DE4417539A1

DE4417539A1 - Verfahren zur luftgeblasenen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen

Info

Publication number: DE4417539A1
Application number: DE4417539A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 1995-11-23
Also published as: US5656043A; DE59509437D1; EP0683219B1; EP0683219A3; EP0683219A2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober begriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Zur Vergasung von Kohle oder Rückstandsöl werden zur Zeit hauptsächlich sauerstoffgeblasene Prozesse, beispielsweise Shell-Kohlevergasungsprozeß, verwendet. Durch diese Prozesse entsteht ein Gas mit relativ hohem Heizwert, 12-15 MJ/kg, das wegen seiner geringen Massenströme ohne großen Enthalpiever lust entschwefelt und durch Wascheinrichtungen entstaubt wer den kann. Dabei laufen die typischen Vergasungsreaktionen

CH4 + H2O → CO + 3H2 (1)

C + H2O → CO + H2 (2)

endotherm ab.

Die benötigte Energie wird z. B. durch exotherme Reaktion

2C + O2 → 2CO (3a)

zur Verfügung gestellt.

Dabei wird etwa 22% des Heizwertes des Brennstoffes durch die exotherme Reaktion (3a) zunächst in Wärme und dann über die endotherme Reaktionen (1) und (2) wieder in Brennstoffenthal pie umgesetzt.

Bei einem luftgeblasenen Vergasungsprozeß gemäß Stand der Technik würde die exotherme Reaktion (3a) zu:

2C + O2 + 4N2 → 2CO + 4N2 (3b)

und der Heizwert der Produktgase wird auf weniger als 50% im Vergleich zur sauerstoffgeblasenen Vergasung reduziert. Ein wesentlicher Nachteil dieses Prozesses ist die Tatsache, daß das Vergasungsprodukt mit Luftstickstoff verunreinigt wird.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einem Vergasungsbehälter der eingangs genannten Art die für die Vergasung von kohlen stoffhaltigen Brennstoffen benötigte Energie durch einen luftgeblasenen Vergasungsprozeß zu erzeugen, ohne daß das Vergasungsprodukt mit Luftstickstoff verunreinigt ist.

Das Verfahren wird unter Zuhilfenahme eines Vergasungsbehäl ters durchgeführt, in welchem von der Verbrennung her eine Drallströmung erzeugt wird. Dabei wird in einem Drallbrenner auf der Achse ein unterstöchiometrisches Brennstoff/Luft-Ge misch verbrannt, wobei im wesentlichen die exotherme Reaktion (3b) abläuft. Im Gegenstrom wird im äußeren Radienbereich ebenfalls Brennstoff mit stark überhitztem Dampf von 700-1200°C nach den endothermen Reaktionen (1) und (2) vergast. Durch die stabile Schichtung im zylindrischen Reaktionsraum wird vermieden, daß sich der energieliefernde Teilstrom im Zentrum, wo eine Verbrennungstemperatur von ca. 1800°C vor herrscht, mit dem zu vergasenden Brennstoff/Dampf-Gemisch im äußeren Radienbereich mischt. Die Wärmeübertragung vom ener gieliefernden Teilstrom an das zu vergasende Gemisch ge schieht durch direkten Strahlungswärmeaustausch, durch indi rekten Strahlungswärmeaustausch unter Beteiligung der Brenn kammerwand und durch konvektive Wärmeübertragung zwischen der durch Strahlung erwärmten Brennkammerwand und dem Vergasungs gemisch. Im Anschluß an den Vergasungsreaktor wird durch Zugabe von Sekundärluft der zentrale Teilstrom, der bis anhin schon einen großen Teil seiner fühlbaren Wärme an das zu vergasende Brennstoff/Dampf-Gemisch abgegeben hat, vollstän dig ausgebrannt.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch die zweistufige Verbrennungsführung möglich ist, auch Brennstoffe mit brennstoffgebundenem Stickstoff einzusetzen, ohne im Ab gas hohe Stickoxidwerte zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Verfahren sich für sämtliche Brennstoffe, insbesondere für flüssige Brennstoffe, wie Schweröle, Rückstandsöle, Ori mulsion, oder auch für Kohle in Form von Coal Water Slurry (CWS) oder in Form von Kohlenstaub eignet.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:

- Es wird keine Luftzerlegungsanlage mehr benötigt;
- Das Verfahren kann sowohl atmosphärisch als auch unter Druck betrieben werden;
- Es entsteht ein Vergasungsprodukt mit einem moderaten Heiz wert ≈ 10 MJ/kg, das in einer Gasturbine schadstoffarm ver brannt werden kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen zylindrischen Vergasungsbehälter, in welchem ein Vergasungsprodukt mit einem Heizwert ≈ 10 MJ/kg bereitgestellt wird,

Fig. 2 einen Vormischbrenner in der Ausführung als "Doppel kegelbrenner" in perspektivischer Darstellung, ent sprechend aufgeschnitten und

Fig. 3-5 Schnitte durch verschiedene Ebenen des Vormisch brenners gemäß Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Vergasungsbehälter 1, der aus einem Brenner 100, einem Reaktionsraum 2, in Strömungs richtung der Heißgase einem nachgeschalteten Durchflußraum 3, und dazwischengeschaltet einem Zwischenrohr 4. Der Brenner 100 wird vorzugsweise als Vormischbrenner ausgelegt: Hierzu wird auf die Ausführungen unter Fig. 2-5 verwiesen. Kopfsei tig und im Zentrum des Reaktionsraumes 2 wirkt der genannte Vormischbrenner 100, der eine stabile Heißgas-Strömung 5 im Kern oder Zentrum 6 des Reaktionsraumes 2 erzeugt. Diese Heißgase 5 durchströmen sozusagen gebündelt und unter Drall den Reaktionsraum 2. Dieser Strom durch das Zentrum des Reak tionsraumes 2 ist der eigentliche Energielieferant, dessen Verbrennungstemperatur ca. 1800°C. beträgt. Das Zwischenrohr 4 weist eine Anzahl in Umfangsrichtung des Durchflußquer schnittes angeordneter Öffnungen 7 auf, durch welche eine Sekundärluft 8 der dort durchströmenden unterstöchiometri schen Heißgase 5 zugemischt wird, deren Temperatur durch die dann stattfindende Reaktion erhöht wird, bevor diese neue Heißgase 5a den nachgeschalteten Durchflußraum 3 durchströ men. Dieser Durchflußraum 3 erfüllt zugleich die Funktion eines Wärmetauschers: In Gegenstromrichtung zu den Heißgasen 5a wird ringförmig zum Durchflußraum 3 ein Dampfstrom 9 ein geleitet, deren Anfangstemperatur ca. 150°C beträgt. Dieser Dampf 9 wird entlang der Wärmetauschstrecke überhitzt, bevor er durch das Zwischenrohr 4 strömt. Im Gegenzug erkalten die Heißgase 5a zu Abgasen 14 mit einer Temperatur von 500°C, wofür sie sich für die Erzeugung eines Dampfes zum Betreiben einer Dampfturbine bestens eignen. Benachbart zum stromauf gelegenen Reaktionsraum 2 weist die ringförmige Öffnung des Zwischenrohres 4 eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordne ten Drallkörpern 10 mit Brennstoffeindüsung auf, welche ein Gemisch aus Brennstoff und überhitztem Dampf erzeugen, im folgenden Vergasungsgemisch 11 genannt, dem eine rotierende Bewegung aufzwungen wird. Diese rotierende Bewegung ummantelt im Reaktionsraum 2 in Gegenstromrichtung die zentrische Strö mung der Heißgase 5, dergestalt, daß zwischen den beiden Medien ein Wärmetransport ohne einen gegenseitigen Austausch und ohne physikalische Trennung, wie dies bei Wärmetauschern der Fall ist. Dieses Vergasungsgemisch 11 verläßt den Reak tionsraum 2 als Brennstoff 15 mit einem Heizwert < 10 MJ/kg und mit einer Temperatur von ca. 650°C, wobei die nach wie vor vorhandene rotierende Bewegung durch endseitig des Reak tionsraumes 2 plazierte weitere Drallkörper 12 aufgehoben wird, bevor dieses Brennstoffes 15 seinem Einsatzbereich zu geführt wird. Die Wärmeübertragung von energieliefernden Heißgasen 5 an das Vergasungsgemisch 11 kann nicht nur durch direkten Strahlungswärmeaustausch geschehen, sondern wahl weise auch durch indirekten Strahlungswärmeaustausch unter Beteiligung der Wand des Reaktionsraumes 2, oder durch kon vektive Wärmeübertragung zwischen der durch Strahlung erwärm ten Reaktionsraumwand und dem Vergasungsgemisch 11. Dieses gibt einen Teil seiner Wärme in Wärmetauschverfahren einer Primärluft 13, deren Durchflußströmung ringförmig zum Ver gasungsgemisch 11 verläuft. Diese erhitzte Primärluft 12 mit einer Temperatur < 500°C bildet dann die Verbrennungsluft für den Vormischbrenner 100. Demnach werden folgende Grundprinzi pien benutzt:

- Radial geschichtete Drallströmung mit heißem Kern gerin gerer Dichte und kälterer Außenströmung hoher Dichte.
- Gestufte Verbrennungsführung zur Minimierung der NOx- Emissionen.
- Strahlungswärmeaustausch zwischen unterstöchiometrischem heißem Kern und Reaktionsraumwand bzw. direkter Strah lungswärmeaustausch zwischen heißem Kern und Vergasungs- Gemisch.

Dieses Verfahren, d. h. der bereitgestellte Brennstoff 15, eignet sich vorzüglich als Brennstoffaufbereitungssystem für Gasturbinen, Kombianlagen oder Heizkraftwerke mit Schweröl als Brennstoff, beispielsweise auch unter Zugabe von Klärschlamm. Auch zur Erzeugung eines Synthesegas in der che mischen Grundstoffindustrie ist das Verfahren geeignet. Ge genüber den sauerstoffgeblasenen Vergasungsprozessen hat es den weiteren Vorteil, daß wesentlich geringere Investitionen und Betriebskosten anfallen.

Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 die einzelnen Schnitte nach den Fig. 4-6 herangezogen werden. Des weite ren, um Fig. 3 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Fig. 4-6 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die restlichen Fig. 4-6 hingewiesen.

Der Brenner 100 nach Fig. 3 ist ein Vormischbrenner und be steht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Verse tzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 119, 120 frei (Fig. 4-6), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innen raum des Brenners 100, d. h. in den Kegelhohlraum 114 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper 101, 102 in Strömungs richtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstver ständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Tronpete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht er faßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinan der verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, deren Eindüsung 104 in etwa mit dem eng sten Querschnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraum 114 zusammenfällt. Die Eindüsungska pazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbst verständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeli gen Teilkörper 101, 102 weisen des weiteren je eine Brenn stoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen Eintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöff nungen 117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gas förmiger Brennstoff 113 in die dort durchströmende Verbren nungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile 116 ver sinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Ein strömung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, daß Verdünnungsluft oder Kühl luft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flam menstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammen stabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich um einen flüssigen Brennstoff 112, der allen falls mit einem rückgeführten Abgas angereichert sein kann. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Düse 103 bildet sich so nach ein kegeliges Brennstoffprofil 105, das von der tangen tial einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlos sen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbren nungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrie ben, so geschieht dies vorzugsweise über Öffnungsdüsen 117 eingebracht, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemi sches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu stande kommt. Bei der Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Be reich der Rückströmzone 106 am Ende des Brenners 100, die op timale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbren nungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückge führten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdamp fung des flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasför mige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestal tung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwin kel und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Strömungszone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, daß eine Verkleinerung der tangentialen Luftein trittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter strom aufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch frü her zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, daß die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 läßt sich durch eine entspre chende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungs luftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangen tialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt werden kann.

Aus Fig. 4-6 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungs funktion, wobei diese, entsprechend ihrer Länge, das jewei lige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungs richtung gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spalt größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 verän dert wird. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkeh rungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmäßige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teil körpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden.

Bezugszeichenliste

1 Vergasungsbehälter
2 Reaktionsraum
3 Durchflußraum
4 Zwischenrohr
5 Heißgase, Heißgas-Schichtung
5a Neue Heißgase
6 Zentrum, Kern
7 Öffnungen
8 Sekundärluft
9 Dampf
10 Drallkörper
11 Vergasungsgemisch
12 Drallkörper
13 Primärluft
14 Abgasen
15 Brennstoff
100 Vormischbrenner
101, 102 Teilkörper
101a, 102a Zylindrische Angangsteile
101b, 102b Längssymmetrieachsen
103 Brennstoffdüse
104 Brennstoffeindüsung
105 Brennstoffeindüsungsprofil
106 Rückströmzone (Vortex Breakdown)
107 Flammenfront
108, 109 Brennstoffleitungen
110 Frontwand
110a Luftbohrungen
110b Kühlluft
112 Flüssiger Brennstoff
113 Gasförmiger Brennstoff
114 Kegelhohlraum
115 Verbrennungsluft
116 Brennstoff-Eindüsung
117 Brennstoffdüsen
119, 120 Tangentiale Lufteintrittsschlitze
121a, 121b Leitbleche
122 Brennraum
123 Drehpunkt der Leitbleche

Claims

1. Verfahren zur luftgeblasenen Vergasung von kohlenstoffhalti gen Brennstoffen, wobei die benötigte Energie für die Verga sung durch Wärmeaustausch zwischen einer endothermen und ei ner exothermen Reaktion bereitgestellt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die exotherme Reaktion aus einer Ver brennung eines unterstöchiometrischen Brennstoff/Luft-Gemi sches ein Heißgas entsteht, daß durch die endotherme Reak tion aus einem Vergasungsprozeß zwischen Brennstoff und überhitztem Dampf ein Vergasungsgemisch entsteht, daß der Wärmeaustausch durch einen direkten oder indirekten Strah lungswärmeaustausch zwischen Heißgas und Vergasungsgemisch zustande kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißgas als heißen Kern in einer Richtung strömt, daß das Vergasungsgemisch das Heißgas ummantelt und in Gegenrichtung strömt, daß dem Heißgas nach dem Wärmetauschverfahren eine Sekundärluft zugemischt wird, daß dieses neue Heißgas im Wärmetauschverfahren den überhitzten Dampf aufbereitet und als Abgas abströmt, und daß das Vergasungsgemisch im Wärme tauschverfahren eine Primärluft aufwärmt und anschließend als Brennstoff abströmt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprü chen 1 und 2, wobei die Vorrichtung aus einem unterteilten Vergasungsbehälter besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsbehälter aus einem Reaktionsraum, einem Zwischen rohr und einem Durchflußraum besteht, und daß der Reakti onsraum (1) anströmungsseitig mit einem Brenner bestückt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (100) aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen (101b, 102b) gegeneinander versetzt verlaufen, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper (101, 102) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstrom (115) bilden, daß im von den Teilkörpern (101, 102) gebilde ten Kegelhohlraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längser streckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung unter ei nem festen Winkel kegelig erweitern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.