DE102010033323A1

DE102010033323A1 - Quenchregime für Vergasungsreaktoren höherer Leistungsklassen

Info

Publication number: DE102010033323A1
Application number: DE102010033323A
Authority: DE
Inventors: Torsten Bergt; Dietmar Degenkolb; Ronny Ehrich; Norbert Fischer; Thomas Fleischer; Dr. Just Tino
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Bei einem Flugstromvergaser ist ein Reaktionsraum (3) direkt über einem Quencher (2) angeordnet, wobei ein Leitrohr (B), das das Rohgas vom Reaktionsraum in den Quencher führt, in den Quenchraum ragt. Um das Leitrohr ist ein Kranz von Quenchdüsen (C1) zum Eindüsen von Quenchwasser in schräg nach unten geneigter Richtung in das Rohgas angeordnet. Weiter ist im Quenchraum mindestens ein Kranz von Quenchdüsen (C2) zum Eindüsen von Quenchwasser in horizontaler Richtung in das Rohgas angeordnet. Die erfindungsgemäße Kombination von in mehreren Ebenen angeordneter Quenchdüsen am Quenchermantel und unmittelbar am Gaseintritt in den Quencher angeordneter Düsen ermöglicht es auch bei größeren geometrischen Abmessungen, beispielsweise für Flugstromvergasungsreaktoren der Leistungsklasse 500 MW mit ihren größeren Quencherdurchmessern, den heißen Gasstrahl und die flüssige Schlacke optimal zu kühlen und zwar ohne dass die Quenchdüsen weit in den Quenchraum hineinragen, was zu einer ungewollten, den dauerhaften störungsfreien Betrieb behindernden Feststoffdisposition führen würde.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Quenchen von Rohgas eines Flugstromvergasers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Das autotherme Flugstromvergasungverfahren eignet sich für den Einsatz aschereicher fester und flüssiger sowie gasförmiger Einsatzstoffe. Der Einsatzstoff wird mittels freien Sauerstoff enthaltender Vergasungsmittel in einer Flammenreaktion, unter Drücken bis 10 MPa und bei Temperaturen bis 1900°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. 180°C–250°C gekühlt werden. Das durch die schlagartige Abkühlung gebildete Schlackegranulat sammelt sich im Wasserbad des Quenchers und wird ausgeschleust. Das gekühlte Gas wird seitlich aus dem Quencher geleitet und den Reinigungsstufen zugeführt.
Die Rohgaskühlung erfolgt durch gezieltes Eindüsen von Wasser mittels Quenchdüsen. Diese sind in Zahl und Anordnung so gewählt, dass bei allen möglichen Betriebszuständen eine sichere Kühlung des heißen Rohgases realisiert werden kann.
Die momentan verfügbaren Reaktorkonzepte haben eine Leistung von ca. 500 MW thermisch.
Für die Projektierung einer IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle-Gas und Dampf-Kraftwerk mit integrierter Kohlevergasung)-Anlage, optional mit CCS(Carbon Capture and Storage-Kohlendioxidabtrennung und -speicherung), wird ein neues Reaktorkonzept mit einer thermischen Leistung von 850 MW entwickelt. Die neue Leistungsklasse hat nicht nur eine höhere Kompatibilität mit verfügbaren GuD-Kraftwerken, sondern führt zusätzlich zu einer Verringerung der spezifischen Investitionskosten und zu einer Erhöhung der Gesamtanlagenverfügbarkeit. Die angestrebte Leistungssteigerung führt neben einer signifikanten Erhöhung der möglichen Durchsätze natürlich auch zu einer deutlichen Vergrößerung der Ausrüstungskomponenten und der erforderlichen Medienströme. So wird durch die größere erzeugte Rohgasmenge zum Einen mehr Wasser für die Quenchung und zum Anderen ein größeres Quenchervolumen benötigt. Diese beiden Punkte sind mit der bisherigen Ausführung von Zahl und Anordnung der Quenchdüsen nicht mehr zu realisieren.
Aus der DD 280 975 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung und Reinigung von mit Schlacke und auch Staub beladenen Druckvergasungsgasen bekannt, bei der in einem Quencher mehrere Sprühkränze auf unterschiedlichen Niveaus derart angeordnet sind, dass der Sprühkegel des Kühlwassers eine ausgeprägte radiale Komponente zum allseitig besprühten Gasstrahl besitzt und zwangsweise senkrecht nach unten geführt wird. Wahlweise umhüllt eine parallel zum Gasstrahl verdüste und nach unten gerichtete zusätzliche Kühlflüssigkeit das Druckvergasungsgas allseitig. Bei dieser Vorrichtung weist der Sprühkranz für die nach unten gerichtete Kühlflüssigkeit einen größeren Durchmesser gegenüber den Sprühkränzen für die Zuführung von Kühlwasser mit ausgeprägter radialer Komponente auf.
Aus der DE 2650512 ist eine Vorrichtung zum Reinigen von durch chemische Kohlevergasung erzeugtem Synthesegas von Schlacke bekannt, wobei das den Reaktor verlassende Synthesegas spontan auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei welcher die flugfähigen flüssigen Schlacketröpfchen im Synthesegas in feste Schlackekörner übergehen. Bei dieser Vorrichtung ist die senkrecht gerichtete Wandung der Gasführungsleitung mit Kühlmittel führenden Rohren versehen und ist oberhalb der Gasführungsleitung eine mit Kühlmittelsprührohren gebildete Zuführungseinrichtung für das Kühlmittel angeordnet. Dabei wird auch die Mitte des Strömungsquerschnitts des Gasstromes durch die unmittelbare Kühlung durch das eingesprühte Kühlmittel gekühlt, so dass auf jeden Fall ein schnelles Erstarren der flüssigen Schlacketröpfchen erfolgen und die Bauhöhe der Vorrichtung hierdurch herabgesetzt werden kann. Die Kühlmittelsprührohre sind im Wesentlichen unterhalb der Ringleitung angeordnet, durch die das Synthesegas aus dem Reaktor in die Vorrichtung eintritt. Diese Anordnung kann zu einem Aufwachsen von Schlackepartikeln auf den Kühlmittelsprührohren führen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für die Reaktorklassen größer 500 MW eine Ausführungsvariante der Anordnung der Quenchwasserzuführung anzugeben, bei der das heiße Rohgas auch bei einer beschriebenen Vergrößerung der Ausrüstungen noch sicher gekühlt werden kann.
Das Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung ermöglicht eine sichere Kühlung des heißen Rohgases bei Konzepten für Flugstromvergasungsreaktoren in der Leistungsklasse größer 500 MW.
Die Installation einer Quenchwasserzuführung direkt am Leitrohr ermöglicht eine sichere Kühlung des heißen Rohgases auch bei einer deutlichen Vergrößerung der Equipmentabmessungen.
Die erfindungsgemäße Konfiguration, d. h. die Kombination von in mehreren Ebenen angeordneter Quenchdüsen am Quenchermantel und unmittelbar am Gaseintritt in den Quencher angeordneter Düsen ermöglicht es auch bei größeren geometrischen Abmessungen, insbesondere bei größeren Durchmessern, den heißen Gasstrahl und die flüssige Schlacke optimal zu kühlen und zwar ohne dass die Quenchdüsen weit in den Quenchraum hineinragen, was zu einer ungewollten, den dauerhaften störungsfreien Betrieb behindernden Feststoffdisposition führen würde.
Die gewählte Konfiguration ist mit geringfügigen Modifikationen auch für zukünftig angestrebte Leistungen größer 850 MW adaptierbar.
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 prinzipielle Darstellung eines Flugstromvergasers mit dem erfindungsgemäßen Quencher.
Die Erfindung betrifft eine Ausführung der konstruktiven und verfahrenstechnischen Umsetzung einer Rohgaskühlung mittels Wasser(-Voll)-quenchung für Flugstromvergasungsreaktoren mit einer Leistung größer 500 MW.
Die angestrebte Leistungssteigerung führt zu einer Vergrößerung der Ausrüstungskomponenten. Bedingt durch die höhere Rohgasproduktion ist, zur Realisierung einer ausreichenden Verweilzeit im Quencher, ein größeres Quenchervolumen notwendig, was dazu führt, dass die auf dem Umfang angeordneten Quenchdüsen durch die Vergrößerung des Quencherdurchmessers vom eintretenden heißen Gasstrahl weiter entfernt sind, wodurch das Quenchwasser den Gasstrahl nicht mehr effektiv kühlen kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist zwei Hauptkomponenten auf:

– den Vergasungsreaktor (1)
– den Quencher (2).

Die Umsetzung des aschehaltigen Einsatzstoffes erfolgt im Reaktionsraum (3) des Vergasungsreaktors (1) in einer Flammenreaktion bei Temperaturen oberhalb der Ascheschmelztemperatur. Das heiße Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke strömen aus dem Reaktionsraum über den Schlackeablaufkörper (A) und das Leitrohr (B) in den Quenchraum (D), in welchem die Quenchdüsen (C1, C2, C3) angeordnet sind.
Im Quenchraum (D) wird mittels Wassereindüsung das heiße Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke auf ein Temperaturniveau von ca. 220°C gekühlt (Vollquenchung). Die Kühlung des heißen Rohgases erfolgt in mehreren Zonen.
Sofort nach dem Eintritt in den Quencher wird der heiße Rohgasstrahl mittels um das Leitrohr angeordneter Quenchdüsen (C1) mit Wasser beaufschlagt. Diese sind zum Einen so im „Schatten” des Leitrohres (B) positioniert, dass sie vor Verschmutzung durch flüssige Schlacke geschützt sind und zum Anderen so angestellt, dass das eingedüste Wasser optimal in den heißen Gasstrahl eindringen kann, jedoch das Leitrohr nicht bedüst wird. An einer um das Leitrohr angeordneten Ringleitung sind Düsen angeordnet, die aus der Ringleitung mit Quenchwasser gespeist werden, die schräg nach unten in den Rohgasstrahl geneigt sind und deren Austritt im Wesentlichen auf Höhe der Unterkante des Leitrohres liegt. Die Ringleitung mit den Düsen bildet einen Sprühkranz.
Auf den nächsten beiden Ebenen erfolgt die Quenchwasserzuführung in den Quenchraum (D) durch auf dem Umfang angeordnete Quenchdüsen (C2, C3). Zusätzlich zur eigentlichen Quenchung kann durch diese beiden Ebenen noch eine erste Reinigung des Rohgases realisiert werden.
Das sich bildende Schlackegranulat und die abgeschiedenen Partikel sammeln sich im Wasserbad (F) des Quenchers (2) und werden über den Schlackeaustrag (G) ausgeschleust.
Das gequenchte Rohgas verlässt den Quencher (2) über den Rohgasabgang (E). Vor diesem ist eine weitere Wassereindüsung (C4) vorgesehen. Diese dient primär der Befeuchtung des Rohgasabganges (E) um eine Ablagerung von Feststoffen zu vermeiden und sekundär der Kühlung sich eventuell bildender heißer Rohgassträhnen vor Eintritt in die folgenden Ausrüstungen.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsreaktor
2: Quencher
3: Reaktionsraum
A: Schlackeablaufkörper
B: Leitrohr
C1: Quenchdüsen
C2: Quenchdüsen
C3: Quenchdüsen
C4: Düse Gasabgang
D: Quenchraum
E: Rohgasabgang
F: Wasserbad
G: Schlackeaustrag

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

DD 280975 A1 [0006]
DE 2650512 [0007]

Claims

Vorrichtung zum Quenchen von Rohgas eines Flugstromvergasers, bei dem – unter einem Reaktionsraum (3) ein Quencher (2) angeordnet ist, – ein das Rohgas vom Reaktionsraum in den Quencher führendes Leitrohr (B) in den Quenchraum ragt, – im Quenchraum ein Kranz von Quenchdüsen (C2) zum Eindüsen von Quenchwasser in im Wesentlichen horizontaler Richtung in das nach unten gerichtete Rohgas angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass um das Leitrohr ein Kranz von Quenchdüsen (C1) zum Eindüsen von Quenchwasser in im Wesentlichen schräg nach unten geneigter Richtung in das Rohgas angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der um das Leitrohr angeordnete Kranz von Quenchdüsen (C1) einen kleineren Durchmesser gegenüber dem Kranz von Quenchdüsen (C2) zum Eindüsen von Quenchwasser in horizontaler Richtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Austritts des Quenchwassers aus den um das Leitrohr angeordneten Quenchdüsen im Wesentlichen auf Höhe der Unterkante des Leitrohres liegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kränze von Düsen (C2, C3) zum Eindüsen von Quenchwasser in horizontaler Richtung in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Quencher (2) einen Rohgasabgang (E) für das gequenchte Rohgas aufweist, wobei eine den Rohgasabgang mit Quenchwasser beaufschlagende Wassereindüsung (C4) angeordnet ist.