DE102007034950B4

DE102007034950B4 - Verfahren zur selektiven sicherheitstechnischen Überwachung von Flugstrom-Vergasungsreaktoren

Info

Publication number: DE102007034950B4
Application number: DE102007034950A
Authority: DE
Inventors: Norbert Fischer; Bernd Holle; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: DE102007034950A1; US20090029299A1; US8197248B2; CN101353595B; CN101353595A

Abstract

Verfahren zur selektiven sicherheitstechnischen Überwachung von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung mit Ein- oder Mehrbrenneranordnung zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkoksen, festen mahlbaren kohlenstoffhaltigen Rückständen aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannten Slurries mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 80 bar,
demzufolge
– der Zünd- und Pilotbrenner nach dem Start der Brennstoffbrenner in Betrieb bleibt,
– das Überwachungssystem mit zwei Stufen gebildet ist, wobei
– durch die erste Stufe bei Erkennen eines Fehlers innerhalb des Brennstoffvergasungsbetriebes nur die Brennstoffvergasung außer Betrieb gesetzt wird, wobei der Zünd- und Pilotbrenner in Betrieb bleibt,
– durch die zweite Stufe bei Erkennen eines sicherheitsrelevanten Fehlers, insbesondere Überschreiten eines Grenzwertes für Druck oder Temperatur, zusätzlich zur Brennstoffvergasung auch der Zünd- und Pilotbrenner außer Betrieb gesetzt wird und der Flugstromvergasungsreaktor entspannt wird.

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft ein Verfahren zur selektiven sicherheitstechnischen Überwachung von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung mit Ein- oder Mehrbrenneranordnung zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse, feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannte Slurries mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 80 bar und ein Verfahren zur Steuerung eines Flugstromvergasungsreaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur selektiven sicherheitstechnischen Überwachung von Flugstromvergasungsreaktoren einer Leistung bis 1500 MW, wie sie zur Synthesegasversorgung von Großsynthesen oder zur Brenngasbereitstellung für IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) eingesetzt werden können.
Nach Stand der Technik wird bei keramisch ausgekleideten Reaktoren durch Einsetzen eines Aufheizbrenners die keramische Auskleidung zur Zündung der Brennstoffbrenner auf Temperaturen > Zündtemperatur des Brennstoffes vorgewärmt und, nach Demontage des Aufheizbrenners, der Brennstoffbrenner unter Nutzung des Zündpotentials der keramischen Auskleidung gestartet. Die Zündung erfolgt üblicherweise bei Drücken bis 1,0 MPa.
Bei Reaktoren mit gekühlter Reaktionsraumkontur erfolgt die Zündung der Brennstoffbrenner mittels eines Startbrenners, der zu diesem Zweck an den Reaktor zu setzten ist. Die Zündung ist bei Drücken bis 1,0 MPa bekannt. Nach dem Zündvorgang wird der Startbrenner gelöscht und demontiert.
Störungen des Vergasungsprozesses führen zur Abschaltung der Brennstoffbrenner und zur Entspannung der Reaktoren.
Aus der DD 278692 A3 ist es bekannt, dass in einer Anlage zur autothermen Partialoxidation von fließfähigen Vergasungsstoffen mit technischem Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf in der Flugwolke unter erhöhtem Druck die Inbetriebnahme von einem übergeordneten, unabhängig und selbsttätig wirkenden Sicherheitssystem überwacht wird.
Aus der DE 10 2005 048 488 A1 ist eine Vorrichtung zur Vergasung von Brennstäuben bekannt, bei der die den Vergasungsbrennern zufließenden Brennstaub- und Sauerstoffmengen gemessen und geregelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb von Flugstromvergasungsanlagen zu schaffen, das die Entspannung der Reaktoren bei Störung des Vergasungsbetriebes für einen Neustart unnötig macht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt mittels der selektiven Ausführung der sicherheitsgerichteten Überwachung des Vergasungsprozesses nur eine Abschaltung der Hauptbrennstoffzuführung. Durch den Weiterbetrieb des Pilot- und Zündbrenners wird der Reaktor unter Betriebsdruck gehalten und nach Störbeseitigung kann mit dem Pilot- und Zündbrenner die Brennstoffvergasung ohne aufwändiges Setzen und Ziehen eines Startbrenners und der nachfolgenden Bespannung der Reaktoren wieder gestartet werden. Die Erfindung erlaubt unter Gewährleistung der technischen Sicherheit und geringer Inbetriebnahmezeit den Betrieb der autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkoksen, festen mahlbaren kohlenstoffhaltigen Rückständen aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannten Slurries mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 8 MPa (80 bar).
Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 Blockschema selektive sicherheitstechnische Überwachung sowie
2 Vergasungsreaktor mit Medienzuführung, Brenner, Quenchung und Rohgasabführung.
Erfindungsgemäß wird die selektive sicherheitsgerichtete Überwachung des Vergasungsprozesses bei Reaktoren großer Leistung folgendermaßen gelöst:
Der Start der Brennstoffbrenner mittels Zünd- und Pilotbrenner erfolgt grundsätzlich bei Betriebsdruck des Vergasers, somit bei Drücken bis 8 MPa (80 bar).
Der zentral angeordnete Pilot- und Zündbrenner bleibt nach dem Start der Brennstoffbrenner als Voraussetzung der Einführung der selektiven Überwachung mit einer Minimallast in Betrieb. Vorzugsweise beträgt die Leistung des Zünd- und Pilotbrenners 1% der Nennlast der Brennstoffbrenner.
Das für den sicheren Betrieb des Vergasungsprozesses notwendige sicherheitsgerichtete Überwachungssystem (FSC) der Vergasungsanlage wird in zwei Ebenen bezüglich der zu überwachenden Parameter und der bei Erkennung eines Fehlers auszulösenden Schalthandlungen untergliedert, dem Betrieb der Brennstoffvergasung und dem Betrieb des Pilot- und Zündbrenners.
Bei Erkennen eines Fehlers innerhalb des Brennstoffvergasungsbetriebes wird nur die Brennstoffvergasung außer Betrieb gesetzt, d. h. die im Zusammenhang mit der Brennstoffvergasung stehenden Medienzu- und Abführungen werden sicher vom Reaktor getrennt. Der Pilot- und Zündbrenner selbst bleibt in Betrieb, so dass der Reaktor für einen Neustart der Brennstoffbrenner nicht entspannt werden muss. Nach Behebung des Fehlers/der Störung wird die Brennstoffvergasung mittels des Zünd- und Pilotbrenners, ohne aufwändiges Wiederaufheizen oder Setzen eines Startbrenners und des nachfolgenden auf Druck Fahrens, gestartet.
Tritt ein Fehler auf, der hinsichtlich Temperatur- und Druckbeständigkeit der Ausrüstung und damit für die Sicherheit des Bedienpersonals relevant ist, so wird der Gesamtprozess in den sicheren Zustand überführt, d. h. Vergasungsstoffbrenner sowie Pilot- und Zündbrenner werden außer Betrieb gesetzt, alle zu- bzw. abführenden Medien werden sicher abgesperrt und der Reaktor wird entspannt.
In einem Vergasungsreaktor 3 sollen 85 t/h Kohle bei einem Druck von 4 MPa (40 bar) vergast werden. Die Brennstoffe und die Vergasungsmittel Sauerstoff und Dampf werden mittels des Kombinationsbrenners 2 dem Reaktor 3 zugeführt, in dem die Vergasung bei ca. 1450°C stattfindet. Der Kombinationsbrenner weist einen zentrisch angeordneten, gasgefeuerten Zünd- und Pilotbrenner 2.1 und den eigentlichen Vergasungsbrenner 2.2 auf.
Das produzierte Rohgas strömt gemeinsam mit der flüssig anfallenden Schlacke in den Quencher 4. Durch Einspritzen von Wasser im Überschuss wird das Rohgas auf ca. 215°C gekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Die Schlacke tropft in das im Sumpf des Quenchers vorhandene Wasserbad und granuliert. Das gekühlte Rohgas verlässt seitlich den Quencher 4 und strömt in das nachfolgende Gasnetz 5.
Die Überwachung des Vergasungsprozesses erfolgt mittels einer übergeordneten sicherheitsgerichteten Steuerung. Deren selektive Ausführung in zwei Ebenen beziehungsweise Stufen soll am Beispiel der Mengenmessungen in den Medienzuführungsleitungen 1 und des Reaktordruckes P16 beschrieben werden.
Tritt während des Brennstoffvergasungsbetriebes eine Störung in der Bereitstellung des Hauptbrennstoffes Kohle oder der Vergasungsmittel Sauerstoff und Dampf auf, die zu einer Abweichung der überwachten Mengen F13–F15 größer der zulässigen Fehlertoleranz führt, so wird der Vergasungsbrenner 2.2 von der selektiven sicherheitsgerichteten Steuerung durch Schließen der Absperrarmaturen 1.3–1.5 außer Betrieb gesetzt. Die Absperrarmaturen 1.1 und 1.2 in den Zuführungsleitungen zum Zünd- und Pilotbrenner 2.1 bleiben aber geöffnet, so dass der Zünd- und Pilotbrenner mit 1500 m³N/h Brenngas in Betrieb bleibt und damit der Reaktor bei 40 bar im Stand-by Betrieb zur erneuten Zündung des Vergasungsbrenners nach Störbeseitigung gehalten werden kann.
Sollte es im Vergasungsbetrieb aufgrund einer Störung im Gasweg zu einem Druckanstieg im Reaktor 3, überwacht mittels der Druckmessstelle P16, kommen, so setzt die selektive sicherheitsgerichtete Steuerung zunächst zum Schutz der Ausrüstung vor einer Überschreitung des zulässigen Druckes den Vergasungsbrenner 2.2 durch Schließen der Armaturen 1.3–1.5 außer Betrieb. Nach Beseitigung der Behinderung erfolgt der erneute Start des Vergasungsbrenners mit dem weiter in Betrieb befindlichen Zünd- und Pilotbrenner 2.1. Steigt der Druck trotz Außerbetriebnahme des Vergasungsbrenners weiter an, so setzt die Steuerung zum Schutz der Ausrüstung und damit zur Sicherheit des Bedienpersonals durch Schließen der Armaturen 1.1 und 1.2 in der Medienzuführung auch den Zünd- und Pilotbrenner 2.1 außer Betrieb und entspannt Reaktor 3 und Quencher 4 durch Schließen der Gasabgangsarmatur 5.1 und Öffnen der Entspannungsarmatur 5.2.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur selektiven sicherheitstechnischen Überwachung von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung mit Ein- oder Mehrbrenneranordnung zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse, feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannte Slurries mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 80 bar, wobei ein in zwei Ebenen ausgeführtes Überwachungssystem des Vergasungsprozesses für den sicheren Betrieb der Reaktoren in das Leitsystem integriert wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Leitsystem zur Überwachung des Betriebes der Reaktoren als sicherheitsgerichtete fehlersichere Steuerung ausgeführt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die hinterlegte Logik der Steuerung so ausgeführt, dass die Messstellen der Brennstoffvergasung mit Überwachungsfunktion bei Auftreten eines Störsignals eine Sequenz starten, die nur eine Außerbetriebnahme der Brennstoffvergasung bewirkt. Die Außerbetrieb nahmesequenz beinhaltet alle sicherheitstechnisch und technologisch erforderlichen Schritte für die Trennung der relevanten Medienzu- und -abführungen vom Reaktor. Zünd- und Pilotbrenner bleiben in Betrieb und halten die Reaktoren im Stand-by Betrieb.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei Erkennen eines Fehlers, der potentiell zu einer Überschreitung des Designs der Ausrüstung hinsichtlich Druck und Temperatur führen kann und damit relevant für die Sicherheit des Bedienpersonals ist, mittels einer zweiten Außerbetriebnahmesequenz neben der Brennstoffvergasung auch der Zünd- und Pilotbrenner durch eine sichere Absperrung aller Medien außer Betrieb gesetzt sowie durch die Entspannung des Reaktors die Anlage in den sicheren Zustand überführt. Die Lösung ist derart ausgeführt, dass bei Auftreten einer Störung, die zur Auslösung der Außerbetriebnahmesequenz des Zünd- und Pilotbrenners führt, mittels logischer Verknüpfung die Sequenz zur Außerbetriebnahme der Brennstoffvergasung ebenfalls gestartet wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Inbetriebsetzung der Brennstoffbrenner bei Betriebsdruck, wobei nach Inbetriebsetzung der Brennstoffbrenner der Pilot- und Zündbrenner mit einer Minimalleistung in Betrieb bleibt und die Leistung des Zünd- und Pilotbrenners auf 1% der Nennlast der Brennstoffbrenner begrenzt wird.

Claims

Verfahren zur selektiven sicherheitstechnischen Überwachung von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung mit Ein- oder Mehrbrenneranordnung zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkoksen, festen mahlbaren kohlenstoffhaltigen Rückständen aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannten Slurries mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 80 bar, demzufolge – der Zünd- und Pilotbrenner nach dem Start der Brennstoffbrenner in Betrieb bleibt, – das Überwachungssystem mit zwei Stufen gebildet ist, wobei – durch die erste Stufe bei Erkennen eines Fehlers innerhalb des Brennstoffvergasungsbetriebes nur die Brennstoffvergasung außer Betrieb gesetzt wird, wobei der Zünd- und Pilotbrenner in Betrieb bleibt, – durch die zweite Stufe bei Erkennen eines sicherheitsrelevanten Fehlers, insbesondere Überschreiten eines Grenzwertes für Druck oder Temperatur, zusätzlich zur Brennstoffvergasung auch der Zünd- und Pilotbrenner außer Betrieb gesetzt wird und der Flugstromvergasungsreaktor entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler innerhalb des Brennstoffvergasungsbetriebes dadurch erkannt wird, dass an den Messstellen der Brennstoffvergasung mit Überwachungsfunktion ein Störsignal auftritt, woraufhin die der ersten Stufe des Überwachungssystems hinterlegte Steuerungslogik eine Sequenz startet, durch die nur die Außerbetriebnahme der Brennstoffvergasung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines Fehlers, der zu einer Überschreitung festgelegter Grenzwerte für Drücke und Temperaturen und damit zu einer Gefährdung der Ausrüstung führen kann, mittels einer zweiten Außerbetriebnahmesequenz neben der Brennstoffvergasung auch der Zünd- und Pilotbrenner durch eine sichere Absperrung aller Medien außer Betrieb gesetzt sowie durch die Entspannung des Systems die Anlage in den sicheren Zustand überführt wird, wobei die Lösung derart ausgeführt wird, dass bei Auftreten einer Störung, die zur Auslösung einer Außerbetriebnahmesequenz des zünd- und Pilotbrenners führt, mittels logischer Verknüpfungen die Sequenz zur Außerbetriebnahme der Brennstoffvergasung ebenfalls gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitsystem zur Überwachung des Betriebes der Reaktoren als sicherheitsgerichtete fehlersichere Steuerung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Inbetriebnahme der Brennstoffbrenner bei Betriebsdruck erfolgt, wobei nach Inbetriebsetzung der Brennstoffbrenner der Pilot- und Zündbrenner mit einer Minimalleistung von 1% der Nennlast in Betrieb bleibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, zur Steuerung eines Flugstromvergasungsreaktors zur autothermen Partialoxidation von aschebildenden Hauptbrennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 8 MPa und Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C, bei dem – die Zufuhr des Brennstoffes, insbesondere Brenngases, (1.1) für Zünd- und Pilotbrenner steuerbar ist, – die Zufuhr des Vergasungsmittels (1.2) für Zünd- und Pilotbrenner steuerbar ist, – die Zufuhr des Hauptbrennstoffs (1.3) zum Brennstoffbrenner messbar und steuerbar ist, – die Zufuhr des Vergasungsmittels (1.4) für den Hauptbrennstoff zum Brennstoffbrenner messbar und steuerbar ist, – die Zufuhr des Wasserdampfs (1.5) für den Hauptbrennstoff zum Brennstoffbrenner messbar und steuerbar ist, der Zünd- und Pilotbrenner bei regulärem Vergasungsbetrieb des Brennstoffbrenners in Betrieb bleibt, bei Erkennen einer Abweichung der gemessenen Mengen (1.3), (1.4), (1.5) größer der zulässigen Fehlertoleranz von ihrem Sollwert innerhalb des Brennstoffvergasungsbetriebes werden nur – die Zufuhr des Hauptbrennstoffs (1.3) zum Brennstoffbrenner, – die Zufuhr des Vergasungsmittels (1.4) für den Hauptbrennstoff zum Brennstoffbrenner und – die Zufuhr des Wasserdampfs (1.5) für den Hauptbrennstoff zum Brennstoffbrenner abgesperrt.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung kritischer Parameter, wie zum Beispiel Druck (P16) oder Temperatur in dem Reaktionsraum (3) des Reaktors, neben einer Absperrung der Zufuhr des Hauptbrennstoffs (1.3), der Zufuhr des Vergasungsmittels (1.4) für den Hauptbrennstoff, der Zufuhr des Wasserdampfs (1.5) für den Hauptbrennstoff zum Brennstoffbrenner, auch die Zufuhr des Brennstoffes (1.1) und des Vergasungsmittels (1.2) für den Zünd- und Pilotbrenner abgesperrt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptbrennstoff Brennstaub, insbesondere zu Brennstaub aufbereitete Brennstoffe wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse oder feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptbrennstoff Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannte Slurries, eingesetzt werden.