Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen in der Wirbelschicht sowie dafür geeigneter Vergaser

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen in der Wirbelschicht sowie einen dafür geeigneten Vergaser. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Wirbelschicht eine erste Nachvergasungszone und eine zweite Nachvergasungszone angeordnet sind, um so eine weitgehende Umsetzung der C-haltigen Feststoffe zu erzielen. Dabei wird der mit dem Rohgas aus der Wirbelschicht ausgetragene Kohlenstaub vollständig in die Wirbelschicht zurückgeführt. Der den Vergaser verlassende feste Rückstand soll einen so geringen C-Gehalt aufweisen, daß er ohne weiteres deponierbar ist. Zudem wird das Verfahren insbesondere in der zweiten Nachvergasungszone so geführt, daß auch eventuelle Sulfidbestandteile der Asche oxidiert werden, um auch in dieser Hinsicht die festen Vergasungsrückstände deponierbar zu machen. In Strömungsrichtung des Gases hinter der Wirbelschichtzone ist eine Kühlzone angeordnet, in welcher die Abkühlung des staubhaltigen Rohgases und die Wärmeabführung erfolgen. Das gekühlte Rohgas wird dann vollständig entstaubt und der dabei anfallende Staub in die Wirbelschichtzone des Vergasers zurückgeführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von festen, kohlenstoffhaltigen Stoffen in einer Wirbelschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen Vergaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 22.

[0002] Bei den bekannten Verfahren zur Wirbelschichtvergasung von festen kohlenstoffhaltigen Materialien wird kein vollständiger C-Umsatz erreicht. Vielmehr weisen die aus dem Vergaser ausgeschleusten Vergasungsrückstände, nämlich Staub und Bodenprodukt, Rest-C-Gehalte von 20 - 60 Ma.-% auf. Ferner kann die Asche der Vergasungsrückstände in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Einsatzstoffe auch Kalziumsulfid enthalten. In jedem Fall müssen die Vergasungsrückstände nachbehandelt werden, um den C-Gehalt möglichst vollständig zu nutzen und die Anforderungen an die Deponierbarkeit zu erfüllen. Letzteres gilt auch bezüglich kalziumsulfidhaltiger Asche, die bei der üblicherweise in Form einer Nachverbrennung erfolgenden Nachbehandlung ebenfalls oxidiert, d. h. sulfatiert wird.

[0003] Die Nachbehandlung, in welcher Weise sie auch immer erfolgt, ist ein zusätzlicher Prozeßschritt, der die Kosten erhöht. Eine thermische Nachbehandlung wird entweder in einem separaten Wirbelschicht-Dampferzeuger oder in einem sogenannten Oxidator bzw. Sulfator durchgeführt. Die Trennung von Vergasung (Carbonizer) und Nachoxidation der C-haltigen Vergasungsrückstände (Dampferzeugerkessel) ist auch bei den Konzepten der sogenannten zweiten Generation vorgesehen (vgl. z. B. EP 707137, EP 544350 und EP 698726).

[0004] Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, den C-Gehalt der Vergasungsrückstände durch Rückführung des mit dem Rohgas aus der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes zu reduzieren. So offenbart die DE 4413923 die Rückführung wenigstens einer Teilmenge des abgeschiedenen Staubes in die Wirbelschicht. Die Rückführung des aus der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes wird auch in DE 3430212 und DE 1576803 behandelt. In jedem Fall sind zusätzliche technische Einrichtungen und Betriebsmittel erforderlich. Trotzdem wird keine vollständige Vergasung im Vergasungsreaktor erreicht, so dass weiterhin mindestens das C- und ggf. kalziumsulfidhaltige Bodenprodukt und ggf. nicht vollständig vergaster Staub anfallen, die nachbehandelt werden müssen.

[0005] Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, eine Erhöhung des C-Umsatzes durch Verbesserung der Vergasungsbedingungen herbeizuführen. So beschreibt DE 19548324 C2 die Zufuhr von Vergasungstoff und Vergasungsmittel zur Wirbelschicht derart, daß sich ein gleichmässiges radiales Strömungsprofil und eine konstante oder geringfügig ansteigende axiale Strömungsgeschwindigkeit im Wirbelbett einstellen (Optimierung der Fluiddynamik und des Reaktionsumsatzes der Vergasung). Ein anderer Vorschlag sieht vor, die aus der Wirbelschicht nach oben ausgetragenen C-haltigen staubförmigen Feststoffe in einer in Strömungsrichtung des Gases der Wirbelschicht nachgeordneten Nachvergasungszone weiterzuvergasen und dazu Vergasungsmittel auch in die Nachvergasungszone einzuführen (EP 0214417). Bei Anwendung dieser beiden Vorschläge läßt sich zwar eine Erhöhung des C-Umsatzes auf Werte zwischen 90 und maximal 95% erreichen. Eine zusätzliche oxidative Nachbehandlung der Vergasungsrückstände ist jedoch auch hier erforderlich.

[0006] Wenn Abfälle vergast werden, kann anstelle der Nachvergasungszone in einer zweiten Vergasungsstufe im Anschluß an die Wirbelschicht ein Flugstromvergaser vorgesehen sein, in dem eine vollständige Vergasung des C-haltigen Staubes bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes stattfindet (DE 4435349). Das Ziel besteht in der Zersetzung organischer Spurstoffe bei hohen Temperaturen und die nichteluierbare Einbindung von Schwermetallen in die Schlacke. Der anlagetechnische Aufwand und der spezifische Vergasungsmittelverbrauch erfahren dadurch eine starke Erhöhung. Wesentliche Vorteile der Wirbelschichtvergasung gegenüber der Flugstromvergasung gehen verloren.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vergaser der einleitend beschriebenen Art so zu verbessern, daß eine möglichst vollständige Vergasung der Einsatzstoffe und im Bedarfsfall auch eine Oxidation der mineralischen Vergasungsrückstände zumindest in dem Ausmaß erreicht wird, daß das Rückstandsprodukt ohne weiteres, insbesondere ohne zusätzliche Behandlung, deponierbar ist.

[0008] Die Lösung dieser Aufgabe läßt sich dahingehend zusammenfassen, daß bei der Wirbelschichtvergasung unabhängig davon, ob letztere mit stationärer oder expandierter Wirbelschicht durchgeführt wird, mehrere Zonen vorgesehen sind, in denen folgende Teilprozesse ablaufen, die sich derart zu einem Gesamtprozeß ergänzen, daß der angestrebte Effekt erreicht wird:

[0009] In der Wirbelschichtzone erfolgt die überwiegende Vergasung der Einsatzstoffe sowie des Staubes mit ersten Vergasungsmitteln, wobei gleichzeitig eine Aschegranulation erfolgt, die im Bedarfsfall in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt der Asche der eingesetzten Feststoffe unter Anwendung eines zusätzlichen Vergasungsmittels mit höherem O₂-Gehalt abläuft. Die sich in der Wirbelschichtzone bildenden festen Vergasungsrückstände sind Restkoks aus den Einsatzstoffen und dem rückgeführten Staub sowie Aschegranulat und nichtgranulierte Asche.

[0010] In der Splashzone über der Wirbelschichtzone wird das staubhaltige Rohgas mit Rohgas-Staubbeladungen von 1 - 10 kg/m³_i.N. aus der Wirbelschichtzone abgetrennt. Da die Wirbelschicht im allgemeinen keine stationäre obere Begrenzung aufweist, wird sich zwischen Wirbelschicht und Splashzone ein Übergangsbereich bilden, in welchem Teile des zunächst mit dem Gas aus der Wirbelschicht mitgerissenen Staubes wieder in die Wirbelschicht zurückfallen und ein anderer Teil des Staubes vom Gas mitgeführt wird, so daß es zu der vorerwähnten Staubbeladung kommt, mit welcher das Gas die anschließenden Zonen durchströmt. Der vorbeschriebene Effekt kann dadurch gefördert werden, daß die Splashzone sich zumindest in ihrem unteren Bereich konisch erweitert, so daß dort, also im wesentlichen in dem vorerwähnten Übergangsbereich, eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases eintritt.

[0011] In der der Splashzone nachgeordneten Kühlzone erfolgen die Abkühlung des staubhaltigen Rohgases auf Temperaturen von 350 - 700°C, vorzugsweise auf Temperaturen von 550 - 650°C und die Wärmeabführung aus der Kühlzone.

[0012] Im Anschluß an die Kühlzone wird in der Entstaubungszone das staubhaltige gekühlte Rohgas, ggf. in mehreren Stufen, so weit wie möglich entstaubt.

[0013] In der Rückführzone, die unter der Entstaubungszone angeordnet sein wird, erfolgt die möglichst vollständige Rückführung des abgeschiedenen gekühlten Staubes in die Wirbelschichtzone, so daß bei vollständiger Entstaubung des Rohgases in der Entstaubungszone praktisch der gesamte mit dem Rohgas aus der Wirbelschicht ausgetragene Staub wieder in die Wirbelschicht zurückgeführt wird.

[0014] In der ersten Nachvergasungszone unter der Wirbelschichtzone findet eine Nachvergasung des aus der Wirbelschicht nach unten ausgetragenen Restkokses statt, der die Rückstände der Einsatzstoffe und des rückgeführten Staubes darstellt. Diese Nachvergasung erfolgt unter Verwendung von zweiten Vergasungsmitteln, welche eine Auflockerung des in der ersten Nachvergasungszone befindlichen Feststoffes bewirken, ohne daß sich jedoch eine Wirbelschicht im Sinne einer vollständigen Fluidisierung einstellt, wobei gleichzeitig die Segregation des Aschegranulates derart stattfindet, daß es nach unten absinkt und sich in der zweiten Nachvergasungszone anreichert. Die in der ersten Nachvergasungszone sich bildenden C-haltigen festen Vergasungsrückstände sind Restkoks aus dem Bodenprodukt der Wirbelschicht sowie nichtgranulierte Asche.

[0015] In der zweiten Nachvergasungszone, die als Bodenabzug der ersten Nachvergasungszone und des Vergasers insgesamt aufgefaßt werden kann, werden die möglichst vollständige Vergasung des C-Gehaltes der Reststoffe sowie die Oxidation der Asche mit einem dritten Vergasungsmittel sowie die Abkühlung der als Bodenprodukt aus dem Vergaser auszuschleusenden festen Vergasungsrückstände durchgeführt. Das ausgeschleuste Bodenprodukt besteht aus weitestgehend C-freier, oxidierter Asche und Aschegranulat. Das Aschegranulat ist aufgrund der bei seiner Entstehung herrschenden Bedingungen im wesentlichen kalziumsulfidfrei.

[0016] Das erste Vergasungsmittel, welches ggf. auch von oben, in die Wirbelschicht eingeblasen wird, dient der überwiegenden Vergasung der C-haltigen Einsatzstoffe in der Wirbelschichtzone. Es besteht aus ggfl. vorgewärmter Luft, Luft/Dampf- oder O₂/Dampf-Gemischen mit den für die Wirbelschichtvergasung bekannten typischen Zusammensetzungen, ggf. mit Zusätzen anderer Gase, beispielsweise N₂ und CO₂. Die Umsetzung des C-haltigen Einsatzgutes mit den Vergasungsmitteln erfolgt in der Wirbelschichtzone bei Temperaturen zwischen 750 und 950°C, wobei lokal in den Bereichen, in denen O₂-haltiges Vergasungsmittel eingeblasen wird, auch höhere Temperaturen auftreten können, so daß in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt der Asche des Einsatzgutes die unter Anwendung der O₂-haltigen Vergasungsmittel zumindest lokal auftretenden Temperaturen den Ascheschmelzpunkt überschreiten und somit ein Granulieren zumindest eines großen Teils der Aschebestandteile bewirken. Diese Voraussetzungen können z. B. beim Vergasen von rheinischer Braunkohle vorhanden sein, deren Asche einen Schmelzpunkt von etwa 1250°C hat. Da in der Wirbelschicht verhältnismäßig gleichmäßige Strömungsverhältnisse vorhanden sind, wobei die die Wirbelschicht bildenden Feststoffe im mittleren Bereich überwiegend sich nach oben und in Umfangsnähe des die Wirbelschicht aufnehmenden Vergasers nach unten bewegen, kann davon ausgegangen werden, daß ein großer Teil der Feststoffpartikel durch die sich insbesondere in den Umfangsbereichen des Wirbelbettes ausbildenden Flamme, die Bereiche höherer Temperatur darstellen, durchlaufen, wobei die C-haltigen Bestandteile dieser Partikel weitestgehend umgesetzt werden und die verbleibenden Aschebestandteile zu einem grobkörnigen Granulat agglomerieren, dessen einzelne Körper einen Durchmesser von mehreren Millimetern aufweisen. Die hinsichtlich der Temperatur erforderlichen Bedingungen können bei einem derartigen Einsatzgut beispielsweise dann vorliegen, wenn die ersten Vergasungsmittel aus einem Gemisch von O₂ und Dampf mit einem Dampf/O₂-Verhältnis von ≤ 1 kg/m³_i.N. verwendet werden.

[0017] Bei Einsatz von C-haltigen Feststoffen mit Aschen, deren Schmelzpunkt merklich höher liegt, kann es hingegen erforderlich sein, zusätzliche Vergasungsmittel zur Granulierung der Asche in der Wirbelschichtzone in letztere einzublasen. Dies kann beispielsweise beim Vergasen von Steinkohle der Fall sein, deren Asche einen Schmelzpunkt von z. B. 1450 - 1500°C aufweist. Der Sauerstoffgehalt des zusätzlichen Vergasungsmittels wird zwecks Einstellung der erforderlichen höheren Temperatur in Teilbereichen des Wirbelbettes ≥ 21 Vol.-% betragen. Diese zusätzlichen Vergasungsmittel können beispielsweise O₂/Dampf-Gemische mit einem Dampf/O₂-Verhältnis im Bereich von 0,3 - 1 kg/m³_i.N. und/oder aus auf 400 - 600°C vorgewärmter Luft und/oder aus einem entsprechend vorgewärmten Luft/Sauerstoff-Dampf-Gemisch bestehen. Diesen zusätzlichen Vergasungsmitteln können andere Gase, beispielsweise NH₃ oder Purge-Gase oder andere zu entsorgende Gase beigemischt werden, da die am Düsenaustritt in der Wirbelschicht sich einstellende höhere Temperatur in jedem Fall zu einer Spaltung von höhermolekularen Verbindungen führt, wobei Gase entstehen, die in der dem Vergaser nachgeschalteten Gasreinigung entfernt werden können, ohne dass dabei zusätzliche Probleme auftreten und/oder zusätzliche Aufwendungen erforderlich wären.

[0018] Jedenfalls werden Zusammensetzung und/oder Temperatur der zusätzlichen Vergasungsmittel derart eingestellt, daß die Temperatur in der Flamme, die sich bei Eindüsung mittels der Vergasungsmitteldüsen in der Wirbelschicht ausbildet, ausreichend hoch ist, um beim jeweils gegebenen Ascheerweichungspunkt eine Schmelzgranulation der Asche in dieser Flamme zu bewirken. Flüchtige Alkalien, flüchtige Metalle und andere anorganische Spurenstoffe werden weitgehend in die sich bildenden Aschegranulate eingebunden, so daß sie nicht eluiert werden können.

[0019] Die zweiten Vergasungsmittel, welche zwecks Nachvergasung in die erste Nachvergasungszone eingeführt werden, sind in ihrer Zusammensetzung der der ersten Vergasungsmittel ähnlich, wobei die Zusammensetzung durch erhöhten Zusatz weiterer, endotherm reagierender Vergasungsmittel wie CO₂ und Wasserdampf derart angepaßt sein kann, daß die Temperatur an jeder Stelle der ersten Nachvergasungszone auf Werte unterhalb der Ascheerweichung begrenzt wird.

[0020] Die dritten Vergasungsmittel werden zur möglichst vollständigen Vergasung der restlichen C-Bestandteile und zur Oxidation der Asche in der zweiten Nachvergasungszone im Bodenabzug eingesetzt. Sie können in mehreren übereinanderliegenden Bereichen oder Ebenen in die zweite Nachvergasungszone eingeblasen werden. Dabei besteht die Möglichkeit, im Bedarfsfall in den einzelnen Ebenen Vergasungsmittel unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise bestehend aus Wasser, O₂/Dampf-, O₂/CO₂- und O₂/Dampf/CO₂-Gemischen oder aus Wasser, Luft, Luft/Dampf-, Luft/CO₂-, Luft/Dampf/CO₂-Gemischen einzublasen. Die Verwendung unterschiedlicher Vergasungsmittel in unterschiedlichen Höhen der zweiten Nachvergasungszone kann sich daraus ergeben, daß einerseits eine weitestgehende Umsetzung der Kohlenstoff enthaltenden Rückstände und ggf. auch eine Oxidation der Asche bzw. der Granulate erfolgen sollen, wobei andererseits jedoch die Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes gehalten und ein Endprodukt aus der zweiten Nachvergasungszone ausgetragen werden soll, welches soweit abgekühlt ist, daß es mit den üblichen Transportmitteln, Geräten usw. gehandhabt werden kann. Mithin werden Zusammensetzung und Menge der dritten Vergasungsmittel so eingestellt, daß der C-Gehalt des die zweite Nachvergasungszone verlassenden Bodenproduktes auf die für die Deponierung erforderlichen Werte reduziert ist. Ferner soll der endgültige Rückstand, der im wesentlichen aus Asche und Aschegranulat besteht, gekühlt werden, bevor er den Vergaser verläßt. Der Sauerstoffgehalt des dritten Vergasungsmittels wird normalerweise ≤ 21 Vol.-% betragen.

[0021] Die Geschwindigkeit, mit welcher die am Ende der zweiten Vergasungszone verbliebenen festen Reststoffe z. B. mittels eines Schneckenförderers aus dem Vergaser ausgetragen werden, wird im wesentlichen bestimmt durch die Verweilzeit der Feststoffe im Vergaser, die bei den jeweils gegebenen Verhältnissen, insbesondere den Temperaturen, erforderlich ist, um den angestrebten Vergasungsgrad des Kohlenstoffes zu erreichen.

[0022] Die ersten Vergasungsmittel werden über eine oder mehrere Düsenebenen, bestehend jeweils aus mehreren Vergasungsmitteldüsen, in die Wirbelschichtzone und ggf. auch über eine zusätzliche Düsenebene schräg von oben auf die obere Begrenzung der Wirbelschichtzone geblasen. Diese zusätzliche Düsenebene wird am Übergang zwischen der Wirbelschichtzone und der Splashzone oder geringfügig darüber angeordnet sein, wobei, wie bereits erwähnt, im allgemeinen keine genau definierte obere Begrenzung der Wirbelschichtzone vorhanden ist, da deren oberer Bereich sich normalerweise um beispielsweise mehrere 100 mm auf und abbewegen wird. Die über diese zusätzliche Düsenebene schräg nach unten auf die obere Begrenzung der Wirbelschicht geblasenen ersten Vergasungsmittel können zu einer gewissen Vergleichmäßigung der oberen Begrenzung oder des oberen Bereiches der Wirbelschicht dienen und darüber hinaus auch aufgrund der nach unten, also in die Wirbelschichtzone hinein, gerichteten Strömungskomponente dazu beitragen, daß zu viel Feststoff aus der Wirbelschichtzone mit dem letzteren nach oben verlassenden Rohgas ausgetragen wird, da die von oben auf die oberen Bereiche der Wirbelschicht einwirkenden Gasströme einen Teil des aus der Wirbelschichtzone austretenden Staubes wieder nach unten, also in die Wirbelschichtzone zurück "drücken". Dies führt zu einer längeren Verweildauer dieser Feststoffe in der Wirbelschicht, welche Tatsache wiederum den Vergasungswirkungsgrad des gesamten System verbessert.

[0023] Die durch die oberhalb der Wirbelschichtzone vorgesehenen Vergasungsmitteldüsen, die ebenfalls in wenigstens einer Ebene angeordnet sein können, in den Vergaser eingeblasenen Vergasungsmittel sollen nicht dazu dienen, in der Splashzone wesentliche zusätzliche Umsetzungen mit dem aus der Wirbelschichtzone ausgetragenen Staub zu bewirken. Vielmehr sollen sie sich zumindest ganz überwiegend im oberen Bereich der Wirbelschichtzone mit dem dort vorhandenen Kohlenstoff umsetzen.

[0024] Ggf. erforderliche zusätzliche Vergasungsmittel für die Granulation der Asche werden vorzugsweise über eine Düsenebene oder über mehrere einzelne Vergasungsmitteldüsen in die Wirbelschichtzone eingeblasen. Zusammensetzung, Menge und Vorwärmtemperatur dieser zusätzlichen Vergasungsmittel werden so eingestellt, daß die Aschegranulierung im gewünschten Umfang stattfindet.

[0025] Da beim erfindungsgemäßen Vergasungsverfahren praktisch die gesamte Asche im System verbleiben kann, erfolgt die Aschegranulierung bei wesentlich niedrigeren Ascheerweichungstemperaturen als bei solchen Vergasungsverfahren, bei denen ständig ein Teil der aschehaltigen Feststoffe aus dem Vergasersystem ausgetragen wird. Entsprechend der sich bildenden Eutektika kommt es zu einer Absenkung des Erweichungspunktes der Gesamtasche um in der Regel deutlich mehr als 100 K gegenüber den Erweichungspunkten der einzelnen Aschefraktionen. Dies ist ein Vorteil gegenüber z. B. dem üblichen HTW-Vergaser, in welchem bei normalem Betrieb aufgrund des Staubaustrages aus dem System es in der Wirbelschicht zu einer Anreicherung der hochschmelzenden Fraktion der Quarz- und alumosilikathaltigen Aschebestandteile kommt, die jedenfalls bei den praktisch in Betracht kommenden Teperaturen nur unvollständig agglomeriert werden kann. In dem nach oben aus dem HTW-Vergaser ausgetragenen Staub, der das Vergasungssystem über den Zyklon auf kurzem Weg verläßt, befindet sich die eisen-kalzium-magnesium- und alkalireiche feinkörnige Fraktion der Asche konzentriert, deren weitgehendes Fehlen in der Wirbelschicht den Ascheerweichungspunkt merklich erhöht.

[0026] Aufgrund der beim erfindungsgemäßen Verfahren gegebenen Voraussetzungen hinsichtlich der Zusammensetzung der Aschebestandteile bewirkt die Aschegranulierung zudem eine Verschiebung des Körnungsspektrums des Feststoffinventars in der Wirbelschicht zu größeren Korndurchmessern, so daß die Gasströmungsgeschwindigkeit bei Einhaltung gleicher Feststoffausträge erhöht werden kann, wodurch die spezifische Vergaserleistung steigt.

[0027] In der Kühlzone erfolgen die Abkühlung des staubhaltigen Rohgases und die Wärmeabführung mittels eines Wärmetauschers, der in einem Abstand von 1 - 5 m oberhalb der oberen Begrenzung der Wirbelschichtszone angeordnet und vorzugsweise helissenförmig als Schottenheizfläche ausgebildet ist. Der Wärmetauscher kühlt das staubhaltige Rohgas auf eine Temperatur im Bereich von 350 - 700°C und führt Kühlwärme in Form von gesättigtem und/oder erhitztem Dampf ab. Eine Abkühlung des Rohgases auf Temperaturen unterhalb 350°C ist im allgemeinen unzweckmäßig, da dann die Gefahr besteht, daß Teerkohlenwasserstoffe und/oder andere kondensierbare Bestandteile auf den Wärmetauscher-Oberflächen und dem nachgeordneten Filter für die Staubabscheidung kondensieren.

[0028] Der mit dem Rohgas mitgeführte Staub besteht im wesentlichen aus Restkoks mit einem C-Gehalt von ≤ 20 Ma.-%. Aus den bei der HTW-Vergasung gesammelten Erfahrungen ist bekannt, daß ab einem Mindest-C-Gehalt ab dieser Größe und einer Staubbeladung von ≤ 1 - 10 kg/m³_i.N. sich keine Anbackungen am Eintritt z. B. in den Wärmetauscher bilden. Infolge der hohen Staubbeladung des Gases kommt es zu einem Selbstreinigungseffekt an den Wärmetauscher-Oberflächen.

[0029] In der vorzugsweise im Anschluß an den Rohgasabgang aus der Kühlzone angeordneten Entstaubungszone erfolgt eine möglichst vollständige Abscheidung des im gekühlten Rohgas befindlichen Staubes. Dabei kann ein vorzugsweise als Jalousie-Abscheider ausgebildeter Vorabscheider vorgesehen sein, von welchem das teilentstaubte gekühlte Rohgas in ein Absolutfilter geführt wird, welches sich anstelle des sonst üblichen Zyklons direkt an den Vergaser anschließt. Das Absolutfilter, in dem das Rohgas praktisch vollständig von Staub befreit wird, besteht vorzugsweise aus einem Kerzenfilter mit keramischen oder metallischen Filterelementen.

[0030] Im Absolutfilter werden gemeinsam mit dem Staub flüchtige Alkalien und Schwermetalle sowie flüchtige organische und organische Spur- und Schadsstoffe abgeschieden. Ein Temperaturoptimum der Staubabscheidung im Absolutfilter liegt bei ca 500 - 700°C. Bei diesen Temperaturen erfolgt eine praktisch vollständige Alkaliabscheidung sowie eine ausreichend hohe Spurstoffadsorption bei gleichzeitig angemessener Wärmeauskopplung im Wärmetauscher.

[0031] In der Rückführzone wird der in der Entstaubungszone abgeschiedene gekühlte Staub mittels Schwerkraft über Rückführsysteme, im einfachsten Fall bestehend aus einer von Einbauten freien Rückführleitung, vollständig in die Wirbelschichtzone und damit vorzugsweise in deren unteren Teil zurückgeführt. Die Druckdifferenz zwischen der Eintragstelle in der Wirbelschicht und dem Absolutfilter ist gering, so daß auf Gassperren oder Transporthilfsmittel in der Rückführzone verzichtet werden kann.

[0032] In der ersten Nachvergasungszone erfolgen die erste Stufe der Nachvergasung des Restkokses aus der Wirbelschichtzone und die Segregation des in der Wirbelschichtzone entstandenen Aschegranulates. Hierzu wird das zweite Vergasungsmittel über vorzugsweise eine Düsenebene eingeblasen. Der C-Gehalt der die erste Nachvergasungszone verlassenden Feststoffe - das sind auf die Einsatzstoffe und den rückgeführten Staub zurückgehender Restkoks sowie Asche und Aschegranulat - wird dadurch auf Werte ≤ 20 Ma.-% gesenkt.

[0033] In der zweiten Nachvergasungszone, an deren unterem Ende die festen Vergasungsrückstände aus dem Vergaser abgezogen werden, erfolgt die möglichst vollständige Vergasung der restlichen C-Bestandteile, die in der ersten Nachvergasungszone noch nicht vergast worden waren. Dazu wird drittes Vergasungsmittel im Gegenstrom zu dem sich in der zweiten Nachvergasungszone ausbildenden Wanderbett vorzugsweise über mehrere Düsen oder Düsenebenen, die in vertikalen Abständen voneinander angeordnet sein können, in die zweite Nachvergasungszone eingeblasen. Das dritte Vergasungsmittel kann auch mittels sogenannter offener Düsenböden, also von unten, zugeführt werden.

[0034] Die Verteilung der dritten Vergasungsmittel erfolgt derart, daß in vorzugsweise zwei oder drei in unterschiedlichen Höhen angeordneten Düsen Vergasungsmittel unterschiedlicher Zusammensetzung zugeführt werden. Als Vergasungsmittel in der unteren Zuführung wird Quenchwasser eingedüst, welches verdampft und als Dampf in die darüber befindlichen Vergasungszonen strömt, in denen es als endothermes Vergasungsmittel wirkt. Gleichzeitig wird die Abkühlung der im untersten Bereich der zweiten Nachvergasungszone befindlichen festen Rückstände bewirkt. Den auf das Quenchwasser zurückgehenden endothermen Vergasungsmitteln werden in einem ersten und ggf. auch einem zweiten darüber befindlichen Bereich sauerstoffhaltige Vergasungsmittel zugemischt, so daß in der dritten Nachvergasungszone in den oberhalb der Zuführung des Quenchwassers liegenden Bereichen der C-Gehalt der Feststoffe auf einen zulässigen maximalen Gehalt, z. B. ≤ 5 Ma.-% abgesenkt wird. In den Bereichen oberhalb der Quenchwasserzufuhr erfolgt durch den dort zugeführten freien Sauerstoff auch die Oxidation von kalziumsulfidhaltiger Asche, so daß die Kalziumsulfid-Bestandteile bei Erreichen der Quenchzone zumindest ganz überwiegend sulfatisiert sind.

[0035] Da die aus dem Vergaser auszutragenden festen Rückstände zu einem großen Teil, wenn nicht überwiegend, in Form von granulierter Asche vorliegen, welche eine gewisse Mindestkorngröße nicht unterschreitet, bleibt die Fließfähigkeit der festen Rückstände auch in der Ebene, in welcher das Wasser eingedüst wird, erhalten. Das gilt auch dann, wenn die Asche Bestandteile aufweist, die in Gegenwart von Wasser abbinden. Die ganulierte Asche liegt überwiegend in einer Korngröße vor, die ein Abbinden verhindert, welches zu Störungen führen könnte.

[0036] Zur Optimierung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, die geometrische Innenkontur des Wirbelschichtvergasers auf die Einspeisung der Vergasungsmittel sowie die Zuführung der festen Einsatzstoffe und des rückgeführten Staubes so abzustimmen, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit von der Wanderbett- bzw. zweiten Nachvergasungszone bis zum Eintritt in die Splash-Zone von unten nach oben ansteigt und in der Splash-Zone wieder abnimmt. Die folgenden Gaströmungsgeschwindigkeiten, die bezogen auf den Leerraum eingestellt werden, können zumindest teilweise deutlich über denen von Wirbelschichtvergasern gemäß dem Stand der Technik liegen:

0,3 - 0,8 m/s in der Wanderbett- bzw. zweiten Nachvergasungszone vor Eintritt in die Segregationszone,

0,5 - 1,5 m/s in der Segegrations- bzw. ersten Nachvergasungszone vor Eintritt in die Wirbelschichtzone,

1 - 5 m/s in der Wirbelschichtzone vor Eintritt in die Splash-Zone,

0,5 - 3 m/s in der Spalsh-Zone vor Eintritt in die Kühlzone.

[0037] Aufgrund des Agglomerationsprozesses kommt es zu der bereits erwähnten Kornvergrößerung des Feststoffinventars im Vergaser mit der Folge, daß höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Die angegebenen Geschwindigkeitsbereiche berücksichtigen das breite Spektrum der Stoffeigenschaften der C-haltigen Einsatzstoffe.

[0038] Das Verfahrens gemäß der Erfindung, bei welchem die Vergasungsmittel in die Wirbelschichtzone und die beiden Nachvergasungszonen eingeführt werden, ermöglicht es, auf die Einführung von Vergasungsmittel in die oberhalb der Wirbelschicht befindliche Zone, die bei Vergasungsverfahren gemäß dem Stand der Technik als "Nachvergasungszone" bezeichnet wird, zu verzichten. Diese Nachvergasungszone bekannter Vergaser hat den Nachteil eines geringen spezifischen Reaktionsumsatzes der endothermen Vergasungsreaktionen und demzufolge eines entsprechend großen spezifischen Reaktorvolumens sowie exergetischer Verluste infolge des unverzichtbaren Wasserquenches am Ausgang der Nachvergasungszone oberhalb der Wirbelschicht. Die Bildung von Asche- und Schlackeansätzen aufgrund nicht vollständig vermeidbarer, lokaler und temporärer Übertemperaturen im Rohgas stellt dabei einen weiteren Nachteil dar. Der Verzicht auf eine Nachvergasungszone oberhalb der Wirbelschicht, in die zusätzlich Vergasungsmittel eingeblasen wird, und die Nutzung des freien Reaktorraumes oberhalb der Splashzone als Kühlzone zur Abkühlung des staubbeladenen Rohgases mittels Wärmetauscher ermöglicht eine deutliche Reduzierung des für die Vergasung und Abhitzenutzung erforderlichen spezifischen Reaktorvolumens. Zwar ist bei der Staubvergasung gemäß EP 618282 oberhalb des Flugstrom-Vergasungsreaktor ebenfalls ein Abhitzekesselsystem mit Strahlungskühler und nachgeschalteten Konvektionskühler vorgesehen, wobei vor dem Strahlungskühler noch ein Kaltgasquench vorgesehen ist. Der Strahlungskühler hat hier die Aufgabe, den mit erstarrenden Schlacketröpfchen beladenen Gasstrom im Anschluß an den Quench so abzukühlen, daß die Wärmetauscheroberflächen frei von Schlackeanbackungen bleiben. Die Ausgestaltung des Abhitzekessels ist hierauf und auf um Größenordnungen niedrigere Rohgasstaubbeladungen von ≤ 0,1 kg/m³_i.N. speziell abgestimmt.

[0039] Bei einem anderen bekannten Verfahren erfolgt im Unterschied zur Lösung gemäß der Erfindung die Aschegranulierung im Wirbelschicht-Vergasungsreaktor in einem zentral angeordneten vertikalen Verbrennungs-Jet, über den die gesamte Vergasungsluft- oder Vergasungssauerstoff-Menge ohne Unterteilung zugeführt wird. Es erfolgt keine vollständige Vergasung bzw. Oxidation des C-haltigen Bodenproduktes. Eine thermische Nachbehandlung ist in jedem Fall erforderlich.

[0040] Demgegenüber werden durch die Anwendung der Erfindung wesentliche verfahrens- und anlagetechnische Vereinfachungen erreicht, beispielsweise der Wegfall der thermischen Nachbehandlung der Vergasungsrückstände und merkliche Vereinfachungen bei der Rohgaskühlung und -reinigung. Durch die Abkühlung und möglichst vollständige Rückführung des Staubes in die Wirbelschichtzone kommt es zu einer Abscheidung, Rückführung, Zersetzung und/oder Einbindung einer Vielzahl flüchtiger organischer und anorganischer Verbindungen und Schadstoffe. Die sich daraus ergebenden positiven Auswirkungen auf den sich anschließenden Gasreinigungsprozeß können je nach dem eingesetzten C-haltigen Stoffen und der Prozessführung unterschiedlich sein. Insbesondere wird die Schwefeleinbindung in der Eigenasche und/oder an basischen Zusätzen, die zur Insitu-Entschwefelung zugegeben werden, verbessert. Von besonderer Bedeutung ist auch die Tatsache, daß der C-Gehalt der Einsatzstoffe praktisch vollständig thermisch und stofflich genutzt werden kann, was zu einer merklichen Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Vergasungs- wie auch des Gesamtprozesses führt.

[0041] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in stark vereinfachter und schematischer Darstellung einen Vergaser zur Erzeugung von Brenngas für den Einsatz in einer Gasturbine unter Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Die bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels im folgenden angegebenen Vergasungsparameter gelten für das Vergasen von getrockneter Braunkohle mit einem Aschegehalt von 11 Ma.-%, einem Wassergehalt von 12 Ma.-% und einem Heizwert H_u von 19,5 MJ/kg bei einem Druck von 27 bar mit Luft unter Zusatz von Wasserdampf.

[0042] Die Einsatzkohle 2 wird über einen oder mehrere Eintragsseinrichtungen 3, die beispielsweise eine Förderschnecke verwenden, in die Wirbelschichtzone 4 des Wirbelschichtvergasers 1 eingetragen. In die Wirbelschichtzone 4 wird das erste Vergasungsmittel 5 mittels vier übereinander angeordneter Düsenebenen 6 bis 9 eingeblasen. Das Vergasungsmittel 5 besteht aus verdichteter, 350°C heißer Luft mit Zusatz von 0,18 kg Wasserdampf pro m³_i.N. Luft. Jede der Düsenebenen 6 bis 9 weist mehrere Vergasungsmitteldüsen 10 auf, die gleichmäßig über den Umfang des Wirbelschichtvergasers 1 jeweils einer Ebene verteilt sind. Die Anordnung der Vergasungsmitteldüsen jeweils in einer Ebene ist nicht zuletzt wegen der Gleichmäßigkeit des Vergasungsmitteleintrages in die Wirbelschicht und die daraus resultierende einfachere Berechenbarkeit der Strömungsverhältnisse in der Wirbelschicht vorteilhaft. Es ist jedoch auch eine Anordnung denkbar, bei welcher nicht mehrere Düsen in jeweils einer Ebene angeordnet sind.

[0043] Weiterhin wird in die Wirbelschichtzone 4 ein zusätzliches Vergasungsmittel 11 über die Düsen 10 der Düsenebene 12 eingeblasen. Letztere befindet sich zwischen den beiden Düsenebenen 7 und 8 für das erste Vergasungsmittel 5. Das zusätzliche Vergasungsmittel 11 besteht aus mit Sauerstoff angereicherter Luft mit einem Sauerstoff-Gehalt von 30 Vol.-%. Es hat eine Temperatur von 350°C. Der Sauerstoffgehalt ist ausreichend hoch, um bei der eingesetzten Braunkohle eine Schmelzgranulation der Asche oberhalb der Ascheerweichungstemperatur von z. B. 1200° C und die Bildung von Aschegranulat zu bewirken. In das Aschegranulat werden die flüchtigen Alkalien und Schwermetalle nicht eluierbar eingebunden. Die mit dem zusätzlichen Vergasungsmittel 11 zugeführte Menge an Sauerstoff beträgt etwa 45% der mit dem ersten Vergasungsmittel 5 zugeführten Sauerstoffmenge. An der oberen Begrenzung der Wirbelschichtzone 4 stellt sich eine Temperatur in der Größenordnung von 900°C ein.

[0044] In der oberhalb der Wirbelschichtzone 4 vorgesehenen Splashzone 13 wird die Staubbeladung des aus der Wirbelschicht nach oben austretenden Rohgases 14 bis zum Eintritt in die in Strömungsrichtung des Rohgases hinter der Splashzone 13 angeordneten Kühlzone 15 auf einen Wert von ca. 1 kg/m³_i.N. abgesenkt. Der C-Gehalt des Staubes beträgt etwa 40 Ma.-%.

[0045] Während die Vergasungsmitteldüsen 10 der Düsenebenen 6 bis 8 so angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden ersten Vergasungsmittel direkt in die Wirbelschichtzone 4 strömen, sind die Vergasungsmitteldüsen 10 der zuoberst befindlichen Ebene 9 am Übergang zwischen der Wirbelschichtzone 4 und der Splashzone 13 derart angeordnet, daß sie in Strömungsrichtung der die jeweiligen Düse passierenden Vergasungsmittel schräg nach unten verlaufen mit der Folge, daß über die Ebene 9 zugeführten ersten Vergasungsmittel eine nach unten gerichtete Strömungskomponente aufweisen, welche der Strömungsrichtung des aus der Wirbelschichtzone 4 nach oben austretenden Rohgases 14 entgegengerichtet ist. Dadurch werden an der Oberfläche der Wirbelschicht Strömungsbedingungen geschaffen, welche dazu führen, daß ein großer Teil des staubförmigen Feststoffes, der sonst mit dem Rohgas 14 nach oben in die Splashzone 13 und weiter in die anschließende Kühlzone 15 ausgetragen worden wäre, in der Wirbelschicht verbleibt bzw. wieder in diese absinkt. Auf diese Weise kann der Staubaustrag aus der Wirbelschichtzone 4 verringert werden. Zudem wird durch die in den oberen Bereich der Wirbelschichtzone einströmenden Vergasungsmittel dort die Umsetzung der C-haltigen Bestandteile nochmals intensiviert.

[0046] Allerdings ist die Verwendung einer am Übergang zwischen Wirbelschichtzone 4 und Splashzone 13 befindlicher Düsenebene nicht immer erforderlich. Vielmehr hängt die Zweckmäßigkeit ihrer Anwendung von den jeweiligen Gegebenheiten, also beispielsweise auch davon ab, ob es zweckmäßig ist, im oberen Bereich der Wirbelschichtzone 4 noch eine Zufuhr von Vergasungsmitteln durchzuführen. Letzteres kann abhängen z. B. von der Reaktionsfreudigkeit des eingesetzten C-haltigen Materials.

[0047] Die Düsen 10 der übrigen Vergasungsmittelebenen 6 - 8 und 12 sind in Strömungsrichtung der sie passierenden Vergasungsmittel schräg nach oben gerichtet, um so das Fluidisieren der in der Wirbelschichtzone befindlichen Feststoffe zu fördern.

[0048] Beim Passieren der Kühlzone 15 wird das staubhaltige Rohgas 14 auf 600°C abgekühlt. Der Wärmetauscher, bestehend aus einem Verdampfer 16 mit nachgeschaltetem Überhitzer 17, ist helissenförmig als Schottenheizfläche ausgeführt. Das staubhaltige, gekühlte Rohgas 18 verläßt die Kühlzone 15 über den Rohgasabzug 19 und gelangt in die Entstaubungszone 20. Es durchströmt zunächst einen als Jalousie-Abscheider ausgebildeten Vorabscheider 21, der den Großteil des Staubes abscheidet, der in den Staubsammelraum 22 des Kerzenfilters 23 gelangt. Das staubhaltige, gekühlte Rohgas 18 wird anschließend vollständig im Kerzenfilter 23 entstaubt. Es verläßt dieses als staubfreies, gekühltes Rohgas 24. Der insgesamt abgeschiedene Staub 25 wird mittels Schwerkraft über die Rückführzone 26, bestehend aus einer von Einbauten freien Rückführleitung 38, in den unteren Teil der Wirbelschichtzone 4 zurückgeführt. Das staubfreie Rohgas 24 erfüllt die Anforderungen der Gasturbine bezüglich des geringen Staubgehaltes und des zulässigen Gehaltes an flüchtigen Alkalien.

[0049] In der ersten Nachvergasungszone 27 unterhalb der Wirbelschichtzone 4 wird ein zweites Vergasungsmittel 28 über die in der Ebene 29 angeordneten Düsen 10 eingeblasen. Das zweite Vergasungsmittel 28 besteht aus verdichteter, 350°C heißer Luft mit Zusatz von 0,33 kg Wasserdampf/m³_i.N.. Die mit dem Vergasungsmittel 28 zugeführte Sauerstoffmenge beträgt ca. 15% der mit dem ersten Vergasungsmittel 5 zugeführten Sauerstoffmenge. In der ersten Nachvergasungszone 27 stellt sich eine Temperatur von 800 - 850 °C ein. Der Abstand zur Ascheerweichungstemperatur ist ausreichend hoch, um Anbackungen zu vermeiden. Der C-Gehalt der aus der ersten Nachvergasungszone in die darunter befindliche zweite Nachvergasungszone übertretenden Feststoffe wird durch die Nachvergasung in der Nachvergasungszone 27 auf etwa 10 Ma.-% gesenkt.

[0050] Durch das durch die Düsen der Ebene 29 eingeblasene Vergasungsmittel erfährt der in der ersten Nachvergasungszone 27 befindliche Feststoff eine Auflockerung, die zu einer gewissen Fluidisierung in dieser Zone führen kann, ohne daß sich jedoch die für eine stationäre Wirbelschicht typischen Strömungsbedingungen einstellen, bei denen der im mittleren Bereich des Vergaserquerschnittes befindliche Feststoff sich überwiegend von unten nach oben bewegt und der in den Randbereichen des Vergaserquerschnittes befindliche Feststoff überwiegend sich von oben nach unten bewegt. Vielmehr reicht in der ersten Nachvergasungszone eine Auflockerung aus, die dazu führt, daß die schwereren Ascheagglomerate, die sich in der Wirbelschichtzone 4 in der bereits beschriebenen Weise gebildet haben, schneller nach unten absinken als die kleineren Restkokspartikel, die noch C-Anteile enthalten und somit länger in der ersten Nachvergasungszone 27 verweilen, um so auch in dieser ersten Nachvergasungszone noch einen merklichen C-Umsatz zu ermöglichen, der zu einem entsprechend niedrigeren C-Gehalt des Restkokses führt, welcher die erste Nachvergasungszone 27 unten verläßt und in die zweite Nachvergasungszone 30 gelangt, die im Ergebnis den Austragsbereich 31 des Vergasers 1 darstellt, aus welchem die festen Rückstände des Vergasungsprozesses aus dem Vergaser ausgetragen werden.

[0051] Die Feststoffe in der zweiten Nachvergasungszone 30 bilden ein sich von oben nach unten bewegendes Wanderbett, in welches dritte Vergasungsmittel 32 eingeführt werden, ohne daß eine wesentliche Auflockerung des Wanderbettes einträte. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden in den beiden Ebenen 35 und 36 unterschiedliche Vergasungsmittel eingeführt. In der unteren Ebene 35 wird Quenchwasser 33 eingeführt, durch welches das die zweite Nachvergasungszone 30 unten verlassende Bodenprodukt 37 unter Verdampfungskühlung auf 450°C abgekühlt wird. Um die möglichst vollständige Vergasung der restlichen C-Bestandteile und die Oxidation des in der Asche ggf. befindlichen Kalziumsulfids zu erreichen, wird in der über der Ebene 35 befindlichen Ebene 36 verdichtete, 350°C heiße Luft 34 mit einem Zusatz von 0,17 kg Dampf/m³_i.N. Luft eingeblasen. Die mit diesem zweiten Nachvergasungsmittel zugeführte Sauerstoffmenge beträgt ca. 2,5% der Sauerstoffmenge, die mit dem ersten Vergasungsmittel in die Wirbelschichtzone eingeblasen wird.

[0052] In der zweiten Nachvergasungszone stellt sich eine Temperatur von maximal 850°C ein. Der Abstand zur Ascheerweichungstemperatur ist ausreichend groß, um Anbackungen zu vermeiden. In Höhe der oberen Düsenebene 36 haben die Feststoffe ausreichenden Kontakt mit der freien sauerstoffenthaltenden Gasatmosphäre, so daß die Oxidation von kalziumsulfidhaltiger Asche erfolgt. Die Düsen 10 der Düsenebenen 29 und 36 in erster bzw. zweiter Nachvergasungszone sind analog den Düsen 10 der Düsenebenen 6 - 8 und 12 ebenfalls in Strömungsrichtung schräg nach oben verlaufend angeordnet. Hingegen sind die Düsen 10 in der Ebene 35, in welcher das Quenchwasser zugeführt wird, etwa analog der Düsenebene 9 nach unten gerichtet, um so den Austrag der Vergasungsrückstände aus dem Vergaser zu unterstützen.

[0053] In das Wanderbett im Bereich der zweiten Nachvergasungszone 30 wird von unten eine geringe Menge Stickstoff als Sperrgas 39 zur Verhinderung von Wasserdampfdurchtritt in die darunter befindlichen Einrichtungen zur Ausschleusung des Bodenproduktes (nicht dargestellt) eingegeben.

[0054] Die geometrische Innenkontur des Wirbelschichtvergasers 1 ist auf die Einspeisung der ersten, zweiten und dritten Vergasungsmittel 5, 28, 32 und ggf. des zusätzlichen Vergasungsmittels 11 sowie die Zuführung der Einsatzkohle 2 und des zurückgeführten abgeschiedenen Staubes 25 so abgestimmt, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit von der zweiten Nachvergasungszone 30 bis zum Eintritt in die Splashzone 13 von unten nach oben hin ansteigt und in der Splashzone 13 wieder abfällt. Es werden folgende Gasströmungsgeschwindigkeiten, bezogen auf den Leerraum, eingestellt:

0,6 m/s in der zweiten Nachvergasungszone 30 am Eintritt in die erste Nachvergasungszone 27,

1,2 m/s in der ersten Nachvergasungszone 27 am Eintritt in die Wirbelschichtzone 4,

3 m/s in der Wirbelschichtzone 4 am Eintritt in die Splashzone 13 und

2,5 m/s in der Splashzone 13 am Eintritt in die Kühlzone 15.

[0055] Ein Wirbelschichtvergaser 1 für eine thermische Leistung von 1100 MW_th, entsprechend einem stündlichen Kohleeinsatz von 202 t, weist in der zweiten Nachvergasungszone 30 einen lichten Durchmesser von 1,1 m auf. Der lichte Durchmesser der Kühlzone beträgt 3,7 m. In der Kühlzone 15 wird eine Kühlwärme von 156 MW_th in Form von überhitztem Dampf abgeführt. Es werden 600.0000 m³_i.N./h Rohgas (Rohgasheizwert H_u 5,02 MJ/m³_i.N.), entsprechend einem Rohgas-Heizwertstrom von 837 MW_th, erzeugt.

Ansprüche

1. Verfahren zum Vergasen von festen, kohlenstoffhaltigen Stoffen in einer Wirbelschicht (4) unter Verwendung von freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmitteln, wobei ein mit C-haltigem Staub beladenes Rohgas (14) die Wirbelschicht oberseitig verlässt und ein C-haltiges überwiegend grobkörnigeres Produkt (Restkoks) die Wirbelschicht als Bodenprodukt (37) unterseitig verläßt und wenigstens ein Teil des C-haltigen Staubes (25) in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

in der Wirbelschicht (4) die überwiegende Vergasung der C-haltigen Bestandteile der Einsatzstoffe (2) und des rückgeführten Staubes (25) unter Verwendung erster Vergasungsmittel (5) bei Temperaturen von 750° bis 950°C sowie die Granulierung von Asche unter Bildung von Aschegranulaten bei Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes erfolgen und

in einer über der Wirbelschicht (4) befindlichen Splashzone (13) die Abtrennung des staubhaltigen Rohgases aus der Wirbelschicht erfolgt, wobei die Staubbeladung des Rohgases 1 - 10 kg/M³_i.N. und der C-Gehalt des mit dem Rohgas aus der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes ≥ 20 Ma.-% betragen und

in einer Kühlzone (15) über der Splashzone (13) die Abkühlung des staubhaltigen Rohgases auf Temperaturen von 350 - 700°C, vorzugsweise auf Temperaturen von 550 - 650°C und die Wärmeabführung erfolgen und

in einer in Strömungsrichtung des Rohgases hinter der Kühlzone (15) angeordneten Entstaubungszone (20) eine möglichst vollständige Entstaubung des gekühlten Rohgases durchgeführt und zumindest der überwiegende Teil des abgeschiedenen, gekühlten Staubes in die Wirbelschicht (4) zurückgeführt wird,

unterhalb welcher in einer ersten Nachvergasungszone (27) eine erste Nachvergasung des die Wirbelschicht (4) nach unten verlassenden C-haltigen Bodenprodukts mit zweiten Vergasungsmitteln (28) sowie die wenigstens teilweise Segregation der Aschegranulate erfolgen und

in einer zweiten Nachvergasungszone (30) unterhalb der ersten Nachvergasungszone mit dritten Vergasungsmitteln (32) im Gegenstrom zum Bodenprodukt die möglichst vollständige Vergasung der verbliebenen kohlenstoffhaltigen Bestandteile des Bodenprodukts
durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulierung von Asche in der Wirbelschicht (4) unter Verwendung von zusätzlichen Vergasungsmitteln (11) erfolgt, die sich durch ihre Zusammensetzung und/oder ihre Temperatur vom ersten Vergasungsmittel (5) unterscheiden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vergasungsmittel ausschließlich in die Wirbelschicht, die erste Nachvergasungszone und die zweite Nachvergasungszone eingeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste Vergasungsmittel (5) auch über vorzugsweise in einer Ebene (9) senkrecht zur Längsachse des Vergasers angeordneten Düsen (10) in den Vergaser (1) eingeblasen werden, die im Bereich des Überganges zwischen Wirbelschichtzone (4) und Splashzone (13) angeordnet sind, wobei die Strömungsrichtung der Vergasungsmittel eine nach unten in die Wirbelschichtzone (4) gerichtete Komponente aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Vergasungsmittel (5) aus Luft oder einem Gemisch bestehen, welches wenigstens zwei der Komponenten Luft, O₂, Dampf, CO₂ aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Vergasungsmittel (28) in ihrer Zusammensetzung weitgehend der der ersten Vergasungsmittel (5) angepaßt sind und ggf. einen erhöhten Zusatz endotherm reagierender Vergasungsmittel aufweisen, um die Temperatur an jeder Stelle der ersten Nachvergasungszone (27) auf Werte unterhalb des Ascheerweichungspunktes zu halten.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Vergasungsmittel (32) einen mittleren Sauerstoffgehalt von ≤ 21 Vol.-% aufweisen und bezüglich Zusammensetzung und Menge, so eingestellt werden, daß der C-Gehalt des aus dem Vergaser unten ausgetragenen Bodenproduktes auf ≤ 8 Ma.-%, vorzugsweise ≤ 5 Ma.-% abgesenkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Vergasungsmittel (11) einen Sauerstoffgehalt von ≥ 21 Vol.-% und/oder eine ausreichend hohe Vorwärmung auf z.B. ≥ 400° C aufweist derart, daß sich in der Wirbelschicht (4) lokal Temperaturen oberhalb des Ascheerweichungspunktes einstellen und die Asche granuliert.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem zusätzlichen Vergasungsmittel (11) weitere Gase, z. B. NH₃ und/oder zu entsorgende Purge-Gase zugemischt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dritte Vergasungsmittel (32) in wenigstens zwei einen vertikalen Abstand voneinander aufweisenden Bereichen oder Ebenen (35, 36) in die dritte Vergasungsstufe eingeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere C-Gehalt des aus der Wirbelschichtzone (4) in die erste Nachvergasungszone (27) gelangenden Bodenproduktes ≤ 45 Ma.-% beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere C-Gehalt des aus der ersten Nachvergasungszone (27) in die zweite Nachvergasungszone (30) gelangenden Bodenprodukts ≤ 20 Ma.-% beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der zweiten Nachvergasungszone (30) befindliche Produkt vor Verlassen der zweiten Nachvergasungszone gekühlt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich der zweiten Nachvergasungszone (30) Quenchwasser (33) eingedüst wird, welches das den Vergaser verlassende Bodenprodukt auf Temperaturen von 300 - 500°C abkühlt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung des freien Sauerstoffes in den dritten Vergasungsmitteln (32), daß ggf. in der Asche bzw. im Aschegranulat vorhandenes Kalziumsulfid oxidiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidation des in der Asche befindlichen Kalziumsulfids zumindest überwiegend in der zweiten Nachvergasungszone (30) erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die möglichst vollständige Entstaubung des Rohgases (14) in zwei Schritten, einer Teil-Entstaubung, bei welcher die gröberen Partikel des Staubes aus dem Rohgas abgeschieden werden, und einer Feinentstaubung durchgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Entstaubungszone (20) abgeschiedene gekühlte Staub (25) mit Hilfe der Schwerkraft in den unteren Teil der Wirbelschichtzone (4) zurückgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit, bezogen auf den Leerraum, ausgehend von der zweiten Nachvergasungszone (30) bis zum Eintritt in die Splashzone (13) von unten nach oben ansteigt und in der Splashzone wieder abfällt, wobei vorzugsweise folgende Werte eingehalten werden:

0,3 - 0,8 m/s in der zweiten Nachvergasungszone (30) ,

0,5 - 1,5 m/s in der ersten Nachvergasungszone (27),

1 - 5 m/s in der Wirbelschichtzone (4),

0,5 - 3 m/s in der Splashzone (13).

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Splashzone (13) wenigstens über einen Teilbereich ihrer Erstreckung in Strömungsrichtung sich von unten nach oben erweitert.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone (15) gesättigter und/oder überhitzter Dampf erzeugt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die zweite Nachvergasungszone (30) von unten ein Inertgas als Sperrgas (39) eingeführt wird.

23. Wirbelschichtvergaser zum Vergasen von festen, kohlenstoffhaltigen Stoffen in einer Wirbelschicht (4) unter Verwendung von freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmitteln, wobei ein mit C-haltigem Staub beladenes Rohgas (14) die Wirbelschicht oberseitig und ein C-haltiges überwiegend grobkörnigeres Produkt (Restkoks) die Wirbelschicht als Bodenprodukt (37) unterseitig verläßt und eine Rückführleitung (38) vorgesehen ist, durch welche wenigstens ein Teil des mit dem Rohgas aus der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Wirbelschichtzone (4) vorgesehen ist, in welcher die überwiegende Vergasung der C-haltigen Bestandteile der Einsatzstoffe (2) und des rückgeführten Staubes (25) unter Verwendung erster Vergasungsmittel (5) erfolgt und

unter der Wirbelschichtzone (4) eine erste Nachvergasungszone (27) vorgesehen ist, in welcher eine erste Nachvergasung des die Wirbelschicht (4) nach unten verlassenden C-haltigen Bodenproduktes mit zweiten Vergasungsmitteln (28) sowie die wenigstens teilweise Segregation von in der Wirbelschichtzone (4) gebildetem Aschegranulat erfolgt, und

unterhalb der ersten Nachvergasungszone (27) eine zweite Nachvergasungszone (30) angeordnet ist, in welcher eine Nachvergasung des aus der ersten Nachvergasungszone (27) ausgetragenen C-haltigen Feststoffe mit dritten Vergasungsmitteln (32) erfolgt, die vorzugsweise im Gegenstrom zu dem in der zweiten Nachvergasungszone befindlichen Feststoffen durch die zweite Nachvergasungszone geführt werden, und

oberhalb der Wirbelschichtzone (4) eine Kühlzone (15) mit wenigstens einem Wärmetauscher (16, 17) vorgesehen ist, der sich oberhalb der Wirbelschichtzone (4) in einem Abstand von wenigstens 0,5 m von derselben befindet, und

in Strömungsrichtung des Rohgases hinter der Kühlzone (15) eine Einrichtung (20) zur Abscheidung des mit dem Rohgas aus der Wirbelschicht ausgetragenen Staubes angeordnet ist und

die Abscheideeinrichtung über eine Rückführleitung (38) mit einem Bereich des Vergasers (1) verbunden ist, in welchem sich ein Teil der Wirbelschichtzone (4) befindet und

mehrere in vertikalen Abständen voneinander angeordnete Düsen (10) für das Einführen von Vergasungsmitteln in dem Vergaser (1) vorgesehen sind.

24. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) für das Einführen der Vergasungsmittel (5, 11, 28, 32) jeweils in wenigstens einer senkrecht zur Längsachse des Vergasers (1) sich erstreckenden Ebene angeordnet sind.

25. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar oberhalb der Wirbelschichtzone (4) Düsen (10) zum Einführen von Vergasungsmitteln (5) angeordnet sind, die in Strömungsrichtung des Vergasungsmittels (5) nach unten geneigt verlaufen.

26. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Nachvergasungszone (30) Düsen (10) vorgesehen sind, durch welche Quenchwasser (33) in den unteren Bereich der zweiten Nachvergasungszone (30) eingeführt wird.

27. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergaser (1) im Bereich der Wirbelschichtzone (4) mit wenigstens einer zusätzlichen Düse (10) für das Einblasen eines zusätzlichen Vergasungsmittels (11) versehen ist.

28. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Querschnitt der zweiten Nachvergasungszone (30) so bemessen ist, daß sich eine Gasströmungsgeschwindigkeit, bezogen auf den Leerraum am Eintritt in die erste Nachvergasungszone (27) von 0,3 - 0,8 m/s einstellt,

der lichte Querschnitt der ersten Nachvergasungszone (27) zur Wirbelschichtzone (4) so erweitert ist, daß sich am Eintritt in die Wirbelschichtzone (4) eine Gasströmungsgeschwindigkeit, bezogen auf den Leerraum, von von 0,5 - 1,5 m/s einstellt,

der lichte Querschnitt der Wirbelschichtzone (4) zur Splashzone (13) hin so erweitert ist, daß sich mit zunehmender Höhe eine stetig ansteigende Gasströmungsgeschwindigkeit, bezogen auf den Leerraum einstellt, die 1 - 5 m/s am Eintritt in die Splashzone beträgt,

der lichte Querschnitt der Splashzone zur Kühlzone hin so erweitert ist, daß sich eine Gasströmungsgeschwindigkeit, bezogen auf den Leerraum von 1 - 3 m/s am Eintritt in die Kühlzone (15) einstellt.

29. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) helissenförmig als Schottenheizfläche ausgeführt ist.

30. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Enstaubungseinrichtung (20) mit einem Absolutfilter als Kerzenfilter (23) mit vorzugsweise keramischen oder metallischen Filterkerzen versehen ist.

31. Wirbelschichtvergaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Entstaubungseinrichtung (20) mit einem Vorabscheider (21) versehen ist, der vorzugsweise als Jalousie-Abscheider ausgeführt ist.

Zeichnung