EP0511479A1 - Verfahren zum Zünden eines Vergasungsreaktors - Google Patents

Abstract

Bei diesem Verfahren erfolgt der Zündvorgang in dem nicht inertisierten und unter erhöhtem Druck stehenden Vergasungsreaktor mittels eines Zündbrenners, dem aus einem dem Zündbrenner vorgeschalteten Behälter eine definierte, für einen ohne Beschädigung des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufenden Zündvorgang ausreichende Menge an Oxidatonsmittel zugeführt wird. Hierbei wird der Zündvorgang durch einen Flammenwächter überwacht und nach erfolgreichem Ablauf desselben die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel für den Normalbetrieb des Vergasungsreaktors freigegeben.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Vergasungsreaktors, in dem ein feinzerteilter Brennstoff, insbesondere feinkörnige bis staubförmige Kohle, unter erhöhtem Druck zu einem im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Partialoxidationsgas 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 Inertgas gespült und evakuiert. Hierdurch sollen Partialoxidationsgasreste entfernt, die Bildung einer explosiven Restgasatmosphäre verhindert und eine hinreichend inerte Atmosphäre 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 Zeitverzögerung dadurch gegeben, daß die ebenfalls unter erhöhtem Druck stehende Gaswäsche nicht beliebig rasch entspannt werden kann. Im Betrieb beträgt die Temperatur des Waschwassers etwa 120°C, was einem Sattdampfdruck von ca. 2 bar entspricht. Beim Entspannen kann dieser Druck nur unterschritten werden, wenn das Waschwasser zuvor entsprechend abgekühlt worden ist.
• Zwar ermöglicht die vorstehend beschriebene Arbeitsweise im Bedarfsfalle ein gefahrloses erneutes Zünden des Vergasungsreaktors. Da dies jedoch mit dem gravierenden Nachteil verbunden ist, daß jedes Erlöschen der Vergaserflamme und jeder neue Zündvorgang eine Betriebsunterbrechung der Vergasungsanlage von erheblicher Dauer verursachen, beeinträchtigt der dadurch bedingte Produktionsausfall natürlich das wirtschaftliche Ergebnis der Anlage entsprechend. Ein weiterer wirtschaftlicher Verlust ist außerdem dadurch gegeben, daß ein Teil des noch in der Vergasungsanlage befindlichen Partialoxidationsgases wegen des Unterschreitens des erforderlichen Mindestdruckes nicht mehr in den nachgeschalteten Anlagen, wie beispielsweise der Gasturbine eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes, genutzt werden kann. Dieses Restgas muß deshnalb durch Abfackeln vernichtet werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden eines Vergasungsreaktors zu schaffen, das die vorstehend geschilderten Nachteile vermeidet.
• Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Zündvorgang in dem nicht inertisierten und unter erhöhtem Druck stehenden Vergasungsreaktor mittels eines Zündbrenners erfolgt, dem aus einem dem Zündbrenner vorgeschalteten Behälter eine definierte, für einen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufenden Zündvorgang ausreichende 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.
• 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 vorgeschalteten Behälter wird dabei dem Vergasungsreaktor während des Zündvorganges lediglich eine solche Menge an Oxidationsmittel zugeführt, daß der Zündvorgang ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufen kann. Hierbei ist der Vergasungsreaktor zunächst von weiterer Oxidationsmittelzufuhr abgeschaltet. Erst wenn der Zündvorgang, der mit Hilfe eines Flammenwächters überwacht wird, erfolgreich verlaufen ist, wird die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel in dem Umfange freigegeben, wie sie für den normalen Betrieb der Zündbrenner des Vergasungsreaktors 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 benötigte Zündbrenner muß hierbei selbstverständlich mit einer Zündvorrichtung ausgerüstet sein, wobei Zündvorrichtung, 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 Zündvorrichtung, Zündbrenner und Flammenwächter in einem oder mehreren Vergasungsbrennern des Vergasungsreaktors integriert werden.
• Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nachfolgend an Hand des in der Abbildung dargestellten Fließschemas, das eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zeigt, näher erläutert werden. Im Fließschema sind dabei nur die für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Zündvorganges notwendigen Anlagenteile dargestellt, während die übrigen Anlagenteile, die den eigentlichen Vergasungsprozeß betreffen, insbesondere die Vergasungsbrenner und die nachgeschaltete Gasbehandlung, die ja nicht Gegenstand 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 möglich, die Zündvorrichtung 1 zu reparieren oder auszuwechseln, 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 beschriebenen Art und Weise zu baulichen Einheiten integriert 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 Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, befindet sich in dem dem Zündbrenner 8 vorgeschalteten Behälter 3. Die dort befindliche Oxidationsmittelmenge 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 Δ p in einem Behälter einen bestimmten, durch den Explosionsdruck vorgegebenen Wert nicht überschreiten, so ergibt sich der zulässige Volumenanteil der Reaktanden a wie folgt:
  
  ${\text{a ≦ ( Δ p/p) / ( π}}_{\text{max}}\text{- 1) (1)}$

  

  
  
• Hierbei bedeuten:

π

Druckverhältnis nach/vor Explosion, bekannt aus Explosionsversuchen mit stöchiometrischen Gemischen bei Normaldruck

max

Maximalwert

p

Druck im Behälter vor der Explosion

Δ p

zulässige Druckerhöhung

Setzt man ideales Gasverhalten voraus, so gilt ferner

${\text{a = y}}_{\text{B}}{\text{+ y}}_{\text{L}}\text{ (2)}$



• 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 aufweist. In diesem Fall liegen Brenngas und Oxidationsmittel in einem festen Verhältnis µ_S vor, das sich mit den gebräuchlichen Methoden der Verbrennungsrechnung ermitteln läßt. Hiermit geht Gl.(2) über in

${\text{a = (µ}}_{\text{S}}{\text{+ 1) . y}}_{\text{L}}$



oder

• Die zulässige Menge an Oxidationsmittel ist mit den Behälterdaten 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 Einstellen 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 Gasgesetz bekannten Gleichung abgeleitet:

  
• Hierbei bedeuten:

V₃

Volumen Behälter 3

T_N

Temperatur i.Normzustand

T₃

Temperatur Behälter 3

Δ P₁₀

Differenzdruck Behälter-Vergaser

Aus dieser Gleichung ergibt sich durch Auflösung nach Δ P₁₀ 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 Zündbrenner 8 verbunden, von der weiteren Oxidationsmittelzufuhr über die Leitung 5 jedoch abgeschottet. Hierdurch ist selbst bei einem Versagen der Armaturen die Sicherheit der Anlage gewährleistet. Erst nachdem mit Hilfe des Flammenwächters 2 der Erfolg des Zündvorganges festgestellt worden ist, wird die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel über die Leitung 5 freigegeben. Hiermit sind die Voraussetzungen erfüllt, um nach Ablauf einer Stabilisierungsperiode im Zündbrennerbetrieb die in der Abbildung nicht dargestellten Vergasungsbrenner zu zünden und so den Betrieb 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 zeitliche 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 danach wieder in den Vergasungsreaktor eingefahren werden.
• 2. Bespannen des Behälters 3
  Der durch die Gleichungen (1) bis (5) definierte Algorithmus gestattet, den Grenzwert des Differenzdrukkes zwischen dem Behälter 3 und dem Vergasungsreaktor 6 zu ermitteln. Es ist dies der höchstzulässige Wert, bei dem - selbst unter der Bedingung maximalen Zündzeitverzuges - keinerlei Beschädigung der Ausrüstungen auftreten kann. Der Sollwert des Differenzdruckes wird demgegenüber um einen Sicherheitsabstand verringert. Während des Bespannens des Behälters 3 sind die Ventile 18 und 19 geschlossen sowie das Ventil 21 geöffnet. Die Zufuhr von Oxidationsmittel zum Zündbrenner 8 und zum Mengenregler 12 ist demnach unterbrochen. Nach Öffnen des Ventils 26 wird der erforderliche Differenzdruck mit Hilfe des Differenzdruckreglers 10 über die Ventile 23 (Bespannen) und 25 (Entspannen) 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 Zündbrenner 8 wird mengengeregelt freigegeben. Die Mengenregelung 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 Oxidationsmittelzufuhr über die Leitung 5 unterbrochen. Hierzu werden die Ventile 23 und 26 in der Leitung 5 geschlossen. Durch Öffnung des Ventils 25 in der Leitung 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 folgenden 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 Zündzeitüberwachung.
• 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 geschlossen und die Ventile 23 und 26 geöffnet, so daß weiteres Oxidationsmittel über die Leitung 5 und den Behälter 3 zum Zündbrenner 8 nachströmen kann. Der Zündvorgang ist damit erfolgreich abgeschlossen.
  Erreicht der Flammenwächter 2 dagegen nicht den Gutzustand innerhalb der genannten Zeitspanne, wird die Zufuhr von Oxidationsmittel und Brennstoff unterbrochen und der Zündvorgang abgebrochen. Der Vergasungsreaktor 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. Abschaltfunktion wahr.
• Die Erfindung bietet folgende Vorteile:
• Radikal verkürzte Stillstandszeiten des Vergasungsreaktors durch Vermeidung von Druckabbau und Inertisierung.
• Verringerung der Produktgasverluste durch Abfackeln und Vermischen mit Inertgas, daraus resulierend eine höhere Verfügbarkeit und Wirtschaflichkeit der gesamten 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, unter erhöhtem Druck zu einem im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Partialoxidationsgas 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 Zündbrenner vorgeschalteten Behälter eine definierte, für einen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufenden Zündvorgang ausreichende 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 eingestellt wird, daß die Flamme im Zündbrenner mit einem Unterschuß an Oxidationsmittel betrieben wird.

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