DE3123356A1 - Process and apparatus for taking off liquid slag - Google Patents
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Abstract
Description
Titel der ErfindungTitle of the invention
Verfahren und Vorrichtung zum Abzug flüssiger Schlacke Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abzug flüssiger Schlacke, um die bei bestimmten Technologien der Vergasung von staubförmigen oder stückigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder Luft im flüssigen Zustand anfallenden Schlacken sicher aus dem Prozeß abführen zu können.Method and device for the extraction of liquid slag of the invention The invention relates to a method and a device for triggering liquid slag, around which with certain technologies of the gasification of dusty or lumpy fuels with oxygen or air in the liquid state To be able to safely discharge slag from the process.
Solche Vergasungsprozesse werden angewandt bei der Erzeugung von Heizgasen, Synthesegasen, Reduktionsgas oder Stadtgas bzw.Such gasification processes are used in the production of heating gases, Synthesis gases, reducing gas or town gas or
Mischkomponenten von Stadtgas.Mixed components of town gas.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der Technik der Gaserzeugung ist die Vergasung staubförmiger oder stückiger Brennstoffe mit einem Gemisch von Sauerstoff und Wasserdampf oder Luft als Flammreaktion in der Flugwolke bzw. im Festbett bekannt. Bei der Vergasung staubförmiger Brennstoffe und bei modernen Verfahren der Vergasung stückiger Brennstoffe erfolgt die Umsetzung bei solchen Temperaturen, daß die mineralischen Bestandteile der Kohle als schmelzflüssige Schlacke anfallen. Vor allem dann, wenn die Vergasung unter erhöhtem Druck erfolgt, stellt sich die schwierige technische Aufgabe, den zur Vergasung dienenden Reaktor so auszuführen, daß der Schlackenfluß beherrscht und die Schlacke aus dem System sicher ausgetragen werden kann. Es sind technische Lösungen üblich, bei denen noch innerhalb des Reaktors die schmelzflüssige Schlacke in Wasser granuliert und gekühlt wird und als Granulat in Wasser suspendiert aus dem Drucksystem ausgetragen wird. Für die Betriebstüchtigkeit solcher Reaktoren ist die Gestaltung des Flüssigschlacke-Auslaufes aus dem heißen Teil des Reaktors, dem Reaktionsraum im engeren Sinne, in den Kühl- und Granulierteil entscheidend.Characteristic of the known technical solutions In the technology of the Gas generation is the gasification of dusty or lumpy fuels with a Mixture of oxygen and water vapor or air as a flame reaction in the flight cloud or known in the fixed bed. In the gasification of pulverulent fuels and in modern ones Process of gasification of lump fuels, the implementation takes place in such Temperatures that the mineral constituents of coal as molten slag attack. Especially when the gasification takes place under increased pressure the difficult technical task of designing the gasification reactor in such a way that that the slag flow is controlled and the slag is safely discharged from the system can be. Technical solutions are customary in which they are still inside the reactor the molten slag is granulated in water and cooled and is discharged from the pressure system as granules suspended in water. For the The operational reliability of such reactors is the design of the liquid slag outlet from the hot part of the reactor, the reaction space in the narrower sense, into the cooling and granulating part are decisive.
Im DDR-Ausschließungspatent 119 266 ist ein Reaktor zur Vergasung von Kohlenstaub unter Druck beschrieben, dessen Reaktionsraum aus einer wasserbeaufschlagten, durch eine Schicht feuerfester Stampfmasse geschützten Rohrwandkonstruktion besteht.In the GDR exclusion patent 119 266 is a reactor for gasification described by coal dust under pressure, the reaction space of which consists of a water-loaded, The pipe wall construction is protected by a layer of refractory rammed earth.
Für den Ablauf der flüssigen Schlacke in den Granulierteil ist eine zentrale Öffnung im Boden des Reaktionsraumes vorgesehen, deren Konturen durch die entsprechend gestaltete Rohrwandkonstruktion mit Stampfmasse-Beschichtung gebildet werden. Der Boden des Reaktionsraumes ist in Richtung der Schlackenabflußöffnung schwach geneigt. Die Öffnung ist mit einer scharfen Schlacken-Abtropfkante versehen.There is one for the discharge of the liquid slag into the granulating part central opening provided in the bottom of the reaction chamber, the contours of which by the appropriately designed pipe wall construction with rammed earth coating will. The bottom of the reaction space is in the direction of the slag discharge opening weakly inclined. The opening is provided with a sharp slag drip edge.
Es ist eine im Prinzip ähnliche Lösung für eine wenig oberhalb des Atmosphärendruckes laufenden Vergasungsanlage bekannt, woh der obere Rand der zentralen Schlackeab lauf öffnung dammartig überhöht ist, so daß die Schlacke auf dem Boden des Reaktionsraumes angesteuert wird und über den Damm überfließt (Ullmann's Encyclogädie der technischen Chemie, 3. Auflage, Band 10, Seite 416, 1958). Es ist weiter bekannt, flüssige Schlacke und heißes Gas über eine Bodenöffnung mit Abtropfkante gemeinsam in einen Abkühlungsraum zu überführen, siehe z. B. Meunier, Vergasung fester Brennstoffe ..., Weinheim/Bergstraße, 1962, Seite 453.It is a basically similar solution for a little above the Atmospheric pressure running gasification plant known where the upper edge of the central Schlackeab run opening is elevated like a dam, so that the slag on the ground of the reaction space is controlled and overflows over the dam (Ullmann's Encyclogadie der technical chemistry, 3rd edition, volume 10, page 416, 1958). It is further known liquid slag and hot gas together via a bottom opening with a drip edge to be transferred to a cooling room, see e.g. B. Meunier, Gasification of Solid Fuels ..., Weinheim / Bergstrasse, 1962, page 453.
Schließlich beschreibt die DT-OS 2 325 204 einen Reaktor für die Vergasung von Kohlenstaub unter Druck, bei dem heißes Gas und flüssige Schlacke gemeinsam über eine zentrale Öffnung im Boden des Reaktionsraumes nach unten abgezogen werden, wobei durch einen Damm um die zentrale Öffnung ein Schlackenbad am Boden des Reaktionsraumes aufrechterhalten wird.Finally, DT-OS 2 325 204 describes a reactor for gasification of coal dust under pressure, where hot gas and liquid slag share be withdrawn downwards through a central opening in the bottom of the reaction chamber, a slag bath at the bottom of the reaction space through a dam around the central opening is maintained.
Betriebserfahrungen in solchen Anlagen zeigen eine hohe Anfälligkeit gegen das Erstarren von Schlacke in der Auslauföffnung in Abhängigkeit von bestimmten technologischen Bedingungen, besonders während des An- und Abfahrens, was zu Störungen und Gefährdungen führen kann. Deshalb wurde versucht, durch besondere Anstellung z. B. der Kohlenstaubbrenner oder durch zusätzlich mit Gas betriebene Aufheizbrenner in der Nähe das Ablaufes die Schlacke stark zu überhitzen. Die Folgen sind ein erhöhter Vergasungsmittelbedarf, hoher zusätzlicher Brennstoffbedarf und damit ein verschlechterter Vergasungswirkungsgrad sowie ein starker Verschleiß der Reaktorauskleidung im unteren--Bereich.Operating experience in such systems shows a high level of susceptibility against the solidification of slag in the outlet opening depending on certain technological conditions, especially during start-up and shutdown, resulting in malfunctions and hazards. Therefore an attempt was made through special employment z. B. the pulverized coal burner or by additional gas-operated heating burners to overheat the slag strongly in the vicinity of the drain. The consequences are increased Gasification agent requirement, high additional fuel requirement and thus a worsened one Gasification efficiency as well as heavy wear of the reactor lining in the lower area.
Bei Anwendung von Gasbrennern sind umfangreiche, komplizierte technologische Ausrüstungen notwendig, um einen Teil des Produktionsgases zu reinigen, zu komprimieren-und dem Reaktor wieder zuzuführen. When using gas burners are extensive, complicated technological Equipments necessary to purify, compress-and-clean part of the production gas to be fed back to the reactor.
Ziel der Erfindung 4 Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren und kontinuierlichen Betrieb zuvon Anlagen zur Vergasung von Brennstoffen mit flüssigem Schlackeabzug zu entwickeln, um Verstopfungen durch Schlackezusätze zu vermeiden und einen stetigen Schlackeabfluß zu sichern. Damit werden die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit erhöht. Gleichzeitig soll der Verschleiß der Auskleidung und der Brenner herabgesetzt werden. Object of the Invention 4 The object of the invention is a method and a Device for safe and continuous operation of gasification plants of fuels with liquid cinder vent to develop clogging through To avoid slag additions and to ensure a steady drainage of slag. In order to operational reliability and availability are increased. At the same time the wear should be the liner and burner are lowered.
Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist die Vergasung staubförmiger oder stückiger Brennstoffe mit Sauerstoff oder einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel in einem Reaktor derart, daß am unteren Ende des Reaktionsraumes für den Ablauf der Vergasungsreaktion bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der Asche/Schlacke ein ungestörter Schlackeabfluß gegebenenfalls gemeinsam mit dem heißen Rohgas in einen Kühl- und Granulierteil der Schlackeablauföffnung gewährleistet wird. Statement of the essence of the invention The object of the invention is Gasification of dusty or lumpy fuels with oxygen or a free one Oxygen-containing gasification agent in a reactor such that at the bottom End of the reaction space for the gasification reaction to take place at temperatures Above the melting point of the ash / slag, an undisturbed slag drainage, if necessary together with the hot raw gas in a cooling and granulating part of the slag discharge opening is guaranteed.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die den Reaktionsraum nach unten abschließende, vorzugsweise zentral angeordnete ringförmige Schlackeablauföffnung mit einem beheizbaren Formsteif aus elektrisch leitendem Material versehen ist. Als elektrisch leitendes Material werden Gemenge aus Kohlenstoff, keramischen Stoffen, SiC, Si3N4, SiON2 u. a. in wechselnden Anteilen verwendet.According to the invention the object is achieved in that the The reaction chamber is closed off at the bottom and is preferably centrally arranged in the form of a ring Slag drainage opening with a heatable form stiff from electrically conductive material is provided. Mixtures are used as electrically conductive material made of carbon, ceramic materials, SiC, Si3N4, SiON2 and others. in varying proportions used.
Durch eine geeignete Energieeinspeisung mittels einer Induktionsspule wird der Formstein erwärmt, wozu folgende technische Lösung gewählt wurde: Nach Figur 1 wird im unteren Teil eines Vergasungsreaktors eine Vorrichtung angeordnet, die aus einem die Schlackeablauföffnung darstellenden Formsteif, einer in Isolierbeton eingebetteten wassergekühlten Induktionsspule und einem metallischen Wasserkasten, auf dessen innerer Oberfläche Abschirmbleche aus Kupfer aufgebracht sind, besteht.By means of a suitable energy supply by means of an induction coil the shaped stone is heated, for which the following technical solution was chosen: After Figure 1, a device is arranged in the lower part of a gasification reactor, the one made of a form stiffness representing the slag drainage opening, one in insulating concrete embedded water-cooled induction coil and a metallic water box, on the inner surface of which shielding plates made of copper are applied.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß zur Sicherung eines kontinuierlichen Schlackeablaufes ein bestimmtes Verhältnis zwischen der zugeführten elektrischen Energie und der fühlbaren Energie (Wärme) des austretenden Produktionsgases und der Schlakke gewährleistet sein muß. Dieses Verhältnis liegt im Bereich von 1:10 bis 1:200, vorzugsweise zwischen 1:100 bis 1:200, wobei Beziehungen zu den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Schlacke bestehen. Wird dieses Verhältnis unterschritten, so kommt es zur Verfestigung und damit zum Zuwachsen bis zur Verstopfung der Schlackeablauföffnung; wird das Verhältnis überschritten, so läuft der Schlackefilm zu schnell ab, es kann zur Überhitzung und thermischen Zerstörung des Formsteines kommen.Surprisingly, it has been found that to ensure a continuous Slag discharge a certain ratio between the supplied electrical Energy and the sensible energy (heat) of the escaping production gas and the slack must be guaranteed. This ratio is in the range of 1:10 up to 1: 200, preferably between 1: 100 to 1: 200, with relationships to the chemico-physical Properties of the slag exist. If this ratio is not reached, then comes it solidifies and thus overgrows until the slag drainage opening is clogged; if the ratio is exceeded, the slag film runs off too quickly, it can overheating and thermal destruction of the shaped stone.
Weiterhin wurde gefunden, daß zur Sicherung eines kontinuierlichen Schlackeablauf es nur ein begrenzter Frequenzbereich des Induktionsstromes geeignet ist, der zwischen 500 und 10 000 Hz, vorzugsweise zwischen 2 400 und 8 000 Hz liegt. Es zeigte sich, daß im vorgeschlagenen Frequenzbereich die elektrisch leitende, flüssige Schlackeschicht ebenfalls induktiv beheizt wird.It was also found that to ensure a continuous Slag drainage is only suitable for a limited frequency range of the induction current which is between 500 and 10,000 Hz, preferably between 2,400 and 8,000 Hz. It turned out that in the proposed frequency range the electrically conductive, liquid slag layer is also inductively heated.
Eine weitere Anordnung gemäß Figur 2, die das Prinzip der Einbindung der nötigen Ausrüstungsteile zur induktiven Beheizung der Schlackeaustrittsöffnung eines Vergasungsreaktors zeigt, besteht aus einer Schlackeaustrittsöffnung, einer diese umgebenden Induktionsspule, einer Durchführung der elektrischen Zuführung in den Druckraum, einer Kondensatorenbatterie, dem Mittelfrequenzerzeuger und den beiden Druckmeßstellen.Another arrangement according to Figure 2, which the principle of integration the necessary equipment for inductive heating of the slag outlet opening shows a gasification reactor consists of a slag outlet opening, one these surrounding Induction coil, a implementation of the electrical Feed into the pressure chamber, a battery of capacitors, the medium frequency generator and the two pressure measuring points.
Die schaltungstechnische Anordnung gemäß Figur 3 zeigt die beiden Druckmeßstellen, zwei Absperrventile, den Differenzdrucktransmitter, die Stromversorgung, den Regelverstärker und die Erregerwicklung. Die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen werden während des Betriebes des Reaktors wie folgt wirksam: Im Arbeitsbereich des Reaktors gelangt durch die Austrittsöffnung und damit durch den Formit ein ein Gemisch aus produziertem Gas und flüssiger Schlacke. Der Formstein, der aus elektrisch leitendem Material -besteht, wird im Fahrbetrieb des Reaktors durch die Induktionsspule, die zusammen mit der Kondensatorengruppe den Lastkreis für den Mittelfrequenzerzeuger bildet, erwärmt. Der elektrische Anschluß der wassergekühlten Induktionsspule aus Kupfer erfolgt über die Durchführung der elektrischen Zuführung in den Druckraum in den unter Druck stehenden Reaktor.The circuit arrangement according to FIG. 3 shows the two Pressure measuring points, two shut-off valves, the differential pressure transmitter, the power supply, the control amplifier and the excitation winding. Those shown in Figures 1, 2 and 3 Devices take effect during the operation of the reactor as follows: In the work area of the reactor enters through the outlet opening and thus through the formite Mixture of produced gas and liquid slag. The shaped stone made from electric conductive material is present, during operation of the reactor by the induction coil, which, together with the capacitor group, forms the load circuit for the medium frequency generator forms, warms. The electrical connection of the water-cooled induction coil Copper is carried out through the electrical feed through to the pressure chamber into the pressurized reactor.
Mit Hilfe der beiden Druck empfänger wird am Differenzdrucktransmitter ein Wert ermittelt, der einen Verstärker ansteuert, dessen Ausgangssignal entsprechend der Höhe des anstehenden Differenzdruckes die Erregung des Mittelfrequenzerzeugers beeinflußt.With the help of the two pressure receivers, the differential pressure transmitter a value is determined that controls an amplifier, its output signal accordingly the level of the existing differential pressure, the excitation of the medium frequency generator influenced.
Der Regelmechanismus der in Figur 3 dargestellten Variante funktioniert in der Weise, daß bei Erhöhung des Differenzdruckes am Transmitter, womit eine Querschnittsverringerung im Formstein der Schlackeaustrittsöffnung durch ein Anwachsen von Schlacketeilen signalisiert wird, die Erregung für den Mittelfrequenz erzeuger erhöht und somit dem Formstein über die Induktionsspule mehr Energie zugeführt wird. Dadurch erfolgt im Formstein eine Temperaturerhöhung, die angesetzte Schlacke beginnt zu schmelzen und der Querschnitt für den Austritt von Gas und Schlabke wird wieder vergrößert. Infolge des durch die Querschnittsvergrößerung sich am Transmitter verringernden Differenzdruckes wird die Erregung für den Mittelfrequenzerzeuger abgeschwächt und somit der Energieeintrag in den Formsteif verringert.The control mechanism of the variant shown in Figure 3 works in such a way that when the differential pressure at the transmitter increases, thus reducing the cross-section in the shaped brick of the slag outlet opening due to the growth of slag parts is signaled, the excitation for the medium frequency generator is increased and thus the shaped block is supplied with more energy via the induction coil. This takes place a temperature increase in the shaped brick, the slag that has been attached begins to melt and the cross-section for the exit of gas and Schlabke is enlarged again. As a result of the reduction in cross-section at the transmitter Differential pressure becomes the excitation for the medium frequency generator weakened and thus the energy input into the form rigidity is reduced.
Die Erfindung sei an folgendem Ausführungsbeispiel erläutert: In einer Versuchsanlage zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe wird Kohlenstaub in einer Menge von 80 - 120 kg/h entsprechend einer Energiemenge von 1,6 . 106 - 2,4 . 106 kJ/h über entsprechende Brenner in den Reaktionsraum eines Reaktors eingebracht.The invention will be explained using the following exemplary embodiment: In one Test facility for gasifying pulverulent fuels turns coal dust into a Amount of 80 - 120 kg / h corresponding to an amount of energy of 1.6. 106 - 2.4. 106 kJ / h introduced into the reaction chamber of a reactor via appropriate burners.
Zum thermischen Schutz der drucktragenden Hülle dient ein Kühlrohrschirm mit aufgebrachter Stampfmasse. Am Boden des Reaktors befindet sich eine Schlackeabflußöffnung, durch die flüssige Schlacke und Vergasungsgas über einen elektrisch beheizten Formstein 2 in den Kühl- und Granulierteil gelangen. Gas und Schlakke werden nach Austritt aus der Schlackeabflußöffnung durch eingespritzt es Wasser gequencht, woraus sich die Schlacke im Wasserbad absetzt und über eine Öffnung abgezogen wird. Das Gas wird über einen Rohgasaustrittsstutzen abgeführt. Die Menge des erzeugten Rohgases beträgt 300 m3 i.N./h, das mit einer Temperatur von 1 400 - 1 700 OC über den Formstein 2 den Reaktionsraum verläßt. Die fühlbare Energie (Wärme) des Rohgases liegt zwischen 6,7 . 105 - 7,2 . 105 kJ/h. Zur Sicherung des Schlackeabflusses wurde eine elektrische Leitung zur Beheizung des Formsteines von 1 - 25 KW entsprechend einer Energiemenge von 3,6 . 103 - 90 . 103 kJ/h installiert, Das Verhältnis zwischen elektrischer Energie und der fühlbaren Energie (Warme) des erzeugten Gases im Versuchsbetrieb lag zur Erreichung günstiger, kontinuierlicher Betriebsbedingungen bei 1:100 bis 1:200. Es war möglich, durch eine differenzdruckgesteuerte Regelung ähnlich Figur 3 die elektrische Energie prozeßbedingt unregelmäßig bzw. periodisch zuzuführen. Es stellte sich heraus, daß entsprechend den Versuchsbedingungen die Frequenz des elektrischen Stromes zu 8 000 Hz eingestellt werden mußte.A cooling tube shield is used to provide thermal protection for the pressure-bearing envelope with applied ramming mass. At the bottom of the reactor there is a slag drainage opening, through the liquid slag and gasification gas via an electrically heated shaped block 2 get into the cooling and granulating section. Gas and slag are after exit from the slag drain hole through injected it is quenched water, which emerges the slag settles in the water bath and is drawn off through an opening. The gas is discharged via a raw gas outlet nozzle. The amount of raw gas produced is 300 m3 per hour, that with a temperature of 1,400 - 1,700 OC over the shaped stone 2 leaves the reaction chamber. The sensible energy (heat) of the raw gas lies between 6.7. 105 - 7.2. 105 kJ / h. To secure the slag drainage, an electrical Line for heating the shaped stone from 1 - 25 KW corresponding to an amount of energy from 3.6. 103 - 90. 103 kJ / h installed, the ratio between electrical Energy and the sensible energy (heat) of the gas produced in the test operation was to achieve favorable, continuous operating conditions at 1: 100 to 1: 200. It was possible through a differential pressure-controlled regulation similar to figure 3 to supply the electrical energy irregularly or periodically due to the process. It turned out that according to the test conditions, the frequency of the electric current had to be set to 8,000 Hz.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 - Schlackeablauföffnung 2 - Formstein 3 - Isolierbeton 4 - wassergekühlte Induktionsspule 5 - metallischer Wasserkasten 6 - Abschirmblech 7 - Vergasungsreaktor 8 - Durchführung der elektrischen Zuführung in den Druckraum 9 - Kondensatorenbatterie 10 - Mittelfrequenzerzeuger 11 - Druckmeßstelle 12 - Druckmeßstelle 13 - Absperrventil 14 - Absperrventil 15 - Differenzdrucktransmitter 16 - Stromversorgung 17 - Regelverstärker 18 - ErregerwicklungList of the reference symbols used 1 - slag discharge opening 2 - molded brick 3 - insulating concrete 4 - water-cooled induction coil 5 - metallic Water tank 6 - shielding plate 7 - gasification reactor 8 - implementation of the electrical Feed into the pressure chamber 9 - capacitor bank 10 - medium frequency generator 11 - pressure measuring point 12 - pressure measuring point 13 - shut-off valve 14 - shut-off valve 15 - Differential pressure transmitter 16 - Power supply 17 - Control amplifier 18 - Excitation winding
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