DE19751889C1

DE19751889C1 - Autothermal gasification of liquid waste

Info

Publication number: DE19751889C1
Application number: DE1997151889
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl Ing Groeschel; Roland Dipl Ing Weber; Wolfgang Dipl Chem Rabe; Joerg Dipl Ing Buchholz; Andreas Dipl Ing Noack; Wolfgang Dr Ing Seifert
Original assignee: Energiewerke Schwarze Pumpe AG
Current assignee: Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH
Priority date: 1997-11-22
Filing date: 1997-11-22
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2017-11-23

Abstract

Autothermal gasification of liquid waste ensures less wear on the first burner in the gasifier using a specified waste mixture. Process for the autothermal gasification of liquid waste in a fly stream gasifier comprises: (a) adjusting the waste menu so that the CaO/SiO2 ratio of the slag produced at the end of the gasification is in the region of 0.8-1,5; (b) selecting the amount ratio of the first to the second fuel so that the total lambda of the process is lass than 1; (c) using a multi-lance vapor-atomizing burner consisting of more than 4 single lances, at least one of which is operated with water-containing waste (second fuel) non-miscible with the first fuel; (d) feeding oxygen and vapor to the burner for all fuel lances; (e) feeding the slag-charged cracked gas exiting the refractory-lined reactor to an additionally arranged intensively cooled pipe, which runs directly into the quench nozzle; (f) removing the slag. Each process degeneration is recognized by the increase of the total oxygen/cracked gas ratio to 0.36 Nm3/Nm3.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der autothermen Vergasung von flüssigen Kohlen wasserstoffen im Flugstromreaktor. Die Erfindung betrifft die Vergasung von wasserhaltigen und/oder hochfeststoffhaltigen sowie miteinander schlecht oder nicht mischbaren Verga sungsstoffen. Die genannten Vergasungsstoffe sind Abfallstoffe wie beispielsweise bestimmte Slurries, Farb- und Teerschlämme oder Säureharze.The invention relates to the field of autothermal gasification of liquid coal Hydrogen in the entrained flow reactor. The invention relates to the gasification of water-containing and / or Verga containing high solids and poorly or immiscible with each other solvents. The gasification substances mentioned are waste materials such as certain ones Slurries, paint and tar slurries or acid resins.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, daß wasserhaltige Abfallstoffe wie bei spielsweise Öl-Wasser-Gemische nach destillativer Abscheidung des Wassers als Grundbrenn stoff in Vergasungsverfahren eingesetzt werden. Es ist weiter bekannt, daß wasserhaltige Schlämme, sog. Slurries, in die Staub- oder Ölflammen von Vergasungsanlagen eingesprüht werden (DE 38 20 013 C2). Der zur Vergasung notwendige Sauerstoff wird über die Ölbrenner zugesetzt. Diese Variante ist in ihrem Verhältnis von Erst- zu Zweitbrennstoff vor allem durch das sich einstellende hohe Lambda an den Ölbrennern begrenzt, was zu geringen Lauf- und Liegezeiten der Brennerbaugruppen führt.From the general prior art it is known that water-containing waste materials such as for example, oil-water mixtures after separation of the water by distillation as basic fuel be used in gasification processes. It is also known to contain water Slurries, so-called slurries, sprayed into the dust or oil flames of gasification plants be (DE 38 20 013 C2). The oxygen required for gasification is obtained from the oil burner added. This variant is mainly due to its ratio of first to second fuel the resulting high lambda on the oil burners limits, which leads to low running and Downtimes of the burner assemblies.

Bekannt ist ferner die Vermischung wasserhaltiger Schlämme mit Grundöl. Dazu wird mittels Naßzerkleinerung eine hohe Durchmischung von Erst- und Zweitbrennstoff angestrebt. Bei normalen Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen und in den verfahrenstechnisch oft notwendigen Pufferbehältern muß jedoch mit nachträglichen Entmischungen gerechnet werden. Technisch wäre es möglich, zusätzliche Stabilisatoren oder Emulgatoren einzusetzen, was aber die Betriebskosten in die Höhe treiben würde.The mixing of water-containing sludge with base oil is also known. To do this, use Wet comminution aimed for a high degree of mixing of the first and second fuel. At normal flow velocities in pipelines and in process engineering often necessary buffer containers must be expected with subsequent segregation. Technically, it would be possible to use additional stabilizers or emulsifiers, but what would drive up operating costs.

Nach DE 35 34 015 A1 wird vorgeschlagen, mindestens zwei verschiedene Brennstoffe in ei nem Reaktor der Partialoxidation zu unterziehen. Dabei werden Kombinationen von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen angegeben. Alle einzelnen Brennstoffe erfüllen die Anforderungen an einen Grundbrennstoff, d. h. mit jedem einzelnen Brenner allein ist ein siche rer Teiloxidationsbetrieb möglich. Eine Prozeßentartung durch nicht umgesetzten Sauerstoff ist ausgeschlossen. So werden flüssige Brennstoffe erst nach Anwendung eines Trennverfahrens, z. B. als Rohöl, eingesetzt. According to DE 35 34 015 A1 it is proposed to use at least two different fuels in an egg to undergo partial oxidation in a reactor. Combinations of fixed, liquid and gaseous fuels. All individual fuels meet that Basic fuel requirements, i. H. with every single burner alone is a safe one Partial oxidation operation possible. A process degeneration is due to unreacted oxygen locked out. So liquid fuels are only used after a separation process, e.g. B. used as crude oil.

Jeder Brenner ist mit Mengenüberwachungen ausgerüstet, um die Reaktionstemperatur von 1000-1800°C einzustellen. Jeder Brenner kann autark für sich betrieben werden. Der Einsatz von flüssigen Brennstoffen schwankender Qualität mit der Gefahr des Umschlags zu Wasser ist jedoch nicht möglich und würde zu einer Prozeßentartung mit Explosionsgefahr führen. Glei ches gilt für den Einsatz von gleichzeitig zwei flüssigen Brennstoffen, die sich nicht mischen lassen.Each burner is equipped with quantity monitors to determine the reaction temperature of 1000 - 1800 ° C. Each burner can be operated independently. The stake of liquid fuels of varying quality with the risk of being handled in water however not possible and would lead to a process degeneration with risk of explosion. Same This applies to the use of two liquid fuels that do not mix at the same time to let.

In DE 40 25 916 A1 wird ein Reaktor zur Flugstromvergasung beschrieben, dessen Kühl schirm am unteren Ende des Reaktors in einen ebenfalls intensiv gekühlten Schlackeablaufkör per übergeht. Diese Kombination hat sich bei der Vergasung fester, flüssiger und pastöser Brennstoffe bewährt. Die Kombination Feuerfestausmauerung mit intensiv gekühltem Schlac keablauf wird jedoch hierbei nicht in Erwägung gezogen, da das Verhalten der Schlacke zum Ausmauerungsmaterial andere Prioritäten setzt als eine intensiv gekühlte Rohrschlange.DE 40 25 916 A1 describes a reactor for entrained-flow gasification, its cooling screen at the bottom of the reactor in an also intensively cooled slag drain body per passes. This combination has become more solid, liquid and pasty when gasifying Proven fuels. The combination of refractory brick lining with intensively cooled Schlac kablauf is not considered here, however, because the behavior of the slag to Lining material sets different priorities than an intensely cooled pipe coil.

Es ist auch versucht worden, den Wassergehalt der zur Vergasung anstehenden Brennstoff- Wasser-Gemische kontinuierlich zu messen. Die bekannten Meßverfahren erwiesen sich aber gegenüber Qualitätsschwankungen als zu unzuverlässig, so daß man darauf verzichten mußte.Attempts have also been made to determine the water content of the fuel to be gasified. Measure water mixtures continuously. The known measuring methods have been found against quality fluctuations as too unreliable, so that one had to do without.

Der grundsätzliche Nachteil dieser bekannten Lösungen ist die erforderliche Vermischung von Erst- und Zweitbrennstoff.The basic disadvantage of these known solutions is the required mixing of First and second fuel.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für den gleichzeitigen Einsatz von flüssigen Brennstoffen mit wasserhaltigen sowie miteinander schlecht oder gar nicht mischbaren flüssi gen Vergasungsstoffen im Flugstromvergaser zu finden.It is therefore an object of the invention to provide a solution for the simultaneous use of liquid Fuels with water-containing liquids that are difficult or impossible to mix with one another gasification substances in the entrained flow gasifier.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei werden in einem Mehrlanzendruckzer stäuberbrenner, der aus ≧ 4 Einzellanzen besteht, über mindestens eine Lanze ein wasserhalti ger Abfallstoff (Zweitbrennstoff) separat dem Flugstromvergaser zugeführt, wobei die mit diesem Stoff betriebene Lanze ausschließlich als Zweitbrennstoffbrenner betrieben wird. Die anderen Lanzen werden mit üblichem Brennstoff (Erstbrennstoff) betrieben. Die Zuführung der verfahrensnotwendigen Stoffe Sauerstoff und Dampf erfolgt gemeinsam für alle Brennstofflan zen. Die getrennte Zuführung der Vergasungsstoffe ermöglicht, daß die zugeführten Mengen so eingestellt werden können, daß die Verhältnisse an allen Teilbrennern gleich sind, d. h., es wird eine solche Menge an Abfallstoff dosiert, daß das Lambda (Verhältnis der Vergasungs sauerstoffmenge zum Produkt aus Brennstoffmenge und minimalem Sauerstoffbedarf des Brennstoffs) an allen Teilbrennern gleich groß ist. Soll ein weiterer mit Öl und den genannten Abfallstoffen nicht mischbarer Stoff eingesetzt werden, kann dieser ebenfalls erfindungsgemäß über eine weitere separate Lanze in den Mehrlanzenbrenner eingebunden werden. Die Zünd bedingungen im Reaktor werden über an der Reaktorkuppel angeordnete Thermoelemente überwacht. Der Start des Mehrlanzenbrenners erfolgt ohne Abfallstoff.According to the invention, the object is achieved with the features of claim 1. Here, in a multi-lance printer Dust burner, which consists of ≧ 4 individual lances, contains water over at least one lance ger waste (secondary fuel) separately fed to the entrained flow gasifier, the with lance operated with this substance is operated exclusively as a secondary fuel burner. The other lances are operated with conventional fuel (primary fuel). The feeding of the Process-related substances Oxygen and steam are used together for all fuel lan Zen. The separate supply of the gasifying substances enables the supplied quantities can be set so that the conditions on all partial burners are the same, d. i.e. it such a quantity of waste material is dosed that the lambda (ratio of the gasification amount of oxygen to the product of the amount of fuel and the minimum oxygen demand of the Fuel) is the same on all partial burners. Should another with oil and the above Waste materials that are not miscible can also be used according to the invention can be integrated into the multi-lance burner via another separate lance. The Zünd Conditions in the reactor are via thermocouples arranged on the reactor dome supervised. The multi-lance burner starts without waste.

Aus Sicherheitsgründen darf das Verhältnis der Menge Gesamtsauerstoff für Erst- und Zweit brennstoff zur Erstbrennstoffmenge nicht größer als 1,7-1,8 Nm³/kg werden. Es muß immer davon ausgegangen werden, daß durch Qualitätsveränderungen der Zweitbrennstoff zu Wasser werden könnte. Der dann weiter zur Verfügung stehende Erstbrennstoff garantiert den voll ständigen Umsatz des Gesamtsauerstoffs. Der Prozeß wird entweder über die Messung der Reaktortemperatur außer Betrieb oder nach einem sofortigen Sauerstoffrücksprung in die reine Ölvergasung gesetzt.For safety reasons, the ratio of the amount of total oxygen for first and second fuel to the amount of first fuel must not exceed 1.7-1.8 Nm ³ / kg. It must always be assumed that changes in quality could result in the second fuel becoming water. The primary fuel that is then still available guarantees the complete conversion of the total oxygen. The process is either put out of operation by measuring the reactor temperature or after an immediate oxygen return to pure oil gasification.

Als redundante Überwachung wurde herausgefunden, daß dazu das Verhältnis von Gesamt sauerstoff zu erzeugter Spaltgasmenge geeignet ist. Qualitätsverfälschungen des Zweitbrenn stoffes in Richtung Wasser bewirken den schlagartigen Abfall der gemessenen Spaltgasmenge und damit einen Anstieg des Verhältnisses Gesamtsauerstoff/Spaltgas. Beim Überschreiten des Wertes von 0,36 Nm³ O₂/Nm³ Spaltgas wird die Zufuhr von Zweitbrennstoff unterbrochen und durch automatischen Sauerstoffrücksprung die Verhältnisse der reinen Ölvergasung ein gestellt.As redundant monitoring, it was found that the ratio of total oxygen to the amount of fission gas generated is suitable. Falsifications of the quality of the second fuel in the direction of water cause the abrupt drop in the measured amount of cracked gas and thus an increase in the ratio of total oxygen / cracked gas. If the value of 0.36 Nm ³ O ₂ / Nm ³ cracked gas is exceeded, the supply of second fuel is interrupted and the conditions of the pure oil gasification are set by automatic oxygen return.

Der erfindungsgemäße Betrieb der separaten Lanze als Abfallstoff Brenner gewährleistet eine Vermeidung von Verschleiß an den Erstbrennstoff Brennerbaugruppen.The operation of the separate lance according to the invention as a waste material burner ensures one Avoid wear on the first fuel burner assemblies.

Beim gewollten Anheben des Aschegehaltes im Vergasungsstoff wurde überraschend festge stellt, daß ein sicherer Abfluß der Schlacke aus dem Reaktor auch dann garantiert werden kann, wenn die entsprechenden Bauteile des Reaktors aus einer Kombination von keramischer Auskleidung und intensiv gekühltem Schlackeablaufkörper bestehen.When the ash content in the gasification substance was intentionally raised, it was surprisingly fixed ensures that a safe drainage of the slag from the reactor can be guaranteed even then can, if the corresponding components of the reactor from a combination of ceramic Lining and intensely cooled slag drain body exist.

Bei der Zusammenstellung der Qualitäten von Erst- und Zweitbrennstoff ist unbedingt darauf zu achten, daß die anfallende Schlacke bei der eingestellten Reaktortemperatur von 1300- 1450°C fließfähig bleibt, d. h. das CaO/SiO₂-Verhältnis ist in den Grenzen von 0,8 bis 1,5 einzustellen. Diese Schlacken haben dann einen Fließpunkt von kleiner 1300°C und garantie ren damit das sichere Zusammenwirken von Feuerfestausmauerung und intensiv gekühlten Schlackeablauf. When putting together the qualities of the first and second fuel, it is essential to ensure that the resulting slag remains fluid at the set reactor temperature of 1300-1450 ° C, i.e. the CaO / SiO ₂ ratio is within the range of 0.8 to 1.5 set. These slags then have a pour point of less than 1300 ° C and thus guarantee the safe interaction of the refractory lining and the intensely cooled slag drain.

Die Kühlung und Waschung der heißen Spaltgase erfolgt über eine Quenchdüse. Die Schlacke wird in 2 alternierend betriebenen Schlackeschleusen gesammelt und ausgeschleust. Eine Schlackewaschvorrichtung gewährleistet durch Entfernung des Rußes die Einhaltung der vor geschriebenen Deponiefähigkeit entsprechend den gesetzlichen Bedingungen. Die Schwerme tallanteile aus den vergasten Abfallstoffen sind in der Schlacke und im Ruß nichteluierbar ein geschlossen.The hot cracked gases are cooled and washed via a quench nozzle. The slag is collected and discharged in 2 alternately operated slag locks. A The slag washing device ensures that the soot is adhered to by removing the soot written landfill ability according to the legal conditions. The heaviness Tall shares from the gasified waste materials in the slag and in the soot can not be eluted closed.

Aus dem bisher Beschriebenen ergibt sich die Eignung des Flugstromvergasers für die Entsor gung von flüssigen/ pastösen Abfallstoffen, die mit schwer-, aber auch leichtflüchtigen Schwermetallen belastet sein können. Bis zu 60% des benötigten Vergasungsstoffes kann nach dieser Lösung durch den Sekundärbrennstoff ersetzt werden.The suitability of the entrained-flow gasifier for the waste disposal facility results from what has been described so far generation of liquid / pasty waste materials that contain non-volatile but also volatile Heavy metals can be contaminated. Up to 60% of the gasification material required can this solution can be replaced by the secondary fuel.

Im folgenden soll die Erfindung mit einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen keramisch ausgekleideten Flugstromvergaser, der mit einem Mehrlanzenbrenner mit 4 Lanzen betrieben wird, von denen 2 Lanzen der Zufuhr von Zweitbrennstoff dienen. Der Zweitbrennstoff ist Säureharz und Teerschlamm. Der Flug stromvergaser wird über die anderen zwei Lanzen mit Erstbrennstoff betrieben mit einem mi nimalen Sauerstoffbedarf von 2,2 Nm³/kg Öl. Für den Erstbrennstoff kann durch die entspre chende Aufbereitungstechnologie die Wasserfreiheit von kleiner 1,0 Ma.% garantiert werden. Über eine der zwei Zweitbrennstofflanzen wird ein wasserhaltiger Teerschlamm mit einem O_min von 1,4 Nm³/kg separat zugeführt, und über eine zweite Zweitbrennstofflanze wird ein rück verflüssigtes Säureharz mit einem O_min von 1,3 Nm³/kg eingespeist.In the following, the invention will be described in more detail using an exemplary embodiment. The exemplary embodiment relates to a ceramic-lined entrained-flow gasifier, which is operated with a multi-lance burner with 4 lances, of which 2 lances are used to supply second fuel. The second fuel is acid resin and tar sludge. The entrained flow gasifier is operated via the other two lances with primary fuel with a minimum oxygen requirement of 2.2 Nm ³ / kg of oil. The corresponding treatment technology guarantees that the first fuel is water-free of less than 1.0% by mass. A water-containing tar sludge with an O _min of 1.4 Nm ³ / kg is fed separately via one of the two second fuel lances, and a re-liquefied acid resin with an O _min of 1.3 Nm ³ / kg is fed in via a second second fuel lance.

Die Sauerstoffmenge wird so geregelt, als wenn alle 4 Lanzen mit Öl (Summe: 8 t/h) betrieben würden, d. h. bei einem Lambda von 0,38 und einer Gesamtbrennstoffmenge über die zwei mit Öl betriebenen Lanzen von 4 t/h fließen über jede Lanze 1700 Nm³ O₂/h. Somit werden über die Teerschlammlanze eine Menge von 3,2 t/h und über die Säureharzlanze 3,4 t/h eingestellt, wodurch sich stabile Reaktionsbedingungen am Mehrlanzenbrenner einstellen.The amount of oxygen is regulated as if all 4 lances were operated with oil (total: 8 t / h), ie with a lambda of 0.38 and a total fuel quantity over the two oil-operated lances of 4 t / h flow over each Lance 1700 Nm ³ O ₂ / h. Thus a quantity of 3.2 t / h is set via the tar sludge lance and 3.4 t / h via the acid resin lance, which results in stable reaction conditions on the multi-lance burner.

Die mit den Einsatzstoffen in den Reaktor eingetragene Asche verläßt den Reaktor über den intensiv gekühlten Schlackeablaufkörper und wird in der Quenchdüse gekühlt und gewaschen. Die Quenchdüse besitzt als Einlauf eine Abtropfkante für Schlacke. Die intensive Durch mischung von Spaltgas mit Wasser wird durch eine Einengung am Ende der Quenchdüse er reicht. Das die Quenchdüse verlassende Spaltgas ist bei 190°C wasserdampfgesättigt. Der Restfeststoffgehalt des ca. 190°C heißen Rohgases liegt bei ≦ 2 g/ Nm³. Die Schlacke wird mit dem sich im Quencher sammelnden Rußwasser zwischenentspannt und über zwei alternierend arbeitende Schlackeschleusen aus dem Prozeß entfernt. Die Schlacke ist intensiv mit Ruß ver mischt und wird in einer nachgeschalteten Schlackewaschanlage vor der Deponierung von Ruß befreit. Die mit dem Erst- und Zweitbrennstoff in den Flugstromreaktor eingetragenen Schwermetalle liegen in der Schlacke und im Ruß in nichteluierbarer Form vor.The ash fed into the reactor with the starting materials leaves the reactor via the intensely cooled slag run-off body and is cooled and washed in the quench nozzle. The quench nozzle has a drip edge for slag as an inlet. The intensive mixing of cracked gas with water is achieved by constriction at the end of the quench nozzle. The cracked gas leaving the quench nozzle is saturated with water vapor at 190 ° C. The residual solids content of the roughly 190 ° C raw gas is ≦ 2 g / Nm ³ . The slag is expanded with the soot water that collects in the quencher and removed from the process via two alternating slag locks. The slag is intensively mixed with soot and is cleaned of soot in a downstream slag washing system before being deposited. The heavy metals introduced into the entrained flow reactor with the first and second fuels are present in the slag and in the soot in a non-elutable form.

Das Spaltgas wird nach dem Quencher in einem Waschkühler auf einen Feststoffgehalt von < 1 g/Nm³ gereinigt und dann einer CO-Konvertierungsanlage zugeführt. In dieser Konvertie rungsanlage erfolgt die Einstellung des für weitere Veredlungszwecke benötigten CO/H₂- Verhältnisses.After the quencher, the cracked gas is cleaned in a washing cooler to a solids content of <1 g / Nm ³ and then fed to a CO conversion system. In this conversion plant, the CO / H ₂ ratio required for further finishing purposes is set.

Bei Ausfall eines Abfallstoffes wird die entsprechende Lanze entweder mit inertem Medium oder mit Spüldampf beaufschlagt, so daß die sicherheitstechnisch notwendige Strömungsrich tung immer gewährleistet ist.If a waste material fails, the corresponding lance is either cleaned with an inert medium or applied with flushing steam, so that the flow direction required for safety reasons tion is always guaranteed.

Claims

1. Process for the autothermal gasification of liquid waste in the entrained flow gasifier, the liquid waste being substances which tend to fluctuate in quality and / or are not miscible with one another, such as oil-water mixtures or acid resin, characterized in that

1. the waste menu is compiled in such a way that the CaO / SiO ₂ ratio of the slag obtained at the end of the gasification is in the range 0.8 to 1.5,
2. the quantitative ratio of first to second fuel is chosen such that the overall lambda of the process remains less than 1 if the quality of the second fuel is distorted and the amount of oxygen is full,
3. a multi-lance steam atomizer burner is used as the gasification burner, which consists of ≧ 4 individual lances and that at least one of these individual lances is operated with a waste material that is not miscible with and / or water-containing (second fuel),
4. the oxygen and atomizing steam supply to the multi-lance steam atomizer for all fuel lances takes place together,
5. the slag-laden cracked gas emerges from the refractory-lined reactor past an additionally arranged, intensively cooled pipe coil, which runs directly into the quench nozzle underneath,
6. after the quenching, a slag removal consisting of two alternately operated slag locks follows, which is followed technologically by a slag washing system,
7. Every process degeneration is detected by measurement technology by increasing the total oxygen / fission gas ratio to greater than 0.36 Nm ³ / Nm ³ and is prevented by switching off the waste material.

2. The method according to claim 1, characterized in that the start of the multi-lance burner without waste material, but with oxygen and atomizing vapor over all Lances are fed.

3. The method according to claims 1 to 2, characterized in that when switched off or the second fuel fails, there is an immediate oxygen return.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that up to 60% of the Verga be replaced by liquid waste.

5. The method according to all previous claims, characterized in that the ignition Conditions in the reactor due to thermocouples arranged in the reactor dome be monitored.