DE102009020367B4

DE102009020367B4 - Abhitzedampferzeugersystem für einen Vergasungsprozess

Info

Publication number: DE102009020367B4
Application number: DE200910020367
Authority: DE
Inventors: Thomas Fleischer; Ulf Dr. Ohmann; Ralph Schumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: DE102009020367A1

Abstract

Vorrichtung zur Dampferzeugung aus der Abhitze von Rohgas aus einem Vergasungsprozess
mit einem steigenden Zug, einem Querzug und einem fallenden Zug,
bei der
– am unteren Ende des steigenden Zuges ein Wasserbad (E2) angeordnet ist,
– am unteren Ende des fallenden Zuges ein Wasserbad (E3) angeordnet ist,
– in dem steigenden Zug ein Strahlungsverdampfer (I) angeordnet ist,
– das heiße Rohgas dem steigenden Zug zwischen Wasserbad (E2) und Strahlungsverdampfer (I) zuführbar ist,
– dem Strahlungsverdampfer (I) ein Schottenverdampfer (J) in Strömungsrichtung des Rohgases nachgeordnet ist,
– dem Schottenverdampfer (J) ein Schottenüberhitzer (K) nachgeordnet ist,
– dem Schottenüberhitzer (K) ein konvektiver Überhitzer (L) nachgeordnet ist,
– dem konvektiven Überhitzer (L) ein Schlangenrohrvorwärmer (M) nachgeordnet ist und
– das gekühlte Rohgas über einen Rohgasaustritt (N) aus dem fallenden Zug zwischen Schlangenrohrvorwärmer und Wasserbad (E3) abführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dampferzeugung aus der Abhitze von Rohgas, das in einem vorgeschalteten Vergasungsprozess mit Teilquenchung erzeugt ist.
Zukünftig werden an fossil befeuerte Kraftwerke neue Anforderungen, wie zum Beispiel niedrigste Emissionen und zusätzliche CO₂-Abtrennung, gestellt werden. Das zurzeit am weitesten entwickelte Kraftwerkskonzept der CO₂-Abtrennung stellt der Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) dar. Diese Technologie umfasst eine Vergasung des Brennstoffs vor dem eigentlichen Gas- und Dampfkraftwerk (GuD). Da CO₂-Capture Maßnahmen immer mit einem Wirkungsgradverlust (8%–12%, je nach technischen Randbedingungen) verbunden sind, ist es für die Realisierung einer IGCC-Anlage wichtig, für die einzelnen Teilprozesse einen hohen Wirkungsgrad anzustreben.
Ein mögliches Verfahren, das dem GuD-Kraftwerk vorgeschaltet sein kann, ist das unter der Marke SFG-Verfahren geschützte Siemens Fuel Gasification Verfahren. Dieses autotherme Flugstromvergasungverfahren eignet sich für den Einsatz aschereicher fester, flüssiger und gasförmiger Einsatzstoffe. Der Einsatzstoff wird in einer Flammenreaktion, bei Temperaturen (1500°C–1800°C) oberhalb der Ascheschmelztemperatur, zu CO und H₂ (Synthesegashauptkomponenten) umgesetzt. Das heiße Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke verlassen den Reaktor in den direkt senkrecht darunter angeordneten Quencher, in welchem mittels Vollquenchung sowohl das Rohgas, als auch die Schlacke auf ca. 200°C–250°C gekühlt werden. Das durch die rasche Abkühlung gebildete Schlackegranulat sammelt sich im Quencher und wird ausgeschleust. Das gekühlte Gas wird seitlich aus dem Quencher geleitet und den Reinigungsstufen zugeführt.
Bei einem Verfahrenskonzept mit Vollquenchung ist das hohe Temperaturniveau des heißen Vergasungsgases zur Erzeugung von Dampf nicht nutzbar.
Die Nutzung der fühlbaren Wärme zur Dampferzeugung ist beispielsweise in einer IGCC-Anwendung mit Kraft-Wärme-Kopplung denkbar und würde in diesem Zusammenhang eine Möglichkeit der Wirkungsgradsteigerung darstellen.
Bei einem Vergasungsprozess mit Teilquenchung kann in einem nachfolgenden Abhitzedampferzeuger Wärmeenergie nutzbar gemacht werden, allerdings geht mit der Teilquenchung gegenüber einer Vollquenchung ein prinzipiell höherer Partikelgehalt des Rohgases einher.
Aus der DE 3147864 A1 ist ein Abwärmekessel für die Kühlung von Synthesegas bekannt, der innerhalb eines äußeren Kesselmantels zwei konzentrisch angeordnete Wassermäntel aufweist, die für einen Wärmeaustausch zwischen dem über einen oben angeordneten Einlass in den inneren Wassermantel zugeleiteten heißen Synthesegas und einem durch Rohre der beiden Wassermantel hindurchgeleiteten Fluid angeordnet sind. Das Synthesegas strömt zunächst nach unten und wird über einem Wasserbad nach oben umgelenkt. Bei diesem Abwärmekessel neigen die im Synthesegas mitgeführten Schlackepartikel zum Anhaften und Aufwachsen an dem inneren Wassermantel.
Aus der DE 10 2006 040 833 A1 ist ein Synthesegaskühler zum Gewinnen von Wärme aus Synthesegas, welches durch einen Vergasungsprozeß erzeugt wird, bekannt, bei dem

– ein fallender Zug von einem steigenden Zug konzentrisch umschlossen ist,
– das Synthesegas zunächst den fallenden Zug durchströmt und über einem Wasserbad, das dem fallenden Zug und dem steigenden Zug gemein ist, nach oben in den steigenden Zug umgelenkt wird,
– der fallende Zug, der durch ein fluidgekühltes inneres Flammrohr begrenzt ist, mehrere radial angeordnete Strahlungswärmeübertragunsoberflächen aufweist und
– der steigende Zug, der durch ein fluidgekühltes äußeres Flammrohr begrenzt ist, mehrere Konvektionsheizoberflächen aufweist.

Auch bei diesem Synthesegaskühler neigen die im Synthesegas mitgeführten Schlackepartikel zum Anhaften und Aufwachsen an den Strahlungswärmeübertragunsoberflächen.
Aus der DE 2918859 A1 ist eine Vorrichtung zum Entgasen von Kohle mit einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger bekannt, welche sowohl Strahlungs- als auch Berührungsheizflächen umfasst. Mit der Bauart dieses Abhitzedampferzeugers geht ein verstärkter Niederschlag von im Synthesegas mitgeführten Schlackepartikeln auf den waagrecht angeordneten Strahlungsheizflächen und auf den in dem steigenden Zug angeordneten Berührungsheizflächen einher.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Abhitzedampferzeugersystem zu schaffen, bei dem eine weitere Reinigung des Rohgases bei gleichzeitig weitgehender Minimierung der Verschlackung der Wärmeübertrager gegeben ist.
Das Problem wird durch ein Dampferzeugersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft eine Ausführung der konstruktiven und verfahrenstechnischen Umsetzung einer der Vergasung und Teilquenchung nachgeschalteten Abhitzenutzung.
Die Erfindung ermöglicht die Nutzung der fühlbaren Wärme des heißen Rohgases.
Die gewählte Ausführung des Abhitzedampfsystems verringert die Verschmutzung und Verschlackung des Systems, womit sich die Reisezeiten deutlich steigern lassen.
Die angestrebte Rohgastemperatur von 250°C nach dem Abhitzedampferzeuger erhöht die Flexibilität bei der Wahl der nachgeschalteten Rohgasreinigungsstufen.
Die modulare Bauweise als in sich abgeschlossene Baueinheit mit Rohgaszugang und Rohgasabgang vereinfacht Fertigung und Transport.
Die positiven Eigenschaften der Staubabscheidung des erfindungsgemäßen Dampferzeugersystems kommen besonders zur Geltung, wenn es mit einem Vergasungsprozess mit Teilquenchung kombiniert wird, die gegenüber herkömmlichen Teilquenchungsprozessen eine verstärkte Staubabscheidung aus dem Rohgas bewirkt.
Die Gestaltung des Teilquenchers verringert deutlich die Staubbeladung des Rohgases.
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 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Abhitzedampferzeugersystems.
Ein Flugstromvergaser ist mit einem oben angeordneten Vergasungsreaktor 1, dem kopfseitig die Vergasungsmedien Einsatzstoff, Brenngas für den Pilotbrenner, Sauerstoff und Dampf zugeführt werden, einen über einen Zwischenboden Z abgetrennten, darunter angeordneten Kühlraum 2 und einem am unteren Ende befindlichen Wasserbad E1 gebildet. Die Höhe des Kühlraumes erstreckt sich zwischen Oberfläche des Wasserbades E1 und Zwischenboden. Der Vergasungsreaktor 1, der Kühlraum und das Wasserbad E1 werden von einem im Wesentlichen zylinderförmigen Druckmantel umschlossen.
Die Umsetzung des aschehaltigen Einsatzstoffes erfolgt im Vergasungsreaktor 1 in einer Flammenreaktion bei Temperaturen oberhalb der Ascheschmelztemperatur. Das heiße Vergasungsgas/Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke strömen aus dem Vergasungsreaktor (1) über den Schlackeablaufkörper (A) und das Leitrohr (B) in einen Quenchkörper (D). Der im Kühlraum angeordnete Quenchkörper ist als rohrförmige, erweiterte Verlängerung an das Leitrohr (B) ausgestaltet und umschließt eine Quenchkammer. In dem Quenchkörper sind eine Vielzahl von Quenchdüsen (C) angeordnet, die Quenchwasser in die Quenchkammer radial eindüsen. In der Quenchkammer wird mittels Wassereindüsung das heiße Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke auf ein Temperaturniveau von ca. 900°C–950°C gekühlt (Teilquenchung). Der Querschnitt der Quenchkammer ist so gestaltet, dass er in Strömungsrichtung des Rohgases bis zum Übergang in den Kühlraum gleich bleibt, sich allenfalls vergrößert. Die Quenchkammer (4) weist also einen Querschnitt auf, der sich in Strömungsrichtung des Rohgases nicht verkleinert. Die Unterkante des Quenchkörpers (D) mag unterhalb der Mitte der Höhe des Kühlraumes enden. Der Rohgasabgang F ist in dem den Kühlraum begrenzenden Druckmantel angeordnet derart, dass die Unterkante des Rohgasabgangs oberhalb der Unterkante des Quenchkörpers (D) positioniert ist.
Die Gestaltung des Kühlraumes mit der konstanten Querschnitt aufweisenden Quenchkammer und Positionierung des Rohgasabgangs F mit seiner Unterkante oberhalb der Unterkante des Quenchkörpers (D) bewirkt, dass das teilgequenchte Rohgas zwangsweise über die Oberfläche des Wasserbades geführt wird und erst nachdem es wieder aufgestiegen ist, den Kühlraum unter Abscheidung von mitgeführten Partikeln in das Wasserbad über den Rohgasabgang verlässt.
Das sich bildende Schlackegranulat sammelt sich im Wasserbad am unteren Ende des Kühlraumes (2) (E1) und wird über den Schlackeaustrag (H1) ausgeschleust. Der Stofftransport im Wasserbad (E1) des Teilquenchs (2) wird durch eine Strömung in Richtung des Schlackeaustrags (H1) gefördert. Dies erfolgt durch Kreislaufförderung von Wasser zwischen dem Schlackeaustrag (H1) und der Schlackewasserzuführung (G1).
Die Abscheidung mitgerissener Partikel wird zum Einen durch das bei der Teilquenchung eingedüste Wasser und zum Anderen durch die Vergrößerung der durchströmten Fläche im Kühlraum (2) realisiert. Durch die Vergrößerung der durchströmten Fläche wird die Geschwindigkeit des (teil-)gequenchten Rohgases soweit verringert, dass es zu einer weiteren Abscheidung (Schwerkraftabscheidung) mitgerissener Partikel kommt. Diese wird in der dampfförmigen Grenzschicht zwischen Wasseroberfläche und Gasraum dadurch verstärkt, dass die Staubpartikel benetzt und aufgrund der erhöhten Masse verstärkt abgeschieden werden. Die verbesserte Abscheidung in der Grenzschicht wiederum wird durch die Zwangsführung des Rohgases über das Wasserbad (E1) des Kühlraums (2) forciert. Durch das Aufsteigen des Rohgases zum Rohgasabgang (F) wird verstärkt Staub abgeschieden, der in das Wasserbad sinkt. Das heiße Rohgas verlässt den Kühlraum (2) über den Rohgasabgang (F) in den Abhitzedampferzeuger (3). Für eine gleichmäßigere Abführung des Rohgases können mehrere auf den Umfang des Kühlraumes verteilte Rohgasabgänge angeordnet sein. Bei der Ausführungsvariante mit nur einem Rohgasabgang (F) verlängert sich die durchschnittliche Wegstrecke des Rohgases durch den Kühlraum, wodurch eine erhöhte Abscheidung von Partikeln erzielt wird.
Das Dampferzeugersystem ist als Zwangsdurchlaufsystem mit einem steigenden Zug, einem Querzug und einem fallenden Zug ausgestaltet. Am unteren Ende des steigenden Zuges und des fallenden Zuges ist je ein Wasserbad E2, E3 angeordnet. Der steigende Zug, der Querzug, der fallende Zug und die beiden Wasserbäder E2, E3 mögen zu einer druckfesten Baueinheit integriert sein. Das Rohgas aus dem Rohgasabgang F des Flugstromvergasers wird dem steigenden Zug zwischen Wasserbad E2 und Strahlungsverdampfer (I) zugeführt. Nach dem Eintritt in das Dampferzeugersystem passiert das heiße Rohgas nach einander, den als Kühlschirm ausgeführten Strahlungsverdampfer (I), den Schottenverdampfer (J), den Schottenüberhitzer (2. Überhitzerstufe) (K), den im Querzug befindlichen konvektiven Überhitzer (1. Überhitzerstufe) (L) und danach den als Schlangenrohrvorwärmer gestalteten Economizer (M). Der Strahlungsverdampfer (I) und der Schottenverdampfer (J), sind in dem steigenden Zug angeordnet. Der Economizer (M) ist im fallenden Zug angeordnet.
In dem Strahlungsverdampfer (I) wird die in dem Rohgas mitgeführte Schlacke bis unter ihre Schmelztemperatur heruntergekühlt.
Bei der erfindungsgemäßen Konfiguration ist sichergestellt, dass der konvektive Wärmeübertrager nur mit Rohgas in Kontakt kommt, dessen mitgeführte Schlacke bis unter ihre Schmelztemperatur heruntergekühlt wurde. Hierdurch sind Verschlackungen der Übertrager in vorteilhafter Weise minimiert. Zur Reinigung der Wärmeübertrager können Abreinigungssysteme, wie zum Beispiel Klopfer, Dampfbläser, angeordnet sein.
In dem steigenden Zug gelangen in dem Rohgas mitgeführte Partikel durch Schwerkraftabscheidung in das Wasserbad E2. In dem fallenden Zug gelangen in dem Rohgas mitgeführte Partikel durch Schwerkraftabscheidung in das Wasserbad E3.
Sind der steigende Zug und der fallende Zug in einer Baueinheit zusammengefasst, können sie durch ein gemeinsames Trennstück T separiert sein. Dann sind am unteren Ende des Abhitzedampfsystems (3) die beiden Wasserbäder E2, E3 durch das Trennstück T separiert. Der Stofftransport in den Wasserbädern E2, E3 des Abhitzedampfsystems (3) wird analog zum Kühlraum (2) mittels Strömung in Richtung des Schlackeaustrags (H) verstärkt. Die Strömung wird durch Kreislaufförderung von Wasser zwischen dem Schlackeaustrag (H) und der Schlackewasserzuführung (G) aufrecht erhalten.
Nachdem das heiße Rohgas das Dampferzeugersystem (3) passiert hat und gekühlt wurde, verlässt es dieses über den Rohgasaustritt (N), der zwischen Economizer (M) sowie Wasserbad E3 angeordnet ist, und kann den nachgeschalteten Stufen zugeführt werden.

Der Flugstromvergaser und der angeflanschte Abhitzedampferzeuger können mit einem Druck bis 8 MPa betrieben werden. Bezugszeichenliste

1	Vergasungsreaktor
2	Kühlraum Teilquench
3	Abhitzedampferzeuger
4	Quenchkammer
A	Schlackeablaufkörper
B	Leitrohr
C	Quenchdüsen
D	Quenchkörper
E1, E2, E3	Wasserbad
F	Rohgasabgang
G	Schlackewasserzuführung
H1, H	Schlackeaustrag
I	Strahlungsverdampfer
J	Schottenverdampfer
K	Schottenüberhitzer (2. Überhitzerstufe)
L	Konv. Überhitzer (1. Überhitzerstufe)
M	Economizer
N	Rohgasaustritt
T	Trennstück

Claims

Vorrichtung zur Dampferzeugung aus der Abhitze von Rohgas aus einem Vergasungsprozess mit einem steigenden Zug, einem Querzug und einem fallenden Zug, bei der – am unteren Ende des steigenden Zuges ein Wasserbad (E2) angeordnet ist, – am unteren Ende des fallenden Zuges ein Wasserbad (E3) angeordnet ist, – in dem steigenden Zug ein Strahlungsverdampfer (I) angeordnet ist, – das heiße Rohgas dem steigenden Zug zwischen Wasserbad (E2) und Strahlungsverdampfer (I) zuführbar ist, – dem Strahlungsverdampfer (I) ein Schottenverdampfer (J) in Strömungsrichtung des Rohgases nachgeordnet ist, – dem Schottenverdampfer (J) ein Schottenüberhitzer (K) nachgeordnet ist, – dem Schottenüberhitzer (K) ein konvektiver Überhitzer (L) nachgeordnet ist, – dem konvektiven Überhitzer (L) ein Schlangenrohrvorwärmer (M) nachgeordnet ist und – das gekühlte Rohgas über einen Rohgasaustritt (N) aus dem fallenden Zug zwischen Schlangenrohrvorwärmer und Wasserbad (E3) abführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlangenrohrvorwärmer durch einen Economizer gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konvektive Überhitzer durch eine 1. Überhitzerstufe gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konvektive Überhitzer in dem Querzug angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampferzeugersystem als Zwangsdurchlaufsystem ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsverdampfer als Kühlschirm ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schottenüberhitzer durch eine 2. Überhitzerstufe gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit dem steigenden Zug, dem Querzug, dem fallenden Zug, und den beiden Wasserbädern (E2, E3) eine Baueinheit bildet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung der Wärmeübertrager Abreinigungssysteme angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße, teilgequenchte Rohgas aus einem vorgeschalteten Flugstromvergaser zuführbar ist, bei dem – unter einem Vergasungsreaktor (1) ein Kühlraum (2) angeordnet ist, – am unteren Ende des Kühlraumes ein Wasserbad (E1) sich befindet, – der Vergasungsreaktor (1) über einen Rohgas- und Schlackeabgang (A) in einen im Wesentlichen rohrförmigen Quenchkörper (D) mündet, der im Kühlraum angeordnet ist, – der Quenchkörper eine Quenchkammer (4) umschließt, deren Querschnitt in Strömungsrichtung des Rohgases sich nicht verkleinert, – in dem Quenchkörper Quenchdüsen (C) zum Einspritzen von Quenchwasser in die Quenchkammer angeordnet sind, – ein Rohgasabgang (F) in dem den Kühlraum begrenzenden Druckmantel angeordnet ist derart, dass die Unterkante des Rohgasabgangs oberhalb der Unterkante des Quenchkörpers (D) positioniert ist.