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Europäisches Patentamt
European Patent Office ® Veröffentlichungsnummer: 0 1 1 9 6 4 8 Office european des brevets
EUROPAISCHE P A T E N T A N M E L D U N G
Anmeldenummer: 84200284.2 @ Int. Cl.3: C 10 J 3/02, C 10 J 3 / 5 4 Anmeldetag: 01.03.84
© Prior itat: 22.03.83 DE 3310220 @ Anmelder: METALLGESELLSCHAFTAG,
Reuterweg 14 Postfach 3724, D-6000 Frankfurt/M.1 (DE)
@ Erfinder: Rudolph, Paul, Friedrichsdorfer Strasse 17,
@ Veroffentlichungstag der Anmeldung: 26.09.84 D-6380 Bad Homburg (DE)
Patentblatt 84/39 Erfinder: Hirsch, Martin, Roemerstrasse 7,
D-6382 Friedrichsdorf 4 (DE)
@ Vertreter: Fischer, Ernst, Dr., Reuterweg 14,
@) Benannte Vertragsstaaten: DE FR GB NL D-6000 Frankfurt am Main 1 (DE)
Verfahren zum Vergasen fester Brennstoffe im Wanderbett und im Wirbelbett.
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Im Wanderbett werden grobkörnige feste Brennstoffe unter einem Druck von 5 bis 150 bar mit Sauerstoff, Wasser- dampf und gegebenenfalls Kohlendioxid vergast. Dabei entsteht ein Produktgas mit Temperaturen von 250 bis 700 °C, das man auf Temperaturen im Bereich von 120 bis 220 °C kühlt, so dass sich ein wasserhaltiges Schwelpro- dukte enthaltendes Kondensat (Gaswasser) bildet. Das Gaswasser der Wanderbettvergasung wird mindestens teil- weise entspannt; den gebildeten Entspannungsdampf leitet man in die Wirbelbettvergasung. Im Wirbelbett werden fein- körnige feste Brennstoffe bei niedrigerem als dem im Wan- derbett herrschenden Druck vergast.
Der in das Wirbelbett geleitete Entspannungsdampf deckt den Bedarf an Wasserdampf in der Wirbeibettverga- sung mindestens zur Hälfte. Der im Produktgas der Wirbel- bettvergasung enthaltende Wasserdampf wird durch Küh- lung kondensiert, das Kondensat wird getrennt vom Gas- wasser der Wanderbettvergasung behandelt.
Die E r f i n d u n g b e t r i f f t ein V e r f a h r e n zum V e r g a s e n f e s t e r B r e n n s t o f f e mit S a u e r s t o f f , W a s s e r d a m p f und g e g e b e n e n f a l l s K o h l e n d i o x i d e n t h a l t e n d e n V e r g a s u n g s m i t t e L n im W a n d e r b e t t und im W i r b e L b e t t , dabei v e r g a s t man g r o b k ö r n i g e f e s t e B r e n n - s t o f f e u n t e r e i n e m Druck von 5 - 150 bar im W a n d e r b e t t , d a s s i c h l a n g s a m nach u n t e n b e w e g t , in das d i e V e r g a s u n g s m i t t e l von u n t e n e i n g e l e i t e t und u n t e r dem die u n v e r b r e n n l i c h e n m i n e r a l i s c h e n B e s t a n d t e i l e a l s f e s t e Asche o d e r f l ü s s i g e S c h l a c k e a b g e z o g e n w e r d e n , und z i e h t aus der W a n d e r b e t t - V e r g a s u n g ein P r o d u k t g a s mit T e m p e r a t u r e n von 2 5 0 - 7 0 0 ° C
ab, k ü h l t das P r o d u k t g a s auf T e m p e r a t u r e n im B e r e i c h von 1 2 0 - 220°C und b i l d e t dabei ein w a s s e r h a l t i g e s , S c h w e l p r o d u k t e
e n t h a l t e n d e s K o n d e n s a t ( G a s w a s s e r ) , f e i n k ö r n i g e f e s t e B r e n n - s t o f f e w e r d e n im W i r b e l b e t t bei n i e d r i g e r e m a l s dem im W a n d e r - b e t t h e r r s c h e n d e n Druck v e r g a s t und e i n P r o d u k t g a s m i t
T e m p e r a t u r e n von 8 0 0 - 1 2 0 0 ° C e r z e u g t .
Die V e r g a s u n g f e s t e r B r e n n s t o f f e , i n s b e s o n d e r e K o h l e , B r a u n - k o h l e o d e r T o r f , im W a n d e r b e t t ( g e l e g e n t l i c h auch a l s F e s t - b e t t b e z e i c h n e t ) o d e r auch im W i r b e l b e t t i s t b e k a n n t . D i e W a n d e r b e t t - V e r g a s u n g i s t z . B . in U t t m a n n s E n c y k L o p ä d i e d e r
t e c h n i s c h e n C h e m i e , 4. A u f l a g e ( 1 9 7 7 ) , Band 14, S e i t e n 3 8 3 - 386, d a r g e s t e l l t . E i n z e l h e i t e n d i e s e r b e k a n n t e n V e r g a s u n g s - m e t h o d e k ö n n e n den U S - P a t e n t s c h r i f t e n 3 5 4 0 8 6 7 und 3 854 8 9 5 e n t n o m m e n w e r d e n . Die V e r g a s u n g f e s t e r B r e n n s t o f f e im
W a n d e r b e t t mit Abzug f l ü s s i g e r S c h l a c k e i s t in den b r i t i s c h e n P a t e n t s c h r i f t e n 1 507 905, 1 506 671 und 1 512 677 b e s c h r i e - ben. Aus der U S - P a t e n t s c h r i f t 4 347 064 und der d e u t s c h e n
O f f e n l e g u n g s s c h r i f t 31 13 993 k e n n t man die V e r g a s u n g i n der z i r k u l i e r e n d e n W i r b e l s c h i c h t . Ein g e k o p p e l t e s V e r f a h r e n , bei dem d i e W a n d e r b e t t - und d i e W i r b e l b e t t - V e r g a s u n g z u s a m - m e n w i r k e n , i s t in der d e u t s c h e n O f f e n l e g u n g s s c h r i f t 31 38 124
b e s c h r i e b e n .
Für d i e V e r g a s u n g im W a n d e r b e t t muß der k ö r n i g e B r e n n s t o f f b e v o r z u g t K o r n g r ö ß e n im B e r e i c h von 3 - 80 mm a u f w e i s e n , d a m i t das B e t t g e n ü g e n d G a s d u r c h L ä s s i g k e i t b e s i t z t . Mit d e r V e r g a s u n g f e s t e r B r e n n s t o f f e im W a n d e r b e t t s i n d hohe D u r c h - s a t z L e i s t u n g e n und e i n h o h e r W i r k u n g s g r a d v e r b u n d e n , d o c h
i s t das Rohgas r e i c h an S c h w e l p r o d u k t e n . Dies i s t e i n e F o l g e d e r Anwendung des G e g e n s t r o m p r i n z i p s , w e l c h e s dazu f ü h r t , daß d i e T e m p e r a t u r e n des R o h g a s e s beim V e r l a s s e n des B r e n n - s t o f f b e t t e s r e l a t i v n i e d r i g s i n d und z u m e i s t im B e r e i c h von e t w a 3 0 0 - 650°C L i e g e n . Bei d i e s e n T e m p e r a t u r e n werden d i e
im o b e r e n T e i l des B r e n n s t o f f b e t t e s e n t w e i c h e n d e n S c h w e l - p r o d u k t e , wie T e e r , Öl, N a p h t h a , P h e n o L e und F e t t s ä u r e n , n i c h t z e r s e t z t , s o n d e r n b l e i b e n im R o h g a s , das den G a s - e r z e u g e r v e r l ä ß t . Bei der a n s c h l i e ß e n d e n KühLung des R o h -
g a s e s k o n d e n s i e r t e i n g r o ß e r T e i l d i e s e r S c h w e t p o d u k t e z u s a m m e n mit dem W a s s e r d a m p f und b i l d e t ein K o n d e n s a t , d a s man G a s w a s s e r n e n n t .
Das G a s w a s s e r muß aus dem V e r f a h r e n a b g e z o g e n und a u f g e - a r b e i t e t w e r d e n . Dies g e s c h i e h t in b e k a n n t e r Weise z . B . i n A n l a g e n zur E n t f e r n u n g der P h e n o L e d u r c h E x t r a k t i o n , z u r E n t f e r n u n g des Ammoniaks d u r c h S t r i p p e n und zur e n d g ü l t i g e n E n t f e r n u n g von r e s t l i c h e n P h e n o l e n und F e t t s ä u r e n in e i n e r b i o l o g i s c h e n R e i n i g u n g .
Der E r f i n d u n g L i e g t nun die A u f g a b e z u g r u n d e , die E e h a n d L u n g des G a s w a s s e r s zu v e r e i n f a c h e n . Dies g e s c h i e h t beim e i n g a n g s g e n a n n t e n V e r f a h r e n e r f i n d u n g s g e m ä ß d a d u r c h , daß man d a s G a s w a s s e r der W a n d e r b e t t - V e r g a s u n g m i n d e s t e n s t e i l w e i s e e n t - s p a n n t und den g e b i l d e t e n E n t s p a n n u n g s d a m p f in d i e W i r b e L - b e t t v e r g a s u n g l e i t e t . Vor der E n t s p a n n u n g b e f i n d e t s i c h d a s G a s w a s s e r e t w a u n t e r d e m Druck der W a n d e r b e t t - V e r g a s u n g .
Die E n t s p a n n u n g kann b e v o r z u g t um m i n d e s t e n s 2 bar bis zu e i n e m Druck e r f o l g e n , der noch ü b e r dem Druck in der W i r b e L -
b e t t - V e r g a s u n g l i e g t .
Der w e s e n t l i c h e B e s t a n d t e i l des E n t s p a n n u n g s d a m p f e s i s t
W a s s e r d a m p f , der in der W i r b e l b e t t - V e r g a s u n g a l s V e r g a s u n g s - m i t t e l w i r k t . A u ß e r d e m w e r d e n der W i r b e L b e t t - V e r g a s u n g n o c h S a u e r s t o f f o d e r L u f t z u g e f ü h r t . Der E n t s p a n n u n g s d a m p f e n t - h ä l t Dämpfe von P h e n o L e n , F e t t s ä u r e n und Ammoniak, die b e i den im W i r b e l b e t t r e a k t o r h e r r s c h e n d e n T e m p e r a t u r e n z u s a m m e n mit der Kohle v e r g a s t w e r d e n . Die A u s t r i t t s t e m p e r a t u r e n d e s R o h g a s e s aus der W i r b e L b e t t - V e r g a s u n g l i e g e n im B e r e i c h v o n 800 bis 1 2 0 0 ° C .
Mit dem in das W i r b e l b e t t g e l e i t e t e n E n t s p a n n u n g s d a m p f k a n n der B e d a r f an W a s s e r d a m p f a l s V e r g a s u n g s m i t t e l zu m i n d e s t e n s 50% g e d e c k t w e r d e n . Z w e c k m ä ß i g e r w e i s e s o r g t man d a f ü r , d a ß d i e Menge an g e b i l d e t e m E n t s p a n n u n g s d a m p f den g e s a m t e n W a s - s e r d a m p f b e d a r f der W i r b e l s c h i c h t v e r g a s u n g d e c k e n k a n n .
D a r ü b e r h i n a u s kann w e i t e r e r E n t s p a n n u n g s d a m p f in d a s
W i r b e l b e t t g e l e i t e t w e r d e n , d e s s e n W a s s e r d a m p f a n t e i l n i c h t mehr z e r s e t z t und nur noch zur K o n v e r t i e r u n g s r e a k t i o n w ä h r e n d der Vergas.ung g e n u t z t wird (CO + H20 = C02 + H2). Aber a u c h aus d i e s e m W a s s e r d a m p f w e r d e n P h e n o l e und F e t t s ä u r e n e n t - f e r n t .
Nach A b k ü h l u n g des R o h g a s e s der W i r b e l b e t t - V e r g a s u n g f ä l l t e i n K o n d e n s a t an, das f r e i von o r g a n i s c h e n B e s t a n d t e i l e n i s t und a l l e n f a l l s noch e i n e n g e r i n g e n A n t e i l an a n o r g a n i s c h e n S t o f f e n e n t h ä l t . D i e s e s w ä ß r i g e K o n d e n s a t kann mit d e n g l e i c h e n V e r f a h r e n , wie man s i e für ü b l i c h e s F r i s c h w a s s e r a n w e n d e t , zu K ü h l w a s s e r o d e r S p e i s e w a s s e r a u f b e r e i t e t w e r d e n .
Die Menge an g e b i l d e t e m E n t s p a n n u n g s d a m p f s t e i g t mit d e r Menge an zu e n t s p a n n e n d e m G a s w a s s e r und s i e w ä c h s t mit d e r T e m p e r a t u r d i f f e r e n z , die das G a s w a s s e r vor und nach d e r K o n d e n s a t i o n a u f w e i s t . D e s h a l b i s t es v o r t e i l h a f t , von dem
nach der E n t s p a n n u n g ü b r i g b l e i b e n d e n G a s w a s s e r m ö g t i s c h t v i e l bei m ö g l i c h s t h o h e r T e m p e r a t u r in das aus dem W a n d e r b e t t - V e r g a s e r kommende h e i ß e Rohgas e i n z u s p r ü h e n . Das E i n s p r ü h e n e r f o l g t ü b l i c h e r w e i s e in e i n e m an den V e r g a s u n g s r e a k t o r a n g e s c h l o s s e - nen W e s c h k ü h l e r . In d i e s e m W a s c h k ü h l e r w i r d h i e r d u r c h das R o h - gas g e k ü h l t und mit W a s s e r d a m p f g e s ä t t i g t . In e i n e m a n s c h l i e ß e n - den A b h i t z e k e s s e l z i e h t man das g e b i l d e t e G a s w a s s e r ab. Um d i e T e m p e r a t u r des noch n i c h t e n t s p a n n t e n G a s w a s s e r s nach dem V e r -
L a s s e n des W a s c h k ü h l e r s m ö g l i c h s t hoch zu h a l t e n und d a d u r c h beim T e i l e n t s p a n n e n m ö g l i c h s t v i e l E n t s p a n n u n g s d a m p f zu e r - z e u g e n , kann man das zum W a s c h k ü h l e r z u r ü c k z u f ü h r e n d e G a s - w a s s e r e r h i t z e n , wobei s i c h Abwärme v e r w e r t e n L ä ß t . Auf d i e s e W e i s e s t e h t s t e t s e i n e g r o ß e Menge an G a s w a s s e r mit g e n ü g e n d
h o h e r T e m p e r a t u r zum E n t s p a n n e n o d e r T e i l e n t s p a n n e n zur V e r - f ü g u n g .
Die Z e i c h n u n g z e i g t A u s f ü h r u n g s m ö g L i c h k e i t e n des V e r f a h r e n s . Im V e r g a s u n g s r e a k t o r 1 wird k ö r n i g e Kohle aus der L e i t u n g 2 in an s i c h b e k a n n t e r Weise im W a n d e r b e t t u n t e r einem D r u c k von 5 b i s 150 bar v e r g a s t , wobei man von u n t e n d u r c h d i e
L e i t u n g 3 W a s s e r d a m p f und d u r c h die L e i t u n g 4 S a u e r s t o f f o d e r auch L u f t z u f ü h r t . U n v e r b r e n n L i c h e B e s t a n d t e i l e w e r d e n d u r c h d i e L e i t u n g 5 e n t f e r n t . Das Rohgas der V e r g a s u n g wird i n e i n e m W a s c h k ü h l e r 6 mit G a s w a s s e r a u s der L e i t u n g 7 i n t e n s i v
in B e r ü h r u n g g e b r a c h t und d a b e i auf T e m p e r a t u r e n im B e r e i c h von 140 b i s 230°C g e k ü h l t , wobei e i n e A u f s ä t t i g u n g mit W a s s e r - dampf e r f o l g t . Durch d i e L e i t u n g 8 g e l a n g t das w a s s e r d a m p f - h a l t i g e R o h g a s zusammen mit e r w ä r m t e m G a s w a s s e r zum A b h i t z e - k e s s e l 9, wo das Rohgas w e i t e r i n d i r e k f g e k ü h l t w i r d . A l s K ü h L m i t t e L d i e n t S p e i s e w a s s e r aus der L e i t u n g 10, der g e b i l - d e t e W a s s e r d a m p f wird in der L e i t u n g 20 a b g e z o g e n . Das P r o d u k t - gas v e r l ä ß t den A b h i t z e k e s s e L 9 d u r c h d i e L e i t u n g 1 1 .
Im Sumpf des A b h i t z e k e s s e l s 9 s a m m e l t s i c h G a s w a s s e r m i t T e m p e r a t u r e n im B e r e i c h von 120 bis 2 2 0 ° C , das noch e t w a u n t e r d e m D r u c k s t e h t , wie er auch im V e r g a s u n g s r e a k t o r 1 h e r r s c h t . D i e s e s G a s w a s s e r f l i e ß t in der L e i t u n g 12 zu e i n e m
E n t s p a n n u n g s b e h ä l t e r 13, wo e i n e E n t s p a n n u n g auf e i n e n um m i n d e s t e n s 2 bar n i e d r i g e r e n Druck e r f o l g t ; der Druck n a c h der E n t s p a n n u n g i s t e t w a s h ö h e r a l s der Druck in der W i r b e L - b e t t v e r g a s u n g 15. Der beim E n t s p a n n e n g e b i l d e t e Dampf, d e r vor a l l e m a u s W a s s e r d a m p f b e s t e h t , wird ohne w e i t e r e V e r - d i c h t u n g d u r c h die L e i t u n g 14 in den R e a k t o r 15 der W i r b e L - b e t t v e r g a s u n g g e l e i t e t . Ein T e i L s t r o m d i e s e s E n t s p a n n u n g s - d a m p f e s kann ü b e r die L e i t u n g 14a der W i r b e l b e t t v e r g a s u n g o d e r auch ü b e r die L e i t u n g 1 4 b e i n e r W i r b e l b e t t - V e r b r e n n u n g 38 z u g e f ü h r t w e r d e n .
Im E n t s p a n n u n g s b e h ä l t e r 13 s a m m e l t s i c h t e i l e n t s p a n n t e s u n d d a b e i g e k ü h l t e s G a s w a s s e r , das in der L e i t u n g 17 a b f l i e ß t . Mit H i l f e der Pumpe 18 wird e i n T e i l d i e s e s G a s w a s s e r s d u r c h die L e i t u n g 7 z u r ü c k zum W a s c h k ü h l e r 6 g e f ü h r t , dabei e r f o l g t e i n e E r h i t z u n g im W ä r m e a u s t a u s c h e r 19, der von W a s s e r d a m p f aus der L e i t u n g 20 g e s p e i s t w i r d , den man im A b h i t z e k e s s e l 9 e r z e u g t e . R e s t L i c h e s G a s w a s s e r L e i t e t man in der L e i t u n g 21 zu e i n e m w e i t e r e n E n t s p a n n u n g s b e h ä l t e r 22, wo d i e E n t s p a n n u n g etwa bis auf A t m o s p h ä r e n d r u c k e r f o l g t . Das e n t s p a n n t e G a s - w a s s e r wird in der L e i t u n g 23 zur W e i t e r b e h a n d l u n g und i n s - b e s o n d e r e E n t p h e n o l u n g g e f ü h r t , zusammen mit k o n d e n s i e r t e m E n t s p a n n u n g s d a m p f , der ü b e r den K ü h l e r 24 und d i e L e i t u n g 25 z u g e g e b e n w i r d . Teer wird in der L e i t u n g 26 a b g e z o g e n u n d kann e b e n f a l l s der W i r b e L b e t t v e r g a s u n g 15 a u f g e g e b e n w e r d e n .
Im V e r g a s u n g s r e a k t o r 15 e r f o l g t die V e r g a s u n g f e i n k ö r n i g e r f e s t e r B r e n n s t o f f e mit K o r n g r ö ß e n u n t e r 5 mm und v o r z u g s w e i s e u n t e r 2 mm, die durch die L e i t u n g 30 e i n g e s p e i s t w e r d e n .
Im R e a k t o r 15 v e r g a s t man d i e s e B r e n n s t o f f e m i t H i l f e v o n S a u e r s t o f f aus der L e i t u n g 31 und W a s s e r d a m p f aus d e n
Leitungen 14 und 14a in der W i r b e l s c h i c h t und i n s b e s o n d e r e i n der bei hohen W i r b e l g a s g e s c h w i n d i g k e i t e n a r b e i t e n d e n z i r k u -
l i e r e n d e n W i r b e L s c h i c h t . H i e r b e i v e r l a s s e n P r o d u k t g a s u n d F e s t s t o f f e den R e a k t o r 15 d u r c h die L e i t u n g 32 und w e r d e n im A b s c h e i d e z y k l o n 33 g e t r e n n t . Das P r o d u k t g a s s t r ö m t in d e r L e i t u n g 34 ab und die F e s t s t o f f e f l i e ß e n in den L e i t u n g e n 3 5 und 36 zum g r ö ß t e n T e i l z u r ü c k in den W i r b e l b e r e i c h des R e a k -
t o r s 15. Ein TeiL der F e s t s t o f f e , die d u r c h V e r g a s u n g im R e a k - t o r 15 e i n e n v e r m i n d e r t e n o d e r nur noch g e r i n g e n K o h l e n s t o f f - g e h a l t a u f w e i s e n , w i r d in der L e i t u n g 37 a b g e z o g e n .
Der für d i e V e r g a s u n g im W i r b e l b e t t r e a k t o r 15 b e n ö t i g t e W a s s e r - dampf kommt aus dem E n t s p a n n u n g s b e h ä L t e r 13. Die V e r -
g a s u n g im W i r b e l b e t t , z . B . in der h i e r b e v o r z u g t e n z i r k u l i e - r e n d e n W i r b e l s c h i c h t , wird mit einem W a s s e r d a m p f / S a u e r s t o f f - V e r h ä l t n i s von im a l l g e m e i n e n 0,8 bis 1,3 d u r c h g e f ü h r t .
D i e s e s W a s s e r d a m p f / S a u e r s t o f f - V e r h ä L t n i s wird u . a . d u r c h d i e A s c h e e i g e n s c h a f t e n b e s t i m m t und i s t auch a b h ä n g i g d a v o n , ob man bei der D u r c h f ü h r u n g der W i r b e l b e t t v e r g a s u n g A s c h e a g g l o - m e r a t e o d e r f e i n k ö r n i g e Asche e r z e u g e n w i l l . Man kann a b e r d a r ü b e r h i n a u s e i n e g r ö ß e r e W a s s e r d a m p f m e n g e z u f ü h r e n , was e n t w e d e r ü b e r d i e L e i t u n g 14 o d e r g e s o n d e r t über die L e i -
t u n g 14a e r f o l g e n k a n n . D i e s e r Ü b e r s c h u ß d a m p f nimmt a l l e r d i n g s nur noch w e n i g an den V e r g a s u n g s r e a k t i o n e n t e i l und v e r l ä ß t den R e a k t o r 15 zum g r ö ß t e n T e i l u n z e r s e t z t . J e d o c h w e r d e n d i e
im E n t s p a n n u n g s d a m p f e n t h a l t e n e n P h e n o L - und F e t t s ä u r e d ä m p f e und a n d e r e Dämpfe von S c h w e l p r o d u k t e n , die im G a s w a s s e r e n t - h a l t e n s i n d , im R e a k t o r 15 v e r g a s t und t r a g e n so zur z u s ä t z - l i c h e n E r z e u g u n g von Gas b e i . Die in Form des E n t s p a n n u n g s - d a m p f e s v e r b r a u c h t e G a s w a s s e r m e n g e e n t l a s t e t a u ß e r d e m d i e s o n s t n o t w e n d i g e R e i n i g u n g des G a s w a s s e r s d u r c h v e r s c h i e d e n e V e r f a h r e n , z . B . d i e E n t p h e n o l u n g . Dem W i r b e l b e t t r e a k t o r 15 f ü r d i e V e r g a s u n g k ö n n e n auch T e e r aus dem B e h ä l t e r 22 o d e r Ö l e o d e r P h e n o l e , d i e an h i e r n i c h t d a r g e s t e l l t e n S t e l l e n d e s V e r f a h r e n s d e r W a n d e r b e t t v e r g a s u n g a n f a l l e n , a l s B r e n n s t o f f e z u g e f ü h r t w e r d e n und so den K o h l e b e d a r f ü b e r d i e L e i t u n g 3 0 e n t s p r e c h e n d e n t l a s t e n .
In an s i c h b e k a n n t e r Weise kann man d i e F e s t s t o f f e der L e i - t u n g 37 zu e i n e r g e s t r i c h e l t e i n g e z e i c h n e t e n V e r b r e n n u n g 38 f ü h r e n . D i e s e r V e r b r e n n u n g kann man neben L u f t aus der L e i - t u n g 39 auch e i n e n T e i l des E n t s p a n n u n g s d a m p f e s d u r c h d i e L e i t u n g 14b z u f ü h r e n und d u r c h d i e L e i t u n g 49 A b f a l l s t o f f e s o w i e T e e r e und P h e n o l e a u f g e b e n .
Das P r o d u k t g a s , das die W i r b e l b e t t v e r g a s u n g in der L e i t u n g 34 v e r l ä ß t , e n t h ä l t W a s s e r d a m p f und i s t p r a k t i s c h f r e i v o n
P h e n o l e n und F e t t s ä u r e n . Es wird in e i n e m A b h i t z e k e s s e l 4 0 g e k ü h l t , wobei K o n d e n s a t a n f ä t t † , das man in der L e i t u n g 41 a b z i e h t und nach b e k a n n t e r W a s s e r a u f b e r e i t u n g a l s KühL- o d e r S p e i s e w a s s e r v e r w e n d e n k a n n . Das g e k ü h l t e Gas kann man g e - t r e n n t vom Gas der L e i t u n g 11 w e i t e r v e r a r b e i t e n . Für die i n der Z e i c h n u n g d a r g e s t e l l t e g e m e i n s a m e V e r a r b e i t u n g k o m p r i m i e r t man das vom A b h i t z e k e s s e l 40 kommende P r o d u k t g a s i m Kom-
p r e s s o r 42 etwa auf d e n i n der L e i t u n g 11 h e r r s c h e n d e n D r u c k und f ü h r t d i e Gase g e m e i n s a m d u r c h e i n e n W ä r m e a u s t a u s c h e r 4 3 . E r w ä r m t e s Gas f ü h r t man in der L e i t u n g 44 zu e i n e r an s i c h b e k a n n t e n K o n v e r t i e r u n g 45, wo man e i n e n T e i l des W a s s e r - g e h a l t e s d u r c h die R e a k t i o n CO + H 2 O @ C O 2 + H2 a u f b r a u c h t . Ein zu d i e s e m Zweck g e e i g n e t e s K o n v e r t i e r u n g s v e r f a h r e n i s t
in der DE-OS 27 09 768 und d e m d a z u k o r r e s p o n d i e r e n d e n US- P a t e n t 4 161 3 9 3 b e s c h r i e b e n . Das k o n v e r t i e r t e Gas g i b t e i n e n T e i l s e i n e r Wärme im W ä r m e a u s t a u s c h e r 43 ab und w i r d a n s c h l i e ß e n d im W ä r m e a u s t a u s c h e r 46 i n d i r e k t g e k ü h l t . D a b e i e n t s t e h t K o n d e n s a t , das in der L e i t u n g 47 a b g e f ü h r t w i r d . K o n v e r t i e r t e s Gas kann nun z . B . zu S y n t h e s e z w e c k e n w e i t e r -
v e r w e n d e t u n d z u n ä c h s t e i n e r F e i n r e i n i g u n g u n t e r z o g e n w e r d e n . B e i s p i e l :
In e i n e r der Z e i c h n u n g e n t s p r e c h e n d e n V e r f a h r e n s f ü h r u n g w i r d f o l g e n d e r m a ß e n g e a r b e i t e t :
In den W a n d e r b e t t v e r g a s e r 1 w e r d e n 2500 kg H a r t b r a u n k o h l e m i t e i n e m A s c h e g e h a l t von 12% und e i n e m F e u c h t i g k e i t s g e h a L t v o n 28% e i n g e b r a c h t und mit 350 m3 S a u e r s t o f f und 2300 kg W a s s e r - dampf bei 30 bar v e r g a s t . ( A l l e m3 s i n d N o r m a l k u b i k m e t e r . ) Dabei e n t s t e h e n 2900 m3 Rohgas ( t r o c k e n ) m i t f o l g e n d e r G a s - a n a l y s e :
A u ß e r d e m e n t h ä l t das Rohgas am G a s a u s t r i t t des G a s e r z e u g e r s 1 bei e i n e r T e m p e r a t u r von 300°C 1700 kg W a s s e r d a m p f und 127 kg T e e r , Öl, P h e n o L e und a n d e r e S c h w e t p r o d u k t e . Das Rohgas w i r d
im W a s c h k ü h l e r 6 ü b e r d i e L e i t u n g 7 mit 5799 kg G a s w a s s e r g e w a s c h e n und g e k ü h l t und ü b e r d i e L e i t u n g 8 zusammen mit dem G a s w a s s e r dem A b h i t z e k e s s e L 9 z u g e f ü h r t . Das Gas v e r l ä ß t d e n A b h i t z e k e s s e L 9 mit e i n e r T e m p e r a t u r von 170°C und e n t h ä l t
noch 870 kg W a s s e r d a m p f , Im A b h i t z e k e s s e L w e r d e n 1178 kg S a t t - dampf von 6 bar e r z e u g t und ü b e r die L e i t u n g 20 a b g e f ü h r t . Mit e i n e r T e m p e r a t u r von 180°C f l i e ß e n über die L e i t u n g 12 6629 kg G a s w a s s e r ab, die s i c h z u s a m m e n s e t z e n aus 5799 k g K r e i s l a u f g a s w a s s e r aus L e i t u n g 7 und 830 kg G a s w a s s e r , d a s aus dem R o h g a s im W a s c h k ü h l e r und A b h i t z e k e s s e l a u s k o n d e n s i e r t w o r d e n i s t . D i e s e s G a s w a s s e r f l i e ß t dem E n t s p a n n u n g s b e h ä L t e r 13 zu, in dem es von etwa 30 bar a u f 2 , 5 bar e n t s p a n n t w i r d . Es e n t s t e h e n 700 kg E n t s p a n n u n g s d a m p f , der a u ß e r W a s s e r d a m p f noch 6 kg P h e n o L e , 1,5 kg F e t t s ä u r e n und 6 kg Ammoniak i n
D a m p f f o r m e n t h ä l t . D i e s e s D a m p f g e m i s c h wird d u r c h d i e L e i t u n g 14 d e r W i r b e l b e f f v e r g a s u n g 15 z u g e l e i t e t .
Aus dem E n t s p a n n u n g s b e h ä L t e r 13 w e r d e n ü b e r d i e Pumpe 18 5799 kg G a s w a s s e r auf 32 bar g e b r a c h t und d u r c h den W ä r m e - a u s t a u s c h e r 19, der mit S a t t d a m p f aus dem A b h i t z e k e s s e L 9
v e r s o r g t w i r d , von 127°C auf 147°C e r w ä r m t . D i e s e s s o e r w ä r m t e G a s w a s s e r w i r d in den W a s c h k ü h L e r 6 e i n g e l e i t e t und v e r l ä ß t den Sumpf des A b h i t z e k e s s e l s 9 zusammen mit den a u s k o n d e n - s i e r t e n Dämpfen a u s d e m Rohgas mit 180°C. D i e s e r K r e i s l a u f
i s t s o m i t g e s c h l o s s e n .
130 kg G a s w a s s e r , das T e e r e n t h ä l t , w e r d e n d u r c h die L e i t u n g 2 1 e i n e m T e e r - G a s w a s s e r - S c h e i d e r 22 z u g e f ü h r t . In d i e s e m B e h ä l t e r
h e r r s c h t etwa a t m o s p h ä r i s c h e r D r u c k . Bei der E n t s p a n n u n g e n t s t e h e n d e Dämpfe w e r d e n im K ü h l e r 24 k o n d e n s i e r t . Ü b e r
d i e L e i t u n g 23 wird das G a s w a s s e r z . B . e i n e r P h e n o l e x t r a k t i o n und e i n e r n a c h f o l g e n d e n b i o l o g i s c h e n R e i n i g u n g z u g e f ü h r t , s t a u b h a l t i g e r T e e r wird in der L e i t u n g 26 a b g e z o g e n .
Das b i s h e r e r l ä u t e r t e Schema e n t s p r i c h t der k l a s s i s c h e n
W a n d e r b e t t v e r g a s u n g nach dem L U R G I - D r u c k v e r g a s u n g s v e r f a h r e n , wobei j e d o c h das in der L e i t u n g 23 a b g e z o g e n e G a s w a s s e r n u r
noch 15% der G a s w a s s e r m e n g e i s t , die bei b e k a n n t e r V e r f a h r e n s - f ü h r u n g a n f ä l l t . Das j e t z t a n g e w e n d e t e V e r f a h r e n e n t h ä l t
g e n ü g e n d F L e x i b i L i t ä t , d i e s e a b g e s t o ß e n e G a s w a s s e r m e n g e zu v e r k l e i n e r n o d e r zu v e r g r ö ß e r n und e n t s p r e c h e n d die Menge an E n t s p a n n u n g s d a m p f über d i e L e i t u n g 14 zu v e r g r ö ß e r n und zu v e r k l e i n e r n . D i e s e s v e r d a m p f t e G a s w a s s e r wird dem W i r b e l b e t t - r e a k t o r 15 z u g e f ü h r t .
Im v o r l i e g e n d e n B e i s p i e l wird die W i r b e l b e t t v e r g a s u n g 15 a l s z i r k u l i e r e n d e W i r b e l s c h i c h t b e t r i e b e n , wobei im B e i s p i e l n u r e i n e T e i l v e r g a s u n g s t a t t f i n d e t und der R e s t k o k s der n a c h g e s c h a l -
t e t e n W i r b e L b e t t v e r b r e n n u n g 38 über die L e i t u n g 37 z u g e f ü h r t w i r d . Dem W i r b e l b e t t r e a k t o r 15 w e r d e n 1400 kg f e i n k ö r n i g e H a r t - b r a u n k o h l e mit 14,3% F e u c h t i g k e i t und 14,3% Asche z u g e f ü h r t und mit H i l f e von 365 m3 S a u e r s t o f f bei e t w a s über a t m o s p h ä - r i s c h e m Druck v e r g a s t . Für die D u r c h f ü h r u n g der e i g e n t l i c h e n V e r g a s u n g w e r d e n a u ß e r d e m 350 kg W a s s e r d a m p f b e n ö t i g t . D i e s e r Dampf und w e i t e r e 350 kg Dampf w e r d e n ü b e r d i e L e i t u n g e n 14 und 14a aus den E n t s p a n n u n g s d ä m p f e n der W a n d e r b e t t v e r g a s u n g z u r V e r f ü g u n g g e s t e l l t . Es e n t s t e h e n bei e i n e r G a s a u s t r i t t s t e m p e r a t u r von etwa 1000°C 1450 m3 R o h g a s ( t r o c k e n ) mit f o l g e n d e r G a s -
a n a l y s e :
Das Rohgas e n t h ä l f a u ß e r d e m noch 769 kg W a s s e r d a m p f . Es v e r - Läßt ü b e r die L e i t u n g 32 und den Z y k l o n a b s c h e i d e r 33 den G a s - e r z e u g e r 15. Der im Z y k l o n 33 a b g e s c h i e d e n e Koks wird ü b e r
d i e L e i t u n g e n 35 und 36 z u r ü c k g e f ü h r t und ein T e i l des K o k s e s w i r d ü b e r d i e L e i t u n g 37 der W i r b e l b e t t v e r b r e n n u n g 38 z u g e -
L e i t e t . In d i e s e m B e i s p i e l w e r d e n 490 kg Koks, d i e 200 k g A s c h e e n t h a l t e n , d o r t v e r b r a n n t .
Das Rohgas der L e i t u n g 34 wird im A b h i t z e k e s s e L 40 a b g e k ü h l t und d e s s e n f ü h l b a r e Wärme zur D a m p f e r z e u g u n g a u s g e n u t z t . B e i der A b k ü h l u n g w e r d e n 677 kg W a s s e r d a m p f a u s k ö n d e n s i e r t .
D i e s e s W a s s e r k o n d e n s a t e n t h ä l t k e i n e o r g a n i s c h e n B e s t a n d t e i l e , wie P h e n o l e , m e h r . Wegen des K o n t a k t e s m i t A s c h e b e s t a n d t e i l e n w ä h r e n d der A b k ü h l u n g kann es a l l e n f a l l s e i n i g e a n o r g a n i s c h e B e s t a n d t e i L e , wie Kalk o d e r auch e t w a s C h l o r e n t h a l t e n . Es e n t s p r i c h t d a m i t in s e i n e r Q u a L i t ä t dem F r i s c h w a s s e r , wie e s a l s O b e r f L ä c h e n w a s s e r o d e r G r u n d w a s s e r a n s o n s t e n für d i e W a s s e r v e r s o r g u n g . e i n g e s e t z t w i r d .
Über den K o m p r e s s o r 42 w e r d e n die 1450 m3 R o h g a s , die n o c h 92 kg H20 e n t h a l f e n , auf den Druck des Gases aus der W a n d e r - b e t t v e r g a s u n g k o m p r i m i e r t und mit d i e s e m Gas g e m i s c h t . D i e g e s a m t e G a s m e n g e aus dem A b h i t z e k e s s e l 9 und vom K o m p r e s s o r 4 2 b e t r ä g t 4350 m3 Rohgas ( t r o c k e n ) f o l g e n d e r Z u s a m m e n s e t z u n g :
D i e s e s Gas e n t h ä l t a u ß e r d e m noch 962 kg W a s s e r d a m p f .
Das H 2 / C O - V e r h ä l t n i s d i e s e s Gases ist für die Verwendung z . B . a l s S y n t h e s e g a s für d i e M e t h a n h e r s t e l l u n g zu n i e d r i g . D e s w e g e n
i s t e i n e K o n v e r t i e r u n g n a c h g e s c h a l t e t , wobei für d i e k a t a l y - t i s c h e K o n v e r t i e r u n g s r e a k t i o n CO + H 2 O @ C02 + H 2 d e r im R o h g a s e n t h a l t e n e W a s s e r d a m p f b e n u t z t w i r d . Das M i s c h g a s w i r d ü b e r e i n e n G a s / G a s - W ä r m e t a u s c h e r 43 d u r c h die L e i t u n g 44 dem mit K a t a L y s a t o r g e f ü l l t e n R e a k t o r 45 z u g e f ü h r t . Die K o n v e r -
t i e r u n g s r e a k t i o n v e r b r a u c h t W a s s e r d a m p f und es w e r d e n d a b e i
auch S c h w e l p r o d u k t e h y d r i e r t , Im K ü h l e r 47 wird das Gas a b g e - k ü h l t und es f a l l e n d a b e i 7 2 3 kg G a s w a s s e r an, d e s s e n G e h a l t an S c h w e l p r o d u k f e n , i n s b e s o n d e r e P h e n o l e , g e r i n g e r i s t a l s beim E i n t r i t t in die K o n v e r t i e r u n g 4 5 .
Die f o l g e n d e W a s s e r b i l a n z für d i e s e s B e i s p i e l z e i g t , w i e e r f o l g r e i c h die neue V e r f a h r e n s w e i s e i s t .
W a s s e r b i l a n z
Die G e s a m t a n L a g e v e r b r a u c h t an W a s s e r d a m p f für die V e r g a s u n g 2000 kg von 35 bar und 5 0 0 ° C .
In der G e s a m t a n l a g e werden f o l g e n d e Mengen an G a s w a s s e r e r - z e u g t und v e r b r a u c h t :
A n l a g e n t e i l W a n d e r b e t t v e r g a s u n g 1
A n l a g e n t e i l W i r b e l b e t t v e r g a s u n g 15
Das K o n d e n s a t aus der L e i t u n g 41 (677 kg) i s t kein G a s w a s s e r m e h r , s o n d e r n F r i s c h w a s s e r f ü r d i e W a s s e r v e r s o r g u n g .
S t a t t 1700 kg in e i n e r A n l a g e ohne W i r b e e b e t t v e r g a s u n g 15 s i n d a l s o nur noch 853 k g G a s w a s s e r zu b e h a n d e l n . J e d o c h w i r d der V o r t e i L des k o m b i n i e r t e n V e r f a h r e n s mit der W i r b e L - b e t t v e r g a s u n g e r s t dann v o l l e r k e n n b a r , wenn man f o l g e n d e s
in B e t r a c h t z i e h t :
Eine G e s a m t a n L a g e , b e s t e h e n d aus der W a n d e r b e t t v e r g a s u n g 1 und der W i r b e l b e t t v e r g a s u n g 15 mit W i r b e l b e t t v e r b r e n n u n g 3 8 , i s t in der Lage, nach e i n e r h i e r n i c h t g e z e i g t e n G a s r e i n i g u n g S y n t h e s e g a s zu e r z e u g e n , das z.B. in e i n e r k a t a l y t i s c h e n M e t h a - n i e r u n g in 1000 m3 CH4 u m g e w a n d e l t werden kann. Außerdem i s t d i e W i r b e l b e t t v e r g a s u n g mit W i r b e l b e t t v e r b r e n n u n g in d e r L a g e , aus d e r e n A b h i t z e k e s s e l n den V e r g a s u n g s d a m p f und n o c h z u s ä t z l i c h W a s s e r d a m p f für d i e E n e r g i e e r z e u g u n g zu l i e f e r n ( d e u t s c h e O f f e n L e g u n g s s c h r i f t 31 38 1 2 4 ) .
Würde man das S y n t h e s e g a s für die H e r s t e L L u n g von 1000 m3 CH4 nur mit der W a n d e r b e t t v e r g a s u n g e r z e u g e n , v e r b r a u c h t e man:
die der P h e n o L e x t r a k t i o n und b i o l o g i s c h e n Reinigung zugeführt w e r d e n m ü s s e n . Dies s i n d 2 , 6 4 mal mehr v e r s c h m u t z t e s G a s w a s s e r , a l s
in der V e r f a h r e n s f ü h r u n g , d i e der E r f i n d u n g z u g r u n d e l i e g t . A u ß e r d e m muß der V e r g a s u n g s d a m p f und Dampf für A n t r i e b s - t u r b i n e n beim V e r f a h r e n ohne W i r b e l b e t t v e r g a s u n g e x t e r n h e r g e s t e l l t w e r d e n .
1) V e r f a h r e n zum V e r g a s e n f e s t e r B r e n n s t o f f e mit S a u e r - s t o f f , W a s s e r d a m p f und g e g e b e n e n f a l l s K o h l e n d i o x i d e n t - h a l t e n d e n V e r g a s u n g s m i t t e l n im W a n d e r b e t t und im W i r b e L - b e t t , d a b e i v e r g a s t man g r o b k ö r n i g e f e s t e B r e n n s t o f f e
u n t e r einem Druck von 5 bis 150 b a r i m W a n d e r b e t t , das s i c h l a n g s a m nach u n t e n b e w e g t , in das d i e V e r g a s u n g s m i t t e l v o n u n t e n e i n g e l e i t e t und u n t e r dem die u n v e r b r e n n l i c h e n m i n e r a -
l i s c h e n B e s t a n d t e i l e a l s f e s t e Asche o d e r f l ü s s i g e S c h l a c k e a b g e z o g e n w e r d e n , und z i e h t aus der W a n d e r b e t t v e r g a s u n g e i n P r o d u k t g a s mit T e m p e r a t u r e n von 250 b i s 700°C ab, k ü h l t d a s P r o d u k t g a s auf T e m p e r a t u r e n im B e r e i c h von 120 b i s 220°C u n d b i l d e t d a b e i e i n w a s s e r h a l t i g e s , S c h w e l p r o d u k t e e n t h a l t e n d e s K o n d e n s a t ( G a s w a s s e r ) , f e i n k ö r n i g e f e s t e B r e n n s t o f f e w e r d e n
im W i r b e l b e t t bei n i e d r i g e r e m als dem im W a n d e r b e t t h e r r - s c h e n d e n Druck v e r g a s t und ein P r o d u k t g a s mit T e m p e r a t u r e n von 800 b i s 1200°C e r z e u g t , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man das G a s w a s s e r der W a n d e r b e t t v e r g a s u n g m i n d e s t e n s t e i l w e i s e e n t s p a n n t und den g e b i l d e t e n E n t s p a n n u n g s d a m p f in die W i r b e L - b e t t v e r g a s u n g L e i t e t .
2) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß der in das W i r b e l b e t t g e l e i t e t e E n t s p a n n u n g s d a m p f den B e d a r f an W a s s e r d a m p f in der W i r b e L b e t t v e r g a s u n g m i n d e s t e n s z u r H ä l f t e d e c k t .
3) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 1 o d e r 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der in das W i r b e l b e t t g e l e i t e t e E n t s p a n n u n g s d a m p f d e n B e d a r f an W a s s e r d a m p f in der W i r b e l b e t t v e r g a s u n g m i n d e s t e n s
v o l l s t ä n d i g d e c k t .
4) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 1 o d e r e i n e m d e r f o l g e n d e n , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man das G a s w a s s e r um m i n d e s t e n s 2 b a r b i s auf e i n e n Druck e n t s p a n n t , der ü b e r dem Druck i n d e r W i r b e l b e f f v e r g a s u n g L i e g t .
5) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 1 o d e r e i n e m der f o l g e n d e n , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der W i r b e l b e t t v e r g a s u n g T e e r u n d / o d e r P h e n o L e z u g e f ü h r t w e r d e n .
6) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 1 o d e r e i n e m der f o l g e n d e n , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der im P r o d u k t g a s der W i r b e l - b e t t v e r g a s u n g e n t h a l t e n e W a s s e r d a m p f d u r c h KühLung k o n d e n - s i e r t und g e t r e n n t vom G a s w a s s e r der W a n d e r b e t t v e r g a s u n g b e h a n d e l t w i r d .
7) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 1 o d e r e i n e m der f o l g e n d e n , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man e i n e n T e i l der F e s t s t o f f e aus der W i r b e l b e t t v e r g a s u n g e i n e r V e r b r e n n u n g a u f g i b t u n d
in d i e s e V e r b r e n n u n g e i n e n T e i l des E n t s p a n n u n g s d a m p f e s L e i t e t .
8) V e r f a h r e n nach A n s p r u c h 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß man der V e r b r e n n u n g T e e r u n d / o d e r P h e n o l e z u f ü h r t .
