DE3605715A1 - Verfahren und einrichtung zum vergasen fossiler brennstoffe und reformieren gasfoermigen brennstoffes zwecks erzeugung eines hauptsaechlich co und h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) enthaltenden gases - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum vergasen fossiler brennstoffe und reformieren gasfoermigen brennstoffes zwecks erzeugung eines hauptsaechlich co und h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) enthaltenden gases

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DE3605715A1 DE19863605715 DE3605715A DE3605715A1 DE 3605715 A1 DE3605715 A1 DE 3605715A1 DE 19863605715 DE19863605715 DE 19863605715 DE 3605715 A DE3605715 A DE 3605715A DE 3605715 A1 DE3605715 A1 DE 3605715A1
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Description

1JCfI C7 1 E> Andrejewski, Honlce & Partner, Patentanwälte in Essen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Vergasen fossiler Brennstoffe und zum Reformieren gasförmigen Brennstoffes zwecks Erzeugung eines hauptsächlich CO und H2 enthaltenden Gases. Dabei woll der Gehalt an H2O und CO2 weniger als 10% betragen und außerdem soll eine Erhöhung des Gehaltes an Wasserstoffgas im Produktgas über die Zusammensetzung im kohlenstoffhaltigen Brennstoff erzielbar sein.
Die Erzeugung von Reduktions- oder Verbrennungsgas aufgrund eines Gehaltes an Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas wird fortlaufend nach den verschiedensten Verfahren durchgeführt, welche
nach völlig unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Alle diese Ul
<(\ Verfahren haben jedoch gewisse Nachteile. Die erforderliche Energie wird gewöhnlich durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials mit Oxidationsmittel, welches in eine leere Kammer eingeblasen wird, erzeugt. Um die Wärmeanforderung im Verfahren abzudecken, muß ein bestimmtes Verhältnis von CO und H2 verbrannt werden, was zu CO2 und H3O führt, sodaß das Gas infolgedessen höhere Gehalte an Kohlendioxid und Wasser enthält als dies erwünscht ist.
Bei bekannten Karburierverfahren muß daher ein Teil des Wasser- und Kohlendioxidgehaltes im erzeugten Gas in einem getrennten nachfolgenden Schritt entfernt werden, wozu das Gas zuerst gekühlt und dann erneut erwärmt werden muß. bei anderen Verfahren werden derart niedrige Temperaturen verwendet, daß Teer und Phenole gebildet werden, was jedoch bedeutet, daß das Gas gewaschen und dann erneut erwärmt werden muß, bevor es in nachfolgenden Verfahrensschritten verwendet werden kann.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Vergasung fossiler Brennstoffe und zum Reformieren gasförmigen Brennstoffes zu schaffen, um ein Gas herzustellen, bei welchem der Gehalt an H3O und CO2 auf 0% reduziert werden kann.
Ferner will die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schaffen, welche außerdem die Vergasung unter hohem Druck erlaubt.
Gekennzeichnet ist das eingangs beschriebene Verfahren erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch, daß Oxidationsmittel und Kohlenstoffträger in eine Reaktionskammer eingeblasen werden, während von außen her mittels eines in einen Plasmagenerator erhitzten Gases Energie zugeführt wird, daß in das Gasgemisch von der Reaktionskammer zwecks Karburierung von vorhandenem H2O und CO2 fein verteilter reaktiver KohTenstoffträger eingeblasen wird und das Gas danach ausreichend lange in der Reaktionskammer belassen wird, damit eine Karburierung auf den gewünschten Restanteil von H3O und CO2 im Gas erzielbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber bisher bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile. Die Verwendung von Außenenergie, welche durch Plasmageneratoren zugeführt wird, liefert ein Gas, bei welchem der CO0 + Ho0 - Gehalt bereits niedriger ist, d.h. etwa 15% beträgt, und welches einen Überschuß an physikalischer Wärme aufweist. Die überschüssige physikalische Wärme wird im nachfolgenden Karburierschritt ausgenutzt, um den
Andreiewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen ' '
Gehalt an CO^ und H2O durch Einblasen von reaktivem Kohlenstoff träger weiter zu reduzieren. Im Prinzip kann ein Gehalt von 0% erzielt werden, doch wird normalerweise auf Gehalte von 2-8% hingearbeitet. Durch das Einblasen von fein verteiltem reaktivem Kohlenstoffträger kann das Verfahren bei Hochdruck durchgeführt werden, im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren, bei denen Koks in stückiger Form in den Schacht durch gasdichte Schleusen eingebracht wird, wobei der Druck auf etwa 3 bar begrenzt ist.
Zweckmäßigerweise wird das Oxidationsmittel insgesamt oder teilweise durch den Plasmagenerator eingeblasen. Weiterhin wird zweckmäßigerweise das Gas im Plasmagenerator auf 2000 30000C erhitzt, des weiteren ist vorgesehen, Umlaufgas durch den Plasmagenerator und Oxidationsmittel durch Düsen einzublasen, welche nahe der Müqfung des Plasmagenerators angeordnet sind. Als Oxidationsmittel kann reines Sauerstoffgas verwendet werden, jedoch auch eine Mischung aus O~, H_O und/oder COp plus möglicherweise einer geringen Menge N-. Als fossiler Brennstoff kann Kohle, Torf und/oder öl verwendet werden, welche eventuell mit Wasser vermischt werden, wobei dieses H2O einen Teil des Oxidationsmittels bildet. Der gasförmige Brennstoff besteht hauptsächlich aus CH4. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff wird zweckmäßigerweise unmittelbar an der Öffnung des Plasmagenerators eingeblasen. Auch kann man kohlenstoffhaltigen Brennstoff in Form von Kohlenschlamm oder öl durch Düsen einblasen, welche in unmittelbarer Nähe der Mündung des Plasmagenerators angeordnet sind.
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Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird kohlenstoffhaltiger Brennstoff in Form von Trockenmaterial und Gas durch eine oder mehrere Düsen und/oder durch einen Ringspalt eingeblasen, welcher rund um die Öffnung des Plasmagenerators ausgebildet ist. Naturgemäß können beide Brennstoffarten gleichzeitig verwendet werden, in welchem Fall auch beide Arten des Einblasens verwendet werden.
Reaktiver Kohlenstoffträger wird möglicherweise durch eine oder mehrere Düsen eingeblasen, wobei als reaktiver Kohlenstoff träger vorzugsweise Koks verwendet wird.
Der Hauptteil der Schlacke wird vorzugsweise in flüssiger Form abgelassen.
Zweckmäßigerweise wird das erzeugte Gas durch Wärmetauscher geführt oder abgekühlt.
Zweckmäßigerweise wird auch durch eine oder mehrere Düsen ein Schwefelakzeptor, vorzugsweise in Form von fein verteiltem Kalk oder Dolomit, eingeblasen.
Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch eine Reaktionskammer, wenigstens einen Plasmagenerator für die Zufuhr von Außenenergie, Zuführeinrichtungen für im Plasmagenerator zu erhitzendes Gas, zum Einblasen von Oxidationsmittl und Brennstoff in Verbindung mit dem Plasmagenerator, Zuführeinrichtungen für reaktiven Kohlenstoffträger und Schwefelakzeptor sowie einen Gasauslaß und Auslässe für Schlacke und Asche.
ο rj n C π ί Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Der Plasmagenerator besitzt zweckmäßigerweise zylindrische Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird. Andererseits kann auch ein Plasmagenerator verwendet werden, welcher mit Lichtobenübertragung arbeitet.
Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Einrichtung aus einem senkrechten, zylindrischen Schacht, welcher in Zonen zum Vergasen und Karburieren getrennt ist, wobei eventuell eine Einschnürung zwischen den Zonen vorgesehen ist, und welcher einen Auslaß für flüssige Schlacke am Boden besitzt sowie einen Gasauslaß im unteren Teil, welcher mit einem nachgeschalteten Separator in Verbindung steht, der in seinem unteren Teil einen Auslaß für feste Schlacke und unverdampftes Material besitzt, während in seinem oberen Teil ein Gasauslaß angeordnet ist. Die Zuführeinrichtungen für reaktiven Kohlenstoffträger und Schwefelakzeptor sind an einer oder mehreren Stellen im Schacht angeordnet und stehen mit dem Auslaß des den Schacht verlassenden Gases in Verbindung.
Zweckmäßigerweise ist der Separator als Zyklon ausgebildet, um die Entfernung von Feststoffen aus dem erhaltenen Gas zu erleichtern.
Vorzugsweise ist im Gasauslaß vom senkrechten Schacht und/oder im Gasauslaß des Separators ein Wärmetauscher vorgesehen.
Die Zuführeinrichtungen für Kohlenstoffträger und Oxidationsmittel bestehen zweckmäßigerweise aus wenigstens einer Düse und/oder einem Ringspalt, dessen Öffnung nahe der des Plasmagenerators im Schacht liegt.
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q c. η c "7 ι Andreiewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
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Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung.
Es gibt beträchtliche Vorteile, wenn man den Hauptteil der Vergasungsreaktionen in einer Vergasungszone durchführt und dann die Reaktionen in einer Karburierzone vervollständigt.
Die Vergasung kann in diesem Fall bei hoher Temperatur durchgeführt werden, welche stets über dem Schmelzpunkt der Schlacke liegen soll und im allgemeinen über 14000C, woraufhin die physikalische Wärme des Gases in der nachfolgenden Karburierzone ausgenutzt werden kann, um die Karburierreaktionen zu erzielen, welche bei etwa 10000C aufhören würden.
Die überschüssige Wärme im Gas wird auf verschiedene Weise ausgenutzt. Die relativ geringen Anteile an Wasser und Kohlendioxid im in der Vergasungskammer erzeugten Gas kann weiterhin dadurch reduziert werden, daß der physikalische Wärmegehalt des Gases nach dem Einblasen des reaktiven Kohlenstoffträgers ausgenutzt wird, um Wasser und Kohlendioxid in Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid umzuwandeln.
Die erwünschten geringen Anteile an CO2 und H2O können in der Praxis nicht direkt in der Vergasungszone erzielt werden, da ein geringes Sauerstoffpotential zu einer niedrigen Reaktionsrate zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel führt und dadurch zu einer weniger vollständigen Vergasung.
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Als kohlenstoffhaltiger Brennstoff kann öl, Kohle, Koks, Holzkohle, Torf, Sägemehl und verschiedene Mischungen der vorgenannten Stoffe sowie gasförmiger Kohlenwasserstoff wie beispielsweise CH. verwendet werden. Dies ergibt beträchtliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber bisher bekannten Vergasungsverfahren, welche in ihrer Gesamtheit in Bezug auf die Auswahl des Ausgangsmaterials begrenzt sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Einrichtung besitzt einen senkrechten zylindrischen Schacht 1 mit einer Reformzone 2 und einer Karburierzone 3. Diese beiden Zonen sind teilweise durch eine Einschnürung 4 voneinander getrennt, stehen jedoch in direkter Verbindung miteinander .
An der Spitze des Schachtes ist wenigstens ein Plasmagenerator 5 angeordnet, welcher einen Einlaß 6 für ein im Plasmagenerator zu erhitzendes Gas besitzt. Außerdem ist ein Ringspalt 7 vorgesehen, welcher einen Einlaß 7' besitzt, sowie Düsen 8 und 81 in unmittelbarer Nähe der Öffnung des Plasmagenerators für die Zufuhr von Oxidationsmittel und Kohlenstoffträger.
Die unter der Vergasungs- oder Reformzone 2 liegende Karburierzone 3 steht mit einem Separator 11 über eine Gasleitung 10 in Verbindung, sodaß eine ausreichend lange Verweilzeit für das
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Gas sichergestellt ist, um eine Karburierung des Gases auf den gewünschten Restanteil an H2O und CO2 zu erreichen. Der Separator ist als ein zylindrischer vertikaler Schacht 12 dargestellt, kann jedoch vorzugsweise auch die Form eines Zyklons besitzen, um die Entfernung von Verschmutzungen in Teilchenform aus dem Gas zu erleichtern, wie beispielsweise von Schlackentropen und nicht vergastem Material.
Der Hauptteil der Schlacke aus der Vergasungszone 2 wird durch einen Schlackenauslaß 13 in der zylindrischen Vergasungszone im Schacht 1 entfernt, während das Gas begleitende Teilchen durch den Schlackenauslaß 14 am Boden des Separators entfernt werden.
Funktionell bildet die Gasleitung 10 einen Teil der Karburierzone 3. Düsen 15, 16, 17 für die Zufuhr von reaktivem Kohlenstoffträger und/oder Schwefelakzeptor sind in der Vergasungszone, der Karburierzone und dieser Gasleitung 10 angeordnet. Durch diese Düsen kann eventuell auch ein Schlackenbildner eingeblasen werden.
Im Auslaß 19 des Separators 10 ist ein Wärmetauscher 18 angeordnet, um einen Wärmeaustausch für das Gas zu erreichen oder dies zu kühlen, wobei diese Wärme eventuell zum Vorwärmen des Oxidationsmittels verwendet werden kann. Das erzeugte Gas kann auch oder alternativ einem Wärmeaustausch über einen Wärmetauscher in der Gasleitung 10 unterworfen werden.
Andrejewski, Honice & Partner, Patentanwälte in
Essen" 05Z
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Ein Teil des erzeugten kalten Gases kann eventuell erneut in umlauf gebracht werden, um im Plasmagenerator erhitzt zu werden, in welchem Fall das Oxidationsmittel hauptsächlich durch die Düsen 8 und 81 zugeführt wird.

Claims (23)

. t · ■■ < t Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte 3S05715 Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 10 02 64 794/E-th 20. Februar 1986 Patentanmeldung SKF Steel Engineering AB P. 0. Box 202 S-813 00 HOFORS, Schweden Verfahren und Einrichtung zum Vergasen fossiler Brennstoffe und Reformieren gasförmigen Brennstoffes zwecks Erzeugung eines hauptsächlich CO und H2 enthaltenden Gases. Patentansprüche.
1. Verfahren zum Vergasen fossiler Brennstoffe und Reformieren gasförmigen Brennstoffes zwecks Herstellung eines hauptsächlich CO und H2 enthaltenden Gases, dessen Gehalt an H3O und CO3 unter 10%, vorzugsweise 2 bis 8%, beträgt, wobei außerdem der Anteil an Wasserstoffgas im Produktgas über die Zusammensetzung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes erhöhbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß Oxidationsmittel und Kohlenstoff-
ORiGlMAL INSPECTED
Andrejewsld, Honice & Partner, Patentanwälte in Essdh" ^ 7 1
träger in eine Reaktionskammer (2) eingeblasen werden, während von außen her mittels eines in einen Plasmagenerator (5) erhitzten Gases Energie zugeführt wird, daß in das Gasgemisch von der Reaktionskammer zwecks Karburierung von vorhandenem H^O und CO- fein verteilter reaktiver Kohlenstoffträger eingeblasen wird und das Gas danach ausreichend lange in der Reaktionskammer belassen wird, damit eine Karburierung auf den gewünschten Restanteil von H3O und CO2 im Gas erzielbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Oxidationsmittel insgesamt oder teilweise durch den Plasmagenerator eingeblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Plasmagenerator auf 2000 - 30000C erhitzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Umlaufgas durch den Plasmagenerator eingeblasen wird und Oxidationsmittel durch nahe der öffnung des Plasmagenerators liegende Düsen eingeblasen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß reines Sauerstoffgas als Oxidationsmittel verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus O~, H„O und/oder CO~ sowie eventuell eine geringe Menge N3 als Oxidationsmittel verwendet wird.
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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle, Torf und/oder öl den fossilen Brennstoff bilden und eventuell mit Wasser vermischt werden, wobei das Wasser einen Teil des Oxidationsmittels bildet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff hauptsächlich aus CH4 besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Brennstoff unmittelbar an der Mündung des Plasmagenerators eingeblasen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffhaltiger Brennstoff in Form von Kohlenschlamm
oder öl durch in unmittelbarer Nähe der öffnung des Plasmagenerators angeordnete Düsen eingeblasen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffhaltiger Brennstoff in der Form von Trockenmaterial und Gas durch eine oder mehrere Düsen und/oder durch einen rund um die öffnung des Plasmagenerators angeordneten Ringspalt eingeblasen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß reaktiver Kohlenstoffträger, vorzugsweise Koks, durch eine oder mehrere Düsen eingeblasen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil der Schlacke in flüssiger Form abgelassen wird.
Andreiewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Gas vor und/oder hinter dem Separator durch einen Wärmetauscher geführt wird oder abgekühlt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine oder mehrere Düsen ein Schwefelakzeptor vorzugsweise in Form von fein verteiltem Kalk eingeblasen wird.
16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest eine Reaktionskammer (2) mit wenigstens einem Plasmagenerator (5) für die Zufuhr von Außenenergie besitzt, ferner eine Zufuhreinrichtung (6) für vom Plasmagenerator zu erhitzendes Gas, Einrichtungen (8, 81) zum Einblasen von Oxidationsmittel und Brennstoff in Verbindung mit dem Plasmagenerator, ferner Zuführeinrichtungen (15, 16, 17) für reaktiven Kohlenstoffträger und Schwefelakzeptor sowie einen Gasauslaß (19) und Auslässe (13, 14) für Schlacke und Asche.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator (5) in der Weise ausgebildet ist, daß er mit einem zwischen zwei Elektroden erzeugten inneren Lichtbogen arbeitet.
18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Plasmagenerator (5) mit Lichtbogenübertragung arbeitet.
19. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zylindrischen senkrechten Schacht (1) besitzt,
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q1 Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
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der in eine Vergasungszone (2) und eine Karburierzone (3) geteilt ist und eventuell eine Einschnürung zwischen den Zonen aufweist, daß am Boden des Schachtes ein Auslaß (13) für flüssige Schlacke im unteren Teil des Schachtes sowie in Verbindung mit einem nachgeschalteten Separator (11) ein Gasauslaß (10) angeordnet ist, daß der Separator in seinem unteren Teil einen Auslaß (14) für feste Schlacke und unverdampftes Material aufweist sowie einen Gasauslaß (19) in seinem oberen Teil.
20. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (15, 17, 16) für reaktiven Kohlenstoffträger und Schwefelakzeptor an einer oder mehreren Stellen des Schachtes und in Verbindung mit dem Auslaß (10) für den Schacht verlassendes Gas angeordnet ist.
21. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (11) zwecks schnellerer Abtrennung fester Teilchen von dem hergestellten Gas als Zyklon ausgebildet ist.
22. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasauslaß (10) vom senkrechten Schacht und/oder im Gasauslaß (19) des Separators ein Wärmetauscher (18) angeordnet ist.
23. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen für Kohlenstoffträger und Oxidationsmittel aus wenigstens einer Düse (8, 81) und/oder einem Ringspalt (7) bestehen, dessen öffnung nahe der des Plasmagenerators (5) in der Reaktionskammer (2) liegt.
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