DE102009012556B4

DE102009012556B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Vorwärmung des Kreislauf-Quenchwassers für einen Vergasungsprozess

Info

Publication number: DE102009012556B4
Application number: DE200910012556
Authority: DE
Inventors: Norbert Fischer; Christian Görsch; Friedemann Mehlhose
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: DE102009012556A1

Abstract

In einer Vergasungseinrichtung zur Vergasung von aschebildenden festen oder flüssigen Brennstoffen ist der Quenchwasserkreislauf in einen ersten, Rußwasser führenden Kreislauf ohne Erhitzungseinrichtung und einen zweiten, gering belastetes Wasser führenden Kreislauf mit einer Erhitzungseinrichtung aufgeteilt. Durch die erheblich verringerte Belagbildung in dem Wärmetauscher der Erhitzungseinrichtung wird eine erhöhte Verfügbarkeit der Vergasungseinrichtung erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorwärmung des Kreislauf-Quenchwassers für einen Vergasungsprozess mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Vorwärmung des Kreislauf-Quenchwassers bei einem Vergasungsprozess mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 3.
Das bei der Flugstromvergasung erzeugte heiße Rohgas und die flüssige Schlacke werden im Quenchraum durch die Eindüsung von Quenchwasser schlagartig gekühlt. Die Schlacke erstarrt und wird durch sequentielles Ausschleusen aus dem Quenchersumpf ausgetragen. Das Rohgas verlässt entsprechend dem Druck und der sich einstellenden Temperatur wasserdampfgesättigt den Quenchraum. Das anfallende überschüssige Restquenchwasser wird im Flashsystem mehrstufig entspannt und auf ca. 50–80°C gekühlt. Das Rußwasser wird in der Rußwasseraufbereitung mit Flockungshilfsmittel versetzt. Im nachgeschalteten Eindicker/Lamellenklärer erfolgt die Feststoffabtrennung. Der Klarlauf gelangt in den Abwasserbehälter, wo ein Teil zur Vermeidung von Aufkonzentrierungen von gelösten Salzen im Prozesswasserkreislauf aus dem System geschleust wird. Das verbleibende Abwasser wird in den Kreislaufwasserbehälter überführt und mit den Kondensaten der Entspannungsbrüden aus dem Flashsystem und mit Zusatzwasser (zumeist demineralisiertes Wasser) zur Ergänzung der Wasserverluste im Prozess versetzt.
Aus dem Kreislaufwasserbehälter wird das Wasser mit einer Temperatur von 40–70°C mittels Hochdruckpumpe in den Vergasungsprozess zurückgeführt. Dies erfolgt füllstandsgeregelt in den Quenchwassersammelbehälter, welcher als Vorlagebehälter für den Quenchprozess dient. Zur Minimierung der Dampfzugabe vor der Rohgaskonvertierung, die der Vergasungsstufe folgt, ist die Gleichgewichtstemperatur des Rohgases im Quencher zu maximieren, da damit ein möglichst hohes Dampf/Gas-Verhältnis im Rohgas erzielt werden kann. Im Wesentlichen lässt sich diese Gleichgewichtstemperatur des Rohgases durch die Quenchwassertemperatur beeinflussen, wobei eine Anhebung der Kreislaufwassertemperatur vorteilhaft wirkt.
Das Kreislaufwasser als Gemisch aus aufbereitetem/gereinigtem Rußwasser, Flashkondensat und demineralisiertem Wasser/Zusatzwasser wird in der bisherigen Prozessführung mittels zu kühlendem Rohgas, durch Einsatz von Niederdruckdampf oder auch zusätzlich von Mitteldruckdampf indirekt vorgewärmt, um eine möglichst hohe Quenchwassertemperatur zu erreichen.
Das aufbereitete Rußwasser beinhaltet Scaling und Fouling fördernde Inhaltsstoffe (z. B. Carbonatbildner), die insbesondere in der Kreislaufwasservorwärmung zur Belagbildung auf den Wärmetauscherflächen bis hin zur Verstopfung der Rohre führen. Die Entfernung der Beläge ist nur unzureichend mit Additiven möglich, so dass die entsprechenden Wärmetauscher periodisch mit entsprechendem Arbeitsaufwand und chemischen Mitteln zu reinigen sind. Damit geht eine Minderung der Anlagenverfügbarkeit einher.
Aus der nicht vorveröffentlichten WO 2009/109330 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von bei der Vergasung von kohlenstoff- und aschehaltigen Brennstoffen anfallenden Fluidströmen bekannt, bei denen die im System befindlichen Wärmeinhalte optimal genutzt werden können ebenso wie die zum Kühlen und Kondensieren benötigten Wassermengen bei Rezirkulierung der Letzteren. Die beim Auswaschen des Rohgases mit Wasser anfallenden Feststoffe bilden eine Suspension, die zur Abscheidung der Feststoffe mehrstufig entspannt wird, wobei das Kondensat aus einer Entspannungsstufe in die vorangegangene Entspannungsstufe zurückgeführt wird. Das gewonnene feststoffarme Wasser wird zum Vermischen mit Rohgas zurückgeführt, wobei es mit der Wärme aus der Abkühlung der Suspension wieder aufgewärmt wird.
Aus der DE 69405841 T2 ist eine energiewirksame Filtration von Synthesegas Kühl- und Waschwässern bekannt, bei der ein schrittweises mehrstufiges Flashen und Konzentrieren des anfallenden Quenchwassers, das als schwarzes Wasser bezeichnet wird, bewirkt wird. Durch Abtrennung von festem teilchenförmigen Kohlenstoff und Entgasen wird so genanntes graues Wasser erzeugt. Vor der Rückführung zum Vergaser-Quenchkühltank und zum Gaswäscher wird das entgaste graue Wasser durch indirekten Wärmetausch mit den Flashdämpfen erhitzt. Weiter ist thematisiert, dass die Aufwärmung des zurückgeführten Wassers mit der Wärme aus der Abkühlung der Suspension zu einer intensiven Bildung von Ablagerungen auf den wärmetauschenden Flächen führt. In dem Prozess abgetrenntes kondensiertes Wasser wird rückgeführt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Quenchwasser-Kreislauf so auszugestalten, dass die Belagbildung auf den Wärmetauscherflächen erheblich reduziert ist.
Das Problem wird zum einen durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein erster, Rußwasser führender, Wasserkreislauf gebildet, in dem eine Vorwärmung nicht erfolgt und ein zweiter, gering belastetes Wasser führender Kreislauf gebildet, in dem eine Vorwärmung stattfindet.
Die Flashkondensate (7) werden, gegebenenfalls gemeinsam mit demineralisiertem Wasser/Zusatzwasser (9), vorgewärmt (12). Aufgrund der geringen Konzentration an Carbonaten und Härtebildnern im Flashkondensat, demineralisiertem Wasser/Zusatzwasser und dem Gemisch aus beidem (15) wird die Gefahr von Scaling und Fouling im Vorwärmer (12) im Vergleich zur bisherigen Verschaltung deutlich gesenkt.
Das in der Rußwasseranlage aufbereitete Kreislaufwasser, welches Scaling und Fouling fördernde Inhaltsstoffe (z. B. Carbonatbildner) beinhaltet, wird hingegen nicht mehr vorgewärmt.
Durch die geänderte Prozessführung verdünnen die Flashkondensate und das Zusatzwasser nicht mehr das zurückzuführende Kreislaufwasser, so dass nach dem Eindicker/Lamellenklärer (11) eine Kreislaufwasserqualität entsprechend dem ursprünglichen Abwasser zur Verfügung steht. Die Trennung in Abwasser- und Kreislaufwasserbehälter aufgrund der Verdünnung des Abwassers im Kreislaufwasserbehälter durch Flashkondensate und Zusatzwasser ist nicht mehr notwendig, so dass auf den bislang erforderlichen Abwasserbehälter prozesstechnisch verzichtet werden kann.
Es ist keine zusätzliche Zusatzwasserpumpe (13) für das nun separat zu erwärmende Verdünnungswasser und Zusatzwasser (9) zu installieren, da diese Funktion von den bereits vorhandenen Zusatzwasserpumpen, die für die Startphase erforderlich sind, mit übernommen werden kann.
Darüber hinaus verringert sich die Kapazität der Kreislaufwasserpumpen (28) um die Menge des ursprünglichen Verdünnungswassers und Zusatzwassers (9).
Durch die stark verringerte Belagbildung auf den Wärmetauscherflächen ist die Verfügbarkeit der Anlage erhöht.
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 näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kreislaufwasservorwärmung.
1 zeigt eine Vergasungseinrichtung zur Vergasung von aschebildenden festen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen im Flugstrom unter Umgebungsdruck bis hin zu einem Druck 8 MPa und Temperaturen zwischen 1.250°C und 1.900°C. Der Vergasungseinrichtung wird kopfseitig über einen Brenner der Brennstoff 17 und ein Sauerstoff/Dampf-Gemisch 18 zugeführt und in dem im oberen Teil angeordneten Vergasungsraum in einer Flammenreaktion zu einem reich an Wasserstoff und kohlenmonoxidhaltigen Vergasungsgas partialoxidiert. Das Vergasungsgas gelangt zusammen mit der aufgeschmolzenen Schlacke aus dem Vergasungsraum in einen darunter angeordneten Quenchraum, wo durch Eindüsen von Wasser die Quenchung des Rohgases bis zum Sättigungspunkt erfolgt und die Schlacke 27 in einem sich unten befindlichen Wasserbad granuliert. Die Schlacke wird aus dem Wasserbad über einen Schlackeaustrag 26 zyklisch ausgetragen. Das Rohgas 19 aus dem Quenchraum wird einem Gaswäscher 20 zugeführt, wo das Rohgas durch Zuführung von Waschwasser 16 von mitgeführten Partikeln gereinigt wird. Das Gaskondensat 21 aus der Gaswäsche wird dem Quenchwasser-Vorlagebehälter 4 zugeführt. Das Rohgas aus der Gaswäsche 20 wird einer weiteren Verarbeitung oder Verwendung zugeführt.
Das im Quenchraum (1) anfallende überschüssige Restquenchwasser (2) wird in mehreren, insbesondere zwei, Stufen entspannt (5), die Entspannungsbrüden in den Flash-Kühlern (6) kondensiert und das Dämpfegas 22 abgeführt. Die Flashkondensate (7) weisen im Vergleich zum Kreislaufwasser (10) eine geringe Verschmutzung auf. Die Flashkondensate werden nicht im Kreislaufwassertank (14), sondern in einem Zusatzwasservorlagebehälter (8) gesammelt. Die Speisung der Prozesswasserkreisläufe mit Zusatzwasser erfolgt über den Zusatzwasservorlagebehälter. Das Gemisch aus Flashkondensat und Zusatzwasser (15) wird folgend mittels einer Pumpe (13) auf Druck gebracht, durch Dampf (ein- oder mehrstufig) oder Abwärmenutzung aus anderen Teilsystemen (z. B. Gaskühlung nach CO-Shift) vorgewärmt (12) und in den Quenchwasservorlagebehälter (4) überführt. Das Kreislaufwasser aus der Rußwasseraufbereitung (14) wird in dieser Prozessvariante nicht vorgewärmt und mittels einer Pumpe (28) direkt in den Quenchwasservorlagebehälter (4) gefördert. Damit werden nur die Wasseranteile, die in nachgeschalteten Wärmetauschern erfahrungsgemäß kaum oder wenig Ablagerungen bilden, zusammengefasst und aufgeheizt. Die Füllstandsregelung des Quenchwasservorlagebehälter (4) erfolgt dabei ausschließlich über die Zufuhr von Zusatzwasser, wohingegen der Füllstand des Kreislaufwasserbehälters (14) über die Menge des rückgeführten Kreislaufwassers eingestellt wird.
Die beschriebene Prozessführung resultiert aufgrund des nicht aufgewärmten Kreislaufwassers insgesamt zu einer geringeren Quenchwassertemperatur und somit zu einem geringerem Dampf/Gas-Verhältnis im Rohgas, das einer weiteren Verarbeitung oder Verwendung zugeführt werden soll (z. B. CO-Shift). Dies kann durch die Aufwärmung des Gemisches aus Flashkondensaten und des Zusatzwassers (15) auf ein höheres Temperaturniveau oder die Dampfzugabe in das Vergasungsgas vor der CO-Shift ausgeglichen werden.
Bezugszeichenliste

1: Quenchraum
2: Restquenchwasser
3: Quenchwasser
4: Quenchwasservorlagebehälter
5: Flash 1/2
6: Flash Kühler
7: Flash-Kondensate
8: Zusatzwasservorlagebehälter
9: Zusatzwasser/demineralisiertes Wasser
10: Kreislaufwasser
11: Eindicker/Lamellenklärer
12: Zusatzwasservorwärmer
13: Zusatzwasserpumpe
14: Kreislaufwasserbehälter
15: Flashkondensat/Zusatzwassergemisch
16: Waschwasser
17: Brennstoff
18: Sauerstoff/Dampf
19: Rohgas
20: Gaswäsche
21: Gaskondensat
22: Dämpfegas
23: Zusatzwasser
24: Abwasser
25: Schlamm
26: Schlackeaustrag
27: Schlacke
28: Pumpe Kreislaufwasser
29: Pumpe Quenchwasser

Claims

Vorrichtung zur Vorwärmung des Kreislauf-Quenchwassers für einen Vergasungsprozess bei der – einem Vergasungsreaktor ein Quenchraum (1) zur Kühlung mittels Eindüsung von Quenchwasser des in dem Reaktor erzeugten Vergasungsgases nachgeordnet ist, – im unteren Teil des Quenchraumes ein Wasserbad zur Aufnahme von mit Vergasungsrückstände beladenem Quenchwasser als Rußwasser sich befindet, – ein erster Wasserkreislauf gebildet ist von dem Wasserbad über eine Flash-Einrichtung (5) zur Entspannung des Rußwassers, eine Einrichtung zur Entfernung von Feststoffen aus dem Rußwasser (11), einem Kreislaufwasserbehälter (14), einem Quenchwasservorlagebehälter (4) zu den Quenchdüsen, – in einem Flash-Kühler (6) aus den Entspannungsbrüden der Flash-Einrichtung ein Flash-Kondensat (7) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Wasserkreislauf frei von einer Erhitzungseinrichtung ist und – ein zweiter Wasserkreislauf gebildet ist über den das Flash-Kondensat einem Zusatzwasservorlagebehälter (8) zuführbar ist und – der Inhalt des Zusatzwasservorlagebehälters (8) über eine Erhitzungseinrichtung (12) dem Quenchwasservorlagebehälter (4) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwasservorlagebehälter einen Anschluss zur Einspeisung von Zusatzwasser, das den Bedarf an Quenchwasser deckt, aufweist.
Verfahren zur Vorwärmung des Kreislauf-Quenchwassers bei einem Vergasungsprozess, demzufoge – das in einem Vergasungsreaktor erzeugte Vergasungsgas in einem nachgeordneten Quenchraum (1) durch Eindüsen von Quenchwasser gekühlt wird, – überschüssiges und mit Vergasungsrückständen beladenes Quenchwasser als Rußwasser (2) aus dem Quenchraum (1) abgeführt und entspannt wird (5), – das entspannte Rußwasser einer Rußwasseraufbereitung (11) unterzogen wird, wo es von Feststoffen gereinigt wird, – das gereinigte Rußwasser einem Quenchwasservorlagebehälter (4) zugeführt wird, aus dem das Quenchwasser in den Quenchraum (1) eingedüst wird, – die bei der Entspannung des Rußwassers entweichenden Entspannungsbrüden zu Flashkondensat (7) kondensiert und dem Quenchwasserkreislauf zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das Flashkondensat einem Zusatzwasservorlagebehälter (8), der frei von Rußwasser ist, zugeführt wird, – der Inhalt des Zusatzwasservorlagebehälters (8) erhitzt und dem Quenchwasservorlagebehälter (4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das gereinigte Rußwasser dem Quenchwasservorlagebehälter (4) zugeführt wird, ohne dass es gesondert erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das gereinigte Rußwasser dem Quenchwasservorlagebehälter (4) unter Auslassung einer Erhitzung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erforderliche Bedarf an Quenchwasser als Zusatzwasser (23) in den Zusatzwasservorlagebehälter (8) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstandsregelung des Quenchwasservorlagebehälters (4) über die Zufuhr von Zusatzwasser erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass vor der CO-Shift Dampf in das Vergasungsgas zugegeben wird.