DE102009035300A1

DE102009035300A1 - Flugstromvergaser mit integriertem Strahlungskühler

Info

Publication number: DE102009035300A1
Application number: DE102009035300A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fleischer; Frank Hannemann; Christian Reuther; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: DE102009035300B4; US9193923B2; WO2011012393A2; WO2011012393A3; US20120117878A1

Abstract

Bei einem Flugstromvergaser, der als Bestandteil für eine im Wirkungsgrad optimierte Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)-Anlage vorgesehen ist, durchläuft das Rohgas zunächst eine als Strahlungskühler ausgebildete Abhitzeinheit zur Dampferzeugung und anschließend einen Vollquench. Dies führt zu einem erhöhten Wasserdampfanteil im Rohgas, was in IGCC-Anlagen mit CO2-Abscheidung die Mitteldruck-Dampfzuspeisung vor dem CO-Shift verringert und somit einen Wirkungsgradvorteil bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung der fühlbaren Wärme von in einem Flugstromvergaser erzeugtem Rohgas, insbesondere aus der Vergasung von aschebildenden Brennstoffen.
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 verringerter Wasserdampfgehalt des Rohgases einher.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Flugstromvergaser zu schaffen, der als Bestandteil einer IGCC-Anlage deren Wirkungsgrad optimiert. Insbesondere soll eine Nutzung der fühlbaren Wärme des Rohgases durch Dampferzeugung mit einer Wasserdampfsättigung des Rohgases eines Vollquench kombiniert werden.
Das Problem wird durch einen Flugstromvergaser den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung bringt eine Kombination eines Flugstromvergasers mit einer Abhitzedampferzeugung mit sich.
Die Erfindung verknüpft eine Abhitzenutzung mittels Strahlungskühler und einer anschließenden Waschstufe bzw. Freiraumquenchung.
Die Erfindung ermöglicht die Nutzung der fühlbaren Wärme des heißen Rohgases und führt zu einer Wirkungsgraderhöhung innerhalb einer IGCC-Anlage unter Beibehaltung der hohen Verfügbarkeit eines Flugstromvergasers mit Vollquench.
Die Verwendung eines Vollquenchs nach der Abhitzeeinheit führt zu einem höheren Wasserdampfanteil im Rohgas. Bei IGCC-Konzepten mit CO2-Abscheidung verringert dies die Mitteldruck-Dampfzuspeisung vor dem CO-Shift, was einen Wirkungsgradvorteil bewirkt.
Die Verwendung einer Waschstufe nach der Abhitzeeinheit ermöglicht eine Vorreinigung und Abkühlung des Rohgases. Dies verringert deutlich die Gefahr von Anbackungen aufgrund klebriger Schlackebestandteile in den nachfolgenden Systemen und erhöht somit die Verfügbarkeit der Gesamtanlage. Die Reduzierung der Rohgastemperatur auf cirka 220°C ermöglicht die Auswahl kostengünstigerer Materialien für Bauteile zwischen Druckbehälter Reaktor/Quencher und nasser Gasreinigung.
Bei Abhitzenutzungseinheiten, welche unter 700°C arbeiten, besteht die potentielle Gefahr von Alkalikondensation in der Abhitzeeinheit. Bei einer Vollquenchung werden die Alkalikondensate direkt in das Waschwasser überführt und damit die Folgeanlagen vor Ablagerungen geschützt.
Bei einer Anordnung mit unmittelbarer Aufeinanderfolge von Reaktionsraum, Schlackeablaufkörper, Abhitzeeinheit und anschließender Vollquenchung ergibt sich im Vergleich zu Abhitzenutzungskonzepten, wie zum Beispiel Teilquench mit anschließender konvektiver Abhitzenutzung oder Strahlungskühler mit anschließendem Teilquench, ein verringerter Regelaufwand. Damit ist auch bei großen Laständerungen ein stabiler Betrieb gesichert.
Eine modulare Bauweise begünstigt den Aufbau der Anlage sowie den Austausch von Komponenten im Reparaturfalle. Die Verwendung einer Waschstufe in einem neben dem Reaktor/Quencher befindlichem Behälter bietet den Vorteil einer Verringerung der Stahlbauhöhe. Dies verringert die Investitionskosten für die Vergaserinsel im Vergleich zur ersten Variante.
Weiterhin wird der Waschprozess aufgrund der Gegenstromführung von Rohgas und Waschwasser effizienter.
Aus dem Rohgasstrom werden Partikel sowohl in den Quenchsumpf des Flugstromvergasers als auch in das Wasserbad des Waschbehälters abgeschieden, wodurch eine verstärkte Rohgasreinigung gegeben ist.
Die Druckmantelkühlung von Strahlungskühler und Quencher stellt eine Sicherung des Druckgefäßes gegenüber thermischer Belastung dar und kann auch zur Dampfproduktion genutzt werden, was wiederum günstig für den Wirkungsgrad ist.
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 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors mit Strahlungskühler und Vollquench in einem Druckgefäß und
2 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors mit Strahlungskühler und separatem Waschbehälter.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Angeführt sind zwei mögliche Ausführungen der konstruktiven und verfahrenstechnischen Umsetzung der Erfindung.
Variante nach Fig. 1
Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept wird anhand der 1 prinzipiell erläutert.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist drei Hauptkomponenten auf:

– den Vergasungsreaktor (A2)
– die Abhitzeeinheit (A5)
– die Vollquencheinheit (A7)

Die Umsetzung des aschehaltigen Einsatzstoffes erfolgt im Vergasungsreaktor (1) in einer Flammenreaktion bei Temperaturen oberhalb der Ascheschmelztemperatur. Das heiße Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke strömen aus dem Vergasungsreaktor (A2) über den Schlackeablaufkörper (A4) in die Abhitzeeinheit (A5). Die Abhitzeeinheit mag durch einen Strahlungskühler gegeben sein. Der Strahlungskühler ist mit mehreren Flächenmodulen gebildet, die mit ihrer Schmalseite in einem vorgegebenen Abstand zur Zentralachse des Flugstromvergasers und mit ihrer Hauptebene radial zu der Zentralachse ausgerichtet angeordnet sind. Die Radien der Ausrichtung der Flächenmodule weisen gleiche Winkel auf. Im Ausführungsbeispiel sind vier Flächenmodule in einem Winkelversatz von 90 Grad angeordnet. Den Flächenmodulen wird eine Kühlflüssigkeit zugeführt, die die von dem Flächenmodul aufgenommene Wärme übernimmt. Die Kühlflüssigkeit kann den Flächenmodulen über eine Ringleitung zu- beziehungsweise abgeführt werden. Durch den Abstand der Flächenmodule von der Zentralachse ist ein zylinderförmiger Raum freigehalten, durch den die Schlacke in den Quenchsumpf fallen kann.
In der Abhitzeeinheit kühlt das Rohgas von der Vergasungstemperatur bis auf ca. 700°C bis 900°C ab. Die mittels der Kühlflüssigkeit aus dem Flugstromvergaser herausgeführte Wärmemenge wird zur Produktion von Dampf, idealerweise Hochdruckdampf, verwendet.
Im Anschluss wird das Rohgas in der Vollquencheinheit (A7) oder einer Waschstufe mit einer ausreichend hohen Wassermenge beaufschlagt. Das Ziel der Quenchung ist ein Anstieg des Wasserdampfanteils bis zur Sättigung des Rohgases. Das bringt bei IGCC Konzepten mit CO2-Abscheidung einen Wirkungsgradvorteil, da vor der Co-Shift weniger Mitteldruck-Dampf zugeführt werden muss. Zusätzlich stellt die Quenchung eine Reinigungsstufe dar. Da das Rohgas klebrige Feinpartikel enthält, ist diese Wäsche vorteilhaft, um Folgesysteme vor Anbackungen zu schützen. Weiterhin werden Alkalien und leichtflüchtige Schwermetalle vom Rohgas in das Waschwasser überführt. Nach der Vollquencheinheit erfolgt die weitere Reinigung des Rohgases, um den Reinheitsanforderungen der Folgeanlagen zu entsprechen. Das Restquenchwasser aus der Vollquencheinheit verlässt den Quenchersumpf und wird über eine Entspannungsstrecke zum Abwasseraufbereitungssystem geführt.
Die flüssige Schlacke, welche aus dem Vergasungsreaktor austritt, wird in der Abhitzeeinheit und im Vollquench abgekühlt. Das Schlackegranulat fällt in den Quenchersumpf (A10) und wird über ein Schlackeaustragssystem ausgeschleust.
In einer besonderen Ausführungsvariante sind der Reaktor (A2), die Abhitzeeinheit (A5) und die Vollquencheinheit (A7) in einem Druckgefäß ausgeführt. Der Vorteil ist der Wegfall eine Baustellenmontage.
In einer besonderen Ausführungsvariante sind der Vergasungsreaktor und die Abhitzeeinheit mit Vollquench als separate Druckgefäße ausgeführt, welche über eine Flanschverbindung miteinander verbunden sein können.
Um den Druckmantel vor thermischen Stress zu schützen kann dieser mit einer Mantelkühlung ausgestattet werden.
Variante nach Fig. 2
Die Ausführung nach 2 unterscheidet sich von der Ausführung nach 1 durch eine Auslagerung des Vollquenchs in einen separaten Druckbehälter, in welchem mittels eines Wäschers oder einer anderen nassen Gasreinigung, beispielsweise eines Venturis, eine Feststoffabtrennung aus dem Rohgas sowie eine Sättigung des Rohgases erzielt wird.
Die Ausführung nach 2 führt zu einer Reduzierung der Bauhöhe für das Stahlgerüst sowie einer Entkopplung von Abhitzeeinheit (A5) und Vollquencheinheit (A7). Mögliche Rückströmungen von der Vollquencheinheit (A7) in die Abhitzeeinheit (A5) werden damit ausgeschlossen. Die anfallende Schlacke wird weiterhin im Quenchersumpf (A10) gesammelt und über ein Schleusensystem ausgetragen. Die Rohgase werden über die Verbindung B1 in die nachgeschaltete Wascheinheit (A7) überführt. Hier werden Rohgase, welche stark mit Feststoffen, wie Flugasche und feinste Schlackepartikel, beladen sind, gewaschen und die Feststoffe werden mittels des Waschwassers aus der Gasphase in die Flüssigphase überführt. Das Waschwasser wird einer Abwasseraufbereitung unterzogen. Das gereinigte Wasser kann erneut dem Waschprozess zugeführt werden. Die in 2 dargestellte Gegenstromführung von Waschwasser und Rohgas ist eine günstige Ausführung des Waschprozesses.
Bei Rohgasen mit mäßiger Staubbeladung, ist die Wäsche des Rohgases von untergeordneter Bedeutung. Hier ist die Abkühlung des Rohgases die zentrale Aufgabenstellung. Die Wascheinheit (A7) muss dann nicht mittels Wasserüberschuss betrieben werden, sondern man kann auf eine Wasserdampfsättigung des Rohgases verzichten. Dann können auch andere Quenchmedien wie Wasserdampf, Wasser und Wasserdampfgemische, Gase, Wasser und Gase, Gase und Wasserdampf und/oder kohlenstoffhaltige Medien eingesetzt werden.
Aufgrund der hohen Rohgasaustrittstemperatur (> 700°C) am Strahlungskühler muss das Übergangstück zwischen Reaktor/Strahlungskühler und Waschbehälter entweder gekühlt oder mit temperaturfesten Materialien (z. B. Keramik) ausgeführt werden. Die Kühlung kann sowohl durch Quenchung (z. B. Wasser/Dampfeindüsung oder Gas) und/oder zusätzliche Kühlsysteme (z. B. Kühlschlange oder Doppelrohr) gewährleistet werden. Die abgeführte Wärme kann zur Dampfproduktion verwendet werden.
Der Flugstromvergaser und der angeflanschte Waschbehälter können mit einem Druck bis 8 MPa betrieben werden.
Bezugszeichenliste

A1

Brenner

A2

Reaktionsraum

A3

Kühlschirm

A4

Schlackeablaufkörper

A5

Strahlungskühler

A6

Quenchdüsen

A7

Quenchraum

A8

Rohgasabgang

A9

Kühlmantel mit Dampfproduktion

A10

Quenchsumpf

B1

Verbindung Strahlungskühler mit Waschbehälter

B2

Ausschleusung Restquenchwasser

B3

Waschbehälter bzw. Vollquench

B4

Rohgasabgang

Claims

Vorrichtung zur Nutzung der fühlbaren Wärme von in einem Flugstromvergaser erzeugten Rohgas bei der – ein Vergasungsreaktor über einen Schlackeablaufkörper (A4) mit einem darunter angeordneten Kühlraum verbunden ist, – in dem Kühlraum eine Abhitzeeinheit (A5) angeordnet ist, – am unteren Ende des Kühlraumes ein Quenchsumpf (A10) sich befindet und – zwischen Abhitzeeinheit und Quenchsumpf ein Rohgasabgang (A8, B1) in dem den Kühlraum begrenzenden Druckmantel (A9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abhitzeeinheit (A5) durch einen Strahlungskühler gegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskühler mit mehreren Flächenmodulen gebildet ist, die in einem bestimmten Abstand zur Zentralachse des Flugstromvergasers und radial zu der Zentralachse angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Abhitzeeinheit und Quenchsumpf ein Quenchraum (A7) mit Quenchdüsen (A6) zum Einspritzen von Quenchwasser angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der den Kühlraum begrenzende Druckmantel eine Druckmantelkühlung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Rohgasabgang ein separater Waschbehälter (B3) verbindbar ist, – der ein druckfestes Gehäuse aufweist, – der im oberen Bereich Quenchdüsen (A6) zum Einspritzen von Quenchwasser aufweist, – der am unteren Ende ein Wasserbad aufweist, – dem das Rohgas zwischen Oberfläche des Wasserbades und Einbauhöhe der Quenchdüsen zuführbar ist, – bei dem der Abgang für das Rohgas (B4) oben angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das druckfeste Gehäuse des Waschbehälters eine Druckmantelkühlung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass über die Quenchdüsen Quenchwasser in einer Menge einspritzbar ist, dass ein Vollquench gegeben ist.