DE102014201890A1

DE102014201890A1 - Kühlung und Waschung eines Rohgases aus der Flugstromvergasung

Info

Publication number: DE102014201890A1
Application number: DE102014201890.0A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schingnitz; Frank Hannemann; Heidrun Toth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2015-08-06
Also published as: CN104818052A; US20150218471A1; CN104818052B; US9695371B2

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung für ein dreistufiges Kühl- und Waschsystem zur Behandlung heißer Rohgase und flüssiger Schlacke hinter einer Flugstromvergasung. Dabei werden Rohgas und Schlacke zunächst in einer ersten Stufe durch Einspritzen von Wasser aus Ring- und/oder Wanddüsen in einem Freiraum abgekühlt und vorgewaschen. Danach werden Rohgas und Schlacke gemeinsam mit Überschusswasser einem Wasserbad als zweiter Stufe zugeführt, bevor als dritte Kühl- und Waschstufe in einem Ringraum nochmals eine intensive Bedüsung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung eines kombinierten Quench- und Waschsystems für die Kühlung und Reinigung von Rohgasen einer Flugstromvergasungsanlage, in der Brennstäube mit Sauerstoff und Moderatoren wie Wasserdampf aber auch Kohlendioxid bei Temperaturen zwischen 1200–1900°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. Die Vergasungsreaktoren können mit einem Kühlschirm oder mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein, wie die Patente DE 44 46 803 und EP 0677567 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 beschrieben.
Die Flugstromvergasung verursacht aufgrund der staubfein aufgemahlenen Brennstoffpartikel und kurzer Reaktionszeiten im Vergasungsraum einen erhöhten Staubanteil im Rohgas. 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 0,1 µm. Die Trennbarkeit der Partikel vom Rohgas ist von diesem Durchmesser, aber auch von deren Zusammensetzung abhängig. Grundsätzlich kann zwischen Ruß und Asche beziehungsweiseSchlackepartikeln 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. Dies führt zu verstärktem Verschleiß in den Trennabscheidern und rohgasführenden Leitungen und kann sicherheitsrelevante Leckagen und Lebensdauereinschränkungen zur Folge haben. Für die Entfernung der aus den Brennstoffen resultierenden Stäube werden verschiedene Waschsysteme eingesetzt.
Der bisherige Stand der Technik ist im Patentdokument DE 10 2005 041 930 und in „Die Veredlung von Kohle“ DGMK, Hamburg, Dezember 2008, Schingnitz, Kapitel „GSP-Verfahren“ wiedergegeben. Danach verlässt das Vergasungsrohgas gemeinsam mit der aus der Brennstoffasche gebildeten Schlacke bei Temperaturen von 1200–1900°C den Vergasungsraum und wird in einem nachfolgenden Quenchraum durch Einspritzen von Überschusswasser gekühlt und von der Schlacke und im geringen Maße von mitgeführtem Staub befreit, wobei der Quenchraum als Freiraumquencher gestaltet oder mit einem Rohgas-führenden Zentralrohr ausgestattet sein kann. Ein Freiraumquenchsystem ist beispielsweise in DE 10 2007 042 543 offengelegt, bei dem das den Vergasungsraum verlassende Rohgas mit Wasser besprüht und im Unterteil unter einer Dachkonstruktion abgezogen wird. DE 10 2006 031 816 zeigt einen freien Quenchraum völlig ohne Einbauten, wobei in einer oder mehreren Ebenen Quenchwasser in einer solchen Menge eingedüst wird, dass das Rohgas gekühlt und mit Wasserdampf gesättigt wird und das überschüssige Quenchwasser im Unterteil allein oder gemeinsam mit abgeschiedener Schlacke abgezogen wird. Varianten mit Zentralrohr zeigen die Patente DE 199 52 754 , bei dem das Zentralrohr in Form eines Venturirohres ausgebildet ist, DD 145 860 , bei dem das Rohgas am Ende des Zentralrohres einer zusätzlichen Wäsche in Form einer Mammutpumpe unterworfen wird und DD 265 051 , wo am Ende des Zentralrohres Elemente zur Verteilung des ausströmenden Rohgases für ein gleichmäßiges Abströmen sorgen sollen. CN 101003754-B beschreibt eine Tauchquenchvorrichtung mit einem Zentralrohr, in dem das heiße Rohgas aus dem Vergasungsreaktor gemeinsam mit der gleichfalls heißen Schlacke nach unten in eine Wassertauchung geführt wird und als Gas-Wasser-Suspension im Ringspalt des als Doppelrohr ausgebildetem Leitrohres nach oben strömt. Die Gas-Wassertrennung geschieht am oberen Ende des Leitrohres. Die im Ringspalt aufströmende Gas-Wasser-Suspension soll das innere Zentralrohr vor Überhitzung schützen.
Die Lösung gemäß Patent DE 10 2007 042 543 besitzt den Nachteil, dass der Freiraum durch Rohrleitungen größeren Durchmessers für die Rohgasabführung und die Dachkonstruktion Ablagerungsflächen für mitgeführte Schlacken und Stäube bietet, was erfahrungsgemäß zu Verstopfungen führt. DE 10 2006 031 816 erfordert ein gleichmäßiges Abströmen des heißen Rohgases aus dem Vergasungsraum, weil sonst die Gefahr der thermischen Überlastung der drucktragenden Behälterwände bestehen könnte. Die Anordnung eines Venturirohres nach DE 199 52 754 kann zu unerwünschten Druckschwankungen im Vergasungsraum führen, die wegen ihrer kurzen Wirkungszeit regelungstechnisch kaum auszugleichen sind. Einbauten in den Quench- und Waschraum, wie in den Patenten DD 256 051 und DD 224 045 , können durch die puzzolanischen Eigenschaften besonders der Feinstaubanteile bei bestimmten Kohle- und Aschetypen zu zementfesten Aufwachsungen führen, die gleichfalls zu Verstopfungen und zur Erhöhung des Druckverlustes führen. Diese Gefahr besteht gleichfalls bei der Lösung nach CN 101003754-B . Sollte sich der Spalt zwischen dem Innen- und Außenrohr des Zentralrohres zusetzen, strömt das heiße Rohgas im ungekühlten Innenrohr nach unten, was zu seiner thermischen Zerstörung führen kann und gefährdet zusätzlich den Druckmantel des Quenchraumes durch Überhitzung.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Kühlung des heißen Vergasungsgases und der mitgeführten flüssigen Schlacke, bei der zum Einen eine Abkühlung des heißen Rohgases bis auf die vom Verfahrensdruck bedingte Temperatur der Wasserdampfsättigung, zum Anderen eine gleichzeitige Abscheidung von Schlacke und Staub und zum Weiteren ein hoher Wasserstoffanteil im Rohgas erreicht werden soll.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Erfindungsgemäß sind mehrere hintereinander geschaltete Kühl- und Waschstufen miteinander kombiniert. Das heiße Vergasungsrohgas verlässt den Vergasungsreaktor gemeinsam mit der aus der Brennstoffasche gebildeten flüssigen Schlacke über eine spezielle Auslaufvorrichtung und gelangt in einen Freiraumquencher als erste Stufe. Durch Einspritzen von Kühl- und Waschwasser in den heißen Gasstrom durch einen Düsenring 13 direkt an der Auslaufvorrichtung wird bereits die Kühlung bis zur vom Verfahrensdruck abhängigen Sättigungstemperatur und eine erste Staubbindung erreicht. Die eingedüste Wassermenge wird dabei so bemessen, dass die nachfolgenden Einrichtungen genügend benetzt werden. Die Freiraumquenchung wird nach unten durch einen trichterförmigen Einsatz 9 abgeschlossen, der das vorgekühlte Rohgas und die Schlacke über eine rohrförmige Fortsetzung in ein Wasserbad 7 als zweite Behandlungsstufe führt. Während sich gröbere Schlacketeilchen nach unten separieren, wird Feinstaub im Wasserbad gebunden, das vom Rohgas als Blasensäule durchströmt wird. Das die Blasensäule verlassende Rohgas wird vor Verlassen der Kühl- und Waschvorrichtung nochmals über einen Düsenring 5 mit Waschwasser als dritte Stufe beaufschlagt, um möglichst viele Feinstaubanteile zurückzuhalten. Durch die Kombinierung der drei hintereinander geschalteten Kühl- und Waschstufen und die dabei bei der Abkühlung des Rohgases mit Wasser ablaufende Konvertierungsreaktion zwischen Kohlenmonoxid und Wasserdampf wird ein hoher Wasserstoffanteil im Rohgas erreicht. Das gekühlte und gewaschene wasserdampfgesättigte Rohgas wird anschließend weiteren externen Behandlungsstufen zugeführt. Zum Schutz des Druckmantels 3 vor Überhitzung besonders im Bereich des Freiraumquenches kann ein innerer Wassermantel 10 angelegt sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Rohgas in der Blasensäule durch einen Leitring 17 zu führen.
Im Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand von zwei Figuren erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Kühl- und Waschsystem gemäß erfinderischer Lösung, wobei die Figur als Schnitt eines rotationssymmetrischen Systems dargestellt ist, und
2 ein Kühl- und Waschsystem mit einer zusätzlichen Leiteinrichtung 17 für die Blasensäule Stufe 2.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
In einem Vergasungsreaktor 1 nach 1 mit einer Begrenzung des Reaktionsraumes durch einen Kühlschirm 12 werden bei einer Bruttoleistung von 500 MW 68 t/h Kohlenstaub unter Zugabe eines Sauerstoff-haltigen Vergasungsmittels und von Dampf mittels autothermer Partialoxidation bei einem Betriebsdruck von 4,2 MPa in Rohgas und flüssige Schlacke überführt. Die produzierte feuchte Rohgasmenge von 145000 m³ i.N./h und die aus der Brennstoffasche entstandenen 4,7 Mg/h flüssige Schlacke 11 strömen gemeinsam mit dem Rohgas bei Temperaturen von 1400–1800°C durch den Gas- und Schlackeaustrag 16 in die als Freiraumquencher 2 ausgebildete erste Stufe des Kühl- und Waschsystems. In den Rohgas- und Schlackestrom 11 wird unmittelbar nach dem Gas- und Schlackeaustrag 16 über einen Düsenring 13 Kühl- und Waschwasser eingespritzt, um das Rohgas auf die vom Druck vorgegebene Sättigungstemperatur zu kühlen und die nachfolgenden Einrichtungen sicher zu benetzen. Zusätzlich zum Düsenring 13 kann weiteres Kühl- und Waschwasser über durch den Druckmantel 3 geführte Düsen 15 zugeführt werden. Die Zuführungen 13 und 15 können jeweils allein oder gemeinsam betrieben werden. Vorgekühltes Rohgas, Schlacke und Überschusswasser werden durch den Trichter 9 in das Wasserbad 7 geleitet, wobei sich die Schlacke absetzt und nach unten über den Austrag 8 entfernt wird. Der Trichter 9 taucht in das Wasserbad 7 ein, leitet das Rohgas in das Wasserbad 7 und es bildet sich aufströmend eine Gas- Waschwassersuspension, ähnlich einer Blasensäule mit einem hohen Wascheffekt als zweite Waschstufe des Kühl- und Waschvorganges. Nach Verlassen des Wasserbades 7 wird das Rohgas in einem darüberliegenden Freiraum durch einen Düsenring 5 weiter mit Waschwasser als dritte Waschstufe beaufschlagt, um weitere Staubteilchen aus dem Rohgas zu entfernen. Das gekühlte und gewaschene Rohgas verlässt über die Gasabführung 6 mit einem Druck von 4,1 MPa und einer Temperatur von 225°C das dreistufige Kühl- und Waschsystem und wird der weiteren Behandlung zugeführt. Zum Schutz des Druckmantels 3 wird mit dem Innenmantel 4 ein Wassermantel 10 gebildet, der über die Zuführung 14 mit Reinwasser beaufschlagt wird, das am oberen Ende 18 des Innenmantels 4 in den Freiraumquencher 2 überströmt.
In einer besonderen Ausführung nach 2 kann durch einen Innenring 17 die Blasensäule im Wasserbad 7 so geführt werden, dass das Rohgas vor dem Düsenring 5 nochmals eine Umlenkung vollziehen muss.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch ein Verfahren durchgeführt werden, demzufolge

– das 1200–1800°C heiße und unter einem Druck bis 10 MPa stehende Rohgas mit der flüssigen Schlacke aus einem mit einem Kühlschirm 12 begrenzten Vergasungsreaktor 1 über einen Rohgas- und Schlackeaustrag 16 in eine dreistufige Kühl- und Waschvorrichtung überführt werden,
– in einer Freiraumquenchung 2 als erste Kühl- und Waschstufe Kühl- und Waschwasser eingedüst wird,
– das vorgekühlte Rohgas und die Schlacke aus der Freiraumquenchung 2 über einen Trichter 9 in ein Wasserbad 7 als zweite Kühl- und Waschstufe geleitet werden, in dem aufsteigend das Rohgas mit dem Wasserbad 7 eine Gas-Wasser-Suspension ähnlich einer Blasensäule bildet,
– das Rohgas nach Verlassen der Blasensäule in einem darüber liegenden Freiraum als dritte Kühl- und Waschstufe durch einen Düsenring 5 einer nochmaligen intensiven Freiraumwaschung unterzogen wird und die vom Verfahrens druck bedingte Temperatur der Wasserdampfsättigung er reicht wird und
– das gekühlte und gewaschene Rohgas über die Gasabführung 6 weiteren Behandlungsstufen zur Erzeugung eines Reingases zugeführt wird.

Bei einer Vorrichtung, bei der in dem Quencher ein Innenmantel 4 angeordnet ist, wird in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens der Ringspalt 10 zwischen dem Druckmantel 3 und dem Innenmantel 4 kontinuierlich mit Wasser gespült.
Bei einer Vorrichtung, bei der in dem Quencher ein Innenmantel 4 angeordnet ist und bei der der Ringspalt 10 zwischen dem Druckmantel 3 und dem Innenmantel 4 kontinuierlich mit Wasser gespült wird, rieselt das den Ringspalt 4 als Wassermantel verlassende Wasser auf der Innenseite des Innenmantels 4 als Wasserfilm herab.
Bei einer Vorrichtung, bei der in dem Freiraum ein Innenring 17 angeordnet ist, wird in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens die Blasensäule im Wasserbad 7 durch den Innenring 17 vom Innenmantel 4 fern gehalten, wobei das Rohgas am oberen Ende des Innenrings 17 eine nochmalige Richtungsänderung erfährt.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsreaktor
2: Freiraumquenchung
3: Druckmantel
4: Innenmantel
5: Düsenring
6: Gasabführung
7: Wasserbad
8: Schlackeaustrag
9: Trichter
10: Ringspalt als Wassermantel
11: Rohgas, Schlacke
12: Kühlschirm
13: Düsenring
14: Reinwasserzuführung
15: Düsen am Druckmantel
16: Gas- und Schlackeaustrag
17: Innenring, Innenrohr, Leiteinrichtung,
18: Oberes Ende das Innenmantels

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4446803 [0002]
EP 0677567 [0002]
DE 19718131 [0002]
DE 2005041930 [0004]
DE 102007042543 [0004, 0005]
DE 102006031816 [0004, 0005]
DE 19952754 [0004, 0005]
DD 145860 [0004]
DD 265051 [0004]
CN 101003754 B [0004, 0005]
DD 256051 [0005]
DD 224045 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Behandlung von heißen Rohgasen und flüssiger Schlacke (11), die bei der Flugstromvergasung von Brennstäuben mit Temperaturen von 1200–1800°C und Drucken bis 10 MPa anfallen, bei der – ein Vergasungsreaktor (1) und ein Quencher in einem Druckmantel (3) angeordnet sind, – der Vergasungsreaktor (1) über einen Rohgas- und Schlackeaustrag (16) mit dem Quencher verbunden ist, – im Unterteil des Quenchers sich ein Wasserbad (7) befindet, – in dem Quencher anschließend an den Rohgas- und Schlackeaustrag (16) eine Freiraumquenchung (2) mit Düsen (15) zur Eindüsung von Kühl- und Waschwasser angeordnet ist, – in dem Quencher anschließend an die Freiraumquenchung (2) ein Trichter (9) angeordnet ist, der an seinem oberen Ende mit der Innenwand des Quenchers abschließt und der mit seinem unteren Ende in das Wasserbad (7) eintaucht, – in dem Raum zwischen Trichter (9), Wasserbad und Innenwand des Quenchers ein Ringkanal gebildet ist, – der Ringkanal mit der Rohgasabführung (6) verbunden ist, – in dem Ringkanal ein Düsenring (5) zur Eindüsung von Kühl- und Waschwasser angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Quencher ein Innenmantel (4) angeordnet ist, wobei zwischen dem Druckmantel (3) und dem Innenmantel (4) ein Wassermantel (10) gegeben ist und wobei der Trichter (9) an seinem oberen Ende mit dem Innenmantel (4) abschließt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (15) an der Innenwand des Quenchers angeornet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (15) unmittelbar am Druckmantel (3) angeornet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der Freiraumquenchung (2) ein den Rohgas- und Schlackeaustrag (16) eng umschließender Düsenring (13) zur Eindüsung von Kühl- und Waschwasser angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der Freiraumquenchung (2) ein Düsenring (13) unmittelbar am Gas- und Schlackeaustrag (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringkanal unterhalb des Düsenrings (5) ein Innenrohr (17) angeordnet ist, dessen unteres Ende in das Wasserbad (7) eintaucht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor (1) des Flugstromvergasers mit einem Kühlschirm (12) begrenzt ist.