DE4307462C2 - Einrichtung für die Vergasung feinkörniger bis staubförmiger Brennstoffe und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Vergasung fein­ körniger bis staubförmiger Brennstoffe in der Schwebe mit sauer­ stoffhaltigen Vergasungsmitteln unter erhöhtem Druck bei Tempera­ turen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, bei der der Verga­ sungsreaktor und das darüber liegende Abhitzesystem zur Kühlung des heißen Rohgases in einem gemeinsamen, mit Wasser­ rohren innengekühlten Druckbehälter untergebracht sind, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.

Bei der Vergasung von feinkörnigen bis staubförmigen Brennstoffen hat in den letzten beiden Jahrzehnten eine Entwicklung stattge­ funden, bei der die unter Normaldruck verlaufende Vergasung durch eine Arbeitsweise unter erhöhtem Druck, insbesondere Drücken zwi­ schen 15 und 50 bar, abgelöst wurde. Es liegt auf der Hand, daß dieser Wandel auch einen erheblichen Einfluß auf die konstruktive Gestaltung der Vergasungseinrichtung ausgeübt hat, da damit die Festigkeitsanforderungen an die einzelnen Konstruktionselemente ganz erheblich erhöht werden mußten.

Um diesen veränderten Bedingungen gerecht zu werden, ist in der DE 23 42 079 A1 bereits eine Vergasungseinrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden. Hierbei wird das aus dem Ver­ gasungsreaktor austretende, heiße Gas zunächst im Bereich der Austrittsöffnung mit Wasserdampf gequencht, der bei der Kühlung des Vergasungsreaktors anfällt. Danach gelangt das Gas in einen sogenannten Beruhigungsraum, in dem durch eine plötzliche Querschnittserweiterung eine starke Verringerung der Gasgeschwin­ digkeit eintritt. Da die Innenseite des Druckbehälters hierbei mit Wasserrohren zur Dampferzeugung ausgekleidet ist, wirkt die­ ser sogenannte Beruhigungsraum gleichzeitig als Strahlungskühl­ teil. Anschließend passiert das Gas einen Konvektionskühlteil sowie einen Speisewasservorwärmer, die beide im Oberteil des Druckbehälters angeordnet sind, und wird sodann über Kopf aus dem Druckbehälter abgezogen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die bei der bekannten Vergasungs­ einrichtung im sogenannten Beruhigungsraum erfolgende Strahlungs­ kühlung des Gases unter bestimmten Betriebsbedingungen auch uner­ wünschte Nebeneffekte aufweist. Außerdem erfordert die bekannte Einrichtung, bei der Strahlungs- und Konvektionskühlteil räumlich getrennt übereinander angeordnet sind, einen verhältnismäßig gro­ ßen Druckbehälter, der natürlich entsprechend teuer ist und be­ sondere Anforderungen an die Aufstellung stellt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Vergasungs­ einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß da­ mit sowohl eine kompaktere und damit kostengünstigere Bauweise mit vereinfachter Aufstellungsmöglichkeit als auch eine verbes­ serte Kühlung des heißen Rohgases erreicht wird.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb der Vergasungseinrichtung anzugeben.

Die der Lösung dieser Aufgabe dienende Vergasungseinrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Rohgasaustritt des Vergasungsreaktors ist unmittel­ bar mit einem zentral im Druckbehälter angeordneten und mit Eintrittsöffnungen für die Zufuhr eines Quenchgases ver­ sehenen Quenchrohr verbunden,
• b) das Quenchrohr erstreckt sich bis in den Oberteil des Druckbehälters und ist konzentrisch von Konvektionskühl­ flächen umgeben, die zur Wärmerückgewinnung genutzt werden,
• c) oberhalb des Quenchrohres ist im Druckbehälter ein Unlenk­ raum für das Gas vorgesehen, und
• d) für den Abzug des gekühlten Gases aus dem Druckbehälter sind im Unterteil desselben etwa in Höhe des Rohgasaustrittes eine oder mehrere Austrittsöffnungen angeordnet.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vergasungseinrichtung ergeben sich aus den vorliegenden Unteransprüchen und sollen nachfolgend an Hand der Abbildungen erläutert werden. Hierbei zeigen in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine als Ausführungsbeispiel dienende Vergasungseinrichtung und

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt entlang der Linie II-II' in Fig. 1.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vergasungseinrichtung ist der Vergasungsreaktor 2 im Unterteil des Druckbehälters 1 angeordnet. Einzelheiten des Vergasungsreaktors 2 sind in der Abbildung nicht dargestellt, da es sich hierbei um eine bekannte Konstruktion handelt, die zur Vergasung der eingesetzten Brennstoffe unter den eingangs genannten Verfahrensbedingungen geeignet ist. Die Stut­ zen 3 und 4 dienen der Aufnahme der Vergasungsbrenner. In an sich bekannter Weise kann der Vergasungsreaktor 2 dabei zwei oder mehr als zwei Vergasungsbrenner aufweisen. Die bei der Vergasung an­ fallende Schlacke wird entweder über den Schlackenabzug 5 im schmelzflüssigen Zustand abgezogen, oder es ist auch eine Ausfüh­ rungsform möglich, bei der diese Schlacke in ein innerhalb des Druckbehälters 1 angeordnetes Wasserbad fällt. Der Rohgasaustritt 6 des Vergasungsreaktors 2 ist unmittelbar mit einem Quenchrohr 7 verbunden, das zentral um die Mittelpunktachse des Druckbehälters 1 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Zufuhr des Quenchgases über die Leitung 8, und das Quenchgas tritt über die Eintrittsöffnung 9, die in diesem Fall als ring­ förmiger Spalt ausgebildet ist, von unten in das Quenchrohr 7 ein. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen für die Quenchgaszufuhr möglich, bei denen die Eintrittsöffnungen 9 auf verschiedenen Ebenen im Quenchrohr 7 angeordnet sind. Das Quenchrohr 7 endet im Oberteil des Druckbehälters 1. Oberhalb des Quenchrohres 7 ist im Druckbehälter 1 der Umlenkraum 10 vorgese­ hen. In diesem wird der aus dem Rohgas und dem Quenchgas beste­ hende Gasstrom, der das Quenchrohr von unten nach oben durch­ strömt hat, um 180 Grad umgelenkt. Dadurch findet gleichzeitig eine Vermischung des Rohgases und Quenchgases statt, was zu einer Vergleichmäßigung der Temperaturen und des Staubgehaltes führt sowie günstigere Strömungsbedingungen an den Konvektionskühlflä­ chen 11 schafft. An diesen wird der Gasstrom anschließend von oben nach unten entlanggeführt. Die Konvektionskühlflächen 11 sind in dem Ringraum zwischen dem Quenchrohr 7 und der gasdicht ausgeführten Innenwand 18 angeordnet.

Diese umgibt innerhalb des Druckbehälters 1 das Quenchrohr 7 mit den Konvektionskühlflächen 11. Diese können in geeigneter Weise, z. B. mittels der Traversen 19, außen um das Quenchrohr 7 befestigt werden. Das Gewicht des Quenchrohres 7, der Konvektionskühlflä­ chen 11 und der Innenwand 18 wird von der Tragbaukonstruktion 12 aufgenommen und beispielsweise über Konsolen 13 in die Wand des Druckbehälters 1 abgeleitet. Die Tragkonstruktion 12 und die Kon­ sole befinden sich dabei in der Nähe der Austrittsöffnungen 15. Es ist aber auch eine Anordnung in einer beliebigen, anderen Höhenposition möglich. Da die Konvektionskühlflächen 11 zur Wärmerückgewinnung genutzt werden sollen, sind sie selbstver­ ständlich in der Praxis mit den erforderlichen Leitungen für die Zu- und Abfuhr eines Wärmeübertragungsmittels oder von Wasser bzw. Wasserdampf sowie gegebenenfalls einem Dampfsammler ver­ bunden, die in der Abbildung nicht dargestellt sind. Die Wärme­ rückgewinnung aus dem Gas kann durch die Konvektionskühlflächen 11 in den einzelnen Ebenen bei unterschiedlicher Temperatur erfolgen. Sofern die Wärmerückgewinnung zur Dampferzeugung genutzt wird, kann hierbei in den einzelnen Ebenen Dampf mit unterschied­ lichen Drücken erzeugt werden. Die untersten Konvektionskühlflä­ chen 11 können in diesem Falle als Economizer dienen. Das gekühl­ te Gas gelangt nach Passieren der Konvektionskühlflächen 1 in den Auslaufraum 14, der so gestaltet ist, daß die vom Gas mitgeführ­ ten Staubpartikel restlos ausgetragen werden. Der Auslaufraum 14 kann hierbei vorteilhafterweise schnecken- bzw. spiralförmig aus­ gebildet werden. Anschließend wird das über die Austrittsöffnun­ gen 15 aus der Einrichtung abgezogen. Der Druckbehälter 1 und die Innenwand 18 sind von oben durch demontierbare Deckel 16 ver­ schlossen, wodurch eine gute Zugänglichkeit zu den Einbauten ge­ währleistet ist. Für Inspektionszwecke sind in den Deckeln 16 die Mannlöcher 17 angeordnet.

Selbstverständlich werden alle im Hochtemperaturbereich liegenden Bauteile der erfindungsgemäßen Einrichtung gekühlt. Das gilt auch für die Konturen des Vergasungsreaktors 2 sowie für das Quench­ rohr 7 und die gasdichte Innenwand 18.

Die Konturen des Vergasungsreaktors 2 werden zusätzlich in an sich bekannter Weise mit Feuerfestmaterialien beschichtet, um die metallischen Werkstoffe vor der Korrosion durch die flüssige Koh­ leschlacke zu schützen. Alle nichtbeschichteten Kühlflächen kön­ nen durch Klopfeinrichtungen bzw. Rußbläser abgereinigt werden.

Der abgestoßene Flugstaub fällt dabei entweder in den Vergasungs­ reaktor 2 zurück, oder er wird mit dem Gasstrom über die Aus­ trittsöffnungen 15 ausgetragen und in der nachgeschalteten Gas­ reinigung abgeschieden. Diese Nebeneinrichtungen sind in der Ab­ bildung nicht dargestellt.

Der in Fig. 2 dargestellte, horizontale Schnitt entlang der Linie II-II' in Fig. 1 läßt die konzentrische Anordnung der Konvekti­ onskühlflächen 11 um das Quenchrohr herum sowie die Abordnung der beiden Austrittsöffnungen 15 erkennen. Da die Bezugszeichen selbstverständlich mit denen in Fig. 1 übereinstimmen, bedarf diese Figur hierzu keiner weiteren Erläuterung.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den erfinderischen Merkmalen des Patent­ anspruchs 6 gelöst.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung werden innerhalb des Druckbehälters folgende Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt:

• - Vergasung bei ca. 1400-1800°C,
• - Mischkühlung des heißen Rohgases im Quenchrohr 7 bis auf 600-1000°C, vorzugsweise bis auf ca. 800°C und
• - weitere Abkühlung des Gases durch die Konvektions­ kühlflächen 11 bis auf ca. 150-450°C, vorzugs­ weise 250°C.

Ein wesentliches Verfahrensmerkmal ist hierbei darin zu sehen, daß auf die Kühlung des heißen Rohgases in einem Strahlungskühler verzichtet wird und stattdessen eine Mischkühlung im Quenchrohr 7 erfolgt. Damit in dieser Verfahrensstufe befriedigende Ergebnisse erzielt werden, ist es erforderlich, daß im Quenchrohr 7 eine im Bereich zwischen 3 und 30 m/Sekunde, vorzugsweise zwischen 6 und 8 m/Sekunde, liegende Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird, wobei sich die Menge des zugeführten Quenchgases nach dessen Gas­ temperatur richtet. Sofern das Rohgas im Quenchrohr 7 bis auf ca. 800°C abgekühlt werden soll, beträgt bei einer Quenchgastempera­ tur von ca. 250°C die erforderliche Quenchgasmenge ca. das 1,6-fa­ che der Rohgasmenge. Als Quenchgas können hierbei Produktgas, Stickstoff und/oder Wasserdampf verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht durch die integrierte Kompaktbauweise der einzelnen Anlageteile eine außerordentlich hohe Raumausnutzung des Druckbehälters 1.

Dadurch werden nicht nur Anlagekosten eingespart, sondern es wird gleichzeitig auch eine sichere Betriebsweise ermöglicht. Gefähr­ dungen durch verschlackungsempfindliche Umlenkrohre, wie sie bei vergleichbaren Systemen vielfach üblich sind, gibt es in diesem Falle nicht. Im Vergleich zu nichtintegrierten Systemen weist die erfindungsgemäße Einrichtung außerdem noch folgende Vorteile auf:
Problemlose Aufstellung bei geringem Raumbedarf und Fortfall von starren Verbindungsleitungen, die alle Kräfte, Wärmedehnungen sowie Fremdeinwirkungen durch Wind oder Erdbeben aufnehmen müs­ sen. Gleitfugen zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen in verschlackungsgefährdeten Bereichen existieren ebenfalls nicht.

Die innerhalb des Druckbehälters 1 angeordneten Anlagenteile sind dabei in der Praxis trotzdem problemlos zugänglich, so daß sich auch hieraus keine Nachteile gegenüber freistehenden Anlageteilen ergeben.

Claims (6)

1. Einrichtung für die Vergasung feinkörniger bis staubförmiger Brennstoffe in der Schwebe mit sauerstoffhaltigen Verga­ sungsmitteln unter erhöhtem Druck bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes, bei der der Vergasungsreaktor und das darüber liegende Abhitzesystem zur Kühlung des hei­ ßen Rohgases in einem gemeinsamen, mit Wasserrohren innenge­ kühlten Druckbehälter untergebracht sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Rohgasaustritt (6) des Vergasungsreaktors (2) ist unmittelbar mit einem zentral im Druckbehälter (1) angeordneten und mit Eintrittsöffnungen (9) für die Zufuhr eines Quenchgases versehenen Quenchrohr (7) verbunden,
• b) das Quenchrohr (7) erstreckt sich bis in den Ober­ teil des Druckbehälters (1) und ist konzentrisch von Konvektionskühlflächen (11) umgeben, die zur Wärmerückgewinnung genutzt werden,
• c) oberhalb des Quenchrohres (7) ist im Druckbehälter (1) ein Umlenkraum (10) für das Rohgas vorgesehen und
• d) für den Abzug des gekühlten Gases aus dem Druckbe­ hälter (1) sind im Unterteil desselben etwa in Höhe des Rohgasaustrittes (6) eine oder mehrere Austrittsöffnungen (15) angeordnet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaufraum (14) für das gekühlte Gas schneckenförmig ausge­ bildet ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Konvektionskühlflächen (11) über die gesamte Länge des Quenchrohres erstrecken.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Konvektionskühlflächen (11) übereinan­ der angeordnet sind, in denen eine Wärmerückgewinnung bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die untersten Konvektionskühlflächen (11) als Economizer ausgebildet sind.

6. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Quenchrohr (7) eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Bereich zwischen 5 und 30 m/Sekunde, vorzugsweise zwischen 6 und 8 m/Sekunde, ein­ gestellt wird.