DE102007027601A1

DE102007027601A1 - Herstellung und Kühlung von gasförmigen Kohlevergasungsprodukten

Info

Publication number: DE102007027601A1
Application number: DE200710027601
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Kowoll
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-18
Also published as: CL2008001725A1; TW200923065A; WO2009006964A3; WO2009006964A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von festen feinkörnigen oder staubförmigen Brennstoffen unter Druck bei erhöhter Temperatur zur Herstellung eines Nutzgases mit Synthesegascharakter, wobei die festen und die gasförmigen Reaktionsprodukte durch jeweils separate Sammeleinrichtungen und Öffnungen aus dem Reaktor abgeführt werden und die flüssigen Reaktionsprodukte direkt aus dem Reaktor in eine Wasser enthaltende Vorrichtung überführt werden und dann durch eine Einrichtung zum Entspannen und Ausschleusen aus dem druckdichten System ausgetragen werden können und die Sammeleinrichtung und Öffnung für die gasförmigen Reaktionsprodukte auf der Reaktorinnenseite mit einer kragenförmigen Ausbuchtung versehen ist, hinter der die gasförmigen Reaktionsprodukte in im Wesentlichen vertikal abwärts gerichteter Strömung aus dem Reaktor geführt werden und unmittelbar hinter dem Reaktor in einem sogenannten Quenchrohr mit einem Fremdgas zur Abführung der inneren Energie gemischt werden, wobei die sich verfestigenden Schmelzen als Feststoffe durch Einwirkung der Schwerkraft in eine Wasser enthaltende Vorrichtung geführt werden und aus dem Reaktor ausgetragen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung von Gasen, wie sie bei der Vergasung von festen brennbaren Materialien durch Erhitzen mit einem sauerstoff- und wasserdampfhaltigen Vergasungsmittel unter Druck entstehen.
Beim Erhitzen von festen staubförmigen oder feinkörnigen Brennstoffen mit einem sauerstoff- oder wasserdampfhaltigen Vergasungsmittel oder Reaktionsgas erhält man ein gasförmiges Vergasungsprodukt, das je nach Ausgangsstoff im wesentlichen Synthesegascharakter besitzt und flüssige Bestandteile wie Asche und Schlacke enthält. Diese Feststoffvergasung wird im Wesentlichen als Flammenreaktion durchgeführt. Als Brennstoff wird häufig Kohle eingesetzt, mögliche Brennstoffe können aber auch Petrolkoks oder biologische Brennmaterialien sein. Der eingesetzte Brennstoff wird weitgehend umgesetzt und man erhält feste Begleitstoffe wie Schlacke oder Flugasche, die nur einen geringen Anteil an unvergastem Kohlenstoff enthalten. Das erhaltene Nutzgas kann gereinigt werden und für verschiedene Zwecke weiterverwendet werden. Das erhaltene Nutzgas findet insbesondere Anwendung in synthetischen Prozessen.
Die eigentliche Vergasungsreaktion findet bei Temperaturen statt, die oberhalb des Erstarrungspunktes der Asche liegen. Typische Reaktionsführungen der genannten Prozesse liegen bei Temperaturen von 1200 bis 2500°C und Drücken von 0,3 bis 7,0 MPa. An der Reaktorwand wird Schlacke abgeschieden, die entlang der Wand abwärts fließt. Ein Teil der feinkörnigen Asche verlässt den Reaktor mit dem Nutzgas.
Der Reaktionsraum ist meist zylinderförmig gestaltet und besitzt sowohl Einrichtungen zum Zuführen des Brennstoffes als auch des Reaktionsgases. Der zylinderförmige Brennraum befindet sich häufig in einem druckdichten Mantelgefäß, in dem es durch Einrichtungen zur Aufhängung oder Lagerung installiert ist. Das Mantelgefäß nimmt auch die Konstruktion des sogenannten Misch- oder Quenchrohres auf, das sich an den Vergasungsreaktor anschließt und das mit Heiz- oder Kühleinrichtungen versehen sein kann.
Fast alle Vergasungsprozesse der genannten Art haben gemeinsam, dass das gasförmige Vergasungsprodukt nach Durchführung der Vergasung in ein Misch- oder Quenchrohr geführt wird, in dem es mit einem Fremdgas oder einer Flüssigkeit vermischt wird und dadurch seine hohe innere Energie dissipativ abgeben kann. Dieser Prozess wird auch als Quenchen bezeichnet. Im Verlaufe dieses Prozesses wird das gasförmige Vergasungsprodukt auf niedrigere Temperaturen heruntergekühlt, wobei die als feinverteilte Schmelze mitgeführten Bestandteile teilweise ausfallen und vom Nutzgas abgetrennt werden können. Die Abführung des Vergasungsproduktes aus dem Reaktor durch das Quenchrohr kann aus diesem herausführend sowohl in aufwärts gerichteter als auch in abwärts gerichteter Strömung erfolgen.
Bei einer aufwärts gerichteten Strömung gestaltet sich die Trennung der mitgeführten flüssigen Bestandteile vom Reaktionsgas relativ einfach. Das ausströmende Gas, das nur feine Schlackepartikel enthält, wird nach Austritt aus dem Reaktor mit dem Quenchgas vermischt, so dass die Schlackepartikel erstarren und in den nachgeschalteten Apparaten vom Gas abgetrennt werden können.
DE911313 beschreibt eine Einrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe, in der die eigentliche Vergasungsreaktion in einem speziell geformten kugel- oder birnenförmigen Reaktor durchgeführt wird, der in ein System von feuerfestem Mauerwerk eingelassen ist. Das Vergasungsmittel wird durch seitlich angeordnete Düsen eingedüst und der Brennstoff mittels einer Förderschnecke in den Reaktor befördert. Das erzeugte Nutzgas wird vertikal nach oben durch ein Rohr abgeführt, das mit einem Kühlmantel und mit Zuführungseinrichtungen für ein Kühl- oder Quenchgas versehen ist. Ein Teil der Schlacke fließt durch eine auf der unteren Seite des Reaktors angeordnete Öffnung ab.
EP400740 A1 beschreibt einen Vergasungsreaktor mit einem speziellen Längen-/Durchmesser-Verhältnis, der mit Brennern aus einem tangentialen Winkel befeuert wird. Mit dieser Anordnung lässt sich eine Verringerung der Flugaschemenge erreichen. Auf der oberen Seite des Reaktors befindet sich ein Rohr zur vertikalen, aufwärts gerichteten Abführung des Nutzgases. Auf der unteren Seite befindet sich ein Auslass für flüssige Vergasungsprodukte, die insbesondere in Form von geschmolzener Schlacke anfallen.
US5441547 beschreibt eine Einrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe, in der die eigentliche Vergasungsreaktion in einem zylinderförmigen Reaktor durchgeführt wird. Der Reaktor ist durch Aufnahmevorrichtungen in einem speziellen Mantelgefäß verankert. Die Konstruktion dieses Mantelgefäßes begrenzt die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Regel auch nach außen. Das Nutzgas wird über einen Auslass nach oben in vertikal aufwärts gerichteter Strömung durch ein Rohr geführt, das direkt über dem Auslass mit Zuführungseinrichtungen für ein Quench- oder Kühlgas versehen ist.
Alle Reaktoren mit einem aufwärts gerichteten Gasstrom zur Abführung des Nutzgases besitzen den Nachteil, dass Konstruktionen mit einer großen Höhe errichtet werden müssen, weil die Weglänge für die Vermischung mit Quenchmittel und die Erstarrung der Schlacke relativ groß ist. Die Umlenkung findet stets nach dem Quenchprozess statt, damit keine Ablagerungen durch klebrige Aschepartikel entstehen. Das so erhaltene Rohgas wird durch geeignete Wärmetauscheinrichtungen, Filter oder Wäscher weiterbehandelt.
Bei einer abwärts gerichteten Strömung zur Abführung des Nutzgases aus dem Reaktor wird das gasförmige Vergasungsprodukt durch ein unten am Reaktor konstruiertes Quenchrohr vertikal aus dem Vergaser abgeführt. Bei dieser Vorgehensweise fällt die beim Quenchen anfallende Schlacke durch Einwirkung der Schwerkraft abwärts in ein Schlackebad. Das abgekühlte Gas kann durch geeignete Führungs- oder Umlenkeinrichtungen vor dem Schlackebad umgelenkt werden, wo das so erhaltene Rohgas durch geeignete Wärmetauscheinrichtungen oder Wäscher weiterbehandelt werden kann.
DE4001739 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe, die die Vergasungsprodukte aus dem Reaktor in vertikal nach unten führender Strömung abführt. Über konzentrisch angeordnete Düsen wird der heiße, staubbeladene Gasstrom nach Verlassen des Reaktors im Wesentlichen radial mit Wasser besprüht, so dass feste Vergasungsprodukte gebunden werden und der Gasstrom gleichzeitig gekühlt wird. Das Gas wird dann in einem breiten Mischzylinder von groben festen Bestandteilen befreit und über Leitbleche zur Weiterbehandlung geleitet. Die groben festen Bestandteile werden mit einer schleusenden Vorrichtung aus dem System ausgeschleust.
US4494963 beschreibt eine Einrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe, die die Vergasungsprodukte aus dem Reaktor in vertikal nach unten führender Strömung in aufeinanderfolgenden Kontaktzonen quencht, durch Wärmeaustausch mit einer Kühlflüssigkeit herunterkühlt und gleichzeitig von mitgeführten groben Feststoffen befreit. Das Rohr zur Führung des Quench- und Nutzgases mündet über eine Tauchglocke in ein Reservoir einer Kühlflüssigkeit, in der das gequenchte Gas von Feststoffen befreit und heruntergekühlt wird.
Alle Reaktoren mit einem abwärts gerichteten Gasstrom zur Abführung des Nutzgases besitzen den Nachteil, dass die Schlacke bei dieser Reaktionsführung den Rohrleitungsweg vom Reaktor zu nachgeschalteten Apparaten leicht zusetzen oder verstopfen kann, da das Gas auch gröbere Schlackepartikel enthält, die nur langsam erstarren und mit klebriger Oberfläche durch Turbulenzen und Umlenkungen an die Wände gelangen. Häufig werden breite Mischräume und Rohrleitungen oder hohe Konstruktionen erforderlich, um betriebsfremde Ablagerungen zu vermeiden. Die bekannten Vergasungsanlagen mit Gasaustritt abwärts sind ähnlich hoch wie Vergasungsanlagen mit Austritt aufwärts, da die Zonen Vergasung, Quenchbereich und Schlackeausschleusung in beiden Varianten ähnlich hoch sind und nur die Reihenfolge, in der sie übereinander zusammengebaut werden, anders ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung zu finden, in der das gasförmige Produkt eines Vergasungsprozesses mit einem Quenchgas auf niedrigere Temperaturen gebracht wird. Die festen abgeschiedenen Reaktionsprodukte sollen leicht aus dem Prozess ausschleusbar sein und nicht zur Reaktionsführung wichtige Leitwege durch Ablagerung oder Verkrustung zusetzen. Die Konstruktion soll relativ einfach sein und trotzdem eine optimierte Reinigung und Kühlung des Nutzgases gewährleisten. Die Vorrichtung soll weiterhin zur Vereinfachung des Aufbaus eine im Vergleich zu herkömmlichen Apparaten niedrige Aufbauhöhe besitzen.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kohlevergasung, in der die Vermischung des gas- und staubförmigen Vergasungsproduktes mit Quenchgas in einer vertikal aus dem Reaktor nach unten führenden Rohrleitung in einer im wesentlichen abwärts gerichteten Strömung ausgeführt wird. Ein wesentlicher Teil der Schlacke wird durch eine spezielle Gestaltung des Reaktors bereits an den Seitenwänden des Reaktors abgeschieden. Der Reaktor wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit separaten Seitenöffnungen zur Abführung der Schlacke versehen, über die die bereits im Reaktor abgeschiedenen Feststoffe diesen verlassen, um in einer mit Wasser gefüllten Vorrichtung abgekühlt und danach ausgeschleust werden zu können. Um den Druckbehälter vor den hohen Temperaturen der Schlacke zu schützen, ist der Gasraum unter dieser Öffnung von einer Abschirmung umgeben, die mehrschichtig sein kann und als gekühlte Membranwand ausgeführt werden kann. Das Nutzgas wird über eine zweite Austrittsöffnung separat in ein Abführungsrohr zur Vermischung mit Quenchgas geleitet.
Die Austrittsöffnung für das Nutzgas ist in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der Reaktorinnenseite vorteilhaft mit einer kragenförmigen oder trichterförmigen Ausbuchtung ausgestattet, um ein Abfließen der flüssigen Schlacke in das Gasaustrittsrohr zu verhindern. Um die Bildung einer festen Schlackeschicht in der Ausbuchtung zu verhindern, kann die genannte Ausbuchtung an ihrem unteren Teil keramisch ausgekleidet oder bestiftet und mit einer keramischen Stampfmasse bedeckt sein. Hinter dem Eintritt des Nutzgases in das Mischrohr befindet sich eine Einrichtung zur Zuführung des Quenchmediums. Durch die separate Abführung von flüssigen Vergasungsprodukten und Nutzgas ist die Menge der Schlackepartikel im aus dem Reaktor ausströmenden Gas erheblich geringer. Die Kühlung und Entstaubung des Gases ist einfacher und die Verschmutzungsneigung des Mischrohres wird stark verringert.
In einer Ausführung der Erfindung mündet die Austrittsöffnung zur Abführung der flüssigen Schlacke in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Vorrichtung, die mit Wasser gefüllt ist und in der die Schlacke abkühlen kann. Über eine geeignete Schleusenvorrichtung kann die Schlacke entspannt und aus der mit Wasser gefüllten Vorrichtung und damit aus dem Prozess ausgeschleust werden. Optional befindet sich über der Abführungseinrichtung für Schlacke ein zusätzlicher Gasbrenner zum Verflüssigen sich verfestigender Schlacke.
Beansprucht wird insbesondere ein Verfahren zur Vergasung von festen staubförmigen oder feinkörnigen Brennstoffen unter Druck, das sich dadurch auszeichnet, dass

• die für die Vergasung eingesetzten Brennstoffe bei einer Temperatur von 1200°C bis 2500°C und einem Druck von 0,3 bis 7,0 MPa mit einem sauerstoff- oder wasserdampfhaltigen Material in einem gekühlten Vergasungsreaktor vergast werden, und
• die erhaltenen gasförmigen Vergasungsprodukte durch eine separate Sammeleinrichtung und Öffnung und die erhaltenen flüssigen und festen Vergasungsprodukte durch eine separate Sammeleinrichtung und Öffnung aus dem Vergaser abgeführt werden, und
• die erhaltenen flüssigen Vergasungsprodukte in eine Wasser enthaltende Vorrichtung überführt werden und dann durch eine druckentlastende Vorrichtung ausgetragen werden können, und
• die erhaltenen gasförmigen Vergasungsprodukte aus dem Reaktor in im Wesentlichen in vertikal abwärts gerichteter Strömung geführt werden, und
• die gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem Reaktor in ein Misch- oder Quenchrohr gelangen, wo sie zur Abgabe ihrer hohen inneren Energie mit einem Fremdmedium gemischt und dadurch heruntergekühlt werden.

In einer Ausführung der Erfindung wird als Brennstoff Kohle in feinkörniger oder staubförmiger Konsistenz eingesetzt. Die Brennstoffpartikel haben vorzugsweise einen Durchmesser unter 0,5 mm.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden als Brennstoffe biologische Materialien in feinkörniger oder staubförmiger Konsistenz eingesetzt. Die Brennstoffpartikel haben vorzugsweise einen Durchmesser unter 0,5 mm.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden als Brennstoffe organische Materialien wie z. B. Kunststoffe oder Petrolkoks in feinkörniger oder kleinteiliger Form eingesetzt. Die Brennstoffpartikel haben vorzugsweise einen Durchmesser unter 0,5 mm.
Beansprucht wird außerdem eine Vorrichtung, die sich zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet und dadurch gekennzeichnet ist, dass

• die Vorrichtung ein zylinderförmiges oder ellipsoides Reaktorgefäß umfasst, und
• das Reaktorgefäß zur Abführung der flüssigen und festen Vergasungsprodukte eine separate Sammeleinrichtung und Öffnung besitzt, und
• sich an diese Öffnung ein Raum zur Abführung anschließt, durch das die flüssigen und festen Vergasungsprodukte abgeführt werden können,
• sich unter dem Raum zur Abführung der flüssigen und festen Vergasungsprodukte eine Vorrichtung befindet, in die Wasser eingefüllt werden kann oder die sich zur Aufnahme einer weiteren Vorrichtung eignet, in die Wasser eingefüllt werden kann, so dass die flüssigen und festen Vergasungsprodukte in diese Wasser enthaltende Vorrichtung gelangen können, und
• sich unter der Wasser enthaltenden Vorrichtung für die flüssigen und verfestigten Vergasungsprodukte eine Vorrichtung zum Ausschleusen dieser Produkte befindet, und
• der Vergasungsbrennstoff und das Reaktionsgas entweder durch mindestens zwei seitlich am Reaktor befindliche Brenner oder durch einen Brenner an der Decke zugeführt werden, und
• die Brenneröffnungen der seitlichen Brenner waagrecht in den Brennraum oder aufwärts mit einem Winkel von 0° bis 45° oder sekantial mit einem Winkel von 0° bis 10° in den Brennraum gerichtet sind, und
• das Reaktorgefäß zur Abführung der gasförmigen Vergasungsprodukte eine separate Öffnung und Sammeleinrichtung besitzt, an die sich ein in vertikaler Richtung im Wesentlichen abwärts führender Quenchraum anschließt, und
• an dem Quenchraum Zuführungseinrichtungen für Fremdmedien montiert sind und der Quenchraum durch besondere Einrichtungen von außen gekühlt werden kann, und
• das Reaktorgefäß von einem druckdichten Mantelgefäß umschlossen ist, durch das die gesamte Konstruktion begrenzt wird.

Das eigentliche Reaktionsgefäß ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt zylinderförmig gestaltet, kann aber zur besseren Konstruktionsausführung eine ellipsoide Form besitzen. Ein Reaktor für das erfindungsgemäße Verfahren besitzt in der Regel mindestens zwei Brenner, obwohl auch eine Fahrweise mit einem Brenner möglich ist. Die Brenner beheizen den Reaktor durch Zuführung von Reaktionsgas und gemahlenem Brennstoff und können seitlich installiert sein oder auch an der Decke des Reaktors. Bei einer seitlichen Installation ist es vorteilhaft, den Brenner über eigens hierfür vorgesehene Aufhängungen am druckdichten Mantelgefäß zu stützen. Bei einer seitlichen Installation kann der Brenner sowohl waagrecht in den Brennraum gerichtet sein als auch aufwärts mit einem Winkel von 0° bis 45° oder sekantial mit einem Winkel von 0° bis 10°.
Zur Verbesserung der Vergasungsreaktion und der Befeuerungsführung können die Reaktionspartner und insbesondere das Brenngas mit einem Drall versehen werden. Hierzu eignen sich bei an der Decke befindlichen Brennern kleine Leitbleche am Brennerausgang oder spezielle Brennerformen.
Je nach Ausführungsart kann der Brennstoff auf verschiedene Art in den Reaktor eingeführt werden. So kann der feste Brennstoff in Staubform über ein separates Zuführungsrohr über den Brenner in den Reaktor geführt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Brennstoff über eine am Deckel angebrachte separate Öffnung in den Reaktor einzutragen. Besonders vorteilhaft befindet sich dazu vor der Öffnung eine geeignete Fördereinrichtung, die den Brennstoff über die Öffnung in den Reaktor drückt. Zu einer solchen Förderung kann man beispielsweise eine Förderschnecke benutzen. Diese Zuführungsart eignet sich besonders für Stoffe, die sich schlecht in Staubform in den Reaktor bringen lassen. Als Beispiel seien hier Kunststoffe oder organische Schadstoffe genannt.
In einer Ausführung der Erfindung wird der Reaktor an der Innenwand gekühlt. Die Innenwände des Reaktorgefäßes sind in der Regel mit Metallstiften und keramischer Masse bedeckt. Die Innenwände des Reaktors können auch mit Siedewasser berieselt werden. Die Zuführung des Brennmaterials erfolgt bevorzugt in feinteiliger oder staubförmiger Konsistenz. Das sauerstoff- oder wasserdampfhaltige Reaktionsgas wird über Brenner zugeführt, die an den Seiten oder am Deckel des Reaktionsgefäßes montiert werden. Als Reaktionsgas kann auch reiner Sauerstoff verwendet werden. Die Vergasungsreaktion wird gewöhnlich in einer Staubwolke durchgeführt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die im Nutzgas enthaltene Schlacke nach dem Austritt aus dem Vergaser durch den Quenchprozess abgekühlt und dadurch verfestigt. Als Quenchgase können verschiedene Gase eingesetzt werden, bevorzugt als Quenchgas werden insbesondere gekühltes Nutzgas, Wasserdampf, Stickstoff oder ein Edelgas oder ein Gemisch dieser Gase. Auch ein flüssiges Quenchmittel, z. B. aus dem Prozess zurückgeführtes Wasser, kann eingesetzt werden. Die Länge des Quenchrohres richtet sich in der Regel nach der Größe des Reaktors. Als Richtlinie gilt, dass die Entfernung der obersten Stelle der Einspeisung des Quenchmediums im Rohr vom Reaktorboden kleiner als 10 Reaktordurchmesser sein soll.
Trifft das heiße Nutzgas auf das Quenchmedium, so erfährt dieses durch den Prozess der dissipativen Energieabgabe einen starken Wärmeverlust. Dies ist mit einem Verfestigen mitgeführter flüssiger Vergasungsprodukte verbunden. Zur besseren Intensivierung der Vermischung kann das Quenchrohr in seinem Verlauf mit einem oder mehreren trichterförmigen Einschnürungen versehen sein, durch die sich der Durchmesser des Mischrohres verringert. Es ist auch möglich, das Quenchrohr zu diesem Zweck von innen mit Vorrichtungen zu versehen, durch die der Gasstrom trichterförmig gebündelt wird. Dies können beispielsweise eine ringförmige Metallschürze oder eine ringförmige Keramikblende sein. Dadurch wird die Vermischung mit dem Quenchmedium und das Verfestigen mitgeführter flüssiger Vergasungsprodukte erleichtert. Um die Wände des Quenchraums vor flüssigen Partikeln zu schützen, kann die Eindüsung des Quenchmediums entlang des Quenchraumes in mehreren Ebenen erfolgen.
Zur weiteren Kühlung des Nutzgases kann in den Gasstrom ein flüssiges Kühlungsmedium eingesprüht werden. Oberhalb der trichterförmigen Einschnürung wird das Kühlungsmedium vorteilhaft als Flachstrahl parallel zu der Trichteroberfläche eingedüst. Unterhalb der trichterförmigen Einschnürung ist es vorteilhaft, das flüssige Kühlungsmedium als Spray parallel zum Nutzgasstrom einzusprühen. Die Eindüsung des Kühlungsmediums kann entlang des Quenchraumes ebenfalls in mehreren Ebenen erfolgen.
In einer Ausführung der Erfindung befindet sich unter dem Mischrohr eine Vorrichtung, die Wasser enthält oder zur Aufnahme einer Vorrichtung geeignet ist, die Wasser enthält, in das ein Teil der bei dem Quenchprozess verfestigten festen Be standteile des Nutzgases durch Einwirkung der Schwerkraft und Trägheit überführt werden kann. Die in der mit Wasser gefüllten Vorrichtung anfallenden festen Bestandteile oder das feststoffbeladene Wasser können gegebenenfalls mit Pumpen aus dem Prozess ausgeschleust werden.
In einer weiteren Ausführung befindet sich zur Abführung des gereinigten Nutzgases über der mit Wasser gefüllten Vorrichtung ein Austrittsrohr, das das Nutzgas umlenkt und weiterführt. Dieses Gas enthält dann nur noch Feststoffpartikel von geringer Korngröße. Die Umlenkung des Gasstroms zur Weiterführung erfolgt vom Quenchraum ausgehend mit einem oder mit mehreren Rohren bevorzugt in einem Winkel von über 90°. Es ist auch möglich, den Winkel zur Umlenkung des Rohrs für das Nutzgas kleiner zu gestalten. In diesem Fall ist jedoch der Feststoffanteil an dem weitergeführten Gas leicht erhöht. Der Quenchraum kann zur Entfernung von gröberen Feststoffanteilen insbesondere vor Einmündung in der mit Wasser gefüllten Vorrichtung mit einer Sichtereinrichtung versehen sein. Durch die Installation von solchen Einrichtungen, wobei hier beispielhaft ein Strahlumlenksichter genannt ist, lässt sich gröberes Schlacke- oder Aschematerial aus dem Quenchraum ausführen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung mündet das Austrittsrohr nach der Umlenkung in ein System zur weiteren Abkühlung und Reinigung des Nutzgases. Zur Befreiung des Nutzgases von Verunreinigungen kann das Umlenkungsrohr in oder in unmittelbarer Umgebung der Umlenkungsstelle mit einer Vorrichtung zur Entfernung von Flüssigkeitstropfen versehen sein. Beispiele hierfür sind Tropfenabscheider oder Gitterböden.
Die weitere Abkühlung und Reinigung des Nutzgases nach der Ausführung aus dem System erfolgt vorzugsweise durch Vermischung mit Wasser. Die direkte Kühlung des Gases mit Wasser bewirkt gleichzeitig eine Teilverdampfung von Wasser, wodurch der Wasserdampfgehalt im gekühlten Vergasungsprodukt erhöht wird. Die Vorgehensweise umfasst häufig den Einsatz von Wäschern, bei denen das zu kühlende Gas insbesondere im Gegenstrom mit Wasser bedüst oder berieselt werden kann. Dadurch wird die Temperatur des Gases zurückgeführt und das Gas gleichzeitig von festen Verunreinigungen und flüssigen oder gasförmigen wasserlöslichen Substanzen befreit.
Der aus dem System ausgeleitete Gasstrom kann nach der Reinigung und Kühlung einer katalytischen Konvertierung von oxidierbaren toxischen Gasen (COS, CO, HCN) und/oder einer Sorption von sauren oder basischen korrosiven Gasen (HCl, NH₃, H₂S) unterzogen werden. Zur Verbesserung der Energieausbeute des Prozesses kann vom Vergasungsgasstrom nach dem Austritt aus dem Vergaser wenigstens ein Teilstrom einem Wärmetauscher zugeführt werden. Die Durchführung durch den Wärmetauscher kann an einer beliebigen Stelle nach dem Austritt aus dem Vergaser durchgeführt werden. Bevorzugt wird dieser Prozess nach der Durchführung des Quenchprozesses ausgeführt, um den Vorgang des Wärmetausches nicht durch mitgeführte Schlacke zu behindern.
Optional kann dem Prozess beim Anfahren ein Gas, wie Wasserdampf oder CO₂ zugeführt werden. Dadurch ist es je nach Prozessführung möglich, die Ausbeute an erwünschten Nutzgas zur erhöhen oder die Reaktionsführung der Vergasungsreaktion zu erleichtern.
Zur Ermöglichung einer regelmäßigen Inspektion und zur Erleichterung der Instandhaltung des Reaktorsystems ist insbesondere der Ringraum zwischen dem Reaktorgefäß und der druckdichten Mantelkonstruktion begehbar. Hierzu befinden sich in den oberen Böden des Druckbehälters und in der Seitenwand des Druckbehälters unterhalb des Vergaserbodens Mannlöcher. Auch das Reaktionsgefäß kann zur Ermöglichung einer Begehung Mannlöcher enthalten.
Die beschriebene erfindungsgemäße Konstruktion weist den Vorzug einer einfachen Abtrennung von festen und gasförmigen Reaktionsprodukten eines Vergasungsprozesses auf. Dadurch ist die Konstruktion, insbesondere im Vergleich mit Konstruktionen im Stand der Technik, preiswerter herzustellen und effizienter in der Reinigung des herzustellenden Nutzgases. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere deutlich niedrigere Aufbauhöhen im Vergleich zu herkömmlichen Apparaten auf, die dem Stand der Technik entsprechen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe wird anhand von drei Zeichnungen genauer erläutert, wobei das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Ausführungsart eines Vergasungsreaktors. Die eigentliche Vergasung findet im Reaktionsraum 1 bei Temperaturen von 1200 bis 2500°C und einem Druck von 0,3 bis 7,0 MPa statt. Der Reaktionsraum oder Reaktor selbst wird durch die Vergaserinnenwand 2 abgeschlossen. Die gesamte Reaktorvorrichtung ist in einen Druckbehälter 3 integriert, der sowohl als Halterungseinrichtung dient als auch die Aufrechterhaltung des hohen Druckes ermöglicht. Das Reaktionsgas wird über die Brenner 4 zugeführt. Die Vergasung liefert flüssige Vergasungsprodukte, die sich an den Seitenwänden 2 des Reaktors niederschlagen und über die Austrittsöffnung 5 ausfließen können. Die Austrittsöffnung 5 mündet in eine mit Wasser gefüllte Vorrichtung 9, durch die die abgekühlten festen Vergasungsprodukte zu einer Schleuse 10 gelangen und ausgeschleust werden können. Die gasförmigen Vergasungsprodukte oder das Nutzgas werden über die Austrittsöffnung 6 aus dem Reaktor ausgeführt. Diese Öffnung besitzt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf der Reaktorinnenseite 2 eine kragenförmige Ausbuchtung 6a, so dass die Schlacke nicht in diese Austrittsöffnung 6 gelangen kann. Auf der Außenseite des Reaktors 2 befindet sich an der Austrittsöffnung 6 eine Zuführungseinrichtung 7 für das Quenchgas. Dieses wird mit dem Nutzgas vermischt und gelangt in das Mischrohr 8. Hier kühlt sich das Nutzgas ab, so dass mitgeführte Schmelzen und Dämpfe in den festen Aggregatzustand übergehen und durch die Wirkung der Schwerkraft und Trägheit teilweise in die mit Wasser gefüllte Vorrichtung 14 überführt werden. Vor dieser mit Wasser gefüllten Vorrichtung befindet sich ein Umlenkungsrohr 12, durch das das Nutzgas zur Weiterbehandlung geleitet werden kann. Das gequenchte und gereinigte Nutzgas wird über das Ausführungsrohr 13 abgeführt. Soll ein mit Umweltschadstoffen kontaminierter Brennstoff im Vergaser entsorgt werden, so kann der Brennstoff auch über eine Zuführungseinrichtung 11 zugegeben werden.
2 zeigt beispielhaft eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsart eines Vergasungsreaktors. Die eigentliche Vergasung findet im Reaktionsraum 1 bei Temperaturen von 1200 bis 2500°C und einem Druck von 0,3 bis 7,0 MPa bar statt. Der Reaktionsraum oder Reaktor selbst wird durch die Vergaserinnenwand 2 abgeschlossen. Die gesamte Reaktorvorrichtung ist in einen Druckbehälter 3 integriert, der sowohl als Halterungseinrichtung dient als auch die Aufrechterhaltung des hohen Druckes ermöglicht. Das Reaktionsgas wird über die Brenner 4 zugeführt. Die Vergasung liefert flüssige Vergasungsprodukte, die sich an den Seitenwänden 2 des Reaktors niederschlagen und über die Austrittsöffnung 5 ausfließen können. Die Austrittsöffnung 5 mündet in eine mit Wasser gefüllte Vorrichtung 9, wonach die abgekühlten festen Vergasungsprodukte zu einer Schleuse 10 gelangen und ausgeschleust werden. Die gasförmigen Vergasungsprodukte oder das Nutzgas werden über die Austrittsöffnung 6 aus dem Reaktor ausgeführt. Diese Öffnung besitzt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf der Reaktorinnenseite 2 eine kragenförmige Ausbuchtung 6a, so dass die Schlacke nicht in diese Austrittsöffnung gelangen kann. Auf der Außenseite des Reaktors 2 befindet sich an der Austrittsöffnung 6 eine Zuführungseinrichtung 7 für das Quenchgas. Dieses wird im Wesentlichen parallel zu der Mischleitung eingespeist und im Mischrohr 8 mit dem Nutzgas vermischt. Über den Austragsstutzen 13 wird das Nutzgas einer Weiterverarbeitung zugeführt. Soll ein mit Umweltschadstoffen kontaminierter Brennstoff im Vergaser entsorgt werden, so kann der Brennstoff auch über eine Zuführungseinrichtung 11 zugegeben werden.
3 zeigt beispielhaft eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsart eines Vergasungsreaktors. Die eigentliche Vergasung findet im Reaktionsraum 1 bei Temperaturen von 1200 bis 2500°C und einem Druck von 0,3 bis 7,0 MPa bar statt. Der Reaktionsraum oder Reaktor selbst wird durch die Vergaserinnenwand 2 abgeschlossen. Die gesamte Reaktorvorrichtung ist in einen Druckbehälter 3 integriert, der sowohl als Halterungseinrichtung dient als auch die Aufrechterhaltung des hohen Druckes ermöglicht. Das Reaktionsgas wird über die Brenner 4 zugeführt. Die Vergasung liefert flüssige Vergasungsprodukte, die sich an den Seitenwänden des Reaktors 2 niederschlagen und über die Austrittsöffnung 5 ausfließen können. Die Austrittsöffnung 5 mündet in eine mit Wasser gefüllte Vorrichtung 9, wonach die abgekühlten festen Vergasungsprodukte zu einer Schleuse 10 gelangen und ausgeschleust werden. Um den Druckbehälter 3 vor zu hoher Temperatur zu schützen, kann der Gasraum unter der Öffnung 5 durch eine ein- oder mehrschichtige Abschirmung 16 umgeben sein. Die gasförmigen Vergasungsprodukte oder das Nutzgas werden über die Austrittsöffnung 6 aus dem Reaktor ausgeführt. Diese Öffnung besitzt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine kragenförmige Ausbuchtung 6a, so dass die Schlacke nicht in diese Austrittsöffnung gelangen kann. Auf der Außenseite des Reaktors 2 befinden sich an der Austrittsöffnung 6 Zuführungseinrichtungen 7 für das Quenchgas. Zusätzlich kann das Nutzgas direkt nach dem Quenchprozess noch zur Kühlung mit einem Wasserdampfspray aus seitlich angeordneten Düsen 7a bedüst werden. Dieses wird im Wesentlichen parallel zu der Mischleitung eingespeist und im Mischrohr 8 mit dem Nutzgas vermischt. Die verfestigten Bestandteile werden in eine mit Wasser gefüllte Vor richtung 14 überführt. Zur Abscheidung der beigemischten Flüssigkeitstropfen und Trocknung des Nutzgases wird dieses durch einen Dampf- oder Tropfenabscheider 15 geleitet. Schließlich erhält man über den Austragsstutzen 13 das gereinigte und gekühlte Nutzgas. Soll ein mit Umweltschadstoffen kontaminierter Brennstoff im Vergaser entsorgt werden, so kann der Brennstoff auch über eine Zuführungseinrichtung 11 zugegeben werden.

1: Reaktionsraum mit Vergasungsreaktion
2: Reaktorgefäß
3: Druckdichtes Mantelgefäß
4: Brenner
5: Austrittsöffnung für die flüssigen Vergasungsprodukte
6: Austrittsöffnung für die gasförmigen Vergasungsprodukte
6a: Kragenförmige Ausbuchtung des Mischrohres auf der Innenseite des Reaktors
7: Zugabe des Quenchgases
7a: Zugabe des Wassersprays
8: Misch- oder Quenchrohr
9: Wasser enthaltende Vorrichtung für feste Produkte der Vergasungsreaktion (Schlacke)
10: Ausschleusvorrichtung für feste Vergasungsprodukte (Schlacke)
11: Zuführungsvorrichtung für Brennstoff
12: Umlenkrohr
13: Ausführungsrohr für gasförmige Vergasungsprodukte (Nutzgas)
14: Wasser enthaltende Vorrichtung
15: Tropfenabscheider
16: Leitblech

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 911313 [0007]
- EP 400740 A1 [0008]
- US 5441547 [0009]
- DE 4001739 A1 [0012]
- US 4494963 [0013]

Claims

Verfahren zur Vergasung von festen staubförmigen oder feinkörnigen Brennstoffen unter Druck, wobei feste Brennstoffe und ein sauerstoff- oder wasserdampfhaltiges oder sauerstoff- und wasserdampfhaltiges Reaktionsgas und Einrichtungen, die als Brenner genutzt werden können, zum Einsatz kommen, dadurch gekennzeichnet, dass • die für die Vergasung eingesetzten Brennstoffe bei einer Gasaustrittstemperatur von 1200°C bis 2500°C und einem Druck von 0,3 bis 7,0 MPa mit einem sauerstoff- oder wasserdampfhaltigen Material in einem gekühlten Vergasungsreaktor vergast werden, und • die erhaltenen gasförmigen Vergasungsprodukte durch eine separate Sammeleinrichtung und Öffnung und die erhaltenen flüssigen und festen Vergasungsprodukte durch eine separate Sammeleinrichtung und Öffnung aus dem Vergaser abgeführt werden, und • die erhaltenen flüssigen Vergasungsprodukte in eine Wasser enthaltende Vorrichtung überführt werden und dann als feste Produkte durch eine druckentlastende Vorrichtung ausgetragen werden können, und • die erhaltenen gasförmigen Vergasungsprodukte aus dem Reaktor in im Wesentlichen in vertikal abwärts gerichteter Strömung geführt werden, und • die gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem Reaktor in ein Misch- oder Quenchrohr gelangen, wo sie zur Abgabe ihrer hohen inneren Energie mit einem Fremdmedium gemischt und dadurch heruntergekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Brennstoffe Kohle, Petrolkoks oder biologische Materialien verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feinkörnigen Brennstoffe einen Durchmesser unter 0,5 mm besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff durch eine separate Öffnung und Fördereinrichtung in den Reaktor gefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsreaktion in einer Staubwolke durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Brennstoffs und der Vergasungsmittel in den Vergaser durch mindestens zwei auf der Seitenwand mit separaten Befestigungen angebrachten Brennern erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Brennstoffs und der Vergasungsmittel in den Vergaser durch mindestens einen an der Decke des Vergasungsreaktors befindlichen Brenner erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsmittel vor Eintritt in den Reaktor durch Leitbleche oder eine spezielle Gestaltung des Brenners mit einem Drall versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung der Vergasungsmittel durch die an der Seitenwand befindlichen Brenner waagrecht oder aufwärts oder sekantial in kleinem Winkel erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Mischrohr als Medium zur Abführung der hohen inneren Energie ein zurückgeführtes Gas, Wasserdampf, flüssiges Wasser, Stickstoff oder ein Edelgas oder ein Gemisch dieser Medien verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herunterkühlen des Nutzgases oberhalb einer im Quenchraum vorhandenen trichterförmigen Einschnürung ein Kühlmedium durch Düsen als Flachstrahl parallel zur Trichteroberfläche eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herunterkühlen des Nutzgases unterhalb einer im Quenchraum vorhandenen Einschnürung ein Kühlmedium durch Düsen als Spray parallel oder leicht geneigt zum Nutzgas eingedüst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herunterkühlen des gasförmigen Vergasungsproduktes ein Teil der sich verfestigenden Feststoffe durch Einwirkung der Schwerkraft und Trägheit in eine Wasser enthaltende Vorrichtung überführt werden, und das auf diese Weise von groben Feststoffen befreite Nutzgas durch eine umleitende Abzweigvorrichtung des Rohres über der Wasser enthaltenden Vorrichtung abgelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das gequenchte Nutzgas nach einem Sichtungsprozess oder nach Abführung der verfestigten Schlacke einem weiteren Prozess der Reinigung und Wäsche unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere beim Anfahren dem Druckbehälter ein Inertgas wie beispielsweise N₂, Edelgase oder CO₂ zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem System ausgeleitete Gasstrom einer Sorption von sauren oder basischen korrosiven Gasen oder einer katalytischen Umwandlung von oxidierbaren toxischen Gasen unterworfen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vom Vergasungsgasstrom wenigstens ein Teilstrom einem Wärmetauscher zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass • die Vorrichtung ein zylinderförmiges oder ellipsoides Reaktorgefäß umfasst, und • das Reaktorgefäß zur Abführung der flüssigen und festen Vergasungsprodukte eine separate Sammeleinrichtung und Öffnung besitzt, und • sich an diese Öffnung ein Raum zur Abführung anschließt, durch das die flüssigen und festen Vergasungsprodukte abgeführt werden können, • sich unter dem Raum zur Abführung der flüssigen und festen Vergasungsprodukte eine Vorrichtung befindet, in die Wasser eingefüllt werden kann oder die sich zur Aufnahme einer weiteren Vorrichtung eignet, in die Wasser eingefüllt werden kann, so dass die flüssigen und festen Vergasungsprodukte in diese Wasser enthaltende Vorrichtung gelangen können, und • sich unter der Wasser enthaltenden Vorrichtung für die flüssigen und verfestigten Vergasungsprodukte eine Vorrichtung zum Ausschleusen dieser Produkte befindet, und • der Vergasungsbrennstoff und das Reaktionsgas entweder durch mindestens zwei seitlich am Reaktor befindliche Brenner oder durch einen Brenner an der Decke zugeführt werden, und • die Brenneröffnungen der seitlichen Brenner waagrecht in den Brennraum oder aufwärts mit einem Winkel von 0° bis 45° oder sekantial mit einem Winkel von 0° bis 10° in den Brennraum gerichtet sind, und • das Reaktorgefäß zur Abführung der gasförmigen Vergasungsprodukte eine separate Öffnung und Sammeleinrichtung besitzt, an die sich ein in vertikaler Richtung im Wesentlichen abwärts führender Quenchraum anschließt, und • an dem Quenchraum Zuführungseinrichtungen für Fremdmedien montiert sind und der Quenchraum durch besondere Einrichtungen von außen gekühlt werden kann, und • das Reaktorgefäß von einem druckdichten Mantelgefäß umschlossen ist, durch das die gesamte Konstruktion begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Deckel oder an der Seite des Reaktors eine separate Öffnung für Brennstoff mit einer sich vor der Öffnung befindenden Fördereinrichtung für Brennstoff befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführungseinrichtung für das gasförmige Vergasungsprodukt auf der Innenseite des Reaktors eine kragen- oder trichterförmige Ausbuchtung besitzt, deren unterer Teil keramisch ausgekleidet sein kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quenchmedium in einer oder in mehreren Ebenen überwiegend entlang der Quenchraumwand in den Quenchraum eingespeist werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung der obersten Stelle der Einspeisung des Quenchmediums im Quenchraum vom Reaktorboden kleiner als 10 Reaktordurchmesser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Quenchraum eine trichterförmige Einschnürung befindet, durch den sich der Quenchraum in seinem weiteren Verlauf im Durchmesser verringert, wobei das flüssige Quenchmedium oberhalb der Einschnürungsstelle durch Düsen als Flachstrahl parallel zur Trichteroberfläche und unterhalb der Einschnürungsstelle als Spray oder in Strahlen parallel oder leicht abgewinkelt zum Gasstrom eingedüst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Quenchraum eine Vorrichtung befindet, die den Gasstrom durch Einengung des Rohrquerschnitts trichterförmig bündelt, wobei das flüssige Quenchmedium oberhalb der Einschnürungsstelle durch Düsen als Flachstrahl parallel zur Trichteroberfläche und unterhalb der Einschnürungsstelle als Spray oder in Strahlen parallel oder leicht abgewinkelt zum Gasstrom eingedüst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich unterhalb des Abführungsrohres für gasförmige Vergasungsprodukte eine Vorrichtung befindet, in die Wasser eingefüllt werden kann oder die sich zur Aufnahme einer weiteren Vorrichtung eignet, in die Wasser eingefüllt werden kann, so dass die flüssigen und verfestigten Vergasungsprodukte in diese Vorrichtung gelangen können und sich unmittelbar über der mit Wasser enthaltenden Vorrichtung ein von dem Abführungsrohr abzweigendes Umlenkrohr für die gasförmigen Reaktionsprodukte befindet und dieses Rohr in einem Winkel von mindestens 90° von dem Abführungsrohr abzweigt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich im oder direkt hinter dem oder den umlenkenden Rohren eine Einrichtung zum Abfangen von Flüssigkeitstropfen befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sich über der Abführungseinrichtung für das flüssige Vergasungsprodukt ein zusätzlicher Gasbrenner zum Verflüssigen sich verfestigender Schlacke befindet.