DE29813777U1 - Device for the gasification of carbon-containing fuels, residues and waste materials - Google Patents
Device for the gasification of carbon-containing fuels, residues and waste materialsInfo
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Description
Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brenn-, Rest- und AbfallstoffenDevice for gasification of carbon-containing fuels, residues and waste materials
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen entsprechend dem ersten und dem zweiten Patentanspruch.The invention relates to a device for gasifying carbon-containing fuels, residues and waste materials according to the first and second patent claims.
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.Fuels and waste materials include those with or without ash content such as brown or hard coal and their coke, water/coal suspensions, but also oils, tars and sludge as well as residues or waste from chemical and wood pulping processes, such as black liquor from the power process and solid and liquid fractions from the waste and recycling industry such as used oils, PCB-containing oils, plastic and household waste fractions or their processing products, light shredders from the processing of car, 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.
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).Autothermal entrained flow gasification of solid, liquid and gaseous fuels has been known for many years in gas production technology. The ratio of fuel to oxygen-containing gasification agents is chosen so that, for reasons of synthesis gas quality, higher carbon compounds are completely broken down into synthesis gas components such as CO and H 2 and the inorganic components are discharged in molten form (J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Berlin, 1996, p. 33 and p. 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).According to various systems introduced in technology, gasification gas and the molten inorganic component, e.g. slag, can be discharged separately or together from the reaction chamber of the gasification device (DE 19718131.7).
Für die innere Begrenzung des Reaktionsraumes des Vergasungssystems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt (DE 4446803 A1).For the internal limitation of the reaction space of the gasification system, both refractory-lined or cooled systems have been introduced (DE 4446803 A1).
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.Gasification systems with refractory lining have the advantage of low heat losses and therefore offer an energetically effective conversion of the fuels supplied. However, they can only be used for ash-free fuels, since the liquid slag flowing off the inner surface of the reaction chamber during entrained flow gasification dissolves the refractory lining and therefore only allows very limited travel times until a costly relining.
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.In order to overcome this disadvantage in ash-containing fuels, cooled systems based on the principle of a membrane wall were created. The cooling initially forms a solid layer of slag on the surface of the reaction chamber, the thickness of which increases until the slag thrown up from the gasification chamber runs down this wall in liquid form and flows out of the reaction chamber together with the gasification gas, for example. Such systems are very durable and ensure long travel times. A significant disadvantage of these systems is that up to approx. 5% of the energy introduced is transferred to the cooled screen.
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.Various fuels and waste materials, such as oils containing heavy metals or light ash, tars or tar-oil solid sludge, contain too little ash to form a sufficiently protective slag layer on cooled reactor walls, which results in additional energy losses. On the other hand, the ash content is too high to prevent melting or dissolving of the refractory layer in refractory-lined reactors and to achieve sufficiently long travel times until relining.
Ein weiterer Nachteil besteht im komplizierten Aufbau der Reaktorwand, was zu erheblichen Problemen bei der Herstellung und im Betrieb führen kann. So bestehtAnother disadvantage is the complicated structure of the reactor wall, which can lead to significant problems during production and operation.
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, derauf 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.For example, the reactor wall of the entrained flow gasifier shown in J. Carl, P. Fritz: NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Berlin, 1996, p. 33 and p. 73) consists of a pressureless water jacket, the pressure jacket, which is protected against corrosion on the inside by a tar-epoxy resin mixture and lined with lightweight refractory concrete and the cooling screen, which, like a membrane wall commonly used in boiler construction, consists of gas-tight welded cooling pipes through which water flows, which are pinned and covered with a thin SiC layer. There is a cooling screen gap between the cooling screen and the pressure jacket covered with refractory concrete, which must be flushed with a dry, oxygen-free gas to avoid backflow and the formation of condensate.
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. 15Based on this state of the art, the object of the invention is to create a device that takes into account the most varied ash contents of fuels and waste materials while being simple and reliable in operation. 15
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.This object is solved by the features of claims 1 and 2.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den
nachfolgenden Ansprüchen enthalten.
20A further embodiment of the device according to the invention is contained in the following claims.
20
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.The device according to the invention is suitable for the gasification of fuels, waste and residues with a wide variety of ash contents as well as for the combined gasification of hydrocarbon-containing gases, liquids and solids.
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.According to the invention, 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 causes liquid slag to solidify so that a thermal insulating layer is formed. Cooling is achieved by a water-filled cooling gap, whereby operating conditions can be set above or below the boiling point.
Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel mit den Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention is explained in more detail using an embodiment example with Figures 1 to 4. The figures show:
Fig. 1: Erfindungsgemäßer Vergasungsreaktor im SchnittFig. 1: Gasification reactor according to the invention in section
Fig. 2: Ausschnitt aus der ReaktorwandFig. 2: Section of the reactor wall
Fig. 3: Einzelheit &khgr; mit einer nach innen gewölbten KühlwandFig. 3: Detail &khgr; with an inwardly curved cooling wall
Fig. 4: Einzelheit &khgr; mit einer schlangenförmigen Kühlwand auf der SchutzschichtFig. 4: Detail &khgr; with a serpentine cooling wall on the protective layer
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 0C 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.In the embodiment 1, Figure 1 shows the gasification reactor. The conversion of the fuel, residue and waste materials with the oxygen-containing oxidizing agent to form a raw gas rich in H 2 and CO takes place in the reaction chamber 1. The gasification media are supplied via special burners that are attached to the burner flange 2. The raw gasification gas, possibly together with liquid slag, leaves the reaction chamber 1 via the opening 8, which is provided with a special device, and reaches downstream cooling, washing and processing systems. The gasification reactor is surrounded 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 for its thermal protection, which is filled with water and can be operated above or below the boiling point, which depends on the total pressure. In order to prevent gasification gas from entering the cooling gap 5 in the event of damage, its pressure is always kept higher than the pressure in the reaction chamber 1. The cooling gap 5 is delimited on the inside by a cooling wall 4. The hot water or steam generated in the cooling gap 5 is discharged via the nozzles 9. The cooling wall 4 can be provided with a thin ceramic protective layer 6 firmly bonded to its surface. The temperatures in the cooling gap 5 can be between 50 and 350 0 C, depending on the process pressure. When gasifying ash-free or extremely low-ash feedstocks, it is expedient to cover the cooling wall 4 with fireproof, heat-insulating masonry as a refractory lining 7 in order to limit the heat input into the cooling gap 5.
Bei Einsatz aschehaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe kann auf das feuerfeste Mauerwerk 7 verzichtet werden. Die im Reaktionsraum 1 entstehende flüssigeWhen using fuels, residues and waste materials containing ash, the fireproof masonry 7 is not required. The liquid gas produced in the reaction chamber 1
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.Slag is cooled on the cold surface of the cooling wall 4 and its coating 6, it solidifies and in this way forms a fireproof lining as a slag layer 10, which grows in the direction of the reaction chamber 1 until the temperature has reached the melting point of the slag. The slag that is then thrown up further runs off as a slag film and is discharged with the hot raw gas via the opening 8.
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.Figure 2 shows the exemplary design of the cooling wall 4. It consists of a wall of gas-tight welded half-pipes that are pinned and stamped with a thin silicon carbide layer. On the side facing the reaction chamber 1 there is 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. Other shapes of the cooling wall, such as corrugated sheet metal, in a trapezoidal, triangular or rectangular shape, are possible depending on the manufacturing techniques. The ceramic protection 6 can be applied and secured by mechanical mounting as in example 2, but also by chemical bonding or thermal application, such as by flame spraying.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die Einzelheit &khgr; aus Figur 2 und damit weitere Formen der Kühlwand.Figures 3 and 4 show the detail x from Figure 2 and thus further forms of the cooling wall.
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.It is also easy to understand that the design presented in Example 2 for the wall delimiting the reaction chamber 1 with parts 3, 4, 5, 6 and 7 can be used not only for thermally highly loaded entrained flow gasification reactors, but also for other gasification systems, such as fixed bed or fluidized bed gasifiers or their combinations.
6i i ·? J &khgr;9··9 &igr; &igr;*·.1 6i i ·? J &khgr; 9 ·· 9 &igr; &igr;*·. 1
1 Reaktionsraum1 reaction chamber
2 Flansch für Brennereinsatz 3 Druckmantel2 Flange for burner insert 3 Pressure jacket
4 Kühlwand4 Cooling wall
5 Kühlspalt5 Cooling gap
6 Keramischer Schutz der Kühlwand6 Ceramic protection of the cooling wall
7 Feuerfestauskleidung des Reaktors7 Reactor refractory lining
8 Öffnung für den Gas- und Schlackeaustrittskörper8 Opening for the gas and slag outlet body
9 Stutzen für Dampf- oder Heißwasseranschluß9 nozzles for steam or hot water connection
10 Schlackeschicht10 slag layer
Claims (5)
- Schlackeschicht (10)- ceramic protection (6) of the cooling wall (4)
- Slag layer (10)
- Kühlwand (4)- Pressure jacket (3)
- Cooling wall (4)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE29813777U DE29813777U1 (en) | 1998-07-01 | 1998-07-01 | Device for the gasification of carbon-containing fuels, residues and waste materials |
Applications Claiming Priority (2)
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