[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von wasserhaltigem Kondensat aus
der Kühlung des Rohgases der Vergasung fester Brennstoffe mit Sauerstoff, Wasserdampf
und Kohlendioxid enthaltenden Vergasungsmitteln unter einem Druck von 5 bis 100 bar,
wobei die Brennstoffe ein Festbett bilden, das sich langsam nach unten bewegt und
unter dem man die unverbrennlichen mineralischen Bestandteile des Brennstoffs als
feste Asche oder flüssige Schlacke abzieht.
[0002] Die Vergasung fester Brennstoffe, insbesondere von Kohle oder Braunkohle, im Festbett
mit festbleibender Asche ist z.B. in Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie,
4. Auflage (1977), Band 14, Seiten 383-386, dargestellt. Einzelheiten dieser bekannten
Vergasungsmethode sind auch in den US-Patentschriften 3 540 867 und 3 854 895 veröffentlicht.
Die Vergasung des Brennstoffs im Festbett mit Abzug flüssiger Schlacke ist in den
britischen Patentschriften 1 507 905, 1 506 671 und 1 512 677 erläutert. Beim Verfahren
des europäischen Patents 12 456 und dem dazu korrespondierenden US-Patent 4 295 864
wird das beim Kühlen des Rohgases unter erhöhtem Druck anfallende Kondensat entspannt,
wobei Entspannungsdampf und eine flüssige Phase entstehen. Der Entspannungsdampf
wird einer Brennkammer zugeführt und bei Temperaturen oberhalb von 800°C verbrannt.
Ein Teil der flüssigen Phase muß aus dem Prozeß entfernt und aufgearbeitet werden,
weil sich sonst die Konzentration der Verunreinigungen im Gas oder im Kondensat auf
unzulässige Werte steigern würde. Das Aufarbeiten und Reinigen von Flüssigkeit verursacht
jedoch beträchtliche Kosten.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anteil des Kondensats, der nicht in
die Vergasung zurückgeführt oder beim Behandeln des Rohgases wiederverwendet werden
kann, auf einfache und wirtschaftliche Weise zu beseitigen. Beim eingangs genannten
Verfahren geschieht dies erfindungsgemäß dadurch, daß man das Kondensat zumindest
teilweise in einer Wirbelschichtverbrennung bei Temperaturen im Bereich von etwa 750
bis 1000°C verbrennt und das wasserdampfhaltige Verbrennungsgas aus der Verbrennung
in die Vergasung leitet. Das Reinigen eines Kondensatanteils entfällt hierbei völlig
und das Verbrennungsgas dient in der Vergasung als Vergasungsmittel.
[0004] Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß man das beim Kühlen des Rohgases
anfallende Kondensat in einem Abscheider von Staub und Teer zumindest teilweise befreit,
bevor man das Kondensat der Wirbelbettverbrennung zuführt. Staub und Teer werden in
bekannter Weise in der Vergasung zurückgeführt.
[0005] Zweckmäßigerweise führt man einen Teil des Verbrennungsgases in die Wirbelbettverbrennung
zurück, wobei das Gas als Fluidisierungsmedium dient.
[0006] Das Verfahren bietet auch die vorteilhafte Möglichkeit, aus dem Rohgas nach der Kühlung
Schwefelverbindungen und Kohlendioxid zu entfernen und diese Stoffe der Wirbelbettverbrennung
zusammen mit Calciumverbindungen aufzugeben. Das CO₂ bleibt so dem Vergasungsverfahren
erhalten und reduziert den Kohleverbrauch. Die Schwefelverbindungen, insbesondere
H₂S, werden in der Wirbelbettverbrennung zu SO₂ umgewandelt und verbinden sich mit
den Calciumverbindungen, insbesondere Kalkstein oder Kalkmilch, zu Calciumsulfat.
Calciumsulfat wird dann mit der Achse der Verbrennung abgezogen und kann problemlos
deponiert werden.
[0007] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß man die Wirbelbettverbrennung
bei einem Druck betreibt, der um mindestens 2 bar höher ist als der Druck der Vergasung.
Dadurch kann das Verbrennungsgas ohne zusätzliche Kompression in die Vergasung eingeleitet
werden.
[0008] Da das Rohgas und das daraus durch Abkühlung gebildete Kondensat etwa unter dem in
der Vergasung herrschenden Druck anfallen, empfiehlt es sich, daß auch der Druck im
Abscheider zum Behandeln des Kondensats etwa der gleiche wie in der Vergasung ist.
Eine Entspannung von Kondensat, und somit die Behandlung von Entspannungsgasen, entfallen
daher. Die Pumpleistung zum Einleiten der aus dem Abscheider abgezogenen Flüssigkeiten
in die Wirbelbettverbrennung und die Vergasung verringert sich.
[0009] Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne weiteres möglich, den in der Vergasung
benötigten Wasserdampf allein durch den Wasserdampfgehalt des aus der Wirbelbettverbrennung
kommenden Verbrennungsgases aufzubringen. Ein Dampfkessel zum Erzeugen zusätzlichen
Wasserdampfes für die Vergasung entfällt somit. Das Verfahren kommt auch ohne Rauchgasbehandlung,
z.B. Rauchgaswäsche, aus, da Stickoxide und Schwefeloxide in der Vergasung reduziert
werden und als N₂ bzw. H₂S anfallen, wobei das H₂S zusammen mit anderen Schwefelverbindungen
in der Rohgasreinigung entfernt werden kann. Im Ergebnis werden beim erfindungsgemäßen
Verfahren nach außen weder SO₂ noch Stickoxide abgegeben, es wird Wasser gespart
und die Wiederverwendung von CO₂ reduziert den Kohleverbrauch. Wegen der Reinigungswirkung
der Wirbelbettverbrennung ist das Gesamtverfahren umweltfreundlich. Ein geringer
Mehrverbrauch an Sauerstoff fällt gegenüber bekannten Verfahren nicht ins Gewicht.
[0010] Bei der Wirbelbettverbrennung kann die klassische Wirbelschicht oder bevorzugt die
zirkulierende Wirbelschicht zur Anwendung kommen, für welche Einzelheiten in der deutschen
Auslegeschrift 25 39 546 und dem dazu korrespondierenden US-Patent 4 165 717 beschrieben
sind. Bei der zirkulierenden Wirbelschicht sind die Geschwindigkeiten des Fluidisierungsgases
erheblich höher als bei der klassischen Wirbelschicht, so daß ständig große Feststoffmengen
aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragen, vom Gas getrennt und zurück in den Wirbelschichtreaktor
geleitet werden.
[0011] Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert.
[0012] Der Vergasung 1 wird körnige Kohle mit einem Kornbereich von etwa 3 bis 60 mm durch
die Leitung 2 zugeführt. Zur Vereinfachung sind in der Zeichnung Schleuseneinrichtungen
nicht dargestellt. Die Vergasung 1, bei welcher sich der körnige Brennstoff im Festbett
befindet, arbeitet im Druckbereich von 5 bis 100 bar. Vergasungsmittel kommen aus
der Leitung 3, sie bestehen aus einem Verbrennungsgas, dem durch die Leitung 4 Sauerstoff
zugegeben wird. Der unverbrennliche Rückstand der Vergasung, bei dem es sich um feste
Asche oder flüssige Schlacke handelt, wird in der Leitung 5 abgeführt.
[0013] Das Rohgas der Vergasung gelangt in der Leitung 6 zu einem Waschkühler 7, in welchen
durch die Leitung 8 Wasser oder überwiegend aus Wasser bestehendes Kondensat zugeführt
wird. Im anschließenden Abhitzekessel 10 erfolgt eine weitere Kühlung, so daß das
Rohgas in der Leitung 11 mit Temperaturen im Bereich von 120 bis 180°C abzieht und
im Sumpf des Abhitzekessels 10 ein Kondensat mit ebenfalls Temperaturen von 120 bis
180°C anfällt. Dieses Kondensat wird in der Leitung 12 einem Abscheider 13 aufgegeben.
[0014] Der Druck im Abscheider 13 ist im vorliegenden Fall nur etwa 1 bis 5 bar niedriger
als in der Vergasung 1. Im Abscheider 13 erfolgt in an sich bekannter Weise die Schwerkrafttrennung
verschiedener Komponenten des Kondensats. Eine schwere Phase, die reich an Staub und
Teer ist, wird in der Leitung 14 abgezogen, wobei es sich anbietet, diese Phase ebenfalls
der Vergasung 1 zuzuführen. Eine wasserreiche Phase, die üblicherweise als Gaswasser
bezeichnet wird, zieht man in der Leitung 15 ab und gibt sie unter der Wirkung der
Pumpe 16 einer Wirbelbettverbrennung 17 auf. Falls erforderlich, wird Zusatzwasser
in der Leitung 9 herangeführt.
[0015] Der Wirbelbettverbrennung 17 führt man auch ein Abgas aus der Leitung 18 zu, das
durch das Gebläse 19 aus einer Gasreinigung 20 angesaugt wird. In der Gasreinigung
20 wird das Rohgas aus der Leitung 11 behandelt, wobei man durch bekannte Verfahren
Schwefelverbindungen, insbesondere H₂S, sowie auch teilweise CO₂ entfernt. CO₂ und
diese Schwefelverbindungen sind im Abgas der Leitung 18 enthalten. Das gereinigte
Gas, das nun vor allem aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht, steht zur weiteren
Verwendung in der Leitung 21 zur Verfügung.
[0016] Der Wirbelbettverbrennung17 führt man als Brennstoff Feinkohle mit Korngrößen bis
10 mm durch die Leitung 22 und gemahlenen Kalkstein, Dolomit oder Kalkmilch durch
die Leitung 23 zu. Diese Calciumverbindungen werden in der Verbrennung 17 bei den
dort herrschenden Temperaturen von 750 bis 1000°C und vorzugsweise 800 bis 900°C zu
CaO umgewandelt, welches das aus den Schwefelverbindungen gebildete SO₂ als Calciumsulfat
bindet. Als Wirbelgas wird der Verbrennung 17 ein in der Leitung 25 zurückgeführter
Teilstrom der Verbrennungsgase verwendet, dem man in der Leitung 26 Sauerstoff,
Luft oder auch mit Sauerstoff angereicherte Luft zumischt.
[0017] Durch die hohen Wirbelgasgeschwindigkeiten in der Verbrennung 17 werden zusammen
mit den Verbrennungsgasen ständig erhebliche Feststoffmengen aus der Verbrennungszone
ausgetragen und durch die Leitung 27 einem Zyklon 28 zugeführt, in welchem die Feststoffe
aus dem Gas weitgehend abgeschieden werden. Die Feststoffe, die überwiegend aus Brennstoffasche
und Calciumsulfat bestehen, verlassen den Zyklon 28 in der Leitung 30 und werden zu
etwa 80 bis 90 % in der Leitung 31 in die Verbrennung 17 zurückgeführt. Die restlichen
Feststoffe zieht man in der Leitung 32 ab und kann sie nach einer nicht dargestellten
Kühlung z.B. deponieren. Die Wirbelbettverbrennung 17 mit der Verbindungsleitung
27, dem Zyklon 28 sowie den Leitungen 30 und 31 stellt die für die zirkulierende Wirbelschicht
typische apparative Anordnung dar.
[0018] Das im Zyklon 28 von Feststoffen weitgehend befreite Verbrennungsgas strömt in der
Leitung 33 ab, wobei es Temperaturen von 750 bis 1000°C und vorzugsweise 800 bis
900°C aufweist. Zum Kühlen und zum Erhöhen des Wasserdampfgehaltes wird diesem Gas
durch die Leitung 34 herangeführtes Wasser, bei dem es sich auch um Kondensat oder
Gaswasser handeln kann, eingesprüht. Das mit Wasserdampf angereicherte Verbrennungsgas
wird dann teilweise über das Gebläse 35 und die Leitung 25 in der bereits beschriebenen
Weise zur Verbrennung 17 zurückgeführt, das restliche Verbrennungsgas führt man
in der Leitung 3 der Vergasung 1 zu.
Beispiel:
[0019] In einer der Zeichnung entsprechenden Verfahrensführung gibt man der Vergasung 1
1000 kg Kohle (wasser- und aschefrei gerechnet) auf. Die Kohle, die einen Körnungsbereich
von 5 bis 40 mm aufweist, enthält 51 kg Feuchte, 126 kg Asche und 21 kg Schwefel.
Als Vergasungsmittel führt man durch die Leitung 3 Verbrennungsgas heran, das aus
folgenden Gaskomponenten besteht:
CO₂ 107 Nm³
O₂ 7 Nm³
N₂ 2 Nm³
und das 323 kg Wasserdampf enthält. Die Temperatur des Gases liegt bei 400°C. Dem
Verbrennungsgas werden 477 Nm³ Sauerstoff aus der Leitung 4 zugemischt. Der Druck
in der Vergasung 1 liegt bei 30 bar und in der Verbrennung 17 bei 32 bar.
[0020] Im Abhitzekessel 10 fallen bei einer Temperatur von 180°C 230 kg Kondensat an, das
185 kg Wasser enthält. Dieses Wasser wird in einem Abscheider13 als Gaswasser abgetrennt
und durch die Leitung 15 der Verbrennung 17 zugeführt. Durch die Leitung 9 wird Rohwasser
in einer Menge von 20 kg zugegeben. In der Gasreinigung 20 entsteht ein Abgas aus
49 Nm³ CO₂, 14 Nm³ H₂S und 1 Nm³ COS, das über den Kompressor 19 und die Leitung 18
ebenfalls in die Verbrennung 17 gegeben wird, die als zirkulierende Wirbelschicht
ausgestaltet ist. Der Verbrennung 17 gibt man ferner 26 kg Feinkohle, 110 kg gemahlenen
Kalkstein und 76 Nm³ Sauerstoff auf. Das Verbrennungsgas der Leitung 33 weist eine
Temperatur von 850°C auf, es wird mit 96 kg Rohwasser aus der Leitung 34 bedüst und
dabei auf 400°C abgekühlt. 2200 Nm³ Reingas verlassen in der Leitung 21 die Gasreinigung
20.
1. Verfahren zum Behandeln von wasserhaltigem Kondensat aus der Kühlung des Rohgases
der Vergasung fester Brennstoffe mit Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid enthaltenden
Vergasungsmitteln unter einem Druck von 5 bis 100 bar, wobei die Brennstoffe ein Festbett
bilden, das sich langsam nach unten bewegt und unter dem man die unverbrennlichen
mineralischen Bestandteile des Brennstoffs als feste Asche oder flüssige Schlacke
abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kondensat zumindest teilweise in einer Wirbelschichtverbrennung bei
Temperaturen im Bereich von etwa 750 bis 1000°C verbrennt und das wasserdampfhaltige
Verbrennungsgas aus der Verbrennung in die Vergasung leitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Kühlen des Rohgases anfallende Kondensat in einem Abscheider von Staub
und Teer zumindest teilweise befreit wird, bevor man das Kondensat der Wirbelbettverbrennung
zuführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des Verbrennungsgases in die Wirbelbettverbrennung zurückführt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Rohgas nach der Kühlung Schwefelverbindungen und einen Teil des
Kohlendioxid entfernt und diese Stoffe der Wirbelbettverbrennung zusammen mit Calciumverbindungen
aufgibt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verbrennungsgas durch Einsprühen von Wasser kühlt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelbettverbrennung bei einem Druck betrieben wird, der um mindestens
2 bar höher ist als der Druck in der Vergasung.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Abscheider etwa der gleiche ist wie in der Vergasung.