DE102007006980B4

DE102007006980B4 - Process for the gasification of solid fuels in the fluidized bed under elevated pressure

Info

Publication number: DE102007006980B4
Application number: DE102007006980A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Meyer; Peter Dr. Seifert; Steffen Dr. Krzack; Sirko Ogriseck; Hardy Rauchfuss; Mathias Rieger; Michael Trompelt; Stefan Guhl
Original assignee: Bergakademie Freiberg
Current assignee: Bergakademie Freiberg
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: DE102007006980A1

Abstract

Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes eines Wirbelschichtvergasers abgezogen werden und wobei Vergasungsmittel mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in den Vergasungsraum eingedüst werden, dadurch gekennzeichnet,
– dass erste Vergasungsmittel in die Wirbelschicht und zweite Vergasungsmittel in das Freeboard eingedüst werden,
– dass die zweiten Vergasungsmittel weit überwiegend oder vollständig aus Sauerstoff (> 60 Vol.-%) bestehen und mindestens 20% und höchstens 50% des insgesamt dem Vergasungsraum zugeführten Sauerstoffes und 0% bis höchstens 25% des insgesamt dem Vergasungsraum zugeführten Wasserdampfes umfassen,
– und dass die zweiten Vergasungsmittel über mindestens eine Vergasungsmitteldüse in einer Höhe von 1 m bis 5 m über der oberen Begrenzung der Wirbelschicht mit Gasströmungsgeschwindigkeiten von > 20 m/s in das Freeboard eingedüst werden.Process for the gasification of solid fuels in the fluidized bed under elevated pressure using Vergasungsmittelgem mixtures consisting of oxygen and water vapor and / or carbon dioxide, wherein dust-laden raw gas on the top and bottom product are withdrawn from the bottom side of the gasification chamber of a fluidized bed gasifier and wherein gasification agents are injected with different compositions in the gasification chamber , characterized,
- that first gasification agents are injected into the fluidized bed and second gasification agents in the freeboard,
That the second gasification agents consist predominantly or completely of oxygen (> 60% by volume) and comprise at least 20% and at most 50% of the total oxygen fed to the gasification space and 0% to at most 25% of the total water vapor supplied to the gasification space,
- And that the second gasification agents are injected via at least one gasification agent nozzle at a height of 1 m to 5 m above the upper boundary of the fluidized bed with gas flow velocities of> 20 m / s in the freeboard.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes des Wirbelschichtvergasers abgezogen werden und bei dem auf eine externe Nachbehandlung der Feinstäube nahezu verzichtet werden kann.The The invention relates to a process for the gasification of solid fuels in the fluidized bed under elevated Pressure using Vergasungsmittelgemischen consisting from oxygen and water vapor and / or carbon dioxide, being dust laden Crude gas on the top and bottom product on the bottom of the gasification room be deducted from the fluidized bed gasifier and in which an external Post-treatment of fine dust can be almost dispensed with.

Der Vergasungsraum des Wirbelschichtvergasers besteht üblicherweise aus einer Wirbelschicht und einem über der Wirbelschicht angeordnetem Freeboard. In die Wirbelschicht und häufig auch in das Freeboard werden die Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen, die in so genannten Düsenebenen auf unterschiedlicher Höhe des Vergasungsraumes angeordnet sind, eingedüst. Die Vergasungsmittel bestehen in der Regel aus Sauerstoff O₂ und Wasserdampf H₂O (g) oder Luft. Es kann auch Kohlendioxid CO₂ als Vergasungsmittel vorgesehen werden.The gasification space of the fluidized-bed gasifier usually consists of a fluidized bed and a freeboard arranged above the fluidized bed. In the fluidized bed and often in the freeboard, the gasification means are injected by means of Vergasungsmitteldüsen, which are arranged in so-called nozzle levels at different heights of the gasification chamber. The gasification agents are usually oxygen O ₂ and water vapor H ₂ O (g) or air. It is also possible to provide carbon dioxide CO ₂ as a gasification agent.

Die bei der Vergasung fester Brennstoffe im Vergasungsraum des Wirbelschichtvergasers entstehenden Vergasungsrückstände bestehen aus Aschen und Restkoksen. Sofern im Vergasungsraum flüssige Brennstoffe oder zu entsorgende Flüssigkeiten mitvergast werden, kommen deren Vergasungsrückstände, die sich aus mineralischen oder metallischen Rückständen und Restkoksen (bestehend aus Kokskohlenstoff und Aschen) zusammensetzen, hinzu. Die Vergasungsrückstände sind hinsichtlich ihrer Körnung in grobkörnige und feinkörnige Vergasungsrückstände zu unterteilen. Erstere werden unterseitig des Vergasungsraumes als Bodenprodukt abgezogen, letztere verlassen den Vergasungsraum oberseitig mit dem Rohgas als Feinstäube. Die Feinstäube werden in einem dem Wirbelschichtvergaser nachgeschalteten Staubabscheider aus dem staubbeladenen Rohgas abgeschieden. Auf Grund des hohen Anteils an Kokskohlenstoff müssen die Feinstäube weiter aufbereitet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, sie einer externen Feuerung zuzuführen. Hierzu müssen die Feinstäube unter Druck abgekühlt, aus dem Drucksystem ausgeschleust und schließlich einem Verbrennungskessel zugeführt werden. Nach der Verbrennung werden die Verbrennungsaschen aus den Rauchgasen abgeschieden. Der Prozess der thermischen Behandlung ist mehrstufig, sehr aufwendig und mindert die Effizienz des Gesamtprozesses.The in the gasification of solid fuels in the gasification chamber of the fluidized bed gasifier resulting gasification residues exist from ashes and residual cokes. If in the gasification room liquid fuels or liquids to be disposed of mitvergast be come their gasification residues, which are made of mineral or metallic residues and Combine residual cokes (consisting of coking carbon and ashes) added. The gasification residues are in terms of their grain size in coarse grained and fine-grained To divide gasification residues. The former are the bottom of the gasification room as a bottom product subtracted, the latter leave the gasification room with the top the raw gas as fine dust. The fine dusts be in a the fluidized bed gasifier downstream dust collector separated from the dust-laden raw gas. Due to the high Share of coking coal the fine dusts be further processed. One possibility is they an external furnace supply. For this have to the fine dusts cooled under pressure, discharged from the pressure system and finally a combustion boiler be supplied. After combustion, the combustion ash from the flue gases deposited. The process of thermal treatment is multi-level, very complex and reduces the efficiency of the overall process.

Eine weitere Möglichkeit, die Feinstäube nachzubehandeln, besteht darin, sie in den Wirbelschichtvergaser zurückzuführen und auf diese Weise deren Verweilzeit im Vergasungsraum zu erhöhen. Bei der Vergasung bilden sich allerdings sehr feinkörnige Aschen, die ebenfalls mit dem Rohgas ausgetragen werden. Die Beladung des staubbeladenen Rohgases mit diesen feinkörnigen Aschen würde so stark ansteigen, dass eine vollständige Rückführung der Feinstäube nicht mehr möglich wäre. Ein großer Teil der Feinstäube müsste unter Inkaufnahme der vorstehend beschriebenen Nachteile weiterhin in einer externen Nachverbrennung nachbehandelt werden.A another possibility to treat the fine dust, is due to them in the fluidized bed gasifier and in this way to increase their residence time in the gasification room. at The gasification, however, form very fine-grained ashes, which also be discharged with the raw gas. The loading of the dust-laden Raw gas with these fine-grained Ashes would increase so much that a complete return of fine dust not more is possible would. One greater Part of the fine dust should continuing to accept the disadvantages described above be post-treated in an external afterburning.

Zur Lösung des Problems wird in DE 44 13 923 A1 vorgeschlagen, mindestens eine Teilmenge der Feinstäube über eine mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebene und zugleich als Staubbrenner ausgebildete Vergasungsmitteldüse in einer Höhe bis zu 3 m oberhalb der Wirbelschicht in den Wirbelschichtvergaser einzutragen, wobei das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel einen Anteil von mehr als 20 Vol.-% Sauerstoff enthalten soll. Angestrebt werden die thermische Zersetzung der mit den Feinstäuben mitgeführten organischen Spurenstoffe und eine Einbindung anorganischer Spurenstoffe in die Matrix der Asche. Als besonders vorteilhaft wird eine Verfahrensführung beschrieben, bei welcher die Aschebestandteile in der Sauerstoff-Flamme über den Erweichungspunkt aufgeheizt und agglomeriert werden. Das Vergasungsmittel soll auch mehr als 30 Vol.-% Sauerstoff enthalten. Der Vorschlag ist leider ebenfalls nicht geeignet, die Feinstäube vollständig thermisch nachzubehandeln, da in der Sauerstoff-Flamme nicht die gesamte Asche der zurückgeführten Feinstäube granuliert werden kann. Ein großer Teil der Asche fällt weiterhin als sehr feinkörnige Asche an und reichert sich im Rohgas soweit an, dass auf eine externe Nachbehandlung nicht verzichtet werden kann.To solve the problem is in DE 44 13 923 A1 proposed to enter at least a subset of the fine dusts via a gasification agent nozzle operated with an oxygen-containing gasifying agent and at the same time as a dust burner at a height of up to 3 m above the fluidized bed in the fluidized bed gasifier, wherein the oxygen-containing gasification agent accounts for more than 20% by volume of oxygen should contain. The aim is the thermal decomposition of the organic trace substances entrained with the fine dusts and the incorporation of inorganic trace substances into the matrix of the ash. A process procedure is described as being particularly advantageous in which the ash constituents in the oxygen flame are heated above the softening point and agglomerated. The gasification agent should also contain more than 30 vol .-% oxygen. Unfortunately, the proposal is also not suitable to completely treat the fine dust thermally, since in the oxygen flame, not all the ash of the recycled particulate matter can be granulated. A large part of the ash continues to accumulate as very fine-grained ash and accumulates in the raw gas to the extent that can not be dispensed with an external aftertreatment.

EP 30 323 B1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material, wobei ein Vergasungsmittelgemisch aus sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel und Dampf und/oder Kohlendioxid in das Wirbelbett und über mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen in den Nachreaktionsraum eingeführt werden. Die Vergasungsmittel werden derart verteilt und dosiert in den Nachreaktionsraum eingeführt, dass oberhalb des Wirbelbettes eine möglichst gleichbleibend hohe Temperatur entlang der Reaktorachse im Bereich der Vergasungsmittelzufuhr eingehalten wird, und die Temperatur im Nachreaktionsraum in diesem Bereich nicht tiefer liegt als die Temperatur des aus dem Wirbelbett austretenden Gases. EP 30 323 B1 beschreibt die Prozessführung bei maximalen Temperaturen unterhalb des Ascherweichungs- bis Ascheschmelzpunktes. EP 30 323 B1 discloses a method of operating a fluidized bed reactor for gasifying carbonaceous material wherein a gasification mixture of oxygen-containing gasification agent and steam and / or carbon dioxide are introduced into the fluidized bed and into the post-reaction space via at least three injection zones arranged along the reactor longitudinal axis. The gasification agents are distributed and metered introduced into the post-reaction that above the fluidized bed as constant as possible high temperature along the reactor axis in the gasification agent supply is maintained, and the temperature in the post-reaction chamber in this area is not lower than the temperature exiting from the fluidized bed gas. EP 30 323 B1 describes the process control at maximum temperatures below the ash softening to ash melting point.

DE 197 48 043 C2 beinhaltet ein Verfahren zum Betrieb eines Vergasungs- und Schmelzofens, wobei ein Vergasungsmittelgemisch aus Luft, Dampf und Sauerstoff in die Wirbelschicht, in das Bett sowie in den Nachreaktionsraum eingedüst werden. Auch hier ist deutlich ausgeführt, dass, um Betriebsstörungen zu vermeiden, Temperaturen eingestellt werden, die unterhalb des Schmelzpunktes der Asche liegen. DE 197 48 043 C2 includes a method for operating a gasification and melting furnace, wherein a gasification mixture of air, steam and oxygen are injected into the fluidized bed, in the bed and in the post-reaction space. Again, it is clearly stated that to avoid malfunctions, temperatures are set below the melting point of the ash.

In EP 1 201 731 A1 wird ein Verfahren beschrieben, das die Granulation der Aschebestandteile in der Wirbelschicht mittels Eindüsung zusätzlicher Vergasungsmittel, die sich durch einen höheren Sauerstoffgehalt und/oder eine höhere Temperatur auszeichnen, bewirken soll. Der Sauerstoffgehalt ist dabei ≥ 21 Vol.-% und/oder die Vorwärmung ≥ 400°C. Dieser Vorschlag eröffnet ebenfalls keine Lehre, wonach die aus dem Wirbelschichtvergaser austretenden Feinstäube vollständig thermisch nachbehandelt werden können. Dies liegt zum einen darin begründet, dass infolge der starken Feststoffvermischung in der Wirbelschicht nur in lokal eng begrenzten Gebieten vor den Vergasungsmitteldüsen so hohe Temperaturen erreicht werden, dass die Aschebestandteile agglomerieren können. Da zum anderen der Kohlenstoffgehalt in der Wirbelschicht sehr hoch ist (> ca. 60 Ma.-% bezogen auf den Feststoff), kann selbst in diesen Gebieten nur von einem geringen Anteil an feinkörnigen Aschen ausgegangen werden, der durch die Verbrennung freigesetzt wird und zur Agglomeration zur Verfügung steht. Der überwiegende Teil der feinkörnigen Aschen befindet sich außerhalb der Flammen, wird nicht agglomeriert und mit dem Rohgas ausgetragen. Eine externe Nachbehandlung der Feinstäube ist auch hier weiterhin unumgänglich.In EP 1 201 731 A1 describes a method which is intended to effect the granulation of the ash components in the fluidized bed by means of injection of additional gasifying agents which are characterized by a higher oxygen content and / or a higher temperature. The oxygen content is ≥ 21 vol .-% and / or the preheating ≥ 400 ° C. This proposal also does not teach, according to which the exiting from the fluidized bed gasifier fine dust can be completely thermally treated. This is due to the fact that due to the strong solid mixture in the fluidized bed so high temperatures are reached only in locally narrow areas before the gasification agent that the ash components can agglomerate. On the other hand, since the carbon content in the fluidized bed is very high (> approx. 60% by mass based on the solids), even in these areas only a small proportion of fine-grained ashes released by combustion can be assumed Agglomeration is available. The majority of the fine-grained ashes are located outside the flames, are not agglomerated and discharged with the raw gas. An external aftertreatment of fine dust is still essential here.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Behandlung von Feinstäuben bei der Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter erhöhtem Druck bereitzustellen, das es gestattet, auf eine externe Nachbehandlung der Feinstäube möglichst vollständig zu verzichten.The The object of the invention is a method of treatment of fine dusts in the fluidized bed gasification of solid fuels under elevated pressure which allows for an external after-treatment fine dust preferably Completely to renounce.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes des Wirbelschichtvergasers abgezogen werden und wobei Vergasungsmittel mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in den Vergasungsraum eingedüst werden, dadurch gelöst,

– dass die dem Vergasungsraum insgesamt zugeführten Vergasungsmittel in erste und zweite Vergasungsmittel aufgetrennt werden,
– dass die ersten Vergasungsmittel in die Wirbelschicht und die zweiten Vergasungsmittel in das Freeboard eingedüst werden,
– dass die zweiten Vergasungsmittel weit überwiegend oder vollständig aus Sauerstoff (> 60 Vol.-%) bestehen und mindestens 20% und höchstens 50% des insgesamt zugeführten Sauerstoffes und 0% bis höchstens 25% des insgesamt zugeführten Wasserdampfes umfassen
– und dass die zweiten Vergasungsmittel über mindestens eine Vergasungsmitteldüse in einer Höhe von 1 m bis höchstens 5 m über der oberen Begrenzung der Wirbelschicht mit Gasströmungsgeschwindigkeiten von > 20 m/s in das Freeboard eingedüst werden.

According to the invention the object is achieved by a process for the gasification of solid fuels in the fluidized bed under elevated pressure using Vergasungsmittelgemischen consisting of oxygen and water vapor and / or carbon dioxide, wherein dust-laden raw gas on the top side and bottom product are subtracted on the underside of the gasification space of the fluidized bed gasifier and wherein gasification agent with different Injected compositions into the gasification room, thereby solved

- That the total gasification agent supplied to the gasification space are separated into first and second gasification agent,
That the first gasification agents are injected into the fluidized bed and the second gasification agents are injected into the freeboard,
- That the second gasification means largely or entirely of oxygen (> 60 vol .-%) and comprise at least 20% and at most 50% of the total oxygen supplied and 0% to at most 25% of the total supplied water vapor
- And that the second gasification agents are injected via at least one gasification agent nozzle at a height of 1 m to no more than 5 m above the upper boundary of the fluidized bed with gas flow velocities of> 20 m / s in the freeboard.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass bei geeigneter Auftrennung und Zuführung der Vergasungsmittel die Asche der zurückgeführten Feinstäube in ihrer Körnung durch Schmelzagglomeration überwiegend bis vollständig soweit vergrößert werden kann, dass die sich bildenden Schmelzagglomerate nach unten sinken und als Bodenprodukt aus dem Wirbelschichtvergaser ausgetragen werden. Durch diese Form der thermischen Nachbehandlung wird dem Rohgas genügend Feinstaub entzogen, um die im Rohgas verbleibenden und im Staubabscheider abgeschiedenen Feinstäube weitestgehend bis vollständig in den Wirbelschichtvergaser zurückführen zu können.The Invention makes use of the knowledge that with suitable Separation and feeding the gasification agent the ashes of the recycled fine dust in their granulation by melt agglomeration predominantly until complete so far enlarged can that the melting enamel agglomerates drop down and discharged as a bottom product from the fluidized bed gasifier. By this form of thermal treatment is the raw gas enough Particulate matter withdrawn to those remaining in the raw gas and in the dust separator separated fine dust largely to complete attributed to the fluidized bed gasifier can.

Bei der Durchführung der Schmelzagglomeration spielt die Strömungszirkulation oberhalb der Wirbelschicht eine zentrale Rolle. Im Freeboard des Wirbelschichtvergasers oberhalb der so genannten Splash-Zone bildet sich eine Zone der zentralen Aufwärtsströmung mit nach oben hin abnehmenden Beladungen an Feinstäuben und eine die Zone der zentralen Aufwärtsströmung umfassende, ringförmige Zone der Abwärtsströmung mit nach unten hin zunehmenden Beladungen an Feinstäuben aus. Der Strömungsquerschnitt der Zone der zentralen Aufwärtsströmung erweitert sich nach oben hin und umfasst spätestens am Vergaserkopf den zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt des Vergasungsraumes. In der erfindungsgemäßen Weise werden die zweiten Vergasungsmittel, die überwiegend bis vollständig aus Sauerstoff (> 60 Vol.-%) bestehen, mit hoher Geschwindigkeit (> 20 m/s) in diese zentrale Aufwärtsströmung eingedüst. Dadurch steigt die Temperatur in der Aufwärtsströmung vorrangig durch die homogenen, exothermen Reaktionen der Gasverbrennung, bei der aus den Brenngasen (Wasserstoff H₂, Kohlenmonoxid CO und Methan CH₄) Kohlendioxid CO₂ und Wasserdampf H₂O entstehen, sehr stark an. Damit die zweiten Vergasungsmittel durch die Zone der ringförmigen Abwärtsströmung in die Zone der zentralen Aufwärtsströmung gelangen, sind Gasaustrittsgeschwindigkeiten von mindestens 20 m/s ausreichend.When performing melt agglomeration, the flow circulation above the fluidized bed plays a central role. In the freeboard of the fluidized bed gasifier above the so-called splash zone, a zone of the central upward flow with decreasing loads of particulate matter and forming a zone of the central upward flow, annular zone of the downward flow with downward increasing loadings of fine dust forms. The flow cross section of the zone of the central upward flow widens upward and at the latest at the gasifier head comprises the available flow cross section of the gasification space. In the manner according to the invention, the second gasification agents, which predominantly or completely consist of oxygen (> 60% by volume), are injected at high velocity (> 20 m / s) into this central upward flow. As a result, the temperature rises in the upward flow primarily by the homogeneous, exothermic reactions of gas combustion, in which arise from the fuel gases (hydrogen H ₂ , carbon monoxide CO and methane CH ₄ ) carbon dioxide CO ₂ and water vapor H ₂ O, very strong. For the second gasification agents to pass through the zone of annular downflow into the zone of central upflow, gas exit velocities of at least 20 m / s are sufficient.

Durch die hohen Reaktionsgeschwindigkeiten der homogenen Oxidationsreaktionen („gemischt ist gleich reagiert”) kommt es oberhalb des Ortes der Zuführung der zweiten Vergasungsmittels zu einer in der Längsausdehnung begrenzten hot spot-Zone in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung. Die spontan einsetzende Volumenexpansion sorgt für eine intensive Quervermischung, die mit einer Verbreitung der hohen Temperaturen über den Querschnitt der Aufwärtsströmung einhergeht. Nahezu der gesamte Feinstaub muss diese hot spot-Zone mit höchsten Temperaturen passieren.Due to the high reaction rates of the homogeneous oxidation reactions ("mixed is the same reaction") occurs above the location of the supply of the second gasification agent to a limited in the longitudinal extent hot spot zone the zone of the central upward flow. The spontaneous volume expansion provides for intensive cross-mixing, which is accompanied by a proliferation of high temperatures across the cross-section of the upward flow. Almost all of the fine dust has to pass through this hot spot zone with the highest temperatures.

Der Temperaturanstieg in dieser Zone ist größer, wenn die Beladung des Gases mit Kokskohlenstoff geringer ist und umgekehrt. Mit steigender Beladung an Kokskohlenstoff nehmen die endothermen, heterogenen Vergasungsreaktionen zu und es kommt zu einer Dämpfung des Temperaturanstieges. Die Eindüsung der zweiten Vergasungsmittel ist bezüglich der Temperaturerhöhung oberhalb der Wirbelschicht (ab ca. 1 m oberhalb der Wirbelschicht) und besonders in den feststoffarmen Strömungsgebieten oberhalb der Splash-Zone (bis ca. 5 m oberhalb der Wirbelschicht) wirkungsvoll. Werden nun mindestens 20% und höchstens 50% des insgesamt zugeführten Sauerstoffes und 0 bis höchstens 25% des insgesamt zugeführten Wasserdampfes als zweite Vergasungsmittel zugeführt, steigen die Temperaturen in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung auf Werte, die in Höhe oder oberhalb der Erweichungstemperaturen der feinen Aschen liegen. Dabei muss prozentual mehr Sauerstoff zugeführt bzw. der Volumenanteil des Sauerstoffes erhöht werden, je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Ascheerweichungstemperatur und der Temperatur der Wirbelschicht und je größer die Konzentration an Kokskohlenstoff ist. Dabei ist zu beachten, dass durch die Auftrennung der Vergasungsmittel die Temperatur, die sich in der Wirbelschicht einstellt, der kinetischen Reaktionsendtemperatur näher kommt, wobei der höhere Anteil endotherm reagierender Vergasungsmittel zu einem höheren Kohlenstoffumsatz in der Wirbelschicht führt. Die kinetische Reaktionsendtemperatur wird von der Reaktionsfähigkeit des Kokskohlenstoffes und damit von den Eigenschaften der eingesetzten Brennstoffe bestimmt. Die Temperaturdifferenz zwischen der Ascheerweichungstemperatur und der Wirbelschichttemperatur wird im Folgenden als Temperaturfenster für die endothermen Reaktionen bezeichnet.Of the Temperature rise in this zone is greater when the loading of the Gas with coking coal is lower and vice versa. With increasing load of coking carbon take the endothermic, heterogeneous gasification reactions too and there is a damping the temperature increase. The injection of the second gasification agent is re the temperature increase above the fluidized bed (from about 1 m above the fluidized bed) and especially in the low-solids flow areas above the Splash Zone (to about 5 m above the fluidized bed) effectively. At least now 20% and at most 50% of the total Oxygen and 0 to at most 25% of the total Water vapor fed as a second gasification agent, the temperatures rise in the zone of the central upward flow Values that are in the amount or above the softening temperatures of the fine ashes. there must be fed percentage of more oxygen or the volume fraction of the oxygen increases the bigger the Temperature difference between the ash softening temperature and the temperature of the fluidized bed and the greater the concentration of coking carbon is. It should be noted that by the separation of the gasification agent the temperature that sets in the fluidized bed, the kinetic Closing reaction temperature closer comes, the higher one Proportion of endothermic gasification agents to a higher carbon turnover in the fluidized bed leads. The kinetic reaction end temperature is determined by the reactivity of the coking carbon and thus of the properties of the used Fuels determined. The temperature difference between the ash softening temperature and the fluidized bed temperature is hereinafter referred to as the temperature window for the termed endothermic reactions.

Im Falle eines kleinen Temperaturfensters von ca. < 200 K ist es möglich, die zweiten Vergasungsmittel kurz oberhalb der Wirbelschicht in der Splash-Zone oder sogar am oberen Ende der Wirbelschicht einzudüsen.in the In the case of a small temperature window of approx. <200 K, it is possible to use the second gasification agents just above the fluidized bed in the splash zone or even on the inject the upper end of the fluidized bed.

In der Zone der zentralen Aufwärtsströmung werden nahezu die gesamten mit der Gasströmung mitgeführten feinen Aschen zumindest erweicht, geschmolzen und agglomeriert. Die hohen Temperaturen der Schmelzagglomeration begünstigen die eluatfeste Einbindung flüchtiger Alkalien und Schwermetalle in die sich bildende Schlacke. Durch die mit der Agglomeration einhergehende Kornvergrößerung können die Schmelzagglomerate vom Gasstrom nicht mehr getragen werden. Sie gelangen in die ringförmige Abwärtsströmung und somit nach unten in die Wirbelschicht und von dort in den Bodenabzug.In the zone of the central upward flow almost all of the fine ashes entrained with the gas flow at least softened, melted and agglomerated. The high temperatures of the Favor fusion agglomeration the eluatfeste integration of volatile Alkalis and heavy metals in the forming slag. By The grain enlargement associated with the agglomeration can be the Melt agglomerates are no longer carried by the gas stream. she enter the annular downflow and thus down into the fluidized bed and from there into the bottom draw.

Die endothermen, heterogenen Reaktionen der Vergasung des mitgeführten Kokskohlenstoffes mit Kohlendioxid CO₂ und Wasserdampf H₂O laufen deutlich langsamer als die homogenen Verbrennungsreaktionen ab. Sie kommen mit zunehmender Höhe in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung sowie in der Zone der ringförmigen Abwärtsströmung zum Tragen. Dadurch bedingt, sinken die Temperaturen in diesen Gebieten auf Werte unter die Ascheerweichungstemperaturen, so dass weder am Gasaustritt des Wirbelschichtvergasers noch in Wandnähe die Gefahr der Anhaftung erweichter oder geschmolzener Aschepartikel besteht.The endothermic, heterogeneous reactions of the gasification of the entrained coking carbon with carbon dioxide CO ₂ and water vapor H ₂ O proceed much more slowly than the homogeneous combustion reactions. They come into play with increasing altitude in the zone of the central upflow as well as in the zone of the annular downflow. As a result, the temperatures in these areas fall to values below the ash softening temperatures, so that there is no risk of adhesion of softened or melted ash particles neither at the gas outlet of the fluidized bed gasifier nor near the wall.

Die im konkreten Anwendungsfall einzustellenden Werte des prozentual zuzuführenden Sauerstoffes und der Konzentration des Sauerstoffes der zweiten Vergasungsmittel werden entsprechend der jeweiligen Brennstoffe und der Bedingungen des Wirbelschichtvergasers angepasst. Um die Aufgabe der Agglomeration der Asche im gewünschten Umfang zu erfüllen, wird prozentual so wenig wie möglich Sauerstoff und in so geringer Konzentration wie möglich eingesetzt. Als weiterer Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass durch die hohen Temperaturen in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung organische Spurenstoffe gegenüber dem Stand der Technik stärker thermisch zersetzt und daher die Konzentrationen insbesondere der aromatischen Kohlenwasserstoffe wie Benzol und Naphthalin abgesenkt werden.The values to be set in the concrete case of application supplied Oxygen and the concentration of oxygen of the second Gasification agents are made according to the respective fuels and the conditions of the fluidized bed gasifier adapted. To the To fulfill the task of agglomeration of ashes to the desired extent is percent as little oxygen as possible and used in as low a concentration as possible. As another Advantage of the invention is to call that by the high temperatures in the zone of the central upward flow organic Against trace substances the state of the art stronger thermally decomposed and therefore the concentrations in particular the lowered aromatic hydrocarbons such as benzene and naphthalene become.

Anhand des in 1 dargestellten, stark vereinfachten Schemas soll die Erfindung näher erläutert werden. In den Wirbelschichtvergaser (1) wird mittels des Kohleeintrags (2) Trockenbraunkohle (3) mit einem Wassergehalt von 12 Ma.-% und einer Ascheerweichungstemperatur von 1100°C eingebracht. Der Vergasungsraum (4) des Wirbelschichtvergasers (1) besteht aus der Wirbelschicht (5) und dem Freeboard (6) über dem oberen Ende (7) der Wirbelschicht (5). Die Wirbelschicht (5) befindet sich im unteren Teil Vergasungsraumes (4) des Wirbelschichtvergasers (1). Als Vergasungsmittel (8) werden Sauerstoff (9) und Wasserdampf (10) zugeführt. Volumenstrom und Zusammensetzung der insgesamt zugeführten Vergasungsmittel (8) werden so eingestellt, dass sich eine Gastemperatur am Gasaustritt (11) des Wirbelschichtvergasers (1) von 1000°C einstellt. Für die Auftrennung und die Zuführung der Vergasungsmittel (8) ist die Kenntnis des Temperaturfensters wichtig, das im vorliegenden Fall etwa 250 K beträgt, da sich in der Wirbelschicht eine Temperatur von ca. 850°C einstellt.Based on the in 1 illustrated, greatly simplified schemes, the invention will be explained in more detail. In the fluidized bed gasifier ( 1 ) by means of the coal entry ( 2 ) Dry brown coal ( 3 ) having a water content of 12% by mass and an ash softening temperature of 1100 ° C. The gasification room ( 4 ) of the fluidized bed gasifier ( 1 ) consists of the fluidized bed ( 5 ) and the freeboard ( 6 ) above the upper end ( 7 ) the fluidized bed ( 5 ). The fluidized bed ( 5 ) is located in the lower part of the gasification room ( 4 ) of the fluidized bed gasifier ( 1 ). As gasification agent ( 8th ) become oxygen ( 9 ) and water vapor ( 10 ). Volume flow and composition of total supplied gasification agent ( 8th ) are adjusted so that a gas temperature at the gas outlet ( 11 ) of the fluidized bed gasifier ( 1 ) of 1000 ° C. For the separation and the supply of the gasification agent ( 8th ), the knowledge of the temperature window is important, which in the present case is about 250 K, since in the fluidized bed a Temperature of about 850 ° C sets.

Sauerstoff (9) und Wasserdampf (10) der Vergasungsmittel (8) werden aufgetrennt in ersten Sauerstoff (12) und ersten Wasserdampf (13) der ersten Vergasungsmittel (14) sowie in zweiten Sauerstoff (15) und zweiten Wasserdampf (16) der zweiten Vergasungsmittel (17). Der erste Sauerstoff (12) und der erste Wasserdampf (13) werden in die Wirbelschicht (5) eingedüst. Die Eindüsung erfolgt mittels der Vergasungsmitteldüsen (18), verteilt auf drei Düsenebenen (19). Der zweite Sauerstoff (15) und der zweite Wasserdampf (16) werden im Mischer (20) gemischt und in das Freeboard (6) eingedüst. Die Eindüsung erfolgt mittels der auf der Düsenebene (21) angeordneten Vergasungsmitteldüsen (22), die gleichmäßig verteilt über den Umfang des Wirbelschichtvergasers (1) sind. Die Düsenebene (21) befindet sich 3 m über dem oberen Ende (7) der Wirbelschicht (5). Die Vergasungsmitteldüsen (22) sind horizontal und radial ausgerichtet.Oxygen ( 9 ) and water vapor ( 10 ) of the gasification agent ( 8th ) are separated into first oxygen ( 12 ) and first steam ( 13 ) of the first gasification agent ( 14 ) as well as in second oxygen ( 15 ) and second water vapor ( 16 ) of the second gasification agent ( 17 ). The first oxygen ( 12 ) and the first water vapor ( 13 ) are added to the fluidized bed ( 5 ) injected. The injection takes place by means of the gasification agent nozzles ( 18 ), distributed on three nozzle levels ( 19 ). The second oxygen ( 15 ) and the second water vapor ( 16 ) are used in the mixer ( 20 ) and into the Freeboard ( 6 ) injected. The injection takes place by means of the nozzle level ( 21 ) arranged gasification ( 22 ) distributed evenly over the circumference of the fluidized bed gasifier ( 1 ) are. The nozzle level ( 21 ) is 3 m above the upper end ( 7 ) the fluidized bed ( 5 ). The gasifying agent nozzles ( 22 ) are aligned horizontally and radially.

Die mengenmäßige Auftrennung der Vergasungsmittel (8) wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockenbraunkohle (3) erläutert. Auf 1 kg Trockenbraunkohle (3) werden insgesamt 0,35 m³ (i. N.) Sauerstoff (9) und 0,18 kg Wasserdampf (10) zugeführt und mengenmäßig aufgetrennt in die ersten Vergasungsmittel (14), bestehend aus 0,21 m³ (i. N.) Sauerstoff (12) und 0,144 kg ersten Wasserdampf (13) und in die zweiten Vergasungsmittel (17), bestehend aus 0,14 m³ (i. N.) zweiten Sauerstoff (14) und 0,036 kg zweiten Wasserdampf (15). Der Sauerstoffgehalt der zweiten Vergasungsmittel (17) beträgt 73 Vol.-%. Die zweiten Vergasungsmitteln (17) umfassen 40% des insgesamt zugeführten Sauerstoffes (9) und 20% des insgesamt zugeführten Wasserdampfes (10). Die zweiten Vergasungsmittel (17) werden mit einer Gasaustrittsgeschwindigkeit von 30 m/s in das Freeboard (6) eingedüst.The quantitative separation of the gasification agents ( 8th ), for reasons of clarity, on the basis of one kilogram of dry lignite ( 3 ) explained. On 1 kg of dry lignite ( 3 ), a total of 0.35 m ³ (i.n.) of oxygen ( 9 ) and 0.18 kg of water vapor ( 10 ) and quantitatively separated into the first gasification agent ( 14 ) consisting of 0.21 m ³ (i.n.) of oxygen ( 12 ) and 0.144 kg of first water vapor ( 13 ) and the second gasification agents ( 17 ), consisting of 0.14 m ³ (i.N.) second oxygen ( 14 ) and 0.036 kg of second water vapor ( 15 ). The oxygen content of the second gasification agent ( 17 ) is 73% by volume. The second gasification agents ( 17 ) comprise 40% of the total oxygen supplied ( 9 ) and 20% of the total supplied water vapor ( 10 ). The second gasification agents ( 17 ) with a gas outlet velocity of 30 m / s into the freeboard ( 6 ) injected.

Durch die Zuführung der zweiten Vergasungsmittel (17) in das Freeboard (6) bildet sich oberhalb der Zuführung in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung (23) eine hot spot-Zone (24) mit einer Längsausdehnung von mehreren Metern aus. In dieser hot spot-Zone (24) stellen sich Temperaturen von im Mittel 1200 bis 1500°C ein. In der Zone der zentralen Aufwärtsströmung (23) werden nahezu die gesamten mit der Gasströmung mitgeführten feinen Aschen zumindest erweicht, geschmolzen und agglomeriert. Die Schmelzagglomerate gelangen in die Zone der ringförmigen Abwärtsströmung (25) und somit nach unten in die Wirbelschicht (5) und von dort in den Bodenabzug 26).By supplying the second gasification agent ( 17 ) in the freeboard ( 6 ) forms above the feed in the zone of the central upward flow ( 23 ) a hot spot zone ( 24 ) with a longitudinal extent of several meters. In this hot spot zone ( 24 ) are temperatures of on average 1200 to 1500 ° C a. In the zone of the central upflow ( 23 ) almost all of the entrained with the gas flow fine ashes are at least softened, melted and agglomerated. The melt agglomerates enter the zone of the annular downflow ( 25 ) and thus down into the fluidized bed ( 5 ) and from there into the bottom outlet 26 ).

Die staubbeladenen Rohgase (27), die den Wirbelschichtvergaser (1) über den Gasaustritt (11) verlassen, enthalten nur noch so wenig Feinstaub, um die im Rohgas (27) verbleibenden und in den nachfolgenden Staubabscheidern, wie Zyklon und Kerzenfilter (hier nicht dargestellt), abgeschiedenen Feinstäube weitestgehend bis vollständig in den Wirbelschichtvergaser (1) zurückführen zu können.The dust-laden crude gases ( 27 ), which the fluidized bed gasifier ( 1 ) via the gas outlet ( 11 ), contain only so little particulate matter to the in the raw gas ( 27 ) and in the subsequent dust collectors, such as cyclone and candle filter (not shown here), separated fine dust as far as possible completely into the fluidized bed gasifier ( 1 ).

11: WirbelschichtvergaserFluidized bed gasifier
22: Kohleeintragcoal entry
33: TrockenbraunkohleDry lignite
44: Vergasungsraumgasification chamber
55: Wirbelschichtfluidized bed
66: Freeboardfreeboard
77: oberes Ende der Wirbelschichtupper End of the fluidized bed
88th: Vergasungsmittelgasification agent
99: Sauerstoffoxygen
1010: WasserdampfSteam
1111: Gasaustrittgas outlet
1212: erster Sauerstofffirst oxygen
1313: erster Wasserdampffirst Steam
1414: erste Vergasungsmittelfirst gasification agent
1515: zweiter Sauerstoffsecond oxygen
1616: zweiter Wasserdampfsecond Steam
1717: zweite Vergasungsmittelsecond gasification agent
1818: VergasungsmitteldüsenGasification agent nozzles
1919: Düsenebenennozzle levels
2020: Mischermixer
2121: Düsenebenenozzle plane
2222: VergasungsmitteldüsenGasification agent nozzles
2323: Zone der zentralen AufwärtsströmungZone the central upflow
2424: hot spot-Zonehot spot-zone
2525: Zone der ringförmigen AbwärtsströmungZone the annular downflow
2626: Bodenabzugfloor deduction
2727: staubbeladene Rohgasedust-laden raw gases

Claims

Process for the gasification of solid fuels in the fluidized bed under elevated pressure using Vergasungsmittelgem mixtures consisting of oxygen and water vapor and / or carbon dioxide, wherein dust-laden raw gas on the top and bottom product are withdrawn from the bottom side of the gasification chamber of a fluidized bed gasifier and wherein gasification agents are injected with different compositions in the gasification chamber , characterized in that - first gasification agents are injected into the fluidized bed and second gasification agents are injected into the freeboard, - the second gasification agents consist predominantly or completely of oxygen (> 60% by volume) and at least 20% and at most 50% of the total oxygen supplied to the gasification space and from 0% to at most 25% of the total water vapor supplied to the gasification space, and in that the second gasification agent has at least one gasifying agent nozzle at a height from 1 m to 5 m above the upper boundary of the fluidized bed with gas flow velocities of> 20 m / s are injected into the freeboard.

Method according to claim 1, characterized in that that in the case of small temperature window of about <200 K, the second gasification agent at the upper end of the fluidized bed to about 2 m above the fluidized bed injected become.

Method according to claim 1, characterized in that that in the case of temperature windows> 200 K, the second gasification agents in a height of 2 to 5 m above the fluidized bed are injected.