Nutzung der fühlbaren Wärme des Rohgases bei der Flugstromvergasung

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen größer 1.300 ⁰ C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar) mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidati- onsmittel.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flugstromvergasung unterschiedlicher fester und flüssiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel unter norma- lern oder erhöhtem Druck bis 10 MPa. Feste Brennstoffe sind dabei zu Staub aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse sowie andere mahlbare Feststoffe mit einem Heizwert größer 7 MJ/kg. Unter flüssigen Brennstoffen sind Öle oder Öl-Feststoff-Suspensionen zu verstehen. In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zum sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel wird dabei so gewählt, dass man Temperaturen erreicht, die über dem Schmelzpunkt der Asche, in der Regel > 1300 ⁰ C, liegen. Dann wird die Asche zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen, die gemeinsam mit dem Vergasungsgas oder getrennt den Vergasungsraum verlässt und anschließend gekühlt wird. Eine solche Vorrichtung geht aus DE 197 181 317 Al hervor. Eine ausführliche Beschreibung eines solchen mit einem Kühlschirm ausgerüsteten Vergasungsreaktors findet sich in J. Carl u.a. „NOELL- KONVERS IONSVERFAHREN; EF- Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996. Die darin beschriebene direkte Kühlung des > 1300 ⁰ C heißen Vergasungsgases durch das Einspritzen von Wasser erhöht den Wasserdampfgehalt des Rohgases und führt zu erheblichen wärmetech- nischen Verlusten und zur Verringerung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses. Es gibt umfangreiche Bemühungen, solche Verluste zu minimieren. So werden verschiedene Verfahren entwickelt, die durch eine indirekte Kühlung des heißen Verga- sungsgases in Abhitzekesseln Mitteldruckdampf erzeugen und auf diesem Wege die thermischen Verluste teilweise minimieren. Genannt sei beispielsweise das Prenflow- Verfahren, das in P. Casero u.a. „Puertollano IGCC- Plant. Present Position and Future Competitiveness", the 7th European Gasification Conference, 25th-27th April 2006 in Barcelona, Spanien, beschrieben wurde. Nachteilig sind hierbei die hohe Störanfälligkeit der für die indirekte Kühlung verwendeten Abhitzekessel, sowie die nicht optimale Erzeugung von Mitteldruck- dampf. Einen anderen Weg zur Nutzung der fühlbaren Wärme des heißen Vergasungsgases kennzeichnet das E- Gas- Verfahren, bei dem eine Kohle- Wasser- Emulsion in das heiße Vergasungsgas eingedüst wird, um durch endotherme Vergasungsreaktionen der Kohle mit dem Wasserdampf und CO2 des Vergasungsgases zu- sätzlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid herzustellen und damit einen Teil der fühlbaren Wärme in die gewünschte chemisch gebundene Energie zu überführen. Diesen Vorgang bezeichnet man als chemisches Quenchen. Eine ausführliche Darstellung findet sich in „Coal and Petroleum Coke Gasification Application for Coproduction of Hydrogen, Power and Steam", vorgestellt in der o.g. Konferenz. Nachteilig ist hierbei, dass durch die Verdampfung des Wasseranteiles aus der Kohle- Wasser- Emulsion ein Teil der fühlbaren Wärme schon verbraucht wird und damit nicht für die endotherme Reaktion zur Verfügung steht. Eine weitere Möglichkeit zur Behandlung des heißen Vergasungsgases beschreibt das Patent DE 4318444 C2 mit der nicht- katalytischen CO- Konvertierung. Durch stufenweises Einspritzen von Wasser in das > 1300 ⁰ C heiße Rohgas wird der Wasserdampfgehalt erhöht und damit das CO-H2-Gleichgewicht zu ge- wünschten höheren H2- Gehalten verschoben. Dies bringt den

Nachteil, dass durch die Verdampfung des Wassers ein wesentlicher Teil sowohl der fühlbaren Wärme des Rohgases sowie der Reaktionswärme der nichtkatalytischen CO- Konvertierung verbraucht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile. Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannte Lehre gelöst .

Erfindungsgemäß wird die chemische Quenchung mit der nichtka- talytischen Rohgaskonvertierung verbunden, was folgende weitere Vorteile bietet:

Die Zuführung von Wasserdampf anstelle von Wasser lässt eine intensivere Nutzung der fühlbaren Wärme des Vergasungsgases zusätzlich für die chemische Quenchung zu. Die simultan ablaufende nichtkatalytische Rohgaskonvertierung erlaubt die Nutzung der exotheremen Konvertierungsreaktion für die chemische Quenchung und sorgt damit für eine Erhöhung der H2- und CO Menge im Vergasungsgas. Die trockene pneumatische Zufüh- rung des Brennstaubes verringert Energieverluste gegenüber den wasserhaltigen Brennstaub-Wasser-Emulsionen .

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Fi- gur erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 einen Vergasungsreaktor mit kombinierter chemischer Quenchung und nichtkatalytischer Rohgaskonvertierung.

Einem Vergasungsreaktor nach Figur 1 mit einer Bruttoleistung von 500 MW werden stündlich 92 Mg Braunkohle mit einem Feuchtegehalt von 12 Ma% über den Vergasungsbrenner 1 zugeführt und mit Sauerstoff vergast. Bei einer Vergasungstemperatur von 1.525° C entstehen daraus im Vergasungsraum 2 168.627 Nm3/h Rohgas, das gemeinsam mit der zu Schlacke verflüssigten Asche über die Vergasungs- und Schlackeabführung 3 in die erste Zone 4.1 des Reaktionsraumes 4 gelangt. Das Rohgas weist folgende Analyse auf: H2 1637 kmol/h entsprechend 24,27 Vol%

CO 3743 kmol/h entsprechend 55,48 VoI %

CO2 469 kmol/h entsprechend 6, 96 Vol%

H2O 833 kmol/h entsprechend 12,34 VoI %

Die erzeugte Menge der gewünschten Komponenten H2 + CO beträgt 120.580 Nm3/h. Der 1. Stufe 4.1 des nachfolgenden Reaktionsraumes 4 werden neben dem Rohgas pneumatisch 10 Mg/h der genannten Braunkohle über den Anschluss 7 sowie 10 Mg/h über den Anschluss 8 Wasserdampf zugeführt. Durch die Kombination von chemischer Quenchung mit ihrer endothermen Reaktion und der nichtkatalytischen Rohgaskonvertierung sinkt die Temperatur auf 1.150 ⁰ C, wobei sich die Menge an H2 + CO auf 142.382 Nm3/h erhöht, wie nachfolgende Analyse zeigt:

H2 2325 kmol/h entsprechend 29, 05 VoI %

CO 4028 kmol/h entsprechend 50, 34 Vol%

CO2 639 kmol/h entsprechend 7, 98 VoI %

H2O 946 kmol/h entsprechend 11, 82 Vol%

Mit der genannten Temperatur von 1.150 ⁰ C tritt das Rohgas in die zweite Stufe 4.2 des Reaktionsraumes 4 ein, wo nochmals 20 Mg/h Wasserdampf über den Anschluss 10 zugeführt werden, wobei eine Verschiebung des H2 : CO- Gleichgewichtes statt- findet, wie aus der nachfolgende Analyse zu ersehen ist:

H2 2676 kmol/h entsprechend 29, 37 Vol%

CO 3677 kmol/h entsprechend 40, 36 VoI

CO2 990 kmol/h entsprechend 10, 86 Vol%

H2O 1705 kmol/h entsprechend 18, 71 VoI %

Es ist auch möglich, über den Anschluss 9 zusätzlich in die Stufe 4.2 Brennstoff einzuspeisen.

Neben Wasserdampf kann über die Anschlüsse 8 und 10 auch Koh- lendioxid oder eine Kohlendioxid- Wasserdampfmischung einge ^¬ speist werden. Das behandelte Rohgas verlässt nunmehr die 2. Zone 4.2 des Reaktionsraumes 4 mit einer Temperatur von 1000 ⁰ C über die Rohgasabführung 5 und kann in nachfolgenden Prozessen weiterbehandelt werden, wie beispielsweise Abhitzekessel und Ein- richtungen zur Staubabscheidung. Die Schlacke wird über den Schlackeabzug 6 aus dem Vergasungsreaktor abgezogen. Anstelle von Wasserdampf kann dem Rohgas in der 1. Zone 4.1 des Reaktionsraumes 4 auch CO2 zugeführt werden. Dann erhalten wir bei einer Zuführung von 9,7 Mg/h eine Roh- gasmenge von 143.552 Nm3/h, wobei das H2 : CO- Gleichgewicht zum CO verschoben ist, wie die weitere Analyse zeigt:

H2 2050 kmol/h entsprechend 26, 77 Vol%

CO 4355 kmol/h entsprechend 56, 87 VoI%

CO2 560 kmol/h entsprechend 7, 31 Vol%

H2O 661 kmol/h entsprechend 8, 63 VoI%

Natürlich können den Zonen 1 und 2 des Reaktionsraumes weitere Zonen hinzugefügt werden, wobei sich der H2 + CO Anteil weiter erhöhen lässt. Dies geht mit einem entsprechend komplexeren Regel- und Steueraufwand einher.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist gegeben durch einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brenn- Stoffen im Flugstrom bei Temperaturen größer 1.300 ⁰ C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, die Öle oder Öl-Feststoff-Suspensionen sein können mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, wobei dem Vergasungsraum 2 des Vergasungsreaktors ein Reaktionsraum 4 nachgeordnet ist, der in ein, zwei oder mehrere Zonen unterteilt ist, in die zusätzlich feste trockene oder flüssige Brenn- Stoffe gemeinsam mit Wasserdampf eingeführt werden, um die nichtkatalytische Rohgaskonvertierung und die chemische Quen- chung simultan durchzuführen. In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden in die Zone 4.1 des Reaktionsraumes feste und/ oder flüssige Brennstoffe gemeinsam mit Kohlendioxid eingespeist.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden in die Zone 4.1 des Reaktionsraumes 4 feste und/oder flüssige Brennstoffe gemeinsam mit Wasserdampf und Kohlendioxid eingespeist .

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird das die Zonen 4.1 und 4.2 des Reaktionsraumes verlassende teilbehandelte Rohgas anschließend einem Abhitzekessel sowie einer Einrichtung zur Staubabscheidung zugeführt.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen größer 1.300 ⁰ C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar) mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxida- tionsmittel wobei dem Vergasungsraum (2) des Vergasungsreak- tors ein Reaktionsraum (4) nachgeordnet ist, in den zusätzlich feste trockene oder flüssige Brennstoffe (7) mit Wasserdampf (8) eingeführt werden.

Bezugszeichen 1 - Vergasungsbrenner 2 - Vergasungsraum

3 - Vergasungs- und Schlackeabführung

4 — Reaktionsraum

4.1 - erste Zone des Reaktionsraumes

4.2 - zweite Zone des Reaktionsraumes 5 - Rohgasabführung

6 - Schlackeabgang

7 - Anschluss zusätzlicher Brennstoff

8 - Anschluss erste Zone Wasserdampf

9 - Anschluss zweite Zone Brennstoff 10 - Anschluss zweite Zone Wasserdampf