DE102010040493A1

DE102010040493A1 - Kreislaufführung von Prozesswässern bei der Flugstromvergasung unter Verfahrensdruck mit Hydrozykloneinheit

Info

Publication number: DE102010040493A1
Application number: DE102010040493A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schingnitz; Peter Taffelt; Thomas Fleischer; Frank Hannemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Kreislaufführung von Prozesswässern aus Anlagen der Staubdruck- oder Flugstromvergasung fester und flüssiger Brennstoffe, wobei die Prozesswässer durch ein- oder mehrstufige Hydrozyklonen unter Verfahrensdruck von Feststoffen befreit oder im Feststoffgehalt reduziert werden und den Verbrauchern wie Rohgasquenchung und Waschprozessen wieder zugeführt werden. Die erfindungsgemäße Lösung erspart den Aufwand für den Ersatz von Verschleiss an den Entspannungsarmaturen. Mit der Reduzierung der Menge anfallender Entgasungsbrüden geht eine entsprechende Reduktion des Aufwandes für deren Handhabung einher. Der Energieaufwand für das Anheben des Kreislaufwassers auf Prozessdruck entfällt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kreislaufführung von Prozesswässern eines Flugstromreaktors für die Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen bei Vergasungstemperaturen bis 1850°C und Verfahrensdrücken oberhalb Atmosphärendruck bis 10 MPa.
Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Technologie der Kreislaufführung von Prozesswässern bei der Flugstromvergasung, bei der feste und flüssige Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenen Vergasungsmittel unter Drücken bis 10 MPa und Temperaturen bis 1850°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. Danach wird das mit Temperaturen bis 1850°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 wird anschließend in Wascheinrichtungen von mitgeführtem 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 einem bei Umgebungsdruck arbeitenden Rundeindicker 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 Technologie weist einige Mängel auf, die zu erhöhten Kosten und Betriebsausfällen führen. Besonders hervorzuheben ist der starke Verschleiß in den Entspannungsarmaturen, in denen durch eine Teilverdampfung und der Entfernung von gelösten Gasen aus dem über 200°C heißen Rußwasser sehr hohe Geschwindigkeiten in der Dreiphasenströmung Wasser-Gas(Dampf)-Feststoff auftreten. Die in erheblichem Maße anfallenden Entgasungsbrüden müssen gekühlt und verwertet werden. Die gereinigten Wässer sind durch Kreislaufpumpen wieder auf Prozessdruck zu fördern und den Verbrauchern zuzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Quenchwasserkreislauf für einen Flugstromvergaser derart weiterzubilden, dass der Verschleiss in den Entspannungsarmaturen keine Rolle spielt, die Menge anfallender Entgasungsbrüden erheblich reduziert wird und der Energieaufwand für das Anheben des Reinwassers auf Prozessdruck nahezu entfällt.
Erfindungsgemäß wird in Anspruch 1 und Anspruch 7 vorgeschlagen, das anfallende Rußwasser nicht zu entspannen, sondern die Feststoffe unter Druck abzuscheiden, wozu spezielle Ausrüstungen wie Hochleistungszyklone eingesetzt werden. Das im Quench- und Waschprozess des Vergasungsverfahrens anfallende Rußwasser wird also ohne Entspannung von mitgeführten Feststoffen befreit und in den Kreislauf zurückgeführt. Die erfindungsgemäße Lösung ist bezüglich der im Kreislauf geführten Prozeßwässer entspannungsfrei.
Die erfindungsgemäße Lösung erspart den Aufwand für den Ersatz von Verschleiß an den Entspannungsarmaturen. Mit der Reduzierung der Menge anfallender Entgasungsbrüden geht eine entsprechende Reduktion des Aufwandes für deren Handhabung einher. Der Energieaufwand für das Anheben des Kreislaufwassers auf Prozessdruck entfällt.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden in zwei Ausführungsbeispielen in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von zwei Figuren erläutert.
Dabei zeigen
1 eine Rußwasserreinigung mit einer Druckfiltrationseinheit
2 eine Rußwasserreinigung mit Hydrozyklonen In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Beispiel 1 nach Fig. 1
In einem Flugstromvergaser mit einer Leistung von 500 MW brutto werden durch die Vergasung von Steinkohle mit Sauerstoff und Wasserdampf 120000 Nm³ Rohgas trocken bei einer Temperatur von 1700°C bei 4,2 MPa erzeugt. Bei der Quenchung, der Rohgaswäsche und aus Kondensatabscheidern fallen 162 t/h Rußwasser mit einer Temperatur von 170°C bei einem Druck von 4,2 MPa an, die über die Rußwasserleitung 2 dem Vorlagebehälter Rußwasser 1 zugeleitet werden. Zur Konstanthaltung des Druckes wird Bespannungsgas 3 zugeführt. In den Vorlagebehälter Rußwasser 1 gelangt ebenso über die Leitung 10 und den Sammelbehälter 11 das Schlackewasser in einer Mengen von 50 t/h bei einer Temperatur von 71°C. Aus dem Vorlagebehälter 1 gelangt das gesammelte Rußwasser in einer Mengen von 212 t/h und einer Temperatur von 147°C in die Druckfiltrationseinheit 4. Daraus werden 209 t/h Reinwasser mit 147°C als Kreislaufwasser über den Vorlagebehälter 5 und die Kreislaufpumpe 6 den Verbrauchern, wie zum Beispiel dem Quencher, wieder zugeführt. Der Filterschlamm aus der Druckfiltrationseinheit 4 wird über die Entspannungsstrecke 7 geführt, die Menge beträgt 5,3 t/h mit einem Feuchtegehalt von 60%. Die Feststoffmenge beträgt 2,1 t/h, die Wassermenge 3,2 t/h. Anfallende Wässer aus der Entspannungsstrecke 7 werden im Behälter 8 gesammelt und aus dem Prozess abgeführt, die abgeschiedenen Feststoffe über den Filterkuchenaustrag 9. Die abgeführte Wassermenge dient gleichzeitig zur Ausschleusung von Salzen, um deren Konzentration in den Wässern auf einen festgelegten Wert zu begrenzen. Damit verlassen die mit der Kohleasche eingetragenen Salze den Kreislauf. Sollte diese ausgeschleuste Menge nicht ausreichen, kann eine zusätzliche Abführung aus dem Vorlagebehälter für das Kreislaufwasser 5 angeordnet werden. In jedem Fall wird die mit der Kohle eingetragene Salzfracht durch Abführung von Wasser wieder aus dem Kreislauf entfernt. Durch die Druckverluste in der Druckfiltrationseinheit 4 und der Entspannungsstrecke 7 entspannen sich in geringer Menge gelöste Gase, die in dem Entspannungsgassystem 12 gesammelt und über die Entspannungsgasleitung 13 abgeführt werden. Sie können dem Rohgas oder dem Sauergas einer Entschwefelungsanlage zur Verwertung oder Entsorgung zugeführt werden. Um Abscheidungen in den Rohrleitungen und Behältern durch Veränderungen des Karbonat-Bikarbonat-Gleichgewichtes zu vermeiden, wird im Vorlagebehälter für das Rußwasser 1 eine pH-Wertregelung 14 vorgesehen.
Beispiel 2 nach Fig. 2
Die Wassermengen, Temperaturen und Drücke entsprechen dem Beispiel 1. Zur Abtrennung der Feststoffe aus dem Rußwasser werden Hydrozyklone 15 eingesetzt, die ein- oder mehrstufig ausgeführt sein können. Im vorliegenden Beispiel werden zwei Hydrozyklone hintereinander geschaltet, wobei der erste für die Abscheidung der groben und der zweite für die der feinen Partikel vorgesehen sind. Der Dickschlamm gelangt über den Schlammbehälter 16 in die Schleusen 17, die diskontinuierlich betrieben der Entspannung dienen. Der entspannte Schlamm wird in der Filterpresse 18 entwässert und über den Filterkuchenaustrag 9 entfernt. Das Abwasser 19 der Filterpresse 18 wird wiederum zur Entfernung von Salzen aus dem Kreislauf entfernt.
Bei der Erfindung erfolgt also eine Partikelabtrennung im Wesentlichen auf dem Druckniveau des Vergasungsreaktors.
Bei der Erfindung erfolgt also eine Partikelabtrennung im Wesentlichen unter Vergasungsdruck.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kreislaufführung von Prozesswässern bei der Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen bei Vergasungstemperaturen bis 1850°C und Drücken bis 10 MPa (100 bar), wobei dem Vergasungsprozess eine Quenchstufe sowie weitere mit Wasser betriebene Reinigungsstufen nachgeschaltet sind wobei das aus dem Schlackewasser, dem Restquenchwasser, Waschwässern und Kondensaten gebildete Rußwasser unter Verfahrensdruck von Feststoffen befreit und im Kreislauf den Verbrauchern wieder zugeführt wird.
In einer besonderen Weiterbildung können zur Feststoffabscheidung Zyklone eingesetzt werden, die ein- oder mehrstufig angeordnet sind.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird das Rußwasser vor oder nach der Feststoffabscheidung einer pH-Wertregelung unterzogen.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird die Ausschleusung einer bestimmten Wassermenge zur Begrenzung des Salzgehaltes der Kreislaufwässer genutzt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der als Filterkuchen abgeschiedene Feststoff gemeinsam mit dem Brennstoff der Vergasung wieder zugeführt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden anfallende Entspannungsgase gesammelt und dem Rohgas wieder zugeführt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden anfallende Entspannungsgase dem Sauergas einer Sauergasentschwefelungsanlage zugeführt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung deren Kreislaufführung folgende Einrichtungen enthält:

– Sammelbehälter für aus verschiedenen Prozesswässern gebildetem Rußwasser
– Ein- oder mehrstufig angeordnete Hydrozyklone
– Entspannungsschleusen für Zyklonschlamm
– Vorlagebehälter für Kreislaufwasser
– Kreislaufwasserpumpe
– Vorrichtung zur Ausschleusung von Wässern
– pH-Wertregelung für Kreislaufwasser

Bezugszeichenliste

1: Vorlagebehälter Rußwasser
2: Rußwasserleitung
3: Bespannungsgas
4: Druckfiltrationseinheit
5: Vorlagebehälter für Kreislaufwasser
6: Kreislaufwasserpumpe
7: Entspannungsstrecke für Filterkuchen
8: Sammelbehälter für auszuschleusendes Wasser
9: Filterkuchenaustrag
10: Schlackewasserleitung
11: Sammelbehälter Schlackewasser
12: Entspannungsgassystem
13: Entspannungsgasleitung
14: pH-Wertregelung
15: Hydrozyklone
16: Schlammbehälter
17: Entspannungsschleusen
18: Filterpresse
19: Abwasser
20: Inertgas

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 Nicht-Patentliteratur

„Die Veredelung und Umwandlung von Kohle” herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V., Dez. 2008 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Kreislaufführung von Prozesswässern eines Flugstromreaktors für die Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen bei Vergasungstemperaturen bis 1850°C und Verfahrensdrücken oberhalb Athmosphärendruck bis 10 MPa (100 bar), wobei die Kreislaufführung folgende Einrichtungen enthält: – einen Verfahrensdruck aufweisenden Sammelbehälter (1) für das aus verschiedenen Prozesswässern gebildete Rußwasser, – ein Hydrozyklon (15) zur Trennung unter Verfahrensdruck des von dem Sammelbehälter zugeführten Rußwassers in Reinwasser und Dickschlamm, – mindestens eine Entspannungsschleuse (17) für den Dickschlamm, – eine Kreislaufwasserpumpe (6) zur Förderung des unter Verfahrensdruck stehenden Reinwassers zu den Verbrauchern des Flugstromreaktors.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hydrozyklon und den Verbrauchern des Reinwassers des Flugstromreaktors ein Vorlagebehälter für Kreislaufwasser (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausschleusvorrichtung für Kreislaufwasser (19) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Wasserkreislauf der Prozesswässer wirkende pH-Wertregelung (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Hydrozyklon zur Abscheidung von Dickschlamm mit groben Partikeln und ein dem ersten nachgeordneter zweiter Hydrozyklon zur Abscheidung von Dickschlamm mit feinen Partikeln angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen zwischen einem Hydrozyklon und einer Entspannungsschleuse angeordneten Schlammbehälter 16 zur Pufferung des Dickschlamms.
Verfahren zur Kreislaufführung von Rußwasser bei der Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen bei Vergasungstemperaturen bis 1850°C und Verfahrensdrücken oberhalb Atmosphärendruck bis 10 MPa (100 bar), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, demzufolge – das Rußwasser aus dem Flugstromvergaser (2) in einem Hydrozyklon (15) in Reinwasser (5) und Dickschlamm unter Verfahrensdruck getrennt wird, – der Dickschlamm aus dem Hydrozyklon über eine Entspannungsschleuse (17) entspannt wird, – das annähernd Verfahrensdruck aufweisende Reinwasser Verbrauchern des Flugstromvergasers zugeführt wird (6).
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Rußwasser zu einer beliebigen Kombination aus der Gruppe Rußwasser aus dem Quenchersumpf, Schlackewasser, Rußwasser aus der Rohgaswäsche und Kondensat zusammengefasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen Hydrozyklon und Entspannungsschleuse angeordneter Schlammbehälter (16) zur Pufferung des Dickschlamms mit Inertgas (20) bespannt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass Wässer (19) aus der Entspannungschleuse (17) und abgeschiedene Feststoffe über den Dickschlammaustrag (9) aus dem Prozess abgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Rußwasser einer pH-Wert-Regelung (14) unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Menge aus dem Wasserkreislauf ausgeschleusten Wassers (19) nach Maßgabe des Salzgehaltes in dem Wasserkreislauf bemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen Feststoffe gemeinsam mit dem Brennstoff dem Flugstromvergaser zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass anfallende Entspannungsgase (13) dem Rohgas zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass anfallende Entspannungsgase (13) dem Sauergas einer Sauergasentschwefelungsanlage zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass parallele Entspannungsschleusen (17) diskontinuierlich betrieben werden.