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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung
fester Brennstoffe in der Wirbelschicht unter erhöhtem Druck
unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus Sauerstoff
und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladene Rohgase
oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes des
Wirbelschichtvergasers abgezogen werden.
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Der
Vergasungsraum des Wirbelschichtvergasers besteht üblicherweise
aus einer Wirbelschicht, einem über
der Wirbelschicht angeordneten Freeboard und einem unter der Wirbelschicht
angeordneten Bodenproduktabzug. In die Wirbelschicht und häufig auch
in das Freeboard und/oder das Wanderbett des Bodenproduktabzuges
werden die Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen, die sich
in so genannten Düsenebenen
auf unterschiedlicher Höhe
des Vergasungsraumes befinden, eingedüst. Die Vergasungsmittel bestehen
in der Regel aus Sauerstoff O2 und Wasserdampf
H2O (g) oder Luft. Es kann auch Kohlendioxid
CO2 als Vergasungsmittel vorgesehen werden.
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Die
sich bei der Vergasung fester Brennstoffe im Vergasungsraum des
Wirbelschichtvergasers bildenden kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände bestehen
aus Aschen und Restkoksen. Sofern im Vergasungsraum flüssige Brennstoffe
oder zu entsorgende Flüssigkeiten
und Feststoffe mitvergast werden, kommen deren Vergasungsrückstände, die
sich aus mineralischen oder metallischen Rückständen und Restkoksen (bestehend
aus Kokskohlenstoff und Aschen) zusammensetzen, hinzu. Die Vergasungsrückstände sind
hinsichtlich ihrer Körnung
in grobkörnige
und feinkörnige
Vergasungsrückstände zu unterteilen.
Erstere werden unterseitig des Vergasungsraumes als Bodenprodukt
abgezogen, letztere verlassen den Vergasungsraum oberseitig mit
den Rohgasen als Feinstäube.
Die Feinstäube
werden in einem dem Wirbelschichtvergaser nachgeschalteten Staubabscheider
aus dem staubbeladenen Rohgas abgeschieden. Sowohl die Feinstäube als
auch das Bodenprodukt enthalten einen hohen Anteil an Kokskohlenstoff.
Um die Vergasungsrückstände umweltgerecht
deponieren zu können,
müssen
sie einer Nachbehandlung durch Nachoxidation, d. h. einer Nachverbrennung,
zugeführt
werden. Da der Aufwand für
die Nachverbrennung beträchtlich
ist, hat man nach Lösungen
gesucht, die Nachoxidation der Vergasungsrückstände in den Wirbelschichtvergaser zu
integrieren.
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Für die Nachoxidation
des Bodenproduktes ist der Vorschlag gemäß
DE 26 40 180 C3 bekannt, wonach
unter der Wirbelschicht eine Wanderbettvergasung nach dem Lurgi-Verfahren mit Drehrostaustrag
der Asche angeordnet werden soll. Obwohl das Bodenprodukt auf diese
Art und Weise einer Nachbehandlung unterzogen werden kann, konnte
sich die Lösung
nicht durchsetzen, da weiterhin die Nachbehandlung der Feinstäube und
eine Anlage zu deren Nachverbrennung erforderlich sind.
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In
DE 44 13 923 A1 wird
zur Lösung
des Problems vorgeschlagen, mindestens eine Teilmenge der Feinstäube über eine
mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebene und zugleich
als Staubbrenner ausgebildete Vergasungsmitteldüse in einer Höhe bis zu
3 m oberhalb der Wirbelschicht in das Freeboard des Wirbelschichtvergasers
einzutragen, wobei das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel einen
Anteil von mehr als 20 Vol.-% Sauerstoff enthalten soll. Angestrebt
werden die thermische Zersetzung der mit den Feinstäuben mitgeführten organischen
Spurenstoffe und eine Einbindung anorganischer Spurenstoffe in die
Matrix der Asche. Hervorgehoben wird eine Verfahrensführung, bei
welcher die Aschebestandteile in den Flammenbereichen vor den Vergasungsmitteldüsen über den
Erweichungspunkt aufgeheizt und agglomeriert werden. Das Vergasungsmittel
soll auch mehr als 30 Vol.-% Sauerstoff enthalten. Dieser Vorschlag
ist ebenfalls nicht geeignet, die Feinstäube vollständig thermisch nachzubehandeln,
da sie in den Flammenbereichen nicht vollständig vergast werden können und
nicht die gesamte Asche der zurückgeführten Feinstäube granuliert
werden kam. Auf eine externe Nachbehandlung kann ebenfalls nicht
verzichtet werden.
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In
EP 1 201 731 A1 wird
ein Verfahren beschrieben, dass es ermöglichen soll, die Feinstäube in den
Wirbelschichtvergaser möglichst
vollständig zurückzuführen und
das Bodenprodukt durch Nachoxidation thermisch zu behandeln. Die
Granulation der Aschebestandteile in der Wirbelschicht soll mittels Eindüsung zusätzlicher
Vergasungsmittel, die sich durch einen höheren Sauerstoffgehalt und/oder
eine höhere
Temperatur auszeichnen, erfolgen. Der Sauerstoffgehalt soll dazu ≥ 21 Vol.-%
und/oder die Temperatur des Vergasungsmittels ≥ 400°C betragen. Dieser Vorschlag
eröffnet
ebenfalls keine Lehre, wonach die aus dem Wirbelschichtvergaser
austretenden Feinstäube
vollständig
thermisch nachbehandelt werden können.
Dies liegt zum einen darin begründet,
dass infolge der starken Feststoffvermischung in der Wirbelschicht
sich nur in lokal eng begrenzten Flammenbereichen vor den Vergasungsmitteldüsen so hohe
Temperaturen einstellen, dass die Aschebestandteile agglomerieren
können.
Da zum anderen der Kohlenstoffgehalt in der Wirbelschicht sehr hoch ist
(> ca. 60 Ma.-% bezogen
auf den Feststoff), kann selbst in den Gebieten hoher Temperaturen
nur von einem geringen Anteil an feinkörnigen Aschen ausgegangen werden,
der durch die Verbrennung freigesetzt wird und zur Agglomeration
zur Verfügung steht.
Der überwiegende
Teil der feinkörnigen Aschen
befindet sich außerhalb
der Flammenbereiche, wird nicht agglomeriert und mit dem Rohgas ausgetragen.
Die Beladung des Rohgases mit Feinstäuben würde so stark ansteigen, dass
eine vollständige
Rückführung der
Feinstäube
nicht mehr möglich
wäre. Eine
externe Nachbehandlung der Feinstäube ist auch hier weiterhin
unumgänglich.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Behandlung der kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände bei
der Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter erhöhtem Druck
bereitzustellen, die es gestatten, auf eine externe Nachbehandlung
der Feinstäube
und des Bodenproduktes möglichst
vollständig
zu verzichten.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe in
der Wirbelschicht unter erhöhtem
Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus
Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladene
Rohgase oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes des
Wirbelschichtvergasers abgezogen werden, gelöst, bei dem Vergasungsmittelgemische
in die Wirbelschicht, das Wanderbett und in das sich über der Wirbelschicht
ausbildende Freeboard eingeleitet werden, wobei die Sauerstoffkonzentration
der in die Wirbelschicht eingeführten
Wirbelschicht-Vergasungsmittel mindestens soweit erhöht wird,
dass sich in nahezu dem gesamten Reaktionsraum der Wirbelschicht
Temperaturen einstellen, die in dem Temperaturfenster zwischen dem
Ascheerweichungspunkt tEp und dem Ascheschmelzpunkt
tMp liegen, wobei die Sauerstoffkonzentration
der in das Wanderbett unter der Wirbelschicht eingeführten Wanderbett-Vergasungsmittel
soweit verringert wird, dass sich in der Verbrennungszone im Wanderbett
Maximaltemperaturen einstellen, die unterhalb des Ascheerweichungspunktes
tEp liegen, wobei die Sauerstoffkonzentration
der in das Freeboard über
der Wirbelschicht eingeführten
Freeboard-Vergasungsmittel mindestens soweit verringert wird, dass
sich am oberen Ende des Freeboardes Temperaturen einstellen, die
in der Nähe
der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR,
mindestens aber unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes tSp liegen.
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Die
Erfindung beinhaltet eine neuartige, erweiterte Verfahrensgestaltung
für die
Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe, die sich überraschend ergibt,
wenn die Möglichkeiten,
die die stofflichen Eigenschaften der zu vergasenden Brennstoffe
bieten, in geeigneter Kombination und Weise ausgenutzt werden. Es
wurde gefunden, dass die vier entscheidenden Stoffgrößen, die
die Erweiterung der Verfahrensgestaltung zur Lösung der Aufgabenstellung der Erfindung
ermöglichen,
der Ascheerweichungspunkt tEp, der Ascheschmelzpunkt
tMp, der kritische Aschesinterpunkt tSp und die kinetische Reaktionsendtemperatur
tkR sind.
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Dabei
repräsentiert
im vorliegenden Zusammenhang der Ascheerweichungspunkt tEp die Temperatur, die erreicht sein muss,
damit die Asche unter den Bedingungen der Wirbelschichtvergasung
wenigstens teilweise schmilzt und agglomeriert und die unterschritten
sein muss, damit die Asche unter den Bedingungen der Festbettvergasung
im Wanderbett weder teilweise schmilzt noch agglomeriert. Der Ascheerweichungspunkt
tEp ist abhängig von der Aschezusammensetzung
der Brennstoffe und variiert beispielhaft zwischen z. B. 700°C für Biomassen,
z. B. 1000°C
für Braunkohlen
und z. B. 1200°C
für Steinkohlen,
wobei die Werte typische Einzelbeispiele darstellen und keinesfalls
als repräsentativ
für die genannten
Brennstoffgruppen gelten können.
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Der
Ascheschmelzpunkt tMp stellt im vorliegenden
Zusammenhang die Temperatur dar, bei der unter den Bedingungen der
Wirbelschichtvergasung die Asche unter Ausbildung von Flüssigkeitsfilmen oder
Tröpfchen
erweicht und schmilzt, wobei die mindestens teilweise erweichten
Partikel zu größeren Partikeln
agglomerieren, jedoch das Wirbelbett noch nicht einfriert. Die Werte
der Ascheschmelzpunkte tMp liegen je nach
eingesetztem Vergasungsstoff um 30 bis 200 K über den entsprechenden Werten
der Ascheerweichungspunkte tEp.
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Als
kritischer Aschesinterpunkt tSp wird die Temperatur
bezeichnet, die unterschritten sein muss, damit die Asche im Freeboard
und bei der Abkühlung des
staubbeladenen Rohgases nicht zu betriebsstörenden Anbackungen oder Verlegungen
führt.
Nichtrepräsentative,
aber typische Zahlenbeispiele sind: z. B. 600°C für Biomassen, z. B. 900°C für Braunkohlen
und z. B. 1100° für Steinkohlen.
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Die
kinetische Reaktionsendtemperatur tkR ist
nach Hedden/Foerst, W.: „Ullmanns
Encyklopädie der
technischen Chemie";
Band 10, Seite 375; Urban & Schwarzenberg; München, Berlin;
1958/diejenige Temperatur, bei der die endothermen Vergasungsreaktionen
bei der Festbettvergasung ohne Wärmezufuhr
oder Wärmeabfuhr
von Außen
entsprechend der Reaktionsfähigkeit
des Restkohlenstoffes, d. h. reaktionskinetisch, „einfrieren". Die kinetische
Reaktionsendtemperatur tkR kann auch auf
die Bedingungen der Wirbelschicht und Flugstromvergasung fester Brennstoffe
unter Druck übertragen
werden. Die beiden wichtigsten endothermen Vergasungsreaktionen sind
die Boudouard-Reaktion (C + CO2 → 2 CO) und die
heterogene Wassergasreaktion (C + H2O → CO + H2). Die Höhe
der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR hängt von
den eingesetzten, endothermen Vergasungsmitteln Wasserdampf und/oder
Kohlendioxid und von der Reaktionsfähigkeit des Kokskohlenstoffes
des jeweiligen Brennstoffes ab. Es ist bekannt, dass die kinetischen
Reaktionsendtemperaturen tkR für Kohlendioxid
unter technischen Bedingungen um ca. 50 bis 100 K höher liegen
als die für
Wasserdampf. Bezüglich
der Brennstoffabhängigkeit
ist bekannt, dass die kinetischen Reaktionsendtemperaturen tkR bei der Vergasung mit Wasserdampf/Sauerstoff-Vergasungsmitteln
beispielhaft folgende nichtrepräsentative,
typische Werte annehmen: bei Steinkohlen die höchsten Werte (z. B. 1000°C), bei Biomassen
die niedrigsten Werte (z. B. 650°C)
und bei Braunkohlen mittlere Werte (z. B. 850°C).
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Die
unter Berücksichtigung
der Erkenntnis der genannten Stoffgrößen mögliche Erweiterung der Verfahrensgestaltung
wird für
die Zonen der Wirbelschicht, des Wanderbettes und des Freeboardes nacheinander
beschrieben.
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Die
Wirbelschichttemperatur wird erfindungsgemäß auf Werte im Temperaturfenster
zwischen dem Ascheerweichungspunkt tEp und
dem Ascheschmelzpunkt tMp angehoben, indem
die Sauerstoffkonzentration der Wirbelschicht-Vergasungsmittel erhöht wird.
Die Erhöhung
der Sauerstoffkonzentration erfolgt durch eine veränderte Aufteilung der
Zuführung
der Vergasungsmittel auf die Zonen der Wirbelschicht, des Freeboards
und des Wanderbettes derart, dass in der Zone der Wirbelschicht
die Menge an Wasserdampf und/oder an Kohlendioxid entsprechend reduziert
und dafür überwiegend
in die Zone des Freeboardes aufgegeben wird. Dabei wird die zur
Wirbelschicht zugeführte
Vergasungsmittelmenge um so viel an Wasserdampf und/oder an Kohlendioxid
reduziert, dass die Wirbelschichttemperatur, die nach dem Stand
der Technik unterhalb des Ascheerweichungspunktes tEp in
der Nähe
der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR liegt,
je nach Vergasungsstoff um mindestens 50 bis 200 K erhöht wird,
um die gewünschte
Aschegranulierung durchzuführen.
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Weiterhin
neu ist, dass die Wirbelschichttemperatur auch außerhalb
der Flammenbereiche, die sich vor den Vergasungsmitteldüsen ausbilden,
in nahezu dem gesamten Reaktionsraum der Wirbelschicht auf diese
hohen Temperaturen angehoben wird. Unter diesen Bedingungen und
auf Grund des vorhandenen Restkokses reagiert der Sauerstoff bevorzugt
mit dem Restkoks unter Bildung von erweichten, geschmolzenen und
teilgeschmolzenen Partikeln, letztere z. B. mit Schlackehaut. Durch
intensive gegenseitige Berührung
dieser Partikel in der Wirbelschicht bilden sich mehrere Millimeter
große
Restkoks-Asche-Agglomerate. Diese Agglomerate sinken nach unten
und gelangen in das Wanderbett. Infolge der durchgehend hohen Temperaturen
in der Wirbelschicht agglomeriert nahezu die gesamte durch Vergasung
freigelegte Asche. Dabei kommt es nicht zum Einfrieren des Wirbelbettes,
da sich in dem bezeichneten Temperaturfenster höchstens lokal begrenzte Agglomerate
ausbilden, deren Wachstum durch den in größeren Mengen vorhandenen Restkoks
begrenzt ist.
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Die
beschriebene Verfahrenserweiterung hat bedeutende, positive Auswirkungen
für die
Wirbelschichtvergasung zur Folge. Der Austrag feinkörniger,
nicht agglomerierter Aschen mit den Rohgasen aus der Wirbelschicht,
geht drastisch zurück.
Da besonders die feinsten Restkoks-Partikel agglomerieren, verringert
sich auch der Austrag von feinkörnigem
Restkoks mit den Rohgasen aus dem Wirbelschichtvergaser, d. h. die
Staubbeladung der Rohgase sinkt stark ab, wodurch der Aufwand für die Entstaubung
der staubbeladenen Rohgase sinkt. Die Rückführung der abgeschiedenen Feinstäube, die
in der Regel zweistufig, d. h. mittels Heißzyklon und Warmgasfilter erfolgt,
ist dadurch praktisch vollständig
möglich.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Erfindung, das dazu beiträgt, dass
die abgeschiedenen Feinstäube
in der Regel praktisch vollständig
in die Zone der Wirbelschicht zurückgeführt werden können, ist,
dass durch die hohen, aber moderaten Temperaturen im Reaktionsraum
der Wirbelschicht (außerhalb
der Flammenbereiche) optimale Bedingungen für die Einbindung flüchtiger
Alkalien und Schwermetalle in die schmelzflüssige Phase geschaffen werden.
Der im Falle der praktisch vollständigen Staubrückführung resultierende,
anreicherungsbedingte Anstieg der Dampfdrücke der genannten flüchtigen
anorganischen Komponenten wird dadurch so niedrig wie möglich gehalten.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung werden
größere Freiheiten
bei der Auslegung und beim Betrieb des Wirbelschichtvergasers gewonnen.
Eine Möglichkeit
besteht darin, die Wirbelschichthöhe und damit das Volumen der
Wirbelschicht zu erhöhen, ohne
die Bauhöhe
des Wirbelschichtvergasers zu vergrößern. Die Wirbelschicht kann
im Wirbelschichtvergaser einen größeren Raum einnehmen, da dies ohne
nachteilige Wirkung auf den Staubaustrag ist. Diese Option ist dann
von Vorteil, wenn reaktionsträge
Vergasungsstoffe, z. B. Steinkohlen, unter Ausnutzung längerer Verweilzeiten
in der Wirbelschicht vergast werden sollen. Andererseits kann das
Volumen der Wirbelschicht und damit die Bauhöhe des Wirbelschichtvergasers
bei reaktionsfreudigen Vergasungsstoffen (Braunkohlen und Biomassen)
verringert werden. Generell geht mit der Temperaturerhöhung eine
deutliche Zunahme des Kohlenstoffumsatzes einher. Das eröffnet die
Möglichkeit
der Vergrößerung der
Bandbreite der einsetzbaren Vergasungsstoffe (Steinkohlen) bis hin
zum Multi-Brennstoffeinsatz
in einem Vergaser. Durch die hohen Wirbelschichttemperaturen werden
wesentlich weniger organische oder anorganische Spurenstoffe gebildet, bzw.
gebildete Spurenstoffe werden schneller abgebaut. Die thermische
Zersetzung höherer
aromatischer Kohlenwasserstoffe, z. B. BTX und Naphthalin, und der
Stickstoffverbindungen, hauptsächlich
Ammoniak und HCN, verläuft
in der Wirbelschicht auf Grund der hohen axialen und radialen Konvektion viel
intensiver als im Falle der bisher üblichen Temperaturerhöhung im
Freeboard. Der Aufwand für
die Entfernung der Spurenstoffe bei der Gasreinigung verringert
sich.
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An
den Umfassungswänden
der Wirbelschicht kann es trotz der Ascheerweichung nicht zu massiven
Ansätzen
oder betriebsstörenden
Ablagerungen kommen, da die Konzentration an Restkoks in der Wirbelschicht,
der keine Aschehaut aufweist, sehr hoch ist und dieser Restkoks
als inertes Zwischenmittel in ggf. entstehende Ablagerungen eingelagert
wird und deren Bildung somit verhindert bzw. deren Festigkeit soweit
verringert, dass sich die lockeren Ablagerungen nicht an den Wänden stabilisieren
können.
Sollten dennoch Ablagerungen an den Wänden haften, weisen sie auf
Grund der hohen Temperaturen, bei denen die Asche teilweise geschmolzen
und erweicht vorliegt, nur so geringe Festigkeiten auf, dass sie
sich ab einer bestimmten Größe von den
Wänden
wieder ablösen
und nach unten in das Wanderbett fallen.
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Erfindungsgemäß wird die
Sauerstoffkonzentration der in das Wanderbett unter der Wirbelschicht
eingeführten
Wanderbett-Vergasungsmittel soweit verringert, dass sich in der
Verbrennungszone im Wanderbett Maximaltemperaturen einstellen, die unterhalb
des Ascheerweichungspunktes tEp liegen. Die
Wanderbett-Vergasungsmittel strömen
im Gegenstrom zu dem nach unten aus dem Vergaser abgezogenen Bodenprodukt.
Im Wanderbett bilden sich von unten nach oben gesehen, vereinfacht
dargestellt, folgende Zonen aus: die Aschezone (Aufheizung der Wanderbett-Vergasungsmittel
und Abkühlung
des Bodenproduktes), die Verbrennungszone (vollständige Verbrennung
des noch vorhandenen Restkohlenstoffes mit Sauerstoff und Nachoxidation der
Asche unter Erreichung der Maximaltemperaturen von Bodenprodukt
und Gas) und die Vergasungszone (teilweise Vergasung des mit dem
Bodenprodukt aus der Wirbelschicht eingetragenen Restkohlenstoffes
mit Wasserdampf oder Kohlendioxid unter Absenkung der Temperatur
auf annähernd
die kinetische Reaktionsendtemperatur tkR.
Je nach eingesetztem Vergasungsstoff und dessen Ascheerweichungspunkt
tEp muss die Sauerstoffkonzentration entsprechend
abgesenkt werden, damit die Asche im Wanderbett nicht erweicht und
es nicht zu betriebsstörenden
Verschlackungen oder zur Bildung kompakter Schmelzverbände kommt,
die die Durchströmbarkeit
des Wanderbettes beeinträchtigen und/oder
auf Grund ihrer Größe Austragsprobleme verursachen.
Die Absenkung der Sauerstoffkonzentration wird vorzugsweise dadurch
erreicht, dass ein Teil des aus der Zone der Wirbelschicht eingesparten Wasserdampfes
oder Kohlendioxid in die Zone des Wanderbettes zugeführt wird.
Für den
Fachmann bedarf es keiner weiteren Erläuterung, welche Mengen an Sauerstoff
und/oder Wasserdampf er in die Zone des Wanderbettes einführen muss.
Für die
Vergasung von Braunkohlen haben sich im Falle von Vergasungsmittelgemischen,
die aus Sauerstoff und Dampf bestehen, Sauerstoffgehalte entsprechend Dampf/Sauerstoff-Verhältnissen
von ca. 8 kg(Dampf)/m3(i.N., Sauerstoff)
als geeignet erwiesen, um sicherzustellen, dass der Ascheerweichungspunkt
tEp nicht überschritten wird. Am oberen Ende
des Wanderbettes im Übergang
zur Wirbelschicht stellen sich, wie bereits ausgeführt, Temperaturen
ein, die annähred
der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR entsprechen
und somit unter dem Ascheerweichungspunkt tEp liegen.
Die in das Wanderbett absinkenden, teilweise schmelzflüssigen Asche-
und Asche-Koks-Agglomerate kühlen
in der Vergasungszone des Wanderbettes auf Grund der endothermen
Vergasungsreaktionen sehr schnell bis unter den Ascheerweichungspunkt
tEp ab. Somit erfolgt, ohne dass zusätzliche
Kühlvorrichtungen
erforderlich wären,
selbsttätig
die für
die Ausbildung eines vollständig
trockenen Schüttgutes
notwendige Abkühlung
des Feststoffes. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht
darin, als Wanderbett-Vergasungsmittel Kohlendioxid (ohne Wasserdampf)
im Gemisch mit Sauerstoff einzuführen,
die beide wenig oder nicht vorgewärmt sind und Temperaturen von
nahe Umgebungstemperatur bis ca. 100°C aufweisen. Das Bodenprodukt
wird dabei so weit abgekühlt,
dass auf die sonst erforderliche externe Nachkühlung verzichtet werden kann.
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Schließlich wird
erfindungsgemäß die Sauerstoffkonzentration
der in das Freeboard eingeführten Freeboard-Vergasungsmittel
mindestens soweit verringert oder umgekehrt deren Wasserdampfkonzentration
soweit erhöht,
dass sich am oberen Ende des Freeboardes Temperaturen einstellen,
die in der Nähe
bzw. unterhalb der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR,
mindestens aber unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes tSp, liegen. Erfindungswesentlich hierbei
sind die Erkenntnisse, dass a) eine gegenüber der kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR signifikant höhere Temperatur am oberen Ende der
Wirbelschicht vorliegt, dass b) die hohen Temperaturen der staubbeladenen
Rohgase am oberen Ende der Wirbelschicht die Gewähr dafür sind, dass sich die kinetische
Reaktionsendtemperatur tkR nach Einmischung
der überwiegend
aus endotherm reagierenden Vergasungsmitteln bestehenden Freeboard-Vergasungsmittel
schnell einstellen, dass c) mit der Abkühlung der staubbeladenen Rohgase
auf die kinetische Reaktionsendtemperatur in den meisten Fällen der
kritische Aschesinterpunkt tSp am oberen
Ende des Freeboardes unterschritten wird, d. h. die abgekühlten staubbeladenen
Rohgase nicht mehr zur Hochtemperaturverschmutzung, Ansatzbildung
und Korrosion neigen, d) in den anderen Fällen, bei denen der kritische
Aschesinterpunkt tSp des Vergasungsstoffes
niedriger als dessen kinetische Reaktionsendtemperatur tkR ist, die Sauerstoffkonzentration der in
das Freeboard eingeführten
Freeboard-Vergasungsmittel mindestens soweit abgesenkt oder gänzlich auf
Null reduziert wird, dass am oberen Ende des Freeboardes der kritische
Aschesinterpunkt tSp unterschritten wird
und e) dass die bei der Abkühlung
der staubbeladenen Rohgase frei werdende Wärme überwiegend in chemisch gebundene Wärme umgewandelt
wird. Es ist vorteilhaft, die Sauerstoffkonzentration der in das
Freeboard eingeführten
Freeboard-Vergasungsmittel auf Null abzusenken, d. h. Wasserdampf,
Kohlendioxid oder Gemische aus beiden einzuführen. Bei dieser Variante erfolgt
eine sehr intensive Abkühlung
bis in die Nähe der
kinetischen Reaktionsendtemperatur tkR und
darunter. Wird eine noch schnellere und/oder noch stärkere Abkühlung im
Freeboard gewünscht,
ist es auch möglich,
Wasser oder verflüssigtes
Kohlendioxid gemeinsam oder getrennt mit den Freeboard-Vergasungsmitteln
oder anstelle der Freeboard-Vergasungsmittel in das Freeboard einzubringen.
Auch hier wird dem Fachmann klar erkenntlich sein, welche Sauerstoffkonzentrationen
und welche Wasserdampf- und/oder Kohlendioxidmengen er bei welchen
Einsatzkohlen, welchen Vergasungsbedingungen und welchen Abkühlraten
er anzuwenden hat. Mit Hilfe der erläuterten Verfahrensmöglichkeiten
der Kühlung
der staubbeladenen Rohgase im Freeboard wird unter allen Bedingungen
sichergestellt, dass der kritische Aschesinterpunkt tSp am
oberen Ende des Freeboardes unterschritten wird.
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Außerdem wird
gewährleistet,
dass die Umfassungswände
des Freeboardes frei von massiven Ascheansätzen oder betriebsstörenden Ascheablagerungen
bleiben. Durch das Eindüsen
der kühlenden
Freeboard-Vergasungsmittel, gegebenenfalls Wasser oder verflüssigtes
Kohlendioxid eingeschlossen, bildet sich im Freeboard eine so genannte
Nierenströmung
aus. Die aufwärtsgerichtete,
heiße
Strömung
wird von einer wandnahen, abwärtsgerichteten sowie „kalten" Strömung umschlossen,
die an ihrem unteren Ende in die Wirbelschicht einmündet. Diese „kalte" Strömung schützt die
das Freeboard umfassenden Wände
vor Anbackungen. Dein Fachmann ist es leicht möglich, die Freeboard-Vergasungsmittel auf
vorteilhafte Weise so einzuführen,
dass die „kalte" Zirkulationsströmung unterstützt und
verstärkt wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe
in der Wirbelschicht unter Druck nach Anspruch 5, die im wesentlichen
aus einem Wirbelschichtvergaser besteht, der im Oberteil einen Rohgasabzug,
im unteren Teil ein Bodenprodukteabzug aufweist. Im Bereich der
Wirbelschicht sind ein Brennstoffeintrag sowie eine Staubrückführung angeordnet.
Der Wirbelschichtvergaser ist mit Hitzeschutz ausgestattet und weist
einen Kühlmantel
auf.
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Der
Reaktionsraum des Wirbelschichtvergasers besteht von unten nach
oben gesehen aus dem Wanderbett, aus der Wirbelschicht über dem
oberen Ende des Wanderbettes und dem Freeboard über dem oberen Ende der Wirbelschicht.
In den Bereichen des Wanderbettes, der Wirbelschicht und des Freeboardes
sind am Umfang des Wirbelschichtvergasers Zuführeinrichtungen für sauerstoffhaltige
Vergasungsmittel angeordnet, wobei die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
so ausgestaltet sind, dass sie eine unterschiedliche Steuerung des
Sauerstoffgehaltes im Reaktionsraum erlauben. Dabei sind die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
für die
Wirbelschicht so angeordnet und ausgestaltet, dass sie eine unterschiedliche
Steuerung des Sauerstoffgehaltes erlauben, so dass sich in nahezu
dem gesamten Reaktionsraum der Wirbelschicht Temperaturen einstellen,
die in dem Temperaturfenster zwischen dem Ascheerweichungspunkt
tEp und dem Ascheschmelzpunkt tMp liegen.
Die Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
für das
Wanderbett sind so angeordnet und ausgestaltet, dass sie eine Steuerung
des Sauerstoffgehaltes erlauben, so dass sich in der Verbrennungszone
im Wanderbett Maximaltemperaturen einstellen, die unterhalb des
Ascheerweichungspunktes tEp liegen. Die
Vergasungsmittel-Zuführeinrichtungen
für das
Freeboardes sind so angeordnet und ausgestaltet, dass sie eine Steuerung
des Sauerstoffgehaltes erlauben, so dass sich am oberen Ende des
Freeboardes Temperaturen einstellen, die in der Nähe der kinetischen
Reaktionsendtemperatur tkR, mindestens aber
unterhalb des kritischen Aschesinterpunktes tSp,
liegen.
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Beginnend
vom unteren Ende des Wanderbettes bis zum Gasaustritt am oberen
Ende des Freeboardes wird der Reaktionsraumquerschnitt vorteilhafterweise
annähernd
konstant gehalten. Unter Verzicht auf die bei Wirbelschichtvergasern übliche konische
Einschnürung
vereinfacht sich die Konstruktion.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden wichtige Verfahrensvorteile erzielt: Verringerung der Haftneigung
von Ansätzen
an senkrechten Wänden,
Erhöhung
der Toleranz des im Querschnitt nicht reduzierten Wanderbettes gegenüber größeren Asche-
und Schlackeagglomeraten, Ermöglichung
der Zufuhr der sauerstoffreichen Wirbelschicht-Vergasungsmittel über die
gesamte Höhe
der Wirbelschicht, ohne dass sauerstoffhaltige Vergasungsmittelstrahlen
die gegenüberliegenden
Wände berühren.
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Die
Aufgabe der Erfindung, die kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstände bei
der Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter erhöhtem Druck
im Wirbelschichtvergaser so nachzubehandeln, so dass auf eine externe
Nachbehandlung möglichst
vollständig
verzichtet werden kann, wird erfüllt. Die
Erfindung besteht darin, dass die Aufgabe in einer ausschließlich durch
eine den Vergasungsstoffeigenschaften auf besondere Art und Weise
Rechnung tragende Veränderung
der Zuführung
der Vergasungsmittel gelöst
wird. Das Verfahren der Wirbelschichtvergasung wird in seiner Anwendungsbreite grundlegend
erweitert und dabei vereinfacht, ohne dass zusätzliche betriebliche oder apparative
Aufwendungen gegenüber
einem Wirbelschichtvergaser nach dem Stand der Technik erforderlich
wären.
Damit wird die Vorteilhaftigkeit der Erfindung besonders deutlich.
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Anhand
des in 1 dargestellten, stark vereinfachten Schemas einer
Vorrichtung zur Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter
Druck wird ein Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Der
Reaktionsraum (4) des Wirbelschichtvergasers (1)
besteht von unten nach oben gesehen aus dem Wanderbett (5),
aus der Wirbelschicht (6) über dem oberen Ende (7)
des Wanderbettes (5) und dem Freeboard (8) über dem
oberen Ende (9) der Wirbelschicht (6). In den
Bereichen des Wanderbettes (5), der Wirbelschicht (6)
und des Freeboardes sind Zuführeinrichtungen
(14), (17) und (20) für die jeweiligen Vergasungsmittel
angeordnet.
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Im
Oberteil des Wirbelschichtvergasers (1) ist ein Rohgasabzug
und im unteren Teil ein Bodenproduktabzug (23) angeordnet.
Der Wirbelschichtvergaser (1) ist mit Hitzeschutz ausgestattet
und weist einen Kühlmantel
auf. Der Reaktionsraum (4) des Wirbelschichtvergasers (1)
ist zylinderförmig.
Zur Zuführung
des Brennstoffes dient der Brennstoffeintrag (2).
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Dem
Rohgasabzug (24) sind ein Zyklon (25), ein Abhitzedampferzeuger
(26) sowie ein Kerzenfilter (27) nachgeschalten.
Abgetrennte Stäube
werden über
die Verbindungsleitung (28) in die Wirbelschicht (6)
zurückgeführt.
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In
den Wirbelschichtvergaser (1) wird mittels des Kohleeintrags
(2) Trockenbraunkohle (3) mit einem Wassergehalt
von 12 Ma.-% eingebracht. Die erfindungswesentlichen Stoffdaten
der eingesetzten Trockenbraunkohle (3) sind: Ascheerweichungspunkt
tEp = 1000°C, Ascheschmelzpunkt tMp = 1200°C,
kinetische Reaktionsendtemperatur tkR = 850°C, kritischer
Aschesinterpunkt tSp = 950°C.
-
Die
mengenmäßige Zuführung der
Vergasungsmittel (10) in den Reaktionsraum (4)
des Wirbelschichtvergasers (1) wird im Folgenden der besseren
Verständlichkeit
halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockenbraunkohle (3)
erläutert.
Auf 1 kg Trockenbraunkohle (3) werden insgesamt 0,362 m3(i.N.) Sauerstoff (11), 0,06 m3(i.N.) Kohlendioxid (12) und 0,176
kg Wasserdampf (13) zugeführt. In das Wanderbett (5)
werden die Wanderbett-Vergasungsmittel
(14), die 0,006 m3(i.N.) Sauerstoff
(15) und 0,06 m3(i.N.) Kohlendioxid
(16) umfassen, mit einer Temperatur von 80°C eingeführt. In
die Wirbelschicht (6) werden die Wirbelschicht-Vergasungsmittel
(17) mit einer Temperatur von 260°C, bestehend aus 0,285 m3(i.N.) Sauerstoff (18) und 0,035
kg Wasserdampf (19), eingeführt. Das Freeboard (8)
wird mit 260°C
heißen
Freeboard-Vergasungsmitteln (20), die sich aus 0,071 m3(i.N.) Sauerstoff (21) und 0,141
kg Wasserdampf (22) zusammensetzen, versorgt.
-
Unterseitig
des Wirbelschichtvergasers (1) wird das Bodenprodukt (23)
mit geeigneten Mitteln (nicht dargestellt) mit einer Temperatur
von 150°C abgezogen.
Es ist grobkörnig (0
bis 10 mm), vollständig
nachoxidiert und weist einen Kohlenstoffgehalt < 2 Ma.-% auf. Oberseitig des Wirbelschichtvergasers (1)
werden staubhaltige Rohgase (24) abgezogen. Die staubhaltigen
Rohgase (24) werden im Zyklon (25) vorentstaubt,
im Abhitzedampferzeuger (26) auf 250°C abgekühlt und im Kerzenfilter (27)
vollständig von
Staub befreit. Die abgeschiedenen Stäube (28) werden vollständig in
die Wirbelschicht (6) des Wirbelschichtvergasers (1)
zurückgeführt. Durch
die Wahl der o. g. Sauerstoffgehalte der Vergasungsmittel wird in
der Wirbelschicht (6) eine Temperatur von 1150°C, in der
Verbrennungszone (29) im Wanderbett (5) eine Maximaltemperatur
von 950°C
und am oberen Ende (30) des Freeboardes (8) eine
Temperatur von 920°C
eingestellt.
-
- 1
- Wirbelschichtvergaser
- 2
- Kohleeintrag
- 3
- Trockenbraunkohle
- 4
- Reaktionsraum
- 5
- Wanderbett
- 6
- Wirbelschicht
- 7
- oberes
Ende Wanderbett
- 8
- Freeboard
- 9
- oberes
Ende Wirbelschicht
- 10
- Vergasungsmittel
- 11
- Sauerstoff
- 12
- Kohlendioxid
- 13
- Wasserdampf
- 14
- Wanderbett-Vergasungsmittel
- 15
- Sauerstoff
- 16
- Kohlendioxid
- 17
- Wirbelschicht-Vergasungsmittel
- 18
- Sauerstoff
- 19
- Wasserdampf
- 20
- Freeboard-Vergasungsmittel
- 21
- Sauerstoff
- 22
- Wasserdampf
- 23
- Bodenprodukt
- 24
- staubhaltige
Rohgase
- 25
- Zyklon
- 26
- Abhitzedampferzeuger
- 27
- Kerzenfilter
- 28
- Stäube
- 29
- Verbrennungszone
- 30
- oberes
Ende Freeboard