WO2002014455A1 - Verfahren zum vergasen von kohlenstoffhältigen stoffen, wie abfall oder schwefelhältiger kohle - Google Patents

Verfahren zum vergasen von kohlenstoffhältigen stoffen, wie abfall oder schwefelhältiger kohle Download PDF

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Ernst Rudelstorfer
Bruno Berger
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Rotec Engineering Gmbh & Co Kg
Ernst Rudelstorfer
Bruno Berger
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Definitions

  • the invention relates to a process for the gasification of carbon (in elemental or chemically bound form) containing, in particular solid, substances.
  • solid waste materials, biomass, such as wood, or sulfur-containing coal or mixtures of such substances can be gasified in a fluidized bed, water vapor and oxygen being added to the fluidized bed as a gasifying agent and in which post-gasification is carried out in the open space above the fluidized bed by supplying oxygen.
  • the heat recovery is not carried out at the highest temperature level for reasons of high-temperature corrosion.
  • the highly temperature-resistant, nickel-alloyed materials at wall temperatures above 540 ° C are destroyed in the presence of chlorine and sulfur in the reaction gas.
  • Conventional processes therefore first use the high temperature of the outflowing reaction gases to generate saturated steam at a comparatively low temperature level.
  • the invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset, in which the disadvantages of the known method do not occur and the heat recovery is improved.
  • the reaction gases emerging from the reaction space at high temperature (these can have a temperature in the range of 1000 ° C.) can be used to overheat and / or generate water vapor.
  • the total energy requirement when carrying out the method according to the invention can thus be kept within limits, although more water vapor is supplied, contrary to the prior art.
  • the superheating of water vapor by the hot reaction gases to a temperature above 540 ° C. is supported by the low pressure difference from one side to the other of the heat exchange surface of the superheater in the method according to the invention.
  • the pressure difference is kept small, namely for example to less than 1000 mbar, preferably to values below 500 mbar.
  • Another disadvantage of the known process is that the gasification is incomplete and the reaction gas contains higher organic carbon compounds, such as aromatics (naphthalene), phenols and tar.
  • water vapor maintains a molar ratio of water vapor supplied to (elemental or chemically bound) carbon contained in the substances to be gasified or optionally additionally added carbon of at least 2.1, the cracked compounds of the waste material no longer recombine heavy compounds and there is a cleaner reaction gas compared to the known method.
  • the molar ratio between the water vapor supplied and the carbon contained in the substance to be gasified can be increased to 4.0, in particular to 3.5, in the process according to the invention.
  • the amount of water vapor supplied in the process according to the invention which is increased compared to known methods, results in a clean reaction gas, the increased energy expenditure required for generating the water vapor being able to be compensated for at least in part by the fact that the heat content of the water vapor supplied forms the fluidized bed maintains a temperature which is advantageous for carrying out the method according to the invention and lowers the substance to be gasified to this temperature.
  • oxygen can be supplied in the form of air, in the form of oxygen-enriched air or in the form of technically pure oxygen.
  • the state of the fluidized bed in the process according to the invention is in itself arbitrary.
  • bubble-forming or circulating fluidized bed can be used, a bubble-forming fluidized bed being preferred, since this allows sufficient dwell times and downstream dust separators (cyclones) are unnecessary.
  • Sub-atmospheric pressure or excess pressure can be maintained in the reaction space when the method according to the invention is carried out.
  • the subatmospheric pressure is generally between 15 and 5 mbar, preferably 10 mbar. Pressure is usually set to a value in the range 100 mbar to 5 'bar.
  • the drawing shows schematically a plant in which the method according to the invention can be carried out.
  • an inflow base 2 for example designed as a pipe distributor, is provided at the bottom.
  • a line 3 for the supply of oxygen and a line 4 for the supply of superheated steam open into the reactor 1.
  • the fluidized bed 5 is located above the inflow floor 2.
  • the substances to be gasified for example waste materials or coal containing sulfur, are fed via a feed tank 6, a cellular wheel sluice 7 and a screw conveyor 8 just above the fluidized bed 5, which is preferably a bubble-forming fluidized bed 5 is formed, abandoned in the reactor 1.
  • An oxygen line 10 opens into the area 9 of the interior of the reactor 1, which is located above the fluidized bed 5 and in which post-gasification is supplied, the oxygen supplied exiting into the space 9 via nozzles 11 arranged in one plane.
  • the steam generator 14 is made from a steam drum 15 into which boiler feed water 16 is fed via a line is initiated, supplied with water via a line 17. Steam generated in the steam generator 14 flows back into the steam drum 15 via a line 18. Steam from the steam drum 15 is fed to the steam superheater 13 via a line 19.
  • the outlet of the steam superheater 13, from which steam emerges at a temperature of, for example, 800 ° C., is connected to the line 4.
  • Reaction gas 21 emerges from the space 12 via a line 21 and can be supplied for further use via this line 21.
  • Ash can be discharged downward from the reactor 1 via a line 20.
  • Waste from household waste or selected special waste is processed, whereby metals, stones and glass are separated.
  • the size of the pieces is standardized to suitable sizes, preferably with dimensions between 6 mm and 60 mm, by shredding pieces that are too large and agglomerating pieces that are too small.
  • a thermal treatment of the waste materials is also preferred in order to dry them and to remove water substances from the waste materials.
  • the preparation is carried out by grinding the feedstock. Due to the slower gasification reaction with coal, a small particle size is required.
  • the substances to be gasified are fed into the fluidized bed 5, for example via the lock 7 and the screw conveyor 8.
  • thermoplastic waste materials can be liquefied and pressed directly into the reactor 1.
  • the gasification takes place in the fluidized bed 5 with the addition of superheated steam and oxygen, the addition taking place through the inflow floor 2 of the fluidized bed 5.
  • the procedure can be such that oxygen (or air or air enriched with oxygen) is still mixed with the water vapor in its feed line.
  • a bed of fine-grained particles is loosened by the upward flowing gas (oxygen and water vapor) and kept in suspension.
  • Advantages of a fluidized bed 5 include, among other things, a uniform temperature in the fluidized bed 5 as a result of the intensive mixing of the solids and easier handling of the solids due to the fluid-like behavior of the fluidized bed 5.
  • the fluidized bed 5 generally consists of inert quartz sand or of not yet gasified coal particles in the gasification of sulfur-containing coal.
  • the maximum achievable temperature of the fluidized bed 5 is predetermined by ingredients, primarily inorganic substances, of the substances to be gasified. Above a critical temperature which is dependent on the type of ingredients, these substances soften and lead to the fluidized bed 5 sticking.
  • the process according to the invention is therefore preferably carried out in such a way that this critical temperature which is dependent on the type of ingredients is not reached.
  • the gas emerging from the fluidized bed 5 is fed to a post-gasification stage.
  • the post-gasification is carried out in the free space 9 above the fluidized bed 5 by inputting additional oxygen.
  • 5 nozzles 11 are arranged above the fluidized bed, through which oxygen is injected.
  • the cooling of the reaction gas is combined with the generation of superheated steam, which is advantageous for the method according to the invention. Also during cooling of the reaction gases, the presence of excess steam in the reaction gas has a favorable, kidney as light cracking products do not or no appreciable off 'measure recombined to heavies'.
  • the heat content of the hot reaction gases is preferably used to heat steam in the superheater 13 to high temperatures, the heat exchange taking place at a low pressure difference from steam to reaction gases.
  • the pressure difference is kept low, that is to say to a value below 1000 mbar, in that the steam is led directly from the superheater 13 to the fluidized bed 5 and the reaction gases generated there with the steam are fed directly back to the superheater 13.
  • the pressure difference from steam to reaction gases in the superheater 13 therefore arises only from the flow pressure losses in the line 4, including the distribution in the inflow floor 2, the flow pressure loss in the fluidized bed 5 and the flow pressure losses back to the superheater 13 in rooms 9 and 12.
  • the above-mentioned Devices that contribute to the pressure difference are preferably designed such that overall there is only a slight pressure loss.
  • the pressure of the steam generated in the line 19 is reduced before it enters the superheater 13.
  • the pressure can be reduced, for example, by means of a small-sized pipeline 19, a control valve or a steam turbine.
  • the fluidized bed 5 is subjected to a vapor amount of 22.2 mg / h, so that a molar ratio of water vapor to carbon contained in household waste of 2.4 is achieved in the gas phase.
  • the amount of steam to be supplied was calculated as follows in the present example:
  • the temperature of the water vapor introduced into the fluidized bed 5 is 800 ° C.
  • the average temperature of the fluidized bed 5 is 650 ° C. This temperature is reached and maintained by adding 3.1 mg / h of oxygen.
  • a further 3.2 mg / h of oxygen are supplied to the reaction gas leaving the fluidized bed 5 for after-gasification via the nozzles 11, so that a temperature of the reaction gas of 1050 ° C. is established in the after-gasification zone 9.
  • the post-gasification zone 9 is dimensioned so large that an average residence time of the reaction gas at the temperature mentioned is maintained on average of 2 s.
  • the pressure of the reaction gases as they emerge from the fluidized bed 5 or in the afterburning zone 9 is 140 mbar. From fluidized bed 5 to entry into the overheating zer 13 is found in the reaction gases only a barely noticeable loss of flow pressure, so that the pressure in the superheater 13 is about 140 mbar.
  • the pressure difference over the fluidized bed 5 is about 110 mbar and about 35 mbar over the steam supply line 4 including the distributor base 2. The pressure difference is thus a total of 145 mbar or the pressure of the superheated steam at the outlet of the superheater 13 is 285 mbar.
  • the heat-exchanging wall of the superheater 13 consists of ceramic material or of a nickel-free Cr-Mo steel alloy, which has sufficient resistance to the present high-temperature corrosion and strength at the given differential pressure.
  • ceramic material small leakages of superheated steam into the reaction gas can occur due to porous material connections. However, the leaks are not a problem for the process.
  • the reaction gas is cooled to approximately 200 ° C.
  • the steam generator 14 is designed in accordance with the low corrosion load from conventional, low-alloy boiler structural steel.
  • the final cooling to 35 ° C takes place by injecting cold water.
  • the reaction gas (amount 23,400 NrnVh) has the following average amount and composition:
  • the calorific value of the reaction gas is 68.1 MW.
  • solid waste materials containing carbon or carbon compounds such as processed household waste, plastic waste, industrial waste, car tires, and biogenic waste, can each be gasified with a pollutant content.
  • the minimum calorific value of the waste materials is preferably around 9 MJ / kg.
  • waste materials with a minimum calorific value below 9 MJ / kg can also be gasified by the process according to the invention if carbon in the form of coke or coal is added to the waste materials.
  • Sulfur-containing coal or biomass can also be gasified using the method according to the invention.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Vergasen von festen Stoffen (Abfallstoffe, Biomasse (Holz), schwefelhaltige Kohle) in einem Wirbelschichtbett (5) wird in das Wirbelschichtbett als Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff eingeblasen. Geringe energetische Verluste werden durch starke Überhitzung des Wasserdampfs mit heißen Reaktionsgasen erzielt, wobei der Überhitzer bei nur geringer Differenzdruckbelastung arbeitet. Die das Wirbelschichtbett (5) verlassenden Reaktionsgase werden im Freiraum (9) über dem Wirbelschichtbett (5) im Reaktor (1) unter Zufuhr zusätzlichen Sauerstoffs nachvergast. Dabei wird ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf zu im zu vergasenden Stoff enthaltenem Kohlenstoff von wenigstens 2,1 eingestellt.

Description

Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Stoffen, wie Abfall oder schwefelhaltiger Kohle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von Kohlenstoff (in elementarer oder chemisch gebundener Form) enthaltenden, insbesondere festen, Stoffen. Beispielsweise können feste Abfallstoffe, Biomasse, wie Holz, oder schwefelhaltige Kohle oder Mischungen solcher Stoffe in einem Wirbelschichtbett vergast werden, wobei dem Wirbelschichtbett als Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff zugeführt werden und bei dem im Freiraum über dem Wirbelschichtbett durch Zuführen von Sauerstoff eine Nachvergasung ausgeführt wird.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird dem Wirbelschichtbett Wasserdampf in einer Menge zugeführt, die ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf zu im Abfallstoff enthaltenem Kohlenstoff von 0,37 bis 0,62 ergibt (vgl. Scharpff, Jens-Tilo in: "Vergasung von Kunststoffen und backender Steinkohle in der Wirbelschicht", Berichte aus der Eisenhüttenkunde, Band 9/95, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen) .
Bei den bekannten Verfahren wird die Wärmerückgewinnung aus Gründen der Hochtemperaturkorrosion nicht auf höchstem Temperaturniveau durchgeführt. Unter den bei der Vergasung herrschenden reduzierenden Bedingungen werden bei Anwesenheit von Chlor und Schwefel im Reaktionsgas die hochte peraturfesten, mit Nickel legierten Werkstoffe bei Wandtemperaturen über 540 °C zerstört. Herkömmliche Verfahren nützen daher die hohe Temperatur der abströmenden Reaktionsgase zuerst zur Erzeugung von Sattdampf auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, bei dem die Nachteile des bekannten Verfahrens nicht auftreten, und die Wärmerückgewinnung verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die mit hoher Temperatur aus dem Reaktionsraum austretenden Reaktionsgase (diese können eine Temperatur im Bereich von 1000°C haben) dazu herangezogen werden, Wasserdampf zu überhitzen und/oder zu erzeugen. So kann der Gesamtenergiebedarf beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Grenzen gehalten werden, obwohl entgegen dem Stand der Technik mehr Wasserdampf zugeführt wird.
Das Überhitzen von Wasserdampf durch die heißen Reaktionsgase auf eine Temperatur über 540°C wird durch den beim erfindungsgemäßen Verfahren niedrigen Druckunterschied von der einen zur anderen Seite der Wärmeaustauschfläche des Überhitzers unterstützt. Bei dem erfindungsgemäßem Verfahren wird der Druck- unterschied klein gehalten, nämlich beispielsweise auf weniger als 1000 mbar, bevorzugt auf Werte unter 500 mbar. Neben der korrosionsmäßigen Beanspruchung treten nur geringe mechanische Beanspruchungen der Wärmeaustauschfläche auf. Durch die geringe mechanische Beanspruchung ist die Verwendung von hochwarm- festen Werkstoffen, wie nickellegierte Stähle oder Nickelbasislegierungen, nicht erforderlich und es können für die Wärmeaustauschfläche hitzefeste, korrosionsbeständige Werkstoffe, wie Cr-Mo-Stähle oder keramische Werkstoffe verwendet werden.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist es weiters, daß die Vergasung unvollständig ist und im Reaktionsgas höhere organische Kohlenstoff-Verbindungen, wie Aromaten (Naphtalin) , Phenole und Teer enthalten sind.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll eine wirksame und vollständige Vergasung von Stoffen, wie Abfallstoffen, beispielsweise aus Hausmüll ausgewähltem Sondermüll, Biomasse (Holz u.dgl.) oder schwefelhaltige Kohle, möglich sein. Dies kann in einer Ausführungsform der Erfindung - diese Ausführungsform kann auch bei einem Verfahren zum Vergasen von Feststoffen verwirklicht werden, bei dem der im unabhängigen Anspruch 1 genannte Druckunterschied nicht klein ist - dadurch erreicht werden, daß das molare Verhältnis von dem Wirbelschichtbett zugeführtem Wasserdampf zu im zu vergasenden Stoff enthaltenem Kohlenstoff auf wenigstens 2,1 eingestellt wird.
Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Wasserdampf ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf zu in den zu vergasenden Stoffen enthaltenem (elementarem oder chemisch gebundenem) Kohlenstoff oder gegebenenfalls zusätzlich zugegebenen Kohlenstoff von mindestens 2,1 eingehalten wird, rekombinieren die gecrackten Verbindungen des Abfallstoffes nicht mehr zu schweren Verbindungen und es entsteht ein, verglichen mit dem bekannten Verfahren, saubereres Reaktionsgas.
Das molare Verhältnis zwischen zugeführtem Wasserdampf und dem im zu vergasenden Stoff enthaltenen Kohlenstoff kann beim erfindungsgemäßen Verfahren bis auf 4,0, insbesondere bis auf 3,5 gesteigert werden.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zugeführten, gegenüber bekannten Verfahren erhöhte Menge an Wasserdampf, ergibt ein sauberes Reaktionsgas, wobei der erhöhte Energieaufwand, der zum Erzeugen des Wasserdampfes benötigt wird, wenigstens zum Teil dadurch ausgeglichen werden kann, daß der Wärmeinhalt des zugeführten Wasserdampfes das' Wirbelschichtbett auf einer Temperatur hält, die für das Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft ist und den zu vergasenden Stoff auf diese Temperatur auf ärmt .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Sauerstoff in Form von Luft, in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder in Form von technisch reinem Sauerstoff zugeführt werden.
Die Zustandsform des Wirbelschichtbettes ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an sich beliebig. So können blasenbildende oder zirkulierende Wirbelschichtbetten verwendet werden, wobei ein blasenbildendes Wirbelschichtbett bevorzugt ist, da dieses hinreichende Verweilzeiten erlaubt und nach- geschaltete Staubabscheider (Zyklone) entbehrlich sind. In dem Reaktionsraum kann beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens Unteratmosphärendruck oder Überdruck aufrecht erhalten werden. Der Unteratmosphärendruck liegt in der Regel zwischen 15 und 5 mbar, vorzugsweise bei 10 mbar. Überdruck wird für gewöhnlich auf einen Wert im Bereich 100 mbar bis 5' bar eingestellt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfindungs- gemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der auf die angeschlossene Zeichnung Bezug genommen wird.
Die Zeichnung zeigt schematisch eine Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.
In einem Wirbelschichtreaktor 1 ist unten ein, beispielsweise als Rohrverteiler ausgebildeter, Anströmboden 2 vorgesehen. Durch den Anströmboden 2 münden in den Reaktor 1 eine Leitung 3 für das Zuführen von Sauerstoff und eine Leitung 4 für das Zuführen von überhitztem Wasserdampf. Über dem Anströmboden 2 befindet sich das Wirbelschichtbett 5. Die zu vergasenden Stoffe, beispielsweise Abfallstoffe oder schwefelhaltige Koh- le, werden über einen Aufgabebehälter 6, eine Zellenradschleu- se 7 und eine Förderschnecke 8 knapp oberhalb des Wirbelschichtbettes 5, das vorzugsweise als blasenbildendes Wirbelschichtbett 5 ausgebildet ist, in den Reaktor 1 aufgegeben.
In den Bereich 9 des Innenraums des Reaktors 1, der sich über dem Wirbelschichtbett 5 befindet, und in dem eine Nachvergasung zugeführt wird, mündet eine Sauerstoffleitung 10, wobei der zugeführte Sauerstoff über in einer Ebene angeordnete Düsen 11 in den Raum 9 austritt. '
Die den Reaktor 1 verlassenden Reaktionsgase, die beispielsweise eine Temperatur von 1050° C haben, treten in eine Kammer 12 ein, in der ein DampfÜberhitzer 13 und ein Dampferzeuger 14 vorgesehen sind. Der Dampferzeuger 14 wird aus einer Da pf- trommel 15, in die über eine Leitung 16 Kesselspeisewasser eingeleitet wird, über eine Leitung 17 mit Wasser versorgt. Im Dampferzeuger 14 erzeugter Dampf strömt über eine Leitung 18 in die Dampftrommel 15 zurück. Dampf aus der Dampftrommel 15 wird dem DampfÜberhitzer 13 über eine Leitung 19 zugeführt. Der Ausgang des DampfÜberhitzers 13, aus dem Dampf mit einer Temperatur von beispielsweise 800° C austritt, ist an die Leitung 4 angeschlossen.
Reaktionsgas 21 tritt aus dem Raum 12 über eine Leitung 21 aus und kann über diese Leitung 21 weiterer Verwendung zugeführt werden.
Asche kann aus dem Reaktor 1 nach unten über eine Leitung 20 ausgeschleust werden..
Abfallstoffe aus Hausmüll oder aus ausgewähltem Sondermüll werden aufbereitet, wobei Metalle, Steine und Glas abgetrennt werden. Beim Aufbereiten erfolgt, soweit erforderlich, eine Stückgrößenvereinheitlichung auf fördergerechte Stückgrößen, vorzugsweise mit Abmessungen zwischen 6 mm und 60 mm, indem zu große Stücke zerkleinert und zu kleine Stücke agglomeriert werden.
Bevorzugt ist weiterhin eine thermische Behandlung der Abfall- Stoffe, um diese zu trocknen und Wasserinhaltsstoffe der Abfallstoffe zu entfernen.
Bei der Vergasung von schwefelhaltiger Kohle erfolgt die Aufbereitung durch Mahlen des Einsatzstoffs. Durch die langsamer ablaufende Vergasungsreaktion bei Kohle ist eine kleine Teilchengröße erforderlich.
Die so stückig aufbereiteten, zu vergasenden Stoffe werden dem Wirbelschichtbett 5 beispielsweise über die Schleuse 7 und den Schneckenförderer 8 aufgegeben.
Soferne Abfallstoffe aus einer getrennten Sammlung von thermoplastischen Kunststoffen stammen, kann die Aufbereitung zu Stückgut entfallen, ' da thermoplastische Abfallstoffe verflüs- sigt und direkt in den Reaktor 1 eingepreßt werden können. Die Vergasung erfolgt im Wirbelschichtbett 5 unter Zugabe von überhitztem Dampf und von Sauerstoff, wobei die Zugabe durch den Anströmboden 2 des Wirbelschichtbettes 5 erfolgt. Dabei kann so vorgegangen werden, daß Sauerstoff (oder Luft oder mit Sauerstoff angereichterte Luft) dem Wasserdampf noch in dessen Zufuhrleitung zugemischt wird. Im Wirbelschichtbett 5 wird eine Schüttung feinkörniger Teilchen durch das aufwärts strömende Gas (Sauerstoff und Wasserdampf) aufgelockert und in Schwebe gehalten. Vorteile eines Wirbelschichtbettes 5 sind unter anderem eine einheitliche Temperatur im Wirbelschichtbett 5 als Folge der intensiven Feststoffdurchmischung und eine leichtere Handhabung der Feststoffe durch das flüssigkeitsähnliche Verhalten des Wirbelschichtbettes 5.
Das Wirbelschichtbett 5 besteht in der Regel aus inertem Quarzsand oder aus noch nicht vergasten Kohleteilchen bei der Vergasung von schwefelhaltiger Kohle.
Um das Einbinden von sauren Schwefel- und Chlorbestandteilen der Abfallstoffe in die Aschefraktion zu erreichen, kann dem Wirbelschichtbett 5 Kalkstein zugesetzt werden.
Nach dem Vergasen der Stoffe werden Asche und nicht verbrenn- bare Stoffe aus dem Wirbelschichtbett 5 am Anströmboden 2 ausgeschleust .
Wasserdampf wird dem Wirbelschichtbett 5 (bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des zu vergasenden Stoffes) im Überschuß zugegeben und dient gleichzeitig als Fluidisierungsmittel des
Wirbelschichtbettes 5. Sauerstoff wird unterstöchiometrisch
(bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des zu vergasenden Stoffes) zugegeben und zwar in einer Menge, die erforderlich ist, 'um die gewünschte Temperatur im Wirbelschichtbett 5 zu erreichen. Da es bevorzugt ist, daß stark überhitzter (Hochtemperatur-) Wasserdampf in großer Menge zugeführt wird, kann die Zugabe von Sauerstoff vergleichsweise klein gehalten werden.
Durch das Überangebot an Wasserdampf im Wirbelschichtbett 5 rekombinieren thermisch gecrackte Verbindungen der zu verga- senden Stoffe nicht mehr zu schweren Verbindungen und es entsteht ein sauberes Reaktionsgas.
Die maximal erreichbare Temperatur des Wirbelschichtbettes 5 wird durch Inhaltstoffe, vornehmlich anorganische Stoffe, der zu vergasenden Stoffe vorgegeben. Ab einer von der Art der Inhaltstoffe abhängigen, kritischen Temperatur erweichen diese Stoffe und führen zum Verkleben des Wirbelschichtbettes 5. Es wird daher beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt so ge- arbeitet, daß diese von der Art der Inhaltsstoffe abhängige, kritische Temperatur nicht erreicht wird.
Bei den im Wirbelschichtbett 5 erreichbaren Temperaturen werden sehr stabile, chemische Verbindungen, wie aromatische Verbindungen, und bestimmte Stickstoff- oder Halogenverbindungen, nicht oder nur teilweise zerstört (gecrackt) . Deshalb wird das aus dem Wirbelschichtbett 5 austretende Gas einer Nachvergasungstufe zugeführt. Das Nachvergasen wird im Freiraum 9 über dem Wirbelschichtbett 5 ausgeführt, indem zusätz- licher Sauerstoff eingegeben wird. Hiezu sind oberhalb des Wirbelschichtbettes 5 Düsen 11 angeordnet, durch die Sauerstoff eingedüst wird. Durch das Zuführen zusätzlichen Sauerstoffs wird die Reaktionstemperatur weiter erhöht und in Kombination mit einer ausreichenden Verweilzeit werden auch die erst bei höheren Temperaturen nicht mehr stabilen, chemischen Verbindungen zu leichteren, gasförmigen Verbindungen und zu elementarem Wasserstoff gecrackt.
Im Rahmen der Erfindung wird das Abkühlen des Reaktionsgases mit dem Erzeugen von überhitztem Wasserdampf, der für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ist, kombiniert. Auch während des Abkühlens der Reaktionsgase wirkt sich die Anwesenheit von Überschußdampf im Reaktionsgas günstig aus, da leichte Crack-Produkte nicht oder nicht in nennenswertem Aus- ' maß zu schweren Verbindungen rekombi'nieren.
In der nachfolgenden Reinigung des Reaktionsgases wird Wasserdampf durch Kondensation entfernt, wobei auch toxische Inhaltsstoffe entfernt werden können, so daß das entstandene Reaktionsgas in einem Gasmotor oder einer Gasturbine verwendet werden kann, wobei es möglich ist, vorgegebene Abgasgrenzwerte einzuhalten.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Wär- meinhalt der heißen Reaktionsgase benützt, um Dampf im Überhitzer 13 auf hohe Temperaturen zu erhitzen, wobei der Wärmeaustausch bei geringer Druckdifferenz von Dampf zu Reaktionsgasen stattfindet. Die Druckdifferenz wird niedrig, also auf einen Wert unter 1000 mbar, gehalten, indem der Dampf vom Überhitzer 13 direkt zum Wirbelschichtbett 5 geführt wird und die dort mit dem Dampf erzeugten Reaktionsgase direkt wieder zum Überhitzer 13 zurück geführt werden. Die Druckdifferenz von Dampf zu Reaktionsgasen im Überhitzer 13 entsteht daher nur aus den Strömungsdruckverlusten in der Leitung 4 ein- schließlich der Verteilung im Anströmboden 2, dem Strömungsdruckverlust des Wirbelschichtbetts 5 und den Strömungsdruckverlusten zurück zum Überhitzer 13 im Raum 9 und 12. Die genannten, zur Druckdifferenz beitragenden Einrichtungen sind dabei konstruktiv bevorzugt so ausgelegt, daß insgesamt nur ein geringer Druckverlust auftritt.
Um sicherzustellen, daß im Überhitzer 13 eine nur geringe Druckdifferenz auftritt, wird der Druck des erzeugten Dampfes in der Leitung 19 vor seinem Eintritt in den Überhitzer 13 noch reduziert. Das Reduzieren des Drucks kann beispielsweise durch eine klein bemessene Rohrleitung 19, ein Regelventil oder eine Dampfturbine erreicht werden.
Beispiel:
15 Mg/h aufbereiteter Hausmüll mit einer durchschnittlichen Elementaranalyse von
H2 6,4 Gewichts-% N2 0,2 Gewichts-%
C 46,0 Gewichts-%
02 34,4 Gewichts-%
H20 10,6 Gewichts-%
S 0,2 Gewichts-% Cl2(und andere Halogene) 0,4 Gewichts-% Inerte anorg. Schadstoffe
(Pb, Cd, Tl, Cr, Cu, Ni,
Hg, As, Sn, Zn) 1,7 Gewichts-%
werden in das Wirbelschichtbett 5 aufgegeben.
Das Wirbelschichtbett 5 wird mit einer Dampfmenge von 22,2 Mg/h beaufschlagt, so daß in der Gasphase ein molares Verhältnis von Wasserdampf zu im Hausmüll enthaltenem Kohlenstoff von 2,4 erreicht wird. Die zuzuführende Dampfmenge wurde im vorliegenden Beispiel wie folgt berechnet:
Molare Menge Kohlenstoff im Einsatz (Hausmüll) :
15 Mg/h x 46 % / 12 g/mol = 0,575 Mmol/h. Erforderliche Dampfmenge: 2,4 x 0,575 Mmol/h x 18,01 g/mol = 24,8 Mg/h.
Zuzuführende Dampfmenge = erforderliche Dampfmenge abzüglich Wasserdampfgehalt im Hausmüll: 24,8 Mg/h - 15 Mg/h x 10,6 % = 22,2 Mg/h.
Die Temperatur des in das Wirbelschichtbett 5 eingeleiteten Wasserdampfes beträgt 800 °C.
Die durchschnittliche Temperatur des Wirbelschichtbettes 5 beträgt 650 °C. Diese Temperatur wird erreicht und aufrecht erhalten, indem 3,1 Mg/h Sauerstoff zugeführt werden.
Dem das Wirbelschichtbett 5 verlassende Reaktionsgas werden zum Nachvergasen über die Düsen 11 weitere 3,2 Mg/h Sauerstoff zugeführt, so daß sich in der Nachvergasungszone 9 eine Temperatur des Reaktionsgases von 1050 °C einstellt. Die Nachvergasungszone 9 ist so groß dimensioniert, daß eine durchschnitt- liehe Verweilzeit des Reaktionsgases bei der genannten Temperatur von durchschnittlich 2 s eingehalten wird.
Der Druck der Reaktionsgase beim Austritt aus dem Wirbelschichtbett 5 bzw. in der Nachverbrennungszone 9 beträgt 140 mbar. Vom Wirbelschichtbett 5 bis zum Eintritt in den Überhit- zer 13 ist bei den Reaktionsgasen nur ein kaum merklicher Strömungsdruckverlust festzustellen, so daß auch im Überhitzer 13 der Druck etwa 140 mbar beträgt. Die Druckdifferenz über das Wirbelschichtbett 5 beträgt etwa 110 mbar und über der DampfZuführungsleitung 4 einschließlich Verteilerboden 2 etwa 35 mbar. Die Druckdifferenz beträgt insgesamt somit 145 mbar bzw. der Druck des überhitzen Dampfs am Austritt des Überhitzers 13 beträgt 285 mbar.
Die im Wärmeaustausch stehende Wand des Überhitzers 13 besteht aus keramischem Material oder aus einer nickelfreien Cr-Mo- Stahllegierung, die ausreichende Beständigkeit bei der vorliegenden Hochtemperaturkorrosion und Festigkeit bei dem gegebenen Differenzdruck aufweist. Bei der Ausführung aus kerami- schem Material können durch poröse Materialverbindungen geringe Leckagen von überhitztem Dampf in das Reaktionsgas auftreten. Die Leckagen stellen jedoch für den Verfahrensablauf kein Problem dar.
Im anschließenden Dampferzeuger 14 wird das Reaktionsgas auf ca. 200°C abgekühlt. Der Dampferzeuger 14 ist entsprechend der niedrigen Korrosionsbelastung aus üblichen, niedrig legiertem Kesselbaustahl ausgeführt.
Die abschließende Kühlung auf 35 °C erfolgt durch Einspritzen von kaltem Wasser. Der Großteil des im Reaktionsgas enthaltenen Wasserdampfes einschließlich der entstehenden Schadstoffverbindungen kondensiert dabei aus. Geringe, noch im Reaktionsgas allenfalls verbleibende Schadstoffverbindungen können in einer anschließenden Wäsche mit Wasser bzw. Lauge ausgewaschen werden.
Das Reaktionsgas (Menge 23.400 NrnVh) hat nach Abzug der Restfeuchte die folgende durchschnittliche Menge und Zusammenset- zung:
CO 30 , 64 vol%
H2 40 , 01 vol%
CH4 3 , 10 vol% andere Kohlenwasserstoffe 0 , 42 vol% C 2 20,36 vol%
N2 5,46 vol%
Der Heizwert des Reaktionsgases beträgt 68,1 MW.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können feste Abfallstoffe, die Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen enthalten, wie aufbereiteter Hausmüll, Kunststoffabfälle, Industrieabfälle, Autoreifen, biogene Abfallstoffe, jeweils mit Schadstoffanteil vergast werden. Vorzugsweise liegt der Mindestheizwert der Abfallstoffe bei etwa 9 MJ/kg. Aber auch Abfallstoffe mit einem Mindestheizwert unter 9 MJ/kg können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vergast werden, wenn den Abfallstoffen Kohlenstoff in Form von Koks oder Kohle zugegeben wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch schwefelhaltige Kohle oder Biomasse vergast werden.
Zusammenfassend kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden:
Bei einem Verfahren zum Vergasen von festen Stoffen (Abfallstoffe, Biomasse (Holz), schwefelhaltige Kohle) in einem Wirbelschichtbett 5 wird in das Wirbelschichtbett als Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff eingeblasen. Geringe energe- tische Verluste werden durch starke Überhitzung des Wasserdampfs mit heißen Reaktionsgasen erzielt, wobei der Überhitzer bei nur geringer Differenzdruckbelastung arbeitet. Die das Wirbelschichtbett 5 verlassenden Reaktionsgase werden im Freiraum 9 über dem Wirbelschichtbett 5 im Reaktor 1 unter Zufuhr zusätzlichen Sauerstoffs nachvergast. Dabei wird ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf und im zu vergasenden Stoff enthaltenem Kohlenstoff von wenigstens 2,1 eingestellt.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Vergasen von Kohlenstoff (in elementarer oder chemisch gebundener Form) enthaltenden, insbesondere festen, Stoffen, wie beispielsweise Abfallstoffe, Biomasse, wie Holz, oder schwefelhaltige Kohle oder Mischungen solcher Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zwischen aus dem Überhitzer austretendem Dampf und in den Überhitzer eintretenden Reaktionsgasen, welche Druckdifferenz sich aus dem Strömungsdruckverlust des Wirbelschichtbetts, des Anströmbodens und der Leitungen vom Überhitzer zum Anströmboden und vom Wirbelschichtbett zum Überhitzer zusammensetzt, klein gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Wasserdampfs vor dem Eintritt in den Überhitzer reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz weniger als 1000 mbar, insbesondere weniger als 500 mbar, beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf auf eine Temperatur von über 540°C überhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschfläche des Überhitzers aus einem nickelfreien Werkstoff | ausgeführt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase, nachdem sie zum Überhitzen von Wasserdampf vewendet worden sind, zum Erzeugen von Wasserdampf verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis von dem Wirbelschichtbett zugeführtem Wasserdampf zu im zu vergasenden Stoff enthaltenem Kohlenstoff auf wenigstens 2,1 einge- stellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Wasserdampf eine Temperatur hat, die über der Durchschnittstemperatur im Wir- belschichtbett liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Wasserdampf überhitzter Wasserdampf ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine durchschnittliche Temperatur des Wirbelschichtbettes von 650°C aufrechterhalten wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserdampf mit einer Temperatur von
500 bis 1000°C, vorzugsweise 800°C, zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserdampf, insbesondere überhitzter Wasserdampf, als Fluidisierungsmittel des Wirbelschichtbettes dient.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergasen von Abfallstoffen mit einem Heizwert unter 9 MJ/kg Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Koks oder Kohle, zugegeben wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der das Wirbel- schichtbett verlassenden Reaktionsgase in der Nachvergasungszone, in der Sauerstoff zugeführt wird, wenigstens 1 s, vorzugsweise etwa 2 s, beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionsgases in der Nachvergasungszone durch Sauerstoffzufuhr auf 900 bis 1100°C, insbesondere 1050°C, eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsraum ein Unteratmosphä- rendruck in der Größe von 15 bis 5 mbar, insbesondere von 10 mbar, aufrecht erhalten wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsraum ein Druck von 10 mbar bis 5 bar aufrecht erhalten wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß feste Abfallstoffe, wie Hausmüll oder Sondermüll, vergast werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß schwefelhaltige Kohle vergast wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Biomasse, wie Holz, vergast wird.
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SCHIFFER H-P ET AL: "DIE WIRBELSCHICHTVERGASUNG: EIN VERFAHREN ZUR ROHSTOFFLICHEN VERWERTUNG VON RESTKUNSTSTOFFEN", VGB KRAFTWERKSTECHNIK, VGB KRAFTWERKSTECHNIK GMBH. ESSEN, DE, vol. 75, no. 6, 1 June 1995 (1995-06-01), pages 523 - 528, XP000512002, ISSN: 0372-5715 *

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