DE102006031816A1

DE102006031816A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von heißen Gasen und verflüssigter Schlacke bei der Flugstromvergasung

Info

Publication number: DE102006031816A1
Application number: DE102006031816A
Authority: DE
Inventors: Norbert Fischer; Dietmar Degenkolb; Friedemann Mehlhose; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens Fuel Gasification Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2026-07-08
Also published as: CA2572374C; CN101168687A; DE102006031816B4; CN101168687B; US20080005966A1; AU2006222680B2; US8240259B2; CA2572374A1; ZA200607922B; AU2006222680A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von heißem Rohgas und Schlacke aus der Flugstromvergasung von flüssigen und festen Brennstoffen bei Temperaturen des Rohgases von 1200 bis 1800°C und Drucken bis 80 bar in einer den Vergasungsreaktor nachgeordneten Kühlkammer durch Einspritzen von Wasser, bei dem das zur Kühlung in die Kühlkammer eingebrachte Kühlwasser aufgeteilt wird, wobei ein Teil in die als Freiraum gestaltete Kühlkammer frei verteilt eingedüst wird und ein weiterer Teil zum Schutz der drucktragenden Behälterwand in einen Ringspalt zwischen der drucktragenden Behälterwand und einer eingebrachten Metallschürze am Boden eingespeist wird und dieser Teil des Kühlwassers im Ringspalt nach oben strömt und auf der Innenseite der Metallschürze als Wasserfilm nach unten rieselt, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem in den Kühlraum (1) eines Flugstromvergasungsreaktors (2) eine Metallschürze (1.3) so eingebracht wird, dass zwischen dem Druckmantel (1.6) und der Metallschürze (1.3) ein Ringraum (1.8) entsteht, der aufwärts von Kühlwasser durchströmt wird, das über einem Stutzen (1.5) zugeführt wird und als Wasserfilm (1.7) an der Innenseite der Metallschürze (1.3) nach unten strömt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das Verfahren ist geeignet für einen Reaktor zur Flugstromvergasung und zur Kühlung des 1.200 bis 1.800°C heißen Vergasungsgases, wobei Drucke bis 80 bar angewendet werden können. Aus diesen Reaktoren zur Flugstromvergasung fester und flüssiger Brennstoffe treten das heiße Vergasungsgas und die flüssige Schlacke gemeinsam in den Kühlraum, oft als Quenchraum bezeichnet, ein, wobei die Vergasung als autotherme Partialoxidation betrieben wird. Der Brennstoff kann als Kohle-Wasser- oder Kohle-Öl-Suspension, sogenannter Slurrie oder pneumatische als trockener Brennstaub auf Druck gebracht und den Kopf des Reaktors über Brenner der Vergasung zugeführt werden. Es können ein oder mehrere Brennstoffe oder Kohlesorten vergast werden.
In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, daß aus Gründen der Synthesegasqualität höhere Kohlenstoffverbindungen zu Synthesegaskomponenten wie CO und H₂ vollständig aufgespalten werden und die anorganischen Bestandteile als schmelzflüssige Schlacke ausgetragen werden.
Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Vergasungsgas und schmelzflüssige Schlacke getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, wie beispielsweise in DE 197 18 131 A1 beschrieben.
DE 3534015 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem die Vergasungsmedien Feinkohle und sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel über mehrere Brenner so in den Reaktionsraum eingeführt werden, daß sich die Flammen gegenseitig ablenken. Dabei strömt das Vergasungsgas feinstaubbeladen nach oben und die Schlacke nach unten in ein Schlackekühlsystem. In der Regel ist oberhalb des Vergasungsraumes eine Vorrichtung zur indirekten Kühlung mit Nutzung der Abwärme vorgesehen. Durch die mitgerissenen flüssige Schlackepartikel besteht jedoch die Gefahr der Ablagerung und Belegung der Wärmetauscherflächen, was zur Behinderung des Wärmeübergangs und gegebenenfalls zur Verstopfung des Rohrsystems bzw. zur Erosion führt. Der Gefahr der Verstopfung wirkt man entgegen, indem das heiße Rohgas mit einem im Kreislauf geführten Kühlgas abgekühlt wird. Die Schlacke verläßt den Vergaser und tritt direkt in einen senkrecht darunter angeordneten Abhitzekessel ein, in dem das Rohgas und die Schlacke unter Nutzung der Abwärme zur Dampferzeugung abgekühlt werden. Die Schlacke sammelt sich in einem Wasserbad, das gekühlte Rohgas verläßt den Abhitzekessel seitwärts. Dem Vorteil dieser Abhitzegewinnung nach diesem System stehen eine Reihe von Nachteilen gegenüber. Genannt seien hier besonders die Bildung von Ablagerungen auf den Wärmetauscherrohren, die zur Behinderung des Wärmeüberganges sowie zur Korrosion und Erosion und damit zu mangelnder Verfügbarkeit führen.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung des heißen Vergasungsgases und der flüssigen Schlacke, ohne, daß die drucktragende Behälterwand der Kühlkammer durch Überhitzung gefährdet wird, wobei die Vorrichtung derart ausgeführt wird, daß die Behälterwand mit einem Druck bis 80 bar beaufschlagt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst.
Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Heißes Gas und flüssige Schlacke verlassen gemeinsam den Reaktor und strömen in den Quenchraum ein, in dem sie durch Einspritzen von Wasser im Überschuss über Düsen auf Gleichgewichtstemperatur gekühlt werden. Das gekühlte, gesättigte Rohgas gelangt über einen seitlichen Abgang in den nachfolgenden Prozessabschnitt, während die gekühlte und granulierte Schlacke im Wasserbad gesammelt und nach unten ausgeschleust wird. Zur Kontrolle der Gastemperatur sind am Rohgasabgang Temperaturmessungen angeordnet. Der Quenchraum wird derart ausgeführt, das in den Druckbehälter eine Metallschürze eingebaut wird. Diese Metallschürze ist

– am Granulataustrag fest mit dem Behältermantel verschweißt,
– mit dem seitlichen Gasabgangsstutzen, dem Mannloch und den Zuführungsstutzen der Düsenreihen gasdicht verbunden,
– nach oben als Überlaufwehr ausgebildet und am Quenchraum atmend,
– aus einem festen Material gefertigt, das beständig gegenüber Cl-Ionen und Säurekorrosion ist, wie beispielsweise eine austenitische Stahllegierung.

Die Düsen zur Kühlung von Brenngas und Schlacke sind gleichmäßig über den Umfang des Quenchraumes angeordnet. Die zugeführte Quenchwassermenge ist so bemessen, dass Vergasungsgas und Schlacke durch das eingespritzte Wasser bis auf 180 bis 240°C gekühlt werden. Das Quenchwasser wird im Überschuss zugeführt, so dass sich am Boden des Quenchers ein Wasserbad bildet in das die Schlacke tropft. Die Höhe des Wasserbades wird mittels einer Füllstandsregelung eingestellt.
Ein Teilstrom des Quenchwassers wird am Boden des Quenchbehälters in den Ringspalt zwischen Druckbehälterwand und Metallschürze zugeführt. Das Wasser strömt in dem Ringspalt nach oben, wodurch der Mantel vor thermischer Überbeanspruchung geschützt wird. Das aufsteigende Quenchwasser wird durch den sehr guten Wärmeübergang aufgewärmt bzw. bei Verwendung von vorgewärmtem Quenchwasser wird der Wärmeverlust im Quenchraum minimiert. Das am Wehr überlaufende Wasser läuft unter Ausbildung eines Wasserfilmes an der Innenwand des Mantels in das am Boden befindliche Wasserbad. In Höhe des Überlaufwehres ist eine Füllstandsmessung zur Überwachung des Wasserstandes im Ringspalt angeordnet. Sowohl die zugeführte Quenchwassermenge, die Temperatur des den Quencher verlassenden Rohgases als auch der Wasserfüllstand im Ringspalt werden von einem übergeordneten Sicherheitssystem überwacht.
Das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens haben den Vorteil, aus einem Flugstromvergaser gemeinsam mit flüssiger Schlacke austretendes 1.200-1.800°C heißes Rohgas zu kühlen, ohne die drucktragende Behälterwand durch Überhitzung zu gefährden. Dies wird neben der Verfahrensführung durch Einbringung einer Metallschürze erreicht, wobei in den entstehenden Ringspalt ein Teil des Kühlwassers eingeleitet wird. Damit kann die drucktragende Behälterwand nur die Kühlwassertemperatur annehmen und ist damit geschützt.
Im Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und einer Figur erläutert.
Die 1 zeigt: Flugstromvergasungsreaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
In einem Vergasungsreaktor 2 mit einer Bruttoleistung von 500 MW werden 58 t/h Kohlenstaub unter Zugabe eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels und von Dampf mittels autothermer Partialoxidation bei einem Betriebsdruck von 41 bar in Rohgas und flüssige Schlacke überführt. Die produzierte feuchte Rohgasmenge von 145.000 m³ _N/h und die 4,7 Mg/h Schlacke strömen gemeinsam aus dem Reaktor 2 in den Freiraum des Kühlers 1 ein. Über 12 gleichmäßig am Umfang des Kühlers 1 verteilte Düsen 1.1 wird eine Kühlwassermenge von 220 m³/h mit einer Temperatur von 178°C eingedüst. Durch den Kühlprozess wird das Rohgas auf eine Gleichgewichtstemperatur von 220°C gekühlt und entsprechend dem Betriebsdruck gesättigt. Das nunmehr gekühlte, gesättigte Rohgas von 328.000 m³ _N/h verlässt über den seitlichen Rohgasabgang 1.2 den Kühler 1. Die Schlacke tropft in das am Kühlerboden vorhandene Wasserbad 3, in dem die Schlacke durch den Temperaturschock glasiert erstarrt und granuliert. Der Austrag erfolgt mittels einer Ausschleusevorrichtung. In den Ringspalt zwischen Druckgefäßwand 1.6 und Metallschürze 1.3 werden 15 m³/h Kühlwasser zugeführt, die im Ringraum 1.8 nach oben strömen, über das Überlaufwehr 1.4 in den Kühlraum 1 gelangen und als Wasserfilm 1.7 an der Innenwand der Metallschürze 1.3 ablaufen.
Als Kühlwasser wird Gaskondensat, rückgeführtes teilgereinigtes Wasch- bzw. Überschusswasser teilweise aus nachgeschalteten Prozeßstufen und zur Ergänzung von Wasserverlusten entmineralisiertes Wasser oder ein Gemisch aus diesen eingesetzt, wobei der pH-Wert zwischen 6 und 8 geregelt wird. Diese Regelung erfolgt, indem eine Säure oder basische Substanzen zugegeben werden.

1: Kühler
1.1: Düsen
1.2: Rohgasabgang
1.3: Metallschürze
1.4: Überlaufwehr
1.5: Stutzen
1.6: Druckgefäßwand
1.7: Wasserfilter
1.8: Ringraum
1.9: Stutzen
2: Reaktor
3: Wasserbad

Claims

Verfahren zur Kühlung von heißem Rohgas und Schlacke aus der Flugstromvergasung von flüssigen und festen Brennstoffen bei Temperaturen des Rohgases von 1.200 bis 1.800°C und Drucken bis 80 bar in einer den Vergasungsreaktor nachgeordneten Kühlkammer durch Einspritzen von Wasser dadurch gekennzeichnet, dass das zur Kühlung in die Kühlkammer eingebrachte Kühlwasser aufgeteilt wird, wobei ein Teil in die als Freiraum gestaltete Kühlkammer fein verteilt eingedüst wird und ein weiterer Teil zum Schutz der drucktragenden Behälterwand in einen Ringspalt zwischen der drucktragenden Behälterwand und einer eingebrachten Metallschürze am Boden eingespeist wird und dieser Teil des Kühlwassers im Ringspalt nach oben strömt und auf der Innenseite der Metallschürze als Wasserfilm nach unten rieselt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des heißen Rohgases mit einem solchen Überschuss an Kühlwasser betrieben wird, dass das Rohgas bei Temperaturen zwischen 180 und 240°C wasserdampfgesättigt wird
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlwasser Gaskondensat, rückgeführtes teilgereinigtes Wasch- bzw. Überschusswasser, entmineralisiertes Wasser oder ein Gemisch aus diesem mit einem pH-Wert zwischen 6 und 8 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Kühlwassers geregelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, das in den Kühlraum (1) eines Flugstromvergasungsreaktors (2) mit Düsen (1.1), eine Metallschürze (1.3) so eingebracht wird, dass zwischen dem Druckmantel (1.6) und der Metallschürze (1.3) im Ringraum (1.8) entsteht, der aufwärts von Kühlwasser durchströmt wird, das über einem Stutzen (1.5) zugeführt wird und als Wasserfilm (1.7) an der Innenseite der Metallschürze (1.3) nach unten strömt.
Vorrichtung nach den Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschürze (1.3) gasdicht mit an der drucktragenden Behälterwand (1.6) angebrachten Stutzen (1.2, 1.5, 1.9) verschweißt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschürze (1.3) nach oben mit einem Überlaufwehr (1.4) derart gestaltet ist, dass das aufsteigende Kühlwasser auf der Innenseite der Metallschürze (1.3) unter Ausbildung eines Wasserfilmes (1.8) abläuft.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschürze (1.3) aus einem Material gefertigt wird das beständig gegenüber Cl-Ionen und Säurekorrosion ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass in Höhe des Überlaufwehres (1.4) eine Füllstandsmessung zur Kontrolle der Funktionstüchtigkeit der Metallschürze (1.3) angeordnet ist.