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DE3031680A1 - Verfahren zur gaserzeugung - Google Patents

Verfahren zur gaserzeugung

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DE3031680A1
DE3031680A1 DE19803031680 DE3031680A DE3031680A1 DE 3031680 A1 DE3031680 A1 DE 3031680A1 DE 19803031680 DE19803031680 DE 19803031680 DE 3031680 A DE3031680 A DE 3031680A DE 3031680 A1 DE3031680 A1 DE 3031680A1
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Ludwig von Prof. Dr.-Ing. 4200 Oberhausen Bogdandy
Karl Dr.-Ing. 8458 Sulzbach-Rosenberg Brotzmann
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Kloeckner CRA Patent GmbH
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Kloeckner Werke AG
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Description

3G31S80
KLÖCKNER-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT
Klöcknerstraße 29, 41 Duisburg 1
Verfahren zur Gaserzeugung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gaserzeugung aus kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Brennstoffen in fester, gemahlener oder flüssiger Form in einem Eisenbadreaktor.
Die kontinuierliche Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor mit einer Schlackenschicht zu einem im wesentlichen aus CO und Hg bestehenden Gas, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel unterhalb der Oberfläche des Eisenbades durch eine oder mehrere Düsen eingeleitet werden, ist nach der deutschen Auslegeschrift 25 20 883 bekannt« Bei diesem Verfahren wird die Kohle oder der kohlenstoffhaltige Brennstoff und Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase, letztere von Kohlenwasserstoffen ummantelt, in das Eisenbad eingeführt. Weiterhin gehört ein Verfahren zur Zuführung von Wärme beim Kohlevergasungsprozeß nach dem deutschen Patent 25 20 868 zum Stand der Technik. Gemäß dieser Erfindung wird dem Eisenbad zusätzlich energiereiche Kohle, ungebundener Kohlenstoff, Aluminium, Silizium, Calziumkarbid oder Mischungen, gegebenenfalls unabhängig von der Vergasungskohle, im Eisenbadreaktor zugeführt.
Den genannten Verfahren ist gemeinsam, die Reaktionspartner Brennstoff und Sauerstoff, gegebenenfalls mit zusätzlichen Wärmeträgern, deren Oxidationsreaktion stark exotherm verläuft, dem Eisenbad zuzuführen, d.h. unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze einzublasen. Der Vergasungsprozeß, bei dem ein aus CO und H2 bestehendes Gas erzeugt wird, verläuft entsprechend der Wärmebilanz der zugeführten Reaktionspartner autotherm ohne Einbringen von zusätzlicher Energie. Den Erfindungen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß alle Maßnahmen, dem Eisenbadreaktor Energie von außen zuzuführen, sich in der Praxis aufgrund der hohen Reaktionsdichte bzw. Reaktionsgeschwindigkeit beim Umsatz von Kohle und Sauerstoff
ORIGINAL INSPECTED
im Eisenbad als vollkommen unwirksam erwiesen haben. Demgemäß ist es mit den bekannten Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen im Eisenbad bislang nicht möglich, in wirtschaftlicher Weise, ohne Zusatz von energiereichen Brennstoffen, Kohlesorten mit geringem Heizwert zu vergasen oder preiswert zur Verfügung stehende oxidierende Gase, wie beispielsweise Luft, zu verwenden.
Die deutsche Auslegeschrift 27 55 165 und die deutsche Offenlegungsschrift 28 38 983 befassen sich mit Verfahren, die Wärmebilanz und die Wärmezufuhr bei der Stahlerzeugung in einem Konverter zu verbessern. Das wesentliche Merkmal dieser Erfindungen besteht darin, Sauerstoff unterhalb und oberhalb der Badoberfläche einer Schmelze im Konverter zuzuführen. Diese Verfahren zeigen einen Weg, den wärmetechnischen Wirkungsgrad von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei der Stahlerzeugung mit der Zielsetzung zu verbessern, höhere Schrottsätze einzuschmelzen. Die Verfahren sind jedoch in Hinblick auf die Kohlevergasung mit der Einschränkung behaftet, daß lediglich Sauerstoff als Oxidationsmittel zur Anwendung kommt.
fr
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es in wirtschaftlicher Weise möglich ist, aus kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Brennstoffen in fester, gemahlener oder flüssiger Form in einem Eisenbadreaktor ein brennbares Gas zu erzeugen und die Nachteile der bekannten Verfahren, insbesondere die Zugabe von Stoffen mit stark exothermer Oxidationsreaktion zum Ausgleich der Wärmebilanz des Vergasungsprozesses, zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die in der Eisenschmelze des Reaktors erzeugten Gase durch auf die Badoberfläche geblasenen Sauerstoff oder sauerstoffenthaltende
ORlQiMAL INSPECTED
O C '"i Ί ^ O Π
3 L- ο ι ο ο U
Medien (z.B. Luft) im Reaktorraum oberhalb der Schmelze angesaugt und teilweise verbrannt werden und die dabei entstehende Wärme an die Eisenschmelze übertragen wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung macht sich die überraschende Erkenntnis zunutze, daß beim Einleiten der Reaktionspartner Brennstoff und Sauerstoff, auch in Form säuerstoffenthaltender Medien (Luft), in die Schmelze eines Eisenbadreaktors und bei gleichzeitigem Aufblasen oxidierend wirkender Gase (Sauerstoff, Luft) auf die Badoberfläche es möglich wird, die Wärmebilanz in einem Eisenbadreaktor wesentlich zu verbessern. Offenbar wird ein Teil der im Eisenbad erzeugten Gase durch die als Freistrahl auf die Badoberflache geblasene Luft oder Sauerstoff nachverbrannt und die dabei entstehende Wärme an die Eisenschmelze zurückgeführt.
Eine Möglichkeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, Luft als sauerstoffhaltiges Gas zu verwenden. Luft steht normalerweise kostengünstig zur Verfügung und kann mit einfachen Mitteln auf den erforderlichen Arbeitsdruck komprimiert werden. Es liegt im Sinne der Erfindung, die Luft vorzuheizen, um somit in vorteilhafter Weise weitere Wärme dem Vergasungsprozeß zuzuführen. Begrenzungen für die Vorheiztemperatur bestehen normalerweise nicht. Jedoch hat sich in der Praxis eine Temperatur von 300 bis 400°C als zweckmäßig erwiesen. Bis zu dieser Temperatur können übliche Rohrleitungssysteme und Absperrorgane verwendet werden, auch die Wärmeisolierung der Zuführungssysteme ist einfach.
Selbstverständlich eignen sich als Sauerstoffträger bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auch Sauerstoff selbst und andere sauerstoffenthaltende Medien. Es können beispielsweise mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Mischungen aus Sauerstoff und Inertgas, ζ. Β. Argon, eingesetzt werden. In welchem Umfang Luft durch sauerstoffreichere Gase ersetzt wird, hängt in erster Linie von wirtschaftlichen Überlegungen ab.
ORIGINAL INSPECTED
Gemäß der Erfindung wird der kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoff enthaltende Brennstoff in fester, gemahlener oder flüssiger Form unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze des Eisenbadreaktors eingeblasen. Zum Transport der festen, pulverisierten Brennstoffe verwendet man Trägergase, wie beispielsweise Luft, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Erdgas, Inertgase, z.B. Argon, oder beliebige Mischungen der genannten Gase.
Der Sauerstoff, häufig in Form von sauerstoffenthaltenden Gasen, wie Luft, zur Oxidation der Brennstoffe wird in beliebigem Mengenverhältnis unterhalb der Badoberfläche und gleichzeitig auf die Badoberfläche der Eisenschmelze im Reaktorgefäß geleitet. Unterhalb der Badoberfläche wendet man die bekannten Düsensysteme, beispielsweise aus mehreren konzentrischen Rohren, zum Einleiten des Brennstoffs und des oxidierenden Gases an. Das Aufblasen der oxidierenden Gase erfolgt aus größerem Abstand auf die Badoberfläche, vorzugsweise ungefähr auf das Zentrum der Badoberfläche. Die auf die Badoberfläche gerichteten Gasstrahlen sollen eine hinreichend lange Laufstrecke im freien Gasraum des Eisenbadreaktors aufweisen. Normalerweise ist ein Mindestabstand zwischen·den Öffnungen der Gaszuführungsvorrxchtung und der ruhenden Badoberfläche von 2 m einzuhalten. Als Zuführungssystem für die oxidierenden Gase oberhalb der Badoberfläche haben sich insbesondere Düsen in der feuerfesten Ausmauerung im oberen Bereich des Eisenbadreaktors bewährt. Diese Düsen können, hauptsächlich beim Aufblasen von Luft, aus einem einfachen Rohr oder wie z.B. beim Einsatz von Sauerstoff, aus zwei konzentrischen Rohren bestehen. Bei der zweiten Ausführungsform strömt das oxidierende Gas durch das Zentralrohr, und zum Schutz der Düsen wird im Ringspalt Stickstoff, CO, Inertgase, wie Argon, oder Kohlenwasserstoffe in geringen Mengen (0.1 bis 5 %i bezogen auf das oxidierende Gas) eingeleitet. Es können aber auch wassergekühlte Lanzen oberhalb der Eisenbadoberfläche eingesetzt werden. Die Lanzen können in den Reaktorraum hineinragen, wobei der Abstand zwischen Lanzenöffnung und ruhender Eisenbadoberfläche mindestens I.50 m betragen sollte.
Gemäß der Erfindung kann das Verhältnis von auf und in die Schmelze geleitetem, oxidierendem Gas beliebig gewählt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mindestens 10 % des Sauerstoffs in Form von Sauerstoff oder von sauerstoffenthaltendem Gas, beispielsweise Luft, auf die Eisenbadoberfläche zu blasen sind, um die Vorteile der Erfindung hinsichtlich des Wärmehaushalts zu nutzen. Dieser Anteil des aufgeblasenen oxidierenden Gases kann bis zu 1OQ % gesteigert werden. Es hat sich unerwarteterweise gezeigt, daß der Sauerstoff zur Oxidation des Brennstoffs im Eisenbad auch ohne Nachteile auf das Bad geblasen werden kann. Bei der üblichen Betriebsweise des Eisenbadreaktors gemäß der Erfindung führt man jedoch nur ca. 40 bis 90 % des oxidierenden Gases der Badoberfläche zu. Den von oben zugeführten Teil des Oxidationsmittels hält man schon aus wirtschaftlichen Gründen möglichst hoch, weil dieser Anteil an der Gesamtgasmenge im allgemeinen mit einem niedrigeren Druck im Vergleich zu den Bodendüsen eingeblasen wird.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, im Eisenbadreaktor ein weitgehend schwefelfreies Gas zur Verbrennung in Kessel- und Heizungsanlagen, beispielsweise für die Stromerzeugung, aus schwefelhaltigen Brennstoffen herzustellen. Der Schwefel wird dabei von einer CaO-haltigen Schlacke im Eisenbadreaktor aufgenommen. Die erforderlichen Schlackenbildner, insbesondere CaO, werden bevorzugt in pulverisierter Form den sauerstoffhaltxgen Gasen, die man unterhalb der Badoberfläche in das Eisenbad einführt, aufgeladen. Das Zumischen der Schlackenbildner zu den Brennstoffen oder ein getrenntes Einleiten von CaO mit einem Trägergas, liegt ebenfalls im Sinne der Erfindung. Die gebildete Schlacke, einschließlich der darin angereicherten Aschebestandteile der Brennstoffe, kann portionsweise aus dem Eisenbadreaktor entfernt werden oder zur Verbesserung der Wärmebilanz gemäß des deutschen Patentes 25 20 584 im flüssigen Zustand entschwefelt und weitgehend dem Eisenbadreaktor wieder flüssig zugeführt werden.
ORIGINAL INSPECTED
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat beispielsweise, abhängig vom eingesetzten Brennstoff, Produktionsgase der nachfolgend genannten Zusammensetzung ergeben. Für das Vergasen von 1 t Koks mit ca. 10 % Asche und einem Schwefelgehalt von 1 % werden ca. 2400 m Luft mit einer Vorwärmtemperatur von 3OO°C unterhalb der Badoberfläche in das Eisenbad geleitet und gleichzeitig 2400 ta? Luft mit gleicher Vorheiztemperatur auf das Bad geblasen. Die Eisenschmelze hat eine Temperatur von ca. l400 C und einen Kohlenstoffgehalt von ca. 2 %. Pro Tonne Koks sind 5500 ra Gas, bestehend aus ca. 25 % CO, ca. 6 % CO2, ca. 69 % N21 ca. 0.002 % Schwefel, mit einer Temperatur von l400°C entstanden. Das Gas hatte einen Staubanteil von ca. 2 g/m^ und ließ sich direkt in einer Kesselanlage verfeuern.
Beim Vergasen einer Gasflammkohle mit 78 % C, 5 % H, 7 % 0, 5 % Asche, entstand ein Gas folgender Zusammensetzung: 19-0 % CO, 4.8 % H_, 4.6 % C0o, 66.5 % N2.
Eine energiearme, getrocknete Braunkohle mit 64.0 Gew-% C, 4.9 Gew-% H, 23.6 Gew-% 0, 5.9 Gew-% Asche, 0.4 Gew-% Schwefel und einem Heizwert Hu von 568O kcal, die mit Luft von 300 C nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Eisenbadreaktor vergast wird, ergibt ein Gas mit 21.4 Vol-% CO, 6.2 Vol-% H2, 5.4 Vol-% CO2, 6..2 Vol-% H2O, 6O.7 Vol-% N2, 20 ppm Schwefel und einem Heizwert von 8O6 kcal/m3. Zur Entschwefelung werden, ca. 9 kg CaO/ t Kohle dem Eisenbadreaktor zugeführt.
Die Anwendung von Sauerstoff gemäß der Erfindung, erweist sich immer dann als vorteilhaft, wenn die Forderung nach einem energiereichen Gas mit geringem N2-Gehalt im Vordergrund steht oder wenn besonders energiearme Brennstoffe für die Vergasung im Eisenbadreaktor herangezogen werden. Welche Sauerstoffträgergase oder ob reiner Sauerstoff bei der Vergasung im Eisenbadreaktor
zum Einsatz kommen, ist in erster Linie nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten und in Hinblick auf die Anwendung der erzeugten Gase zu entscheiden. Es ergeben sich keine verfahrenstechnischen Probleme beim Vergasen und beim Ausgleich der Energiebilanz des Prozesses durch die teilweise Verbrennung der erzeugten Gase im Gasraum des Reaktors und beim Einsatz unterschiedlicher säuerstoffhaltiger Medien, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Claims (4)

-jf - J y J ü ö d U Patentansprüche
1) Verfahren zur Gaserzeugung aus kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoff enthaltenden Brennstoffen in fester, gemahlener oder flüssiger Form in einem Eisenbadreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Eisenschmelze des Reaktors erzeugten Gase durch auf die Badoberfläche geblasenen Sauerstoff oder sauerstoffenthaltende Medien (z.B. Luft) ira Reaktorrautn oberhalb der Schmelze angesaugt und teilweise verbrannt werden und daß dabei entstehende Wärme an die Eisenschmelze übertragen wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Gaserzeugung und die teilweise Verbrennung der Gase im Reaktorraum erforderliche Sauerstoff, .in Form von Sauerstoff oder eines oxidierend wirkenden Mediums (z.B. Luft), unterhalb der Badoberfläche in das Eisenbad und gleichzeitig auf das Eisenbad als auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen, zugeführt wird.
3) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des auf die Eisenbadoberfläche geblasenen Sauerstoffs auch in Form sauerstoffenthaltender Medien, mindestens 10 % der Gesamtgasmenge beträgt.
4) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffenthaltenden Medien (z.B. Luft) vorgeheizt werden.
ORIGINAL INSPECTED
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