EP1218471A1 - Verfahren und vorrichtung zum gewinnen heizwertreicher brenngase - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum gewinnen heizwertreicher brenngase

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EP1218471A1
EP1218471A1 EP00969430A EP00969430A EP1218471A1 EP 1218471 A1 EP1218471 A1 EP 1218471A1 EP 00969430 A EP00969430 A EP 00969430A EP 00969430 A EP00969430 A EP 00969430A EP 1218471 A1 EP1218471 A1 EP 1218471A1
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EP
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solid particles
bed
heating
area
gasification
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Thomas Steer
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    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/54—Gasification of granular or pulverulent fuels by the Winkler technique, i.e. by fluidisation
    • C10J3/56—Apparatus; Plants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/482—Gasifiers with stationary fluidised bed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
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    • C10J2300/0973—Water
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    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/1261—Heating the gasifier by pulse burners

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining high-calorific fuel gases and an apparatus for performing the method.
  • a major advantage of gasification over combustion is that the pollutants contained in the starting substance are converted into constituents or into relatively simple chemical compounds in a reducing atmosphere.
  • the gas volumes are significantly smaller compared to combustion, so that gas cleaning in gasification compared to combustion can be carried out more easily and cost-effectively with the same objective.
  • the gasification of solid, pasty or liquid fuels with the gasification medium air is technically the simplest process and leads to partial oxidation.
  • the calorific value of the gas produced is lower than that of the fuel used.
  • the Gasification temperatures are typically in the range between 600 ° C and 900 ° C. At these temperatures, tars are produced to a large extent. The method has not been used on a large scale so far, since the removal of the tars from the gas has so far not been adequately controlled for small gasifiers
  • the gasification of solid, pasty or liquid fuels with the gasification medium oxygen leads, like the air gasification, to a partial oxidation with a reduction in the calorific value.
  • the gasification temperatures are typically around 1600 ° C, so that tar formation is excluded the generation of the required oxygen is associated with high costs and puts too much strain on business calculations.
  • Oxygen gasification leads to smaller gas quantities than air gasification, since the gasification medium does not enter an inert nitrogen component
  • the gasification of solid, pasty or liquid fuels with the gasification medium water vapor leads to a gas that has a higher calorific value than the fuel originally used.
  • the gasification reactor must therefore be supplied with heat from the outside.
  • the gasification temperatures are typically between 600 ° C and 900 ° C of tar possible
  • the potential is lower than in air gasification.
  • Large-scale use has not yet been achieved because, above all, the problem of heat input into the reactor has not been adequately solved.
  • the amount of gas in water vapor gasification is between that of air and oxygen gasification. This is then justifies that in water vapor gasification the carbon of the fuel is oxidized to carbon monoxide or carbon dioxide by the oxygen of the water vapor, whereby additional hydrogen is formed.
  • the hydrogen generation potential of the water vapor gasification is thus considerably higher than that of air or Sa. uerstoffvergasung
  • the combination of an auto- and allothermal process means that the amount of gas rises sharply due to the nitrogen content that is introduced with the air for the partial combustion.
  • the partial pressures of the useful gases thus decrease, which adversely affects the subsequent gas cleaning and gas aftertreatment.
  • a fluidized bed is a technology that has been tried and tested and widely used for many years. Areas of application are e.g. drying and burning solid materials or sludge.
  • the basis of every fluidized bed process is a reactor in which a solids inventory is loosened by inflow from below to such an extent that the individual particles begin to float in the air; the solids inventory is fluidized.
  • Partition areas of different fluidization are formed so that there is a circulation of bed material in a stationary bed
  • EP 0302 849 A circulating fluidized bed, which is a further development of DE 28 36 531, but due to its size is more pronounced of a stationary than a circulating fluidized bed
  • the inventive method and the inventive device are not limited to special heating devices, but instead allow the use of any heating devices, in particular tubular heat exchangers, advantageously no fuel particles get from the reducing zone into an oxidizing zone.
  • the design of the reaction space can be carried out independently of the geometrical specifications for the heating, so that the overall size of the device according to the invention can be optimized.
  • the descending first bed is loosened or slightly fluidized by injection of a gas, which advantageously prevents undesired agglomeration of the solid particles and supports the transport of the bed material.
  • the descending first bed is indirectly using a heat exchanger , through which a heating medium flows, heated
  • the heating medium can flow pulsatingly when the heat is given off to the descending first bed in the heat exchanger. In this way, the heat transfer from the heat exchanger to the descending first bed is improved
  • the gasification can take place under pressure or under atmospheric conditions.
  • the carbon-containing substances can consist of liquid, pasty or solid substances, in particular of coke, petroleum, biomass or waste materials.
  • the method according to the invention therefore permits the processing of a wide variety of carbon-containing substances.
  • water vapor is used as the gasifying agent
  • the heating area and the reaction area can be separated by a different fluidization of the fluidized bed, the different fluidization causing the bed material to circulate around one or more essentially horizontal axes.
  • the essentially horizontal axes can be closed in a ring
  • Embodiment of the device according to the invention is particularly characterized by a compact design.
  • the heating area and the reaction area are separated by a wall Safe separation of the heating area from the reaction area through constructive measures
  • the device for the transfer of the heated solid parts can be a wall opening or a pipeline.
  • this device can be provided for the transfer of the heated solid particles in a lower area of the heating area.
  • this device has a nozzle base, with the aid of which the solid particles in the heating area can be easily fluidized
  • the indirect heat supply device is at least one heat exchanger through which a heating medium can flow, which is provided in or on the heating area.
  • the use of heat exchangers as heat supply device simplifies the construction of the reactor Heating medium flows in a pulsating manner when the heat is released to the heating area. This advantageously improves the heat transfer from the heat exchanger to the heating area.
  • the resonance tube can be connected to a combustion chamber for generating resonance. The desired resonance can also be generated with the aid of an acoustic oscillator which is arranged separately from the combustion chamber.
  • the device for producing the ascending, fluidizing fluidized bed is a nozzle base provided in a lower region of the reaction region.
  • a nozzle base offers the advantage of uniformly spraying the fluidizing medium into the reaction region
  • the device for separating the gases formed during gasification from the solid particles can be a cyclone.
  • the device for separating has internals for forming a sharp deflection of the gas flow, at which the gas and solid particle flow separate, whereby a duct for gas discharge and the heating area connect to the internals.
  • a device for transferring the solid particles from the reaction area into the heating area can be provided to form a solid particle circuit.
  • This device can be a wall opening or a pipeline. This device is preferably in an upper area the reaction area provided
  • the feed area for the carbon-containing substances can open into the heating area.
  • a feed device for the carbon-containing substances can also open into the reaction area
  • FIG. 1 shows a cross section through an embodiment of the device according to the invention, in which the device for separating the gases from the solid particles has internals, and
  • FIG. 2 shows a cross section through another embodiment of the device according to the invention, in which the device for separating the gases from the solid particles is a cyclone
  • the embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 1 comprises a reaction area 3, in which carbon-containing substances are gasified.
  • the carbon-containing substances are located in an ascending, fluidized fluidized bed 2, which is generated with the aid of the device 4 in the reaction area 3, in the lower area of the
  • the device 4 provided in the reaction area 3 can be, for example, an open or closed shower base through which the fluidizing medium water vapor is blown in.
  • the water vapor can be mixed with gases.
  • the shower base 15 delimits the reaction area 3, in which the fluidized bed 2 is formed, next to or below the nozzle base 15 a fume cupboard, not shown in FIG. 1, from which, for example, bed material, stored matter from the fuel, ash and unreacted fuel components can be drawn off.
  • Fume can be emitted into the fume cupboard, which on the one hand facilitates the fume cupboard and on the other hand a subsequent reaction of residual constituents of the fuel ensured
  • the embodiment shown also comprises a heating area 6, which is separated from the reaction area 3 by a device 9.
  • a descending bed 1 made of solid particles is formed in the heating area 6
  • Dusenteil 22 may be arranged, flows through the steam that to Improvement of the mass transfer loosened the bed material of the heating zone or weakly fluidized
  • the heating zone 6 is a means 8 for the indirect heat supply arranged
  • These Warmezuchtein ⁇ chtung 8 may for example be one or more heat exchangers, it is clear that the present invention is not 'in the manner shown in Figure 1 special arrangement of the heat exchanger 12 is limited, but that other arrangements, for example on the wall of the heating area 6, are also conceivable.
  • a flat heat exchanger which is integrated, for example, into the wall of the heating area 6, can be used
  • the heat exchanger 12 provided in the heating area can partially consist of resonance tubes 13, in which the heating medium flows in a pulsating manner when the heat is released into the heating area 6.
  • the resonance tubes 13 are connected to a combustion chamber (not shown) or another resonance generator to generate the resonance oscillation of the heating medium is done directly by burning a flammable substance with oxygen-containing gas
  • the solid particles are heated up separately from the gasification taking place in the reaction space 3. Due to the weak fluidization of the heating area, a slow descending bed 1 is formed there, while due to the strong fluidization of the reaction area 3 there is a rapidly rising fluidized bed 2 forms The arrangement of the heat exchanger 12 in the slow descending bed 1 reduces the strong mechanical abrasion of the heat exchanger which has hitherto taken place in the prior art. In addition, the heat exchanger 12 is less exposed to corrosion in the heating area than in the reaction area 6, which means that this means that the reactor has a longer service life
  • the heating area 6 is connected to the reaction area 3 via a device 7, with the aid of which the solid particles heated in the heating area 6 are transferred into the reaction area 3.
  • this device 7 is shown as Wall opening 10 formed.
  • This device 7 can also be designed, for example, as a pipeline.
  • the device 7 for transferring the heated solid particles can have a nozzle floor 11. With the help of this nozzle floor 11 the solid particles can be loosened or easily fluidized.
  • the nozzle base 15 used to produce the rising, fluidized fluidized bed 2 can be used as the nozzle base 11, it being necessary to note that in the reaction area 3 there is more fluidization than in the heating area 6
  • a device 16 is provided in the upper area of the reaction area 3 for returning the solid particles from the reaction area 3 to the heating area 6.
  • this device 16 can be a wall opening 17.
  • This device is also conceivable 16 to be designed as a pipeline
  • the device 5 for separating the gases formed during the gasification from the solid particles and for removing these gases are, in the embodiment shown in FIG. 1, internals 18 and 19.
  • the internals 18 and 19 cause a sharp deflection of the flow to which the solid particles cannot follow gas flow and solid particle flow thus separate at the internals
  • the gas flow is discharged via the gas path 20, through which the internals 18 and 19 are separated.
  • the solid particle stream rains in the heating area 6, which is located below the internals 18 and 19
  • a feed device 21 for the carbon-containing substances flows into the heating area 6.
  • the fuel can either be pressed into the area of the bed 1 or thrown onto the bed 1 from above. It is also possible to provide a further feed device that mouths into the reaction area 3
  • the bed material is separated from the gas stream in a cyclone and fed back to the lower region of the rising bed 2 via the descending bed 1.
  • the gas stream flows tangentially via the tube 23 into the separating space designed as a cyclone 5 a

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen heizwertreicher Brenngase
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung heizwertreicher Brenngase sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Nachhaltiges Wirtschaften rückt immer mehr in den Mittelpunkt der gesellschaftlichen Zielsetzung. Der Energieerzeugung aus Abfallstoffen und regenerativen Substanzen, wie z.B. biogeneπ Brennstoffen in der Erst- oder in der Folgenutzuπg, kommt damit eine besondere Bedeutung zu. Weiterhin rückt zum Ende des 20. Jahrhunderts die Erzeugung von Wasserstoff mehr in den Mittelpunkt des Interesses, nicht zuletzt durch die beginnende Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen.
Die energetische Nutzung fester, pastöser oder flüssiger Brennstoffe erfolgt zumeist durch Verbrennung mit nachfolgender Nutzung der bei der Verbrennung frei werdenden, zuvor chemisch gebundenen Wärme.
Daneben gibt es seit langem Ansätze, Vergasungsverfahren zur Erzeugung heizwertreicher Brenngase aus festen, pastösen oder flüssigen Brennstoffen zu etablieren. Der brennbare Teil des Rohgases bei jeder Vergasung besteht zum Großteil aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, geringere Anteile sind Methan und höhere Kohlenwasserstoffe. Jede Art der Vergasung ist daher ein Wasserstofferzeuger.
Wesentlicher Vorteil der Vergasung gegenüber der Verbrennung ist, daß die in der Ausgangssubstanz enthaltenen Schadstoffe in reduzierender Atmosphäre in Bestandteile oder in relativ einfache chemische Verbindungen überführt werden. Die Gasvolumina sind im Vergleich zur Verbrennung deutlich kleiner, so daß eine Gasreinigung bei Vergasung im Vergleich zur Verbrennung bei gleicher Zielstellung einfacher und kostengünstiger erfolgen kann.
Es gibt drei Grundtypen von Vergasungsverfahren:
1. Die Vergasung fester, pastöser oder flüssiger Brennstoffe mit dem Vergasungsmedium Luft ist technisch das einfachste Verfahren und führt zu einer Teiioxidation. Der Heizwert des erzeugten Gases ist niedriger als der des eingesetzten Brennstoffs. Die Vergasungstemperaturen liegen typisch im Bereich zwischen 600 °C und 900 °C Bei diesen Temperaturen entstehen in erheblichem Umfang Teere Ein großflächiger Einsatz des Verfahrens kam bislang nicht zustande, da die Entfernung der Teere aus dem Gas für kleine Vergaser technisch bislang nicht hinreichend kontrolliert werden kann
Die Vergasung fester, pastöser oder flussiger Brennstoffe mit dem Vergasungsmedium Sauerstoff fuhrt, ebenso wie die Luftvergasung, zu einer Teiloxidation mit einer Verringerung des Heizwerts Die Vergasungstemperaturen liegen typisch bei 1600° C, so daß Teerbildung ausgeschlossen ist Ein großflächiger Einsatz kam bislang nicht zustande, da die Erzeugung des benotigten Sauerstoffs mit hohen Kosten verbunden ist und betriebswirtschaftliche Kalkulationen zu stark belastet Die Sauerstoffvergasung fuhrt gegenüber der Luftvergasung zu kleineren Gasmeπgen, da durch das Vergasuπgsmedium kein inerter Stickstoffanteil eingetragen wird
Die Vergasung fester, pastöser oder flussiger Brennstoffe mit dem Vergasungsmedium Wasserdampf fuhrt zu einem Gas, das heizwertreicher ist als der ursprunglich eingesetzte Brennstoff Dem Vergasungsreaktor muß daher von außen Warme zugeführt werden Die Vergasungstemperaturen liegen typisch bei 600 °C bis 900 °C Dabei ist die Bildung von Teer möglich Das Potential ist jedoch niedriger als bei Luftvergasung Ein großflächiger Einsatz kam bislang nicht zustande, da vor allen Dingen die Problematik des Warmeeintrags in den Reaktor nicht hinreichend gelost ist Die Gasmengeπ der Wasserdampfvergasung hegen zwischen denen der Luft- und der Sauerstoffvergasung Dies liegt dann begründet, daß bei der Wasserdampfvergasung der Kohlenstoff des Brennstoffs durch den Sauerstoff des Wasserdampfes zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid oxidiert wird, wodurch zusatzlich Wasserstoff entsteht Das Wasserstofferzeugungspotential der Wasserdampfvergasung liegt damit erheblich über dem der Luft- oder Sauerstoffvergasung
Vergasungsverfahren, bei denen die benotigte Reaktionswarme durch Teiloxidation zugeführt wird, werden als autotherm bezeichnet, wahrend solche, bei denen die benotigte Reaktionswarme von außen zugeführt wird, als allotherm bezeichnet werden Die allotherme Wasserdampfvergasung von festen, pastosen oder flussigen Brennstoffen findet zur Sicherstellung gleichmäßiger Reaktionsbedingungen üblicherweise in einer Wirbelschicht statt Hierbei wird ein Bett aus kleinen Feststoffpartikeln von unten mit Wasserdampf angeströmt Die Anströmgeschwindigkeit ist so groß, daß die Feststoffpartikel zumindest in der Schwebe gehalten werden Man spricht von einer stationären Wirbelschicht, wenn die Feststoffpartikel eine fest definierte Oberflache mit aufsteigenden Gasblasen ausbilden, wahrend bei einer zirkulierenden Wirbelschicht der wesentliche Teil der Feststoffpartikel mit dem Gasstrom aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragen, aus dem Gasstrom abgeschieden und dann über eine Fallstrecke wieder dem unteren Teil des eigentlichen Wirbelschichtreaktors zugeführt wird Die Feststoffpartikel können inert sein, z B aus Quarzsand, Kalkstein, Dolomit, Korund oder ahnlichem, sie können jedoch auch aus der Asche des Brennstoffs bestehen Die Feststoffpartikel können durch katalytische Eigenschaften die Vergasungsreaktionen beschleunigen
In der US 4,154,581 ist ein Gaserzeuger mit zwei Reaktionsbereichen beschrieben, der im Aufheizteil ein exothermes Reaktionsumfeld hat, so daß die Warme direkt bereitgestellt wird Der Warmetransport wird dadurch sichergestellt, daß Bettmaterial mit unterschiedlicher Körnung verwendet wird Ein grobkörniges Material verbleibt im exothermen Bett, wahrend eine feinkornige Fraktion vom exothermen in den endothermen Bereich und zurück wandert Die feinkornige Fraktion übernimmt dabei die Funktion des War- metransports
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht dann, daß der Feststofftransport zwischen den Betten mit dem Warmehaushalt der Betten zur Deckung gebracht werden muß, was bei den hohen Betriebstemperaturen und unterschiedlichen Lastzustanden große Anforderungen an die Regelungs- und Steuerorgane stellt Weiterhin ist zwischen dem Verbrennungs- und dem Vergasuπgsbereich keine Trennung aus der Sicht der Brennstoffe vorhanden, so daß mögliche Schadstoffe aus dem Brennstoff sowohl im Verga- sungs- als auch im Verbrenπungspfad auftreten können, was das System der Gasreini- gung verkompliziert
Aus der EP 0 329 673 ebenso wie aus der US 5,059,404 ist es bekannt, den Warme- eintrag mit Hilfe von Wärmetauschern zu realisieren, die im Wirbelbett, also in der Re- aktionszone, vorgesehen sind. Der Nachteil einer solchen Konzeption besteht darin, daß durch die Anordnung der Wärmetauscher in der Reaktionszoπe die Abmessung der Reaktioπszone bzw. der Wirbelschicht durch die erforderlichen Wärmetauschflächen vorgegeben sind. Darüber hinaus sind die Wärmetauschflächen den korrosiven Einflüssen schädlicher Bestandteile des Brennstoffes direkt ausgesetzt, was bei Oberflächentemperaturen von 600 °C bis über 900 °C extreme Anforderungen an das Material stellt.
Schließlich ist aus der DE 197 36 867 A1 eine Kombination aus autothermen und allothermen Verfahren bekannt. Dabei wird die erforderliche Reaktionswärme über heiße Dampf und Rauchgase aus einer Teilverbrennung des Produktgases zugeführt.
Die Kombination eines auto- und allothermen Verfahrens führt dazu, daß die Gasmenge durch den Stickstoffanteil stark ansteigt, der mit der Luft für die Teilverbrennung eingetragen wird. Die Partialdrücke der Nutzgase sinken somit ab, was die nachfolgende Gasreinigung und Gasnachbehandlung nachteilig beeinflußt.
Eine Wirbelschicht ist eine seit vielen Jahren erprobte und vielfach angewandte Technologie. Anwendungsgebiete sind z.B. die Trocknung und die Verbrennung fester Stoffe oder von Schlämmen. Basis jedes Wirbelschichtverfahrens ist ein Reaktor, in dem ein Feststoffinventar durch Anströmung von unten soweit aufgelockert wird, daß die Einzelpartikel in der Luft zu schwimmen beginnen, das Feststoffinventar wird fluidisiert.
Man unterscheidet zwei Grobtypen: Bildet sich eine feste Oberfläche des fluidisierten Feststoffinventars, spricht man von einer stationären Wirbelschicht. Werden die Teilchen mit dem Gasstrom aus dem Reaktor ausgetragen, spricht man von einer zirkulierenden Wirbelschicht. Jede zirkulierende Wirbelschicht hat als weitere wesentliche Merkmale eine Vorrichtung zur Trennung der ausgetragenen Feststoffpartikel aus dem Gasstrom sowie eine weitere zur Rückführung der abgetrennten Feststoffpartikel in den Reaktor.
Im Laufe der Zeit haben sich für beide Grundtypen eine Vielzahl von Bauformen herausgebildet, die versuchen, die Nachteile der einen zu vermeiden und die Vorzüge der anderen zu nutzen. Beispielhaft sei hier erwähnt
DE 28 36 531 Ein stationäres Wirbelschichtverfahren, bei dem mittels Einbau einer
Trennwand Bereiche unterschiedlicher Fluidisierung ausgebildet werden, so daß sich in einem stationären Bett eine Zirkulation von Bettmaterial einstellt
EP 0302 849 Eine zirkulierende Wirbelschicht, die eine Weiterentwicklung der DE 28 36 531 darstellt, durch ihre Baugroße jedoch eher an eine stationäre als an eine zirkulierende Wirbelschicht erinnert
DE 33 20 049 Ein stationäres Wirbelschichtverfahren, bei dem sich durch unterschiedliche Betthohen eine Zirkulation von Bettmaterial einstellt
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung heizwertreicher Brenngase anzugeben, mit deren Hilfe die obengenannten Probleme zumindest teilweise beseitigt werden können
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemaßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine erfindungsgemaße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelost
Vorteilhafterweise befindet sich bei dem erfindungsgemaßen Verfahren und der erfin- dungsgemaßen Vorrichtung keine Heizeinrichtung im Reaktioπsraum Dadurch werden bisher bestehende Korrosionsprobleme vermieden Darüber hinaus sind das erfinderische Verfahren und die erfinderische Vorπchtung nicht auf spezielle Heizeinrichtungen beschrankt, sondern gestatten die Verwendung beliebiger Heizeinrichtungen, insbesondere rohrformiger Wärmetauscher Vorteilhafterweise gelangen keine Brennstoffpartikel aus der reduzierende in eine oxidierende Zone Ferner kann die Ausgestaltung des Reaktionsraumes unabhängig von den geometrischen Vorgaben für die Heizung vorgenommen werden, so daß sich die Baugroße der erfindungsgemaßen Vorrichtung optimieren laßt In einer bevorzugten Ausfuhruπgsform des erfinderischen Verfahrens wird das absteigende erste Bett durch Einspritzung eines Gases aufgelockert oder leicht fluidisiert, wodurch vorteilhafterweise eine unerwünschte Agglomeration der Feststoffpartikel verhindert und der Transport des Bettmaterials unterstützt wird In einer anderen Ausfuhrungsform wird das absteigende erste Bett indirekt mit Hilfe eines Wärmetauschers, durch den ein Heizmedium strömt, erwärmt Dabei kann das Heizmedium bei der Wärmeabgabe an das absteigende erste Bett im Wärmetauscher pulsierend strömen Auf diese Weise wird der Wärmeübergang von Wärmetauscher zum absteigenden ersten Bett verbessert
Ferner kann die Vergasung unter Druck bzw unter atmosphärischen Bedingungen erfolgen Die kohlenstoffhaltigen Stoffe können aus flussigen, pastosen oder festen Stoffen, insbesondere aus Koks, Erdöl, Biomasse oder Abfallstoffen, bestehen Vorteilhafterweise gestattet also das erfindungsgemaße Verfahren die Verarbeitung unterschiedlichster kohlenstoffhaltiger Stoffe In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens wird Wasserdampf als Vergasungsmittel eingesetzt
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung können der Aufheizbereich und der Reaktioπsbereich durch eine unterschiedliche Fluidisierung des Wirbelbettes getrennt sein, wobei die unterschiedliche Fluidisierung eine Zirkulation des Bettmaterials um eine oder mehrere im wesentlichen horizontale Achse bewirkt Die im wesentlichen horizontalen Achsen können dabei ringförmig geschlossen sein Diese Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung zeichnet sich besonders durch eine kompakte Bauweise aus In einer anderen Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung sind der Aufheizbereich und der Reaktionsbereich durch eine Wand getrennt Ferner können der Aufheizbereich und der Reaktionsbereich jeweils in einem eigenen Reaktor ausgebildet sein Diese beiden Ausfuhrungsformen bieten den Vorteil einer sicheren Trennung des Aufheizbereiches vom Reaktionsbereich durch konstruktive Maßnahmen Die Einrichtung für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel kann eine Wandoffnung oder eine Rohrleitung sein Ferner kann diese Einrichtung für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel in einem unteren Bereich des Aufheiz- bereiches vorgesehen sein In einer bevorzugten Ausgestaltung weist diese Einrichtung einen Duseπboden auf, mit dessen Hilfe eine leichte Fluidisierung der Feststoffpartikel im Aufheizbereich erfolgen kann
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist die indirekte Warmezufuhreinπchtung wenigstens ein von einem Heizmedium durchstrombarer Wärmetauscher, der in oder am Aufheizbereich vorgesehen ist Die Verwendung von Wärmetauschern als Warmezufuhreinπchtung vereinfacht die Konstruktion des Reaktors Darüber hinaus kann der Wärmetauscher wenigstens ein Resonaπzrohr aufweisen, in dem das Heizmedium bei der Wärmeabgabe an den Aufheizbereich pulsierend strömt Vorteilhafterweise wird dadurch der Wärmeübergang vom Wärmetauscher zum Aufheizbereich verbessert. Das Resonanzrohr kann zur Resonanzerzeugung mit einer Brennkammer verbunden sein Die Erzeugung der erwünschten Resonanz kann auch mit Hilfe eines akustischen Schwingers erfolgen, der getrennt von der Brennkammer angeordnet ist.
In einer anderen Ausfuhrungsform ist die Einrichtung zur Erzeugung des aufsteigenden, fluidisierenden Wirbelschichtbettes ein in einem unteren Bereich des Reaktionsbereiches vorgesehener Dusenboden Ein solcher Dusenboden bietet den Vorteil, gleichmaßig das Fluidisierungsmedium in den Reaktionsbereich einzudusen
Die Einrichtung zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden Gase von den Fest- stoffpartikeln kann ein Zyklon sein In einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Einrichtung zur Trennung Einbauten zur Ausbildung einer scharfen Umlenkung der Gasstromuπg auf, an der sich der Gas- und Feststoffpartikelstrom trennen, wobei sich an die Einbauten ein Kanal zur Gasabfuhr und der Aufheizbereich anschließen Ferner kann zur Ausbildung eines Feststoffpartikelkreislaufes eine Einrichtung für die Überführung der Feststoffpartikel aus dem Reaktionsbereich in den Aufheizbereich vorgesehen sein Diese Einrichtung kann eine Wandoffnung oder eine Rohrleitung sein Bevorzugterweise ist diese Einrichtung in einem oberen Bereich des Reaktionsbereiches vorgesehen Der Zufuhrbereich für die kohlenstoffhaltigen Stoffe kann in den Aufheizbereich munden Außerdem kann eine Zufuhreinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Stoffe auch in den Reaktionsbereich munden
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung naher beschrieben In dieser zeigen
Fig 1 einen Querschnitt durch eine Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung, bei der die Einrichtung zur Trennung der Gase von den Feststoffparti- keln Einbauten aufweist, und
Fig 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung, bei der die Einrichtung zur Trennung der Gase von den Feststoffpartikeln ein Zyklon ist
Die in der Fig 1 gezeigte Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung umfaßt einen Reaktionsbereich 3, in dem kohlenstoffhaltige Stoffe vergast werden Die kohlenstoffhaltigen Stoffe befinden sich in einem aufsteigenden, fluidisierten Wirbelschichtbett 2, das mit Hilfe der Einrichtung 4 im Reaktionsbereich 3 erzeugt wird Diese im unteren Bereich des Reaktionsbereiches 3 vorgesehene Einrichtung 4 kann beispielsweise ein offener oder geschlossener Dusenboden sein, durch den das Fluidisierungsmedium Wasserdampf eingeblasen wird Der Wasserdampf kann mit Gasen gemischt sein Der Dusenboden 15 begrenzt den Reaktionsbereich 3, in dem die Wirbelschicht 2 ausgebildet ist Neben oder unterhalb des Dusenbodens 15 befindet sich ein in Fig 1 nichtge- zeigter Abzug, aus dem z B Bettmateπal, Storstoffe aus dem Brennstoff, Asche und nichtreagierte Brennstoffbestandteile abgezogen werden können In den Abzug kann Dampf emgedust werden, der zum einen den Abzug erleichtert und zum anderen eine Nachreaktion von Restbestandteilen des Brennstoffs gewahrleistet Die gezeigte Ausfuhrungsform umfaßt ferner einen Aufheizbereich 6, der vom Reaktionsbereich 3 durch eine Vorrichtung 9 getrennt ist Beim Betrieb des Reaktors wird im Aufheizbereich 6 ein absteigendes Bett 1 aus Feststoffpartikeln ausgebildet Im unteren Bereich der Aufheiz- zone 6 kann ein Dusenboden 22 angeordnet sein, durch den Dampf einströmt, der zur Verbesserung des Stofftransports das Bettmateπal der Aufheizzone auflockert oder schwach fiuidisiert
Wie in der Fig 1 gezeigt, ist im Aufheizbereich 6 eine Einrichtung 8 für die indirekte Wärmezufuhr angeordnet Diese Warmezufuhreinπchtung 8 kann beispielsweise ein oder mehrere Wärmetauscher sein Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung nicht'auf die in der Fig 1 gezeigte spezielle Anordnung des Wärmetauschers 12 beschrankt ist, sondern daß andere Anordnungen, beispielsweise an der Wand des Aufheizbereiches 6, ebenfalls denkbar sind Darüber hinaus kann anstelle des gezeigten rohrformigen Wärmetauschers 12 ein flachiger Wärmetauscher, der beispielsweise in die Wandung des Aufheizbereiches 6 integriert ist, eingesetzt werden
Der im Aufheizbereich vorgesehene Wärmetauscher 12 kann teilweise aus Resonanz- rohreπ 13 bestehen, in denen das Heizmedium bei der Wärmeabgabe in den Aufheiz- bereich 6 pulsierend strömt Die Resonanzrohre 13 sind zur Erzeugung der Resonanzschwingung mit einer nicht gezeigten Brennkammer oder einem anderen Resonanzerzeuger verbunden Die Aufheizung des Heizmediums erfolgt direkt durch Verbrennung einer brennbaren Substanz mit sauerstoffhaltigem Gas
Wie der Fig 1 zu entnehmen, erfolgt also die Aufheizung der Feststoffpartikel getrennt von der im Reaktioπsraum 3 stattfindenden Vergasung Aufgrund der schwachen Fluidisierung des Aufheizbereiches bildet sich dort ein langsames absteigendes Bett 1 , wahrend sich aufgrund der starken Fluidisierung des Reaktionsbereiches 3 dort ein schnelles aufsteigendes Wirbelschichtbett 2 ausbildet Durch die Anordnung des Wärmetauschers 12 im langsamen absteigenden Bett 1 wird der starke mechanische Abrieb des Wärmetauschers, der bisher im Stand der Technik stattfand, herabgesetzt Außerdem ist der Wärmetauscher 12 im Aufheizbereich weniger starken Korrosioπsemflussen als im Reaktionsbereich 6 ausgesetzt Das bedeutet, daß dadurch der Reaktor eine längere Standzeit aufweist
Der Aufheizbereich 6 ist über eine Einrichtung 7 mit dem Reaktionsbereich 3 verbunden, mit deren Hilfe die im Aufheizbereich 6 erwärmten Feststoffpartikel in den Reaktionsbereich 3 überfuhrt werden Wie in der Fig 1 gezeigt, ist diese Einrichtung 7 als Wandoffnung 10 ausgebildet Diese Einrichtung 7 kann aber auch beispielsweise als Rohrleitung ausgebildet sein Zur Unterstützung des Transportes der erwärmten Fest- stoffpartikel aus dem Aufheizbereich 6 in den Reaktionsbereich 3 kann die Einrichtung 7 für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel einen Dusenboden 11 aufweisen Mit Hilfe dieses Dusenbodens 11 können die Feststoffpartikel aufgelockert oder leicht fluidisiert werden Als Dusenboden 11 kann der zur Erzeugung der aufsteigenden, fluidi- sierten Wirbelschicht 2 eingesetzte Dusenboden 15 verwendet werden, wobei beachtet werden muß, daß im Reaktioπsbereich 3 eine stärkere Fluidisierung als im Aufheizbe- reich 6 stattfindet
Zur Ausbildung eines Feststoffpartikelkreislaufes ist im oberen Bereich des Reaktionsbereiches 3 eine Einrichtung 16 für die Rückführung der Feststoffpartikel aus dem Reaktionsbereich 3 in den Aufheizbereich 6 vorgesehen Diese Einrichtung 16 kann, wie in Fig 1 zeigt, eine Wandoffnung 17 sein Es ist ebenfalls denkbar, diese Einrichtung 16 als Rohrleitung auszubilden Die Einrichtung 5 zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden Gase von den Feststoffpartikeln und zur Abfuhrung dieser Gase sind in der in Fig 1 gezeigten Ausfuhrungsform Einbauten 18 und 19 Die Einbauten 18 und 19 bewirken eine scharfe Umlenkung der Strömung, denen die Feststoffpartikel nicht folgen können Gasstrom und Feststoffpartikelstrom trennen sich somit an den Einbauten Die Gasstromung wird über den Gasweg 20 abgeführt, durch den die Einbauten 18 und 19 getrennt sind Der Feststoffpartikelstrom regnet in den Aufheizbereich 6, der sich unterhalb der Einbauten 18 und 19 befindet
Bei der in der Fig 1 gezeigten Ausfuhrungsform mundet eine Zufuhreinrichtung 21 für die kohlenstoffhaltigen Stoffe in den Aufheizbereich 6 Der Brennstoff kann dabei entweder im Bereich des Bettes 1 eingepreßt oder von oben auf das Bett 1 abgeworfen werden Darüber hinaus ist es möglich, eine weitere Zufuhreinrichtung vorzusehen, die in den Reaktionsbereich 3 mundet
Bei der in der Fig 2 gezeigten Ausfuhrungsform wird das Bettmateπal in einem Zyklon aus dem Gasstrom abgeschieden und über das absteigende Bett 1 wieder dem unteren Bereich des aufsteigenden Bettes 2 zugeführt Der Gasstrom strömt in diesem Fall über das Rohr 23 tangential in den als Zyklon ausgebildeten Abscheideraum 5 ein

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Gewinnen heizwertreicher Brenngase, bei welchem kohlenstoffhaltige Stoffe in einer Feststoffpartikel enthaltenden Wirbelschicht mit Hilfe eines gasformigen Vergasungsmittels unter Wärmezufuhr allotherm vergast und die gebildeten Gase von den Feststoffpartikeln getrennt und abgezogen werden, wobei die Feststoffpartikel in einem absteigenden ersten Bett (1 ) indirekt erwärmt und einem aufsteigenden, fluidisierten zweiten Bett (2) zugeführt werden, in dem die Wirbelschicht gebildet wird und der Hauptteil der Vergasung erfolgt
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das absteigende erste Bett (1) durch Einspritzung eines Gases aufgelockert wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das absteigende erste Bett (1 ) leicht fluidisiert wird
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das absteigende erste Bett (1) indirekt mit Hilfe eines Wärmetauschers, durch den ein Heizmedium strömt, erwärmt wird
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmedium bei der Wärmeabgabe an das absteigende erste Bett (1) pulsierend strömt
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung unter Druck erfolgt
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung unter atmosphärischen Bedingungen erfolgt
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Stoffe aus flussigen, pastosen oder festen Stoffen, insbesondere aus Koks, Erdöl, Biomasse oder Abfallstoffen, bestehen
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergasungsmittel Wasserdampf ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
- einem Reaktionsbereich (3) für die Vergasung der kohlenstoffhaltigen Stoffe,
- einer Einrichtung (4) zur Erzeugung des aufsteigenden fluidisierten Wirbelschichtbettes (2) im Reaktionsbereich (3)
- einer Einrichtung (5) zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden Gase von den Feststoffpartikeln und zur Abführung dieser Gase,
- einem Aufheizbereich (6) für die Aufheizung der Feststoffpartikel im absteigenden Bett (1), wobei der Aufheizbereich (6) vom Reaktionsbereich (3) im wesentlichen getrennt ist,
- einer Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel aus dem Aufheizbereich (6) in den Reaktionsbereich (3), und
- einer indirekten Wärmezufuhreinrichtung (8), die dem Aufheizbereich (6) zugeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheizbereich (6) und der Reaktionsbereich (3) durch eine unterschiedliche Fluidisierung des Wirbelbettes getrennt sind, wobei die unterschiedliche Fluidisierung eine Zirkulation des Bettmaterials um eine oder mehrere im wesentlichen horizontale Achsen bewirkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen horizontalen Achsen ringförmig geschlossen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheizbereich (6) und der Reaktionsbereich (3) durch eine Wand (9) getrennt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufheizbereich (6) und der Reaktionsbereich (3) jeweils in einem eigenen Reaktor ausgebildet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffpartikel eine Wandoffnung (10) oder eine Rohrleitung ist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffparti- kel in einem unteren Bereich des Aufheizbereiches (6) vorgesehen ist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) für die Überführung der erwärmten Feststoffparti- kel ein Dusenboden (11) zur leichten Fluidisierung der Feststoffpartikel aufweist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die indirekte Warmezufuhreinπchtuπg (8) wenigstens ein von einem Heizmedium durchstrombarer Wärmetauscher (12) ist, der im oder am Aufheizbe- reich (6) vorgesehen ist
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher
(12) wenigstens ein Resonanzrohr (13) aufweist, in dem das Heizmedium bei der Wärmeabgabe an den Aufheizbereich (6) pulsierend strömt
Vorπchtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzrohr
(13) zur Resonanzerzeugung mit einer Brennkammer verbunden ist
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Resonanzerzeugung ein akustischer Schwinger vorgesehen ist, der getrennt von einer Brennkammer angeordnet ist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des aufsteigenden fluidisierten Wir- belschichtbettes (2) ein in einem unteren Bereich des Reaktionsbereiches (3) vorgesehener Dusenboden (15) ist Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Trennung der bei der Vergasung entstehenden Gase von den Feststoffpartikeln in Zyklon ist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Abstromung der im aufsteigenden Bett erzeugten Gase durch Einbauten (18,19) blockiert ist, die eine mehrfache Umlenkung der Gas- stromung bedingt und die mehrfache Umlenkung zu einer weitgehenden Abtrennung der Feststoffpartikel aus dem Gasstrom fuhrt
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines Feststoffpartikelkreislaufes eine Einrichtung (16) für die Überführung der Feststoffpartikel aus dem Reaktioπsbereich (3) in den Aufheizbereich (6) vorgesehen ist
Vorπchtung nach Ansprüche 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Überführung (16) der Feststoffpartikel aus dem Reaktionsbereich (3) in den Auf- heizbereich (6) eine Wandoffnung (17) oder eine Rohrleitung ist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16) für die Überführung der Feststoffpartikel in einem oberen Bereich des Reaktionsbereiches (3) vorgesehen ist
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhreinrichtung (21 ) für die kohlenstoffhaltigen Stoffe in den Aufheizbereich (6) mundet
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhreinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Stoffe in den Reaktionsbereich (3) mundet
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