DE102014007366A1

DE102014007366A1 - Wirbelschichtvergaser

Info

Publication number: DE102014007366A1
Application number: DE102014007366.1A
Authority: DE
Inventors: Hanno Tautz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor (V) sowie ein Verfahren zur thermischen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen (F) mit einem Reaktionsraum (R), über dessen Boden Wasserdampf und Sauerstoff eingeleitet werden können, um eine Wirbelschicht (W) aus kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln zu erzeugen, sowie einer Abzugseinrichtung (S), über die bei der Vergasung erzeugtes Produktgas aus dem Reaktionsraum (R) abziehbar ist. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass der Strömungsquerschnitt des Reaktionsraums (R) sich im Bereich der Wirbelschicht (W) in Strömungsrichtung des Gases erweitert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit einem Reaktionsraum, über dessen Boden Wasserdampf und Sauerstoff eingeleitet werden können, um eine Wirbelschicht aus kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln zu erzeugen, sowie einer Abzugseinrichtung, über die bei der Vergasung erzeugtes Produktgas aus dem Reaktionsraum abziehbar ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen unter Einsatz des erfindungsgemäßen Reaktors.
Wirbelschichtreaktoren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen sind grundsätzlich bekannt. Sie kommen insbesondere bei der Vergasung von Kohle zum Einsatz, können jedoch auch bei der Vergasung anderer Stoffe wie Biomasse oder Abfälle verwendet werden. In allen Fällen wird die Vergasung autotherm durchgeführt.
Bei autothermer Vergasung wird der Wärmebedarf in demselben Reaktor, in dem auch die eigentliche Vergasung erfolgt, durch exotherme Reaktionen bereitgestellt. Ein bekanntes Verfahren zur autothermen Vergasung ist das Hochtemperatur-Winkler-Verfahren (HTW-Verfahren), bei dem im unteren Teil eines als stehender schlanker Zylinder ausgebildeten Reaktionsraums eine Wirbelschicht aus Kohlepartikeln erzeugt wird. Zur Fluidisierung der Partikel werden Wasserdampf und Sauerstoff über den Boden in den Reaktionsraum eingeblasen. Durch unterstöchiometrische Sauerstoffzugabe entsteht bei der Reaktion der Kohle mit Wasser und Sauerstoff Synthesegas, wobei es gemäß folgender Reaktionen zu einer Volumenzunahme des Gases kommt: 2C + O₂ → 2CO C + H₂O → CO + H₂
Hierdurch wird das durch die Wirbelschicht strömende Gas beschleunigt, was zu einem erhöhten Austrag von Kohlepartikeln führt, die gemeinsam mit Aschepartikeln durch den Gasstrom mitgerissen und aus dem Reaktionsraum ausgetragen werden. Um einen Brennstoffverlust zu vermeiden, werden die mitgerissenen Partikel aus dem Gasstrom abgetrennt (z. B. in einem Zyklon) und in die Wirbelschicht zurückgeführt. Da diese Partikel klein genug sind, um nach Eintritt in die Wirbelschicht sofort wieder ausgetragen zu werden, entsteht eine zirkulierende Flugstromfraktion, die ca. 50% des Einsatzmassenstromes erreichen kann. Die mittlere Verweilzeit der Partikel im Reaktionsraum wird durch die Rückführung zwar erhöht, jedoch ist die Reaktionsgeschwindigkeit außerhalb der Wirbelschicht gegenüber einer oxidativen Umgebung, wie sie in einer Wirbelschicht vorliegt, sehr klein. Dies hat zur Folge, dass der Reaktionsraum für die Vergasungsreaktion nicht effektiv genutzt werden kann. Außerdem kann eine Aschefraktion aus dem Synthesegas nicht ohne erheblichen Verlust an Kohlenstoff abgetrennt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Reaktor sowie eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, durch die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Die gestellte Aufgabe wird reaktorseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Strömungsquerschnitt des Reaktionsraums sich im Bereich der Wirbelschicht in Strömungsrichtung des Gases sprunghaft und/oder kontinuierlich vergrößert.
Durch die erfindungsgemäße Zunahme des Strömungsquerschnitts wird eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Beschleunigung des durch den Reaktionsraum strömenden Gases erreicht, wodurch weniger Partikel aus der Wirbelschicht ausgetragen werden und ein höherer Anteil der Partikel in einer heißen und sauerstoffhaltigen Atmosphäre verbleibt, um abzureagieren. Hierdurch erhöht sich zum einen die volumenspezifische Leistung des Reaktors gegenüber dem Stand der Technik und zum anderen wird der Austrag an kohlenstoffhaltigen Partikeln aus dem Reaktionsraum deutlich vermindert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Reaktionsraum des Reaktors als liegender Zylinder ausgeführt, an dessen Unterseite eine Zuführungseinrichtung angeordnet ist, über die Sauerstoff und Wasserdampf in den Reaktionsraum eingeleitet werden können. Vorzugsweise erstreckt sich die Zugführeinrichtung über die gesamte Länge des Zylinders, so dass Sauerstoff und Wasserdampf gleichmäßig über die gesamte Länge des Reaktionsraums einbringbar sind und eine zentrale, nach oben gerichtete Gasströmung erzeugen.
Aufgrund der Zylinderform vergrößert sich der Strömungsquerschnitt für die in den Reaktionsraum eingebrachten und die im Reaktionsraum gebildeten Gase in Strömungsrichtung von der Einleitungsstelle für Sauerstoff und Wasserstoff kontinuierlich bis zur Höhe der Zylinderachse, um anschließend wieder abzunehmen. Insbesondere ist eine Querschnittsvergrößerung im Bereich der Wirbelschicht gewährleistet.
Gegenüber dem Stand der Technik weist diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors unter anderem den Vorteil einer einfacheren Implementierbarkeit auf, da durch seine horizontale Ausrichtung für nachfolgende Apparate eine geringe Bauhöhe vorgesehen werden kann, was zu Einsparungen beim Stahlbau führt.
Den erfindungsgemäßen Reaktor weiterbildend wird vorgeschlagen, die Zuführungseinrichtung für Sauerstoff und Wasserdampf so auszuführen, dass Sauerstoff und Wasserdampf auch direkt in die seitlich gelegenen Bereiche des unterhalb der Zylinderachse gelegenen Teils des Reaktionsraums zugeführt werden können. Dadurch wird erreicht, dass auch in diesem Bereich des Reaktionsraums Sauerstoff und Wasserdampf in ausreichender Menge vorhanden sind, um Partikel umzusetzen, die sich nicht in der zentralen, nach oben gerichteten Gasströmung befinden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors sieht Einbauten im Bereich der Wirbelschicht vor, durch die die Austragung von Feststoffpartikeln erschwert wird. Beispielsweise können parallel zur Zylinderachse verlaufende Leitbleche vorgesehen sein, die sich maximal bis ca. zur halben Höhe des Reaktionsraums erstrecken und die für die nach oben strömenden Gase weitgehend den Strömungsquerschnitt definieren. Am oberen Ende der Leitbleche vergrößert sich sprunghaft der Strömungsquerschnitt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit absinkt und ein Großteil der bis hierhin mitgerissenen Feststoffpartikel seitlich der Leitbleche wieder nach unten sinkt.
Zweckmäßigerweise umfasst der erfindungsgemäße Reaktor eine Abzugsvorrichtung, über die nicht umsetzbares und nur schwer fluidisierbares Inertmaterial aus dem Reaktionsraum abgezogen werden kann. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Sammelkanal mit einer darin angeordneten Förderschnecke oder eine Zellradschleuse.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen unter Einsatz des erfindungsgemäßen Reaktors.
Das erfindungsgemäße Vergasungsverfahren kann bei Temperaturen durchgeführt werden, die zwischen 500 bis 1.200°C, insbesondere zwischen 800 bis 1000°C liegen. Der dabei herrschende Absolutdruck liegt zwischen 1 bis 100 bar, vorzugsweise zwischen 20 bis 80 bar.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass aus dem Produktgas der Feststoffanteil abgetrennt wird. Dieser wird nachfolgend vorzugsweise durch Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf einer Nachvergasung unterzogen. Um im Feinstoffanteil enthaltene Asche zu entsorgen wird zweckmäßigerweise die Asche durch Verbrennung von verbliebenem Kohlenstoff geschmolzen und anschießend als flüssige Schlacke abgezogen, die im Wasserbad verfestigt wird.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Vergasung von Kohle, jedoch können auch andere kohlenstoffhaltige Stoffe wie Biomasse oder Abfälle eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die in den 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die 1 zeigt eine bevorzugte, insgesamt mit V bezeichnete Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt.
Die 2 zeigt eine Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt.
Kohlenstoffhaltige Feststoffpartikel, wie z. B. Kohle, werden über eine Zuführeinrichtung F bei hohem Druck von oben oder von der Seite in den als liegender Zylinder ausgeführten Reaktionsraum R des Reaktors V eingebracht, wo sie sich aufgrund seines Fluidcharakters gleichmäßig in der Wirbelschicht W verteilen. Die Begasung zur Fluidisierung der Wirbelschicht W erfolgt durch ein Gemisch aus Wasserdampf und Sauerstoff, das über die Zuführeinrichtung G an der Unterseite des Reaktionsraums R eingedüst wird. Unter Volumenzunahme reagieren die eingebrachten Gase mit dem Kohlenstoff der Feststoffpartikel zu Synthesegas, das nach oben strömt und Feststoffpartikel mit sich reißt. Wegen des sich in Strömungsrichtung vergrößernden Strömungsquerschnitts wird die Gasgeschwindigkeit begrenzt, so dass größere Partikel in die Wirbelschicht zurückfallen und lediglich ein Feinkornanteil mit dem sich ab Zylindermitte wieder beschleunigten Gasstrom über Leitung S aus dem Reaktionsraum R ausgetragen werden.
Der Feinkornanteil kann beispielsweise über einen Zyklon aus dem Synthesegas abgetrennt und mit einem Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch nachvergast werden. Ebenfalls ausgetragene Asche wird durch Verbrennung von verbliebenem Kohlenstoff geschmolzen und nachfolgend als flüssige Schlacke abgezogen, die im Wasserbad verfestigt wird. Dadurch wird eine Trennung zwischen Vergasung und Hochtemperatur-Schlackebehandlung erreicht, was die Verfügbarkeit der Anlage erhöht. Inertmaterial, das nicht vergast werden kann und schwer fluidisierbar ist, kann im unteren Bereich der Wirbelschicht mit einer Förderschnecke aus einer Sammelrinne (nicht dargestellt) abgezogen werden.
Zur besseren Strömungsführung können Einbauten E innerhalb der Wirbelschicht W vorgesehen sein, die sich entlang der Zylinderachse im Reaktionsraum R erstrecken. Durch sie können sowohl ein Wirbelschicht-, ein Flugstrom- als auch ein Wanderbett-Regime im Reaktor V erzeugt werden, was individuelle Verweilzeiten und Behandlungszonen für verschiedene Partikelgrößen ermöglicht. Um die Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln im Seitenbereich des Reaktionsraums R zu unterstützen, sind auch hier Zuführeinrichtungen G zur Zuführung von Sauerstoff und Wasserdampf angeordnet.

Claims

Reaktor zur thermischen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit einem Reaktionsraum, über dessen Boden Wasserdampf und Sauerstoff eingeleitet werden können, um eine Wirbelschicht aus kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln zu erzeugen, sowie einer Abzugseinrichtung, über die bei der Vergasung erzeugtes Produktgas aus dem Reaktionsraum abziehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Reaktionsraums sich im Bereich der Wirbelschicht in Strömungsrichtung des Gases erweitert.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum des Reaktors als liegender Zylinder ausgeführt ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Zuführeinrichtung aufweist, über die Sauerstoff und Wasserdampf an der Unterseite und/oder direkt in die seitlich gelegenen Bereiche des unterhalb der Zylinderachse gelegenen Teils des Reaktionsraums zugeführt werden können.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er durch Einbauten im Bereich der Wirbelschicht aufweist, durch die Gas- und Partikelstromführung beeinflusst werden.
Verfahren zur thermischen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass zu seiner Durchführung ein Reaktor gemäß der Ansprüche 1 bis 4 eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung des der kohlenstoffhaltigen Feststoffe bei Temperaturen zwischen 500 bis 1.200°C, insbesondere zwischen 800 bis 1000°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung des der kohlenstoffhaltigen Feststoffe bei einem Absolutdruck zwischen 1 bis 100 bar, insbesondere zwischen 20 bis 80 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Produktgas der Feststoffanteil abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte Feststoff durch Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf einer Nachvergasung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Asche mit dem verbleibenden Kohlenstoffgehalt durch Zufuhr von Sauerstoff erhitzt und geschmolzen wird.