DE3936732A1 - Verfahren und vorrichtung zur vergasung von feinkoernigen bis staubfoermigen brennstoffen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur vergasung von feinkoernigen bis staubfoermigen brennstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur autothermen
Gleichstromvergasung (Partialoxidation) von feinkörnigen
bis staubförmigen Brennstoffen in einer Flugstaubwolke mit
Sauerstoff und/oder Luft sowie Wasserdampf bei Temperatu
ren oberhalb des Schlackeschmelzpunktes und Drücken bis zu
60 bar unter Anwendung eines Vergasungsreaktors, in dem
zwei oder mehr Vergasungsbrenner angeordnet sind, sowie
einem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Vergasungsreaktor.
Vergasungsverfahren der vorstehend genannten Art sind be
reits bekannt und werden unter unterschiedlichen Verfah
rensbezeichnungen von verschiedenen Anlagebaufirmen ange
boten. So ist beispielsweise unter dem Namen
"Koppers-Totzek-Verfahren" eine Normaldruckversion und un
ter dem Namen "Prenflo-Verfahren" eine Überdruckversion
des gattungsgemäßen Vergasungsverfahrens bekannt, die
bereits in zahlreichen großtechnischen Anlagen eingesetzt
wurde.
Diese Verfahren können dabei sowohl zur Erzeugung von Syn
thesegas als auch zur Erzeugung von Gas für Kraftwerke so
wie für die Herstellung von Erdgasaustauschgas oder Reduk
tionsgas eingesetzt werden. Weitere Einzelheiten zu diesem
Verfahren finden sich in der Literatur, beispielsweise in
"Hydrocarbon Processing", April 1984, Seite 94 und 95. Bei
der praktischen Anwendung dieser Verfahren in großtechni
schen Anlagen ergibt sich jedoch das Problem, daß die Er
höhung der geforderten Durchsatzleistung des Vergasungsre
aktors immer eine Erhöhung der Zahl der eingesetzten Ver
gasungsbrenner und damit eine entsprechende Vergrößerung
des Durchmessers des Vergasungsreaktors bedingt, weil bei
hohen Durchsatzleistungen einerseits auch entsprechend
große Wärmemengen freigesetzt werden und andererseits die
spezifische Wärmeflächenbelastung des Reaktors nicht über
einen gewissen Grenzwert hinaus erhöht werden kann. Zwar
kann man durch die Vergrößerung des Reaktordurchmessers
die spezifische Wärmeflächenbelastung entsprechend verrin
gern. Hierbei werden in der Praxis jedoch sehr bald die
Grenzen der Dimensionierung beim Druckapparatebau er
reicht. Außerdem bedingt die Vergrößerung des Reaktor
durchmessers eine überproportionale Steigerung der Inve
stitionskosten, und die mangelhafte Transportfähigkeit von
Vergasungsreaktoren mit großem Durchmesser stellt einen
weiteren schwerwiegenden Nachteil dar. Bisher ist man
deshalb davon ausgegangen, daß auf Grund der vorstehend
geschilderten konstruktiven Gegebenheiten die Durchsatz
leistung der Vergasungsreaktoren nicht über einen gewissen
Grenzwert hinaus gesteigert werden kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Ver
fahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuent
wickeln, daß die vorstehend geschilderten Nachteile bei
einer Erhöhung der Durchsatzleistung des Vergasungsreak
tors vermieden werden.
Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren ist er
findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung
gleichzeitig in zwei oder mehr Ebenen des Vergasungsreak
tors stattfindet, wobei alle Vergasungsbrenner des Verga
sungsreaktors unter den gleichen Bedingungen betrieben
werden.
Die Vergasung in einem Vergasungsreaktor auf zwei überein
anderliegenden Ebenen durchzuführen, ist zwar im Prinzip
bereits bekannt. Hierbei wurden bisher jedoch auf den ein
zelnen Ebenen stets unterschiedliche Bedingungen eingehal
ten, und die Verfahren verfolgten eine andere Zielsetzung
als das erfindungsgemäße Verfahren. So ist aus der
DE-OS 35 34 015 ein Verfahren zur Erzeugung von Synthese
gas bekannt, bei dem mindestens zwei verschiedene Brenn
stoffe zum Einsatz gelangen. Dabei werden die Vergasungs
brenner der oberen Ebene mit Kohle und die Vergasungsbren
ner der unteren Ebene mit Öl beschickt. Beim Verfahren
nach der DE-OS 36 17 773 ist vorgesehen, daß die Verga
sungsbrenner der unteren Ebene mit einem hohen Sauerstoff
/Kohlenstoff-Verhältnis betrieben werden und nach unten
gerichtet sind, um die Schlackenöffnung freizuhalten. Die
Vergasungsbrenner der oberen Ebene werden dagegen mit
einem niedrigen Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis betrie
ben, wodurch eine möglichst niedrige Gasaustrittstempera
tur ereicht werden soll. Nach praktisch dem gleichen Prin
zip arbeitet auch der Vergasungsreaktor, der in der
"Hitachi Review", Vol 34 (1985) No. 2, Seite 82, beschrie
ben wird. In der unteren Ebene erfolgt dabei die vollstän
dige Umsetzung der Kohle mit viel Sauerstoff zu CO2 und
H2O, während in der oberen Ebene nur eine Umsetzung mit
wenig Sauerstoff vorgesehen ist, wobei ein reaktionsfähi
ger Teer gebildet werden soll, der dann bei seiner Ab
wärtsbewegung im Vergasungsreaktor weiter umgesetzt wird.
Demgegenüber unterscheidet sich das erfindungsgemäße Ver
fahren grundsätzlich dadurch, daß die Vergasungsbrenner
auf allen Ebenen unter den gleichen Bedingungen betrieben
werden. Das heißt, es wird mit dem gleichen Brennstoff
gearbeitet und die Reaktionsbedingungen für die Vergasung
sind für alle Vergasungsbrenner gleich, wobei natürlich
verfahrensbedingt geringfügige Abweichungen zwischen den
einzelnen Vergasungsbrennern möglich sind.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge
lingt es einerseits, die Durchsatzleistung des Vergasungs
reaktors zu steigern, ohne daß dies zu einer unerwünschten
Vergrößerung der Abmessungen, insbesondere des Durchmes
sers, des Reaktors führt. Andererseits ist es aber auch
möglich, bei gleichbleibender Durchsatzleistung die Abmes
sungen des Vergasungsreaktors entsprechend zu verkleinern.
Bei dem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Vergasungsreaktor sind die Vergasungsbrenner
auf den einzelnen Ebenen auf den Reaktorumfang gleichmäßig
verteilt und gegenüber der darüberliegenden bzw. darunter
liegenden Ebene versetzt angeordnet.
Sind hierbei zwei Vergasungsbrenner pro Ebene vorgesehen,
so ist eine Versetzung um 90° gegenüber der darüberliegen
den bzw. darunterliegenden Ebene sinnvoll. Bei drei Verga
sungsbrennern pro Ebene sollte die Versetzung zweckmäßi
gerweise 60° betragen.
Die Zahl der Ebenen im Vergasungsreaktor, die selbstver
ständlich mehr als zwei betragen kann, richtet sich in
erster Linie nach der gewünschten Durchsatzleistung sowie
den räumlichen Gegebenheiten in der Gesamtanlage. Hierbei
ist zu berücksichtigen, daß mit der Zahl der Ebenen die
Höhe des Vergasungsreaktors wächst.
Die Anordnung der Vergasungsbrenner auf den einzelnen Ebe
nen soll durch die Abbildungen weiter verdeutlicht werden,
die in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen
Vergasungsreaktor mit insgesamt vier Vergasungsbrennern
zeigen, die auf zwei Ebenen angeordnet sind. Hierbei ist
Fig. 1 ein Längsschnitt
und
Fig. 2 ein Querschnitt in Höhe der Linie A-A′ von
Fig. 1.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Vergasungsreaktor ist der
Reaktionsraum mit 1 bezeichnet. Dieser Reaktionsraum 1 ist
normalerweise auf seiner Innenseite mit einer feuerfesten
Auskleidung versehen und weist außerdem einen Kühlmantel
auf, die beide in der Abbildung nicht dargestellt sind.
Die vier Vergasungsbrenner, von denen in der Abbildung je
weils nur die in den Reaktionsraum 1 hineinragenden Bren
nermündungen wiedergegeben wurden, sind paarweise gegen
überliegend in zwei Ebenen angeordnet. Auf der unteren
Ebene befinden sich dabei die Vergasungsbrenner 3 und 4
und auf der oberen Ebene die Vergasungsbrenner 5 und 6.
Wie aus Fig. 2 eindeutig zu erkennen ist, sind dabei die
Vergasungsbrenner 5 und 6 gegenüber den darunterliegenden
Vergasungsbrennern 3 und 4 um 90° versetzt angeordnet. Das
erzeugte Partialoxidationsrohgas wird über die Leitung 2
nach oben aus dem Vergasungsreaktor abgezogen, während die
anfallende Schlacke im schmelzflüssigen Zustand über den
Austrag 7 aus dem Unterteil des Vergasungsreaktors ent
fernt wird.
Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
durch den nachfolgenden Vergleichsversuch belegt. Hierbei
wurde von einem Vergasungsreaktor ausgegangen, der für
eine Durchsatzleistung von 50 000 kg Kohle pro Stunde aus
gelegt ist und 4 Vergasungssbrenner aufweist, die in einer
Ebene über den Reaktorumfang verteilt im gleichen Abstand
voneinander angeordnet sind. Bei einem Reaktordurchmesser
von 3,5 m und einer wirksamen Höhe von 3,5 m beträgt die
wirksame Wärmefläche 57,7 m2 und die freigesetzte Wärme
65×106 kcal/h. Daraus resultiert eine spezifische Wärme
flächenbelastung von 1,127×106 kcal/m2 nach dem Ansatz
worin
f = die spezifische Wärmeflächenbelastung,
Q freigesetzt = die freigesetzte Wärmemenge (proportional der Vergasungsleistung)
und
F wirksam = die wirksame Wärmefläche
bedeuten.
f = die spezifische Wärmeflächenbelastung,
Q freigesetzt = die freigesetzte Wärmemenge (proportional der Vergasungsleistung)
und
F wirksam = die wirksame Wärmefläche
bedeuten.
Werden dagegen erfindungsgemäß die Vergasungsbrenner in
zwei Ebenen angeordnet, wobei auf jeder Ebene 2 Verga
sungsbrenner vorgesehen sind, die, wie in den Abbildungen
dargestellt, um 90° zueinander versetzt angeordnet sind,
so ergibt sich bei doppelter Höhe des Vergasungsreaktors
folgendes Bild:
In der unteren Ebene sinkt die spezifische Wärmeflächenbe
lastung auf einen Wert von 0,676×106 kcal/m2 und auf der
oberen Ebene auf einen Wert von 0,844×106 kcal/m2. Das
heißt, durch die Zunahme der wirksamen Wärmefläche konnte
die spezifische Wärmeflächenbelastung zwischen 25 und 40%
abgesenkt werden.
Ordnet man ein weiteres Brennerpaar im gleichen Höhenab
stand auf einer dritten Ebene an, so steigt die Durchsatz
leistung des Vergasungsreaktors und damit auch die freige
setzte Wärmemenge bei insgesamt 6 Vergasungsbrennern um
50%. Die spzifische Wärmeflächenbelastung auf der neu
hinzugekommenen dritten Ebene liegt jedoch nur bei
0,844×106 kcal/m2. Das sind 50% weniger als im her
kömmlichen Vergleichsfall, bei dem die 6 Vergasungsbrenner
in einer Ebene angeordnet werden.
Die vorliegenden Zahlen beweisen eindeutig, daß durch die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung einerseits die Durchsatzleistung
eines Vergasungsreaktors gesteigert werden kann, ohne daß
dies eine Vergrößerung des Reaktordurchmessers bzw. der
spezifischen Wärmeflächenbelastung zur Folge hat. Bei
gleicher Durchsatzleistung läßt sich andererseits durch
Anwendung der Erfindung die spezifische Wärmeflächenbe
lastung wirksam verringern.
Claims (4)
1. Verfahren zur autothermen Gleichstromvergasung
(Partialoxidation) von feinkörnigen bis staubförmigen
Brennstoffen in einer Flugstaubwolke mit Sauerstoff
und/oder Luft sowie Wasserdampf bei Temperaturen
oberhalb des Schlackeschmelzpunktes und Drücken bis
zu 60 bar unter Anwendung eines Vergasungsreaktors,
in dem zwei oder mehr Vergasungsbrenner angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung
gleichzeitig in zwei oder mehr Ebenen des Vergasungs
reaktors stattfindet, wobei alle Vergasungsbrenner
des Vergasungsreaktors unter den gleichen Bedingungen
betrieben werden.
2. Vergasungsreaktor zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
gasungsbrenner (3; 4; 5; 6) auf zwei oder mehr Ebenen
auf den Reaktorumfang gleichmäßig verteilt und gegen
über der darüberliegenden bzw. darunterliegenden
Ebene versetzt angeordnet sind.
3. Vergasungsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Anordnung von zwei Vergasungsbren
nern pro Ebene die Versetzung gegenüber der darüber
liegenden bzw. darunterliegenden Ebene 90° beträgt.
4. Vergasungsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Anordnung von drei Vergasungsbren
nern pro Ebene die Versetzung gegenüber der darüber
liegenden bzw. darunterliegenden Ebene 60° beträgt.
Priority Applications (5)
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