DE102012216898B4 - Vergasungsreaktor mit intermittierendem Pilotbrennerbetrieb - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum intermittierenden Betrieb eines Zünd- und Pilotbrenners (2.1) in einer Vergasungseinrichtung während des laufenden Vergasungsbetriebes, wobei die Vergasungseinrichtung neben dem Zünd- und Pilotbrenner mit einem Vergasungsbrenner (2.2) ausgestattet ist undwobei in dem Vergasungsreaktor (3) der Vergasungseinrichtung staubförmig feste oder flüssige Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Betriebsdrücken bis 10 MPa zu einem Syntheserohgas umsetzbar sind, demzufolge folgende Schritte durchgeführt werden- Starten der Vergasungseinrichtung durch:- Zünden des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) mit Brenngas und Sauerstoff, wobei die Sauerstoffverhältniszahl zwischen 0,3 bis 0,6 beträgt,- Bespannen des Vergasungsreaktors (3) der Vergasungseinrichtung mittels des mit dem Zünd- und Pilotbrenner erzeugten Rohgases auf Betriebsdruck,- nach Erreichen des Betriebsdruckes Inbetriebnahme des Vergasungsbrenners (2.2),- Außerbetriebnahme des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch:- Einstellung über ein Regelventil (1.6) und Überwachung über eine Mengenmesseinrichtung F16 einer Mindestmenge an Inertgas in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners,- nach Erreichen der Mindestmenge an Inertgas in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners, Absperrung der Sauerstoffzufuhr zum Pilotbrenner durch Schließen eines Regelventils (1.2),- Einstellung über ein Regelventil (1.7) und Überwachung über eine Mengenmesseinrichtung F17 einer Mindestmenge an Inertgas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1),- nach Erreichen der Mindestmenge an Inertgas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1), Absperrung der Brenngaszufuhr zum Pilotbrenner durch Schließen eines Regelventils (1.1),- Betrieb des Vergasungsreaktors mit abgestelltem Zünd- und Pilotbrenner (2.1) und Spülung seines Brenngaskanals sowie Sauerstoffkanals mit Inertgas,- Wiederinbetriebsetzung des während des laufenden Vergasungsbetriebes außer Betrieb genommenen Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch:- Zufuhr von Brenngas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Öffnen eines Regelventils (1.1) und Kontrolle durch eine Mengenmessung F11,- Abstellung der Zufuhr von Inertgas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Schließen eines Regelventils (1.7),- Zufuhr von Sauerstoff in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Öffnen eines Regelventils (1.2) und Überwachung durch eine Mengenmessung F12,- Abstellung der Zufuhr von Intergas in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Schließen eines Ventils (1.6),- Betrieb des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) unter Betriebsbedingungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum intermittierenden Betrieb eines Zünd- und Pilotbrenners (2.1) in einer Vergasungseinrichtung während des laufenden Vergasungsbetriebes, wobei die Vergasungseinrichtung neben dem Zünd- und Pilotbrenner mit einem Vergasungsbrenner (2.2) ausgestattet ist und wobei in dem Vergasungsreaktor (3) der Vergasungseinrichtung staubförmig feste oder flüssige Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Betriebsdrücken bis 10 MPa zu einem Syntheserohgas umsetzbar sind.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Flugstromvergasung von Brennstäuben, bei dem ein aus einem Pilotbrenner- und Staubbrennerteil bestehender Kombinationsbrenner zum Einsatz kommt, wobei der Pilotbrenner nur intermittierend bei der Inbetriebnahme und bei Störungen in der Zuführung der Vergasungsstoffe zum Kombinationsbrenner betrieben wird.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Technologie zur Flugstromvergasung, bei der feste und flüssige Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel im Flugstrom unter Drücken bis 10 MPa und Temperaturen bis 1.900°C in ein H2- und CO- reiches Syntheserohgas umgesetzt werden. Feste Brennstoffe sind dabei zu Brennstaub aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, oder Kokse, besonders Petrolkokse, Biomassen oder aus Rest- und Abfallstoffen gewonnene verwertbare Fraktionen. Flüssige Brennstoffe sind leichte oder schwere Öle aus der Erdölverarbeitung, aber auch Suspensionen aus Brennstäuben und Wasser sowie Ölen. Die Technologie ist ausführlich beschrieben wurden in „Die Veredlung und Umwandlung von Kohle“, Schingnitz, Kapitel 4.4.3, GSP- Vergasung, herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V., Dez. 2008. Danach wird der Vergasungsreaktor mit einem Kombinationsbrenner betrieben, der aus einem Pilotbrenner- und Vergasungsbrennerteil besteht. Bei der Inbetriebnahme des Vergasungsreaktors wird dieser mit Stickstoff oder Kohlendioxid bei einem Druck von 0,3-0,6 MPa inertisiert, der Pilotbrenner mit einem Brenngas sowie Sauerstoff gezündet und mit einer Sauerstoffverhältniszahl von 0,3 bis 0,5 betrieben. Dieser Pilotbrenner dient der Vorheizung des Vergasungsraumes und der Einstellung des gewünschten Betriebsdruckes. Ist dieser erreicht, erfolgt die Zündung des Staub- oder Ölbrenners, indem zunächst der Brennstoff und nachfolgend als Vergasungsmittel Sauerstoff zugeführt wird. Nach der Zündung des Vergasungsbrenners bleibt der Pilotbrenner in Betrieb. Das ist deshalb von besonderem Vorteil, weil bei Störungen in der Medienzuführung oder bei mangelnder Rohgasabnahme der Vergasungsbrenner abgeschaltet werden kann, der Pilotbrenner aber in Betrieb bleibt. Die Anlage bleibt unter Verfahrensdruck und ist jeder Zeit betriebsbereit und kann nach Beseitigung der Störung den Vergasungsbetrieb sofort wieder aufnehmen. Nachteilig ist er Energiebedarf des mit Erdgas, Synthesegas, Flüssiggas oder Öl betriebenen Pilotbrenners, der bei 3-8% der Vergasungsbrennerleistung liegt und damit erhebliche Kosten verursacht. Der Pilotbrenner wird auch deshalb nicht abgeschaltet aus Sorge, sich im laufenden Vergasungsbetrieb mit Vergasungsprodukten, wie zum Beispiel Schlacke, zuzusetzen.
  • Aus der DE 10 2007 043 428 A1 ist ein Kohlenstaubkombinationsbrenner bekannt, dessen Pilotbrenner ein zentral angeordnetes, inertgasgespültes Rohr als optische Einblicksöffnung für eine Flammenüberwachungseinrichtung aufweist.
  • Aus der DE 10 2008 033 096 A1 ist ein Verfahren zum Zünden und zum Betrieb von Brennern bei der Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe bekannt, bei dem der Pilotbrenner nach Zündung der Vergasungsbrenner zur Vermeidung einer kontinuierlichen Brenngasverbrauches abgeschaltet wird, wobei sowohl über die Brenngaszufuhrleitung als auch über die Luftzufuhrleitung Vergasungsmittel, wie CO2, Dampf oder Gemische mit Sauerstoff zugeführt werden, wodurch sichergestellt wird, dass sich keine Staubablagerungen oder Anbackungen im Pilotbrenner ausbilden.
  • Aus der DD 3 00 200 A7 ist ein Kombinationsbrenner für die Partialoxidation von Kohlenstaub bekannt, bei dessen Pilotbrenner - nach Ausbildung einer stabilen Staubflamme am Staubbrenner - die Erdgaszufuhr auf Null zurückgefahren und durch ein inertes Spülgas ersetzt werden kann. Bei Störungsfällen wird der Reaktor äußerst kurzfristig in einen sicheren Zustand heruntergefahren.
  • Aus der DE 10 2006 030 079 B4 ist ein Verfahren zur Inbetriebnahme von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen mit einem Kombinationsbrenner, der einen Zünd- und Pilotbrenner sowie einen Brenner enthält, oder einer Mehrbrenneranordnung, wobei um einen Zünd- und Pilotbrenner separat mehrere Brenner angeordnet sind, bekannt. Hierbei wird an einer von mehreren Brennstoffleitungen des Brenners eine Gasflamme durch die Gasflamme des Zünd- und Pilotbrenners entzündet, woran der eigentliche zu Brennstaub aufbereitete Brennstoff entzündet wird.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Vergasungsreaktors anzugeben, das eine erhebliche Einsparung an Brennstoff für den Pilotbrenner kombiniert mit der Eigenschaft, bei Unterbrechungen des kontinuierlichen Vergasungsbrennerbetriebes - unter Vermeidung einer sicherheitstechnisch notwendigen Entspannung und Spülung des Vergasungsreaktors - den Vergasungsreaktor im Warmhaltebetrieb unter Druck zu halten und aus diesem Zustand den Vergasungsbetrieb wieder aufnehmen zu können.
  • Das Problem wird bei einem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird der Pilotbrenner intermittierend betrieben. Dazu werden Pilotbrenner und Vergasungsbrenner wie oben beschrieben in Betrieb genommen. Wenn der Vergasungsbrenner stabil brennt und seine volle Leistung erreicht hat, wird der Pilotbrenner abgestellt. Die Zuführungskanäle des Pilotbrenners für den Brennstoff und das Vergasungsmittel werden mit Inertgasen wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf gespült. Diese Spülung sichert, dass kein heißes Rohgas aus dem Vergasungsraum in die Kanäle eindringen kann, was den Kombinationsbrenner zerstören könnte. Um die genannten Vorteile des Pilotbrennerbetriebes nicht zu verlieren, wird vorgesehen, bei Störungen des kontinuierlichen Vergasungsbrennerbetriebes den Pilotbrenner unmittelbar wieder in Betrieb zu nehmen, bevor eine sicherheitstechnisch notwendige Entspannung und Spülung des Vergasungsreaktors einsetzt. Dieser Vorgang wird durch die erfinderische Lösung eines spezifischen Überwachungs- und Regelsystems ermöglicht.
  • Die Erfindung gestattet zum Einen, den Energiebedarf des mit Erdgas, Synthesegas, Flüssiggas oder Öl betriebenen Pilotbrenners, der bei 3-8% der Vergasungsbrennerleistung liegt, einzusparen ohne dass ein Zusetzen der Kanäle des Pilotbrenners mit Vergasungsrückständen zu besorgen wäre und zum Anderen - nach einer Unterbrechung des kontinuierlichen Vergasungsbetriebes aus dem Warmhaltebetrieb des Pilotbrenners unter Druck - eine Wiederaufnahme des kontinuierlichen Vergasungsbetriebes des Vergasungsreaktors.
  • 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 einen die Erfindung realisierenden Vergasungsreaktor mit Mess-, Überwachungs- und Regelsystem.
  • In einem Vergasungsreaktor 3 sollen 85t/h Kohle bei einem Druck von 4 MPa vergast werden. Die Brennstoffe und die Vergasungsmittel Sauerstoff und Dampf werden mittels des Kombinationsbrenners dem Reaktor 3 zugeführt, in dem die Vergasung bei ca. 1.450°C stattfindet. Der Kombinationsbrenner ist gebildet mit einem zentrisch angeordneten, gasgefeuerten Zünd- und Pilotbrenner 2.1 und dem eigentlichen Vergasungsbrenner 2.2. Das produzierte Rohgas strömt gemeinsam mit der flüssig anfallenden Schlacke in den Quencher 4. Durch das Einspritzen von Quenchwasser im Überschuss wird das Rohgas auf ca. 215°C gekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Die Schlacke tropft in das im Sumpf des Quenchers vorhandene Wasserbad und granuliert. Das gekühlte Rohgas verlässt seitlich den Quencher 4 und strömt in das nachfolgende Gasnetz 5.
  • Die Inbetriebnahme des Vergasungsreaktors erfolgt zunächst durch Zünden des Pilotbrenners 2.1 und dem Bespannen des Reaktors/ Quenchers, mittels des mit dem Pilotbrenner erzeugten Rohgases, auf Betriebsdruck. Nach Erreichen des Betriebsdruckes an der Druckmessung P16 erfolgt die Inbetriebnahme des Vergasungsbrenners 2.2. Nach Abschluss des Startvorganges und dem Erreichen stabiler Betriebszustände kann die Brenngas- und Sauerstoffzuführung zum Zünd- und Pilotbrenner 2.1 außer Betrieb gesetzt werden. Zur Sicherung einer Mindestströmungsgeschwindigkeit im Brenngas- und im Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners werden der Volumenstrom des Vergasungsstoffes/Brenngas F11 und Volumenstrom des Vergasungsmittels/Sauerstoff F12 mittels einer sicherheitsgerichteten Steuerung überwacht. Vor der Abschaltung von Brenngas und Sauerstoff müssen die Medien durch ein Inertgas (Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf) ersetzt werden, mit dem dann die Mindestströmungsgeschwindigkeit gesichert wird. Mit der Verknüpfung der Mengenmessung F11 mit F17 und F12 mit F16 mittels je eines „ODER“-Logikbausteines wird die Überwachung der Mindestmengen, auch bei Umschaltung der Medien, leittechnisch gesichert. In einem ersten Schritt wird zunächst mittels Mengenmessung F16 und Regelventil 1.6 die Mindestspülmenge des Inertgases im Sauerstoffkanal einstellt. Erst nach Erreichen der notwendigen Spülgasmenge wird die Sauerstoffzufuhr zum Pilotbrenner durch Schließen des Ventils 1.2 abgesperrt. Danach wird das Spülgas zum Brenngaskanal, durch Öffnen des Ventils 1.7 und der Kontrolle des Volumenstromes an der Mengenmessung F17 eingestellt. Im letzten Schritt kann die Brenngaszufuhr durch Schließen von Ventil 1.1 beendet werden. Bei ungenügender Spülung des Brennstoff- oder Sauerstoffkanals erfolgen die Außerbetriebnahme und Entspannung des Reaktors/Quenchers durch das sicherheitsgerichtete Leitsystem.
  • Bei einer geplanten Außerbetriebnahme des Vergasungsbrenners 2.2 und dem Verbleib des Reaktors/Quenchers im Warmhaltebetrieb unter Druck muss vor Abschaltung des Vergasungsbrenners der Zünd- und Pilotbrenner 2.1 zunächst wieder in Betrieb gesetzt werden. Dazu wird durch Öffnen von Ventil 1.1 und Kontrolle der Menge an F11 die Brenngaszufuhr in Betrieb gesetzt. Dem folgen die Außerbetriebnahme des Inertgases durch Schließen von Ventil 1.7 und die Inbetriebnahme der Sauerstoffzuführung zum Brenner 2.1. Dazu wird Ventil 1.2 geöffnet bis an der Mengenmessung F12 ein, gemäß Lambda- Wert, gewünschter Sauerstoffstrom angezeigt wird. Erst danach darf die Spülgaszuführung durch Schließen des Ventils 1.6 beendet werden. Mit Abschluss dieser Schalthandlung ist der Zünd- und Pilotbrenner 2.1 wieder in Betrieb und der Vergasungsbrenner 2.2 kann außer Betrieb gesetzt werden. Der gleiche Vorgang läuft auch bei der ungeplanten Außerbetriebnahme des Vergasungsbrenners 2.2 durch Störungen bei der Medienzufuhr ab.
  • Bezugszeichenliste
  • 1.1.
    Ventil für Brenngas zum Zünd- und Pilotbrenner
    1.2.
    Ventil für Sauerstoff zum Zünd- und Pilotbrenner
    1.3.
    Ventil für Hauptbrennstoff Kohle
    1.4.
    Ventil Sauerstoff für Hauptbrennstoff
    1.5.
    Ventil Dampf für Hauptbrennstoff
    1.6.
    Ventil für Inertgas zur Sauerstoffleistung des Zünd- und Pilotbrenners
    1.7.
    Ventil für Inertgas zur Brenngasleitung des Zünd- und Pilotbrenners
    2.1.
    Zünd- und Pilotbrenner
    2.2.
    Vergasungsbrenner
    3.
    Vergasungsreaktor
    4.
    Quencher
    5.
    Syntheserohgas in Gasnetz
    6.
    Inertgaszuführung
    7.
    Brenngaszuführung für Zünd- und Pilotbrenner
    8.
    Sauerstoffzuführung für Zünd- und Pilotbrenner
    9.
    Hauptbrennstoff-Zuführung
    10.
    Sauerstoffzuführung für Hauptbrennstoff
    20.
    Dampfzuführung für Hauptbrennstoff
    F11
    Mengenmessung Brenngas zum Brenngas-Kanal des Zünd- und Pilotbrenners 2.1
    F12
    Mengenmessung Vergasungsmittel / Sauerstoff zum Sauerstoff-Kanal des Zünd- und Pilotbrenners 2.1
    F13
    Mengenmessung Vergasungsstoff / Kohlenstaub für Vergasungsbrenner 2.2
    F14
    Mengenmessung Vergasungsmittel / Sauerstoff für Vergasungsbrenner 2.2
    F15
    Mengenmessung Wasserdampf für Vergasungsbrenner 2.2
    F16
    Mengenmessung Inertgas N2 / CO2 zum Sauerstoff-Kanal des Zünd- und Pilotbrenners 2.1
    F17
    Mengenmessung Inertgas N2 / CO2 zum Brenngas-Kanal des Zünd- und Pilotbrenners 2.1
    P16
    Druck im Vergasungsreaktor

Claims (8)

  1. Verfahren zum intermittierenden Betrieb eines Zünd- und Pilotbrenners (2.1) in einer Vergasungseinrichtung während des laufenden Vergasungsbetriebes, wobei die Vergasungseinrichtung neben dem Zünd- und Pilotbrenner mit einem Vergasungsbrenner (2.2) ausgestattet ist und wobei in dem Vergasungsreaktor (3) der Vergasungseinrichtung staubförmig feste oder flüssige Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Betriebsdrücken bis 10 MPa zu einem Syntheserohgas umsetzbar sind, demzufolge folgende Schritte durchgeführt werden - Starten der Vergasungseinrichtung durch: - Zünden des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) mit Brenngas und Sauerstoff, wobei die Sauerstoffverhältniszahl zwischen 0,3 bis 0,6 beträgt, - Bespannen des Vergasungsreaktors (3) der Vergasungseinrichtung mittels des mit dem Zünd- und Pilotbrenner erzeugten Rohgases auf Betriebsdruck, - nach Erreichen des Betriebsdruckes Inbetriebnahme des Vergasungsbrenners (2.2), - Außerbetriebnahme des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch: - Einstellung über ein Regelventil (1.6) und Überwachung über eine Mengenmesseinrichtung F16 einer Mindestmenge an Inertgas in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners, - nach Erreichen der Mindestmenge an Inertgas in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners, Absperrung der Sauerstoffzufuhr zum Pilotbrenner durch Schließen eines Regelventils (1.2), - Einstellung über ein Regelventil (1.7) und Überwachung über eine Mengenmesseinrichtung F17 einer Mindestmenge an Inertgas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1), - nach Erreichen der Mindestmenge an Inertgas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1), Absperrung der Brenngaszufuhr zum Pilotbrenner durch Schließen eines Regelventils (1.1), - Betrieb des Vergasungsreaktors mit abgestelltem Zünd- und Pilotbrenner (2.1) und Spülung seines Brenngaskanals sowie Sauerstoffkanals mit Inertgas, - Wiederinbetriebsetzung des während des laufenden Vergasungsbetriebes außer Betrieb genommenen Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch: - Zufuhr von Brenngas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Öffnen eines Regelventils (1.1) und Kontrolle durch eine Mengenmessung F11, - Abstellung der Zufuhr von Inertgas in den Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Schließen eines Regelventils (1.7), - Zufuhr von Sauerstoff in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Öffnen eines Regelventils (1.2) und Überwachung durch eine Mengenmessung F12, - Abstellung der Zufuhr von Intergas in den Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) durch Schließen eines Ventils (1.6), - Betrieb des Zünd- und Pilotbrenners (2.1) unter Betriebsbedingungen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine leittechnische Sicherung bei wechselweiser Medienumstellung im Zünd- und Pilotbrenner (2.1) zwischen Sauerstoff und Brenngas einerseits und Inertgas andererseits durch Verknüpfung der Mengenmessungen zum Sauerstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners F12 mit F16 mittels einer ersten logischen „ODER“- Verknüpfung und Verknüpfung der Mengenmessungen zum Brenngaskanal des Zünd- und Pilotbrenners F11 mit F17 mittels einer zweiten logischen „ODER“- Verknüpfung.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der erforderlichen Mindestmengen an Inertgas in dem Sauerstoffkanal oder dem Brennstoffkanal des Zünd- und Pilotbrenners eine Außerbetriebnahme und Entspannung der Vergasungseinrichtung durch das sicherheitsgerichtete Leitsystem erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Vergasungseinrichtung angewendet wird, in der der Zünd- und Pilotbrenner (2.1) sowie der Vergasungsbrenner (2.2) zu einem Kombinationsbrenner kombiniert sind.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Intergas Stickstoff verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Intergas Kohlendioxid verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Intergas Wasserdampf verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Intergas Mischungen aus der Gruppe von Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf verwendet wird.
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