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Die Erfindung bezieht sich auf die Hochtemperaturvergasung kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe wie beispielsweise Kohle, Biomasse oder Raffinerierückstände.
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Oberhalb der Ascheschmelztemperatur entsteht bei dieser Art der Vergasung Schlacke. Die Schlacke muss von dem Synthesegasstrom getrennt werden. Hierzu sind verschiedene Vergaserbauformen bekannt, welche die Schlacke im aufgeschmolzenen fließfähigen Zustand zunächst vom Gasstrom abtrennen, um die flüssige Schlacke über eine Abtropfkante in eine Quenchflüssigkeit zu leiten, um dort ein Schlackegranulat zu erzeugen.
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Eine prozesstechnisch wichtige Aufgabe in diesem Zusammenhang besteht darin, die Schlacke bis zum Abtropfen an der Abtropfkante in einem fließfähigen Zustand zu halten, um ein Verblocken des Schlackeablaufs zu verhindern.
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In der Kohlevergasung sind Brennersysteme bekannt, die im Bereich des Schlackeablaufs betrieben werden (sogenannte Schlackeablaufbrenner). Hiermit wird ein Wärmeeintrag zur Verfügung gestellt, der in der Lage ist, die Schlacke flüssig zu halten und gegebenenfalls wieder aufzuschmelzen. Derartige Brennersystem sind beispielsweise in der
US 3,218,998 A oder der
DD 254 045 A1 beschrieben.
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Der Einsatz derartiger Schlackeablaufbrenner wird als relativ aufwendig angesehen, da zusätzliche Brenner positioniert werden müssen, wodurch sich die Kosten der Vergaseranlage erhöhen. Ferner müssen derartige Brenner teilweise über große Bereiche betrieben und nach schlecht zugänglichen prozesstechnischen Führungsgrößen geregelt werden. Hierbei besteht die Gefahr dass durch direkte Einwirkung der Flammen Mauerwerk oder Einbauteile Schaden nehmen können, was wiederum zu einem Abfahren bzw. Ausfallzeiten der Anlage führen kann. Darüberhinaus wirken Brennerabgase der in der Regel unmittelbar oder direkt auf die Abtropfkante gerichteten Brenner auf die ablaufende Schlacke ein. Eine derartige Beeinflussung und/oder Ablenkung der ablaufenden Schlacke kann ebenfalls zu ungewollten Ablagerungen und Verblockungen führen.
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Es sind ferner verschiedene Systeme beschrieben worden, bei denen durch eine direkte elektrische Beheizung der Abtropfkante die entstehende Verlustwärme ausgeglichen werden soll. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der
DD 154 945 A1 oder der
DE 10 2008 038 485 A1 beschrieben.
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Die Lösungen mit direkter elektrischer Beheizung der Abtropfkante erweisen sich in der Praxis insofern als nachteilig, als eine hohe thermische Beanspruchung des Materials der Abtropfkante bei gleichzeitiger chemischer Erosion durch aggressive Schlackebestandteile zu beobachten ist. Sowohl thermische Beanspruchung des Materials als auch chemische Erosion steigen überproportional mit der Temperatur an. Mit dieser Lösung lassen sich lediglich kurze Standzeiten der Ablaufgeometrie realisieren. Ferner wird über die elektrische Heizung und die Wärmeleitung durch das Material der Abtropfkante der Wärmeverluststrom ausgeglichen. Der Wärmeeintrag in die Schlacke, wird hierbei aber durch die zusätzliche Schlackeisolationsschicht gehemmt, wobei bevorzugt die Wärme der abfließenden Schlacke über die Phasengrenze flüssig-gasförmig durch Wärmestrahlung an die Quenchflüssigkeit abgegeben wird. Hierbei besteht die potentielle Gefahr, dass nicht ausreichend Wärme nachgeliefert werden kann, und die Schlacke an der Phasengrenzfläche flüssiggasförmig unterkühlt, hierdurch zäh wird und anschließend den Ablauf der Schlacke stört. Eine derartige elektrische Wandinnenheizung an der Abtropfkante ist ferner wegen des begrenzten Wärmeeintrags in die Schlacke außerdem für ein Wiederaufschmelzen einer erstarrten Schlacke nicht geeignet.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigen Einsatzsstoffen, bei der das Abfließen der Schlacke in einfacher und zuverlässiger Weise gewährleistet werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Mit Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf herkömmlich verwendete Schlackeablaufbrenner vollständig verzichtet werden, womit ein wesentlich einfacherer Aufbau und eine erleichterte Betriebsweise einer Vorrichtung zur Abtrennung und Ableitung von Schlacke aus einer Vergasungsanlage für kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe zur Verfügung gestellt ist. Erfindungsgemäß erfolgt ferner keinerlei Strömungsbeeinflussung der Schlacke durch Brennerabgase eines Schlackeablaufbrenners.
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Die erfindungsgemäße Bereitstellung eines wenigstens teilweise beheizbar ausgebildeten Abtropfschachtes ist in einfacher Weise realisierbar. Der Betrieb erweist sich insofern als besonders günstig, als keinerlei Versorgung mit Brenn- oder Oxidationsgasen notwendig ist, womit das System insgesamt robuster und weniger störanfällig ist. Der Abtropfschacht kann insbesondere einen beheizbaren Teil sowie einen nicht-beheizbaren Teil umfassen.
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Erfindungsgemäß entsteht kein Kontakt von chemisch korrosiver Schlacke mit dem elektrisch beheizten Abtropfschacht, da die Schlacke an der Abtropfkante abtropft und durch den Abtropfschacht hindurchfällt. Hiermit können lange Standzeiten des Abtropschachtes erreicht werden.
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Der Wärmeverluststrom aus den wichtigen Geometrien wie etwa Schlackeablauföffnung und Schlackeabtropfkante wird durch den beheizbar ausgebildeten Abtropfschacht wirksam verringert, womit diese Flächen in unaufwendiger Weise auf Prozesstemperatur gehalten werden können.
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Mit der Erfindung ist ferner die Ausbildung gleichmäßiger Temperaturprofile in der Vorrichtung, beispielsweise in verwendeten Steinen oder Materialien der Ablaufgeometrie wie etwa Schlackeablauföffnung oder Schlackeabtropfkante usw. realisiert.
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Vorteilhafterweise wird der Abtropfschacht, insbesondere der behiezbar ausgebildete Teil, aus einem keramischen, thermisch hoch belastbaren und chemisch gut beständigen Material ausgeführt. Der Kontakt mit geringfügigen Mengen von Schlacke ist damit in der Praxis nicht problematisch und gewährleistet hinsichtlich der Standzeit eine robuste Ausführung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Abtropfschacht wenigstens teilweise elektrisch beheizbar ausgebildet. Eine derartige elektrische Beheizbarkeit ist mittels entsprechender Heizelemente in einfacher Weise bewerkstelligbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der beheizbare Teil des Abtropfschachtes, der tatsächlich beheizt wird, variabel eingestellt werden. Beispielsweise ist denkbar, nur die obere Hälfte oder den oberen Teil des beheizbaren Abtropfschachtes zu beheizen. Dies kann beispielsweise durch einzeln ansteuerbare Heizelemente realisiert werden. Mit dieser Maßnahme kann die bereitgestellte Heizleistung in optimaler Weise an konkrete Anlagenzustände angepasst werden.
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Es ist bevorzugt, einen den Abtropfschacht umgebenden, mit Inertgas gefüllten Ringspalt vorzusehen. Zweckmäßigerweise ist ein den Ringspalt außen begrenzender Zylinder aus Isolationsmaterial vorgesehen. Mit diesen Maßnahmen kann die bereitzustellende Heizleistung weiter minimiert werden.
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Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Heizelemente sind vorzugsweise aus MoSi2 hergestellt. Dieser Werkstoff erweist sich in der Praxis als robust, zuverlässig und korrosionsbeständig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung unterhalb des beheizbaren Abtropfschachtes einen keramisch ausgekleideten und unbeheizten Schachtteil auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigt
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1 eine seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abtrennung und Ableitung von Schlacke aus einer Vergasungsanlage für kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abtrennung und Ableitung von Schlacke aus einer Vergasungsanlage für kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe ist in 1 dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Vorrichtung weist ein feuerfest ausgekleidetes Gehäuse 110 auf. Das Gehäuse 110 weist vorteilhafterweise einen Druckmantel, z. B. aus einem Stahlwerkstoff, auf, welcher auf seiner Innenseite mit einer Feuerfestzustellung ausgemauert ist. Das Gehäuse 110 dienst als Gasstromablenkeinrichtung 116, wobei die Gasstromablenkeinrichtung mit einem oben angeordneten Heißgaseinlass 112, einem horizontalen oder vertikalen Rohgasaustritt 114 und einer die Gasstromablenkeinrichtung auf der Unterseite begrenzenden trichterförmigen Schlackesammelfläche 118, als Schlackeablauföffnung bezeichnet, ausgeführt ist. Oberhalb des Heizgaseinlasses 112 ist eine nicht dargestellte Brennkammer ausgebildet. Die Schlackeablauöffnung 118 weist eine Abtropfkante 120 auf. Unterhalb der Abtropfkante ist ein Abtropfschacht 122 ausgebildet, durch welchen an der Abtropfkante 120 abtropfende Schlacke hindurch in einen mit Quenchflüssigkeit 125 befüllten Behälter 124 fällt. Zwischen der Abtropfkante 120 und dem Abtropfschacht 122 ist eine Isolation 127 ausgebildet.
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Ein oberer Teil 123 des Abtropfschachtes 122 ist beheizbar ausgebildet und weist hierzu in seiner Wandung wenigstens ein elektrisches Heizelement 130 auf. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Heizelement beispielsweise aus MoSi2 hergestellt. Eine Stromversorgung für das Heizelement 130 ist symbolisch dargestellt und mit 132 bezeichnet.
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Das Heizelement bzw. die Heizelemente 130 ist bzw. sind angeordnet in einem hinter dem beheizbaren Teil 123 des Abtropfschachtes befindlichen und mit Inertgas gefüllten Ringspalt 118. Außenseitig ist dieser Ringspalt 18 begrenzt durch einen ausreichend dicken gemauerten Zylinder aus hochtemperaturbeständigem Isolationsmaterial 119.
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Unterhalb des elektrisch beheizbaren Teils 123 des Abtropfschachtes 122 ist ein beispielsweise etwa 500 mm langer keramisch ausgekleideter und unbeheizter Schachtteil 138 vorgesehen. Dieser ist vorzugsweise um 50 mm auf einen Durchmesser von etwa 1.000 mm aufgeweitet und bildet damit einen Absatz.
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Der Abtropfschacht 122 hat typischerweise eine Gesamthöhe von etwa 1500 bis 2000 mm, wobei der beheizbare Teil 123 eine Länge von typischerweise 1000 mm hat.
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Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer Abtropfschachtkonstruktion wird gehaltert durch eine unterhalb des unbeheizten Schachtteils 138 vorgesehne Stützkonsole 140.
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Der Abstand der Stützkonsole 140 mit Fallschacht zur im Behälter 124 vorgesehenen Quenchflüssigkeit beträgt vorzugsweise etwa 300 mm, wobei der Durchmesser der Flüssigkeitsoberfläche beispielsweise 1.500 mm betragen kann.
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Es erweist sich als vorteilhaft, Quenchbehälter mit einem Gesamtvolumen von etwa 5 m3 vorzusehen. Hiermit können erwartete Gesamtschlackeströme von etwa 3 t/h bis 10 t/h ohne weiteres bewerkstelligt bzw. behandelt werden.
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Die elektrische Leistung des Heizelements 130 des Abtropfschachtes 122 beträgt beispielsweise maximal 500 kW und ist stufenlos regelbar. Führungsgröße ist beispielsweise die Oberflächentemperatur des beheizten Abtropfschachtes und/oder der Schlackeabtropfkante.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es, wie beschrieben, möglich, lediglich einen Teil des Abtropfschachtes 122, beispielsweise den oberen Teil 123, elektrisch beheizbar auszubilden. Es ist auch denkbar, den Teil 123 des Abtropfschachtes 122, der beheizt wird, variabel auszubilden. Beispielsweise ist denkbar, je nach konkreten Bedingungen, einen größeren oder einen kleineren Teil des Abtropfschachtes zu beheizen. Zu diesem Zweck können z. B. einzeln ansteuerbare Heizelemente 130 vorgesehen sein.
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Es ist denkbar, den beheizten Abtropfschacht 122, insbesondere den beheizbaren Teil 123, mit einem herkömmlichen Schlackeablaufbrenner zu kombinieren. Mit einer derartigen Kombination lassen sich die Vorteile beider Ausgestaltungen kombinieren.
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Zur Beheizung des Abtropfschachtes kann anstelle einer elektrischen Heizung (Widerstandsheizung) eine Heißgas-Heizung vorgesehen sein. Zu diesem Zwecke muss das Heißgas über ein Schlitzsystem beispielsweise an der Hinterseite des Abtropfschachtes entlanggeleitet werden. Das Heißgas kann z. B. durch kontrollierte Oxidation eines Brenngases mittels eines Brenners bereitgestellt werden. Die Heißgastemperatur wird über den Brenner geregelt. Das abgefüllte Heißgas wird dann kontrolliert abgeführt und stromabwärtig in den Prozess eingebunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3218998 A [0004]
- DD 254045 A1 [0004]
- DD 154945 A1 [0006]
- DE 102008038485 A1 [0006]
