DE102010026172B4 - Process for preventing deposits of carbonate-rich waters in the flow stream gasification - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Vermeidung von Ausfällungen von Erdalkalikarbonaten in Rohrleitungen und Apparaten der Flugstromvergasung bei der Kreislaufführung von Prozesswässern, demzufolge- die Prozesswässer, insbesondere Restquenchwasser aus dem Quencher (4), einer Entspannung und Staubabscheidung in einer Prozesswasseraufbereitung (15) unterzogen werden,- das wasserdampfgesättigte Rohgas aus dem Flugstromvergasungsreaktor (3) in einer Rohgaswäsche (7) entstaubt wird,- danach für das Rohgas in einer exothermen Rohgaskonvertierung (8) das erforderliche CO/H-Verhältnis eingestellt wird,- danach aus der Abkühlung des Rohgases in einer Abhitzegewinnung und Kühlung (9) ein CO-reiches Kondensat (16), das frei von Erdalkalien ist, gewonnen wird und- das CO-reiche Kondensat (16) in einem Sammeltank (19) dem aufbereiteten Prozesswasser (18) nach der Entspannung und Staubabscheidung und vor einer Temperaturerhöhung des Kreislaufwassers (12) in einer Kreislaufwasseraufheizung (14) zugesetzt wird.Process for avoiding precipitation of alkaline earth carbonates in pipelines and apparatus of the entrained flow gasification in the recycling of process water, according to which the process water, in particular residual quench water from the quencher (4), a relaxation and dust separation in a process water treatment (15) are subjected, - the water vapor saturated raw gas from the entrained flow gasification reactor (3) in a crude gas scrubber (7) is dedusted, - then for the raw gas in an exothermic crude gas conversion (8) the required CO / H ratio is set, - then from the cooling of the raw gas in a waste heat recovery and cooling ( 9) a CO-rich condensate (16), which is free from alkaline earth, is recovered and the CO-rich condensate (16) in a collecting tank (19) the treated process water (18) after the expansion and dust separation and before a temperature increase the circulating water (12) is added in a circulating water heating (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Abscheidung von Erdalkalikarbonaten aus den Quench- und Waschwässern bei der Flugstromvergasung verhindert.The invention relates to a method which prevents the deposition of alkaline earth carbonates from the quench and wash waters in the entrained flow gasification.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergasung fester, flüssiger bzw. pastöser Brennstoffe, die erdalkalienhaltige Aschen aufweisen, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel unter normalem und erhöhtem Druck bis 10 MPa. Feste Brennstoffe sind dabei zu Staub aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse sowie andere mahlbare Feststoffe mit einem Heizwert größer 7 MJ/kg. Unter flüssigen Brennstoffen sind schlammartige Öl-Feststoff-Suspensionen oder Wasser-Feststoff-Suspensionen zu verstehen, wie beispielsweise Kohle-Wasser-Slurries. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird so gewählt, dass die Vergasungstemperaturen über dem Schmelzpunkt der Asche liegen. Dadurch wird die Brennstoffasche zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen, die gemeinsam mit dem Vergasungsrohgas den Vergasungsraum verlässt und direkt durch Einspritzen von Wasser in einem Quenchraum oder indirekt durch Wärmeabfuhr in einem Abhitzekessel gekühlt wird. Eine solche Vergasungsvorrichtung geht aus DE 197 18 131 A1 hervor.The invention relates to a process for the gasification of solid, liquid or pasty fuels having ashlar-containing ashes, with a free oxygen-containing oxidant under normal and elevated pressure to 10 MPa. Solid fuels are pulverized coal of different rank, petroleum cokes and other grindable solids with a calorific value greater than 7 MJ / kg. By liquid fuels are meant sludge-like oil-solid suspensions or water-solid suspensions, such as coal-water slurries. The ratio of fuel to oxygen-containing gasifiers is selected so that the gasification temperatures are above the melting point of the ash. As a result, the fuel ash is melted into liquid slag, which leaves the gasification space together with the gasification raw gas and is cooled directly by injecting water in a quenching chamber or indirectly by heat removal in a waste heat boiler. Such a gasification device goes out DE 197 18 131 A1 out.

Eine ausführliche Beschreibung eines Vergasungsverfahrens findet sich weiterhin in J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, ab Seite 32.A detailed description of a gasification process can be found in J. Carl u. a., NOELL CONVERSION PROCESS, EF publishing house for energy and environmental technology GmbH, starting from page 32.

Während der direkten oder indirekten Kühlung und nachfolgenden Wasserwäsche kommt es bei den hohen Verfahrensdrücken und -temperaturen zur Lösung von Kalziumkarbonat, das in den anfallenden Kondensaten und Waschwässern die Sättigungsgrenze erreicht. Daraus erwächst das betriebstechnische Problem, dass bei Temperatur- und Druckänderungen Kalziumkarbonat aus den Wässern ausfällt und an den Wänden der Rohrleitungen abgelagert wird. Das tritt besonders erschwerend in basischen Prozesswässern auf, die ihre Ursache im während der Vergasung gebildeten Ammoniak haben. Nach der Gleichung HCO3 - + OH- → CO3 -- + H2O wandelt sich zusätzlich lösliches Bikarbonat in schwerlösliches Karbonat um. Rohrleitungsverengungen bis zur vollständigen Verstopfung sind die Konsequenz. Versuche mit chemischen Zusätzen und physikalischen Maßnahmen, wie dem Anlegen von Magnetfeldern, führen nicht zur Verbesserung der Situation.During the direct or indirect cooling and subsequent water washing, the high process pressures and temperatures result in the solution of calcium carbonate, which reaches the saturation limit in the condensates and washings produced. This causes the operational problem that calcium carbonate precipitates out of the water during temperature and pressure changes and is deposited on the walls of the pipelines. This occurs particularly aggravating in basic process waters, which have their cause in the ammonia formed during gasification. After the equation HCO 3 - + OH - → CO 3 - + H 2 O In addition, soluble bicarbonate converts into sparingly soluble carbonate. Pipe constrictions to complete blockage are the consequence. Experiments with chemical additives and physical measures, such as the application of magnetic fields, do not lead to an improvement of the situation.

Aus der DE 10 2007 037 860 A1 ist für den Quenchprozess einer Flugstromvergasungsanlage bekannt, dass bei einem Anstieg des pH-Wertes des Kreislaufwassers in den alkalischen Bereich auf Werte > 6,5 eine verstärkte Ablagerung von Karbonaten auftritt.From the DE 10 2007 037 860 A1 For the quenching process of an entrained-flow gasification plant, it is known that an increase in the pH of the circulating water into the alkaline range to values> 6.5 results in an increased deposition of carbonates.

Aus der DE 10 2008 047 930 A1 ist eine direkte Rohgaskühlung in der Flugstromvergasung bekannt, bei der Kondensationsverluste minimiert werden sollen. Hierbei wird das bei der Flugstromvergasung erzeugte Rohgas zunächst entstaubt und CO-konvertiert. Das entstaubte und COkonvertierte Rohgas wird durch Direktkontakt mit Ergänzungswasser gekühlt. Das erwärmte Ergänzungswasser wird dem Prozesswasserkreislauf für die Quenchung zugeführt.From the DE 10 2008 047 930 A1 is a direct raw gas cooling in the entrained flow gasification known to be minimized in the condensation losses. Here, the raw gas generated during the entrainment gasification is first dedusted and CO-converted. The dedusted and COkonvertierte raw gas is cooled by direct contact with supplementary water. The heated make-up water is fed to the process water circuit for quenching.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Kreislauf geführten, kalziumkarbonatreichen Prozesswässer einer Flugstromvergasungseinrichtung so zu behandeln, dass eine Ausfällung von Kalziumkarbonat weitgehend verhindert wird.The object of the invention is to treat the circulating, calcium carbonate-rich process waters of an entrainment gasification device in such a way that precipitation of calcium carbonate is largely prevented.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruches gelöst. Der Unteranspruch gibt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Neuerung wieder.The object is achieved by a method having the features of the first claim. The dependent claim is a further advantageous embodiment of the innovation again.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, kalkarme oder -freie, CO2-haltige Wässer aus dem Verfahren den kalkreichen bzw. kalkgesättigten Abwässern zuzusetzen. Dies ist dann besonders bedeutungsvoll, wenn durch intensive Kreislaufführung der Frischwasserbedarf begrenzt werden soll. Zusätzlich wird durch Ausschleusung von Ammoniak aus den Wasserkreisläufen der pH-Wert zum sauren Bereich verschoben, so dass die Bikarbonatumwandlung zu Karbonat nicht stattfindet.According to the invention, low-lime or -free, CO 2 -containing waters from the process are added to the lime-rich or lime-saturated wastewaters. This is particularly significant if the fresh water requirement is to be limited by intensive recycling. In addition, by discharging ammonia from the water cycles, the pH is shifted to the acidic region, so that the bicarbonate conversion to carbonate does not take place.

Durch den Zusatz der CO2-reichen Wässer wird das Kalziumkarbonat nach folgender Gleichung in Bikarbonat umgewandelt: CaCO3 + H2CO3 = Ca (HCO3)2 und die Ausfällung vom Karbonat aus bikarbonatreichem Wasser verhindert. Kalziumbikarbonat ist im Gegensatz zum Karbonat bis zu höheren Konzentrationen in Wasser lösbar. Werden bikarbonatreiche Wässer entspannt, so wird Kohlendioxid freigesetzt und die o. g. Gleichung verläuft von rechts nach links. Dann ist die Gefahr von Ablagerungen in Rohrleitungen und Apparaten besonders groß.By adding CO 2 -rich waters, the calcium carbonate is converted into bicarbonate according to the following equation: CaCO 3 + H 2 CO 3 = Ca (HCO 3 ) 2 and prevents precipitation of the carbonate from bicarbonate-rich water. Calcium bicarbonate, unlike carbonate, is soluble in water to higher concentrations. If bicarbonate-rich waters are released, carbon dioxide is liberated and the above equation runs from right to left. Then the risk of deposits in piping and apparatus is particularly great.

Die kohlendioxidreichen Wässer werden als prozesseigene Kondensate, insbesondere nach den Prozessstufen der Roh- bzw. Reingaskonvertierung, gewonnen.The carbon dioxide-rich waters are recovered as process-specific condensates, in particular according to the process stages of the raw or clean gas conversion.

Die Erfindung wird im Folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand von zwei Figuren erläutert. The invention will be explained in the following in an embodiment with reference to two figures.

Dabei zeigen:

  • 1: ein Vergasungsverfahren mit integrierter Rohgaskonvertierung
  • 2: ein Vergasungsverfahren mit nachgeschalteter Reingaskonvertierung
Showing:
  • 1 : a gasification process with integrated raw gas conversion
  • 2 : a gasification process with downstream clean gas conversion

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate like elements.

Dem in 1 dargestellten Flugstromvergasungsreaktor werden über die Leitungen 1 und 2 staubförmiger Brennstoff und eine O2/Dampfmischung als Vergasungsmittel zugeführt. Die Reaktion vollzieht sich in einer Vergasungsflamme bei einem Druck von 4 MPa und einer Temperatur von 1600 °C im Vergasungsreaktor 3. Das heiße Vergasungsgas und die zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzene Brennstoffasche gelangen in die Quenchung 4, in der durch Einspritzen von Wasser durch die Quenchdüsen 5 im Überschuss Rohgas und Schlacke gekühlt werden, wobei das Rohgas bei ca. 210 °C mit Wasserdampf gesättigt und die Schlacke granuliert wird. Die Schlacke wird im Wasserbad über die Schlackeabführung 6 aus der Quenchung 4 entfernt und aus dem Prozess ausgeschleust. Das überschüssige Quenchwasser gelangt staubbeladen über die Restquenschwasserleitung 17 in die Prozesswasseraufbereitung 15. Das wasserdampfgesättigte Rohgas wird über die Rohgasleitung 11 aus dem Quencher 4 in die Rohgaswäsche 7 überführt. Diese wird mit aufbereitetem Prozesswasser, Kondensaten aus dem Prozess oder Frischwasser betrieben. Die Temperatur in der Rohgaswäsche 7 wird nach Möglichkeit im Bereich der Quenchtemperatur gehalten. Das staubfreie, wasserdampfgesättigte Rohgas gelangt danach in die Rohgaskonvertierung 8, in der durch die Reaktion CO + H2O = CO2 + H2 das für die spätere Weiterverarbeitung erforderliche CO/H2-Verhältnis eingestellt wird. Das Rohgas wird durch die exotherme Reaktion auf ca. 360 °C aufgeheizt und danach der Abhitzegewinnung und Kühlung 9 zugeführt sowie auf ca. 30 °C abgekühlt. Anschließend gelangt das Rohgas 10 zur Weiterbehandlung in nachfolgende Anlagenteile. In der Abhitzegewinnung und Kühlung 9 fallen Kondensate 16 an, die aufgrund der hohen CO2-Partialdrücke im Rohgas nach der Konvertierung hohe CO2-Gehalte aufweisen. Beispielsweise wurden folgende Konzentrationen gefunden: CO3 2- / HCO3 - 853 mg/l HS- / S2- 31 mg/l pH 5,5 The in 1 represented entrained flow gasification reactor via the lines 1 and 2 dust-like fuel and an O 2 / steam mixture supplied as a gasifying agent. The reaction takes place in a gasification flame at a pressure of 4 MPa and a temperature of 1600 ° C in the gasification reactor 3 , The hot gasification gas and the fuel ash molten to liquid slag enter the quenching 4 in which by injecting water through the quench nozzles 5 in excess crude gas and slag are cooled, the crude gas at about 210 ° C saturated with water vapor and the slag is granulated. The slag is in a water bath on the slag removal 6 from the quenching 4 removed and removed from the process. The excess quench water passes through the residual quench water line with dust 17 into the process water treatment 15 , The water vapor-saturated raw gas is passed through the crude gas line 11 from the quencher 4 in the raw gas scrubbing 7 transferred. This is operated with treated process water, condensates from the process or fresh water. The temperature in the raw gas scrubber 7 is kept within the range of the quenching temperature if possible. The dust-free, water vapor-saturated crude gas then passes into the crude gas conversion 8th in the reaction CO + H 2 O = CO 2 + H 2 the required for the subsequent further processing CO / H 2 ratio is set. The raw gas is heated by the exothermic reaction to about 360 ° C and then the waste heat recovery and cooling 9 fed and cooled to about 30 ° C. Subsequently, the raw gas passes 10 for further treatment in subsequent system parts. In waste heat recovery and cooling 9 fall condensates 16 on, which have high CO 2 contents due to the high CO 2 partial pressures in the raw gas after the conversion. For example, the following concentrations were found: CO 3 2- / HCO 3 - 853 mg / l HS - / S 2- 31 mg / l pH 5.5

Da die Kondensate frei von Erdalkalien sind, kann das Kohlendioxid nur physikalisch gelöst und als Kohlensäure H2CO3 vorliegen, was der niedrige pH-Wert auch belegt.Since the condensates are free of alkaline earths, the carbon dioxide can only be physically dissolved and present as carbonic acid H 2 CO 3 , which also proves the low pH.

Restquenchwasser aus dem Quencher 4 gelangt über die Restquenchwasserleitung 17 in die Prozesswasseraufbereitung 15, in der zunächst eine zweistufige Entspannung auf ca. 0,06 MPa vorgenommen, in einem Eindicker die Dünnphase abgetrennt und aus dem Dickschlamm in einer Filterpresse der Feststoff abgeschieden wird. Die Dünnphase wird gemeinsam mit dem Filterablauf als aufbereitetes Prozesswasser 18 dem Wassersammeltank 19 zugeführt. Durch die Entspannung des Restquenchwassers wird CO2 freigesetzt, das Wasser wird alkalisch und die Karbonatabscheidung steigt. Für das entspannte und von Staub befreite Restquenchwasser, das als aufbereitetes Prozesswasser 18 über den Wassersammeltank 19 in den Kreislauf zurückgeführt wird, ergeben sich folgende Werte: CO3 2-, HCO3 - 800 mg/l HS-, S2- 10 mg/l NH4 + 500 mg/l pH 8 Residual quench water from the quencher 4 passes over the Restquenchwasserleitung 17 into the process water treatment 15 , in which initially made a two-stage relaxation to about 0.06 MPa, separated in a thickener, the thin phase and from the thick sludge in a filter press, the solid is deposited. The thin phase, together with the filter effluent, is treated as process water 18 the water collection tank 19 fed. By the relaxation of the residual quench water, CO 2 is released, the water becomes alkaline and the carbonate deposition increases. For the relaxed and dust-free residual quench water, as treated process water 18 over the water collection tank 19 is returned to the cycle, the following values result: CO 3 2- , HCO 3 - 800 mg / l HS - , S 2- 10 mg / l NH 4 + 500 mg / l pH 8th

Da die CaCO3-Löslichkeit bei diesen Temperaturen nur bei ca. 15 mg/l liegt, ist die Gefahr von Ablagerungen sehr groß. Durch die Zumischung des CO2-reichen Kondensates 16 in den Sammeltank 19 wird das Karbonat-Bikarbonat-Gleichgewicht in Richtung des löslichen Bikarbonates verschoben. Aus dem Wassersammeltank 19 wird das aus aufbereitetem Restquenchwasser 18, Waschwasser und Kondensat 16 gebildete Kreislaufwasser 12 über die Kreislaufpumpe 13 und eine Kreislaufwasseraufheizung 14 den Quenchdüsen 5 wieder zugeführt. Natürlich kann das in der Abhitzegewinnung und Kühlung 9 anfallende Kondensat 16 auch, zumindest teilweise, direkt als Waschwasser für die Rohgaswäsche 7 genutzt werden. Um die mit der Kohle eingetragenen Salze und den Ammoniakgehalt zu begrenzen, wird ein bestimmter Teil des Kreislaufwassers über die Wasserabführung 20 abgeführt und chemisch aufbereitet. Die abgeführte Menge ist abhängig vom Salzgehalt der Kohle.Since the CaCO3 solubility at these temperatures only at approx . 15 mg / l, the risk of deposits is very high. By adding the CO 2 -rich condensate 16 in the collection tank 19 the carbonate-bicarbonate equilibrium is shifted in the direction of the soluble bicarbonate. From the water collection tank 19 this is made from recycled residual quench water 18 , Wash water and condensate 16 formed circulating water 12 via the circulation pump 13 and a circulating water heating 14 the quench nozzles 5 fed again. Of course this can be done in waste heat recovery and cooling 9 accumulating condensate 16 also, at least in part, directly as washing water for raw gas scrubbing 7 be used. In order to limit the coal salts and the ammonia content, a certain part of the circulating water becomes via the water removal 20 discharged and chemically treated. The amount discharged depends on the salt content of the coal.

Vielfach wird keine Rohgas-, sondern eine Reingaskonvertierung eingesetzt, wie in 2 gezeigt. Dann schließt sich an die Rohgaswäsche 7 beispielsweise eine Entschwefelungsanlage 21 an, bevor das entschwefelte Rohgas in einer Reingaskonvertierung 22 auf das erforderliche CO/H2-Verhältnis eingestellt wird. Das Kondensat 16 fällt in dieser Variante in einer der Reingaskonvertierung 22 nachgeschalteten Abhitzegewinnung und Kühlung 9 an. Die Kreislauffahrweise bleibt wie beschrieben erhalten.In many cases, no raw gas, but a clean gas conversion is used, as in 2 shown. Then joins the Rohgaswäsche 7 For example, a desulfurization 21 before the desulfurized raw gas in a clean gas conversion 22 adjusted to the required CO / H 2 ratio. The condensate 16 falls in this variant in one of the clean gas conversion 22 downstream waste heat recovery and cooling 9 at. The circulation procedure is maintained as described.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzuführungfuel supply
22
VergasungsmittelzuführungGasifying agent supply
33
Vergasungsreaktorgasification reactor
44
Quenchungquenching
55
Quenchdüsenquench nozzles
66
Schlackeabführungslag removal
77
Rohgaswäscheraw gas scrubbing
88th
Rohgaskonvertierungcrude gas
99
Abhitzegewinnung und KühlungHeat recovery and cooling
1010
Rohgas zur WeiterbehandlungRaw gas for further treatment
1111
Rohgasleitung aus der QuenchungRaw gas line from quenching
1212
Kreislaufwasser zur QuenchungCirculating water for quenching
1313
KreislaufpumpeCirculation pump
1414
KreislaufwasseraufheizungCirculating water heating
1515
ProzesswasseraufbereitungProcess water treatment
1616
kohlendioxidreiches Kondensatcarbon dioxide-rich condensate
1717
RestquenchwasserleitungRestquenchwasserleitung
1818
aufbereitetes Prozesswasserprocessed process water
1919
WassersammeltankWater collection tank
2020
Wasserabführungdrainage
2121
Entschwefelungdesulphurization
2222
ReingaskonvertierungClean gas conversion

Claims (2)

Verfahren zur Vermeidung von Ausfällungen von Erdalkalikarbonaten in Rohrleitungen und Apparaten der Flugstromvergasung bei der Kreislaufführung von Prozesswässern, demzufolge - die Prozesswässer, insbesondere Restquenchwasser aus dem Quencher (4), einer Entspannung und Staubabscheidung in einer Prozesswasseraufbereitung (15) unterzogen werden, - das wasserdampfgesättigte Rohgas aus dem Flugstromvergasungsreaktor (3) in einer Rohgaswäsche (7) entstaubt wird, - danach für das Rohgas in einer exothermen Rohgaskonvertierung (8) das erforderliche CO/H2-Verhältnis eingestellt wird, - danach aus der Abkühlung des Rohgases in einer Abhitzegewinnung und Kühlung (9) ein CO2-reiches Kondensat (16), das frei von Erdalkalien ist, gewonnen wird und - das CO2-reiche Kondensat (16) in einem Sammeltank (19) dem aufbereiteten Prozesswasser (18) nach der Entspannung und Staubabscheidung und vor einer Temperaturerhöhung des Kreislaufwassers (12) in einer Kreislaufwasseraufheizung (14) zugesetzt wird.Process for avoiding precipitation of alkaline earth carbonates in pipelines and apparatus of entrained flow gasification in the recycling of process waters, according to which - the process waters, in particular quenching water quench (4), a relaxation and dust separation in a process water treatment (15) are subjected, - the water vapor saturated raw gas dedusted from the entrained flow gasification reactor (3) in a crude gas scrubber (7), - then the required CO / H 2 ratio is set for the crude gas in an exothermic crude gas conversion (8), - then from the cooling of the raw gas in a Abhitzegewinnung and cooling (9) a CO 2 -rich condensate (16), which is free from alkaline earths, and - the CO 2 -rich condensate (16) in a collecting tank (19) the treated process water (18) after the expansion and dust separation and before a temperature increase of the circulating water (12) in a Kreislaufwasseraufheizung (14) is set. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung des Salz- und Ammoniakgehaltes des Kreislaufwassers ein Teil des Kreislaufwassers über eine Wasserabführung (20) aus dem Kreislauf ausgeschleust wird.Method according to Claim 1 characterized in that to limit the salt and ammonia content of the circulating water, a portion of the circulating water via a water outlet (20) is discharged from the circulation.
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