DE102005027024B3

DE102005027024B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung koksartiger Ansetzungen im Kopfteil und am Rohgasabgang eines Schlackebadvergasers

Info

Publication number: DE102005027024B3
Application number: DE102005027024A
Authority: DE
Inventors: Heiner Dipl.-Ing. Rubarth; Frank Dipl.-Ing. Kamka; Bernd Prof. Dr.-Ing. Meyer; Andreas Dipl.-Ing. Jochmann (TU); Gunter Dipl.-Ing. Jentsch
Original assignee: Sustec Schwarze Pumpe GmbH
Current assignee: Envirotherm GmbH
Priority date: 2005-06-11
Filing date: 2005-06-11
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-06-12
Also published as: CZ2006226A3; CN1876768A; ZA200508675B

Abstract

Verfahren zur Vermeidung koksartiger Ansetzungen im Kopfteil und am Rohgasabgang eines Schlackebadvergasers zur Vergasung inhomogener Stoffgemische aus kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei Drücken > 20 bar, wobei feinverdüstes Wasser in den freien Raum oberhalb der Schüttungsoberfläche so eingedüst wird, dass der gesamte freie Querschnitt im Reaktoroberteil erfasst und abgedeckt und eine intensive Reaktion mit dem aus der Schüttung aufsteigenden Rohgas erreicht wird. DOLLAR A Dazu sind unterhalb des Schüttschachtes mehrere gleichmäßig am Reaktorumfang befestigte und in einer waagerechten Ebene angebrachte Sprühdüsen angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abfallverwertung, speziell auf die Vergasung inhomogener Stoffgemische in einem Schlackebadvergaser, wobei die inhomogenen Stoffgemische aus kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bestehen.
Die Erfindung bezieht sich speziell auf die Vermeidung der Bildung koksartiger Ansetzungen im Kopfteil und am Rohgasabgang des Schlackebadvergasers.

Die Vergasung an sich erfolgte als autothermer Prozess bei Drücken größer 20 bar. Die Beschickung des Schlackebadvergasers mit den genannten inhomogenen Stoffgemischen erfolgt diskontinuierlich über ein bekanntes Schleusensystem.

Die Starttemperatur für die Beschleusung ist relativ konstant. Die Höhe der Feststoffschüttung im Reaktor wird mit Hilfe der diskontinuierlichen Beschickung auf einem gewünschten Niveau gehalten, wobei der Reaktor ausschließlich nach dem Verfahren der abgesenkten Schüttung betrieben wird ( DE 195 09 570 C2 ). Der Betrieb mit abgesenkter Schüttung im Vergaser ist erforderlich, um den unterschiedlichsten Kunststoff-Abfällen einer raschen Entgasung und Pyrolyse zu unterziehen, und damit ihre Verklebungsneigung bei langsamer Aufheizung zu umgehen. Verklebte Abfall-Kohle-Verbände rufen Störungen der Feststoffschüttung im Vergaser hinsichtlich der Strömungsbedingungen hervor, so dass es zu nicht mehr beherrschbaren Betriebssituationen kommen kann, in deren Folge der Vergaser abgestellt werden muss.

Während des Betriebes nach dieser Fahrweise entstehen Druck-, Mengen- und Qualitätsschwankungen im kontinuierlich abgezogenen Rohgas. Die Rohgasschwankungen werden dabei bevorzugt durch die Kriterien Prozesstemperatur, Prozessdruck, Zusammensetzung und Korngröße der eingesetzten Stoffe, der Aufheizgeschwindigkeit sowie der geschleusten Menge und der Schleusfrequenz beeinflusst.

Verursacht werden die Schwankungen neben physikalischen Prozessen durch die prozessbedingt zu unterschiedlichen Zeiten entstehenden Rohgasanteile Wasserdampf, Pyrolysegas, Entgasungsgas und Vergasungssgas. Die Einzelgase haben entsprechend ihrer Reaktionskinetik eine unterschiedliche Zusammensetzung. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Pyrolysereaktion, die unmittelbar nach der Schleusung bei erreichter Pyrolysetemperatur vor allem bei Einsatz von Abfällen heftig einsetzt und meist nach kurzer Zeit das Maximum überschreitet. Die Pyrolysegasspitze verschiebt erheblich die durchschnittliche Rohgaszusammensetzung und die Rohgasmenge.

Die eingesetzten Abfallstoffe haben eine relativ niedrige Thermostandfestigkeit und beinhalten eine Vielzahl von Schwermetallen.

Die bei diesen Entgasungsreaktionen anfallenden feinsten Kokspartikel durchlaufen mit den enthaltenen Schwermetallen einen sinterartigen Prozess bei den herrschenden Temperaturen von > 750 °C. Die Kokspartikel erhalten dadurch klebende Eigenschaften und setzen sich im Kopfteil des Vergasers, noch begünstigt durch die Druck- und Temperaturschwankungen, am Mauerwerk und an den Einbauten wie Rohgasabgang und am Schüttschacht ab.

Der Schlackebadvergaser wird mit einem sehr geringen Dampfanteil von ca. 1 kg _Dampf/Nm³ Sauerstoff Im Vergasungsmittel betrieben, um die Schlacke vor den Vergasungsmitteldüsen in den flüssigen Zustand versetzen zu können, im Gegensatz zu den Drehrost-Festbettvergasern, welche das 8 ... 10-fache an Dampf im Vergasungsmittel-Gemisch fahren, um die Schlacke zu kühlen und so im körnigen Zustand zu halten. So ist naturgemäß das erzeugte Rohgas des Schlackebadvergasers sehr trocken, was den Verklebungs- und Ansetzungsprozess begünstigt. Außerdem ist die Korngröße der Kokspartikel mit < 0,1 mm deutlich geringer als die der Kokspartikel, die beim Drehrost-Festbettvergaser anfallen.

Die Ansetzungen verringern den freien Querschnitt im Kopfbereich des Vergasers, speziell in Richtung des Rohgasabganges, was mit fortschreitenden Betriebszeit zu strömungstechnischen und messtechnischen Problemen führt, der Vergasungsprozess technologisch, aber auch maschinentechnisch nicht mehr sicher beherrschbar ist und der Vergaser außer Betrieb genommen werden muss.

Aus diesen Gründen hat es nicht an Vorschlägen gefehlt, die Reaktorfahrweise beherrschbarer zu machen. So wurde eine veränderte Austragsvorrichtung für das Einsatzstoffgemisch aus der Beschickungsschleuse in das Oberteil des Reaktors vorgeschlagen ( DE 10 2004 001 708 A1 ), die nach einem speziellen Algorithmus betrieben werden soll.

Es wurde auch vorgeschlagen ( DE 103 30 512 A1 ), im Rohgasabgang mittels eines wässrigen Mediums eine isochrone, isohaline und/oder eine isolierende und/oder in der Temperatur veränderbare Ringströmung zwischen dem Rohgas und der Rohrwand aufzubauen und stabil zu halten. Dieser Vorschlag, von dem eine Verhinderung von Ablagerungen im Rohgasabgang erhofft wird, ist technisch sehr anspruchsvoll und setzt gleichmäßige Betriebszustände, wie Rohgasmengen, Drücke u. a. voraus, die im rauen Betrieb nur sehr schwer einzuhalten sind.

Die genannten Vorschläge dienen zweifellos der Verbesserung der oben geschilderten schwierigen Betriebssituation, können aber das anstehende Problem nicht grundsätzlich lösen.

Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen es gelingt, Verklebungs- und Ansetzprozesse im freien Querschnitt des Kopfbereiches eines Schlackebadvergasers und in dessen Rohgasabgang zu vermeiden, die durch den gewollten Einsatz inhomogener Stoffgemische aus kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen und kohlenstoffhaltigen Brennstoffen im Vergasungsprozess auftreten.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass aus dem freien Querschnitt des Oberteils des Reaktors feinverdüstes Wasser so in den Raum oberhalb der abgesenkten Feststoffschüttung entgegen dem aus der Feststoffschüttung aufströmenden Rohgas gegeben wird, dass der gesamte freie Querschnitt damit gleichmäßig abgedeckt, eine intensive Reaktion mit dem aus der Feststoffschüttung aufströmenden Rohgas erreicht und die Temperaturen auf 700 °C abgesenkt wird.

Im Hinblick auf die Vorrichtung erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass Höhe der Unterkante des Schüttschachtes mehrere gleichmäßig am Umfang des Reaktoroberteils in einer waagerechten Ebene verteilte Sprühdüsen so angeordnet sind, dass ihre Sprühkegel in Richtung Schüttungsoberfläche gerichtet sind. Das Wasser verlässt die Düsen in einem Sprühwinkel, der das Erfassen des gesamten freien Querschnitts oberhalb der Feststoffschüttung gewährleistet. Mit diesem Abdecken des gesamten freien Querschnitts oberhalb der Feststoffschüttung durch einen Wassernebel wird die Gefahr einer örtlichen Abkühlung oder Ablöschung von Teilen der Oberfläche der Feststoffschüttung vermieden. Ebenso wird die Gefahr eines Sauerstoffdurchbruchs gebannt.

Damit werden auch die vielfältigen chemisch-physikalischen Prozesse, die diese genannten Verklebungen und Ansetzungen provozieren und bei Temperaturen > 750 °C ablaufen, unterdrückt und weitgehend vermieden.

Die Wassermenge kann über Regelarmaturen für jede Düse separat leistungs- und temperaturabhängig eingestellt werden. Zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit der Einzeldüse wird jeweils der Differenzdruck zwischen Wasservordruck und Vergaserdruck ermittelt. Bei erforderlicher Außerbetriebnahme der Wassereindüsung kann jede Düse separat mit Stickstoff gespült und gekühlt werden.

Sicherheitstechnisch wird die Wasserzuführung bei Ausfall des Vergasers über eine Schnellschlussarmatur unterbrochen.

Durch die Vernebelung einer bestimmten Wassermenge im Vergaseroberteil kommt es durch die große Wärmekapazität des Wassers zur Absenkung der Kopfund Rohgastemperaturen, deren gewünschten Temperaturbereich man relativ genau anhand der Leistungsparameter des Vergasers vorausberechnen und praktisch über die Mengenregelung auch gut steuern kann.

Durch die Befeuchtung des Rohgases werden die klebenden Eigenschaften der Abfallkokspartikel verhindert, so dass dadurch die Verfügbarkeit des Vergasers entscheidend erhöht wird und sich damit der Aufwand an Instandhaltungs- und Reinigungskosten verringert und das gesamte Betriebsergebnis positiv beeinflusst wird.

Zwei weitere Effekte werden durch die Kühlung des Rohgases im Reaktoroberteil erreicht, die sich auf die Betriebsführung, speziell der dem Vergaser nachgeschalteten Gasverwertungsanlagen, positiv auswirken.

Aufgrund der geringeren Rohgas- und Kopftemperaturen verlaufen die Entgasungs- und Pyrolysereaktionen deutlich langsamer und nicht so heftig ab, was zu einer merklichen Glättung der Rohgasdruck- und Rohgasmengenschwankungen führt und die Fahrweise der nachgeschalteten Anlagen verbessert.

Die Rohgaszusammensetzung (Analyse) verändert sich ebenfalls durch die geringeren Temperaturen und das Einbringen von Feuchte in den Vergaser. Das Reaktionsgleichgewicht verschiebt sich zu Gunsten der Bildung von Wasserstoff bei Verringerung der Anteile an Methan. Diese analytische Veränderung des Synthesegases ist speziell für die stoffliche Verwertung von großer Bedeutung.

Die Erfindung soll mit Hilfe der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. Aus der Dosierschleuse 1 gelangt das inhomogene Stoffgemisch aus kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen und kohlenstoffhaltigen festen Brennstoffen mittels diskontinuierlicher Betätigung des Dosierkegelverschlusses 2 durch den Schüttschacht 4 auf die Oberfläche der Schüttung. In Höhe der Unterkante des Schüttschachtes 4 sind 4 gleichmäßig am Umfang des Reaktoroberteils in einer waagerechten Ebene verteilte Sprühdüsen 5 angeordnet, deren Wasserzuführungsleitungen 6 durch die Reaktorwand geführt werden.
Die Sprühdüsen 5 sind unten einem solchen Winkel zur Waagerechten angeordnet, dass ihre Sprühkegel die gesamte freie Querschnittsfläche oberhalb der Schüttungsoberfläche mit ihrem Wassersprühnebel 7 abdecken. Der gesamte aus der Schüttungsoberfläche austretende Rohgasstrom 8 muss also eine intensive Reaktion mit dem Wassersprühnebel 7 eingehen, ehe er den Rohgasabgangskonus 3 erreicht.

1: Dosierschleuse
2: Dosierkegelverschluss
3: Rohgasabgangskonus
4: Schüttschacht
5: Sprühdüse
6: Wasserzuführungsleitung
7: Wassersprühnebel
8: Rohgasstrom

Claims

Verfahren zur Vermeidung koksartiger Ansetzungen im Kopfteil und am Rohgasabgang eines Schlackebadvergasers zur Vergasung inhomogener Stoffgemische aus kohlenstoffhaltigen festen Abfallstoffen und festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei Drücken > 20 bar und abgesenkter Schüttung, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem freien Querschnitt des Oberteils des Reaktors feinverdüstes Wasser so in den Raum oberhalb der abgesenkten Feststoffschüttung entgegen dem aus der Feststoffschüttung aufströmenden Rohgas gegeben wird, dass der gesamte freie Querschnitt damit gleichmäßig abgedeckt, eine intensive Reaktion mit dem aus der Feststoffschüttung aufströmenden Rohgas erreicht und die Temperaturen auf < 700 °C abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Wassermenge über Regelarmaturen für jede Düse separat leistungs- und temperaturabhängig eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionstüchtigkeit der Einzeldüsen über den Differenzdruck zwischen Wasservordruck und Vergaserdruck ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Höhe der Unterkante des Schüttschachtes mehrere gleichmäßig am Umfang des Reaktoroberteils in einer waagerechten Ebene verteilte Sprühdüsen so angeordnet sind, dass ihre Sprühkegel in Richtung Schüttungsoberfläche gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 4 Sprühdüsen angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühkegel der Sprühdüsen > 90 ° ist.