DE2917536C2 - Verfahren zum explosionssicheren Betreiben von Vergasungsreaktoren für staubförmige Brennstoffe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum explosionssicheren Betreiben von Vergasungsreaktoren für staubförmige Brennstoffe, insbesondere zur Erhöhung der technischen Sicherheit solcher Anlagen in Störungsfällen.
• In der Technik der Erzeugung von Synthesegas, Reduktionsgas, Heizgas und Gas für die öffentliche Versorgung aus festen Brennstoffen hat sich die Vergasung von Brennstoffen in Staubform durch partielle Oxydation als eine vorteilhafte Lösung eingeführt. Bei einem Verfahren dieser Art wird der staubförmige Brennstoff mit einem freien Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Oxydationsmittel, im folgenden "Vergasungsmittel" genannt, bei Normaldruck oder bei erhöhtem Druck in einer Flammenreaktion, z. B. in einem Temperaturbereich von 1200 bis 1600°C umgesetzt, wobei im wesentlichen CO und H₂ entstehend. Der Umsatz erfolgt in einem leeren Reaktionsraum, wobei durchschnittliche Verweilzeiten des Brennstoffes bzw. des daraus entstehenden Gases im heißen Reaktionsraum in der Größenordnung von 0,5 bis 10 s erreicht werden. Das Vergasungsmittel ist in der Regel ein Gemisch aus technischem Sauerstoff und Wasserdampf, wobei der Anteil des technischen Sauerstoffes abhängig vom Brennstoff und Verwendungszweck des Gases zwischen 60 und 95% liegt. Die Steuerung des Prozesses, insbesondere die Einhaltung optimaler Temperaturen im Reaktionsraum erfolgt durch Regelung des Verhältnisses von technischem Sauerstoff zu staubförmigem Brennstoff, wobei bereits Abweichungen vom Sollwert des Massenverhältnisses Sauerstoff zu Brennstoff von 10% zu gleichsinnigen Veränderungen der Temperatur im Reaktionsraum um 200 K führen können. Bei Betrieb einer solchen Vergasungsanlage besteht die Gefahr, daß bei Störungen in der Brennstoffzuführung, insbesondere bei einer unbeabsichtigten Verminderung des Zuflusses des staubförmigen Brennstoffes die Temperaturen im Reaktionsraum auf solch hohe Werte steigen, daß die technische Sicherheit der Anlage nicht mehr gegeben ist.
• Fällt der Mengenstrom von staubförmigem Brennstoff soweit, daß das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff den für vollständige Verbrennung erforderlichen stöchiometrischen Betrag überschreitet oder wird der Zufluß an staubförmigem Brennstoff ganz unterbrochen, so kann der nunmehr überschüssige Sauerstoff noch kurze Zeit mit der innerhalb des heißen Reaktionsraumes befindlichen, vorher erzeugten Menge von CO und H₂ reagieren. Wird bis spätestens zum Ende dieser Phase die Sauerstoffzufuhr nicht sicher gesperrt, so sinkt die Temperatur im Reaktionsraum zwar wieder ab, es besteht aber die Gefahr, daß binnen weniger Sekunden nicht umgesetzter freier Sauerstoff aus dem heißen Reaktionsraum in die nachgeschalteten Kühl- und Aufbereitungseinrichtungen für das erzeugte Gas eindringt, dort zur Bildung von explosiblen Gemischen von Sauerstoff und brennbaren, wasserstoffhaltigem Gas führt und schwere Explosionen auslöst.
  Zur Vermeidung solcher gefährlichen Situationen sind Staubvergasungsanlagen dieser Art mit einer automatischen Not-Abschalteinrichtung ausgerüstet, die insbesondere bei Unterschreitung des vorgegebenen Mengenflusses an staubförmigem Brennstoff, bei Überschreitung eines vorgeschriebenen Sauerstoffmengenstromes und bei Überschreitung oder Unterschreitung eines vorgegebenen Bereiches für die Temperatur im Reaktionsraum die Sauerstoffzufuhr sicher absperrt und die Anlage in einen sicheren Zustand überführt. Zwangsläufig ist die automatische Not-Abschalteinrichtung mit einer Totzeit behaftet, die im wesentlichen bestimmt wird durch die Totzeit der Meßwerterfassung und die Schließzeit der Absperrarmaturen für den Sauerstoffstrom. Vor allem bei Anlagen großer Leistungen kann diese Schließzeit im Bereich einiger Sekunden liegen und die gesamte Totzeit wesentlich bestimmen. Trotz der Länge dieser Schließzeit wird auch im Falle eines plötzlichen Ausfalles der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff ausreichende Sicherheit gegen einen Sauerstoffdurchbruch dann erzielt, wenn das Verhältnis von in der Zeiteinheit zuströmender Sauerstoffmenge zu der im Normalzustand im Reaktor befindlichen Menge an CO und H₂ ausreichend klein gemacht und für ausreichende Rezirkulation im Reaktor gesorgt wird. Eine solche Lösung führt jedoch zu niedrigen spezifischen Leistungen des Reaktors, also zu sehr großen Reaktordimensionen. Eine andere Lösung sieht die Unterteilung des Reaktionsraumes in mehrere voneinander weitgehend unabhängige betriebene Abschnitte mit je einem eigenen Brennstoff- und Vergasungsmittelzuführungssystem vor, wobei im Störungsfalle der gegebenenfalls in einem der Abschnitte verbleibende, nicht umgesetzte Sauerstoff mit dem in den anderen Abschnitten des Reaktionsraumes erzeugtem Gas reagieren kann, bevor ein Durchtritt in die kalten Teile der Anlage möglich ist. Auch diese Lösung ist mit erhöhtem apparativen Aufwand verbunden.
  Mit DE-PS 8 56 188 ist bekannt, zusätzlich am Ende des Reaktionsraumes ein brennbares Gas, in der Regel rekomprimiertes Gas eigener Erzeugung, in solcher Menge zuzumischen, daß im Störungsfalle die gesamte, dem Reaktionsraum zugeführte Sauerstoffmenge durch dieses zusätzliche Gas gebunden werden kann. Um den angestrebten Effekt zu erreichen, sind relativ sehr große Gasmengen, beispielsweise 70-80% der zu produzierten Gasmenge zuzumischen, was mit sehr hohem Aufwand verbunden ist.
• DE-PS 5 24 439 sucht das Problem dadurch zu lösen, daß dem eigentlichen Reaktionsraum, in dem die Vergasung von Kohlenstaub abläuft, eine Schicht glühenden Kokses nachgeschaltet ist. Im Falle einer Störung der Kohlenstaubzufuhr wird weiter einströmender Sauerstoff durch den glühenden Koks gebunden. Die Lösung ist für moderne Staubdruckvergasungsanlagen hoher Leistung, die in der Regel mit schmelzflüssiger Schlacke arbeiten, nicht anwendbar.
• Für die Vergasung von Öl mit Sauerstoff wird in DE-AS 10 23 746 als Sicherheit gegen Sauerstoffdurchbruch vorgeschlagen, das Öl mittels einer Pumpe einem Hochbehälter zu entnehmen und dem Reaktor zuzuführen. Die Pumpe ist mit einer Umgehungsleitung versehen, die im Falle des Ausfalls der Pumpe freigegeben wird, so daß eine gewisse Brennstoffmenge durch freies Gefälle weiter dem Reaktor zufließt. Die Lösung, die auf den Einsatz von flüssigen Brennstoffen für die Vergasung beschränkt ist, bietet nur einen Schutz für den Fall des Ausfalls der Pumpe, nicht aber gegen Störungen in der Brennstoffzufuhr aus anderen Gemischen.
• Schließlich ist es mit DE-AS 10 26 031 und US 29 19 980 für Kohlenstaubvergasungsanlagen, die unter Normaldruck arbeiten, bekannt, eine Stickstoffmenge unter Druck in Vorrat zu halten, um sie in Störungsfällen automatisch zur Spülung der Anlage zu verwenden. Diese Stickstoffspülung reicht insbesondere bei unter hohem Druck betriebenen Vergasungsanlagen nicht aus, Explosionsgefahren im Falle eines Sauerstoffdurchbruches auszuschließen.
• Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zum explosionssicheren Betreiben von Vergasungsreaktoren für staubförmige Brennstoffe, das bei Störungen der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff zum Reaktor, insbesondere bei plötzlicher Unterbrechung dieser Zufuhr, die Gefahr eines Sauerstoffdurchbruches in die Kühl- und Aufbereitungsanlagen für das erzeugte Gas ausschließt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum explosionssicheren Betreiben von Vergasungsreaktoren für staubförmige Brennstoffe zu schaffen, das bei Störungen der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff zum Reaktor, insbesondere bei plötzlicher Unterbrechung dieser Zufuhr, unter Berücksichtigung der endlichen Schließzeiten von automatisch angesteuerten Absperrarmaturen für Sauerstoff die Gefahr eines Sauerstoffdurchbruches in die Kühl- und Aufbereitungsanlagen für das erzeugte Gas durch Bindung des Sauerstoffes an einem zusätzlichen Brennstoff ausschließt, hohe spezifische Belastungen des Reaktionsraumes zuläßt und für Anlagen großer Leistung geeignet ist.
• Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem geeigneten Reservoir ein gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff unter einem höheren Druck gespeichert wird als er dem Betriebsdruck des Reaktors entspricht, daß dieses Reservoir mit dem Reaktionsraum des Reaktors durch eine im Normalbetrieb mittels automatisch ansteuerbarer Absperrarmatur abgesperrte Leitung so verbunden ist, daß bei Öffnung des Absperrventils der gut fließfähige zusätzliche Brennstoff nahe der oder den Eintrittsstellen für Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel in den Reaktionsraum eintreten kann und daß bei Störungen in der Zufuhr von staubförmigem Brennstoff zum Reaktionsraum gleichzeitig mit der Auslösung des automatischen Not-Abschaltsystems durch automatisches Öffnen der Absperrarmatur der im Reservoir gespeicherte, gut fließfähige zusätzliche Brennstoff infolge der bestehenden Druckdifferenz in den Reaktor überführt wird. Der in den Reaktor gelangende gut fließfähige zusätzliche Brennstoff reagiert zufolge der im Reaktionsraum herrschenden hohen Temperaturen mit den bis zu völliger Wirksamkeit der automatischen Abschaltung in den Reaktionsraum nachströmenden Sauerstoffmengen und verhindert so einen Sauerstoffdurchbruch.
• Erfindungsgemäß werden Druck und Speichervolumen des Reservoirs sowie Strömungswiderstand der Verbindung zwischen Reservoir und Reaktionsraum so aufeinander abgestimmt, daß die innerhalb des Zeitintervalls zwischen Auslösung des Not-Abschaltsystems und völligem Verschluß der Sauerstoffzufuhr zum Reaktor in den Reaktionsraum überführte Menge an gut fließfähigem zusätzlichen Brennstoff größer ist als die zur völligen Bindung des nachströmenden Sauerstoffes stöchiometrisch erforderliche Menge. Zusätzliche Forderungen hinsichtlich einer Dosierung dieses zusätzlichen Brennstoffes werden nicht gestellt.
• Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es durch Wahl der Art des gut fließfähigen zusätzlichen Brennstoffes oder des Druckes im Reservoir in bekannter Weise leicht möglich, mit solchen Querschnitten der Verbindungsleitung zwischen Reservoir und Reaktionsraum auszukommen, daß die Öffnungszeit der Absperrarmatur in der Verbindungsleitung klein gegenüber der Schließzeit der Absperrarmatur in der Sauerstoffzuleitung ist. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Lösung ist jedoch auch dann gegeben, wenn die Öffnungszeit der Absperrarmatur in der genannten Verbindungsleitung gegenüber der Schließzeit für die Sauerstoffzufuhr nicht mehr zu vernachlässigen ist. Entsprechend der Durchflußcharakteristik üblicher Absperrventile und dem im Moment der Auslösung des Not- Abschaltungssystems herrschenden Maximalwert der Druck -differenz zwischen Reservoir und Reaktionsraum wird nämlich bereits bei einem geringen Anreißen des Absperrventils ein - bezogen auf den maximalen Durchsatz - großer Fluß des zusätzlichen Brennstoffes erreicht, während umgekehrt der Sauerstoffzufluß erst kurz vor Erreichen der Endstellung der Sauerstoff-Absperrarmatur stärker absinkt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff ein brennbares, möglichst heizkräftiges Gas eigener Erzeugung oder fremder Provenienz (z. B. Erdgas) verwendet. Eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet flüssige Brennstoffe, wobei ausreichender Druck im Reservoir durch den Eigendampfdruck des flüssigen Brennstoffes oder durch Pufferung mittels inerter oder brennbarer Gase gewährleistet wird. Bei Einsatz von flüssigen Brennstoffen empfiehlt sich die Verwendung solcher Brennstoffe, die bei Umgebungstemperatur gut flüssig sind und die nicht zur Bildung von Harzen oder anderen festen Ausfällungen neigen. Der im Vergleich zur Produktion der Anlage sehr kleine Bedarf an diesem zusätzlichen Brennstoff macht die Verwendung hochwertiger und teuerer Brennstoffe für diesen Zweck wirtschaftlich tragbar. Bei Inkaufnahme zusätzlichen apparativen Aufwandes wie z. B. Heizung, läßt sich im Bedarfsfalle das Prinzip der Erfindung auch bei Einsatz mittlerer oder schwerer Heizöle nutzen.
• Schließlich ist es nach der Erfindung möglich, als gut fließenden zusätzlichen Brennstoff auch staubförmige feste Brennstoffe guter Rieselfähigkeit zu verwenden, wobei als Reservoir für den zusätzlichen Brennstoff ein mit einem inerten oder brennbaren Gas auf einen höheren Druck als den Betriebsdruck des Reaktors bespanntes Gefäß dient, das vorzugsweise geodätisch höher als die Einlauföffnung in dem Reaktor angeordnet ist. Konstruktion und Wirkungsweise eines solchen Gefäßes sind aus der pneumatischen Fördertechnik bekannt.
• Der für diesen Zweck verwendete staubförmige Brennstoff kann identisch mit dem als Vergasungsstoff verwendeten staubförmigen Brennstoff sein, er kann jedoch zur Erzielung einer besseren Rieselfähigkeit auch eine durch zusätzliche Aufbereitungsmaßnahme wie Siebung oder Sichtung aus dem Hauptbrennstoff gewonnene Fraktion sein oder nach einem gesonderten, für die Erzielung guter Rieselfähigkeit besonders geeigneten Aufbereitungsverfahren hergestellt werden.
• Für die Anwendung der Erfindung ist es unerheblich, in welcher Form und mit welchen Mitteln der staubförmige Brennstoff im Normalbetrieb dem Brenner oder den Brennern des Vergasungsreaktors zugeführt wird. Die Erfindung ist auch mit Vorteil anwendbar, wenn gleichzeitig mit dem staubförmigen Brennstoff andere fließfähige Brennstoffe in den Vergasungsreaktor eingeführt und dort mit dem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel zu CO- und H₂-haltigem Gas umgesetzt werden.
  Insbesondere kann die Erfindung auch verwendet werden, wenn der staubförmige Brennstoff in einem flüssigen Brennstoff, wie Heizöl oder Teer, suspendiert dem Vergasungsreaktor zugeführt wird.
• Die Erfindung sei durch zwei Ausführungsbeispiele mit den dazugehörigen Fig. 1 und 2 erläutert. Dabei stellt
• Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der als gut fließfähiger zusätzlicher Brennstoff eine brennbares Gas verwendet wird (Ausführungsbeispiel 1).
• Fig. 2 gibt dagegen die Schaltung bei Verwendung eines gut rieselfähigen staubförmigen Brennstoffes wieder ( Ausführungsbeispiel 2).
  
• 1. Ein Staubvergasungsreaktor 1 wurde bei einem Betriebsdruck von 2,5 MPa für eine Leistung von 50 000 m³ i. N./h Rohgas ausgelegt. Staubförmiger Brennstoff in Form einer dichten Suspension in einem inerten Trägergas, technischer Sauerstoff und Wasserdampf werden durch einen Brenner 2 am Kopf des Reaktors in den Reaktionsraum eingeführt, wobei die Mischung der drei Ströme unmittelbar nach Austritt aus der Mündung des Brenners innerhalb des Reaktionsraumes erfolgt. Der Bedarf an technischem Sauerstoff beträgt 14 000 m³ i. N./h, das entspricht bei einer Reinheit des technischen Sauerstoffes von 96% einer Reinsauerstoffmenge von 13 400 m³ i. N./h bzw. 3,7 m³ i. N./s. Der Reaktor ist mit einem automatischen Not-Aus-System ausgerüstet, das in Fig. 1 als Kästchen 3 angedeutet ist.
  Die Totzeit vom Eintritt einer Störung in der Brennstoffzufuhr (Unterschreitung eines unteren Grenzwertes), die durch die Staubmengenmeßeinrichtung 4 injiziert wird, bis zum Beginn der Abschaltvorgänge beträgt 7 s. Nach weiteren 5 s ist die Sauerstoffzufuhr durch das Ventil 5 völlig gesperrt. Während der ersten Phase der Totzeit strömen 26 m³ i. N. O₂ in den Reaktor, in der durch die Schließzeit des O₂ -Absperrventils bedingten zweiten Phase der Totzeit strömen 15 m³ i. N. O₂ (durchschnittlich 80% des Normaldurchflusses) nach. Die Anlage ist gemäß der Erfindung mit einem Druckbehälter 6 ausgerüstet, in dem bei einem Druck von 3,2 MPa Methan (Erdgas) gespeichert ist.
  Der Druckbehälter ist über eine Leitung mit dem Wasserdampf-Eintrittsstutzen des Brenners 2 verbunden. Bei Auslösung einer Notabschaltung durch das automatische Not-Aus-System 3 wird das Ventil 7 geöffnet und das Erdgas aus dem Behälter 6 entspannt sich bis zum Druckausgleich in den Reaktor 1. Der Behälter 6 hat ein Volumen von 6 m³, so daß bei einer Notabschaltung etwa 40 m³ i. N. Erdgas in den Reaktor strömen. Das Erdgas reagiert mit dem nachströmenden freien Sauerstoff, wobei zur Bindung des Sauerstoffes maximal 20,5 m³ i. N. benötigt werden. Der Rest wirkt als zusätzliches Kühlmedium.
  Vor Inbetriebnahme der Vergasungsanlage wird gesichert, daß der Behälter 6 mit Hilfe des Verdichters 8 bis zum vorgeschriebenen Druck mit Erdgas bespannt ist.
• 2. Für den Vergasungsreaktor gemäß Ausführungsbeispiel 2 steht ein gut rieselfähiger Braunkohlenstaub anstelle von Erdgas als zusätzlicher Brennstoff bei Abschaltvorgängen zur Verfügung. Der Braunkohlenstaub ist mit einer Menge von 130 kg im Druckbehälter 6&min; gespeichert, wobei durch Aufpressen von Stickstoff mittels des Stickstoffverdichters 8&min; ein Druck im Behälter von 3,2 MPa aufrechterhalten wird. Der Behälter hat ein Gesamtvolumen von 6 m³, davon ist etwa ein Anteil von 0,25 m³ mit Staub angefüllt. Der Druckbehälter 6&min; ist geodätisch höher als der Brenner 2 des Reaktors 1 angeordnet und über eine Leitung mit dem Kohlenstaub-Einlaufstutzen des Brenners 2 verbunden. Bei Auslösung einer Notabschaltung durch das automatische Not-Aus-System 3 wird das für Kohlenstaubdurchfluß geeignete Absperrorgan 7&min; geöffnet, und der im Behälter 6&min; gespeicherte Stickstoff entspannt sich bis zum Druckausgleich in den Reaktor 1, wobei die im Behälter 6&min; befindliche Staubmenge vollständig mitgerissen wird.
  Der Staub setzt sich mit dem in den Reaktor nachströmenden Sauerstoff um, wobei zur vollen Bindung des Sauerstoffes stöchiometrisch 40 kg Staub benötigt werden. Durch den Überschuß wird unvollständiger Ausbrand des Staubes ausgeglichen.
  Vor Aufnahme des Betriebes der Anlage wird gesichert, daß der Behälter 6&min;, zunächst unter Atmosphärendruck stehend, aus dem Vorratsbunker 9 mit der erforderlichen Menge Kohlenstaub gefüllt und anschließend mit Stickstoff auf den vorgeschriebenen Speicherdruck von 3,2 MPa bespannt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zum explosionssicheren Betreiben von Vergasungsreaktoren für staubförmige Brennstoffe, wobei der Brennstoff mechanisch oder in einem gasförmigen oder flüssigen Medium suspendiert dem Reaktor zugeführt und mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel in einer Flammenreaktion zu CO- und H₂-haltigem, brennbaren Gas umgesetzt und wobei durch zusätzlich eingeführten gut fließfähigen Brennstoff auch bei einer Störung in der Brennstoff-Zuleitung der Sauerstoff im Reaktor gebunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Brennstoff in einem Reservoir unter einem höheren Druck als der Betriebsdruck des Reaktors gespeichert und im Falle der Störung mittels seines Druckes in den Reaktor überführt wird und dort nahe der oder den Einspeisungsstelle(n) des Vergasungsmittels eintritt, wobei Druck, Speichervolumen und Strömungswiderstand der Verbindung zum Reaktor so aufeinander abgestimmt sind, daß innerhalb des Zeitintervalls zwischen dem Eintritt der Auslösung durch die Störung und dem völligen Verschluß der Vergasungsmittelzufuhr die in den Reaktionsraum überführte Menge des zusätzlichen Brennstoffes größer ist als die zur völligen Bindung des innerhalb dieses Zeitintervalls in den Reaktionsraum mit dem Vergasungsmittel nachgeströmten Sauerstoffmenge stöchiometrisch erforderliche Brennstoffmenge.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fließfähiger Brennstoff ein brennbares Gas, vorzugsweise ein solches hohen Heizwertes, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fließfähiger Brennstoff ein flüssiger Brennstoff verwendet wird, dessen Druck im Reservoir durch seinen Dampfdruck oder durch Aufpressen eines brennbaren oder inerten Gases erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fließfähiger Brennstoff ein staubförmiger Brennstoff guter Rieselfähigkeit verwendet wird, dessen Druck im Reservoir durch Aufpressen eines brennbaren oder inerten Gases erzeugt wird.