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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung oder Begrenzung
von Rußablagerungen in
den Kesselrohren eines Abhitzekessels, die von rußhaltigen
Gasen parallel durchströmt
werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeit
der rußhaltigen Gase
durch Blockierung eines Teils der Kesselrohre soweit erhöht wird,
dass die Bildung von Rußablagerungen
verhindert wird oder bereits gebildete Ablagerungen zumindest teilweise
abgetragen und aus dem Abhitzekessel transportiert werden.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Kohlenmonoxid
und/oder Wasserstoff enthaltende Gasgemische, sog. Synthesegase,
sind wichtige Ausgangsstoffe zur Herstellung einer Vielzahl von
Produkten, wie Ammoniak, Methanol oder auch synthetischer Kraftstoffe.
Ein in der Industrie weit verbreitetes Verfahren, mit dem in Synthesegasanlagen
aus Kohlenwasserstoffen (Erdgas, Naphtha, Naphtha-Schweröl-Gemische,
Schweröl)
Synthesegase erzeugt werden, ist die Partielle Oxidation. Hierbei
wird ein im allgemeinen vorgewärmter
kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz in einer Reaktionskammer (POX-Reaktor)
bei Temperaturen zwischen 1300 und 1500°C und Drücken bis zu 100 bar mit Wasserdampf
und einem Oxidationsmittel zu einem Syntheserohgas umgesetzt, das
zu großen
Teilen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser besteht.
Die für
die Reaktion erforderliche Wärme wird
durch unvollständige
(partielle) Oxidation der im Einsatz befindlichen Kohlenwasserstoffe
erzeugt. Hierzu wird dem POX-Reaktor Sauerstoff in einer Menge zugeführt, die
für eine
vollständige
Umsetzung der Kohlenwasserstoffe nicht ausreichend ist.
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Bei
der Partiellen Oxidation entstehen neben gasförmigen Komponenten auch Feststoffe,
wie Ruß und
Asche, die aus dem Syntheserohgas entfernt werden müssen, bevor
dieses weiter behandelt werden kann. Das mit einer Temperatur von
mehr als 1300°C
aus dem POX-Reaktor austretende Syntheserohgas wird hierfür gewöhnlich durch
die Kesselrohre eines als Synthesegaskühler bezeichneten Abhitzekessel geführt und
unter Produktion von Hochdruckdampf abgekühlt, bevor es zur Feststoffabtrennung
einer Wasserwäsche
unterzogen wird.
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Bei
der Inbetriebnahme eines neu installierten Synthesegaskühlers treten
regelmäßig Fouling-Probleme
auf, da sich im Syntheserohgas mitgeführte Feststoffpartikel an den
rauen Innenflächen der
Kesselrohre absetzen und eine wärmeisolierende
Rußschicht
bilden. Die Austrittstemperaturen des abgekühlten Syntheserohgases können dadurch rasch
auf Werte ansteigen, die jenseits der Auslegungstemperatur des Rohrmaterials
(typischerweise 480°C)
liegen. Um den Synthesegaskühler
dauerhaft betreiben zu können,
ist es daher notwendig, den Aufbau der wärmeisolierenden Rußschicht
zu vermeiden oder zumindest in ihrer Dicke zu begrenzen. Hierzu
werden die Kesselrohre mit höheren
Geschwindigkeiten als im Normalbetrieb durchströmt. Sollte es erforderlich
sein, werden die Strömungsgeschwindigkeiten
für jeweils
einige Minuten weiter erhöht,
um Rußschichten,
die sich bereits gebildet haben wieder abzutragen.
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Während des
Betriebes des Synthesegaskühlers
werden die Rauigkeiten auf den Innenflächen der Kesselrohre mehr und
mehr eingeebnet, bis sie schließlich
zu klein sind, um ein weiteres Fouling zu begünstigen. In der Praxis hat
sich gezeigt, dass dieser Effekt erst nach einer mehrwöchigen Betriebszeit eintritt,
während
der die Kesselrohre mit erhöhten Geschwindigkeiten
durchströmt
werden müssen,
um ein Überschreiten
der zulässigen
Temperaturen zu verhindern.
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Stand
der Technik ist es, die Blockierung eines Kesselrohres durch das
Schließen
eines Handabsperrventils zu bewirken, das am austrittseitigen Ende
des Kesselrohres angebracht ist. Da die Handabsperrventile in unmittelbarer
Nähe zum Hochtemperaturbereich
des Synthesegaskühlers
angebracht sind, ist das zur Bedienung der Handabsperrventile notwendige
Personal starken körperlichen
Belastungen und erheblichen Unfallgefahren ausgesetzt. Ein schnelles
Reagieren auf sich ändernde
Betriebszustände
wird dadurch erschwert, dass ein dauernder Aufenthalt von Bedienungspersonal
in der Nähe
der Handabsperrventile nicht erwünscht
ist. Hierdurch werden die Aktionen im Wesentlichen auf das Abtragen
und Ausblasen von Rußschichten
begrenzt, die sich bereits gebildet haben, denn zur Vermeidung von
Rußschichten
ist es erforderlich, die Handabsperrventile in sehr kurzen Zeitabständen zu betätigen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren
der eingangs beschrieben Art sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben,
durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Die
gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Blockierung eines Kesselrohres durch ein mit einem Verstellantrieb
ausgestattetes Absperrorgan bewirkt wird, wobei das Absperrorgan
von einem sicheren Bedienort aus ferngesteuert geschlossen wird.
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Unter
einem sicheren Bedienort ist hierbei ein Ort zu verstehen, an dem
für das
Bedienungspersonal weniger gefährliche
und belastende Bedingungen herrschen, wie dies am Installationsort
der Absperrorgane der Fall ist. Zweckmäßiger Weise werden die Absperrorgane
von einer Messwarte aus ferngesteuert, von der aus weitere Teile
derjenigen Anlage gesteuert und überwacht
werden, zu der auch der Abhitzekessel gehört.
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Um
die Blockierung eines Kesselrohres aufzuheben, wird das Absperrorgan
ebenfalls ferngesteuert geöffnet.
Sinnvollerweise sind die Absperrorgane mit Endschaltern ausgerüstet, durch
die ein der aktuellen Stellung (auf oder zu) eines Absperrorgans entsprechendes
Signal ausgegeben und an den sicheren Bedienort übermittelt wird. Ein Entsenden
von Bedienpersonal an den Installationsort der Absperrorgane ist
somit lediglich im Falle einer dort auftretenden Störung notwendig.
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Die
Erfindung weiterbildend, wird vorgeschlagen, dass die Absperrorgane
in Abhängigkeit von
einem oder mehreren Prozessparametern automatisch geschaltet werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Prozessparametern um die aus
der Anlagenlast und dem vorherrschenden Druck abgeleitete Strömungsgeschwindigkeit
in den Kesselrohren und/oder die Austrittstemperatur des rußhaltigen
Gases aus den Kesselrohren und/oder dem Druckverlust über dem
Abhitzekessel und/oder die Betriebsdauer eines Kesselrohres im offenen/blockierten
Zustand.
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Zur
Steuerung und Überwachung
von Industrieanlagen werden heute elektronische Steuerungen, wie
speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingesetzt. Eine zweckmäßige Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht daher vor, dass die Vermeidung oder Begrenzung von Rußablagerungen
in den Kesselrohren des Abhitzekessels von einer elektronischen
Steuerung, vorzugsweise von einer SPS gesteuert und überwacht
wird. Damit ist es mit geringem Aufwand möglich, die Schaltsequenzen der
Absperrorgane an die Haftfähigkeit
der im rußhaltigen
Gasstrom mitgeführten
Feststoffe und die Geschwindigkeit anzupassen, mit denen die Ablagerungen
an den Innenseiten der Kesselrohre gebildet werden. Da die Absperrorgane
häufiger
geschaltete werden können,
als bei einer manuellen Bedienung, unterliegen die Austrittstemperaturen
der rußhaltigen Gase
aus dem Synthesegaskühler
bei dieser Verfahrensvariante lediglich geringeren Schwankungen. Dies
wirkt sich positiv auf nachgeschaltete Prozesse aus, da sie mit
gleichmäßigeren
Randbedingungen ablaufen können.
Insbesondere können
mit Hilfe der elektronischen Steuerungen Sicherheitsprozeduren problemlos
verwirklicht werde, mit denen beispielsweise sicher verhindert wird,
dass mehr Kesselrohre als zulässig
geschlossen werden.
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Eine
sinnvolle Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
der Druck vor dem Abhitzekessel überwacht
und durch eine Druck-Hoch-Schaltung begrenzt wird, wobei die Blockierung
eines Kesselrohres nur dann ermöglicht wird,
wenn der nach der Blockierung zu erwartende Druck vor dem Abhitzekessel
einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Übersteigt
der Druck vor dem Abhitzekessel den Grenzwert, während eines oder mehrere Kesselrohre
blockiert sind, so wird die Blockierung eines der Kesselrohre automatisch durch
die Druck-Hoch-Schaltung
aufgehoben, um den Druckverlust über
den Abhitzekessel zu reduzieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann grundsätzlich
zur Vermeidung und/oder zum Ausblasen von Rußablagerungen in allen denkbaren
Abhitzekesseln der gattungsgemäßen Art
angewendet werden. Insbesondere eignet es sich jedoch dazu, Rußablagerungen
in Synthesegaskühlern
zu vermeiden und/oder auszublasen, die zur Kühlung von rußhaltigen
Syntheserohgasen eingesetzt werden, wie sie in Synthesegasanlagen
anfallen, in denen kohlenwasserstoffhaltige Einsätze durch partielle Oxidation
(POX) umgesetzt werden.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verhinderung oder Begrenzung
von Rußablagerungen
in den Kesselrohren eines Abhitzekessels, die von rußhaltigen
Gasen parallel durchströmbar
sind, wobei jedes Kesselrohr an seinem austrittsseitigen Ende mit
einem Absperrorgan versehen und blockierbar ist.
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Die
gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass jedes der Absperrorgane mit einem Verstellantrieb ausgestattet ist, über den
es von einem sicheren Bedienort aus fernsteuerbar ist.
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Zweckmäßigerweise
umfasst jedes der Absperrorgane Endschalter, über die die aktuelle Stellung
(auf oder zu) des Absperrorgans an den sicheren Bedienort übermittelbar
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weiterbildend, wird vorgeschlagen, dass sie eine elektronische Steuerung,
wie beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS),
umfasst, über die
die Absperrorgane automatische schalt- und überwachbar sind.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
handelt es sich um einen Ausschnitt aus einer mit lediglich mit
50% der Auslegungslast betriebenen Synthesegasanlage, in der durch
partielle Oxidation (POX) aus einem Kohlenwasserstoffe enthaltenden
Einsatz ein rußhaltiges
Syntheserohgas erzeugt wird, das nachfolgend in einem 6 Kesselrohre
aufweisenden Synthesegaskühler
gekühlt
wird.
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Über Leitung 1 wird
ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz über den Brenner B in den Reaktionsraum
R des POX-Reaktors P eingeleitet, wo er mit Sauerstoff 2 zu
einem rußhaltigen
Syntheserohgas umgesetzt wird. Das Syntheserohgas wird über Leitung 3 aus
dem POX-Reaktor R abgezogen und in den Synthesegaskühler S eingeleitet,
wo es einen großen
Teil seiner fühlbaren
Wärme an
das über Leitung 10 zugeführte Kesselspeiseswasser
abgibt, wobei Hochdruckdampf 11 erzeugt wird. Ein Teil
des Hochdruckdampfes wird über
die Leitungen 12 und 13 abgezweigt und gemeinsam
mit dem Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatz 1 bzw.
dem Sauerstoff 2 in den POX-Reaktor P eingeleitet. Das
Abgekühlte Syntheserohgas
wird über
die 6 Leitungen 4–9 aus dem
Synthesegaskühler
S abgezogen und über
den Sammler 14 weiteren Behandlungsschritte (nicht dargestellt)
zugeführt.
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Um
das Syntheserohgas mit einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit
durch die Kesselrohre 4–9 des Synthesegaskühlers zu
leiten, sind lediglich die drei Absperrorgane AV1, AV2 und AV3 geöffnet, während die
drei übrigen
Absperrorgane AV6, AV7 und AV8 geschlossen sind. Damit Rußablagerungen
von den Innenseiten der Kesselrohre 5 und 6 entfernt
und aus dem Synthesegaskühler
S ausgeblasen werden, wird das Absperrorgan AV1 ebenfalls geschlossen,
wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit
in den beiden offenen Kesselrohren 5 und 6 erhöht. Nach
einer Ausblasezeit, die z. B. zwischen 1 und 20 min. liegen kann,
wird die Ausblassequenz mit der Öffnung
des Absperrorgans AV4 fortgesetzt. Die Zeit für den Betrieb des Synthesegaskühlers mit
den drei offenen Kesselrohren 5, 6 und 7 kann
z. B. zwischen 5 und 240 min. liegen. Anschließend wird das Absperrorgan
AV2 geschlossen, wodurch Rußablagerungen
aus den Kesselrohren 6 und 7 entfernt werden.
Die Ausblassequenz wird in diesem Sinne fortgesetzt, so dass alle
Kesselrohre auch bei Teillastbetrieb am Betrieb des Synthesegaskühlers teilnehmen.