DE19548324A1 - Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen in der Wirbelschicht sowie dafür verwendbarer Vergaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen Vergaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.

Die kohlenstoffhaltigen Feststoffe werden unter erhöhtem Druck in einem Wirbelbett unter Verwendung von endotherm und exo­ therm reagierenden Vergasungsmitteln vergast, wobei oberhalb des Wirbelbettes ein Nachvergasungsraum und unterhalb des Wir­ belbettes ein Festbett aus den Vergasungsrückständen, dem so­ genannten Bodenprodukt, vorhanden ist und Brennstoffe in das Wirbelbett eingeführt und feste Vergasungsrückstände aus dem Festbett abgezogen werden und das erzeugte Gas aus dem Nach­ vergasungsraum heraus- und durch einen Abscheider geführt wird, in welchem wenigstens ein Teil der im erzeugten Gas mit­ geführten Feststoffteilchen abgeschieden und über eine Rück­ führleitung in den Vergaser zurückgeführt wird, während das Produktgas in zumindest vorgereinigtem Zustand den Abscheider verläßt.

Ein solcher Vergaser, der als Hoch-Temperatur-Winkler-Verga­ ser (HTW) ausgebildet sein kann, wird z. B. in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der zu vergasenden Materialien bei ei­ ner Temperatur zwischen etwa 600° und 1300°C und unter einem Überdruck von bis zu 30 bar und mehr betrieben. Bei diesen kohlenstoffhaltigen Materialien kann es sich um Kohle (Braunkohle und/oder Steinkohle), Biomassen, kohlenstoffhal­ tige Reststoffe, z. B. Klärschlämme, Kunststoffe sowie auch um Mischungen von wenigstens zwei dieser Stoffe handeln.

Die bisher gebauten HTW-Vergaser können mit einer thermischen Leistung bis zu 140 MW betrieben werden. Für Kombinations­ kraftwerke - das sind thermische Verbundkraftwerke mit gekop­ pelter Gas- und Dampferzeugung und Umwandlung von Gas und Dampf in elektrische Energie - sind aber HTW-Vergaser vorge­ sehen, die eine wesentlich höhere thermische Leistung haben, die beispielsweise bis 900 MW erreichen kann. Bei einer auf den freien Vergaserquerschnitt der Nachvergasungszone bezoge­ nen Leistungsdichte werden 50 MW/m² und mehr angestrebt. Der­ zeit sind etwa 25 MW/m² realisiert.

Die angestrebten Leistungsdichten sind jedoch nur bei einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der zu vergasenden Fest­ stoffe und der gasförmigen Vergasungsmittel insbesondere in der Wirbelschicht sowie die Einhaltung von konstant hohen Ver­ gasungstemperaturen über die Höhe der Wirbelschicht zu errei­ chen. Mit zunehmender Homogenität der Wirbelschicht nimmt die Gefahr der Bildung von überhitzten Bereichen sowie von unregelmäßig entstehenden Blasen unterschiedlicher Größe und Verteilung ab, so daß die beispielsweise im Hinblick auf die Beschaffenheit der Asche der zu vergasenden Feststoffe einzu­ haltenden Temperaturen in Teilbereichen des Wirbelbettes auch dann nicht überschritten werden, wenn die Temperatur im Wirbelbett dicht an der jeweils zulässigen Maximaltemperatur liegt. Dies begünstigt das Erreichen einer hohen thermischen Leistung. Zum anderen führt ein homogenes Wirbelbett zu einer Verringerung der Bildung von unerwünschten gasförmigen Spurstoffen im Rohgas, beispielsweise Benzol, Naphtalin und andere Kohlenwasserstoffe, so daß auch der Aufwand zur Entfer­ nung dieser Spurstoffe in der nachgeschalteten Gasreinigung entsprechend geringer wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vergasen von festen kohlenstoffhaltigen Materialen unter Ver­ wendung von exothermen und endothermen Vergasungsmitteln und den dazu verwendeten Vergaser verfügbar zu machen, bei welchem hohe Vergasungswirkungsgrade und hohe Leistungsdichten bei niedrigen Spurstoff-Konzentrationen im Roh-Produktgas erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des An­ spruches 1 bzw. des Anspruches 15 gelöst.

Das im wesentlichen gleichmäßige radiale Strömungsprofil der Gase in der Wirbelschicht wird durch eine entsprechende Ein­ stellung und Verteilung der in die Wirbelschicht eingeblasenen Vergasungsmittel und ggf. auch zusätzlich eingeblasener gas­ förmiger Medien, beispielsweise rückgeführtes Produktgas, das beispielsweise in der Gasreinigung abgezweigt wird, einge­ stellt. Dabei ist selbstverständlich eine absolute Gleich­ mäßigkeit des radialen Strömungsprofils nicht erreichbar, zumal die Strömungsgeschwindigkeit in unmittelbarer Nähe der Wandung des Reaktionsraumes ohnehin merklich geringer ist. Entsprechendes gilt für die mittlere Geschwindigkeit der Gas­ strömung in Richtung der Längsachse des Wirbelschichtver­ gasers, die konstant ist oder nur geringfügig ansteigt. Jedoch wird die Homogenität entscheidend verbessert, da bei An­ näherung an ein gleichmäßiges radiales Strömungsprofil und an die genannten Bedingungen für die Geschwindigkeit der Gasströ­ mung in axialer Richtung ungleichmäßige Strömungsverhältnisse in der Wirbelschicht weitestgehend vermieden werden, die bei­ spielsweise die Segregation von spezifisch schwereren Mineral­ bestandteilen zur Folge haben können, welche Tatsache zu einem Absinken der Temperatur im unteren Bereich der Wirbelschicht führen kann. Weiterhin werden bei der durch die Erfindung an­ gestrebten Homogenität der Wirbelschicht merkliche Schwankun­ gen der Höhe der Wirbelschicht im Reaktionsraum vermieden oder doch zumindest sehr stark reduziert. Beim Ansteigen der Wirbelschicht innerhalb des Reaktionsraumes im Verlauf derar­ tiger Schwankungen wird mehr kohlenstoffhaltiger Staub aus dem Reaktionsraum ausgetragen mit der Folge einer Verringerung des C-Vergasungsgrades, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Verfah­ rens ebenfalls eine Verringerung erfährt. Eine homogene Wir­ belschicht gemäß der Erfindung vermeidet bei Vorliegen norma­ ler Betriebsbedingungen auch das Auftreten lokaler Strömungs­ strähnen mit deutlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten sowie wenig bewegter oder toter Zonen. Das Vermeiden derartiger Strömungszustände bewirkt ebenfalls einen besseren Austausch der im Wirbelbett befindlichen gasförmigen und festen Kompo­ nenten quer zur Längsachse des Reaktionsraums des Vergasers, welche Tatsache ebenfalls zur Erzielung einer höheren Leistungsdichte beiträgt.

Durch das gleichmäßige radiale Geschwindigkeitsprofil im Sinne einer gleichmäßigen Geschwindigkeit und die annähernd gleich­ bleibende Gasgeschwindigkeit in axialer Richtung führt dazu, daß die Feststoffkonzentration in der Wirbelschicht im wesent­ lichen konstant ist. Dadurch werden ebenfalls unerwünschte Segregationseffekte zumindest merklich reduziert. Die obere Begrenzung der Wirbelschicht sollte unterhalb der unteren Ebene im Nachvergasungsraum liegen, in welcher Vergasungsmit­ tel in den Nachvergasungsraum eingeführt wird. Oberhalb der Wirbelschicht, also im Nachvergasungsraum, erfolgt eine deut­ liche Erhöhung der Gasgeschwindigkeit in axialer Richtung. Diese Geschwindigkeit kann ggf. noch dadurch erhöht werden, daß Vergasungsmitteldüsen vorgesehen sind, deren Mündung so ausgerichtet ist, daß das austretende gasförmige Medium eine vertikal nach oben gerichtete Strömungskomponente aufweist.

Die angestrebte Homogenität des Wirbelbettes wird im allge­ meinen dadurch begünstigt, daß Vergasungsmittel in wenigstens zwei einen horizontalen Abstand voneinander aufweisenden Ebe­ nen in das Wirbelbett eingeführt werden, wobei Anzahl und Ver­ teilung der einzelnen Zuführdüsen über den Umfang des Reak­ tionsraumes und auch der Abstand der beiden Ebenen voneinander von den jeweiligen Gegebenheiten, beispielsweise Beschaffen­ heit der zu vergasenden kohlenstoffhaltigen Materialien, wie Korngröße, Korngrößenverteilung, C-Gehalt oder dgl., abhängen können. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Zuleitung von Vergasungsmitteln in das Wirbelbett in mehr als zwei einen vertikalen Abstand voneinander aufweisenden Ebenen durchzufüh­ ren. Allerdings ist zu bedenken, daß in bezug auf die ange­ strebte Homogenität des Wirbelbettes jede Vergasungsmittelzu­ fuhr in das Wirbelbett hinein eine Störgröße darstellt, so daß es darauf ankommen wird, zwischen angestrebter Homogenität und unvermeidbarer Störung des Wirbelbettes durch die Zuführung von Vergasungsmitteln einen Kompromiß zu finden, der sich ei­ nem Optimum nähert. Dadurch, daß die Vergasungsmittel durch in der Wandung des Reaktors angeordnete Düsen, die, wenn über­ haupt, mit ihrem Ausströmende nur wenig von der Wandung des Reaktionsraumes in letzteren hineinragen, in das Wirbelbett eingeblasen werden, können Einbauten im Reaktor im Bereich des Wirbelbettes vermieden werden, welche Tatsache ebenfalls die Homogenität desselben begünstigt. Entsprechendes gilt für das Einführen der zu vergasenden frischen Materialien und der rückgeführten Feststoffe in das Wirbelbett.

Es ist zweckmäßig, beide Materialien in Wandnähe in das Wir­ belschicht einzuführen, und zwar ggf. an zwei einander gegen­ überliegenden Stellen in derselben Ebene, um auch die durch das Einführen der festen Materialien bedingten Störungen des Wirbelbettes so gering wie möglich zu halten. Bei Eintragen von mehr als zwei Material strömen in den Reaktionsraum können die Eintragsstellen vorteilhafterweise symmetrisch über den Umfang des Reaktionsraumes verteilt sein. Allerdings kann es unter Umständen auch erforderlich sein, die zu vergasenden frischen Materialien und den rückgeführten Feststoff an Stel­ len in die Wirbelschicht einzuführen, die parallel zur Längsachse des Reaktionsraumes einen Abstand voneinander auf­ weisen. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn die Größe des Vergasers, insbesondere dessen Umfang, im Bereich der Eintragsstellen nicht genügend Platz bietet, um alle für das Eintragen notwendigen Einrichtungen, Armaturen usw. in ei­ ner Ebene unterzubringen. Das Eintragen der festen Materia­ lien an der das Wirbelbett begrenzenden Wandung des Reaktions­ raumes hat zudem den Vorteil, daß die eingetragenen festen Materialien sich zunächst in unmittelbarer Nähe der Wandung nach unten bewegen, bevor sie sich mit den im Wirbelbett befindlichen Feststoffteilchen intensiv vermischen. Diese nach unten gerichtete Bewegung ist im wesentlichen darauf zurückzu­ führen, daß, wie bereits erwähnt, in unmittelbarer Nähe der Wandung die Geschwindigkeit aufgrund der Reibung zwischen Wan­ dung und Gas geringer ist. Sie erhöht die Verweilzeit dersel­ ben und damit die Umsatzrate des festen Kohlenstoffes in der Wirbelschicht.

Diese Zusammenhänge lassen es auch zweckmäßig erscheinen, die wenigstens eine Ebene, in welcher die festen Materialien in das Wirbelbett eingetragen werden, in einem Mindestabstand un­ terhalb der oberen Begrenzungsfläche des Wirbelbettes anzuord­ nen, wobei dies auch die Homogenität jedenfalls im oberen Be­ reich des Wirbelbettes begünstigt, die von besonderer Bedeu­ tung ist auch im Hinblick auf das Bestreben, die Menge des aus der Wirbelschicht mit dem Gas nach oben, also in den Nachreak­ tionsraum, ausgetragenen feinstkörnigen Feststoffes ein be­ stimmtes Maß nicht überschreiten zu lassen.

Üblicherweise werden halbe Kegelwinkel in der Größe zwischen 6° und 10° gewählt. Bei dieser Ausgestaltung kann das für den möglichst weitgehenden Reaktionsumsatz notwendige Wirbelschichtvolumen überwiegend in dem für die Vergasungsvor­ gänge günstigen, kegelstumpfförmigen unteren Abschnitt des Reaktionsraumes untergebracht werden, so daß der obere Bereich der Wirbelschicht nur um ein geringes Maß in den zylindrischen Abschnitt des Reaktionsraumes hineinreicht.

Bezüglich des Eintragens der rückgeführten Feststoffe in die Wirbelschicht ist es vorteilhaft, daß die Rückführleitung un­ ter einem Winkel zwischen 10° und 30° gegenüber der inneren Wandung des kegelstumpfförmigen unteren Abschnittes des Wir­ belschichtvergasers geneigt ist. Eine besonders intensive Ver­ mischung der rückgeführten Feststoffe mit den in der Wirbel­ schicht befindlichen Feststoffen kann dadurch erreicht werden, daß die rückgeführten Feststoffe mit einem der Wandneigung folgenden Eintragsimpuls in die Wirbelschicht eingetragen wer­ den. Dazu könnte z. B. die in der DE-OS 36 17 802 der Anmelde­ rin offenbarte Einrichtung verwendet werden.

Als geeignete Eintragsorgane für die Feststoffe können Ein­ tragsschnecken, unter der Wirkung der Schwerkraft arbeitende Schrägrohre und pneumatisch betriebene Eintragsorgane verwen­ det werden, wobei an demselben Vergaser unterschiedliche Ein­ tragsorgane vorgesehen sein können. Bei mehreren Einmündungen für den Eintrag der zu vergasenden Feststoffe ist eine symme­ trische Verteilung der Eintragsstellen ggf. einschließlich der Eintragsstelle für die rückgeführten Feststoffe vorteilhaft, um eine gleichmäßige Beschickung über den Umfang zu erreichen.

Die Düsen der ersten Düsenebene oberhalb der Wirbelschicht zur Zuführung von gasförmigem Vergasungsmittel innerhalb des zy­ lindrischen oberen Abschnittes des Reaktionsraumes, der beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 2 m haben kann, sind vorzugsweise leicht nach unten in Richtung auf die Wirbelschicht geneigt. Die auf diese Weise bewirkte vertikal nach unten gerichtete Strömungskomponente des einge­ blasenen gasförmigen Mediums wirkt der vorherrschenden nach oben gerichteten axialen Gasströmung entgegen, wodurch ein Teil des aus der Wirbelschicht austretenden Feststoffes wieder in die Wirbelschicht zurückbewegt wird. Dies hat eine Verlän­ gerung der Reaktionszeit und damit eine Verbesserung des Reaktionsumsatzes zur Folge. Düsen einer ggf. darüber angeord­ neten weiteren Düsenebene im Nachreaktionsraum können mit ih­ ren Mündungen nach oben gerichtet sein, um durch die dadurch bewirkte vertikal nach oben gerichtete Strömungskomponente die Gasgeschwindigkeit im oberen Bereich des Nachvergasungsraumes zu erhöhen.

Um hohe C-Vergasungsgrade zu erreichen, ist eine Mindestver­ weilzeit des C-haltigen Feststoffes in der Wirbelschicht er­ forderlich. Die Verweilzeit der Feststoffteilchen in der Wir­ belschicht ist im wesentlichen vom Volumen, welches die Wir­ belschicht einnimmt, abhängig. Ein größeres Wirbelschichtvolu­ men bei gleichem Durchmesser des zylindrischen Abschnittes wird erreicht, wenn der halbe Kegelwinkel verringert wird und die Höhe des Kegelstumpfes - und damit einhergehend die Höhe der Wirbelschicht - vergrößert wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, den halben Kegelwinkel des kegelstumpfförmigen Abschnit­ tes des Reaktionsraumes so zu wählen, daß die Wirbelschicht mit maximal dem 2-fachen Durchmesser des zylindrischen oberen Abschnittes überdeckt ist. D.h., daß der Abschnitt des Wirbel­ bettes, der sich in dem zylindrischen Bereich des Reak­ tionsraumes befindet, eine axiale Erstreckung aufweist, die maximal dem 2-fachen Durchmesser des zylindrischen oberen Ab­ schnittes entspricht. Bei einem Durchmesser von 2 m dieses zy­ lindrischen Abschnittes kann die Überdeckung beispielsweise 3 m betragen.

Einsatzstoffe mit niedrigerer Reaktionsfähigkeit, z. B. Stein­ kohle, benötigen eine größere Mindestverweilzeit für einen vollständigen Umsatz und damit bei im übrigen gleichen Be­ dingungen ein größeres Wirbelschichtvolumen als reaktionsfreu­ digere Einsatzstoffe, z. B. Braunkohle. Allerdings ist die Ge­ schwindigkeit, mit welcher der C-fix-Anteil der Feststoffe im Vergaser umgesetzt wird, auch vom Partialdruck der exothermen und endothermen Vergasungsmittel - hauptsächlich O₂, H₂O, CO₂ - abhängig. Wird der Partialdruck der Vergasungsmittel im Vergaser durch Druckabsenkung und/oder durch Inertgas-Anteile gesenkt, ist eine höhere Mindestverweilzeit erforderlich.

Bei der Vergasung von reaktiver Braunkohle ist es zweckmäßig, einen halben Kegelwinkel zu wählen, der zwischen 6° und 10° liegt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann unter Verwendung von Luft zur Bereitstellung des erforderlichen exothermen Ver­ gasungsmittels durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, ein Gemisch aus O₂ einerseits und Luft andererseits, d. h., angereicherte Luft, oder Gemische aus O₂ und anderen Vergasungsmitteln zu verwenden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch in starker Vereinfachung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den unteren Bereich eines Wirbelschicht-Vergasers,

Fig. 2 radiale Strömungsprofile der axialen Gasströmung in der Wirbelschicht,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den unteren Bereich eines Wirbelschichtvergasers etwa in der Ebene 111-111 der Fig. 1.

Der in der Zeichnung dargestellte HTW-Vergaser 1 ist mit einem oberen zylindrischen Abschnitt 2 mit dem Innendurchmesser d versehen. An den oberen Abschnitt 2 schließt der untere Ab­ schnitt 3 an, der die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes aufweist. Sein größer Durchmesser entspricht dem Durchmesser d des oberen zylindrischen Abschnittes 2. Sein kleinster Durch­ messer 4 wird vom Querschnitt der beiden Einrichtungen 5 für den Bodenabzug bestimmt. Daraus ergibt sich bei vorgegebenem halbem Kegelwinkel 11 eine bestimmte axiale Länge h für den unteren Abschnitt 3 des HTW-Vergasers 1.

Etwa auf halber Höhe h/2 mündet seitlich ein Eintrag 6 in den unteren Abschnitt 3, über den der kohlenstoffhaltige Feststoff 7 in die Wirbelschicht 8 eingetragen wird. Gegenüber dem Ein­ trag 6 und auf gleicher Höhe von etwa h/2 mündet die Rückführ­ leitung 9 in den unteren Abschnitt 3. Über die Rückführleitung 9 wird in einem Zyklon oder dgl. aus dem Produktgas abgeschie­ dener Staub 10 in die Wirbelschicht 8 zurückgeführt. Wenn bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der halbe Ke­ gelwinkel 11 des unteren Abschnittes 3 8° beträgt, ist die Rückführleitung 9 gegenüber der Wandung des unteren Abschnit­ tes 3 unter einem Winkel 12 von 22° geneigt.

Durch die Einrichtung 5 für den Bodenabzug wird die Wirbel­ schicht 8 mit Recyclegas 13 beaufschlagt, das zugleich als Sperr- und Kühlgas dient. Zur Basisfluidisierung wird der Wirbelschicht 8 über die Zuleitung 14 Wasserdampf zugeführt. Dabei bildet sich im unteren Teil der Wirbelschicht 8 eine ge­ ringe axiale Strömung aus. Mit der Zufuhr von Luft 16 oder ei­ nem anderen ein exothermes Vergasungsmittel enthaltenen Ge­ misch in einem axialen Abstand 17 von mindestens 50 cm unter­ halb der horizontalen Querschnittsebene III-III erhöht sich die axiale Gasströmung 18 gegenüber der Gasströmung 15 gering­ fügig.

Weitere Steigerungen erfahren die Gasströmungen 19 und 20 durch die Zufuhr von weiterer Luft bzw. exothermem Vergasungs­ mittel 21 bzw. 22 und die nach oben fortschreitende Umwandlung des Einsatzstoffes 7 in Kohlegas. Die obere Grenze 23 der Wir­ belschicht 8 befindet sich in einem axialen Abstand oberhalb des größten Durchmessers d des unteren Abschnittes 3, so daß der von der oberen Grenze 23 oberseitig begrenzte Teil der Wirbelschicht den im unteren Abschnitt 3 befindlichen Teil 25 derselben um das Maß ü überdeckt. Das Maß der Überdeckung ü beträgt im gewählten Beispiel, bei welchem der zylindrische Abschnitt 2 des HTW-Vergasers 1 einen Innendurchmesser d von 2,8 m hat, 1 m.

In einer weiteren Einlaßebene wird noch exothermes Vergasungs­ mittel 26 unter einem Winkel 27 von etwa 60° in Richtung auf die Wirbelschicht 8 eingeblasen. Der Luftstrom 26 bewirkt, daß der aus der Wirbelschicht in Form von Blasen austretende Fest­ stoff unmittelbar mit dem zugegebenen Vergasungsmittel rea­ giert und der dabei nicht umgesetzte Feststoff einen Impuls in Richtung der Wirbelschicht erfährt. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit der oberseitig aus der Wirbelschicht 8 austre­ tenden und in die Nachvergasungszone strömenden Gase wird durch weiter oben angeordnete Vergasungsmittel-Düsen 36 er­ zielt, die unter einem Winkel 37, der ebenfalls etwa 60° be­ trägt, nach oben gerichtet sind.

In der linken Hälfte der Fig. 2 ist die Ausströmung des Gas­ strömungsprofils in radialer Richtung in den einzelnen hori­ zontalen Ebenen des unteren Abschnittes 3 des HTW-Vergasers dargestellt. Hierbei ist erkennbar, daß es sich bei der in Fig. 1 über die Pfeile 15, 18, 19 und 20 angedeuteten Ge­ schwindigkeit um jeweils die mittlere Geschwindigkeit der in den einzelnen Einblasebenen 145, 16, 21 und 22 vorherrschenden Gasgeschwindigkeit handelt. Die Zunahme dieser Gasgeschwindig­ keit ist auf der rechten Seite der Fig. 2 durch die Linie 28 dargestellt. Diese läßt erkennen, daß die mittlere Gasge­ schwindigkeit 15, 18, 19 und 20 an den zugehörigen Einblas­ stellen 14, 16, 21 und 22 jeweils eine sprunghafte Änderung 29 erfährt. Im Mittel stellt sich allerdings eine stetig zuneh­ mende Gasgeschwindigkeit ein, wie sie durch die Strich-Doppel­ punkt-Linie 30 angedeutet ist. Die Linie 30 stellt die mitt­ lere Gasgeschwindigkeit dar, wenn man sich die Geschwindig­ keitspfeile 34, 15, 18, 19 und 20 nach rechts umgeklappt und auf der Linie 35 als Basis aufgetragen vorstellt. Bezogen auf die Anfangsgeschwindigkeit 15 erfährt die Geschwindigkeit 20 in der letzten Einblasebene 22 eine Zunahme zwischen 130 und 300%.

In der Fig. 3 mündet in der horizontalen Ebene 111-111 von rechts die Rückführleitung 9 in den unteren Abschnitt 3 des HTW-Vergasers 1. Der Rückführleitung 9 gegenüber liegt ein Eintrag 6 für den zu vergasenden Einsatzstoff 7. Symmetrisch zum Eintrag 6 sind in jeweils gleich großen seitlichen Abstän­ den 31 in derselben horizontalen Ebene III-III zwei weitere Einträge 32 bzw. 33 für den zu vergasenden Einsatzstoff 7 vor­ gesehen. Es kann jedoch zweckmäßiger sein, abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 3 die vier Eintragsstellen entsprechend den Zuleitungen 6 für den zu vergasenden Feststoff und der Rückführleitung 9 insgesamt symmetrisch anzuordnen, so daß sie einen Abstand im Bogenmaß von 90° aufweisen. Bei zwei Zuführ­ leitungen für den zu vergasenden Feststoff würden demzufolge die Abstände zwischen diesen und der Rückführleitung 120° be­ tragen.

Es sei noch angemerkt, daß auch das Recyling-Gas 13 eine ge­ ringe Gasströmung 34 im untersten Teil der Wirbelschicht 8 hervorruft, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Im folgenden sind die wichtigsten Daten eines Ausführungsbei­ spiels eines HTW-Vergasers für den Einsatz in einem Kombi­ kraftwerk unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung angegeben:

• - thermische Leistung 600 MW,
• - Leistungsdichte 55 MW/m²,
• - Einsatzstoff: Trockenbraunkohle mit 12 bis 18% Wassergehalt,
• - Einsatzmenge der Trockenbraunkohle 160 t/h,
• - Vergasungsdruck 27 bar,
• - Innendurchmeser des zylindrischen Abschnittes des Reaktionsraumes 3,7 m,
• - halber Kegelwinkel 8°,
• - Neigung der Rückführleitung gegenüber der Innenwand des unteren Abschnittes 22°,
• - drei Vergasungsmittel-Düsenebene in der Wirbelschicht,
• - zwei Vergasungsmittel-Düsenebenen im Nachvergasungsraum,
• - rückgeführtes Gas zur Spülung der Abzugsschächte des Bodenproduktes,
• - Basisfluidiserung mit Dampf,
• - Eintragung der Trockenbraunkohle mit Hilfe von Schnecken und über Schrägrohr in halber Höhe des kegelstumpfförmigen unteren Abschnittes,
• - Trockenbraunkohle wird an zwei oder drei Stellen, symmetrisch verteilt gegenüber der Rückführleitung angeordnet, eingetragen,
• - 1,0 m unterhalb des Eintrags der Trockenbraunkohle befindet sich die unterste Vergasungsmitteldüsenebene,
• - die Düsen der ersten Vergasungsmittel ebene im Nachvergasungsraum sind unter 60° gegenüber der Vertikalen geneigt und blasen auf die obere Begrenzung der Wirbelschicht, die eine Überdeckung von etwa 1 m hat,
• - die Düsen der obersten Veragasungsmittelebene im Nachvergasungsraum sind unter einem Winkel von 60° gegenüber der Vertikalen geneigt und blasen nach oben in den Nachvergasungsraum hinein,
• - das radiale Gasgeschwindigkeitsprofil zeigt eine für homogen fluidisierte Wirbel schichten typische Ausbildung mit gleichmäßiger Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt
• - die axiale Gasgeschwindigkeit steigt in Strömungsrichtung leicht an.

Claims (23)

1. Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem zylinderförmigen Wirbelschichtvergaser, der einen Reaktions­ raum aufweist, dessen unterer Abschnitt die Form eines Kegel­ stumpfes hat, innerhalb dessen sich wenigstens der größere Teil der Wirbelschicht befindet, wobei in den kegelstumpfför­ migen Abschnitt gasförmige Vergasungsmittel und gegebene falls zu vergasende Feststoffe sowie rückgeführte Feststoffe, die aus dem Reaktionsraum des Vergasers ausgetragen wurden, einge­ führt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe (h) des unteren Abschnittes (3) zwischen dem 1- und 6-fachen des Durchmessers (d) des zylindrischen Abschnittes (2) des Wirbelschichtvergasers (1) beträgt,
die Zufuhr der Vergasungsmittel (14, 16, 21, 22) und eventuel­ ler anderer gasförmiger Medien so eingestellt wird, daß in je­ der horizontalen Querschnittsebene (III-III) der Wirbelschicht (8) ein im wesentlichen gleichmäßiges, radiales Strömungspro­ fil (15, 18, 19, 20) der Gasströmung in der Wirbelschicht er­ zeugt wird und die mittlere Geschwindigkeit (30) der Gasströ­ mung in Richtung der Längsachse (35) des Wirbelschichtver­ gasers zumindest im Bereich des Wirbelbettes konstant ist oder geringfügig ansteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergasenden Feststoffe (7) in der Nähe der Wandung des Reaktionsraumes in diesen eingetragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgeführten Feststoffe (10) in der Nähe der Wandung des Reaktionsraumes in diesen eingetragen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergasenden Feststoffe in einem axialen Abstand von mindestens 50 cm unterhalb der oberen Be­ grenzung (23) der Wirbelschicht (8) eingetragen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgeführten Feststoffe in einem axialen Abstand von mindestens 50 cm unterhalb der oberen Be­ grenzung (23) der Wirbelschicht (8) eingetragen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergasenden Feststoffe an einer Stelle eingetragen werden, die gegenüber der Stelle, an wel­ cher die rückgeführten Feststoffe eingetragen werden, um etwa 180° versetzt ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergasenden Feststoffe an wenig­ stens zwei Stellen (6, 32, 33) eingetragen werden, die in der­ selben horizontalen Ebene (III-III) in Abständen voneinander angeordnet sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergasenden Feststoffe und die rückgeführten Feststoffe im wesentlichen in derselben horizon­ talen Ebene eingetragen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergasenden Feststoffe und die rückgeführten Feststoffe im wesentlichen an symmetrisch über den Umfang des Reaktionsraums verteilten Stellen in letzteren eingetragen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vergasende Feststoff und ggf. auch der zurückgeführte Feststoff an Stellen eingetragen werden, die axial gegeneinander versetzt sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innerhalb des unteren Abschnittes (3) befindliche Teil (25) der Wirbelschicht (8) von einem anderen Teil (24) dieser Wirbelschicht (8) überdeckt wird, dessen axiale Höhe (ü) bis zum 2-fachen des Durchmessers (d) des Wirbelschichtvergasers (1) beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Vergasungsmittel in wenig­ stens zwei einen vertikalen Abstand voneinander aufweisenden Ebenen in den kegelstumpfförmigen Abschnitt des Reaktionsraums eingetragen werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bedarf an exothermen Vergasungsmitteln durch das Einblasen von Luft in den Reaktionsraum gedeckt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bedarf an exothermen Vergasungsmitteln zumindest teilweise durch Sauerstoff gedeckt wird, der nicht Bestandteil von in den Reaktionsraum eingeblasener Luft ist.

15. Wirbelschichtvergaser zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen unter Verwendung von gasförmigen, sauerstoffhalti­ gen Vergasungsmitteln mit einem zylindrischen Abschnitt, der sich nach unten in einen kegelstumpfförmigen Abschnitt fort­ setzt, wobei letzterer wenigstens einen Teil der Wirbelschicht aufnimmt und Düsen zum Einblasen der gasförmigen Vergasungs­ mittel sowie gegebenenfalls wenigstens eine Zuleitung für den zu vergasenden Feststoff sowie eine Zuleitung zum Eintragen von rückgeführtem Feststoff, der mit dem Produktgas aus dem Reaktionsraum ausgetragen wurde, in diesen Abschnitt münden, dadurch gekennzeichnet, daß
der halbe Kegelwinkel (11) des unteren Abschnittes (3) zwi­ schen 2° und 20° beträgt,
die Vergasungsmittel (14, 16, 21, 22) über Düsen zuführbar sind, die über den Umfang des kegelstumpfförmigen Abschnittes (3) in Abständen voneinander verteilt in wenigstens zwei einen axialen Abstand (17) voneinander aufweisenden horizontalen Ebenen (III-III, 16) und in wenigstens einer Düsenebene (26) oberhalb der Wirbelschicht (8) im zylindrischen Abschnitt (2) vorgesehen sind und
die Rückführleitung (9) unter einem Winkel (12) zwischen 15° und 30° zu inneren Wandung des unteren Abschnittes (3) geneigt ist.

16. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuleitung (6) für den zu vergasenden Fest­ stoff (7) in einem axialen Abstand von mindestens 50 cm unter­ halb der oberen Begrenzung (23) der Wirbelschicht (8) im unte­ ren Abschnitt (3) mündet.

17. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuleitung (9) für den rückgeführten Fest­ stoff in einem Abstand von mindestens 50 cm unterhalb der obe­ ren Begrenzung (23) der Wirbelschicht (8) im unteren Abschnitt (3) mündet.

18. Wirbelschichtvergaser nach einem der Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (6) für den zu vergasenden Feststoff (7) gegenüber der Zuleitung für den rückgeführten Feststoff um etwa 180° versetzt angeordnet ist.

19. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens zwei Zuführungen (6, 32, 33) für die zu vergasenden Feststoffe in Abständen (31) voneinander in derselben horizontalen Ebene (III-III) angeordnet sind.

20. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens zwei Zuführungen für die zu vergasen­ den Feststoffe vorgesehen sind, die in horizontalen Ebenen in den Reaktionsraum münden, die axial gegeneinander versetzt angeordnete sind.

21. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuführungen für die zu vergasenden Fest­ stoffe und die rückgeführten Feststoffe symmetrisch über den Umfang des Reaktionsraumes verteilt angeordnet sind.

22. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Düsenebenen (16), durch welche exother­ mes Vergasungsmittel zugeführt wird, in einem axialen Abstand bis zu 250 cm unterhalb der Ebene, in welcher der zu ver­ gasende Feststoff (7) eingetragen wird, angeordnet ist.

23. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düsen (26) der oberhalb der oberen Begren­ zung (23) der Wirbelschicht (8) im zylindrischen Abschnitt (2) des Reaktionsraumes vorgesehenen Düsenebene unter einem Winkel (27) zwischen 45 und 75° in Richtung auf die Wirbelschicht (8) geneigt verlaufen.