DE69011216T2 - Coal gasification reactor. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zum Ausführen eines Teiloxidationsverfahrens eines fein verteilten festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und eines Oxidationsmittels (Oxidanten).The present invention relates to a reactor for carrying out a partial oxidation process of a finely divided solid carbonaceous fuel and an oxidizing agent(s).
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.Finely divided solid carbonaceous fuels are used in processes for the production of synthesis gases by the partial combustion of a finely divided solid carbonaceous fuel with an oxygen-containing gas in a reactor, wherein liquid ash formed during the partial combustion process is removed through an outlet in the bottom of the reactor and passed by gravity through a slag dispenser into a water bath or slag quench vessel where it is solidified by quenching.
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.The partial combustion of finely divided solid carbonaceous fuel with essentially pure oxygen as the oxygen-containing gas produces synthesis gas, which consists predominantly of carbon monoxide and hydrogen. If the oxygen-containing gas is air or oxygen-enriched air, the synthesis gas produced will naturally also contain a significant proportion of nitrogen. Finely divided solid carbonaceous fuel generally means coal or another solid fuel such as lignite, peat, wood, coke, soot, etc., but mixtures of liquid or gas and certain solid fuels are also possible.
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.Advantageously, a moderator is also introduced into the reactor. The task of the moderator is to exert a moderating effect on the temperature of the reactor. This is achieved by an endothermic reaction between the moderator and the reactants and/or products of the synthesis gas production. Suitable moderators are steam and carbon dioxide.
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.The gasification is advantageously carried out at a temperature in the range of 1200 to 1700ºC and a pressure in the range of 1 to 200 bar.
Der Reaktor, in dem die Erzeugung von Synthesegas stattfindet, kann irgendeine geeignete Form haben.The reactor in which the production of synthesis gas takes place may have any suitable shape.
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.The supply of finely divided solid carbonaceous fuel and oxygen-containing gas to the reactor may take place in any manner suitable for the purpose and is not described in detail.
Flüssige Schlacke, die bei der Teilverbrennungsreaktion gebildet wird, tropft nach unten und wird durch den in dem Reaktorboden bzw. -unterteil angeordneten Auslaß entnommen.Liquid slag, which is formed during the partial combustion reaction, drips downwards and is removed through the outlet located in the reactor bottom or lower part.
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.In partial oxidation processes of finely divided solid carbonaceous fuels, such as coal gasification, fuel is fed from a feed device to a gasifier by means of a suitable carrier fluid.
Das heiße Produktgas enthält üblicherweise klebrige Partikel, welche ihre Klebrigkeit beim Abkühlen verlieren.The hot product gas usually contains sticky particles, which lose their stickiness when cooled.
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.The sticky particles in the hot product gas will cause problems in the plant where the product gas is further processed, since undesirable deposits of the particles on, for example, walls, valves or outlets will adversely affect the process. Moreover, such deposits are very difficult to remove. The sticky particles may be partially or completely in a molten state; they may contain metals, salts or ash, and generally these particles lose their stickiness at a temperature below about 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.Accordingly, the hot product gas is quenched in a quenching area located above the product outlet at the top of the reactor. In the quenching area, a suitable quenching medium, such as water or a gas, is introduced into the product gas to cool the product gas.
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.It is known to apply tangentially fired burners in partial oxidation processes of finely divided solid carbonaceous fuels, ie, a plurality of tangentially aligned burners are mounted at the same horizontal level at circumferentially spaced points on the wall of the reactor vessel and cause a vortex flow in the reactor.
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.However, it has now been shown that current reactor designs still have some disadvantages: the slagging efficiency is still quite low (40 to 50%); there is a possibility to lift slag at the reactor outlet and a short circuit of hot synthesis gas from the reactor into the quench bath can occur.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Reaktoraufbau zu schaffen, der eine Verschlackungseffizienz von 90 bis 95 % hat.It is an object of the invention to provide a reactor design that has a slagging efficiency of 90 to 95%.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Reaktoraufbau zu schaffen, bei dem eine Schlackeanhebung und Schlackeabgabe in Tröpfchenform verhindert ist.A further aim of the invention is to provide a reactor structure in which slag lifting and slag release in droplet form are prevented.
Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, einen Reaktoraufbau zu schaffen, in dem der Kurzschluß von Synthesegas verhindert ist.It is a further object of the invention to provide a reactor structure in which the short circuit of synthesis gas is prevented.
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.The invention accordingly provides a reactor for preventing slag lift to the outlet at the reactor tip and for preventing discharge of slag droplets in the product gas in an exothermic partial reaction process of a finely divided solid carbonaceous fuel and an oxidant, the reactor comprising a reactor vessel with an outlet for the product gas at the tip, a slag outlet at the bottom, a plurality of burner openings in its side wall, a plurality of tangentially arranged burners arranged at the same horizontal level at circumferentially spaced points with a specific firing angle, the reactor being provided with a quenching device above its outlet, characterized in that the reactor is connected at its outlet at the tip to an extended pipe or shaft arranged between the reactor outlet and the quenching inlet, and on the lower part of the shaft most of the slag which leaves the outlet at the reactor tip during the partial oxidation process, the shaft having a diameter considerably narrower than the diameter of the reactor and wherein the shaft has a length to diameter ratio in the range of 4 to 6, and wherein the firing angle is greater than 0º.
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.It may be noted that GB-A-718,410 shows a reactor for carrying out the partial oxidation of pulverized coal in a two-step combination process of exothermic and endothermic reactions in a primary reaction chamber and a secondary reaction chamber. In the second reaction chamber the production of synthesis gas is completed.
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.However, the above-mentioned "slagging efficiency" problem and the specific solution to prevent it according to the invention are not known from this document and cannot be derived from it.
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.The term firing angle is defined as the angle between the axis of symmetry of the burner jet and the line through the center of the burner and the center of the reactor at the same horizontal level.
Die Erfindung wird nun an Beispielen detaillierter mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung gezeigt:The invention will now be shown in more detail by way of example with reference to the accompanying drawing:
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsquerschnitt eines konventionellen Reaktors und Abschreckbereichs;Fig. 1 shows schematically a longitudinal cross-section of a conventional reactor and quench area;
Fig. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Reaktoraufbaus gemäß der Erfindung;Fig. 2 shows schematically a longitudinal section of a reactor structure according to the invention;
Fig. 3a zeigt einen Querschnitt entlang der Linien I-I von Fig. 1 undFig. 3a shows a cross section along the lines I-I of Fig. 1 and
Fig. 3b zeigt einen Querschnitt entlang der Linien II-II von Fig. 2.Fig. 3b shows a cross section along the lines II-II of 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.In Fig. 1, a reactor vessel 1 is shown. The reactor vessel 1 is provided with a slag outlet 2 at its bottom, a plurality of tangentially fired burners 3, a gas outlet 4 at its top and a quenching system 5 having a quenching inlet 5a above the reactor outlet 4. The tangentially oriented burners 3 are arranged at the same horizontal level at circumferentially spaced points and cause a vortex flow in reactor vessel 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.The quenching system 5 is connected at its outlet 6 to a device for further treatment of the synthesis gas. Such a device is known to those skilled in the art and is not described in detail. In Fig. 2, the same reference numerals are used as in Fig. 1.
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.In Fig. 2, the reactor 1 is provided with an extended pipe or shaft 4a at its outlet 4. This extension is arranged between the reactor outlet 4 and the quench inlet 5a and has a predetermined length to diameter ratio of 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).The quenching system 5 is located remote from the reactor outlet. Ls/Ds is between 4 and 6 and in particular Ls/Ds is 5 (as shown in Fig. 2).
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.Furthermore, in Fig. 2, the quenching system 5 has a length to diameter ratio Lq/Dq = 3 and the reactor 1 has a length to diameter ratio 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. 3a shows a tangential burner arrangement comprising four burners A, B, C, D. The burners are arranged horizontally and directed towards a center E, which means that the firing angles are 0º.
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.Fig. 3b shows a tangential burner arrangement of the invention, which has four burners A', B', C', D', where the firing angles are 5°. Advantageously, the firing angles according to the present invention are in the range of 3 to 5°. The burners are directed to a central circle E' with a certain area.
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.When the reactor design of the invention is used, large centrifugal forces within the shaft will cause a large settling velocity and, accordingly, a large slagging efficiency, since most of the slag will be deposited in the lower part of the tube extension; it is possible to reduce the vortex of the product gas either by installing cross threads or by further narrowing the tube. This will prevent cold syngas from re-entering the reactor.
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.The shaft will also reduce the turbulence of the syngas. This reduction and the fact that the shaft wall immediately below the quench inlet is vertical and therefore much steeper than the reactor roof in Fig. 1 will be beneficial in preventing slag lifting or slag discharge.
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.Finally, the shaft will reduce short-circuiting of the flow. Therefore, breakthrough times towards the reactor outlet increase. Accordingly, conversion is increased and the outlet temperature may decrease.
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.Various modifications of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description and the accompanying drawings. Such modifications are intended to fall within the scope of the appended claims.
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