DE102013203275B4

DE102013203275B4 - Waschwasser- und Kreislaufwasserführung in einer Vergasungsanlage mit Verwertung der Dampfschwaden

Info

Publication number: DE102013203275B4
Application number: DE102013203275.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Friedemann Mehlhose; Jürgen Battke; Norbert Fischer; Tino Just
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN104004546A; DE102013203275A1; CN104004546B

Abstract

Verfahren zur Entspannung von Feststoff-beladenen Waschwässern mit Temperaturen bis 260 °C, die bei der Waschung und Kühlung von staubführenden Rohgasen bei der Flugstromvergasung fester und flüssiger Brennstoffe bei Drücken bis 10 MPa anfallen, ohne dass Wasserdampfschwaden freigesetzt werden, demzufolge
- die mit unterschiedlichen Drücken im Quenchraum (3) eines Flugstromvergasers und in verschiedenden Waschstufen (4, 9, 10) anfallenden Feststoff-beladenen Waschwässer unter individueller Teilentspannung einem gemeinsamen Zwischenbehälter (14) zugeführt werden, wobei der Entspannungsdruck gleich oder größer als der Dampfdruck der Waschwässer bei der jeweiligen Waschwassertemperatur eingestellt wird,
- das teilentspannte, Feststoff-beladene Waschwasser in einer Entspannungsvorrichtung (15, 17) auf Umgebungsdruck entspannt wird,
- die dabei entstehenden gashaltigen Dampfschwaden (16) abgezogen und einer Verwertung zugeführt werden,
- das entspannte Feststoff-beladene Waschwasser (18) einer Feststoffabtrennung unterworfen und in den Waschwasser-Kreislauf zurückgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entspannung der Quench- und Waschwässer, die bei der direkten Kühlung und Waschung von Rohgasen einer Flugstromvergasungsanlage anfallen. In der Flugstromvergasungsanlage können staubförmig feste sowie flüssige Brennstoffe mit Sauerstoff und Moderatoren wie Wasserdampf oder Kohlendioxid bei Temperaturen zwischen 1100 - 1900°C und Drücken bis 10 MPa zu einem CO- und H₂-reichen Rohgas umgesetzt werden. Unter Brennstäuben sind fein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Stäube aus Biomassen, Produkte der thermischen Vorbehandlung wie Kokse, Dörrprodukte durch „Torrefaction“ sowie heizwertreiche Fraktionen aus kommunalen und gewerblichen Rest- und Abfallstoffen zu verstehen. Die Brennstäube können als Gas-Feststoff- oder als Flüssig-Feststoff-Suspension der Vergasung zugeführt werden. Unter flüssigen Brennstoffen sind leichte und schwere Fraktionen aus der Erdölverarbeitung, Teere sowie aschehaltige heizwertreiche flüssige Rest- und Abfallstoffe zu verstehen.
Die Vergasungsreaktoren können mit einem Kühlschirm oder mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein, wie die Dokumente DE 44 46 803 A1 und EP 0 677 567 A1 zeigen. Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, wie in DE 197 18 131 A1 beschrieben. Die Flugstromvergasung verursacht aufgrund der staubfein aufgemahlenen Brennstoffe bzw. der feinen Verdüsung flüssiger Brennstoffe im Vergasungsraum einen erhöhten Staubanteil, der mit dem Rohgas ausgetragen und in den Reinigungsstufen entfernt werden muss. Dieser Flugstaub besteht in Abhängigkeit von der Reaktionsfähigkeit des Brennstoffes aus Ruß, nicht umgesetzten Brennstoffpartikeln sowie feinen Schlacke- und Aschepartikeln. Die Größe variiert zwischen groben Partikeln mit Durchmesser größer 0,5 mm und feinen Partikeln mit einem Durchmesser bis zu 0,1µm. Die Trennbarkeit der Partikel vom Rohgas ist von diesem Durchmesser, aber auch von deren Zusammensetzung abhängig. Grundsätzlich kann zwischen Ruß und Asche einerseits sowie Schlackepartikeln andererseits unterschieden werden, wobei Rußpartikel generell kleiner und schwieriger vom Rohgas zu trennen sind. Schlackepartikel haben eine höhere Dichte und damit eine bessere Trennbarkeit, weisen aber im Gegensatz dazu eine höhere Härte und damit erosive Wirkung auf. Für die Entfernung der im Rohgas mitgeführten Stäube werden verschiedene Waschsysteme eingesetzt. Die staubhaltigen Waschwässer werden entspannt, von den mitgeführten Feststoffen befreit und im Kreislauf den Waschsystemen wieder zugeführt.
Der bisherige Stand der Technik ist im Patent DE 10 2005 041 930 B4 und in „Die Veredlung von Kohle“ DGMK, Hamburg, Dezember 2008 Schingnitz, Kapitel „GSP-Verfahren“ dokumentiert. Danach verlässt das Vergasungsrohgas gemeinsam mit der aus der Brennstoffasche gebildeten Schlacke bei Temperaturen von 1100 - 1900°C den Vergasungsraum und wird in einem nachfolgenden Quenchraum durch Einspritzen von Quenchwasser im Überschuss gekühlt, von der Schlacke und im geringen Maße von mitgeführtem Staub befreit. Die weitere Staubentfernung geschieht durch die Anordnung verschiedener mit Wasser beaufschlagter Waschsysteme wie Jetwascher, Venturiwascher, Freiraumverdüsung von Kondensaten sowie Kondensationssystemen mit hochwirksamen Tropfenabscheidern, wie beispielsweise Demisterpackungen. Die unter Verfahrensdruck stehenden und staubführenden Waschwässer und Kondensate werden in einem oder mehreren parallel angeordneten Flashsystemen entspannt und einer Staubabtrennung in Absetzbecken, Rundeindickern oder Filtersystemen zugeführt. Die vom Staub befreiten Waschwässer und Kondensate werden zur Quenchung des Rohgases und in die verschiedenen Waschstufen zurückgeführt. Bei der Entspannung des ca. 200 - 250°C heißen Waschwassers entstehen große Mengen gashaltiger Dampfschwaden, die zu sehr hohen Geschwindigkeiten in den Entspannungsvorrichtungen führen. Die mitgeführten Staubanteile verursachen dabei einen hohen Verschleiß, der die Verfügbarkeit der gesamten Vergasungsanlage beeinträchtigt.
Aus der DE 10 2009 030 717 A1 ist ein Verfahren zur Entspannung Gas- und Staub-beladener Quenchwässer aus der Staubdruckvergasung bekannt, bei dem durch Zumischung von Kaltwasser zu dem Quenchwasser vor der Entspannung die Strömungsgeschwindigkeiten in den Entspannungseinrichtungen so begrenzt werden, dass kein oder nur verminderter Verschleiß auftritt.
Aus der DE 10 2007 037 860 A1 ist ein Waschwasser-Kreislauf für Flugstromvergaser bekannt, bei dem die mit unterschiedlichen Drücken im Quenchraum und den verschiedenen Waschstufen anfallenden Feststoff-beladenen Waschwässer einem gemeinsamen Zwischenbehälter zugeführt und in den Waschwasser-Kreislauf zurückgeführt werden.
Aus der WO 94/ 11 085 A1 ist es für die Filtration von Rußbeladenem Waschwasser aus einer Vergasungseinrichtung bekannt, dass das Waschwasser entspannt, in einem Kühler gekühlt und einem Behälter zugeführt wird. Nach einer mehrstufig durchgeführten Feststoffabtrennung wird das gereinigte Wasser in den Kreislauf zurückgeführt.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung eine Methode zu entwickeln, die eine Kreislaufführung von bei unterschiedlichen Drücken anfallenden und mit Feststoffen wie Asche- und Schlackepartikeln beladenen Waschwässern sowie Kondensate über eine Entspannungsstrecke ermöglicht und die bei einer zuverlässigen Betriebsweise den Verschleiß der Entspannungsvorrichtungen verhindert oder zumindest verlangsamt, womit eine höhere Verfügbarkeit der Gesamtanlage ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst, wobei Unteransprüche vorteilhafte Ausführungen zur Lösung der Aufgabenstellung aufzeigen.
Um die Entspannungssysteme vor Verschleiß zu schützen, wird ein mehrstufiges System vorgeschlagen. Die in den einzelnen Kühl- und Waschstufen anfallenden staubführenden Wässer werden zunächst individuell teilentspannt einem Zentralbehälter zugeführt, dessen Druck höher ist als der Siededruck des Waschwassers. Bei dieser Teilentspannung wird damit das Sieden unterdrückt, es werden keine Wasserdampfschwaden freigesetzt und die Geschwindigkeiten in den Entspannungsvorrichtungen bleiben niedrig. Weiterhin ist es möglich, weitere Entspannungsstufen so anzuordnen, dass die Waschwässer zwischengekühlt und jeweils soweit entspannt werden, dass bei der sich einstellenden Temperatur der Siededruck nicht unterschritten wird.
Im Folgenden wird die Erfindung an einer Figur und zwei Ausführungsbeispielen in einem zum Verständnis erforderlichem Umfang erläutert. Dabei zeigt 1 eine Technologie zur Rohgaswaschung und Entspannung der Waschwässer und Kondensate, ohne dass Dampfschwaden entstehen. Damit werden hohe Geschwindigkeiten in den Entspannungssystemen vermieden und der Verschleiß verhindert, zumindest aber begrenzt.
Beispiel 1
Einem Flugstromreaktor mit einer Bruttoleistung von 500 MW werden 80 Mg/h Brennstaub aus einer Magerkohle nach dem Prinzip der Fließförderung mit Kohlendioxid als Trägergas über Staubförderleitungen zugeführt und gemeinsam mit 45.000 m3 i.N./h Sauerstoff im Vergasungsraum 1 bei einer Temperatur von 1650°C und einem Druck von 4,5 MPa zu einem Rohsynthesegas umgesetzt. Der Vergasungsraum 1 ist durch einen Kühlschirm begrenzt. Die Brennstoffasche wird bei den genannten Vergasungstemperaturen aufgeschmolzen und größtenteils auf einen Kühlschirm aufgetragen, läuft nach unten und gelangt über die Rohgas- und Schlackeaustragsöffnung 2 in den nachfolgenden Quenchraum 3. Die Rohgasmenge erreicht 135.000 m³ i.N/h. Die Temperatur nach der Quenchung beträgt 225°C, der Druck 4,0 MPa, das Rohgas ist wasserdampfgesättigt. Nicht die gesamte zu Schlacke aufgeschmolzene Brennstoffasche gelangt auf den Kühlschirm, sondern ein Teil wird mit dem Rohgasstrom direkt ausgetragen, so dass das Rohgas einen Staubgehalt von ca. 2 g/m³ i.N. mitführt. Da dieser Staub in nachfolgenden Prozessen durch Erosion oder Ablagerungen zu Störungen führt, ist eine Entfernung bis auf Restgehalte < 1mg/ m³ i.N. erforderlich, wobei die Feinstaubabscheidung eine besondere technologische Herausforderung darstellt. Um die Zielstellung zu erfüllen wird ein dreistufiges Gaswaschsystem installiert. Die erste Stufe weist ein besonderes Quenchsystem 3 und eine nachgeschaltete Waschkolonne 4, die als Blasensäule arbeitet, auf. Im Quenchraum 3 werden Rohgas und Schlacke durch Einspritzen von Quenchwasser zunächst auf 225°C abgekühlt, wobei das Rohgas mit Wasserdampf gesättigt wird. Durch die besondere Ausgestaltung des Quenchraumes beginnt hier bereits die Abscheidung von Grobstaub. Dazu wird über den Rohgasabgang 7 eine Haube 6 mit Bedüsung 5 installiert, in der das Rohgas mittels einer vom Wasserbad bis unter die Haube sich erstreckende Trennwand zu einem dreimaligen Richtungswechsel gezwungen wird. Die Haube 6 und die Trennwand können über einen Teil oder den gesamten Umfang des Quenchraumes gezogen sein. Hinter dem Rohgasabgang 7 kann über eine Eindüsung 5 zusätzlich Waschwasser eingebracht werden. Weiter gelangt das Rohgas über eine Leitung in die Waschkolonne 4, taucht in ein Wasserbad 8 ein und wird als Blasensäule nach oben in einen Freiraum mit geringer Rohgasgeschwindigkeit geführt. In dieser ersten Gaswaschstufe werden etwa 30 Ma% des Grobstaubes im Korngrößenbereich von 2.500 bis 10 µm aus dem Rohgas entfernt.
Die zweite Waschstufe ist mit einem Venturiwaschsystem gebildet, in dem ein erster Venturiwascher 9 mit fester und ein zweiter Venturiwascher 10 mit regelbarer Kehle angeordnet sind. Die regelbare Kehle im zweiten Venturiwascher 10 erlaubt es auf schwankende Rohgasmengen zu reagieren. In dieser zweiten Waschstufe werden ca. 35 Ma% des im Rohgas mitgeführten Staubes in einem Korngrößenbereich bis 6 µm abgeschieden. Nach dem zweiten Venturiwascher 10 wird das teilgereinigte Rohgas über Leitung 11 weiteren Reinigungs- aber auch Feinreinigungsstufen (hier nicht eingezeichnet) zugeführt, bevor es in weitere Anlagen zur Konditionierung und chemischen Reinigung gelangt (hier ebenfalls nicht eingezeichnet). Das Feststoff-beladene Waschwasser der Waschkolonne 4, aus den Abscheidern 12 und 13 der Venturiwascher 9 und 10, aus dem Quenchraum 3 sowie weiteren (hier nicht eingezeichneten Waschstufen) wird über füllstandsgeregelte Armaturen in den Zwischenbehälter 14 teilentspannt.
In der Waschkolonne 4 und in den Venturiwaschern 9 und 10 haben Rohgas und Waschwasser eine Temperatur von 201°C erreicht. Theoretisch könnte das Waschwasser damit bis auf den Siededruck von 1,6 MPa entspannt werden, ohne dass sich Wasserdampfschwaden bilden. Praktisch wählt man den Entspannungsdruck 0,2 bis 0,5 MPa höher um sicher zu sein, dass es nicht zur Verdampfung kommt. Das teilentspannte Waschwasser wird anschließend aus dem Zwischenbehälter 14 dem Entspannungsbehälter 15 über die Entspannungsvorrichtung 17 zugeführt und bis auf den gewünschten Enddruck entspannt, der im Bereich des Umgebungsdruckes oder darunter liegt. Hierbei entstehen gashaltige Dampfschwaden, die über die Leitung 16 abgeführt werden. Das entspannte Waschwasser wird über die Leitung 18 aus dem Entspannungsbehälter 15 abgezogen und einer Anlage zur Feststoffabtrennung, wie beispielsweise einem Rundeindicker oder Filter (hier nicht eingezeichnet) zugeführt und im gereinigten Zustand der Quenchung und dem Waschsystemen 4, 9 und 10 im Kreislauf wieder zugeführt.
Beispiel 2
Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wird das feststoffbeladene Waschwasser in den Zwischenbehälter 14 teilentspannt und steht bei einer Temperatur von 201°C unter einem Druck von beispielsweise 1,8 MPa. Um die Entspannung ohne die Bildung von Dampfschwaden weiterzuführen wird in weiteren Stufen das Waschwasser zunächst gekühlt und danach weiter entspannt. Dazu wird das Waschwasser im Waschwasserkühler 19 auf 30°C gekühlt und in der Entspannungsvorrichtung 20 auf einen Druck von 0,12 MPa entspannt und im Entspannungsbehälter 21 gesammelt, abgezogen und einer Einrichtung zur Feststoffabscheidung wie beispielsweise einem Rundeindicker zugeführt, bevor es im Kreislauf in verschiedenen Waschsystemen wieder als Waschwasser genutzt wird. Der Waschwasserkühler 19 kann auch als Kombination eines Abhitzekessels und eines Kühlers eingesetzt werden, um einen Teil der fühlbaren Wärme des Waschwassers vor der Entspannung 20 zur Erzeugung von Mitteldruckdampf zu nutzen.
Bei Teilentspannung stellt sich ein Druck ein, der zwischen dem Vergasungsdruck (Druck im Reaktionsraum der Vergasungseinrichtung) und dem Atmosphärendruck liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Quench- und Waschsystem werden die verschiedenen Waschwässer in einem Waschwasser-Kreislauf geführt.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsraum
2: Rohgas- und Schlackeaustragsöffnung
3: Quenchraum
4: Waschkolonne als Blasensäule
5: Bedüsung Rohgasabgang
6: Haube
7: Rohgasabgang
8: Wasserbad
9: erster Venturiwascher
10: zweiter Venturiwascher
11: Rohgasleitung
12: Abscheider zu 9
13: Abscheider zu 10
14: Zwischenbehälter
15: Entspannungsbehälter
16: Schwadenleitung
17: Entspannungsvorrichtung
18: Waschwasserleitung
19: Waschwasserkühler oder -dampferzeuger
20: Entspannungsvorrichtung
21: Entspannungsbehälter
22: Waschwasserleitung

Claims

Verfahren zur Entspannung von Feststoff-beladenen Waschwässern mit Temperaturen bis 260 °C, die bei der Waschung und Kühlung von staubführenden Rohgasen bei der Flugstromvergasung fester und flüssiger Brennstoffe bei Drücken bis 10 MPa anfallen, ohne dass Wasserdampfschwaden freigesetzt werden, demzufolge - die mit unterschiedlichen Drücken im Quenchraum (3) eines Flugstromvergasers und in verschiedenden Waschstufen (4, 9, 10) anfallenden Feststoff-beladenen Waschwässer unter individueller Teilentspannung einem gemeinsamen Zwischenbehälter (14) zugeführt werden, wobei der Entspannungsdruck gleich oder größer als der Dampfdruck der Waschwässer bei der jeweiligen Waschwassertemperatur eingestellt wird, - das teilentspannte, Feststoff-beladene Waschwasser in einer Entspannungsvorrichtung (15, 17) auf Umgebungsdruck entspannt wird, - die dabei entstehenden gashaltigen Dampfschwaden (16) abgezogen und einer Verwertung zugeführt werden, - das entspannte Feststoff-beladene Waschwasser (18) einer Feststoffabtrennung unterworfen und in den Waschwasser-Kreislauf zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - ein erster Teil von kleiner 50 Prozent der teilentspannten Waschwässer aus dem Zwischenbehälter (14) vor der nachfolgenden Entspannungsvorrichtung (20, 21) in einem Waschwasserkühler (19) gekühlt wird und in der Entspannungsvorrichtung auf einen Druck entspannt wird, der gleich oder größer als der Dampfdruck des Waschwassers bei seiner Temperatur eingestellt ist, - das entspannte Feststoff-beladene Waschwasser (22) aus der Entspannungsvorrichtung (21) einer Feststoffabtrennung unterworfen und in den Waschwasser-Kreislauf zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das teilentspannte Waschwasser auf 30°C abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoff-beladene Waschwasser in ein, zwei oder mehreren Stufen entspannt wird, wobei die Entspannungsdrücke 0,01 bis 0,5 MPa über dem Gleichgewichtsdampfdruck liegen, der von der jeweiligen Temperatur des Waschwassers bestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil der teilentspannten Waschwässer aus dem Zwischenbehälter (14), der sich mit dem erster Teil der teilentspannten Waschwässer auf kleiner 50 Prozent addiert, ohne weitere Entspannung in den Waschwasser-Kreislauf zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das teilentspannte Waschwasser in einem Waschwasserkühler (19), der durch einen Dampferzeuger gegeben ist, gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das teilentspannte Waschwasser in einem Waschwasserkühler (19), der als Kombination eines Abhitzekessels und eines Kühlers gegeben ist, gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohgas in einem Venturiwaschsystem gereinigt wird, in dem ein erster Venturiwascher (9) mit fester und ein zweiter Venturiwascher (10) mit regelbarer Kehle angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Waschwässer auch Quenchwässer und / oder Kondensate umfassen.