DE4407651C1

DE4407651C1 - Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas

Info

Publication number: DE4407651C1
Application number: DE19944407651
Authority: DE
Inventors: Wolfgang H Adlhoch; Uwe Peters; Kurt Rudolph; Horst Hoffmann
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2014-03-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material mit Sauerstoff und Wasserdampf als Vergasungsmittel, die mit Hilfe einer Düse in eine das kohlenstoffhaltige Material enthaltende Wirbelschicht eingeblasen wer den. Die Düse zum Einblasen der Vergasungsmittel in die Wirbelschicht ist so ausgestaltet, daß der Gasstrahl des Sauerstoffs beim Eintritt in die Wirbelschicht konzentrisch vom Dampfstrahl umgeben wird.

Bei der bekannten Vergasung von Braunkohlen in einem Hochtemperatur-Winkler-Re aktor - HTW-Reaktor genannt - mit Sauerstoff und Dampf als Vergasungs mitteln wird ein Synthesegas erzeugt, in dem neben den Hauptkomponenten CO, H₂, CO₂ und H₂O unterschiedliche organische und anorganische Be gleitstoffe in geringer Konzentration im Rohgas enthalten sind. Diese Begleitstoffe werden im Zuge der anschließenden Gasaufbereitung aus dem Strom des Synthesegases an unterschiedlichen Stellen ausgewaschen und fallen dort jeweils in mehr oder weniger konzentrierter Form an.

Die Begleitstoffe sind in der Regel brennbar und ihre Herausführung aus dem Synthesegasstrom sowie anderweitige Verwendung bzw. Entsorgung führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des HTW-Verfahrens. Als einer dieser Begleitstoffe fällt Ammoniakwasser an, das beispielsweise anschließend im Kraftwerk in den Kessel eingespritzt wird zur Minderung der NO_x-Emission. Weiterhin fällt Benzol an, welches einer Weiterver arbeitung zugeführt werden kann. Schließlich fällt auch in Benzol ge löstes Naphtalin an, welches ebenfalls weiterverarbeitet werden kann.

In jedem Falle aber stellt die Entsorgung bzw. Weiterverarbeitung der genannten Begleitstoffe in der Weise, wie sie bisher gehandhabt wird, einen Nachteil dar.

Daraus ergibt sich die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, die aus dem Synthesegas herausgelösten bzw. herausgewaschenen Begleitstoffe in solcher Weise zu nutzen, daß der Wirkungsgrad des HTW-Verfahrens ver größert wird. Dabei soll die Nutzung der Begleitstoffe in wirtschaft licher Weise erfolgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgesehen, daß man wenigstens einen der Begleitstoffe verdampft und gleichzeitig mit den Vergasungsmitteln, nämlich Sauerstoff und Dampf, über die Düse in die Wirbelschicht ein bläst. Durch Versuche konnte nämlich festgestellt werden, daß die Rück führung von NH₃, Benzol oder in Benzol gelöstem Naphtalin in den HTW- Reaktor in einer Weise möglich ist, daß diese Stoffe im Vergasungs prozeß als Wärmelieferanten für die Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials dienen und durch die nahezu vollständige Umsetzung im Rohgas keine Anreicherung stattfindet. Im Prinzip wird NH₃ zu Stickstoff und Wasser nach der nachstehenden Gleichung I umgesetzt.
Gleichung I:

2 NH₃ + 1,5 O₂ → 3 H₂O + N₂.

Die Zersetzung des Ammoniaks ist exotherm.

Benzol wird demgegenüber nach der Gleichung II umgesetzt:
Gleichung II:

C₆ H₆ + 3 O₂ → 6 CO + 3 H₂
bzw. C₆ H₆ + 7,5 O₂ → 6 CO₂ + 3 H₂O
bzw. C₆ H₆ + 4,5 O₂ → 6 CO + 3 H₂O.

Diese Umsetzung ist exotherm, d. h. hierbei wird Wärme gewonnen.

Schließlich wird Naphtalin nach der Gleichung III umgesetzt:
Gleichung III:

C₁₀ H₈ + 5 O₂ → 10 CO + 4 H₂
bzw. C₁₀ H₈ + 7 O₂ → 10 CO + 4 H₂O
bzw. C₁₀ H₈ + 12 O₂ → 10 CO₂ + 4 H₂O.

Auch hier ist die Umsetzung exotherm, d. h. es fällt Wärme an, die dem Vergasungsprozeß zugute kommt.

Als Vorteile der Rückführung der Begleitstoffe sind die folgenden zu nennen:

- der Energieinhalt der Begleitstoffe wird für das HTW-Vergasungsver fahren gewonnen,
- die Menge des erzeugten Synthesegases wird vergrößert und auf diese Weise wird eine Vergrößerung des Vergasungswirkungsgrades des HTW- Verfahrens erzielt,
- der Aufwand zum Transport oder zur Entsorgung der Begleitstoffe wird vermieden, und
- das gesamte Verfahren ist ausgesprochen umweltfreundlich.

Die Rückführung der Begleitstoffe in den HTW-Vergaser geschieht über geeignete Düsen, indem die Begleitstoffe mit Luft oder Sauerstoff oder anderen O₂-haltigen Gasen an geeigneter Stelle in den HTW-Reaktor ein geblasen werden. Durch Versuche konnte gezeigt werden, daß die Rückführung der Begleitstoffe in das Vergasungsverfahren dadurch erfolg reich gelingt, daß die Begleitstoffe unter Beimischung von Sauerstoff in den Reaktor eingeblasen werden, in welchem ansonsten reduzierende Reaktionsbedingungen herrschen.

Für die Zersetzung der Begleitstoffe ist es deshalb erforderlich, diese zunächst zu verdampfen und anschließend mit einer Düse in den Reaktor einzuspritzen. Dabei stellen sich unmittelbar vor der Mündung der Düse in dem Reaktor oxidierende Bedingungen ein, wie sie zum Verbrennen der Begleitstoffe erforderlich sind. In der weiteren Umgebung der Düse herrschen sodann die reduzierenden Bedingungen des Reaktors vor, welche für die Zersetzung der genannten Begleitstoffe erforderlich sind.

Zur Durchführung des Verfahrens sieht die Erfindung deshalb auch eine Düse vor, wie sie zur Rückführung der Begleitstoffe geeignet ist. Die Düse ist ähnlich aufgebaut wie jene Düse, die aus der DE 34 39 404 C2 der Anmelderin bekanntgeworden ist. Die bekannte Düse sieht ein erstes zentrales Rohr vor, über welches das O₂-haltige Vergasungsmittel zuge führt wird. Das erste Rohr wird konzentrisch von einem zweiten Rohr unter Bildung eines Ringspalts umgeben. Aus diesem Ringspalt strömt sodann Wasserdampf, der das O₂-haltige Vergasungsmittel bei dessen Ein tritt in den Reaktor konzentrisch umhüllt.

Bei einer anderen beispielsweise aus der DE 39 41 816 A1 bekanntge wordenen Düse wird der über ein zentrales Rohr zugeführte Primärsauer stoff von einem Ringspalt umgeben, aus welchem der zu vergasende Brenn stoff ausströmt. Demgemäß handelt es sich bei der bekannten Düse auch um einen Vergasungsbrenner, der sich von der erfindungsgemäßen Düse wesentlich unterscheidet, weil diese ausschließlich die Zufuhr von gas förmigen bzw. dampfförmigen Vergasungsmedien in den Vergasungsprozeß vorsieht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Düse ergeben sich aus den Unteransprüchen 5 bis 10. Beispielsweise bei der Zuführung von dampfförmigem NH₃-Wasser wird der Vorteil erzielt, daß zugleich ein Anteil von Wasser in den Vergasungsprozeß eingetragen wird, was eine O₂-Anreicherung zur Folge hat. Durch Verdrallen des Begleitstoffs wird eine bessere Verteilung der Durchmischung von Begleitstoff und sauer stoffhaltigen Vergasungsmitteln erzielt. Die Dampfummantelung des Gas strahls, der aus einem Gemisch aus Sauerstoff und NH₃ besteht, verlangt allerdings, daß der Dampf mit einer Geschwindigkeit aus der Düse aus tritt, die etwa 20% größer ist als die Geschwindigkeit des Sauer stoffs, wobei eine Austrittsgeschwindigkeit des Gemischs von Sauerstoff und NH₃-Wasser größer als 50 m/s zugrundegelegt wird. Als weiterer Vor teil ist anzuführen, daß das NH₃-Wasser vorher verdampft wird, so daß eine homogene Gasreaktion mit dem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel eintritt, ohne daß eine Katalyse notwendig wird. NH₃ läßt sich bereits zersetzen bei einer Konzentration von 15-25% NH₃ im Wasser.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher be schrieben. Die Figur zeigt in nicht maßstäblicher und stark verein fachter Darstellung einen Ausschnitt aus dem Mündungsbereich einer Düse.

Die Düse besteht aus drei Rohren 1, 2 u. 3, die in Bezug auf die ge meinsame Längsachse 4 einander konzentrisch umgeben. Zwischen den Rohren 1 u. 2 und 2 u. 3 wird jeweils ein Ringspalt 5 bzw. 6 gebildet, der je nach Durchmesser und Wandstärke der Rohre 1, 2 und 3, zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise 2 mm beträgt. Die Mündungsquerschnitte der beiden Rohre 1 und 2 liegen in einer gemeinsamen Ebene 7, welche durch eine strichpunktierte Linie in der Figur angedeutet ist. In einem Ab stand 8, der zwischen 5 und 50 mm, vorzugsweise 10 bis 20 mm beträgt, hinter der gemeinsamen Ebene 7 befindet sich die Mündungsebene 9 des äußeren Rohres 3. Im Bereich seiner Mündungsebene 9 weist das äußere Rohr 3 eine Abschrägung 10 auf, die von außen nach innen verlaufend zur gemeinsamen Mündungsebene 7 der beiden inneren Rohre 1 und 2 hin ge neigt ist. Am Ende des Mündungskanals 11 des inneren Rohres 1 befindet sich noch ein Drallblech 12.

Das Drallblech 12 sorgt dafür, daß die durch den Mündungskanal 11 he rangeführten Begleitstoffe 13 beim Austritt aus dem Rohr 1 verwirbelt werden. Dabei bilden die dampfförmigen Begleitstoffe 13 eine Doppel spirale 14, wie sie in der Figur durch die strichpunktierte Linie ange deutet ist. Durch den Ringspalt 5 wird das sauerstoffhaltige Ver gasungsmittel 15 herangeführt und tritt in der Mündungsebene 7 eben falls aus. Dabei umhüllt das austretende Vergasungsmittel 15 die Doppelspirale 14 so, wie das durch die unterbrochenen Linien 16 ange deutet ist. Zugleich stellt sich beim Zusammentreffen des O₂-haltigen Vergasungsmittels 16 mit den in der Doppelspirale 14 verwirbelten Be gleitstoffen 13 die Verbrennung dieser Begleitstoffe ein. Der ganze Vorgang wird schließlich von den Dampfstrahlen 18 umhüllt, die ihrer seits den Austritt des Dampfes 17 andeuten, der durch den Ringspalt 6 herangeführt wird. Außerhalb der Dampfstrahlen 18 stellen sich schließ lich noch Wirbel 19 ein, die dazu führen, daß aus dem Inneren 20 des Reaktors kohlenstoffhaltige Feststoffteilchen durch die Dampfströmung 18 hindurch in das Gemisch aus sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel 16 und Begleitstoffen 14 eindringen können. Die Abschrägung 10 am äußeren Rohr 3 begünstigt diesen Vorgang.

Bei der vorstehenden Darstellung und Beschreibung der Düse ist unter stellt, daß sie mit ihren Mündungsquerschnitten 7 und 9 in das Innere eines Reaktors 20 zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen in der Wirbelschicht hineinragt, der ansonsten in der Figur nicht darge stellt ist. Weiterhin wird unterstellt, daß gleichzeitig eine Mehrzahl von Düsen, die u. U. auf mehrere Düsenebenen verteilt sind, in ein und demselben Reaktor vorgesehen sind.

Bezugszeichenliste

1 Rohr
2 Rohr
3 Rohr
4 gemeinsame Längsachse
5 Ringspalt
6 Ringspalt
7 gemeinsame Ebene
8 Abstand
9 Mündungsebene
10 Abschrägung
11 Mündungskanal
12 Drallblech
13 Begleitstoff
14 Doppelspirale
15 O₂-haltiges Vergasungsmittel
16 O₂-haltiges Vergasungsmittel
17 Wasserdampf
18 Wasserdampf
19 Wirbel
20 Inneres des Reaktors

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung von kohlen stoffhaltigem Material mit einem O₂-haltigen Gas und Wasserdampf als Vergasungsmitteln, die mit Hilfe einer Düse in eine das kohlen stoffhaltige Material enthaltende Wirbelschicht eingeblasen werden, wobei der Gasstrahl des Sauerstoffs beim Eintritt in die Wirbel schicht konzentrisch vom Dampfstrahl umgeben wird und wobei neben den Hauptkomponenten CO, H₂, CO₂ und H₂O, bei der Erzeugung des Synthesegases mehrere organische und anorganische Begleitstoffe wie z. B. Ammoniakwasser, Benzol oder in Benzol gelöstes Naphtalin an fallen, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen der Be gleitstoffe

- verdampft und
- gleichzeitig mit den Vergasungsmitteln über die Düse in die Wirbelschicht einbläst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den ver dampften Begleitstoff in einem Strahl in die Wirbelschicht ein bläst, der konzentrisch vom Gasstrahl des Sauerstoffs umgeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strahl des verdampften Begleitstoffs beim Austritt aus der Düse verwirbelt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von wenigstens zwei verdampften Begleitstoffen in die Wirbelschicht einbläst.

5. Düse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Rohr zum Einblasen von Sauerstoff in eine Wirbel schicht, das unter Bildung eines Ringspalts im Bereich seiner Mündung konzentrisch von einem Rohr zum Einblasen von Wasserdampf umgeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch innerhalb des Rohres (2) zum Einblasen des Sauerstoffs (15) unter Bildung eines weiteren Ringspalts (5) ein Rohr (1) zum Einblasen des ver dampften Begleitstoffs (13) oder einer Mischung aus mehreren Be gleitstoffen angeordnet ist.

6. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsquer schnitte der Rohre (1 u. 2) für das Einblasen von Sauerstoff (15) und Begleitstoff (13) in einer gemeinsamen Ebene (7) liegen.

7. Düse nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Mündungsquerschnitts des Rohres (1) zum Einblasen von Begleitstoff (13) ein Drallkörper (12) angeordnet ist.

8. Düse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsquerschnitt des Rohres (3) zum Einblasen von Dampf (18) in einem Abstand (8) hinter der gemeinsamen Ebene (7) der Mündungen der Rohre (1 u. 2) für Sauerstoff (15) und Begleitstoff (13) vorge sehen ist.

9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) für das Einblasen von Dampf (10) an seinem Mündungsquerschnitt eine Abschrägung (10) aufweist, die vom Außenumfang zum Innenumfang in Richtung auf die Mündungsquerschnitte der übrigen Rohre (1 u. 2) verläuft.

10. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ringspalt (5, 6) zwischen zwei aneinander jeweils angrenzenden Rohren (1, 2 bzw. 2, 3) im jeweiligen Mündungsquerschnitt zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise 2 mm be trägt.