DE1146221B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines mindestens angenaehert kohlendioxydfreien Kohlenmonoxydgases durch Vergasung von Koks mittels Sauerstoffs - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines mindestens angenähert kohlendioxydfreien Kohlenmonoxydgases durch Vergasung von Koks mittels Sauerstoffs Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens angenähert kohlendioxydfreien Kohlenmonoxydgases durch Vergasung von Koks mittels Sauerstoff und ein zur Durchführung des Verfahrens dienender Gaserzeuger. Bekanntlich läßt sich im Laboratorium und auch noch im halbtechnischen Maßstab aus trocknem, aschearmem Koks unter Verwendung trocknen, reinen Sauerstoffes als Vergasungsmittel ein praktisch kohlendioxydfreies Vergasungsgas erzeugen, wenn man für eine genügend hohe Vergasungstemperatur sorgt. Ein bei Temperaturen oberhalb 1600° C auf diese Weise gewonnenes Vergasungsgas enthält nach Abscheidung der mitgerissenen Feststoffe (Flugstaub) nur noch aus dem Koks stammende gasförmige Verunreinigungen, nämlich Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel bzw. Verbindungen dieser Stoffe, und unverbraucht gebliebenen Sauerstoff. Diese gasförmigen Verunreinigungen lassen sich nach bekannten Verfahren praktisch restlos entfernen, wozu aber eine recht umfangreiche und verwickelte Apparatur erforderlich ist.
• Im technischen Großbetrieb ist es bisher nicht gelungen, ein Vergasungsgas mit einem höheren Kohlenmonoxydgehalt als etwa 95 Volumprozent zu erzeugen. Die vergleichsweise besten Ergebnisse hat man bisher dadurch erzielt, daß der als Vergasungsmittel dienende, möglichst reine und trockene Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit und in scharfem Strahl durch die zu vergasende Kokssäule geführt wird. Es bildet sich dann eine kegel- oder birnenförmige Vergasungszone, die nach den Seiten und nach oben hin durch Koksschichten niederer Temperatur abgedeckt ist. Innerhalb der Vergasungszone läßt sich ohne weiteres eine Temperatur oberhalb 1600° C aufrechterhalten und damit der für die Kohlendioxydbildung günstigste Temperaturbereich zwischen etwa 600 und 1600° C mit Sicherheit überschreiten. Während innerhalb der eigentlichen Vergasungszone ein praktisch kohlendioxydfreies Gas entsteht, tritt, wenn das Gas die umgebenden Koksschichten niederer Temperaturen durchstreicht, ein gewisser Zerfall des Kohlenmonoxyds zu Kohlendioxyd und Kohlenstoff ein. Infolge der verhältnismäßig hohen Strömungsgeschwindigkeit des erzeugten Gases liegt dieser Zerfall zwar unter dem theoretischen Gleichgewicht, beträgt aber immerhin einige Prozente des primären Kohlenmonoxydgehaltes. Nur bei sehr sorgfältiger Überwachung der Vergasungsvorgänge, verbunden mit einer vergleichsweise geringen Belastung des Gaserzeugers von höchstens 200 kg Koks je Quadratmeter Heizfläche ist mit den bisher bekannten Gaserzeugern bzw. der bekannten Betriebsweise solcher Apparate die Erzeugung eines Gases mit etwa 95 Volumprozent Kohlenmonoxyd möglich. Abgesehen davon, daß die Gasgewinnung wegen der geringen Belastbarkeit des Gaserzeugers sich recht kostspielig gestaltet, ist der angegebene Kohlenmonoxydgehalt für manche Verwendungszwecke ungenügend, insbesondere für Gassynthesen.
• Es besteht somit die Aufgabe, einen Gaserzeuger zur Koksvergasung mit Sauerstoff derart zu betreiben, daß er bei wesentlich höherer Belastbarkeit als bisher ein mindestens angenähert kohlendioxydfreies Kohlenmonoxydgas liefert. Zur Lösung dieser Aufgabe haben sich Gaserzeuger mit einem senkrechten und mittelbar gekühlten Vergasungsschacht von kegelstumpfförmigem Längsschnitt als besonders geeignet erwiesen. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Gaserzeuger benutzt, bei dem die Höhe des Vergasungsschachtes höchstens das Dreifache des mittleren lichten Schachtquerschnittes beträgt. Bei den bekannten, in der Regel einen wesentlich höheren Vergasungsschacht aufweisenden Gaserzeugern wird der Sauerstoff durch eine einzige zentrale Düse dem Schachtunterteil zugeleitet. Demgegenüber schlägt die Erfindung vor, den Sauerstoff in mehreren Strahlen durch im Schachtunterteil in Abständen vom Schachtmantel gleichmäßig auf den Schachtumfang verteilt und zweckmäßig höhenverstellbar angeordnete Düsen od. dgl, in solcher Menge und mit solchem Druck einzublasen, daß sich im Innern der Koksfüllung des Schachtes eine bis nahe an die Oberfläche der Brennstoffschicht reichende Vergasungszone bildet. Es entstehen dabei Brennkugeln, die ihrer Zahl nach der Anzahl der Düsen entsprechen und sich zu einer gemeinsamen gleichmäßigen Verbrennungszone vereinigen. Als besonders zweckmäßig hat sich die Anordnung von drei zur Zuführung von Sauerstoff dienenden Düsen erwiesen, deren Mittelpunkte in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegen und deren Abstände voneinander gleich groß oder kleiner sind als die Durchmesser der entstehenden Brennkegel.
• Die Größe der einzelnen Brennkegel hängt zunächst von der Körnung des zu vergasenden, möglichst aschearmen, trockenen und reaktionsträgen Kokses ab, die unterhalb 60 mm und vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 mm liegen soll.
• Selbstverständliche Voraussetzung ist die Verwendung eines möglichst völlig entgasten Kokses, der höchstens 1% und vorzugsweise wesentlich weniger flüchtige Bestandteile enthalten soll. Sodann wird die Form und Größe der Brennkegel durch die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes bestimmt, die auf etwa 100 bis 150 m/sec zu bemessen ist. Mit diesen Voraussetzungen kommt man bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Vergasungsschacht aus, dessen Höhe nur etwa doppelt so groß wie sein mittlerer lichter Querschnitt zu sein braucht. Die praktische Erfahrung hat ergeben, daß man einen solchen Gaserzeuger mit einer Heizflächenbelastung bis zu etwa 600 kg/m - h fahren kann. Die einzelnen von der Beschaffenheit des zur Verfügung stehenden Kokses abhängenden Betriebsbedingungen müssen so aufeinander abgestimmt werden, daß man entsprechend der Vorschrift der Erfindung eine bis nahe an die Oberfläche der Brennstoffschicht reichende gleichmäßige und im ganzen kegelförmige Vergasungszone erhält.
• Unter Beachtung der vorstehend angegebenen Bedingungen gelingt es, ein Vergasungsgas mit einem Kohlenmonoxydgehalt von etwa 97 bis 99 Volumprozent zu erzeugen. Die Erfindung erzielt somit einen sehr wesentlichen technischen Fortschritt mit Hilfe scheinbar unbedeutender Abänderungen bekannter Gaserzeuger und deren Betriebsweise.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich die Güte des erzeugten Gases noch dadurch verbessern, daß unabhängig von dem Sauerstoff vorzugsweise gekühlte Kohlenoxydgase durch getrennte Düsen od. dgl. in regelbarer Menge in den Schachtunterteil eingeblasen werden. Hierzu verwendet man mit Vorteil einen Teilstrom des erzeugten Vergasungsr gases, der vor Eintritt in den Vergasungsschacht, gegebenenfalls nach vorhergehender Vorkühlung, vorzugsweise durch im Kühlmantel des Schachtes angeordnete Rohrschlangen geleitet wird. Die Zahl und Anordnung der Kohlenoxyddüsen, d. h. der zur Einleitung der Kohlenoxydgase dienenden Düsen, hängt naturgemäß von der Zahl und Anordnung der Sauerstoffdüsen ab, während die Mengen der Kohlenoxydgase und des Sauerstoffes aufeinander abgestimmt und der vorgegebenen Durchsatzleistung des Gaserzeugers angepaßt sein müssen.
• Es ist zwar an sich bekannt, bei der Koksvergasung mit Sauerstoff zusätzlich Kohlenoxydgase in den Vergasungsschacht einzuleiten. Jedoch erfolgt dabei die Zuführung dieser Gase gemeinsam mit dem Sauerstoff, der dadurch verdünnt wird. Infolgedessen vermindert sich der Teildruck des Sauerstoffes, was sich in einer vermehrten Kohlendioxydbildung bemerkbar macht. Bei der erfindungsgemäßen Zufuhr der Kohlenoxydgase durch getrennte Düsen behält dagegen der Sauerstoff seinen vollen Druck, so daß in der Vergasungszone ein praktisch kohlendioxydfreies Kohlenmonoxyd entsteht. Die um die Vergasungszone eingeblasenen Kohlenoxydgase schützen das gebildete hochwertige Vergasungsgas vor einem Kohlenoxydzerfall beim Durchstreichen der umgebenden Koksschichten. Die Schichten werden nämlich durch die vergleichsweise kalten Kohlenoxydgase unterhalb des für die Kohlendioxydbildung günstigen Temperaturbereiches zwischen etwa 600 und 1600° C gehalten. Es bilden sich im Vergasungsschacht zwei scharf getrennte Zonen, nämlich die eigentliche Vergasungszone mit einer oberhalb 1600° C liegenden Temperatur und eine die Vergasungszone umgebende Kühlzone, deren Temperatur unterhalb 600° C liegt. Lediglich eine ganz schmale Grenzschicht weist die für den Kohlenmonoxydzerfall günstige Temperaturspanne zwischen diesen beiden Temperaturen auf.
• Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, ist für die Erzeugung eines besonders hochwertigen Vergasungsgases die Verwendung möglichst trockenen Sauerstoffes und Kokses Vorbedingung, um einer Wasserstoffbildung durch Zersetzung des im Sauerstoff oder Koks enthaltenen Wassers vorzubeugen. Eine weitere Wasserstoffquelle stellt aber der im Koks chemisch gebundene Wasserstoff dar, der durch Kokstrocknung nicht entfernt werden kann und bei der Koksvergasung frei wird. Ferner enthält praktisch jeder Koks, insbesondere jeder Steinkohlenkoks, auch Stickstoff und Schwefel, die je nach den Vergasungsbedingungen in Form unterschiedlicher Verbindungen bzw. als freier Stickstoff anfallen. Diese unvermeidbaren gasförmigen Verunreinigungen müssen möglichst weitgehend aus dem Vergasungsgas entfernt werden, wenn dieses beispielsweise zu Synthesezwecken dienen soll. Wegen der bekannten Wechselbeziehungen zwischen Kohlendioxyd, gasförmigen Schwefelverbindungen und Alkalien ist eine angenähert vollständige Kohlendioxydwäsche erst nach praktisch restloser Entfernung dieser Schwefelverbindungen aus dem Gas möglich, wobei, umgekehrt, bei nasser Schwefelwäsche die Gegenwart von Kohlendioxyd den Wirkungsgrad dieser Wäsche ungünstig beeinfiußt.
• Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten praktisch ausgeführten Gasreinigungsverfahren besteht in einer starken Verschmutzung der Apparatur und Waschflüssigkeiten durch den vom Vergasungsgas mitgerissenen Flugstaub. Wenn man berücksichtigt, daß sich höhere Wirkungsgrade der Gasreinigung nur bei möglichst gleichbleibenden Betriebsverhältnissen erzielen lassen, muß man jede Verunreinigung der Reinigungsmassen und/oder Waschflüssigkeiten durch Flugstaub und jede Erhöhung des Strömungswiderstandes in der Reinigungsapparatur durch Flugstaubablagerungen nach Möglichkeit vermeiden. Die einschlägige Technik hat bisher diesem Problem zu wenig Beachtung geschenkt. Ausgedehnte Betriebsuntersuchungen haben ergeben, daß im Vergasungsgas beim Austritt aus dem Gaserzeuger durchschnittlich etwa 2 gims Flugstaub enthalten sind. Bei der üblichen nassen Staubreinigung läßt sich diese Staubmenge nur etwa zur Hälfte aus dem Gas entfernen. Man hat zwar versucht, das Vergasungsgas vor Eintritt in die Schwefelreinigung durch einen Zentrifugalwäscher mit hohen Drehzahlen noch weiter vom Flugstaub zu reinigen oder bei Verwendung einer trockeneu Schwefelreinigung dieser einen Filter aus Säge-oder Hobelspänen vorgeschaltet. Diese Maßnahmen haben sich jedoch im Dauerbetrieb nicht bewährt.
• Da die Entfernung des Flugstaubes und der gasförmigen Verunreinigungen in der Regel für die Verwendung des erzeugten Vergasungsgases von ausschlaggebender Bedeutung ist, erstreckt sich die Erfindung weiterhin auch auf eine betriebssichere Entfernung dieser Stoffe aus dem hochwertigen Vergasungsgas in einfacher Weise. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, das aus dem Gaserzeuger abziehende heiße Gas zunächst durch ein Heißfilter, vorzugsweise durch keramische oder aus gesinterten Metallen bestehende, poröse Filterkerzen zu leiten. Die Filterkerzen halten den mitgerissenen Flugstaub praktisch vollkommen zurück und verhindern, daß der Flugstaub in die nachgeschalteten weiteren Reinigungsapparate gelangt.
• Nach dem Durchgang durch das Heißfilter wird vorzugsweise ein Teilstrom des flugstaubfreien Gases abgezweigt und in der vorbeschriebenen Weise in den Vergasungsschacht zurückgeführt. Der andere, als Nutzgas dienende Teilstrom wird erfindungsgemäß zunächst einer kombinierten Naßwäsche zur Entfernung von Ammoniak, Gasschwefel und Kohlendioxyd durch Berieseln mit Frischwasser in einem mit Kalkstein besetzten Turm unterworfen, sodann einer Kohlendioxyd-Feinreinigung mittels einer alkalischen Flüssigkeit, z. B. Natronlauge, und/oder mittels eines organischen Absorptionsmittels, z. B. einer alkalischen Methanollösung. Diese Feinreinigung kann gegebenenfalls bei tiefen Temperaturen und unter erhöhtem Druck durchgeführt werden. Dabei lassen sich auch diejenigen gasförmigen Verunreinigungen mit einem höheren Tau- bzw. Gefrierpunkt als Kohlenmonoxyd zum großen Teil abscheiden.
• Sofern das auf diese Weise gereinigte Nutzgas noch Schwefel- und Stickstoffverbindungen in störenden Mengen erhält, kann man diese Stoffe in einer nachgeschalteten Trockenreinigung, z. B. mit reiner oder alkalisierter Eisenoxydmasse, entfernen. Für die erfindungsgemäße Feinreinigung des Nutzgases sind im Vergleich zu den bisher bekannten Feinreinigungsanlagen nur wenige, verhältnismäßig einfache und betriebssichere Apparaturen erforderlich. Trotzdem erhält man ein praktisch kohlendioxydfreies Nutzgas mit einem Kohlenmonoxydgehalt von 99,6 Volumprozent und mehr. Vorbedingung für eine so weitgehende, bisher unerreichte Feinreinigung des Nutzgases ist selbstverständlich die Erzeugung eines wesentlich besseren Vergasungsgases, als es bisher möglich war, nämlich eines Vergasungsgases mit einem Kohlenmonoxydgehalt bis zu etwa 99 Volumprozent. Die Feinreinigung des Nutzgases gewinnt ihre praktische Bedeutung somit erst im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Erzeugung eines hochwertigen Vergasungsgases.
• In der Zeichnung ist ein Gaserzeuger zur Durchführung des Vergasungsverfahrens schematisch dargestellt. Sowohl der Boden 10 des Gaserzeugers als auch der kegelstumpfförmige Mantelll desselben sind als wassergekühlte Hohlräume ausgebildet. Die Kühlwasserzuführung erfolgt durch die Rohre 12 und 13, der Kühlwasserablauf durch die Rohre 14 und 15. Das Mannloch 16 ist durch einen Deckel 17 verschlossen. Mit 18 ist der in der Vergasung befindliche Brennstoff bezeichnet, der über die Schleusen 19 und 20 und den Zwischenbehälter 21 dem Dom des Gaserzeugers zugeführt wird. Sowohl in der Mitte als auch in einem Kranz um die Mitte verteilt befinden sich am Boden Düsen zur Einführung des Sauertoffs; daneben sind Düsen zur Einführung von Kohlenoxyd vorgesehen. Mit 22 ist eine Düse zur Einführung von Sauerstoff bezeichnet, mit 23 Düsen zur Einführung von Kohlenoxyd. Das Kohlenoxyd wird aus dem Gasabgang 24 über die Leitung 25 und den Sauger 26 entnommen, seine Menge mittels der Ventile 27 geregelt. Die Düsen sind mit Kühlmänteln versehen; die Rohre 28 dienen zur Zuführung des Kühlmittels. Mit 29 sind die von den Düsen beaufschlagten Räume bezeichnet. Man erkennt, daß die Vergasungszone, in der eine Temperatur von wenigstens 1600° C herrscht, bis nahe an die Oberfläche der Brennstoffschicht reicht und daß sich dieselbe aber auch bis in Bereiche erstreckt, die nicht weit von dem wassergekühlten Mantel entfernt liegen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines mindestens angenähert kohlendioxydfreien Kohlenmonoxydgases durch Vergasung von Koks mittels Sauerstoffs in einem Gaserzeuger mit einem senkrechten, mittelbar gekühlten Vergasungsschacht von kegelstumpfförmigem Längsschnitt, dessen Höhe höchstens das Dreifache der mittleren Schnittbreite beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in mehreren Strahlen durch im Schachtunterteil in Abständen vom Schachtmantel gleichmäßig auf den Schachtumfang verteilt angeordnete Düsen od. dgl. in solcher Menge und mit solchem Druck eingeblasen wird, daß sich im Innern der Koksfüllung des Schachtes eine bis nahe an die Oberfläche der Brennstoffschicht reichende kegelförmige Vergasungszone bildet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von dem Sauerstoff vorzugsweise gekühlte Kohlenoxydgase durch getrennte Düsen od. dgl. in regelbarer Menge in den Schachtunterteil eingeblasen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als einzublasendes Kohlenoxydgas ein Teilstrom des erzeugten Vergasungsgases verwendet wird, der vor Eintritt in. den Vergasungsschacht, gegebenenfalls nach vorhergehender Vorkühlung, vorzugsweise durch im Kühlmantel des Schachtes angeordnete Rohrschlangen geleitet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsgut ein aschearmer und vorzugsweise trocken gelöschter sowie reaktionsträger Koks mit wesentlich weniger als 1 oh flüchtigen Bestandteilen und als Vergasungsmittel ein getrocknetes Sauerstoffgas verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte hochwertige Vergasungsgas durch ein Heißfilter, vorzugsweise durch keramische (oder Sintermetall) Filterkerzen, zum Abscheiden des mitgerissenen Flugstaubes geführt, ein Teilstrom des so gereinigten Gases gemäß Anspruch 2 oder 3 in den Gaserzeuger zurückgeleitet und der als Nutzgas dienende andere Teilstrom einer mehrstufigen Feinreinigung unterworfen, vorzugsweise zunächst in einem mit Kalkstein besetzten Waschturm mit Wasser berieselt, sodann mit einer alkalischen Flüssigkeit, wie beispielsweise Natronlauge, und/ oder einem organischen Absorptionsmittel, wie beispielsweise Methanollösung, bei tiefen Temperaturen und erhöhtem Druck behandelt und schließlich durch eine trockene Schwefelreinigung geleitet wird.
6. 6. Gaserzeuger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Schachtunterteil des Gaserzeugers mindestens drei und höchstens acht zweckmäßig mittelbar gekühlte Einführungsdüsen für den einzublasenden Sauerstoff und gegebenenfalls ähnliche Düsen für das einzublasende Kohlenoxydgas in entsprechender Anzahl vorgesehen sind, die in. Abständen von dem gekühlten Schachtmantel gleichmäßig auf den Schachtumfang verteilt angeordnet sind.
7. 7. Gaserzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mittelbar gekühlte Zuführungsdüsen für den Sauerstoff und/oder die unabhängig von dem Sauerstoff einzublasenden Kohlenoxydgase enthält. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 280 968, 764 297, 916 447; britische Patentschrift Nr. 326 227; USA.-Patentschrift Nr. 2 625 465.