DE3441355A1 - Verfahren und einrichtung zur reduktion von oxidischem material - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur reduktion von oxidischem material

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Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen * ' " ■ · " J
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reduktion von oxidischem Material.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein im Hinblick auf die Prozeßtechnologie sowie im Hinblick auf die Energieausnutzung optimales Reduktionsverfahren zu verwirklichen, welches ein besonders leicht steuerbares Gaserzeugungssystem besitzt, wobei das Verfahren außerdem so flexibel sein soll, daß der Hauptteil des ursprünglich zur Reduktion des oxidischen Materials verwendeten Reduktionsgases erneut verwendet werden kann, um frisches Reduktionsgas zu erzeugen.
Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduktion von oxidischem Material im wesentlichen dadurch, daß
a) ein hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Reduktionsgas aus einem kohlenstoffhaltigen und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsmaterial hergestellt wird, wobei dieses Ausgangsmaterial zusammen mit einem Oxidationsmittel und wahlweise ebenfalls einem Schlackenbildner in eine. Vergasungszone oder eine Vergasungskammer eingebracht wird, während gleichzeitig Wärmeenergie von wenigstens einem Plasmagenerator zugeführt wird;
b) das derart hergestellte Reduktionsgas auf eine für den nachfolgenden Reduktionsprozeß geeignete Temperatur gebracht und anschließend in einen Reduktionsschachtofen eingeleitet wird, welcher das zu reduzierende
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oxidische Material enthält, wobei dieses Gas im Gegenstrom zu dem oxidischen Material geleitet wird;.
c) im wesentlichen das gesamte Wasser und staubartige Teilchen aus dem nach Reduktion des oxidischen Materials im Hinblick auf seine Reduktionsfähigkeit teilweise verbrauchten und oxidierende Bestandteile wie Kohlendioxid und Wasser sowie staubartige Teilchen enthaltenden Reduktionsgas entfernt werden und dasselbe im wesentlichem dem Prozeß wieder zugeführt wird;.
d) zumindest ein kleiner Teilstrom des zur Rückführung in den Prozeß vorgesehenen, teilweise verbrauchten Gases zur Druckregelung des gesamten Gasstromes dem System entzogen wird; und
e) zumindest ein kleiner Teilstrom des zur Rückführung in den Prozeß vorgesehenen, teilweise verbrauchten Gases zwecks Einstellung des H_/CO-Verhältnisses im fertigen Gas durch einen CO2~Wäscher geleitet wird.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Druckregelung im System durch eine geringe Gasabgabe. Der zur Druckregelung abgelassene Gasstrom wird zweckmäßigerweise abgefackelt oder wird anderweitig ausgenutzt, z.B. zum Trocknen des im Verfahren verwendeten kohlenstoffhaltigen Materials.
Vorzugsweise wird der Gasstrom abgelassen, nachdem das die Reduktionsstufe verlassende Gas zumindest teilweise von Wasserdampf und/oder staubartigen Teilchen befreit wurde.
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Das verwendete Oxidationsmittel besteht zweckmäßigerweise aus Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Luft und/oder Umlaufgas, welches der Reäktionszone insgesamt oder teilweise durch den Plasmagenerator zugeführt wird. Wahlweise kann das Oxidationsmittel auch vorgewärmt werden.
Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial zur Erzeugung des Redu tionsgases in Pulverform und/oder flüssiger Form und/oder stückiger Form.verwendet.
Erfindungsgemäß wird eine Verbrennungszone zweckmäßigerweise im unteren Bereich eines mit festem kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form gefüllten schachtförmigen Gasgenerators ausgebildet, wobei vorzugsweise Koks als Füllung verwendet wird. :
Erfindungsgemäß wird ein Teilstrom des teilweise verbrauchten Gases, welches CO enthält, dem Reduktionsschachtofen entnommen und in den mit stückigem Reduktionsmaterial gefüllten Gasgenerator von oben und in einem geeigneten Abstand von der Verbrennungszone eingeleitet, um die Hitze in der Schachtfüllung auszunutzen, um H«0 in EL· + CO und das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln. Ein Teilstrom dieses Rückstromes an verbrauchtem Reduktionsgas vom Schachtofen kann auch als Trägergas für das Einbringen eines pulverförmigen kohlenstoffhaltigen Materials und/oder eines Schlackenbildners zusammen wahlweise mit Schwefelakzeptoren unmittelbar vor dem Plasmagenerator verwendet werden. Ein Teilström dieses Rückstromes
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an verbrauchtem REduktionsgas vom Schachtofen wird auch als Trägergas für die durch den Plasmagenerator zugeführte Wärmeenergie verwendet.
Vorzugsweise wird der COo-Gehalt des dem Verfahren wieder zuzuführenden Rückstromgases dadurch eingestellt, daß eine gewünschte Menge an Rückstromgas durch einen CCL-Wäscher geleitet wird.
Zweckmäßigerweise wird das in dem Gasgenerator erzeugte Reduktionsgas von irgendwelchen Schwefelverunreinigungen befreit, indem geeignete Schwefelakzeptoren in die Schachtfüllung eingebracht werden und/oder indem das abgezogene Gas durch einen Schwefelfilter hindurchgeleitet wird. Alternativ können Schwefelakzeptoren auch in die Vergasungszone eingeblasen werden.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Temperatur des der Verbrennungszone des Gasgenerators entnommenen Reduktionsgases auf eine Endtemperatur zwischen 700 und 10000C gesteuert,
a) indem es mit einer derartigen Menge des teilweise verbrauchten Reduktionsgases aus dem Reduktionsschachtofen vermischt wird und/oder
b) einer Kühlung unterworfen wird und/oder
c) ihm eine derartige Menge an Wasser und/oder Wasserdampf zugesetzt wird, daß
die gewünschte Temperatur erreicht wird.
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Wenn nur eine geringe Menge dieses teilweise verbrauchten Reduktionsgases für die Temperatursteuerung verwendet wird, wird dieses teilweise verbrauchte Reduktionsgas beim Durchgang durch den unmittelbar hinter dem Gasauslaß vom oberen Teil des Reduktionsschachtofens angeordneten Gaswäscher abgekühlt, sodaß die gewünschte Endtemperatur der Gasmischung ohne weiteres erzielbar ist. Wenn jedoch ein starker Rückstrom mit dem frisch erzeugten Reduktionsgas vermischt wird, wird dieser Rückstrom zweckmäßigerweise vor der Vermischung mit dem Reduktionsgas beispielsweise unter Einsatz eines Plasmagener tors erwärmt.
Vorzugsweise wird der CO2-Gehalt des zur Temperaturregelung des im Gasgenerator erzeugten Reduktionsgases verwendeten Teilstromes an rückgeführtem Gichtgas eingestellt wird, bevor dieser Teilstrom mit dem Reduktionsgas vermischt wird.
Des weiteren kann dem fertigen Reduktionsgas H3S zugesetzt werden, um Rußablagerungen vorzubeugen.
Bevorzugte wird das Reduktionsgas mittels einer zweistufigen Vergasung erzeugt, bei welcher das Ausgangsmaterial teilweise verbrannt und zumindest teilweise in einer Vergasungskammer vergast wird, woraufhin diese Gasmischung in einen eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material enthaltenden Schacht eingeleitet wird und der physikalische Wärmegehalt der Mischung aus der Vergasungskammer in der Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material ausgenutzt wird, um den Gehalt an Kohlendioxid und Wasser im
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Gas zu verringern, wobei der Gaserzeugungsprozeß derart gesteuert wird, daß das abgezogene Gas eine für einen nachfolgenden Prozeßschritt geeignete Temperatur und Zusammensetzung hat-.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Reduktion von oxidischem Material unter gleichzeitiger Erzeugung eines geeig- . neten Rückstrom- oder Umlaufgases zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen Gasgenerator für Reduktionsgas mit einer Reaktionskammer, wenigstens einem Plasmagenerator mit im Boden der Reaktionskammer liegender Mündung, einem an den Gasgenerator wahlweise über einen Schwefelfilter angeschlossenen Schachtofen, welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, einen im oberen Teil dieses Schachtofens angeordneten Gasauslaß, einen neben diesem Gasauslaß angeordneten Abscheider für Wasser und staubartige Teilchen aus dem austretenden Gasstrom und einen nachfolgenden Gasauslaß zur Druckregelung sowie eine Hauptruckführleitung für den Hauptteil dieses Gases zum Gasgenerator, und zwar wahlweise über einen COp-Wäscher.
In die Hauptruckführleitung ist zweckmäßigerweise wenigstens ein Kompressor eingeschaltet.
Zweckmäßigerweise ist die Hauptruckführleitung an einen CCL·- Wäscher angeschlossen. Der CO2~Wäscher besitzt vorzugsweise eine Nebenleitung, die in eine direkte Verlängerung der Hauptleitung zur Einspeisung von Umlaufgas in den Gasgenerator
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einmündet und außerdem in eine zweite Hauptleitung, über welche praktisch CO,-freies Umlaufgas zwecks Temperaturregelung mit dem frisch erzeugten Reduktionsgas vermischt wird.
Weitere Merkmale und Besonderheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigt
Fig.1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem einstufigem Gasgenerator; und
Fig.2 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem zweistufigen Gasgenerator.
Die Einrichtung gemäß Fig.1 besitzt einen Reduktionsschachtofen 1 zur Reduktion von oxidischem, stückigem Material. Dieser Schachtofen 1 besitzt eine Beschickungseinrichtung zum Einbringen von zu reduzierendem oxidischem stückigem Material. Am Boden des Schachtofens befindet sich eine Einlaßleitung 3 für heißes Reduktionsgas, welches im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, wobei dieses Gas im Gegenstrom durch den Schachtofen 1 hindurchgeleitet wird. Diese Auslaßleitung 4 ist mit einem Abscheider 5 für staubartige Teilchen und Wasser, einem sogenannten Gaswäscher, verbunden, von welchem das von Wasser und Staubteilchen befreite und gleichzeitig abgekühlte Gas einem zur Druckregelung vorgesehenen Auslaß 6 zuströmt und dann über eine Hauptrückleitung 7 zwecks erneuter Verwendung im Prozeß zurückgeführt
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wird, wie noch zu beschreiben sein wird. Die Hauptrückleitung 7 enthält einen Kompressor 8.
Wenigstens ein Plasmagenerator 10 mündet in einen schachtförmigen Gasgenerator 11. Eine Lanze 12 für die Zufuhr von zur Gaserzeugung erforderlichem Material mündet ebenfalls in diesen Gasgenerator, während am Boden des Gasgenerators ein Auslaß vorgesehen ist.
Hinter dem Kompressor 8 ist die Rückleitung 7 mit einem CO3-Wäscher verbunden. Diese Anordnung weist außerdem eine Nebenleitung 7a auf, die in eine direkte Verlängerung der zum Gasgenerator 11 führenden Rückleitung 7 für Umlaufgas einmündet. Sie mündet außerdem in eine zweite Hauptrückleitung 14 für Umlaufgas ein, wobei diese zweite Leitung 14 jedoch von CO3 praktisch freies Umlaufgas dem frisch erzeugten Reduktionsgas zu dessen Temperaturregelung zuführt.
Im Prinzip bietet diese Anordnung nachstehende Funktionsbequemlichkeiten:
über eine erste Abzweigleitung 16 kann die Leitung 14 mit dem oberen Bereich des Gasgenerators verbunden werden;
die Hauptrückleitung 7 kann über zusätzliche Abzweigleitungen 15 und 15a mit der Vergasungszone im unteren Bereich des Gasgenerators 11 verbunden werden, d.h. Umlaufgas kann vor dem Plasmagenerator durch die Leitung 15 und nach Verdichtung im Kompressor 8a über die
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Leitung 15a hinter dem Plasmagenerator eingespeist werden, um diesen zu durchlaufen;
über eine weitere Abzweigleitung 17 kann die Leitung 14 mit dem vom Gasgenerator entnommenen Reduktionsgas, welches .den oberen Teil des Gasgenerators über eine Auslaßleitung 18 verläßt, verbunden werden, und über eine weitere Abzweigleitung 19 kann die Leitung 14 über eine Mischkammer 20 mit dem aus einem Schwefelfilter 22 über eine Leitung 21 ausströmenden Reduktionsgas verbunden werden, und schließlich kann die Leitung 14 mit der Reduktionsgasleitung 21 unmittelbar vor dem Eintritt des Reduktionsgases in den Reduktionsschachtofen 1 verbunden werden.
Auf diese Weise läßt sich der CO^-Gehalt im Umlaufgas einwandfrei steuern.
Eine Speiseleitung 9 für das Oxidationsmittel, beispielsweise in Form von Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Luft und/oder Umlaufgas, ist direkt mit dem Plasmagenerator 10, wahlweise nach Vorwärmung, verbunden, wobei dieses Oxidationsmittel der Reaktionszone im Boden des Gasgenerators 11 zugeführt werden kann.
Die vorbeschriebene und in Fig.1 dargestellte Einrichtung arbeitet im Prinzip folgendermaßen:
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Das REduktionsgas zur Reduktion des oxidischen Materials im Schachtofen 1, welches in denselben über die Einlaßleitung eingeleitet wird, wird im Prinzip im Gasgenerator 11 erzeugt, indem ein kohlenstoffhaltiges und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial zusammen mit Oxidationsmittel und wahlweise mit Schlackenbildnern einer Vergasungszone im unteren Teil des Gasgenerators 11 zugeführt wird, während gleichzeitig Wärmeenergie über wenigstens einen Plasmagenerator 10 zugeführt wird. Das auf diese Weise hergestellte Reduktionsgas wird dann im Prinzip auf eine für die nachfolgende Reduktion des oxidischen Materials im Schachtofen 1 geeignete Temperatur gebracht und in den Schachtofen 1 im Gegenstrom zu dem zu reduzierenden Material eingeblasen. Nach Reduktion des oxidischen Materials enthält das Reduktionsgas oxidierende Bestandteile wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasser sowie staubartige Teilchen, und ist daher in Bezug auf seine Reduktionsfähigkeit teilweise verbraucht. Das Reduktionsgas wird durch die Gasauslaßleitung 4 von der Gicht des Reduktionsschachtofens abgezogen und anschließend von Wasser und staubartigen Teilchen im Gaswäscher 5 befreit. Ein geringer Teil des auf diese Weise im Gaswäscher 5 behandelten Gases, welches gleichzeitig dabei abgekühlt wurde, wird dann dem System über die Gasauslaßleitung 6 zwecks Temperaturregelung entnommen, während der Hauptstrom dieses Gases dem Prozeß durch die Rückleitung 7 erneut zugeführt wird, d.h. es kann erneut zur Erzeugung von Reduktionsgas verwendet werden.
Die Gaserzeugung im schachtförmigen Gasgenerator 11 kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Pulveriges und/oder
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.flüssiges kohlenstoffhaltiges und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial kann in die Vergasungszone beispielsweise durch eine Zufuhrleitung 12 eingeblasen werden, in welchem Fall Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff oder Wasserdampf in die Reaktionszone durch den Plasmagenerator eingebracht werden kann. Umlaufgas kann der Reaktionszone vor dem Plasmabrenner über die Leitung 15 zugeführt werden, oder das Gas kann durch den Plasmagenerator über die Leitung 15a zugeführt werden. Das kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial kann auch in stückiger Form über die Gicht des Gasgenerators zugeführt werden, sodaß die Vergasungszone im unteren Teil des mit festem kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form gefüllten Gasgenerators ausgebildet wird. Zweckmäßigerweise wird als kohlenstoffhaltige Füllung des Gasgenerators Koks verwendet.
Außerdem kann Wasser oder ein Teil des teilweise verbrauchten Reduktionsgases, welches dem Reduktionsschachtofen 1 über die Leitung 7 und die Abzweigleitung 16 entzogen wurde, ebenfalls in den Gasgenerator 11 eingebracht werden, welcher in diesem Fall mit stückigem Reduktionsmaterial gefüllt ist. In diesem Fall werden Wasser oder verbrauchtes Reduktionsgas über der Vergasungszone selbst und in einem geeigneten Abstand von derselben eingebracht, wodurch die Hitze der Schachtfüllung ausgenutzt wird, um H2O in H, + CO und Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln.
Die Gaserzeugung im Gasgenerator ,11 kann auch dadurch erreicht werden, daß pulveriges, kohlenstoffhaltiges Material,
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wahlweise mit Schwefelakzeptoren und/oder Schlackenbildnern mittels Wasserdampf oder einem Trägergas eingeblasen wird, welches aus teilweise verbrauchtem Reduktionsgas eines Teilstromes besteht, der dem Reduktionsschachtofen entnommen wurde, oder aus Sauerstoff oder einer Mischung von Sauerstoff und Wasserdampf.
Das im Gasgenerator 11 erzeugte Reduktionsgas kann entschwefelt werden, indem beispielsweise ein geeigneter Schwefelakzeptor der Schachtfüllung zugesetzt wird, oder indem Schwefelakzeptoren in die Vergasungszone eingeblasen werden oder indem das in dem Gasgenerator erzeugte Gas über die Auslaßleitung 18 einem Schwefelabscheidefilter 22 zugeleitet wird. Irgendwelche übrigbleibenden Schwefelverunreinigungen werden von dem im unteren Teil des Reduktionsschachtofens reduzierten Metalloxid absorbiert.
Das Reduktionsgas wird im allgemeinen auf einem Temperaturbereich von 1000-15000C gehalten. Allerdings kann ein derart heißes Reduktionsgas nicht direkt zur Reduktion im Reduktionsschachtofen verwendet werden, sodaß seine Temperatur herabgesetzt werden muß, bevor es in den Schachtofen 1 eingeleitet wird. Dies kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise erfolgen.
Beispielsweise kann das aus dem Gasgenerator 11 ausströmende Reduktionsgas über die Leitung 18 mit einem geeigneten Teilstrom von Umlaufgas vermischt werden. Dies geschieht über die Leitung 14, sodaß die Temperatur der Gasmischung zwischen
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Leitung 14, soäaß die Temperatur der Gasmischung zwischen 700 und 10000C liegt. Alternativ kann diese Vermischung mit einem Teilstrom des vom Reduktionsschachtofen 1 zurückgeführten Gases dadurch erreicht werden, daß das Reduktionsgas nach Durchlaufen des Schwefelfilters 22, d.h. auf seinem Wege von der Leitung 14 zur Leitung 3, vermischt wird. Wenn ein geringer Teilstrom an Umlaufgas aus der Leitung 14 verwendet wird, sollte dies ausreichen, um die gewünschte Abkühlung des erzeugten Reduktionsgases zu bewirken. Wenn allerdings eine überaus große Menge an Umlaufgas dem Reduktionsgas zugemischt wird, sollte ein derart starker.Strom vorzugsweise auf die genaue Temperatur in der Mischkammer 20 aufgeheizt werden. Diese Aufheizung kann beispielsweise mittels eines Plasmagenerators erfolgen.
Die Temperatureinstellung kann auch dadurch erreicht werden, daß ein Teilstrom des erzeugten Gases durch Leitungen 21 und 19 durch eine als Kühler wirkende Mischkammer 20 geleitet wird.
Außerdem kann die erforderliche Temperatureinstellung auch zumindest teilweise durch die Zufuhr von Wasser und/oder. Wasserdampf über eine Zufuhrleitung 24 erfolgen. Diese Maßnahme verhindert auch das Entstehen von Rußablagerungen.
Um das Aufkohlungspotential des erzeugten Reduktionsgases zu steuern und um eine Methanisierung, zu verhindern, können geeignete kohlenstoffhaltige Materialien wie beispielsweise Methan, Methanol und/oder Propan über die Leitung 25 zugeführt werden.
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Rußablagerungen kann auch dadurch entgegengewirkt werden, daß H0S über die Leitung 26 eingeblasen wird.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der COρ-Gehalt in dem zur Steuerung der Temperatur des Reduktionsgases verwendeten Umlaufgas fortlaufend durch die C0o-Wascheinrichtung gesteuert werden kann.
Die vorbeschriebene Erzeugung von Reduktionsgas im schachtartigen Gasgenerator 11 kann auch durch eine zweistufige Vergasung durchgeführt werden, wie dies in Fig.2 dargestellt ist.
Die erfindungsgemäße Gaserzeugung bietet wichtige technische Vorteile. Die Gaserzeugung kann bei derartigen Temperaturen durchgeführt werden, daß die Asche eine leicht handhabbare Schlacke bildet, welche abgelassen wird, ohne daß Verstopfungsprobleme im Prozeß entstehen. Der Wasserstoffgehalt im Reduktionsgas kann auf einen für den Reduktionsprozeß geeigneten Prozentsatz gesteuert werden, indem Wasser und/oder Sauerstoff in der Gaserzeugungsstufe und in der Temperatursteuerstufe gesteuert eingeblasen wird. Auch im Hinblick auf den Energieverbrauch wird ein optimaler Reduktionsprozeß und ein bequem steuerbares Gaserzeugungssystem verwirklicht. Die Steuerung der Anteile von H0O und CO0 in der Leitung 3 kann infolgedessen in der Weise ausgeführt werden, daß die Strömung in den Leitungen 14 bis 18 sowie 21 und 3 bezw. auch in der Leitung 24 eingestellt wird.
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Wie bereits erwähnt, kann die Entschwefelung statt durch einen besonderen Schwefelfilter auch direkt· in dem Gasgenerator eingebaut werden, indem die Koksschüttung beispielsweise mit geeignetem Material versehen wird oder.indem geeignetes Material in die Vergasungszone eingeblasen wird.
Die in Fig.2 darge teilte abgewandelte Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung besitzt anstelle des einstufigen Gasgenerators 11 gemäß Fig.1 einen zweistufigen Gasgenerator 31. Die Einrichtung ist im übrigen nach den gleichen Prinzipien wie die in Fig.1 dargestellte Einrichtung aufgebaut.
Der zweistufige Gasgenerator gemäß Fig.2 besitzt eine Vergasungskammer 29 und einen mit einer Koksschüttung 31 gefüllten Schacht 30.
Die Vergasungskammer 29 besitzt einen wassergekühlten Außenmantel 32 sowie eine feuerfeste Auskleidung 33 und ist vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Vorzugsweise sind außerdem rund um den Schacht 30 mehrere Vergasungskammern angeordnet.
Der Schacht 30 besitzt einen unteren Schlackenauslaß 34 und einen oberen Gasauslaß 35. Koks in stückiger Form wird dem Schacht durch eine gasdichte Zuführung 36 am Kopf zugeführt. Die Mündung der Vergasungskammer 29 befindet sich im unteren Teil des Schachtes, und das Gas strömt durch die Koksschüttung nach oben und durch den Gasauslaß aus dem Schacht heraus. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Schlackenauslaß 34 für die Vergasungskammer und den Schacht gemeinsam.
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In Verbindung mit der Vergasungskammer ist wenigstens ein Brenner vorgesehen, welcher bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Plasmagenerator 37 besteht. Der Plasmagenerator ist mit der Vergasungskammer durch ein Ventil 38 verbunden. Oxidationsmittel wird in den Plasmagenerator durch eine Speiseleitung 9 geleitet oder kann auch vor den Plasmagenerator durch eine Speiseleitung 39 eingebracht werden. Das Oxidationsmittel kann auch aus einem Trägergas bestehen, welches durch den Plasmagenerator hindurchgeleitet wird, oder aus einem Umlaufgas, welches durch die Leitung 15a zugeführt wird. Das heiße turbulente Gas, welches im Plasmagenerator erzeugt wird, gelangt durch die Mündung 40 des Plasmagenerators in die Vergasungskammer. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff, vorzugsweise in Pulverform, wird durch eine Speiseleitung 41 in einen Ringraum 42 eingeblasen, welcher konzentrisch um die Mündung des Plasmagenerators ausgebildet ist, und/oder durch eine Lanze 43, welche auch für die Zufuhr weiterer Zuschlänge wie beispielsweise Schlackenbildner verwendet werden kann.
Im Schacht sind außerdem Lanzen 44 und 45 vorgesehen, durch welche wahlweise weiteres Oxidationsmittel wie beispielsweise H0O, CO9, zugesetzt werden kann, um die physikalische Überschußhitze im Gas auszunutzen. Dadurch lassen sich auch die Temperatur und die Zusammensetzung des Gases steuern.
Am Ausgang der Vergasungskammer ist ein erster Meßfühler 46. angeordnet, während ein zweiter Meßfühler 47 im Gasauslaß des Schachtes sitzt. Diese Meßfühler dienen zur Messung der
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Temperatur und/oder zur Analyse des Gases. Diese beiden Meßfühler geben die Möglichkeit, den Prozeß durch Steuerung der zugeführten Außenenergie und/oder der zugeführten Materialströme zu.steuern.
Fig.2 zeigt nur ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten zweistufigen Gasgenerators in einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei viele andere Lösungen ebenfalls denkbar sind. Beispielsweise können die Plasmageneratoren tangential am Umfang der Vergasungskammer angeordnet werden, sodaß in der Vergasungskammer eine umlaufende Strömung erzielt wird. Außerdem kann zur Erleichterung der Schlackenabscheidung die Vergasungskammer vertikal angeordnet werden, oder die Vergasungskammer und der Schacht können mit getrennten Schlackenauslässen versehen werden.
Bei der zweistufigen Vergasungseinrichtung gemäß Fig.2 wird das Ausgangsmaterial teilweise verbrannt und zumindest teilweise in der Vergasungskammer vergast, und die auf diese Weise erhaltene Mischung wird in einen Schacht eingebracht, welcher eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form enthält. Der physikalische Wärmegehalt der Gasmischung, welche aus der Vergasungskammer austritt, wird dadurch in der Koksschüttung ausgenutzt, um den Gehalt an Kohlendioxid und Wasser im Gas zu reduzieren. Auf diese Weise kann der Gaserzeugungsprozeß derart gesteuert werden, daß das ausströmende Gas eine mit dem nachfolgenden Prozeßschritt ohne weiteres verträgliche Temperatur und Zusammensetzung aufweist.
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Das vom Plasmagenerator herkommende heiße Trägergas erhält zweckmäßigerweise eine Drehbewegung, bevor es in die Vergasungskammer eingebracht wird, und der pulverige kohlenstoffhaltige Brennstoff kann konzentrisch um den heißen Gasstrom eingebracht.werden, welcher in die Vergasungskammer einströmt. Dadurch, daß das Material in der Vergasungskammer eine Drehbewegung erhält, ergibt sich eine Schutzschicht aus Schlacke an den inneren Wandungen der Vergasungskammer.
Naturgemäß ist die Erfindung keineswegs auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele bestimmt, sondern kann auf mancherlei Weise abgewandelt werden. So kann beispielsweise zur Gaserzeugung durch Vorwärmung des Oxidationsmittels von außen her Wärmeenergie zugeführt werden.
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Claims (39)

Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 100254 62 482/E-th 9. November 1984 Patentanmeldung SKF Steel Engineering AB P.O. Box 202 S-813 00 HOFORS, Schweden Verfahren und Einrichtung zur Reduktion von oxidischem Material. Patentansprüche.
1. Verfahren zur Reduktion von oxidischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein Hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Reduktionsgas aus einem kohlenstoffhaltigen und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsmaterial hergestellt wird, wobei dieses Ausgangsmaterial zusammen
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mit einem Oxidationsmittel und wahlweise ebenfalls einem Schlackenbildner in eine Vergasungszone oder eine Vergasungskammer (29) eingebracht wird, während gleichzeitig Wärmeenergie von wenigstens einem Plasmagenerator (10; 37) zugeführt wird;
b) das derart hergestellte Reduktionsgas auf eine für den nachfolgenden Reduktionsprozeß geeignete Temperatur gebracht und anschließend in einen Reduktionsschachtofen (1) eingeleitet wird, welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, wobei dieses Gas im Gegenstrom zu dem oxidischen Material geleitet wird;
c) im wesentlichen das gesamte Wasser und staubartige Teilchen aus dem nach Reduktion des oxidischen Materials im Hinblick auf seine Reduktionsfähigkeit teilweise verbrauchten und oxidierende Bestandteile wie Kohlendioxid und Wasser sowie staubartige Teilchen enthaltenden Reduktionsgas entfernt werden und dasselbe im wesentlichen dem Prozeß wieder zugeführt wird;
d) zumindest ein kleiner Teilstrom des zur Rückführung in den Prozeß vorgesehenen, teilweise verbrauchten Gases zur Druckregelung des gesamten Gasstromes dem System entzogen wird; und
e) zumindest ein kleiner Teilstrom des zur Rückführung in den Prozeß vorgesehenen, teilweise verbrauchten Gases zwecks Einstellung des Η,,/CO-Verhältnisses im fertigen Gas durch einen CO^-Wäscher geleitet wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Druckregelung entzogene Gasstrom abgefackelt oder für externe Zwecke verbraucht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom entzogen wird, nachdem das die Reduktionsstufe verlassende Gas von Wasser und staubartigen Teilchen befreit wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel für die Gaserzeugung Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Umlaufgas, verwendet wird und der Vergasungszone insgesamt oder teilweise durch den Plasmagenerator (10; 37) zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Plasmagenerator zugeführte Oxidationsmittel vor dem Eintritt in den Plasmagenerator (10; 37) vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsmaterial zur Erzeugung des Reduktionsgases in Pulverform und/oder flüssiger Form und/oder stückiger Form verwendet wird.
7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungszone im unteren Bereich eines mit festem, kohlenstoffhaltigem Material in stückiger Form gefüllten schachtförmigen Gasgenerators (11; 31) ausgebildet wird.
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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet/ daß als kohlenstoffhaltige Füllung des Schachtes (11; 31) Koks verwendet wird.
9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser oder ein Teilstrom des teilweise verbrauchten Reduktionsgases in den mit Reduktionsmaterial in stückiger Form gefüllten Schachtofen (1) über und in einem geeigneten Abstand von der Vergasungszone eingebracht wird, um die Wärme in der Schachtfüllung zur Umwandlung von H3O in H2 + CO und des Kohlendioxids in Kohlenmonoxid- auszunutzen.
10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiges kohlenstoffhaltiges Material und/oder Schlackenbildner, wahlweise zusammen mit Schwefelakzeptoren, in das System unmittelbar vor dem Plasmagenerator (10; 37) mit Hilfe von Wasser oder Dampf oder einem Trägergas eingeblasen wird, welches aus einem Teilstrom des teilweise verbrauchten Reduktionsgases, welches dem Reduktionsschachtofen (1) entzogen wurde, oder aus Sauerstoff oder Luft besteht.
11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Erzeugung des Reduktionsgases benötigte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial in die Vergasungszone unmittelbar vor dem Plasmagenerator (10;37) eingebracht wird.
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12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise zusätzliches Oxidationsmittel zur Erzeugung des Reduktionsgases und wahlweise ebenfalls Schlackenbildner und/oder Schwefelakzeptoren in die Vergasungszone vor dem Plasmagenerator (10; 37) eingebracht werden. .
13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material und einem geeigneten Schwefelakzeptor als Schachtfüllung über der Vergasungszone verwendet wird. ' , :_ .
14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Vergasungszone erzeugte Reduktionsgas entschwefelt wird, bevor es in den Reduktionsschachtofen (1) eingeleitet wird.
15. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das frisch erzeugte Reduktionsgas eine Temperatur zwischen 1000 und 15000C hat.
16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß^die Temperatur des erzeugten Reduktionsgases auf 700-10000C, vorzugsweise 825°C, gesteuert wird, bevor es in den Reduktionsschachtofen (1) eingeleitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des den Gasgenerator (11; 31) verlassenden heißen Reduktionsgases eventuell nach seiner Entschwefelung gesteuert wird, indem
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a) eine derartige Menge des teilweise verbrauchten Reduktionsgases, welches dem Reduktionsschachtofen (1) entnommen wurde, beigemischt wird und/oder
b) das heiße Reduktionsgas abgekühlt wird und/oder
c) eine derartige Menge an Wasser und/oder Wasserdampf zugesetzt wird, daß
die Endtemperatur des Gases zwischen 700 und 10000C liegt.
18. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Teilstrom an erneut in Umlauf gebrachtem Gichtgas des Reduktionsschachtofens (1) zwecks Temperaturregelung des Reduktionsgases vor seinem Zusatz zum Reduktionsgas erforderlichenfalls erwärmt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mittels Wärmetauschern (20) in der Gichtgas-Zufuhr leitung durchgeführt wird. ■
20. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom an erneut in Umlauf gebrachtem Gichtgas, welcher zur Temperaturregelung des im Gasgenerator (11; 31) erzeugten Reduktionsgases verwendet wird, vor seiner Vermischung mit dem Reduktionsgas in Bezug auf seinen CO„-Gehalt eingestellt wird.
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21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der erneut in Umlauf gebrachte Teilstrom an verbrauchtem Reduktionsgas aus dem Reduktionsschachtofen (1) mittels wenigstens eines Kompressors (8) auf den für den Prozeß erforderlichen Druck gebracht wird.
22. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenstoffträger wie beispielsweise Methan, Methanol und/oder Propan zugesetzt wird, um das Aufkohlungspotential des erzeugten Reduktionsgases zu steuern und einer Methanisierung entgegenzuwirken.
23. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenmittel gegen Rußablagerungen H_S zugeführt wird.
24. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas mittels einer zweistufigen Vergasung erzeugt wird, bei welcher das Ausgangsmaterial teilweise verbrannt und zumindest teilweise in einer Vergasungskammer (29) vergast wird, woraufhin die so erhaltene Gasmischung in einen eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material enthaltenden Schacht (31) eingeleitet wird und daß der physikalische Wärmegehalt der Mischung aus der Vergasungskammer in der Schüttung· aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material ausgenutzt wird, um den Gehalt an Kohlendioxid und Wasser im Gas zu verringern, wobei der Gaserzeugungsprozeß derart gesteuert wird, daß das abgezogene Gas eine für einen nachfolgenden Prozeßschritt geeignete Temperatur und Zusammensetzung besitzt.
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25. Einrichtung zur Reduktion von oxidischem Material zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gasgenerator (11; 31) für Reduktionsgas mit einer Reaktionskanraier, wenigstens einem Plasmagenerator (10; 37) mit im Boden der Reaktionskammer liegender Mündung, einem an den Gasgenerator wahlweise über einen Schwefelfilter (22) angeschlossenen Schachtofen (1), welcher das zu reduzierende oxidische Material enthält, einen im oberen Teil dieses Schachtofens angeordneten Gasauslaß (4), einen neben diesem Gasauslaß angeordneten Abscheider (5) zur Abscheidung von Wasser und staubartigen Teilchen aus dem Gasstrom und einen nachfolgenden Gasauslaß (6) zur Druckregelung sowie einer Hauptrückfuhrleitung (7, 14) für den Hauptgasstrom zum Gasgenerator und/oder zur Temperatursteuerung des im Gasgenerator, erzeugten Reduktionsgases.
26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7, 14) mit wenigstens einem Kompressor (8) versehen ist.
27. Einrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7,14) an einen COp-Wäscher angeschlossen ist.
28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der CO2-Wäscher mit einer Nebenleitung (7a) versehen ist, welche in eine direkte Verlängerung der zum Gasgenerator (11; 31) führenden Hauptrückführleitung (7) und außerdem in eine zweite Hauptleitung (14) einmündet, über welche das Umlaufgas,
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dessen CO2~Gehalt eingestellt wurde, mit dem frisch erzeugten. Reduktionsgas zur Temperaturregelung derselben mischbar ist.
29. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptrückfuhrleitung
(14) über die Nebenleitung (17) und eine erste Abzweigleitung (18) mit dem oberen Bereich des Gasgenerators (11; 31) verbunden ist.
30. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptrückführleitung (7) über die Nebenleitung (15a) und eine zweite Abzweigleitung
(15) mit der Reaktionszone im unteren Teil des Gasgenerators (11; 31) verbunden ist.
31. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator (10; 37) an eine Zufuhr von Oxidationsmittel für den direkten Durchgang des wahlweise vorgewärmten Oxidationsmittels durch den Plasmagenerator in die Reaktionszone verbunden ist.
32. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (11; 31) einen Schlackenauslaß (13; 34) besitzt.
33. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (11; 31) eine Schüttung aus kohlenstoffhaltigem, stückigem Material, wahlweise mit Schwefelakzeptoren aufnimmt.
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34. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung zwischen dem Gasgenerator (11; 31) und dem Schwefelfilter (22) über eine . Rohrleitung und eine Abzweigleitung an einen Teilstrom aus Umlaufgas anschließbar ist.
35. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsgasleitung (21, 3) zwischen dem Schwefelabscheider (22) und dem Gaseinlaß des Reduktionsschachtofens (1) mit einem temperaturregelnden Gasteilstrom über eine Kühleinrichtung in Form einer Mischkammer (20) verbindbar ist.
36. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung des Teilstromes an erneut in Umlauf gebrachtem Gas in der Mischkammer (20) Wärmetauscher in der Gichtgasrückführleitung angeordnet sind.
37. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß in die Speiseleitung (3) eine Zufuhrleitung (24) für Wasserdampf einmündet.
38. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhrleitung (25) für
einen Kohlenstoffträger, z.B. Methan, Propan und/oder Methanol in die Speiseleitung (3) einmündet.
39. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhrleitung (26) für HLS in die Speiseleitung (3) einmündet.
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