DE3686720T2

DE3686720T2 - Schlacken-austragesystem fuer einen vergasungsreaktor fuer feste brennstoffe.

Info

Publication number: DE3686720T2
Application number: DE8686306344T
Authority: DE
Inventors: M Dale Mayes; Frank A Ruiz; William P White
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Destec Energy Inc
Priority date: 1986-08-06
Filing date: 1986-08-15
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2006-08-16
Also published as: CN86105182A; EP0256186A1; AU582267B2; CN1016071B; CA1320642C; EP0256186B1; IN167905B; ZA866011B; AU6170786A; DE3686720D1

Description

Diese Erfindung betrifft die Vergasung von festen kohlenstoffhaltigen Materialien wie Koks, Kohle oder Braunkohle. Im Besonderen betrifft die Erfindung das Entfernen von Schlacke und/oder schwerer Asche aus einem Festbrennstoff-Vergasungsreaktor.
Wie in der Technik wohl bekannt ist, können feste Brennstoffe wie Koks, Kohle oder Braunkohle zu feinen Teilchen zermahlen und mit Öl oder Wasser gemischt werden, um als Speisung eines Vergasungsungsreaktors, der zur Herstellung von synthetischen Gasprodukten geeignet ist, zu dienen. Wenn ein Verfahren dieser Art ausgeführt wird, entsteht eine große Menge an geschmolzener Schlacke, die beseitigt werden muß. Gewöhnlich besteht der Abfall, die in einem Festbrennstoff-Vergasungsprozess gebildete Schlacke oder schwere Asche, aus festgewordenen anorganischen Stoffen und einer kleinen Menge von nichtumgesetztem Kohlenstoff. Generell wird diese Schlacke vom Boden des Reaktors bei einer erhöhten Temperatur und Druck in Form einer Wasser Aufschlämmung entfernt. Bei ihrer Entfernung kann die Aufschlämmung eine Temperatur von bis zu zwischen 65 und 177ºC (150 und 350ºF) besitzen, dies bei einem Druck von bis zu zwischen 690 bis 3450 kPa (100 und 500 Pfund/inch²). Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik schließen gewöhnlich mit ein, die Schlacke zu zerkleinern, um die Größe der Schlackenteilchen zu vermindern, wobei Beschickungsschleusen, um den Druck zu reduzieren verwendet werden, und das Wasser, um die Temperatur und Druck weiter zu senken, der zu entfernenden Aufschlämmung abzudampfen.
US Patent 4472171 offenbart eine Hochdruck Vergasungsvorrichtung für gepulverte Kohle mit einer Entleervorrichtung für die entstehende Aufschlämmung, umfassend einen flotierenden Kolben, der beweglich in einer zylindrischen Kammer ist, und worin der Druck der zu entfernenden Aufschlämmung abwechselnd auf die zwei Seiten des Kolbens geleitet wird.
Die vorliegende Erfindung stellt generell eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur kontinuierlichen, fortlaufenden Entfernung einer Schlacken/Wasser Aufschlämmung aus einem unter Druck stehenden Festbrennstoff-Vergasungsreaktor zur Verfügung, wobei die Vorrichtung umfasst: wenigstens eine unter Druck stehende Zerkleinungsmaschine, um die Teilchengröße der Schlackenfeststoffe zu reduzieren, wobei die Zerkleinerungsmaschine mit dem Schlackenentleer-Ende des Reaktors verbunden ist, und dadurch gekennzeichnet daß die Vorrichtung ein Dekomprimiersystem umfasst, welches eine Leitung enthält, durch die die Schlacken/Wasser Aufschlämmung kontinuierlich fließt, wobei die Leitung mit dem Entleer-Ende der Zerkleinerungsmaschine verbunden ist, und wenigstens ein Beschränkungselement, um den kontinuierlichen, sich bewegenden flüssigen Strom der Schlacken/Wasser Aufschlämmung durch die Leitung zu beschränken, wobei das Beschränkungselement innerhalb der Leitung angebracht ist und eine Öffnung besitzt, deren Durchmesser kleiner als der der Leitung ist, und dieses Element eine Druck-Verringerung der Aufschlämmung bei dem Entleerungs- Ende des Dekrompimierungssystems auf einen Wert, der im wesentlichen unter dem des Reaktors liegt, verursacht.
Der schlußendliche Entleerungs-Druck der Aufschlämmung kann Atmosphärendruck oder höher bzw. tiefer als Atmosphärendruck sein, wenn die Aufschlämmung zu einer anderen Vorrichtung geleitet wird. Die vorliegende Vorrichtung kann ebenso zusätzliche Zerkleinerungsmaschinen und Strom-Beschränkungs- Elemente in Reihenanordnung enthalten, um die Teilchengröße der Schlacke und den Druck weiter zu verringern. Die Strom- Beschränkungs-Elemente bedeuten eine Beschränkung des flüssigen Stroms der Aufschlämmung auf dem Transpotweg der Schlacke vom Reaktor, wobei ein Druckabfall über das Element hinweg unter Bedingungen eines kontinuierlichen, sich bewegenden flüssigen Stroms verursacht wird.
Das vorliegende Verfahren zur Entleerung einer Schlacken/Wasser Aufschlämmung aus einem Kohle-Vergasungs-Reaktor schließt mit ein:
Zuerst die vom Reaktor kommenden Schlackenfeststoffe in der Aufschlämmung zu zerkleinern oder zu zerinahlen, um deren Teilchengröße zu reduzieren, wobei die Aufschlämmung aus dem Reaktor bei einem Druck, der im wesentlichen gleich dem des Reaktordruck ist entleert wird; und die Aufschlämmung durch ein Dekomprimierungs- System, das eine Leitung, durch welche die Aufschlämmung kontinuierlich strömt umfasst, und wenigstens ein Beschränkungs- Element, um den kontinuierlichen, sich bewegenden flüssigen Strom der Aufschlämmung zu beschränken und wobei der Druck der Aufschlämmung bei dem Entleerungs-Ende des Dekomprimierungssystems auf einen Wert, der im wesentlichen unter dem Druck des Reaktors liegt, reduziert wird, und wobei das Beschränkungselement innerhalb der Leitung angeordnet ist und eine Öffnung mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der der Leitung besitzt. Das Verfahren kann auch zusätzliche Schritte zum Zerkleinern oder Mahlen der Feststoffe in der Aufschlämmung, und Beschränken des flüssigen Stroms der Aufschlämmung enthalten, um die Größe der Schlacke weiter zu reduzieren und den Auslaßdruck der Aufschlämmung aus dem Dekomprimierungssystem zu vermindern. Das vorliegende Verfahren umfasst weiterhin, Wasser bei einer kontrollierten Flußrate, nachdem die Schlackenfeststoffe zerkleinert wurden, in die Aufschlämmung einzuspritzen und mit ihr zu vermischen, wobei die Aufschlämmung gekühlt wird, und eine Kontrolle des variablen Stroms und Drucks der Aufschlämmung durch das Dekomprimierungssystem des Reaktors hindurch.
Das vorliegende System umfasst auch ein kontinuierliches Entfernen der Schlacke aus einem unter Druck stehenden Vergasungsreaktor, wobei das Risiko einer Verstopfung, verglichen mit der unterbrochenen Entfernung, wie sie durch das bekannte Beschickungsschleusenr-System durchgeführt wird, verringert ist. Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind für den Durchschnittsfachmann, aus der folgenden detaillierteren Beschreibung offensichtlich.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind sogar noch offensichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden, in welchen die Nummern der entsprechenden Materialien und Teilen in den verschiedenen Betrachtungen gleich sind, in welchen:
Fig.1 ist eine schematisches Darstellung eines erfindungsgemäß errichteten Schlacken- Entfernungs-Systems in einem Festbrennstoff- Vergasungs-Verfahren;
Fig.2 ist ein Querschnitt eines spezifischen Beschränkungselementes eines erfindungsgemäß aufgebauten Dekomprimierungssystems;
Fig.3 ist ein Querschnitt eines anderen Beschränkungs-Elementes des erfindungsgemäßen aufgebauten Dekomprimierungssystems.
Fig.4 ist ein Querschnitt noch eines anderen Beschränkungs-Elementes des erfindungsgemäß aufgebauten Dekomprimierungssystems.
Die folgende Beschreibung illustriert die Art und Weise, in welcher die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung angewandt wurden, aber diese Beschreibung soll nicht den Umfang der Erfindung darauf beschränken.
Im besonderen wird eine Schlacken-Entfernungsvorrichtung (10) in Figur 1 gezeigt, um die Schlacken/Wasser Aufschlämmung von dem Boden des Kohle-Vergasungs-Reaktors (1) zu zerkleinern, zu mahlen und zu dekomprimieren. Der Abfall von Reaktor (1) umfasst einen festen Rest, der entweder als verfestigter anorganischer Rest oder schwere Asche charakterisiert werden kann. Die Schlacken wird zur Entleerung in Reaktor (1) mit Wasser gemischt um eine Aufschlämmung auszubilden. Der Reaktor wird bei im allgemeinen gut bekannten und zur Umwandlung von Koks, Braunkohle oder Kohle in Gas verwendeten Temperatur-, Druck- und Konzentrations-Bedingungen, betrieben. Die Temperatur an dem Auslaßende des Reaktors (1) beträgt zwischen 65 und 177ºC (150 und 350ºF) und der Druck zwischen 690 und 3450 kPa (100 und 500 Pfund/inch²). Vorzugsweise wird der Reaktor (1) kontinuierlich betrieben; und die Zerkleinerung, Kühlung und Dekomprimierung der Schlacken/Wasser Aufschlämmung des Reaktors wird als kontinuierlicher Prozess ausgeführt.
Die Schlacken/Wasser Aufschlämmung wird aus Reaktor (1) durch eine erste Leitung (2) in eine erste Zerkleinerungsmaschine (3) überführt. Die Zerkleinerungsmaschine (3) ist mit einem Gehäuse, das dem Gesamtdruck am Auslaßende des Reaktors (1) widerstehen kann versehen. Die Leitung (2) und Zerkleinerungsmaschine (3) sind mittels Flanschen (4) miteinander verbunden.
Die teilweise zerkleinerte Schlacke aus der ersten Zerkleinerungsmaschine (3) wird in eine zweite Zerkleinerungsmaschine (3a) entleert, wo die Schlacke weiter zerkleinert wird. Die Zerkleinerungsmaschine (3a) ist ebenso mit einem Gehäuse versehen, ähnlich dem der ersten Zerkleinerungsmaschine (3), welches dem Betriebsdruck bei der Auslaßöffnung des Reaktors (1) widerstehen kann. Die Zerkleinerungsmaschinen (3) und (3a) werden mittels Flanschen (4a) verbunden.
Die zerkleinerte Schlacke wird sodann, als Aufschlämmung aus der zweiten Zerkleinerungsmaschine (3a) in eine zweite Leitung (5) entleert. Die Leitung (5) ist mit der Zerkleinerungsmaschine (3a) durch die Flanschen (4b) und (4c) verbunden. Der Strom durch die Leitung (5) kann durch ein erstes Ventil (5a) kontrolliert werden. Stromabwärts des Ventils (5a) wird in die Leitung (5), aus Leitung (6), mittels Ventil (6a) Wasser hinzugegeben. Die Schlacken/Wasser Aufschlämmung wird sodann durch eine Reihe von Beschränkungs-Elementen (7), in der Leitung (5) geleitet. Die Ventile (5a) und (6a) regulieren und kontrollieren die Flußrate des Wassers und die der Schlacken/Wasser Aufschlämmung. Sobald der Strom kontinuierlich durch Leitung (5) fließt, tritt ein Druckabfall, der durch die Behinderung im Fluß, die durch jedes Beschränkungs-Element verursacht wird, auf. Der Strom der Aufschlämmung kann sodann aus dem letzten Beschränkungselement (7) bei im wesentlichen Atmosphärendruck entleert werden.
Die Zugabe von Wasser durch Leitung (6) und die Beschränkungs- Elemente (7) beseitigen günstigerweise die Notwendigkeit das Wasser aus der Aufschlämmung abzudampfen, um die Temperatur und den Druck des Aufschlämmungs-Stroms, nach Austritt aus dem Dekomprimierungs-System , zu reduzieren. Zusätzlich beseitigt die Verwendung des Ventils (6a), das die zum Schlackenstrom zugegebene Wasser-Flußrate kontrolliert, die Notwendigkeit eines stromabwärts in der Leitung angebrachten, zur Kontrolle des Schlacken-Stroms verwendeten Ventils. Da die mechanische Abnützungsrate in einem solchen Ventil aufgrund der zerreibenden Charakteristik der Aufschlämmung viel höher als die von Wasser ist, ist das Verfahren, Wasser in die Aufschlämmung einzubringen, um den Strom zu kontrollieren höchst nutzbringend, ökonomisch und vorteilhaft. Die Einführung von Wasser in Leitung (5) ist sicher, und stellt ebenso ein nutzbringendes Mittel zur Verhinderung von Verstopfungen der Leitung (5) mit der Schlacke zur Verfügung.
Eine bevorzugtes Beschränkungs-Element (20) von modifiziertem Aufbau, das erfolgreich in Leitung (5) verwendet wurde ist in Figur 2 gezeigt. Wie in Fig.2 gezeigt, ist das Element (20) insoweit dem Röhren-Element (7) mit reduzierten Durchmesser wie in Fig.1 gezeigt, ähnlich, als daß das Element (20) eine Abriebresistenten Platte (8) einschließt, durch welche eine Öffnung (8a) mit reduziertem Durchmesser zur Beschränkung des Flusses der Schlacken/Wasser Aufschlämmung vorgesehen ist. Die Platte wird durch Flanschen (4d) in ihrer Position in Leitung (5) gehalten. Die Platte kann ebenso als beschichtete Struktur ausgebildet werden, in welcher die stromaufwärts gerichtete Schicht eine höchst Abrieb-resistente Schicht, wie SiliziumCarbid, Wolframcarbid, Aluminium oder Abrieb-resistente Metalle oder Keramikmaterialien ist. Obwohl nicht gezeigt, kann eine abriebresistente Beschichtung für Leitung (5) vorgesehen sein, wenn die Leitung selbst nicht aus einem abriebresistenten Material besteht.
Zwei zusätzliche Beschränkungselemente (30) und (40), die in Leitung (5) erfolgreich eingesetzt wurden, sind in Figuren 3 und 4 gezeigt. Fig. 3 illustriert ein Beschränkungselement (30), das eine konische Unterstützung (9), die in der Leitung (5) durch Flanschen (4e) an ihrem Platz gehalten wird, einschließt und die wiederum eine abnutzungsresistente konisch geformte Beschichtung (9a) mit einer Öffnung (9b) hält, um die Schlacken/Wasser Aufschlämmung zu erhalten. Leitung (5) besitzt auf beiden Seiten des Elements (30) ebenso abnutzungsresistente Beschichtungseinsätze (11). Fig.4 zeigt noch ein anderes nützliches Beschränkungs-Element (40), das einen Beschränkungs-Stöpsel(12) mit einer Öffnung (12a) enthält, der durch eine abriebresistente Beschichtung (13) in Leitung (5) an seinem Platz gehalten wird. Das Be-schränkungselement (40) wird weiterhin durch eine Sperre (nicht gezeigt) in einer in Leitung (5) stromabwärts gelegenen Flansch an seinem Platz gehalten. Stöpsel (12) wird vorzugsweise in einem Stück aus einem harten abriebresistenten Material wie z.B. Aluminium hergestellt.
Die eingeschränkten Öffnungen oder Löcher aller oben genannten Beschränkungselemente können in jeder gewünschten Querschnitts- Form ausgebildet werden. Z.B. kann eine Öffnung mit einer runden, ovalen, guadratischen, Dreiecks- oder Rechtecks-Form erfolgreich in Leitung (5) eingesetzt werden. Die günstigste Form ist ein runder Querschnitt, wobei die Öffnung einen relativen Durchmesser von 10-30% des Durchmessers der Leitung, in welche sie eingesetzt wurde, besitzt. Die Größe von Öffnungen unterschiedlicher Form sollte so ausgewählt werden, daß sie in etwa dasselbe Größenverhältnis von Öffnung zu Leitung aufweisen. Die Baumaterialien der Schlackenentfernungs-Vorrichtung (10) können aus bekannten Materialien, die den oben erwähnten Temperaturen und Drücken widerstehen können ausgewählt werden, wobei ein bevorzugtes Material Kohlenstoff-Stahl ist. In den Bereichen, in denen starke mechanische Abnutzung durch die Schlacken/Wasser Aufschlämmung erwartet wird, sollten oben erwähnte höchst abriebresistente Materialien verwendet werden.
Die erste (3) und zweite (3a) Zerkleinerungsmaschine ist bevorzugt eine Rotations-Brechwalze, die Rotations- und Brech-Platten mit einschließen (nicht gezeigt). Solche Zerkleinerungsmaschinen sind in der Technik wohl bekannt. Vorzugsweise wird die Schlacke in der ersten Zerkleinerungsmaschine (3) auf eine maximale Teilchen-Größe von etwa 63,5 mm (2,5 inch), und in der zweiten Zerkleinerungsmaschine auf eine Größe von zwischen 3,2 und 25mm (0,125-1 inch) zerkleinert.
Die vorliegende Kombination von Schlacken-Zerkleinerungsmaschinen, Beschränkungselementen und Mittel zur Einführung von Wasser bei den, oder stromabwärts der Zerkleinerungsmaschinen sorgt für eine kontinuierliche, zuverlässige, kontrollierbare Vorrichtung zur Entfernung von Schlacke aus einem Festbrennstoff-Vergasungsreaktor, die viel weniger dazu neigt zu verstopfen, als andere bekannte Schlackenentfernungs-Systeme.
Während bestimmte repräsentative Verkörperungen und Details gezeigt wurden, um die vorliegende Erfindung zu illustrieren, ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen dabei vorgenommen werden können, ohne von der Zielsetzung der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, abzugehen.

Claims

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfernung einer Schlacken/Wasser Aufschlämmung aus einem unter Druck stehenden Festbrennstoff-Vergasungsreaktor, die Vorrichtung umfassend: wenigstens eine unter Druck stehende Zerkleinerungsmaschine zur Reduzierung der Teilchengröße der Schlacken- Feststoffe, wobei die Zerkleinerungsmaschine mit dem Schlackenentleerungsende des Reaktors verbunden ist, und dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Dekomprimierungssystem umfasst, das eine Leitung einschließt, durch die die Schlacken/Wasser Aufschlämmung kontinuierlich strömt, wobei die Leitung mit dem Entleerungsende der Zerkleinerungsmaschine verbunden ist und wenigstens ein Beschränkungselement, um den kontinuierlichen, sich bewegenden Flüssigkeitsstrom der Schlacken/Wasser Aufschlämmung durch die Leitung zu beschränken, wobei das Beschränkungselement in der Leitung angeordnet ist, und eine Öffnung besitzt, deren Durchmesser kleiner ist als der der Leitung, wobei das Element eine Verringerung des Drucks der Aufschlämmung bei dem Entleerungsende des Dekomprimierungssystems auf einen Wert, der im wesentlichen unter dem Druck des Reaktors liegt, verursacht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin zwei unter Druck stehende Zerkleinerungsmaschinen vorhanden sind, umfassend

eine erste Zerkleinerungsmaschine zur Reduzierung der Teilchengröße der Schlackenfeststoffe, die mit dem Schlackenentleerungsende des Reaktors verbunden ist,

eine zweite Zerkleinerungsmaschine zur weiteren Reduzierung der Teilchengröße der Schlackenfeststoffe, wobei die zweite Zerkleinerungsmaschine mit dem Entleerungsende der ersten Zerkleinerungsmaschine verbunden ist,

ein Dekomprimierungssystem, das eine Leitung einschließt, durch welche die Schlacken/Wasser Aufschlämmung kontinuierlich strömt, wobei die Leitung mit dem Entleerungsende der zweiten Zerkleinerungsmaschine verbunden ist,

und ein Beschränkungselement, wie in Anspruch 1 definiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, einschließend Mittel zur Einführung von Wasser und Mischen desselben mit der Aufschlämmung nachdem die Teilchengröße der Schlackenfeststoffe durch die Zerkleinerungsmaschine reduziert wurde.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Mittel zur Einführung von Wasser in den Aufschlämmungsstrom ein Ventil einschließt, um die Flußrate des Wassers zu kontrollieren, und dabei die Schlacken/Wasser Aufschlämmung zu kühlen, und für eine Kontrolle des variablen Stroms und Drcuckes durch das Dekomprimierungssystem sorgen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, worin das Beschränkungselement einen Beschränkungs-Stöpsel mit einer Öffnung einschließt, wobei der Stöpsel durch eine Belagseinlage an dem Platz in der Leitung gehalten wird.

6. Vorrichtung von Anspruch 5, worin die Öffnung einen Durchmesser von 10-30% des Durchmessers der Leitung, in der das Beschränkungselement angeordnet ist, besitzt.

7. Verfahren zur kontinuierlichen Entfernung einer Schlacken/Wasser Aufschlämmung aus einem unter Druck stehenden Festbrennstoff-Vergasungsreaktor, das Verfahren die Schritte umfassend:

(a) die Schlackenfeststoffe, in der aus dem Reaktor entleerten Aufschlämmung zu zerkleinern um deren Teilchengröße zu reduzieren, wobei die Aufschlämmung aus dem Reaktor bei einem Druck entleert wird, der im wesentlichen gleich dem des Reaktors ist, und

(b) die Aufschlämmung durch ein Dekomprimierungssystem, das eine Leitung einschließt, durch welche die Aufschlämmung kontinuierlich strömt, und wenigstens ein Beschränkungselement zu leiten, um den kontinuierlichen, sich bewegenden Flüssigkeitsstrom der Aufschlämmung zu beschränken und dabei den Druck der Aufschlämmung bei dem Auslaßende des Dekomprimierungssystems auf einen Wert, der im wesentlichen unter dem Druck des Reaktors liegt zu reduzieren, wobei das Beschränkungselement in der Leitung angeordnet ist und eine Öffnung besitzt, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Leitung.

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend Wasser einzuführen und mit der Aufschlämmung zu vermischen, nachdem die Teilchengröße der Schlackenfeststoffe durch Zerkleinerung reduziert wurde, um die Aufschlämmung zu kühlen und für eine Kontrolle des variablen Flußes und Drucks durch das Dekomprimierungssystem hindurch zu sorgen.