DE975803C - Verfahren zur Erzeugung wertvoller brennbarer Gase - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 27. SEPTEMBER 1962

K3318 VIb/24e

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von wertvollen brennbaren Gasen, die Kohlenoxyd und Wasserstoff enthalten, durch Vergasung von feinverteilten, insbesondere pulverförmigen Brennstoffen in der Schwebe, wobei ein vorgebildetes, möglichst homogenes Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff in Form eines Strahles in einen auf hoher Temperatur gehaltenen Reaktionsraum eingeblasen wird, in dem auch eine endotherme Reaktion zwischen Kohlenstoff einerseits und endotherm reagierenden, gasförmigen Mitteln andererseits stattfindet.

Unter »Vergasung in der Schwebe« wird hier eine Arbeitsweise verstanden, bei welcher der feinverteilte Brennstoff während der Vergasungsreaktion möglichst homogen in einem strömenden gasförmigen Medium suspendiert ist und sich im wesentlichen in gleicher Richtung wie dieses bewegt.

Als Brennstoffe kommen hier in erster Linie pulverisierte Steinkohle, Braunkohle, jüngere Kohle mit einem hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, Lignit, Torf od. dgl. und die aus solchen Brennstoffen hergestellten entgasten Erzeugnisse, wie Koks, Grudekoks, Schwelkoks, sodann auch feinverteilte flüssige Brennstoffe oder Kohlenwasserstofföle in Betracht.

Unter »Sauerstoff« werden im nachfolgenden sowohl reiner Sauerstoff als auch Luft mit einem gegenüber dem normalen Anteil erhöhten Sauer-

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stoffgehalt und Sauerstoff mit inerten Beimengungen in Höhe von etwa 20^fl/o und weniger verstanden.

»Endotherm reagierende Mittel« im Sinne der Erfindung sind in erster Linie Wasserdampf, dann auch Kohlensäure und gegebenenfalls Gemische von Kohlensäure und Wasserdampf.

Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines verbesserten Verfahrens ίο zur Vergasung von feinverteilten Brennstoffen mittels Sauerstoff und endotherm reagierenden Mitteln, das, bezogen auf den Gehalt des erzeugten Gases an brennbaren Bestandteilen (Kohlenoxyd und Wasserstoff) und die erzeugte Gasmenge, mit einem geringeren Aufwand an wertvollem Sauerstoff und einer weitgehenden Ausnutzung des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs arbeitet, so daß die Vergasung mit einer höheren Wirtschaftlichkeit durchgeführt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Reaktionstemperatur, welche sich bei der Umsetzung des Sauerstoffs mit dem Brennstoff einstellt, in vorteilhafter Weise herabzusetzen.

Es ist zwar schon bekannt, ein Gemisch von feinverteiltem Brennstoff mit Sauerstoff und Wasserdampf in einen Reaktionsraum einzublasen. Bei diesem bekannten Verfahren ist man aber von . dem Gedanken ausgegangen, daß der im Gemisch eingeblasene Wasserdampf im wesentlichen die Wärme mitbringen muß, um die für die endotherme Reaktion zwischen Kohlenstoff und Wasserdampf erforderliche Temperatur zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Ein solches Verfahren ist aber wegen der schon erwähnten starken Vorerhitzung des Wasserdampfes sehr kostspielig. Ein anderer vorwiegend technischer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß es kaum möglich ist, ein ausreichend homogenes Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff einerseits und sehr hoch, auf etwa 1200⁰ C vorerhitztem Wasserdampf andererseits außerhalb des Reaktionsraumes, in dem die Vergasung erfolgen soll, herzustellen, ohne daß die exotherme Reaktion sofort beginnt.

Selbst wenn man, wie weiterhin vorgeschlagen worden ist, mit der Vorwärmung des Gemischwasserdampfes bis auf 370 bis 480⁰ C heruntergeht, ergeben sich noch betriebliche Schwierigkeiten und ungünstige wirtschaftliche Bedingungen. Die vorliegende Erfindung geht den bekannten Vorschlägen gegenüber von der Überlegung aus, die Wärme, die innerhalb der Reaktionskammer für die endotherme Reaktion notwendig ist, aus der exothermen Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff zu decken. Demgemäß schlägt die Erfindung vor, Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des vorgebildeten Gemisches so einzustellen, daß die für die endotherme Reaktion erforderliche Wärme innerhalb der Reaktionskammer ausschließlich durch die exotherme Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff erzeugt wird.

Der Ausdruck »vorgebildetes Gemisch« soll dabei lediglich besagen, daß im Augenblick des Austrittes der Reaktionsmedien aus der Düse die Gemischbildung beendet ist. Es spielt dabei keine Rolle, wie lange die Reaktionsmedien bereits vorher zu einem Gemisch vereinigt waren.
Die stark exotherme Reaktion

erzeugt in der Primärreaktionszone der Reaktionskammer Temperaturen von mehr als i6oo° C. Bei derart hohen Temperaturen findet eine sehr intensive Umsetzung zwischen dem noch nicht zu Kohlenoxyd vergasten Brennstoff und dem Wasserdampf unter Wassergasbildung statt. Wird nun gemäß der Erfindung die Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des aus den verschiedenen Komponenten hergestellten Gemisches geeignet gewählt, so läßt sich erreichen, daß gegenüber den bisher üblichen Verfahren der Vergasung in der Schwebe ein erheblich gesteigerter Anteil von Kohlenoxyd+Wasserstoff im Endgas erzielt wird unter gleichzeitiger Herabsetzung des Anteils an nicht umgesetztem Kohlenstoff in der Asche.

Durch den in die Primärzone im Gemisch mit Brennstoff und Sauerstoff eingeblasenen Wasserdampf sinkt infolge des Wärmeentzuges durch die endotherme Reaktion die Temperatur auf einen bestimmten Wert ab. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Gefahr einer übermäßigen Wärmebeanspruchung der Kammerwände verringert.

Der Anteil des Wasserdampfes einerseits und des Sauerstoffs andererseits im Gemisch muß erfindungsgemäß so bemessen werden, daß die Reaktionstemperatur in der Primärzone einen solchen Wert nicht unterschreitet, bei der vor allem die Kohlenoxydbildung nicht mehr mit der genügenden Ausbeute abläuft. Die Abstimmung der Bestandteile des Brennstoff-Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisches auf den für die Kohlenoxyd-Wasserstoff-Bildung günstigsten Wert erfolgt erfindungsgemäß unter dem Gesichtspunkt, daß die exotherme Reaktion der Kohlenoxydbildung der praktisch ausschließliche Energiespender für die endotherme Reaktion der Wasserdampfzersetzung ist.

Die Festlegung der Anteile der einzelnen Komponenten im Gemisch ist in erster Linie von der Zusammensetzung des zu vergasenden Brennstoffs abhängig. Außer dem im Primärgemisch zugegebenen Wasserdampf ist an der endothermen Reaktion innerhalb des Vergasungsraumes auch noch der Wasserdampf beteiligt, der aus der natürlichen Feuchtigkeit der Kohlen stammt, und ferner der Wasserdampf, der durch Verbrennung bzw. Zerlegung der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs entsteht.

Die Strömungsgeschwindigkeit, die das Gemisch aus Brennstoff, Sauerstoff und endotherm reagierendem Vergasungsmittel (Wasserdampf und/oder Kohlendioxyd) beim Verlassen der Einblasedüse zweckmäßigerweise hat, richtet sich vor allem nach der Zündgeschwindigkeit dieses Gemisches, d. h. nach der Zeit, die vergeht, bis das vergleichsweise kalte Gemisch durch Wärmeeinstrahlung von den

heißen Kammerwänden so aufgeheizt ist, daß die exotherme Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff einsetzt. Die Strömungsgeschwindigkeit hängt ferner von dem Druck in der Zuführungsleitung ab und muß auf alle Fälle so bemessen sein, daß ein Rückschlag der heißen Reaktionsgase in die Zuführungsleitungen unterbleibt. Zweckmäßigerweise wird man den Druck dieses Gemisches so wählen, daß der Gesamtdruck im Reaktionsraum gleich dem Außendruck ist oder nur etwa 50 bis ioo mm WS darüber liegt.

Die Temperatur der Gemischkomponenten, insbesondere die Temperatur des Sauerstoffs und Wasserdampfs kann gemäß der Erfindung so niedrig gehalten werden, daß sich eine besondere Vorwärmung dieser Komponenten, insbesondere des Wasserdampfs erübrigt.

Die bei der Primärreaktion im Zentralteil des vergleichsweise kleinen Reaktionsraumes entstehende hohe Temperatur verursacht eine sehr hohe Wärmebeanspruchung der Kammerwände. Die Erfindung sieht nun vor, daß in die Reaktionskammer ein gasförmiges Medium derart eingeleitet wird, daß es die Zone, in welcher der Kohlenstoff

»5 mit dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch umgesetzt wird, mit einer zusammenhängenden, im gleichen Sinne wie das Gemisch strömenden Hülle umgibt. Diese die Zone der Primärreaktion umgebende Hülle übt erfindungsgemäß eine wärmeabschirmende Wirkung aus, so daß die Temperatur der Reaktionsraumwände, die durch Abwanderung der Reaktionswärme aus der Primärzone nach außen erzeugt wird, keine unerwünscht großen Werte annehmen kann. Für die Erzeugung der die Zone der endothermen Reaktion umgebenden Hülle kann ein geeignetes Gas oder ein Dampf oder ein Gemisch von beiden verwendet werden. So kann man dafür beispielsweise Brenngas nehmen, das man vorzugsweise aus der Gesamtmenge des in der Primärreaktion erzeugten Nutzgases in geeigneter Menge abzweigt. Mit dem so zugesetzten Brenngas tritt, solange die Primärreaktion im oben beschriebenen Sinne abläuft, im wesentlichen keine andere Veränderung auf, als daß es seinen Gehalt an fühlbarer Wärme durch Wärmeaufnahme aus der Primärzone vergrößert. Im Falle eines Versagens der Zufuhr an feinverteiltem Brennstoff in die Primärzone der Reaktionskammer setzt sich das für die Hüllenbildung eingeführte Brenngas mit dem Sauerstoff um und verhindert so eine Knallgasbildung in den Gasabzugsleitungen.

Für das die Primärzone einhüllende Gas kann auch Kohlensäure oder ein Gemisch von Kohlensäure mit Wasserdampf genommen werden.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß dem Reaktionsgemisch nach Beendigung der Wassergasbildung bzw. der endothermen Reaktionen Wasserdampf in ausreichender Menge zugesetzt wird, um die Einstellung des Wassergasgleichgewichtes im Sinne der Reaktionsgleichung

H₂O:

H₉

herbeizuführen und dadurch die Ausbeute an Wasserstoff zu erhöhen. Es ist gegebenenfalls auch möglich, dem heißen Reaktionsgemisch an Stelle von Dampf Wasser in feinverteilter Form, z. B. durch Zerstäubung mittels einer Düse, zuzuführen.

Eine Übersicht über den grundsätzlichen Ablauf des Verfahrens gemäß der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung gegeben. Darin bedeutet 1 die Reaktionskammer für die eigentliche Vergasung in der Schwebe. Sie ist aus feuerfestem Material 2 hergestellt und zweckmäßigerweise in Form eines abgestumpften Kegels ausgebildet. An dem kleineren Ende 3 der Reaktionskammer 1 liegen die Eintrittsöffnungen für die Reaktionsmedien. In der Mitte der Abschlußwand befindet sich die Eintrittsdüse 4 für das Gemisch aus Brennstoff, Sauerstoff und endotherm reagierendem Vergasungsmittel (Wasserdampf und/oder Kohlendioxyd), die im wesentlichen gleichachsig mit der Reaktionskammer angeordnet ist. Statt einer Düse 4 können auch mehrere eng beieinanderliegende Einzeldüsen vorgesehen sein.

Um die Eintrittsdüse 4 liegen, auf einem Kreis angeordnet, eine Anzahl Gasdüsen 5, durch die das die Hülle bildende Gas n eingeblasen wird. Diese Düsen 5 sind nach Richtung und Ausbildung des Düsenkopfes so gewählt, daß das eingeblasene Gas eine möglichst geschlossene Hülle um die heißen Zonen in der Mitte der Kammer bildet. Um dies zu erreichen, kann man die Gasdüsen 5 vorzugsweise so anordnen, daß die Strahlrichtung einen gewissen Winkel mit der Kammerachse bildet, so daß das Hüllgas eine schraubenförmig an der Kammerwand entlanggleitende geschlossene Schutzschicht bildet.

Nachdem die heißen Reaktionsgase die Reaktionskammer ι verlassen haben, gelangen sie im Nachreaktionsraum 6 in endotherme Reaktion mit Wasserdampf, der durch die Düsen 9 in den Raum 6 eingeführt wird. Die Düsen 9 können auch als Zerstäuber ausgebildet sein, denen Wasser zugeführt wird, das dann in Form feinverteilter Tröpfchen in Reaktion mit den heißen Gasen aus der Reaktionskammer unter Bildung von Wassergas kommt. Die Gase verlassen den Gasraum 6 durch den Gasabzug 7 und werden dann in der üblichen, nicht zur Erfindung gehörigen Weise, weiterbehandelt. Die unbrennbaren Rückstände der Brennstoff asche bzw. Schlacke können bei 8 aus dem Gasraum abgezogen werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Erzeugung wertvoller brennbarer Gase durch Vergasen feinverteilter Brennstoffe in der Schwebe, bei dem der Brennstoff in einem vorgebildeten Gemisch mit Sauerstoff und einem endotherm reagierenden gas- oder dampfförmigen Mittel in eine auf hoher Temperatur befindliche Reaktionskammer eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches so eingestellt 1*5 werden, daß die für die endotherme Reaktion

   erforderliche Wärme innerhalb der Reaktionskammer ausschließlich durch die exotherme Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff erzeugt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone, in welcher der Kohlenstoff primär mit dem sauerstoffhaltigen Gemisch umgesetzt wird, mit einer zusammenhängenden, im gleichen Sinne wie das Gemisch strömenden Hülle eines gasförmigen Mediums umgeben wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Primärzone umgebende Hülle aus Wasserdampf und/oder Kohlensäure besteht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Hülle um die Primärzone ein brennbares Gas, vorzugsweise ein Teil des erzeugten Nutzgases benutzt wird.
5. 5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Reaktionsmedien nach Beendigung der endothermen Reaktionen eine weitere Menge Wasserdampf zugesetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in das heiße Reaktionsgemisch Wasser in feinverteilter Form eingeführt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 103454, 112 342; britische Patentschriften Nr. 8239/1899, 340 050; französische Patentschrift Nr. 599589;

   VDI-Beiheft »Verfahrenstechnik«, 1940, Nr. 2, S. 41;

   »American Gas Association Proceedings«, 1949, S. 705 bis 724;

   »Industrial and Engineering Chemistry«, Bd. 40, 1948, S. 568.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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