DD136748B1 - Verfahren zum betreiben von vergasungsanlagen fuer staubfoermige brennstoffe - Google Patents

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Description

Titel der Erfindung
Verfahren zum Betreiben von Vergasungsanlagen für staubförmige Brennstoffe
Anwendungsgebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Vergasungsanlagen für staubförmige Brennstoffe, insbesondere zur Erhöhung der technischen Sicherheit solcher Anlagen in Störungsfällen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:
In der Technik der Erzeugung von Synthesegas, Reduktionsgas, Heizgas und Gas für die öffentliche Versorgung aus festen Brennstoffen hat sich die Vergasung von Brennstoffen in Staubform durch partielle Oxydation als eine vorteilhafte Lösung eingeführt. Bei einem Verfahren dieser Art wird der staubförmige Brennstoff mit einem freien Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Oxydationsmittel, im folgenden "Vergasungsmittel" genannt, bei Normaldruck oder bei erhöhtem Druck in einer Flammenreaktion, z. B. in einem Temperaturbereich von 1200 bis 1600 0C umgesetzt, wobei im wesentlichen CO und H^ entstehen. Der Umsatz erfolgt in einem leeren lieaktionsraum, wobei durchschnittliche Verweilzeiten des Brennstoffes bzw. des daraus entstehenden Gases im heißen Recktionsraum in der Größenordnung von 0,5 bis 10 s erreicht werden. Das Vergasungsmittel ist in der Regel ein Genisch aas technischem Cauorstoff und iVasserdarcpf, wobei der Anteil des technischen Sauerstoffes abhängig
vom Brennstoff und Verwendungszweck des Gases zwischen 60 und 95 % liegt. Die Steuerung des Prozesses, insbesondere die Einhaltung optimaler Temperaturen im Reactionsraum erfolgt durch Regelung des Verhältnisses von technischem Sauerstoff zu staubförmigem Brennstoff, wobei bereits Abweichungen vom Sollwert des Massenverhältnisses Sauerstoff zu Brennstoff von 10 % zu gleichsinnigen Veränderungen der Temperatur im Reaktionsraum um 200 K führen können. Bei Betrieb einer solchen Vergasungsanlage besteht die Gefahr, daß bei Störungen in der Brennstoffzuführung, insbesondere bei einer unbeabsichtigten Verminderung des Zuflusses des staubförmigen Brennstoffes die Temperaturen im Reaktionsraum auf solch hohe Werte steigen, daß die technische Sicherheit der Anlage nicht mehr gegeben ist.
Fällt der Mengenstrom von staubförmigem Brennstoff soweit, daß das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff den für vollständige Verbrennung erforderlichen stöchiometrischen Betrag überschreitet oder wird der Zufluß an staubförmigem Brennstoff ganz unterbrochen, so kann der nunmehr überschüssige Sauerstoff noch kurze Zeit mit der innerhalb des heißen Reaktionsraumes befindlichen, vorher erzeugten Menge von CO und H? reagieren. Wird bis spätestens zum Ende dieser Phase die Sauerstoffzufuhr nicht sicher gesperrt, so sinkt die Temperatur im Reaktionsraum zwar wieder ab, es besteht aber die Gefahr, daß binnen weniger Sekunden nicht umgesetzter freier Sauerstoff aus dem heißen Reaktionsraum in die nachgeschalteten Kühl- und Aufbereitungseinrichtungen für das erzeugte Gas eindringt, dort zur Bildung von explosiblen Gemischen von Sauerstoff und brennbaren, wasserstoffhaltigem Gas führt und schwere Explosionen auslöst.
Zur Vermeidung solcher gefährlicher Situationen sind Staubvergasungsanlagen dieser Art mit einer automatischen Not-Abschalteinrichtung ausgerüstet, die insbesondere bei Unterschreitung des vorgegebenen Llengenflusses an staubförmigem Brennstoff, bei Überschreitung eines vorgeschriebenen Säuerstoffmengenstromes und bei Überschreitung oder Uiiterschreitung eines vor-
gegebenen Bereiches für' die Temperatur im Reaktionsraum die Sauerstoffzufuhr sicher absperrt und die Anlage in einen sicheren Zus-tand überführt. Zwangsläufig ist die automatische Notabschalteinrichtung mit einer Totzeit behaftet, die im wesentlichen bestimmt wird durch die Totzeit der Ließwerterfassung; und die Schließzeit der Absperrarmaturen für den Sauerstoffs brom. Vor allem bei Anlagen großer Leistungen kann diese Schließzeit im Bereich einiger Sekunden liegen und die gesamte Totzeit wesentlich bestimmen. Trotz der Länge dieser Schließzeit wird auch im Falle eines plötzlichen Ausfalls der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff ausreichende Sicherheit gegen einen Sauerstoffdurchbrach dann erzielt, wenn das Verhältnis von in der Zeiteinheit zuströmender Säuerstoffmenge zu der im Normalzustand im Reaktor befindlichen Menge an-CO und H„ ausreichend klein gemacht und für ausreichende Rezirkulation im Reaktor gesorgt wird. Eine solche Lösung führt jedoch zu niedrigen spezifischen Leistungen des Reaktors, also zu sehr großen Reaktordimensionen. Eine andere Lösung sieht die Unterteilung des Reaktionsraumes in mehrere voneinander weitgehend unabhängig betriebene Abschnitte mit je einem eigenen Brennstoff- und Vergasungsmittelzuführungssystem vor, wobei im Störungsfalle der gegebenenfalls in einem der Abschnitte verbleibende, nicht umgesetzte Sauerstoff mit dem in den anderen Abschnitten des Reaktionsraumes erzeugtem Gas reagieren kann, bevor ein Durchtritt in die kalten Teile der Anlage möglich ist. Auch diese Lösung ist mit erhöhtem apparativem Aufwand verbunden.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben von Vergasungsanlagen für staubförmige Brennstoffe, das bei Störungen der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff zum Reaktor, insbesondere bei plötzlicher Unterbrechung dieser Zufuhr, die Gefahr eines Sauerstoffdurchbruches in die Kühl- und Aufbereitungsanlagen für das erzeugte Gas ausschließt.
- 4 Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben von Vergasungsanlagen für staubförmige Brennstoffe zu schaffen, das bei Störungen der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff zum Reaktor, insbesondere bei plötzlicher Unterbrechung dieser Zufuhr, unter Berücksichtigung der endlichen Schließzeiten von automatisch angesteuerten Absperrarmaturen für Sauerstoff die Gefahr eines Sauerstoff-Durchbruches in die Kühl- und Aufbereitungsanlagen für das erzeugte Gas ausschließt, hohe spezifische Belastungen des Reaktionsraumes zuläßt und für Anlagen großer Leistung geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem geeigneten Reservoir ein gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff unter einem höheren Druck gespeichert wird als dem Betriebsdruck des Reaktors entspricht, daß dieses Reservoir mit dem Reaktionsraum des Reaktors durch eine im ITormalbe trieb mittels automatisch ansteuerbarer Absperrarmatur abgesperrte Leitung so verbunden ist, daß bei Öffnung des Absperrventils der gut fließfähige zusätzliche Brennstoff nahe der oder den Eintrittsstellen für Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel in den Reaktionsraum eintreten kann und daß bei Störungen in der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff zum Reaktionsraum gleichzeitig mit der Auslösung des automatischen !Totabschaltsystems durch automatisches Öffnen der Absperrarmatur der im Reservoir gespeicherte, gut fließfähige zusätzliche Brennstoff infolge der bestehenden Druckdifferenz in den Reaktor überführt wird. Der in den Reaktor gelangende gut fließfähige zusätzliche Brennstoff reagiert zufolge der im Reaktionsraum herrschenden hohen Temperaturen mit den bis zu völliger Wirksamkeit der automatischen Abschaltung in den Reaktionsraum nachströmenden Säuerstoff mengen und verhindert so einen Sauerstoff-Durchbruch.
Erfindungsgemäß v/erden Druck und Speichervolumen des Reservoirs sowie Strömungswiderstand der Verbindung zwischen Reservoir und Reaktionsraum so aufeinander abgestimmt, daß die innerhalb des Zeitintervalls zwischen Auslösung des Uotabschaltsystems und
völligem Verschluß der Sauerstoffzufuhr zum Reaktor in den Reaktionsraum überführte Menge an gut fließfähigem zusätzlichen Brennstoff größer ist als die zur völligen Bindung des nachströmenden Sauerstoffs stöchiometrisch erforderliche Menge. Zusätzliche Forderungen hinsichtlich einer Dosierung dieses zusätzlichen Brennstoffes werden nicht gestellt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es durch Wahl der Art des gut fließfähigen zusätzlichen Brennstoffes oder des Druckes im Reservoir in bekannter V/eise leicht möglich, mit solchen Querschnitten der Verbindungsleitung zwischen Reservoir und Reaktionsraum auszukommen, daß die Öffnungszeit der Absperrarmatur in der Verbindungsleitung klein gegenüber der Schließzeit der Absperrarmaturen in der Sauerstoffzuleitung ist. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Lösung ist jedoch auch dann gegeben, wenn die Öffnungszeit der Absperrarmatur in der genannten Verbindungsleitung gegenüber der Schließzeit für die Sauerstoffzufuhr nicht mehr zu vernachlässigen ist. Entsprechend der Durchflußcharakteristik üblicher Absperrventile und dem im Moment der Auslösung des EOtabschaltungssystems herrschenden Maximalwert der Druckdifferenz zwischen Reservoir und Reaktionsraum wird nämlich bereits bei einem geringen "Anreißen" des Absperrventils ein - bezogen auf den maximalen Durchsatz - großer Fluß des zusätzlichen Brennstoffes erreicht, während umgekehrt der Säuerstoffzufluß erst kurz vor Erreichen der Endstellung der Säuerstoff-Absperrarmatur stärker absinkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff ein brennbares, möglichst heizkräftiges Gas eigener Erzeugung oder fremder Provenienz (z. B. Erdgas) verwendet. Eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet flüssige Brennstoffe, wobei ausreichender Druck im RgServoir durch den Eigendampfdruck des flüssigen Brennstoffes oder durch Pufferung mittels inerter oder brennbarer Case gewährleistet wird. Bei Einsatz von flüssigen Brennstoffen empfiehlt sich die Verwendung solcher Brennstoffe, die bei Umgebungstemperatur gut flüssig sind und die
nicht zur Bildung von Harzen oder anderen festen Ausfällungen neigen. Der im Vergleich zur Produktion der Anlage sehr kleine Bedarf an diesem zusätzlichen Brennstoff macht die Verwendung hochwertiger und teurer Brennstoffe für diesen Zweck wirtschaftlich tragbar. Bei Inkaufnahme zusätzlichen apparativen Aufwandes wie z. B. Heizung, läßt sich im Bedarfsfalle das Prinzip der Erfindung auch bei Einsatz mittlerer oder schwerer Heizöle nutzen.
Schließlich ist es nach der Erfindung möglich, als gut fließenden zusätzlichen Brennstoff auch staubförmig^ feste Brennstoffe guter Rieselfähigkeit zu verwenden, wobei als Reservoir für den zusätzlichen Brennstoff ein mit einem inerten oder brennbaren Gas auf einen höheren Druck als den Betriebsdruck des Reaktors bespanntes Gefäß dient, das vorzugsv/eise geodätisch höher als die EinlaufÖffnung in dem Reaktor angeordnet ist. Konstruktion und Wirkungsweise eines solchen Gefäßes sind aus der pneumatischen Fördertechnik bekannt.
Der für diesen Zweck verwendete staubförmige Brennstoff kann identisch mit den als Vergasungsstoff verwendeten staubförmigen Brennstoff sein, er kann jedoch zur Erzielung einer besseren Rieselfähigkeit auch eine durch zusätzliche Aufbereitungsmaßnahme wie Siebung oder Sichtung aus den Hauptbrennstoff gewonnene Fraktion sein oder nach einem gesonderten, für die Erzielung guter Rieselfähigkeit besonders geeigneten Aufbereitungsverfahren hergestellt werden.
Für die Anwendung der Erfindung ist es unerheblich, in welcher Form und mit welchen Mitteln der staubförmige Brennstoff im Hormalbetrieb dem Brenner oder, den Brennern des Vergasungsreaktors zugeführt wird. Die Erfindung ist auch mit Vorteil anwendbar, wenn gleichzeitig mit dem staubförnigen Brennstoff andere fließfähige Brennstoffe in den Vergasungsreaktor eingeführt und dort mit dem freien Sauerstoff enthaltendem Vergasungsmittel zu CO- und Ho-haltigern Gas umgesetzt werden.
Insbesondere kann die Erfindung auch verwendet v/erden, wenn der staubförraige Brennstoff in einem flüssigen Brennstoff, v/ie Heizöl oder Teer, suspendiert dem Vergasungsreaktor zugeführt wird.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung sei durch ζ v/ei Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Figuren 1 und 2 erläutert. Dabei stellt Pig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der als gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff ein brennbares Gas verwendet wird (Ausführungsbeispiel 1). Fig. 2 gibt dagegen die Schaltung bei Verwendung eines gut rieselfähigen staubförmigen Brennstoffes wieder (Ausführungsbeispiel 2).
1. Ein Staubvergasungsreaktor 1 wurde bei einem Betriebsdruck von 2,5 HPa für eine Leistung von 50 000 m i.lT./h Rohgas ausgelegt. Staubförmiger Brennstoff in Form einer dichten Suspension in einem inerten Tr tigergas, technischer Sauerstoff und V/asserdampf werden durch einen Brenner 2 am Kopf des Reaktors in den Reaktionsraum eingeführt, wobei die Mischung der drei Ströme unmittelbar nach Austritt aus der Mündung des Brenners innerhalb des Reaktionsraumes erfolgt. Der Bedarf an technischem Sauerstoff beträgt 14 000 m i.H./li, das entspricht bei einer Reinheit des technischen Sauerstoffs von 96 % einer Reinsauerstoffmenge von 13 400 m i.äl./h bzw. 3,7 m i.IJ./s. Der Reaktor ist mit einem automatischen ITotaus-System ausgerüstet, das in Fig. 1 als Kästchen 3 angedeutet ist.
Die Totzeit vom Eintritt einer Störung in der Brennstoffzuführung (Unterschreitung еіпез unteren. Grenzwertes), die durch die Staubmengenmeßeinrichtung 4 indiziert wird, bis zum Beginn dor Abschaltvorgänge beträgt 7 s. Nach weiteren 5 s ist die Sauerstoffzufuhr durch das Ventil 5 völlig gesperrt. 7/ährend der ersten Phase der Totzeit strömen 26 nr і.Ы. Op in den Renktor, in der durch die Schließzeit
des 0o-Absperrventils bedingten zweiten Phase der Totzeit
strömen 15 mi.N. O2 (durchschnittlich 80 % des Normaldurch-
flusses) nach. Die Anlage ist gemäß der Erfindung mit einem Druckbehälter 6 ausgerüstet, in dem bei einem Druck von 3»2 1.IPa Methan (Erdgas) gespeichert ist.
Der Druckbehälter ist über eine Leitung mit dem Wasserdampf-Eintrittsstutsen des Brenners 2 verbunden. Bei Auslösung einer Notabschaltung durch das automatische Notaus-System 3 wird das Ventil 7 geöffnet und das Erdgas aus dem Behälter 6 entspannt sich bis zum Druckausgleich in den Reaktor- 1. Der Behälter 6 hat ein Volumen von 6m, so daß bei einer liotab-
3 schaltung etwa 40 nri.N. Erdgas in den Reaktor strömen. Das Erdgas reagiert mit dem nachströmenden freien Sauerstoff,
wobei zur Bindung des Sauerstoffes maximal 20,5 m i.N. benötigt werden. Der Rest wirkt als zusätzliches Kühlmedium.
Vor Inbetriebnahme der Vergasungsanlage wird gesichert, daß der Behälter 6 mit Hilfe des Verdichters 8 bis zum vorgeschriebenen Druck mit Erdgas bespannt ist.
2. Pur den Vergasungsreaktor gemäß Ausführungsbeispiel 1 steht ein gut rieselfähiger Braunkohlenstaub anstelle von Erdgas als zusätzlicher Brennstoff bei Abschaltvorgängen zur Verfügung. Der Braunkohlenstaub ist mit einer LIenge von 130 kg im Druckbehälter 6' gespeichert, wobei durch Aufpressen von Stickstoff mittels des Stickstoffverdichters 8' ein Druck im Behälter von 3,2 MPa aufrecht erhalten wird. Der Behälter hat ein Gesamtvolumen von б m , davon ist etwa ein Anteil von 0,25 nr mit Staub angefüllt. Der Druckbehälter 6' ist geodätisch höher als der Brenner 2 des Reaktors 1 angeordnet und über eine Leitung mit dem Kohlenstaub-Einlaufstutzendes Brenners 2 verbunden. Bei Auslösung einer Notabschaltung durch das automatische ITotaus-System 3 wird das für Kohlerstaubdurchfluß geeignete Absperrorgan 7' geöffnet, und der im Behälter 6f gespeicherte Stickstoff entspannt sich bis zum Druckausgleich in den Reaktor 1, wobei die im Behälter 6' befindliche Staubmenge vollständig mitgerissen wird.
Der Staub setzt sich mit dem in den Reaktor nachströmenden Sauerstoff um, wobei zur vollen Bindung des Sauerstoffs stöchiometrisch 40 kg Staub benötigt werden. Durch den Überschuß v/ird unvollständiger Ausbrand des Staubes ausgeglichen,
Vor Aufnahme des Betriebs der Anlage v/ird gesichert, daß der Behälter 6', zunächst unter Atmosphärendruck stehend, aus dem Vorratsbunker 9 mit der erforderlichen Menge Kohlenstaub gefüllt und anschließend mit Stickstoff auf den vorgeschriebenen Speicherdruck von 3,2 MPa bespannt wird.

Claims (4)

  1. Erfindungsansprüche
    1. Verfahren zum Betreiben von Vergasungsanlagen für staubförmige Brennstofe, wobei der staubförmige Brennstoff mit mechanischen Mitteln oder in einem brennbaren oder nicht brennbaren gasförmigen oder flüssigen Medium suspendiert dem Reaktor zugeführt und mit einem freien Sauerstoff
    enthaltenden Vergasungsmittel in einer Flammenreaktion
    zu CO- und Hp-haltigem, brennbaren Gas umgesetzt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß in einem geeigneten Reservoir ein gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff unter einem höheren Druck gespeichert wird als dem Betriebsdruck des Vergasungsreaktors entspricht, und daß bei einer Abschaltung der Vergasungsanlage insbesondere im Falle von Störungen in der Zufuhr des staubförmigen Brennstoffes der im Reservoir gespeicherte gut fließfähige Brennstoff innerhalb kurzer Zeit mittels des im Reservoir herrschenden Druckes in den Reaktionsraum der Vergasungsanlage überführt wird, wobei die Einführung des genannten gut fließfähigen Brennstoffes in den Reaktionsraum nahe der Einspeisungsstelle(n) des
    freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittels bzw. des oder der freien Sauerstoff enthaltenden Teilströme des Vergasungsmittels erfolgt, und wobei Druck, Speichervoiumen des Reservoirs und Strömungswiderstand der Verbindung zwischen Reservoir und Reaktionsraum des Vergasungsreaktors so aufeinander abgestimmt sind, daß die innerhalb des Zeitintervalls zwischen Eintritt einer zur Abschaltung führenden
    Störung und völligen Verschluß der Zufuhr von freiem Sauerstoff in den Reaktionsraum überführte LIenge des gut fließfähigen zusätzlichen Brennstoffes größer ist als die zur
    völligen Bindung des innerhalb dieses Zeitintervalls in den Reaktionsraum nachströmenden freien Sauerstoffes stöchiometrisch erforderliche Menge.
  2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gut fließfähiger Brennstoff ein brennbares Gas, vorzugsweise ein brennbares Gas hohen Heizwertes, verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gut fließfähiger Brennstoff ein flüssiger Brennstoff verwendet wird, wobei der Druck im Reservoir durch den Eigendanipfdruck der Flüssigkeit oder durch Aufpressen eines brennbaren oder inerten gasförmigen Mediums erzeugt wird.
  4. 4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gut fließfähiger Brennstoff ein staubförmiger, fester Brennstof guter Rieselfähigkeit verwendet wird und daß der Druck im Reservoir durch Aufpressen eines brennbaren oder inerten gasförmigen Mediums erzeugt wird.
    Hierzu_j*LSeiten Zeichnungen
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