NL8004971A

NL8004971A - Werkwijze en reactor voor de bereiding van synthesegas.

Info

Publication number: NL8004971A
Application number: NL8004971A
Authority: NL
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1980-09-02
Filing date: 1980-09-02
Publication date: 1982-04-01
Also published as: AU7476981A; US4456546A; CA1173249A; ZA816015B; DE3134333A1; AU546509B2

Description

' * i- ί>.

Κ 6583 HET

WERKWIJZE Μ REACTQE VQQH DE BEEEIDUTG VM SYHTHESEGAS

De aanvrage "betreft een werkwij ze voor de "bereiding van synthesegas door in een reactor fijnverdeelde koolstofhoudende "brandstof partieel te verbranden met een zuurstof bevattend gas. De aanvrage betreft tevens een reactor geschikt voor het 5 uitvoeren van de werkwijze.

Het zo bereide synthesegas bestaat voornamelijk uit koolmonoxide en waterstof en bevat daarnaast o.a. kleinere hoeveelheden kooldioxide, waterdamp en methaan. Indien de partiële verbranding niet met zuivere zuurstof maar met lucht wordt uit-10 gevoerd, bevat het produkt natuurlijk ook veel stikstof. Onder koolstofhoudende brandstof verstaat men bij voorkeur steenkool en andere vaste grondstoffen, zoals bruinkool, turf, ligniet, houtafval e.d., maar ook vloeibare grondstoffen zoals olie eventueel onttrokken aan teerzand zijn mogelijk.

15 De reactor is bij voorkeur in hoofdzaak cilindervormig, maar ovale of rechthoekige e.d. reactoren zijn ook mogelijk.

Een dergelijke werkwijze en een dergelijke reactor zijn algemeen bekend. De fijnverdeelde koolstofhoudende brandstof en het zuurstof bevattende gas worden tot nu toe meestal gezamenlijk 20 toegevoerd aan de reactor door middel van branders. De brandstof en de zuurstof worden in of vlak voor de brander met elkaar gemengd, en reageren met elkaar in de reactor.

De branders zijn erg belangrijke onderdelen van een vergas sings inrichting, want een onjuist ontwerp of een slechte af-25 stelling veroorzaakt een verkeerde menging en verbranding, met als minst ernstig gevolg een lagere opbrengst aan synthesegas en/of een verhoogde roetproduktie. In ernstigere gevallen kan terugslag van de vlam in de brander optreden, zelfs in de brand-stoftoevoerleiding, of kan de vlam te groot worden zodat de 30 wand van de reactor tegenover de brander oververhit; raakt.

De vaste, harde verontreinigingen in de brandstof, zoals zand- 8004971 Λ, ψ 2 korrels, veroorzaken slijtage van.de "branders, waardoor het vlampatroon en de vergassingsefficiêntie nadelig "beïnvloed worden.

Deze kritieke rol van de branders heeft tot veel onder-5 zoekswerk geleid, waarvan vele detailverbeteringen het gevolg zijn. De bovengenoemde problemen zijn echter inherent aan het concept van branders, en kunnen dus altijd optreden, zij het bij de Ine brander wat eerder dan bij een andere. Volgens de uitvinding heeft men nu het concept van branders verlaten, en 10 dientengevolge is men bevrijd van de daarmee samenhangende problemen.

Men bereikt dit., doordat het zuurstof bevattende gas aan éên van de einden van de reactor axiaal wordt toegevoerd, en benedenstrooms van de gastoevoer de brandstof wordt toegevoerd 15 onder een hoek van 90° (+ 20°) met de reactoras van een binnen de reactor gelegen plaats.

De uitvinding betreft derhalve een werkwijze voor de bereiding van synthesegas door in een reactor fijnverdeelde kool-stofhoudende brandstof partieel te verbranden met een zuurstof 20 bevattend gas, met het kenmerk, dat het zuurstof bevattende gas aan één van de einden van de reactor axiaal wordt toegevoerd, en dat benedenstrooms van de gastoevoer de brandstof wordt toegevoerd onder een hoek van 90° (+ 20°) met de reactoras van een binnen de reactor gelegen plaats.

25 Daarnaast betreft de uitvinding een reactor voor de be reiding van synthesegas, met het kenmerk, dat deze omvat een axiale gastoevoer aan één van de einden van de reactor, en op enige afstand hiervan binnen de reactor een brandstoftoevoer, die een hoek van 90° (+ 20°) met de reactoras maakt.

30 Indien de brandstoftoevoer niet benedenstrooms van de gas toevoer zou plaatsvinden, maar op dezelfde plaats als de gastoevoer, dn.n zou er sprake zijn van een brander (meestal in de reactorwand aangebracht). Hu er echter gescheiden toevoeren voor brandstof en gas zijn, is de afstelling ; en de reparatie of ver- 8004971

' - I

3 vanging van elk afzonderlijk mogelijk geworden, wat de flexibiliteit verhoogt en de kosten verlaagt. De eroderende werking van de brandstof zal slechts de brandstoftoevoer doen slijten, waardoor alleen deze toevoer periodiek vervangen moet worden, ter-5 wijl de gastoevoer in de reactor kan blijven. Dit is uiteraard voordeliger dan het vervangen van complete branders.

Doordat de brandstof nu in een dunne laag min of meer haaks op de stroom zuurstof bevattend gas wordt toegevoerd, bereikt men een regelmatige en vlotte vergassing van de koolstofhoudende 10 brandstof, terwijl de beschikbare reactorruimte zo effectief mogelijk wordt benut. In de praktijk zal men met voordeel de brandstof zodanig toevoeren, dat de gehele doorsnede van de gas-stroom gelijkelijk wordt belast met brandstof. Hierdoor kan de reactorhoogte of -lengte beperkt blijven.

15 De reactor zal bij voorkeur verticaal worden opgesteld. In dat geval zal het zuurstof bevattende gas bij voorkeur in de bodem van de reactor worden toegevoerd en het gevormde synthese-gas in de top van de reactor worden afgevoerd. Deze uitvoeringsvorm vraagt weinig grondoppervlak en is logisch opgebouwd, om-20 dat het gevormde synthesegas door zijn lage soortelijke massa vanzelf naar boven stijgt.

In een voorkeursuitvoering wordt de koolstofhoudende brandstof in gesuspendeerde vorm door een of meer sproeiers aan het einde van een axiale toevoerbuis toegevoerd. Men kan hierbij 25 denken aan een enkele sproeier met een cirkelvormig sproei-patroon op de top van de axiale toevoerbuis of aan een aantal gaten of spleten in de wand van deze buis, nabij de top.

In een andere voorkeursuitvoering wordt de koolstofhoudende brandstof toegevoerd met behulp van een slingerinrichting aan 30 het einde van een axiale toevoerbuis. Het is bijvoorbeeld mogelijk een soort slingerpomp. te gebruiken, waarin een draaibaar elleboogpijpje in rotatie gebracht wordt door de snelheid van de toegevoerde brandstof deeltjes. Bij voorkeur wordt als slingerinrichting echter een centrifugaalpcmp gebruikt.

8004971 * k

Een centrifugaalpomp kan namelijk "behalve de brandstof-deeltjes toevoeren, ook nog een (gas)drukverschil overwinnen. Aangezien de meeste vergassingsreactoren van de toekomst bij hogere dan atmosferische druk zullen worden bedreven, betekent 5 het gebruik van een centrifugaalpomp voor deze twee doeleinden tegelijk een besparing op de benodigde compressie-apparatuur, zoals de omslachtige sluizensystemen. Een dergelijke pomp, die speciaal geschikt is voor de toevoer van vaste deeltjes aan een ruimte onder druk, is beschreven in bijvoorbeeld het Ameri-10 kaanse octrooischrift Ho. k.120.Ul0. Wegens de nogal hoge temperatuur in de reactor moeten speciale maatregelen genomen worden op het gebied van isolatie en lagers·,· waarop hier niet verder ingegaan wordt.

Indien het zuurstof bevattende gas in de bodem in de reac-15 tor wordt gevoerd, komt het op zijn weg naar de top in contact met naar beneden vallende hete brandstof- en/of slakdeeltjes.

Dit heeft twee belangrijke bijkomende voordelen tot gevolg: de zuurstof wordt voorverwarmd terwijl de slak wordt afgekoeld; en de laatste restjes koolstofhoudende brandstof worden door 20 partiële of gehele verbranding uit de slakdeeltjes verwijderd, waarbij de vrijkomende warmte de zuurstof verder opwarmt. In die gevallen waar de slak vloeibaar wordt afgetapt kan het gebeuren dat de slak teveel afkoelt en niet meer wil vloeien, waardoor de afvoer en de bodem zouden dichtgroeien. Om dit te 25 voorkomen kan het nuttig zijn het zuurstof bevattende gas meer voor te verwarmen en/of de toevoer(en) daarvan hoger in de bodem van de reactor te plaatsen.

In de reactor vindt het merendeel van de partiële verbran-dingsreacties plaats op het niveau waar de brandstof is toege-30 voerd. Sommige nog niet volledig vergaste brandstofdeeltjes zullen door de gas stroom over een zekere afstand naar boven worden meegesleurd, voordat ze volledig vergast zijn. Door de hoge concentratie synthesegas en de lage concentratie zuurstof vindt hoger in de reactor nauwelijks de exotherme reactie met 35 zuurstof plaats, maar voornamelijk de endotherme reactie met 80 0 4 9 7 1 ' -1 ^ 5 water en CO^ waarbij CO en Hg ontstaan.

Zo kan men nu drie.zones onderscheiden in de reactor, van onder naar boven: de voorverwarmzone, de exotherme partiele oxidatiezone en de endotherme reductiezone.

5 De brandstof deelt j es worden met zo'n grote snelheid in de reactor gebracht dat ze niet meteen naar beneden vallen, maar ook weer niet zo snel dat ze tegen de tegenoverliggende zijwand aanschieten. In het ideale geval houdt de opwaartse druk van het zuurstof bevattende gas de neerwaarts werkende zwaarte-10 kracht in evenwicht, zodat de brandstofdeeltjes op dezelfde hoogte in de reactor verblijven totdat ze volledig met zuurstof gereageerd hebben. In de praktijk is dit echter niet haalbaar, omdat de brandstofdeeltjes desintegreren gedurende de partiële verbranding, en de lichtere deeltjes gemakkelijker worden mee-15 gesleurd door het zuurstof bevattende gas. Deze deeltjes reageren dan verder in de endotherme zone. De zwaardere deeltjes zullen tegen de gasstroom in iets naar beneden zakken, waardoor ze in een gebied met meer zuurstof komen en sael zullen reageren en dus in stukken uiteenvallen, die vervolgens door 20 de gasstroom weer naar boven worden gedrukt.

De onverbrandbare resten, zoals silicaat, zijn door de hoge temperatuur in gesmolten toestand, en ze vertonen de neiging tot agglomereren. De zwaarste asdeeltjes zakken onder warmteuitwis-seling met de stroom zuurstof bevattend gas naar de bodem van 25 de reactor en vormen daar de slak en as, de lichtere deeltjes verdwijnen door de afvoer met het synthesegas als vliegas.

Met bekende middelen kan men de slak en de as koelen en verwijderen uit respectievelijk de reactor en de afvoer voor synthesegas. De slak wordt bij voorkeur opgevangen in een ring-30 vormig kanaal in de bodem van de reactor. Daaruit kan de vloeibare slak dan worden afgetapt.

Het zuurstof bevattende gas voert men bij voorkeur via een. diffusorachtige opening toe.

8004971 6

Dit resulteert in een "hetere benutting van de hele reactor-ruiate van het zuurstof bevattende gas, en tevens in een snel-heidsvermindering van het gas·. Qp een bepaalde hoogte is de snelheid van het gas zo laag geworden, dat de geïnjecteerde brand-5 stof naar beneden gaat zakken. Bij voorkeur voert men ter hoogte van deze plaats de fijnverdeelde brandstof toe, terwijl op deze wijze een soort schild gecreëerd wordt tussen de oxiderende voor-verwarmzone en de endotherme reductiezone.

Verder zal men de diffusorvorm dan niet laten gaan en zo is 10 dan de diameter van de reactor bepaald als functie van de zuur-stoftoevoersnelheid en de temperatuur. Met andere woorden, op deze hoogte gaat de bodem van de reactor over in de zijwand. Kortom, bij voorkeur voert men de brandstof toe aan de reactor ter hoogte van de plaats waar het zuurstof bevattende gas na-15 genoeg homogeen over de doorsnede van de reactor is verdeeld.

Dit betekent dat de brandstoftoevoer zich op een zodanige afstand (benedenstrooms) van de gastoevoer bevindt, dat een vlak loodrecht op de reactoras door de brandstoftoevoer de reactor-wand snijdt op dezelfde hoogte als het verlengde van het dif-20 fusorachtig gevormde vlak van de gastoevoer.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding ligt de reactie-temperatuur in de orde van 1600°C, bij voorkeur tussen 1300 en 1900°C. De toevoer van koolstofhoudende brandstof bedraagt ca. 0,1-0,9 kg/s/m reactorruimte, terwijl het zuurstof bevattende 25 gas in zodanige hoeveelheden aan de reactor wordt toegevoerd, dat de gewichtsverhouding zuurstof/koolstof ligt tussen 0,6 en 0,8. De druk stelt men bij voorkeur in op een waarde tussen 3 en 60 atmosfeer, in het bijzonder tussen 15 en ^5 atmosfeer.

De uitvinding zal nu verder worden toegelicht aan de hand 30 van de tekening. De figuur stelt een schematische langsdoor-snede van een reactor volgens de uitvinding voor. De koeling, de isolatie, kleppen, thermometers en dergelijke zijn niet aangegeven.

De verticaal opgestelde reactor wordt begrensd door een 35 cilindervormige wand 1, die is opgebouwd uit een aantal koel- 8004971

T

pijpen waardoor stoom onder hoge druk stromen kan. De lengteas van de reactor is aangegeven door 2. De koolstofhoudende brandstof wordt toegevoerd door middel van een centrifugaalpomp, omvattende een axiale toevoerbuis 3 en een daarmee vast verbonden 5 rotor die hol is en voorzien van een nauwe uittreespleet aan de rand. Door de buis 3 aangevoerde kooldeeltjes krijgen in de rotor k een versnelling door de centrifugale werking en zijn zo in staat de druk die in de reactor heerst te overwinnen.

De helling van de diffusorachtige opening 5 van de gastoe-10 voer 6 is zo gekozen, dat het verlengde van deze opening de reactorwand snijdt ter hoogte van de holle rotor De axiale toevoerbuis 3 is halverwege nog voorzien van een kegelvormige afbuigplaat 9 om de zuurstofstroom meer in de juiste richting te geleiden. De gesmolten slak valt rechtstreeks of druipt via 15 de wand 1 in het ringvormoge kanaal T, vanwaar de slak via een niet-getekende afvoer in een waterbad wordt geleid. Het gevormde synthesegas verdwijnt door de afvoer 8, waarna het gekoeld en gereinigd wordt.

VOORBEELD

20 In een reactor van de hierboven beschreven vorm met een in- wendig volume van 12 m werd via de pomp k per uur 30.000 kg fijngemalen koolpoeder met 100 kg stikstof van ^0°C als draag-gas in de reactor geblazen. Het koolpoeder had een gemiddelde deeltjesgrootte van 50 μ en vertoonde op droge en asvrije basis 25 de volgende samenstelling;

C 78,1 gew.SS

H 5,5 ” H 1,2 ,f 0 10,9 " 30 S U,3 "

Het asgehalte bedroeg 12,6 gew.$ en het vochtgehalte bedroeg 2 gew.%. In de reactor heerste een druk van Uo atmosfeer. Door de toevoer werd per uur 25.000 kg gas van 200°C met de volgende samenstelling toegevoerd: 8004971 8 02 99 vol.* \ 0,3

Ar 0,T "

Hieraan werd 6700 kg moderatorstoom meegegeven.

5 Er werd door de uitlaat of afvoer 8 per uur 46.000 kg O · synthese gas van 1500 C met de volgende samenstelling af gevoerd: CO 63,5 vol.* H2 31,8 ' ” C02 0,8 " 10 H2S 1,3 " H20 1,5 " COS 0,1 " 0¾ N2 0,8 " 15 Ar 0,2 "

Het gevormde synthesegas was praktisch vrij van roet en bevatte 3 gew.* vliegas dat in een cycloon werd afgescheiden. De overige vaste resten werden als gesmolten slak afgevoerd via 7 en vielen in een waterbad ter afkoeling. Via een sluizensysteem 20 werd het afgekoelde slak-wateimengsel afgetapt onder handhaving van de hoge druk in de reactor.

8004971

Claims

1. Werkwijze voor de bereiding van synth.esegas door in een reactor fijnverdeelde (vaste) koolstofhoudende brandstof partieel te verbranden met een zuurstof bevattend gas, met het kenmerk, dat het zuurstof bevattende gas aan één van de einden 5 van de reactor axiaal wordt toegevoerd, en dat benedenstrooms van de gastoevoer de brandstof wordt toegevoerd onder een hoek van 90° (+ 20°) met de reactoras van een binnen de reactor gelegen plaats.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 10 zuurstof bevattende gas in de bodem van de reactor wordt toegevoerd en dat het gevormde synthesegas in de top van de reactor wordt afgevoerd.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,· met het kenmerk, dat de koolstofhoudende brandstof wordt toegevoerd in gesuspen- 15 deerde vorm door één of meer sproeiers aan het einde van een axiale toevoerbuis. k. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de koolstofhoudende brandstof wordt toegevoerd met behulp van een slingerinrichting aan het einde van een axiale toevoerbuis.

5. Werkwijze volgens conclusie k, met het kenmerk, dat als slingerinrichting een centrifugaalpomp wordt gebruikt.

6. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men de gevormde slak opvangt in een ringvormig kanaal in de bodem van de reactor.

25 T. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men het zuurstof bevattende gas via een diffusorachtige opening toevoert.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat ter hoogte van de plaats waar het zuurstof bevattende gas nagenoeg 30 homogeen over de doorsnede van de reactor is verdeeld, de brandstof wordt toegevoerd. 8004971

9. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusiess met .het kenmerk, dat men de druk instelt op een waarde tussen 3·-' en βθ atmosfeer.

10. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, 5 met het kenmerk, dat men de temperatuur instelt op een waarde tussen 1300 en 1900°C.

11. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, 3 met het kenmerk, dat men per m reactorruimte ca 0,1-0,9 kg koolstofhoudende brandstof/seconde toevoert.

12. Werkwijze volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men het zuurstof bevattende gas in een verhouding van 0,6 tot 0,8 kg zuurstof per kg koolstof toevoert .

13. Reactor voor de bereiding van synthesegas volgens één of 15 meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat deze omvat een axiale gastoevoer aan één van de einden van de reactor en op enige afstand hiervan, binnen de reactor, een brandstof-toevoer, die een. hoek van 90° (+ 20°) met de reactoras maakt. 1U. Reactor volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de gas-20 toevoer in de reactorbodem en de gasafvoer in de reactortop is aangebracht.

15· Reactor volgens conclusie 13 of *lk, met het kenmerk, dat de brandstoftoevoer bestaat uit een axiale buis met aan het einde binnen de reactor één of meer sproeiers.

16. Reactor volgens conclusie 13 of 1U, met het kenmerk, dat de brandstoftoevoer bestaat uit een axiale buis met aan het einde binnen de reactor een slingerinrichting.

17. Reactor volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de slingerinrichting een centrifugaalpomp is.

18. Reactor volgens één of meer der conclusies 13-17, met het kenmerk, dat een ringvormig kanaal in de bodem van de reactor aanwezig is.

19. Reactor volgens één of meer der conclusies 13-18, met het kenmerk, dat de gastoevoer een diffusorachtige vorm heeft. 8004971 r * I } i .J.

20. Reactor volgens conclusie 19» met het kenmerk, dat de brand-stoftoevoer zich op zodanige afstand van de gastoevoer bevindt, dat een vlak loodrecht op de reactoras door de brandstoftoevoer de reactorwand snijdt op dezelfde hoogte als het verlengde van 5 het diffusorachtig gevormde vlak van de gastoevoer.

21. Synthesegas, met het kenmerk, dat het bereid is volgens een werkwijze volgens êén of meer der conclusies 1-12.

22. Werkwijze voor de bereiding van synthesegas, in hoofdzaak zoals beschreven in de voorafgaande beschrijving en toegelicht 10 aan de hand van het Voorbeeld.

23. Reactor in hoofdzaak zoals beschreven in de voorafgaande beschrijving en toegelicht aan de hand van de tekening. 8004971