EP0370201A1 - Verfahren zum Betrieb einer Anlage für die Vergasung fester Brennstoffe sowie für diesen Betrieb eingerichtete Anlage - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Anlage für die Vergasung fester Brennstoffe sowie für diesen Betrieb eingerichtete Anlage Download PDF

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EP0370201A1
EP0370201A1 EP89117731A EP89117731A EP0370201A1 EP 0370201 A1 EP0370201 A1 EP 0370201A1 EP 89117731 A EP89117731 A EP 89117731A EP 89117731 A EP89117731 A EP 89117731A EP 0370201 A1 EP0370201 A1 EP 0370201A1
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plant
burners
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Adolf Linke
Norbert Ullrich
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1807—Recycle loops, e.g. gas, solids, heating medium, water

Definitions

  • the invention relates generally to the gasification of fine-grained to dust-like solid fuels.
  • Solid fuels refer in particular to hard coal, coke, petroleum coke and the like.
  • the gasification takes place with oxygen and / or air and possibly water vapor in the entrained flow and leads to a raw gas consisting mainly of carbon monoxide and hydrogen.
  • the raw gas carries with it dust that has a share of residual carbon.
  • the gasification is pressure gasification.
  • the invention relates to a method for operating a system for the gasification of fine-grained and dust-like solid fuels with a gasification reactor, which is equipped with gasification burners, device for the separation of dust from the raw gas, dust collection container and device for the recycling of dust into the gasification reactor, the gasification burner having a Burn the rotationally symmetrical fuel / reactant jet into the gasification reactor at the gasification burner outlet and a primary reaction zone of high temperature is formed by the fuel / reactant jets in the gasification reactor. It also relates to a system that is specially set up for operation in accordance with this method. - In the expression fuel / reactant jet, reactant denotes both the oxidizing agent and reaction products already formed and, if appropriate, also moderator gas and carrier gas.
  • the flying dust is added to the fresh fuel and fed to the gasification burners together with the fuel.
  • This is complex and requires a special treatment of the dust, namely extensive and complicated technical facilities with large safety precautions.
  • the pore space or gap space of the flue dust extracted from the raw gas is filled with the raw gas containing carbon monoxide and hydrogen, which has to be diluted or removed only below the hazard limit by repeated application and pumping with inert gas.
  • the treatment of the raw gas separated from the flying dust is also cumbersome and complex, since it often contains sulfur and, for reasons of environmental protection, cannot be flared, burned or released into the atmosphere. Incidentally, it disturbs that the fly dust added to the fresh fuel reduces the calorific value of the fuel, which influences the thermodynamics and the reaction kinetics of the gasification process.
  • the invention has for its object to carry out the method described in such a way that a sufficiently complete integration of the dust in the slag can be achieved without special treatment of the fly dust and without disturbing the thermodynamics or reaction kinetics of the gasification process, with simultaneous combustion of the Residual carbon.
  • the invention teaches that the fly dust with its raw gas and residual carbon content is introduced into the axis of at least one fuel / reactant jet by a conveying gas stream, introduced into the primary reaction zone and melted in the jet.
  • the flying dust is introduced through the axis of the respective gasification burner.
  • the gasification reaction already begins in the fuel-reactant stream and is not disturbed by the flying dust here or in the primary reaction zone, which contributes to the fact that its residual carbon is also gasified.
  • the volume flow of airborne dust must not be chosen too large.
  • the usual high temperatures of, for example, 2000 ° C. and more arise in the primary reaction zone, which are required for the melting of the flying dust.
  • the fly dust is scarcely discharged from the primary reaction zone more than usual and without the fly dust recirculation described. The fly dust does not accumulate in the untreated raw gas, so that the described cycle management is possible.
  • gasification burners which have a feed channel for primary oxygen which is coaxial with the gasification burner axis and a surrounding ring channel for have the fuel supply and an annular channel surrounding it indirectly or directly for the supply of secondary oxygen.
  • the invention recommends feeding the fly dust in the axis of the feed channel for the primary oxygen through a special feed channel.
  • the primary oxygen flow can be divided into two concentric partial flows.
  • the gasification burners are set up for supplying a flow of flue dust that is smaller by a factor of 0.01 to 0.15 than the fuel flow. This applies practically proportionally to other designs of the gasification burner.
  • the basic structure of the plant shown in the figure consists of a gasification reactor 1, which is equipped with gasification burners 2, a device 3 for separating the dust from the raw gas, a dust collecting container 4 with a device for returning the dust into the gasification reactor 1.
  • the gasification burners 2 burn with a fuel / reactant jet 5 which is rotationally symmetrical at the gasification burner outlet into the gasification reactor 1 into it and create a primary reaction zone 6 of high temperature.
  • the gasification burners 2 have a central feed channel 7 for the flying dust. This is surrounded by an annular channel 8 for the supply of primary oxygen.
  • the arrangement is also such that the central feed channels 7 are connected to the dust collector 4 via a metering device 9. - It goes without saying that the gasification burner 2 can otherwise be set up as usual in the gasification of solid fuels.
  • the raw gas loaded with the dust comes through the line 10 into the device 3 for the dust separation, which is designed as a separating cyclone.
  • the dust is separated here.
  • the separated fly dust which still contains raw gas in its pore space or gap space, falls through line 11 into the fly dust collection container 4.
  • the dosing device 9 is operated from this fly dust collection container 4. It includes two allotment containers 12. Periodically, the two allotment containers 12 are filled via lines 13 from the dust collection container 4 by free fall.
  • the feed container 12, which is filled with fly dust is pressurized through a line 14 with purified raw gas or inert gas, which is only slightly above the pressure in the gasification reactor 1.
  • the airborne dust is introduced through the lines 15 under sufficient pressure via the line 16 into the lines which open into the gasification burners 2. They open into the central feed channel 7 for the fly dust, which is surrounded by the ring channel 8 for the feed of primary oxygen.
  • the lines 17 are expansion lines for the respective empty emptying containers 12 and lead into the line 18 outgoing from the device 3 for the dust collection for the cleaned raw gas.
  • the process must be accompanied by the aids of modern process engineering.
  • the usual measuring and regulating elements are installed and the necessary regulating and control measures are carried out with the aid of a computer. (See P 38 13 357.1) Embodiment Analysis of the fuel (coal): C.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Anlage für die Vergasung feinkörniger bis staubförmiger fester Brennstoffe mit einem Vergasungsreaktor, der mit Vergasungsbrennern ausgerüstet ist, einer Einrichtung für die Flugstaubabscheidung aus dem Rohgas, einem Flugstaubsammelbehälter und eine Einrichtung für die Flugstaubrückführung in den Vergasungsreaktor. Die Vergasungsbrenner brennen mit einem am Vergasungsbrenneraustritt rotationssymmetrischen Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl in den Vergasungsreaktor hinein. Der Flugstaub mit seinem Gehalt an Rohgas und seinem Restkohlenstoff wird durch einen Fördergastrom in die Achse von zumindest einem Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl eingeführt, von dem Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl in die Primärreaktionszone eingebracht und in dieser eingeschmolzen. Auch eine Anlage für die Durchführung des Verfahrens wird angegeben.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Vergasung von feinkörni­gen bis staubförmigen festen Brennstoffen. Feste Brennstoffe bezeichnet insbesondere Steinkohle, Koks, Petrolkoks und dergleichen. Die Ver­gasung geschieht mit Sauerstoff und/oder Luft und gegebenenfalls Wasserdampf im Flugstrom und führt zu einem Rohgas aus hauptsäch­lich Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Rohgas führt Flugstaub mit, der einen Anteil an Restkohlenstoff aufweist. Die Vergasung ist eine Druckvergasung.
  • Die Erfindung betrifft konkret ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage für die Vergasung feinkörniger und staubförmiger fester Brennstoffe mit Vergasungsreaktor, der mit Vergasungsbrennern ausgerüstet ist, Einrichtung für die Flugstaubabscheidung aus dem Rohgas, Flugstaub­sammelbehälter und Einrichtung für die Flugstaubrückführung in den Vergasungsreaktor, wobei die Vergasungsbrenner mit einem am Verga­sungsbrenneraustritt rotationssymmetrischen Brennstoff/Reaktionsmittel-­Strahl in den Vergasungsreaktor hineinbrennen und von den Brenn­stoff/Reaktionsmittel-Strahlen in dem Vergasungsreaktor eine Primär­reaktionszone hoher Temperatur gebildet wird. Sie betrifft fernerhin eine Anlage, die für den Betrieb entsprechend diesem Verfahren be­sonders eingerichtet ist. - Im dem Ausdruck Brennstoff/Reaktions­mittel-Strahl bezeichnet Reaktionsmittel sowohl die Oxidationsmittel als auch bereits gebildete Reaktionsprodukte und gegebenenfalls auch Moderatorgas sowie Trägergas.
  • Im Rahmen der bekannten Maßnahmen, von denen die Erfindung aus­geht (EP 0 072 457 B1, EP 0 109 109 B1) wird der Flugstaub dem frischen Brennstoff beigemischt und zusammen mit dem Brennstoff den Vergasungsbrennern zugeführt .Das ist aufwendig und erfordert eine besondere Aufbereitung des Flugstaubes, nämlich umfangreiche und komplizierte technische Einrichtungen mit großen Sicherheitsvor­kehrungen. Der Porenraum oder Lückenraum des aus dem Rohgas abge­zogenen Flugstaubes ist mit dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Rohgas gefüllt, welches erst durch mehrmaliges Beauf­schlagen und Umpumpen mit Inertgas bis unter die Gefahrengrenze verdünnt oder entfernt werden muß. Auch die Behandlung des aus dem Flugstaub abgetrennten Rohgases ist umständlich und aufwendig, da es häufig schwefelhaltig ist und aus Gründen des Umweltschutzes weder abgefackelt noch sonstwie verbrannt oder an die Atmosphäre abge­geben werden kann. Im übrigen stört, daß der dem frischen Brennstoff beigemischte Flugstaub den Heizwert des Brennstoffes reduziert, was die Thermodynamik und die Reaktionskinetik des Vergasungsprozesses beeinflußt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so zu führen, daß ohne besondere Aufbereitung des Flug­staubes sowie ohne störende Beeinflussung der Thermodynamik oder Reaktionskinetik des Vergasungsprozesses eine ausreichend vollständige Einbindung des Flugstaubes in die Schlacke erreicht werden kann, und zwar bei gleichzeitigter Verbrennung des Restkohlenstoffes.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Flugstaub mit seinem Gehalt an Rohgas und seinem Restkohlenstoff durch einen För­dergasstrom in die Achse von zumindest einem Brennstoff/Reaktions­mittel-Strahl eingeführt, von diesem in die Primärreaktionszone einge­bracht und in dieser eingeschmolzen wird. Nach bevorzugter Aus­führungsform der Erfindung wird der Flugstaub durch die Achse des jeweiligen Vergasungsbrenners eingeführt. - Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß bei Vergasung mit rotationssymmetrischen Brennstoff/­Reaktionsmittel-Strahlen, die zur Vergasung fester Brennstoffe eingesetzt werden, die Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahlen in gasdynamischer Hin­sicht sehr stabil sind und einen Flugstaubmengenstrom in die Primär­reaktionszone hineintragen können. Die Vergasungsreaktion beginnt bekanntlich bereits in dem Brennstoff-Reaktionsmittel-Strom und wird hier sowie in der Primärreaktionszone durch den Flugstaub nicht ge­stört, wozu beiträgt, daß auch deren Restkohlenstoff vergast wird. Der Mengenstrom an Flugstaub darf allerdings nicht zu groß gewählt werden. In der Primärreaktionszone entstehen die üblichen hohen Temperaturen, von beispielsweise 2000°C und mehr, die für das Ein­schmelzen des Flugstaubes erforderlich sind. Überraschenderweise wird trotz der erfindungsgemäßen Flugstaubrückführung aus der Primär­reaktionszone der Flugstaub kaum stärker ausgetragen als üblich und ohne die beschriebene Rückführung von Flugstaub. Im ungereinigten Rohgas reichert sich der Flugstaub nicht störend an, so daß die be­schriebene Kreislaufführung möglich ist. - Grundsätzlich ist es bekannt, Flugstaub in einen Vergasungsreaktor zurückzuführen (DE 24 09 008 C2), und zwar über besondere, von den Vergasungsbrennern getrennte Zu­führungsdüsen. Das beeinträchtigt die Vergasungsreaktion und hat in die Praxis kaum Eingang gefunden. In der Praxis ist es eher üblich (DE-AS 23 25 204), den Flugstaub in einem Reaktor auf die Schlacke aufzublasen, wobei im allgemeinen auch der mitgeführte Restkohlenstoff in die Schlacke geht.
  • Im einzelnen bestehen mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorteilhaft wird mit Vergasungs­brennern gearbeitet, die einen zur Vergasungsbrennerachse koaxialen Zuführungskanal für Primärsauerstoff, einen umgebenden Ringkanal für die Brennstoffzuführung und einen diesen mittelbar oder unmittelbar umgebenden Ringkanal für die Zuführung von Sekundärsauerstoff auf­weisen. Hier empfiehlt die Erfindung, den Flugstaub in der Achse des Zuführungskanals für den Primärsauerstoff durch einen besonderen Zu­führungskanal zuzuführen. Der Primärsauerstoffstrom kann in zwei konzentrische Teilströme aufgeteilt werden. Um die Vergasungsreaktion nicht zu beeinträchtigen, empfiehlt es sich, so vorzugehen, daß die Vergasungsbrenner für die Zuführung eines Flugstaubmengenstromes eingerichtet sind, der um einen Faktor von 0,01 bis 0,15 kleiner ist als der Brennstoffmengenstrom. Das gilt praktisch proportional für andere Auslegungen des Vergasungsbrenners. Diese Abstimmung läßt sich bei üblichen Vergasungsreaktoren des eingangs beschriebenen Aufbaus ohne Schwierigkeiten dann verwirklichen, wenn der Flugstaub über alle Vergasungsbrenner zugeführt wird. Zusätzliche Maßnahmen für die Sauerstoffzuführung und die Regelung der Sauerstoffzuführung sind nicht erforderlich. Vielmehr genügt es, daß die Menge des Primärsauerstoffes und/oder des Sekundärsauerstoffes nach Maßgabe des Restkohlenstoffgehaltes im Flugstaub erhöht wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage die für die Durch­führung des Verfahrens besonders geeignet ist. Sie wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
    • - Die einzige Zeichnung zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Anlage.
  • Die in der Figur dargestellte Anlage besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Vergasungsreaktor 1, der mit Vergasungsbrennern 2 ausgerüstet ist, einer Einrichtung 3 für die Flugstaubabscheidung aus dem Rohgas, einem Flugstaubsammelbehälter 4 mit Einrichtung für die Flugstaubrückführung in den Vergasungsreaktor 1. Die Vergasungs­brenner 2 brennen mit am Vergasungsbrenneraustritt rotationssymme­trischen Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl 5 in den Vergasungsreaktor 1 hinein und erzeugen in diesem eine Primärreaktionszone 6 hoher Tem­peratur. Wie sich aus dem vergrößerten Ausschnitt A ergibt, besitzen die Vergasungsbrenner 2 einen zentralen Zuführungskanal 7 für den Flugstaub. Dieser ist von einem Ringkanal 8 für die Zuführung von Primärsauerstoff umgeben. Die Anordnung ist fernerhin so getroffen, daß die zentralen Zuführungskanäle 7 über eine Dosiereinrichtung 9 an den Flugstaubsammelbehälter 4 angeschlossen sind. - Es versteht sich, daß die Vergasungsbrenner 2 im übrigen wie bei der Vergasung von festen Brennstoffen üblich eingerichtet sein können.
  • Aus dem Vergasungsreaktor 1 gelangt das mit Flugstaub beladene Roh­gas durch die Leitung 10 in die Einrichtung 3 für die Flugstaubab­scheidung, die als Abscheidezyklon ausgeführt ist. Hier wird der Flugstaub abgetrennt. Der abgetrennte Flugstaub, der in seinem Porenraum oder Lückenraum noch Rohgas enthält, fällt durch die Lei­tung 11 in den Flugstaubsammelbehälter 4.Aus diesem Flugstaub­sammelbehälter 4 wird die Dosiereinrichtung 9 bedient. Zu ihr gehören zwei Zuteilbehälter 12. Periodisch werden aus dem Flugstaubsammelbe­hälter 4 durch freien Fall die beiden Zuteilbehälter 12 über Leitungen 13 gefüllt. Der jeweils mit Flugstaub gefüllte Zuteilbehälter 12 wird durch eine Leitung 14 mit gereinigtem Rohgas oder Inertgas unter einen Druck gesetzt, der nur unwesentlich über dem Druck im Verga­sungsreaktor 1 liegt. Durch die Leitungen 15 wird der Flugstaub unter ausreichenden Druck über die Leitung 16 in die Leitungen eingeführt, die in den Vergasungsbrennern 2 münden. Sie münden in den zentralen Zuführungskanal 7 für den Flugstaub, der von dem Ringkanal 8 für die Zuführung von Primärsauerstoff umgeben ist. Die Leitungen 17 sind Entspannungsleitungen für die jeweils geleerten Zuteilbehälter 12 und führen in die aus der Einrichtung 3 für die Flugstaubabscheidung ab­gehende Leitung 18 für das gereinigte Rohgas. - Es versteht sich, daß das Verfahren von den Hilfsmitteln der modernen Verfahrenstechnik be­gleitet werden muß. Dazu werden die üblichen Meß- und Regelorgane eingebaut und werden die erforderlichen Regel- und Steuerungsmaß­nahmen rechnergestützt durchgeführt. (Vgl. P 38 13 357.1)
    Ausführungsbeispiel
    Analyse des Brennstoffes (Kohle): C 68,40 Gew.% wf
    H 4,40 Gew.% wf
    O 6,03 Gew.% wf
    N 1,60 Gew.% wf
    S 1,10 Gew.% wf
    Cl 0,17 Gew.% wf
    Asche 18,30 Gew.% wf
    gesamt 100,00 Gew.% wf
    Hu 27,1326 MJ/kgwf
    Kohlenstaubmenge je Brenner 13 005 kgwf/h
    Chemische Wärmemenge der Kohle je Brenner 352 860 MJ/h
    Flugstaubmenge je Brenner 540 kgwf/h
    Chemische Wärmemenge des Flugstaubes je Brenner 2 824 MJ/h
    Rohgasmenge im Lückenvolumen des Flugstaubes 17,25 m³n tr/h
    Chemische Wärmemenge des Rohgases 192,8 MJ/h
  • Diese Mengenrelationen ergeben sich aus folgenden Gründen:
    80% der in den Vergasungsreaktor mit dem Brennstoff eingesetzten Asche werden als Schlacke ausgetragen, 20 % der Achse plus unver­gaster Kohlenstaub werden mit dem Gas ausgetragen. 80 % der im Gas enthaltenen Feststoffe (Flugstaub) werden in dem Flugstaubabscheider abgeschieden und unter den beschriebenen Bedingungen in die Ver­gasungsbrenner zurückgeführt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb einer Anlage für die Vergasung fenkörniger bis staubförmiger fester Brennstoffe, - mit
Vergasungsreaktor, der mit Vergasungsbrennern ausgerüstet ist,
Einrichtung für die Flugstaubabscheidung aus dem Rohgas,
Flugstaubsammelbehälter und Einrichtung für die Flugstaubrück­führung in den Vergasungsreaktor,
wobei die Vergasungsbrenner mit einem am Vergasungsbrenneraustritt rotationssymmetrischen Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl in den Ver­gasungsreaktor hineinbrennen und von den Brennstoff/Reaktionsmittel-­Strahlen in dem Vergasungsreaktor eine Primärreaktionszone hoher Temperatur gebildet wird, dadurch gekennzeich­net, daß der Flugstaub mit seinem Gehalt an Rohgas und seinem Restkohlenstoff durch einen Fördergasstrom in die Achse von zumindest einem Brennstoff/Reaktionsmittel-Strahl eingeführt, von dem Brenn­stoff/Reaktionsmittel-Strahl in die Primärreaktionszone eingebracht und in dieser eingeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub durch die Achse des jeweiligen Vergasungsbrenners eingeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mit Vergasungsbrennern gearbeitet wird, die einen zur Achse des Vergasungsbrenners koaxialen Zuführungskanal für Primärsauerstoff, einen umgebenden Ringkanal für die Brennstoffzuführung und einen diesen umgebenden Ringkanal für die Zuführung von Sekundär­sauerstoff aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugstaub in der Achse des Zuführungskanals für den Primärsauerstoff durch einen besonderen Zuführungskanal zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Vergasungsbrenner für die Zuführung eines Flugstaubmengenstromes eingerichtet sind, der um einen Faktor von 0,01 bis 0,15 kleiner ist als der Brennstoffmengenstrom.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Menge des Primärsauerstoffes und/oder des Sekundärsauerstoffes nach Maßgabe des Restkohlenstoffgehaltes im Flugstaub erhöht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Flugstaub über alle Vergasungsbrenner zugeführt wird.
7. Anlage für die Durchführung des Verfahrens nach einem der An­sprüche 1 bis 5, die den im Anspruch 1 angegebenen grundsätzlichen Aufbau aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsbrenner (2) einen zentralen Zuführungskanal (7) für den Flugstaub aufweisen, der von einem Ringkanal (8) für die Zu­führung von Primärsauerstoff umgeben ist, und daß die zentralen Zuführungskanäle (7) über eine Dosiereinrichtung (9) an den Flug­staubsammelbehälter (4) angeschlossen sind.
EP89117731A 1988-11-05 1989-09-26 Verfahren zum Betrieb einer Anlage für die Vergasung fester Brennstoffe sowie für diesen Betrieb eingerichtete Anlage Expired - Lifetime EP0370201B1 (de)

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