PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102007006984B4 19.03.2009
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen bei der Flugstromvergasung
Anmelder Technische Universität Bergakademie Freiberg, 09599 Freiberg, DE
Erfinder Meyer, Bernd, Prof., 09599 Freiberg, DE;
Seifert, Peter, Dr., 01983 Großräschen, DE;
Krzack, Steffen, Dr., 09599 Freiberg, DE;
Ogriseck, Sirko, 09599 Freiberg, DE;
Rauchfuß, Hardy, 09119 Chemnitz, DE;
Rieger, Mathias, 01187 Dresden, DE;
Trompelt, Michael, 08439 Langenhessen, DE;
Guhl, Stefan, 04654 Frohburg, DE
Vertreter Kailuweit & Uhlemann, Patentanwälte, 01187 Dresden
DE-Anmeldedatum 07.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007006984
Offenlegungstag 14.08.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse C10J 3/46  (2006.01)  A,  F,  I,  20070207,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse C10J 3/84  (2006.01)  A,  L,  I,  20070207,  B,  H,  DE
C10K 1/06  (2006.01)  A,  L,  I,  20070207,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen bei der Flugstromvergasung.

Die bei der Flugstromvergasung erzeugten, heißen Rohgase müssen vor deren weiteren Verwendung gekühlt werden. Im Falle der Vergasung von aschehaltigen Brennstoffen erschweren die mit den ca. 1400 bis 1600°C heißen Rohgasen mitgeführten Nebenbestandteile den Kühlprozess. Als Nebenbestandteile werden die schmelzflüssigen und kondensierbaren Bestandteile und gegebenenfalls nicht umgesetzter Restkohlenstoff verstanden. Die Nebenbestandteile führen bei der indirekten Kühlung zu Verlegungen von Wärmetauschern und zur Korrosion. Die Kühlung erfolgt daher im einfachsten Fall durch unmittelbare Quenchung der heißen Rohgase mit Wasser. Bei Flugstromvergasern nach dem GSP-Verfahren (Higman, Chris; Gasification, Elsevier Science, 2003) ist unmittelbar unter dem Vergaser der Quenchraum angeordnet, in dem in die heißen Rohgase Wasser eingedüst und schlagartig bis zum Wasserdampftaupunkt abgekühlt werden. Die Quenchkühlung hat den Nachteil, dass kein Mittel- oder Hochdruckdampf erzeugt wird, der in der Dampfturbine energetisch genutzt werden kann. Sie ist jedoch wesentlich kostengünstiger und störungsunanfälliger im Betrieb. Vorteile ergeben sich, wenn die weitere Nutzung des Rohgases eine Erhöhung des Wasserdampfanteils im Gas erforderlich macht, wie z. B. für die Konvertierung des Kohlenmonoxides CO mit Wasserdampf H2O zu Kohlendioxid CO2 und Wasserstoff H2 nach der Gleichung CO + H2O = CO2 + H2. Die Quenchkühlung bis zum Wasserdampftaupunkt sorgt dann für die Bereitstellung des zur Konvertierungsreaktion erforderlichen Wasserdampfes. Nachteilig ist hier, dass die gequenchten Rohgase wieder aufgeheizt werden müssen.

Für die Flugstromvergasung nach dem GSP-Verfahren ist darüber hinaus ein Vorschlag für einen so genannten Partialquench bekannt. In die in den Quenchraum eintretenden ca. 1400°C heißen Rohgase soll nur soviel Wasser eingedüst werden, dass die gequenchten Rohgase mit einer Gasaustrittstemperatur von ca. 800°C den Quenchraum verlassen. Dabei soll eine teilweise chemische Umsetzung von CO mit Wasserdampf nach der oben beschriebenen Konvertierungsreaktion erfolgen. Da die direkte Quenchung der heißen Rohgase überwiegend in deren Kernstrom mit schlagartiger Temperaturabsenkung erfolgen soll, wird die chemische Konvertierung innerhalb kürzester Zeit zum Erliegen kommen, so dass der chemische Umsatz gering bleiben wird. Dieser Lösungsvorschlag ist zudem sehr nachteilig, da sich im Quenchraum Zirkulationsströmungen hoher Temperaturen > 800°C einstellen, die zu einer unerwünschten Belegung der den Quenchraum umfassenden Wände mit kondensierenden Bestandteilen und erstarrenden Schlacketröpfchen führen. Die Belegungen können sich in die nachgeschalteten Einrichtungen zur Rohgaskühlung und -aufbereitung fortsetzen und zu starken Betriebsstörungen führen.

US 2,961,310 A offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, bei denen das Rohgas vor dem Austritt aus dem Vergaser durch Eindüsen einer Brennstoff-Wasser Slurry auf Temperaturen von ungefähr 500°F (260°C) schockartig abgekühlt werden soll. Die anschließende wertere Abkühlung auf die Wasserdampf-Sättigungstemperatur, verbunden mit Wasserwäsche, erfolgt in einem Scrubber. Dem Fachmann ist zweifelsfrei klar, dass bei diesen niedrigen Temperaturen die Konvertierungsreaktion grundsätzlich nicht stattfindet, gleich welche Art und Stufung der Wasserzuführung gewählt wird.

DE 41 09 231 C2 betrifft ein Verfahren zur Verwertung halogenbelasteter kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe. Rohgase werden in einen Konvertierungsreaktor überführt, wobei in das einströmende Rohgas über ein Düsenkreuz Wasserdampf und NaOH eingedüst wird. Es handelt sich also um eine klassische Quenchung mit schlagartiger Abkühlung des Rohgases auf den Wasserdampftaupunkt, d. h. um einen Vollquench, wobei nur eine Teilmenge des Wassers verdampft wird, d. h. Wasser deutlich im Überschuss zugegeben wird. Die Konvertierungsreaktion ist unter diesen Bedingungen praktisch ausgeschlossen.

US 4 479 809 A beschreibt einen Hochdruck-Kohlevergaser mit Schlackeabscheideraum, dem ein mit Schlacketröpfchen beladenes Rohgas über ein Eingangsrohr zugeführt wird. Um das Rohgas abzukühlen und die Schlacke in einem Wasserbad abzuscheiden, wird kaltes Rohgas in den Gasstrom eingeleitet. Durch Einleiten dieses Gases mit einem Wasserdampfgehalt, der kleiner oder höchstens gleich dem des heißen Rohgases ist, wird die Konvertierungsreaktion infolge Unterschuss an Wasserdampf unterdrückt. Bei der anschließenden Strömungsumleitung über dem Wasserbad, die mit einer Befeuchtung einhergeht, ist die Temperatur aber bereits zu gering, als dass die Konvertierungsreaktion in nennenswertem Umfang stattfinden könnte.

DE 10 2006 031816 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von heißen Gasen und verflüssigter Schlacke bei der Flugstromvergasung. Dabei wird das zur Kühlung eingebrachte Kühlwasser aufgeteilt, wobei ein Teil in den Rohgaseintritt eingedüst und ein anderer Teil zur Kühlung der Behälterwand genutzt wird. Hier wird wiederum eine Abwandlung der klassischen Variante des Vollquenches für das GSP-Flugstromvergasungsverfahren beschrieben, bei der das Vergasungsgas sofort nach Austritt aus dem Reaktor 2 bis zur Wasserdampf-Sättigungstemperatur von 180 bis 240°C abgekühlt wird. Durch die auf diese Weise beabsichtigte und erreichte schnelle Abkühlung wird die Konvertierungsreaktion wirkungsvoll unterdrückt.

Es gibt weitere Lösungsvorschläge zur Verbindung der Prozessstufen der Quenchung und der Konvertierung zur so genannten Quenchkonvertierung, bei der die Konvertierungsreaktion nichtkatalytisch während der Kühlung der Rohgase in einem Schritt durchgeführt wird. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (2003), Vol.15, S.387 beschreibt an einem Beispiel die Abkühlung eines Rohgases der Asphaltvergasung von 1570°C unter Zuführung von Wasser, bei dem sich das Konvertierungsgleichgewicht bei 1250°C einstellt. Gemäß Patentschrift DE 43 18 444 C2 soll durch Einsatz von Quenchwasser die Konvertierung im Temperaturbereich 700 bis 900°C stattfinden. Vorgesehen sind weiterhin indirekte Wärmetauscher. Der hohe apparative Aufwand und die dabei erreichbaren verhältnismäßig geringen Konvertierungsumsätze haben dazu geführt, dass die technische Anwendung des Verfahrens bei der Flugstromvergasung von aschehaltigen Brennstoffen bisher nicht zustande gekommen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der Quenchkonvertierung für die Flugstromvergasung so zu verbessern, dass in dem dem Flugstromvergaser nachgeschalteten Quenchraum die Konvertierung mit geringstem apparativen Aufwand erreicht werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird für Flugstromvergaser, deren Rohgase in einer nach unten gerichteten Strömung in einen Quenchraum eingebracht werden, dessen Oberteil als Gasraum und dessen Unterteil als Wasserbad ausgebildet ist, wobei die untere Begrenzung des Gasraumes durch die Wasseroberfläche des Wasserbades gebildet wird, wobei Quenchwasser in die nach unten gerichtete Strömung eingedüst wird und die Rohgase abgekühlt werden und wobei die Rohgase oberhalb des Wasserbades aus dem Gasraum abgezogen werden, dadurch gelöst,

  • – dass Wasser nur in den Gasraum eingedüst wird, der die nach unten gerichtete Strömung der aus dem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase umschließt, so dass die oberhalb der Wasseroberfläche nach oben umgelenkten Rohgase befeuchtet und gekühlt werden, bevor sie sich in die nach unten gerichtete Strömung einmischen,
  • – dass die mit den Rohgasen mitgeführten Nebenbestandteile mittels dieser Rohgase während der Abkühlung in der zentralen Zone der Abwärtsströmung und während der Befeuchtung und Kühlung in der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung bei gleichzeitiger Anreicherung der im Gasraum in der Schwebe gehaltenen festen und kondensierbaren Nebenbestandteile mit den Rohgasen katalytisch aktiviert werden,
  • – und dass die Umfassungswände des Quenchraumes, mindestens jedoch die Umfassungswände des Gasraumes so gekühlt werden, dass die Temperatur an der inneren Oberfläche 1 bis 50 K unterhalb der Taupunkttemperatur des Gasraumes liegt.

Erfindungsgemäß werden im Gasraum zwei Strömungszonen strömungstechnisch gestaltet, eine zentrale Zone der Abwärtsströmung der Rohgase und eine ringförmige Zone der Aufwärtsströmung der konvertierten Rohgase, die die zentrale Zone umgibt und bis zu den Umfassungswänden reicht und in die das Wasser eingedüst wird, mit dem die aufwärts strömenden Gase gekühlt und befeuchtet werden. In der zentralen Zone der Abwärtsströmung werden die Rohgase gleichgerichtet zum abkühlungsbedingten Dichtegradienten und in der Zone der Aufwärtsströmung entgegen dem abkühlungsbedingten Dichtegradienten geführt. Dadurch kommt es zu einer Stabilisierung der Abwärtsströmung unter Einmischung der befeuchteten und gekühlten Gase aus der Aufwärtsströmung. Die Abwärtsströmung wird nach der Erfindung im Vergleich zu der bisher bei der Voll- und Partialquenchung erfolgenden schockartigen Abkühlung durch Wassereindüsung in die heißen Rohgase mit einem deutlich geringeren Temperaturgradienten gekühlt (verzögerte Kühlung).

Die Geschwindigkeit der Konvertierungsreaktion ist unter diesen Bedingungen in der zentralen Zone der Abwärtsströmung über deren gesamte vertikale Ausdehnung sehr hoch, da hohe und in Strömungsrichtung stetig abnehmende Temperaturen mit in Strömungsrichtung zunehmenden Wasserdampfgehalten kombiniert werden. Die in Strömungsrichtung zunehmenden Wasserdampfgehalte in der Abwärtsströmung werden dadurch eingestellt, dass die abgekühlten und befeuchteten Gase der Aufwärtsströmung in die Abwärtsströmung eingemischt werden. Somit wird die Konvertierungsreaktion in der zentralen Zone der Abwärtsströmung bis zur Umlenkung an der Oberfläche des Wasserbades weitgehend abgeschlossen. Die konvertierten Rohgase werden während der Umlenkung und danach in der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung unter gleichzeitiger starker Abkühlung mit Wasserdampf beladen. Die Erhöhung der Wasserdampfkonzentration erfolgt durch Wasserverdampfung an der Wasseroberfläche des Wasserbades und durch Eindüsung von Wasser in die Aufwärtsströmung.

Weiterer zentraler Teil der Erfindung ist die katalytische Aktivierung der mit den Rohgasen mitgeführten Nebenbestandteile mittels dieser Rohgase während der Abkühlung in der zentralen Zone der Abwärtsströmung und während der Befeuchtung in der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung bei gleichzeitiger Anreicherung der im Gasraum in der Schwebe gehaltenen, aktivierten Nebenbestandteile. Die katalytische Aktivierung dieser Nebenbestandteile ist n komplexer Prozess, der sich aus verschiedenen Einzelprozessen zusammensetzt, die sich gegenseitig ergänzen, wie die Oberflächenvergrößerung der katalytisch wirksamen Schlackebestandteile, die Reduktion der Metalloxide, die Bildung von porösen Kondensationspartikeln, die Erhaltung feinster Partikel aus nicht umgesetztem Restkohlenstoff sowie die Schaffung hoher Konzentrationen flüchtiger Salze in der Gasphase. Im Folgenden können diese Einzelprozesse nur andeutungsweise wiedergegeben werden.

In der zentralen Zone der Abwärtsströmung erfolgt die katalytische Aktivierung durch die mehr oder weniger stetige Abkühlung in streng reduzierender Gasatmosphäre ohne nennenswerte Berührung mit Wasser. Im Unterschied zur Nasskühlung mit Quenchwasser wird die schmelzflüssige Schlacke stärker zerstäubt, bevor sie erstarrt, wodurch eine größere äußere Oberfläche geschaffen wird. Die Schlackeoberfläche wird zudem durch Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 der Rohgase stark reduziert. Sie weist einen niedrigen Oxidationsgrad auf, d. h. sie enthält im Vergleich zu nassgequenchten Partikeln, deren Oberfläche durch Kondensatwasser oxidiert ist (Oxidhaut), deutlich mehr katalytisch wirksame metallische, oxidische und sulfidische Verbindungen, wie z. B. Eisen/Eisenoxid (Wüstit)/Eisensulfid oder Schwermetalle/Schwermetallsulfide. Die Schlackepartikel kühlen langsamer ab als die sie umgebenden Rohgase. Hierdurch erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit der an der Partikeloberfläche katalysierten Konvertierungsreaktion zusätzlich.

In der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung erfolgt die katalytische Aktivierung durch Kondensation von Alkali- und Erdalkalisalzen unter Bildung feinstkörniger Kondensationskeime und poröser Kondensationspartikel. Diese katalytisch wirksamen Kondensationspartikel werden in die Abwärtsströmung eingemischt und dort besonders wirksam. Feinste Partikel aus nicht umgesetztem Restkohlenstoff, die zwischen den beiden Strömungszonen zirkulieren, katalysieren die Konvertierungsreaktion im gesamten Gasraum. Dies trifft in etwas abgewandelter Weise auch für die gasförmigen Alkaliverbindungen zu, die auf Grund der hohen Temperaturen in der Zone der Abwärtsströmung weitestgehend flüchtig sind und die Konvertierungsreaktion homogen katalysieren.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so viel Wasser eingedüst, dass die den Gasraum verlassenden Rohgase Temperaturen von 300 bis 600°C oder von 600 bis 900°C aufweisen.

Es sind zwei Temperaturbereiche zu unterscheiden, in denen das Verfahren vorzugsweise durchgeführt wird. Im unteren Temperaturbereich 300–600°C werden maximale Umsatzgrade der Konvertierungsreaktion (über 30%) unabhängig von der eingedüsten Wassermenge realisiert. Mit der Menge des eingedüsten Wassers wird allein die gewünschte Gasaustrittstemperatur geregelt. Im oberen Temperaturbereich 600–900°C werden submaximale, dafür aber variable Umsatzgrade der Konvertierungsreaktion (10–30% und darüber) eingestellt. Die Menge des eingedüsten Wassers wird entsprechend des gewünschten Umsatzgrades gewählt. Als Maß für den Umsatzgrad dient üblicherweise die online gemessene Gaszusammensetzung der den Gasraum verlassenden konvertierten Rohgase oder der aus der Stoff- und Energiebilanz indirekt ermittelte Wert für den Umsatzgrad. Dieser wird im einfachsten Fall aus den gemessenen Eduktströmen und der Gasaustrittstemperatur berechnet. Durch erhöhte Zuführung von Wasser werden die Gasaustrittstemperatur gesenkt und der Umsatzgrad erhöht und umgekehrt. Die Durchführung des Verfahrens im oberen Temperaturbereich erweist sich als besonders vorteilhaft. Die mit hoher Temperatur austretenden konvertierten Rohgase können einem Abhitzekessel zur Dampferzeugung zugeführt werden. Außerdem ist es möglich, mit Hilfe der eingedüsten Wassermenge den Umsatzgrad so einzustellen, dass sich ein gewünschter Gesamtkonvertierungsumsatz im Konvertierungsreaktor nach der Wasserwäsche einstellt, ohne dass der Konvertierungsreaktor mit einem Gas-Bypass umfahren oder zusätzlicher Wasserdampf zur Verfügung gestellt werden muss.

Die Begrenzung der beiden Temperaturbereiche resultiert einerseits aus der katalytischen Wirkung der aktivierten Nebenbestandteile (untere Temperaturgrenze) und andererseits aus der Verschmutzungsneigung der Nebenbestandteile (obere Temperaturgrenze).

Im oberen Temperaturbereich erfolgt die katalytisch bedingte Annäherung der Gaszusammensetzung an das thermodynamische Gleichgewicht. Je nach den im Einzelfall vorliegenden stofflichen und betrieblichen Parametern sowie räumlichen Anordnungen sind unterschiedlich hohe Annäherungen an die Gleichgewichtszusammensetzung erreichbar. Die Annäherung wird üblicherweise in der Form der Temperaturapproache &Dgr;TK in Kelvin nach der Gleichung &Dgr;TK = TG1,aus – Taus quantifiziert. Dabei sind TG1,aus die thermodynamische Gleichgewichtstemperatur der Konvertierungsreaktion für die sich am Gasaustritt einstellende Gaszusammensetzung und Taus die reale Austrittstemperatur. Erfindungswesentlich ist, dass im Temperaturbereich 1400°C bis etwa 900°C die Temperaturapproache &Dgr;TK nicht nennenswert von 0 K abweichen (ca. 0 bis + 50 K) und bei weiterer Abkühlung auf 600°C dann bis auf +100 bis +250 K ansteigen. Bei Gasaustrittstemperaturen unter 900°C wird die so genannte kinetische Reaktionsendtemperatur (700–850°C) erreicht, d. h. die Konvertierungsreaktion „friert ein". Die weitere Absenkung der Gasaustrittstemperaturen unter die kinetische Reaktionsendtemperatur durch Eindüsung von Wasser führt zu keiner weiteren Veränderung der Gaszusammensetzung infolge der Konvertierungsreaktion. Die Untergrenze der Abkühlung der Rohgase liegt bei ca. 300°C. Bei dieser unteren Temperaturgrenze ist die katalytische Aktivierung der Nebenbestandteile gerade noch gewährleistet. Die Obergrenze für die Abkühlung der Rohgase ist durch die kritische Temperatur der Verschmutzungsneigung der konvertierten Rohgase gegeben. Die Rohgase müssen mindestens so wert abgekühlt werden, dass es in den nachgeschalteten Anlagenkomponenten nicht zu Ablagerungen und Verschmutzungen kommt. Rohgase der Vergasung alkalihaltiger oder alkalireicher Braunkohle sollten auf Temperaturen von mindestens 800°C oder in besonders schwierigen Fällen auf mindestens 600°C, Rohgase der Vergasung von alkaliarmen und tonreichen Steinkohlen auf Temperaturen von mindestens 900°C abgekühlt werden.

Das zur Erhöhung der Wasserdampfkonzentration und zur Abkühlung benötigte Wasser wird in einer oder mehreren Düsenebenen in die Aufwärtsströmung in der Nähe der Umfassungswände des Gasraumes und möglichst gleichmäßig verteilt über den Umfang eingedüst. Die Eindüsung erfolgt vorzugsweise mittels einer Düsenebene oberhalb der Wasseroberfläche des Wasserbades in die Mitte des Gasraumes oder nach oben gerichtet. Bei Vergasern großer Leistung werden weitere Düsenebenen über die Höhe des Gasraumes verteilt angeordnet. Für weiter oben angeordnete Düsenebenen ist die Richtung der Wasserverdüsung frei wählbar, bevorzugt wird jedoch die Eindüsung nach oben, wodurch die nach oben gerichtete Gasströmung unterstützt wird. Durch die am oberen Ende des Gasraumes vorgesehene Düsenebene wird das Wasser vorzugsweise nach unten gerichtet eingedüst.

Bei geringem Konvertierungsumsatz beträgt die mittlere Verweilzeit der Rohgase im Quenchraum etwa 2 s und bei hohem Konvertierungsumsatz etwa 10 s.

Wesentlich für die Erfindung ist schließlich, dass die Umfassungswände des Quenchraumes, mindestens jedoch die Umfassungswände des Gasraumes, gekühlt werden. Die Kühlung erfolgt derart, dass die Temperaturen an der inneren Oberfläche der Umfassungswände vorzugsweise auf Werte eingestellt werden, die 1 bis 50 K unterhalb der Taupunkttemperatur im Gasraum liegen, wodurch die Wände permanent feucht gehalten und dauerhafte Ablagerungen von Nebenbestandteilen vermieden werden. Aus energetischen Gründen bietet es sich an, hinter den Umfassungswänden Sattdampf mit einem Druck von 5 bis 10 bar (abs.) zu erzeugen. Die Effizienz des Verfahrens wird außerdem erhöht, wenn Heißwasser eingedüst wird, dessen Temperatur im Bereich von ± 50 K um den Siedepunkt bei Vergasungsdruck liegt. Durch Eindüsung derart vorgewärmten Wassers werden lokale Unterkühlungen vermieden, die zur Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit der Konvertierungsreaktion führen würden. Es ist auch denkbar, Wasser, das über die Siedetemperatur hinaus erhitzt wurde, einzudösen. Überhitztes Wasser vermischt sich bei der Druckzerstäubung durch Spontanverdampfung noch schneller mit den Rohgasen im Gasraum, wodurch sich der Reaktionsumsatz weiter erhöht.

Eine besondere Ausgestaltung des Verfahrens betrifft die Verringerung des Abstandes zwischen der Oberfläche des Wasserbades und der Eintrittsmündung der Rohgase im Gasraum auf einen solchen Wert, dass es zur Spontanverdampfung an der Oberfläche des Wasserbades kommt und auf die Wassereindüsung zur Nachkühlung gänzlich verzichtet werden kann. Die Rohgasaustrittstemperatur kann dann mittels des Höhenstandes des Wasserbades geregelt werden.

Die konvertierten Rohgase werden vorzugsweise am unteren Ende des Gasraumes abgezogen. Sie werden vorteilhaft einem indirekten Wärmetauscher zugeführt, in dem Mitteldruckdampf erzeugt wird. Alternativ ist auch die anschließende Quenchung mit Wasser bis zum Taupunkt möglich.

Gemäß der Erfindung ist es erstmals möglich, die gewünschten Konvertierungsumsätze mit geringstem apparativen Aufwand im Quenchraum von Flugstromvergasern zu erreichen. Besonders hervorzuheben ist die Erhöhung des Kaltgaswirkungsgrades. Die Effizienz des Vergasungsverfahrens und des gesamten Anlagenverbundes von Synthesegas- oder Kraftwerksanlagen wird erhöht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen bei der Flugstromvergasung gelöst, die eine einem Flugstromvergaser nachgeschaltete Quencheinrichtung mit einem Rohgaseintritt zur abwärts gerichteten Einströmung heißer Rohgase des Flugstromvergasers und einen Gasabgang für konvertierte Rohgase umfasst, wobei Umfassungswände einen Quenchraum umgeben, der aus einem die abwärtsgerichtete Einströmung der heißen Rohgase umschließenden Gasraum und einem Wasserbad besteht, wobei mindestens in einer Ebene des Gasraumes Düsen zur Einleitung von Quenchwasser in den Gasraum hineinreichen und die Düsen so ausgestaltet und ausgerichtet sind,

  • – dass Quenchwasser nur in den Gasraum eingedüst wird, der die nach unten gerichtete Strömung der aus dem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase umschließt, so dass die oberhalb der Wasseroberfläche nach oben umgelenkten Rohgase befeuchtet und gekühlt werden, bevor sie sich in die nach unten gerichtete Strömung einmischen,
  • – dass die Umfassungswände des Quenchraumes, mindestens jedoch die Umfassungswände des Gasraumes so gekühlt werden, dass die Temperatur an der inneren Oberfläche 1 bis 50 K unterhalb der Taupunkttemperatur des Gasraumes liegt,
  • – und dass der Quenchraum so bemessen ist, dass die mittlere Verweilzeit des Rohgases im Quenchraum 2 bis 10 s beträgt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im unteren Bereich der abwärtsgerichteten Einströmung der Rohgase ein, das Wasserbad überragender Gasabgang für konvertierte Rohgase angeordnet, der eine Umlenkhaube aufweist.

Anhand 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine einem Flugstromvergaser nachgeschaltete Quencheinrichtung mit einem Rohgaseintritt (2) zur abwärts gerichteten Einströmung (9) heißer Rohgase (1) des Flugstromvergasers. Der Quenchraum (4) besteht aus dem Gasraum (5), dem Wasserbad (6) und wird durch Umfassungswände (7) eingegrenzt. Die Umfassungswände (7) des Quenchraumes (4) werden von dem Wassermantel (18) umgeben, in dem Sattdampf (19) bei einem Druck von 10 bar erzeugt wird. Die konvertierten Rohgase (10) werden über den Gasabgang (20) abgezogen. Der Gasabgang (20) ist mit der Umlenkhaube (21) zum Schutz vor Mitriss von Spritzwasser versehen. Das Unterteil des Quenchraumes ist als Wasserbad (6) ausgebildet. In den Gasraum (5) reichen in mehreren Ebenen Düsen (14, 15, 16) zur Einleitung von Quenchwasser ein. Die Düsen (14) und (15) sind dabei aufwärts gerichtet. Die Düsen (16) im Oberteil des Gasraumes sind in Richtung des Rohgaseintrittes (2) ausgerichtet.

Die in 1 dargestellte Quencheinrichtung wird wie folgt befahren:

Die Rohgase (1) der Flugstromvergasung von Braunkohlenstaub werden von oben mittels des Rohgaseintrittes (2), die die Rohgaseintrittsmündung (3) aufweist, in den Quenchraum (4) eingedüst, der aus dem Gasraum (5), dem Wasserbad (6) und den Umfassungswänden (7) besteht. Die untere Begrenzung des Gasraumes (5) wird durch die Wasseroberfläche (8) des Wasserbades (6) gebildet. Die Rohgase (1) treten mit einer Temperatur von 1.450°C und einem Druck von 30 bar in den Quenchraum (4) ein. Der CO-Gehalt der Rohgase (1) beträgt 52,8 Vol.-% (feucht). Als Nebenbestandteile werden flüssige Schlacke, etwas Restkoks-Feinstaub und als flüchtige Alkaliverbindungen Chloride und Hydroxide von Natrium und Kalium mitgeführt. Die Rohgase (1) werden in der zentralen Zone der Abwärtsströmung (9) nach unten geleitet. Dabei findet die Konvertierungsreaktion statt und es bilden sich konvertierte Rohgase (10). Die konvertierten Rohgase (10) werden an der Wasseroberfläche (8) des Wasserbades (6) umgelenkt, wobei ein Teil der mit den konvertierten Rohgasen (10) mitgeführten Nebenbestandteile im Wasserbad (6) abgeschieden werden und wobei sie Wasserdampf aufnehmen. Die konvertierten Rohgase (10) werden anschließend in der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung (11) nach oben geleitet und mittels des eingedüsten Wassers (12) befeuchtet. Während der Aufwärtsströmung mischen sich die befeuchteten, konvertierten Rohgase (13) mit zunehmender Höhe zunehmend in die abwärts strömenden Rohgase (1) ein. Die Einmischung ist in der 1 mit Hilfe von Pfeilen angedeutet. Der Volumenstrom der aufwärts strömenden, befeuchteten konvertierten Rohgase (13) beträgt ein Mehrfaches des Volumenstromes der eintretenden Rohgase (1). Das Wasser (12) wird mittels drei Düsenebenen (14), (15) und (16), die aus jeweils sechs gleichmäßig über den Umfang angeordneten Zerstäuberdüsen (17) bestehen, eingedüst. Die erste Düsenebene (14) befindet sich kurz oberhalb der Wasseroberfläche (8), die zweite Düsenebene (15) in der Mitte des Gasraumes (5) und die dritte Düsenebene (16) am oberen Ende des Gasraumes (5). Die erste Düsenebene (14) und die zweite Düsenebene (15) sprühen nach oben und die dritte Düsenebene (16) nach innen. Pro Düsenebene (14), (15) und (16) werden, gleichmäßig verteilt über alle sechs Zerstäuberdüsen (17), 0,166 kg Wasser (12) pro kg feuchte Rohgase (1) mit einer Temperatur von 200°C eingedüst. Die insgesamt eingedüste Wassermenge beträgt 0,5 kg/kg (Rohgas, feucht). Die Rohgase (1) kühlen während der Abwärtsströmung bis zum Erreichen der Wasseroberfläche (8) auf 700°C ab, wobei sich eine Approachtemperatur für die Konvertierungsreaktion von 100 K einstellt. Dem entsprechend werden 44% des mit den Rohgasen (1) eingebrachten Kohlenmonoxid CO mittels Wasserdampf H2O zu Kohlendioxid CO2 und Wasserstoff H2 umgewandelt. Die den Gasraum (5) verlassenden konvertierten Rohgase (10) weisen eine CO-Gehalt von nur noch 18 Vol.-% (feucht) auf. Der hohe Reaktionsumsatz ist der Führung der Strömung und der Wirkung katalytisch aktivierter Nebenbestandteile zu verdanken, bei dem die mit den Rohgasen mitgeführten Nebenbestandteile mittels dieser Rohgase während der Abkühlung in der zentralen Zone der Abwärtsströmung und während der Befeuchtung in der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung bei gleichzeitiger Anreicherung der im Gasraum in der Schwebe gehaltenen festen und kondensierbaren Nebenbestandteile mit den Rohgasen katalytisch aktiviert werden.

1
Rohgase
2
Rohgaseintritt
3
Quenchraum
4
Rohgaseintrittsmündung
5
Gasraum
6
Wasserbad
7
Umfassungswände
8
Wasseroberfläche
9
Zentrale Zone der Abwärtsströmung
10
Konvertierte Rohgase
11
Ringförmige Zone der Aufwärtsströmung
12
Wasser
13
Befeuchtete, konvertierte Rohgase
14
Düsenebene
15
Düsenebene
16
Düsenebene
17
Zerstäuberdüse
18
Wassermantel
19
Sattdampf
20
Gasabgang
21
Umlenkhaube


Anspruch[de]
Verfahren zur Konvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen unter Druck, wobei die aus einem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase in einer nach unten gerichteten Strömung in einen Quenchraum eingedüst werden, dessen Oberteil als Gasraum und dessen Unterteil als Wasserbad ausgebildet ist, wobei die untere Begrenzung des Gasraumes durch die Wasseroberfläche des Wasserbades gebildet wird, wobei Quenchwasser eingedüst wird und die Rohgase abgekühlt werden und wobei die Rohgase oberhalb des Wasserbades aus dem Gasraum abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet,

– dass Wasser nur in den Gasraum eingedüst wird, der die nach unten gerichtete Strömung der aus dem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase umschließt, so dass die oberhalb der Wasseroberfläche nach oben umgelenkten Rohgase befeuchtet und gekühlt werden, bevor sie sich in die nach unten gerichtete Strömung einmischen,

– dass die mit den Rohgasen mitgeführten Nebenbestandteile mittels dieser Rohgase während der Abkühlung in der zentralen Zone der Abwärtsströmung und während der Befeuchtung und Kühlung in der ringförmigen Zone der Aufwärtsströmung bei gleichzeitiger Anreicherung der im Gasraum in der Schwebe gehaltenen festen und kondensierbaren Nebenbestandteile mit den Rohgasen katalytisch aktiviert werden, und

– dass die Umfassungswände des Quenchraumes, mindestens jedoch die Umfassungswände des Gasraumes so gekühlt werden, dass die Temperatur an der inneren Oberfläche 1 bis 50 K unterhalb der Taupunkttemperatur der Gase des Gasraumes liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in mindestens einer Ebene oder in mehreren, über die Höhe des Gasraumes verteilten Ebenen eingedüst wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Heißwasser eingedüst wird, dessen Temperatur mindestens 50 K unterhalb des Siedepunktes und höchstens bei der Siedetemperatur bei Vergasungsdruck liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Heißwasser eingedüst wird, dessen Temperatur höchstens 50 K oberhalb der Siedetemperatur bei Vergasungsdruck liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfassungswände des Quenchraumes indirekt gekühlt werden. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung Sattdampf mit einem Druck von 5 bis 10 bar (abs.) verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gasraum so viel Wasser eingedüst wird, dass die den Gasraum verlassenden Rohgase Temperaturen im Bereich von 300 bis 600°C aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gasraum so viel Wasser eingedüst wird, dass die den Gasraum verlassenden Rohgase Temperaturen im Bereich von 600 bis 900°C aufweisen und vorgegebene Werte für den Umsatz der Konvertierungsreaktion eingestellt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Oberfläche des Wasserbades und der Eintrittsmündung der Rohgase im Gasraum so weit verringert wird, dass die im Wasserbad verdampfte Wassermenge mindestens teilweise die Funktion des eingedüsten Wassers übernimmt und die Menge des eingedüsten Wassers entsprechend verringert wird. Vorrichtung zur Konvertierung von Rohgasen bei der Flugstromvergasung, bestehend aus einer einem Flugstromvergaser nachgeschalteten Quencheinrichtung mit einem Rohgaseintritt zur abwärts gerichteten Einströmung heißer Rohgase des Flugstromvergasers und einen Gasabgang für konvertierte Rohgase, wobei Umfassungswände einen Quenchraum umgeben, der aus einem die abwärtsgerichtete Einströmung der heißen Rohgase umschließenden Gasraum und einem Wasserbad besteht, dadurch gekennzeichnet,

– dass mindestens in einer Ebene des Gasraumes Düsen zur Einleitung von Quenchwasser in den Gasraum hineinreichen und die Düsen so ausgestaltet und ausgerichtet sind,

– dass Quenchwasser nur in den Gasraum eingedüst wird, der die nach unten gerichtete Strömung der aus dem Flugstromvergaser abgezogenen heißen Rohgase umschließt, so dass die oberhalb der Wasseroberfläche nach oben umgelenkten Rohgase befeuchtet und gekühlt werden, bevor sie sich in die nach unten gerichtete Strömung einmischen, und

– dass die Umfassungswände des Quenchraumes, mindestens jedoch die Umfassungswände des Gasraumes so kühlbar sind, dass die Temperatur an der inneren Oberfläche 1 bis 50 K unterhalb der Taupunkttemperatur der Gase des Gasraumes liegt und dass der Quenchraum so bemessen ist, dass die mittlere Verweilzeit des Rohgases im Quenchraum 2 bis 10 s beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich der abwärtsgerichteten Einströmung der Rohgase ein, das Wasserbad überragender Gasabgang für konvertierte Rohgase angeordnet ist, der eine Umlenkhaube aufweist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com