DE102006040077A1

DE102006040077A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Austrag von Schlacke aus Vergasungsreaktoren

Info

Publication number: DE102006040077A1
Application number: DE102006040077A
Authority: DE
Inventors: 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: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: US20080047198A1; US7621972B2; DE102006040077B4; CA2570228C; CA2570228A1; AU2006241311B2; DE202006020602U1; DE102006040077C5; AU2006241311A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausschleusung von Asche und Schlacke aus Reaktoren zur Druckvergasung von Brennstoffen, wobei Brennstoffe Kohlen verschiedenen Inkohlungsgrades, Kokse oder aschehaltige Flüssigkeiten oder Flüssig-Feststoff-Suspensionen sein können bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar bei Vergasungstemperaturen zwischen 800 und 1800°C, wobei zwischen einem Vergasungsraum (3), dem ein Quenchraum (5) nachgeschaltet ist, an den eine Schlackeschleuse (7) angeschlossen ist, ein Wasserkreislauf (10) zur Auflockerung der abgelagerten Schlacke (8) aufrechterhalten wird und Kreislaufwasser in den Ober- oder Unterteil des Quenchraumes (5) zugeführt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung ist geeignet zum Austrag von Schlacken aus Reaktoren bei der Vergasung von aschehaltigen Brennstoffen. Die Erfindung kann bei allen Vergasertypen angewandt werden, bei denen Asche oder Schlacke aus einem Drucksystem ausgetragen werden.
Bei der Druckvergasung von aschehaltigen, staubförmigen, stückigen oder flüssigen Brennstoffen entstehen in Abhängigkeit von der Vergasungstemperatur aus der Brennstoffasche feste Rückstände, die entweder als angeschmolzene granulierte Asche oder als voll aufgeschmolzene Schlacke gebildet werden und nach Abkühlung aus den Drucksystemen ausgeschleust werden. Unter staubförmigen, stückigen oder flüssigen Brennstoffen versteht man konventionelle Brennstoffe wie Kohlen verschiedenen Inkohlungsgrades, Kokse verschiedenen Herkommens aber auch feststoffhaltige Öle und Teere sowie Slurries, die als Kohle-Wasser- oder Kohle-Öl-Slurries eingesetzt werden können oder Slurries, die aus der thermischen Vorbehandlung durch verschiedene Pyrolyseverfahren von Biomassen als Suspensionen von Pyrolysekoks und Pyrolyseflüssigkeiten entstehen.
Die granulierte Asche oder vollaufgeschmolzene Schlacke wird in der Regel durch Einspritzen von Wasser gekühlt und als Schüttgut im Wasserbad gesammelt und über Druckschleusen aus dem Drucksystem ausgetragen und entsorgt oder zu Baustoffen aufgearbeitet.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind in EP 0545241 B1 und DE 4109231 beschrieben.
In EP 0545241 B1 wird ein Verfahren zur thermischen Verwertung von Abfallstoffen durch Kombination ansich bekannter Verfahrensstufen wie Pyrolyse, Zerkleinerung, Klassierung, Vergasung und Gasreinigung beschrieben, bei dem in einem Vergasungsreaktor CO- und H₂-haltiges Gas und eine Schlacke entstehen, welche im Kontakt mit Wasser granuliert und aus dem Vergasungsreaktor ausgetragen wird.
DE 4109231 C2 beschreibt ein Verfahren zur Verwertung halogenbelasteter kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe, bei dem Abfallstoffe durch Vergasung nach dem Prinzip der partiellen Oxidation im Flugstrom zu einem kohlenmonoxyd- und wasserstoffhaltigen Rohgas umgesetzt werden, wobei im unteren Teil des Reaktors ein Wasserbad angeordnet ist, in dem die erstarrenden Schlackepartikel aufgenommen werden und über einen Schleusenbehälter aus dem Druckreaktor ausgebracht werden.
Diese Technologie ist durch wesentliche Nachteile gekennzeichnet, die zu Störungen des Betriebsablaufes und zur Einschränkung der Verfügbarkeit der Gesamttechnologie führen. Solche Störungen werden z. B. durch eine Verfestigung der Aschen/Schlacken im Wasserbad verursacht, wobei solche Verfestigungen durch diese in einem breiten Körnungsband anfallenden Feststoffe unterstützt werden. Die Verfestigungen führen zur Brückenbildung und zur Blockade des Ausschleusvorganges.
Die Kühlung der Aschen/Schlacken geschieht bei Vergasungsdrucken bis 80 bar bis auf Temperaturen zwischen 150 und 250°C, so dass bei der Entspannung während des Ausschleusens Wasserdampfschwaden entstehen. Durch gleichzeitig bei der Entspannung der Asche/Schlacke/Wassermischung aus dem Drucksystem entweichende Gase wie CO₂ und H₂S sind diese Wasserdampfschwaden toxisch kontaminiert und ihre gefahrlose Abkühlung ist aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Vorrichtung zur Kühlung und Ausschleusung von bei der Vergasung aschehaltiger Brennstoffe entstehender granulierter Aschen und Schlacken zu entwickeln, bei dem es nicht zu Störung des Ausschleusevorgangs sowie zur Bildung kontaminierter Wasserdampfschwaden, die mit toxischen Gasen kontaminiert sein können, kommt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.
Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Die erfindungsgemäße Lösung sieht ein Verfahren zum Ausschleusen von Asche und Schlacke in Reaktoren zur Druckvergasung von Brennstoffen bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar und Vergasungstemperaturen zwischen 800 und 1.800 °C vor, wobei zwischen einem Vergasungsraum, dem ein Quenchraum nachgeschaltet ist, an den eine Schlackeschleuse angeschlossen ist, wobei ein Wasserkreislauf zur Auflockerung der angelagerten Schlacke aufrechterhalten wird und Kreislaufwasser dem Ober- oder Unterteil des Quenchraumes zugeführt wird.
Vorteilhaft ist es, daß in die Schlackeschleuse Wasser bei einer Temperatur zwischen 20 und 90 °C zugeführt wird, um das Wasserbad und die Schlackeschicht abzukühlen und die Bildung von Schwaden bei der Entspannung der Schlackeschleuse zu vermeiden bzw. zu mindern.
Weiter kann es vorteilhaft sein, daß der Wasserkreislauf zwischen der Schlackeschleuse und dem Quenchraum sowie die Zuführung von Wasser mit Temperaturen zwischen 20 und 90 °C in den Unterteil der Schlackeschleuse gleichzeitig zugeführt werden.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, daß der Wasserkreislauf zwischen der Schlackeschleuse und dem Quenchraum sowie die Zuführung von Wasser mit dem Temperaturen zwischen 20 und 90 °C in den Unterteil der Schlackeschleuse wechselseitig durchgeführt werden.
Ebenso ist es denkbar, daß der Wasserkreislauf zwischen der Schlackeschleuse und dem Quenchraum sowie die Zuführung von Wasser bei Temperaturen zwischen 20 und 90°C in den Unterteil der Schlackeschleuse kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt werden.
Zur Zerkleinerung grobkörniger Schlacke kann im Unterteil des Quenchraumes eine Verkleinerung angeordnet sein.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus dem Vergasungsraum und einem nachgeschalteten Quenchraum sowie der Schlackeschleuse, wobei Leitungen für einen Wasserkreislauf ein Wasserbad, den Quenchraum und die Schlackeschleuse miteinander verbinden und eine Förderpumpe für den Wasserkreislauf innerhalb dieser Leitungen angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, im Unterteil der Schlackeschleuse eine Wasserzuführung zu installieren.
Weiterhin ist es vorteilhaft, im Unterteil des Quenchraumes einen Schlackebrecher anzuordnen.
Die Funktion der Erfindung wird nachfolgende beschrieben.
Der aschehaltige Brennstoff wird über Leitung dem Vergasungsraum zugeführt und gemeinsam mit dem über Leitung zugeführten Vergasungsmittel, welches aus freiem Sauerstoff oder Mischungen freien Sauerstoffs mit Stickstoff, Wasserdampf oder CO₂ besteht zu Rohsynthesegas umgesetzt. Die Vergasungstemperaturen werden so eingestellt, dass sie über den Schmelztemperaturen der Brennstoffasche liegen. Heißes Rohgas und flüssige Schlacke strömen danach in den Quenchraum, in dem durch Einspritzen von Quenchwasser Syntheserohgas und Schlacke abgekühlt werden. Die Temperatur ist dabei abhängig vom Vergasungsdruck, der zwischen 5 und 80 bar gewählt werden kann. Das Rohgas wird mit Wasserdampf gesättigt. Die Sättigungstemperatur liegt beispielsweise bei einem Vergasungsdruck von 30 bar bei ca. 200°C. Das wasserdampfgesättigte Rohgas verlässt den Quenchraum über die Leitung und gelangt in nachgeschaltete Gasreinigungsstufen. Im Unterteil des Quenchraumes befindet sich ein Wasserbad, in das die gleichfalls auf die Quenchtemperatur von 200°C abgekühlte Schlacke fällt und über die geöffnete Armatur in die Schlackeschleuse gelangt und sich im Unterteil als Schlackeschüttung sammelt. Wenn sich eine bestimmte Schlackemenge angesammelt hat, wird das vorher geöffnete Ventil unter der Schlackeschleuse geschlossen, die Schlackeschleuse entspannt und das Ventil geöffnet, so dass die Schlacke über den Ausgang aus dem Vergasungs- und Quenchsystem ausgetragen wird. Anschließend wird das Ventil unter der Schlackeschleuse wieder geschlossen, das Ventil zwischen Quenchraum und Schlackeschleuse geöffnet, so dass die Schlacke wieder von der Schlackeschleuse aufgenommen wird. Fällt die Schlacke sehr grobstückig an, wird im Unterteil des Quenchraumes ein Schlackebrecher installiert. Dies begünstigt einerseits den Ausschleusevorgang, andererseits wird durch Verengung des Querschnittes die Gefahr von Ablagerungen und Verfestigungen begünstigt, wobei das gebildete Feinkorn von besonderem Einfluss ist.
Die Probleme der Verfestigung der Schlacke im Wasserbad des Quenchraumes werden dadurch gelöst, dass laufend oder zeitweise Wasser aus der Schlackeschleuse über die Pumpe in den Ober- oder Unterteil des Quenchraumes gefördert wird, so dass eine bestimmte Strömung aufrecht erhalten wird. Um den gleichen Effekt auch in der Schlackeschleuse zu erreichen, wird über die Leitung Zusatzwasser in den Unterteil der Schlackeschleuse eingeführt. Dieses über die Leitung eingebrachte Zusatzwasser besitzt Temperaturen < 50°C, um einen weiteren Abkühlungseffekt in der Schlackeschleuse auf Temperaturen < 100°C zu erreichen. Damit werden die bei der Entspannung der Schlackeschleuse auftretenden Schwaden vermieden oder stark vermindert.
Im Folgenden wird die Erfindung an zwei Figuren und einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die Figuren zeigen:
1 Erfindungsgemäße Lösung mit Vergasungsraum, Quenchraum und Schlackebad
2 Erfindungsgemäße Lösung mit Quenchraum, Schlackebad und Schlackebrecher.
Die 1 zeigt den Vergasungsraum 3 mit der Brennstoff- und Vergasungsmittelzuführung 1, 2, der Bedüsung 4 sowie dem Quenchraum 5, aus dem das Rohgas 16 abgeführt wird und in dessen unterem Teil ein Wasserbad 6 angeordnet ist. Durch ein Ventil 12 sind Quenchraum 5 und Schlackeschleuse 7 voneinander trennbar, wobei im unteren Teil der Schlackeschleuse 7 eine Schlackschüttung 8 besteht, die über ein weiteres Ventil 13 und die Schlackeabführung 11 abgeführt werden kann. Eine Wasserzuführung 9 ist im unteren Teil der Schlackeschleuse 7 angeordnet. Die Pumpe mit Kreislaufleitungen 10 ist so angeordnet, daß das Wasser von den Leitungen zwischen dem Quenchraum 5, dem Wasserbad 6 und der Schlackeschleuse hin und her gepumpt werden kann.
In einem Reaktor zur Flugstromvergasung werden 30 Mg/h Steinkohlenstaub über die Leitung 1 zugeführt und gemeinsam mit aus der Leitung 2 zuströmenden Vergasungsmittel Sauerstoff/Wasserdampf bei 40 bar umgesetzt. Die Steinkohle hat einen Aschegehalt von 10 Ma%, entsprechend 3 Mg/h. Die Vergasung wird so geführt, dass das Vergasungsrohgas gemeinsam mit der geschmolzenen Asche als Schlacke bei 1.400°C den Vergasungsreaktor 3 verlässt und im Quenchraum 5 durch Bedüsung 4 mit Quenchwasser auf 220°C abgekühlt wird. Diese Temperatur besitzt auch das abströmende Rohgas 16.
Zur Absenkung der Temperatur im Wasserbad 6 und der Schlackeschüttung 8 wird zur Auflockerung und Kühlung Wasser mit einer Temperatur von 30°C über die Leitung 9 dem Unterteil der Schlackeschleuse 7 zugeführt und über die Pumpe 10 im Kreislauf zum Quenchraum 5 zugeführt. Damit wird die Temperatur im Wasserbad 5 und der Schlackeschüttung 8 abgesenkt, bevor das Ausschleusen durch Schließen von Ventil 12 und Öffnen von Ventil 13 beginnt.
Die 2 zeigt die erfindungsgemäß Lösung mit einem Schlackebrecher 15. Um bei Anfall grobstückiger Schlacke die Ausschleusung zu ermöglichen, wird im Unterteil des Quenchraumes 5 ein Schlackebrecher 15 installiert. Um Ablagerungen im Wasserbad 6 vor allem durch Feinschlacke zu vermeiden wird Wasser aus der Schlackeschleuse 7 über die Wasserkreislaufleitung mittels Pumpe 10 rückgeführt und oberhalb und unterhalb des Schlackebrechers 15 zugeführt. Damit wird der Feinkornaustrag unterstützt. Wie in 1 wird zusätzlich Wasser in den Unterteil der Schlackeschleuse 7 eingeleitet, um sowohl eine Auflockerung der Schlackeschüttung 8 als auch die gewünschte Abkühlung vor dem Entspannungsvorgang zu erreichen.

1: Brennstoffzuführung
2: Vergasungsmittelzuführung
3: Vergasungsraum
4: Bedüsung
5: Quenchraum
6: Wasserbad
7: Schlackeschleuse
8: Schlackeschüttung
9: Wasserzuführung
10: Pumpe mit Wasserkreislaufleitung
11: Schlackeabführung
12/13: Ventile
14: Quenchdüsen
15: Schlackebrecher
16: abströmendes Rohgas

Claims

Verfahren zur Ausschleusung von Asche und Schlacke aus Reaktoren zur Druckvergasung von Brennstoffen, wobei Brennstoffe Kohlen verschiedenen Inkohlungsgrades, Kokse oder aschehaltige Flüssigkeiten oder Flüssig-Feststoff-Suspensionen sein können bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar bei Vergasungstemperaturen zwischen 800 und 1.800°C dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Quenchraum, der einem Vergasungsraum, nachgeschaltet ist und einer nachfolgenden Schlackeschleuse ein Wasserkreislauf zur Auflockerung der abgelagerten Schlacke aufrecht erhalten wird und Kreislaufwasser in den Ober- oder Unterteil des Quenchraumes zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in die Schlackeschleuse Wasser mit einer Temperatur zwischen 20 und 90°C zugeführt wird, um das Wasserbad und die Schlackeschicht abzukühlen und die Bildung von Schwaden bei der Entspannung der Schlackeschleuse zu vermeiden bzw. zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf zwischen der Schlackeschleuse und dem Quenchraum sowie die Zuführung vom Wasser mit Temperaturen zwischen 20 und 90°C in den Unterteil der Schlackeschleuse gleichzeitig durchgeführt werden
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf zwischen der Schlackeschleuse und dem Quenchraum sowie die Zuführung vom Wasser mit Temperaturen zwischen 20 und 90°C in den Unterteil der Schlackeschleuse wechselseitig durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf zwischen der Schlackeschleuse und dem Quenchraum sowie die Zuführung vom Wasser mit Temperaturen zwischen 20 und 90°C in den Unterteil der Schlackeschleuse kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass grobstückige, Schlacke im Unterteil des Quenchraumes zerkleinert wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, bestehend aus dem Vergasungsraum (3) und einem nachgeschalteten Quenchraum (5) sowie der Schlackeschleuse (7), dadurch gekennzeichnet, dass ein Quenchraum (5), über dem ein Vergasungsraum (3) und unter dem eine Schlackeschleuse (7) angeordnet ist, über Leitungen für einen Wasserkreislauf mit einem Wasserbad (6) und der Schlackeschleuse (7) verbunden ist, wobei zwischen dem Quenchraum (5) und der Ascheschleuse (7) eine Pumpe (10) installiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass im Unterteil der Schlackeschleuse (7) eine Wasserzuführung (9) installiert ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass im Unterteil des Quenchraumes 5 ein Schlackebrecher 15 angeordnet ist.