DE102009030554B4

DE102009030554B4 - Flugstromvergaser für aschebildende Brennstoffe mit Abhitzenutzung

Info

Publication number: DE102009030554B4
Application number: DE102009030554A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fleischer; Dr. Ohmann Ulf; Ralph Schumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: DE102009030554A1

Abstract

Flugstromvergaser zur Vergasung von aschehaltigen Einsatzstoffen bei dem – unter einem Vergasungsreaktor (1) eine Beruhigungsstrecke (3) angeordnet ist, – am Boden der Beruhigungsstrecke ein Wasserbad sich befindet, – der Vergasungsreaktor (1) über einen Rohgas- und Schlackeabgang (4) in einen im Wesentlichen rohrförmigen Quenchkörper (7) mündet, – der Quenchkorper eine Quenchkammer (14) umschließt, deren Querschnitt in Strömungsrichtung des Rohgases sich nicht verkleinert, – in dem Quenchkörper Quenchdüsen (6) zum Einspritzen von Quenchwasser in die Quenchkammer angeordnet sind, – ein Abhitzedampferzeuger neben dem Vergasungsreaktor über dem gemeinsamen Wasserbad angeordnet ist derart, dass das in der Quenchkammer teilgequenchte Rohgas die Beruhigungsstrecke über dem Wasserbad überstreicht und aufsteigend dem Abhitzedampferzeuger zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugstromvergaser zur Vergasung von aschehaltigen Einsatzstoffen.
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-Warme-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 gegenuber einer Vollquenchung ein prinzipiell höherer Aschegehalt des Rohgases einher.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 019 966 A1 ist ein Flugstromvergaser mit Teilquench und daneben angeordnetem Abhitzedampferzeuger vorgeschlagen worden, bei dem in einer Kühlkammer, die in dem Kühlraum unterhalb des Vergasungsreaktors angeordnet ist und deren Querschnitt sich in Strömungsrichtung des Rohgases nicht verkleinert, Wasser für eine Teilquenchung in das Rohgas eingedüst wird und durch Umlenkung des Rohgases an der Oberfläche eines Wasserbades eine erhöhte Abscheidung von Partikeln aus dem Rohgas erzielt werden soll.
Aus der EP 0870818 A2 ist eine Vergasungseinrichtung bekannt, bei der ein Konus den Querschnitt der Quenchkammer verengt, damit das Rohgas mit hoher Beschleunigung auf das Wasserbad aufprallt und so von Feststoffen und Flüssigkeitstropfen gereinigt werden soll.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Flugstromvergaser zu schaffen, der eine Teilquenchung mit einer erhöhten Abscheidung von Partikeln verbindet.
Das Problem wird durch einen Flugstromvergaser mit Teilquench aufweisend die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung ermöglicht die Nutzung der fühlbaren Wärme des Rohgases. Die Beruhigungsstrecke über dem Wasserbad zwischen Quenchkammer und Abhitzedampferzeuger, wobei das Rohgas zum Eintritt in den Abhitzedampferzeuger zum Aufsteigen umgelenkt wird, bringt eine verstärkte Reinigung des Rohgases mittels Schwerkraftabscheidung mit sich. Hierdurch werden Verschmutzungen in nachfolgenden Stufen verringert und die Reisezeiten entsprechend gesteigert.
Der erfindungsgemäße Flugstromvergaser mit Abhitzenutzung ist mit bekannten Technologien realisierbar. Die angestrebte Rohgastemperatur von 250°C am Rohgasaustritt 12 des Abhitzedampferzeugers bringt eine erhöhte Flexibilität bei der Wahl der nachgeschalteten Rohgasreinigungsstufen mit sich. Darüberhinaus sind bei dem erfindungsgemäßen Flugstromvergaser ein up scale einfach zu realisieren, eine modulare Bauweise möglich und er relativ kostengünstig zu fertigen.
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 eines Flugstromvergasers mit Abhitzenutzung.
Ein Flugstromvergaser ist mit einem oben angeordneten Vergasungsreaktor 1, dem kopfseitig die Vergasungsmedien Einsatzstoff, Brenngas für den Pilotbrenner, Sauerstoff und Dampf zugeführt werden, einer über einen Zwischenboden 13 abgetrennten, darunter angeordneten Beruhigungsstrecke 3 und einem am unteren Ende befindlichen Wasserbad 8 gebildet. Die Höhe der Beruhigungsstrecke 3 erstreckt sich zwischen Oberfläche des Wasserbades und Zwischenboden.
Das Wasserbad und die Beruhigungsstrecke sind über die Grundfläche des Vergasungsreaktors hinaus ausgedehnt. Der Schlackeaustrag 11, der den tiefsten Punkt des Wasserbades bildet, ist im Wesentlichen direkt unterhalb des Vergasungsreaktors angeordnet. Der Boden des Wasserbades fällt kontinuierlich zum Schlackeaustrag hin ab. Das sich bildende Schlackegranulat sammelt sich im Wasserbad der Beruhigungsstrecke und wird über den Schlackeaustrag ausgeschleust. Im unteren Bereich der Beruhigungsstrecke, dem Wasserbad wird eine Stromung in Richtung des Schlackeaustrags erzeugt, welche den Stofftransport forciert. Dies erfolgt durch Kreislaufförderung von Wasser zwischen dem Schlackeaustrag und der Schlackewasserzuführung 10, die an der am Weitesten von dem Schlackeaustrag beabstandeten Stelle des Wasserbades angeordnet ist.
Neben dem Vergasungsreaktor, über dem Wasserbad sitzt auf dem Zwischenboden ein Abhitzedampferzeuger 2, der Verdampferrohre 9 aufweist, in den das Rohgas von unten eintritt und den das Rohgas zum Rohgasaustritt 12 verlässt.
Der Vergasungsreaktor und der Abhitzedampferzeuger sind über einem gemeinsamen Wasserbad angeordnet, wobei die Beruhigungsstrecke über dem Wasserbad den Rohgasweg – wie durch Pfeile bezeichnet – von dem Vergasungsreaktor zum Abhitzedampferzeuger bildet.
Der Vergasungsreaktor 1, die Beruhigungsstrecke 3 mit dem Wasserbad und der Abhitzedampferzeuger sind druckfest umschlossen.
Die Umsetzung des aschehaltigen Einsatzstoffes erfolgt im Vergasungsreaktor 1 in einer Flammenreaktion bei Temperaturen oberhalb der Ascheschmelztemperatur. Das heiße Vergasungsrohgas/Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke strömen aus dem Vergasungsreaktor über den Schlackeablaufkörper 4 und das Leitrohr 5 in einen Quenchkörper 7. Der in der Beruhigungsstrecke 3 angeordnete Quenchkörper ist als rohrformige, erweiterte Verlängerung an das Leitrohr 5 ausgestaltet und umschließt eine Quenchkammer. In dem Quenchkörper ist eine Vielzahl von Quenchdüsen 6 angeordnet, die Quenchwasser in die Quenchkammer radial zur Zentralachse eindüsen. In der Quenchkammer wird mittels Wassereindüsung das heiße Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke auf ein Temperaturniveau von ca. 700°C–900°C gekühlt (Teilquenchung). Der Querschnitt der Quenchkammer ist so gestaltet, dass er in Stromungsrichtung des Rohgases bis zum Übergang in die Beruhigungsstrecke 3 gleich bleibt, sich allenfalls vergrößert. Die Quenchkammer 4 weist also einen Querschnitt auf, der sich in Strömungsrichtung des Rohgases nicht verkleinert.
Durch die Vergrößerung der durchströmten Fläche in der Beruhigungsstrecke 3 wird die Geschwindigkeit des teilgequenchten Rohgases soweit verringert, dass es zur Schwerkraftabscheidung mitgerissener Partikel kommt. Die Schwerkraftabscheidung wird in der dampfförmigen Grenzschicht zwischen Wasseroberfläche und Gasraum dadurch verstarkt, dass die Staubpartikel benetzt und dadurch erhöhte Masse abgeschieden werden.
Am Ende der Beruhigungsstrecke 3 tritt das Rohgas in den Abhitzedampferzeuger 2 ein. Nachdem das heiße Rohgas den Abhitzedampferzeuger passiert hat und gekühlt wurde, verlasst es diesen über den Rohgasaustritt 12 und kann nachgeschalteten Stufen zugeführt werden.
Der Abhitzedampferzeuger kann im Hinblick auf das hohe Temperaturniveau eine Überhitzungs- und Vorwärmstufe enthalten. Das angestrebte Temperaturniveau des gekühlten Rohgases bei Austritt aus dem Abhitzedampferzeuger beträgt ca. 250°C.

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

1	Vergasungsreaktor
2	Abhitzedampferzeuger
3	Beruhigungsstrecke
4	Schlackeablaufkörper
5	Leitrohr
6	Quenchdüsen
7	Quenchkörper
8	Wasserbad
9	Verdampferrohre
10	Schlackewasserzuführung
11	Schlackeaustrag
12	Rohgasaustritt
13	Zwischenboden
14	Quenchkammer

Claims

Flugstromvergaser zur Vergasung von aschehaltigen Einsatzstoffen bei dem – unter einem Vergasungsreaktor (1) eine Beruhigungsstrecke (3) angeordnet ist, – am Boden der Beruhigungsstrecke ein Wasserbad sich befindet, – der Vergasungsreaktor (1) über einen Rohgas- und Schlackeabgang (4) in einen im Wesentlichen rohrförmigen Quenchkörper (7) mündet, – der Quenchkorper eine Quenchkammer (14) umschließt, deren Querschnitt in Strömungsrichtung des Rohgases sich nicht verkleinert, – in dem Quenchkörper Quenchdüsen (6) zum Einspritzen von Quenchwasser in die Quenchkammer angeordnet sind, – ein Abhitzedampferzeuger neben dem Vergasungsreaktor über dem gemeinsamen Wasserbad angeordnet ist derart, dass das in der Quenchkammer teilgequenchte Rohgas die Beruhigungsstrecke über dem Wasserbad überstreicht und aufsteigend dem Abhitzedampferzeuger zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzedampferzeuger oberhalb der Beruhigungsstrecke angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Abhitzedampferzeuger derart, dass er von unten nach oben von dem Rohgas durchstrichen wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzedampferzeuger eine Uberhitzungs- und Vorwärmstufe aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor, die Beruhigungsstrecke und der Abhitzedampferzeuger eine druckfeste Baueinheit bilden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor, die Beruhigungsstrecke und der Abhitzedampferzeuger modular zusammensetzbar sind.