DE102009030719A1

DE102009030719A1 - Abhitzeverwertung in einem Flugstromvergaser

Info

Publication number: DE102009030719A1
Application number: DE102009030719A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Degenkolb; Horst Hoppe; Christian Reuther; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Vorrichtung zur Gewinnung von Energie zur Dampferzeugung aus der fühlbaren Wärme von heißem Rohgas und flüssiger Schlacke aus der Flugstromvergasung, wobei das heiße Rohgas in einem Quenchraum durch Zuführung eines Kühlmittels in Form von Wasser, Wasserdampf oder kaltem Gas auf 700-1100°C gekühlt und anschließend einem den Quenchraum umschließendenl ausgestaltet sein kann, zur Abgabe der fühlbaren Wärme an Siedewasser aufsteigend zugeführt wird. Dabei können der Vergasungsreaktor 1 und der Quenchraum 3 mit Abhitzekessel 10 fest oder lösbar verbunden sein. Die Erfindung vermeidet die rasche Berührung des schlackehaltigen Vergasungsrohgases mit den Kesselrohren des Abhitzekessels.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Dampfenergie aus der fühlbaren Wärme des heißen Vergasungsgases eines Vergasungsreaktors, bei der ein Vergasungsreaktor zur partiellen Oxidation eines fein aufgemahlenen, aschehaltigen Kohlenstoffträgers im Flugstrom bei Vergasungstemperaturen oberhalb des Ascheschmelzpunktes und Drücken von Umgebungsdruck bis 8 MPa gegeben ist, der Vergasungsreaktor über einen Ablaufkörper mit einem darunter angeordneten Quenchraum zur Teilkühlung des Rohgases auf Temperaturen von 700–1100°C verbunden ist und am unteren Ende des Quenchraumes ein Wasserbad zur Aufnahme und Abkühlung von Schlacke und Grobstaub angeordnet ist.
Aschehaltige Kohlenstoffträger sind fein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, brennbare Produkte aus der Abfall- und Reststoffaufbereitung, die als Gas-Feststoff-Suspension oder Flüssig-Feststoff-Suspension dem Vergasungsreaktor zugeführt werden oder Biomassen unterschiedlichen Aufkommens.
In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, dass aus Gründen der Synthesegasqualität höhere Kohlenstoffverbindungen zu Synthesegaskompnenten wie CO und H2 vollständig aufgespalten werden und die anorganischen Bestandteile als schmelzflüssige Schlacke ausgetragen werden, siehe J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSATIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, 1996, S. 33 und S. 73.
Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Vergasungsgas und schmelzflüssige Schlacke getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, wie DE 197 131 A1 zeigt. Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumstruktur des Vergasungssys tems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt, siehe DE 4446 803 A1 .
Von Ch. Higmann und M. van der Burgt wird in „Gasification", Seite 124, Verlag Elsevier 2003 ein Verfahren vorgestellt, bei dem das heiße Vergasungsgas gemeinsam mit der flüssigen Schlacke den Vergaser verlässt und direkt in einen senkrecht darunter angeordneten Abhitzekessel eintritt, in dem das Rohgas und die Schlacke unter der Nutzung der fühlbaren Wärme zur Dampferzeugung abgekühlt werden. Die Schlacke sammelt sich in einem Wasserbad, das gekühlte Rohgas verlässt den Abhitzekessel seitwärts. Dem Vorteil der Abhitzegewinnung stehen eine Reihe von Nachteilen gegenüber. Genannt seien hier besonders die Bildung von Ablagerungen auf den Wärmetauscherrohren, die zur Behinderung des Wärmeüberganges sowie zur Korrosion und Erosion und damit zu mangelnder Verfügbarkeit führen.
DE 40 17 219 A1 zeigt ebenfalls eine Vorrichtung, bei der das 1200 bis 1500°C heiße Rohgas gemeinsam mit der heißen flüssigen Schlacke in einen Abhitzekessel gelangt, der direkt unter der Vergasungskammer angeordnet ist. Rohgas und Schlacke geben ihre fühlbare Wärme an die Kesselrohre ab, in denen Dampf erzeugt wird. Es besteht die Gefahr, dass sich die flüssige Schlacke während des Abkühlprozesses an den Kesselrohren abgelagert und den Wärmeübergang behindert. Dies kann zur Verstopfungen des Gasflusses sowie zu erhöhten Gasaustrittstemperaturen führen.
In DE 10 2005 041 931.3 wurde deshalb eine Teilkühlung des Vergasungsrohgases auf Temperaturen zwischen 700 bis 1000°C vor Eintritt in den Abhitzekessel vorgeschlagen. Es wurde jedoch festgestellt, dass besonders größere Schlackepartikel nicht durchkühlen und bei Berührung der Kühlflächen anhaften und zu den oben genannten Betriebsstörungen führen. Die Häufigkeit des Anhaftens wird dabei sehr stark von den Eigenschaften der flüssigen Schlacke, besonders des Temperatur- Zähigkeits-Verhaltens, dem Schmelzpunkt und der Zusammensetzung bestimmt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, die eine Abhitzenutzung bei einer zuverlässigen Betriebsweise erlaubt und den Einsatz unterschiedlicher Kohlenstoffträger zulässt. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Vergasung von schlackebildenden Brennstoffen angegeben werden, bei der eine Anlagerung von Schlacke in dem Abhitzekessel weitgehend vermieden ist.
Das Problem wird bei einem durch die Merkmale des Oberbegriffs umrissenen Gegenstand durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das heiße Vergasungsgas gemeinsam mit der flüssigen Schlacke in einem Quenchraum teilgekühlt wird, wobei der Quenchraum bis in den Sumpf des Abhitzekessels geführt wird und so die schnelle (rasche) Berührung mit den Kesselrohren vermeidet. Das untere Ende des Abhitzekessels ist mit einem Wasserbad versehen, das Schlacke und Grobstaub aufnimmt und vollständig abkühlt. Die Abscheidung von Schlacke und Grobstaub wird durch eine scharfe Umlenkung um 180°C unterstützt. Anschließend gelangt das teilgekühlte Rohgas in einen Abhitzekessel, der ringkanalförmig um den Quenchraum angeordnet ist. Der Abhitzekessel ist also im Wesentlichen auf gleicher Höhe wie der Quenchraum angeordnet. Der Abhitzekessel kann als Rauchrohr- oder Siederohrkessel ausgeführt sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Vergasungsreaktor mit Rauchrohrkessel Variante 1,
2 einen Vergasungsreaktor mit Rauchrohrkessel Variante 2,
3 einen Querschnitt durch die in 2 bezeichnete Ebene der Anordnung,
4 einen Vergasungsreaktor mit Siederohrkessel und
5 einen Querschnitt durch die in 4 bezeichnete Ebene der Anordnung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Eine Steinkohlenmenge von 80 t/h mit einem Aschegehalt von 11,5 Ma%, einem Feuchtegehalt von 7,8 Ma% und einem Heizwert von 25,6 MJ/kg wird bei 1650°C in einem Flugstromvergaser mit Sauerstoff bei 4 MPa (40 bar) vergast. Der Kohlenstaub wird als Gas-Feststoff- oder Flüssig-Feststoff-Suspension dem Vergasungsreaktor zugeführt und mit Sauerstoff umgesetzt. Es entstehen ca. 120000 Nm³/h Rohgas, das mit einer Temperatur von 1650°C gemeinsam mit der flüssigen Schlacke über den Ablaufkörper 2 in den Quenchraum 3 gelangt und durch die Zuführung von Kühlmittel 4 auf 900°C abgekühlt wird. Das Kühlmittel kann aus Wasser, Wasserdampf oder kalten, sauerstofffreien Gasen bestehen. Das nach 1 teilgekühlte Rohgas wird bis zu einem Freiraum 5 geführt und um 180° umgelenkt. Dabei werden Schlacke- und Grobstaubpartikel abgeschieden, im Wasserbad 6 gekühlt, als Schlackeablagerung 7 gesammelt und über die Schlackeabführung 8 ausgeschleust. Das teilgekühlte Rohgas strömt in Rauchrohren 9 des Abhitzekessels 10 nach oben und gibt seine fühlbare Wärme bis auf Temperaturen von 250°C ab und wird über den Rohgasaustritt 11 Kühl- und Reinigungssystemen zugeführt. Das Kesselspeisewasser wird über 12 zugeführt, der gebildete Dampf gelangt über die Dampfabführung 13 zu Verbrauchern. Vergasungsreaktor 1 sowie Quenchraum 3 und Abhitzekessel 10 nach 1 sind hintereinander so angeordnet, dass über eine Flanschverbindung Montier- und Trennbarkeit besteht. Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist eine Flanschverbindung auf Höhe der Unterkante des Abhitzekessels gegeben. Weitere Flanschverbindungen sind im oberen und unte ren Bereich des Vergasungsreaktors 1 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Durchmesser des Druckmantels für den Vergasungsreaktor und den Abhitzekessel gleich. Der Quenchraum 3 ist über eine Kalotte gegen den Ringraum, in den der Rohgasaustritt 11 mündet, gasdicht abgeschottet.
Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Quenchraum 3 unterhalb des Vergasungsreaktors 1 als Quenchglocke ausgestaltet, die annähernd gleichen Durchmesser wie der Druckmantel des Vergasungsreaktors aufweist. Der Abhitzekessel umschließt den Quenchraum und den Vergasungsreaktor ringkanalförmig. Die Innenwand des Abhitzekessels begrenzt die Aussenwand des Vergasungsreaktors und der Quenchglocke. Die Unterkante der Quenchglocke und die Unterkante des Abhitzekessels liegen in einer Ebene mit der Flanschverbindung des Druckmantels. Diese Ausgestaltung bringt eine Fläche des Abhitzekessels 10 zur Unterbringung der Rauchrohre 9 mit sich.
3 zeigt einen Querschnitt durch die in 2 bezeichnete Ebene der Anordnung. Auf zwei konzentrischen Kreislinien sind alle 10 Winkelgrad Rauchrohre 9 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel nach 4 wird das heiße Vergasungsrohgas mit der heißen flüssigen Schlacke unter den gleichen vergasungstechnischen Bedingungen wie in dem Ausführungsbeispiel nach 1 in den glockenförmigen, über den Ablaufkörper 2 unterhalb des Vergasungsreaktors angeordneten Quenchraum 3 geführt und auf ca. 700–1100°C teilgekühlt. Anschließend gelangt das teilgekühlte Vergasungsrohgas in den Freiraum 5, wo eine 180°-Umlenkung in den Abhitzekessel 10 erfolgt. Der Quenchraum 3 mag sich bis unterhalb des Abhitzekessels 10 erstrecken. Das teilgekühlte Rohgas strömt anschließend im Rohgasweg 15 nach oben und führt seine fühlbare Wärme den Siederohren 14 zu, in denen die Dampferzeugung stattfindet, und verlässt den Abhitzekessel über den Rohgasaustritt 11. Das Kesselspeisewasser gelangt über die Speisewasserzuführung 12 in den Abhitzekessel, der erzeugte Dampf wird über die Dampfabführung 13 entsprechenden Verbrauchern zugeführt.
Der in den 4 und 5 dargestellte Abhitzekessel 10 ist mit Siederohren 14 gebildet, die mit ihrem unteren Ende mit einem Ringrohr zur Speisewasserzuführung 12 und die mit ihrem oberen Ende mit einem Ringrohr zur Speisewasserabführung 13 verbunden sind.
Der den Rohgasaustritt 11 aufweisende Druckmantel, der die Quenchglocke und den Abhitzekessel umschließt, ist mit dem Druckmantel des Vergasungsreaktors druckdicht verbunden.
5 zeigt einen Querschnitt durch die in 4 bezeichnete Ebene der Anordnung. Über den Umfang des Ringrohrs zur Speisewasserzuführung 12 sind in jeder von 24 verschiedenen Winkelpositionen 3 Siederohre in radialer Ebene angeordnet, die zu dem Ringrohr zur Speisewasserabführung 13 geführt sind. Das Ringrohr zur Speisewasserzuführung 12 weist an zwei gegenüberliegenden Stellen Flansche zur Montage auf.

1: Vergasungsreaktor
2: Ablaufkörper
3: Quenchraum
4: Kühlmittelzuführung
5: Freiraum zur Rohgasumlenkung
6: Wasserbad
7: Schlacke
8: Schlackeabführung
9: Rauchrohre
10: Abhitzekessel
11: Rohgasaustritt
12: Speisewasserzuführung
13: Dampfabführung
14: Siederohre
15: Rohgasweg im Freiraum

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 197131 A1 [0004]
- DE 4446803 A1 [0004]
- DE 4017219 A1 [0006]
- DE 102005041931 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSATIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, 1996, S. 33 und S. 73 [0003]
- Ch. Higmann und M. van der Burgt wird in „Gasification”, Seite 124, Verlag Elsevier 2003 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung von Dampfenergie aus der fühlbaren Wärme des heißen Vergasungsgases eines Vergasungsreaktors, bei der ein Vergasungsreaktor (1) zur partiellen Oxidation eines fein aufgemahlenen, aschehaltigen Kohlenstoffträgers im Flugstrom bei Vergasungstemperaturen oberhalb des Ascheschmelzpunktes und Drücken von Umgebungsdruck bis 8 MPa gegeben ist, der Vergasungsreaktor über einen Ablaufkörper (2) mit einem darunter angeordneten Quenchraum (3) zur Teilkühlung des Rohgases auf Temperaturen von 700–1100°C verbunden ist, am unteren Ende des Quenchraumes ein Wasserbad (6) zur Aufnahme und Abkühlung von Schlacke und Grobstaub angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringkanalförmiger Abhitzekessel (9) zwischen dem Druckmantel und dem Quenchraum angeordnet ist derart, dass das Rohgas in dem Freiraum (5) zwischen Unterkante des Abhitzekessels und Oberfläche des Wasserbades umgelenkt wird, dem Abhitzekessel Siedewasser über einen Stutzen (12) zuführbar und Dampf über einen Stutzen (13) abführbar sind, das teilgequenchte Rohgas den Abhitzekessel unter Abgabe der fühlbaren Wärme an das Siedewasser von unten nach oben durchströmt und über den Rohgasaustritt 11 aus der Vorrichtung austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel eine Vielzahl von Rauchrohren (9), die vom Siedewasser umspült sind, aufweist, die das teilgequenchte Rohgas durchströmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel eine Vielzahl von Siederohren (14), die vom Siedewasser durchströmt sind, aufweist, an die das teilgequenchte Rohgas die fühlbare Wärme abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch eine Abführung des erzeugten Dampfes aus den Siederohren über die Dampfabführung 13.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Abkühlung des teilgequenchten Rohgases in dem Abhitzekessel auf ca. 250°C.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor 1 und der Quenchraum 2 sowie Abhitzekessel 10 lösbar miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Quenchraumes 3 und der Rohgaseintritt in den Abhitzekessel 10 auf einer Ebene liegen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante des Quenchraumes 3 unterhalb der Unterkante des Abhitzekessels 10 endet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel auf einer Höhe mit dem Quenchraum angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel den Quenchraum ringkanalförmig umschließt.