DE102009038094B4

DE102009038094B4 - Abhitzeverwertung nach Trennung von Rohgas und Schlacke in einem Flugstromvergaser

Info

Publication number: DE102009038094B4
Application number: DE102009038094.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Frisch; Christian Reuther; Dr. Schingnitz Manfred
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: DE102009038094A1

Abstract

Flugstromvergaser zur Gewinnung von Energie zur Erzeugung von Dampf aus der fühlbaren Wärme des heißen Vergasungsgases und der zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzenen Brennstoffasche bei dem – ein Reaktionsraum (1) zur Vergasung fein aufgemahlener, aschehaltiger Brennstoffe im Flugstrom bei Vergasungstemperaturen oberhalb des Ascheschmelzpunktes gegeben ist, – der Reaktionsraum am unteren Ende über einen Schlackeablaufkörper (2) in einen Quenchraum (3) zur Teilquenchung von heißem Vergasungsrohgas und flüssiger Schlacke mittels Kühlmittel (4) auf Temperaturen von annähernd 900°C übergeht, – ein den Quenchraum umschließender Ringkanal (7) zur Führung des teilgequenchten Vergasungsrohgases nach oben angeordnet ist, – ein Wasserbad zur Aufnahme von Schlacke, das sich über den Durchmesser des Ringkanals erstreckt, unterhalb des Quenchraumes angeordnet ist, – ein den Ringkanal umschließender Abhitzekessel (10) zur Führung des teilgequenchten Vergasungsrohgases nach unten angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugstromvergaser zur Gewinnung von Energie zur Erzeugung von Dampf aus der fühlbaren Wärme des heißen Vergasungsgases und der zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzenen Brennstoffasche mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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 Synthesegaskomponenten 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 18 131 A1 zeigt. Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumstruktur des Vergasungssystems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt, siehe DE 44 46 803 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 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 zu Verstopfungen des Gasflusses sowie zu erhöhten Gasaustrittstemperaturen führen.
In DE 10 2005 041 931 A1 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 o. g. 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. In einer besonderen Ausführungsform gemäß der dortigen 4 wird die flüssige Schlacke aus dem heißen Rohgas zunächst in einem Teilquench abgekühlt, verfestigt und in einem Wasserbad abgeschieden, bevor das von der Schlacke weitgehend getrennte Rohgas seine fühlbare Wärme in einem separat angeordneten Abhitzekessel abgibt.
Aus der DE 29 40 257 A1 ist ein Strahlungskessel für die Abkühlung eines Gasstromes, der feste und schmelzflüssige Partikel enthält, bekannt. Die schmelzflüssigen Partikel werden in einer nach unten gerichteten Strömung in dem Strahlungskessel abgekühlt, erstarren und werden zusammen mit den festen Partikeln über ein im unteren Teil des Strahlungskessels befindliches Wasserbad abgezogen. Der Strahlungskessel enthält mehrere konzentrisch angeordnete, zylindrische Wärmetauscher-Elemente, die Ringräume bilden. Der Gasstrom durchströmt in ein- oder mehrmaliger Umlenkung die Ringräume zwecks verbesserter Rückgewinnung der Prozesswärme infolge der vergrößerten Wärmetauschfläche.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 030 719 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Dampf aus der fühlbaren Wärme von heißem Rohgas und flüssiger Schlacke aus der Flugstromvergasung vorgeschlagen worden, bei der das heiße Rohgas in einem Quenchraum durch Zuführung eines Kühlmittels auf 700–1100°C teilgequencht wird. Das teilgequenchte Rohgas wird über einem Wasserbad, in das Schlacke- und Grobstaubpartikel abgeschieden werden, umgelenkt und durchströmt aufsteigend einen den Quenchraum umschließenden Abhitzekessel, wo es seine fühlbare Wärme bis auf 250°C abgibt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Flugstromvergaser zu schaffen, der eine Abhitzenutzung bei einer zuverlässigen Betriebsweise erlaubt und den Einsatz unterschiedlicher Kohlenstoffträger zulässt. Insbesondere soll das Zusetzen des Abhitzekessels durch Schlacke und Asche weitgehend vermieden werden. Des Weitern soll eine kompakte Baugröße erreicht werden.
Das Problem wird bei einem durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das heiße Vergasungsgas gemeinsam mit der flüssigen Schlacke in einem Quenchraum auf ca. 700°C bis 900°C teilgekühlt wird und dann beide teilgekühlten Ströme gemeinsam innerhalb des Quenchraumes nach unten in Richtung Wasserbad strömen. An der Wasseroberfläche wird das Rohgas um 180° umgelenkt, wodurch die Abscheidung von Schlacke und Grobstaub unterstützt wird. Die Schlackepartikel fallen auf Grund der Schwerkraft ins Wasserbad, wo die vollständige Durchkühlung erfolgt.
Nach der Umlenkung strömt das ca. 700°C bis 900°C teilgekühlte Rohgas durch einen, den Quenchraum umhüllenden Ringkanal, wieder nach oben. Der aufsteigende Ringkanal ist flächenmäßig so bemessen, dass das Rohgas mit langsamer, gleichmäßiger Geschwindigkeit aufsteigt. Hierdurch fallen noch weitere mitgerissene Schlacke- und Grobstaubpartikel auf Grund ihrer Schwerkraft aus und gelangen wieder zurück ins Wasserbad. Am höchsten Punkt des Ringkanals wird das heiße Gas erneut um 180° umgelenkt und strömt dann erneut nach unten durch die einzelnen Rohre eines ringförmig um den Ringkanal angeordneten Rauchrohrkessels als Abhitzekessel, wo seine Wärmeenergie an das Kesselwasser abgegeben wird. Das Rohgas verlässt den Abhitzekessel mit ca. 300°C dann seitlich durch einen Gasabgangsstutzen und wird zur weiteren Gasbehandlung geführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Flugstromvergaser erfolgt also eine Abhitzeverwertung nach einer Trennung von Rohgas und Schlacke.
Der Vorteil der Anströmung des Abhitzekessels von oben nach unten liegt darin begründet, dass hierbei durch den Wärmeentzug verbunden mit einer immer geringer werdenden Strömungsgeschwindigkeit des Rohgas noch im Gasstrom mitgerissene Schlacke- und Grobstaubpartikel auf Grund ihrer Schwerkraft in jedem Fall nach unten in einen Auffangraum fallen und damit nicht im Gasstrom verbleiben.
Bei dem erfindungsgemäßen Flugstromvergaser sind der zylinderförmige Quenchraum, der den Quenchraum konzentrisch umschließende Aufwärts-Ringkanal und der den Ringkanal konzentrisch umschließende Ablitzekessel auf einer Höhe angeordnet, wodurch diese Anordnung eine geringe Bauhöhe und eine geringe Oberfläche des druckfesten Gehäuses aufweist.
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 einen erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor mit Rauchrohrkessel.
In einem Vergasungsreaktor 1 werden Stein- oder Braunkohlen mit unterschiedlichen Aschegehalten bei Vergasungsdrücken zwischen 2 und 8 MPa (20 bis 80 bar) mit Sauerstoff bei Reaktionsraumtemperaturen von ca. 1500°C bis 1800°C nach dem Flugstromverfahren vergast.
Der Kohlenstaub wird dabei als Gas-Feststoff- oder Flüssig-Feststoff-Suspension dem Vergasungsreaktor 1 zugeführt und mit Sauerstoff umgesetzt. Hierbei entsteht ein Rohgas, das mit ca. 1500°C bis 1800°C gemeinsam mit der flüssigen Schlacke über den Schlackeablaufkörper 2 in den Quenchraum 3 gelangt und durch die Zuführung von Kühlmittel auf ca. 900°C abgekühlt wird. Das Kühlmittel, das aus Wasser, Wasserdampf oder kalten, sauerstofffreien Gasen bestehen mag, wird über Düsen 4, die zwischen Schlackeablaufkörper und Quenchraum münden, in den Quenchraum eingedüst.
Das nach 1 teilgekühlte Rohgas wird durch den Quenchraum 3, der im Wesentlichen rohrförmig begrenzt ist, bis zu einem zwischen Quenchraum und einem Wasserbad 6 befindlichen Freiraum 5 geführt und um 180° nach oben umgelenkt. Dabei werden Schlacke- und Grobstaubpartikel 14 abgeschieden, im Wasserbad gekühlt, als Schlackeablagerung 15 gesammelt und über die Schlackeabführung 16 ausgeschleust.
Das teilgekühlte und im Freiraum 5 um 180° umgelenkte Rohgas strömt in einem Ringkanal 7, der einen Ringraum bildet und der den Quenchraum im Wesentlichen konzentrisch umschließt, nach oben. An der höchsten Stelle des Ringkanal 7, der Umlenkung 8, wird das Rohgas erneut um 180° umgelenkt und strömt nun durch die Rauchrohre 9 eines Abhitzekessels 10, der als Rauchrohrkessel ausgestaltet ist und der den Ringkanal 7 im Wesentlichen konzentrisch umschließt, nach unten und gibt seine fühlbare Wärme bis auf Temperaturen von ca. 300°C ab. Am unteren Ende des Abhitzekessels ist ein Schlacke- und Grobstaubpartikelsammelraum 17 angeordnet, in dem sich vom Rohgas mitgeführte Partikel sammeln. Der Grobstaubpartikelsammelraum kann regelmäßig über einen Schlacke- und Grobstaubpartikelaustrag 18 geleert werden. Das Rohgas tritt über einen im unteren Bereich des Abhitzekessels, oberhalb des Schlacke- und Grobstaubpartikelaustrags angeordneten Rohgasaustritt 11 aus und wird Kühl- und Reinigungssystemen zugeführt. Das Kesselspeisewasser für den Abhitzekessel wird über Stutzen 12 zugeführt und das Heißwasser gelangt über Stutzen 13 zur Dampftrommel und zu Verbrauchern.
Vergasungsreaktor 1, Quenchraum 3 und Abhitzekessel 10 sind von einem druckfesten Gehäuse umschlossen.
Vergasungsreaktor 1, Quenchraum 3 und Abhitzekessel 10 nach 1 sind hintereinander so angeordnet, dass über Flanschverbindung Montier- und Trennbarkeit besteht.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsreaktor
2: Schlackeablaufkörper
3: Quenchraum
4: Kühlmittelzuführung
5: Freiraum zur Rohgasumlenkung unten
6: Wasserbad
7: Ringkanal zur Rohgasführung nach Oben
8: Freiraum zur Rohgasumlenkung oben
9: Rauchrohre
10: Abhitzekessel
11: Rohgasaustritt
12: Speisewasserzuführung
13: Speisewasserabführung
14: Schlacke
15: Schlackeablagerung
16: Schlackeabführung
17: Schlacke- und Grobstaubpartikelsammelraum
18: Schlacke- und Grobstaubpartikelaustrag

Claims

Flugstromvergaser zur Gewinnung von Energie zur Erzeugung von Dampf aus der fühlbaren Wärme des heißen Vergasungsgases und der zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzenen Brennstoffasche bei dem – ein Reaktionsraum (1) zur Vergasung fein aufgemahlener, aschehaltiger Brennstoffe im Flugstrom bei Vergasungstemperaturen oberhalb des Ascheschmelzpunktes gegeben ist, – der Reaktionsraum am unteren Ende über einen Schlackeablaufkörper (2) in einen Quenchraum (3) zur Teilquenchung von heißem Vergasungsrohgas und flüssiger Schlacke mittels Kühlmittel (4) auf Temperaturen von annähernd 900°C übergeht, – ein den Quenchraum umschließender Ringkanal (7) zur Führung des teilgequenchten Vergasungsrohgases nach oben angeordnet ist, – ein Wasserbad zur Aufnahme von Schlacke, das sich über den Durchmesser des Ringkanals erstreckt, unterhalb des Quenchraumes angeordnet ist, – ein den Ringkanal umschließender Abhitzekessel (10) zur Führung des teilgequenchten Vergasungsrohgases nach unten angeordnet ist.
Flugstromvergaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Ringkanals (7) so groß bemessen ist, dass das Rohgas mit geringer Geschwindigkeit nach oben strömt und im Rohgas verbliebene Schlacke- oder Grobstaubpartikel nach unten in das Wasserbad fallen.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des Ringkanals eine Gasumlenkung (B) gegeben ist derart, dass das Rohgas von einer aufsteigenden Strömung in dem Ringkanal in eine fallende Strömung in dem Abhitzekessel umgelenkt wird.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Abhitzekessels ein Sammelraum (17) derart angeordnet ist, dass das den Abhitzekessel von oben nach unten durchströmende Rohgas unter Abgabe seiner fühlbaren Wärme und seiner sich verlangsamenden Strömungsgeschwindigkeit mitgeführte kleine Schlacke- und Grobstaubpartikel in den Sammelraum abscheidet.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel derart ausgestaltet ist, dass das Rohgas auf ca. 250°C abgekühlt wird.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor (1), der Quenchraum (2) und der Abhitzekessel (10) lösbar miteinander verbunden sind.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal den Quenchraum konzentrisch umschließt.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel den Ringkanal konzentrisch umschließt.