DE102006041838A1 - Verfahren zum Vergasen von festen Vergasungsstoffen in Schlackebadvergasungsreaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von festen Vergasungsstoffen in Schlackebadvergasungsreaktoren mit Vergasungsmitteln, die mittels Vergasungsmitteldüsen zugeführt werden, die in einer oder in mehreren Düsenebenen angeordnet sind, wobei - die Vergasungsmittel mindestens aus Sauerstoff und Wasserdampf bestehen, - die Flammen, die sich vor der Austrittsöffnung der Vergasungsmitteldüsen im Druckraum des Vergasungsreaktors ausbilden, optisch überwacht werden und - mittels der Vergasungsmitteldüsen zusätzlich flüssige Vergasungsstoffe oder zu entsorgende flüssige Schadstoffe zugeführt werden und - mindestens denjenigen Vergasungsmitteldüsen, bei denen Flammenintensitäten von vorzugsweise kleiner 10 bis 50%, bezogen auf eine Flammenintensität von 100%, oder "gleißend hell" detektiert werden, mindestens so lange sekundäre kohlenstoff- und/oder wasserstoffhaltige flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zugeführt werden, bis bei mindestens denjenigen Vergasungsmitteldüsen Flammenintensitäten von vorzugsweise größer 10 bis 50% detektiert werden, - die sekundären Brennstoffe den Vergasungsmitteln unmittelbar vor oder unmittelbar nach deren Austritt aus den Vergasungsmitteldüsen in den Druckraum des Vergasungsreaktors zugemischt werden, - die sekundären Brennstoffe in Menge und Qualität so zugeführt werden, daß der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsgasen der Flammen, die sich vor der Austrittsöffnung der Vergasungsmitteldüsen ausbilden, ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach den Merkmalen des Oberbegriffes des ersten Patentanspruches. Die Erfindung ist geeignet für alle Schlackebadvergasungsreaktoren, bei denen die Flammen der Vergasungsmitteldüsen optisch überwacht werden.
• Die Schlackebadvergasung stellt eine Weiterentwicklung der Festbettdruckvergasung mit trockenem Ascheabzug dar. Sie wird vorzugsweise für die Vergasung heterogener und schwieriger Vergasungsstoffe angewendet. Die Bandbreite der Einsatzstoffe reicht von hochflüchtigen Abfallstoffen über Holz, Torf, Braunkohlen, Steinkohlen bis Petrolkoks. Bei der Vergasung eines Einsatzstoffmenüs aus heterogen zusammengesetzten Abfällen und Abfallarten wird zur Stabilisierung des Prozesses üblicherweise ein bestimmter Anteil eines Festbrennstoffes mit gleichbleibender Qualität und hohem Gehalt an fixem Kohlenstoff, wie Braunkohlebriketts oder Steinkohle, zugemischt. Die festen Vergasungsstoffe werden mittels Druckschleusen und Kegelverschlüssen von oben in den Schlackebadvergasungsreaktor eingebracht. Es besteht auch die Möglichkeit, flüssige Vergasungsstoffe auf die, in die und/oder unterhalb der Feststoffschüttung einzudösen.
• In EP 0545241 B1 oder DE 41 09 213 C2 sind Vergasungsreaktoren mit einem Schlackebad beschrieben.
• In GB 2146039 A wird vorgeschlagen, einen Teil des Dampfes des Vergasungsmittels durch einen „aqueous liquor" zu ersetzen, der bei der Rohgasbehandlung anfällt und der auch kondensierte organische Komponenten oder sogar Feinkohle enthalten kann. Bis zu 50 % des Vergasungsdampfes sollen durch diesen liquor ersetzt werden können. In gleicher Weise wie oben beschrieben steht die thermische Entsorgungsaufgabe unabhängig von den Sicherheitsbelangen des Vergasers im Vordergrund.
• Die Vergasungsmittel bestehen mindestens aus Sauerstoff und Wasserdampf, in geringen Anteilen auch aus Inertgasen. In seltenen Fällen werden anteilig auch Kohlendioxid oder Abfallgase zugemischt. Ein wesentliches Verfahrensmerkmal der Schlackebadvergasung stellt die hohe Konzentration an freiem Sauerstoff im Vergasungsmittel mit einem Molverhältnis Sauerstoff zu Wasserdampf, das üblicherweise bei Werten um 1 liegt, dar. Sauerstoff reagiert nach Austritt aus den Vergasungsmittelsdüsen mit dem kohlenstoffhaltigem Material der Vergasungsstoffe unter Flammenbildung und starker Wärmefreisetzung. Es stellen sich so hohe Temperaturen ein, dass die Asche der Vergasungsstoffe vollständig schmilzt. Die schmelzflüssige Schlacke fließt in das Schlackebad, das sich unterhalb der Vergasungsmitteldüsen ausbildet.
• Die Vergasungsmittel werden üblicherweise mittels wassergekühlter Vergasungsmitteldüsen in den Vergasungsreaktor eingebracht, wobei sechs bis 12 dieser Vergasungsmitteldüsen gleichmäßig verteilt über den Umfang des Vergasungsreaktors in einer Höhe auf einer sogenannten Düsenebene angeordnet sind.
• Jede Vergasungsmitteldüse ist mit einer optischen Flammenüberwachung ausgestattet, um die Intensitäten der Flammen, die sich vor den Austrittsöffnungen der Vergasungsmitteldüsen im Druckraum des Vergasungsreaktors bilden, zu kontrollieren. Die Überwachung dient dem sicheren Betrieb des Schlackebadvergasers. Die Flammenintensität ist ein Maß dafür, ob der Sauerstoff bestimmungsgemäß unmittelbar vor der Vergasungsmitteldüse reagiert oder nicht. Sie reicht von „schwarz", entsprechend 0 % Flammenintensität, bis „gleißend hell", entsprechend 100 % Flammenintensität. Im Falle „schwarzer Vergasungsmitteldüsen" kommt es auf Grund des Fehlens von kohlenstoffhaltigem Material oder durch Ansammlungen erstarrter Schlacke vor den Vergasungsmitteldüsen nicht zur Flammenreaktion. Sauerstoff reagiert dann unkontrolliert an anderen, vor allem höheren, Stellen im Vergasungsreaktor, an denen er mit kohlenstoffhaltigem Material in Berührung kommt. Dieser „vagabundierende" Sauerstoff besitzt ein hohes Gefährdungspotential. Reagiert er in Wandnähe, kommt es zum Aus- bzw. Durchschmelzen der keramischen Innenauskleidung des Druckraumes oder sogar zum Anschmelzen und Durchschmelzen des metallischen Vergaser-Druckmantels. Vagabundierender Sauerstoff gefährdet die Funktionsweise und die Betriebssicherheit des Schlackebadvergasers insbesondere bei der Vergasung von Abfallstoffen, die geringe Mengen an Restkoks bilden.
• Um derartige Gefährdungen zu unterbinden, werden die Vergasungsmitteldüsen mit geringer Flammenintensität abgestellt. Mit der Unterbrechung der Zufuhr von Vergasungsmittel wird die unkontrollierte Reaktion von Sauerstoff im Vergasungsreaktor beendet. Dabei besteht keine Gewähr, dass die betreffenden Vergasungsmitteldüsen nach der Wiederinbetriebnahme mit Vergasungsmitteln wieder eine ausreichend hohe Flammenintensität erreichen.
• Eine weitere Möglichkeit, die Flammenintensitäten zu erhöhen, stellt die Steigerung des Anteils des Festbrennstoffes mit gleichbleibender Qualität (Stützbrennstoff), wie Braunkohlebriketts oder Steinkohle, dar. Bei der Vergasung von Abfallstoffen besteht die Notwendigkeit, bis zu 40 Ma.-% Stützbrennstoff zuzumischen. Der Zukauf belastet des Verfahren wirtschaftlich. Stellt sich auch bei erhöhter Stützbrennstoff-Zumischung die geforderte Mindest-Flammenintensität nicht wieder ein, muss die betroffenen Vergasungsmitteldüse dauerhaft außer Betrieb genommen werden. Im praktischen Betrieb kommt es dazu, dass die Vergasungsmitteldüsen auf Grund der genannten sicherheitstechnischen Problematik nach und nach stillgelegt werden. Dies führt letztlich zur Außerbetriebnahme sowie häufigen und langen Stillständen des Vergasungsreaktors. Es werden nur kurze zusammenhängende Betriebslaufzeiten erreicht. Die Zukäufe an Stützbrennstoffen sowie die hohen Stillstands- und Reparaturkosten stellen die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens der Schlackebadvergasung in Frage.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, das das sichere, dauerhafte Betreiben des Schlackebadvergasungsreaktors unabhängig von der Art der eingesetzten Vergasungsstoffe gewährleistet und das das Aus- bzw. Durchschmelzen der keramischen Innenauskleidung und/oder des metallischen Vergaser-Druckmantels vermeidet.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
• Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
• Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß mindestens denjenigen Vergasungsmitteldüsen, bei denen Flammenintensitäten von vorzugsweise kleiner 10 bis 50 % detektiert werden, mindestens so lange sekundäre kohlenstoff- und/oder wasserstoffhaltige flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zugeführt werden, bis bei mindestens denjenigen Vergasungsmitteldüsen Flammenintensitäten von vorzugsweise größer 10 bis 50 % detektiert werden, dass die sekundären Brennstoffe den Vergasungsmitteln unmittelbar vor oder unmittelbar nach deren Austritt aus den Vergasungsmitteldüsen in den Druckraum des Vergasungsreaktors zugemischt werden, dass die sekundären Brennstoffe in Menge und Qualität so zugeführt werden, dass der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsgasen der Flammen, die sich vor der Austrittsöffnung der Vergasungsmitteldüsen ausbildend, vorzugsweise auf 20 bis 35 Vol.-% abgesenkt und die Temperaturen der Flammen auf Werte oberhalb des Ascheschmelzpunktes der Vergasungsstoffe eingestellt werden.
• Mindestens diejenigen Vergasungsmitteldüsen des Schlackebadvergasungsreaktors erhalten erfindungsgemäß eine zusätzliche Zuführung von sekundären kohlenstoff- und/oder wasserstoffhaltigen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, bei denen Flammenintensitäten von vorzugsweise kleiner 10 bis 50 % detektiert werden. Die Betriebserfahrung lehrt, dass Flammenintensitäten von kleiner 10 bis 50 % eine Gefährdung für den sicheren Vergaserbetrieb darstellen.
• Die Zuführung der sekundären Brennstoffe zu einer Vergasungsmitteldüse erfolgt mindestens so lange, bis deren Flammenintensitäten wieder ausreichend hoch sind und die vorstehend genannten Grenzwerte dauerhaft übersteigen. Die Dauer der Zuführung ist je nach eingesetztem Vergasungsstoff oder Vergasungsstoffgemisch unterschiedlich. Sie reicht von einigen Minuten bis mehreren Stunden. Insbesondere im Falle der Vergasung hochflüchtiger Vergasungsstoffe (beispielsweise von Kunststoffabfällen), bei dem im Dauerbetrieb in der Regel bei allen Vergasungsmitteldüsen nur sehr geringe Flammenintensitäten erreicht werden, ist es vorteilhaft, die sekundären kohlenstoff- und/oder wasserstoffhaltigen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffe zeitlich unbegrenzt zuzuführen.
• Besondere Bedeutung kommt der Vermischung der sekundären Brennstoffe mit den Vergasungsmitteln unmittelbar am Austritt der Vergasungsmittel im Druckraum des Vergasungsreaktors zu. Die Vermischung wird sichergestellt, indem entweder die sekundären Brennstoffe in den Vergasungsmittelkanal der Vergasungsmitteldüsen wenige Zentimeter vor dem Austritt der Vergasungsmittel in den Vergasungsreaktor oder direkt an deren Austritt zugeführt werden. Eine weitere Form der Ausgestaltung besteht darin, die sekundären Brennstoffe mit gesonderten Eintragslanzen in unmittelbarer Nähe des Austritts der Vergasungsmittel zuzuführen, beispielsweise mit Brennstofflanzen, die mittig zwischen den Vergasungsmitteldüsen angeordnet werden.
• Vorteilhaft ist es, wenn die Vergasungsmitteldüsen unabhängig von deren Flammenintensität zeitlich alternierend oder permanent mit sekundären Brennstoffen beaufschlagt werden.
• Erfindungsgemäß wird die Menge der sekundären Brennstoffe so eingestellt, dass der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsgasen der Flammen, die sich vor der Austrittsöffnung der Vergasungsmitteldüsen ausbilden, vorzugsweise auf 20 bis 35 Vol.-% abgesenkt wird. Durch die Reaktion des verbleibenden freie Sauerstoffs mit umgebendem Brennstoff können keine Temperaturen erzeugt werden die zu Beschädigungen der Feuerfestauskleidung führen. Selbst wenn es zu vagabundierendem freiem Sauerstoff kommen würde, wäre er in dieser Konzentration sicherheitstechnisch unschädlich.
• An die Absenkung der Konzentration des freien Sauerstoffes ist vorteilhafterweise die Einstellung von adiabaten Flammentemperaturen oberhalb der Schlackeschmelztemperatur, vorzugsweise von ca. 1.500 bis 1.800 °C, gekoppelt. Dadurch wird zum Einen das Aus- bzw. Durchschmelzen der keramischen Innenauskleidung des Druckraumes weitestgehend und das Durchschmelzen des metallischen Vergaser-Druckmantels vollständig ausgeschlossen, und zum Anderen werden verfestigte und abgekühlte Schlackeablagerungen vor den Vergasungsmitteldüsen, die die Flammenausbildung vor deren Austrittsöffnungen verhindern, aufgeschmolzen und als Störquelle beseitigt.
• Vorteilhaft ist es, als sekundäre kohlenstoff- und/oder wasserstoffhaltige flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe Erdgas, nahezu beliebige Kohlenwasserstoff- und/oder Wasserstoffhaltige Gase, wie z.B. Purge- oder Restgase sowie flüssige Kohlenwasserstoffe, Teere, Teer-Öl-Feststoffgemische oder andere pumpbare flüssige Brennstoffe, Reststoffe oder Abfallstoffe einzusetzen.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, daß eine im Verhältnis zur Vergasungsmittelmenge konstante Menge an sekundären Vergasungsstoffen zugeführt wird, die auf eine und höchstens alle Vergasungsmitteldüsen verteilt wird.
• Auch die Zumischung von Wasser oder Dampf, beispielsweise zur Kühlung der eingesetzten Vergasungsmitteldüsen oder der Eintragslanzen, ist vorteilhaft.
• Entscheidend dafür, ob sich ein Brennstoff als sekundärer Brennstoff eignet, ist das Kriterium, dass gleichzeitig mit der Konzentrationsabsenkung Flammentemperaturen oberhalb des Ascheschmelzpunktes der Vergasungsstoffe eingestellt werden. Die Mengen- und Qualitätsgrenzen der Zuführung der sekundären Brennstoffe können durch adiabate Verbrennungsrechnung in bekannter Weise überprüft werden.
• Im Ergebnis der Zuführung der sekundären Brennstoffe erhöht sich der Vergasungsmittelbedarf, insbesondere der von technischem Sauerstoff, bezogen auf die zu vergasenden Einsatzstoffe. Das bedeutet andererseits, dass sich die Vergasungsleistung bezogen auf den Vergasungsstoff-Durchsatz geringfügig verringert, wenn die Vergasungsmittelzuführung in der Menge limitiert ist. Die Vorteile der Erfindung sind jedoch so gravierend, dass diese Nachteile in Kauf genommen werden. Durch die Anwendung der Erfindung wird erstmals der sichere Dauerbetrieb der Schlackebadvergasung insbesondere bei der Vergasung von Abfallstoffen ermöglicht. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird durch Verringerung der Stillstandszeiten und der Reparatur- und Wartungskosten grundlegend verbessert. Der Anteil schwieriger, hochflüchtiger Vergasungsstoffe am Einsatzstoffmenü kann erweitert werden. Die Zumischung der Kohle kann verringert, bzw. auf deren Einsatz kann gänzlich verzichtet werden.
• Die Erfindung soll an der Vergasung von Abfällen in einem Schlackebadvergaser näher erläutert. Dem Schlackebadvergaser wird mittels sechs Vergasungsmitteldüsen ein Vergasungsmittelgemisch, bestehend aus 6.000 m_i.N./h Sauerstoff und 5.400 kg/h Dampf, zugeführt. Am Austritt der Vergasungsmitteldüsen wird dem Vergasungsmittel als sekundärer Brennstoff Erdgas mit einer Menge von 250 m_i.N./h pro Vergasungsmitteldüse zugemischt. Die Flammentemperatur stellt sich bei etwa 1.700 °C ein. Da die Druckfeuerbeständigkeit der verwendeten keramischen Ausmauerung 1.760 °C beträgt, wird die Gefahr der Schädigung durch vagabundierenden Sauerstoff vermieden. Der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsgasen der Flammen beträgt ca. 25 Vol.-%. Somit ist auch die Gefahr des An- und Durchschmelzens des metallischen Vergaser-Druckmantels beseitigt.
• Im praktischen Betrieb hat es sich als ausreichend erwiesen, jeweils zwei der sechs Vergasungsmitteldüsen mit Erdgas zu beaufschlagen. In Summe werden somit permanent 500 m_i.N./h Erdgas zugeführt. Erreicht eine der Vergasungsmitteldüsen ohne Erdgaszumischung über eine Zeitspanne von 30 Minuten nicht mehr als 50 % der Flammenintensität, wird dieser Vergasungsmitteldüse Erdgas zugeführt. Danach wird die Flammenintensität ohne Erdgaszumischung gemessen. Steigt diese innerhalb der nächsten 30 Minuten nicht wieder auf mindestens 50 % an, wird der Vergasungsmitteldüse wiederum 30 Minuten lang Erdgas zugeführt.
• Sollten alle Vergasungsmitteldüsen eine ausreichend hohe Flammenintensität aufweisen, wird das Erdgas auf jeweils zwei, vorzugsweise die gegenüberliegenden, Vergasungsmitteldüsen aufgegeben. Die Aufgabezeit beträgt ebenfalls 30 Minuten. Danach werden die benachbarten Düsen für 30 Minuten beaufschlagt usw.
• Auf diese Weise wird sicher gestellt, dass keine Vergasungsmitteldüse länger als 30 Minuten eine unzureichend hohe Flammenintensität von kleiner 50 % aufweist. Damit wird das Sicherheitsproblem grundlegend gelöst, und die Vergasung der Abfallstoffe wird ohne Zumischung von Kohle ermöglicht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Vergasen von festen Vergasungsstoffen in Schlackebadvergasungsreaktoren mit Vergasungsmitteln, die mittels Vergasungsmitteldüsen zugeführt werden, die in einer oder in mehreren Düsenebenen angeordnet sind, wobei – die Vergasungsmittel mindestens aus Sauerstoff und Wasserdampf bestehen, – die Flammen, die sich vor der Austrittsöffnung der Vergasungsmitteldüsen im Druckraum des Vergasungsreaktors ausbilden, optisch überwacht werden und – mittels der Vergasungsmitteldüsen zusätzlich flüssige Vergasungsstoffe oder zu entsorgende flüssige Schadstoffe zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß – mindestens denjenigen Vergasungsmitteldüsen, bei denen Flammenintensitäten von vorzugsweise kleiner 10 bis 50 % bezogen auf eine Flammenintensität von 100 % oder „gleißend hell" detektiert werden, mindestens so lange sekundäre kohlenstoff- und/oder wasserstoffhaltige flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zugeführt werden, bis bei mindestens denjenigen Vergasungsmitteldüsen Flammenintensitäten von vorzugsweise größer 10 bis 50 % detektiert werden, – die sekundären Brennstoffe den Vergasungsmitteln unmittelbar vor oder unmittelbar nach deren Austritt aus den Vergasungsmitteldüsen in den Druckraum des Vergasungsreaktors zugemischt werden, – die sekundären Brennstoffe in Menge und Qualität so zugeführt werden, daß der Gehalt an freiem Sauerstoff in den Verbrennungsgasen der Flammen, die sich vor der Austrittsöffnung der Vergasungsmitteldüsen ausbildend, vorzugsweise auf 20 bis 35 Vol.-% abgesenkt und die Temperaturen der Flammen auf Werte oberhalb des Ascheschmelzpunktes der Vergasungsstoffe eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmitteldüsen unabhängig von deren Flammenintensität zeitlich alternierend oder permanent mit sekundären Brennstoffen beaufschlagt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die adiabate Flammentemperatur oberhalb von 1.500 bis 1.800 °C liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Verhältnis zur Vergasungsmittelmenge konstante Menge an sekundären Vergasungsstoffen zugeführt wird, die auf eine und höchstens alle Vergasungsmitteldüsen verteilt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als sekundäre Brennstoffe Erdgas, andere gasförmige Kohlenwasserstoff- und/oder Wasserstoff-haltige Gase, Purge- oder Restgase sowie flüssige Kohlenwasserstoffe, Teere, Teer-Öl-Feststoffgemische oder andere pumpbare flüssige Brennstoffe, Reststoffe oder Abfallstoffe, denen feste kohlenstoffhaltige Feinmaterial zugemischt sein können, einzeln oder im Gemisch zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den sekundären Brennstoffen Wasser oder Dampf zugemischt wird.