DE3327743C2

DE3327743C2 - Verfahren zum Vergasen von Feinkohle

Info

Publication number: DE3327743C2
Application number: DE3327743A
Authority: DE
Inventors: Yukio Hitachi Hishinuma; Syuntaro Koyama; Tomohiko Takahagi Miyamoto; Yoshiki Noguchi; Jinichi Katsuta Tomuro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-08-25
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1986-05-22
Also published as: JPH0649874B2; US4531949A; DE3327743A1; JPS5936195A

Abstract

Ein Verfahren zum Vergasen von Kohle umfaßt das Liefern von Kohlestaub mit einer Teilchengröße von 100 μm oder weniger zu einem Oberteil eines Mitnahmestromvergasers, wobei die Vergasung bei 900 ° C oder darüber in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt wird, das Zuführen von Kohlestaub mit gröberen Teilchen und von Sauerstoff in einer Menge, die von der zur vollständigen Verbrennung von Kohle erforderlichen bis zur Hälfte dieser Menge geht, zu einem Unterteil des Vergasers, wobei die Vergasung am Schmelzpunkt von Kohleasche oder darüber ausgeführt wird, und das unmittelbare Leiten der am Unterteil des Vergasers erzeugten Gase zum Oberteil des Vergasers. Dieses Verfahren erfordert kein Rezirkulieren von Koks zum Vergaser und ergibt einen hohen Vergasungswirkungsgrad durch nur einmaliges Hindurchleiten des Kohlestaubs durch den Vergaser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen zerkleinerter Feinkohle in einem Flugstrom-Gasgenerator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die Vergasung von Feinkohle bzw. Kohlenstaub in einem sog. Flugstrom-Gasgenerator bei Temperaturen oberhalb des Ascheschmelzpunktes zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Verfahren durch hohe Vergasungsgeschwindigkeiten, einen praktisch vollständigen Teerabbau und durch einen problemlosen Austrag der schmelzflüssigen Schlacke aus dem Generator aus.

Aus der US-PS 41 68 956 ist ein Verfahren zum Vergasen von Feinkohle nach dem Flugstrom-Prinzip bekannt, bei dem in der unteren Verbrennungszone eine Teilmenge an Feinkohle zusammen mit Wasser oder Dampf und einem Sauerstoffträger eingeführt wird, wobei die eingeführten Mengen an Sauerstoff so auf die Kohlemengen abgestimmt sind, daß etwa stöchiometrische Verhältnisse vorliegen. Die Temperaturen dieser unteren Verbrennungszone liegen oberhalb des Ascheschmelzpunktes, damit die Asche schmelzflüssig abgezogen werden kann. In den oberen Teil des Reaktors wird eine Teilmenge an Feinkohle eingeführt, die von den aufsteigenden heißen Verbrennungsgasen bis auf über 900° C erwärmt und dabei vergast werden. Trotz des zweistufigen Ablaufes ist es jedoch auch bei Anwendung dieses Verfahrens nicht möglich, die gesamte eingetragene Feinkohle vollständig zu vergasen. Vielmehr besteht — wie bei anderen herkömmlichen Verfahren auch — die Notwendigkeit, die noch nicht vergasten Kohlepartikel aus dem heißen Gasstrom abzuscheiden und in den Reaktor zurückzuführen. Diese Abscheidung und Rückführung der unvergasten Kokspartikel erfordert einen erheblichen betriebstechnischen Aufwand und führt darüber hinaus auch zu Energieverlusten.

Aus der US-PS 41 58 552 ist ein anderes Verfahren zur Kohlevergasung in einem Flugstromvergaser bekannt, bei welchem durch Verbrennung von Koks ein Gasstrom von hoher Temperatur erzeugt wird, dem unmittelbar nach dem Verbrennungsvorgang weiterer Koks zugesetzt wird, welcher zuvor durch Verkokung erhalten wurde. In einen niedrigeren Temperaturbereich wird anschließend Frischkohle eingespeist, aus welcher die bei relativ niedrigen Temperaturen ausgetriebenen flüchtigen Bestandteile erhalten werden. Dieser niedrigere Temperaturbereich ergibt sich durch die endothermen Vergasungsreaktionen, die ein Abkühlen des Heizgasstromes zur Folge haben. Zwar lassen sich nach diesem Verfahren Brenngase von relativ hohem Energieinhalt

so erzielen, es fallen jedoch erhebliche Mengen an unvergastem Koks an, die aus dem Gasstrom abgeschieden und zumindest teilweise zurückgeführt werden.

In der DE-OS 29 09 657 ist ein Vergasungsverfahren für Feinkohle beschrieben, bei dem eine feinkörnige Kohlefraktion in einer gesonderten Brennkammer unter Sauerstoffzufuhr verbrannt wird und die erhaltenen heißen Verbrennungsgase in einen Vergasungsreaktor unterhalb einer in diesem ausgebildeten Reaktionszone eingeführt werden. Eine grobkörnige Kohlefraktion wird in diese Reaktionszone eingebracht, und zwar zum überwiegenden Teil in deren radial äußeren Bereich, der durch einen Kühlmantel von dem Zentralbereich der ein umlaufendes Wirbelbett bildenden Reaktionszone getrennt ist. Eine vollständige Vergasung der bei diesem Verfahren erst auf einem oberen Niveau in den Vergasungsbehälter eingebrachten grobkörnigen Kohlefraktion ist jedoch aufgrund der dafür notwendigen langen Reaktionszeiten nicht gewährleistet, so daß auch bei diesem bekannten mit umlaufenden Wirbelbett arbeitenden Verfahren der aus den Verbrennungsgasen abgeschiedene Koksanteil zurückgeführt werden muß.

Die bei den vorstehend angegebenen Verfahren notwendige Koksrückführung erfordert jedoch einen erheblichen apparativen Aufwand und verursacht Schwierigkeiten bei der gesamten Prozeßsteuerung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vergasen von Feinkohle in einem zweistufigen Flugstromvergaser aufzuzeigen, bei dem die Kohleteilchen bei nur einmaligem Durchlauf möglichst vollständig vergasl werden, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert und der technische Aufwand vermindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Vorteile erzielt, daß der bei der Verkokung erzeugte Teer vollständig zersetzt wird, daß die Wasserstoff- und Kohlenmonoxydmengen pro Gewichtseinheit an Feinkohle optimiert sind und daß die Vergasungsreaktionen mit hohen Geschwindigkeiten ablaufen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in der Zeichnung dargestellten Vergasungsanlage im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die bei der Verkokung einer Kohle anfallenden Teermengen in Abhängigkeit von der Temperatur;

F i g. 2,3 die Abhängigkeit der Reaktionszeit von dem CCVC-Verhältnis und von der Korngröße der eingesetzten Feiiikohle;

F i g. 4 schematisch eine Anlage zur Flugstromvergasung von Feinkohle; F i g. 5 die Korngrößenverteilung der eingesetzten Feinkohle;

F i g. 6 die Beziehung zwischen der Endgeschwindigkeit der Kohleteilchen im Flugstrom und der Korngröße.

Die in F i g. 1 dargestellte Beziehung zwischen der Teermenge und der Behandlungstemperatur gilt für eine Taiheiyo-Kohle mit den in Tabelle I angegebenen Eigenschaften und einer Korngröße von ΙΙΟμπι in einem Stickstoffstrom bei Atmosphärendruck und einer Verweilzeit von etwa 8 see. Wie ersichtlich, wird nahezu die gesamte Teermenge bei Temperaturen von 900 bis 95O⁰C zersetzt

Das in F i g. 2 dargestellte CCVC-Verhältnis wird umso größer, je kurzer die für eine 100%ige Kohlenstoffreaktion benötigte Reaktionszeit wird Besonders intensiv nimmt die Reaktionszeit bis zu einem CCVC-Verhältnis von 1,2 Mol/Mol ab, weil die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion C und CO₂ = 2 CO proportional dem CO2-Partialdruck ist Dieser C02-Partialdruck und damit die Reaktionsgeschwindigkeit verkleinern sich im Verlauf der vorstehend genannten Reaktion, so daß das CO₂/C-Verhältnis auf mindestens 1,2, vorzugsweise auf 1,4 oder größer, eingestellt wird.

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Reaktionszeit und der Korngröße einer Taiheiyo-Kohle bei einem CO2/C-Verhältnis von 1,6 (Mol/Mol) und bei 1340⁰C. Die Reaktionszeit ist proportional zur Korngröße, wobei eine Korngröße von 100 μΐη oder kleiner eine praktisch vollständige Vergasung innerhalb von 10 see oder weniger ergibt

Eine Verringerung der Reaktionszeit ermöglicht eine Verkleinerung des Vergasers oder Durchsatzsteigerungen. Feinere Korngrößen der eingesetzten Kohle verbessern daher die Vergasungsergebnisse, erfordern jedoch einen höheren Aufwand bei der Kohlezerkleinerung. Es ist daher erforderlich, die Korngröße der Kohle und den Energieverbrauch bei der Zerkleinerung zu berücksichtigen. Da die Kohleteilchen zusammen mit den Gasen den Flugstromvergaser durchströmen, entspricht ihre Verweilzeit derjenigen der Gase, so daß der Vergaser unter Beachtung der Durchströmzeit der Gase ausgelegt wird. Die Geschwindigkeit beträgt gewöhnlich 2 bis 10 m/ see, so daß die Vergaserhöhe bei Reaktionszeiten von z. B. 10 see 20 bis 100 m betragen würde. Zur Minderung der Wärmeverluste von übergroßen Vergasern werden daher feinere Kohlen von 50 μηι Korngröße verwendet, wodurch sich die Reaktionszeiten auf einige Sekunden verkürzen.

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird ein Teil der in den Unterteil des Vergasers eingebrachten Feinkohle vollständig bei Schmelztemperatur der Kohlenasche oder darüber vergast. Die dabei entstehenden CO2-reichen Heißgase werden mit Restkohle in Berührung gebracht, was die Vergasungsreaktion C +CO₂ = 2 CO ergibt. Diese Vergasungsreaktion läuft während der Strömung der im Unterteil des Vergasers erzeugten Gase zu dessen Oberteil, wobei die Temperatur auf 900⁰C oder höher eingehalten wird, um den erzeugten Teer vollständig zu zersetzen.

Da diese Vergasungsreaktion länger als die reine Verkokung der Feinkohle dauert, wird zum Zeitausgleich eine gröbere Feinkohlefraktion im unteren Vergaserteil verkokt, während eine feinere Fraktion mit einer Korngröße von vorzugsweise 50 μιτι oder kleiner in den Oberteil des Vergasers eingeführt wird, in dem die oben genannte Vergasungsreaktion abläuft Dabei ist die in den Unterteil eingeführte Kohlemenge größer als die in den oberen Vergaserteil eingeführte Menge, um das oben genannte CO2/C-Verhältnis auf größer 1,2, vorzugsweise auf größer 1,6 Mol/Mol einzustellen.

Da im unteren Vergaserteil die stark exothermen Entgasungs- bzw. Verkokungsreaktionen ablaufen und u. U. übermäßig hohe Temperaturen entstehen können, wird Wasser oder Dampf in diesen Vergaserteil eingeführt, um die Behandlungstemperatur auf dem Ascheschmelzpunkt oder höher zu halten. Gleichzeitig verbessert sich der Vergasungswirkungsgrad aufgrund der Wassergasreaktion.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Anlage wird Feinkohle bzw. Kohlenstaub 1 aus einem Bunker 5 in Überdruck-Bunker 6, 7 überführt und aus dem Bunker 7 über eine Zellenradschleuse 24 in einen Wirbelbettverteiler 8 eingebracht. Zwischen den Bunkern 5, 6 und 7 sind Ventile 23 eingeschaltet. Im Wirbelbettverteiler 8 wird der Kohlenstaub durch einen Gasstrom 4, z. B. Stickstoff, Kohlendioxyd oder Prozeßgase, in eine feinere und eine gröbere Fraktion klassiert. Bei einer Feinkohle mit der in F i g. 5 dargestellten Korngrößenverteilung kann durch Einstellung der Gasströmung die Klassierung so durchgeführt werden, daß 85 Gew.-% der Kohlepartikel mit der Gasströmung ausgetragen werden und der restliche Kohleanteil im Wirbelbett verbleibt.

Der in F i g. 6 dargestellten Beziehung zwischen der Mitnahme- bzw. Endgeschwindigkeit der Gasströmung, bei welcher Teilchen einer bestimmten Korngröße mitgenommen werden, und der Korngröße in einer Stick-Stoffatmosphäre bei Normaltemperatur läßt sich entnehmen, daß die Mitnahmegeschwindigkeit zur Teilchengröße direkt proportional ist. Auf der Grundlage der Korngrößenverteilung einer bestimmten Kohle gemäß Fig.5 und der Mitnahmegeschwindigkeit gemäß Fig.6 kann daher der jeweils gewünschte Anteil der vom Gasstrom mitgenommenen Feinkohle eingestellt werden. Dieser Kohleanteil gelangt mit der Gasströmung in den Oberteil 10 eines Vergasers 9, während die im Wirbelbettverteiler 8 verbliebene Feinkohlemenge in den Vergaser-Unterteil 11 zusammen mit einem mit dem Fluidisierungsgas gleichen Gas 4' über einen Ejektor 25 eingeführt wird. Die in den Oberteil 10 bzw. den Unterteil 11 eingetragenen Kohlemengen können mit Hilfe von Druckmessern 31,32 in den Zufuhrleitungen 29,30 überwacht werden.

Die in den Oberteil 10 eingeblasene Feinkohle wird sofort zu Koks und Koksgas aus CH₄, C₂H₆, C₂H₄, H₂, CO und CO₂ verkokt Die in den Unterteil 11 eingeführte Kohle wird zusammen mit über eine Leitung 2 zugeführtem Sauerstoff teilverbrannt, wobei die heißen Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Verbrennungsgase den Wärmeträger für die Verkokung der in den Oberteil 10 eingeführten Feinkohle darstellen und in CO- und H₂-reiche Gase umgewandelt werden.

Die Temperatur im Unterteil wird auf dem Ascheschmelzpunkt von 1600 bis 1800⁰C oder höher gehalten und liegt bei 1800 bis 260O⁰C Die schmelzflüssige Kohlenasche fließt aus dem Unterteil 11 über einen mit Wasser gefüllten Ascheaustrag 12 in einen Schlackenbunker 13 ab. Aus dem Schlackenbunker 13 wird die Schlacke und das Kühlwasser gesondert abgezogen, wobei letzteres über eine Pumpe 17 zusammen mit Frischwasser 19 dem ίο Schlackeaustrag 12 wieder zugeführt wird. In diesen Wasserkreislauf ist ein Ventil 27 eingeschaltet. Der Schlakkeaustrag wird durch Schieber 28 vor und hinter dem Bunker 13 gesteuert

Die dem Oberteil zugeführte Feinkohle wird durch die heißen Verbrennungsgase aus dem Unterteil 11 vollständig bei Temperaturen von 900°C oder darüber vergast. Bei einem Abfall der Temperatur unter 900⁰C wird die dem Wirbelbettverteüer 8 zugeführte Gasmenge verringert, wodurch sich die in den Oberteil 10 eingebrachte Feinkohlenmenge verkleinert was einen entsprechenden Temperaturanstieg bewirkt.

Die dabei erzeugte Asche wird vom Brenngas 18 in einem Zyklon 14 abgetrennt und Staubbunkern 15,16 über Schieber 26 zugeführt deren Austragsstutzen mit 21 bezeichnet ist

Die verwendete Taiheiyo-Kohle hatte die in Tabelle I angegebene Zusammensetzung und Eigenschaften.

Tabelle 1

Angenäherte Analyse (Gew.-°/o)

Feuchtigkeit 6,1%

Asche 11,4%

flüchtige Bestandteile 43,8%

fester Kohlenstoff 38,7%

Heizwert 6710 kcal/kg

Ascheverhalten (oxidierend)

Erweichungspunkt 1290⁰C

Schmelzpunkt 1330⁰C

Verflüssigungspunkt 1370⁰C

Die Tabelle II zeigt Ergebnisse von mit der Anlage nach F i g. 4 durchgeführten Versuchen. Beim Durchlauf Nr. 1 wurde Feinkohle nur in den Unterteil des Vergasers eingeführt und somit einstufig vergast Bei optimaler Abstimmung der Sauerstoff- und Wasserzufuhr in den unteren Vergaserteil ergab sich nur eine unzureichende Kohlenstoffumwandlung von 88,7%, so daß der im Zyklon 14 abgeschiedene Koks dem Vergaser 9 zurückgeführt werden mußte.

40	Tabelle II	Durchlauf Nr. 1	2	4	3	4	gesamt
		4	1150	980 2230
45	Druck (at)	1C1A *t\Jl\J*	8,4 11,4	7,4 1 gesamt 19,8 \ 12,4 j
50	Temperatur (⁰C) Oberteil Unterteil	20,1	13,8	12^
55	Kohlezufuhrmenge (kg/h) Oberteil (Teilchengröße 100 μπι oder weniger) Unterteil	13,8	9,1	9,1
	Sauerstoffzufuhrmenge (kg/h) Unterteil	2,4	352	343
60	Wasserzufuhrmenge (kg/h) Unterteil	354
	erzeugte Gasmenge (mVh)
65

Tabelle II (Fortsetzung)

Durchlauf Nr.
1

Gaszusammensetzung (VoL-⁰ZO)

N₂ 1,9 1,6 1,8

H₂ 35,0 35,6 34,93

CO 58,2 48,0 50,1

CO₂ 4,7 10,8 9,1 ίο

CH₄ 0 2,7 2,0

C₂H₆ 0 1,3 1,3

H₂S 0,18 0,17 0,17

Heizwert (kcal/m³) 2810 3002 3033

Kohlenstoffumwandlung¹)(%) 88,7 91,2 89,4

Kaltgaswirkungsgrad²) (%) 74,2 79,5 78,5

Anmerkung:

') Umwandlung des in der Kohle enthaltenen Kohlenstoffes.

²I Kaligaswirkungsgrad (^{Heizwert des} erzeugten Gases) χ (erzeugte Menge an Gasen) ; NaiigaswirKungsgraa-- (Heizwert von Kohle) χ (Zufuhrmenge an Kohle)

Im Durchlauf Nr. 2 wurde dieselbe Sauerstoffmenge wie beim Durchlauf Nr. 1 dem Unterteil des Vergasers zugeführt und Feinkohle in den Oberteil und in den Unterteil des Vergasers eingetragen. Das Verhältnis von Kohle zu Sauerstoff im Unterteil entsprach dem der vollständigen Verbrennung. Die Temperatur im Oberteil betrug 1150°C und im Unterteil 2450°C. Unter Wasserzufuhr wurden beinahe 100% der Kohle im Unterteil verbrannt. Im Oberteil wurde Pyrolysegas erzeugt und gleichzeitig wurde der Koks durch die CO₂- und H₂O-haltigen Gase aus dem Unterteil vergast. Als Ergebnis wurde eine Kohlenstoffumwandlung von 91,2% bei verbessertem Kaltwirkungsgrad erzielt.

Wenn bei sonst gleichen Bedingungen wie bei Durchlauf Nr. 2 Feinkohle mit gleicher Korngröße in den Oberteil und in den Unterteil des Vergasers eingeführt wird, hat das Gas etwa die gleiche Zusammensetzung wie das des Durchlaufs 2, die Kohlenstoffumwandlung beträgt jedoch nur 90% und der Kaltwirkungsgrad liegt bei 78,8%. Demzufolge ist die gezielte Einführung der Kornfraktionen in die beiden Vergaserteile notwendig und wichtig.

Der Durchlauf Nr. 3 ist ein Fall, bei dem die Sauerstoffzuführungsdurchsatzmenge gegenüber dem Durchlauf Nr. 2 um 10% verringert ist, während das Verteilungsverhältnis der zugeführten Kohle etwa dasselbe wie beim Durchlauf Nr. 2 ist. Somit nähert sich die Reaktion um Unterteil der Teilverbrennung anstelle der vollständigen Verbrennung vom Durchlauf Nr. 2. Aus der Tabelle II ist ersichtlich, daß die Kohlenstoffumwandlung geringer als diejenige beim Durchlauf Nr. 2, jedoch noch höher als diejenige beim Durchlauf Nr. 1 ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vergasen von zerkleinerter Feinkohle in einem Flugstrom-Gasgenerator,

wobei eine Teilmenge an Feinkohle in einer unteren Verbrennungszone unter Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf bei Temperaturen im Bereich des Ascheschmelzpunktes zumindest teilweise verbrannt und die schmelzflüssige Asche abgezogen wird und

wobei eine weitere Teilmenge an Feinkohle in eine obere Reduktionszone eingeführt und in dieser durch die heißen Verbrennungsgase aus der unteren Stufe bei einer durch die eingesetzte Kohlenmenge geregelter Temperatur von mindestens 900°C vergast wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die obere Reduktionszone mittels Trägergas Feinkohle mit einer Korngröße unter 100 um, vorzugsweise unter 50 μτη eingebracht wird, und daß in die Verbreanungszone ausschließlich Feinkohle mit größeren Partikeln mittels Trägergas zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassierung der Feinkohle in einem Fluidisierungsgasstrom erfolgt und durch Ändern der Gasstromgeschwindigkeit gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbrennungszone eine größere

Kohlemenge als in die Reduktionszone eingeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Verbrennungszone durch Dosieren der Wasser- oder Dampf-Zufuhr gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Verbrennungszone 1800 bis 2600° C beträgt