DE1217014B

DE1217014B - Device for the production of carbon dioxide and hydrogen

Info

Publication number: DE1217014B
Application number: DET15986A
Authority: DE
Inventors: Bruce Hornbrook Sage; Dubois Eastman
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1957-12-13
Filing date: 1958-12-12
Publication date: 1966-05-18

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenoxyd und Wasserstoff Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus einem nichtbrennbare Rückstände enthaltenden, festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff durch unmittelbare Teüoxydation mit ungebundenem Sauerstoff und Wasserdampf bei selbständiger Aufrechterhaltung einer Temperatur von über etwa 1100'C und bei oberhalb des Schmelzpunktes der genannten Rückstände liegenden Temperaturen, in der sich der in Form feiner fester Teilchen vorliegende Brennstoff mit den gasförmigen Reaktionsteilnehmem derart umsetzt, daß er dabei in diesen Reaktionsteilnehmern und in den entstehenden Reaktionsprodukten suspendiert ist, welche Vorrichtung aus einem senkrechten äußeren Druckgefäß mit einer in seinem Oberteil liegenden Reaktionskammer und einer Anlage zum Ablöschen und Ansammeln der Schlacke in seinem Unterteil besteht, wobei die Reaktionskammer die Form eines senkrechten Zylinders hat und mit einer feuerfesten Wärmeisolierung ausgekleidet ist und eine axial angeordnete Eintrittsöffnung für die Reaktionsteünehmer an ihrem oberen Ende besitzt und unten in eine Schlackenablöschanlage mündet, die gekennzeichnet ist durch einen ringförmigen Sims aus feuerfestem Baustoff, der von der Innenwand . der Reaktions-kammer an deren unterem Ende derart nach innen ragt, daß die Reaktionskammer von der Ablöschkammer getrennt ist und eine freie Öffnung verbleibt, deren freie Querschnittsfläche das 0,4- bis 0,95fache der Querschnittsfläche der Reaktionskammer beträgt.Device for the production of carbon monoxide and hydrogen The object of the invention is a device for the production of carbon monoxide and hydrogen from a solid, carbonaceous fuel containing non-combustible residues by direct partial oxidation with unbound oxygen and water vapor while independently maintaining a temperature of about 1100 ° C and at temperatures above the melting point of the residues mentioned, at which the fuel present in the form of fine solid particles reacts with the gaseous reactants in such a way that it is suspended in these reactants and in the resulting reaction products, which device consists of a vertical outer pressure vessel with a there is a reaction chamber lying in its upper part and a system for extinguishing and collecting the slag in its lower part, the reaction chamber being in the form of a vertical cylinder and with a refractory th thermal insulation is lined and has an axially arranged inlet opening for the reaction workers at its upper end and opens down into a slag extinguishing system, which is characterized by an annular ledge made of refractory material from the inner wall . The lower end of the reaction chamber protrudes inward such that the reaction chamber is separated from the quenching chamber and a free opening remains, the free cross-sectional area of which is 0.4 to 0.95 times the cross-sectional area of the reaction chamber.

Bekannte Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus einem nichtbrennbare Rückstände enthaltenden, festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff (Kohle) mit einem sauerstoffhaltigen Gas (Sauerstoff) und Wasserdampf durch Umsetzung der Reaktionsteilnehmer in einer Durchflußreaktionskammer unter einem Druck von 7 atü und bei oberhalb des Schmelzpunktes des Rückstands liegenden Temperaturen und anschließendem Ablöschen des geschmolzenen Rückstands weisen nicht die Bemessung der Auslaßöffnung des Reaktionsraumes auf, die das Kenn eichen der vorliegenden Erfindung ist. Auch bei den bekannten Vorrichtungen werden die Reaktionsteilnehmer in den Oberteil der Reaktionskammer eingeführt, und die geschmolzenen Rückstände werden zusammen mit den gesamten gasförmigen Produkten durch eine gemeinsame Auslaßöffnung aus dem Unterteil der Reaktionskammer in eine geschlossene Ablöschanlage geleitet, die unter demselben Druck wie die Reaktionskammer steht und so angeordnet ist, daß die geschmolzenen Rückstände ungehindert in Wasser einfließen können. Die Produktgase werden gesondert von der erstarrten Schlacke und dem Wasser aus der Ablöschanlage abgezogen. Bei einer bekannten Vorrichtung beträgt die Bemessung der freien Querschnittsfläche der Auslaßöffnung des Reaktionsraumes das, 0,3 6fache der Querschnittsfläche der Reaktionskammer. Bei anderen bekannten Vorrichtungen geht der Reaktionsraum ohne jede Verengung in den Austrittsraum über.Known devices for carrying out such processes for the production of carbon monoxide and hydrogen from a solid, carbonaceous fuel (coal) containing non-combustible residues with an oxygen-containing gas (oxygen) and water vapor by reacting the reactants in a flow-through reaction chamber at a pressure of 7 atmospheres and above Temperatures lying at the melting point of the residue and subsequent extinguishing of the molten residue do not have the dimensioning of the outlet opening of the reaction space which is the characteristic of the present invention. In the known devices, too, the reactants are introduced into the upper part of the reaction chamber, and the molten residues, together with the entire gaseous products, are passed through a common outlet opening from the lower part of the reaction chamber into a closed quenching system which is under the same pressure as the reaction chamber and is arranged so that the molten residue can flow freely into water. The product gases are drawn off separately from the solidified slag and the water from the quenching system. In a known device, the dimension of the free cross-sectional area of the outlet opening of the reaction space is 0.3 6 times the cross-sectional area of the reaction chamber. In other known devices, the reaction space merges into the exit space without any constriction.

Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt,. daß das Ergebnis des Verfahrens von der Weite der Austrittsöffnung des Reaktionsraumes, verglichen mit der Weite des Reaktionsraumes selbst, abhängt. Ist die Auslaßöffnung enger als durch die Erfindung gekennzeichnet, so neigt sie dazu, zu verschlacken, wodurch die Auslaßöffnung verengt oder gar verstopft wird. Ist die Auslaßöffnung weiter als durch die Erfindung gekennzeichnet, da n-n hat das Verfahren nicht den angestrebten Wirkungsgrad, da die Reaktionszone durch Gase, die aus der Ablöschanlage zurückströmen und die eine relativ niedrige Temperatur haben, gekühlt wird.It has now surprisingly been found. that the result of the method of the width of the outlet opening of the reaction space, compared with the width of the reaction space itself, depends. Is the outlet opening narrower than characterized by the invention, it tends to slag, causing the outlet opening is narrowed or even blocked. Is the outlet opening wider as characterized by the invention, since n-n, the method did not achieve the desired result Efficiency because the reaction zone is caused by gases flowing back from the extinguishing system and which have a relatively low temperature, is cooled.

Diese Wärmeverluste kann man durch die Einschaltung des ringförmigen Sünses verhindern, weil dadurch ein Rückfluß kalter Gase in die Reaktionskammer unmöglich gemacht wird.This heat loss can be avoided by switching on the ring-shaped Prevent sweetness, because it prevents cold gases from flowing back into the reaction chamber is made impossible.

Die Anlage arbeitet am günstigsten unter erhöhten, d. h. zwischen 7 und 56 kg/cm2 liegenden Drücken und bei Temperaturen von mehr als etwa 1100'C, z. B. von 1200 bis 1760'C. Die wirksamen Temperaturen liegen, wie angedeutet, oberhalb des Schmelzpunktes der aus der Kohle entstehenden Asche, so daß eine Schlackenschmelze entsteht.The plant works best under elevated, i.e. H. pressures lying between 7 and 56 kg / cm2 and at temperatures of more than about 1100 ° C, e.g. B. from 1200 to 1760 ° C. The effective temperatures are, as indicated, above the melting point of the ash arising from the coal, so that a slag melt is formed.

Die Zeichnung zeigt teils im Schnitt einen Durchflußreaktor zur Vergasung von Kohle in suspendiertem Zustand.The drawing shows, partly in section, a flow reactor for gasification of coal in a suspended state.

Nach der Zeichnung befindet sich eine Gaserzeugungskammer 10 und eine Anlage 22 zum Ab- löschen und Ansammeln der Schlacke in einem einzigen Druckgefäß, das aus einem stählernen, zylindrischen Außenmantel mit einem halbelliptischen Kopfstück 7 und einem konischen Bodenstück 8 be- steht. Der Gaserzeuger besteht aus einer senkrechten, zylindrischen Kammer 10, die eine Isolierauskleidung 9 aus feuerfesten und isolierenden Baustoffen enthält, um den während des Verfahrens in der Reaktionszone 10 auftretenden hohen Temperaturen standzuhalten. Die Reaktionsteilnehmer führt man dem Oberteil des Gaserzeugers zu und zieht die erhaltenen Produktgase unten ab.Referring to the drawing there is a gas-generating chamber 10, and delete a device 22 for disconnecting and accumulating the slag in a single pressure vessel which is of a steel, cylindrical outer shell having a semi-elliptical head piece 7 and a conical bottom piece 8 sawn. The gas generator comprises a vertical, cylindrical comb he 10 containing a insulating lining 9 made of refractory and insulating materials, in order to withstand the occurring during the process in the reaction zone 10 high temperatures. The reactants are fed to the upper part of the gas generator and the product gases obtained are drawn off at the bottom.

Die feuerfeste Isolierauskleidung der Gaserzeugungszone wird von Blechnasen 12 getragen, von denen mehrere über die Innenwandung des Druckgefäßes verteilt sind. Ein innerhalb des Außenmantels angebrachter Zwischenmantel 13, der sich im Abstand von der Gefäßwandung befindet, grenzt einen ringförmigen Zwischenraum 14 ab, durch den Kühlwasser umlaufen kann, um die Gefäßwand zu kühlen und eine Überhitzung des Druckgefäßmantels zu verhüten. Das Kühlwassü fließt durch den Stutzen 16 in der Gefäßwand zu und durch den Stutzen 17 ab.The refractory insulating lining of the gas generation zone is supported by sheet metal noses 12, several of which are distributed over the inner wall of the pressure vessel. An intermediate jacket 13 attached inside the outer jacket, which is located at a distance from the vessel wall, delimits an annular gap 14 through which cooling water can circulate in order to cool the vessel wall and prevent overheating of the pressure vessel jacket. The Kühlwassü flows through the nozzle 16 in the vessel wall and out through the nozzle 17 .

DieReaktionstzünehmer, nämlichSauerstoff, Wasserdampf und Kohle, führt man in die Reaktionszone durch den Mischbrenner 18 ein, der einerseits einen Strom aus Wasserdampf und Kohle und anderseits getrennt davon einen Sauerstoffstrom eintreten läßt; diese Ströme vermischen sich nahe ihrer Einführungsstelle in die Reaktionszone miteinander. Das Gemisch der Reaktionsteilnehmer tritt zentral und axial in den Oberteil der Reaktionskammer 10 ein. Der Unterteil der Reaktionskammer mündet durch die Auslaßöffnung 21 unmittelbar in die verhältnismäßig kühle Schlackenablöschanlage 22.The reaction mixers, namely oxygen, water vapor and coal, are introduced into the reaction zone through the mixed burner 18 which, on the one hand, allows a flow of water vapor and coal and, on the other hand, a separate flow of oxygen to enter; these streams mix with one another near their point of introduction into the reaction zone. The mixture of reactants enters the upper part of the reaction chamber 10 centrally and axially. The lower part of the reaction chamber opens directly into the relatively cool slag quenching system 22 through the outlet opening 21.

Durch die Düse 23 tritt Abschreckwasser mit solcher Geschwindigkeit in den Schlackenabschreckraum 22 ein, daß darin unten ein Wassersumpf entsteht und erhalten bleibt. Die geschmolzene Asche, die sich bei der Erzeugung von Synthesegas durch Umsetzung von Kohle mit Wasserdampf und Sauerstoff in der Reaktionskammer 10 bildet, gelangt zusammen mit dem Produktgas durch den Auslaß 21 in die Schlackenablöschanlage, in der die Schlacke gleich in den Sumpf fällt, während das Produktgas durch die Auslaßdüse 24 abzieht. Die Schlacke, die zu Kügelchen oder kornartigen Teilchen erstarrt ist, wird zusammen mit überschüssigem Abschreckwasser durch den Ablaßstutzen 25 -unten ausgetragen.Quenching water enters the slag quenching chamber 22 through the nozzle 23 at such a speed that a water sump is created and maintained therein at the bottom. The molten ash, which is formed in the reaction chamber 10 during the production of synthesis gas by the reaction of coal with water vapor and oxygen, passes together with the product gas through the outlet 21 into the slag extinguishing system, in which the slag immediately falls into the sump Withdraws product gas through outlet nozzle 24. The slag, which has solidified into spheres or grain-like particles, is discharged together with excess quenching water through the discharge nozzle 25 -below.

Der Rückstrom kalter Gase aus der Ablöschkammer in den Reaktor und die damit verbundene unerwünschte Abkühlung des letzteren wird am wirksamsten durch den von dem Reaktormantel nach innen vorspringenden ringförmigen Sims aus feuerfestem Baustoff um die Auslaßöffnung herum verhindert. Dieser Ring lenkt den Strom der Gase entlang der Wand nach der Achse des Reaktors hin ab, wo der Mengenstrom aus heißen Produktgasen aus dem Reaktor nach der Ablöschkammer hin den Rücklauf der verhältnismäßig kühlen Gase in den Reaktor verhindert. Das Vorhandensein verhältnismäßig kühler Gase ist somit auf die Schlackenablöschzone beschränkt.The return flow of cold gases from the quenching chamber into the reactor and the associated undesirable cooling of the latter is most effective through the inwardly projecting annular ledge made of refractory Prevents building material around the outlet opening. This ring directs the flow of the Gases along the wall after the axis of the reactor down from where the mass flow from hot product gases from the reactor to the quenching chamber towards the return of the prevents relatively cool gases from entering the reactor. The presence proportionately cooler gases is therefore limited to the slag quenching zone.

Die Wirksamkeit des Generators für die Umwandlung von Brennstoffen in wertvolle Produkte, nämlich in Kohlerunonoxyd und Wasserstoff, kann durch seine »Kaltgas-Nutzwirkung« ausgedrückt werden. Die Kaltgas-Nutzwirkung ist als der Gesamtheizwert des Produktgases im Vergleich zu dem Heizwert des dem Gasgenerator zugeführten Brennstoffes zu definieren. Der Einfluß, den die Größe der lichten Querschnittsfläche des Auslasses von der Reaktionskammer nach der Schlackenablöschanlage auf die Wirksamkeit der Anlage hat, ist aus dem nachstehenden Vergleichsbeispielen erkennbar.The effectiveness of the generator for converting fuels into valuable products, namely carbon monoxide and hydrogen, can through its "Cold gas useful effect" can be expressed. The cold gas useful effect is expressed as the total calorific value of the product gas compared to the calorific value of the fuel supplied to the gas generator define. The influence that the size of the clear cross-sectional area of the outlet of the reaction chamber after the slag extinguishing system on the effectiveness of the System has, can be seen from the following comparative examples.

In den nachstehenden Beispielen wird in Wasserdampf suspendierte, gepulverte Kohle 315'C warm in einen zylinderförmigen Generator der oben beschriebenen Art eingeführt. In jedem Falle beträgt die Länge des Generators mindestens das Doppelte und nicht mehr als das Fünffache seines Durchmessers. Auf 426'C vorgewärmte Luft wird dem Generator gesondert zugeführt und der Kohle-Wasserdampf-Dispersion zugemischt. Der Generator wird in jedem Falle unter 28 kg/cm2 Druck betrieben, es kommen etwa 1 kg Wasserdampf und etwa 0,39 m3 Luft auf 1 kg Kohle. Die Einblasegeschwindigkeit der Kohle beträgt etwa 800 kg je Kubikmeter Reaktorvolumen.In the examples below, powdered coal suspended in steam is introduced at a temperature of 315 ° C. into a cylindrical generator of the type described above. In any case, the length of the generator is at least twice and not more than five times its diameter. Air preheated to 426 ° C is fed separately to the generator and mixed with the coal-water vapor dispersion. The generator is always operated at a pressure of 28 kg / cm2, there is about 1 kg of water vapor and about 0.39 m3 of air for 1 kg of coal. The injection speed of the coal is around 800 kg per cubic meter of reactor volume.

Die für diese Versuche benutzte Kohle hatte folgende Elementaranalyse: Kohlenstoff ........................ 77,3 Schwefel ........................... 2,6 Sauerstoff .......................... 5,4 Stickstoff .......................... 1,5 Wasserstoff ......................... 4,9 Asche ............................. 8,3 Die Zusammensetzung der Produktgase in Molprozent, bezogen auf trockenen Zustand der Gase, sind folgende: Wasserstoff .............. 11,8 15,5 15,1 Kohlenmonoxyd ......... 8,6 11,3 14,4 Kohlendioxyd ............ 13,6 14,3 11,0 Methan ................. 0,4 0,6 0,1 Stickstoff ................ 65,6 58,3 59,4 Verhältnis der Querschnitts- fläche des Auslasses zur Reaktorquerschnittsfläche 1,00 0,382 0,750 Verhältnis des Auslaßdurch- messers zum Reaktor- durchmesser ........... 1,00 0,618 0,865 Kaltgas-Nutzwirkung, "/, .. 39,1 53,5 61,3 Aus den Daten dieser Beispiele geht hervor, daß man eine erhöhte Nutzwirkung dann erreicht, wenn die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung auf Dreiviertel der Gesamtquerschnittsfläche des Reaktors verringert worden ist, daß aber eine weitere Verkleinerung der Querschnittsfläche des Auslasses auf 38 "/, der Reaktorquerschnittsfläche wenn überhaupt, so nur einen geringen zusätzlichen Vorteil erbringt. Mathematisch läßt sich errechnen, daß ein Rückfluß der Gase zu erwarten ist, wenn die lichte Querschnittsfläche der Auslaßöffnung mehr als 95 0/, der Querschnittsfläche des Reaktors beträgt; in diesem Falle geht die Temperatur des Reaktors übermäßig herab, und seine Leistung sinkt.The coal used for these experiments had the following elemental analysis: Carbon ........................ 77.3 Sulfur ........................... 2.6 Oxygen .......................... 5.4 Nitrogen .......................... 1.5 Hydrogen ......................... 4.9 Ashes ............................. 8.3 The composition of the product gases in mole percent, based on the dry state of the gases, is as follows: Hydrogen .............. 11.8 15.5 15.1 Carbon monoxide ......... 8.6 11.3 14.4 Carbon dioxide ............ 13.6 14.3 11.0 Methane ................. 0.4 0.6 0.1 Nitrogen ................ 65.6 58.3 59.4 Ratio of the cross-sectional area of the outlet to Reactor cross-sectional area 1.00 0.382 0.750 Ratio of the outlet knife to the reactor diameter ........... 1.00 0.618 0.865 Cold gas benefit, "/, .. 39.1 53.5 61.3 It can be seen from the data in these examples that increased efficiency is achieved when the cross-sectional area of the outlet opening is reduced to three quarters of the total cross-sectional area of the reactor, but that a further reduction in the cross-sectional area of the outlet to 38 ", if any, of the reactor cross-sectional area is possible. Mathematically it can be calculated that a reflux of the gases is to be expected if the clear cross-sectional area of the outlet opening is more than 95 % of the cross-sectional area of the reactor; in this case the temperature of the reactor drops excessively , and its performance drops.

Claims

Claim: Device for the production of carbon monoxide and hydrogen from a solid, carbonaceous fuel containing non-combustible residues by direct partial oxidation with unbound oxygen and water vapor while independently maintaining a temperature of about 1100 ° C and at temperatures above the melting point of the residues mentioned, in which the fuel present in the form of fine solid particles reacts with the gaseous reactants in such a way that it is suspended in these reactants and in the resulting reaction products, which device consists of a vertical outer pressure vessel with a reaction chamber in its upper part and a system for extinguishing and There is accumulation of the slag in its lower part, the reaction chamber having the shape of a vertical cylinder and lined with refractory thermal insulation and an axially arranged inlet opening has voltage for the reactants at its upper end and at the bottom in a Schlackenablöschanlage opens, g e k ennzeichnet d urch an annular ledge made of fireproof building material that protrudes from the inner wall of the reaction chamber at its lower end inwardly such that the reaction chamber from the Ablöschkammer is separated and a free opening remains, the free cross-sectional area of which is 0.4 to 0.95 times the cross-sectional area of the reaction chamber. Documents considered: German Patent No. 765 992; German patent changes Sch 8064 V / 24e (published on August 13, 1953), S 20692 V / 24e (published on October 25, 1951); British Patent No. 718 410; Magazine Jron and Coal Trades Review, "Vol. 164 (1954), Issue 4501, pp 137-141.