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Kohlestaub-Druckvergasung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kohlestaub-Druckvergasung,
bei dem Kohlenstaub und/oder ein Kohlenstaub-Flüssigkeitsgemisch in einen Reaktor
geblasen und in Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserdampf zu einem CO und H2 haltigen
Gas vergast wird.
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Bekannt ist eine Vergasung im Schlackenbad. Dabei wird der Kohlenstaub
mit dem Vergasungsmittel schräg von oben auf eine flüssige Schlackenschmelze geblasen.
Die Feststoffteilchen, die spezifisch leichter als die Schlacke sind, werden an
der Badoberfläche abgeschieden und schwimmen auf der Oberfläche, bis nur noch der
geschmolzene Ascheanteil übrigbleibt. Die Schlacke wird über einen Oberlauf des
Bades nach unten abgezogen. Das Gas verläßt den Reaktor nach oben.
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Eine derartige Vorgehensweise hat mehrere Vorteile. Durch sehr lange
Verweilzeit des Feststoffes ist ein nahezu vollständiger Kohlenstoffumsatz gewährleistet.
Dazu sind geringere Feinheitsgrade des Kohlenstoffträgers ausreichend und eine exakt
konstante Dosierung ist nicht erforderlich. Die Reaktortemperatur ist so einzustellen,
daß das Fließverhalten der Schlacke eine Turbulentbewegung des Schlackenbades ermöglicht.
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Der Nachteil des Schlackenbad-Reaktors liegt in den Schwierigkeiten
der Handhabung der flüssigen Schlacke. Insgesamt ist eine außerordentlich aufwendige
Konstruktion erforderlich. Diese Nachteile standen bisher einer großtechnischen
Realisierung des Verfahrens im Wege.
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Bei einem Kohlevergasungsverfahren der "neuen Generation" erfolgt
die Vergasung in einer Flugstaubwolke, die durch Einblasen des sehr feinkörnig gemahlenen
Vergasungsmittels in einen Reaktor entsteht.
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Der Reaktor kann ohne besondere Einbauten betrieben werden. Di Strömungsführung
wird durch den Brenner, mit dem das Vergasungsmittel eingeblasen wird, und die Reaktorgeometrie
bestimmt. Aufgru,i der relativ kurzen Verweilzeit von wenigen Sekunden ist eine
hohe Reaktortemperatur erforderlich, um hohe Kohlenstoffumsätze zu erreichen. Ein
vollständiger Kohlenstoffumsatz ist dabei unter Berücksichtigung der Gesamtenergiebilanz
des Prozesses teilweise nicht wirtschaftlich.
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Der einfache Aufbau des Reaktors gewährleistet zwar einen störungsfreien
Betrieb, jedoch ist zur Erzielung gleichbliL-= Betriebsbedingungen ein zeitlich
absolut konstanter Einsatz vom Kohle und Vergasungsmittei erforderlich. Zur Verringerung-der
nDt= wendigen Verweilzeit der Feststoffpartikel ist darüber hinaus zieht sehr feine
Aufmahlung der Kohle zwingend.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kohl-r'.-stoffumsatz
bei Kohlenstaub-Vergasungen unter gleichzeitiger Beitehaltung bzw. Erhöhung der
Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Dabei geht die Erfindung davon aus, daß die Verweilzeit
des Feststoffes von der Verweilzeit des Gases unabhängig sein soll, wie das in.
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Schlackenbadgenerator der Fall ist. Gleichzeitig soll aber die -lnfache
Arbeitsweise des Flugstromvergasers möglichst beibehalten werden.
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Nach der Erfindung wird das dadurch erreicht, daß der Kohlenstaub
zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Schlackenfilms an der Reaktor wand möglichst
insgesamt an die Reaktorwand gelenkt wird. Bei Betriebsbeginn bleiben die am äußeren
Umfang sofort im schmelzflüssigen Zustand gebrachten Kohlenstaubpartikel an der
Reaktorwand haften, so daß in kurzer Zeit ein Schlackenfilm entsteht. Der Schlackenfilm
läuft bei senkrecht stehendem Reaktor nach unten ab und wird durch nachkommende
Kohlenstaubpartikel aufrechterhalten.
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Der Schlackenfilm läuft entsprechend seiner von der Zusammensetzung
der Schlacke und der Temperatur abhängigen Zähigkeit mit relativ geringer Geschwindigkeit.
Er gibt den an dem Schlackenfilm anhaftenden
Feststoffteilchen eine
gegenüber dem Aufenthalt in einer Flugwolke um ein vielfaches größere Verweilzeit
unter Reaktionsbedingungen.
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Eine solche weitestgehende Abscheidung der Kohlenstoffpartikel aus
dem Gasstrom kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. In Betrach kommt tangentiales
Einblasen des Kohlenstaubes in einen vorzugsweise zylindrischen Reaktionsraum. Dadurch
entsteht ein rotierender Gasstrom,und werden die in dem Gasstrom befindlichen Kohlenstaubpartikel
aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte gegen die Reaktorwand geschleudert.
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Eine andere Möglichkeit, die Kohlenstoffpartikel an die Reaktorwand
zu bringen, besteht in einem exialen Einblasen der Kohlenstaubpartike in den Reaktorinnenraum,
wobei der Brennstoff infolge eines kegelförmigen, zentrisch in der Brenneraustrittsöffnung
angeordneten Brennermundstückes in einem sich halb kegelförmig erweiternden Strahl
gegen die Reaktorwand bewegt wird.
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Die Abscheidung der Kohlenstaubpartikel erfolgt dann an der Auftrefflinie
dieses Kegels auf die Reaktorwand und kann durch Einschnürung des Reaktionsraumes
am Austrittsende noch verstärkt werden.
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Eine dritte Möglichkeit ist durch den Einbau von Schikanen gegeben.
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Die Schikanen dienen einer Umlenkung der Gasströmung im Reaktor.
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Dabei entsteht eine weitestgehende Feststoffabscheidung an den Schikanen.
Die Schikanen können beispielsweise als zentrisch im Reaktor angeordnete Schlackefangroste
ausgebildet sein.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen Figur 1 einen besonders für die Vergasung von Kohlenstaub in trockener
oder auspendierter Form geeigneten Reaktor, Figur 2 einen inbesondere zur Vergasung
einer Kohle-Wasser-Suspension geeigneten Reaktor.
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Durch einen Brenner 1 werden einem rotationssymmetrischen Reaktorraum
2 ein fester Kohlenstoffträger, z.B. Kohlenstaub, in trockener oder suspendierter
Form zugeführt. Durch den gleichen Brenner 1 gelangt auch das notwendige Vergasungsmittel,
z.B. Sauerstoff und Wasserdampf, in den Reaktorinnenraum 2. Der Reaktorinnenraum
ist von einer feuerfesten Ausmauerung 3 umgeben, die, wie in Figur 1 dargestellt,
nur über die Wärmeabgabe eines Stahimantels 4 gekühlt wird, oder aber über eine
nicht dargestellte Zwangskühlung innerhalb des Stahlmantels 4 verfügt.
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Der Sauerstoffanteil des Vergasungsmittels setzt sich mit den brennbaren
Anteilen der Gasatmosphäre im Reaktorinnenraum 2 in einer Flamme um. Der Kohlenstaub
wird durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung, deren mittlere Temperatur oberhalb des
Schlackefließpunktes liegt, also abhängig von der Kohleart oberhalb ca. 13500C,
auf Reaktionstemperatur gebracht. Bei Einbringen des Kohlenstaubes in Form z.B.
einer Kohle-Wasser-Suspension findet vor der Aufwärmung auf Reaktionstemperatur
noch eine Trocknung der am Brenner 1 durch Zerstäubung erzeugten Suspensionstropfen
statt.
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Mit zunehmender Temperatur der Kohlenstoffpartikel setzt die Kohlenstoff-Vergasung
ein, die der Wärmezufuhr aus der Umgebung bedarf, da es sich dabei ausschließlich
um endotherme Reaktionen handelt.
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Zu Beginn der. Vergasung ist die Temperaturdifferenz zwischen den
Kohlepartikeln und der umgebenden Gasatmophäre groß, so daß der für die Vergasungsreaktionen
notwendige Wärmefluß gewährleistet ist. Mit fortschreitender Reaktion wird die Temperaturdifferenz
jedoch geringer, da die umgebende Gasatmosphäre sich entsprechend dem Wärmeverbrauch
der Reaktion abkühlt. Die Kohlenstoffumsatzraten pro Zeiteinheit werden dadurch
immer geringer, je weiter die Reaktion fortschreitet, da auch die Teildruckerniedrigung
des Vergasungsmittels im gleichen Sinne wirkt.
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Durch eine eingebaute Strömungsleiteinrichtung 5 wird bewirkt, daß
ein Teil der Kohlestaubpartikel sich unmittelbar auf der Oberfläch dieser Strömungsleiteinrichtung
absetzt und die restlichen Kohlestaubpartikel durch scharfe Umlenkung der Gasströmung
an der feuerfesten Ausmauerung 3 abgeschieden werden.
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Durch eine eingebaute Strömungsleiteinrichtung 5 wird bewirkt, daß
ein Teil der Kohlestaubpartikel sich unmittelbar auf der Oberfläche dieser Strömungsleiteinrichtung
absetzt und die restlichen Kohlestaubpartikel durch scharfe Umlenkung der Gasströmung
an der feuerfesten Ausmauerung 3 abgeschieden werden.
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Die Strömungsleiteinrichtung 5 ist hier in Form eines runden Tisches
gestaltet. Die Tischplatte besteht aus mehreren spiral-gewickelten, bestifteten
Rohren 6, die mit einer feuerfesten Masse verkleidet sind.
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Die Rohre 6 werden von einem Kühlmedium durchströmt, das bei 7 eintrit
und bei 8 austritt. Insgesamt gibt es vier gleichmäßig am Reaktorumfar verteilte
Eintritte 7 und Austritte 8. Von den Kühlmedieneintritten 7 führen Zuführungsleitungen
9 zu den Rohren 6. Von den Rohren 6 führen Abführungsleitungen 10 zu den Austritten
8. Die insgesamt vier Zu- bz; Abführungsleitungen 9, 10 sind ebenfalls bestiftet
und mit einer feuer festen Masse verkleidet. Sie dienen gleichzeitig als Tragkonstruktion
für die Tischplatte.
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Die entweder auf der Strömungsleiteinrichtung 5 oder an der Ausmauerung
3 abgeschiedenen, bereits teilvergasten Kohlepartikel sind nL so lange den Reaktionsbedingungen
ausgesetzt, bis der Kohlenstoff praktisch vollständig mit Vergasungsmittel umgesetzt
ist. Erst dann wird die mineralische Substanz des Einsatzgutes fließfähig und läuft
als Schlackefilm an der Ausmauerung 3 bzw. an der Kante der Strömungsleiteinrichtung
5 ab.
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Durch die Tatsache, daß ein Fließen der Schlacke erst bei sehr niedrigen
Kohlenstoffgehalten in der Größenordnung von einem Prozent eintritt, ist gewährleistet,
daß die Verweilzeit der Kohlestaubpartikel unter Reaktionsbedingungen in jedem Fall
fur eine praktisch vollständig Umsetzung des Kohlenstoffes ausreicht.
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Der entstehende Schlackefilm läuft-an der Wand des Reaktorhalses 11
weiter ab und gelangt in ein nicht dargestelltes Wasserbad, wo die Schlacke granuliert
wird und über eine Schleusenvorrichtung ausgetragen wird.
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Das erzeugte Gas verläßt den Reaktor ebenfalls durch den Reaktorhals
11 und wird anschließend gereinigt bzw. beliebiger Verwendung zugeführt.
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Der erfindungsgemäße Schlackefilmreaktor nach Figur 2 eignet sich
insbesondere für die Vergasung von Kohlenstaub, der als Kohle-Wasser-Suspension
in den Reaktor eingetragen wird. Dabei wird vermieden, daß im Bereich der höchsten
Temperatur innerhalb des Vergasungsreaktors, nämlich im Bereich der Gasverbrennung
mit dem Sauerstoff, die Trocknung und Aufheizung der Kohlestaubpartikel abläuft,
während die Vergasungsreaktion im kältesten Teil des Reaktors stattfindet. Vielmehr
wird die Vergasungsreaktion im Hochtemperaturbereich des Reaktors mit dem Vorteil
besonders intensiver Reaktion veranlaßt, während die Trocknung und Aufheizung der-Kohlepartikel
bei niedrigen, aber ausreichenden Temperaturen erfolgt.
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Die in Figur 2 mit Figur 1 i dentischen Reaktorteile tragen gleiche
Bezeichnungen. Durch den Brenner 1 tritt eine pumpfähige Kohle-Wasser-Suspension
in den Reaktorinnenraum 2. An dem Austrittsende des Brenner findet eine Druckzerstäubung
der Suspension statt. Diese Zerstäubung wird ggf. durch zusätzliches Zerstäubungsmedium,
z.B. Wasserdampf, unterstützt.
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Die Suspensionstropfen werden zunächst durch Wärmeübertragung aus
der sich einstellenden Rückströmung heißen Gases aus der Vergasungszone getrocknet
und vorgewärmt, ehe sie in die eigentliche Reaktionszone mit höchster Temperatur
gelangen. Die Reaktionszone befindet sich im unteren Reaktorbereich, in dem sich
eine der Strömungsleiteinrichtu ähnliche Strömungsleiteinrichtung 12 befindet. Die
Strömungsleiteinrichtung 12 ist in gleicher Weise wie die Strömungsleiteinrichtung
5 ii Form eines runden, zentrisch angeordneten Tisches gestaltet, der mit Rohren
6 versehen ist und durch die Zuführungsleitungen 9 und Abführun leitungen 10 gehalten
wird.
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Durch eine der Zuführungsleitungen 9 ist eine Leitung 14 für Sauerstof
oder Luft hindurchgeführt. Die Leitung 14 ist über einen Anschlußstutz 13 an eine
Luft- bzw. Sauerstoffversorgungsleitung angeschlossen und fUhrt am anderen Ende
zu einer Düse 15. Die Düse 15 ragt mittig durch die Strömungsleiteinrichtung 12
in den Reaktorinnenraum 2. Sie ist mit einer Kappe 18 gegen Verstopfung durch Schlackenteilchen
geschützt.
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Die Leitung 14 wird durch das den Rohren 6 zuströmende Kühlmedium
gekühlt.
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Der durch die Düse 15 in den Reaktorinnenraum 2 eintretende Sauerstoff
setzt sich mit im Reaktor gebildeten brennbarem Gas sowie mit getrocknetem und vorgewärmtem
Kohlenstaub in einer Flamme um. Dadurch entsteh im Bereich der Strömungsleiteinrichtung
12 im unteren Reaktorteil eine besonders hohe und vorteilhafte Reaktionstemperatur.
Die übrigen Reaktionsabläufe sind gleich denen in der Beschreibung zu Figur 1 ausgeführten.