WO2018024404A1 - Anlage und verfahren zur umwandlung kohlenstoffhaltiger brennstoffe in synthesegas - Google Patents

Anlage und verfahren zur umwandlung kohlenstoffhaltiger brennstoffe in synthesegas Download PDF

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WO2018024404A1
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gasification
fluidized bed
synthesis gas
reactor
bed zone
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Ralf Abraham
Domenico Pavone
Dobrin Toporov
Peter Marek
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/123—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves
    • C10J2300/1238—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves by plasma

Definitions

  • the present invention relates to a plant for the conversion of carbonaceous fuels into synthesis gas comprising a reactor having at least one fluidized bed zone in which the gasification of the fuels by gasification agent, and at least one downstream in the flow path of the fluidized bed zone, in which by means of at least one plasma torch a gasification of takes place from the fluidized bed emerging fluid stream.
  • HTW method high-temperature Winkler method
  • a fuel also difficult fuels with a very high proportion of ash and biologically based fuels are used.
  • These are introduced into a fluidized bed, which is operated as a bubbling fluidized bed, and gasified with oxygen.
  • the HTW process works in comparison to other gasification processes at comparatively moderate temperatures, at which the resulting ash does not leave the gasification reactor in a molten state. This has operational advantages, especially with corrosive ashes.
  • gasification is usually done via separate nozzles with the gasification agents, such as water vapor, carbon dioxide, oxygen or air.
  • the gasification agents such as water vapor, carbon dioxide, oxygen or air.
  • These nozzles are arranged, for example, in different planes, for example both in the fluidized bed zone and in the so-called freeboard zone (FB).
  • FB freeboard zone
  • FB freeboard zone
  • a high material and energy transfer rate is achieved and the return of the unreacted solids over the cyclone and return line in the fluidized bed, a uniform temperature distribution over the fluidized bed can be secured.
  • the temperature of the fluidized bed should be kept below the temperature of the ash softening point.
  • the proportion of the total oxygen above the fluidized bed is, for example, between about 40% and about 10% in an HTW process.
  • temperatures should preferably not exceed certain limits, and preferably the operating temperature should be at least about 100 ° C below the ash softening point.
  • the addition of oxygen to the post-gasification zone results in partial combustion of the synthesis gas reservoir (CO + H 2 ) and consequent reduction of the synthesis gas yield.
  • EP 0 153 235 B1 likewise describes a process for the production of synthesis gas, in which the gasification first takes place at a moderate temperature of 700 to 800 ° C., working in a fluidized bed.
  • a second so-called conversion reactor is used, in which the exhaust gases are introduced from the gasification reactor.
  • the injected gas is brought to a very high temperature at the entrance of the conversion reactor, to which a plasma torch can be used. The temperature can thereby be brought to 3000 to 5000 ° C in the inlet zone of the second reactor.
  • the second conversion reactor is used in this known method to reduce the proportion of methane and higher hydrocarbons contained in the synthesis gas by reaction with water vapor also contained in the gas stream.
  • the temperature in the conversion reactor is 1200 ° C to 1500 ° C.
  • the disadvantage is that it increases the CGr content in the gas.
  • it is further proposed, on the one hand, to introduce the gas stream from the fluidized bed gasification into the conversion reactor and, on the other hand, to heat another gas via a plasma torch to a very high temperature and to inject it into the conversion reactor.
  • the injected additional gas may be hydrogen or nitrogen. Since two separate reactors are used in this known plant, there is a higher expenditure on equipment.
  • fluidized-bed reactors as well as other types of gasification agent feed are described in the publications DE 10 2007 006 982 B4, AT 503 517 A1, DE 10 2011 051 906 A1, DE 10 2013 107 311 A1 or EP 1 201 731 A1 described.
  • the object of the present invention is to provide a plant and a corresponding process for the conversion of carbonaceous fuels into synthesis gas having the features of the aforementioned type, by means of which different feedstocks in a fluidized bed optionally gas at higher pressures with high safety and availability let and which work economically.
  • the solution of this object provides a plant for the conversion of carbonaceous fuels in synthesis gas with the features of claim 1 and a method having the features of claim 9.
  • At least one plasma torch is arranged such that its flame is discharged into the reactor which has the fluidized bed zone.
  • the plant thus comprises a reactor in which both the fluidized bed gasification takes place as well as the gasification by means of at least one plasma torch.
  • the fluidized-bed gasification may also take place by means of at least one plasma burner.
  • the use of a plasma burner gives a better conversion of the volatile substances, but saves the gasification agent oxygen. Since both processes run in only one reactor, this is achieved with a reduced expenditure on equipment.
  • the costs of producing pure oxygen in a conventional HTW gasification process are extremely high and therefore significantly affect the economics of the HTW gasification process.
  • Pure oxygen is obtained, for example, by cryogenic air separation.
  • the supplied air must be filtered, compressed and cooled to approx. - 185 ° C.
  • the liquefied air stream must then be distilled in distillation towers. Thereafter, the separation takes place depending on the boiling point in individual components. Therefore, the solution according to the invention is advantageous because the otherwise used oxygen lances can be completely or partially replaced by plasma torches in the inventive method.
  • the region in which the gasification takes place is arranged in the same reactor above the fluidized bed zone. This makes it possible to work with two different temperature zones in one reactor, wherein the temperature in the fluidized bed zone is lower than in the region of the post-gasification.
  • the at least one plasma torch for example, at least partially disposed in the wall of the reactor, which also has the at least one fluidized bed zone.
  • the plasma burner (s) may be arranged such that the plasma / flame is discharged into the reactor in an approximately radial direction with respect to the reactor and / or approximately transversely to the flow direction of the fluid in the region of the post-gasification.
  • the plasma torch (s) is / are preferably arranged such that the plasma / flame is released into the reactor above the fluidized bed zone.
  • the fluid flow exiting from the fluidized bed zone upwards is then preferably acted upon by the flame of the plasma burner approximately transversely to its direction of flow.
  • the region of the reactor in which the gasification takes place is approximately cylindrical and / or the reactor is in the region of the fluidized bed zone approximately conically widening in the flow direction of the fluid.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the system comprises a downstream in the flow path the region in which the gasification takes place cyclone separator. After passing through the region of the post-gasification, a separation of solids can then take place in this cyclone separator, and subsequently the thus purified fluid stream can be returned to the fluidized bed zone via a return line leaving the cyclone separator, which discharges into the fluidized bed zone of the reactor, so that both the Be traversed area of the fluidized bed and the gasification zone.
  • the present invention further relates to a process for the conversion of carbonaceous fuels in synthesis gas, wherein in a reactor having at least one fluidized bed zone, a gasification of the fuels by gasification, wherein in at least one downstream in the flow path of the fluidized bed zone by means of at least one plasma burner, a gasification of
  • the gasification by means of the at least one plasma burner takes place in the reactor, which comprises the fluidized-bed zone.
  • the gasification in the region which is acted upon by at least one plasma torch at a higher temperature than the gasification in the fluidized bed zone.
  • the gasification takes place in the fluidized bed zone at a temperature of about 750 ° C to 850 ° C and the gasification at a temperature higher by at least about 100 ° C, preferably at a temperature of at least about 900 ° C, more preferably at a temperature in Range from about 950 ° C to about 1200 ° C.
  • two different temperature zones are formed, namely the fluidized-bed zone with temperatures of, for example, around 800 ° +/- about 50 ° C. and the post-gasification zone with, for example, about 1000 ° C. +/- about 100 ° C.
  • the flame of the plasma torch for example, a maximum temperature in the flame kernel of about 3500 ° C to about 4500 ° C.
  • the at least one plasma torch can be operated with at least one reducing and / or at least one oxidizing gas.
  • the at least one plasma torch may be operated with a fluid stream comprising at least one of the fluids selected from steam, air, oxygen, nitrogen and CO2.
  • the use of steam is advantageous because its production is particularly cost-effective, and it is particularly reactive.
  • the flame of the plasma torch contains radicals such as 0, H, OH, O 2 , H 2 and H 2 O and a temperature of, for example, in the range of about 4000 ° C.
  • the very hot local flame temperature and the high supply of highly reactive radicals tars and hydrocarbons can be cracked.
  • the increased synthesis gas temperature and the conversion of the bed material are positively influenced by the heterogeneous reaction of steam and C0 2 .
  • the plasma temperature can preferably be controlled by injecting steam and / or C0 2 in the region of the plasma burner.
  • the gasification is preferably carried out in a pressure-charged fluidized bed, wherein the gasification in the fluidized bed zone preferably at a pressure of at least about 1 bar, in particular of at least about 5 bar to about 40 bar.
  • Figure 1 is a schematically simplified view of a system according to the invention in partial longitudinal section;
  • Figure 2 is an enlarged detail of a detail II of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a schematically simplified illustration of a plasma burner which can be used in the context of the present invention.
  • the plant comprises a reactor 10, in which the gasification of the carbonaceous fuels takes place.
  • This reactor 10 comprises a fluidized bed zone I I in a lower conically widening section.
  • the fuel is supplied to the fluidized bed, for example via a supply device 17 arranged laterally there, which is indicated here only schematically by an arrow.
  • various feed devices such as lines and / or nozzles are further provided on the reactor 10, by means of which the supply of the gasification agent takes place, these feeders are only schematically indicated by arrows.
  • These are for example a plurality of feed devices 18 a, 18 b for oxygen and / or steam, which may be arranged at different height intervals to the lower end of the fluidized bed zone 11 and spaced from each other on the reactor 10.
  • a feed device 19 for CO2 for example, in the lower end of the fluidized bed zone 11 is provided, with multiple accesses for CO2 may be present.
  • one or two ash deductions for the supply of CO2 can be provided in the fluidized bed.
  • a plasma torch 13 is arranged, which emits its flame approximately in the radial direction in the interior of the reactor 10 into it, so that the flame of the plasma torch 13 approximately in the transverse direction relative to the axial flow of the Fluid which flows in the reactor in the region of the gasification in the longitudinal direction of the reactor 10 upwards.
  • a connecting line 21 At the upper end of the fluid flow exits the reactor from the side and passes through a connecting line 21 into a cyclone separator 15, in which a separation of solid fractions can be done.
  • the separated solids emerge downwards from the cyclone separator 15 and flow back via the return line 16, this return line 16 discharging downstream in the area of the fluidized bed zone 11 into the reactor 10, so that the separated solids are reintroduced into the fluidized bed zone and there again a Gasification can be supplied.
  • the purified gas stream can be removed from the circulation.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail view of the section of FIG. 1 designated by II.
  • the plasma torch 13 in the wall 14 of the reactor can be seen on an enlarged scale, the plasma torch 13 being illustrated only schematically here. It can be seen that the flame / plasma 23 enters the interior of the reactor from the lateral wall 14 in approximately a radial direction, preferably at a certain distance above the upper end of the fluidized bed zone 11 of the reactor 10.
  • a plasma burner 13 which can be used by way of example in a system according to the present invention will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • This comprises an approximately cylindrical housing 24, for example, in which a ring-shaped electrode 26 is supplied via a power supply device 25.
  • This electrode concentrically surrounds a magnet 30, which generates a magnetic field.
  • approximately annular cooling device 27 is provided for the cooling of the magnet 30.
  • a plasma column 31 is generated.
  • the inside of the housing 24 is supplied from the outside radially a process gas 28, which then flows with the plasma column 31 in the axial direction in the housing and enters a nozzle 29, from which then the hot process gas, as indicated by the arrows 23 in Figure 3, emerges.
  • Such a hot process gas then passes as a flame 23 of the plasma torch 13, as described above with reference to Figure 2, in the reactor 10th

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Reaktor (10) mit mindestens einer Wirbelschichtzone (11), in der eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, sowie mit mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone (11) nachgeordneten Bereich (12), in dem mittels wenigstens eines Plasmabrenners (13) eine Nachvergasung des aus der Wirbelschichtzone (11) austretenden Fluidstroms erfolgt. Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine Plasmabrenner (13) derart angeordnet, dass dessen Flamme in den Reaktor (10), welcher die Wirbelschichtzone aufweist (11), hinein abgegeben wird. Die Erfindung stellt eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas zur Verfügung, mittels derer sich unterschiedliche Einsatzstoffe in einer Wirbelschicht gegebenenfalls bei höheren Drücken bei hoher Sicherheit und Verfügbarkeit vergasen lassen. Durch den Einsatz eines Plasmabrenners (13) erhält man eine bessere Umsetzung der flüchtigen Substanzen und spart das sonst bei der Nachvergasung eingesetzte kostspielige Vergasungsmittel Sauerstoff ein.

Description

Anlage und Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas
Beschreibung
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Reaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone, in der eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, sowie mit mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone nachgeordneten Bereich, in dem mittels wenigstens eines Plasmabrenners eine Nachvergasung des aus der Wirbelschicht austretenden Fluidstroms erfolgt.
HINTERGRUND
Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in der Wirbelschicht sind seit langem bekannt. Insbesondere ist hier das Hochtemperatur-Winkler-Verfahren (HTW- Verfahren) zu nennen, welches als erprobte Technologie gilt, mit der sowohl stückige als auch flüssige oder pastöse Brennstoffe in Synthesegas umgewandelt werden. Als Brennstoff kommen auch schwierige Brennstoffe mit sehr hohem Ascheanteil sowie biologisch basierte Brennstoffe zur Anwendung. Diese werden in eine Wirbelschicht, die als blasenbildende Wirbelschicht betrieben wird, eingeführt und mit Sauerstoff vergast. Das HTW-Verfahren arbeitet gegenüber anderen Vergasungsverfahren bei vergleichsweise moderaten Temperaturen, bei denen die entstehende Asche nicht schmelzflüssig den Vergasungsreaktor verlässt. Dies hat insbesondere bei korrosiven Aschen betriebliche Vorteile.
Bei den bekannten HTW-Verfahren erfolgt die Vergasung in der Regel über getrennte Düsen mit den Vergasungsmitteln, beispielsweise Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Luft. Diese Düsen sind beispielsweise in verschiedenen Ebenen angeordnet, zum Beispiel sowohl in der Wirbelbettzone als auch in der so genannten Freibordzone (FB). In dieser Freibordzone (FB) wird eine hohe Material- und Energieübertragungsrate erreicht und über die Rückführung der nicht umgesetzten Feststoffanteile über den Zyklon und Rückführleitung in die Wirbelschicht kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Wirbelschicht gesichert werden. Um die Bildung von Partikelagglomerationen zu vermeiden, sollte die Temperatur des Wirbelbettes unter der Temperatur des Ascheerweichungspunktes gefahren werden.
Zusätzlich werden beim herkömmlichen HTW-Verfahren Vergasungsmittel, in der Regel Sauerstoff, in die FB-Zone, die sich über dem Wirbelbett befindet, eingetragen. Durch die Injektion dieses„sekundären" Sauerstoffs werden verschiedene Effekte erreicht, nämlich zum einen die Umsetzung eines Teils des fein verteilten Brennstoffes, welcher aus dem Wirbelbett ausgetragen wird und zum anderen soll die Temperatur der Gase erhöht werden, so dass eine weitere Oxidation und/oder ein Cracken der aus dem Einsatzstoff ausgetriebenen flüchtigen Substanzen (Teere und Kohlenwasserstoffe) erfolgen kann. Gleichzeitig erfolgt eine Reaktion der feinen verteilten Brennstoffpartikel mit Dampf und CO2.
Der Anteil des Gesamtsauerstoffs oberhalb der Wirbelschicht liegt bei einem HTW-Verfahren beispielsweise zwischen etwa 40 % und etwa 10 %. Um die Verschlackung in der Nachvergasungszone zu vermeiden, sollten die Temperaturen vorzugsweise bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, dabei sollte die Betriebstemperatur vorzugsweise mindestens etwa 100 °C unter dem Ascheerweichungspunkt liegen. Hierzu kann man Dampf mit Sauerstoff mischen und in den Reaktor einbringen. Die Zugabe von Sauerstoff in die Nachvergasungszone führt jedoch dazu, dass es zu einer teilweisen Verbrennung des Synthesegasreservoirs (CO + H2) kommt und folglich zu einer Reduzierung der Synthesegas- Ausbeute.
Grundsätzlich ist die Plasmavergasung aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise wird in der US 5,958,264 ein Verfahren zur Vergasung brennbarer Abfallstoffe beschrieben, bei dem eine Verglasung der Asche aus einem vorhergehenden Vergasungsprozess in einem weiteren Ofen erfolgt, in dem ein Lichtbogenplasma erzeugt wird. Ein solcher Plasmaofen arbeitet bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1700 °C, so dass die Asche geschmolzen wird. Aufgrund der hohen Temperaturen muss der außen aus Stahl bestehende Ofen mit einem feuerfesten Material ausgekleidet werden. Über die Lichtbogenelektroden wird hier ein Plasma in dem gesamten Ofen erzeugt. Das bekannte Verfahren ist zweistufig und verwendet zwei separate Reaktoren/Öfen. Die Asche aus dem ersten Prozessschritt muss von oben her in den zweiten Ofen überführt werden, in dem die Verglasung erfolgt. Außerdem muss aus diesem Ofen, in dem das Plasma erzeugt wird, die geschmolzene Schlacke im unteren Bereich abgeführt werden. Das Verfahren ist somit insgesamt apparativ aufwändig und erfordert einen hohen Energieeinsatz.
Die DE 35 37 758 AI beschreibt einen Kohlevergaser mit einem Wirbelschichtbett, wobei das Gas über einen Auslass abgeführt und über die Leitungen wieder in den Vergaser zurückgeführt wird und wobei außerdem über eine Leitung Sauerstoff zugeführt wird. In dieser Druckschrift wird auch die Möglichkeit erwähnt, das Vergasungsmittel durch einen Plasmabrenner vorzuwärmen. Dadurch ist es möglich, rückgeführtes Prozessgas auf diese Weise vorzuwärmen und zum Wärmeeintrag in den Vergaser zu benutzen. Der dazu verwendete Plasmabrenner befindet sich somit außerhalb des Reaktors, in dem die Wirbelschichtvergasung stattfindet. Das aus dem Wirbelschichtreaktor austretende Gas wird zur Abscheidung von Staub durch einen Heißzyklon geführt und dann über eine Leitung in Höhe des Wirbelbetts wieder in den Reaktor zurückgeführt. Dabei erfolgt die Vergasung des Staubes mittels über eine Leitung zugeführten Sauerstoffs. Der Reaktor ist hier durchgehend von unten nach oben sich konisch erweiternd ausgebildet.
Die EP 0 153 235 Bl beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, bei dem die Vergasung zunächst bei moderater Temperatur von 700 bis 800 °C erfolgt, wobei in einem Wirbelbett gearbeitet wird. Um anschließend den Synthesegas-Anteil zu erhöhen, wird ein zweiter so genannter Konversionsreaktor eingesetzt, in den die Abgase aus dem Vergasungsreaktor eingeführt werden. Wie man in Figur 2 dieser Schrift erkennt, wird am Eingang des Konversionsreaktors das eingedüste Gas auf eine sehr hohe Temperatur gebracht, wozu ein Plasmabrenner verwendet werden kann. Die Temperatur kann dadurch in der Eintrittszone des zweiten Reaktors auf 3000 bis 5000 °C gebracht werden. Der zweite Konversionsreaktor dient bei diesem bekannten Verfahren dazu den im Synthesegas enthaltenen Anteil an Methan und höheren Kohlenwasserstoffen durch Reaktion mit ebenfalls im Gasstrom enthaltenem Wasserdampf zu senken. Die Temperatur im Konversionsreaktor liegt bei 1200 °C bis 1500 °C. Nachteilig ist allerdings, dass dadurch der CGrAnteil im Gas ansteigt. In dieser Schrift wird weiter vorgeschlagen, einerseits den Gasstrom aus der Wirbelschichtvergasung in den Konversionsreaktor einzuleiten und andererseits ein weiteres Gas über einen Plasmabrenner auf eine sehr hohe Temperatur zu erhitzen und in den Konversionsreaktor zu injizieren. Das injizierte weitere Gas kann Wasserstoff oder Stickstoff sein. Da bei dieser bekannten Anlage zwei separate Reaktoren verwendet werden, ergibt sich ein höherer apparativer Aufwand.
Weitere Anordnungen, insbesondere Wirbelschicht-Reaktoren, sowie weitere Arten von Vergasungsmittel-Zufuhr werden in den Veröffentlichungen DE 10 2007 006 982 B4, AT 503 517 AI, DE 10 2011 051 906 AI, DE 10 2013 107 311 AI oder EP 1 201 731 AI beschrieben.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anlage sowie ein entsprechendes Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, mittels derer sich unterschiedliche Einsatzstoffe in einer Wirbelschicht gegebenenfalls bei höheren Drücken bei hoher Sicherheit und Verfügbarkeit vergasen lassen und welche wirtschaftlich arbeiten.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage ist wenigstens ein Plasmabrenner derart angeordnet, dass dessen Flamme in den Reaktor, welcher die Wirbelschichtzone aufweist, hinein abgegeben wird. Die Anlage umfasst somit einen Reaktor, in dem sowohl die Wirbelschichtvergasung erfolgt als auch die Nachvergasung mittels wenigstens eines Plasmabrenners erfolgt. Auch die Wirbelschichtvergasung kann ggf. mittels wenigstens eines Plasmabrenners erfolgen. Durch den Einsatz eines Plasmabrenners erhält man eine bessere Umsetzung der flüchtigen Substanzen, spart aber das Vergasungsmittel Sauerstoff ein. Da beide Prozesse in nur einem Reaktor ablaufen, erreicht man dies mit einem reduzierten apparativen Aufwand.
Die Kosten für die Produktion des reinen Sauerstoffs bei einem herkömmlichen HTW- Vergasungsverfahren sind extrem hoch und beeinflussen daher erheblich die Wirtschaftlichkeit des HTW-Vergasungsverfahrens. Reiner Sauerstoff wird beispielsweise durch kryogene Luftzerlegung gewonnen. Dabei muss die zugeführte Luft gefiltert, verdichtet und auf ca. - 185 °C abgekühlt werden. Der verflüssigte Luftstrom muss anschließend in Destillationstürmen destilliert werden. Danach erfolgt die Trennung je nach Siedepunkt in Einzelkomponenten. Daher ist die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft, denn die sonst verwendeten Sauerstofflanzen können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig oder teilweise durch Plasmabrenner ersetzt werden.
Vorzugsweise ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Bereich, in dem die Nachvergasung erfolgt, in dem gleichen Reaktor oberhalb der Wirbelschichtzone angeordnet. Dies ermöglicht es, mit zwei unterschiedlichen Temperaturzonen in einem Reaktor zu arbeiten, wobei die Temperatur in der Wirbelschichtzone geringer ist als in dem Bereich der Nachvergasung. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens eine Plasmabrenner beispielsweise mindestens teilweise in der Wandung des Reaktors angeordnet sein, welcher auch die mindestens eine Wirbelschichtzone aufweist.
Beispielsweise kann der (oder die) Plasmabrenner derart angeordnet sein, dass das Plasma/die Flamme in etwa radialer Richtung bezogen auf den Reaktor und/oder etwa quer zur Strömungsrichtung des Fluids im Bereich der Nachvergasung in den Reaktor abgegeben wird.
Der bzw. die Plasmabrenner ist/sind bevorzugt derart angeordnet, dass das Plasma/die Flamme oberhalb der Wirbelschichtzone in den Reaktor hinein abgegeben wird. Der aus der Wirbelschichtzone nach oben hin (in der Regel axial bezogen auf den Reaktor) austretende Fluidstrom wird dann bevorzugt etwa quer zu seiner Strömungsrichtung von der Flamme des Plasmabrenners beaufschlagt.
Vorzugsweise ist dabei der Bereich des Reaktors, in dem die Nachvergasung erfolgt, etwa zylindrisch ausgebildet und/oder der Reaktor ist im Bereich der Wirbelschichtzone etwa konisch sich in Strömungsrichtung des Fluids erweiternd ausgebildet.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anlage einen im Strömungsweg dem Bereich, in dem die Nachvergasung erfolgt, nachgeschalteten Zyklonabscheider umfasst. Nach Durchlaufen des Bereichs der Nachvergasung kann dann eine Abscheidung von Feststoffanteilen in diesem Zyklonabscheider erfolgen und anschließend kann der so gereinigte Fluidstrom über eine von dem Zyklonabscheider ausgangsseitig abgehende Rückführleitung, welche in die Wirbelschichtzone des Reaktors mündet in die Wirbelschichtzone zurückgeführt werden, so dass erneut sowohl der Bereich der Wirbelschicht als auch die Nachvergasungszone durchlaufen werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas, bei dem in einem Reaktor mit mindestens einer Wirbelschichtzone eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, wobei in mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone nachgeordneten Bereich mittels wenigstens eines Plasmabrenners eine Nachvergasung des aus der Wirbelschichtzone austretenden Fluidstroms vorgesehen ist, wobei erfindungsgemäß die Nachvergasung mittels des wenigstens einen Plasmabrenners in dem Reaktor erfolgt, welcher die Wirbelschichtzone umfasst. Bevorzugt erfolgt gemäß der Erfindung die Nachvergasung in dem Bereich, der von wenigstens einem Plasmabrenner beaufschlagt wird, bei einer höheren Temperatur als die Vergasung in der Wirbelschichtzone.
Beispielsweise erfolgt die Vergasung in der Wirbelschichtzone bei einer Temperatur von etwa 750 °C bis 850 °C und die Nachvergasung bei einer um wenigstens etwa 100 °C höheren Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens etwa 900 °C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von etwa 950 °C bis etwa 1200 °C. Es bilden sich also zwei unterschiedliche Temperaturzonen aus, nämlich die Wirbelschichtzone mit Temperaturen von beispielsweise um die 800° +/- etwa 50 °C und die Nachvergasungszone mit beispielsweise etwa 1000 °C +/- etwa 100 °C.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Flamme des Plasmabrenners zum Beispiel eine maximale Temperatur im Flammenkern von etwa 3500 °C bis etwa 4500 °C auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der wenigstens eine Plasmabrenner mit wenigstens einem reduzierenden und/oder wenigstens einem oxidierenden Gas betrieben werden.
Beispielsweise kann der wenigstens eine Plasmabrenner mit einem Fluidstrom umfassend wenigstens eines der Fluide ausgewählt aus Dampf, Luft, Sauerstoff, Stickstoff und CO2 betrieben werden. Die Verwendung von Dampf ist vorteilhaft, weil dessen Produktion besonders kostengünstig ist, außerdem ist er besonders reaktiv. Die Flamme des Plasmabrenners enthält Radikale wie zum Beispiel 0, H, OH, O2, H2 und H20 und eine Temperatur von beispielsweise im Bereich von etwa 4000 °C. Als Resultat der sehr heißen lokalen Flammentemperatur und des hohen Angebots an hochreaktiven Radikalen können Teere und Kohlenwasserstoffe gekrackt werden. Zusätzlich wird die erhöhte Synthesegastemperatur und die Konversion des Bettmaterials positiv durch die heterogene Reaktion von Dampf und C02 beeinflusst.
Die Plasmatemperatur lässt sich vorzugsweise dadurch kontrollieren, dass im Bereich des Plasmabrenners, Dampf und/oder C02 eingedüst wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bevorzugt die Vergasung in einer druckaufgeladenen Wirbelschicht, wobei die Vergasung in der Wirbelschichtzone vorzugsweise bei einem Druck von wenigstens etwa 1 bar, insbesondere von wenigstens etwa 5 bar bis etwa 40 bar erfolgt.
FIGURENBESCHREIBUNG
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage im teilweisen Längsschnitt;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Details II von Figur 1;
Figur 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Plasmabrenners.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nachfolgend wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen und anhand dieser wird beispielhaft der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage erläutert. Die Anlage umfasst einen Reaktor 10, in dem die Vergasung der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe erfolgt. Dieser Reaktor 10 umfasst in einem unteren konisch sich nach oben hin erweiternden Abschnitt eine Wirbelschichtzone I I . Der Brennstoff wird der Wirbelschicht beispielsweise über eine dort seitlich angeordnete Zuführeinrichtung 17 zugeführt, die hier nur schematisch durch einen Pfeil angedeutet ist. Im Bereich dieser Wirbelschichtzone 11, in der die Vergasung der Brennstoffe erfolgt, sind weiterhin am Reaktor 10 diverse Zuführeinrichtungen wie Leitungen und/oder Düsen vorgesehen, mittels derer die Zufuhr der Vergasungsmittel erfolgt, wobei auch diese Zuführeinrichtungen nur jeweils durch Pfeile schematisch angedeutet sind. Dies sind beispielsweise mehrere Zuführeinrichtungen 18 a, 18 b für Sauerstoff und/oder Dampf, die am Reaktor 10 in unterschiedlichen Höhenabständen zum unteren Ende der Wirbelschichtzone 11 und voneinander beabstandet angeordnet sein können.
Weiterhin ist eine Zuführeinrichtung 19 für CO2, beispielsweise im unteren Endbereich der Wirbelschichtzone 11 vorgesehen, wobei mehrere Zugänge für CO2 vorhanden sein können. Insbesondere können ein oder zwei Ascheabzüge für die Zufuhr von CO2 in die Wirbelschicht vorgesehen sein. Am oberen Ende der Wirbelschichtzone 11 geht die sich zunächst kontinuierlich konisch nach oben hin erweiternde Form des Reaktors 10 in einen zylindrischen Bereich 12 mit dann in Strömungsrichtung gleichbleibendem Querschnitt über. In diesem zylindrischen Bereich 12 erfolgt die Nachvergasung. Dazu ist beispielsweise in der Wandung 14 des Reaktors 10 im Bereich 12 ein Plasmabrenner 13 angeordnet, welcher seine Flamme etwa in radialer Richtung in den Innenraum des Reaktors 10 hinein abgibt, so dass die Flamme des Plasmabrenners 13 etwa in Querrichtung bezogen auf die axiale Strömung des Fluids ausgerichtet ist, welches im Reaktor in dem Bereich der Nachvergasung in Längsrichtung des Reaktors 10 nach oben hin strömt. Am oberen Ende tritt der Fluidstrom aus dem Reaktor seitlich aus und gelangt über eine Verbindungsleitung 21 in einen Zyklonabscheider 15, in dem eine Abscheidung von Feststoffanteilen erfolgen kann. Die abgeschiedenen Feststoffe treten nach unten hin aus dem Zyklonabscheider 15 aus und strömen über die Rückführleitung 16 zurück, wobei diese Rückführleitung 16 stromabwärts im Bereich der Wirbelschichtzone 11 in den Reaktor 10 mündet, so dass die abgeschiedenen Feststoffe erneut in die Wirbelschichtzone eingebracht und dort einer erneuten Vergasung zugeführt werden können.
Am oberen Ende des Zyklonabscheiders kann wie durch den Pfeil 22 angedeutet der gereinigte Gasstrom dem Kreislauf entnommen werden.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des mit II bezeichneten Ausschnitts von Figur l. In Figur 2 kann man den Plasmabrenner 13 in der Wandung 14 des Reaktors in vergrößertem Maßstab erkennen, wobei hier der Plasmabrenner 13 nur schematisch dargestellt ist. Man sieht, dass die Flamme/das Plasma 23 von der seitlichen Wandung 14 ausgehend in etwa in radialer Richtung in das Innere des Reaktors eintritt, und zwar vorzugsweise mit etwas Abstand oberhalb des oberen Endes der Wirbelschichtzone 11 des Reaktors 10.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 3 der Aufbau eines beispielhaft in einer Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Plasmabrenners 13 näher erläutert. Dieser umfasst ein beispielsweise etwa zylindrisches Gehäuse 24, in dem über eine Stromzuführeinrichtung 25 eine ringförmige Elektrode 26 versorgt wird. Diese Elektrode umgibt konzentrisch ein Magnet 30, welcher ein magnetisches Feld erzeugt. Weiterhin ist eine beispielsweise etwa ringförmige Kühleinrichtung 27 für die Kühlung des Magneten 30 vorgesehen. Im Inneren der ringförmigen Elektrode 26 wird eine Plasmasäule 31 erzeugt. Dem Inneren des Gehäuses 24 wird von radial außen her ein Prozessgas 28 zugeführt, welches dann mit der Plasmasäule 31 in axialer Richtung im Gehäuse strömt und in eine Düse 29 eintritt, aus der dann das heiße Prozessgas, wie durch die Pfeile 23 in Figur 3 angedeutet ist, austritt. Ein solches heißes Prozessgas gelangt dann als Flamme 23 des Plasmabrenners 13, so wie dies oben unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben wurde, in den Reaktor 10.
Bezugszeichenliste:
10 Reaktor
11 Wirbelschichtzone
12 Bereich der Nachvergasung
13 Plasmabrenner
14 Wandung des Reaktors
15 Zyklonabscheider
16 Rückführleitung
17 Zuführeinrichtung für Brennstoff
18a Zuführeinrichtungen für Sauerstoff und/oder Dampf
18b Zuführeinrichtungen für Sauerstoff und/oder Dampf
19 Zuführeinrichtung für C02
20 Zuführeinrichtung für Dampf
21 Verbindungsleitung
22 Pfeil
23 Plasma/Flamme
24 Gehäuse
25 Stromzuführeinrichtung
26 Elektrode
27 Kühleinrichtung
28 Prozessgas
29 Düse Magnet Plasmasäule

Claims

Ansprüche
1. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas umfassend einen Reaktor (10) mit mindestens einer Wirbelschichtzone (11), in der eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, sowie mit mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone (11) nachgeordneten Bereich (12), in dem mittels wenigstens eines Plasmabrenners (13) eine Nachvergasung des aus der Wirbelschichtzone (11) austretenden Fluidstroms erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Plasmabrenner (13) derart angeordnet ist, dass dessen Flamme in den Reaktor (10), welcher die Wirbelschichtzone aufweist (11), hinein abgegeben wird.
2. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 1, wobei der Bereich (12), in dem die Nachvergasung erfolgt, in dem gleichen Reaktor (10) oberhalb der Wirbelschichtzone (11) angeordnet ist.
3. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein Plasmabrenner (13) mindestens teilweise in der Wandung (14) des Reaktors (10) angeordnet ist, welcher die mindestens eine Wirbelschichtzone (11) aufweist.
4. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Plasmabrenner (13) derart angeordnet ist, dass das Plasma/die Flamme in etwa radialer Richtung bezogen auf den Reaktor und/oder etwa quer zur Strömungsrichtung des Fluids im Bereich der Nachvergasung in den Reaktor abgegeben wird.
5. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Plasmabrenner (13) derart angeordnet ist, dass das Plasma/die Flamme oberhalb der Wirbelschichtzone (11) in den Reaktor hinein abgegeben wird.
6. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Bereich (12) des Reaktors (10), in dem die Nachvergasung erfolgt, etwa zylindrisch ausgebildet ist und/oder der Reaktor (10) im Bereich der Wirbelschichtzone (11) etwa konisch sich in Strömungsrichtung des Fluids erweiternd ausgebildet ist
7. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei diese einen im Strömungsweg dem Bereich (12), in dem die Nachvergasung erfolgt, nachgeschalteten Zyklonabscheider (15) umfasst.
8. Anlage zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 7, wobei von dem Zyklonabscheider (15) ausgangsseitig abgehend eine Rückführleitung (16) angeordnet ist, welche in die Wirbelschichtzone (11) des Reaktors (10) mündet.
9. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas, bei dem in einem Reaktor (10) mit mindestens einer Wirbelschichtzone (11) eine Vergasung der Brennstoffe durch Vergasungsmittel erfolgt, wobei in mindestens einem im Strömungsweg der Wirbelschichtzone (11) nachgeordneten Bereich (12) mittels wenigstens eines Plasmabrenners (13) eine Nachvergasung des aus der Wirbelschichtzone (11) austretenden Fluidstroms vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachvergasung mittels des wenigstens einen Plasmabrenners (13) in dem Reaktor (10) erfolgt, welcher die Wirbelschichtzone (11) umfasst.
10. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 9, wobei die Nachvergasung in dem Bereich (12) bei einer höheren Temperatur erfolgt als die Vergasung in der Wirbelschichtzone (11).
11. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach Anspruch 10, wobei die Vergasung in der Wirbelschichtzone (11) bei einer Temperatur von etwa 700 °C bis 900 °C erfolgt und die Nachvergasung in dem Bereich (12) bei einer um wenigstens etwa 100 °C höheren Temperatur, vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens etwa 900 °C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von etwa 950 °C bis etwa 1200 °C erfolgt.
12. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Flamme des Plasmabrenners eine maximale Temperatur von etwa 3500 °C bis etwa 4500 °C aufweist.
13. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der wenigstens eine Plasmabrenner (13) mit wenigstens einem reduzierenden und/oder wenigstens einem oxidierenden Gas betrieben wird.
14. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der wenigstens eine Plasmabrenner (13) mit einem Fluidstrom umfassend wenigstens eines der Fluide ausgewählt aus Dampf, Luft, Sauerstoff, Stickstoff und CO2 betrieben wird.
15. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei, vorzugsweise im Bereich des Plasmabrenners, Dampf und/oder C02 eingedüst wird zur Kontrolle der Plasmatemperatur.
16. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Vergasung in der Wirbelschichtzone bei einem Druck von wenigstens etwa 1 bar, insbesondere von wenigstens etwa 5 bar erfolgt.
17. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei dieses ein Hochtemperatur-Winkler-Verfahren ist.
18. Verfahren zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in Synthesegas nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei dieses in einer Anlage mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
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