DE102010062769A1

DE102010062769A1 - Rußwasserreinigung mittels kontinuierlicher Druckfiltration

Info

Publication number: DE102010062769A1
Application number: DE102010062769A
Authority: DE
Inventors: Friedemann Mehlhose; Peter Taffelt; Frank Hannemann; Norbert Fischer; Mirko Putz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: CN103237874A; WO2012076305A2; US20130292314A1; US9827516B2; DE102010062769B4; WO2012076305A3; CN103237874B

Abstract

Bei einem Druckfiltrationssystem zur Reinigung von Restquenchwasser einer kohlenstoffhaltige Brennstoffe unter erhöhtem Druck vergasenden Vergasungseinrichtung wird das Rußwasser aus dem Quencher einem Filtersystem (1) zugeführt, das mehrere, wechselweise im Filterbetrieb unter Vergasungsdruck oder im Abreinigungsbetrieb betriebene Druckfilterkammern aufweist. Das Filtrat aus den Druckfilterkammern wird einem Quenchwasservorlagebehälter zugeführt, aus dem der Quencher mit Quenchwasser gespeist wird. Hierbei entstehen nur geringe Temperatur- und Druckverluste zum austretenden Restquenchwasser und es muss nur eine geringe zusätzliche Energie zur Überwindung der verbleibenden Druckdifferenz aufgewandt werden, um das zurückzuführende Filtrat wieder auf den Vergasungsdruck zu bringen. Die Erfindung, bei der das Restquenchwasser also im Wesentlichen unter Vergasungsdruck in einem Druckfilter gereinigt wird, vermeidet eine Flashentspannung des Restquenchwassers in den Vakuumbereich mit Brüdenkühlung und nachfolgender Druckerhöhung und Wiederaufheizung. Auf diese Weise kann der elektrische Eigenbedarf des Vergasungsprozesses um Größenordnungen reduziert und der Energiegehalt und damit verbundene Wassergehalt des Rohgases ohne zusätzliche Wärmeverbräuche auf die für die CO Shiftreaktion erforderlichen Dampfgehalte eingestellt werden. Dies führt insgesamt zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von IGCC und chemischen Syntheseprozessen. In vorteilhafter Weise wird eine Calcit-Ausfällung im Russwassersystem vermieden, da keine Entspannung und Vorwärmung des rückzuführenden Restquenchwassers erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckfiltrationssystem zur Reinigung von Restquenchwasser aus einer kohlenstoffhaltigen Brennstoffe unter erhöhtem Druck vergasenden Vergasungseinrichtung.
Das bei der Flugstromvergasung anfallende überschüssige Restquenchwasser wird bei heutigen Vergasungsprozessen im Rußwasserentspannungssystem in einer ein- bis mehrstufigen Entspannung vom Vergasungsdruck, der zwischen 2 und 5 MPa (20 und 50 bar) liegen kann, auf einen Druck unterhalb des Umgebungsdruckes gebracht und dabei üblicherweise zuerst auf ca. 100–110°C und danach auf ca. 50–80°C gekühlt. Dabei wird in der ersten Stufe das unter Druck stehende Rußwasser auf etwa Umgebungsdruck mittels spezieller Regelventile entspannt. Das entstehende Brüdendampf-Flüssigkeitsgemisch wird in einem Abscheidebehälter voneinander getrennt, ehe die Flüssigphase in gleicher Weise einem zweiten Entspannungsbehälter zugeführt wird, in dem die Entspannung in den Vakuumbereich hinein erfolgt. Die hier abgeschiedene Flüssigphase wird in der nachfolgenden Rußwasseraufbereitung mit Flockungshilfsmittel versetzt, um im nachgeschalteten Eindicker/Lamellenklärer die Feststoffabtrennung zu fördern. Der hier mit Feststoff angereicherte Unterlauf (Schlamm) gelangt zu einer weiteren Entwässerungsstufe. Klarlauf vom Eindicker/Lamellenklärer und das Filtrat dieser Entwässerungsstufe (z. B. Pressfiltration) werden gepuffert und dem Vergasungsprozess als Kreislaufwasser über entsprechende Hochdruckpumpen zurückgeleitet.
Nur durch die beschriebene zweistufige Entspannung kann das feststoffbeladene Rußwasser ohne Kontakt zu Wärmeübertragerflächen in notwendiger Weise gekühlt und gleichzeitig drucklos der eingesetzten robusten Feststoffabtrennungsstufe, die aus einem Eindicker/Lamellenklärer und einer weiteren Entwässerungsstufe besteht, zugeführt werden. Da das so gereinigte Rußwasser nahezu an die gleiche Stelle im Prozess zurückgeführt wird, muss das entspannte und gekühlte Wasser wieder auf den entsprechenden Vergasungsdruck gebracht und, wenn möglich, auch erhitzt werden. Das führt aber auf Grund des verschobenen Kalk-Kohlensäureverhältnisses in der entspannten Flüssigkeit und der pH-Werte > 8 zur Bildung von Karbonaten und damit fest haftender Ablagerungen und Aufschichtungen besonders an den Wärmeübertragerflächen. Mit der nur teilweisen oder der fehlenden Aufwärmung des zurückgeführten Rußwassers sinkt die Temperatur des Quenchwassers, was zu einer verminderten Wasseraufnahmefähigkeit des Rohgases führt. Das wiederum bedingt eine zusätzliche Dampfzugabe vor dem CO-Shift-System und führt somit zu höheren Betriebskosten.
Herkömmlich wird zum Einen bei Einsatz der 2-stufigen Entspannung das zurückgeführte, gereinigte Rußwasser nicht aufgewärmt, um Verkrustungen/Ablagerungen in den Wärmeübertragern zu vermeiden. Dafür wird das dem Prozess zugeführte Make-Up Wasser (Wasserergänzung) auf die gewünschte Quenchwassertemperatur aufgeheizt. Da dies in manchen Fällen nicht ausreicht, wird zum Anderen noch eine geringe Menge an Hochdruckdampf vor dem CO-Shift-System injiziert.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Rückführung für das Restquenchwasser derart auszugestalten, dass der Aufwand für die Druckerhöhung und ein Anstieg des pH Wertes durch die mit der Entspannung verbundenen Calcitausfällung erheblich reduziert werden.
Das Problem wird durch ein Druckfiltersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckfiltrationssystem wird das Rußwasser aus dem Quencher direkt einem quasikontinuierlich arbeitenden Druckfiltersystem, das bei Reaktordruck arbeitet, zugeführt und gereinigt. Das vom Druckfiltersystem abströmende Filtrat wird im Quenchwasservorlagebehälter (10) gesammelt und als Quenchwasser rückgeführt. Das Filtersystem (1) arbeitet so quasikontinuierlich, dass eine kontinuierliche Füllstandsregelung (9) des abfließenden Quenchwassers möglich ist bei gleichzeitiger räumlicher und zeitlicher Trennung der Prozessschritte 1) Filtration, 2) Filterabreinigung und 3) Filterkuchenaustrag. Die Umschaltung zwischen den räumlich und zeitlich getrennt ablaufenden Prozessschritten der 1) Filtration, 2) Filterabreinigung und 3) Filterkuchenaustrag kann ineinander übergehend so erfolgen, dass die Füllstandsregelung (9) gewährleistet ist. Der Filterkuchenaustrag in Form einer Slurry wird mittels eines für Feststoffe ausgelegten Slurrykühlers (2) auf Temperaturen zwischen 40 bis 90°C abgekühlt und dann entspannt (3). Die so vorbereitete Slurry wird einer Aufkonzentrierung mittels Pressfiltration (5) zugeführt. Das in der Entspannungsstufe (3) anfallende Ventgas (25) wird über ein Ventgassystem (24) augeführt.
Das Schlackewasser (16) aus der Vergasungseinrichtung wird mittels einer Hydrozyklonstation (6) oder einer weiteren Filtereinheit von groben Feststoffbestandteilen befreit und gemeinsam mit der Slurry aus dem Druckfiltrationssystem der Aufkonzentrierung bzw. Pressfiltration (5) zugeführt. Das gereinigte/filtrierte Schlackewasser (28) wird direkt einem Abwasserbehälter (12) zugegeben, um es bei Bedarf wieder in den Prozess zurückzuführen über die Ruckführpumpe (11) als Spülwasser (18), oder als Abwasser (14) mittels Abwasserpumpe (13) auszuschleusen. Das gereinigte/filtrierte Rußwasser wird während des Abfahrprozesses mit einhergehender Druckreduzierung mittels Abfahrkühler (8) vor Zuführung zum Quenchwasservorlagebehälter (10) abgekühlt, um ein Verdampfen des Kreislaufwassers bei Erreichen der Verdampfungstemperatur zu verhindern.
Bei fehlendem Druckgefälle über dem Filtrationssystem, insbesondere während des Anfahrbetriebes, kann das Rußwasser bzw. Restquenchwasser über Boosterpumpen/Druckerhöhungspumpen (7) dem Filtrationssystem zugeführt werden.
Das Filtrationssystem kann aus einem oder mehreren parallelen Filtern gebildet sein, welche aus mehreren Kammern bestehen.
Die Reinigung des Filters kann durch Rückspülung mit erzeugtem Filtrat oder mit externem demineralisiertem Wasser, Kesselspeisewasser oder Druckwasser mit ähnlicher Qualität erfolgen.
Vorteile der Erfindung liegen in der Vermeidung einer Flashentspannung des Restquenchwassers in den Vakuumbereich mit Brüdenkühlung und nachfolgender Druckerhöhung und Wiederaufheizung. Auf diese Weise kann der elektrische Eigenbedarf des Vergasungsprozesses um Größenordnungen reduziert und der Energiegehalt und damit verbundene Wassergehalt des Rohgases ohne zusätzliche Wärmeverbräuche auf die für die CO-Shiftreaktion erforderlichen Dampfgehalte eingestellt werden. Dies führt insgesamt zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von IGCC und chemischen Syntheseprozessen. In vorteilhafter Weise wird eine Calzit-Ausfällung im Russwassersystem vermieden, da keine Entspannung und Vorwärmung des rückzuführenden Restquenchwassers erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Restquenchwasser über eine Druckfiltration zu reinigen und dem Prozess als Quenchwasser wieder zurückzuführen. Abhängig vom eingesetzten Filtermaterial und der einzustellenden Druckdifferenz ist ggf. eine geringfügige Vorentspannung (Zwischenentspannung) erforderlich. Die aus der Filtereinheit abgetrennte Slurry wird gekühlt, druckreduziert und einem Schlammvorlagebehälter zugeführt der eine nachgeschaltete Filterpresse zur Erzeugung von Filterkuchen bespeist. Der zusätzliche relativ kleine Anteil an kaltem, feststoff-beladenem Schlackewasser aus dem Schlackeschleusensystem wird bei geringem Druck über einen weiteren Filter oder Hydrozyklon gereinigt. Die in diesem Prozessschritt abgetrennte Feinschlacke bzw. Schlamm wird ebenfalls dem Schlammvorlagebehälter zugeführt.
Das Rußwasser wird also im Wesentlichen unter Vergasungsdruck in einem Druckfilter gereinigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine prinzipielle Darstellung eines Flugstromvergasers mit Quencher sowie Schlackeschleuse,
2 eine prinzipielle Darstellung und
3 nähere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Rußwaserreinigung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
In einem Reaktionsraum 20 des Vergasungsreaktors 19 wird kohlenstoffhaltiger Brennstoff, wie z. B. pneumatisch geförderter Kohlenstaub oder Kohlenstaub-Slurries mit Wasser oder Öl als Träger, gemeinsam mit Sauerstoff und Wasserdampf bei Temperaturen von 1.550°C und 2 bis 5 MPa (20 bis 50 bar) vergast, wodurch Rohgas und flüssige Schlacke entstehen, die gemeinsam im Quenchraum 21 durch Eindüsen von Wasser 15 bis auf die Sättigungstemperatur abgekühlt werden. Dazu wird im Quenchraum Wasser 15 verdüst, wobei ein Teil verdampft und damit das Rohgas sättigt und der verbleibende Teil staubbeladen als überschüssiges Rußwasser 17 abgeführt wird.
Die sich im Sumpf 22 des Quenchers sammelnde Schlacke wird über eine Schlackeschleuse 23 zyklisch ausgeschleust, wobei Schlacke 27 und Schlackewasser 16 abgeführt werden. Das Schlackesystem kann mit Spülwasser 18 gespult werden.
Nach 2 wird das bei der Flugstromvergasung anfallende überschüssige Restquenchwasser 17 direkt – oder im Anfahrprozess (bei geringen Rohgasmengen und somit geringen Rohgaswegdruckdifferenzen) über eine Boosterpumpengruppe (7) – einem mechanischen Druckfiltersystem (1) zugeführt. Dabei ist das Filtersystem (1) so ausgeführt, dass die Prozesse der Filtration, der Filterabreinigung und des Filterkuchenaustrages stets räumlich und zeitlich getrennt verlaufen, wobei aber der Gesamtprozess quasi kontinuierlich und unterbrechungsfrei abläuft. Es werden dazu mehrere Filterkammern eingesetzt, die einzeln oder überlappend mit Rußwasser beaufschlagt werden, wobei eine oder mehrere Filterkammern im Filtrationsmodus und andere im Abreinigungs & Austragsmodus betrieben werden. Das dabei entstandene Filtrat wird direkt in den Quenchwasser-Vorlagebehälter (10) geführt, von wo es dem Quencher direkt zugeführt wird (15). Der Filterdurchsatz wird abhängig vom Füllstand im Quencher geregelt. Das Zeitintervall für die Filtration der einzelnen Filterkammern ist variabel und wird abhängig von der Feststoffbeladung im Rußwasser und dem jeweiligen durch die Füllstandsregelung (9) vorgegebenen Durchfluss eingestellt. Hierbei entstehen nur geringe Temperatur- und Druckverluste zum austretenden Restquenchwasser und es muss nur eine geringe zusätzliche Energie zur Überwindung der verbleibenden Druckdifferenz aufgewandt werden, um das zurückzuführende Filtrat wieder auf den Vergasungsdruck zu bringen. Der im Rußwasser bzw. Restquenchwasser während der Filterabreinigung aufkonzentrierte, Filterkuchen wird aus den Filterkammern des Druckfiltersystems (1) mittels Entspannungsventilen als Slurry in den Entspanner (3) ausgeschleust. Vor dieser Entspannung wird die Slurry in einem Slurrykühler (2), einem Wärmeübertrager, der speziell für Feststoffe ausgelegt ist, auf Temperaturen von 40–90°C abgekühlt, um eine Flashentspannung mit potentieller Calcitausfällung zu vermeiden. Diese geringe Menge an Slurry wird nachfolgend einer weiteren Aufkonzentrierung in Form einer Pressfiltration (5) oder ähnlichem zugeführt und das dabei gewonnene Filtrat in den Abwasserbehälter (12) geleitet, über die Abwasserpumpe (13) teilweise oder vollständig als Abwasser aus dem Prozess ausgeschleust bzw. als Spülwasser im Schlackeaustragssystem verwendet. Eventuell noch verbleibende Mengen an Kreislaufwasser können über Rückführpumpen (11) (Hochdruckpumpen mit geringer Kapazität) wieder in den Prozess zurückgeführt werden.
Das kalte, feststoffbeladene Schlackewasser aus dem Schlackeschleusensystem wird im Rahmen dieser Erfindung zuerst bei geringen Drücken von etwa 0,3 bis 0,4 MPa (3–4 bar) mittels einer Hydrozyklonstufe (6) oder/und einer zusätzliche Filtereinheit vorgereinigt. Der Unterlauf aus dem Zyklon oder der Filterkuchen der zusätzlichen Filtereinheit gelangt in die Schlammvorlage (4) zusammen mit der Slurry aus dem Druckfiltersystem (1) und wird einer weiteren Entwässerungsstufe (Pressfiltration) (5) zur weiteren Aufkonzentrierung zugeführt. Der Oberlauf des Hydrozyklons oder das Filtrat der zusätzlichen Filtereinheit gelangt direkt in den Abwassersammelbehälter (12). Damit kann der Verschleiß, den das Schlackewasser bei einer Umpumpung bewirkt, auf ein Minimum reduziert werden. Beim Abfahren des Vergasungssystems kann mittels Abfahrkühler (8) der Quenchwasserkreislauf von seiner Betriebstemperatur (150°C bis 220°C) auf Temperaturen abgekühlt werden, die eine gefahrlose Entspannung des Vergasungssystems zulassen, ohne dass es zur Kreislaufwasserverdampfung kommt.
Bezugszeichenliste

1: Druckfiltersystem
2: Slurrykühler
3: Entspanner
4: Schlammvorlage
5: weitere Entwässerungsstufe (Pressfiltration o. ä.)
6: Verabscheidung, Hydrozyklonstufe
7: Boosterpumpengruppe
8: Abfahrkühler
9: Füllstandsregelung
10: Quenchwasservorlagebehälter
11: Rückführpumpen (Hochdruckpumpen mit geringer Kapazität)
12: Abwassersammelbehälter
13: Abwasserpumpe
14: Abwasser
15: zum Quencher
16: Schlackewasser
17: Rußwasser
18: Spülwasser Schlackesystem
19: Vergasungsreaktor
20: Reaktionsraum
21: Quencher
22: Quenchersumpf
23: Schlackeschleuse
24: Ventgassystem
25: Ventgas
26: Filterkuchen
27: Schlacke
28: gereinigtes Schlackewasser

Claims

Druckfiltrationssystem zur Reinigung von Restquenchwasser einer kohlenstoffhaltige Brennstoffe unter erhöhtem Druck vergasenden Vergasungseinrichtung bei dem – das Rußwasser (17) aus dem Quencher (21) ohne wesentliche Druckabsenkung oder Entspannung auf Umgebungsdruck einem Filtersystem (1) zugeführt wird, – wobei das Filtersystem aus einem oder mehreren parallelen Filtern bestehen kann, – ein Filter mehrere Druckfilterkammern aufweist, die wechselweise oder parallel im Filterbetrieb oder im Abreinigungsbetrieb unter Vergasungsdruck oder nahe Vergasungsdruck betrieben werden.
Druckfiltrationssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Filterdurchsatz des Filtersystems abhängig vom Füllstand im Quencher geregelt wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat aus den Druckfilterkammern einem Quenchwasservorlagebehälter (10) zugeführt wird und aus dem Quenchwasservorlagebehälter der Quencher mit Quenchwasser gespeist wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass das Rußwasser direkt aus dem Quencher oder über eine zwischengeschalteten Zwischenbehälter dem Druckfiltrationssystem zugeführt wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall für die Filtration der einzelnen Druckfilterkammern abhängig von dem jeweiligen durch die Füllstandsregelung (9) vorgegebenen Durchfluss eingestellt wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass während der Filterabreinigung der aufkonzentrierte Filterkuchen aus der Druckfilterkammer mittels Entspannungsventilen als Slurry in einen Entspanner (3) ausgeschleust wird.
Druckfiltrationssystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Slurry vor der Entspannung in einem Slurrykühler (2), auf Temperaturen von 40–90°C abgekühlt wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigem Vergasungsdruck während des Anfahrprozesses das Rußwasser über eine Boosterpumpengruppe (7) dem Filtersystem zugeführt wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass während des Abfahrprozesses mit einhergehender Druckreduzierung das gereinigte/filtrierte Rußwasser mittels Abfahrkühler (8) abgekühlt wird.
Druckfiltrationssystem nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, dass das Schlackewasser (16) aus dem Schlackeschleusensystem (23) bei Drücken von etwa 0,3 bis 0,4 MPa (3–4 bar) in einer Filtereinheit (6) gereinigt und dem Abwassersammler (12) direkt zugeführt wird.
Druckfiltrationssystem nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Unterlauf aus der Filtereinheit (6) der Schlammvorlage (4) und einer weiteren Entwässerungsstufe (5) zugeführt wird.