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DE102010045537A1 - Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas Download PDF

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DE102010045537A1
DE102010045537A1 DE102010045537A DE102010045537A DE102010045537A1 DE 102010045537 A1 DE102010045537 A1 DE 102010045537A1 DE 102010045537 A DE102010045537 A DE 102010045537A DE 102010045537 A DE102010045537 A DE 102010045537A DE 102010045537 A1 DE102010045537 A1 DE 102010045537A1
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DE
Germany
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filter
reactor
gas
synthesis gas
ash
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Application number
DE102010045537A
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English (en)
Inventor
Johannes Dostal
Dr. Pavone Domenico
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
Uhde GmbH
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Filing date
Publication date
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Abstract

Mit einem Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung fester oder flüssiger kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in einem Reaktor, wobei das Synthesegas über Kopf aus dem Reaktor und die während der Reaktion anfallende mineralische Asche-/Schlacketröpfchen in Schwerkraftrichtung nach unten aus dem Reaktor ausgeführt werden, soll ermöglicht werden, einen deutlich preiswerteren Rauchrohrkessel zur Wärmeabfuhr zu benutzen anstatt Strahlungskessel. Dies wird dadurch erreicht, dass das Synthesegas ungekühlt über einen Heißgasfilter (2) und nachfolgend zur Abkühlung durch einen Rauchrohrkessel (3) geleitet wird, wobei die am Heißgasfilter (2) abgeschiedenen Asche-/Schlackepartikel in Schwerkraftrichtung zurück in den Vergasungsreaktor (2) geführt werden.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung.
  • Ein derartiges Verfahren, das sich auch mit der Entfernung von Flüssigasche und Alkalien aus einem Synthesegas befasst, beschreibt die WO 2009/080334 A2 der Anmelderin.
  • Weltweit existiert eine Vielzahl von Anlagen zur Vergasung von Kohle und Biomasssen. Die überwiegende Anzahl dieser Anlagen dient der Erzeugung von Synthesegas, Ammoniak, Wasserstoff oder Methanol.
  • Es besteht ein Konsens, dass für IGCC-Kraftwerke und für die Herstellung synthetischer Energieträger vor allem das Verfahren der Flugstromvergasung sinnvoll ist. Allerdings muss die Verfügbarkeit der Flugstromvergaser signifikant erhöht werden.
  • Bei Prozessen der Flugstromvergasung wird die Prozesstemperatur so weit angehoben, dass die Mineralbestandteile der Kohle zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen werden. Die Schlacke fließt über die zylindrische Wand des Reaktors nach unten und verlässt den Vergaser durch das Schlackeloch im konischen Bereich des Vergasers. Sie gelangt in ein Wasserbad (Schlackenbad), hier wird sie fest und granuliert in kleine, glasartige Granulate. Ein kleiner Anteil von flüssigen Aschetropfen wird jedoch vom Synthesegas mitgerissen und gelangt über den Gasaustritt in den Rohgaskühler.
  • Das aus dem oberen Bereich des Vergasers austretende Synthesegas besitzt aber eine Temperatur, die größer als 1500°C ist. Bei dieser Temperatur sind die Flugaschepartikel mehr oder weniger flüssig und klebend. Daher muss das Synthesegas in einen nicht klebenden Bereich von ca. 850 bis 900°C runtergekühlt werden, bevor es in Kontakt mit den Wärmetauscherrohren des Rauchrohrkessels treten darf.
  • Der Rauchrohrkessel hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Wärmenutzung von Rauchgasen. Limitierend für seinen Einsatz ist vor allem die Eintrittstemperatur, da im Rauchgas enthaltene Aschepartikel bei Temperaturen oberhalb 850°C klebrig bis hin zu schmelzflüssig sind.
  • Auch gibt es eine Vielzahl Vergasungsverfahren, die auf verschiedene Weise eine Abwärmenutzung durchführen, wobei das heiße Rohgas erst mit Wasser partiell oder mit kaltem Gas in einem Quenchrohr auf Temperaturen um 850°C abgekühlt wird bevor das Gas umgelenkt und im Konvektivkessel genutzt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verfahrensweise zu schaffen, die es ermöglicht, deutlich preiswertere Rauchrohrkessel zur Wärmeabfuhr zu benutzen anstatt Strahlungskessel.
  • Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Synthesegas ungekühlt über einen Heißgasfilter und nachfolgend zur Abkühlung durch einen Rauchrohrkessel geleitet wird, wobei die am Heißgasfilter abgeschiedenen Asche-/Schlackepartikel in Schwerkraftrichtung zurück in den Vergasungsreaktor geführt werden.
  • Mit der Erfindung wird ein Problem gelöst, dass bei zu früher Abkühlung der Partikel diese an dem Rauchrohrkessel anbacken und diesen damit verstopfen, was zu einem häufigen Stillstand führt, um die entsprechenden Anlageteile zu reinigen. Dies wird mit der Erfindung vermieden.
  • Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Heißgasfilter als Keramikfilter ausgebildet ist, wobei die im ungekühlten Synthesegas enthaltenen dampfförmigen Alkalien durch oder nach Inkontaktbringen mit Getterkeramik aus dem Synthesegas entfernt werden.
  • Neben der Gestaltung des Heißgasfilters unter Einsatz von Keramikpartikeln besteht beispielsweise eine weitere Möglichkeit darin, im Filter gekühlte Rohre einzusetzen mit einer Beschichtung, z. B. über eine Beschichtung mit Keramik, die beispielsweise über eine Bestiftung dort aufgebracht ist, hier sind auch andere Filtergestaltungen möglich.
  • Nach der Erfindung ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass im Heißgasfilter Gasgeschwindigkeiten von 1 bis 10 m/s, insbesondere 3 m/s, eingestellt werden. Zur optimalen Wärmeübertragung kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Gasgeschwindigkeit im Rauchrohrkessel bei 15–25 m/s eingestellt wird.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen nach der Erfindung bestehen darin, dass die Vergasung im Reaktor bei Temperaturen von 800 bis 1800°C und Betriebsdrücken von 0,1 bis 10 MPh durchgeführt werden und zur Abscheidung von Störstoffen am Filter Additive vor dem Filter beigemengt werden.
  • Schließlich kann bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise auch vorgesehen sein, dass mehrere Filterstufen nacheinander durchströmt werden, wobei die Austrittstemperatur des Gases hinter der letzten Filterstufe oberhalb der Fließtemperatur der Asche/Schlacke eingestellt wird. So ist es beispielsweise nach der Erfindung möglich, zunächst zur Schlackeabtrennung einen Heißgasfilter einzusetzen und nachfolgend einen Filter aus Getterkeramik, die sich dann während der Laufzeit langsam selbst verbraucht und gelegentlich auszuwechseln ist.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Anlage vor mit einem Reaktor zur Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter Zuführung von sauerstoffhaltigem Oxidationsmittel in den Reaktor und mit einer Rauchgaskühlung, der sich dadurch auszeichnet, dass in Strömungsrichtung des Rohgases dem Reaktor zunächst ein Asche-/Schlackepartikelfilter mit anschließendem Filter aus Getterkeramik und diesen nachfolgend ein Rauchrohrkessel zur Gaskühlung nachgeschaltet sind.
  • Eine weitere Ausgestaltung einer solchen Anlage kann nach der Erfindung darin bestehen, dass der keramische Heißgasfilter ein keramisches Stütznetz aufweist und eine Schüttung aus Füllkörpern.
  • In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Drucküberwachung bei dem Filter und dem Rauchrohrkessel zur Erfassung des Betriebs- und/oder Differenzdruckes vorgesehen ist.
  • Die Anlage kann sich dabei in weiterer Ausgestaltung dadurch auszeichnen, dass die bei dem oder den Filter(n) eingesetzten Füllkörper als Kugeln, Raschig-Ringe, Prallringe, Stattelkörper oder als zylindrische Körper ausgebildet sein können oder als unregelmäßige Körper, die durch Brechen von Naturmaterialien entstehen, wobei die Füllkörper eine Waben- oder Lamellenstruktur aufweisen können.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 eine schematische Darstellung eines Vergasungsreaktors,
  • 2 eine vergrößerte Darstellung des Vergasungsreaktors mit Heißgasfilter sowie in
  • 3 ein Prinzipschaltbild zur Verfahrensweise nach der Erfindung.
  • In 1 ist ein allgemein mit 1 bezeichneter Vergasungsreaktor schematisch dargestellt, dem im Kopfbereich ein Heißgasfilter, allgemein mit 2 bezeichnet, zugeordnet ist, an dem sich ein Rauchrohrkessel 3 anschließt.
  • Im dargestellten Beispiel weist der Heißgasfilter keramische Füllkörper 8 auf, die auf einem keramischen Netz 5 aufliegen. Die schmelzflüssige Asche, die dort abgeschieden wird, ist in 2 mit 6 bezeichnet, diese wird in den mit einem Schlackeauslass 7 ausgerüsteten Reaktorinnenraum 9 zurückgeführt, was durch einen Pfeil 13 angedeutet ist.
  • Die Zufuhr von z. B. Brennstoff und Wasserdampf in den Reaktorinnenraum 9 ist mit zwei Pfeilen 10 und 11 vereinfacht dargestellt.
  • Im Darstellungsbeispiel der 2 ist noch oberhalb des Heißgasfilters 2 ein Getterkeramikfilter 12 angedeutet, der sich z. B. bei bestimmungsgemäßem Gebrauch verbraucht und austauschbar dort positioniert ist, was nicht näher dargestellt ist.
  • In 1 sind noch die Parameter
    • T
    = örtliche Temperatur
    Ts
    = Schmelztemperatur der Schlacke
    w
    = Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Gases
    angegeben.
  • 3 zeigt ein schematisches Verfahrensschaltbild unter Einsatz des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors 1 mit nachgeschaltetem Hochtemperaturfilter 2 und wiederum nachgeschaltetem Rauchrohrkessel 3.
  • Die Schlackerückführung aus dem Hochtemperaturfilter 2 ist, wie auch in 2, durch einen Pfeil 13 symbolisch dargestellt, ebenso die Zufuhr von Brennstoff und Wasserdampf (Pfeile 10 und 11).
  • Dem Rauchrohrkessel 3 ist, wie in 3 dargestellt, ein Wäscher 14, ein Sättiger 15 und ein CO-Shift 16 nachgeschaltet.
  • Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können beispielsweise die Alkalien, durch die Getterpartikel gebunden werden, die als Additive dem Rauchgasstrom hinzugefügt werden u. dgl. mehr.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2009/080334 A2 [0002]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas durch Vergasung fester oder flüssiger kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in einem Reaktor, wobei das Synthesegas über Kopf aus dem Reaktor und die während der Reaktion anfallende mineralische Asche-/Schlacketröpfchen in Schwerkraftrichtung nach unten aus dem Reaktor ausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas ungekühlt über einen Heißgasfilter und nachfolgend zur Abkühlung durch einen Rauchrohrkessel geleitet wird, wobei die am Heißgasfilter abgeschiedenen Asche-/Schlackepartikel in Schwerkraftrichtung zurück in den Vergasungsreaktor geführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasfilter als Keramikfilter ausgebildet ist, wobei die im ungekühlten Synthesegas enthaltenen dampfförmigen Alkalien durch oder nach Inkontaktbringen mit Getterkeramik aus dem Synthesegas entfernt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Heißgasfilter Gasgeschwindigkeiten von 1 bis 10 m/s, insbesondere 3 m/s, eingestellt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgeschwindigkeit im Rauchrohrkessel bei 15–25 m/s eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung im Reaktor bei Temperaturen von 800 bis 1800°C und Betriebsdrücken von 0,1 bis 10 MPh durchgeführt werden und zur Abscheidung von Störstoffen am Filter Additive vor dem Filter beigemengt werden.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Filterstufen nacheinander durchströmt werden, wobei die Austrittstemperatur des Gases hinter der letzten Filterstufe oberhalb der Fließtemperatur der Asche/Schlacke eingestellt wird.
  7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Reaktor zur Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter Zuführung von sauerstoffhaltigem Oxidationsmittel in den Reaktor und mit einer Rauchgaskühlung, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Rohgases dem Reaktor (1) zunächst ein Asche-/Schlackepartikelfilter (2) mit anschließendem Filter aus Getterkeramik und diesen nachfolgend ein Rauchrohrkessel (3) zur Gaskühlung nachgeschaltet sind.
  8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Heißgasfilter (2) ein keramisches Stütznetz (5) aufweist und eine Schüttung aus Füllkörpern (8).
  9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drucküberwachung bei dem Filter (2) und dem Rauchrohrkessel (3) zur Erfassung des Betriebs- und/oder Differenzdruckes vorgesehen ist.
  10. Anlage nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei dem oder den Filter(n) eingesetzten Füllkörper (8) als Kugeln, Raschig-Ringe, Prallringe, Stattelkörper oder als zylindrische Körper ausgebildet sein können oder als unregelmäßige Körper, die durch Brechen von Naturmaterialien entstehen.
  11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper (8) eine Waben- oder Lamellenstruktur aufweisen.
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