Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs
1. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
[0002] Zur Vergasung von Kohle oder Rückstandsöl werden zur Zeit hauptsächlich sauerstoffgeblasene
Prozesse, beispielsweise Shell-Kohlevergasungsprozess, verwendet. Durch diese Prozesse
entsteht ein Gas mit relativ hohem Heizwert, 12-15 MJ/kg, das wegen seiner geringen
Massenströme ohne grossen Enthalpieverlust entschwefelt und durch Wascheinrichtungen
entstaubt werden kann. Dabei laufen die typischen Vergasungsreaktionen


endotherm ab.
Die benötigte Energie wird z.B. durch exotherme Reaktion

zur Verfügung gestellt.
[0003] Dabei wird etwa 22% des Heizwertes des Brennstoffes durch die exotherme Reaktion
(3a) zunächst in Wärme und dann über die endotherme Reaktionen (1) und (2) wieder
in Brennstoffenthalpie umgesetzt.
Bei einem luftgeblasenen Vergasungsprozess gemäss Stand der Technik würde die exotherme
Reaktion (3a) zu:

und der Heizwert der Produktgase wird auf weniger als 50% im Vergleich zur sauerstoffgeblasenen
Vergasung reduziert.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Prozesses ist die Tatsache, dass das Vergasungsprodukt
mit Luftstickstoff verunreinigt wird.
Darstellung der Erfindung
[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einem Vergasungsbehälter
der eingangs genannten Art die für die Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen
benötigte Energie durch einen luftgeblasenen Vergasungsprozess zu erzeugen, ohne dass
das Vergasungsprodukt mit Luftstickstoff verunrenigt ist.
[0005] Das Verfahren wird unter Zuhilfenahme eines Vergasungsbehälters durchgeführt, in
welchem von der Verbrennung her eine Drallströmung erzeugt wird. Dabei wird in einem
Drallbrenner auf der Achse ein unterstöchiometrisches Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt,
wobei im wesentlichen die exotherme Reaktion (3b) abläuft. Im Gegenstrom wird im äusseren
Radienbereich ebenfalls Brennstoff mit stark überhitztem Dampf von 700-1200°C nach
den endothermen Reaktionen (1) und (2) vergast. Durch die stabile Schichtung im zylindrischen
Reaktionsraum wird vermieden, dass sich der energielieferende Teilstrom im Zentrum,
wo eine Verbrennungstemperatur von ca. 1800°C vorherrscht, mit dem zu vergasenden
Brennstoff/Dampf-Gemisch im äusseren Radienbereich mischt. Die Wärmeübertragung vom
energielieferenden Teilstrom an das zu vergasende Gemisch geschieht durch direkten
Strahlungswärmeaustausch, durch indirekten Strahlungswärmeaustausch unter Beteiligung
der Brennkammerwand und durch konvektive Wärmeübertragung zwischen der durch Strahlung
erwärmten Brennkammerwand und dem Vergasungsgemisch. Im Anschluss an den Vergasungsreaktor
wird durch Zugabe von Sekundärluft der zentrale Teilstrom, der bis anhin schon einen
grossen Teil seiner fühlbaren Wärme an das zu vergasende Brennstoff/Dampf-Gemisch
abgegeben hat, vollständig ausgebrannt.
[0006] Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die zweistufige Verbrennungsführung
möglich ist, auch Brennstoffe mit brennstoffgebundenem Stickstoff einzusetzen, ohne
im Abgas hohe Stickoxidwerte zu erhalten.
[0007] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Verfahren sich für
sämtliche Brennstoffe, insbesondere für flüssige Brennstoffe, wie Schweröle, Rückstandsöle,
Orimulsion, oder auch für Kohle in Form von Coal Water Slurry (CWS) oder in Form von
Kohlenstaub eignet.
[0008] Weitere Vorteile der Erfindung sind:
- Es wird keine Luftzerlegungsanlage mehr benötigt;
- Das Verfahren kann sowohl atmosphärisch als auch unter Druck betrieben werden;
- Es entsteht ein Vergasungsprodukt mit einem moderaten Heizwert ≈ 10 MJ/kg, das in
einer Gasturbine schadstoffarm verbrannt werden kann.
[0009] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung
sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
[0010] Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen
Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0011] Es zeigt:
- Fig. 1
- einen zylindrischen Vergasungsbehälter, in welchem ein Vergasungsprodukt mit einem
Heizwert ≈ 10 MJ/kg bereitgestellt wird,
- Fig. 2
- einen Vormischbrenner in der Ausführung als "Doppelkegelbrenner" in perspektivischer
Darstellung, entsprechend aufgeschnitten und
- Fig. 3-5
- Schnitte durch verschiedene Ebenen des Vormischbrenners gemäss Fig. 2.
[0012] Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit
[0013] Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Vergasungsbehälter 1, der aus einem Brenner 100,
einem Reaktionsraum 2, in Strömungsrichtung der Heissgase einem nachgeschalteten Durchflussraum
3, und dazwischengeschaltet einem Zwischenrohr 4. Der Brenner 100 wird vorzugsweise
als Vormischbrenner ausgelegt: Hierzu wird auf die Ausführungen unter Fig. 2-5 verwiesen.
Kopfseitig und im Zentrum des Reaktionsraumes 2 wirkt der genannte Vormischbrenner
100, der eine stabile Heissgas-Strömung 5 im Kern oder Zentrum 6 des Reaktionsraumes
2 erzeugt. Diese Heissgase 5 durchströmen sozusagen gebündelt und unter Drall den
Reaktionsraum 2. Dieser Strom durch das Zentrum des Reaktionsraumes 2 ist der eigentliche
Energielieferant, dessen Verbrennungstemperatur ca. 1800°C. beträgt. Das Zwischenrohr
4 weist eine Anzahl in Umfangsrichtung des Durchflussquerschnittes angeordneter Oeffnungen
7 auf, durch welche eine Sekundärluft 8 der dort durchströmenden unterstöchiometrischen
Heissgase 5 zugemischt wird, deren Temperatur durch die dann stattfindende Reaktion
erhöht wird, bevor diese neue Heissgase 5a den nachgeschalteten Durchflussraum 3 durchströmen.
Dieser Durchflussraum 3 erfüllt zugleich die Funktion eines Wärmetauschers: In Gegenstromrichtung
zu den Heissgasen 5a wird ringförmig zum Durchflussraum 3 ein Dampfstrom 9 eingeleitet,
deren Anfangstemperatur ca. 150°C beträgt. Dieser Dampf 9 wird entlang der Wärmetauschstrecke
überhitzt, bevor er durch das Zwischenrohr 4 strömt. Im Gegenzug erkalten die Heissgase
5a zu Abgasen 14 mit einer Temperatur von 500°C, wofür sie sich für die Erzeugung
eines Dampfes zum Betreiben einer Dampfturbine bestens eignen. Benachbart zum stromauf
gelegenen Reaktionsraum 2 weist die ringförmige Oeffnung des Zwischenrohres 4 eine
Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten Drallkörpern 10 mit Brennstoffeindüsung
auf, welche ein Gemisch aus Brennstoff und überhitztem Dampf erzeugen, im folgenden
Vergasungsgemisch 11 genannt, dem eine rotierende Bewegung aufzwungen wird. Diese
rotierende Bewegung ummantelt im Reaktionsraum 2 in Gegenstromrichtung die zentrische
Strömung der Heissgase 5, dergestalt, dass zwischen den beiden Medien ein Wärmetransport
ohne einen gegenseitigen Austausch und ohne physikalische Trennung, wie dies bei Wärmetauschern
der Fall ist. Dieses Vergasungsgemisch 11 verlässt den Reaktionsraum 2 als Brennstoff
15 mit einem Heizwert < 10 MJ/kg und mit einer Temperatur von ca. 650°C, wobei die
nach wie vor vorhandene rotierende Bewegung durch endseitig des Reaktionsraumes 2
plazierte weitere Drallkörper 12 aufgehoben wird, bevor dieses Brennstoffes 15 seinem
Einsatzbereich zugeführt wird. Die Wärmeübertragung von energieliefernden Heissgasen
5 an das Vergasungsgemisch 11 kann nicht nur durch direkten Strahlungswärmeaustausch
geschehen, sondern wahlweise auch durch indirekten Strahlungswärmeaustausch unter
Beteiligung der Wand des Reaktionsraumes 2, oder durch konvektive Wärmeübertragung
zwischen der durch Strahlung erwähmten Reaktionsraumwand und dem Vergasungsgemisch
11. Dieses gibt einen Teil seiner Wärme in Wärmetauschverfahren einer Primärluft 13,
deren Durchflussströmung ringförmig zum Vergasungsgemisch 11 verläuft. Diese erhitzte
Primärluft 12 mit einer Temperatur > 500°C bildet dann die Verbrennungsluft für den
Vormischbrenner 100. Demnach werden folgende Grundprinzipien benutzt:
- Radial geschichtete Drallströmung mit heissem Kern geringerer Dichte und kälterer
Aussenströmung hoher Dichte.
- Gestufte Verbrennungsführung zur Minimierung der NOx-Emissionen.
- Strahlungswärmeaustausch zwischen unterstöchiometrischem heissem Kern und Reaktionsraumwand
bzw. direkter Strahlungswärmeaustausch zwischen heissem Kern und Vergasungs-Gemisch.
Dieses Verfahren, d.h. der bereitgestellte Brennstoff 15, eignet sich vorzüglich als
Brennstoffaufbereitungssystem für Gasturbinen, Kombianlagen oder Heizkraftwerke mit
Schweröl als Brennstoff, beispielsweise auch unter Zugabe von Klärschlamm. Auch zur
Erzeugung eines Synthesegas in der chemischen Grundstoffindustrie ist das Verfahren
geeignet. Gegenüber den sauerstoffgeblasenen Vergasungsprozessen hat es den weiteren
Vorteil, dass wesentlich geringere Investionen und Betriebskosten anfallen.
[0014] Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig
zu Fig. 3 die einzelnen Schnitte nach den Figuren 4-6 herangezogen werden. Des weiteren,
um Fig. 3 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figuren
4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden.
Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die restlichen Figuren
4-6 hingewiesen.
[0015] Der Brenner 100 nach Fig. 3 ist ein Vormischbrenner und besteht aus zwei hohlen kegelförmigen
Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung
der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper
101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils
einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 4-6), durch welche die
Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114
strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung weist
einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können
die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung
aufweisen, ähnlich einer Tronpete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind
zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind.
Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil
101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander
verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze
Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist
eine Düse 103 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem engsten Querschnitt
des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt.
Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen
Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig,
also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper
101, 102 weisen des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang
der tangentialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen
117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in die
dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen
wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der
tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um
eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung
des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a
vorhanden sind. Die letztgenannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür,
dass Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt
wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang
des Brenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht,
die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem
durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen Brennstoff
112, der allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff
112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse
103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangential
einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung
wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft
115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen
Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Oeffnungsdüsen 117 eingebracht,
wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze
119, 120 zustande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes 112 uber die Düse 103
wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 106 am Ende
des Brenners 100, die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt
erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 106. Erst an dieser
Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins
Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist,
wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht
zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten
Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes
112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Ueberlegungen
gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe
zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich
Kegelwinkel und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen
einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit
der Strömungszone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen,
dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone
106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur
Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, dass die einmal fixierte Rückströmzone
106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im
Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des
Brenners 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen
Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des
weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu
verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ grosse
betriebliche Bandbreite erfasst werden kann.
[0016] Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b
hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge,
das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung gegenüber
der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in
den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b
um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten
Drehpunkt123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche
Spaltgrösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verändert wird. Selbstverständlich
können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige
Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden.
Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können
andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.
Bezugszeichenliste
[0017]
- 1
- Vergasungsbehälter
- 2
- Reaktionsraum
- 3
- Durchflussraum
- 4
- Zwischenrohr
- 5
- Heissgase, Heissgas-Schichtung
- 5a
- Neue Heissgase
- 6
- Zentrum, Kern
- 7
- Oeffnungen
- 8
- Sekundärluft
- 9
- Dampf
- 10
- Drallkörper
- 11
- Vergasungsgemisch
- 12
- Drallkörper
- 13
- Primärluft
- 14
- Abgasen
- 15
- Brennstoff
- 100
- Vormischbrenner
- 101, 102
- Teilkörper
- 101a, 102a
- Zylindrische Angangsteile
- 101b, 102b
- Längssymmetrieachsen
- 103
- Brennstoffdüse
- 104
- Brennstoffeindüsung
- 105
- Brennstoffeindüsungsprofil
- 106
- Rückströmzone (Vortex Breakdown)
- 107
- Flammenfront
- 108, 109
- Brennstoffleitungen
- 110
- Frontwand
- 110a
- Luftbohrungen
- 110b
- Kühlluft
- 112
- Flüssiger Brennstoff
- 113
- Gasförmiger Brennstoff
- 114
- Kegelhohlraum
- 115
- Verbrennungsluft
- 116
- Brennstoff-Eindüsung
- 117
- Brennstoffdüsen
- 119, 120
- Tangentiale Lufteintrittsschlitze
- 121a, 121b
- Leitbleche
- 122
- Brennraum
- 123
- Drehpunkt der Leitbleche
1. Verfahren zur luftgeblasenen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, wobei
die benötigte Energie für die Vergasung durch Wärmeaustausch zwischen einer endothermen
und einer exothermen Reaktion bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch
die exotherme Reaktion aus einer Verbrennung eines unterstöchiometrischen Brennstoff/Luft-Gemisches
ein Heissgas entsteht, dass durch die endotherme Reaktion aus einem Vergasungsprozess
zwischen Brennstoff und überhitztem Dampf ein Vergasungsgemisch entsteht, dass der
Wärmeaustausch durch einen direkten oder indirekten Strahlungswärmeaustausch zwischen
Heissgas und Vergasungsgemisch zustande kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heissgas als heissen Kern
in einer Richtung strömt, dass das Vergasungsgemisch das Heissgas ummantelt und in
Gegenrichtung strömt, dass dem Heissgas nach dem Wärmetauschverfahren eine Sekundärluft
zugemischt wird, dass dieses neue Heissgas im Wärmetauschverfahren den überhitzten
Dampf aufbereitet und als Abgas abströmt, und dass das Vergasungsgemisch im Wärmetauschverfahren
eine Primärluft aufwärmt und anschliessend als Brennstoff abströmt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die
Vorrichtung aus einem unterteilten Vergasungsbehälter besteht, dadurch gekennzeichnet,
dass der Vergasungsbehälter aus einem Reaktionsraum, einem Zwischenrohr und einem
Durchflussraum besteht, und dass der Reaktionsraum 1 anströmungsseitig mit einem Brenner
bestückt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (100) aus mindestens
zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern
(101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) gegeneinander
versetzt verlaufen, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren
Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115)
bilden, dass im von den Teilkörpern (101, 102) gebildeten Kegelhohlraum (114) mindestens
eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentialen
Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet
sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilkörper (101,
102) in Strömungsrichtung Unter einem festen Winkel kegelig erweitern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102)
in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102)
in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.