DE3628866A1 - Reaktor zur kohlenstaubvergasung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung von
Kohlenstaub mit Dampf und sauerstoffhaltigem Gas gemäß
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung
und kann in der chemischen Industrie zur Erzeugung von
Generatorgas aus festen Brennstoffen eingesetzt werden.
Aus dem SU-Erfinderschein 11 36 475 ist eine Vorrich
tung zur Kohlenstaubvergasung bekannt, die ein Gehäuse
mit Wärmeisolation und mit Stutzen zur Ableitung des
Generatorgases und der granulierten Schlacke, einen
Kohlenstaubbrenner im oberen Teil des Gehäuses, ein
Überströmrohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstands
im unteren Teil des Gehäuses und einen gasdichten Rohr
schirm mit einer Einschnürung enthält, die den Innen
raum in eine Reaktionszone und in eine Strahlungszone
unterteilt. Ein Stutzen leitet das Generatorgas und die
flüssige Schlacke aus der Reaktionszone in die Strah
lungszone. Der Schirm in der Reaktionszone ist bestif
tet und an den Stiften ist eine feuerfeste Stampfmasse
vorgesehen.
Dieser Reaktor hat einige gravierende Nachteile:
- 1. Die geringe Qualität des Generatorgases und ein hoher Energieaufwand sind darauf zurückzuführen, daß mit Flüssigentschlackung gearbeitet wird und daß der Schirm eine Einschnürung enthält, in der Reaktionszone bestiftet ist und an den Stiften eine feuerfeste Stampfmasse aufweist. Dadurch muß die Generatorgastemperatur vor der Einschnürung um 200 bis 400 °C höher liegen als die erforderliche Verga sungstemperatur. Zur Aufrechterhaltung dieser Tempe ratur wird ein Teil des anfallenden H2 und CO ver brannt, wodurch die Gasqualität abnimmt und der Sauerstoffverbrauch steigt.
- 2. Ferner können Brennstoffe mit relativ niedrigschmel zenden Schlacke- bzw. Aschekomponenten nicht verar beitet werden, da sich auf dem Rohrschirm in der Strahlungszone die niedrigschmelzenden Aschekompo nenten ablagern und den Schirm sowie die Kanäle zum Durchtritt des Gases verschlacken, was letztendlich zum Ausfall des Reaktors führt.
Die Erfindung geht von einem anderen Reaktor zur Kohlen
staubvergasung aus, der ein Gehäuse mit einem Deckel mit
Wärmeisolierung, in der Seitenwandung im unteren Teil
des Gehäuses einen Gasstutzen, einen zentralen Stutzen
als Austrag der granulierten Schlacke, im Deckel einen
zentralen Kohlenstaubbrenner aufweist. Im unteren Teil
des Gehäuses befindet sich ein Wasserbad mit Überlauf
rohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstands. Ein gas
dichter Rohrschirm hat Öffnungen im oberen und unteren
Teil, die durch Rohrgitter gebildet werden. Injektions
stutzen für Dampf sind an einen gemeinsamen Kollektor
angeschlossen. In diesem Reaktor kann die Vergasung
bei Temperaturen über dem Schlackenschmelzpunkt durch
geführt werden. Eine Verschlackung des Rohrschirmes
und der anderen Reaktorflächen wird vermieden durch
eine Flächenströmung von kaltem Wälzgas an dem Rohr
schirm, die eine Schutzschicht mit einer Temperatur
unter der Ascheerweichungstemperatur bildet.
Dieser Reaktor hat folgende Nachteile:
- 1. Eine unbefriedigende Qualität des Generatorgases und ein relativ hoher Energieaufwand ergeben sich durch den Kühlrohrschirm, der dem Generatorgas einen beträchtlichen Teil der Wärme entzieht. Zur Kompen sation muß zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Vergasungstemperatur ein Teil des anfallenden Produk tes (CO + H2) verbrannt werden, wodurch der Gehalt an CO und H2 im Generatorgas abnimmt und der Sauer stoffverbrauch zu hoch wird.
- 2. Der Reaktor kann nicht mit Kohlen mit niedrigschmel zenden Aschekomponenten betrieben werden, da diese Komponenten verdampfen und sich an dem Rohrschirm ab lagern, wodurch der Schirm mit der Zeit verschlackt und sich die Kanäle zwischen der Wärmeisolierung und dem Schirm zusetzen, was zum Ausfall des Reaktors führen kann.
Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der
Qualität des Generatorgases, in der Reduzierung des
Energieaufwands und in der Möglichkeit, Kohlen mit
niedrigschmelzenden Aschekomponenten einzusetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor zur Druck
vergasung von Kohlenstaub od. dgl. durch Partialoxidation
zu schaffen, bei dem Kohlenarten auch mit niedrigschmel
zender Asche eingesetzt werden können und der ein hoch
wertiges Gas mit hoher Gasausbeute liefert.
Der Reaktor zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Ge
häuse mit Deckel und Wärmeisolierung, einen in der
Seitenwandung im unteren Teil des Gehäuses angeordneten
Stutzen zur Ableitung des Generatorgases, einen im
unteren Teil des Gehäuses in seiner Achse angeordneten
Stutzen zur Ableitung der granulierten Schlacke, einen
Kohlenstaubbrenner im Deckel des Gehäuses in dessen
Achse, ein Überlaufrohr für die Aufrechterhaltung des
Wasserstands im unteren Teil des Gehäuses und durch
einen gemeinsamen Kollektor verbundene Injektionsstutzen
für Dampf auf. Erfindungsgemäß ist eine Auskleidung
oberhalb des Stutzens zur Ableitung des Generatorgases
angeordnet und zwischen der Auskleidung und der Wärme
isolierung sind durchgehende rechtwinklig abgebogene
Kanäle vorgesehen, deren unterer Abschnitt vertikal in
Längsrichtung der Gehäusewandungen und deren oberer
Abschnitt tangential zur Apparateachse am Deckel des
Gehäuses verläuft. Die Austrittsöffnungen der Kanäle
liegen am Deckel in Höhe des Austrittsbereichs des
Kohlenstaubbrenners und die Eintrittsöffnungen koaxial
über den Injektionsstutzen für Dampf. In den Wandungen
des Gehäuses sind in mehreren über dessen Höhe verteil
ten Reihen Düsen zur Zufuhr von Wasser bzw. einer
Dampf-Wasser-Emulsion vorgesehen.
Die Kanäle können als Öffnungen zwischen der Ausklei
dung und der Isolierung und/oder aus Rohren aus feuer
festem Stahl ausgeführt sein.
Die Ausstattung des Reaktors mit einer Auskleidung an
Stelle des Rohrschirms bietet die Möglichkeit, eine
unerwünschte Wärmeabführung aus der Flamme während
der Vergasung zu verhindern, was eine Reduzierung des
Sauerstoffverbrauchs und eine Erhöhung des CO- und H2-
Gehalts im Generatorgas ergibt. Außerdem entfällt die
Gefahr der Kondensation niedrigschmelzender Aschekomp
nenten (mit einer hohen Dampfspannung) auf der Ausklei
dung, da deren Temperatur ein ziemlich hohes Niveau
erreicht (800-1000°C), so daß Kohlen mit niedrigschmelzenden
Aschekomponenten, z.B. Salzkohlen, vergast werden können.
Die Anordnung der rechtwinklig abgebogenen Kanäle zwi
schen der Auskleidung und der Wärmeisolierung mit den
Öffnungen zwischen ihnen oder in Gestalt von Rohren
aus feuerfestem Stahl ermöglicht es, die Kondensation
niedrigschmelzender Komponenten zu vermeiden.
Die tangential zur Apparateachse verlaufenden horizon
talen Abschnitte der Kanäle bieten die Möglichkeit, die
Schutzschicht aus rezirkulierendem, kühlerem Generator
gas, in der die Asche im festen Zustand vorliegt, auf
grund des Zentrifugaleffekts stabiler zu gestalten und
somit den Verbrauch von durch die Injektionsstutzen zu
geführtem Dampf, der die Rezirkulation des Generator
gases bewirkt, zu reduzieren, was zu einer Senkung des
Energieaufwands führt.
Die Ausstattung des Apparats mit mehreren Düsenreihen
zur Zuleitung des Dampfes oder einer Dampf-Wasser-
Emulsion verbessert die Stabilisierung der Schutzschicht
und hält das Generatorwälzgas auf einer Temperatur
unter der Ascheerweichungstemperatur, wodurch die Ver
schlackung des Austrittsstutzens und der Kanäle ver
mieden werden.
Im folgenden wird ein Anwendungsbeispiel der Erfindung
anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vergasungsreaktor im Längsschnitt;
Fig. 2 den Vergasungsreaktor im Querschnitt A-A.
Der dargestellte Reaktor zur Kohlenstaubvergasung ent
hält einen Gehäusemantel 1 mit einer Wärmeisolierung 2,
in den seitlich ein Gasstutzen 3 für das Generatorgas
in einem erweiterten unteren Reaktorabschnitt ausmündet.
Ein Kohlenstaubbrenner 5 ist zentral in der Behälter
decke angeordnet und durchragt die Wärmeisolierung 2.
Im trichterförmigen Gehäuseunterteil befindet sich ein
Austragsstutzen 4 für die granulierte Schlacke und ein
Wasserbad, dessen Pegel durch ein Überlaufrohr 6 ein
gestellt bzw. konstantgehalten werden kann. In dem er
weiterten unteren Reaktorabschnitt sind Dampfinjektor
rohre 7 parallel zur Reaktorwandung in Form z.B. eines
Kranzes angeordnet, die durch einen Ringsammler 8 mit
einer Dampfleitung 9 verbunden sind. Zwischen einer
Auskleidung 10 aus feuerfestem Material und der Wärme
isolierung 2 sind oben rechtwinklig abgebogene durch
gehende Kanäle vorgesehen, deren vertikale Abschnitte
11 in dem erweiterten unteren Reaktorabschnitt vor den
Öffnungen der Dampfrohre 7 ausmünden und deren horizon
tale Abschnitte 12 tangential zur Achse verlaufen und
vor dem unteren Brennerende ausmünden. Eine obere und
eine untere Düsenreihe 13, 14 zur Zufuhr von Wasser
bzw. einer Dampf-Wasser-Emulsion ist schräg nach unten
gerichtet in der Reaktorwandung angeordnet.
Der Reaktor wird folgendermaßen betrieben:
Vor der Inbetriebnahme wird der Reaktor mit einem Inert gas gefüllt und der Innendruck wird auf den Betriebs druck erhöht. Aus der Dampfleitung 9 wird Wasserdampf in den Ringsammler 8 eingeleitet, der aus den Injektor rohren 7 ausströmt und Inertgas mit hoher Geschwindig keit in die Kanäle 11 ansaugt und fördert. Am Austritt aus den horizontalen Abschnitten 12 erzeugt das Gemisch aus Dampf und Inertgas eine flächige Schutzströmung entlang der Auskleidung 10, deren Stabilität durch den Zentrifugaleffekt des tangential ausströmenden Ge misches gesichert wird. Der Überschuß des Gemisches wird über den Stutzen 3 abgeleitet. Unmittelbar an die Brennermündung begrenzt die innere verdickte Ausklei dung 10 einen konischen Innenraum. Über die untere Düsenreihe 14 wird Wasser eingeleitet, das im unteren Teil des Gehäuses 1 ein Bad bildet, dessen Höhe mit Hilfe des Überlaufrohrs 6 konstantgehalten wird.
Vor der Inbetriebnahme wird der Reaktor mit einem Inert gas gefüllt und der Innendruck wird auf den Betriebs druck erhöht. Aus der Dampfleitung 9 wird Wasserdampf in den Ringsammler 8 eingeleitet, der aus den Injektor rohren 7 ausströmt und Inertgas mit hoher Geschwindig keit in die Kanäle 11 ansaugt und fördert. Am Austritt aus den horizontalen Abschnitten 12 erzeugt das Gemisch aus Dampf und Inertgas eine flächige Schutzströmung entlang der Auskleidung 10, deren Stabilität durch den Zentrifugaleffekt des tangential ausströmenden Ge misches gesichert wird. Der Überschuß des Gemisches wird über den Stutzen 3 abgeleitet. Unmittelbar an die Brennermündung begrenzt die innere verdickte Ausklei dung 10 einen konischen Innenraum. Über die untere Düsenreihe 14 wird Wasser eingeleitet, das im unteren Teil des Gehäuses 1 ein Bad bildet, dessen Höhe mit Hilfe des Überlaufrohrs 6 konstantgehalten wird.
Über den Kohlenstaubbrenner 5 erfolgt die Zufuhr von
Kohlenstaub, sauerstoffhaltigem Gas und Wasserdampf.
In der Reaktorachse bildet sich eine Flamme, in der
die Vergasung des Kohlenstaubes erfolgt. Über die obere
Reihe 13 wird Wasser oder eine Dampf-Wasser-Emulsion zur
weiteren Stabilisierung der Schutzschicht eingeleitet.
Allmählich wird das Inertgas durch Generatorgas ersetzt,
und als Schutzschicht bildet sich ein Gemisch von Gene
ratorgas und Wasserdampf. Die aus dem Generatorgas aus
fallende Schlacke wird im Wasserbad granuliert und über
den Stutzen 4 abgezogen. Das Generatorgas wird über den
Stutzen 3 abgeleitet.
Die Generatorgastemperatur wird vor dem Stutzen 3 und
folglich auch vor den Kanälen 11 mit Hilfe der Düsen 13
und im wesentlichen 14 auf einer Temperatur von 700-
800°C konstantgehalten, während die Temperatur der
Auskleidung im Bereich von 800-1000°C liegt, was die
Gefahr der Kondensation von Dämpfen der niedrigschmel
zenden Aschekomponenten vermindert. Die Temperatur der
Wälzgase bleibt unter der Erweichungstemperatur der
Asche, so daß flüssige und teigige Schlackepartikel in
dieser Schutzschicht erstarren.
In den Tabellen 1 und 2 sind Vergleichskennwerte für
den Betrieb eines älteren Reaktors (Prototyp) und eines
Reaktors gemäß der Erfindung zusammengestellt, und
zwar für einen Durchsatz von 50 t/h Braunkohlenstaub
unter einem Druck von 30 atm bei Sauerstoffvergasung
(Tabelle 1) und für einen Durchsatz von 25 t/h Staub bei
Luftvergasung (Tabelle 2).
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, bietet der erfindungs
gemäße Reaktor bei einer Reduzierung des Sauerstoffver
brauchs um 7% die Möglichkeit, die Ausbeute des H2-CO-
Gemisches um 5,3% zu erhöhen bzw. den Sauerstoffver
brauch pro 1000 m3i.N. Gemisch um 13% zu senken.
Die Tabelle 2 zeigt, daß der Luftverbrauch im erfindungs
gemäßen Reaktor bei Luftvergasung um 14% niedriger liegt,
während die Ausbeute des H2-CO-Gemisches um 22% höher
bzw. der Luftverbrauch pro 1000 m3i.N. um 40% niedriger
liegt.
Claims (5)
- Reaktor zur Kohlenstaubvergasung der ein Druckgehäuse mit einer Wärmeisolierung, einen in der Seitenwandung des unteren Gehäuseteils angeordneten Gasstutzen zur Ableitung des Generatorgases, einen im unteren Gehäuse teil zentral angeordneten Abzugsstutzen für die granu lierte Schlacke, einen Kohlenstaubbrenner zentral im Gehäusedeckel, ein Überlaufrohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstands im unteren Gehäuseteil und Injektions stutzen zur Dampfzuleitung enthält, gekennzeichnet dadurch,
daß eine innere warmfeste Auskleidung (10) oberhalb des Gasstutzens (3) vorgesehen ist,
daß zwischen der Auskleidung (10) und der Wärmeisolie rung (2) abgebogene Kanäle angeordnet sind, deren untere Abschnitte (11) vertikal längs der Gehäusewandungen und deren obere Abschnitte (12) etwa tangential zum Brenner ende verlaufen und
daß die Austrittsöffnungen der oberen Abschnitte (12) etwa in der Höhe des Brennerendes liegen und die Ein trittsöffnungen der vertikalen Kanalabschnitte (11) über den Dampfinjektorrohren (7) gleichachsig zu diesen angeordnet sind. - 2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wandungen des Druckgehäuses (1) in mehreren vertikal beabstandeten Reihen Düsen (13, 14) zur Zufuhr von Wasser oder einer Dampf-Wasser-Emulsion angeordnet sind.
- 3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinklig abgebogenen durchgehenden Kanäle (11, 12) als Öffnungen zwischen der Auskleidung (10) und der Wärmeisolierung (2) ausgeführt sind.
- 4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinklig abgebogenen durchgehenden Kanäle (11, 12) aus Rohren aus feuerfestem Stahl bestehen.
- 5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oben offenen Dampfinjektorrohre (7) in einem verbreiterten unteren Abschnitt des Reaktorinnenraumes angeordnet sind.
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