DE202009018929U1 - Minimization of carbonate deposits on the heat exchanger surfaces of heat exchangers in the quench water circuit of an entrainment gasification plant - Google Patents

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Abstract

Quenchwasserkreislauf einer Flugstromvergasungsanlage mit Minimierung von Karbonatablagerungen an der Wärmeübertragerfläche eines Wärmetauschers aufweisend – eine Stufe (2) zur Entspannung und Reinigung des Überschuß-Quenchwassers aus dem Quencher (1), – eine Stufe (3) zur Anhebung des Quenchwassers aus der Stufe (2) auf den Betriebsdruck der Vergasungsanlage, – eine Stufe (4) zur Zudosierung von Kohlendioxid in das Quenchwasser aus der Stufe (3) in einem solchen Maße, dass ein Kalk-Kohlensäureverhältnis gegeben ist, das mindestens dem herrschenden Kalk-Kohlensäuregleichgewicht gleicht, – eine Stufe (5) zur Erwärmung des Quenchwassers aus Stufe (4) auf eine Grenztemperatur derart, dass der gelöste Gehalt an Kohlendioxid im Quenchwasser oberhalb des gelösten Gehaltes an Kohlendioxid vor der Druckerhöhung des Quenchwassers liegt und – Zuführung des Quenchwassers aus Stufe (5) zum Quencher zur Abkühlung des Rohgases.Quenchwassererkreislauf an entrainment gasification plant with minimization of carbonate deposits on the heat exchanger surface of a heat exchanger comprising - a stage (2) for relaxing and cleaning the excess quench water from the quencher (1), - a stage (3) for raising the quench water from the stage (2) to the operating pressure of the gasification plant, - a step (4) for metering carbon dioxide into the quench water from step (3) to such an extent as to give a lime-carbonic acid ratio at least equal to the prevailing lime-carbonic acid balance, - one step (5) for heating the quench water from step (4) to a limit temperature such that the dissolved content of carbon dioxide in the quench water above the dissolved content of carbon dioxide before the pressure increase of the quench water and - feeding the quench water from stage (5) to the quencher Cooling of the raw gas.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flugstromvergasungseinrichtung, bei der Karbonatablagerungen an den Wärmeübertragerflächen von Wärmetauschern im Quenchwasserkreislauf minimiert sind.The invention relates to an entrainment gasification device in which carbonate deposits on the heat transfer surfaces of heat exchangers in the quench water circulation are minimized.

Bei der aus DE 10 2007 037 860 A1 bekannten Flugstromvergasungsanlage wird das im Quenchprozess anfallende Überschusswasser nach einer mechanischen Reinigung zur Entfernung von Ruß- und Aschepartikel erneut dem Quenchprozess zugeführt. Die im Prozesswasser gelösten Härtebildner werden bei der mechanischen Reinigung jedoch nicht entfernt. Durch diese Kreislauffahrweise erfolgt eine Aufkonzentrierung der Härtebildner bis zur Gleichgewichtseinstellung.At the DE 10 2007 037 860 A1 known entrained-flow gasification plant, the resulting excess water in the quenching process after a mechanical cleaning to remove soot and ash particles again fed to the quenching process. However, the hardeners dissolved in the process water are not removed during the mechanical cleaning. By this circulation procedure, a concentration of the hardness is up to equilibrium.

Zur Verbesserung der Effizienz des Vergasungsprozesses ist es von Vorteil, das Quenchwasser vor der Eindüsung in den Quencher vorzuwärmen. Bei dieser Aufwärmung kommt es allerdings zu der bekannten Ablagerung von Karbonaten der Härtebildner auf der Wärmetauscherfläche, die den Wärmeübergang behindern. Mit der daraus resultierenden geringeren Vorwärmung des Quenchwassers können die Rohgasparameter am Ausgang (13) der Vergasungseinrichtung, in Fachkreisen als Battery Limit bezeichnet, nicht eingehalten werden. Bei Einhaltung der Vorwärmtemperatur müssen die Ablagerungen zyklisch abgereinigt werden, was zur Unterbrechung des Vorwärmprozesses führt, ansonsten müssen Reserveausrüstungen im Parallelstrom vorgehalten werden.To improve the efficiency of the gasification process, it is advantageous to preheat the quench water before it is injected into the quencher. In this warming, however, it comes to the well-known deposition of carbonates of hardness on the heat exchanger surface, which hinder the heat transfer. With the resulting lower preheating of the quench water, the raw gas parameters at the exit ( 13 ) of the gasification device, referred to in professional circles as Battery Limit, not be complied with. When maintaining the preheating temperature, the deposits must be cyclically cleaned, which leads to the interruption of the preheating process, otherwise reserve equipment must be kept in parallel flow.

Bekannt sind die Entkarbonisierung des Prozesswassers durch Zudosierung von Ca(OH)2, die Vollentsalzung, die Verwendung von Ionenaustaucher und die Absenkung des pH-Wertes durch Zugabe einer preisgünstig verfügbaren Säure (HCl, H2SO4).The decarbonization of the process water by addition of Ca (OH) 2 , demineralization, the use of ion exchangers and the lowering of the pH by addition of an inexpensive available acid (HCl, H 2 SO 4 ) are known.

So ist es zur Vermeidung der üblichen Ablagerungen auf den Oberflächen von Erhitzungseinrichtungen bei der Erhitzung von großen Mengen an Calcium enthaltendem Seewasser aus der US 2,756,035 bekannt, das Seewasser zunächst mit CO2 anzureichern, dann das angereicherte Seewasser auf einen Druck oberhalb Atmosphärendruck anzuheben und schließlich das angereicherte und bespannte Seewasser in einem indirekten Wärmetauscher zu erhitzen.So it is to avoid the usual deposits on the surfaces of heating devices in the heating of large amounts of calcium-containing seawater from the US 2,756,035 known to enrich the seawater first with CO 2 , then raise the enriched seawater to a pressure above atmospheric pressure and finally to heat the enriched and strained seawater in an indirect heat exchanger.

Aus Held, Hans-Dietrich: Kühlwasser, Essen: Vulkan-Verlag, 1970, S. 124–126 ist es zur Recarbonisierung von Kühlwasser in einem offenen Kühlwasser-Umlaufsystem bekannt, Rauchgas als CO2 Quelle zu verwenden.Out Held, Hans-Dietrich: cooling water, Essen: Vulkan-Verlag, 1970, pp. 124-126 It is known for the recarbonization of cooling water in an open cooling water circulating system to use flue gas as a source of CO2.

Aus der JP 2003236561 A ist es zur Vermeidung von Ablagerung von Calciumcarbonat in der Filtereinheit einer Abwasserbehandlungseinrichtung bekannt, das Abwasser in einem Gas-Flüssigkeits-Kontakt-System mittels Abgas aufzuheizen und mit CO2 anzureichern und dann zu filtern.From the JP 2003236561 A it is known to avoid deposition of calcium carbonate in the filter unit of a wastewater treatment facility, to heat the waste water in a gas-liquid contact system by means of exhaust gas and enriched with CO 2 and then to filter.

In WIBERG, Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 91.–100. Auflage, Berlin: Walter de Gruyter Verlag, 1985, S. 916. ISBN 3110075113 ist das allgemeine Fachwissen belegt, wonach in kohlesäurehaltigem Wasser Calciumcarbonat beträchtlich löslich ist.In WIBERG, Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 91.-100. Edition, Berlin: Walter de Gruyter Verlag, 1985, p. 916. ISBN 3110075113 It is well established in the general knowledge that calcium carbonate is considerably soluble in carbonated water.

Aus der US 5,720,884 ist ein automatisiertes Verfahren zur optimierten Regelung der Korrosion und der Vermeidung von Anlagerungen in städtischen Trinkwasser-Verteilungssystemen bekannt, demzufolge aus diversen Messwerten ein Ziel-pH-Wert ermittelt wird und der gemessene pH-Wert in der Leitung an den Ziel-pH-Wert periodisch angenähert wird durch Veränderung des pH-Wertes.From the US 5,720,884 For example, an automated process for optimized control of corrosion and avoidance of build-up in urban drinking water distribution systems is known, whereby various measured values are used to determine a target pH and the measured pH value in the line to the target pH periodically is approximated by changing the pH.

Für den der Erfindung zugrunde liegenden Einsatzfall der Quenchwasservorwärmung sind die zuvor genannten Verfahren jedoch nicht anwendbar bzw. nur mit sehr großem technischem und finanziellem Aufwand umsetzbar. Bei der Entkarbonisierung sind zusätzliche anlagentechnische Vorkehrungen zur Abscheidung der gefällten Karbonate zu treffen. Da auch Magnesium als Härtebildner gefällt werden muss führt die damit verbundene Anhebung des pH-Wertes des Prozesswassers/Quenchwassers zur Veränderung des pH-Wertes des Quenchprozesses, was Ablagerungen/Störungen des Rohgasweges nach dem Quencher zur Folge hat. Die Verwendung von Ionenaustauscher muss aufgrund der Feststoffbeladung des zu behandelnden Wassers ausgeschlossen werden. Auch die Verwendung der Säuren HCl oder H2SO4 ist nicht zielführend, da der Einsatz zu erhöhten Werkstoffanforderungen führt und zudem die Verwendung von H2SO4 die Gipsbildung befördert.However, for the invention underlying application of Quenchwasservorwärmung the aforementioned methods are not applicable or can be implemented only with great technical and financial effort. During decarbonisation, additional plant engineering measures must be taken to separate the precipitated carbonates. Since magnesium must also be precipitated as a hardener, the associated increase in the pH of the process water / quench water leads to a change in the pH value of the quench process, which leads to deposits / disruptions of the crude gas path after the quencher. The use of ion exchangers must be excluded due to the solids loading of the water to be treated. The use of the acids HCl or H 2 SO 4 is not effective because the use leads to increased material requirements and also promotes the use of H 2 SO 4 gypsum formation.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für eine Flugstromvergasungsanlage einen Quenchwasserkreislauf anzugeben, bei dem Karbonatablagerungen an den Wärmeübertragerflächen von Wärmetauschern minimiert sind, der nur geringen Aufwand erfordert und hinsichtlich Nebenwirkungen unproblematisch ist.The invention is based on the problem of specifying a Quenchwasserkreislauf for an entrained flow gasification plant, are minimized in the carbonate deposits on the heat exchanger surfaces of heat exchangers, which requires little effort and is unproblematic in terms of side effects.

Das Problem wird durch einen Quenchwasserkreislauf mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.The problem is solved by a Quenchwasserkreislauf with the features of the protection claim 1.

Erfindungsgemäß wird im Quenchwasserkreislauf einer Vergasungsanlage dem Quenchwasser nach der Druckerhöhung und vor der Erwärmung gezielt Kohlendioxid zugegeben.According to the invention, in the quench water circuit of a gasification plant, carbon dioxide is selectively added to the quench water after the pressure has been increased and before heating.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die Ursache der Ablagerungen die Störung des Kalk-Kohlensäuregleichgewichtes im Prozesswasser während des Aufwärmprozesses ist. Bei konstantem Druck wird mit der Erhöhung der Temperatur die Löslichkeit von Kohlendioxid verringert, während bei konstanter Temperatur mit der Druckerhöhung die Löslichkeit von Kohlendioxid erhöht wird. The invention takes advantage of the finding that the cause of the deposits is the disturbance of the lime-carbonic acid balance in the process water during the warm-up process. At constant pressure, the increase in temperature reduces the solubility of carbon dioxide, while at constant temperature as the pressure increases, the solubility of carbon dioxide is increased.

Unter Ausnutzung dieser druck- und temperaturabhängigen Löslichkeit von Kohlendioxid (CO2) in Wasser wird, nach der Druckerhöhung des Prozesswassers unter Verwendung einer Pumpe 3 und der damit verbundenen erhöhten Löslichkeit, Kohlendioxid dem Prozesswasser geregelt zugeführt. Die Anreicherung des Prozesswassers mit Kohlendioxid kann in einem Sättiger oder innerhalb einer Rohrleitung durch Zuführung mittels eines Düsenstockes erfolgen. Mit der Lösung von Kohlendioxid wird ein Überschuss an Kohlensäure im Prozesswasser erzielt, der kalklösend wirkt. In der nachfolgenden Prozessstufe Prozesswasseraufwärmung 6 wird die Vorwärmtemperatur des Prozesswassers so begrenzt, dass der gelöste Gehalt an Kohlendioxid im vorgewärmten Prozesswasser oberhalb des Gehaltes an CO2 vor der Druckerhöhung des Prozesswassers bleibt.Taking advantage of this pressure and temperature-dependent solubility of carbon dioxide (CO 2 ) in water is, after the pressure increase of the process water using a pump 3 and the associated increased solubility, carbon dioxide fed to the process water regulated. The enrichment of the process water with carbon dioxide can be done in a saturator or within a pipeline by feeding by means of a nozzle. With the solution of carbon dioxide, an excess of carbonic acid is achieved in the process water, which acts as a lime-dissolving agent. In the subsequent process stage process water heating 6 the preheating temperature of the process water is limited so that the dissolved content of carbon dioxide in the preheated process water above the content of CO 2 remains before the pressure increase of the process water.

Dem Vergasungsprozess ist generell eine Gasreinigungsanlage nachgeordnet, in der auch Kohlendioxid selektiv abgetrennt wird. Dieses Kohlendioxid steht kostenlos in ausreichender Menge zur Verfügung und es bedarf nur einer Verdichtung auf den Betriebsdruck des Prozesswassers zur Injektion in das Wasser. Das zugegebene Kohlendioxid verbleibt in dem geschlossenen Wasserkreislauf bzw. gelangt wieder in das Rohgas des Vergasungsprozesses, stellt somit keine zusätzliche Emissionsquelle dar.The gasification process is generally followed by a gas purification plant, in which carbon dioxide is selectively separated. This carbon dioxide is available free of charge in sufficient quantity and it only requires a compression to the operating pressure of the process water for injection into the water. The added carbon dioxide remains in the closed water cycle or gets back into the raw gas of the gasification process, thus represents no additional source of emissions.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment in a scope necessary for understanding with reference to figures. Showing:

1 eine prinzipielle Darstellung einer Flugstromvergasungseinrichtung mit erfindungsgemäßer Zuführung von CO2 nach Druckanhebung und vor Erwärmung des Quenchwassers. 1 a schematic representation of an entrained flow gasification device with inventive supply of CO 2 after pressure increase and before heating the quench water.

Das im Quencher 1 einer Flugstromvergasungseinrichtung anfallende Überschusswasser wird der Rußwasserreinigungsanlage 2 zur Entspannung und mechanischen Reinigung zugeführt. Der in der Rußwasserreinigungsanlage aus dem Überschusswasser ausgefilterte Rußkuchen 14 wird abgeführt. Der Klarlauf dieser Prozessstufe wird erneut als Quenchwasser der Vergasungsanlage zugeführt. Dazu wird das gereinigte Wasser zunächst mittels einer Pumpe 3 auf den Betriebsdruck der Vergasungsanlage (z. B. 4,0 MPa) gebracht. Nach der Druckerhöhung erfolgt die Zudosierung 4 von Kohlendioxid zum Quenchwasser zur gezielten Einstellung des Kalk-Kohlensäuregleichgewichtes. Die CO2-Druckerhöhung auf den erforderlichen Injektionsdruck erfolgt unter Verwendung des Kompressors 5. In vorteilhafter Weise wird Kohlendioxid eingesetzt, das in einer nicht näher dargestellten, dem Vergasungsprozess nachgeordneten Gasreinigungsanlage selektiv abgetrennt wurde. Mit der Zugabe des Kohlendioxides ist die Voraussetzung geschaffen, um im Wärmetauscher 6 das Quenchwasser aufzuwärmen. Das erwärmte Quenchwasser wird einem Quenchwasserbehälter 9 zugeführt, dem auch die Prozesswässer der Rohgaswäscher 7, 8, die durch Venturiwäscher gegeben sein können, zugeführt wird. Das Quenchwasser aus dem Quenchwasserbehälter wird über eine Quenchwasserpumpe 10 dem Quencher 1 einer Flugstromvergasungseinrichtung zugeführt, der kopfseitig Brennstoff 11 und Sauerstoff/Dampf O2 zugeführt werden.That in the quencher 1 An excess flow water arising from an entrainment gasification device becomes the soot water purification plant 2 for relaxation and mechanical cleaning supplied. The soot cake filtered out of the excess water in the soot water purification plant 14 is discharged. The clarification of this process stage is fed again as quench water of the gasification plant. For this purpose, the purified water is first by means of a pump 3 brought to the operating pressure of the gasification plant (eg 4.0 MPa). After the pressure increase, the metered addition takes place 4 from carbon dioxide to quench water for the targeted adjustment of the lime-carbonic acid balance. The CO 2 pressure increase to the required injection pressure using the compressor 5 , In an advantageous manner, carbon dioxide is used which has been selectively separated off in a gas purification plant (not shown in detail) downstream of the gasification process. With the addition of carbon dioxide, the condition is created in the heat exchanger 6 to warm up the quench water. The heated quench water becomes a quench water tank 9 fed, including the process water of the scrubber 7 . 8th , which may be given by Venturi scrubber, is supplied. The quench water from the quench water tank is via a Quenchwasserpumpe 10 the quencher 1 supplied to a entrained flow gasification device, the head side fuel 11 and oxygen / steam O 2 are supplied.

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  • WIBERG, Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 91.–100. Auflage, Berlin: Walter de Gruyter Verlag, 1985, S. 916. ISBN 3110075113 [0008] WIBERG, Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 91.-100. Edition, Berlin: Walter de Gruyter Verlag, 1985, p. 916. ISBN 3110075113 [0008]

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Quenchwasserkreislauf einer Flugstromvergasungsanlage mit Minimierung von Karbonatablagerungen an der Wärmeübertragerfläche eines Wärmetauschers aufweisend – eine Stufe (2) zur Entspannung und Reinigung des Überschuß-Quenchwassers aus dem Quencher (1), – eine Stufe (3) zur Anhebung des Quenchwassers aus der Stufe (2) auf den Betriebsdruck der Vergasungsanlage, – eine Stufe (4) zur Zudosierung von Kohlendioxid in das Quenchwasser aus der Stufe (3) in einem solchen Maße, dass ein Kalk-Kohlensäureverhältnis gegeben ist, das mindestens dem herrschenden Kalk-Kohlensäuregleichgewicht gleicht, – eine Stufe (5) zur Erwärmung des Quenchwassers aus Stufe (4) auf eine Grenztemperatur derart, dass der gelöste Gehalt an Kohlendioxid im Quenchwasser oberhalb des gelösten Gehaltes an Kohlendioxid vor der Druckerhöhung des Quenchwassers liegt und – Zuführung des Quenchwassers aus Stufe (5) zum Quencher zur Abkühlung des Rohgases.Quench water circuit of an entrainment gasification plant with minimization of carbonate deposits on the heat exchanger surface of a heat exchanger comprising - a stage ( 2 ) for the relaxation and purification of the excess quench water from the quencher ( 1 ), - a step ( 3 ) for raising the quench water from the stage ( 2 ) on the operating pressure of the gasification plant, - one stage ( 4 ) for the metered addition of carbon dioxide into the quench water from the stage ( 3 ) to such an extent as to give a lime-carbonic acid ratio which is at least equal to the prevailing lime-carbonic acid balance, 5 ) for heating the quench water from step ( 4 ) to a limit temperature such that the dissolved content of carbon dioxide in the quench water is above the dissolved content of carbon dioxide before the pressure increase of the quench water and - supply of the quench water from stage ( 5 ) to the quencher for cooling the raw gas. Quenchwasserkreislauf nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch Zudosierung von Kohlendioxid in das Quenchwasser aus der Stufe (3) in einem solchen Maße, dass ein Überschuss an Kohlensäure im Quenchwasser gegeben ist, der um mindestens fünf Prozent oberhalb des Kalk-Kohlensäuregleichgewichts liegt.Quenchwassererkreislauf characterized according to claim 1 metered addition of carbon dioxide into the quench water from the stage ( 3 ) to such an extent that there is an excess of carbonic acid in the quench water, which is at least five percent above the lime-carbonic acid equilibrium. Quenchwasserkreislauf nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Stufe (4) ein Sättiger angeordnet ist.Quenchwasserkreislauf according to any one of the preceding claims characterized in that (as stage 4 ) a saturator is arranged. Quenchwasserkreislauf nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Stufe (4) ein Düsenstock zur Zuführung des Kohlendioxids innerhalb einer Rohrleitung angeordnet ist.Quenchwassererkreislauf according to one of the preceding claims 1 to 2, characterized in that as a step ( 4 ) is arranged a nozzle for supplying the carbon dioxide within a pipeline. Quenchwasserkreislauf nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Zuführung von Kohlendioxid aus der selektiven Abtrennung in einer der Flugstromvergasungsanlage nachgeordneten Gasreinigungsanlage.Quenchwasserkreislauf according to one of the preceding claims characterized by supplying carbon dioxide from the selective separation in the entrained gasification plant downstream gas purification plant.
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