am Boden des Nachoxidations-Festbettvergasers (a), und mit einer Zuführung für Nachoxidations-Vergasungsmittel (36), eine Verbindung mit einem Verbindungs- Reaktionsraum, und einen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) mit einem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) mit einer Zone für die Zentralfluidisierung (b1 12), mit einem mehrteiligen Primärvergasungs-Vergasungsmitteleintrag (b14), mit mehreren Vergasungsstoffeinträgen (b13), mit einem Sekundärvergasungs-Reaktionsraum (b2), und mit einem Rohgasabgang (b4) am Kopf des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b), aufweist,
a) wobei der Reaktionsraum des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) direkt oder über ein Konnektorrohr (c) mit dem Reaktionsraum des Nachoxidations- Festbettvergasers (a) unterbrechungsfrei in Verbindung steht und beide einen gemeinsamen Druckraum bilden, wobei die Verbindung zwischen Primärvergasungs- Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergasers (a) gegenüber den Reaktionsräumen von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergasers (a) einen kleineren Querschnitt aufweist, b) wobei der Vergasungs-Reaktionsraum (vi ) einen unterbrechungsfrei zusammenhängenden Reaktionsraum bildet, bei dem der Nachoxidations- Reaktionsraum (a2) mit dem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) durch den Verbindungs-Reaktionsraum miteinander verbunden ist und der vom Ascheaustrag (a1 ) bis zum Rohgasabgang (b4) reicht,
c) wobei im Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) im Nachoxidations-Wanderbett das Reaktorprinzip der Festbettvergasung, im Verbindungs-Reaktionsraum überwiegend das Reaktorprinzip der Flugstromvergasung und im Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) das Reaktorprinzip der zentral fluidisierten Sprudelschichtvergasung, übergehend in das der Strahlwirbelschichtvergasung, und im Sekundärvergasungs- Reaktionsraum (b2) das Reaktorprinzip der Wirbelschichtvergasung angewendet werden, d) wobei die Primärvergasung der eingetragenen festen Vergasungsstoffe (25) mit Primärvergasungs-Vergasungsmitteln (27) in der stationären Wirbelschicht, zirkulierenden Wirbelschicht, Strahlwirbelschicht oder Sprudelschicht durchgeführt wird,
e) wobei die aus der Primärvergasung abgezogenen C-haltigen Primärvergasungs- Bodenprodukte (30) mit Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) im Nachoxidations- Wanderbett (a22) im Gegenstrom nachoxidiert und teilweise vergast werden, f) wobei die gebildeten Nachoxidations-Bodenprodukte (39) als deponiefähige Aschen unterseits des Nachoxidations-Wanderbetts (a22) und die gebildeten Nachoxidations- Rohgase (38) nach oben in die Primärvergasung abgezogen werden,
g) wobei das Nachoxidations-Wanderbett (a22) im Nachoxidations-Festbettvergaser (a) aus einem unteren zylindrischen Teil und einem oberen, sich einschnürenden Teil, dessen oberes Ende höchstens bis zum unteren Ende der Verbindung zum Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) reicht, gebildet wird,
h) wobei die aus dem Nachoxidations-Wanderbett (a22) nach oben steigenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten in das untere Ende der Verbindung zum Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) eingeleitet werden, die höchstens so groß sind, dass die das Nachoxidations-Wanderbett (a22) bildenden Primärvergasungs-Bodenprodukte (30) von oben aus dem Primärvergasungs- Wirbelschichtvergaser (b) durch die Verbindung in das Nachoxidations- Wanderbett (a22) fallen können,
i) wobei die aus dem oberen Ende der Verbindung nach oben in den Primärvergasungs- Wirbelschichtvergaser (b) eintretenden Gase mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet werden, die mindestens so groß sind, dass die Primärvergasungs- Bodenprodukte (30) oberhalb des oberen Endes der Verbindung fluidisiert werden, j) wobei die Menge der nach oben in das Nachoxidations-Wanderbett (a22) eingebrachten Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) und die Menge der aus dem Nachoxidations-Wanderbett (a22) nach unten abgezogenen Nachoxidations- Bodenprodukte (39) so eingestellt werden, dass die Nachoxidation unterhalb des oberen Endes des zylindrischen Teils des Wanderbetts abgeschlossen ist, k) wobei in den Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) die festen C-haltigen Vergasungsstoffe (25) über Vergasungsstoff-Einträge (b13) auf Höhen eingetragen werden, die zwischen dem oberen Bereich des sich konisch erweiternden Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 1 ) und dem unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 ) liegen,
I) wobei die Primärvergasungs-Vergasungsmittel seitlich und/oder zentral mittels Vergasungsmitteldüsen (27) über die Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Einträge (b14) auf Höhen eingetragen werden, die mindestens in der Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) liegen und die bis zum unteren Bereich des zylindrischen Primärvergasungs-Reaktionsraums (b1 ) reichen,
m) und wobei die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) so eingedüst werden und die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen mit Strömungsimpulsen versehen sind, dass sie die gegenüberliegenden Wände des Primärvergasers (b) nicht berühren, und die Vergasungsmittel-Düsenstrahlen in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen, sie jedoch nicht durchdringen, und in Verbindung mit den aus dem Nachoxidation-Wanderbett (a22) aufsteigenden Gasen zur Ausbildung einer Sprudelschichtvergasung ausgehend von der Zentralfluidisierung führen.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Gehalt der Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) so eingestellt wird, dass in der Oxidationszone des Nachoxidations-Wanderbettes (a22) höchstens ein dauerhaftes Sintern und/oder ein lokales und zeitlich befristetes Schmelzen der Asche, jedoch keine Verschlackung, eintritt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass 70 - 95 % des Sauerstoffs der insgesamt zugeführten Vergasungsmittel als Primärvergasungs- Sauerstoff mit den Primärvergasungs-Vergasungsmitteln (27) und 30 - 5 % als Nachoxidations-Sauerstoff mit den Nachoxidations-Vergasungsmitteln (36) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Sekundärvergasungs-Reaktionsraumes (b2) über Quenchdüsen (12) derart Quenchwasser (22) eingedüst wird, dass die Temperaturen der mit Sekundärvergasungs- Feinstäuben (23) beladenen Sekundärvergasungs-Rohgase (24) auf werte unterhalb der kritischen Aschesintergrenzen abgesenkt werden.
Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthese-, Reduktions- und/oder Brenngasen aus festen Vergasungsstoffen mit Hilfe von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln, die Wasserdampf und ggfs. CO2 als endotherm reagierende Vergasungsmittel enthalten, bei erhöhten Drücken unter Anwendung der Wirbelschichtvergasung (Primärvergasung), mit einem Nachoxidations-Festbettvergaser (a) mit einem Druckbehälter mit einem Nachoxidations-Reaktionsraum (a2) zur Aufnahme eines Wanderbettes (a22), mit einem Drehrost (a21 ) mit Zuführung für Nachoxidations-Vergasungsmittel (36) und mit einem Ascheaustrag (a1 ) am Boden des Nachoxidations-Festbettvergasers (a), mit einem Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) mit einem Primärvergasungs-Reaktionsraum (b1 ) mit einer Zone für die Zentralfluidisierung (b1 12), mit einem Sekundärvergasungs- Reaktionsraum (b2), mit einem Rohgasabgang (b4) am Kopf des Primärvergasungs- Wirbelschichtvergasers (b), mit einem mehrteiligen Primärvergasungs- Vergasungsmitteleintrag (b14), mit mehreren Vergasungsstoffeinträgen (b13), und mit einer Verbindung zwischen Nachoxidations-Festbettvergaser (a) und Primärvergasungs- Wirbelschichtvergaser (b) als direkte Verbindung oder Verbindung über ein Konnektorrohr (c) zur druckdichten und unterbrechungsfreien Verbindung der Reaktionsräume von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergaser (a), wobei die Verbindung zwischen Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergaser (a) einen gegenüber den Reaktionsräumen von Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) und Nachoxidations-Festbettvergaser (a) kleineren Querschnitt aufweist, wobei die Vergasungsstoffeinträge (b13) als Schrägrohreinträge am Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) so angeordnet und ausgestaltet sind, dass die Vergasungsstoffe (25) in den Randbereich des Primärvergasungs-Reaktionsraumes (b1 ) eingetragen werden, wobei der mehrteilige Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Eintrag (b14) mehrere über den Umfang in mindestens einer Ebene, am unteren Ende des Primärvergasungs- Wirbelschichtvergasers (b) gleichverteilte, abwärts geneigte und auf die Primärvergasung- Vergaserachse in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) ausgerichtete Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) aufweist, wobei der Primärvergasungs- Vergasungsmittel-Eintrag (b14) mit den Primärvergasungs-Vergasungsmittel-Düsen (4) so ausgestaltet ist, dass die Primärvergasungs-Vergasungsmittel (27) so eingedüst werden und die Primärvergasungsmittel-Düsenstrahlen mit Strömungsimpulsen versehen sind, dass sie die gegenüberliegenden Wände des Primärvergasers (b) nicht berühren, und die Primärvergasungsmittel-Düsenstrahlen in die Zone der Zentralfluidisierung (b1 12) eindringen, sie jedoch nicht durchdringen, und in Verbindung mit den aus dem Nachoxidation-Wanderbett (a22) aufsteigenden Gasen zur Ausbildung einer Sprudelschichtvergasung ausgehend von der Zone der Zentralfluidisierung führen.
6. Vergasungsreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Nachoxidations- Gasdom (a23) des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) zusätzlich Zuführungen (9) für Nachoxidations-Prozessstoffe (35) angeordnet sind.
7. Vergasungsreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verbindung des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) und des Nachoxidations- Festbettvergasers (a) über das Konnektorrohr (c), dessen oberes Ende bündig im Boden des Primärvergasungs-Wirbelschichtvergasers (b) und dessen unteres Ende bündig oder nicht bündig im Nachoxidations-Gasdom (a23) des Nachoxidations-Festbettvergasers (a) mündet, wobei die Kontur des Konnektorrohres (c) der eines Zylinders oder eines sich zum oberen Ende und/oder zum unteren Ende hin erweiternden Rohres entspricht, und wobei die Länge des Konnektorrohres (c) mindestens so groß wie dessen mittlerer Durchmesser ist.
8. Vergasungsreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärvergasungs-Wirbelschichtvergaser (b) oberhalb des Sekundärvergasungs- Reaktionsraumes (b2) einen Quenchzonen-Reaktionsraum (b3) aufweist, in den Quenchdüsen (12) zur Eindüsung von Quenchwasser (22) hineinreichen.
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