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WO2000001787A1 - Vorrichtung zur vergasung von kohlenstoffhaltigen brenn-, rest- und abfallstoffen - Google Patents

Vorrichtung zur vergasung von kohlenstoffhaltigen brenn-, rest- und abfallstoffen Download PDF

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WO2000001787A1
WO2000001787A1 PCT/DE1998/001995 DE9801995W WO0001787A1 WO 2000001787 A1 WO2000001787 A1 WO 2000001787A1 DE 9801995 W DE9801995 W DE 9801995W WO 0001787 A1 WO0001787 A1 WO 0001787A1
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cooling
cooling wall
wall
gap
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PCT/DE1998/001995
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Inventor
Ralf Donner
Dietmar Degenkolb
Manfred Schingnitz
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KRC Umwelttechnik GmbH
Noell KRC Energie und Umwelttechnik GmbH
Original Assignee
KRC Umwelttechnik GmbH
Noell KRC Energie und Umwelttechnik GmbH
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Priority to GB0003488A priority patent/GB2344350B/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling

Definitions

  • the invention relates to a device for the gasification of carbon-containing fuels, residues and waste materials according to the first and the second claim.
  • Fuels and waste materials include those with or without ash content such as lignite or hard coal as well as their coke, water / coal suspensions but also oils, tars and sludges as well as residues or waste from chemical and wood pulping processes, such as black liquor from the power process as well as solid and understand liquid fractions from the waste and recycling industry such as waste oils, PCB-containing oils, plastic and household waste fractions or their processing products, light shredders from the processing of automobile, cable and electronic scrap as well as contaminated aqueous solutions and gases.
  • the invention can be used not only for entrained-flow gasifiers but also for other gasification systems such as fixed bed or fluidized bed gasifiers or their combination.
  • the autothermal entrained-flow gasification of solid, liquid and gaseous fuels has long been known in the art of gas generation.
  • the ratio of fuel to oxygen-containing gasification agents is chosen so that, for reasons of synthesis gas quality, higher carbon compounds to synthesis gas components such as CO and H 2 are completely broken down and the inorganic constituents are discharged in a molten state (J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF -Publisher for Energy- und conveyortechnik GmbH, Berlin, 1996, p. 33 and p. 73).
  • gasification gas and the molten inorganic fraction, e.g. B. slag, discharged separately or together from the reaction chamber of the gasification device (DE 19718131.7).
  • both systems provided with a refractory lining or cooled systems are introduced (DE 4446803 A 1).
  • Gasification systems provided with a refractory lining have the advantage of low heat losses and therefore offer an energetically effective conversion of the supplied fuels. However, they can only be used for ash-free fuels, since the liquid slag flowing off the entrained-flow gasification on the inner surface of the reaction space dissolves the refractory lining and therefore only allows very limited travel times until a costly new delivery.
  • Gasification chamber further throws up slag liquid on this wall and, for example, flows out of the reaction chamber together with the gasification gas.
  • Such systems are very stable and ensure long travel times.
  • a major disadvantage of these systems is that up to 5% of the energy input is transferred to the cooled screen.
  • the device according to the invention is suitable for the gasification of fuels, waste materials and residues of various ash contents and for the combined gasification of hydrocarbon-containing gases, liquids and solids.
  • the reaction chamber contour for the gasification process is limited by a refractory lining or by a layer of solidified slag.
  • Intensive cooling protects the lining with refractory material or solidifies liquid slag so that a thermal insulation layer forms. Cooling is achieved through a water-filled cooling gap, and operating states can be set above or below the boiling point.
  • Figure 1 shows the gasification reactor.
  • the conversion of the fuel, residues and waste materials with the oxygen-containing oxidizing agent to an H 2 and CO-rich raw gas takes place in the reaction space 1.
  • the gasification media are supplied via special burners which are attached to the burner flange 2.
  • the raw gasification gas Via the opening 8, which is provided with a special device, the raw gasification gas, if appropriate together with liquid slag, leave the reaction chamber 1 and enter cooling, washing and processing systems connected downstream.
  • the gasification reactor is enveloped by the pressure jacket 3, which absorbs the differential pressure between the reaction chamber 1 and the outside atmosphere.
  • a cooling gap 5 is arranged, which can be filled with water, operated above or below the boiling point, which is dependent on the total pressure.
  • the cooling gap 5 is delimited inwards by a cooling wall 4.
  • the hot water or steam generated in the cooling gap 5 are transferred via the nozzle 9 discharged.
  • the cooling wall 4 can be provided with a thin, thin ceramic protective layer 6 firmly bonded to its surface.
  • the temperatures in the cooling gap 5 can be between 50 and 350 ° C depending on the process pressure.
  • the refractory masonry 7 can be dispensed with.
  • the liquid slag formed in the reaction chamber 1 is cooled on the cold surface of the cooling wall 4 and its coating 6, it solidifies and in this way forms a refractory lining as a slag layer 10, which grows in the direction of the reaction chamber 1 until the temperature reaches the melting point of the slag has reached.
  • the then on thrown up slag runs off as slag film and is discharged with the hot raw gas through the opening 8.
  • Figure 2 shows the exemplary embodiment of the cooling wall 4. It consists of a wall of gas-tight welded half-tubes, which are pinned and with a thin
  • Silicon carbide layer are coated.
  • the ceramic lining as a slag layer 10, which, as shown in Example 1, is artificially applied or is created by its own molten ash itself.
  • Other forms of the cooling wall such as corrugated iron, in a trapezoidal, triangular or rectangular shape, are possible depending on the manufacturing techniques.
  • the ceramic protection 6 can be applied and fastened by mechanical mounting as in Example 2, but also by chemical bonding or thermal application, such as by flame spraying.
  • Example 2 it is also easy to understand that the embodiment set out in Example 2 for the wall delimiting the reaction space 1 with the parts 3, 4, 5, 6 and 7 not only for thermally highly stressed entrained-flow gasification reactors, but also for other gasification systems, such as fixed bed or Fluidized bed gasifiers or their combinations can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoff- und aschehaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Anteile in einem als Flugstromreaktor ausgebildeten Reaktionsraum bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar, vorzugsweise zwischen Umgebungsdruck und 30 bar, wobei die Reaktionsraumkontur begrenzt wird durch eine gekühlte Reaktorwand folgenden Aufbaus von aussen nach innen: Druckmantel (3), Kühlwand (4), wassergekühlter Spalt (5) zwischen Druckmantel (3) und Kühlwand (4), keramischer Schutz (6) der Kühlwand (4); Schlackeschicht (10); und der Kühlspalt (5) zwischen Druckmantel (3) und Kühlwand (4) so druck- und temperaturgeregelt wird, dass er unterhalb oder oberhalb des Siedepunktes des Kühlwassers betrieben werden kann, wobei der Druck im Kühlspalt (5) höher ist als der Druck im Vergasungsraum (1).

Description

Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen entsprechend dem ersten und dem zweiten Patentanspruch.
Unter Brenn- und Abfallstoffen sind solche mit oder ohne Aschegehalt wie Braun- oder Steinkohlen sowie ihre Kokse, Wasser/ Kohle-Suspensionen aber auch Öle, Teere und Schlämme sowie Reste oder Abfälle aus chemischen und Holzaufschlußprozessen, wie beispielsweise Schwarzlauge aus dem Kraftprozeß sowie feste und flüssige Fraktionen aus der Abfall- und Recyclingwirtschaft wie Altöle, PCB-haltige Öle, Plaste- und Hausmüllfraktionen oder ihre Aufbereitungsprodukte, Leichtshredder aus der Aufarbeitung von Auto-, Kabel- und Elektronikschrott sowie kontaminierte wässrige Lösungen und Gase zu verstehen. Die Erfindung ist nicht nur für Flugstromvergaser sondern auch für andere Vergasungssysteme wie Festbett- oder Wirbelschichtvergaser oder ihre Kombination einsetzbar.
In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, daß aus Gründen der Synthesegasqualität höhere Kohlenstoffverbindungen zu Synthesegaskomponenten wie CO und H2 vollständig aufgespalten werden und die anorganischen Bestandteile schmelzflüssig ausgetragen werden (J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Berlin, 1996, S. 33 und S. 73).
Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Vergasungsgas und der schmelzflüssige anorganische Anteil, z. B. Schlacke, getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden (DE 19718131.7). Für die innere Begrenzung des Reaktionsraumes des Vergasungssystems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt (DE 4446803 A 1).
Mit feuerfester Auskleidung versehene Vergasungssysteme haben den Vorteil geringer Wärmeverluste und bieten deshalb eine energetisch effektive Umsetzung der zugeführten Brennstoffe. Sie sind allerdings nur für aschefreie Brennstoffe einsetzbar, da die bei der Flugstromvergasung an der inneren Oberfläche des Reaktionsraumes abfließende flüssige Schlacke die feuerfeste Auskleidung auflöst und deshalb nur sehr begrenzte Reisezeiten bis zu einer kostenintensiven Neuzustellung erlaubt.
Um diesen Nachteil bei aschehaltigen Brennstoffen zu beheben, wurden deshalb gekühlte Systeme nach dem Prinzip einer Membranwand geschaffen. Durch die Kühlung bildet sich auf der dem Reaktionsraum zugeordneten Oberfläche zunächst eine feste Schlackeschicht, deren Stärke soweit zunimmt, bis die aus dem
Vergasungsraum weiter aufgeworfene Schlacke flüssig an dieser Wand abläuft und zum Beispiel gemeinsam mit dem Vergasungsgas aus dem Reaktionsraum abströmt. Solche Systeme sind sehr beständig und sichern lange Reisezeiten. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß bis zu ca. 5 % der eingetragenen Energie auf den gekühlten Schirm übertragen wird.
Verschiedene Brenn- und Abfallstoffe, wie z. B. schwermetall- oder leichtaschehaltige Öle, Teere oder Teer-Öl-Feststoffschlämme enthalten zu wenig Asche, um bei gekühlten Reaktorwänden eine ausreichend schützende Schlackeschicht zu bilden, was zusätzliche Energieverluste zur Folge hat, andererseits ist der Aschegehalt zu hoch, um bei feuerfest ausgekleideten Reaktoren ein Abschmelzen bzw. Auflösen der Feuerfestschicht zu vermeiden und genügend hohe Reisezeiten bis zur Neuzustellung zu erreichen.
Ein weiterer Nachteil besteht im komplizierten Aufbau der Reaktorwand, was zu erheblichen Problemen bei der Herstellung und im Betrieb führen kann. So besteht beispielsweise die Reaktorwand des in J. Carl, P. Fritz: NOELL- KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Berlin, 1996, S. 33 und S. 73) dargestellten Flugstromvergasers aus einem drucklosen Wassermantel, dem Druckmantel, der auf der Innenseite durch ein Teerepoxidharzgemisch korrosionsgeschützt und mit Feuerleichtbeton ausgekleidet ist sowie dem Kühlschirm, der wie eine im Kesselbau übliche Membranwand aus gasdicht verschweißten, wasserdurchströmten Kühlrohren besteht, die bestiftet und mit einer dünnen SiC-Schicht belegt sind. Zwischen Kühlschirm und mit Feuerbeton belegten Druckmantel existiert ein Kühlschirmspalt, der zur Vermeidung von Hinterströmungen und Kondensatbildung mit einem trockenen sauerstofffreien Gas gespült werden muß.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei einfacher und zuverlässiger Betriebsweise den unterschiedlichsten Aschegehalten von Brenn- und Abfallstoffen Rechnung trägt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den nachfolgenden Ansprüchen enthalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für die Vergasung von Brenn-, Abfall- und Reststoffen unterschiedlichsten Aschegehaltes sowie für die kombinierte Vergasung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Reaktionsraumkontur für den Vergasungsprozeß durch eine Feuerfestauskleidung oder durch eine Schicht aus erstarrter Schlacke zu begrenzen. Durch eine intensive Kühlung wird bei Auskleidung mit Feuerfestmaterial dieses geschützt oder flüssige Schlacke zur Erstarrung gebracht, so daß sich eine thermische Isolierschicht bildet. Die Kühlung wird durch einen wassergefüllten Kühlspalt erreicht, wobei Betriebszustände oberhalb oder unterhalb des Siedepunktes eingestellt werden können. Die Erfindung sei an zwei Ausführungsbeispielen mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Im Ausführungsbeispiel 1 zeigt Figur 1 den Vergasungsreaktor. Der Umsatz der Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel zu einem H2 und CO- reichem Rohgas vollzieht sich im Reaktionsraum 1. Die Zuführung der Vergasungsmedien geschieht über spezielle Brenner, die am Brennerflansch 2 befestigt werden. Über die Öffnung 8, die mit einer speziellen Vorrichtung versehen wird, verlassen das Vergasungsrohgas gegebenenfalls gemeinsam mit flüssiger Schlacke den Rektionsraum 1 und gelangen in nachgeschaltete Kühl-, Wasch- und Aufbereitungssysteme. Der Vergasungsreaktor wird umhüllt vom Druckmantel 3, der den Differenzdruck zwischen dem Reaktionsraum 1 und der Außenatmosphäre aufnimmt. Zu seinem thermischen Schutz ist ein Kühlspalt 5 angeordnet, der mit Wasser gefüllt, ober- oder unterhalb des vom Gesamtdruck abhängigen Siedepunktes betrieben werden kann. Um im Schadensfall den Eintritt von Vergasungsgas in den Kühlspalt 5 zu verhindern, wird dessen Druck stets höher gehalten als der Druck im Reaktionsraum 1. Nach innen wird der Kühlspalt 5 begrenzt durch eine Kühlwand 4. Das im Kühlspalt 5 erzeugte Heißwasser oder der Dampf werden über die Stutzen 9 abgeführt. Die Kühlwand 4 kann mit einer dünnen, fest auf ihre Oberfläche gebundene dünne keramische Schutzschicht 6 versehen sein. Die Temperaturen im Kühlspalt 5 können in Abhängigkeit vom Verfahrensdruck zwischen 50 und 350 °C liegen. Bei der Vergasung aschefreier oder extrem aschearmer Einsatzstoffe ist es zweckmäßig, zur Begrenzung des Wärmeeintrages in den Kühlspalt 5 die Kühlwand 4 mit einem feuerfesten, wärmedämmenden Mauerwerk als Feuerfestauskleidung 7 zu verblenden. Bei Einsatz aschehaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe kann auf das feuerfeste Mauerwerk 7 verzichtet werden. Die im Reaktionsraum 1 entstehende flüssige Schlacke wird an der kalten Oberfläche der Kühlwand 4 und ihrer Beschichtung 6 abgekühlt, sie erstarrt und bildet auf diese Weise eine feuerfeste Auskleidung als Schlackeschicht 10, die in Richtung Reaktionsraum 1 solange aufwächst, bis die Temperatur den Schmelzpunkt der Schlacke erreicht hat. Die dann weiter aufgeworfene Schlacke läuft als Schlackefilm ab und wird mit dem heißen Rohgas über die Öffnung 8 ausgetragen.
Figur 2 zeigt die beispielhafte Ausführung der Kühlwand 4. Sie besteht hierbei aus einer Wand gasdicht verschweißter Halbrohre, die bestiftet und mit einer dünnen
Siliziumcarbidschicht bestampft sind. Auf der dem Reaktionsraum 1 zugewandten Seite befindet sich die keramische Auskleidung als Schlackeschicht 10, die, wie in Beispiel 1 gezeigt, künstlich aufgebracht wird oder durch eigene schmelzflüssige Asche selbst entsteht. Andere Formen der Kühlwand, wie beispielsweise aus Wellblech, in Trapez-, Dreieck oder Rechteckform sind in Abhängigkeit von den Fertigungstechniken möglich. Das Aufbringen und Befestigen des keramischen Schutzes 6 kann durch mechanische Halterung wie im Beispiel 2, aber auch durch chemische Bindung oder thermisches Auftragen, wie durch Flammenspritzen, erfolgen.
Es ist weiterhin leicht verständlich, daß die im Beispiel 2 dargelegte Ausführung für die den Reaktionsraum 1 begrenzende Wand mit den Teilen 3, 4, 5, 6 und 7 nicht nur für thermisch hochbelastete Flugstromvergasungsreaktoren, sondern auch für andere Vergasungssysteme, wie beispielsweise Festbett- oder Wirbelschichtvergaser oder ihre Kombinationen, eingesetzt werden kann.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Reaktionsraum
2 Flansch für Brennereinsatz 3 Druckmantel
4 Kühlwand
5 Kühlspalt
6 Keramischer Schutz der Kühlwand
7 Feuerfestauskleidung des Reaktors 8 Öffnung für den Gas- und Schlackeaustrittskörper
9 Stutzen für Dampf- oder Heißwasseranschluß
10 Schlackeschicht

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoff- und aschehaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Anteile in einem als Flugstromreaktor ausgebildeten Reaktionsraum bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar, vorzugsweise zwischen Umgebungsdruck und 30 bar, wobei die Reaktionsraumkontur begrenzt wird durch eine gekühlte Reaktorwand folgenden Aufbaus von außen nach innen:
- Druckmantel (3)
- Kühlwand (4)
- wassergekühlter Kühlspalt (5) zwischen Druckmantel (3) und Kühlwand (4)
- keramischer Schutz (6) der Kühlwand (4 - Schlackeschicht (10)
und der Kühlspalt (5) zwischen Druckmantel (3) und Kühlwand (4) so druck- und temperaturgeregelt wird, daß er unterhalb oder oberhalb des Siedepunktes des Kühlwassers betrieben werden kann, wobei der Druck im Kühlspalt höher ist als der Druck im Vergasungsraum.
2. Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger aschefreier Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel bei Temperaturen oberhalb von 850 °C in einem als Flugstromreaktor ausgebildeten Reaktionsraum bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar, vorzugsweise zwischen
Umgebungsdruck und 30 bar, wobei die Reaktionsraumkontur begrenzt wird durch eine gekühlte Reaktorwand folgenden Aufbaus von außen nach innen:
- Druckmantel (3) - Kühlwand (4)
- wassergekühlter Spalt (5) zwischen Druckmantel (3) und Kühlwand (4) - keramischer Schutz (6) der Kühlwand (4)
- feuerfeste Auskleidung (7)
und der Kühlspalt (5) zwischen Druckmantel (3) und Kühlwand (4) druckwassergefüllt unterhalb oder oberhalb des Siedepunktes des Kühlwassers betrieben werden kann, wobei der Druck im Kühlspalt (5) höher ist als der Druck im Vergasungsraum (1).
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die Kühlwand (4) aus gasdicht verschweißten Halbrohren besteht, die bestiftet und mit einer dünnen Schicht keramischer Masse hoher Wärmeleitfähigkeit belegt sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die dünne Schicht keramischer Masse durch Flammenspritzen auf die Kühlwand (4) aufgetragen ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Kühlwand (4) geometrische Formen, wie Trapez, Dreieck, Rechteck, gewellte oder glatte Form, aufweisen kann.
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