Wirbelschichtgasprozess in einem Vergaser, insbesondere in einem

Hochtemperatur-Winkler- Vergaser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Feststoffen mit gasförmigen, sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln in einem Wirbelschichtgasprozess in einem Vergaser, insbesondere in einem Hochtemperatur- Winkler-Vergaser (HTW), bei dem die kohlenstoffhaltigen Feststoffe in den Reaktionsraum eines Vergasers eingebracht und in einem fluidisierten Wirbelbett des Vergasers vergast werden, wobei zumindest ein Teil der im erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilcheh abgeschieden und in den Reaktionsraum zurückgeführt wird. Zudem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu werden die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe nach Eintritt in den Reaktionsraum des Vergasers in einem fluidisierten Wirbelbett bei Temperaturen zwischen 700° und 1300° C und unter einem erhöhten Druck vergast, und zwar unter Einsatz von endotherm und exotherm reagierenden Vergasungsmitteln.

Ober- und unterhalb des fluidisierten Wirbelbettes befinden sich ein Nachvergasungsraum sowie ein bewegtes Bett, aus dem Vergasungsrückstände abgezogen werden. Von dem Nachvergasungsraum wird das erzeugte Gas einem Abscheider zugeführt. Ein wesentliches Merkmal des Hochtemperatur-Winkler-Verfahrens ist es, dass ein Teil der im erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilchen in dem Abscheider abgeschieden und über eine Rückführleitung in den Reaktionsraum des Vergasers zurückgeführt werden, wohingegen das von den Feststoffteilchen befreite Synthesegas den Abscheider verlässt.

Bei den kohlenstoffhaltigen Feststoffen kann es sich beispielsweise um Biomasse, recyclefähiges Material, Kunststoff oder Kohle etc. handeln. Üblicherweise werden zum Eintrag dieses Einsatzgutes in den unter Überdruck betriebenen Reaktionsraum des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers Eintragsschnecken oder pneumatisch betriebene Eintragungsorgane verwendet. Bei der Verwendung von Eintragsschnecken wird das Einsatzgut über ein in der Art eines Druckschleusesystems betriebenes Kohlesschleusesystem durch konus- förmige Kohlewiege- und Kohlevorlagebehälter, zwischen denen eine Kohleschleuse geschaltet ist, geleitet. Im Ahschluss daran wird das Einsatzgut über Eintragsschnecken in den Hochtemperatur-Winkler-Vergaser befördert. Ein Nachteil dieser Technik des Eintrages ist es, dass die elektromotorisch angetriebenen Eintragsschnecken nur eine begrenzte Aufnahmekapazität haben, so dass in der Regel mehrere Eintragsschnecken verwendet werden müssen, um das Einsatzgut zügig und in ausreichendem Maße in den Vergaser zu befördern. Hinzu kommt, dass sich die Elektromotoren aufgrund der mit der Förderung des Einsatzgutes einhergehenden Wärmeentwicklung durch eine nicht geringe Anfälligkeit auszeichnen und die Abdichtung zur Atmosphäre, insbesondere bei hohem Betriebs ^¬ druck, schwierig ist.

Bei der pneumatischen Förderung wird das Einsatzgut von einem strömenden Gas getragen und mitgeführt, wobei der Gasstrom durch einen Druckunterschied zwischen Anfang und Ende einer das Einsatzgut und das Gas transportierenden Transportleitung bewirkt wird. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass für die Bestückung des Vergasers mit dem Einsatzgut sehr große Gasmengen benötigt werden, was wiederum mit nicht geringen Kosten sowie mit einem nicht geringen konstruktiven Aufwand für Lagerung und Zuführung des Gases verbunden ist.

Als weiteres Eintragungsorgan, auch in Kombination mit einer pneumatischen Förderung, sind aus dem neuesten Stand der Technik unter der Wirkung der Schwerkraft arbeitende Schrägrohre (sloped pipe) bekannt, deren Einsatz jedoch, wie bisherige Erfahrungen in Testanlagen zeigen, aufgrund von in den Leitungen auftretenden thermischen Prozessen nur begrenzt möglich ist, was sich insbesondere bei der Beförderung von bestimmten Kohlearten zeigt. Zudem erfordert diese Art der Förderung einen größeren konstruktiven Aufwand, da dem Schrägrohr ein weiterer Sammelbehälter für die Trennung der Feststoffe von dem transportierenden Gas vorgeschaltet werden muss. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein eingangs beschriebenes Verfahren so auszugestalten, dass eine schnelle, kostengünstige und deutliche Zufuhr von kohlenstoffhaltigen Feststoffen ermöglicht wird.

Mit einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung in den Vergaser eingebracht werden.

Bei der Dichtstromförderung wird das Einsatzgut pneumatisch in Gestalt eines höheren Feststoffmassenstromes befördert.

Vorteile der Dichtstromförderung, wie weniger Störanfälligkeit gegenüber verklebendem oder feuchtem Transportgut, geringe Energiekosten aufgrund einer niedrigeren Verdichterleistung und ein reduzierter Abrieb des Transportgutes, sind bekannt. Entwicklungsarbeiten im Rahmen der Erfindung haben jedoch zudem gezeigt, dass die Zuführung des Einsatzgutes in einen Hochtemperatur-Winkler- Vergaser mittels einer pneumatischen Dichtstromförderung den Vorteil hat, dass größere Mengen Inertgas als bei der Schneckenförderung und viel geringere Mengen Inertgas als bei der pneumatischen Förderung in das fluidisierte Wirbelbett des Vergasers gebracht werden kann, ohne dass diese Gasmenge das charakteristische fluidisierte Wirbelbett beeinträchtigt. Zudem kann dieses Gas gleichzeitig als fluidisierendes Gas eingesetzt werden. Auch kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der konstruktive Aufwand verringert werden, da auf einen Vorlagebehälter, der im Falle von Kohleschnecken und einer pneumatischen Förderung dem Vergaser vorgeschaltet ist, verzichtet werden kann.

Um eine geringere Materialverdichtung hervorzurufen, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die kohlenstoffhaltigen Feststoffe am Austritt des Druckbehälters fluidisiert werden.

Zur Durchführung des Verfahrens sieht die Erfindung eine Anlage mit mindestens folgenden Komponenten vor: - einen Druckbehälter einer pneumatischen Dichtstromförderanlage,

- einen HTW-Vergaser,

- eine Förderleitung.

Grundlegende Idee bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist es, den Druckbehälter einer pneumatischen Dichtstromförderanlage über eine Förderleitung, die ebenfalls Komponente einer pneumatischen Dichtstromförderanlage sein kann, mit dem HTW-Vergaser zu verbinden. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass die kohlenstoffhaltigen Stoffe pneumatisch mit Dichtstromförderung und direkt in den Vergaser eingebracht werden, ohne dass zwischen dem Druckbehälter und dem HTW-Vergaser weitere Vorrichtungen, wie ein Vorlagebehälter, zwischengeschaltet werden müssen.

Um die Fördermenge weiter zu erhöhen, sieht eine praktikable Variante der Erfindung vor, dass mindestens zwei Förderleitungen in den Vergaser münden. Um die Förderung auch unter Nutzung der Schwerkraft ablaufen zu lassen, ist es zweckmäßig, dass die Förderleitung unmittelbar vor dem Vergaser in einem Winkel schräg nach unten in die Wirbelschicht geführt wird. Hierbei sollte vorzugsweise die Förderleitung in ein Schrägrohr münden. Die Schräge kann dabei kleiner 90° gegenüber der Horizontalen betragen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung :

Fig. 1 ein herkömmliches, mehrstufiges Verfahren für die Beschickung

eines Reaktors für einen Vergasungsprozess nach dem Hochtemperatur-Winkler-Verfahren,

Fig. 2 ein Verfahren gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anlage für die Durchführung des erfindungs ^¬ gemäßen Verfahrens. Fig. 1 zeigt ein herkömmliches mehrstufiges Verfahren für die Beschickung eines Reaktionsraumes 3 eines Vergasers in Gestalt eines Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2. Das Verfahren beginnt damit, dass das Einsatzgut 2a dem Druckschleusensystem 6, bestehend aus dem konusförmigen Kohlewiegebehälter 7, der konusförmigen Kohleschleuse 8 sowie dem konusförmigen Kohlevorlagebehälter 9, zugeführt wird. Über die Förderschnecken 11 wird das mittels des Dosierzellenrades 10 dosierte Einsatzgut 2a aus dem Kohlevorlagebehälter 9 in die Kohleeintragsschnecke I Ia gegeben, um das Einsatzgut 2a in dosierter und geregelter Weise in den Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2 zu befördern. Alternativ wird auch ein Schrägrohr 16 anstatt der Schnecken 11, I Ia verwendet. Das Einsatzgut 2a, d.h. die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe wie Biomasse, Kohle etc., werden in dem Reaktionsraum 3 in einem in Fig. 1 nicht gezeigten flutdisierten Wirbelbett bei hohen Temperaturen und bei einem erhöhten Druck vergast. Das hierbei erzeugte Gas wird dem Abscheider 4 zugeführt, wobei ein Teil der in dem erzeugten Gas mitgeführten Feststoffteilchen in dem Abscheider 4 abgeschieden und über die Rückführleitung 5 in den Reaktionsraum 3 des Vergasers 2 zurückgeführt wird. Das von den Feststoffteilchen befreite Synthesegas verlässt hingegen den Abscheider 4. Unterhalb des fluidisierten Wirbelbettes werden Vergasungsrückstände aus dem Festbett über die Leitungen 14, 15 abgezogen.

Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, erfolgt die Beschickung des Vergasers 2 mit dem Einsatzgut 2a mehrfach. Diese mehrfache Beschickung dient dazu, den Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 möglichst schnell mit ausreichendem Einsatzgut 2a zu versorgen, wozu jedoch eine Mehrzahl von elektromotorisch betriebenen Schnecken 11, IIa oder Schrägrohren 16 eingesetzt werden müssen.

Um die in Fig. 1 gezeigte relativ aufwändige und anfällige Fördermethode zu ersetzen, wird, wie Fig. 2 verdeutlicht, in erfindungswesentlicher Weise das Einsatzgut 2a, d.h. die kohlenstoffhaltigen Feststoffe, pneumatisch mit Dichtstromförderung 3a in den Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2 eingebracht. Hierzu wird das Einsatzgut 2a durch eine Förderleitung 12 transportiert, die mit einem in Fig. 2 nicht gezeigten Druckbehälter, wie er in einer pneumati- schen Dichtstromförderanlage vorzufinden ist, verbunden ist. Die Förderleitung 12 geht unmittelbar vor dem Vergaser 2 in ein Schrägrohr 13 über, das wiederum in den Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 mündet.

Fig. 3 zeigt die Anlage zur Durchführung des in Fig. 2 gezeigten Verfahrens. Diese setzt sich im Wesentlichen aus einem Druckbehälter 17, wie er aus einer herkömmlichen pneumatischen Dichtstromförderanlage bekannt ist, einer Förderleitung 12 sowie einem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 zusammen.

Im oberen Bereich des Druckbehälters 17 befindet sich ein Eintrag 18, durch den das Einsatzgut 2a in den Druckbehälter 17 eingebracht wird. Dabei kann die Einbringung des Einsatzgutes 2a in Schwerkraftfluss aus einem in Fig. 3 nicht gezeigten oberhalb des Druckbehälters 17 angeordneten Schleusebehälter oder über eine in Fig. 3 ebenfalls nicht gezeigte im Dichtstrom betriebene pneumatische Dichtstromförderung erfolgen. Neben den herkömmlichen Zuleitungen und Ventilen für die Differenzdruckhaltung zum Vergaser weist der Druckbehälter 17 zudem in seinem unteren Bereich Fluidisiergasdurchlassöffnungen 19, 20, 21, 22 in Gestalt eines Fluidisierkonus mit porösem Material (wie Sintermetall) oder von Düsen auf, um fluidisierendes Gas in den Druckbehälter 17 einzuspeisen. Das Fluidisie- rungsgas dient der Fluidisierung des in der Förderleitung 12 geförderten Fördergutes, d.h. der kohlenstoffhaltigen Feststoffe, die für die Vergasung in dem Reaktionsraum 3 des Hochtemperatur-Winkler-Vergasers 2 vorgesehen sind. Die Förderleitung 12 zwischen Druckbehälter 17 und Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 mündet in das Schrägrohr 13.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Anlage auch mehrere Förderleitungen 12 aufweisen, die zwischen dem Druckbehälter 17 und dem Hochtemperatur-Winkler-Vergaser 2 angeordnet sind und in den Vergaser 2 münden, Bezuqszeichert liste:

1 Anlage

2 Hochtemperatur- Winkler- Vergaser

2a Einsatzgut

3 Reaktionsraum

3a Dichtstromförderung

4 Abscheider

5 Rückführleitung

6 Druckschleusensystem

7 Kohlewiegebehälter

8 Kohleschleuse

9 Kohlevorlagebehälter

10 Dosierzellenrad

11 Förderschnecken

IIa Kohleeintragsschnecke

12 Förderleitung

13, 16 Schrägrohr

14, 15 Leitungen

17 Druckbehälter

18 Eintrag

19, 20,

21, 22 Fluidisiergasdurchlassöffnungen