NL8201175A

NL8201175A - Werkwijze en inrichting voor het bereiden van synthesegas.

Info

Publication number: NL8201175A
Application number: NL8201175A
Authority: NL
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1982-03-22
Publication date: 1983-10-17
Also published as: ZA831959B; DE3310200A1; AU552514B2; AU1264783A

Description

éi ' '£

g 6kk9 MET

WERKWIJZE EU INRICHTING VOOR HET BEREIDEN VAN SYNTHESEGAS

De uitvinding heeft "betrekking op een werkwijze voor het "bereiden van synthesegas door partiele verbranding van een kool-stofhoudende "brandstof met een zuurstof "bevattend gas in een reactor waarbij het synthesegas bij de top en slak bij de 5 bodem van de reactor wordt afgevoerd.

Bij de partiele verbranding van een koolstofhoudende brandstof met nagenoeg zuivere zuurstof als. zuurstof bevattend gas wordt synthesegas gevormd dat voornamelijk uit koolmonoxide en waterstof bestaat. Wanneer als zuurstof bevattend gas lucht of 10 met zuurstof verrijkte lucht wordt gebruikt, bevat het gevormde synthesegas natuurlijk ook veel stikstof. Older de koolstofhoudende brandstof verstaat men bij voorkeur steenkool of een andere vaste brandstof, zoals bruinkool, turf, hout, e.d., maar ook. vloeibare brandstoffen, zoals, olie uit teerzand of leisteenolie, 15 zijn mogelijk.

Bij voorkeur wordt ook een moderator in de reactor gevoerd.

Het doel van de moderator is een matigend effect uit te oefenen op de temperatuur in de reactor. Dat wordt bewerkstelligd door een endotherme reactie tussen de moderator en de reactanten en/of 20 produkten van de synthesegasbereiding. Geschikte moderatoren zijn stoom en kooldioxide.

De reactor waarin de synthesegasbereiding plaatsvindt kan de vorm bezitten van een bol, een kegel, een blok of een cilinder.

Bij voorkeur bezit de reactor in hoofdzaak de vorm van een 25 cirkelcilinder.

De toevoer van de koolstofhoudende brandstof en het zuurstof bevattende gas kan plaatsvinden door de bodem van de reactor.

Ook is het mogelijk. een van de reactanten door de bodem van de reactor toe te voeren en éên of meer andere door de zijwand van 30 de reactor. Bij voorkeur echter worden zowel de brandstof alsook 8201175 ft, 2 het zuurstof "bevattende gas en de moderator door de zijwand van de reactor toegevoerd. Met voordeel geschiedt dit door middel van ten minste 2 "branders die symmetrisch ten opzichte van de reactoras zijn aangebracht in een laag gelegen deel van de 5 zijwand.

De bij de verbrandingsreactie gevormde vloeibare slak valt voor het grootste deel omlaag en wordt afgevoerd door de slak-afvoer die zich in de bodem van de reactor bevindt. Een gedeelte van de slak wordt echter in de vorm van kleine druppeltjes door 10 het synthesegas meegevoerd en verlaat de reactor via de gasaf-voer bij de top-van de reactor. De aanwezigheid van slakdrup-peltjes in het gas kan hinderlijk zijn. Wanneer het gas wordt afgekoeld in een afvalwarmteketel worden de druppeltjes plakkerig en- kunnen ze een verstopping veroorzaken. Om dit tegen te 15 gaan wordt het gas eerst afgeschrikt, bij voorkeur door injectie van koud gas, water en/of stoom erin, zodat de druppeltjes stollen. Het gas wordt dan met de slak, die zich nu in de vorm van vaste, niet kleverige deeltjes bevindt, in de afvalwarmteketel gevoerd. Hierna volgt de afscheiding van de vaste slakdeel-20 tjes uit het gas. Dit geschiedt bijvoorbeeld door middel van een cycloon en door enige malen wassen van het gas met water. Omdat er ondanks al deze voorzorgen toch nog een kleine kans op verstopping bestaat beoogt de onderhavige uitvinding te voorzien in een bereiding van synthesegas waarbij aanzienlijk minder slak-25 druppeltjes met het synthesegas de reactor verlaten.

De onderhavige uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze voor het bereiden van synthesegas door partiele verbranding van een koolstofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas in een reactor, waarbij het synthesegas bij de top en 30 slak bij de bodem wordt af gevoerd, met het kenmerk, dat het synthesegas in de reactor langs een of meer aan de wand aangebrachte schotten wordt geleid,

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inrichting bestaande uit een reactor voor het bereiden van synthesegas met 8201175 · * 3 een afvoer voor liet synthesegas: "bij de top en een afvoer van . slak in de bodem, met bet kenmerk, dat de reactor is voorzien van een of meer beerschotten die aan de wand zijn aangebracht.

De keerschotten veranderen de richting van de gasstroom.

5 Wanneer de met slakdruppeltj es beladen stroom synthesegas langs de keerschotten wordt geleid, komen de slakdruppeltjes ten gevolge van hun traagheid in botsing met de keerschotten, hechten zich daaraan en zo wordt de gasstroom van slakdruppeltjes ontdaan.

De opgevangen vloeibare slak druipt van de keerschotten af en 10 valt omlaag naar de slakafvoer in de bodem van de reactor.

Omdat de opgevangen druppeltjes zich op de keerschotten verzamelen en samenvloeien en als straaltjes en/of grote druppels omlaag vallen, worden ze niet alsnog meegevoerd met het omhoog stromende gas. Bovendien komt de slak op deze manier weer in 15 contact met het zuurstof bevattende gas dat in de reactor wordt toegevoerd. Zo wordt ook de koolstof die er nog in restte, alsnog verbrand.

De keerschotten veranderen niet alleen de gasstroom van richting, maar ook veroorzaken zij een drukval. Wanneer een 20 keerschot een klein oppervlak heeft wordt de richting van de gasstroom niet sterk afgebogen en er heerst een kleine drukval over het keerschot. Is de oppervlakte van een keerschot groot, dan is zowel de afbuiging van de gasstroom als de drukval over het keerschot groot. Om een behoorlijke afbuiging en een niet 25 te grote drukval te verkrijgen worden bij voorkeur dusdanige keerschotten in de reactor aangebracht dat elk der keerschotten een zodanige oppervlakte bezit dat hij 50$ tot 75$ bedraagt van de oppervlakte van een reactordoorsnede, loodrecht op de re-actoras, op de plaats raar het desbetreffende keerschot aan de 30 wand is aangebracht.

Bij voorkeur zijn de keerschotten schuin omlaag gericht naar het midden van de reactor en zijn ze zodanig in de reactor aangebracht dat zij onder een hoek van 40° tot 70° met de verticale as van de reactor staan. Dit heeft als voordeel dat de richting 820 1 1 75 van de gasstroom meer -wordt veranderd dan bij keerschotten die loodrecht op de verticale as van de reactor zijn aangebracht.

Een tweede voordeel bestaat hierin, dat de slakdruppeltjes nu op de schuine schotten omlaag stromen en. omlaag vallen naar de slak-5 afvoer.

Geprefereerd wordt elk der keerschotten zodanig te krommen dat zijn laagste punt op een niet aan de reactorwand grenzende rand van het desbetreffende keerschot ligt. Dit laagste punt vormt zo een zogenaamd druppelpunt. De kleine slakdruppeltjes 10 vloeien samen én de slak stroomt naar dit druppelpunt en van hieruit valt de slak in de vorm van grotere druppels of van straaltjes omlaag naar de slakafvoer. Het voordeel van de kromming van de keerschotten is dus dat de vorming van straaltjes of grotere druppels wordt bevorderd.

15 De uitvinding is niet beperkt tót keerschotten met een druppelpunt; ook keerschotten zonder of met 2 of meer druppelpunt en zijn mogelijk.

De keerschotten kunnen vele vormen hebben. Betrekkelijk eenvoudig zijn keerschotten aan de wand aan te brengen die vlak 20 zijn of de vorm bezitten van een deel van een kegel- of cilinder-, mantel of van een deel van een bol-oppervlak. Een voorkeursuit voering van de inrichting-volgens de onderhavige, uitvinding bezit keerschotten, die afwisselend bestaan uit platen met een gat en uit platen die boven dat gat zijn aangebracht (zoge-25 naamde disc-and-doughnut-conatructie). Met voordeel liggen de middelpunten van de gaten en van de platen boven de gaten op de as van de reactor. Noodzakelijk is dat evenwel niet. Bij voorkeur bezitten de platen met een gat de vorm van een afgeknotte kegelmaatel, waarbij het oppervlak van deze platen 30 schuin omlaag naar het midden van de reactor is gericht. Een geschikte vorm van de platen boven de gaten is die van een kegel. De "disc-and-doughnut"-constructie heeft als extra voordeel dat de gasstroom symmetrisch ten opzichte van de reactor-as naar de gasafvoer stroomt. Het is geschikt de platen met een 35 gat en/of de platen boven de gaten te voorzien van êén of meer druppelpunten.

82 0 1 1 75 5

Het Is mogelijk keerschotten van verschillende vorm in een reactor toe te passen.

De beerschotten kunnen geschikt van vuurvast materiaal worden vervaardigd of met zulk materiaal worden bekleed. Bij 5 voorkeur worden ze gekoeld. De koeling zorgt ervoor, dat een gedeelte van de slakdruppeltjes die zich aan de keerschotten hechten, stolt. Er mag niet te veel slak stollen, daar de keerschotten te zwaar zouden worden beladen, hetgeen schade zou kunnen veroorzaken aan de keerschotten. Bij grote slakafzetting 10 wordt de doorgang voor het gas geringer en wellicht zelfs, te gering, zodat de drukval ontoelaatbaar toeneemt. Een dun laagje vaste slak echter beschermt de keerschotten tegen de corrosieve werking van de vloeibare slak. De koeling moet derhalve zodanig afgesteld zijn dat slechts een dun laagje slak stolt.

15 De keerschotten zijn derhalve met voordeel voorzien van middelen ter koeling ervan. Geschikt zijn buizen die in de keerschotten zijn gelegen en waardoor een koelmiddel, zoals water of stoom, stroomt.

Wanneer de reactor is uitgerust met een pijpenwand, is- het 20 doelmatig ook de keerschotten als pijpenbundels uit te voeren.

Het is dan mogelijk de pijpenwand zodanig te vormen dat gedeelten van de pijpenwand naar binnen toe afgebogen zijn en zo keerschotten vormen. Ook is het mogelijk de keerschotten als pijpen-bundel te vervaardigen en te bevestigen aan de pijpenwand van de 25 reactor. Hier vormen de keerschotten zelf de middelen te hunner koeling.

Het aantal keerschotten bedraagt bij voorkeur 2 of meer. Het maximum-aantal wordt, bepaald door constructieve en proces-tech-nische mogelijkheden en beperkingen. Het maximum-aantal bedraagt 30 geschikt 5·

Bij.-.voorkeur worden de keerschotten aan de wand aangebracht op een onderlinge afstand van 0,5 tot2 m. De onderlinge afstand mag niet te klein zijn om de drukval over de keerschotten niet te groot te laten worden. Anderzijds mag de afstand niet te groot 8201175 β worden daar anders het afscheidend effect van de beerschotten te klein wordt en de reactor te hoog zou moeten worden.

De werkwijze en de inrichting volgens, de uitvinding hebben nog een voordelig effect. In een reactor zonder beerschotten 5 vindt terugmenging van de produbten met de reactanten plaats (bacb-mixing). Dat heeft tot gevolg dat een gedeelte van het gevormde synthesegas weer in contact wordt gebracht met het zuurstof bevattende gas, waardoor koolmonoxide in kooldioxide overgaat en waterstof in water. Omdat bij voorbeur de hoeveel-10 heden koolstof in de brandstof en zuurstof in het zuurstof bevattende gas zodanig worden geregeld dat er voldoende zuurstof is voor de partiele verbranding van de kool, en er door de vorming van kooldioxide en water een ongewenste hoeveelheid zuurstof verbruikt wordt, blijft een gedeelte van de koolstof 15 onverbrand, indien er terugmenging optreedt. Door gebruik te maken van een betrekkelijk hoge reactor, wordt dit nadeel ondervangen en reageert de koolstof alsnog uit met de zuurstof en kooldioxide. Door de aanwezigheid van de beerschotten treedt in de reactor volgens de onderhavige uitvinding veel minder terug-20 menging op. De reactor lijkt meer op een ideale propstroom- reactor. Dat heeft tot gevolg dat eventuele koolstof op de slak-druppeltjes beter uitreageert met de zuurstof en eventueel gevormd kooldioxide. De opbrengst aan koolmonoxide wordt derhalve hoger. Volstaan kan worden met een minder hoge reactor dan vol-25 gens de stand van de techniek nodig is, daar door de betere prop-stroomvorming de koolstof sneller uitreageert.

De uitvinding zal nu worden verduidelijkt aan de hand van de figuren 1 en 2, waartoe de uitvinding overigens geenszins is beperkt. Figuur 1 stelt een schematische langsdoorsnede van de re-30 actor volgens de uitvinding voor. Figuur 2 toont een andere uitvoeringsvorm hiervan. Isolatie, koeling, regel- en controle-apparatuur zijn niet in de figuren aangegeven.

Figuur 1 toont een reactor 1 voor de bereiding van synthesegas. Via branders 2 in de zijwand van de reactor worden koolstof- 8201175 7 houdende "brandstof, een zuurstof "bevattend gas en eventueel een moderator in de reactor 1 gevoerd. De reactie levert synthesegas; en slak. op. Het merendeel van de slak verlaat de reactor 1 via een slakafvoer 3 in de "bodem van de reactor 1. Het synthesegas 5 stroomt omhoog langs beerschotten die schuin aan. de reactor-wand zijn aangebracht·. De beerschotten k hebben in de figuur de vorm van een gedeelte van een met de top naar beneden gerichte kegelmantel. De top van de kegel vormt zo een druppelpunt 5. Slakdruppeltjes die met het synthesegas -worden meegevoerd hechten 10 zich. aan de beerschotten k. Vervolgens stroomt deze slak naar de druppelpunten 5 en valt in grote druppels en straaltjes omlaag.

De slak die zich aan het onderste beerschot hecht en omlaag valt, komt direct in de slakafvoer 3 terecht. De andere afgevangen slak valt eerst op een beerschot voordat hij de slakafvoer 3 bereikt. 15 Het gereinigde synthesegas verlaat de reactor 1 via een gasaf-voer 6 bij de top van de reactor.

In figuur 2 bezit de reactor 1 ook de branders 2, de slakafvoer 3 en de gasafvoer 6. De beerschotten hebben hier de vorm van "discs" 8 en "doughnuts" 9. De discs zijn door middel van 20 steunen aan de wand verbonden. De steunen bestaan bijvoorbeeld uit pijpen die tevens dienen om koelmiddel naar en van de discs te voeren. (-Deze steunen zijn niet in de figuur aangegeven). VOORBEELD

In een reactor, zoals beschreven in figuur 1, met een inhoud

O

25 van 1,3 mJ werden via de branders per uur h-378 kg koolpoeder in 516 kg stikstof, kk$>9 kg zuurstof bevattend gas. en 15^ -kg stoom toegevoerd.

Het koolpoeder had een gemiddelde deeltjesgrootte van βθ μ en bezat op droge en asvrije basis de volgende samenstelling: 30 C 80,78 gew.$ H 5,27 " H 3,61 " .

0 11,52 " S 0,82 " 820 1 1 75 8

Eet asgehalte bedroeg 7S13 gew.# en het vochtgehalte 0,48 gew.%. Het zuurstof bevattende gas bezat de volgende samenstelling: 02 99>90 gew.# 5 N2 0,02 "

Ar 0,08 "

De druk in de reactor bedroeg 26 bar.

Via de gasafvoer werden per uur 8900 kg droog synthesegas van 19°C met de volgende samenstelling af gevoerd: 10 CO 66,2 vol.# H2 24,2 " C02 3,3 " ïï2 6,0 " H2S 0,2 ”

15 HgO 760 ppniv K

COS 240 " CH^ 100

Ar 400 "

De hoeveelheid slak die via de slakafvoer werd afgetapt 20 bedroeg 256 kg per uur.

Per uur werden 90,2 kg slak met het synthesegas meegevoerd. Het koolstofgehalte op de slak was 10,7 gev.%.

VERGELIJKEND EXPERIMENT

Ter vergelijking werd hetzelfde proces uitgevoerd in een 25 reactor die in hoofdzaak gelijk was aan die welke gebruikt was in het Voorbeeld, maar die geen keerschotten bevatte. De samenstelling van het synthesegas bedroeg in dit geval: -9- 3£ ppmv = volumedelen per miljoen volumedelen 820 1 1 75 9

CO 65,5 vol.X

H2 2k,2 ” co2 k90 " H2 6,0 n 5 HgS 0,2 "

HgO 800 ppmv cos 260 " 0¾ 95

Ar bOO ” 10 De hoeveelheid afgevoerd droog synthesegas bedroeg 8820 hg per uur.

De hoeveelheid slak die per uur via de slakafvoer werd afgetapt bedroeg UI kg.

De slak die door het synthesegas werd meegevoerd bezat een 15 koolstofgehalte van 19 »6 gew.$. De hoeveelheid van deze slak bedroeg 267 kg per uur.

Door de resultaten van het Voorbeeld te vergelijken met die bereikt in het vergelijkende experiment kan men zien dat men door de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding toe 20 te passen een zuiverder produktgas in een hogere opbrengst verkrijgt, 8201175

Claims

1. Werkwijze voor het "bereiden van synthesegas door partiële verbranding van een koolstofhoudende brandstof met een zuurstof bevattend gas in een reactor, waarbij het synthesegas bij de top en slak bij de bodem van de reactor wordt afgevoerd, met 5 het kenmerk, dat het synthesegas in de reactor langs één of meer aan de wand aangebrachte keerschotten wordt geleid.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk van de keerschotten een zodanige oppervlakte bezit dat hij 50l tot 15% bedraagt van de oppervlakte van de reactordoorsnede, lood- 10 recht op de reactoras., op de plaats waar het desbetreffende keerschot aan de wand is aangebracht.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de keerschotten onder een hoek van to0 tot 70°, met de verticale as van de reactor, schuin omlaag naar het midden van de reactor 15 gericht, aan de wand zijn aangebracht. k. Werkwijze volgens één of meer der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat elk der keerschotten zodanig gekromd is dat zijn laagste punt op een niet aan de reactorwand grenzende rand van het desbetreffende keerschot ligt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de keerschotten afwisselend bestaan uit platen met een gat en uit platen die boven het gat zijn aangebracht.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de platen met een gat de vorm hebben van een afgeknotte kegelmantel. 25 7· Werkwijze volgens één of meer der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de keerschotten worden gekoeld.

8. Werkwijze volgens één of meer der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het aantal keerschotten 2 tot 5 bedraagt.

9· Werkwijze volgens één of meer der voorafgaande conclusies, 30 met het kenmerk, dat de onderlinge afstand tussen de keerschotten 0,5 tot 2 m bedraagt. 8201175 n

10. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 tot 9» bestaande uit een reactor voor het bereiden van synthesegas met een afvoer voor het synthesegas bij de top en een afvoer voor slak. in de bodem, met het kenmerk, 5 dat de reactor is voorzien van een of meer keerschotten die aan de wand zijn aangebracht.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat elk van de keerschotten een. zodanige oppervlakte bezit dat hij 5Q% tot 15% bedraagt van de oppervlakte van een reactordoorsnede, 10 loodrecht op de reactoras, op de plaats waar het desbetreffende keerschot aan de wand is aangebracht.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de keerschotten onder een hoek van ^0° tot 70° met de verticale as van de reactor, schuin omlaag naar het midden van de reactor 15 gericht, aan de wand zijn aangebracht.

13. Inrichting volgens een of meer der conclusies 10 tot 12, met het kenmerk, dat elk der beerschotten zodanig gekromd is dat zijn laagste punt op een niet aan de reactorwand grenzende rand van het desbetreffende keerachot ligt.

14. Inrichting volgens conclusie 10 of 13, met het kenmerk-, dat . de keerschotten afwisselend bestaan uit platen met een gat en uit platen die boven het -gat zijn aangebracht.

15· Inrichting volgens conclusie 1^, met het kenmerk, dat de platen met een gat de vorm hebben van een afgeknotte kegelmantel. 25 16. Inrichting volgens een of meer der conclusies 10 tot 15, met het kenmerk, dat de keerschotten zijn voorzien van middelen ter koeling ervan.

17· Inrichting volgens éên of meer der conclusies 10 tot 16, met het kenmerk, dat het aantal keerschotten 2 tot 5 bedraagt.

18. Inrichting volgens êên of meer der conclusies 10 tot 17, met het kenmerk, dat de onderlinge afstand tussen de keerschotten 0,5 tot 2 m bedraagt.

19· Inrichting volgens conclusie 10, zoals boven beschreven, onder speciale verwijzing naar de figuur. 8201175

20. Werkwijze volgens conclusie 1, zoals hiervoor beschreven, onder speciale verwijzing naar het Voorbeeld.

21. Synthesegas voor zover bereid volgens de werkwijze volgens één of meer der conclusie 1 tot 9. 8201175