DE4113857A1 - Verfahren zum zuenden eines vergasungsreaktors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zün­ den eines Vergasungsreaktors, in dem ein feinzerteilter Brennstoff, insbesondere feinkörnige bis staubförmige Koh­ le, unter erhöhtem Druck zu einem im wesentlichen aus Koh­ lenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Partialoxidations­ gas umgesetzt wird.

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden bei erhöhtem Druck arbeitende Vergasungsreaktoren, insbesondere solche, die nach dem Flugstromprinzip arbeiten, nach einem Ausfall oder einer betriebsbedingten Abschaltung durch Abbau des Druckes zunächst entspannt und danach mehrfach mit Inert­ gas gespült und evakuiert. Hierdurch sollen Partialoxida­ tionsgasreste entfernt, die Bildung einer explosiven Rest­ gasatmosphäre verhindert und eine hinreichend inerte At­ mosphäre im Vergasungsreaktor gebildet werden, um einen gefahrlosen erneuten Zündvorgang nach jedem Erlöschen der Flamme zu ermöglichen. Dieser Vorgang erfordert jedoch viel Zeit, und das inerte Spülgas muß jederzeit auf der Anlage verfügbar gehalten werden.

Wenn die Entstaubung des erzeugten Partialoxidationsgases naß erfolgt, ist im allgemeinen eine weitere Zeitverzöge­ rung dadurch gegeben, daß die ebenfalls unter erhöhtem Druck stehende Gaswäsche nicht beliebig rasch entspannt werden kann. Im Betrieb beträgt die Temperatur des Wasch­ wassers etwa 120°C, was einem Sattdampfdruck von ca. 2 bar entspricht. Beim Entspannen kann dieser Druck nur unter­ schritten werden, wenn das Waschwasser zuvor entsprechend abgekühlt worden ist.

Zwar ermöglicht die vorstehend beschriebene Arbeitsweise im Bedarfsfalle ein gefahrloses erneutes Zünden des Ver­ gasungsreaktors. Da dies jedoch mit dem gravierenden Nach­ teil verbunden ist, daß jedes Erlöschen der Vergaserflamme und jeder neue Zündvorgang eine Betriebsunterbrechung der Vergasungsanlage von erheblicher Dauer verursachen, beein­ trächtigt der dadurch bedingte Produktionsausfall natür­ lich das wirtschaftliche Ergebnis der Anlage entsprechend. Ein weiterer wirtschaftlicher Verlust ist außerdem dadurch gegeben, daß ein Teil des noch in der Vergasungsanlage be­ findlichen Partialoxidationsgases wegen des Unterschrei­ tens des erforderlichen Mindestdruckes nicht mehr in den nachgeschalteten Anlagen, wie beispielsweise der Gasturbi­ ne eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes, genutzt werden kann. Dieses Restgas muß deshalb durch Abfackeln vernich­ tet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Zünden eines Vergasungsreaktors zu schaffen, das die vorstehend geschilderten Nachteile vermeidet.

Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der ein­ gangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zündvorgang in dem nicht inertisierten und unter erhöhtem Druck stehenden Vergasungsreaktor mit­ tels eines Zündbrenners erfolgt, dem aus einem dem Zünd­ brenner vorgeschalteten Behälter eine definierte, für ei­ nen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Ex­ plosionen ablaufenden Zündvorgang ausreichende Menge an Oxidationsmittel zugeführt wird, wobei der Zündvorgang durch einen Flammenwächter überwacht und nach erfolgrei­ chem Ablauf desselben die Zufuhr von weiterem Oxidations­ mittel für den Normalbetrieb des Vergasungsreaktors frei­ gegeben wird.

Charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß bei ihm auf eine Entspannung des Vergasungsreaktors sowie dessen Spülung mit Inertgas verzichtet wird. Der Vergasungsreaktor steht somit während des Zündvorganges noch unter einem erhöhten Druck, der dem Vergasungsdruck entspricht oder etwas darunter liegt. Über den vorgeschal­ teten Behälter wird dabei dem Vergasungsreaktor während des Zündvorganges lediglich eine solche Menge an Oxidati­ onsmittel zugeführt, daß der Zündvorgang ohne Beschädigun­ gen des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufen kann. Hierbei ist der Vergasungsreaktor zunächst von wei­ terer Oxidationsmittelzufuhr abgeschaltet. Erst wenn der Zündvorgang, der mit Hilfe eines Flammenwächters überwacht wird, erfolgreich verlaufen ist, wird die Zufuhr von wei­ terem Oxidationsmittel in dem Umfange freigegeben, wie sie für den normalen Betrieb der Zündbrenner des Vergasungsre­ aktors erforderlich ist. Von diesem Zeitpunkt an sind die Voraussetzungen für die Zündung der Vergasungsbrenner und damit für die Wiederaufnahme des Produktionsbetriebes des Vergasungsreaktors erfüllt.

Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ nötigte Zündbrenner muß hierbei selbstverständlich mit einer Zündvorrichtung ausgerüstet sein, wobei Zündvorrich­ tung, Zündbrenner und Flammenwächter räumlich getrennt voneinander am Vergasungsreaktor angebracht werden können. Nach einer anderen Anordnung ist es auch möglich, die Zündvorrichtung und den Flammenwächter mit dem Zündbrenner zu einer baulichen Einheit zusammenzufassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können schließlich Zündvor­ richtung, Zündbrenner und Flammenwächter in einem oder mehreren Vergasungsbrennern des Vergasungsreaktors inte­ griert werden.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sol­ len nachfolgend an Hand des in der Abbildung dargestellten Fließschemas, das eine Anlage zur Durchführung des Verfah­ rens zeigt, näher erläutert werden. Im Fließschema sind dabei nur die für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Zündvorganges notwendigen Anlagenteile dargestellt, wäh­ rend die übrigen Anlagenteile, die den eigentlichen Verga­ sungsprozeß betreffen, insbesondere die Vergasungsbrenner und die nachgeschaltete Gasbehandlung, die ja nicht Gegen­ stand der vorliegenden Erfindung sind, nicht dargestellt und beschrieben werden.

Hierbei ist die Zündvorrichtung 1 im Vergasungsreaktor 6 angeordnet. Falls erforderlich, kann sie zu ihrem Schutz während des normalen Vergasungsbetriebes in die Schleuse 7 zurückgezogen werden. Dadurch ist es bei Bedarf auch mög­ lich, die Zündvorrichtung 1 zu reparieren oder auszuwech­ seln, ohne den Vergasungsreaktor 6 entspannen zu müssen. Im Vergasungsreaktor 1 sind ferner der Flammenwächter 2 und der Zündbrenner 8 angeordnet. In Abweichung von der schematischen Darstellung in der Abbildung können diese Anlagenteile selbstverständlich in der weiter oben be­ schriebenen Art und Weise zu baulichen Einheiten inte­ griert werden. In der Zündvorrichtung 1 werden in an sich bekannter Weise Zündfunken durch Hochspannungsentladung erzeugt. Die Leitung 13 dient hierbei der Stromzufuhr zur Zündvorrichtung 1. Die Bespannung der Schleuse 7 erfolgt über die Leitung 14, in der das Ventil 15 vorgesehen ist, und die Entspannung über die Leitung 27, in der das Ventil 28 vorgesehen ist. Das für den Zündvorgang benötigte Oxi­ dationsmittel, vorzugsweise Luft oder mit Sauerstoff ange­ reicherte Luft, befindet sich in dem dem Zündbrenner 8 vorgeschalteten Behälter 3. Die dort befindliche Oxidati­ onsmittelmenge ist erfindungsgemäß so bemessen, daß sie für einen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors 6 durch Explosionen ablaufenden Zündvorgang ausreicht.

Für die Ermittlung dieser Oxidationsmittelmenge gelten hierbei folgende Beziehungen:

Soll die Druckerhöhung Δp in einem Behälter einen be­ stimmten, durch den Explosionsdruck vorgegebenen Wert nicht überschreiten, so ergibt sich der zulässige Volu­ menanteil der Reaktanden a wie folgt:

a (Δp/p)/(π_max-1) (1)

Hierbei bedeuten:

π Druckverhältnis nach/vor Explosion, bekannt aus Explosionsversuchen mit stöchiometrischen Gemischen bei Normaldruck,
max Maximalwert,
p Druck im Behälter vor der Explosion,
Δp zulässige Druckerhöhung.

Setzt man ideales Gasverhalten voraus, so gilt ferner

a = y_B + y_L (2)

Hierbei bedeuten:

y_B Molanteil Brenngas,
y_L Molanteil Oxidationsmittel (z. B. Luft).

Es ist bekannt, daß der maximale Explosionsdruck auftritt, wenn das Gemisch stöchiometrische Zusammensetzung auf­ weist. In diesem Fall liegen Brenngas und Oxidationsmittel in einem festen Verhältnis µ_S vor, das sich mit den ge­ bräuchlichen Methoden der Verbrennungsrechnung ermitteln läßt. Hiermit geht Gl. (2) über in

a = (µ_S + 1) · y_L

oder

Die zulässige Menge an Oxidationsmittel ist mit den Behäl­ terdaten folgendermaßen verknüpft:

Hierbei bedeuten:

V Behältervolumen,
p Druck im Behälter (vor dem Zündversuch),
T Temperatur im Behälter,
V_NL Volumen des Oxidationsmittels im Normzustand,
N Normzustand.

Die Gleichungen (1) bis (4) stellen somit eine Vorschrift dar, mit der die höchstzulässige Menge an Oxidationsmittel aus Explosions- und Behälterdaten ermittelt werden kann.

Diese definierte Oxidationsmittelmenge wird durch Einstel­ len eines definierten Differenzdruckes vom Behälter 3 zum Vergasungsreaktor 6 über den Differenzdruckregler 10 im Behälter 3 vorgehalten. Der höchstzulässige Sollwert für den Differenzdruck wird hierbei aus der als ideales Gasge­ setz bekannten Gleichung abgeleitet:

Hierbei bedeuten:

V₃ Volumen Behälter 3,
T_N Temperatur i. Normzustand,
T₃ Temperatur Behälter 3,
Δp₁₀ Differenzdruck Behälter-Vergaser.

Aus dieser Gleichung ergibt sich durch Auflösung nach Δp₁₀ die Gleichung

Die Temperatur T₃ wird durch das am Behälter 3 angeordnete Temperaturmeßgerät 17 ermittelt. Während des Zündvorganges ist der Behälter 3 nur über die Leitung 4 mit dem Zünd­ brenner 8 verbunden, von der weiteren Oxidationsmittelzu­ fuhr über die Leitung 5 jedoch abgeschottet. Hierdurch ist selbst bei einem Versagen der Armaturen die Sicherheit der Anlage gewährleistet. Erst nachdem mit Hilfe des Flammen­ wächters 2 der Erfolg des Zündvorganges festgestellt wor­ den ist, wird die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel über die Leitung 5 freigegeben. Hiermit sind die Voraus­ setzungen erfüllt, um nach Ablauf einer Stabilisierungs­ periode im Zündbrennerbetrieb die in der Abbildung nicht dargestellten Vergasungsbrenner zu zünden und so den Be­ trieb der Vergasungsanlage fortzusetzen.

Im einzelnen läuft der Zündvorgang hierbei folgendermaßen ab:

1. Überprüfung der Zündvorrichtung

Hierzu wird die Zündvorrichtung 1 aus der Schleuse 7 in die Zündposition gefahren und in der Gasatmosphäre ohne Zufuhr von Oxidationsmittel getestet. Bei einer Hochspannungszündung wird beispielsweise der zeitli­ che Verlauf von Spannung und Strom mit gespeicherten Normalwerten verglichen.

Besteht der Verdacht auf Fehlfunktion, so wird die Zündvorrichtung in die Schleuse 7 zurückgezogen. Nachdem diese inertisiert und entspannt ist, kann die Zündvorrichtung 1 repariert bzw. ausgetauscht und da­ nach wieder in den Vergasungsreaktor eingefahren wer­ den.

2. Bespannen des Behälters 3

Der durch die Gleichungen (1) bis (5) definierte Al­ gorithmus gestattet, den Grenzwert des Differenzdruc­ kes zwischen dem Behälter 3 und dem Vergasungsreaktor 6 zu ermitteln. Es ist dies der höchstzulässige Wert, bei dem - selbst unter der Bedingung maximalen Zünd­ zeitverzuges - keinerlei Beschädigung der Ausrüstun­ gen auftreten kann. Der Sollwert des Differenzdruckes wird demgegenüber um einen Sicherheitsabstand verrin­ gert. Während des Bespannens des Behälters 3 sind die Ventile 18 und 19 geschlossen sowie das Ventil 21 ge­ öffnet. Die Zufuhr von Oxidationsmittel zum Zündbren­ ner 8 und zum Mengenregler 12 ist demnach unterbro­ chen. Nach Öffnen des Ventils 26 wird der erforderli­ che Differenzdruck mit Hilfe des Differenzdruckreg­ lers 10 über die Ventile 23 (Bespannen) und 25 (Ent­ spannen) eingestellt. Die erforderliche Menge an Oxidationsmittel steht nunmehr bereit.

3. Einschalten der Zündvorrichtung 1

Nach dem Einschalten der Zündvorrichtung 1 wird deren ordnungsgemäße Funktion erneut durch Beobachten der Strom/Spannungs-Charakteristik überprüft.

4. Freigabe der Brennstoffzufuhr

Die Brennstoffzufuhr über die Leitung 9 zum Zündbren­ ner 8 wird mengengeregelt freigegeben. Die Mengenre­ gelung erfolgt dabei durch den Mengenregler 11, der das Ventil 22 in der Leitung 9 steuert.

5. Freigabe des Oxidationsmittels

Nachdem der erforderliche Differenzdruck zwischen dem Behälter 3 und dem Vergasungsreaktor 6 eingestellt worden und somit die gewünschte Oxidationsmittelmenge im Behälter 3 vorhanden ist, wird die Oxidationsmit­ telzufuhr über die Leitung 5 unterbrochen. Hierzu werden die Ventile 23 und 26 in der Leitung 5 ge­ schlossen. Durch Öffnung des Ventils 25 in der Lei­ tung 24 wird die erforderliche Zwischenentspannung und damit die vollständige Trennung des Behälters 3 von der Oxidationsmittelzufuhr erreicht. Nunmehr wird die Oxidationsmittelzufuhr zum Zündbrenner 8 in fol­ genden Schritten freigegeben:

• - Schließen des Ventils 21
• - Öffnen des Ventils 19
• - Inbetriebnahme der aus dem Mengenregler 12 und dem Ventil 18 gebildeten Mengenregelung.

Gleichzeitig beginnt die Zeitmessung der Zündzeit­ überwachung.

6. Zündzeitüberwachung

Falls der Flammenwächter 2 binnen einer bestimmten Zeitspanne A nach Beginn der Oxidationsmittelzufuhr den Gutzustand erreicht und diesen Zustand für eine Zeitspanne B beibehält, wird das Ventil 25 geschlos­ sen und die Ventile 23 und 26 geöffnet, so daß wei­ teres Oxidationsmittel über die Leitung 5 und den Be­ hälter 3 zum Zündbrenner 8 nachströmen kann. Der Zündvorgang ist damit erfolgreich abgeschlossen.

Erreicht der Flammenwächter 2 dagegen nicht den Gut­ zustand innerhalb der genannten Zeitspanne, wird die Zufuhr von Oxidationsmittel und Brennstoff unterbro­ chen und der Zündvorgang abgebrochen. Der Vergasungs­ reaktor 6 bleibt dabei unter seinem Druck. Nachdem die Bildung einer explosiven Gasatmosphäre innerhalb des Vergasungsreaktors durch hinreichende Spülung mit Inertgas verhindert worden ist, kann der Zündvorgang wiederholt werden.

7. Zündbrennerbetrieb

Durch Regelung des Verhältnisses von Oxidationsmittel zu Brennstoff wird sichergestellt, daß die Flamme mit Unterschuß an Oxidationsmittel betrieben wird. Es wird ein CO-Gehalt von mehr als 2 Vol.% angestrebt. Freies Oxidationsmittel tritt daher nicht auf.

Die Stabilität des Verbrennungsvorganges wird über den Flammenwächter 2 kontrolliert. Er nimmt in diesem Betriebszustand die übliche Sicherheits- bzw. Ab­ schaltfunktion wahr.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile:

• - Radikal verkürzte Stillstandszeiten des Vergasungsre­ aktors durch Vermeidung von Druckabbau und Inertisie­ rung.
• - Verringerung der Produktgasverluste durch Abfackeln und Vermischen mit Inertgas, daraus resultierend eine höhere Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der gesam­ ten Anlage.
• - Entlastung der Umwelt, da das Verbrennen von nur teilweise entschwefeltem Rohgas mit Hilfe einer Fackel entfällt.

Claims (2)

1. Verfahren zum Zünden eines Vergasungsreaktors, in dem ein feinzerteilter, kohlenstoffhaltiger Brennstoff, insbesondere feinkörnige bis staubförmige Kohle, un­ ter erhöhtem Druck zu einem im wesentlichen aus Koh­ lenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Partialoxida­ tionsgas umgesetzt wird. dadurch gekennzeichnet, daß der Zündvorgang in dem nicht inertisierten und unter erhöhtem Druck stehenden Vergasungsreaktor mittels eines Zündbrenners erfolgt, dem aus einem dem Zünd­ brenner vorgeschalteten Behälter eine definierte, für einen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufenden Zündvorgang ausreichen­ de Menge an Oxidationsmittel zugeführt wird, wobei der Zündvorgang durch einen Flammenwächter überwacht und nach erfolgreichem Ablauf desselben die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel für den Normalbetrieb des Vergasungsreaktors freigegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis von Oxidationsmittel zu Brennstoff bei der Zufuhr zum Zündbrenner so einge­ stellt wird, daß die Flamme im Zündbrenner mit einem Unterschuß an Oxidationsmittel betrieben wird.