EP0511479B1 - Verfahren zum Zünden eines Vergasungsreaktors - Google Patents
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- C10J2300/1223—Heating the gasifier by burners
Definitions
- the present invention relates to a method for igniting a gasification reactor operated under increased pressure and producing a partial oxidation gas consisting essentially of carbon monoxide and hydrogen following an interruption in operation by means of a pilot burner provided with a high-voltage ignition device and a flame monitor.
- a burner of the type mentioned above is described for example in EP-A 0 363 787. This burner can be used both as a support burner and as a normal gasification or service burner for the production of CO and H2-rich gases by partial oxidation in a pressurized reactor.
- gasification reactors operating at elevated pressure are first relaxed after a failure or an operational shutdown by reducing the pressure and then flushed and evacuated several times with intergas. This is to remove partial oxidation gas residues, prevent the formation of an explosive residual gas atmosphere and form a sufficiently inert atmosphere in the gasification reactor, to enable a safe re-ignition after each flame extinguishes.
- this process takes a long time and the inert purge gas must be kept available on the system at all times.
- the temperature of the wash water is around 120 ° C, which corresponds to a saturated steam pressure of approx. 2 bar. When relaxing, this pressure can only be fallen below if the wash water has been cooled accordingly beforehand.
- the invention is therefore based on the object To provide a method for igniting a gasification reactor which avoids the disadvantages described above.
- the method of the type mentioned at the outset which is used to achieve this object is characterized in that the ignition process takes place in the gasification reactor which is not inertized and is under gasification pressure, the pilot burner having a defined ignition process from an upstream container for an ignition process which takes place without damage to the gasification reactor by means of explosions sufficient quantity of oxidizing agent is supplied, the quantity ratio of which to the fuel is adjusted so that the flame in the pilot burner is operated with a deficit of oxidizing agent, the ignition process being monitored by the flame monitor and, after the successful expiration thereof, the supply of further oxidizing agent for the normal operation of the gasification reactor is released.
- the characteristic of the process according to the invention is that it does not relieve the gasification reactor or purge it with inert gas.
- the gasification reactor is thus still under an increased pressure during the ignition process, which corresponds to or slightly below the gasification pressure.
- Via the upstream container only an amount of oxidizing agent is supplied to the gasification reactor during the ignition process in such a way that the ignition process can take place without damage to the gasification reactor due to explosions.
- the gasification reactor is initially switched off from further supply of oxidizing agent. Only when the ignition process, which is monitored with the help of a flame monitor, has been successful the supply of further oxidizing agent is released to the extent required for the normal operation of the pilot burners of the gasification reactor. From this point on, the conditions for resuming production of the gasification reactor are met.
- the ignition device, pilot burner and flame monitor can be attached to the gasification reactor in a spatially separated manner. According to another arrangement, it is also possible to combine the ignition device and the flame monitor with the pilot burner to form one structural unit. According to a preferred embodiment, the ignition device, pilot burner and flame monitor can finally be integrated in one or more gasification burners of the gasification reactor.
- the ignition device 1 is arranged in the gasification reactor 6. If necessary, it can be withdrawn into the lock 7 to protect it during normal gasification operation. As a result, it is also possible, if necessary, to repair or replace the ignition device 1 without having to relax the gasification reactor 6.
- the flame monitor 2 and the pilot burner 8 are also arranged in the gasification reactor 61. In deviation from the schematic representation in the figure, these system parts can of course be integrated into structural units in the manner described above.
- ignition sparks are generated in a manner known per se by high-voltage discharge.
- the line 13 is used to supply current to the ignition device 1.
- the lock 7 is covered by the line 14 in which the valve 15 is provided, and the relaxation takes place via the line 27 in which the valve 28 is provided.
- the oxidizing agent required for the ignition process preferably air or air enriched with oxygen, is located in the container 3 upstream of the pilot burner 8.
- the amount of oxidizing agent located there is dimensioned according to the invention so that it is sufficient for an ignition process taking place without damage to the gasification reactor 6 due to explosions.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines unter erhöhtem Druck betriebenen und der Erzeugung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Partialoxidationsgases dienenden Vergasungsreaktors im Anschluß an eine Betriebsunterbrechung mittels eines mit einer Hochspannungszündvorrichtung und einem Flammenwächter versehenen Zündbrenners.
- Ein Brenner der vorstehend genannten Art wird beispielsweise in der EP-A 0 363 787 beschrieben. Dieser Brenner kann dabei sowohl als Stützbrenner als auch als normaler Vergasungs- bzw. Betriebsbrenner für die Erzeugung von CO- und H₂-reichen Gasen durch Partialoxidation in einem unter Druck stehenden Reaktor eingesetzt werden.
- 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 Intergas 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 Bedarfsfall 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 Vergasungssanlage 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 deshalb 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 Vergasungsdruck stehenden Vergasungsreaktor erfolgt, wobei dem Zündbrenner aus einem vorgeschalteten Behälter eine definierte, für einen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Explositionen ablaufenden Zündvorgang ausreichende Menge an Oxidationsmittel zugeführt wird, deren Mengenverhältnis zu Brennstoff so eingestellt wird, daß die Flamme im Zündbrenner mit einem Unterschuß an Oxidationsmittel betrieben wird, wobei der Zündvorgang durch den Flammenwächter überwacht und nach erfolgreichem Ablauf desselben die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel für den Normalbetrieb des Vergasungsreaktors freigegeben wird.
- Charkateristisch 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 Wiederaufnahme des Produktionsbetriebes des Vergasungsreaktors erfüllt.
- Bei dem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Zündbrenner können Zündvorrichtung, Zündbrenner und Flammenwächter räumlich getrennt voneinander am Vergasungsreaktor angebracht werden. 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 61 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:
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
- yB
- Molanteil Brenngas
- yL
- Molanteil Oxidationsmittel (z.B. Luft)
- V
- Behältervolumen
- p
- Druck im Behälter (vor dem Zündversuch)
- T
- Temperatur im Behälter
- VNL
- Volumen des Oxidationsmittels im Normzustand
- N
- Normzustand
- 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
- TN
- Temperatur i.Normzustand
- T₃
- Temperatur Behälter 3
- Δ P₁₀
- Differenzdruck Behälter-Vergaser
- 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 Vergasungsreakton 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 Oxidationsmittel zufuhr 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.
Hierbei bedeuten:
oder
Die zulässige Menge an Oxidationsmittel ist mit den Behälterdaten folgendermaßen verknüpft:
Hierbei bedeuten:
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.
Claims (2)
- Verfahren zum Zünden eines unter erhöhtem Druck betriebenen und der Erzeugung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Partialoxidationgsgases dienenden Vergasungsreaktors im Anschluß an eine Betriebsunterbrechung mittels eines mit einer Hochspannungszündvorrichtung und einem Flammenwächter versehenen Zündbrenners, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündvorgang in dem nicht inertisierten und unter Vergasungsdruck stehenden Vergasungsreaktor erfolgt, wobei dem Zündbrenner aus einem vorgeschalteten Behälter eine definierte, für einen ohne Beschädigungen des Vergasungsreaktors durch Explosionen ablaufenden Zündvorgang ausreichende Menge an Oxidationsmittel zugeführt wird, deren Mengenverhältnis zu Brennstoff so eingestellt wird, daß die Flamme im Zündbrenner mit einem Unterschuß an Oxidationsmittel betrieben wird, wobei der Zündvorgang durch den Flammenwächter überwacht und nach erfolgreichem Ablauf desselben die Zufuhr von weiterem Oxidationsmittel für den Normalbetrieb des Vergasungsreaktors freigegeben wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsmittelzufuhr zum Zündbrenner so eingestellt wird, daß in dem bei der Verbrennung anfallenden Gas ein CO-Gehalt von mehr als 2 Vol.-% vorhanden ist.
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