-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Quenchen von Rohgas eines Flugstromvergasers hoher Leistung.
-
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Behandlung von Rohgasen in einer kombinierten Quench- und Waschstufe, die einem Flugstromvergasungsreaktor nachgeschaltet ist, in welchem Brennstäube mit Sauerstoff und bei Temperaturen zwischen 1200–1900°C und Drücken bis 10 MPa zu einem CO- und H
2-reichen Rohgas umgesetzt werden. Unter Brennstäuben sind fein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Stäube aus Biomassen, Produkte der thermischen Vorbehandlung wie Kokse, durch sogenannte Torrefaction gewonnene Dörrprodukte, 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. Zusätzlich oder ausschließlich können flüssige Brennstoffe vergast werden. Die Vergasungsreaktoren können mit einem Kühlschirm oder mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein, wie die Patentdokumente
DE 4446803 und
EP 0677567 zeigen.
-
Wie in dem Patentdokument
DE 10 2013 217447 beschrieben, verursacht die Flugstromvergasung aufgrund der staubfein aufgemahlenen Brennstoffpartikel, der enthaltenen inerten Bestandteile und kurzer Reaktionszeiten im Vergasungsraum einen erhöhten Staubanteil im Rohgas.
-
Der bisherige Stand der Technik ist in den Patentdokumenten
DE 10 2005 041 930 ,
DE 10 2014 203639 und
DE 10 2013 217447 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 eines Anteiles des mitgeführten Staubes gereinigt, wobei der Quenchraum als Freiraumquench, wie in
DE 10 2014 203639 gestaltet, oder mit einem rohgasführenden Zentralrohr, wie in
DE 10 2013 217447 beschrieben, ausgestattet sein kann. Ein Freiraumquenchsystem ist beispielsweise in
DE 10 2007 042543 offenbart, bei dem das den Vergasungsraum verlassende Rohgas mit Wasser besprüht und im Unterteil unter einer Dachkonstruktion abgezogen wird.
DE 10 2006 031816 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 Patentdokumente
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 , bei dem am Ende des Zentralrohres Elemente zur Verteilung des ausströmenden Rohgases für ein gleichmäßiges Abströmen sorgen sollen.
-
Die Lösung gemäß Patentdokument
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 zu Verstopfungen führen kann.
-
DE 10 2006 031816 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 Patentdokumenten
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.
-
Lösungen mit einem Zentralrohr, wie in dem Patentdokument
DE 10 2013 217447 beschrieben, können bei Flugstromvergasern großer Leistung und hohen Vergasungstemperaturen sowie ungleichmäßiger Benetzung des Innenrohres mit Wasser zu einer thermischen Zerstörung des Zentralrohres führen. Neben dieser Einschränkung ist der Einsatz von Zentralrohren auch bei Schlacken, welche ein kritisches Viskositätsverhalten aufweisen problematisch, da aufgrund des begrenzten Zentralrohrdurchmessers Verblockungen und Schlackefäden entstehen können. Der damit ansteigende Differenzdruck über dem Zentralrohr stellt ein hohes Risiko für die Verfügbarkeit dar und kann zu einer sicherheitstechnischen Abschaltung des Flugstromvergasers führen.
-
Aus dem Patentdokument
DE102008035295 ist ein gestufter Quench zur Konvertierung von Rohgasen, die bei der autothermen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen bei Temperaturen von 1300 bis 1800 °C und Drücken bis 10 MPa entstehen, bekannt, bei dem ein Teil der Düsen zum Zwecke der Wasserdampferzeugung im Quenchraum für die tangentiale Einspritzung ausgelegt ist, während die übrigen Düsen zum Zwecke der schnellen Abkühlung der Vergasungsprodukte und Nebenprodukte für die radiale Einspritzung ausgelegt sind.
-
Aus dem Patentdokument
DE102010033323 ist ein Quencher für Flugstromvergaser höherer Leistungsklassen bekannt, bei dem in mehreren Ebenen am Quenchermantel angeordnete Quenchdüsen mit unmittelbar am Gaseintritt in den Quencher angeordneten Düsen kombiniert sind.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Quencher für einen Flugstromvergaser hoher Leistung, wie zum Beispiel für die Leistungsklasse 1000 MW, bereitzustellen, der zum Einen eine Abkühlung des heißen Rohgases bis auf die vom Verfahrensdruck bedingte Temperatur der Wasserdampfsättigung, zum Anderen eine weitgehende Abscheidung von erosiven Partikeln, Schlacke und Staub und zum Weiteren einen erhöhten Wasserstoffanteil im Rohgas mit sich bringt.
-
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird das 1200 bis 1900°C heiße Vergasungsrohgas bei Drücken bis 10 MPa einem mehrstufigen Kühl- und Waschsystem unterzogen. Dabei wird das Rohgas 11 aus dem Vergasungsraum 1 über eine gemeinsame wassergekühlte Gas- und Schlackeaustrittsvorrichtung 16 und ein anschließendes gleichfalls wassergekühltes Leitrohr 20 geführt und der Quenchzone 2 zur Temperaturreduzierung zugeführt. Die Quenchzone unterteilt sich in mehrere Düsenebenen, wobei jeder Düsenring 13, 15, 9 eine unterschiedliche Eindringtiefe aufweist und die Einzeldüsen derart auf den Düsenringen angeordnet sind, dass eine vollständige flächenseitige Überdeckung und Wasserverteilung innerhalb der Quenchzone erreicht werden kann. Durch eine sowohl in Tiefe als auch Umfang versetzte Anordnung der Quenchdüsen kann sichergestellt werden, dass eine schnelle und gleichverteilte Temperaturreduzierung erfolgt, heiße Gassträhnen vermieden werden und das Rohgas auf kurzem Wege bis auf Sättigungstemperatur abgekühlt wird. Diese Anordnung bringt eine kompakte, robuste und aufwandsoptimierte Ausführung mit sich.
-
Die erfindungsgemäße Ausführung des Quenchers mit mehreren hintereinander geschalteten Quenchstufen und gegebenenfalls einer Waschstufe bewirkt durch eine gestufte Abkühlung des heißen Rohgases bis auf die vom Verfahrensdruck bedingte Temperatur der Wasserdampfsättigung und die dabei ablaufende Konvertierungsreaktion zwischen Kohlenmonoxid und Wasserdampf einen erhöhten Wasserstoffanteil im Rohgas.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind die Quenchdüsen 13, 15, 09 aufeinander folgender oder benachbarter Quenchringe bezüglich der Zentralachse 21 auf ihrem jeweiligen Quenchringumfang winkelversetzt zueinander angeordnet, womit eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Kernströmung 11 erzielt wird.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung beträgt der mittlere Radius des Quenchrings mit den Quenchdüsen 9 zwei Drittel des großen Radius des Quenchrings mit den Quenchdüsen 15.
-
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Trennbarkeit der Partikel vom Rohgas von ihrem Durchmesser, aber auch von deren Zusammensetzung abhängig ist.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist im Quenchraum unterhalb der Quenchringe ein Waschring, aufweisend Waschdüsen 17 zum Eindüsen von Waschwasser mit einem mittleren Tropfendurchmesser von > 500 µm in das Rohgas angeordnet. Hierdurch wird eine Abscheidung von größeren und damit errosiveren Partikel bereits im Quencher 2 bewirkt.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Waschring auf halber Höhe zwischen Leitrohr 16, 20 und Rohgasausgang 6 angeordnet. Diese Maßnahme bedingt eine Anordnung der Quenchdüsen, die erfindungsgemäß oberhalb des Waschrings positioniert sind, weit oben im Quenchraum, was einer Verschmutzung der Quenchdüsen durch die sich aufweitende Kernstömung 11 aus dem Leitrohr 16, 20 entgegenwirkt.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Quenchdüsen 9 des Quenchrings mit dem mittleren Radius auf jeweils eines von mehreren Segmenten, die in den Quenchraum hineinragen, aufgeteilt und haben die Quenchdüsen 9 eines Segmentes eine gemeinsame Wasserzuführung durch den Druckmantel 3 und gegebenenfalls durch den Innenmantel 4.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Quenchring in mehrere Segmente unterteilt, wobei eine Mindestanzahl von zwei Quenchdüsen 9 am Ende des jeweiligen Segments angeordnet ist und wobei die Quenchdüsen eines Segmentes eine gemeinsame Wasserzuführung durch den Druckmantel 3 und gegebenenfalls durch den Innenmantel 4 haben. Im Vergleich zu einer Einzeldurchführung der Düsen mit Hilfe aufwändiger Lanzen zeichnet sich diese Ausführung durch eine Reduzierung der Stutzenanzahl am Druckbehälter 3 aus.
-
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 einen erfindungsgemäßen Flugstromvergaser mit Freiraumquench hoher Leistung aufweisend eine Quenchzone und eine Waschzone sowie
-
2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Quencher mit näheren Einzelheiten der Quenchdüsenanordnung.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
-
Bei dem Flugstromvergaser in 1, der eine Zentralachse 21 aufweist, ist innerhalb eines Druckmantels 3 unter einem Reaktionsraum 1 ein Quenchraum 2 angeordnet. In dem Reaktionsraum, der durch einen Kühlschirm 12 begrenzt ist, werden Brennstäube mit Sauerstoff bei Temperaturen zwischen 1200–1900°C und unter Drücken bis 10 MPa zu Rohgas und flüssiger Schlacke umgesetzt, die über einen Gas- und Schlackeaustrag 16 und ein wassergekühltes Leitrohr 20 in eine Quench- und Waschvorrichtung 2 überführt werden. In dem Quenchraum 2 ist ein erster Quenchdüsenring 13 am Austritt des Leitrohres 20, konzentrisch zum Leitrohr und in zentraler Position zur Kernströmung 11 angeordnet, reicht (von der Innenwand des Quenchraums aus betrachtet) am weitesten in den Quenchraum hinein und reduziert die Temperatur des Gas- und Schlackestromes durch Wassereindüsung unter die Erweichungstemperatur der Schlacke von 800 bis 1000°C. Die Wassereindüsung erfolgt direkt in die heiße und nach unten gerichtete Kernströmung von Rohgas und flüssiger Schlacke. Gleichzeitig werden aufwärts strömende Gase im äußeren Bereich der Quenchzone in die Kernströmung ansaugt und bewirken neben der Wassereindüsung eine zusätzliche Abkühlung durch Gasmischung von aufwärts strömenden mit heißen, den Reaktor verlassenden Rohgasen. Diese zusätzliche Abkühlung wird durch einen weiteren Düsenring 15 am äußeren Rand des Quenchraumes, aber auch der Quenchzone, verstärkt, wobei der Düsenring 15 die aufwärts strömenden Gase bis auf 200°C abkühlt. Durch Mischung dieser abgekühlten aufwärts strömenden Gase mit heißem, den Vergasungsreaktor verlassenden Rohgas und der zusätzlichen Wassereindüsung 13 am Austritt des Leitrohres ist eine effektive und sehr schnelle Abkühlung auf 800–1000°C gegeben. Die weitere Abkühlung des Rohgases auf Sättigungstemperatur wird durch einen dritten Düsenring 9 erreicht, der in radialer Richtung zwischen dem inneren 13 und äußeren Düsenring 15 und unterhalb des äußeren Quenchringes 15 positioniert ist. Durch diese versetzte Anordnung wird sichergestellt, dass einerseits eine vollständige Abdeckung der Quenchfläche gegeben ist und andererseits der untere Düsenring 9 einen nach Möglichkeit kurzen Abstand zu der aus dem Reaktor austretenden Kernströmung 11 aufweist. Damit kann bei aufweitender Kernströmung eine Überhitzung der Düsen vermieden und gleichzeitig eine Durchdringung der Kernströmung erreicht werden. Zur Begrenzung der durch Schlackepartikel verursachten zementartigen Aufwachsungen, ist der untere Düsenring 9 in einer speziellen Ausführung in mehrere Segmente unterteilt, auf denen sich eine Mindestanzahl von zwei Düsen am Ende des jeweiligen Segments befinden. Damit wird eine Reduzierung der erforderlichen Haltekonstruktionen und Rohrleitungslängen erreicht und typische Ansätze für pozellanische Aufwachsungen vermieden.
-
Neben der Anordnung der Quenchdüsen für eine gleichmäßige Temperaturverteilung ist auch eine schnelle Verdampfung der Wasserpartikel anzustreben. Dies kann in vorteilhafterweise mit der Wahl spezieller Quenchdüsen, welche überwiegend Tropfen mit Durchmesser < 500 µm erzeugen, erreicht werden. Kleine Tropfen resultieren in einer großen stoffübertragenden Fläche und ermöglichen somit hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten auf kurzem Weg.
-
Das in der Quenchzone bis auf Sättigungstemperatur abgekühlte Rohgas wird in einer weiteren Prozessstufe innerhalb des Druckmantels 3 von groben Staub- und Schlacketeilchen gereinigt. In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird hierfür unterhalb des letzten Quenchdüsenringes 9 ein weiterer Düsenring 17 angeordnet, welcher Tropfen mit wesentlich größerem Durchmesser als dem der Quenchdüsen erzeugt und gleichmäßig über den Querschnitt verteilt. Der mittlere Tropfendurchmesser dieser Düsen sollte größer als 500 µm und in besonders vorteilhafter Weise einen Durchmesser zwischen 500 und 1000 µm betragen, um somit die Masse der Staubpartikel durch Benetzung mit Wasser zu vergrößern und eine bessere Abscheidung nach dem Trägheitsprinzip zu ermöglichen. In einer weiteren vorteilhaften Anordnung ist der Waschring 17 auf halber Höhe zwischen Eintritt 20 des Rohgases in den Quench- und Waschraum 2 und dem Gasaustritt 6 aus dem Druckmantel 3 angeordnet. Die Abscheidung der mit Wasser vergrößerten Staubpartikel aus dem Rohgasstrom in das Wasserbad 7 am Boden des Druckmantels erfolgt durch Umlenkung des Gasstrahles in Richtung Gasaustritt 6 und Rohgashaube 19, wobei in einem weiteren Reinigungsschritt die Waschwirkung durch zusätzliche Wassereindüsung von größeren Tropfen > 500 µm unterhalb der Rohgashaube 19 verstärkt werden kann. Da unterhalb der Rohgashaube 19 die Wassertropfen im Gegenstrom zum Rohgas eingetragen werden, erhöht sich die Differenzgeschwindigkeit und damit die Benetzungswahrscheinlichkeit. Die nachfolgende Umlenkung des Rohgases am Gasaustritt 6 des Druckbehälters 3 führt zu einer verstärkten Abscheidung der benetzten Staubpartikel vor Verlassen des Druckmantels 3.
-
Der Druckmantel 3 ist gegen Überhitzung, Abrasion und Korrosion durch einen Innenmantel 4 geschützt, wobei der Zwischenraum 10 laufend mit Wasser gespült wird, das auf der Innenseite des Innenmantels 4 als Wasserfilm nach unten fließt. Der abgeschiedene Grobstaub wird gemeinsam mit der Schlacke unten aus dem Quencher über den Schlackeaustrag 8 abgeführt. Der Wasserstand im Sumpf 7 wird durch eine geregelte Abführung des Überschusswassers auf dem gewünschten Niveau gehalten.
-
2 zeigt die winkelversetzte Anordnung von Quenchdüsen benachbarter Quenchringe 13, 15, 9. Quenchring 9 ist in drei Segmente aufgeteilt, die in den Quenchraum hineinragen. Ein Segment trägt mehrere Quenchdüsen und weist für diese eine gemeinsame Quenchwasser-Durchführung durch den Innenmantel 4 sowie den Druckmantel 3 auf.
-
Die Beschreibung kleiner, mittlerer und großer Radius für die Quenchringe betrifft den Abstand von der Zentralachse 21 bis zum Austritt des Quenchwassers aus dem Quenchkopf der jeweiligen Quenchdüse 13, 9, 15.
-
Der große Radius ist annähernd gleich dem Abstand von der Zentralachse 21 zur Innenwand des Quenchraums 2, die durch den Druckmantel 3 oder gegebenenfalls durch den Innenmantel 4 gegeben ist.
-
Der Quenchraum 2 weist auf der Höhe zwischen dem Auslass des Leitrohres 16, 20 und dem Rohgasabgang 6 einen annähernd konstanten Durchmesser auf.
-
Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Flugstromvergaser mit Freiraumquench hoher Leistung bestehend aus Quench- und Waschzone.
-
Die Erfindung ist auch gegeben durch ein Verfahren zur Behandlung von Rohgasen und flüssiger Schlacke, die bei der Flugstromvergasung mit Temperaturen von 1200 bis 1900°C und Drucken bis 10 MPa anfallen, wobei das heiße Rohgas und die flüssige Schlacke aus einem mit einem Kühlschirm 12 begrenzten Vergasungsreaktor 1 über einen Gas- und Schlackeaustrag 16 und einem wassergekühlten Leitrohr 20 in eine Quench- und Waschvorrichtung 2 überführt wird, wobei
- – am unteren Ende des Leitrohres 20 eine intensive Verdüsung von Wasser mit einen mittleren Tropfendurchmesser von < 500 µm über mehrere Düsenringe 13, 15, 9 zur Quenchung des heißen Rohgases erfolgt und die mitgeführte flüssige Schlacke mindestens bis unter den Erweichungspunkt zwischen 800 und 1000°C abgekühlt wird,
- – mindestens ein Waschring 17 unterhalb der Quenchzone angeordnet ist, welcher Waschtropfen mit einem mittleren Tropfendurchmesser > 500 µm erzeugt,
- – das Rohgas über eine Haube 19 den Druckbehälter 3 verlässt und unterhalb der Haube Waschdüsen 5 zur Verdüsung von Wasser mit einem mittleren Tropfendurchmesser > 500 µm angeordnet sind.
-
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ragen die Düsenköpfe der Quenchdüsen 9 mindestens 1/3 des Durchmessers des Quenchraumes 2 in diesen hinein.
-
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vergasungsreaktor
- 2
- Quench- und Waschzone, Quenchraum
- 3
- Druckmantel
- 4
- Innenmantel
- 5
- Wassereindüsung in die Rohgashaube
- 6
- Rohgasausgang
- 7
- Wasserbad, Sumpf
- 8
- Schlackeaustrag
- 9
- Düsenring, zweiter Quenchring, mittlerer Quenchring
- 10
- Ringspalt
- 11
- Gas- und Schlackeaustritt aus dem Vergasungsreaktor
- 12
- Schlackeaustrag
- 13
- kleiner Düsenring, erster Quenchring, innerer Quenchring
- 14
- Abführung des Überschussquenchwassers
- 15
- Quenchdüsen mit Einzeldurchführung, äußerer, großer Quenchring
- 16
- gekühlter Schlackeauslauf
- 17
- Waschdüsenring, Waschdüsen, Waschring
- 18
- Wasserüberlauf
- 19
- Rohgashaube
- 20
- Leitrohr
- 21
- Zentralachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 4446803 [0002]
- EP 0677567 [0002]
- DE 102013217447 [0003, 0004, 0004, 0007]
- DE 102005041930 [0004]
- DE 102014203639 [0004, 0004]
- DE 102007042543 [0004, 0005]
- DE 102006031816 [0004, 0006]
- DE 19952754 [0004, 0006]
- DD 145860 [0004]
- DD 265051 [0004]
- DD 256051 [0006]
- DD 224045 [0006]
- DE 102008035295 [0008]
- DE 102010033323 [0009]
