DE102011051906A1

DE102011051906A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe mit Wasserdampf und Kohlendioxid und deren Gemische

Info

Publication number: DE102011051906A1
Application number: DE102011051906A
Authority: DE
Inventors: Robin Schmidt; Petr A. Nikrityuk; Frank Dierich; Prof. Stelter Michael; Bernd Meyer
Original assignee: Bergakademie Freiberg
Current assignee: Bergakademie Freiberg
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: DE102011051906B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe in einem Wirbelschichtvergasungsreaktor. Dabei werden ein Vergasungsmittel, das Kohlendioxid und/oder Wasserdampf enthält, sowie der Vergasungsstoff derart in den Reaktor eingebracht, dass sich eine Wirbelschicht ausbildet. Die Vergasung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt mittels eines in dieser Wirbelschicht schrittweise rotierenden Spannungsfeldes, durch das diskontinuierlich ein dem Spannungsfeld folgendes, schrittweise rotierendes Plasma gezündet wird. Dabei erzeugtes staubbeladenes Rohgas wird oberseitig und dabei entstandene Asche unterseitig des Vergasungsreaktors abgezogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe mit Wasserdampf und Kohlendioxid und deren Gemische.
Die Vergasung kohlenstoffhaltiger (C-haltiger) Stoffe erfolgt in der Regel unter Verwendung von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf um sogenanntes Synthese- oder Wassergas zu erzeugen, dass Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Spuren anderer Bestandteile enthält. In der Regel werden derartige Vergasungen im Verfahren der Flugstrom-, Festbett- oder Wirbelschichtvergasung durchgeführt.
Bei der Wirbelschichtvergasung werden die C-haltigen Vergasungsstoffe in granulierter Form und geeigneter Größenfraktion mit Vergasungsmitteln in einer Wirbelschicht bei hohen Temperaturen zu dem eigentlichen Vergasungsprodukt Rohgas sowie Vergasungsrückständen umgewandelt. Die Vergasungsrückstände bestehen aus Aschen, Schlacken und Restkoksen und werden, entsprechend ihrer Körnung, in grobkörniges Bodenprodukte und feinkörnige Stäube unterschieden.
Die Bodenprodukte können unterhalb der Wirbelschicht abgezogen werden, die Stäube hingegen verlassen den Reaktor zum größten Teil gemeinsam mit dem Rohgas und müssen extern, bspw. in einem Zyklon, abgeschieden werden. Durch den Verlust der Bodenprodukte und des mit dem Rohgas ausgetragenen Staubs für den Vergasungsprozess sind in Wirbelschichtvergasungsverfahren niedrige C-Umsatzgrade von 90 % oder weniger üblich.
In gängigen Verfahren werden die abgeschiedenen Stäube teilweise rezykliert und erneut in die Wirbelschicht eingebracht. Dadurch wird deren Verweilzeit in der Vergasungszone erhöht, wodurch höhere C-Umsätze ermöglicht werden. Jedoch führt es ebenso zur Bildung sehr feinkörniger Aschen, deren vollständige Rückführung mit gängigen Rezyklationsverfahren nicht möglich ist. Vielmehr ist eine externe Nachverbrennung dieser Stäube nachteilig in Kauf zu nehmen.
Das Einblasen des rezyklierten Staubes in den Vergasungsraum führt darüber hinaus zur Bildung einer zirkulierenden Wirbelschicht. Dadurch wird die Gasgeschwindigkeit in der Wirbelschicht und somit die Brennstoffzugabe im Vergasungsprozess erhöht. Nachteilig dabei ist jedoch der zusätzliche Energieaufwand, der zum Einblasen des rezyklierten Staubes und zur Aufrechterhaltung der Zirkulation notwendig ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung des Kohlenstoffumsatzgrades ist die Durchführung der Wirbelschichtvergasung bei hohem Druck bis 40 bar und hoher Temperatur bis 1100 °C. Allerdings kommt es dabei durch die im heißen Rohgas mitgeführten Aschen, erstarrten Schlacken sowie Restkoksen der Vergasung regelmäßig zu Hochtemperaturverschmutzung in nachgeschalteten Anlagen, wodurch die weitere Behandlung des Rohgases erschwert wird. Darüber hinaus sind die hohen Temperaturen auch aus energetischer Sicht von Nachteil.
Zur Erzeugung der zur Vergasung notwendigen hohen Temperaturen kommt immer häufiger Plasmatechnologie zum Einsatz. Plasmen sind zum Leuchten angeregte Gase, die zumindest teilweise aus freien Ladungsträgern wie Gas-Ionen und Elektronen bestehen. Ein Plasma kann aus jedem Gas durch äußere Energiezufuhr, bspw. beim Anlegen eines starken elektrischen Feldes durch Elektronenstoß-Ionisation, erzeugt werden.
Das Verhältnis von negativen zu positiven Ladungsträgern in einem Plasma entspricht dem des ursprünglichen Gases und beträgt etwa 1. Ein Plasma ist somit insgesamt quasi-neutral, lokal sind jedoch freie Ladungsträger sowie Radikale vorhanden. Aufgrund dieser hohen Konzentrationen hochreaktiver Molekülbruchstücke besitzen Plasmen katalytische Eigenschaften. Chemische Reaktionen werden zudem durch die extrem hohen Temperaturen von mehreren Tausend °C im Inneren eines Plasmas begünstigt.
Aus dem Stand der Technik sind daher bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Stoffe unter Verwendung von Plasmen bekannt.
Die WO 2006 081661 A1 beschreibt einen Prozess zur Vergasung von Kohle sowie zur Umwandlung der Asche in eine glasartige Schlacke. In dem zweistufigen Flugstromvergasungsverfahren wird die Reaktion zwischen staubförmiger Kohle als Vergasungsmittel und dem Vergasungsstoff Sauerstoff mittels Plasmafackeln ausgelöst. Diese leiten außerhalb des Vergasungsraumes erzeugtes, extrem heißes Plasma in diesen hinein. Dadurch kommt es zur Vergasung in der mittelbaren Umgebung der Plasmafackeln. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Produktgase in eine Reformationszone geleitet und dort mit Wasserdampf kontaktiert. Dadurch sollen eine bessere Durchmischung, ein Ausgleich der Temperatur sowie der Fortgang der Vergasungsreaktionen bewirkt werden. In einer Schmelzzone wird die entstandene Asche mit einer Plasmafackel zu einer Schlacke geschmolzen.
Die US 4,472,172 A1 offenbart ein mehrstufiges Verfahren zur Vergasung von Kohle in einem Flugstromvergaser. Dabei wird eine Mischung aus pulverisierter staubförmiger Kohle als Vergasungsstoff und dem Vergasungsmittel Dampf im Flugstromvergaser durch ein statisches elektrisches Feld geleitet. Dabei kommt es insbesondere zur Ionisation des Vergasungsmittels, zur Fragmentierung der Kohlepartikel in Kohlestaub sowie zur teilweisen Vergasung des Vergasungsstoffs. Um eine vollständigere Vergasung des Vergasungsstoffs zu erreichen, ist es notwendig den Kohlestaub in einem zweiten Verfahrensschritt mit erhitztem Wasserdampf zu kontaktieren.
In der US 6,200,430 B1 wird ein mehrstufiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas in einem Flugstromvergasungsverfahren beschrieben, wobei verschiedene Ausgangsstoffe in vorzugsweise flüssiger Form durch Injektion in eine spezielle Elektrodenanordnung miteinander zur Reaktion gebracht werden. Die Elektrodenanordnung besteht aus einer beweglichen stabförmigen Elektrode, die auf der Mittelachse einer fixierten hohlzylinderförmigen Elektrode verschiebbar angeordnet ist. Aufgrund der beweglichen Teile wäre eine derartige Konstruktion für großtechnische Anlagen eher ungeeignet. In der hohlzylinderförmigen Elektrode wird in einem ersten Verfahrensschritt mit einem Primärfluid, bestehend aus Edelgasen, ein rotierendes Plasma erzeugt. In dieses rotierende Plasma werden anschließend nacheinander ein kohlenstoffhaltiges Sekundärfluid sowie ein Tertiärgas, insbesondere Wasserdampf, Kohlendioxid-Luft-Gemisch oder Luft, eingeführt und miteinander zur Reaktion gebracht. Dabei kommt es zur Bildung von Synthesegas und Asche.
Mit der WO 2009 058626 A1 wird ein Flugstromvergasungsreaktor offenbart. In diesem erfolgt die Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffs mit dem Vergasungsmittel Sauerstoff mittels einer stationären Hochtemperatur-Plasmaschnur zwischen der Ober- und Unterseite des Reaktors. Die Anoden- bzw. Kathoden zur Erzeugung der stationären Plasmaschnur befinden sich somit an der Ober- und Unterseite des Reaktors. Das Plasma füllt somit lediglich einen gleichbleibenden begrenzten Teilbereich des Vergasungsreaktors aus. Am Boden des Reaktors ist ein Bad aus geschmolzenem Metall vorgesehen, in dem sich die während des Verfahrens zu Schlacke geschmolzene Asche sammelt.
Die WO 03 018721 A1 beschreibt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Plasma-Pyrolyse, Vergasung und Verglasung von organischem Material. Dabei wird kohlenstoffhaltiger Müll bzw. kohlenstoffhaltige Biomasse als Vergasungsstoff mit Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft als Vergasungsmittel durch eine Vielzahl von Plasmafackeln zur Reaktion gebracht. Die Plasmafackeln sind an verschiedenen Stellen in verschiedenen Höhen des Reaktors angebracht, um so möglichst gleichmäßig Energie in den Reaktor einzubringen. Die Vergasung bzw. Pyrolyse des Vergasungsstoffs findet dabei auf einer Schicht kohlenstoffhaltigen Katalysators statt. Weiterhin werden Kalk sowie Silikate zur Unterstützung der Verflüssigung der anorganischen und metallischen Bestandteile des Ausgangsmaterials kontrolliert in den Reaktor eingebracht.
In der WO 2009 139 894 A1 wird eine Vorrichtung zur vierstufigen Vergasung organischen Materials offenbart. Dabei wird in einer ersten Stufe kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoff in einem Flugstromverfahren mit Vergasungsmitteln, vorrangig Sauerstoff und Wasserdampf, zu einem Primärsynthesegas vergast. In den folgenden Stufen werden die Vergasungsreaktionen gezielt fortgeführt, indem in der zweiten Stufe bestimmte Fluide zum Primärsynthesegas zugegeben werden und in der dritten Stufe eine gezielte Durchmischung durch die Beschleunigung des Synthesegases erfolgt. In der vierten Stufe wird das Synthesegas in eine zylinderförmige Kammer mit reflektierenden Innenwänden eingeleitet. Entlang der Mittelachse dieser Kammer wird zwischen zwei Elektroden eine Plasmaschnur gezündet. Die von dieser Plasmaschnur ausgesandte und von den Innenwänden reflektierte Wärmestrahlung wird vorrangig von dem Vergasungsstoff absorbiert. Dadurch erwärmt sich der Vergasungsstoff, was weitere Vergasungsreaktionen begünstigt.
Bei der Nutzung von Plasmatechnologie zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Feststoffe besteht bislang die Schwierigkeit einen effektiven Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel zu realisieren.
In gängigen Verfahren und Vorrichtungen werden häufig Plasmafackeln verwendet, mit denen extern erzeugtes Plasma in den Vergasungsreaktor injiziert wird. Dieses Plasma vermischt sich mit Vergasungsstoff und Vergasungsmitteln und liefert so die für die Vergasungsreaktionen benötigte Energie und stellt gegebenenfalls als Vergasungsmittel Reaktionspartner zur Verfügung. Um ausreichend Energie möglichst gleichmäßig in die Vergasungszone einzubringen werden meist mehrere Plasmafackeln verwendet. Allerdings hängt auch dann ein gleichmäßiger Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel stark von der Durchmischung im Vergasungsreaktor ab. Insbesondere bei nicht staubförmigen Vergasungsstoffen ist ein gleichmäßiger Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel mit Plasmafackeln nur schwer zu realisieren.
Aus dem Stand der Technik sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Plasma direkt im Vergasungsreaktor erzeugt wird. Dabei werden die Plasmen in der Regel lokal, d. h. in bestimmten Raumbereichen erzeugt. Auch hier hängt ein gleichmäßiger Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel stark von der Durchmischung im Vergasungsreaktor ab. Zur Vermischung des in bestimmten Raumbereichen erzeugten Plasmas mit dem restlichen im Vergasungsreaktor befindlichen Vergasungsmittel und -stoff sind in der Regel zusätzliche Prozessschritte vorgesehen, weshalb bekannte Verfahren in der Regel mehrstufig konzipiert sind. Daraus resultiert in der Regel zusätzlicher apparativer Aufwand sowie längere Verfahrensdauern.
Bei Verfahren nach dem Stand der Technik reicht somit der allein durch das Plasma erzeugte Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel für einen effektiven Ablauf der Vergasungsreaktionen nicht aus. Um diesen Mangel zu beheben, wird in bekannten Verfahren häufig Sauerstoff in den Vergasungsreaktor eingeleitet, was zu der teilweisen Oxidation des Vergasungsstoffes führt. Dabei wird, unter Abgabe von Kohlendioxid, für die Vergasungsreaktionen nutzbare Energie freigesetzt. Der oxidierte Teil des Vergasungsstoffes steht jedoch für die Erzeugung energiereicher Synthesegase nicht mehr zur Verfügung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Vergasungsverfahren sowie eine Vergasungsvorrichtung vorzuschlagen, die die Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoffe mit CO2 und Wasserdampf und deren Gemische erlauben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe in einem Wirbelschichtvergasungsreaktor, wobei ein Vergasungsmittel, das Kohlendioxid und/oder Wasserdampf enthält, im unteren Teil des Vergasungsreaktors mittels einer Einspeisungsvorrichtung unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen wird, wobei der Vergasungsstoff oberhalb der Wirbelschicht unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeführt wird, wobei die Vergasung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt, indem mittels eines in der Wirbelschicht um die Mittelachse des Reaktormantels schrittweise rotierenden Spannungsfeldes diskontinuierlich ein, dem Spannungsfeld folgend schrittweise rotierendes, Plasma gezündet wird, und staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt (Asche) unterseitig des Vergasungsreaktors abgezogen wird, gelöst.
Dabei wird das Vergasungsmittelgemisch über eine Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel unter Druck und mit einer definierten Rate in den unteren Teil des Vergasungsreaktors eingeführt. Dieses Vergasungsmittel strömt aufgrund des Einspeisungsdrucks sowie seiner Dichte im Vergasungsreaktor nach oben. Abhängig von der Gestaltung der Einspeisungsvorrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit des Vergasungsmittels ergibt sich ein definiertes Strömungsprofil des Vergasungsmittelgemischs oberhalb der Einspeisungsvorrichtung.
Der Vergasungsstoff, insbesondere ein kohlenstoffhaltiger Stoff, wird oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel über eine Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff unter Druck in den Vergasungsreaktor eingebracht. Im Vergasungsreaktor fällt der Vergasungsstoff nach unten, bis er auf das nach oben strömende Vergasungsmittel trifft.
Aufgrund der Verwendung einer geeigneten Größenfraktion des Vergasungsstoffes, ist der Strömungsdruck in dem Strömungsprofil des Vergasungsmittels ausreichend, um eine Wirbelschicht aus Vergasungsstoff und Vergasungsmittel zu erzeugen. In der Wirbelschicht kommt es zu einer intensiven Durchmischung von Vergasungsmittel und Vergasungsstoff.
In der Wirbelschicht wird ein schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierendes elektrisches Spannungsfeld angelegt. Die schrittweise Rotation erfolgt dabei mit einem zumindest zeitweilig konstantem Richtungssinn. Somit liegen hohe elektrische Feldenergien nacheinander in verschiedenen begrenzten Raumgebieten des Vergasungsreaktors vor.
Das Anlegen des schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierenden Spannungsfeldes führt zur diskontinuierlichen Zündung eines schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierenden Plasmas. Dadurch kommt es zu einer starken Erwärmung des Vergasungsmittels in dem von einem starken elektrischen Feld erfüllten sowie angrenzenden Raumbereichen. Darüber hinaus liegt das Vergasungsmittel dort in dissoziierter bzw. ionisierter und somit hochreaktiver Form vor. Eine Erhitzung des Vergasungsstoffs in dem von einem starken elektrischen Feld erfüllten sowie angrenzenden Raumbereichen erfolgt vorrangig durch Widerstandserwärmung sowie durch Absorption von Wärmestrahlung.
Zumindest in den von einem ausreichend hohen elektrischen Spannungsfeldes ausgefüllten Raumbereichen kommt es somit zum spontanen Ablauf der endothermen Vergasungsreaktionen, insbesondere der Wassergas- und Boudouardreaktion. Bei ersterer reagiert Kohlenstoff mit Wasserdampf zu Wassergas, einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. In der Boudouardreaktion wird Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid und Kohlenstoff synthetisiert.
Bei dieser Vergasung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel entstehen staubbeladene Rohgase sowie Aschepartikel. Können die Aschepartikel nicht mehr in der Wirbelschicht gehalten werden, fallen sie als Bodenprodukt durch diese hindurch auf den Boden des Reaktors. Erfindungsgemäß wird dieses Bodenprodukt mittels eines Ascheaustrags aus dem Vergasungsreaktor entfernt.
Die in den Vergasungsreaktionen entstehenden staubbeladenen Rohgase strömen im Vergasungsreaktor nach oben. Durch eine Vergrößerung der Querschnittfläche des Reaktors in dessen oberem Teil kommt es dabei zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Rohgase. Somit können weniger Aschepartikel in der Schwebe gehalten werden und fallen zurück in die Wirbelschicht um weiter an den Vergasungsreaktionen teilzunehmen. Das Rohgas selbst strömt weiter nach oben und wird durch einen Rohgasabzug an der Oberseite des Reaktors abgezogen.
Auf das in der Wirbelschicht befindliche Vergasungsmittel, insbesondere auf das Kohlendioxid und den Wasserdampf, hat das elektrische Feld eine ionisierende Wirkung. Ist die Feldstärke des elektrischen Feldes ausreichend hoch, kommt es zu einer Zerlegung der elektrisch neutralen Gasmoleküle in ionisierte Molekülbruchstücke. Entsprechend ihrer Ladung werden diese Molekülbruchstücke im elektrischen Feld beschleunigt. Insbesondere durch die Beschleunigung von einzelnen Elektronen kommt es dabei in begrenzten Raumbereichen im Gas zu einer Elektronenstoßionisation mit Lawineneffekt und der Ausbildung eines Plasmas.
Aufgrund der großen Leitfähigkeitsunterschiede zwischen Kohle und Luft erfolgt der Stromfluss im Vergasungsraum vor Allem durch die Partikel des Vergasungsstoffs. Dies führt dazu, dass die Stoßionisation des Gases und somit auch die Plasmabildung zuerst zwischen den Partikeln erfolgen. Die Zündung des Plasmas erfolgt dabei diskontinuierlich, in den zeitweilig von dem, schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierendem, Spannungsfeld erfüllten Raumbereichen. Besonderes in diesen Raumbereichen kommt es dabei zu einer starken Erhitzung des Vergasungsmittelgemischs.
In Plasmaform besteht das Vergasungsmittel zum größten Teil aus freien Ladungsträgern, ist somit elektrisch leitend und ermöglicht dadurch den Stromfluss der Entladung. Aufgrund ihrer geringeren Masse im Vergleich zu den Gas-Ionen sind für den Stromfluss vorrangig Elektronen verantwortlich. Bei der Entladung kann es zur Bildung eines Licht ausstrahlenden Plasmas bzw. eines Lichtbogens kommen. Dabei steigt insbesondere in den von dem Lichtbogen erfüllten Raumbereichen Druck und Temperatur der Gase stark an. Typisch sind Temperaturen zwischen 5.000 K und 50.000 K im Inneren eines Plasmas. Aufgrund der Emission von Licht wird von dem Lichtbogen darüber hinaus Strahlungswärme in die umgebenden Raumbereiche emittiert.
Auf den in der Wirbelschicht befindlichen Vergasungsstoff hat das zwischen den Elektroden angelegte elektrische Feld eine insbesondere polarisierende Wirkung. Dies resultiert insbesondere aus der hohen Leitfähigkeit der kohlenstoffhaltigen Partikel. Dabei kommt es zu einer Verschiebung freier Ladungsträger in den kohlenstoffhaltigen Partikeln und somit sowohl zu einem Stromfluss in deren Innerem als auch zur Ansammlung von Ladung an deren Oberfläche. Dadurch entsteht ein großer Gradient des elektrischen Feldes zwischen den Partikeln, wodurch in diesen Raumbereichen zuerst die Zündung von Plasmen erfolgt und Lichtbögen ausgebildet werden.
Durch den Stromfluss im Inneren der Partikel heizen sich diese aufgrund von Widerstandserwärmung stark auf. Eine weitere Erhitzung der Partikel erfolgt durch die Absorption der von dem Plasma emittierten Strahlung, wobei die kohlenstoffhaltigen Partikel einen wesentlich größeren Absorptionsquerschnitt für diese Strahlung als die Gasteilchen aufweisen. Aufgrund der Polarisation der Partikel sowie der dielektrischen Verschiebung kann es zudem zu einer durch das elektro-magnetische Feld vermittelten Kraftwirkung auf die Partikel kommen.
Das schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierende Spannungsfeld wird mittels einer Elektrodenanordnung erzeugt. Diese Elektrodenanordnung besteht aus einer zentral angeordneten Kathode sowie einer Vielzahl an der Innenseite der Reaktorwand angeordneten Anoden, die in ihrer Gesamtheit einen segmentierten Anodenring bilden. Mittels einer mit den einzelnen Anoden über Stromregler verbundenen Steuerungseinrichtung, einschließlich Spannungsquelle, können unterschiedliche starke elektrische Spannungen zwischen der Kathode und den einzelnen Anoden angelegt werden.
Beim Anlegen einer Spannung zwischen der Kathode und einer der Anoden baut sich zwischen diesen beiden Elektroden ein elektrisches Feld auf. In dem von diesen elektrischen Feldern erfüllten Raumbereichen des Vergasungsreaktors erstreckt sich erfindungsgemäß, zumindest teilweise, die Wirbelschicht, bestehend aus Vergasungsstoff und Vergasungsmittel.
Mittels der Steuerungseinrichtung, einschließlich Spannungsquelle, die mit den einzelnen Anoden über stromleitende Elemente sowie Stromregler verbunden ist, wird die zwischen der zentralen Kathode und den einzelnen Anoden anliegende Spannung diskontinuierlich moduliert. Dies erfolgt derart, dass eine zur Zündung eines Plasmas bzw. zur Erzeugung eines Lichtbogens ausreichend hohe Spannung nacheinander an verschiedenen Segmenten des Anodenrings angelegt wird.
Somit wird im Inneren des Vergasungsreaktors ein diskontinuierliches, zeitlich und räumlich periodisches, insbesondere um die Mittelachse des Vergasungsreaktors schrittweise rotierendes, Spannungsfeld erzeugt. Die Schrittweite der Rotation entspricht dabei dem Abstand zwischen den einzelnen Anoden des segmentierten Anodenrings oder einem Vielfachen davon. Diesem Spannungsfeld folgt ein zeitlich und räumlich periodisches, insbesondere schrittweise um die Mittelachse des Vergasungsreaktors rotierendes Plasma.
Durch das schrittweise rotierende Spannungsfeld sowie dem diesen folgenden Plasma erfolgen die oben genannte Erhitzung bzw. Ionisierung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel diskontinuierlich in weiten Raumbereichen des Vergasungsreaktors. Dabei werden die oben genannten Prozesse nacheinander in den Raumbereichen ausgelöst, in denen das schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierende Spannungsfeld zu dieser Zeit angelegt ist.
Darüber hinaus führt die Rotation des Spannungsfelds bzw. des Plasmas zu einer zusätzlichen Durchmischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel. Zusätzlich liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl hochreaktiver Molekülbruchstücke, insbesondere Bestandteile des ionisierten Vergasungsmittels bzw. Plasmas, in weiten Teilen des Vergasungsreaktors vor und katalysieren somit die Vergasungsreaktionen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ein gleichmäßiger Energieeintrag in weite Teile des Vergasungsreaktors und somit die Ausbildung einer sich über diese Raumbereiche erstreckende Vergasungszone, in welcher die endothermen Vergasungsreaktionen, insbesondere Wassergas- und Boudouardreaktion spontan ablaufen, bewirkt. Da durch die Erzeugung des Plasmas das Vergasungsmittel zumindest teilweise in ionisierter, hochreaktiver Form vorliegt, katalysieren diese die Vergasungsreaktionen, insbesondere die Wassergas- und Boudouardreaktion, die dadurch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ablaufen. Die Steuerung von Energieeintrag und Temperatur erfolgt dabei über die gezielte Erzeugung des diskontinuierlichen Plasmas, bspw. über die Rotationsgeschwindigkeit des angelegten Spannungsfeldes.
Als Vergasungsmittel wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch, das Wasserdampf und/oder Kohlendioxid enthält, verwendet. Das Verhältnis von Kohlenstoff und Wasserdampf ist dabei derart, dass das Gemisch aus 0 Vol. -% bis 100 Vol. -% Wasserdampf und 0 Vol. -% bis 100 Vol.-% Kohlendioxid besteht.
Als Wasserdampf wird vorzugsweise Sattdampf verwendet.
Insbesondere aus verfahrenstechnischen Gründen kommt es erfindungsgemäß auch zum Eintrag von Spuren von Sauerstoff in den Vergasungsreaktor. Die Gesamtkonzentration von Sauerstoff im Vergasungsreaktor liegt dabei jedoch unter 10 Vol.-%. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden so bevorzugt mindestens 2,5–3 kg CO₂pro kg Kohle umgesetzt.
Der zum Ablauf der endothermen Vergasungsreaktionen notwendige Energieeintrag ist beim erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig von der Oxidation von Kohlenstoff und somit von der Sauerstoffzufuhr in den Vergasungsreaktor. Somit könne die Vergasungsreaktionen im Vergasungsreaktor nahezu unter Sauerstoffabschluss durchgeführt und die Emissionen von Kohlendioxid minimiert werden.
Der Vergasungsstoff wird in einer zur Ausbildung einer Wirbelschicht geeigneten Größenfraktion, mit mittleren Korngrößen von 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,5 mm und 7 mm und besonders bevorzugt 1 mm bis 5 mm verwendet.
Der Vergasungsstoff wird dabei im Vergasungsreaktor mit einer, zur Ausbildung einer Wirbelschicht geeigneten, Feststoffkonzentration von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% verwendet.
Das nach oben strömende, mit Feinstaub beladene Rohgas verlässt den Vergasungsreaktor durch einen an der Oberseite des Reaktormantels befindlichen Rohgasaustrag. Dieser ist mit einem Zyklon zur Fliehkraftabscheidung des Feinstaubs aus dem Rohgas verbunden. Nach der Trennung von festen und gasförmigen Bestandteilen im Zyklon wird das Gas seiner weiteren Verwendung bzw. Speicherung zugeführt. Die von dem Rohgas abgetrennten festen Bestandteile werden über eine Rohrleitung zurück in den Vergasungsreaktor, insbesondere zurück in die Wirbelschicht, geleitet. Dort nehmen die rezyklierten kohlenstoffhaltigen Stäube erneut an den Vergasungsreaktionen teil.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens passiert das Vergasungsmittel nach der Einspeisung durch die Einspeisungsvorrichtung einen Gasverteilerboden. Dadurch kann das Strömungsprofil des Vergasungsmittels und somit Eigenschaften der Wirbelschicht gezielt eingestellt werden. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel als Gasverteilerboden ausgeführt.
Das Einleiten der rezyklierten Stäube in die Wirbelschicht führt bevorzugt zur Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht, in der eine besonders intensive und gleichmäßige Durchmischung von Vergasungsmittel und Vergasungsstoff erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kommt es aufgrund der starken Erhitzung der kohlenstoffhaltigen Partikel darüber hinaus zur Verdampfung der in den Partikeln befindlichen flüchtigen Stoffe. Dies hat eine Fragmentierung der Partikel selbst zur Folge, wodurch sich deren Reaktionsoberfläche vergrößert und oben genannte Vergasungsreaktionen verstärkt ablaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden eine weitere Durchmischung und ein gleichmäßiger Energieeintrag im Vergasungsreaktor aufgrund der Rotation des Spannungsfelds bzw. des Lichtbogens erreicht, da dieser Rotation folgende Druck- und Temperatur-Inhomogenitäten im Inneren des Vergasungsreaktors entstehen. Die dadurch ausgelösten Ausgleichströmungen in der Wirbelschicht sorgen für eine zusätzliche Vermischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel sowie von erhitzen und nicht erhitzen bzw. ionisierten und nicht ionisierten Reaktanden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kommt es aufgrund der diskontinuierlichen Veränderung des elektrischen Feldes aber auch aufgrund lokaler Ströme bevorzugt zur Bildung magnetischer Felder im Inneren des Vergasungsreaktors. Alle im Vergasungsreaktor befindlichen elektrisch geladenen Partikel, insbesondere die ionisierten Bestandteile des Plasmas sowie die polarisierten Vergasungsstoffpartikel, erfahren eine Ablenkung durch diese elektro-magnetischen Felder.
Bevorzugt wird staubförmiges Vergasungsmittel, insbesondere sehr feinkörnige Aschen, durch die Ablenkung in den elektro-magnetischen Feldern länger in der Vergasungszone des Vergasungsreaktors gehalten. Dadurch wird die Staubbeladung der abgezogenen Rohgase minimiert und der Kohlenstoff-Umsatzgrad erhöht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Anteil sehr feinkörniger Aschen im abgezogenen Rohgas derart gering, dass eine externe Nachverbrennung unnötig ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Beschleunigung aller im Vergasungsreaktor befindlichen elektrisch geladenen Partikel in den elektro-magnetischen Feldern derart, dass dadurch die Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht begünstigt wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt ein Vergasungsreaktor, umfassend:
einen von einem Reaktormantel umschlossenen Vergasungsraum, eine im unteren Teil des Vergasungsreaktors angeordnete Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel sowie eine darüber befindlichen Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff, eine zwischen der Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff und der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel und dem Gasverteilerboden befindliche Elektrodenanordnung, umfassend einen, sich über den gesamten Umfang der Innenseite der Reaktorhülle erstreckenden, segmentierten Anodenring sowie eine zentral angeordnete, höhenverstellbare Kathode, eine Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle, mittels der an den einzelnen Anoden des segmentierten Anodenrings, über stromleitende Elemente sowie Stromregler nacheinander zur Zündung eines Plasmas ausreichende Spannungen angelegt werden können.
Der erfindungsgemäßen Wirbelschichtvergasungsreaktor weist einen mit einem Reaktormantel begrenzten Vergasungsraum aufweist. Die Grundform des Reaktormantels ist dabei einem Hohlzylinder ähnlich, wobei sich die Querschnittfläche des Reaktormantels im oberen Teil des Vergasungsreaktors aufweitet.
Im unteren Teil weist der Vergasungsreaktor eine Einspeisungsvorrichtung für gasförmige Vergasungsmittel auf. Durch diese Einspeisungsvorrichtung können die Vergasungsmittel unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen werden.
Oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel weist der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor eine Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff auf. Über diese Einspeisungsvorrichtung können Vergasungsstoffe unter Druck dem Vergasungsreaktor zugeführt werden.
Oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel und unterhalb der Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff befindet sich eine Elektrodenanordnung, bestehend aus einer an der Innenseite des Reaktormantels befindlichen Anodenanordnung sowie einer auf der Mittelachse des annähernd hohlzylinderförmigen Reaktormantels zentral angeordneten Kathode. Die Kathode ist höhenverstellbar an der Reaktorwand befestigt und geerdet.
Die Anodenanordnung besteht aus einzelnen Anoden, die einen segmentierten Anodenring formen. Dabei sind die Anoden in gleichem Abstand zueinander und in gleicher Höhe angeordnet. Die Anzahl der Anoden hängt dabei vom Umfang des Reaktormantels, der Größe der einzelnen Anoden sowie der Größe der Aussparungen zwischen den einzelnen Anoden ab.
Die Anodenanordnung ist über stromführende Elemente sowie Stromregler mit einer Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle verbunden. Die Verbindung der Anodenanordnung mit der Spannungsquelle mittels der stromleitenden Elemente sowie den Stromreglern ist derart, dass an die einzelnen Anoden verschiedene Spannungen unabhängig von den anderen Anoden angelegt werden können. Insbesondere ist es möglich gezielt an einzelne Anoden des segmentierten Anodenrings eine zur Zündung eines Plasmas ausreichende Spannung anzulegen.
Erfindungsgemäß weist der Vergasungsreaktor einen am Reaktorboden befindlichen Ascheaustrag auf. Anorganische, aus den kohlenstoffhaltigen Partikeln gelöste, Bestandteile sowie nicht mehr in der Wirbelschicht gehaltene kohlenstoffhaltige Partikel die zu Boden fallen werden über diesen Ascheaustrag aus dem Vergasungsraum entfernt.
An der Oberseite des Vergasungsreaktors befindet sich erfindungsgemäß ein Rohgasabzug für die im Vergasungsreaktor entstehenden, staubbeladenen Rohgase sowie nicht umgesetztes Vergasungsmittel. Mit diesem werden das staubbeladene Rohgas sowie das nicht umgesetzte Vergasungsmittel aus dem Vergasungsraum entfernt.
Erfindungsgemäß ist der Rohgasabzug mit einem Zyklon bzw. Fliehkraftabscheider verbunden. Dieser weist sowohl einen Abzug für die vom Staub getrennten und somit gereinigten Rohgase sowie eine Rohrleitung zur Rückführung der aus dem Rohgas abgetrennten Stäube auf. Mittels der Rohrleitung erfolgt die druckhafte Rückführung der abgetrennten Stäube in den Vergasungsraum, insbesondere in die Wirbelschicht, oberhalb des Wirbelbodens und unterhalb der Anodenanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reaktorwand mehrschichtig aufgebaut und/oder besitzt isolierende Eigenschaften.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung befindet sich oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel ein Gasverteilerboden. Dabei handelt es sich um eine die gesamte Querschnittfläche des Vergasungsreaktors abdeckende Platte die eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Durchströmt das Vergasungsmittel diesen Gasverteilerboden wird dessen Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der verringerten Querschnittfläche erhöht. Darüber hinaus dient der Gasverteilerboden der Homogenisierung der nach oben gerichteten Gasströmung. Alternativ erfolgt die Einspeisung des Vergasungsmittels in den Vergasungsreaktor direkt über einen Gasverteilerboden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel durch ein steuerbares Ventil verschließbar, so dass die Einspeisung des Vergasungsmittels kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff mit einem steuerbaren Ventil verschließbar, wodurch die Zuleitung des Vergasungsstoffes kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.
Bevorzugt entspricht der Umriss der Kathode der Querschnittform des Reaktormantels um einen allseitig gleichen Abstand zwischen Kathode und Reaktormantel sicherzustellen.
Die Anoden sind bevorzugt an der Innenseite des Reaktormantels angebracht oder ebenfalls bevorzugt in den Reaktormantel eingelassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Kathode und die Anodenanordnung aus Graphit. Dadurch kommt es bei der Ablösung von Teilchen von der Oberfläche der Elektroden nicht zu einer Verunreinigung der Reaktanden und einer Beeinträchtigung der Vergasungsreaktionen. Kommt es zu einem Materialabtrag von den Elektroden, kann durch die höhenverstellbare Montage der Kathode ein konstanter Abstand zwischen dieser und der Anodenanordnung sichergestellt werden.
Bevorzugt befindet sich die Steuereinrichtung innerhalb oder außerhalb des Reaktormantels oder ist ebenfalls bevorzugt in diesen integriert. Bei einer externen Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle außerhalb des Reaktormantels werden die stromleitenden Elemente durch den Reaktormantel geführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ascheaustrag mit einem steuerbaren Schleusensystem versehen, so dass der Ascheaustrag kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist der Rohgasabzug mit einem steuerbaren Ventilsystem versehen, so dass der Rohgasabzug kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.
Anhand beigefügter Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine vereinfachte frontale Schnittdarstellung eines Vergasungsreaktors,
2 eine Schnittdarstellung durch den Reaktor auf der Höhe A,
3 eine schematische Darstellung des Stromlinienverlaufs zwischen zwei Elektroden in einer Rohrströmung mit 30 Vol.-% Partikeln (das rechte Bild zeigt vergrößert einen Ausschnitt des linken Bildes),
4 einen Kontourplot der dimensionslosen Temperatur zwischen zwei Elektroden in einer Rohrströmung mit 30 Vol.-% Partikeln (das rechte Bild zeigt vergrößert einen Ausschnitt des linken Bildes).
1 zeigt einen Vergasungsreaktor der durch einen Reaktormantel 3 begrenzt wird. Im unteren Teil des Vergasungsreaktors bildet der Reaktormantel 3 einen nach unten gewölbten Reaktorboden, in dem sich eine Öffnung für den Ascheaustrag 8 befindet. Ebenfalls im unteren Teil des Reaktors befindet sich die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel 4. Der untere Teil des Reaktors ist durch einen Gasverteilerboden 10 vom mittleren Teil des Reaktors, der einen zylinderförmigen Reaktormantel 3 aufweist, abgetrennt.
Im mittleren Teil des Vergasungsreaktors befindet sich oberhalb des Gasverteilerbodens 10 eine zentrale zylinderförmige Kathode 1. Diese ist mittels einer Hebevorrichtung 9 mit dem nach unten gewölbten Reaktorboden verbunden. Oberhalb der Kathode 1 befindet sich eine an der Innenseite des Reaktormantels 3 eine ringförmige Anodenanordnung 2. Diese Anodenanordnung 2 besteht aus einer Vielzahl von Anoden, die in gleicher Höhe an dem Reaktormantel 3 angebracht sind. Die Abstände zwischen benachbarten Anoden 2 variieren je nach Umfang des Reaktormantels 3 und der Anzahl der Anoden 2. Die gesamte Anodenanordnung 2 bildet einen segmentierten Ring aus Anoden in konstanter Höhe auf der Innenseite des Reaktormantels 3. Oberhalb der Anodenanordnung 2 befindet sich eine Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff 5, durch die Kohle oder andere kohlenstoffhaltige Feststoffe in das Innere des Vergasungsreaktors eingebracht werden. Zwischen der Anodenanordnung 2 und der Kathode 1 befindet sich eine weitere Einspeisungsvorrichtung, durch die mittels eines Zyklons 7 aus dem Reaktionsgas abgesonderte kohlenstoffhaltige Partikel in den mittleren Teil des Vergasungsreaktors zurück geführt werden.
Im oberen Teil des Vergasungsreaktors weitet sich der Reaktormantel 3 und begrenzt so einen Reaktorraum mit größerer Querschnittfläche als im mittleren Teil. Die Oberseite des Vergasungsreaktors wird durch den nach außen gewölbten Reaktormantel 3 begrenzt. Im Scheitelpunkt dieser Wölbung befindet sich ein Rohgasabzug 13, an den ein Zyklon 7 angeschlossen ist. Dieser Zyklon 7 weist eine Austrittsöffnung für das Reaktionsgas sowie eine weitere Austrittsöffnung für abgeschiedene Partikel auf, die über eine Rohrleitung 14 durch eine Einspeisungsvorrichtung zwischen Anodenanordnung 2 und Kathode 1 zurück in den Vergasungsreaktor geführt werden.
In dem in 2 gezeigten Schnitt durch den Vergasungsreaktor in Höhe A wird eine mögliche Ausgestaltung der Anodenanordnung 2 gezeigt. Dabei sind vier Paare gegenüberliegender Anoden an der Innenseite des Reaktormantels 3 angebracht. Jede dieser Anoden ist über ein stromleitendes Element 12 sowie über einen Stromregler 15 mit einer außerhalb des Vergasungsreaktors befindlichen Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle 11 verbunden. Diese Verbindungen, die den Reaktormantel 3 durchdringen, sind derart, dass an jede Anode eine von den anderen Anoden unabhängige Spannung angelegt werden kann.
Die Anoden des segmentierten Anodenrings 2 können über hardwaremassig und/oder programmtechnisch ausgebildete Stromregler 15 mit einer Steuereinrichtung einschließlich einer Spannungsquelle 11 in Verbindung stehen, wobei jeder Teilanode 2 ein Stromregler 15 zugeordnet ist. Mit den Stromreglern können die Teilanoden 2 auch abschaltbar ausgebildet sein. Dadurch ist es beim Betrieb möglich, mit lokal verschiedenen Stromdichten zu arbeiten und somit die Ausbildung des Plasmas im Reaktor einzustellen.
In der Mitte des zylinderförmigen Reaktormantels ist eine ebenfalls zylinderförmige Kathode 1 angeordnet. Diese ist mittels einer Hebevorrichtung 9 höhenverstellbar montiert und befindet sich daher in 2 in selber Höhe wie die Anodenanordnung 2.
Der in 1 gezeigte Vergasungsreaktor dient zur Vergasung von Kohle bzw. anderer kohlenstoffhaltiger Feststoffe. Dabei werden geeignete Größenfraktionen dieses kohlenstoffhaltigen Materials in bestimmten Raten durch die Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff 5 in den mittleren Teil des Vergasungsreaktors eingebracht. Durch die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel 4 wird simultan Vergasungsmittel in bestimmten Raten in den unteren Teil des Vergasungsreaktors eingebracht.
Zusätzlich wird ein Gemisch, enthaltend Wasserdampf und Kohlendioxid, als Vergasungsmittel verwendet. Dieses Gasgemisch strömt in dem Vergasungsreaktor durch den Gasverteilerboden 10 nach oben. Oberhalb des Gasverteilerbodens 10 bildet sich durch das nach oben strömende Gasgemisch eine Wirbelschicht aus Vergasungsstoff und Vergasungsmittel aus. Die Wirbelschicht erfüllt dabei zumindest die Raumgebiete zwischen der Anodenanordnung 2 und der zentralen Kathode 1.
Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer der Anoden der Anodenanordnung 2 und Kathode 1 kommt es zu einer Gasentladung im Vergasungsmittel, wodurch sich im Vergasungsreaktor ein Lichtbogen bzw. eine Plasmaschnur bildet.
Aufgrund der großen Leitfähigkeitsunterschiede von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel erfolgt der Stromfluss zwischen Anode und Kathode vorrangig durch die kohlenstoffhaltigen Partikel des Vergasungsstoffes. Dieser Sachverhalt geht ebenfalls aus in 3 illustrierten Daten einer computergestützten Simulation hervor. Dabei zeigt 3 den Stromlinienverlauf in einer Rohrströmung zwischen zwei Elektroden, ausgefüllt mit einem schlecht leitenden Gas sowie 30 Vol.-% Feststoffpartikeln hoher Leitfähigkeit.
Aufgrund der hohen Leitfähigkeitsunterschiede zwischen Vergasungsstoff und -mittel kommt es somit insbesondere zwischen den Vergasungsmittelpartikeln zur Ionisation des Vergasungsmittels. Dadurch bilden insbesondere dort und in Richtung des Gradients des elektrischen Feldes Lichtbögen aus. Dadurch kommt es vor allem zwischen den Partikeln zu einer starken Erhitzung des Vergasungsmittels. Dieser Sachverhalt ist aus den in 4 illustrierten Daten einer computergestützten Simulation ersichtlich. Dabei zeigt 4 den Konturplot der dimensionslosen Temperatur zwischen zwei Elektroden in einer Rohrströmung mit 30 Vol.-% leitfähigen Partikeln in einem schlecht leitenden Gas.
Die Plasmaschnüre bestehen zum größten Teil aus dem ionisierten, leuchtenden Vergasungsmittel sowie darin befindlichen C-haltigen Partikeln. In diesem Plasma herrschen hohe Temperaturen von 5.000 K bis 50.000 K. Darüber hinaus erfolgt eine starke Erhitzung der C-haltigen Partikel, sowohl durch Widerstandserwärmung aufgrund der angelegten Spannung als auch durch Absorption der vom Plasma emittierten Strahlung.
Aufgrund der räumlichen Begrenzung der Lichtbögen als Gebiete sehr hoher Temperaturen sowie der Verwendung des Vergasungsstoffes in bestimmten Feststoffkonzentrationen, ist die Durchschnittstemperatur im Vergasungsraum weit niedriger als die für Plasmen typischen Temperaturen. Darüber hinaus ist die Durchschnittstemperatur, insbesondere aufgrund der katalytischen Wirkung des Plasmas, niedriger als in heutigen Wirbelschichtvergasungsreaktoren.
Aufgrund der starken Erhitzung der kohlenstoffhaltigen Partikel sowie des Vergasungsmittels, dessen Ionisation und der Entstehung freier Radikaler finden im Vergasungsreaktor spontan die endothermen Vergasungsreaktionen, insbesondere die Wassergas- und die Boudouardreaktion statt.
Durch die Steuereinrichtung einschließlich einer Spannungsquelle 11 wird eine diskontinuierliche Spannungsänderung an den Anoden 2 erzeugt. Durch die Rotation des Spannungsfelds wird nur zwischen der Kathode 1 und einer Anode der Anodenanordnung 2, zwischen denen die angelegte elektrische Spannung ausreichend stark ist, ein Plasma mittels Gasentladung gezündet. Somit entsteht im Vergasungsreaktor ein diskontinuierliches Plasma. Durch das sequentielle Ansteuern der Anoden 2 rotiert das diskontinuierliche Plasma um die Achse des Vergasungsreaktors.
Aufgrund dieser Rotation kommt es zu einer weiteren Durchmischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel im Vergasungsreaktor. Diese Durchmischung basiert zum einen auf Temperatur- und Druckunterschieden, die durch die Rotation des Plasmas im Vergasungsreaktor erzeugt werden. Darüber hinaus bewirkt die Beschleunigung und Ablenkung der geladenen Plasmateilchen sowie C-haltigen Partikel in den im Plasma auftretenden elektro-magnetischen Feldern eine zusätzliche Durchmischung im Vergasungsreaktor.
Somit kommt es sowohl durch die Wirbelschicht als auch durch die Wirkung des rotierenden Plasmas zu einer Vermischung der Reaktanden im Vergasungsreaktor. Zusammen mit der Wirkung der bei der Plasmazündung freiwerdenden und von dem Reaktormantel 3 reflektierten Strahlung führt dies zu einer Vergrößerung der Reaktionszone im Vergasungsreaktor. Die Vergasungsreaktionen finden somit nicht nur in unmittelbarer Nähe des rotierenden Plasmas sondern in weiten Teilen des Vergasungsreaktors statt.
Aufgrund der Erhitzung der C-haltigen Partikel kommt es zur Lösung anorganischer Bestandteile, beispielsweise Schwefelverbindungen, aus den Partikeln die dann als Asche zu Boden fallen. Auch C-haltige Partikel die nicht mehr in der Wirbelschicht gehalten werden, fallen durch diese hindurch auf den Boden des Vergasungsreaktors. Durch einen geeigneten Schleusenmechanismus an dem Ascheaustrag 8 werden diese Bodenprodukte bzw. Aschen aus dem Vergasungsreaktor ausgetragen.
Das entstandene Rohgas, andere gasförmige Reaktionsprodukte sowie feine kohlenstoffhaltige Partikel strömen im Vergasungsreaktor nach oben. Durch das Aufweiten des Reaktormantels im oberen Bereich des Vergasungsreaktors verlangsamt sich die Gasströmung, wodurch weniger kohlenstoffhaltige Partikel in der Schwebe gehalten werden. Diese fallen zurück in die Wirbelschicht, um erneut an den Vergasungsreaktionen teilzunehmen. Die Rohgase sowie weiterhin damit vermischte leichte kohlenstoffhaltige Partikel verlassen den Reaktionsreaktor anschließend durch den Rohgasabzug 13 an der Oberseite des Reaktors und gelangen in den Zyklon 7.
Die Mischung aus Rohgas und darin befindlichen Partikeln treten unter einem Winkel größer 0° zur Mittelachse des Zyklons 7 in diesen ein. Aufgrund einer Querschnittverengung des Zyklon 7 kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Rohgases und der Partikel. Aufgrund ihrer höheren Masse wirkt dabei eine stärkere Zentripetalkraft auf die kohlenstoffhaltigen Partikel als auf die Gasteilchen. Dadurch werden sie nach außen gegen die Wand des Zyklons 7 gedrängt und durch den Aufprall auf dieser so stark abgebremst, dass sie nach unten rieseln und aufgefangen werden. Durch eine Rohrleitung werden diese feinen kohlenstoffhaltigen Partikel wieder der Vergasungszone im mittleren Teil des Reaktors zugeführt und nehmen erneut an den Vergasungsreaktionen teil.
Bezugszeichenliste

1: Kathode
2: Anodenanordnung
3: Reaktormantel
4: Einspeisungsvorrichtung Vergasungsmittel
5: Einspeisungsvorrichtung Vergasungsstoff
6: Wirbelschicht
7: Zyklon
8: Ascheaustrag
9: Hebevorrichtung
10: Gasverteilerboden
11: Spannungsquelle/Steuereinrichtung
12: Stromleitende Elemente
13: Rohgasabzug
14: Rohrleitung
15: Stromregler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006081661 A1 [0011]
US 4472172 A1 [0012]
US 6200430 B1 [0013]
WO 2009058626 A1 [0014]
WO 03018721 A1 [0015]
WO 2009139894 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Stoffen in einem Wirbelschichtvergasungsreaktor, wobei ein Vergasungsmittel, das Kohlendioxid und/oder Wasserdampf enthält, im unteren Teil des Vergasungsreaktors mittels einer Einspeisungsvorrichtung (4) unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen wird, wobei der Vergasungsstoff oberhalb der Wirbelschicht unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeführt wird, wobei die Vergasung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt, indem mittels eines in der Wirbelschicht um die Mittelachse des Reaktormantels (3) schrittweise rotierenden Spannungsfeldes diskontinuierlich ein, dem Spannungsfeld folgend schrittweise rotierendes, Plasma gezündet wird, und staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt (Asche) unterseitig des Vergasungsreaktors abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels (3) rotierende Spannungsfeld zwischen einem segmentierten Anodenring (2) und einer zentralen Kathode (1) erzeugt wird, indem mittels einer Steuerungseinrichtung einschließlich Spannungsquelle (11) die jeweils an den Anoden des segmentierten Anodenrings (2) anliegende elektrische Spannung diskontinuierlich moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Vergasungsmittel ein Gemisch aus 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% Wasserdampf und 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% Kohlendioxid sowie 0 Vol.-% bis 10 Vol.-% Sauerstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsstoff im Vergasungsreaktor mit einer Konzentration von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% Feststoff sowie mit einer mittleren Korngröße von 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,5 mm und 7 mm und besonders bevorzug 1 mm bis 5 mm vorliegt.
Vergasungsreaktor für die Wirbelschichtvergasung, umfassend – einen von einem Reaktormantel (3) umschlossenen Vergasungsraum – eine im unteren Teil des Vergasungsreaktors angeordnete Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel (4) sowie eine darüber befindliche Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff (5), – eine zwischen der Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff (5) und der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel (4) und dem Gasverteilerboden (10) befindliche Elektrodenanordnung, umfassend einen, sich über den gesamten Umfang der Innenseite der Reaktorhülle (3) erstreckenden, segmentierten Anodenring (2) sowie eine zentral angeordnete, höhenverstellbare Kathode (1) – eine Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle (11), mittels der an den einzelnen Anoden des segmentierten Anodenrings (2), über stromleitende Elemente (12) sowie Stromregler (15) nacheinander zur Zündung eines Plasmas ausreichende Spannungen angelegt werden können.
Vorrichtung nach einem der vorrangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergasungsreaktor unterseitig ein Ascheaustrag (8) für Bodenprodukte sowie oberseitig ein Rohgasabzug (13) für das staubbeladene Rohgas (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorrangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgasabzug (13) mit einem Zyklon (7) verbunden ist, der einen Abzug für die gereinigten Rohgase sowie eine Rohrleitung (14) zur Rückführung der aus dem Rohgas abgeschiedenen staubförmigen Vergasungsstoffe in die Wirbelschicht aufweist.