DE69011216T2

DE69011216T2 - Kohlenvergasungsreaktor.

Info

Publication number: DE69011216T2
Application number: DE69011216T
Authority: DE
Inventors: Petrus H W M Daverveldt; Hendrikus Johannes An Hasenack
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: CN1025345C; CA2017635A1; ES2058754T3; GB8912316D0; CA2017635C; EP0400740A1; ZA904064B; DE69011216D1; JPH0324195A; EP0400740B1; DK0400740T3; AU5602290A; CN1047688A; AU618195B2; JP2932198B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zum Ausführen eines Teiloxidationsverfahrens eines fein verteilten festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und eines Oxidationsmittels (Oxidanten).
Fein verteilte feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe werden in Verfahren für die Erzeugung von Synthesegasen durch die Teilverbrennung eines fein verteilten festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mit einem sauerstoffhaltigen Gas in einem Reaktor angewandt, wobei flüssige Asche, die während des Teilverbrennungsverfahrens gebildet wird, durch einen Auslaß in dem Boden bzw. unteren Teil des Reaktors entfernt wird und durch Gravitation durch eine Schlackeausgabevorrichtung in ein Wasserbad oder ein Schlackeabschreckgefäß geleitet wird, wo es durch Abschreckung verfestigt wird.
Die Teilverbrennung von fein verteiltem festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff mit im wesentlichen reinem Sauerstoff als sauerstoffhaltiges Gas erzeugt Synthesegas, das überwiegend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Wenn das sauerstoffhaltige Gas Luft oder sauerstoffangereicherte Luft ist, enthält das gebildete Synthesegas natürlich auch einen wesentlichen Anteil Stickstoff. Mit fein verteiltem festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff ist im allgemeinen Kohle oder ein anderer fester Brennstoff, wie Braunkohle, Torf, Holz, Koks, Ruß etc., gemeint, aber Mischungen von Flüssigkeit oder Gas und bestimmten Festkörperbrennstoffen sind auch möglich.
Vorteilhafterweise wird auch ein Moderator in den Reaktor eingeführt. Die Aufgabe des Moderators ist es, einen moderierenden Effekt auf die Temperatur des Reaktors auszuüben. Dies wird durch einen endothermische Reaktion zwischen dem Moderator und den Reaktanten und/oder Produkten der Synthesegasherstellung. Geeignete Moderatoren sind Dampf und Kohlendioxid.
Die Vergasung wird vorteilhafterweise bei einer Temperatur in dem Bereich von 1200 bis 1700ºC und einem Druck in dem Bereich von 1 bis 200 bar durchgeführt.
Der Reaktor, in dem die Erzeugung von Synthesegas stattfindet, kann irgendeine geeignete Form haben.
Die Zuführung von fein verteiltem festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas zu dem Reaktor kann auf eine Weise stattfinden, die für den Zweck geeignet ist, und wird nicht im Detail beschrieben.
Flüssige Schlacke, die bei der Teilverbrennungsreaktion gebildet wird, tropft nach unten und wird durch den in dem Reaktorboden bzw. -unterteil angeordneten Auslaß entnommen.
Bei Teiloxidationsprozessen fein verteilter fester kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, so wie zum Beispiel der Kohlevergasung, wird Brennstoff von einer Zuführungseinrichtung zu einem Vergaser mittels eines geeigneten Trägerfluids eingegeben.
Das heiße Produktgas enthält üblicherweise klebrige Partikel, welche ihre Klebrigkeit beim Abkühlen verlieren.
Die klebrigen Partikel in dem heißen Produktgas werden in der Anlage, in der das Produktgas weiterverarbeitet wird, Probleme hervorrufen, da unerwünschte Ablagerungen der Partikel auf zum Beispiel Wänden, Ventilen oder Auslässen den Prozeß nachteilig beeinflussen werden. Darüberhinaus sind solche Ablagerungen sehr schwer zu entfernen. Die klebrigen Partikel können teilweise oder vollständig in geschmolzenem Zustand sein; sie können Metalle, Salze oder Asche aufweisen, und im allgemeinen verlieren diese Partikel ihre Klebrigkeit bei einer Temperatur unter etwa 800ºC.
Dementsprechend wird das heiße Produktgas in einem Abschreckbereich abgeschreckt, der oberhalb des Produktauslasses an der Spitze des Reaktors angeordnet ist. In dem Abschreckbereich wird ein geeignetes Abschreckmedium, wie zum Beispiel Wasser oder ein Gas, in das Produktgas eingeführt, um das Produktgas zu kühlen.
Es ist bekannt, tangential gefeuerte Brenner bei Teiloxidationsprozessen von fein verteilten festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen anzuwenden, d. h., eine Vielzahl von tangential ausgerichteten Brennern wird auf dem gleichen horizontalen Pegel an entlang des Umfangs beabstandeten Punkten der Wand des Reaktorkessels angebracht und bewirkt einen Wirbelfluß in dem Reaktor.
Es hat sich nun jedoch gezeigt, daß derzeitige Reaktorkonstruktionen noch einige Nachteile haben: die Verschlackungseffizienz ist noch ziemlich klein (40 bis 50 %); es gibt eine Möglichkeit, um Schlacke an dem Reaktorauslaß anzuheben und es kann ein Kurzschluß von heißem Synthesegas aus dem Reaktor in das Abschreckbad auftreten.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Reaktoraufbau zu schaffen, der eine Verschlackungseffizienz von 90 bis 95 % hat.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Reaktoraufbau zu schaffen, bei dem eine Schlackeanhebung und Schlackeabgabe in Tröpfchenform verhindert ist.
Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, einen Reaktoraufbau zu schaffen, in dem der Kurzschluß von Synthesegas verhindert ist.
Die Erfindung schafft dementsprechend einen Reaktor zum Verhindern von Schlackeanhebung an den Auslaß an der Reaktorspitze und zum Verhindern von einer Abgabe von Schlacketröpfchen in dem Produktgas bei einem exothermischen Teilreaktionsprozeß eines fein verteilten festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff und eines Oxidationsmittels, wobei der Reaktor einen Reaktorkessel mit einem Auslaß für das Produktgas an der Spitze, einen Schlackeauslaß am Boden bzw. Unterteil, eine Vielzahl von Brenneröffnungen in seiner Seitenwand, eine Vielzahl von tangential angeordneten Brennern, die auf dem gleichen horizontalen Pegel an entlang des Umfangs beabstandeten Punkten mit einem spezifischen Feuerungswinkel angeordnet sind, wobei der Reaktor mit einer Abschreckvorrichtung oberhalb seines Auslasses versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor an seinem Auslaß an der Spitze mit einem ausgedehnten Rohr oder Schacht verbunden ist, das bzw. der zwischen dem Reaktorauslaß und dem Abschreckeinlaß angeordnet ist, und wobei auf dem unteren Teil des Schachts das meiste der Schlacke, die den Auslaß an der Reaktorspitze während des Teiloxidationsprozesses verläßt, abgeschieden wird, wobei der Schacht einen Durchmesser hat, der beträchtlich enger als der Durchmesser des Reaktors ist, und wobei der Schacht ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser im Bereich von 4 bis 6 aufweist, und wobei der Feuerungswinkel größer als 0º ist.
Es kann bemerkt werden, daß die GB-A-718,410 einen Reaktor zum Durchführen der Teiloxidation von pulverisierter Kohle in einem zweischrittigen Kombinationsprozeß von exothermischen und endothermischen Reaktionen in einer primären Reaktionskammer und einer sekundären Reaktionskammer zeigt. In der zweiten Reaktionskammer wird die Produktion von Synthesegas zu Ende ausgeführt.
Das obengenannte "Verschlackungseffizienz"-Problem und die spezifische Lösung zu seiner Verhinderung gemäß der Erfindung sind jedoch aus dieser Druckschrift nicht bekannt und können aus ihr nicht abgeleitet werden.
Der Ausdruck Feuerungswinkel wird als der Winkel zwischen der Symmetrieachse des Brennerstrahls und der Linie durch die Mitte des Brenners und die Mitte des Reaktors auf dem gleichen horizontalen Niveau definiert.
Die Erfindung wird nun an Beispielen detaillierter mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung gezeigt:
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsquerschnitt eines konventionellen Reaktors und Abschreckbereichs;
Fig. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Reaktoraufbaus gemäß der Erfindung;
Fig. 3a zeigt einen Querschnitt entlang der Linien I-I von Fig. 1 und
Fig. 3b zeigt einen Querschnitt entlang der Linien II-II von Fig. 2.
In Fig. 1 wird ein Reaktorkessel 1 gezeigt. Der Reaktorkessel 1 ist mit einem Schlackeauslaß 2 an seinem Unterteil bzw. Boden, einer Vielzahl von tangential gefeuerten Brennern 3, einem Gasauslaß 4 an seiner Spitze und einem Abschrecksystem 5, das einen Abschreckeinlaß 5a oberhalb des Reaktorauslasses 4 aufweist, versehen. Die tangential ausgerichteten Brenner 3 sind auf dem gleichen horizontalen Niveau an entlang des Umfangs beabstandeten Punkten angeordnet und bewirken einen Wirbelfluß in dem Reaktorkessel 1.
Das Abschrecksystem 5 ist an seinem Auslaß 6 an eine Einrichtung zur weiteren Behandlung des Synthesegases angeschlossen. Eine solche Einrichtung ist den Fachleuten bekannt und wird nicht im Detail beschrieben. In Fig. 2 werden dabei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
In Fig. 2 ist der Reaktor 1 mit einem ausgedehnten Rohr oder Schacht 4a an seinem Auslaß 4 versehen. Diese Verlängerung ist zwischen dem Reaktorauslaß 4 und dem Abschreckeinlaß 5a angeordnet und hat ein vorbestimmtes Verhältnis von Länge zu Durchmesser von Ls/Ds.
Das Abschrecksystem 5 ist entfernt von dem Reaktorauslaß angeordnet. Ls/Ds liegt zwischen 4 und 6 und insbesondere ist Ls/Ds 5 (wie in Fig. 2 gezeigt).
Weiterhin hat in Fig. 2 das Abschrecksystem 5 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser Lq/Dq = 3 und der Reaktor 1 hat ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser Lr/Dr = 3.
Fig. 3a stellt eine Tangentialbrenneranordnung dar, die vier Brenner A, B, C, D aufweist. Die Brenner sind horizontal angeordnet und auf einen Mittelpunkt E gerichtet, was bedeutet, daß die Feuerungswinkel 0º sind.
Fig. 3b stellt eine Tangentialbrenneranordnung der Erfindung dar, die vier Brenner A', B', C', D' aufweist, wobei die Feuerungswinkel 5º sind. Vorteilhafterweise liegen die Feuerungswinkel gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Bereich von 3 bis 5º. Die Brenner sind auf einen Mittelkreis E' mit einer bestimmten Fläche gerichtet.
Wenn der Reaktoraufbau der Erfindung verwendet wird, werden große zentrifugale Kräfte innerhalb des Schachtes eine große Absetz- bzw. Niederschlagsgeschwindigkeit und dementsprechend eine große Verschlackungseffizienz bewirken, da das meiste der Schlacke in dem unteren Teil der Rohrverlängerung abgesetzt wird; es ist möglich, den Wirbel des Produktgases entweder durch Einbauen von Kreuzfäden oder durch eine weitere Verengung des Rohres zu vermindern. Dieses wird kaltes Synthesegas davon abhalten, wieder in den Reaktor zu gelangen.
Der Schacht wird auch die Turbulenz des Synthesegases verringern. Diese Verringerung und die Tatsache, daß die Schachtwand unmittelbar unterhalb des Abschreckeinlasses vertikal und daher viel steiler als das Reaktordach in Fig. 1 verläuft, wird vorteilhaft sein, um eine Schlackenanhebung oder Schlackenabgabe zu verhindern.
Schließlich wird der Schacht einen Kurzschluß des Flusses verringern. Daher steigen die Durchbruchszeiten gegen den Reaktorauslaß an. Dementsprechend ist die Umwandlung erhöht und die Auslaßtemperatur kann abnehmen.
Verschiedene Veränderungen der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten aus der vorangegangenen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich sein. Solche Veränderungen fallen dabei in den Bereich der beiliegenden Ansprüche.

Claims

1. Reaktor zum Verhindern von Schlackeanhebung an dem Auslaß an der Reaktorspitze und zum Verhindern von Schlacketröpfchenabgabe in dem Produktgas bei einem exothermischen Teiloxidationsprozeß eines fein verteilten festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und eines Oxidationsmittels, wobei der Reaktor einen Reaktorkessel mit einem Auslaß für das Produktgas an seiner Spitze, einen Schlackeauslaß an seinem Unterteil bzw. Boden, eine Vielzahl von Brenneröffnungen in seiner Seitenwand und eine Vielzahl von tangential ausgerichteten Brennern, die auf der gleichen horizontalen Höhe an entlang des Umfangs beabstandeten Punkten mit einem spezifischen Feuerungswinkel angeordnet sind, aufweist, wobei der Reaktor mit einer Abschreckvorrichtung oberhalb seines Auslasses versehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor an seinem Auslaß an der Spitze an ein verlängertes Rohr oder einen verlängerten Schacht angeschlossen ist, das bzw. der zwischen dem Reaktorauslaß und Abschreckvorrichtungseinlaß angeordnet ist, und wobei an dem unteren Teil des Schachtes das meiste der Schlacke, die den Auslaß an der Reaktorspitze während des Teiloxidationsprozesses verläßt, abgeschieden wird, wobei der Schacht einen Durchmesser aufweist, der beträchtlich enger als der Durchmesser des Reaktors ist, und wobei der Schacht ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser im Bereich von 4 bis 6 aufweist und wobei der Feuerungswinkel größer als 0º ist.

2. Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Schacht ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 5 hat.

3. Der Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei Kreuzfäden zum Verringern des Wirbels des Produktgases in dem Schacht eingebaut sind.

4. Der Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Feuerungswinkel 3 bis 5º beträgt.