DE102008058487A1

DE102008058487A1 - Flugstromvergaser mit festem Kühlschirm und Dampferzeugung

Info

Publication number: DE102008058487A1
Application number: DE102008058487A
Authority: DE
Inventors: Volker KIRCHHÜBEL; Friedemann Mehlhose; Manfred Dr. Schingnitz; Heidrun Toth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-27
Also published as: DE202008016515U1

Abstract

Ein Reaktor zur Flugstromvergasung für einen Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen weist eine durch einen Kühlschirm begrenzten Reaktionsraum, sowie einen über Rohgas- und Schlackeabgang mit dem Reaktionsraum verbundenen Quenchraum auf, wobei der Kühlschirm durch einen Druckmantel druckfest umschlossen ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Ringspalt zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit Wasser zu befüllen, wodurch auf einen durch hohe Temperaturunterschiede bedingten Längenausgleich verzichtet werden kann. Der Druck im Ringspalt entspricht dabei annähernd dem Druck im Vergasungsraum. Das im Ringspalt entstehende Wasser-Dampf-Gemisch wird in einer Dampftrommel getrennt, der Dampf wird abgeführt, das Wasser gelangt über eine Kreislaufleitung in den Ringspalt zurück. Es ist weiterhin möglich, eine Verbindung zwischen dem Kühlschirm und dem Ringspalt herzustellen. In vorteilhafter Weise wird Dampf zur Erzeugung elektrischer Energie oder als Vergasungsmittel gewonnen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zur Flugstromvergasung unterschiedlicher fester und flüssiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel unter normalem oder erhöhtem Druck bis 8 MPa. Feste Brennstoffe sind dabei zu Staub aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse sowie andere mahlbare Feststoffe mit einem Heizwert größer 7 MJ/Nm³. Unter flüssigen Brennstoffen sind Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen zu verstehen, wie beispielsweise Kohle-Wasser-Slurries. In der Technik der Gaserzeugung aus festen Brennstoffen ist die autotherme Flugstromvergasung langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel wird dabei so gewählt, dass man Temperaturen erreicht, die über dem Schmelzpunkt der Asche liegen. Dann wird die Asche zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen, die gemeinsam mit dem Vergasungsgas oder getrennt den Vergasungsraum verlässt und anschließend direkt oder indirekt gekühlt wird. Eine solche Vorrichtung geht aus DE 197 181 31 A1 hervor.
Eine ausführliche Beschreibung eines solchen mit einem Kühlschirm ausgerüsteten Vergasungsreaktors findet sich in J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energieund Umwelttechnik GmbH 1996, Seiten 32–33. In der darin beschriebenen Konzeption befindet sich ein aus gasdicht verschweißten Kühlrohren bestehender Kühlschirm innerhalb eines Druckgefäßes. Dieser Kühlschirm ist auf einem Zwischenboden abgestützt und kann sich nach oben frei ausdehnen. Damit wird sichergestellt, dass beim Auftreten verschiedener Temperaturen auf Grund von An- und Abfahrprozessen und daraus beding ter Längenänderungen keine mechanischen Spannungen auftreten können, die ggf. zu einer Zerstörung führen könnten. Um dies zu erreichen, befindet sich am oberen Ende des Kühlschirmes keine feste Verbindung sondern ein Spalt zwischen dem Kühlschirmkragen und dem Brennerflansch, der eine freie Beweglichkeit sichert. Um ein Hinterströmen des Kühlschirmspaltes bei Druckschwankungen im Vergasungsraum zu verhindern, wird der Kühlschirmspalt mit einem trockenen, kondensat- und sauerstofffreien Gas gespült. Trotz der Spülung kommt es, wie die Praxis zeigt, zur Hinterströmung mit Vergasungsgas, was zu Korrosion an der Rückseite des Kühlschirmes oder am Druckmantel führt. Dies kann zu Betriebsausfällen bis zur Zerstörung des Kühlschirmes oder des Druckmantels führen.
In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2007 051 077.4 ist bereits vorgeschlagen worden, den Ringspalt zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Wärmeträgeröl, zu füllen, wobei eine druckfeste Verbindung zum Rohgas-Abgang besteht.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, aus dem Reaktor zusätzliche nutzbare Energie abzuleiten.
Das Problem wird bei einem durch die Merkmale des Oberbegriffs umrissenen Gegenstand durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den im Ringspalt 5 zwischen dem Kühlschirm 8 und dem Druckmantel 4 erzeugten Dampf aus dem Vergasungsreaktor abzuführen und gesondert zu nutzen. Der Ringspalt 5 wird als innerer Wassermantel mit Wasser gefüllt, das die aus dem Vergasungsraum 2 übertragende Wärme aufnimmt und dabei bis zum Siedepunkt aufgeheizt wird. Der im Ringspalt 5 bzw. in der Dampftrommel 19 erzeugte Sattdampf wird mit Temperaturen zwischen 20 und 350°C und Drücken zwischen 20 und 100 bar über die Dampfleitung 20 abgeführt und für andere Zwecke, beispielsweise zur Erzeugung von Elektroenergie, genutzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur erläutert. Dabei zeigt:
1 einen Vergasungsreaktor mit einem Wassermantel und Dampferzeugung.
Der Vergasungsreaktor nach 1 zur Flugstromvergasung für einen Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen weist eine durch einen Kühlschirm begrenzten Reaktionsraum, sowie einen über Rohgas- und Schlackeabgang 16 mit dem Reaktionsraum verbundenen Quenchraum 17 auf, wobei der Kühlschirm durch einen Druckmantel druckfest umschlossen ist. Dem Reaktor werden über einen Vergasungsbrenner 1, der gleichzeitig einen Pilotbrenner enthält, je Stunde 50 t Steinkohlenstaub und 35.000 Nm³ Wasserdampf sowie 25.000 Nm³ Sauerstoff zugeführt, die im Vergasungsraum 2 zu 75.000 Nm³ Syntheserohgas bei 3 MPa (30 bar) umgesetzt werden. Der Vergasungsbrenner 1 ist in einer Brennerbefestigungsvorrichtung angeordnet. Der Vergasungsraum 2 wird von einem aus gasdicht verschweißten Kühlrohren gebildeten Kühlschirm begrenzt. Die Vergasungstemperatur, gemessen an der Austrittsvorrichtung 16, beträgt 1.500°C. Das heiße Vergasungsgas verlässt gemeinsam mit der aus der Steinkohlenasche entstandenen flüssigen Schlacke den Vergasungsraum 2 über die Austrittsvorrichtung 16 und gelangt in die Kühlkammer 17, in der durch Einspritzen von Kühlwasser über die Düsen 9 das Vergasungsrohgas auf ca. 200°C gekühlt und gleichzeitig mit Wasserdampf gesättigt wird. Das gekühlte Rohgas wird anschließend weiteren Gasaufbereitungstechnologien zugeführt.
Zwischen dem Druckmantel 4 des Vergasungsreaktors und dem Kühlschirm 8 befindet sich ein Ringspalt 5, der mit Wasser gefüllt ist und der gegen Unterdruck und zu hohen Überdruck zu schützen ist. Es ist zweckmäßig, in dem Ringspalt 5 annähernd den gleichen Druck wie im Vergasungsraum 2 aufrecht zu erhalten oder einen höheren Druck einzustellen. Dies wird durch eine entsprechende Druckhaltung in der Dampftrommel 19 und durch eine Druckregelung in der Dampfleitung 20 erreicht. Um Dichtheit zwischen dem inneren Wassermantel 5 und dem Vergasungsraum sicherzustellen, ist am oberen Ende des Kühlschirmes 8 eine feste Verbindung 12 zum Druckmantel 4 und unten zum Zwischenboden 24 hergestellt. Der entsprechende Spalt zwischen dem oberen Ende des Kühlschirmes 8 und der Brennerbefestigungseinheit 3 wird mit Speisewasser gefüllt. Bei einem Druck von 30 bar im Vergasungsraum 2 und im Ringspalt 5 wird Sattdampf mit einer Temperatur von 234°C erzeugt. In der Dampftrommel 19 wird der Sattdampf vom mitgerissenen Wasser getrennt und über die Dampfleitung 20 abgeführt. Das abgetrennte Wasser fließt über den Wasserkreislauf 22 in den unteren Bereich des Ringspaltes 5 zurück. Durch eine Verbindung 23 zwischen dem Kühlschirm 8 und dem Ringspalt 5 kann das aufgeheizte Kühlschirmwasser dem Ringspalt 5 zugeführt werden. Über die Kühlwasserzuführung zum Kühlschirm 6 kann dann die als Dampf über die Dampfleitung 20 abgezogene Wasserdampfmenge durch die Kühlwasserzuführung ersetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ist gegeben durch einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen dem Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, wobei der Reaktor einen Kühlschirm 8, einen Druckmantel 4 und einen Quenchraum 17 aufweist, wobei der Ringraum 5 zwischen dem Druckmantel 4 und dem Kühlschirm 8 als innerer Wassermantel mit Flüssigkeit gefüllt ist, das im Ringraum 5 erzeugte Wasser-Dampfgemisch über die Wasser- und Dampfabfüh rung 7 der Dampftrommel 19 zugeführt wird, in der eine Wasser-Dampf-Trennung erfolgt und der Dampf über die Leitung 20 abgeführt und das Wasser über die Kreislaufleitung 22 wieder dem Ringspalt 5 zugeführt wird. Der erzeugte Dampf kann energetisch genutzt oder dem Vergasungsraum 2 wie der Sauerstoff als Vergasungsmittel zugeführt werden.

1: Vergasungsbrenner mit Pilotbrenner
2: Vergasungsraum
3: Brennerbefestigungsvorrichtung
4: Druckmantel
5: Ringspalt als innerer Wassermantel
6: Kühlwasserzuführung zum Kühlschirm
7: Wasser- und Dampfabführung aus dem Ringspalt 5
8: Kühlschirm
9: Düsen
10: Pilotbrennergas
11: Kombinationsbrenner
12: Verbindung zwischen Kühlschirm 8 und Druckmantel 4
13: Reaktorflansch
14: Wasserbad
15: Deckelflansch
16: Austrittsvorrichtung
17: Quenchraum
18: Isolation
19: Dampftrommel
20: Dampfleitung
21: Rohgasleitung
22: Wasserkreislauf
23: Verbindung zwischen Kühlschirm 8 und Ringspalt 5
24: Zwischenboden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19718131 A1 [0002]
- DE 102007051077 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energieund Umwelttechnik GmbH 1996, Seiten 32–33 [0003]

Claims

Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, wobei der Reaktor einen den Vergasungsraum (2) begrenzenden Kühlschirm (8), einen Druckmantel (4) und einen Quenchraum (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (5) zwischen dem Druckmantel und dem Kühlschirm mit Wasser gefüllt ist und in dem Ringraum erzeugter Sattdampf über eine Wasser- und Dampfabführung (7) zur weiteren Verwertung entnehmbar ist.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das im Ringraum 5 erzeugte Wasser-Dampfgemisch über die Wasser- und Dampfabführung (7) einer Dampftrommel (19) zuführbar ist, in der eine Wasser-Dampf-Trennung durchführbar ist, der Dampf über die Leitung (20) abführbar ist und das Wasser über die Kreislaufleitung (22) dem Ringraum (5) rückführbar ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringraum ein Druck aufbaubar ist, der höher ist, als der Druck im Vergasungsraum (2).
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschirm (8) mit Wasser speisbar ist wobei zwischen dem Kühlschirm und dem Ringraum eine Verbindung (23) besteht, über die das von dem Kühlschirm abgegebene Wasser in den Ringraum zuführbar ist.
Reaktor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlschirm Kühlwasser über die Kühlwasserzuführung (6) zuführbar ist.
Reaktor nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlschirm (8) ein Druck aufbaubar ist, der gleich oder höher ist als der Druck im Vergasungsraum (2).
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschirm (8) an der Oberseite mit dem Druckmantel (4) und an der Unterseite mit dem Zwischenboden (24) zum Quenchraum gasdicht verbunden ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf in motorische Energie umsetzbar ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Dampf in elektrische Energie umsetzbar ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Dampf wie der Sauerstoff als Vergasungsmittel dem Vergasungsraum 2 zugeführt wird.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf eine Temperatur zwischen 20 und 350°C und einen Druck zwischen 20 und 100 bar aufweist.