DE68905681T2

DE68905681T2 - METHOD FOR CHANGING THE POLLUTANTS IN A RAW HIGH TEMPERATURE HIGH PRESSURE SYNTHESIS GAS FLOW.

Info

Publication number: DE68905681T2
Application number: DE1989605681
Authority: DE
Inventors: Charles Victor Sternling
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPH0247193A; DK315289A; EP0349090B1; DE68905681D1; DK315289D0; EP0349090A1; JP2668266B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilverbrennung von fein verteiltem festen Brennstoff, wie pulverisierte Kohle, wobei letztere zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas über einen Brenner in einen Reaktor oder Vergaser eingeführt wird, aus welchem ein Strom von rohem Synthesegas mit hoher Temperatur zusammen mit einer geringen Menge an Schmutzstoffen abgezogen wird, von denen einige in Form von Teilchen mit einer klebrigen äußeren Oberfläche vorliegen können, welche dazu neigen, an den Vorrichtungsteilen anzuhaften, welche sich stromabwärts von dem Reaktor befinden.The present invention relates to a process for the partial combustion of finely divided solid fuel, such as pulverized coal, the latter being introduced together with an oxygen-containing gas via a burner into a reactor or gasifier from which a stream of raw synthesis gas at high temperature is withdrawn together with a small amount of contaminants, some of which may be in the form of particles with a sticky outer surface which tend to adhere to the equipment parts located downstream of the reactor.

Bei der Teilverbrennung handelt es sich um die Reaktion der Gesamtheit der Brennstoffteilchen mit einer unterstöchiometrischen Menge an Sauerstoff, welcher entweder in reiner Form oder in Mischung mit anderen Gasen in einen Förderstrom von Stickstoff eingespeist wird, wodurch der Brennstoff mittels Teiloxidation in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt wird. Diese Teilverbrennung unterscheidet sich von einer vollständigen Verbrennung, bei welcher der Brennstoff vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden würde.Partial combustion is the reaction of all the fuel particles with a substoichiometric amount of oxygen, either in pure form or mixed with other gases, into a feed stream of nitrogen, whereby the fuel is converted into hydrogen and carbon monoxide by partial oxidation. This partial combustion differs from complete combustion, in which the fuel would be completely oxidized to carbon dioxide and water.

Während des Vorganges der Teilverbrennung von pulverisierter Kohle in einem Vergaser trennt sich das in der Kohle vorhandene mineralische Material beim Vergasen der Kohle in zwei Ströme auf. Die sich bildende geschmolzene Schlacke fällt auf den Boden des Vergasers, von wo aus sie ausgetragen wird. Leichtgewichtige Teilchen von Flugasche oder Flugschlacke, welche sich gleichfalls bilden, werden über den Kopf des Vergasers durch den Strom des Synthesegases mitgerissen, welcher zu einem Gaskühler, Wärmeaustauscher oder Abhitzekessel weitergeleitet wird, wo Dampf erzeugt werden kann.During the process of partial combustion of pulverized coal in a gasifier, the mineral material present in the coal separates into two streams as the coal is gasified. The molten slag that forms falls to the bottom of the gasifier, from where it is discharged. Lightweight particles of fly ash or fly slag that also form are discharged over the top of the gasifier. entrained by the flow of synthesis gas, which is passed on to a gas cooler, heat exchanger or waste heat boiler where steam can be generated.

Während des Austrages des als Produkt erhaltenen Synthesegases aus dem Vergaser entsteht ein Problem dadurch, daß sich die klebrigen Flugascheteilchen auf den Wänden des Auslaßkanals des Vergasers niederschlagen, wo sie sich verfestigen und dazu neigen, den Kanal zu verstopfen. Außerdem setzen sich in manchen Fällen die klebrigen Flugascheteilchen auch auf den Rippen oder Röhrenbündeln der Kühlvorrichtung ab und vermindern dadurch die Wirksamkeit der Kühlvorrichtung. In jedem dieser beiden Fälle muß das Verfahren unterbrochen werden, um die Vorrichtungsteile periodisch zu reinigen, welche Maßnahme für die gewünschte kontinuierliche Durchführung des Verfahrens nicht akzeptabel ist.During the discharge of the synthesis gas obtained as a product from the gasifier, a problem arises in that the sticky fly ash particles settle on the walls of the gasifier's outlet channel, where they solidify and tend to clog the channel. In addition, in some cases the sticky fly ash particles also settle on the fins or tube bundles of the cooling device, thereby reducing the effectiveness of the cooling device. In either of these two cases, the process must be interrupted in order to periodically clean the device parts, which measure is not acceptable for the desired continuous operation of the process.

Bei einem Versuch, das vorstehende Problem zu lösen, ist bereits vorgeschlagen worden, auf der Innenwandung des Auslaßkanals des Vergasers ein Schutzschild aus Gas zu bilden, um so die Innenwandung davor zu schützen, daß klebrige Teilchen daran haften bleiben. Der durch den Auslaßkanal in Richtung auf die Kühlvorrichtung hin strömende Produktgasstrom würde dann über die gesamte Länge des Kanals von einer Hülle aus einem kühleren Gas umgeben sein. Die in dem Gasstrom befindlichen klebrigen Teilchen in der Nähe der Kanalwand würden dann beim Auftreffen auf die umgebende Hülle an Kühlgas bis zu einem solchen Ausmaß gekühlt werden, daß sich die Ascheteilchen verfestigen und ihre Klebrigkeit verlieren, ehe sie auf die Wand auftreffen. Gemäß diesem Vorschlag sollte der Schutzschild aus kühlerem Gas mittels eines ringförmigen Schlitzes am stromaufwärts gelegenen Ende des Auslaßkanals des Vergasers eingespeist werden. Es wurde jedoch gefunden, daß der Schutzschild oder die Hülle des kühlenden Gases in bestimmten Fällen vorzeitig gestört oder unterbrochen wurde derart, daß er für einen Betrieb mit Kühlung der klebrigen Flugascheteilchen unbefriedigend funktionierte.In an attempt to solve the above problem, it has been proposed to form a protective gas shield on the inner wall of the gasifier outlet port so as to protect the inner wall from sticky particles adhering thereto. The product gas stream flowing through the outlet port towards the cooling device would then be surrounded by a shell of cooler gas over the entire length of the port. The sticky particles in the gas stream near the port wall would then be cooled on impact with the surrounding shell of cooling gas to such an extent that the ash particles would solidify and lose their stickiness before impacting the wall. According to this proposal, the protective shield of cooler gas would be fed through an annular slot at the upstream end of the gasifier outlet port. However, it was found that the protective shield or envelope of cooling gas was prematurely disturbed or interrupted in certain cases in such a way that it functioned unsatisfactorily for operation with cooling of the sticky fly ash particles.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Teilverbrennung von fein verteiltem kohlenstoffhaltigem Brennstoff, welcher mindestens ein Gewichtsprozent Asche enthält, in einem Reaktor oder Vergaser unter Erzeugung eines Produktgases (zur Hauptsache aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehend), welches beim Verlassen des Reaktors klebrige Teilchen von Flugasche oder Flugschlacke oder Asche bildenden Bestandteilen mitreißt, welche aus Alkalimetallchloriden, Siliciumoxiden und/oder Aluminiumoxiden oder anderen mineralischen Bestandteilen bestehen können. Bei der im Reaktor vorherrschenden Temperatur ist die Asche üblicherweise klebrig. Insbesondere wenn die Teilverbrennung nach dem Prinzip der mitgerissenen Vergasung (by entrained gasification)in Brennerflammen durchgeführt wird, ist die Verweilzeit im Vergaser oder Reaktor außerordentlich kurz, verglichen mit einer Vergasung in einem fluidisierten oder sich fortbewegenden Bett, und die Temperatur ist sehr hoch.The present invention relates to a method for the partial combustion of finely divided carbonaceous fuel containing at least one percent by weight of ash in a reactor or gasifier to produce a product gas (consisting mainly of carbon monoxide and hydrogen) which, on leaving the reactor, entrains sticky particles of fly ash or fly slag or ash-forming constituents which may consist of alkali metal chlorides, silicon oxides and/or aluminum oxides or other mineral constituents. At the temperature prevailing in the reactor, the ash is usually sticky. In particular, when the partial combustion is carried out by entrained gasification in burner flames, the residence time in the gasifier or reactor is extremely short compared with gasification in a fluidized or moving bed, and the temperature is very high.

Die Asche, welche sich während des erfindungsgemäßen Vergasungsverfahrens bildet, liegt bei den Bedingungen, welche in dem Reaktor vorherrschen, üblicherweise Temperaturen im Bereich von 1050 bis 2200ºC, mindestens teilweise in flüssiger Form vor. Falls die Ascheteilchen nicht gänzlich in flüssiger Form vorhanden sind, werden sie im allgemeinen mindestens teilweise aus einer geschmolzenen Schlacke bestehen oder ein Verbrennungsprodukt oder einen Verbrennungsrückstand mit einer teilweise aufgeschmolzenen Konsistenz darstellen. Die hohe Temperatur eines Reaktors ist außerdem ausreichend, um bestimmte andere Nebenprodukte zu verdampfen, welche beim Abkühlen in den Verfahrensvorrichtungen eine klebrige Form annehmen.The ash which forms during the gasification process of the invention is at least partially in liquid form under the conditions prevailing in the reactor, typically temperatures in the range of 1050 to 2200°C. If the ash particles are not entirely in liquid form, they will generally consist at least partially of a molten slag or represent a combustion product or residue with a partially molten consistency. The high temperature of a reactor is also sufficient to vaporize certain other by-products which assume a sticky form when cooled in the process equipment.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, mindestens die äußere Oberfläche von Teilchen, welche üblicherweise klebrig sind, wenn sie in einem Synthesegasabstrom enthalten sind, welcher den Reaktor bei Temperaturen oberhalb 1200ºC verläßt, zu verfestigen.It is an object of the present invention to solidify at least the outer surface of particles which are usually sticky when contained in a synthesis gas effluent leaving the reactor at temperatures above 1200°C.

Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas zur Verfügung, umfassend die nachstehenden Verfahrensschritte:The present invention therefore provides a process for producing synthesis gas comprising the following procedural steps:

a) die Teiloxidation von Kohle bei einer erhöhten Temperatur unter Zuspeisung von trockener teilchenförmiger Kohle und von Sauerstoff zu einer Vergasungszone, wobei diese Vergasungszone mindestens einen Brenner zur Oxidation der Kohle umfaßt, das Verhältnis von Kohle zu Sauerstoff derart ist, daß eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird und ein Rohsynthesegas mit einer Temperatur von etwa 1050ºC bis etwa 2200ºC gebildet wird, und der Entzug von Wärmeenergie aus besagtem Synthesegas in besagter Vergasungszone durch indirekten Wärmeaustausch mit Dampf und Wasser bei einer Temperatur von etwa 100ºC bis etwa 350ºC;a) partially oxidizing coal at an elevated temperature by feeding dry particulate coal and oxygen to a gasification zone, said gasification zone comprising at least one burner for oxidizing the coal, the ratio of coal to oxygen being such that a reducing atmosphere is maintained and a raw synthesis gas having a temperature of about 1050°C to about 2200°C is formed, and removing heat energy from said synthesis gas in said gasification zone by indirect heat exchange with steam and water at a temperature of about 100°C to about 350°C;

b) das Leiten des rohen Synthesegases und der von ihm mitgerissenen klebrigen Teilchen durch eine Abschreckzone;(b) passing the raw synthesis gas and the sticky particles entrained by it through a quenching zone;

c) das Eindüsen von einem kühlenden Abschreckgas in besagte Abschreckzone und das Vermischen des kühlenden Abschreckgases mit dem heißen Synthesegas unter turbulenten Strömungsbedingungen, um so mindestens die äußeren Oberflächen der klebrigen Teilchen in einen nicht klebenden Zustand umzuwandeln;c) injecting a cooling quenching gas into said quenching zone and mixing the cooling quenching gas with the hot synthesis gas under turbulent flow conditions so as to convert at least the outer surfaces of the sticky particles into a non-sticky state;

d) das Leiten des rohen Synthesegases von Verfahrensschritt c) in eine Wärmeaustauschzone und Entzug von Wärmeenergie aus besagtem Synthesegas und den von ihm mitgerissenen teilchenförmigen Material; undd) passing the raw synthesis gas from process step c) into a heat exchange zone and extracting heat energy from said synthesis gas and the particulate material entrained by it; and

e) das Entfernen der Teilchen aus besagtem rohen Synthesegas unter Erzeugung eines praktisch teilchenfreien Synthesegases, wobei ein Anteil dieses Gases zur Kreislaufführung und zum Eindüsen in die Abschreckzone angepaßt wird;e) removing the particles from said raw synthesis gas to produce a substantially particle-free synthesis gas, a portion of which gas is adapted for recycling and injection into the quenching zone;

dadurch gekennzeichnet, daß das die Vergasungszone verlassende rohe Synthesegas geringe Mengen an verdampftem mineralischen Material enthält und besagtes verdampftes mineralisches Material durch Eindüsen des Abschreckgases stromaufwärts von besagter Abschreckzone kondensiert wird, daß die Abschreckzone aus einer langen geraden Rohrleitung besteht, welche an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Gasauslaßleitung der besagten Vergasungszone und in Strömungsverbindung damit angeordnet ist, wobei die Menge des geraden Leitungsabschnittes stromabwärts von der Stelle der Eindüsung des Abschreckgases das Fünf- bis Zwanzigfache des Durchmessers der Rohrleitung beträgt und die Masse des in den Strom des rohen Synthesegases eingedüsten Abschreckgases dem 0,5- bis 4-fachen der Masse des Synthesegases entspricht; und wobei die nicht klebrigen Teilchen sowie das kondensierte verdampfte mineralische Material zusammen mit dem Synthesegas durch die stromabwärts gelegene Wärmeaustauschzone von Verfahrensschritt d) geleitet werden.characterized in that the raw synthesis gas leaving the gasification zone contains small amounts of vaporized mineral material and said vaporized mineral material is condensed by injecting the quenching gas upstream of said quenching zone, that the quenching zone consists of a long straight pipe which is connected to the upstream end of the gas outlet line said gasification zone and in flow communication therewith, the amount of the straight line section downstream from the point of injection of the quench gas being five to twenty times the diameter of the pipeline and the mass of the quench gas injected into the stream of raw synthesis gas being 0.5 to 4 times the mass of the synthesis gas; and wherein the non-sticky particles and the condensed vaporized mineral material are passed together with the synthesis gas through the downstream heat exchange zone of process step d).

Es wird darauf hingewiesen, daß GB-A-2,053,262 ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus Kohle offenbart, wobei ein Abschreckgas mit niedriger Temperatur in das Synthesegas eingedüst wird und ein Vermischen der kombinierten Gase unter Bedingungen turbulenter Strömung stattfindet, um so die Klebrigkeitseigenschaften der klebrigen Teilchen zu verringern.It is noted that GB-A-2,053,262 discloses a process for producing synthesis gas from coal, wherein a low temperature quench gas is injected into the synthesis gas and mixing of the combined gases takes place under conditions of turbulent flow so as to reduce the stickiness properties of the sticky particles.

Der spezielle Abschreckabschnitt gemäß der Erfindung wird darin jedoch nicht offenbart.However, the special quenching section according to the invention is not disclosed therein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, einen langen geraden Abschreckabschnitt in Form einer Leitung vorzusehen, welcher den ersten Abschnitt des Auslaßkanals aus dem Reaktor bildet. Die Temperatur des Produktgases an diesem Punkt kann beispielsweise 1400ºC betragen. Ein Strom an Produktgas, welches um mehrere 100ºC abgekühlt worden ist, wird von einem ausgewählten Punkt im Verfahren im Kreislauf zurückgeführt und als Abschreckgas in das stromaufwärts gelegene Ende des Abschreckabschnittes des Auslaßkanals des Reaktors eingedüst. Durch Vermischen des gekühlten Abschreckgases mit dem heißen Reaktorabfluß an der Stelle, wo dieser den Abschreckabschnitt erreicht, und durch das Strömen der Mischung durch einen geraden Abschreckabschnitt von ausreichender Länge und unter den Bedingungen einer turbulenten Strömung werden das heiße Syntheseproduktgas und die von ihm mitgerissenen klebrigen Teilchen innig mit dem kühleren Abschreckgas vermischt und ermöglichen dadurch ein "Ausfrieren" der geschmolzenen oder klebrigen Teile oder sind zumindest Anlaß dafür, daß die äußeren Oberflächen der Teilchen in einem solchen Ausmaß nichtklebrig werden, daß sie nicht mehr an den Wänden der stromabwärts gelegenen Vorrichtungsteile oder -leitungen anhaften.According to the present invention, it is desirable to provide a long straight quench section in the form of a conduit which forms the first section of the outlet channel from the reactor. The temperature of the product gas at this point may be, for example, 1400°C. A stream of product gas which has been cooled by several hundred°C is recycled from a selected point in the process and injected as quench gas into the upstream end of the quench section of the outlet channel of the reactor. By mixing the cooled quench gas with the hot reactor effluent at the point where it reaches the quench section and by flowing the mixture through a straight quench section of sufficient length and under conditions of turbulent flow, the hot synthesis product gas and the sticky particles entrained by it are intimately mixed with the cooler quench gas and thereby enable the molten or sticky parts to "freeze out" or at least cause the outer Surfaces of the particles become non-sticky to such an extent that they no longer adhere to the walls of the downstream device parts or lines.

Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das rohe Synthesegas auch kleinere Anteile an verdampften mineralischen Materialien und besagter reduzierender Verfahrensschritt umfaßt das Kondensieren dieser verdampften mineralischen Stoffe durch das Eindüsen eines Volumens an Abschreckgas mit einer niedrigeren Temperatur als der Synthesegasstrom, in welchen es eingedüst wird.According to the present invention, the raw synthesis gas also contains minor amounts of vaporized mineral materials and said reducing process step comprises condensing these vaporized mineral materials by injecting a volume of quench gas having a lower temperature than the synthesis gas stream into which it is injected.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Abschreckgas an einer Vielzahl von Stellen in den Syntheserohgasstrom eingedüst, welche sich im Umkreis dieses Stromes befinden, so daß sich im Bereich der Gaseindüsung ein Schutzschild aus kühlerem Abschreckgas um den heißen Strom des Synthesegases und der von ihm mitgerissenen klebrigen Teilchen ausbildet.According to an advantageous embodiment of the invention, the quenching gas is injected into the synthesis raw gas stream at a number of points located in the vicinity of this stream, so that in the area of the gas injection a protective shield of cooler quenching gas is formed around the hot stream of synthesis gas and the sticky particles entrained by it.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Abschreckgas um Synthesegas, welches von einer stromabwärts gelegenen Stelle entnommen worden ist, welches geringe Mengen an Teilchen der verunreinigenden Bestandteile von niedrigerer Temperatur enthält, wobei diese Teilchen von der gleichen Zusammensetzung sind wie mindestens eine der Verunreinigungen in dem Abstrom an Rohsynthesegas, welches den Reaktor verläßt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the quenching gas is synthesis gas taken from a downstream location, which contains small amounts of particles of the contaminants of lower temperature, these particles being of the same composition as at least one of the contaminants in the effluent of raw synthesis gas leaving the reactor.

Der in dem Reaktormantel erzeugte Dampf kann zu einer Wärmeaustauschzone geleitet werden, wo er erhitzt wird und dann für die weitere Verwendung zur Verfügung steht. Die Vergasung kann unter Verwendung von technischen Maßnahmen durchgeführt werden, welche sich zur Erzeugung eines Synthesegases mit einer Vergaserauslaßtemperatur im Bereich von etwa 1050ºC bis etwa 1650ºC eignen.The steam produced in the reactor shell may be passed to a heat exchange zone where it is heated and then available for further use. The gasification may be carried out using technical means suitable for producing a synthesis gas with a gasifier outlet temperature in the range of about 1050ºC to about 1650ºC.

Obwohl einige mit einem fluidisierten Bett arbeitenden Oxidatoren geeignet sind, solche Gastemperaturen unter den hier erwähnten Bedingungen zu erzeugen, wird das Verfahren doch mit Vorteil in einem Vergaser durchgeführt, welcher mindestens einen Brenner enthält. Ein solches Verfahren umfaßt vorteilhafterweise die Verbrennung mit Sauerstoff von trockener fein verteilter Kohle, i. e. von Kohle mit einem Wassergehalt von weniger als etwa 10 %. In einigen Fällen kann auch Dampf zugesetzt werden, um den Verbrennungsvorgang zu fördern. Die Art der eingesetzten Kohle ist nicht kritisch, doch ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß auch Kohlearten niedriger Qualität, wie Lignit oder Braunkohle Verwendung finden können. Falls der Wassergehalt der Kohle zu hoch ist, um den vorstehend erwähnten Bedingungen zu entsprechen, sollte die Kohle vor dem Einsatz getrocknet werden. Durch Einregelung des Gewichtsverhältnisses von Sauerstoff zu feuchtigkeits- und aschefreier Kohle im Bereich von etwa 0,6 bis 1,2, insbesondere von 0,9 bis 1,0, kann eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten werden. Die spezifischen Einzelheiten der benötigten Vorrichtungen und die dabei verwendeten Maßnahmen sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber die in den US-Patentschriften Nr. 4,350,103 und 4,458,607 beschriebenen Maßnahmen können Anwendung finden. Im Hinblick auf die erforderlichen hohen Temperaturen sollten jedoch geeignete Konstruktionsmaterialien, wie Inconel-Arten und Incoloy 800, d. h. Stähle mit hohem Chrom- und Molybdängehalt, im Hinblick auf die Beanspruchung durch Überhitzung während einer längeren Lebensdauer des Wärmeaustauschers verwendet werden. Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß bei Durchführung der hier beschriebenen vorteilhaften Maßnahmen oder bei Verwendung der vorteilhaften konstruktionsmäßigen Einzelheiten, wie vorstehend beschrieben, ein Synthesegasstrom erzeugt wird, welcher frei ist von Teilchen aus klebrigem Material, welche an Leitungen oder Vorrichtungsteilen anhaften und/oder diese verstopfen könnten.Although some fluidized bed oxidizers are capable of producing such gas temperatures under the conditions mentioned here, the process is advantageously carried out in a gasifier which has at least a burner. Such a process advantageously comprises the combustion with oxygen of dry finely divided coal, i.e. coal having a water content of less than about 10%. In some cases steam may also be added to promote the combustion process. The type of coal used is not critical, but it is an advantage of the present invention that low quality coals such as lignite or brown coal can also be used. If the water content of the coal is too high to meet the above mentioned conditions, the coal should be dried before use. By controlling the weight ratio of oxygen to moisture and ash free coal in the range of about 0.6 to 1.2, especially 0.9 to 1.0, a reducing atmosphere can be maintained. The specific details of the apparatus required and the measures used are not part of the present invention, but the measures described in U.S. Patent Nos. 4,350,103 and 4,458,607 can be used. However, in view of the high temperatures required, suitable construction materials such as Inconel types and Incoloy 800, ie steels with high chromium and molybdenum content, should be used in view of the stress caused by overheating during a longer life of the heat exchanger. It is an advantage of the invention that by carrying out the advantageous measures described here or by using the advantageous construction details as described above, a synthesis gas stream is produced which is free from particles of sticky material which could adhere to and/or clog lines or device parts.

Die speziellen Arten von Vorrichtungen, welche unter Beachtung der vorstehend erwähnten Beschränkungen Verwendung finden, sind nicht kritisch. Der Schlüssel zum Verständnis der vorliegenden Erfindung besteht, wie bereits erwähnt, in der wohl überlegten Integration eines speziellen Typs von Kohlevergasertechnik oder Vergaserpraxis mit Maßnahmen oder Anordnungen, welche reine Strömungsleitungen und -vorrichtungen und eine verbesserte Energieausnutzung ermöglichen. Die dabei verwendeten Drucke sind nicht kritisch und der hier angesprochene Fachmann wird bei vorgegebenen speziellen Temperaturen in der Lage sein, in den verschiedenen Einheiten gemäß der Erfindung geeignete Druckbereiche vorzusehen.The particular types of apparatus used in compliance with the above-mentioned limitations are not critical. The key to understanding the present invention, as already mentioned, is the judicious integration of a particular type of coal gasification technology or practice with measures or arrangements which allow for clean flow lines and devices and improved energy utilization. The pressures used are not critical and the person skilled in the art will be able to provide suitable pressure ranges in the various units according to the invention, given specific temperatures.

Die Erfindung wird nun beispielsweise mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser istThe invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawing.

Fig. 1 ein schematisches Fließdiagramm eines Teilbereichs der für die Verfahrensführung erforderlichen Vorrichtung, welche benutzt wird, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen, undFig. 1 is a schematic flow diagram of a portion of the apparatus required for the process used to carry out the process of the present invention, and

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Anordnung von Vorrichtungsteilen, welche bei der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.Fig. 2 is a schematic diagram of another arrangement of apparatus parts which may be used in carrying out the method of the present invention.

Die Zeichung ist eine schematische Darstellung eines Verfahrensfließdiagramms und sie erläutert die wirksame Integration des speziellen Vergasers mit Vorrichtungsteilen, welche es ermöglichen, die Teilchen aus klebrigem Material, welche in einem Vergaser gebildet werden, praktisch vollständig auszuschalten. Alle in der vorliegenden Beschreibung angegebenen speziellen Werte, welche nachstehend erörtert werden, sind berechnet oder dienen nur zur Erläuterung.The drawing is a schematic representation of a process flow diagram and illustrates the effective integration of the special gasifier with device parts which enable the particles of sticky material formed in a gasifier to be virtually eliminated. All specific values given in the present description and discussed below are calculated or are for illustrative purposes only.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird trockene teilchenförmige Kohle (mittlerer Teilchendurchmesser etwa 30 bis 50 Mikron mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa 10 Gew.-%) über Leitung (1) den Brennern (2) eines Vergasers (3) zugeführt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein einziger Brenner (2) dargestellt. Bei dem Vergaser (3) kann es sich um einen vertikal angeordneten länglichen Kessel handeln, welcher beispielsweise im Bereich der Brenner zylindrisch ist und praktisch konische oder konvexe obere und untere Enden aufweist und welcher durch eine umgebende Membranwandstruktur (4) für die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit definiert ist. Vorteilhafterweise umfaßt im allgemeinen die zylindrische Reaktorwand eine Mehrzahl von Wärmeaustauschrohren, welche voneinander durch "Membrane" oder gekrümmte Platten getrennt sind, wobei die Rohre an ihren äußeren Enden für die Erzielung einer kontinuierlichen Strömung einer Wärmeaustauschflüssigkeit miteinander verbunden sind, beispielsweise für den Durchfluß von Wasser, und welche außerdem eine Mehrzahl von Einlässen/Auslässen für diese Flüssigkeit aufweisen, wie es an sich aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist. Gleichzeitig wird den Brennern (2) über eine Leitung (5) Sauerstoff zugeführt, wobei das Gewichtsverhältnis von Sauerstoff zu feuchtigkeits- und aschefreier Kohle beispielsweise etwa 0,9 beträgt. Die Verbrennung erzeugt eine Flammentemperatur von etwa 2200ºC, wobei die Gastemperatur am Auslaß des Vergasers etwa 1250ºC bis etwa 1450ºC beträgt. Die Einregulierung der Temperatur des Vergasers und des Vergaserauslasses wird durch das Kühlmittel in der Membranwandstruktur (4) unterstützt. Schlacke wird über den Auslaß (1a) ausgetragen.As shown in Fig. 1, dry particulate coal (average particle diameter about 30 to 50 microns with a moisture content of less than about 10% by weight) is fed via line (1) to the burners (2) of a gasifier (3). For reasons of clarity, only a single burner (2) is shown. The gasifier (3) can be a vertically arranged elongated vessel which is, for example, cylindrical in the region of the burners and has practically conical or convex upper and lower ends and which is defined by a surrounding membrane wall structure (4) for the circulation of a cooling liquid. Advantageously In general, the cylindrical reactor wall comprises a plurality of heat exchange tubes separated from one another by "membranes" or curved plates, the tubes being interconnected at their outer ends to achieve a continuous flow of a heat exchange fluid, for example for the flow of water, and which also have a plurality of inlets/outlets for this fluid, as is well known per se from the prior art. At the same time, oxygen is supplied to the burners (2) via a line (5), the weight ratio of oxygen to moisture and ash-free coal being, for example, about 0.9. The combustion produces a flame temperature of about 2200°C, the gas temperature at the outlet of the gasifier being about 1250°C to about 1450°C. The regulation of the temperature of the gasifier and the gasifier outlet is assisted by the coolant in the membrane wall structure (4). Slag is discharged via the outlet (1a).

Heißes Rohsynthesegas mit Verunreinigungen verläßt den Vergaser (3) über eine gerade, sich längs erstreckende Abschreckleitung (8) von ausgewählter Länge, deren Inneres eine Abschreckkammer bildet, in welcher das rohe Synthesegas und die von ihm mitgerissenen Verunreinigungen durch kühleres Synthesegas abgeschreckt wird, welches über Leitung (6) von irgendeiner geeigneten Stelle im Verfahren zugeführt wird. Das Abschreckgas kann eine Temperatur im Bereich von 140ºC bis etwa 540ºC aufweisen. Die Abschreckleitung (8) kann auch zwecks Wärmewiedergewinnung ummantelt sein, obwohl diese Ausführungsform in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Das abgeschreckte Gas gelangt dann zu einer Kühlvorrichtung oder einem Wärmeaustauscher (7). Bei dem Wärmeaustauscher (7) handelt es sich vorteilhafterweise um einen Austauscher mit mehreren Abschnitten, wobei das abgeschreckte Synthesegas durch eine Flüssigkeit in den Rohren weiter abgekühlt wird.Hot raw syngas containing impurities leaves the gasifier (3) via a straight, longitudinally extending quench line (8) of selected length, the interior of which forms a quench chamber in which the raw syngas and the impurities entrained by it are quenched by cooler syngas supplied via line (6) from any suitable point in the process. The quench gas may have a temperature in the range of 140°C to about 540°C. The quench line (8) may also be jacketed for heat recovery, although this embodiment is not shown in the drawing. The quenched gas then passes to a cooling device or heat exchanger (7). The heat exchanger (7) is advantageously a multi-section exchanger, the quenched syngas being further cooled by a liquid in the tubes.

Das Rohsynthesegas, welches jetzt in dem Abschnitt mit niedriger Temperatur des Wärmeaustauschers (7) bis zu einerThe raw synthesis gas, which is now heated in the low temperature section of the heat exchanger (7) to a

Temperatur von ca. 315 bis 140ºC abgekühlt worden ist, gelangt über eine Leitung (14) in einen Reinigungsabschnitt oder eine Abtrennvorrichtung für Feststoffe (15), in welcher Feststoffteilchen und die verschiedensten verunreinigenden Gase, wie H&sub2;S, entfernt werden können. Die Einzelheiten dieser Reinigungsmaßnahmen für das Gas bilden nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Die für solche Reinigungsmaßnahmen erforderlichen Dampfmengen können durch den Dampfvorrat zur Verfügung gestellt werden, welcher im Gesamtverfahren erzeugt wird. Das gereinigte Synthesegas gelangt aus dem Abschnitt (15) in die Leitung (17) und ist dann geeignet für die weitere Verwendung. Trockene feste Verunreinigungen werden über den Auslaß (17a) abgezogen.Temperature of about 315 to 140°C, passes through a line (14) into a cleaning section or a solids separation device (15) in which solid particles and a wide variety of contaminant gases, such as H₂S, can be removed. The details of these gas cleaning measures do not form part of the present invention. The quantities of steam required for such cleaning measures can be provided by the steam supply which is generated in the overall process. The cleaned synthesis gas passes from section (15) into line (17) and is then suitable for further use. Dry solid contaminants are removed via outlet (17a).

In Fig. 2 werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Anstelle der Abschreckleitung (8) von Fig. 1, welche sich vom Vergaser (3) aus horizontal erstreckt, ist die in Fig. 2 dargestellte Abschreckleitung (8), welche vom Vergaser (3) ausgeht, als vertikal sich vom Kopf des Vergasers aus nach oben erstreckend wiedergegeben, und zwar über eine berechnete Strecke. Die Länge der Abschreckleitung (8) hängt von vielen Faktoren ab, wie die Fließgeschwindigkeiten oder Volumina in den Abschreckleitungen und den Zufuhrleitungen für das im Kreislauf geführte Abschreckgas, den Temperaturen des aus dem Vergaser austretenden Rohsynthesegases und derjenigen des Abschreckgases, der Art der verdampften Verunreinigungen in dem rohen Synthesegas, welche kondensiert werden müssen, der Art der klebrigen Ascheteilchen in dem Synthesegas, welche nichtklebrig gemacht werden müssen, usw.In Fig. 2, the same reference numerals are used as in Fig. 1. Instead of the quench line (8) of Fig. 1 extending horizontally from the gasifier (3), the quench line (8) shown in Fig. 2 extending from the gasifier (3) is shown extending vertically upwards from the top of the gasifier for a calculated distance. The length of the quench line (8) depends on many factors, such as the flow rates or volumes in the quench lines and the supply lines for the recirculated quench gas, the temperatures of the raw syngas exiting the gasifier and those of the quench gas, the type of vaporized impurities in the raw syngas that need to be condensed, the type of sticky ash particles in the syngas that need to be de-sticked, etc.

Es wurden Versuche in einer Pilotanlage durchgeführt, in welcher 200 Tagestonnen an fein verteilter Kohle mit dem gleichen Gewicht an Sauerstoff verbrannt wurden. In einem solchen Versuch wurde der Vergaser bei etwa 25 bar (Bereich 10 bis 100 bar) betrieben, wobei das Produktgas aus dem Vergaser zusammen mit den verunreinigenden Bestandteilen bei einer Temperatur von etwa 1450ºC abgezogen wurde. Nachdem es gereinigt und gekühlt worden war, wurde ein Anteil des Produktgasstroms mit einer Temperatur von etwa 315ºC im Kreislauf zurückgeführt und als Abschreckgas in das stromaufwärts gelegene Ende des Abschreckabschnittes eingedüst, welcher praktisch den ersten Abschnitt der Gasauslaßleitung aus dem Vergaser darstellt.Tests were carried out in a pilot plant in which 200 tonnes per day of finely divided coal were burned with the same weight of oxygen. In one such test the gasifier was operated at about 25 bar (range 10 to 100 bar) with the product gas being withdrawn from the gasifier together with the contaminants at a temperature of about 1450ºC. After being cleaned and cooled, a portion of the product gas stream was recycled at a temperature of about 315ºC. and injected as quenching gas into the upstream end of the quenching section, which practically represents the first section of the gas outlet line from the carburetor.

Es können identische Massen an Produktgas und Abschreckgas verwendet werden, obwohl je nach den angewendeten Betriebsbedingungen dieses Verhältnis auch im Bereich von 0,5 bis 4,0 Masseeinheiten an Abschreckgas für jede Masseeinheit an Produktgas variiert werden kann. Um in der Abschreckkammer eine ausreichende Kühlung und eine Turbulenzströmung zu erzielen, ist es notwendig, daß die Länge der Abschreckleitung das 5- bis 20-fache des Innendurchmessers dieser Leitung beträgt. Es ist vorteilhaft, wenn diese Minimallänge der Abschreckleitung solange keine Krümmungen aufweist, bis die Teilchen eine Stelle in der Leitung passiert haben, wo sie nicht mehr klebrig sind. Bei der hohen Betriebstemperatur des Vergasers verdampfen bestimmte Verunreinigungen, wie die niedrigeren Oxide von Silicium und viele Oxide der Alkalimetalle. Diese Materialien werden dann in dem Abschreckabschnitt der Verfahrensvorrichtung kondensiert und gekühlt. Ein Abschreckabschnitt mit einer geraden Erstreckung entsprechend dem 14-fachen des Durchmessers dieses Abschnittes ermöglicht es, in einem System mit einer Verbrennungsleistung von 200 Tonnen Kohle je Tag, eine Fließgeschwindigkeit an heißem Synthesegas von 9 Metern je Sekunde zu handhaben.Identical masses of product gas and quench gas may be used, although depending on the operating conditions employed, this ratio may also be varied in the range of 0.5 to 4.0 mass units of quench gas for each mass unit of product gas. In order to achieve adequate cooling and turbulent flow in the quench chamber, it is necessary that the length of the quench line be 5 to 20 times the inside diameter of that line. It is advantageous if this minimum length of the quench line does not have any bends until the particles have passed a point in the line where they are no longer sticky. At the high operating temperature of the gasifier, certain impurities such as the lower oxides of silicon and many oxides of the alkali metals vaporize. These materials are then condensed and cooled in the quench section of the process apparatus. A quenching section with a straight extension equal to 14 times the diameter of this section makes it possible to handle a flow rate of hot synthesis gas of 9 meters per second in a system with a combustion capacity of 200 tons of coal per day.

Die verbleibenden Vorrichtungsteile, welche in Fig. 2 dargestellt sind, entsprechen den Komponenten von Fig. 1. Fig. 2 ist hier offenbart worden um zu zeigen, daß die Abschreckleitung (8) den Vergaser auch in vertikaler Richtung verlassen kann und gewünschtenfalls in den Wärmeaustauscher (7) von dessen Kopfende aus eintritt.The remaining parts of the device shown in Fig. 2 correspond to the components of Fig. 1. Fig. 2 has been disclosed here to show that the quench line (8) can also leave the gasifier in a vertical direction and, if desired, enter the heat exchanger (7) from its head end.

Claims

1. A process for producing synthesis gas, comprising the following process steps:

a) partially oxidizing coal at an elevated temperature by feeding dry particulate coal and oxygen to a gasification zone, said gasification zone comprising at least one burner for oxidizing the coal, the ratio of coal to oxygen being such that a reducing atmosphere is maintained and a raw synthesis gas having a temperature of about 1050°C to about 2200°C is formed, and removing heat energy from said synthesis gas in said gasification zone by indirect heat exchange with steam and water at a temperature of about 100°C to about 350°C;

(b) passing the raw synthesis gas and the sticky particles entrained by it through a quenching zone;

c) injecting a cooling quenching gas into said quenching zone and mixing the cooling quenching gas with the hot synthesis gas under turbulent flow conditions so as to convert at least the outer surfaces of the sticky particles into a non-sticky state;

d) passing the raw synthesis gas from process step c) into a heat exchange zone and extracting heat energy from said synthesis gas and the particulate material entrained by it; and

e) removing the particles from said raw synthesis gas to produce a substantially particle-free synthesis gas, a portion of the gas being adapted for recycling and injection into the quenching zone;

characterized,

that the raw synthesis gas leaving the gasification zone contains small amounts of vaporized mineral material and said vaporized mineral material is condensed by injecting the quench gas upstream of said quench zone; that the quench zone consists of a long straight pipe which is arranged at the upstream end of the gas outlet line of said gasification zone and in flow connection therewith, the length of the straight line section downstream of the point of injection of the quench gas being five to twenty times the diameter of the pipe and the mass of the quench gas injected into the stream of raw synthesis gas being 0.5 to 4 times the mass of the synthesis gas; and wherein the non-sticky particles and the condensed vaporized mineral material are passed together with the synthesis gas through the downstream heat exchange zone of process step d).

2. The process as claimed in claim 1, characterized in that the quenching gas is a low temperature, water-free and particle-free product gas which has been generated in the process itself.

3. The method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the stream of quenching gas is injected into the raw synthesis gas from a plurality of points located in the periphery thereof, so that in said region of gas injection a shell of cooler quenching gas is formed around the hot synthesis gas stream and the sticky particles are entrained thereby.