DD215325A1 - Verfahren zur vergasung fester kohlenstofftraeger - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Vergasung fester Brennstoffe auf plasmachemischem Wege und dient dazu, die technisch-oekonomischen Kennziffern von Verfahren zur Umwandlung fester fossiler Brennstoffe oder anderer Kohlenstofftraeger in veredelte Produkte umfassend zu verbessern und neue Wege bei der komplexen und rationellen Nutzung der zur Verfuegung stehenden Kohlenstoff- bzw. Wasserstoffsubstanz fuer sowohl stoffliche als auch energetische Zwecke zu beschreiten. Es werden Verfahren vorgeschlagen, die auf der plasmachemischen Vergasung fester Kohlenstofftraeger mit CO2 und/oder Wasserdampf oder diese Gase enthaltenden Gasgemischen basieren und als Produkte Synthese-, Heiz- oder Reduktionsgas, dessen Zusammensetzung gezielt eingestellt werden kann, Teer sowie hoehere Kohlenwasserstoffe liefern. Dabei werden der spezifische Energie- und Rohstoffverbrauch gesenkt und die Raum/Zeitausbeute erhoeht.{Plasmachemie; Vergasung; feste Brennstoffe; Kohlenstofftraeger; Synthesegas; Heizgas; Reduktionsgas}

Description

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Verfahren zur Vergasung von festen Kohlensto ffträgern

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar im Bereich der chemischen Industrie, in der Kraftwerkstechniki der Metallurgie und in anderen Industriezweigen, in denen ein Bedarf an Synthese-, Reduktions- oder Heizgas bestimmter Zusammensetzung zur stofflichen oder energetischen Nutzung vorliegt und flüssige Kohlenwasserstoffe bzw. Teer, sinnvoll weiter verwendet werden können. Als Rohstoff kommt vorzugsweise Braunkohle, aber auch andere feste Kohlenstoffträger mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zum Einsatz.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Vergasung von Kohle existieren eine ganze Reihe gebräuchlicher Verfahren, die unter verschiedenen restriktiven Randbedingungen arbeiten. Dabei werden insbesondere bestimmte Anforderungen an die Kohlequalität und -beschaffenheit gestellt. Die erforderliche Prozeßwärme wird bei einem Teil der bekannten Lösungen durch partielle Verbrennung der Einsatzkohle bzw. durch Staubverbrennung außerhalb des Vergasungs'reaktors gewonnen, wobei sich der Ausnutzungsgrad der zur Verfügung stehenden Kohlenstoffsubstanz wesentlich verschlechtert und größere Mengen CO₂ als Verbrennungsprodukt im Produktgas vorliegen können. Als Oxidationsmittel yvird neben Luft vor allen Dingen Sauerstoff eingesetzt, zu dessen Erzeugung hohe energietische und apparative Aufwen-

düngen nötig sind. Brennstoffbeheizte Vergasungsverfahren, die mit den Vergasungsmitteln COp oder l-UO-Dampf arbeiten, erfordern in den meisten Fällen ebenfalls die Präsenz von Sauerstoff im Vergasungsmittelstrom und laufen hauptsächlich unter Druck ab· Es sind Prozesse bekannt, die mit überhitztem Dampf betrieben werden, der außerhalb des Reaktors indirekt mit Hilfe eines inerten Wärmeübertragungsmediums oder im Kreislauf eines Dampfkraftwerkes erzeugt wird, wobei im ersten Fall nur ein Teil des überhitzten Wasserdampfes umgesetzt werden kann. Dabei entstehen vorwiegend sehr wasserstoff reiche Produktgase, die größere Mengen nicht umgesetzten Dampfes enthalten. Gleichzeitig wird ein großer Anteil des in der Kohle enthaltenen Kohlenstoffes nicht in die Gasphase überführt. Das ist u. a. auf die vergleichsweise niedrige Reaktionstemperatur zurückzuführen. Des weiteren existieren Verfahrensvorschläge mit indirekter Beheizung des Vergasungsreaktors, z. B. durch die Abwärme eines Kernreaktors. Der Einsatz von elektrischer Energie für die Brennstoffvergasung ist lediglich in Form eines durch elektrische Widerstände beheizten Reduktionsgasgenerators bekannt.

Neben den bereits genannten Nachteilen wird mit konventionellen Verfahren eine vergleichsweise geringe Raum/Zeit-Ausbeute erzielt. Auf Grund kleiner Temperaturgradienten im Reaktor ist der Anfall von Teeren und flüssigen Kohlenwasserstoffen relativ gering. Die Überführungsgrade der Kohlenstoff- bzw. Wasserstoffsubstanz von Brennstoff bzw. Vergasungsmittel in das Synthesegas sind verhältnismäßig klein..

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es daher, Synthese-, Heiz- oder Reduktionsgas mit in weiten Grenzen einstellbarem C0/H₂~ Verhältnis und in Verbindung damit nutzbare Teere und flüssige Kohlenwasserstoffe auf der Basis von Kohle und anderen Kohlenstoffträgern unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung herzustellen.

Weiterhin sollen folgende Zielstellungen erreicht werden:

1. Erhöhung der Raum/Zeit-Ausbeute der Vergasung

2. Maximale stoffliche Nutzung der mit der Kohle oder einem anderen festen Kohlenstoffträger in den Prozeß eingebrachten Kohlenstoff- und Wasserstoffsubsi^anz

3. Erhöhung der Ausbeute an Kohlenwasserstoffen und Teer

4. Senkung des spezifischen Energieverbrauches

5. Senkung des spezifischen Kohleverbrauches

6. Nutzung des hohen Enthalpieinhaltes des abströmen- den Vergasungsgases zur Vorheizung und Entgasung des zu vergasenden Materials

7. Vollständiger Wegfall der aufwendigen Sauerstofferzeugung

8. Möglichkeit der Einstellung einer geforderten Synthesegaszusammensetzung unabhängig von der Brennstoffzusammensetzung und zur Anpassung an den konkreten Anwendungsfall.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur komplexen stofflichen Nutzung der Kohlenstoff- und Wasser-Stoff substanz _tvpn Braunkohle und anderen Kohlenstoffträgern zu entwickeln. Eine Verbrennung der Kohle wird umgangen und eine stofffreie Energiezufuhr realisiert. Der Einsatz von Sauerstoff ist nicht erforderlich. Die Zusammensetzung des Vergasungsgases kann in weiten'Grenzen gezielt eingestellt werden. Der erhöhte Anfall von flüssigen Kohlenwasserstoffen und Teer beeinflußt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens positiv. Die Einsatzkohle bedarf außer einer gegebenenfalls nötigen Zerkleinerung oder Vortrocknung bei sehr feuchten Kohlen keiner ,weiteren Vorbehandlung. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein in bekannter Weise mit Hilfe eines Plasmatrons (z. B. Lichtbogenplasmatron) oder unmittelbar im Reaktor erzeugtes Niedertemperaturplasma eines geeigneten Plasmagases in Kontakt mit einem Festbett oder einer teilweise als Festbett.vorliegenden Schüttung des zu vergasenden Einsatzstoffes gebracht wird.

Das Niedertemperaturplasma besitzt eine mittlere Massentemperatur von vorzugsweise 1500 K bis 10000 K, liegt partiell dissoziiert vor und enthält äußerst reaktionsfähige Radikale, die fähig sind, sämtliche chemischen Bindungen im Kohlenstoffträger aufzubrechen und damit einen hohen Umsatz der Kohlen- bzw. Wasserstoffsubstanz in »die Zielprodukte zu gewährleisten. Die hohen Temperaturen gewährleisten eine wesentliche Intensivierung des Prozesses, d. h. sehr kleine Reaktionszeiten. Das Plasma wird im Gegenstrom zum Feststoff, geführt. Die bei der wesentlich stärkeren Entgasung ßei hohen Temperaturgradienten zwischen Gas und Feststoff freigesetzten Kohlenwasserstoffe werden dadurch vom abströmenden Synthesegas mitgeführt und nicht in Kohlenmonoxid bzw. Wasserstoff überführt. Als Plasmagase kommen C0_? und/oder H₂0-Dampf bzw. Gemische von CO- und/oder HpO-Dampf mit inerten Trägergasen, wie N₂ oder Ar, zur Anwendung. Der Wasserstoff- bzw. Kohlenstoff des Plasmagases geht zuzüglich zu dem des festen Kohlenstoff trägers in großer Menge in die &ielprodukte ein., Wird ein Gemisch von H₂0-Dampf mit CO₂ (auch unter Anwesenheit von Inerten) als Plasmagas verwendet, kann durch Variation des CO^H^-Verhältnisses das gewünschte C0/H₂-Verhältnis im Synthesegas gezielt eingestellt werden. Wird als Plasmagas H₂0-Dampf rein, oder im Gemisch mit CO₂ und/ oder Inerten benutzt, wird die Wasserdampferzeugung auf konventionelle Weise vorgenommen. Eine weitere energetische Verbesserung des Prozesses läßt sich erreichen, wenn bereits Abdampf oder C0_- und/oder HpO-haltige Abgase aus anderen Prozessen als Plasmagase verwendet werden. Die Festbettschüttung läßt sich in Vergasungszone, Entgasungszone und Trocknungszone einteilen, wobei der Energieinhalt des die Vergasungszone verlassenden heißen Vergasungsgases zur Entgasung, Trocknung und Vorwärmung der nachfolgenden Kohleschichten genutzt wird. Verläßt das Vergasungsgas den Reaktor mit Temperaturen zwischen 500 K und 1000 K, so kann sein Energieihhalt z. Ö. zur Dampferzeugung energetisch genutzt werden. Das Vergasungsgas besteht aus CO₁ H₂, höheren

Kohlenwasserstoffen und Teernebeln sowie aus u. U. nicht umgesetztem HpO oder CO , die nach Abscheidung erneut dem Plasmatron zugeführt werden können. Teer und höhere Kohlenwasserstoffe werden aus dem Synthesegas auskondensiert.

Ein in der beschriebenen Weise betriebener kombinierter Ver- bzw. Entgasungsreaktor besitzt keine Wärmeübertragungsflächen, die einer Verkrustung unterliegen könnten. Aus diesem Grunde macht sich das Vorhandensein yon NaCl bzw. KCl im festen Einsatzstoff nicht störend bemerkbar, so daß die Möglichkeit des Einsatzes von Salzkohle gegeben ist· Ist der Anfall von Kohlenwasserstoffen im Produktgas nicht erwünscht, kann ein kohlenwasserstoff freies Vergasungsgas durch eine Gleichstromführung von Plasma und Kohle gewonnen werden. /

Erfindungsgemäß ist das Verfahren für alle kohlenstoffhaltigen festen Materialien unterschiedlicher Qualität nutzbar.

AusführungsbeispieIe

1. Vergasung mit CO₀ als Plasmagas

Braunkohle mit einem Wassergehalt von 10 Ma-%, einem Kohlenstoffgehalt von 55.87 Ma~% sowie einem Wasserstoffgehalt von 5.06 Ma-% wird im C0_o-Plasma mit einem Plasma-Kohle-Stromverhältnis von 0.013 kmol (0.312 m bei T = 293 K, ρ = 101 kPa) CO-, je kg Kohle vergast. Die Einsatzkohle liegt im Teilchengrößenbereich von 1.25 ... 6 mm vor. Das COp-Plasma wird in einem Lichtbogenplasmatron erzeugt und tritt mit«einer Temperatur von 2900 K entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Feststoffschüttung in diese ein. Der molare Energieeintrag in das Plasmagas nimmt den Wert 249.3 kO/mol Plasmagas an. Die Zusammensetzung des die Schüttung verlassenden Synthesegases beträgt:

CO : 74 Vol-%

H₂ f : 16.22 Vol-% . CH₄ : 1.36 Vol-%

CO₂ ; 5.47 Vol-%. .

Es sind weiterhin noch geringe Mengen an höheren Kohlenwasserstoffen enthalten

Folgende Prozeßkennzahlen werden erreicht:

1. Der Energieaufwand für Im (T = 273 K₁ ρ = 101 kPa) Reingas (CO und H₂) beträgt 0.79 kWh.

2. Die Ausbeute an flüssigen Kohlenwasserstoffen und Teer liegt bei 0.16 kg Kohlenwasserstoffe und Teer pro kg Einsatzkohle·

3« Der Oberführungsgrad des Kohlenstoffes der Einsatzkohle in gasförmige und flüssige Zielprodukte (CO, Kohlenwasserstoffe und Teer) beträgt 1.27 kg Kohlenstoff je kg Kohlenstoff der Einsatzkohle. Der Differenzbetrag entstammt der .'Überführung von Kohlenstoff anteilen des C0_o-Plasmas in die Zielprodukte.

4. Der Kohleverbrauch zur Produktion von Im (T = 273 K₁

ρ = 101 kPa) Reingäs (CO + H₂) beträgt 0.879 kg.

5. Die integrale Raum/Zeit-Ausbeute an Reingas (CO + H₂) beträgt 8.29 m³ (T = 273 K, ρ = 101 kPa) je m³ Reaktorvolumen und Sekunde. |

Der Wasserstoffanteil der Einsatzkohle wird zu je 50 % in H₂ des Synthesegases und Kohlenwasserstoffe überführt.

2. Vergasung mit H^O-Dampf als Plasmagas Lauchhammerkohle mit einem Anfangswassergehalt von 10 Ma-% und einer Elementarzusammensetzung von 62.5 Ma--^ Kohlenstoff, 4.47 Ma-% Wasserstoff und 27.17 Ma-% Sauerstoff wird mit einem Plasmastrom von 0.0411 kmol (0.74 kg) H₂O-Plasmagas je kg Kohle vergast. Die Einsatzkohle liegt im Fraktionsbereich von 0.8 ··· 1 mm Partikeldurchmesser vor. Das HgO-Plasma tritt mit einer Temperatur von 2640 K und der entsprechenden Enthalpie in die Kohleschüttung ein und bewegt sich im Gegenstrom zur Kohle. Der molare Energieeintrag beträgt 137.297 k3 je mol Plasmagas.

Das produzierte Synthesegas setzt sich zusammen aus:

H2 *	50	.14	VoI-B
CÖ :	43	.51	VoI-B
CH4 :	. 2	voi-B
CO2 :	3	voi-B

und höheren Kohlenwasserstoffen.

Es werden folgenden Prozeßkennzahlen festgestellt:

1. Der Energieaufwand zur Gewinnung von Im (T = 273 K, ρ = 101 kPa) Reingas (CO +H₂) beträgt 0.7 kWh.·

2. Die Teerausbeute beträgt 0.17 kg Teer je kg Kohle.

3. Die Wasserstofferzeugung, bezogen auf den Wasserstoffgehalt der Einsatzkohle, beträgt 2.39 kg Wasserstoff (Synthesegas) je kg Wasserstoff in der Einsatzkohle.

4. Der Kohleverbrauch für 1 m (T = 273 K, ρ = 101 kPa)

Reingas (CO + H₀) beträgt 0.447 kg.

5. Der'Dampfverbrauch zur Produktion von 1 m (T = 273 K,

ρ a 101 kPa) Reingas (CO + H₂) liegt bei 0.33 kg H₂0-Dampf·

6. Die integrale Raum/Zeit-Ausbeute beträgt 9.153 m (T = 273 K, ρ a 101 kPa) Reingas (CO + H₂) je m³ Reaktorvolumen und Sekunde.

Der Kohlenstoff der Einsatzkohle wird Vollständig umgesetzt und zu 66 % in CO und zu 25 % in Teer und Kohlenwasserstoffe überführt.

Ein Vergleich der Kennzahlen beider Varianten mit denen konventioneller Verfahren läßt wesentliche Verbesserungen hinsichtlich Ausbeute, Vergasungsmitteleinsatz und energetischer Aufwendungen erkennen. Die Produktion von Zusatzstoffen (Sauerstoff) entfällt. Es können statt dessen Abgase bzw. -dämpfe anderer Prozesse, die Wasserdampf und/oder CO₂ enthalten und sich auf einem niedrigen energetischen Niveau befinden, eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Erfindungdanspruch .

   1. Verfahren zur Vergasung von festen Kohlenstoffträgern, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Kohlenstoffträger, vorzugsweise Braunkohle, dem in einem Plasmatron erzeugten Niedertemperaturplasmastrahl eines plasmabildenden Gases oder Gasgemisches, vorzugsweise C0_ und/oder H-O-Dampf, dessen Temperatur zwischen 1500 K und 10000 K liegt, ausgesetzt und in diesem ver- und entgast sowie getrocknet wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der feste Kohlenstoff träger in einem Festbett oder einer partiell als Festbett ausgebildeten Schüttung oder einem Wirbelbett vom Plasma durchströmt wird.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma im Gegenstrom zur Schüttung geführt wird, wobei es in der Entgasungszone, bedingt durch hohe Temperaturgradienten zwischen Plasmagas und Feststoff zu einer besonders intensiven Entgasung des Feststoffes kommt.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des produzierten Synthesegases durch gezielte Dosierung des H₂O- bzw. CO₂-Stromes im Plasmagas unabhängig von der Feststoffzusammensetzung und Qualität und in Abhängigkeit von den praktischen · Anforderungen eingestellt wird.
5. 5. Verfahren nach Punkt ^' dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des Anfalls von Teer und Kohlenwasserstoffen das Plasma im Gleichstrom mit dem Feststoff geführt und der Phasenkontakt in Form eines Festbettes, partiellen Festbettes, Wirbelbettes oder einer Flugstaubwolke realisiert wird·
6. 6. Verfahren nach , Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Plasmagas oder Plasmagasgemisch inerte Gase enthalten sind.
7. 7. Verfahren .nach / Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl direkt im Reaktor, z.¹ B. mit Hilfe eines Lichtbogens, erzeugt wird.
8. 8. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß als plasmabildende Gase CO₂- und/oder H„0-haltige Abgase oder -dämpfe anderer Prozesse benutzt werden.