DE2646865C2

DE2646865C2 -

Info

Publication number: DE2646865C2
Application number: DE2646865A
Authority: DE
Inventors: Ulrich 4355 Waltrop De Geidies; Gerhard 4320 Hattingen De Wilmer
Original assignee: Krupp Koppers 4300 Essen De GmbH
Current assignee: Krupp Koppers 4300 Essen De GmbH
Priority date: 1976-10-16
Filing date: 1976-10-16
Publication date: 1988-10-27
Also published as: DE2646865A1; ZA775852B; US4328011A; PL108917B1; PL201520A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung und Kühlung von staubförmige Verunreinigungen enthaltenden Partialoxidationsgasen, die durch Gleichstromvergasung von Brennstoffen nach dem Koppers-Totzek- Verfahren gewonnen werden.

Es ist bekannt, daß man durch Gleichstromvergasung fester und/oder flüssiger Brennstoffe, wie z. B. Kohle, Kohlenstaub oder schwerer Heiz öle, mit Luft oder Sauerstoff Partialoxidationsgase erhalten kann, die im wesentlichen nur noch durch solche Feststoffe verunreinigt sind, die staubförmig vorliegen. Dagegen enthalten diese Gase keine oder keine nennenswerten Mengen mehr an höhersiedenden Kohlenwasser stoffen wie Öle, Teere, Benzol, Phenole oder ähnlichen Verbindungen. Ein bekanntes und in der Praxis bewährtes Verfahren zur Gleichstrom vergasung ist das Koppers-Totzek-Verfahren, welches bisher bei nor malem oder geringfügigem erhöhtem Vergasungsdruck eingesetzt wurde.

Die staubförmigen Verunreinigungen derartiger Partialoxidationsgase bestehen im wesentlichen aus Ruß, Kohlenstaub und Flugasche, die in einer Menge von ca. 60-100 g/Nm³ Gas als Vergasungsrückstand an fallen und zum Teil mit den Gasen aus dem Vergaser ausgetragen und deshalb aus dem Gasstrom abgeschieden werden müssen. Ferner enthalten die erzeuten Partialoxidationsgase gasförmige Verunreinigungen, ins besondere H₂S, HCN, COS und CO₂, die ebenfalls im Verlaufe des weite ren Verfahrensganges entfernt werden müssen. Wegen des Fehlens der weiter oben genannten höhersiedenden Kohlenwasserstoffe in derarti gen Gasen hat man bisher in der Praxis die vom Vergaser kommenden heißen Gase in sogenannte Kühlwascher geleitet. In diesen wurden die Gase durch direkten Kontakt mit Wasser gekühlt und gleichzeitig die staubförmigen Verunreinigungen ausgewaschen. Ein Verfahrensschema für eine derartige Gasbehandlung ist beispielsweise in der Zeit schrift "Erdöl und Kohle", Bd. 28 (1975), Seite 84, Bils 6, darge stellt.

Diese Arbeitsweise hat jedoch den Nachteil, daß hierbei verhältnis mäßig große Abwassermengen anfallen, da das von den Kühlwaschern ab laufende Waschwasser wegen der darin als Suspension mitgeführten staubförmigen Verunreinigungen nicht ohne entsprechende Reinigung abge stoßen werden kann. Außerdem sind in diesem Waschwasser in Abhängig keit von dem bei der Kühlwaschung angewandten Druck mehr oder weniger große Mengen an übelriechenden und giftigen Bestandteilen, wie H₂S, HCN und COS, gelöst, die ebenfalls in geeigneter Form beseitigt werden müssen. Die Behandlung der bei der Kühlwaschung der Partialoxidations gase anfallenden Abwassermengen stellt deshalb bei den heute immer schärfer werdenden behördlichen Bestimmungen und Auflagen hinsicht lich des Umweltschutzes ein schwerwiegendes Problem dar. Verschärft wird diese Problematik zusätzlich noch dadurch, daß auch bei der Kohle vergasung die Tendenz immer mehr zu Anlagen mit großen Durchsätzen geht, weshalb die anfallenden Abwassermengen ständig steigen.

Auf Grund der aufgezeigten Problematik hätte es nahegelegen, die staubförmigen Verunreinigungen aus dem Gas durch eine trockene Gas reinigung abzutrennen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit Staubab scheidern bekannter Bauart eine vollständige Abtrennung der staubför migen Verunreinigungen aus dem Gasstrom nicht möglich ist, weil diese stets einen gewissen Kornanteil unter 10 µm Korngröße enthalten, der von den Staubabscheidern nicht mehr zurückgehalten wird. Auch die An wendung von Elektrofiltern oder dergl. ist in diesem Falle nicht an gebracht. Bei einer Betriebsstörung im Vergaser könnten nämlich nicht umgesetzter Reaktionssauerstoff zusammen mit dem Partialoxidationsgas in den Elektrofilter gelangen und dort zu Explosionen führen.

Aus der US-Patentschrift 29 61 310 und der US-Patentschrift 39 71 638 sind zwar Verfahren zur Behandlung von Partialoxidationsgasen, die durch Vergasung von feinkörnigen bis staubförmigen Brennstoffen gewon nen wurden, bekannt, bei denen das hinter dem Vergaser anfallende Gas nacheinander in einem Zyklon, einem Naßreiniger und einem mit inter nem Kühlwasserkreislauf versehenen direkten Kühler behandelt wird. Diese bekannten Verfahren arbeiten jedoch mit einer Brennstoffslurry, weshalb in diesem Falle verfahrensbedingt die anfallenden kohlenstaub haltigen Abwässer in den Prozeß zurückgeführt werden können und sich deshalb das der Erfindung zugrundeliegende Problem überhaupt nicht stellt.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rei nigung und Kühlung von nach dem Koppers-Totzek-Verfahren gewonnenen Partialoxidationsgasen zu schaffen, das einerseits eine möglichst vollständige Abscheidung der staubförmigen Bestandteile aus dem Gas gewährleistet und andererseits einen möglichst geringen Abwasseran fall verursacht. Das Verfahren soll dabei absolut betriebssicher sein und hinsichtlich der Gaskühlung eine große Flexibilität ermög lichen.

Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren ist gemäß der Erfin dung dadurch gekennzeichnet, daß

a) die heißen Gase zunächst durch trockene Entstaubung in einem Zyklon von 70-95% der in ihnen enthaltenen staubförmigen Verunreinigungen befreit werden, wozu die Gase mit einer Temperatur von 300°C und einer Eintrittsgeschwindigkeit zwi schen 15 und 25 m/sec in den Zyklon eingeleitet werden;
b) nach Passieren des Zyklones die Gase in einem Naßreiniger mit einer solchen Wassermenge gewaschen werden, die für die Ent fernung der restlichen Staubmenge gerade ausreichend ist, und daß
c) die aus dem Naßreiniger austretenden Gase in einem direkten Gas kühler, der mit einem internen Kühlwasserkreislauf versehen ist, aus dem die auf den Naßreiniger aufgegebene Wassermenge abge zweigt wird, bis auf eine Temperatur von 35°C gekühlt werden.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird also in der ersten Verfahrens stufe ein direkter Kontakt der heißen Gase mit Wasser vermieden. Viel mehr werden diese von vornherein unter solchen Bedingungen in den Zyklon eingeleitet, bei denen eine 70-95%ige Abscheidung des Staubes erzielt wird. Die für die Erzielung des gewünschten Abschei dungsgrades erforderliche Eintrittsgeschwindigkeit liegt dabei im Bereich von 15-25 m/sec.

Die im Zyklon nicht aus dem Gas entfernten Staubanteile werden an schließend in einem Naßreiniger bekannter Bauart ausgewaschen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Desintegratoren, Spray-Wascher oder Venturi-Wascher handeln. Letztere werden vorzugsweise dann einge setzt, wenn die Vergasung unter erhöhtem Druck durchgeführt wurde und die Partialoxidationsgase mit entsprechender Verdichtung vorlie gen. Arbeitet man dagegen bei Normaldruck oder nur leicht erhöhtem Druck bis etwa 0,3 atü, so ist den Desintegratoren der Vorzug zu geben. Gemäß der Erfindung kommt dem Naßreiniger keine Kühlfunktion zu. Dieser wird deshalb lediglich mit einer solchen Wassermenge be aufschlagt, die für eine Auswaschung der restlichen Staubmenge aus dem Gasstrom gerade ausreichend ist. Dementsprechend beträgt die für den Naßwascher benötigte Waschwassermenge nur etwa 20% der Waschwassermenge, die bisher in den sogenannten Kühlwaschern erfor derlich war. Auf Grund der verhältnismäßig geringen Staubmenen, die in der Naßreinigung noch abgeschieden werden müssen, sowie der dafür erforderlichen verhältnismäßig kleinen Waschwassermenge ist für die Aufarbeitung der aus dieser Verfahrensstufe ablaufenden Suspension aus Staub und Waschwasser nur eine relativ kleine Abwasserbehand lungsanlage erforderlich.

Hinsichtlich der Gaskühlung kann das erfindungsgemäße Verfahren außer ordentlich flexibel ausgestaltet werden. Normalerweise wird man den aus dem Vergaser austretenden Gasstrom vor dem Eintritt in den Staub abscheider in einem Abhitzekessel vorkühlen. Der Abhitzekessel be findet sich dabei unmittelbar hinter dem Vergaser oder ist mit dem selben zu einer Baueinheit vereinigt.

Selbstverständlich erfährt der Gasstrom im weiteren Verfahrensverlauf, d. h. beim Passieren des Zyklons und des Naßreinigers, eine entsprechen de Abkühlung. Anschließend erfolgt die weitere Abkühlung des Gasstro mes wegen der inzwischen erfolgten weitgehenden Entstaubung durch direkte Gaskühlung, beispielsweise in einem Füllkörper-, Horden- oder Sprühkühler. Diese abschließende direkte Gaskühlung ist vor allem bei niedrigen Gasdrücken wegen des hohen Wasserdampfanteiles im Gas sinnvoll. Die Auskondensierung dieses Wasserdampfanteiles ist insbesondere dann angebracht, wenn im weiteren Verfahrensgang eine stärkere Verdichtung des Gasstromes erfolgen muß und der Was serdampf infolge seines Volumens und der Kondensatbildung in den nachgeschalteten Verdichtern und Kühlern stören würde. Gemäß der Erfindung besitzt der für die direkte Gaskühlung vorgesehene Kühler einen internen Kühlwasserkreislauf. Das heißt, das aus dem direkten Gaskühler ablaufende Kühlwasser wird nach entsprechender Kühlung in einem indirekten Kühler wieder auf den Kopf des direkten Gaskühlers aufgegeben. Diese Kreislaufführung des Kühlwassers ist in diesem Falle wegen der weitgehenden Staubfreiheit der Gase ohne weiteres möglich.

Schließlich besteht noch die Möglichkeit, die heißen Gase zwischen dem Zyklon und dem Naßreiniger einer Zwischenkühlung zu unterwerfen. Da diese Gase jedoch noch einen gewissen Staubgehalt aufweisen, sollte hier der indirekten Gaskühlung der Vorzug gegeben werden. Sollte in dieser Verfahrensstufe tatsächlich mit direkter Gasküh lung gearbeitet werden, so sollte zweckmäßigerweise die dem Gas strom zwecks Kühlung zugesetzte Wassermenge von vornherein so bemes sen werden, daß dieses Wasser im Gasstrom vollständig verdampft und auf diese Weise die Bildung von überflüssigem staubhaltigen Abwas ser vermieden wird. Die geschilderte Zwischenkühlung sollte nur bei Vorliegen besonderer Umstände zur Anwendung gelangen, zum Beispiel, wenn die Temperatur des aus dem Zyklon austretenden Gasstromes so hoch ist, daß ein bei dieser Gastemperatur arbeitender Desintegrator nicht beschafft werden kann.

Normalerweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren bei der Kühlung des Gasstromes folgende Temperaturen erzielt:

Gastemperatur
°C a) am Austritt des Vergasers1500 b) hinter dem Abhitzekessel 300 c) hinter dem Zyklon 295 d) hinter dem Naßreiniger
(ohne Zwischenkühlung
des Gases) und 100 e) hinter dem direkten
Gaskühler 35

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren in einem Verfahrens beispiel an Hand des in der Abbildung dargestellten Fließschemas weiter erläutert werden:

Das Beispiel betrifft dabei die Reinigung und Kühlung eines Partialoxyda tionsgases, welches durch Vergasung von Kohlenstaub in einem Koppers- Totzek-Vergaser bei einem Druck von 0,03 atü gewonnen wurde. Dieses Gas enthält in diesem Falle ca. 100 g/Nm³ staubförmige Verunreinigungen. Es wird znächst in einen im Fließschema nicht dargestellten Abhitzekes sel, der mit dem Koppers-Totzek-Vergaser zu einer Baueinheit zusammen gefaßt ist, auf eine Temperatur von 300°C abgekühlt. Mit dieser Tempe ratur wird das Gas durch die Leitung 1 mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von 20 m/sec und einem Druck von 0,02 atü in den Zyklon 2 eingeleitet, der in diesem Falle als Standabscheider zur Anwendung gelangt. Der abgeschie dene Staub in einer Menge von 90 g/Nm³ Gas wird durch die Leitung 3 abge zogen. Das oben aus dem Zyklon 2 austretende Gas, welches nunmehr be reits zu 90% entstaubt ist, wird durch die Leitung 4 in den Naßreiniger eingeleitet, der in diesem Falle als Desintegrator 6 ausgebildet ist. In der Leitung 4 ist durch eine unterbrochene Linie die Vorrichtung 5 angedeutet. Dadurch soll darauf hingewiesen werden, daß an dieser Stelle des Verfah rensganges eine Zwischenkühlung des Gases in der weiter oben beschriebe nen Art und Weise erfolgen kann. Im vorliegenden Verfahrensbeispiel gelangt diese Zwischenkühlung jedoch nicht zur Anwendung. Im Desintegrator 6 wird das Gas mit einer solchen Wassermenge gewaschen, die für die Entfernung der restlichen Staubmenge aus dem Gas gerade ausreichend ist. Zu diesem Zwecke wird das Waschwasser in einer Menge von 1,1 l/Nm³ Gas durch die Leitung 7 auf den Desintegrator 6 aufgegeben. Das aus dem Desintegrator 6 ablaufende Waschwasser enthält etwa 80 g Staub/l Wasser. Es wird durch die Leitung 8 der im Fließschema nicht dargestellten Abwasserbehand lungsanlage zugeführt.

Das weitgehend entstaubte Gas, das inzwischen auf eine Temperatur von 100°C abgekühlt worden ist, gelangt anschließend über die Leitung 9 in den Unterteil des direkten Gaskühlers, der hier als Rieselkühler 10 ausgebildet ist. In diesem wird das aufsteigende Gas durch das herab rieselnde Wasser bis auf eine Temperatur von ca. 35°C abgekühlt. Das mit dieser Temperatur durch die Leitung 11 abgezogene Gas hat folgende Zusammensetzung:

CO₂ 8,4 Vol.-% CO63,2 Vol.-% H₂26,1 Vol.-% N₂ 0,8 Vol.-% Ar 0,53 Vol.-% CH₄ 0,1 Vol.-% H₂S 0,78 Vol.-% COS 0,09 Vol.-%

Außerdem enthält das Gas noch maximal 10 mg Staub/Nm³. Es kann nunmehr als sogenanntes Rohsynthesegas seiner weiteren Verarbeitung zugeführt werden.

Das vom Rieselkühler 10 ablaufende Kühlwasser fließt über die Leitung 12 in den Ausgleichsbehälter 13. Aus diesem wird es vermittels der Pumpe 14 über die Leitung 15 in den indirekten Kreislaufwasserkühler 16 gefördert. Dieser kann beispielsweise als indirekter mit Kühlwasser beaufschlagter Kühler oder als indirekter Luftkühler bzw. als Kombina tion beider Kühlerarten ausgebildet sein. Nach entsprechender Abkühlung wird das Kühlwasser durch die Leitung 17 wieder auf den Oberteil des Rieselkühlers 10 aufgegeben.

Von der Leitung 15 zweigt die Leitung 7 ab, durch die die Wassermenge abgezogen wird, die auf den Desintegrator 6 aufgegeben werden muß. Um die dadurch auftretenden Wasserverluste auszugleichen, wird bei Bedarf zusätzliches Wasser durch die Leitung 18 zugeführt und über den Ausgleichsbehälter 13 in den internen Kühlerwasserkreislauf des Riesel kühlers 10 eingeschleust.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Je nach Feinheit, Art und Menge der Stäube werden bis zu 95% der im Partialoxydationsgas vorhandenen staubförmigen Verunreinigun gen im Zyklon abgeschieden. Diese Stäube können ohne Schwierigkeiten aus dem Verfahren ausgeschleust und einer geeig neten Deponie oder sonstigen Verwertung zugeführt werden.
2. Der Naßreiniger wird bei erfindungsgemäßen Verfahren ledig ich mit einer solchen Wassermenge beaufschlagt, die zur Ent fernung der restlichen Staubmenge aus dem Gas erforderlich ist. Es wird in dieser Verfahrensstufe jedoch kein zusätzliches Was ser zur Gaskühlung eingesetzt. Daher beträgt hier der Wasser bedarf nur ca. 20% der bisher üblichen Waschwassermenge.
3. Auf Grund dieser kleinen Waschwassermenge und der Tatsache, daß darin nur etwa 10% des im Gas vorhandenen Staubes sus pendiert bzw. gelöst sind, ist nur eine relativ kleine Abwasser aufbereitungsanlage für die Aufbereitung des aus dem Naßreini ger ablaufenden Waschwassers erforderlich, deren Platzbedarf entsprechend gering ist.
4. Diese verhältnismäßig geringe Waschwassermenge enthält natür lich auch entsprechend weniger aus dem Gas gelöste toxische Be standteile, wie z. B. HCN, H₂S und COS, so daß sich dadurch die Abwasseraufbereitung ebenfalls weiter vereinfacht. Diese kann deshalb in einer verhältnismäßig kleinen geschlossenen Anlage durchgeführt werden, wodurch das Risiko einer Umweltbelastung verringert wird.
5. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren entfällt hier eine Rück kühlung des vom Naßreiniger ablaufenden Waschwassers, wofür bisher vielfach ein Kühlturm erforderlich war. Auch für den direk ten Gaskühler ist die Kühlung des im internen Kreislauf geführten Kühlwassers mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand durch indirekte Kühler mit niedrigem Platzbedarf möglich. Ein Kühlturm ist in dieser Verfahrensstufe ebenfalls nicht erforderlich.
6. Dadurch, daß das zu reinigende Gas nur mit einer verhältnismäßig geringen Waschwassermenge in Kontakt kommt, ist der unerwünschte Eintrag von Sauerstoff in das Gas verhältnismäßig gering. Dabei wirkt sich auch das Fehlen eines Kühlturmes äußerst günstig aus, da dieser zu einer starken Sauerstoffbeladung des Waschwassers führt.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung und Kühlung von staubförmige Verunreini gungen enthaltenden Partialoxidationsgasen, die durch Gleich stromvergasung von Brennstoffen nach dem Koppers-Trotzek-Verfahren gewonnen werden, unter Anwendung einer nassen Gasreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die heißen Gase zunächst durch trockene Entstaubung in einem Zyklon von 70-95% der in ihnen enthaltenen staub förmigen Verunreinigungen befreit werden, wozu die Gase mit einer Temperatur von 300°C und einer Eintrittsgeschwindigkeit zwischen 15 und 25 m/sec in den Zyklon eingeleitet werden;
b) nach Passieren des Zyklones die Gase in einem Naß reiniger mit einer solchen Wassermenge gewaschen werden, die für die Entfernung der restlichen Staubmenge gerade ausreichend ist, und daß
c) die aus dem Naßreiniger austretenden Gase in einem direkten Gaskühler, der mit einem internen Kühlwasserkreis lauf versehen ist, aus dem die auf den Naßreiniger aufge gebene Wassermenge abgezweigt wird, bis auf eine Temperatur von 35°C gekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase vor dem Eintritt in den Zyklon in einem hinter dem Vergaser angeordneten Abhitzekessel vorgekühlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß zwischen dem Zyklon und dem Naßreiniger zusätz lich eine indirekte oder direkte Kühlung der Gase vorge nommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Kühlung der Gase zwischen dem Zyklon und dem Naß reiniger durch Wassereinspritzung erfolgt, wobei die zuge gebene Wassermenge so bemessen wird, daß dieselbe im Gas strom vollständig verdampft.