Verfahren und Anlage zur Umwandlung eines festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wie Kohle oder Koks, zu einem hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfassenden Rohsynthesegas und zu Asche, unter Verwendung eines Schachtreaktors, wobei die ausgetragene Asche, zumindest teilweise, in den Reaktor zurückgeführt wird und mit dem Brennstoff das Festbett durchläuft.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung eines festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wie Kohle oder Koks, zu einem hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfassenden Rohsynthesegas und zu Asche, unter Verwendung eines Schachtreaktors, in welchem der Brennstoff als Festbett angeordnet ist und dieses kontinuierlich durchläuft, wobei das Festbett bei erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur von einem Sauerstoff und Dampf umfassenden gasförmigen Vergasungsmittel durchströmt wird und wobei der Schachtreaktor über jeweils eine Druckschleuse mit dem Brennstoff befüllt und die Asche aus ihm ausgetragen wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Mittels Festbettdruckvergasungsreaktoren wird fester Brennstoff, wie Kohle, Koks oder sonstiger kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit Dampf und Sauerstoff als Vergasungsmittel bei erhöhter Temperatur und, in den meisten Fällen, unter Überdruck zu einem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Synthesegas vergast, wobei eine feste Asche erhalten wird, die über einen Ascheaustragsrost, der in vielen Fällen als Drehrost ausgebildet ist, aus dem Reaktor ausgetragen wird. Dieser Reaktortyp wird häufig auch als FBDB- (= Fixed Bed Dry Bottom) -Druckvergaser bezeichnet.
Im Festbett durchläuft der Brennstoff von oben nach unten folgende Temperaturzonen mit in dieser Richtung steigender Temperatur:
Für weitere Verfahrensdetails wird auf das einschlägige Schrifttum verwiesen, vgl.
Um die Produktionskapazität des Reaktors möglichst weitgehend auszunutzen, ist es erforderlich, eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Brennstofffestbetts mit dem Vergasungsmittel zu erreichen. Um das zu erreichen, ist es erforderlich, eine geeignete Partikelgrößenverteilung im Festbett einzustellen. Ein zu hoher Anteil an kleinen Partikeln kann zu Blockierungen der Durchströmung führen, ein zu hoher Anteil an großen Partikeln kann zu Kanalbildungen führen, d. h. zu Stellen mit besonders geringem Strömungswiderstand.
Als günstig hat sich in vielen Fällen eine Partikelgrößenverteilung erwiesen, bei der mindestens 90 Gew-% der Partikel in einem Größenbereich von 10 bis 50 mm liegen und der restliche Anteil sich zu gleichen Teilen auf den darüber und den darunter liegenden Größenbereich verteilen. Die Partikelgröße wird dabei nach ASTM D4749 bestimmt.
Um die Partikelgröße im Festbett zu beeinflussen, stehen bisher die folgenden Wege zur Verfügung:
Aber diese beschriebenen Wege die Partikelgröße im Festbett zu beeinflussen, reichen oft nicht aus, um das angestrebte Ergebnis zu erhalten. So gibt es z. B. Kohlesorten, die dazu neigen, dass ihre Partikel bei der Erwärmung im Festbett zerfallen, so dass in diesen Fällen, auch trotz einer vorherigen Siebung des Brennstoffs, der Anteil an Feinpartikeln unerwünscht hoch und eine gleichmäßige Durchströmung des Festbetts beeinträchtigt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff im Festbett effektiver durchzuführen und die Durchgasung des Brennstoffbettes zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Anlage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 8.
Verfahren zur Umwandlung eines festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wie Kohle oder Koks, zu einem hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfassenden Rohsynthesegas und zu Asche, unter Verwendung eines Schachtreaktors, in welchem der Brennstoff als Festbett angeordnet ist und dieses kontinuierlich durchläuft, wobei das Festbett, bei erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur, von einem Sauerstoff und Dampf umfassenden gasförmigen Vergasungsmittel durchströmt wird und wobei der Schachtreaktor über jeweils eine Druckschleuse mit dem Brennstoff befüllt und die Asche aus ihm ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der ausgetragenen Asche in den Reaktor zurückgeführt wird und mit dem Brennstoff das Festbett durchläuft.
Anlage zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
Unter "erhöhtem Druck" und "erhöhter Temperatur" werden dabei Druck- und Temperaturwerte oberhalb von Umgebungsdruck bzw. Raumtemperatur verstanden. Geeignete Druck- und Temperaturwerte kann der Fachmann dem oben genannten Schrifttum entnehmen.
Die Anwesenheit von Aschepartikeln führt zu einer Auflockerung, d. h. zu gleichmäßig zwischen den Partikeln des Brennstofffestbetts bestehenden Lücken und ermöglicht damit dessen gleichmäßigere Durchströmung mit Vergasungsmittel. Der Druckverlust des Vergasungsmittels wird verringert, wodurch eine größere Menge an Vergasungsmittel durch das Festbett fließen kann. Durch die gleichmäßigere Verteilung und die größere Menge des eingesetzten Vergasungsmittels im Festbett, kann die Produktionskapazität des Festbettvergasungsreaktors gesteigert werden.
Die durch die Aschepartikel erzielte Auflockerung verbessert außerdem die Fließfähigkeit der Schüttung des Festbetts. Die Neigung der Schüttung zur Brückenbildung an Engstellen wird also verringert. Insbesondere der Abfluss der Asche durch den Ringspalt zwischen Drehrost und Reaktorinnenwand wird durch Brückenbildung der Ascheschüttung weniger gestört.
Durch die positive Wirkung der Asche im Festbett kann in vielen Fällen auch auf eine Einstellung der Ascheschmelztemperatur durch die Mischung verschiedener Kohlesorten im Brennstoffbett verzichtet werden.
Ein besonderer Vorteil in der Verwendung der im Vergasungsverfahren selbst produzierten Aschepartikel liegt darin, dass diese Partikel den Verfahrensbedingungen, insbesondere den hohen Temperaturen, bereits ausgesetzt waren, so dass sie nur in geringem Umfang dazu neigen, bei einem weiteren Durchgang durch das Festbett zu zerfallen.
Eine bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Asche vor ihrer Rückführung in den Reaktor zur Abtrennung von Fein- und Grobpartikeln abgesiebt wird, wobei die Absiebung mindestens zwei Siebstufen umfasst und mit fallender oder mit steigender Maschenweite erfolgen kann und wobei die Siebfraktion mit mittlerer Partikelgröße mindestens teilweise in den Reaktor zurückgeführt wird und die abgetrennten Partikel einer weiteren Behandlung oder Verwendung außerhalb des Verfahrens zugeführt werden. Durch die Absiebung wird die Partikelgrößenverteilung der zurückgeführten Asche auf den Bereich eingestellt, der für eine gleichmäßige Durchströmung des Feststoffbettes am geeignetsten ist. Dies ist insbesondere der Bereich mittlerer Korngrößen der Aschepartikel. Ein zu hoher Anteil an kleinen Partikeln kann zu Blockierungen der Durchströmung führen, ein zu hoher Anteil an großen Partikeln kann zu Kanalbildungen führen, d. h. zu Stellen mit besonders geringem Strömungswiderstand. Welcher Größenbereich im konkreten Einsatzfall der geeignetste ist, muss durch Versuche ermittelt werden. Er ist abhängig von den apparativen Gegebenheiten des Reaktors, den einstellbaren Verfahrensparametern und insbesondere von der Qualität des Brennstoffs.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Reaktor über die Druckschleuse ausgetragene Asche mit Wasser zur Absiebung gespült und bei der Absiebung der Fein- und Grobpartikel wieder vom Wasser abgetrennt wird. Bei dieser Methode des Transports wird die Asche gleichzeitig gekühlt. Die Methode erfordert keine komplizierten Apparate, ist daher zuverlässig und kostengünstig. Besonders vorteilhaft kann diese Methode auch angewendet werden, wenn Wasser knapp ist, indem das verwendete Wasser im Kreis geführt wird, wobei es über eine Vorrichtung zur Abtrennung von Aschefeinpartikeln geführt wird, die zur weiteren Behandlung außerhalb des Verfahrens ausgetragen werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Wasser im Kreis geführt wird, wobei es über eine Vorrichtung zur Abtrennung von Aschefeinpartikeln geführt wird, die zur weiteren Behandlung außerhalb des Verfahrens ausgetragen werden. Da das rückgeführte Wasser auf diese Weise bereits mit wasserlöslichen Aschebestandteilen gesättigt oder teilgesättigt wurde, verringern sich solche Lösungseffekte bei einem neuen Einsatz des bereits gebrauchten Wassers. Dies erhöht die Stabilität der Aschepartikel.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Feinpartikel Partikel mit einer Größe von kleiner 10 mm, kleiner 20 mm, kleiner 30 mm oder kleiner 40 mm und/oder als Grobpartikel Partikel mit einer Größe von über 20 mm, über 30 mm, über 40 mm oder über 50 mm abgesiebt werden. Diese Größen bieten gute Ausgangspunkte, um durch Versuche zu ermitteln, welche Partikelgrößenverteilung die geeignetste ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Asche bis zu einem Anteil von 30 % der Masse des Feststoffbetts dem Feststoffbett zugeführt wird. Die Asche im Feststoffbett verbessert und vergleichmäßigt einerseits die Durchströmbarkeit des Feststoffbettes, andererseits stellt sie aber auch für den Vergasungsprozess eine tote Masse dar, die nicht direkt zur Produktion von Synthesegas beiträgt. Daher ist es sinnvoll, den Ascheanteil im Feststoffbett zu beschränken.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zur Rückführung in den Reaktor bestimmte Asche getrocknet wird. In vielen Fällen wird die Asche aus der Ascheschleuse des Festbettreaktors in einen Kanal entleert, aus dem sie mit Wasser zur weiteren Behandlung gespült wird. Die dabei aufgenommene Feuchte wird bei der Absiebung der Grob- und Feinpartikel zum großen Teil von der Asche abgetrennt. Um den Festbettreaktor zu entlasten, kann es sinnvoll sein, die Asche vor der Rückführung in den Reaktor zu trocknen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zur Rückführung vorgesehene Asche und der Brennstoff jeweils mittels Fördermitteln gefördert werden, die einen Materialstrom erzeugen und dass die beiden Materialströme zusammengeführt werden und der dabei gebildete gemischte Materialstrom in die Druckschleuse oder einen vorgelagerten Aufgabebehälter eingefüllt werden. Um den beabsichtigten Effekt der Erfindung, eine gleichmäßige Durchströmbarkeit des Festbetts zu erreichen, ist es erforderliche, eine gleichmäßige Verteilung der Asche im Festbett zu erreichen. Grundsätzlich ist es möglich dem Festbettreaktor eine Mischapparatur vorzuschalten, in der die Asche dem Brennstoff untergemischt wird. Durch die dabei oft vorhandene mechanische Belastung der Partikel würde aber der Anteil an Feinpartikeln im Brennstoff steigen und sich damit kontraproduktiv auf den Vergasungsprozess auswirken. Eine geeignete Alternative zu einer Mischapparatur besteht darin, jeweils durch geeignete Fördermittel, wie z. B. Förderbänder, Rüttelrinnen oder pneumatische Förderungen einen kontinuierlichen Stoffstrom zu erzeugen, und den Brennstoff- und den Aschestrom zusammenzuführen und zu einem einzigen, gemischten Strom zu vereinigen; und diesen Strom in die Brennstoffschleuse oder in einen Vorlagebehälter für die Brennstoffschleuse einzuführen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht beschränkenden Ausführungs- und Zahlenbeispielen und den Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination die Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigt die die einzige Figur
In
Aus der Schleuse 5 wird die Asche 6 in den Schleusenkanal 12 abgelassen und mit Wasser 13 als Wasser/Asche-Gemisch 14 der zweistufigen Siebvorrichtung 15 zugeführt. Diese ist mit einem ersten Sieb 16 zur Absiebung der Aschefeinpartikel und zur Abtrennung des Wassers von der Asche ausgestattet. Durch Einstellung oder Umbau des Siebs 16 kann die Größe der abgesiebten Aschefeinpartikel verändert werden. In vielen Fällen ist eine Größe von 10 mm am geeignetsten, das Sieb 16 sollte aber so einstellbar sein, dass auch Größen bis 40 mm als Feinpartikel abgesiebt werden können. Das Gemisch 17 aus Aschefeinpartikeln und Wasser wird aus der Anlage 1 zur weiteren Behandlung ausgeleitet. Es ist auch möglich, dass Gemisch 17 über eine, nicht dargestellte, Vorrichtung zur Abtrennung der Feinpartikel aus dem Wasser zu führen, so dass das Wasser im Kreis geführt und wieder zur Spülung des Schleusenkanals verwendet werden kann.
Die Asche 18 wird anschließend zur Absiebung der Aschegrobpartikel 19 einem zweiten Sieb 20 aufgegeben. Durch Einstellung oder Umbau des Siebs 20 kann die Größe der abgesiebten Aschegrobpartikel verändert werden. In vielen Fällen ist eine Größe von 50 mm am geeignetsten, das Sieb 20 sollte aber so einstellbar sein, dass auch Größen bis hinunter zu 20 mm als Grobpartikel abgesiebt werden. Auf dem Sieb 20 kann die Asche 18 optional mit Wasser 25 von Aschestaub freigewaschen werden. Das Wasser 25 kann dabei in einem, nicht dargestellten Kreislauf geführt werden, bei dem es von dem Aschestaub befreit wird. Die Grobpartikel 19 werden zur weiteren Behandlung aus der Anlage 1 ausgetragen.
Die von Fein- und Grobpartikeln befreite Asche 21, die nur noch Aschepartikel mittlerer Größe enthält, wird in der Vorrichtung 22 getrocknet und, ebenso wie der Brennstoff 4, der Misch- und Dosiereinrichtung 23 aufgegeben. Diese Einrichtung dosiert und mischt die Ströme des Brennstoffs 4 und der Asche 21 im gewünschten Verhältnis und fültt sie als Gemisch 24 in die Druckschleuse 3.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem das Durchgasungsverhalten eines Festbettdruckvergasungsreaktors verbessert wird und er somit mit größerem Durchsatz und damit mit erhöhter Wirtschaftlichkeit betrieben werden kann. Die Erfindung ist daher vorteilhaft gewerblich anwendbar.
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