DD239605A1

DD239605A1 - Verfahren zur entstaubung und kuehlung eines co/h tief 2-haltigen gases

Info

Publication number: DD239605A1
Application number: DD27882885A
Authority: DD
Inventors: Peter Szargan; Rolf Moebius; Hartmut Roentsch; Juergen Kroll; Ingrid Westmeier; Joachim Schneider; Hans-Joachim Weber; Dietmar Krause; Rolf Pritschke; Volker Dommaschk
Original assignee: Leuna Werke Veb
Priority date: 1985-07-22
Filing date: 1985-07-22
Publication date: 1986-10-01
Also published as: DD239605B5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entstaubung und Kühlung CO/H ind 2-haltiger Gase, die durch Vergasung von Rohbraunkohle oder Braunkohlenkoks unter wenig erhöhtem Druck in der Wirbelschicht nach dem Winklerverfahren erzeugt werden. Die Menge des für die Kühlung und Entstaubung eingesetzten Wassers soll gesenkt, der Abwasseranfall auf das mögliche Minimum reduziert und dadurch mit geringstem Aufwand umweltfreundlich deponiert werden. Auîerdem ist der hohe Anteil an fühlbarer Wärme im Kondensationsbereich zu nutzen, zumindest aber schadlos zu beseitigen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der 1. Stufe der nassen Staubabscheidung nur wenig unter den Taupunkt gekühlt wird, die Kühlung des Gases und Dampfkondensation anschlieîend durch Kreislaufwasser erfolgt, das indirekt gekühlt wird. Zur Vermeidung von Inkrustationen wird die Temperatur im Kreislauf unter 55 Grad C gehalten, gegebenenfalls werden CO ind 2 und Inhibitoren eingesetzt. Zur Vermeidung von Staubanreicherungen im Kreislauf wird das eingesetzte Wasser dem Gasstrom entgegengeführt und zuletzt zur Staubabscheidung genutzt.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung ' ' '

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entstaubung und Kühlung eines CO/H₂-haltigen Gases, das bei wenig erhöhtem Druck durch Vergasung von Rohbraunkohle oder Braunkohlenkoks mit Dampf und Sauerstoff in der Wirbelschicht erzeugt wurde, einen hohen Dampfanteil besitzt und Staub enthält, der sehr feinteilig ist und zur Zementation neigt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch Vergasung von Braunkohlen und Braunkohlenkoksen mit Dampfund Sauerstoff in der Wirbelschicht unter wenig erhöhtem Druck werden CO/H₂-haltige Gase erzeugt, die einen hohen Anteil unzersetzten Wasserdampfes sowie große Mengen

an sehr feinteiligem Staub enthalten. ,

Die heißen Rohgase werden gewöhnlich mehrstufig gereinigt und gekühlt. Die ersten Stufen sind Abhitzekessel und Zykjonabscheider, aus denen die anfallenden Stäube in den Vergasungsprozeß zurückgeführt oder anderweitig genutzt werden.

Die Feinreinigung und Kühlung unter den Taupunkt einschließlich Abscheidung des Dampfes erfolgt in mehrstufigen Naßabscheidern. Bekannt ist, daß in der ersten Stufe Vorlagen und Rieselwäscher ohne Einbauten eingesetzt werden, in der zweiten Stufe—vor oder nach einer Endkühlung — Desintegratoren, bei Druckverfahren auch Venturiwäscher.

Analoge Verfahrensprinzipien findet man auch bei anderen Verfahren zur Erzeugung CO/H₂-haltiger Synthesegase. Die Ausführung der Waschverfahren ist aber vom jeweiligen Gaserzeugungsverfahren abhängig, insbesondere dem Druck, Rohstoff und der Reaktionstemperatur.

Bei Ölvergasungsprozessen fällt ein rußhaltiges Gas an, aus dem der Ruß durch Quenchen unter dem Taupunkt fast quantitativ ausgewaschen werden kann, wobei eine wäßrige Suspension erzeugt wird, die durch Anmaischen mit Öl nach unterschiedlichen Verfahren wieder aufgearbeitet werden kann. Das ablaufende, nahezu rußfreie Wasser wird nach Kiesfiltration in den Prozeß zurückgeführt. In den nachfolgenden Waschkühlern erfolgt Endreiniguhg, Abkühlung des Gases und Dampfkondensation. Das Wasser wird im Kreislauf geführt und durch Wärmetausch gekühlt. Verkrustungen durch Kalkablagerungen treten dabei nicht

auf. . .

Bei der Vergasung fester Brennstoffe ist der Mineralgehalt der Stäube und Aschen höher. Im Flugstromverfahren fällt die Schlacke mit meist niedrigem Kohlenstoffgehalt in flüssiger Form an. Der Hauptanteil wird durch Schwerkraft oder in Zyklonen abgetrennt, häufig im Wasser granuliert. Der Rest der Flugaschen wird in mehrstufigen Waschverfahren abgeschieden, wobei das Wasser häufig dem Gasstrom stufenweise entgegengeführt wird.

In der DE-OS 2345188 wird ein Verfahren beschrieben, in dem das ablaufende Wasser entspannt, der Feststoff abgetrennt, das

Wassergekühlt und zurückgeführt wird. >

In der DE-OS 2657724 wird ein Verfahren beschrieben, in dem nach Zyklonabscheidung eine zweistufige Restabscheidung in Venturiwäschem erfolgt, das Ablaufwasser der 1. Venturistufe vor Abhitzekessel und Zyklonen in den Gasweg eingespritzt wird.

In einem weiterentwickelten Verfahren, DE-OS 3242651, wird das Ablaufwasser zunächst teilweise filtriert und danach zurückgeführt.

In anderen Verfahren der Kohlevergasung erfolgt häufig die indirekte Gaskühlung mit Abscheidung des Kondensates. Nach Dekantation des Staubes wird das Kondensat zurückgeführt und in den Gasweg eingespritzt (DE-OS'2739562 und 2646865).

Ähnliche Verfahrensweisen werden auch zur Abscheidung von Staub und Kohlenwaserstoffen aus Verfahren der Festbettvergasung angewendet (DD-PS 205805 - A).

Bei der Wirbelschichtvergasung, z. B. in Winklergeneratoren, wird mit dem Gas eine außerordentlich große Menge sehr feinteiligen Staubes ausgetragen. Es ist allgemein üblich, dieses Gas in Zyklonen teilweise vom Staub zu befreien und in Abhitzekesseln zu kühlen. Danach erfolgt eine mehrstufige Naßwäsche, bei der der Reststaub entfernt, das Gas gekühlt und der Dampf auskondensiert wird. In der 1. Stufe dieser Naßwäsche, die ζ. B. eine Gasvorlage oder einen Rieselkühler darstellt, fällt eine große Menge eines Schlammwassers an, das, falls ein kalkhaltiger Rohstoff eingesetzt wurde, infolge des hohen

Kalkgehaltes des Staubes außerordentlich zur Inkrustation neigt. Die große Wassermenge ist notwendig, um den im Gas enthaltenen Dampf auszukondensieren und in einer Stufe den Temperaturbereich zu unterschreiten, in dem sich Kalkkrusten bilden.

Das Schlammwasser wird durch Begasung mit CO₂ und Belüftung entschwefelt, wobei H₂S-haltige Abgase anfallen, die einer weiteren Aufarbeitung bedürfen. Danach erfolgt Eindickung und Deponie sowie Teilrückführung des dekantierten Wassers. Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Wasserbedarf und Anfall von Abwasser, das entschwefelt und deponiert werden muß. Die Rückführung des Wassers ist ohne Zwischenkühlung nur sehr begrenzt möglich, letztere infolge Verkrustungen trotz Staubabtrennung technisch nicht durchführbar. Die Entschwefelung ihrerseits führt zu gasförmigen Schadstoffen, die in weiteren Verfahrensstufen aufgearbeitet werden müssen. Die vorgenannten Verfahrensschemata der Staubabscheidung aus Gasen der Flugstromvergasung und Festbettvergasung sind auf die Wirbelschichtvergasung nach dem Winklerverfahren nicht anwendbar. Die indirekte Kühlung unter den Taupunkt mit anschließender Kondensatabscheidung würde zu totaler Zementation der Kühler führen. Die stufenweise Rückführung des Wassers und damit der Einsatz von heißem Wasser in der ersten Naßabscheidestufe würde zu Verkrustungen in den nachfolgenden Kühlstufen führen, bedingt durch den Kalkgehalt des Wassers und des durchgeschleppten Staubes. Sie löst ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen auch nicht das Problem, den Wasserbedarf und Abwasseranfall zu senken.

Ziel der Erfindung ist es, die Entstaubung und Kühlung des Gases aus Wirbelschichtvergasungsanlagen, die bei wenig erhöhtem Druck arbeiten, so zu führen, daß

— ein Minimum an Wasser verbraucht wird und ein Minimum an Abwasser anfällt

-r- das Abwasser ohne zusätzlichen Anfall von Abgasen und mit geringem Aufwand deponiert werden kann und

— gder hohe Anteil an fühlbarer Wärme im Kondensationsbereich nutzbar gemacht oder zumindest schadlos abgeführt wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gegenwärtig in Winkleranlagen anfallenden großen Mengen an staubhaltigem Abwasser auf die zur Ableitung des Staubes erforderliche Menge zu reduzieren und den aus der Dampfkondensation resultierenden Wärmeinhalt des Gases getrennt vom Hauptanteil des Staubes an Wasser abzugeben. Da die staubhaltigen Ablaufwasser bei den erforderlichen Temperaturen oberhalb von ca. 70⁰C in starkem Mäße Kalk abscheiden, der sich vornehmlich ,an festen Oberflächen der Apparate festsetzt und im Laufe der Betriebszeit deren Betriebsfähigkeit immer weiter herabsetzt, muß diese Inkrustation durch geeignete Maßnahmen ganz vermieden oder zumindest so weit abgesenkt werden, daß die Betriebsfähigkeit nicht beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Entstaubung und Kühlung des CO/H₂-haltigen Gases aus der Wirbelschichtvergasung fester C-haltiger Brennstoffe unter wenig erhöhtem Druck, das mit stark zementierendem Staub beladen ist, durch Zyklonabscheidung, Naßwäsche und mechanische Naßabscheidung, wobei erfindungsgemäß das Gas in der 1 .Waschstufe nur wenig unter den Taupunkt gekühlt und anschließend zur Dampfkondensation und Kühlung durch einen Waschkühler geleitet wird, der mit Kreislaufwasser betrieben wird, das durch Wärmetausch gekühlt wird. Vorzugsweise wird im Wasserkreislauf eine Temperatur bis zu 55⁰C eingehalten. Durch diese Verfahrensweise wird es möglich, den Hauptanteil der Kondensationswärme des Wasserdampfes im Gas an das Kreislaufwasser abzugeben, das infolge der vorgeschalteten Naßabscheidung nur einen geringen Staubanteil enthält. Es wird über einen Wärmetauscher im Kreislauf gepumpt. Die Wärme kann auf diese Weise über einen weiteren Wasserkreislauf zur Raumheizung oder zur Vorwärmung von Wasser für andere chemische Prozesse genutzt werden. Bei fehlendem Bedarf an Wärme dieses niedrigen Niveaus ist auch die Wärmeabgabe an Rückkühlwasser oder zumindest teilweise Luftkühlung möglich. DieTemperatur des Kreislaufes wird durch das Kühlniveau und die Menge des umlaufenden Wassers eingestellt.

Das Kreislaufwasser kann entsprechend der Qualität das eingesetzten Wassers und der Menge und Zusammensetzung der abgeschiedenen Staubreste bis zu 400 mg/l CaO in Form von gelösten Salzen enthalten.

Durch den direkten Stoffaustausch zwischen Gas und Wasser im Waschkühler erfolgt eine CO₂-Sättigung, die bei einem Systemdruck von 0,1 bis 0,12MPa nur einem Partialdruck von 25 bis 3OkPa entspricht.

Um eine Abscheidung von Kalk unter den gegebenen technischen Bedingungen, insbesondere in den Wärmetauschern und Pumpen, zu verhindern, wird vorzugsweise dem Kreislaufwasser im Sumpf des Waschkühlers CO₂ zugesetzt. Dadurch kann eine Sättigung erreicht werden, die einem CO₂-Partialdruck entspricht, der dem Systemdruck nahekommt. Der Verkrustung im Kreislaufsystem wird zweckmäßigerweise durch Zusatz von Inkrustationsinhibitoren entgegengewirkt. Als Inhibitoren können handelsübliche Produkte, z. B. Polyphosphate, Salze von organischen Phosphoniumsäuren,Metacrylat-Salze eingesetzt werden.

Qualität und Menge der einzusetzenden Inhibitoren ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Im Wasserkreislauf erfolgt eine Anreicherung des abgeschiedenen Staubes. Aus diesem Grunde muß ständig Wasser eingespeist und abgegeben werden. Vorzugsweise wird der Wasserkreislauf mit Ablaufwasser der nachgeschalteten direkten Kühlstufe des Gases gespeist. Dadurch wirderreicht, daß das eingesetzte Wasser bereits mit CO₂ gesättigt ist und außerdem der Gehalt an gelöstem Sauerstoff, der die Korrosion an Ausrüstungen stark beschleunigt, herabgesetzt wurde.

Analog dazu wird zweckmäßigerweise das aus dem Wasserkreislauf ausgekreiste Wasser zur Staubabscheidung in der /I. Waschstufe genutzt. In dieser Stufe werden über 98% des im Gas nach der Zyklonabscheidung noch enthaltenen Staubes ^ abgeschieden. Das sind gewöhnlich 20 bis 70g/m³ Gas. Der Abscheider wird in bekannter Weise als Rieselkühler oder Vorlage, zweckmäßig auch als deren Kombination ausgebildet,

Es sind natürlich auch andere Abscheidertypen möglich.

Hauptproblem bei der Typenauswahl ist, daß in diesem Abscheider bei kalkhaltigen Einsatzprodukten außerordentlich hohe Inkrustationen auftreten. Sie können durch Einsatz von Inhibitoren graduell gemindert, nicht vermieden werden. Um diese Inkrustationen weiter zu senken, zumindest aber auf den Abscheideapparat zu beschränken, wird zweckmäßigerweise in der 1 .Waschstufe das erzeugte Schlammwasser ebenfalls mit CO₂ gesättigt. Dadurch wird außerdem erreicht, daß aus dem im Staub als Gas enthaltenenbei der Abscheidung mit Wasser gelösten Sulfid H₂S freigesetzt und durch Gas bereits teilweise ausgetrieben wird.

Das Schlemmwasser wird danach in bekannter Weise durch Begasung mit CO₂ so weit entschwefelt, daß es deponierfähig wird. Das Abgas dieser Entschwefelung, H₂S-haltige Kohlensäure, wird vorzugsweise zur Sättigung des Kreislaufwassers und zur Vorsättigung des Schlammwassers genutzt. Es kann zwecks H₂S-Entfernung auch direkt in das CO/H₂-haltige Rohgas eingeleitet werden. Damit entfällt eine zusätzliche Verfahrensstufe der Abgasentschwefelung.

Ausführungsbeispiet

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel und der dazugehörigen Zeichnung näher beschrieben werden. Das über Leitung 1 zugeführte Rohgas wurde durch Vergasung von Braunkohlentieftemperaturkoks mit Dampf und Sauerstoff im Winklergenerator bei 900⁰C und 22kPa (Ll) erzeugt und im Abhitzekessel auf ca. 130⁰C gekühlt. Es hat folgende Zusammensetzung (in-Vol.-%):

17% CO₂	21% CO	31% H₂	28% H₂O
.1,6% N₂	0,2% Ar	0,8% CH₄	0,4% H₂S
200 g/m³ i.	N. Staub.

Der Druck beträgt 18kPa (Ll).

Der Staub enthält u.a.: -

50%C 7,5%S 12,5%Ca

3,8%Si 7,5%-FE; AI,Mg.

In der Multiklonanlage 2 werden 80% des Staubes abgeschieden. Das Gas gelangt über Leitung 3 in den ersten Naßabscheider 4, der eine Kombination von Rieselkühler und Gasvorlage darstellt. In diesem Apparat wird der Staub bis auf einen Rest von kleiner/gleich 1 g/m³ mit Wasser ausgewaschen, das über Leitung 5 aus dem Kühlkreislauf ausgekreist wird. Das Gas verläßt den Naßabscheider mit einer Temperatur von ca. 70⁰C, wird über Leitung 6 zur Dampf kondensation und Kühlung durch den Waschkühler 7, von dort mit ca. 4O⁰C durch Leitung 8 zur Reststaubabscheidung und Endkühlung in einen Desintegrator 9 durch Leitung 10 in den Endkühler 11 geleitet, den es mit einer Temperatur kleiner/gleich 25⁰C und einem Staubgehalt von kleiner/ gleich 5 mg/m³ über Leitung 12 zur weiteren Aufarbeitung verläßt. Das zur Kühlung eingesetzte Frischwasser wird dem Kühler 11 durch Leitung 13 zugeführt, darin durch das entgegenströmende Gas um 5 bis 1O⁰C aufgewärmt, mit CO₂ entsprechend dessen Partialdruck im Gas gesättigt) der O₂-Gehalt entsprechend abgereichert. Aus dem Sumpf des Kühlers wird es über Leitung 14 durch die Pumpe 15 abgezogen und über Leitung 16 dem Desintegrator 9, von dort über Leitung 10 wieder in den Sumpf des Kühlers zurückgeführt.

Der Überschuß wird über Leitung 17 in den Waschkühler 7 geleitet

Das Kreislaufkühlwasser wird aus dem Sumpf des Kühlers 7 mit einer Temperatur von 45 bis 55⁰C über Leitung 18 durch die Pumpe 19 abgezogen, über Leitung 20 durch den Wärmetauscher 21 geleitet, auf ca. 35⁰C gekühlt und danach über Leitung 22 auf den Kopf des Waschkühlers7 aufgegeben. Die Abgabe der Wärme erfolgt im Wärmetauscher 21 an Frischwasser, das außerhalb des Prozesses genutzt werden soll, bei fehlendem Bedarf an Rückkühlwasser. Es ist — zumindest teilweise — auch Luftkühlung möglich. -, '

Das Kreislaufwasser reichert sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Rieselkühlers 4 mit Staub auf 0,2 bis 1 g/l, mit Kalk um 10 bis 50 mg/l Ca gegenüber dem Kalkgehalt des Frischwassers an. Durch Leitung 5 wird der Wasserüberschuß ausgekreist und zur Staubwäsche im Naßabscheider 4 benutzt. Die Höhe der Auskreisung wird so bemessen, daß die Konzentration der Schlammwassersuspension 20 bis 50g/l beträgt. Sie bestimmt damit die Höhe der Frischwasserzufuhr über Leitung 13. Das Schlammwasser wird über Leitung 23, dem Überlaufsiphon 24 und Leitung 25 dem Schlammwasserbehälter 26 zugeführt, von dort über Leitung 27 durch Pumpe 28 zur Leitung 29 auf den Kopf der Entschwefelungskolonne 30 gedruckt. Es wird aus dem Sumpf der Kolonne über Leitung 31 durch Pumpe 32 abgezogen und, erforderlichenfalls noch über eine zusätzliche oxidative Entschwefelungsstufe, durch Leitung 33 zur Deponie gepumpt. <

In der Kolonne 30 wird dem Schlammwasser Kohlensäure aus Leitung 34 entgegengeleitet, die zu einem Teil gelöst, überwiegend als Strippgas den aus dem Schlammwasser desorbierten H₂S aufnimmt. Diese H₂S-haltige Kohlensäure wird aus der Kolonne über Leitung 35 abgeführt und zur Vorsättigung in den Sumpf des Behälters 26 geleitet. Von dort wird sie über Leitung 36, durch das Gebläse 37 und Leitung 38 in den Sumpf des Waschkühlers 7, durch Leitung 39 in den Sumpf des Naßabscheiders 4 gedrückt. Der Überschuß gelangt über die Druckausgleichsleitung 40 direkt in die Gasphase des Naßabscheiders 4. ^

Der in der Multiklonanlage abgeschiedene Staub wird über Leitung 41 einer Nutzung außerhalb der Prozeßanlage zugeführt. Bei Störungen der Abführung oder Bedarfsmangel kann der Staub auch Überleitung 42 in den Behälter 26 gedruckt werden, mit dem Schlammwässer vermischt, entschwefelt und zur Deponie geleitet werden.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Entstaubung und Kühlung eines CO/H₂-haltigen Gases aus der Wirbelschichtvergasung fester C-haltiger Brennstoffe unter wenig erhöhtem Druck, das mit stark zementierendem Staub beladen ist, durch Zyklonabscheidung, Naßwäsche und mechanische Naßabscheidung, gekennzeichnet dadurch, daß das Gas in der 1 .Waschstufe nur wenig unter den Taupunkt gekühlt und anschließend zur Dampf kondensation und Kühlung durch einen Waschkühler geleitet wird, der mit Kreislaufwasser betrieben wird, das durch Wärmetausch gekühlt wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Wasserkreislauf eine Temperatur bis zu 55°C eingehalten wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Kreislaufwasser im Sumpf des Waschkühlers CO₂ zugesetzt wird.
4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Kreislaufkühlwasser Inkrustationsinhibitoren zugesetzt werden.
5. Verfahren nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Wasserkreislauf mit Ablaufwasser einer nachgeschalteten direkten Kühlstufe des Gases gespeist wird.
6. Verfahren nach Punkt 1 bis 5; gekennzeichnet dadurch, daß das aus dem Wasserkreislauf ausgekreiste Wasser zur Staubabscheidung in der 1. Waschstufe genutzt wird.
7. Verfahren nach Punkt 1 bis6, gekennzeichnet dadurch, daß in der 1. Waschstufe das erzeugte Schlammwasser mit CO₂ gesättigt wird.
8. Verfahren nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die H₂S-haltige Kohlensäure aus der Schlammwasserbegasung zur Sättigung des Kreislaufwassers und zur Vorsättigung des Schlammwassers genutzt wird und/oder direkt in das CO/H₂-haltige Rohgas eingeleitet wird.