DE2543532C3

DE2543532C3 - Verfahren zur Schwerkrafttrennung eines wäßrigen teerhaltigen Kondensats

Info

Publication number: DE2543532C3
Application number: DE2543532A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. 6380 Bad Homburg Rudolph
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1975-09-30
Filing date: 1975-09-30
Publication date: 1980-10-30
Also published as: AU1109476A; BR7602771A; US4065273A; AU498018B2; GB1536059A; IN144152B; DE2543532A1; ZA76478B; DE2543532B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwcrkrafttrennung von Teer und Wasser eines Kondensats aus der Kühlung von heißem Rohgas der Vergasung oder Schwelung fester Brennstoffe, insbesondere Kohle.

Bei der Vergasung und Schwelung von Kohlen fällt in der Gaskühlung ein Kondensat an, das aus Gaswasser und teerigen Bestandteilen besteht. Das Gaswasser enthält wasserlösliche Produkte der Kohleschwelung, wie Phenole, Fettsäuren und dazu auch gelöste Gase, vorwiegend CO2 und NH), und nicht wasserlösliche Produkte wie Teer, Tecröl, Gasbenzin sowie Kohle- und Aschestaub.

Die Vergasung von Kohle unter normalem oder erhöhtem Druck mit Sauerstoff und Wasserdampf und gegebenenfalls weiteren Vergasungsmitteln (z. B. CO2) ist etwa aus der deutschen Auslcgeschrift 10 21 116 bekannt. Auch die Schwelung von Kohle zur Erzeugung von Stadtgas ist ein bekanntes Verfahren.

Das Rohgas aus der Vergasung und Schwelung fester Brennstoffe, insbesondere Kohle, wird vor seiner weiteren Verwendung abgekühlt, bei der Abkühlung werden Wasserdämpfe und Schwelproduktc der Kohle auskondensiert, und ein Teil der .Schwelprodukte und auch mitgerissener Staub und andere anorganische Produkte werden bei dem mit der Abkühlung verbundenen Kondensationsvorgang ausgewaschen.

Bei der Abkühlung und der damit verbundenen Kondensation entsteht ein Kondensat, das mengenmäßig weitgehend aus H₂O besteht und das die Schwelprodukte der Kohle enthält Diese Schwelprodukie bestehen in erster Linie aus Teer, wobei sich der Teer aus mannigfaltigen Verbindungen zusammensetzt. Diese können in drei Fraktionen eingeteilt werden, von denen die erstere die hochsiedenden Fraktionen enthält, deren spezifisches Gewicht größer als das des Wassers ist. Die leichter siedende sogenannte Teerölfraktion hat ein niedrigeres spezifisches Gewicht als Wasser, dazu kommt als dritte Fraktion das sogenannte Gasbenzin, das sich vom Teeröl durch ein noch niedrigeres spezifisches Gewicht unterscheidet und das überdies im Gegensatz zum Teer und Teeröl einen nur sehr geringen Anteil an Sauerstoffverbindungen enthält.

Will man die beiden schwersten Fraktionen gemeinsam mit dem Gaswasser einer Scheidung zuführen mit der Aufgabe, Teer und Wasser voneinander zu trennen, können Schwierigkeiten auftreten, weil das mittlere spezifische Gewicht von Teer und Teeröl nahe beim spezifischen Gewicht von Wasser liegt. Aus diesem Grund kann es zweckmäßiger sein, das Gas in Stufen, d. h. in mehreren hintereinander geschalteten Wärmeaustauschern, abzukühlen. Diese fraktionierte Kondensation von Teer, Gaswasser und die Auswaschung von anderen S'offen im Rohgas bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß eine wirtschaftliche Wärmerückgewinnung möglich ist und in den ersten Kühlstufen bei einer Temperaturlage über 100°C Abwärmedampf erzeugt werden kann.

Das bei der fraktionierten Kondensation anfallende wäßrige teerhaltige Kondensat der verschiedenen Kühl- und Kondensationsstufen wird mindestens zwei verschiedenen Trenneinrichtungen zugeführt. Die Trenneinrichtungen sind nach dem Schwerkraftprinzip arbeitende Scheider. Ein Scheider ist für das Trennen von Gaswasser und höhersiedenden Teerfraktionen vorgesehen. Ihm wird das Kondensat der ersten Kühlstufen zugeführt, daß gegenüber dem Kondensat der nachfolgenden Kühlstufen heißer ist und im allgemeinen eine Temperatur von über 100°C hat. Ein zweiter Scheider trennt Gaswasser aus den nachfolgenden Kühlstufen von den niedriger siedenden Teerfraktionen, im allgemeinen Teeröl genannt.

Es hat sich nun aber gezeigt, daß die Scheidung von Teer und Gaswasser aus den ersten Kühlstufen schwierig ist, weil sich dort Teerwasser-Emulsionen bilden können. Diese Emulsionen werden durch die Wechselwirkung von Stoffen im Rohgas hervorgerufen, die nach der ersten Wasch- und Kondensationsstufe im Gaswasser vorhanden sind. Die die Emulsionswirkung hervorrufenden Stoffe sind organischer und anorganischer Art. Bekannt ist, daß mit dem Gas mitgerissene Asche, die in der ersten Kühlstufe ausgewaschen wird, die Bildung von Emulsionen begünstigt, insbesondere dann, wenn die Asche kalkhaltig ist und sich Kalkphenolate bilden können. Darüber hinaus gibt es noch eine Reihe von anderen Möglichkeiten der Begünstigung von Emulsionen.

Emulsionen können durch Emulsionsspalter demulgiert werden. So wird z. B. Kaliumchlorid mit gutem Erfolgt eingesetzt. Nachteilig sind die hiermit verbundenen Kosten und die zusätzliche Verschmutzung des Gaswassers mit anorganischen Stoffen.

Der pH-Wert des Gaswassers liegt im allgemeinen über 8. Emulsionen aus Gaswasser und Teer können auch durch Senkung des pH-Wertes, also durch

Ansäuern, gebrochen werden. Diese Maßnahme ist wegen der großen Gaswassermengen, die bei der Kohleveredelung anfallen, aber praktisch nicht durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die störenden Emulsionen auf einfache Weise zu verhindern oder zu brechen. Beim eingangs genannten Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß das bei der Kühlung des Rohgases bis auf etwa 100° C anfallende und einer Schwerkra'ttrenneinrichtung zugeführte Kondensat mit einer solchen Menge an Ammoniumkarbonaten angereichert wird, daß ihr Gehalt mindestens 5 g NH₃ pro kg H2O äquivalent ist.

Es ist vorteilhaft, daß Ammoniumkarbonat bei der Kühlung des Gases im Gaswasser enthalten ist, und is zwar in größerer und für die Emulsionsspaltung ausreichender Menge in den letzten Kühlstufen. Die Löslichkeit von Ammoniak und auch von CO2 in Wasser ist bei höheren Temperaturen gering und nimmt zu, je niedriger die Wassertemperatur ist. Aus diesem Grund ist der NH₃-CO₂-Gehalt im Gaswasser der ersten Kühlstufe noch sehr niedrig. Mit dem Ammoniakgehalt im Gaswasser verbunden ist ein entsprechender Gehalt an CO2. Es wurde festgestellt, daß die emulsionsbrechende Wirkung nicht streng vom Ammoniakgehalt, sondern vor allem vom Ammoniumkarbonat- bzw. Ammoniumbikarbonatgehalt ausgeht. Da jedoch die NH3-CO2-Verbindungen in Wasser in verschiedensten Formen vorliegen, wird hier der Gehalt an Ammoniak (N H₃) als Bezugsgröße gewählt. jd

Es ist zweckmäßig, daß man dem Teer-Gaswasser-Kondensat aus der ersten Kühlstufe, das einen nur geringen Gehalt an Ammoniak und damit an NH3-CO2-Verbindungen enthält, aus den nachfolgenden Kühlstufen Gaswasser mit einem hohen NH3-CC>2-Gehalt r> zumischt, damit in dem Teer-Gaswasser-Scheider der ersten Kühlstufe der Ammoniakgehalt mehr als 5 g/kg H₂O beträgt.

Möglichkeiten der Verfahrensführung werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert.

Kohle wird durch die Leitung 1 in einen Gaserzeugungsreaktor 2 gegeben und dort unter einem Druck von 20 bis 80 bar mit Sauerstoff aus der Leitung 3 und Wasserdampf aus der Leitung 4 vergast. Das Rohgas mit einer Temperatur von 300⁰C bis 700⁰C verläßt den Reaktor 2 durch die Leitung 5 und gelangt in einen Waschkühler 6. Im Waschkühler 6 wird das Rohgas mit Eigenkondensat aus der Leitung 7 intensiv besprüht und dabei gekühlt und mit Wasserdampf gesättigt.

Durch die Leitung 8 wird das Rohgas und durch die Leitung 9 das im Waschkühler im Überschuß umlaufende Eigenkondensat in den Gaskühler 10 geführt, der als Abhitzekessel ausgeführt sein kann. Ein Teil des im Sumpf des Gaskühlers 10 angesammelten Kondensats wird durch die Leitung 7 im Kreislauf zurück in den v> Waschkühler gegeben. Der Überschuß an Kondensat wird zur nachfolgend beschriebenen Weiterbehandlung aus dem Kühlsystem durch die Leitung 11 entfernt. Der Waschkühler 6 und der Gaskühler 10 stellen zusammen die erste Kühlstufe für das Pofcgas dar. Der Druck in w> dieser Kühlstufe ist eiwa uer gleiche wie im Gaserzeugungsreaktor 2.

Das unter Überdruck stehende Gaswasser-Teer-Kondensat aus der ersten Kühlstufe wird durch die Leitung 11 mit einer Temperatur, die über 100⁰C liegt, hl dem Teer-Gaswasser-Scheidcr 19, zugeführt. Der Scheider 19 arbeitet unter geringerem Druck, im alleemeinen bei atmosphärischem Druck. Im Scheider geht die Trennung von schwererem Teer und auch Staub vom Gaswasser nach dem Schwerkraftprinzip vor sich. Dazu ist es notwendig, daß das Gaswasser zunächst entspannt wird. Bei der Entspannung des. Kondensats auf einen niedrigeren Druck über das Entspannungsventil 20 in das Entspannungsgefäß 21 entstehen Entspannungsdämpfe, und ein Teil der im Gaswasser gelösten Gase und anderen Stoffe werden frei. Diese Gaswasserdämpfe und Entspannungsgase werden über die Leitung 23 abgeführt und in dem Kühler 24 kondensiert und gekühlt Bei dieser Entspannung findet ein Verlust an Ammoniak und CO2 im Kondensat statt, das über die Leitung 22 in den Scheider 19 fließt. Das bedeutet, daß im Gemisch des Scheiders 19 die Bildung von Emulsionen begünstigt und dadurch die Schwerkrafttrennung von Teer und Wasser erschwert wird. Um dem entgegenzuwirken, wird das Kondensat aus dem Kühler 24 über die Leitung 25 in den Abscheider 19 gegeben.

Es ist auch möglich, anstelle des Kühlers 24 in die Leitung 11 vor dem Entspannungsventil 20 eine Kühlung (nicht eingezeichnet) einzuschalten, in der das Gaswasser bis auf Temperaturen von z.B. 60'C abgekühlt wird. Dadurch wird bei der Entspannung in das Entspannungsgefäß 21 hinein eine Bildung von Entspannupgsdampf und damit ein Verlust an NH3 und CO2 praktisch vermieden.

Das Gaswasser im Scheider 19 wird über die Leitung 27 und der Teer und an dem Teer gebunder.sr Staub über die Leitung 26 abgeführt. Die Maßnahmen zum Verhindern der Emulsionsbildung im Scheider 19 werden weiter unten beschrieben.

Das Rohgas verläßt den Abhitzekessel 10 in der Leitung 12 mit einer Temperatur von etwa 120 bis 200⁰C, vorwiegend mit einer Temperatur zwischen 150 bis 190⁰C. In einer nachfolgenden Kühlstufe, die durch einen Abhitzekessel 13 oder einen anderen Wärmeaustauscher gebildet sein kann, wird das Gas weiter etwa auf eine Temperatur von 80 bis 150°C gekühlt und dann durch die Leitung 14 einer dritten Kühlstufe 15 zugeführt. Das diese Kühlstufe in der Leitung 16 verlassende Gas hat eine Temperatur von vorzugsweise unter 100° C.

Die für die Abhitzekessel 10 und 13 sowie die dritte Kühlstufe 15 notwendigen Kühlmittelkreisläufe wurden in der Zeichnung der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Die Kühlung erfolgt jeweils durch indirekten Wärmeaustausch, so daß das Kühlmittel nicht auch im anfallenden Kondensat vorliegt. Es ist auch eine Aufteilung auf eine größere Zahl von Kühlstufen möglich, als sie in der Zeichnung dargestellt sind.

Das in der zweiten Kühlstufe im Abhitzekessel 13 anfallende Kondensat hat einen beträchtlich höheren Gehalt an Ammoniumkarbonat und Ammoniumbikarbonat als das Kondensat der Leitung 11; er liegt etwa im Bereich von 8 bis 15 g NH₃/kg H₂O. Das in der dritten Kühlstufe 15 anfallende Kondensat enthält nochmals mehr Ammoniumkarbonat und Ammoriumbikarbonat, etwa bis 30 g NH₃/kg H₂O. Das Kondensat dieser Kühlstufen steht ebenfalls etwa unter dem Druck der Gaserzeugung im Reaktor 2.

Das Kondensat aus der zweiten und dritten Kühlstufe en'hält Teerölfraktionen und mit zunehmendem Grad der Abkühlung auch Gasbenzinfraktionen. Zur Abtrennung von Gaswasser wird das Gaswasser-Teeröl-Gasbenzin-Gemisch ebenfalls der Schwerkraftscheidung zugeführt. Dieses Gemisch wird durch die Leitung 28 und das Entsoannungsventil 29 dem Entspannungseefäß

30 zugeführt, wobei die Dämpfe und Gase über die Leitung 34 im Kühler 35 kondensiert und gekühlt werden. Das Teeröl-Gaswasser-Gemisch wird dem Schwerkraftscheider 31 zugeführt. Hier hat das Teeröl ein spezifisches Gewicht, das kleiner ist als das des Gaswassers. Es wird über Leitung 32 abgezogen, während das Gaswasser über die Leitung 33 abgeführt wird. Dieses Gaswasser hat einen Ammoniumkarbonatgehalt, der über dem des kritischen Wertes von 5 g Ammoniak/kg H2O liegt, und es ist möglich, dieses Gaswasser über die gestrichelte Leitung 33a dem Scheider 19 für die erste Kühlstufe zuzuführen.

Das Kondensat aus der letzten Kühlstufe 15 weist aber einen noch höheren Ammoniakgehalt auf und es enthält niedriger siedende Teerfraktionen mit einem größeren Gasbenzinanteil. Da sich erfahrungsgemäß in einem Schwerkraftscheider ein Gemisch von Teer und einer sehr leichten Teerölfraktion nicht miteinander vermischen, sondern der Teer nach unten absinkt und die leichte Teeröl-Gasbenzin-Fraktion in dem Gaswasser nach oben aufsteigt, ist es möglich, das sehr stark ammoniakhaltige Wasser aus dem Kühler 15 zusammen mit einer Teeröl-Gasbenzin-Fraktion dem Teerscheider 19 zuzuführen, was in der Zeichnung über die Leitung 17 geschieht. In diesem Fall ist also nicht die Zwischenschaltung eines Teeröl-Gaswasser-Schciders notwendig, und es kann wegen des höheren Ammoniakgehaltes eine geringere Gaswassermenge verwendet werden, um im Teerscheider 19 die Ammoniakkarbonatkonzentration bis zum oder über den kritischen Mindestwert von 5 g NH₃/kg H2O anzuheben. Das sich aus dieser Mischung von Schwerteer, Gaswasser und leichterem Teeröl abscheidenden Teeröl wird über die Leitung 35 abgezogen. Das Kondensatgemisch im Scheider 19 hat vorzugsweise eine Temperatur von 60 bis 80^c C.

Durch Zuführung eines Gaswassers mit einem Ammoniakkarbonatgehalt, der so hoch liegt, daß in der Mischung im Scheider 19 der Ammoniakgehalt bei Werten über 5 g Ammoniak/kg H2O liegt, gelingt es, die Emulsionsbildung zu verhindern. Das über die Leitung 27 abfließende Gaswasser enthält dann nur noch Spuren von Teer.

Der Minimalgehalt an Ammoniakkarbonatzumischung zum Emulsionsbrechen im Kondensat kann auch etwas vom Gehalt an anorganischen Bestandteilen, wie etwa Ascheflugstaub. beeinflußt werden.

Beispiel

Bei der stündlichen Vergasung von 1 t Kohle mi einem oberen Heizwert von 6000 kcal/kg mit 250 Nm ί Sauerstoff und 1400 kg Wasserdampf unter einem Druck von 25 bar liefert ein Gaserzeugungsreaktor 1750 Nm³ trockenes Gas mit 1067 kg Wasserdampf un einer Temperatur von 500⁰C. Nach der ersten Kühlstuf (vgl. auch die Zeichnung) verläßt das Rohgas de Abhitzekessel 10 mit einer Temperatur von 170°C Dabei werden 385 kg Gaswasser mit 1078 g NH3 übet die Leitung 11 abgeführt. Somit beträgt der Gehalt a NHj-CO>Verbindungen, ausgedrückt als NHj-Gehal 2,8 g NHj/kg Gaswasser. Dieses Gaswasser enthäl außerdem noch Teer, Phenole, Fettsäuren, CO2, ander gelöste Gase und anorganische Verunreinigungen. Be der Entspannung des Gaswassers über das Ventil 20 i das Entspannungsgefäß 21 werden 56 kg Wasserdamp entspannt und im Kühler 24 wieder kondensiert. Ii

2u diesem Kondensat sind 585 g NH3 enthalten, das sim 10,4 g NHß/kg Gaswasser. Über die Leitung 25 win dieses Kondensat zurück in die Leitung 22 gegeben, s< daß zunächst der Ammoniakgehalt des Gaswassers irr Scheider 19 wieder bei dem ursprünglichen Wert vo

2'i 2,8 g/kg H₂O liegt.

Um die notwendige Menge an Ammoniumkarbona bzw. Ammoniumbikarbonat dem Scheider 19 zuzufüh ren, damit der Ammoniakgehalt mehr als 5 g/l beträgi wird das Gaswasser aus der letzten Kühlstufe über dii Leitung 17 herangeführt. In diesen Kühler 15 tritt da Gas nach Abkühlung im Kühler 13 mit eine Temparatur von 120⁰C ein und verläßt ihn über di Leitung 16 mit 4O⁰C. Dabei fallen 117 kg Gaswassei 3159 g NH3 und einem entsprechenden CÖYGehalt an Zusätzlich enthält dieses Wasser noch eine sehr leicht« Teeröl-Gasbenzin-Fraktion und Phenole und Fettsäu ren sowie auch gelöste Gase. Die Ammoniakkonzentra tion beträgt 27 g NH3/kg H2O. Nach Zuleitung über di< Leitung 17 in das Abscheidesystem der ersten Kühlstuf· wird der Ammoniakkarbonatgehali im Scheider 19 au 8,44 g NH₃/kg H2O angehoben. Die in diesem Fall mi dem Gaswasser aus dem Kühler 15 enthalten Teeröl-Gasbenzin-Fraktion schwimmt auf dem Gas wasser und wird über Leitung 35 abgezogen. Wegen de

4ϊ relativ hohen Ammoniakkarbonatgehaltes wird di< Bildung einer Emulsion im Scheider 19 vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Schwerkrafttrennung von Teer und Wasser eines Kondensats aus der Kühlung von heißem Rohgas der Vergasung oder Schwelung fester Brennstoffe, insbesondere Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Kühlung des Rohgases bis auf etwa 100⁰C anfallende und einer Schwerkrafttrenneinrichtung zugeführte Kondensat mit einer solchen Menge an Ammoniumkarbonaten angereichert wird, daß ihr Gehalt mindestens 5 g NH3 pro kg HiO äquivalent ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohgas in mehreren Stufen gekühlt und das heißere Kondensat aus mindestens einer der ersten Kühlstufen mit einer Kühltemperatur von oberhalb 100⁰C mit kälterem, Ammoniumkarbonate enthaltendem Kondensat mindestens einer der nachfolgenden Kühlstufen mit einer Kühltemperatur unterhalb 120°C im Gewichtsverhältnis 10:1 bis 1 :2 gemischt und in die Schwerkrafttrenneinrichtung gegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die unter einem Druck von mindestens 5 bar stehende Mischung aus heißerem und kälterem Kondensat entspannt, die NH3 und CO₂ enthaltenden Entspannungsdämpfe mindestens teilweise kondensiert und dieses Kondensat mit dem entspannten Kondensat mischt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden dadurch gekennzeichnet, daß das in die Schwerkrafttrenneinrichtung gegebene Kondensat eine Temperatur von 60° —8G°C hat.