DE102010026676B4

DE102010026676B4 - Aufbereitung von Prozesswässern der Flugstromvergasung

Info

Publication number: DE102010026676B4
Application number: DE102010026676.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schingnitz Manfred; Peter Taffelt; Andreas Wünsche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2030-07-10
Also published as: DE102010026676A1

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von Russwässern, die sich aus dem Restquenchwasser und Waschwässern bei der Behandlung von Rohgas der Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen zusammensetzen, wobei die Flugstromvergasung bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa (100 bar) durchgeführt wird und das erzeugte Russwasser den gleichen Druck und Temperaturen bis 260°C aufweist, demzufolge das Russwasser in mehreren Stufen entspannt wird, wobei durch die Entspannung Dampfsschwaden freigesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die freigesetzten Dampfsschwaden das eine niedrigere Temperatur aufweisende Russwasser der nächsten Entspannungsstufe aufheizen, dadurch zusätzliche Dampfschwaden generieren und selbst kondensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Aufbereitung von Prozesswässern der Flugstromvergasung mit Gewinnung eines hohen Kondensatanteiles mit den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1, 12 und 13.
Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Technologie der Kreislaufführung von Prozesswässern in der Flugstromvergasung, bei der feste und flüssige Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Drücken bis 10 MPa und Temperaturen bis 1.850°C in ein H₂- und CO- reiches Rohgas umgesetzt werden. Die Technologie ist ausführlich in „Die Veredelung und Umwandlung von Kohle” herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V., Dez. 2008, Kapitel GSP-Vergasung, beschrieben worden. Danach wird das mit Temperaturen bis 1.850°C den Vergasungsraum verlassende Rohgas zunächst in einem Quenchraum durch Einspritzen von Wasser im Überschuss bis zur Wasserdampfsättigung gekühlt, bei einem Vergasungsdruck von 4 MPa entspricht das ca. 210°C und anschließend in Wascheinrichtungen vom mitgeführten Staub befreit. Die Schlacke sammelt sich im Wassersumpf des Quenchraumes und wird gemeinsam mit Schlackewasser ausgeschleust. Das Überschusswasser aus der Quenchung wird gemeinsam mit Waschwässern und anfallenden Kondensaten als Russwasser einer Abscheidung der Feststoffe unterzogen, um es im Kreislauf dem Quench- und Waschprozess wieder zuführen zu können. Die Rohgaswäsche und die Russwasseraufbereitung sind in den und der oben angegebenen Literatur dargestellt. Danach wird das mit Russ und Feinschlacke beladene Russwasser zunächst vom Verfahrens- auf Umgebungsdruck entspannt, mit Flockungsmitteln versetzt und bei Umgebungsdruck arbeitenden Rundeindickern zugeführt. Die feststoffarme Dünnphase wird über Pumpen in die Quenchung zurückgeführt, der abgesetzte Schlamm wird über eine Filterpresse entwässert. Der Feststoff wird entsorgt oder der Vergasung wieder zugeführt, das abgetrennte Wasser gelangt mit der Dünnphase gemeinsam in den Prozess zurück.
Die dargestellte Technik weist verschiedene Nachteile auf, die zu erhöhten Kosten und Betriebsausfällen führen können. Hervorzuheben sind insbesondere Abscheidungen von Feinpartikeln gemeinsam mit der Ausfällung von Kalziumkarbonat, wodurch Ansätze aber auch Ablagerungen in Rohrleitungen sowie Verstopfungen in den feinen Kanälen der Quenchdüsen entstehen können. Die Kreislaufführung der Wässer führt außerdem zur Abscheidung von Salzen, z. B. von Ammonionkarbonat, zu deren Begrenzung eine gewisse Menge aus dem Kreislauf ausgeschleust werden muss.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 030 717 A1 ist für die Behandlung von Rußwasser einer Quench-Vergasungseinrichtung vorgeschlagen, das Russwasser vor der Entspannung durch Zumischung von Kaltwasser abzukühlen, wodurch die Geschwindigkeiten und der Verschleiß in den Armaturen reduziert werden. Mit der Abkühlung des Russwassers geht allerdings eine geringere Dampf- und damit Kondensatausbeute einher.
Aus der US 54 15 673 A ist eine Quench-Vergasungseinrichtung bekannt, bei der das Rußwasser (black water) aus dem Quenchsumpf in mehreren Stufen und gegebenenfalls auch in einer Vakuum-Stufe entspannt wird, wobei für die Quenchung bestimmtes Grauwasser (grey water) benutzt wird, um die Entspannungsschwaden aus der ersten Stufe auszukondensieren.
Aus der US 60 86 722 ist eine Technologie zur Abscheidung von Salzen, insbesondere von Ammoniumchlorid, aus Grauwässern der Vergasung verschiedenster Kohlenwasserstoffe unter Einsatz zweier Verdampfungsstufen eines Trommeltrockners und eines Kristalisators bekannt, wobei die zweite Verdampfungsstufe durch Dampf beheizt ist. Hierbei werden die Entspannungsschwaden zu einem wiederverwendbaren Waschwasser kondensiert, die angereichte Salzlösung wird weiter eingedickt und letztlich das Ammoniumchlorid gewonnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Quench- und Waschprozess des Vergasungsverfahrens anfallende sogenannte Russwasser so aufzubereiten, dass dabei ein erhöhter Anteil an salzfreiem Kondensat entsteht, ohne dass dafür zusätzliche Energie aufgewendet werden müsste.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 12 und 13 gelöst.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, durch Aufheizen des Russwassers einer zweiten oder weiteren Entspannungsstufe mittels Schwaden aus einer vorangegangenen Entspannungsstufe die gewonnene Menge an salzfreiem Kondensat sowohl aus der ersten Entspannungsstufe als auch aus der zweiten oder weiteren Entspannungsstufe zu erhöhen, wobei der Aufwand zusätzlicher Energie, sei es für gesonderten Prozessdampf oder für eine gegebenenfalls vorzusehende Kühlanlage, entbehrlich ist.
Es wird vorgeschlagen, in der ersten Entspannungsstufe des Russwassers hauptsächlich aus Wasserdampf bestehende Schwaden zur Aufheizung des Russwassers der zweiten oder weiteren Entspannungsstufen, im Allgemeinen: nachfolgender Entspannungsstufen, zu nutzen und damit eine mehrfache Menge an salzfreiem Kondensat zu gewinnen.
Abhängig vom Vergasungsdruck bis 10 MPa (100 bar) und damit vom Druck und der Temperatur bis 260°C können mehrere Entspannungsstufen angeordnet sein, wobei die Entspannung bis ins Vakuum (niedriger als Atmosphärendruck) geführt werden kann. Das nach der letzten Entspannungsstufe zurückbleibende Russwasser wird einer Feststoffabscheidung zugeführt, danach geht ein Teil in den Prozess zurück und ein anderer Teil wird aus dem Prozess ausgeschleust, um den Gesamt-Salzgehalt in den Kreisläufen so zu begrenzen, dass er im Russwasser vor der ersten Entspannungsstufe 10 g/l nicht übersteigt und der Chlorgehalt unter 2 g/l liegt.
Die Verringerung der Russwassermenge erhöht ihren Salzgehalt, wodurch die notwendige Salzausschleusung aus dem Prozess erleichtert wird.
Die der Russwasseraufbereitung zugeleitete Menge an Russwasser wird erheblich verringert, beispielsweise halbiert, was die Filtrierbarkeit erleichtert und erhebliche Investkosten einspart.
In einer besonderen Ausgestaltung wird der Russwasserinhalt einer Entspannungsstufe oder das von einer Entspannungsstufe abgegebene Russwasser durch externe Wärmezufuhr aufgeheizt, wodurch die Schwadenmenge erhöht und die Russwassermenge reduziert wird.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von drei Figuren erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Russwasserentspannung mit Aufheizung nach der zweiten Entspannungsstufe,
2 eine Russwasserentspannung mit indirekter Aufheizung durch Fremddampf nach der ersten Entspannungsstufe,
3 eine Russwasserentspannung mit indirekter Aufheizung durch Fremddampf im Entspannungsgefäß.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Beispiel 1:
In einer Anlage zur Flugstromvergasung von Steinkohlenstaub mit einer Leistung von 800 MW thermisch, die bei Vergasungstemperaturen bis 1.950°C und Drücken bis 10 MPa (100 bar) betrieben wird, fallen stündlich nach 1 165 Mg Abwasser als sogenanntes Russwasser an, das mit Restquenchwasser und Waschwasser einer Venturiwäsche gebildet ist. Dieses Russwasser wird mit einer Temperatur von 180°C und einem Druck von 4,2 MPa (42 bar) über die Leitung 1 einem Entspannungsgefäß 10 zugeführt und auf 1,2 bar entspannt, wobei die Temperatur auf 105°C fällt. Das teilentspannte Russwasser gelangt über die Leitung 2 in ein zweites Entspannungsgefäß 11. Durch die Druckabsenkung im Entspannungsgefäß 10 bilden sich Dampfschwaden in einer Menge von 24 Mg/h, die zunächst über eine Schwadenleitung 3 dem indirekt wirkenden Wärmeübertrager 12 zugeführt und in diesem kondensiert werden. Im zweiten Entspannungsgefäß 11 wird das Russwasser nun in einer Menge von 141 Mg/h weiter auf 0,3 bara entspannt und die dabei gebildeten 9 Mg/h Dampfschwaden über Leitung 5 abgeführt und mit den Schwaden aus dem Wärmeübertrager 12 in Leitung 7 vereinigt. Aus dem zweiten Entspannungsgefäß 11 werden unter den gleichen Parametern 132 Mg/h Russwasser dem Wärmeübertrager 12 zugeführt und durch die 105°C heißen Dampfschwaden von 24 Mg/h aus dem ersten Entspannungsgefäß 10 über Schwadenleitung 3 kommend, beheizt. Die Dampfschwaden aus Schwadenleitung 3 kondensieren dabei und verdampfen nochmals 24 Mg/h aus dem das Entspannungsgefäß 11 verlassende Russwasser und werden über Leitung 6 aus dem Wärmeübertrager 12 abgeführt, mit den anderen Schwadenmengen vereinigt, in einer Gesamtmenge von 57 Mg/h kondensiert und salz- sowie feststofffrei in den Kreislauf des Prozesses als Quench- oder Waschwasser über Leitung 16 wieder zugeführt. Das restliche Russwasser in einer Menge von 108 Mg/h wird mit 70°C und einem Druck von 0,3 bara über Leitung 8 zur weiteren Aufbereitung gebracht.
Beispiel 2
In Vergasungsprozessen fallen an den verschiedenen Stellen größere Mengen an Niederdampfdruck an, für den es keine sinnvolle Verwendung gibt. Im Beispiel 2 wird an Hand von 2 seine Verwendung zur Erzeugungen einer größeren Kondensatmenge gezeigt. Die Bedingungen gleichen weitgehend dem Beispiel 1. Die Russwassermenge von 165 Mg/h gelangt gleichfalls mit einer Temperatur von 180°C und einem Druck von 42 bar in das Entspannungsgefäß 10, nachdem es vorher, um Ablagerungen von Salzausscheidungen vorzubeugen, durch Zusatz einer Säure auf einen pH-Wert zwischen 4,0 und 6,5 gebracht wurde. Dadurch wird vermieden, dass bei der Entspannung beispielsweise Ammoniak mit den Schwaden abgetrieben wird und sich bei der Kondensation wieder gelöst wird. Die Schwadenmenge aus dem Entspannungsgefäß 10 beträgt gleichfalls 24 Mg/h in Leitung 3 und die teilentspannte Russwassermenge 141 Mg/h. Im Unterschied zum Beispiel 1 wird diese Russwassermenge zunächst einem mit Niederdruckdampf beheizten Wärmeübertrager 13 zugeführt, wobei die Dampfparameter 159°C und 6 bar betragen. Besagtes Russwasser besitzt Parameter von 105°C und 1,2 bara. Entsprechend der zugeführten Niederdruckdampfmenge in diesem Beispiel von 21 Mg/h, die durch die Wärmeübertragung kondensiert wird, entstehen zusätzlich 19 Mg/h Schwaden, die in Leitung 9 zusammengeführt, 43 Mg/h betragen. Das Dampfkondensat wird über Leitung 9 dem Dampfkreislauf wieder zugeführt. Diese Schwadenmenge mit den Parametern 105°C und 1,2 bara wird dem Wärmeübertrager 12 zugeführt, wobei aus dem Russwasser nochmals 43 Mg/h verdampft werden. Die durch die Entspannung im Entspanner 11 gebildete Schwadenmenge von 8 Mg/h wird über Leitung 5 mit der aus dem Wärmeübertrager 11 kommenden Menge von 43 Mg/h in Leitung 7 vereinigt, so dass 51 Mg/h entstehen und gemeinsam mit den 43 Mg/h aus Leitung 6 aus dem Entspanner 10 und dem Wärmeübertrager 13 eine Kondensatmenge von 94 Mg/h ergeben und über Leitung 16 dem Prozess als salzfreies Kondensat wieder zugeführt werden können. Das restliche Russwasser in einer Menge von 70 Mg/h wird über Leitung 8 der weiteren Russwasseraufbereitung zugeleitet. Die der Russwasseraufbereitung zugeleitete Menge an Russwasser wird von 165 auf 70 Mg/h verringert, was erhebliche Investkosten einspart. Die Menge an Prozesskondensat kann entsprechend dem Angebot an Niederdruckdampf weiter erhöht werden. Die Verringerung der Russwassermenge erhöht ihren Salzgehalt, wodurch die notwendige Salzausschleusung aus dem Prozess erleichtert wird.
In 3 ist gezeigt, dass die Beheizung auch direkt in einem modifizierten Entspannungsgefäß 14, 15 mittels integrierten Wärmetauschern stattfinden kann. Die modifizierten Entspannungsgefäß 14, 15 können die Wärmeübertrager 12, 13 überflüssig machen.
Bezugszeichenliste

1: Russwasserzuführung
2: Leitung teilentspannten Russwassers aus dem Entspannungsgefäß 10 bzw. 14
3: Schwadenleitung
4: Russwasser aus dem Entspannungsgefäß 11 bzw. 15
5: Schwadenleitung
6: Kondensatleitung
7: Schwadenleitung
8: Leitung für Restrusswasser
9: Schwadenleitung
10: Erstes Entspannungsgefäß
11: Zweites Entspannungsgefäß
12: Wärmeübertrager
13: Wärmeübertrager
14: Modifiziertes Entspannungsgefäß 10 mit integriertem Wärmetauscher
15: Modifiziertes Entspannungsgefäß 11 mit integriertem Wärmetauscher
16: Kondensat- und Schwadenabführung
17: Wärmetauscher
18: Wärmetauscher

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Russwässern, die sich aus dem Restquenchwasser und Waschwässern bei der Behandlung von Rohgas der Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen zusammensetzen, wobei die Flugstromvergasung bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa (100 bar) durchgeführt wird und das erzeugte Russwasser den gleichen Druck und Temperaturen bis 260°C aufweist, demzufolge das Russwasser in mehreren Stufen entspannt wird, wobei durch die Entspannung Dampfsschwaden freigesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die freigesetzten Dampfsschwaden das eine niedrigere Temperatur aufweisende Russwasser der nächsten Entspannungsstufe aufheizen, dadurch zusätzliche Dampfschwaden generieren und selbst kondensieren.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfschwaden aller Entspannungsstufen kondensieren und als salz- und feststofffreies Kondensat dem Prozess wieder zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass das salz- und feststofffreie Kondensat für die Quenchung und Waschung des Vergasungsrohgases eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Russwasser vor der Entspannung auf einen pH-Wert zwischen 4 und 6,5 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Russwasser durch Zusatz einer Säure auf einen pH-Wert zwischen 4,0 und 6,5 gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das entspannte Russwasser weiteren Aufbereitungsstufen wie einer Feststoffabscheidung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des von Feststoffen befreiten Russwassers in den Prozess zurückgeführt und ein weiterer Teil abgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Prozess abgeführte Teil des Russwassers zur Ausschleusung von Salzen genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass soviel entspanntes Russwasser aus dem Prozess ausgeschleust wird, dass der Gesamt-Salzgehalt des Russwassers vor Eintritt in die erste Entspannungsstufe auf 10 g/l und den Chloridgehalt auf 2 g/l begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfsschwaden einer Entspannungsstufe ihre Wärme an den Russwasserinhalt einer nachfolgenden Entspannungsstufe mittels eines Wärmetauschers (18) direkt abgeben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Russwasserinhalt einer Entspannungsstufe durch externe Wärmezufuhr, insbesondere über Wärmeübertrager 13 oder über Wärmetauscher (17), aufgeheizt wird.
Vorrichtung zur Aufbereitung von Russwässern, die sich aus dem Restquenchwasser und Waschwässern bei der Behandlung von Rohgas der Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen zusammensetzen, wobei die Flugstromvergasung bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa (100 bar) durchführbar ist und das Russwasser im Wesentlichen den gleichen Druck und Temperaturen bis 260°C aufweist, bei der mehrere Stufen zur Entspannung des Russwassers unter Abgabe von Dampfsschwaden angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (12) zur Zuführung der Wärme der von einer Entspannungsstufe abgegebenen Dampfsschwaden an das Russwasser einer nachfolgenden Entspannungsstufe und Erzeugung weiterer Dampfsschwaden.
Vorrichtung zur Aufbereitung von Russwässern, die sich aus dem Restquenchwasser und Waschwässern bei der Behandlung von Rohgas der Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen zusammensetzen, wobei die Flugstromvergasung bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa (100 bar) durchführbar ist und das Russwasser im Wesentlichen den gleichen Druck und Temperaturen bis 260°C aufweist, bei der mehrere Stufen zur Entspannung des Russwassers unter Abgabe von Dampfsschwaden angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (18), der mit dem Russwasserinhalt einer Entspannungsstufe (15) einen Wärmeübergang aufweist, der durch die Wärme der von einer vorausgehenden Entspannungsstufe (14) abgegebenen Dampfsschwaden (3) beheizbar ist und mittels dessen weitere Dampfsschwaden erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 13 gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (13), der in die Leitung (2), des insbesondere entspannten, Russwassers von einer Entspannungsstufe (10) zu einer nachfolgenden Entspannungsstufe (11) eingefügt ist und der mit Niederdruckdampf beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 14 gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (17, 18), der mit dem Russwasserinhalt einer Entspannungsstufe (14, 15) einen Wärmeübergang aufweist und der durch externe Wärmezufuhr beheizbar ist.