DE3031680C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Gegenstand der Patentansprüche.

Die kontinuierliche Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor mit einer Schlackenschicht zu einem im wesentlichen aus CO und H₂ bestehenden Gas, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel unterhalb der Oberfläche des Ei­ senbades 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 Kohlen­ wasserstoffen ummantelt, in das Eisenbad eingeführt. Weiterhin ge­ hört ein Verfahren zur Zuführung von Wärme beim Kohlenvergasungs­ prozeß nach dem deutschen Patent 25 20 868 zum Stand der Technik. Gemäß dieser Erfindung wird dem Eisenbad zusätzlich energiereiche Kohle, ungebundener Kohlenstoff, Aluminium, Silizium, Kalziumkar­ bid oder Mischungen, gegebenenfalls unabhängig von der Verga­ sungskohle, im Eisenbadreaktor zugeführt.

Den genannten Verfahren ist gemeinsam, die Reaktionspartner Brenn­ stoff und Sauerstoff, gegebenenfalls mit zusätzlichen Wärmeträ­ gern, deren Oxidationsreaktion stark exotherm verläuft, dem Ei­ senbad zuzuführen, d. h. unterhalb der Badoberfläche in die Schmel­ ze einzublasen. Der Vergasungsprozeß, bei dem ein aus CO und H₂ bestehendes Gas erzeugt wird, verläuft entsprechend der Wärmebi­ lanz der zugeführten Reaktionspartner autotherm ohne Einbringen von zusätzlicher Energie. Den Erfindungen liegt die Erkenntnis zu­ grunde, 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 im Eisenbad als vollkommen unwirksam erwiesen haben. Demgemäß ist es mit den bekannten Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhal­ tigen Brennstoffen im Eisenbad bislang nicht möglich, in wirt­ schaftlicher Weise, ohne Zusatz von energiereichen Brennstoffen, Kohlesorten mit geringem Heizwert zu vergasen oder preiswert zur Verfügung stehende oxidierende Gase, wie beispielsweise Luft, zu verwenden.

In der DE-PS 4 74 594 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Erhöhung der Temperatur der Konverterabgase der Gebläseluft zusätzlich kohlenstoff- und wasserstoffhaltige Brennstoffe und gleichzeitig Sauerstoff zugeführt wird. Es wird jedoch allgemein angestrebt, die Zufuhr zusätzlicher Energiequellen zu vermeiden.

In der DE-PS 4 50 460, der DE-AS 10 40 743 und der DE-OS 24 43 740 werden ebenfalls Verfahren zur Gaserzeugung beschrieben. Eine zusätzliche Zufuhr von Wärme zum Eisen­ bad, um eine günstige Energiebilanz zu erreichen, wird dabei aber nicht angestrebt.

Die deutsche Auslegeschrift 27 55 165 und die deutsche Offenle­ gungsschrift 28 38 983 befassen sich mit Verfahren, die Wärmebi­ lanz und die Wärmezufuhr bei der Stahlerzeugung in einem Konver­ ter zu verbessern. Das wesentliche Merkmal dieser Erfindungen besteht darin, Sauerstoff unterhalb und oberhalb der Badoberflä­ che einer Schmelze im Konverter zuzuführen. Diese Verfahren zei­ gen einen Weg, den wärmetechnischen Wirkungsgrad von kohlenstoff­ haltigen Brennstoffen bei der Stahlerzeugung mit der Zielsetzung zu verbessern, höhere Schrottsätze einzuschmelzen. Die Verfahren sind jedoch in Hinblick auf die Kohlevergasung mit der Einschrän­ kung behaftet, daß lediglich Sauerstoff als Oxidationsmittel zur Anwendung kommt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es in wirtschaftlicher Weise möglich ist, in einem Eisenbadreaktor durch Zufuhr von kohlenstoffhaltigen, festen oder flüssigen Brennstoffen und Sauerstoff enthaltenden Gasen ein brennbares Gas zu erzeugen, das sich im Gasraum oberhalb der Badoberfläche des Eisenbadreaktors sammelt und von dort abgeleitet wird und die Nachteile der bekannten Verfahren, insbesondere die Zugabe von Stoffen mit stark exothermer Oxidations­ reaktion zum Ausgleich der Wärmebilanz des Vergasungs­ prozesses, zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch den Gasraum und auf die Badoberfläche ein zumindest teilweise aus Sauerstoff bestehender Gasstrahl geblasen wird, der beim Durchlaufen des Gasraumes die erzeugten Gase ansaugt, teilweise verbrennt und so zur Badoberfläche mitreißt, daß die bei der Verbrennung der erzeugten Gase entstehende Wärme an das Eisenbad über­ tragen wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung macht sich die überraschende Erkenntnis zunutze, daß beim Einleiten der Reaktionspartner Brenn­ stoff und Sauerstoff, auch in Form sauerstoffenthaltender Gase (Luft), in die Schmelze eines Eisenbadreaktors und bei gleichzei­ tigem Aufblasen oxidierend wirkender Gase (Sauerstoff, Luft) auf die Badoberfläche es möglich wird, die Wärmebilanz in einem Eisen­ badreaktor wesentlich zu verbessern. Offenbar wird ein Teil der im Eisenbad erzeugten Gase durch die als Freistrahl auf die Bad­ oberfläche 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 zuzu­ führen. Begrenzungen für die Vorheiztemperatur bestehen normaler­ weise 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 An­ wendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auch Sauerstoff selbst und andere sauerstoffenthaltenden Gase. Es können beispielsweise mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Mischungen aus Sauerstoff und Inertgas, z. B. Argon, eingesetzt werden. In welchem Umfang Luft durch sauerstoffreichere Gase ersetzt wird, hängt in erster Linie von wirtschaftlichen Überlegungen ab.

Gemäß der Erfindung werden die kohlenstoffhaltigen, festen oder flüssigen Brennstoffe und Sauerstoff enthaltenden Gase unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze des Eisenbadreaktors eingeblasen. Zum Transport der genannten Brennstoffe verwendet man Trägergase, wie bei­ spielsweise Luft, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Erdgas, Inertgas, 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 Mengen­ verhältnis unterhalb der Badoberfläche und gleichzeitig auf die Badoberfläche der Eisenschmelze im Reaktorgefäß geleitet. Unter­ halb der Badoberfläche wendet man die bekannten Düsensysteme, bei­ spielsweise aus mehreren konzentrischen Rohren, zum Einleiten des Brennstoffs und des oxidierenden Gases an. Das Aufblasen der oxi­ dierenden 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 aufwei­ sen. Normalerweise ist ein Mindestabstand zwischen den Öffnungen der Gaszuführungsvorrichtung 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 be­ währt. 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 Ausfüh­ rungsform 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%, 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 min­ destens 1,50 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, bei­ spielsweise 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 100% gesteigert werden. Es hat sich unerwarteterweise gezeigt, daß der Sauerstoff zur Oxidation des Brennstoffs im Ei­ senbad auch ohne Nachteile auf das Bad geblasen werden kann. Bei der üblichen Betriebsweise des Eisenbadreaktors gemäß der Erfin­ dung führt man jedoch nur ca. 40 bis 90% des oxidierenden Gases der Badoberfläche zu. Den von oben zugeführten Teil des Oxida­ tionsmittels hält man schon aus wirtschaftlichen Gründen mög­ lichst hoch, weil dieser Anteil an der Gesamtgasmenge im all­ gemeinen mit einem niedrigeren Druck im Vergleich zu den Boden­ düsen eingeblasen wird.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, im Eisenbadreaktor ein weitgehend schwefelfreies Gas zur Verbrennung in Kessel- und Heizungsanlagen, beispiels­ weise 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 pulveri­ sierter Form den sauerstoffhaltigen Gasen, die man unterhalb der Badoberfläche in das Eisenbad einführt, aufgeladen. Das Zumi­ schen der Schlackenbildner zu den Brennstoffen oder ein ge­ trenntes Einleiten von CaO mit einem Trägergas, liegt eben­ falls im Sinne der Erfindung. Die gebildete Schlacke, einschließ­ lich 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.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat beispiels­ weise, 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 m³ Luft mit einer Vorwärmtemperatur von 300°C un­ terhalb der Badoberfläche in das Eisenbad geleitet und gleichzei­ tig 2400 m³ Luft mit gleicher Vorheiztemperatur auf das Bad ge­ blasen. Die Eisenschmelze hat eine Temperatur von ca. 1400°C und einen Kohlenstoffgehalt von ca. 2%. Pro Tonne Koks sind 5500 m³ Gas, bestehend aus ca. 25% CO, ca. 6% CO₂, ca. 69% N₂, ca. 0,002% Schwefel, mit einer Temperatur von 1400°C entstanden. Das Gas hatte einen Staubanteil von ca. 2 g/m³ und ließ sich di­ rekt in einer Kesselanlage verfeuern.

Beim Vergasen einer Gasflammkohle mit 78% C, 5% H, 7% O, 5% Asche, entstand ein Gas folgender Zusammensetzung: 19,0% CO, 4,8% H₂, 4,6% CO₂, 66,5% N₂.

Eine energiearme, getrocknete Braunkohle mit 64,0 Gew.-% C, 4,9 Gew.-% H, 23,6 Gew.-% O, 5,9 Gew.-% Asche, 0,4 Gew.-% Schwefel und einem Heizwert H _u von 5680 kcal, die mit Luft von 300°C nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Eisenbadreaktor vergast wird, er­ gibt ein Gas mit 21,4 Vol.-% CO, 6,2 Vol.-% H₂, 5,4 Vol.-% CO₂, 6,2 Vol.-% H₂O, 60,7 Vol.-% N₂, 20 ppm Schwefel und einem Heiz­ wert von 806 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 ener­ giereichen Gas mit geringem N₂-Gehalt im Vordergrund steht oder wenn besonders energiearme Brennstoffe für die Vergasung im Ei­ senbadreaktor 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 erzeug­ ten Gase zu entscheiden. Es ergeben sich keine verfahrenstechni­ schen Probleme beim Vergasen und beim Ausgleich der Energiebi­ lanz des Prozesses durch die teilweise Verbrennung der erzeug­ ten Gase im Gasraum des Reaktors und beim Einsatz unterschied­ licher sauerstoffhaltiger Medien, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Gaserzeugung in einem Eisenbadreaktor durch Zufuhr von kohlenstoffhaltigen, festen oder flüssigen Brennstoffen und Sauerstoff enthaltenden Gasen in das Eisenbad, wobei die erzeugten Gase sich im Gasraum oberhalb der Badoberfläche des Eisenbad­ reaktors sammeln und von dort abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Gasraum und auf die Badoberfläche ein zumindest teilweise aus Sauerstoff bestehender Gasstrahl geblasen wird, der beim Durchlaufen des Gasraumes die erzeugten Gase ansaugt, teilweise verbrennt und so zur Badoberfläche mitreißt, daß die bei der Verbrennung der erzeugten Gase entstehende Wärme an das Eisenbad übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Gaserzeugung und die teilweise Ver­ brennung der Gase im Reaktorraum erforderliche Sauer­ stoff, in Form von Sauerstoff oder eines Sauerstoff enthaltenden Gases, (z. B. Luft), unterhalb der Badober­ fläche in das Eisenbad und gleichzeitig auf das Eisen­ bad 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 Sauerstoff enthaltender Gase mindestens 10% der Gesamtgasmenge beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff enthaltenden Gase (z. B. Luft) vorgeheizt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohle Gasflammkohle eingesetzt wird.