NL8300950A

NL8300950A - Werkwijze en reactor voor het verbranden van koolstofhoudende brandstof.

Info

Publication number: NL8300950A
Application number: NL8300950A
Authority: NL
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1983-03-16
Filing date: 1983-03-16
Publication date: 1984-10-16
Also published as: AU2561584A; ZA841895B; JPS59176512A; US4520737A; AU560636B2; DE3409371A1; CA1225878A

Description

Κ 5647 NET

WERKWIJZE Μ REACTOR VOOR HET VERBRANDEN VAN KOOLSTOFHOUDENDE BRANDSTOF

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het geheel of gedeeltelijk verbranden van koolstofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas in een reactor waarbij het gevormde gas bij de top van de reactor en slak bij de bodem van de reactor wordt afgevoerd. De uitvin-5 ding heeft tevens betrekking op een reactor voor gebruik bij genoemde werkwijze.

De verbranding kan geheel of gedeeltelijk zijn, waarbij in het eerste geval het doel van het verbrandingsproces is warmte te produceren voor bijvoorbeeld directe of indirecte energieopwekking en in het tweede 10 geval het produceren van synthesegas dat voornamelijk uit koolmonoxide en waterstof bestaat.

Onder het begrip koolstofhoudende brandstof verstaat men over het algemeen steenkool of een andere vaste brandstof, zoals bruinkool, turf, hout e.d., maar ook vloeibare brandstoffen, zoals olie uit teerzand of 15 leisteenolie, zijn mogelijk.

De reactor waarin de verbranding plaatsvindt kan diverse vormen bezitten, zoals de vorm van een bol, een kegel of een cilinder. Om enerzijds tegemoet te komen aan de hoge sterkte-eisen die aan de reactor gesteld worden en anderzijds de fabricagekosten binnen redelijke grenzen 20 te houden bezit de reactor bij voorkeur in hoofdzaak de vorm van een cirkelcilinder.

De toevoer van de koolstofhoudende brandstof en het zuurstof bevattende gas kan plaatsvinden door de bodem van de reactor. Ook is het mogelijk één van de reactanten door de bodem van de reactor toe te voeren 25 en èên of meer andere door de zijwand van de reactor. Bij voorkeur echter worden zowel de brandstof als ook het zuurstofbevattende gas en eventueel een moderator voor temperatuurbijsturing door de zijwand van de reactor j

toegevoerd. Met voordeel geschiedt dit door middel van tenminste twee branders die symmetrisch ten opzichte van de langsas van de reactor zijn I

30 aangebracht in een laag gelegen deel van de zijwand.

8300950 * - 2 -

Aangezien koolstofhoudende brandstof veelal een minerale herkomst heeft bevat deze naast koolstof en waterstof ook altijd een bepaalde hoeveelheid anorganisch, onverbrandbaar materiaal, dat vaak aangeduid wordt met het begrip as. Deze as komt nu vrij bij de gehele of gedeeltelijke ! 5 verbranding van minerale brandstof. Afhankelijk van de bedrijfscondities waaronder de verbranding plaatsvindt, met name de temperatuur, en de kwaliteit van de brandstof, wordt de as voornamelijk in vaste of in vloeibare vorm of in een combinatie van beide verkregen. Het grootste gedeelte van de verkregen vloeibare as, hierna verder aangeduid met slak, stroomt 10 langs de wand van de reactor en wordt in het algemeen opgevangen in een waterbad dat zich onder de reactiezone van de reactor bevindt, alwaar de slak afkoelt en stolt. De gestolde slak kan vervolgens betrekkelijk eenvoudig als een slurrie worden afgevoerd.

Het waterbad vormt in het algemeen een integraal gedeelte van de 15 reactor en is direct geplaatst onder de eigenlijke reactiezone waar het verbrandingsproces plaatsvindt. Cmdat in de reactor een, veelal sterk, verhoogde druk heerst wordt een sluizensysteem toegepast on de slurrie van gestolde slak uit de reactor af te voeren. In de reactor wordt de reactiezone van de koelzone met het waterbad gescheiden door een schei-20 dingswand waarin een meestal centraal gelegen afvoeropening voor de slak is aangebracht. Deze slakafvoeropening, vaak aangeduid met het begrip slaktap, dient om verschillende redenen vrij nauw te zijn. Ten eerste dient het ontsnappen van ongeconverteerde kool door de afvoeropening zoveel mogelijk vermeden te warden. Ten tweede dient de slakafvoeropening 25 vrij nauw te zijn om te voorkomen dat waterdamp, dat ontstaat bij het afkoelen van de slak in het waterbad, in te grote hoeveelheden in de reactiezone komt. Het doordringen van waterdamp in de eigenlijke reactiezone dient beperkt te blijven aangezien deze waterdamp het verbrandingsproces ongunstig zou kunnen beïnvloeden wanneer het in aanmerkelijke 30 hoeveelheden de reactiezone binnendringt. Bovendien zal de waterdamp een stollend effect hebben op de slak in de reactiezone, met het gevolg dat de slak minder gemakkelijk naar de slakafvoeropening kan gaan stromen.

Afhankelijk van de condities in de reactiezone en het soort koolstofhoudende brandstof dat gebruikt wordt zal de slak meer of minder 83 0 0 9 5 0 ** '............-.....* - 3 - gemakkelijk naar de slaktap stromen en vandaar uit de koelzone binnentreden. Naarmate de slak meer viskeus is zal de doorstroming door de slaktap langzamer worden en zelfs aanleiding kunnen geven tot verstopping van de slaktap. Wanneer de slaktap verstopt raakt zal bij voort-5 zetting van het verbrandingsproces de slak zich gaan ophopen in de re-actiezone, waardoor na verloop van tijd het proces moet worden onderbroken, teneinde de slaktap schoon te maken. Afgezien van het verlies in produktie dat stopzetting van het proces met zich meebrengt, is er ook het aspect van slechte toegankelijkheid van de reactiezone door de 10 hoge bedrijf stemperatuur en -druk, dat tot gevolg zal hebben dat reiniging van de slaktap niet alleen een gecompliceerde maar zeker ook een tijdrovende aangelegenheid is.

De onderhavige uitvinding beoogt nu te voorzien in een werkwijze voor gehele of gedeeltelijke verbranding van koolstofhoudende brandstof 15 waarbij het probleem van stopzetting van het process voor reiniging van de slaktap geheel of althans in zeer grote mate vermeden kan worden.

De uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze voor het * geheel of gedeeltelijk verbranden van een koolstofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas in een reactiezone, waarbij het gevormde 20 gas bij het boveneinde van de reactiezone wordt afgevoerd en de gevormde slak bij het ondereinde van de reactiezone wordt afgevoerd naar een lager gelegen koelzone via een slakafvoeropening aangebracht in een scheidingswand tussen de reactiezone en de koelzone, in welke koelzone zich een koelvloeistof bevindt voor het afkoelen en stollen van de 25 slak, met het kenmerk dat tijdens het verbrandingsproces de slakafvoeropening wordt opengehouden door intermitterend het van een schraap-rand voorziene bovengedeelte van een zich in de rusttoestand geheel in de lager gelegen koelzone bevindend cilindrisch element op en neer door de slakafvoeropening te bewegen.

30 De uitvinding heeft eveneens betrekking op een reactor voor het geheel of gedeeltelijk verbranden van een koolstofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas, welke reactor een reactiezone omvat en een lager gelegen koelzone waarin zich tijdens bedrijf een koelvloeistof bevindt en voorzien is van een gasafvoer bij het boveneinde van de 8300950 - 4 -

i /C

reactiezone en een slakaftap bij het ondereinde van de koelzone, waarbij de reactiezone gescheiden wordt van de koelzone door een scheidingswand voorzien van een slakafvoeropening, met het kenmerk, dat in de koelzone een zich coaxiaal met de slakafvoeropening bevindend cilin-5 drisch element is aangebracht, welk element nabij het boveneinde voorzien is van een schraaprand, en middelen aanwezig zijn voor het op en neer bewegen van het cilindrisch element door de slakafvoeropening.

Door het bovengenoemde cilindrische element, dat voorzien is van een schraaprand, regelmatig op en neer te bewegen door de slakafvoer-10 opening kan op een eenvoudige wijze deze opening ontdaan worden van zich ter plaatse vastgehechte slak, zonder dat het verbrandingsproces stopgezet behoeft te worden. Aangezien het cilindrische element zich in de rusttoestand in de koelzone bevindt en bij voorkeur ondergedompeld is in de koelvloeistof waar een betrekkelijk lage temperatuur heerst, be-15 hoeft voor beschadiging van het element door oververhitting niet gevreesd te worden. Daar het element zich in de rusttoestand geheel buiten de slakafvoeropening bevindt, vormt het cilindrisch element geen belemmering voor de doorgang van slak door de slakafvoeropening.

Bij voorkeur wordt voor het reinigingsproces een cilindrisch ele-20 ment gebruikt dat voorzien is van een langs de zijwand aangebrachte schroeflijnvormige schraaprand. Door een dergelijk uitgevoerd schoon-maakelement tijdens de beweging door de slakafvoeropening met een zodanige snelheid te roteren dat een neerwaartse kracht op de slak uitgeoefend wordt, wordt niet alleen bewerkstelligd dat de slakafvoeropening 25 schoongemaakt wordt, maar tevens dat de slak gedwongen wordt de reactiezone te verlaten.

De uitvinding zal thans nader besproken worden aan de hand van bijgaande figuren, waarin

Figuur 1 schematisch een langsdoorsnede van een verbrandingsreactor 30 voor toepassing van de uitvinding toont; en

Figuur 2 een gedetailleerde langsdoorsnede van het bij deze reactor toegepaste reinigingselement toont op een grotere schaal dan de schaal van Figuur 1.

• De reactor, aangeduid met referentie nummer 1 in Figuur 1, kan bij- 8300950 A .........

- 5 - voorbeeld gebruikt worden voor de bereiding van synthesegas door de partiële verbranding van een koolstofhoudende brandstof, zoals fijn gemalen kool.

De reactor 1 is voorzien van twee tegenover elkaar opgestelde bran-5 ders 2 aangebracht in de zijwand 3 van de reactor. Ter bescherming van de zijwand 3 tegen de hoge bedrijfstemperatuur, is een hittebestendige isolatie 4 aangebracht aan de binnenzijde daarvan. Zoals getoond in Figuur 1 is de isolatie 4 bij voorkeur opgebouwd uit meerdere lagen. Het inwendige van de reactor 1 is onderverdeeld in een reactiezone 5, een koelzone 6, 10 en een gasuitlaat 7. De reactiezone 5 wordt van de koelzone 6 gescheiden door een scheidingswand 8 waarin bij voorkeur centraal een slakaf-voeropening 9 is aangebracht. Het niet getoonde bovengedeelte van de gasuitlaat 7 is voorzien van middelen voor het koelen van het gas alvorens het gas de reactor 1 verlaat. De koelzone 6 is voorzien van een 15 uitlaatopening 10 voor de afvoer van gestolde en gekoelde slak. Deze uitlaatopening 10 is verbonden met een niet getoond sluizensysteem voor het reduceren van de druk, In de koelzone 6 bevindt zich een cilindrisch element 11 voor het vrijhouden van de slakafvoeropening 9. Zoals getooid in de figuren bevindt dit element zich in het verlengde van de slakaf-20 voeropening 9.

Voor de nu volgende gedetailleerde bespreking van het schoonmaak-element 11 wordt verwezen naar Figuur 2. Het cilindrische schoonmaak-element 11 waarvan de diameter is afgestemd op de grootte van de slakafvoeropening 9, is voorzien van een enkel- of meervoudig schroeflijn-25 vormige schraaorand aangebracht aan de buitenzijde van het element.

Het in Figuur 2 getoonde schoonmaakelement is voorzien van een tweevoudig j schroeflijnvormige schraaprand 12.Het element 11 is verbonden met een hydraulische cilinder 13 voor het op en neer bewegen van het element.

Deze hydraulische cilinder 13 is aangebracht door een opening 14 in een 30 wand 15 die de begrenzing vormt van de koelzone 6. De slag die de zuiger van de hydraulische cilinder 13 kan maken dient zodanig te zijn dat in de bovenste stand het schoonmaakelement 11 door de slakafvoeropening 9 heen steekt. Cm het element 11 inwendig te kunnen koelen is het hol uitgevoerd, waarbij de holle ruimte 16 in verbinding staat met een 8300950

v V

- 6 - leiding 17 die op zijn beurt verbonden is met een draaibaar koel vloeistof toevoerorgaan 18, via welke koelvloeistof kan worden toegevoerd aan het element 11. De afvoer van koelvloeistof uit de holte 16 kan plaatsvinden door de zijwaarts gerichte kanalen 19 die zodanig zijn aangebracht 5 dat tijdens gebruik de koelvloeistof tevens zorgt voor de koeling van de schraaprand 12. Het schoonmaakelement 11 is voorts gekoppeld aan een aan-drijfwiel 20 voor het doen roteren van dit element. Het aandrijfwiel 20 wordt op zijn beurt aangedreven door een niet getoond aandrijfmechanisme.

De werking van de bovenomschreven reactor voor bijvoorbeeld het 10 bereiden van synthesegas is als volgt. Poedervormige brandstof, een ondermaatse hoeveelheid zuurstof en eventueel een moderator gas worden via de branders 2 toegevoerd aan de reactiezone 5 van de reactor 1. De partiële verbranding levert als waardevol produkt synthesegas op en als bijprodukt slak. Het gevormde gas verlaat de reactiezone 5 via de gasuitlaat 7. De 15 temperatuur in de reactiezone 5 dient op een zodanig niveau gehouden te worden dat de gevormde slak vloeibaar blijft en langs de wand van de reactor naar de slakafvoeropening 9 in de scheidingswand 8 kan stromen.

Via de slakafvoeropening 9 treedt de slak de koelzone 6 binnen, in*welke zone een waterbad staat. De slak valt vervolgens in het waterbad, alwaar 20 het stolt en verder afgekoeld wordt. Via de uitlaatopening 10 wordt de slak regelmatig als een slurrie afgevoerd.

Daar de temperatuur in de koelzone ongeveer 100°C is terwijl de stoltemperatuur van slak vele malen hoger ligt zal het vaak voorkanen dat de slak reeds bij de slakafvoeropening gaat stollen en zich gaat afzetten 25 op de scheidingswand 8, zodat de afvoeropening geblokkeerd wordt. Blokkering van de slakafvoeropening kan ook geschieden door incidentele instabiliteit van het proces, waardoor bijvoorbeeld ongeconverteerde kool de opening binnentreedt. Continu bedrijf kan nu gewaarborgd worden door tijdens bedrijf de slakafvoeropening 9 regelmatig schoon te maken. Hier-30 toe wordt het cilindrische element 11 naar boven geschoven met behulp van de hydraulische zuiger 13 en in de slakafvoeropening 9 gebracht terwijl het element tegelijkertijd geroteerd wordt door aandrijving van het aandrijfwiel 20. De schraaprand 12 zorgt er nu voor dat afzettingen gevormd door sterk visceuze slak en/of gedeeltelijk geconverteerde of on- 8300950 - 7 - geconverteerde kool naar beneden getrokken wordt. Tegelijkertijd kan koelvloeistof, toegevoerd via de leiding 17 aan de holle ruimte 16 in het element, door de kanalen 19 naar buiten gespoten worden. Deze koelvloeistof koelt niet alleen het cilindrische element 11 en de schraap-5 rand 12 maar zorgt er tevens voor dat afzettingen in de afvoeropening 9 gemakkelijk verwijderd kunnen worden en zich niet aan de schraaprand hechten. Tenminste tijdens de opgaande beweging door de slakafvoer-opening wordt het element met een zodanige snelheid geroteerd dat op de afzettting een neerwaartse kracht wordt uitgeoefend die ervoor zorgt dat 10 de afzetting door de afvoeropening naar de koelzone 6 gestuwd wordt. Het zal duidelijk zijn dat deze gewenste rotatiesnelheid gerelateerd is aan de axiale verplaatsing van het cilindrische element 11 en aan de spoed van de schroeflijnvormige schraaprand 12.

De frequentie waarmee de slakafvoeropening dient te worden schoon-15 gemaakt is afhankelijk van de mate van slakafzetting, welke op zijn beurt afhankelijk is van het type koolstofhoudende brandstof en de bedrijf scondities. In de rusttoestand is het cilindrische element bij voorkeur ondergedcmpeld in het waterbad in de koelzone 6. In deze situatie is het niet nodig het element inwendig te koelen.

20 In de getoonde uitvoeringsvorm is de hydraulische cilinder 13 aan gebracht in een stomp die bevestigd is aan de onderzijde van de reactor, in welke stomp de reactordruk heerst. Het rotatieaandrijftiechanisme alsmede de koelvloeistofvoorziening voor element 11 bevinden zich daarentegen buiten deze stomp. Het zal duidelijk zijn dat laatstgenoemde 25 elementen ook ingebracht kunnen worden in de reactor of in een stomp ' daaraan, ofschoon de getoonde uitvoering de voorkeur verdient in verband met de betere toegankelijkheid.

In plaats van een slakafvoer via een zijdelings geplaatste slakaf-voer 10 kan de slakafvoer ook centraal plaatsvinden via de stomp waarin 30 de hydraulische cilinder 13 is geplaatst.

De getoonde schroeflijnvormige schraaprand is in het bijzonder geschikt voor zeer hardnekkige afzettingen gevormd door viskeuze slak en/of gedeeltelijk geconverteerde of ongeconverteerde kool.

Tenslotte dient opgmerkt te worden dat het cilindrische element 8300950 k - 8 - gekoppeld kan worden aan op zich bekende regelapparatuur voor het automatisch intermitterend op en neer bewegen van genoemd element ter plaatse van de slakafvoeropening. Wanneer de slakafzettingen minder ernstig zijn kan ook gebruik gemaakt worden van eenvoudiger schraapranden, zoals 5 bijvoorbeeld een enkele schraaprand aan de bovenzijde van het element, waarbij ook de roterende beweging van het schoonmaakelement tijdens gebruik achterwege kan blijven.

4 8300950

Claims

1. Werkwijze voor het geheel of gedeeltelijk verbranden van een koolstofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas in een re-actiezone, waarbij het gevormde gas bij het boveneinde van de reac-tiezone wordt afgevoerd en de gevormde slak bij het ondereinde van 5 de reactiezone wordt afgevoerd naar een lager gelegen koelzone via een slakafVoeropening aangebracht in een scheidingswand tussen de reactiezone en de koelzone, in welke koelzone zich een koelvloeistof bevindt voor het afkoelen en stollen van de slak, met het kenmerk, dat tijdens het verbrandingsproces de slakafVoeropening wordt 10 opengehouden door intermitterend het van een schraaprand voorziene bovengedeelte van een zich in de rusttoestand geheel in de lager gelegen koelzone bevindend cilindrisch element op en neer door de slakafVoeropening te bewegen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tenminste 15 tijdens zijn beweging het cilindrische element gekoeld wordt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het cilindrische element nagenoeg verticaal door de slakafVoeropening bewogen wordt.

4. Werkwijze volgens èèn of meer van de conclusies 1 tot en 20 met 3, met het kenmerk, dat in de rusttoestand het bovengedeelte van het cilindrische element in de koelvloeistof ondergedompeld is.

5. Werkwijze volgens èén of meer van de conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat het cilindrische element hydraulisch of pneumatisch bewogen wordt.

6. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat het cilindrische element voorzien is van een langs de omtrek aangebrachte schroeflijnvormige schraaprand waarbij het element tenminste bij de opwaartse beweging door de slakafVoeropening met een zodanige snelheid geroteerd wordt dat op de slak ter plaatse van 8300950 - 10 - de slakafvoeropening een neerwaartse kracht wordt uitgeoefendT"

7. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot en met 6, met het kenmerk, dat het cilindrische elanent tijdens het bewegen door de slakafvoeropening gekoeld wordt.

8. Reactor voor het geheel of gedeeltelijk verbranden van een kool- stofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas, welke reactor een reactiezone omvat en een lager gelegen koelzone waarin zich tijdens bedrijf een koelvloeistof bevindt en voorzien is van een gasafvoer bij het boveneinde van de reactiezone en een slakaftap bij het ondereinde 10 yan de koelzone, waarbij de reactiezone gescheiden wordt van de koelzone door een scheidingswand voorzien van een slakafvoeropening, met het kenmerk, dat in de koelzone een zich coaxiaal met de slakafvoeropening bevindend cilindrisch elanent is aangebracht, welk element nabij het boveneinde voorzien is van een schraaprand en middelen aanwezig zijn voor het 15 op en neer bewegen van het cilindrische element door de slakafvoeropening.

9. Reactor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het cilindrische elanent .voorzien is van een tenminste om het bovengedeelte aangebrachte schroeflijnvormige schraaprand, en middelen aanwezig zijn voor het doen roteren van het cilindrische element.

10. Reactor volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat het cilin drische element hol is en voorzien is van een toevoer en een afvoer voor het circuleren van koelvloeistof door het holle gedeelte in het cilindrische element.

11. Reactor volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het cilindrische 25 element voorzien is van tenminste èèn opening voor het toevoeren van t koelvloeistof vanuit de holle ruimte in het elanent naar de buitenzijde van het element nabij de schraaprand.

12. Reactor volgens èên of meer van de conclusies 8 tot en met 11, met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn voor het hydraulisch of 30 pneumatisch op en neer bewegen van het cilindrische element.

13. Reactor volgens één of meer van de conclusies 8 tot en met 12, met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn voor het automatisch intermitterend op en neer door de slakafvoeropening bewegen van het cilindrische element. 8300950