DE1217014B

DE1217014B - Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenoxyd und Wasserstoff

Info

Publication number: DE1217014B
Application number: DET15986A
Authority: DE
Inventors: Bruce Hornbrook Sage; Dubois Eastman
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1957-12-13
Filing date: 1958-12-12
Publication date: 1966-05-18

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenoxyd und Wasserstoff Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus einem nichtbrennbare Rückstände enthaltenden, festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff durch unmittelbare Teüoxydation mit ungebundenem Sauerstoff und Wasserdampf bei selbständiger Aufrechterhaltung einer Temperatur von über etwa 1100'C und bei oberhalb des Schmelzpunktes der genannten Rückstände liegenden Temperaturen, in der sich der in Form feiner fester Teilchen vorliegende Brennstoff mit den gasförmigen Reaktionsteilnehmem derart umsetzt, daß er dabei in diesen Reaktionsteilnehmern und in den entstehenden Reaktionsprodukten suspendiert ist, welche Vorrichtung aus einem senkrechten äußeren Druckgefäß mit einer in seinem Oberteil liegenden Reaktionskammer und einer Anlage zum Ablöschen und Ansammeln der Schlacke in seinem Unterteil besteht, wobei die Reaktionskammer die Form eines senkrechten Zylinders hat und mit einer feuerfesten Wärmeisolierung ausgekleidet ist und eine axial angeordnete Eintrittsöffnung für die Reaktionsteünehmer an ihrem oberen Ende besitzt und unten in eine Schlackenablöschanlage mündet, die gekennzeichnet ist durch einen ringförmigen Sims aus feuerfestem Baustoff, der von der Innenwand . der Reaktions-kammer an deren unterem Ende derart nach innen ragt, daß die Reaktionskammer von der Ablöschkammer getrennt ist und eine freie Öffnung verbleibt, deren freie Querschnittsfläche das 0,4- bis 0,95fache der Querschnittsfläche der Reaktionskammer beträgt.
Bekannte Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus einem nichtbrennbare Rückstände enthaltenden, festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff (Kohle) mit einem sauerstoffhaltigen Gas (Sauerstoff) und Wasserdampf durch Umsetzung der Reaktionsteilnehmer in einer Durchflußreaktionskammer unter einem Druck von 7 atü und bei oberhalb des Schmelzpunktes des Rückstands liegenden Temperaturen und anschließendem Ablöschen des geschmolzenen Rückstands weisen nicht die Bemessung der Auslaßöffnung des Reaktionsraumes auf, die das Kenn eichen der vorliegenden Erfindung ist. Auch bei den bekannten Vorrichtungen werden die Reaktionsteilnehmer in den Oberteil der Reaktionskammer eingeführt, und die geschmolzenen Rückstände werden zusammen mit den gesamten gasförmigen Produkten durch eine gemeinsame Auslaßöffnung aus dem Unterteil der Reaktionskammer in eine geschlossene Ablöschanlage geleitet, die unter demselben Druck wie die Reaktionskammer steht und so angeordnet ist, daß die geschmolzenen Rückstände ungehindert in Wasser einfließen können. Die Produktgase werden gesondert von der erstarrten Schlacke und dem Wasser aus der Ablöschanlage abgezogen. Bei einer bekannten Vorrichtung beträgt die Bemessung der freien Querschnittsfläche der Auslaßöffnung des Reaktionsraumes das, 0,3 6fache der Querschnittsfläche der Reaktionskammer. Bei anderen bekannten Vorrichtungen geht der Reaktionsraum ohne jede Verengung in den Austrittsraum über.
Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt,. daß das Ergebnis des Verfahrens von der Weite der Austrittsöffnung des Reaktionsraumes, verglichen mit der Weite des Reaktionsraumes selbst, abhängt. Ist die Auslaßöffnung enger als durch die Erfindung gekennzeichnet, so neigt sie dazu, zu verschlacken, wodurch die Auslaßöffnung verengt oder gar verstopft wird. Ist die Auslaßöffnung weiter als durch die Erfindung gekennzeichnet, da n-n hat das Verfahren nicht den angestrebten Wirkungsgrad, da die Reaktionszone durch Gase, die aus der Ablöschanlage zurückströmen und die eine relativ niedrige Temperatur haben, gekühlt wird.
Diese Wärmeverluste kann man durch die Einschaltung des ringförmigen Sünses verhindern, weil dadurch ein Rückfluß kalter Gase in die Reaktionskammer unmöglich gemacht wird.
Die Anlage arbeitet am günstigsten unter erhöhten, d. h. zwischen 7 und 56 kg/cm2 liegenden Drücken und bei Temperaturen von mehr als etwa 1100'C, z. B. von 1200 bis 1760'C. Die wirksamen Temperaturen liegen, wie angedeutet, oberhalb des Schmelzpunktes der aus der Kohle entstehenden Asche, so daß eine Schlackenschmelze entsteht.
Die Zeichnung zeigt teils im Schnitt einen Durchflußreaktor zur Vergasung von Kohle in suspendiertem Zustand.
Nach der Zeichnung befindet sich eine Gaserzeugungskammer 10 und eine Anlage 22 zum Ab- löschen und Ansammeln der Schlacke in einem einzigen Druckgefäß, das aus einem stählernen, zylindrischen Außenmantel mit einem halbelliptischen Kopfstück 7 und einem konischen Bodenstück 8 be- steht. Der Gaserzeuger besteht aus einer senkrechten, zylindrischen Kammer 10, die eine Isolierauskleidung 9 aus feuerfesten und isolierenden Baustoffen enthält, um den während des Verfahrens in der Reaktionszone 10 auftretenden hohen Temperaturen standzuhalten. Die Reaktionsteilnehmer führt man dem Oberteil des Gaserzeugers zu und zieht die erhaltenen Produktgase unten ab.
Die feuerfeste Isolierauskleidung der Gaserzeugungszone wird von Blechnasen 12 getragen, von denen mehrere über die Innenwandung des Druckgefäßes verteilt sind. Ein innerhalb des Außenmantels angebrachter Zwischenmantel 13, der sich im Abstand von der Gefäßwandung befindet, grenzt einen ringförmigen Zwischenraum 14 ab, durch den Kühlwasser umlaufen kann, um die Gefäßwand zu kühlen und eine Überhitzung des Druckgefäßmantels zu verhüten. Das Kühlwassü fließt durch den Stutzen 16 in der Gefäßwand zu und durch den Stutzen 17 ab.
DieReaktionstzünehmer, nämlichSauerstoff, Wasserdampf und Kohle, führt man in die Reaktionszone durch den Mischbrenner 18 ein, der einerseits einen Strom aus Wasserdampf und Kohle und anderseits getrennt davon einen Sauerstoffstrom eintreten läßt; diese Ströme vermischen sich nahe ihrer Einführungsstelle in die Reaktionszone miteinander. Das Gemisch der Reaktionsteilnehmer tritt zentral und axial in den Oberteil der Reaktionskammer 10 ein. Der Unterteil der Reaktionskammer mündet durch die Auslaßöffnung 21 unmittelbar in die verhältnismäßig kühle Schlackenablöschanlage 22.
Durch die Düse 23 tritt Abschreckwasser mit solcher Geschwindigkeit in den Schlackenabschreckraum 22 ein, daß darin unten ein Wassersumpf entsteht und erhalten bleibt. Die geschmolzene Asche, die sich bei der Erzeugung von Synthesegas durch Umsetzung von Kohle mit Wasserdampf und Sauerstoff in der Reaktionskammer 10 bildet, gelangt zusammen mit dem Produktgas durch den Auslaß 21 in die Schlackenablöschanlage, in der die Schlacke gleich in den Sumpf fällt, während das Produktgas durch die Auslaßdüse 24 abzieht. Die Schlacke, die zu Kügelchen oder kornartigen Teilchen erstarrt ist, wird zusammen mit überschüssigem Abschreckwasser durch den Ablaßstutzen 25 -unten ausgetragen.
Der Rückstrom kalter Gase aus der Ablöschkammer in den Reaktor und die damit verbundene unerwünschte Abkühlung des letzteren wird am wirksamsten durch den von dem Reaktormantel nach innen vorspringenden ringförmigen Sims aus feuerfestem Baustoff um die Auslaßöffnung herum verhindert. Dieser Ring lenkt den Strom der Gase entlang der Wand nach der Achse des Reaktors hin ab, wo der Mengenstrom aus heißen Produktgasen aus dem Reaktor nach der Ablöschkammer hin den Rücklauf der verhältnismäßig kühlen Gase in den Reaktor verhindert. Das Vorhandensein verhältnismäßig kühler Gase ist somit auf die Schlackenablöschzone beschränkt.
Die Wirksamkeit des Generators für die Umwandlung von Brennstoffen in wertvolle Produkte, nämlich in Kohlerunonoxyd und Wasserstoff, kann durch seine »Kaltgas-Nutzwirkung« ausgedrückt werden. Die Kaltgas-Nutzwirkung ist als der Gesamtheizwert des Produktgases im Vergleich zu dem Heizwert des dem Gasgenerator zugeführten Brennstoffes zu definieren. Der Einfluß, den die Größe der lichten Querschnittsfläche des Auslasses von der Reaktionskammer nach der Schlackenablöschanlage auf die Wirksamkeit der Anlage hat, ist aus dem nachstehenden Vergleichsbeispielen erkennbar.
In den nachstehenden Beispielen wird in Wasserdampf suspendierte, gepulverte Kohle 315'C warm in einen zylinderförmigen Generator der oben beschriebenen Art eingeführt. In jedem Falle beträgt die Länge des Generators mindestens das Doppelte und nicht mehr als das Fünffache seines Durchmessers. Auf 426'C vorgewärmte Luft wird dem Generator gesondert zugeführt und der Kohle-Wasserdampf-Dispersion zugemischt. Der Generator wird in jedem Falle unter 28 kg/cm2 Druck betrieben, es kommen etwa 1 kg Wasserdampf und etwa 0,39 m3 Luft auf 1 kg Kohle. Die Einblasegeschwindigkeit der Kohle beträgt etwa 800 kg je Kubikmeter Reaktorvolumen.

Die für diese Versuche benutzte Kohle hatte folgende Elementaranalyse:

Kohlenstoff ........................ 77,3

Schwefel ........................... 2,6

Sauerstoff .......................... 5,4

Stickstoff .......................... 1,5

Wasserstoff ......................... 4,9

Asche ............................. 8,3

Die Zusammensetzung der Produktgase in Molprozent, bezogen auf trockenen Zustand der Gase, sind folgende:

Wasserstoff .............. 11,8 15,5 15,1

Kohlenmonoxyd ......... 8,6 11,3 14,4

Kohlendioxyd ............ 13,6 14,3 11,0

Methan ................. 0,4 0,6 0,1

Stickstoff ................ 65,6 58,3 59,4

Verhältnis der Querschnitts-

fläche des Auslasses zur

Reaktorquerschnittsfläche 1,00 0,382 0,750

Verhältnis des Auslaßdurch-

messers zum Reaktor-

durchmesser ........... 1,00 0,618 0,865

Kaltgas-Nutzwirkung, "/, .. 39,1 53,5 61,3

Aus den Daten dieser Beispiele geht hervor, daß man eine erhöhte Nutzwirkung dann erreicht, wenn die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung auf Dreiviertel der Gesamtquerschnittsfläche des Reaktors verringert worden ist, daß aber eine weitere Verkleinerung der Querschnittsfläche des Auslasses auf 38 "/, der Reaktorquerschnittsfläche wenn überhaupt, so nur einen geringen zusätzlichen Vorteil erbringt. Mathematisch läßt sich errechnen, daß ein Rückfluß der Gase zu erwarten ist, wenn die lichte Querschnittsfläche der Auslaßöffnung mehr als 95 0/, der Querschnittsfläche des Reaktors beträgt; in diesem Falle geht die Temperatur des Reaktors übermäßig herab, und seine Leistung sinkt.

Claims

Patentanspruch: Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus einem nichtbrennbare Rückstände enthaltenden festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff durch unmittelbare Teiloxydation mit ungebundenem Sauerstoff und Wasserdampf bei selbständiger Aufrechterhaltung einer Temperatur von über etwa 1100'C und bei oberhalb des Schmelzpunktes der genannten Rückstände liegenden Temperaturen, in der sich der in Form feiner fester Teilchen vorliegende Brennstoff mit den gasförmigen Reaktionsteilnehmern derart umsetzt, daß er dabei in diesen Reaktionsteilnehmern und in den entstehenden Reaktionsprodukten suspendiert ist, welche Vorrichtung aus einem senkrechten äußeren Druckgefäß mit einer in seinem Oberteil liegenden Reaktionskammer und einer Anlage zum Ablöschen und Ansammeln der Schlacke in seinem Unterteil besteht, wobei die Reaktionskammer die Form eines senkrechten Zylinders hat und mit einer feuerfesten Wärmeisolierung ausgekleidet ist und eine axial angeordnete Eintrittsöffnung für die Reaktionsteilnehmer an ihrem oberen Ende besitzt und unten in eine Schlackenablöschanlage mündet, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen ringförmigen Sims aus feuerfestem Baustoff, der von der Innenwand der Reaktionskammer an deren unterem Ende derart nach innen ragt, daß die Reaktionskammer von der Ablöschkammer getrennt ist und eine freie Öffnung verbleibt, deren freie Querschnittsfläche das 0,4- bis 0,95fache der Querschnittsfläche der Reaktionskammer beträgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patents#chrift Nr. 765 992; deutsche Patentaumeldungen Sch 8064 V/24e (bekanntgemacht am 13. 8. 1953), S 20692 V/24e (bekanntgemacht am 25. 10. 1951); britische Patentschrift Nr. 718 410; Zeitschrift Jron and Coal Trades Review«, Bd. 164 (1954), Heft 4501, S. 137 bis 141.