WO2008132072A2 - Gemeinsamer einsatz von kohlendoxid und stickstoff in einer komponente eines staubeintragsystems für die kohlenstaubdruckvergasung - Google Patents

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Definitions

  • the subject of the application relates to a method for operating a Staubeintragsystems for pulverized coal gasification and an arrangement for dust introduction for the pulverized coal gas pressure with the features of claim 1 and of claim 3.
  • Nitrogen from the air separation plant is usually used as an inerting and conveying medium in pneumatically operated dust introduction systems of pulverized coal pressure gasification plants.
  • This process variant has proven itself both in entry systems for pulverized coal injection in blast furnaces and for pulverized coal gasification plants and is technically largely mature.
  • the flash gas of the dust entry locks as well as the excess gas accumulating under certain operating conditions in the metering vessel are already dedusted before being discharged into the atmosphere under increased operating pressures in special filter vessels.
  • the dust injection systems operate on the basis of pneumatic dense phase conveying with very high load ratios, the nitrogen input into the gasification systems in many cases exceeds the permissible limits. The reason for this is also the increasing process pressure in most applications.
  • pulverized coal gasification with the aim of generating synthesis gas for the production of different hydrocarbons there is the demand for a limitation of the nitrogen content in the product gas.
  • the subject of the application is based on the problem, a
  • Dust-bearing system to improve such that on the one hand reduce the problems resulting from the lock relaxation vermin- On the other hand, the nitrogen input into the gasification reactor is reduced as much as possible.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a pulverized coal intake system
  • a standing under ambient pressure and heated bunker BK for storing solid FS such.
  • solid FS such as coal dust
  • N 2 heated as inerting and loosening medium heated nitrogen
  • the solid material can be fed to a dust entry lock SES that is under an operating high pressure of, for example, 40 bar.
  • the dust entry lock can be fed as an inerting and conveying medium carbon dioxide CO2 with a temperature above the limit of the two-phase area at high operating pressure.
  • the expansion gas is removed, depressurized via a multistage expansion device to ambient pressure and dedusted in a subsequent filter under ambient pressure.
  • the solids takeover from the dust entry locks into the dosing vessel takes place by gravity conveying via a sufficiently dimensioned downpipe. Two to four dust entry locks are used per dust entry system.
  • Carbon dioxide is also used as injection gas.
  • the injection gas is introduced into the pulverized coal delivery lines. Injection gas supplies may be required to detect fast enough the carbon dust feed to the reactor.
  • the requirement for limiting the nitrogen content in the product gas from the pulverized coal gasification by the use of carbon dioxide and nitrogen for different tasks in Kohlenstaubeintragsystem accounted for.
  • thermodynamic properties of carbon dioxide are some special considerations.
  • pure carbon dioxide at the desired process pressures above 40 bar already reaches the boundary to the two-phase region at ambient temperature.
  • sufficiently high operating temperatures must always be ensured in all the process sections which are operated at or above the required process pressures with carbon dioxide.
  • the objective is pursued to use the two media carbon dioxide and nitrogen for the different tasks within a Staubeintragsystems so that on the one hand resulting from the lock relaxation problems are reduced and on the other hand, the nitrogen input is reduced as much as possible in the gasification reactor.
  • a separate use of carbon dioxide and nitrogen for different tasks within a Staubeitragsystems is pursued.
  • the objective is pursued on the one hand to limit the problems resulting from the relaxation of dust entrainment locks and on the other hand to reduce the nitrogen input into the product gas. From this objective results in the demand to reduce the proportion of carbon dioxide in the expansion gas of dust entrainment locks as much as possible and at the same time strive for a high proportion of carbon dioxide in the so-called dust gas, which enters the reactor together with the coal dust.
  • this objective is achieved by the below-described separate use of the two inert gas components carbon dioxide and nitrogen for the different tasks within a dust introduction system: use of carbon dioxide for covering the dust entry locks, i. the dust entry gates filled with coal dust at ambient pressure are brought to the operating pressure of the metering vessel by supplying carbon dioxide, which is provided at a sufficiently high pressure. At the end of this stringing process, the pulverized coal entry locks are filled with coal dust; the gap volume of the dust fill and the remaining gas space of the lock are filled with carbon dioxide, the pressure of which corresponds to the required operating pressure of the dust entry system.
  • Nitrogen is used as the compensation gas for the metering vessel DG.
  • the so-called compensation gas is used to supplement the volume of pulverized coal emplaced in the gasification reactor between the individual dust take-overs from the feeders from the metering vessel. At the same time, this ensures the required for the required dust mass flow differential pressure between dosing and gasification reactor.
  • This compensation gas is fed via a filter vessel to the gas space of the metering vessel above the dust content.
  • the nitrogen preferably remains in the gas space of the metering vessel and the carbon dioxide predominantly in the void volume of the underlying coal dust fill.
  • the coal dust transfer from the dust entry locks into the dosing vessel takes place by means of gravity through a sufficiently dimensioned downpipe.
  • the quantity of gas corresponding to the volume of the coal dust charge taken over is displaced into the respective dust entry lock via a separate pressure compensation line DAL.
  • Dosiergefäßes in the respective entry lock displaced amount of gas preferably consists of nitrogen.
  • the entry lock which has just been emptied of coal dust, contains a predominantly nitrogen-containing carbon dioxide-nitrogen mixture.
  • the nitrogen content is on the order of the planned bulk solids level of the entry locks, i. at least 70%, to be expected.
  • the discharged from the dust entry lock SES flash gas thus consists for the most part of nitrogen.
  • Carbon dioxide is also used as injection gas.
  • the injection gas is introduced into the pulverized coal delivery lines. Injection gas supplies may be required to detect fast enough the carbon dust feed to the reactor.
  • the pressure of the to a lesser extent dust-laden flash gas is reduced by multi-stage expansion devices mEV.
  • the dedusting of the flash gas is then carried out in a working under ambient pressure filter F.
  • the pipe section between the lock and the expansion device is heated in order to compensate for the polytropic expansion cooling and to adhere to the permissible working conditions of the expansion filter.
  • the expansion device is designed so that at the same time the relaxation noise is reduced.
  • Silencerplates be used as a relaxation device known, for example, known in the art. These cause a reduction of the relaxation noise on the one hand by Multi-stage relaxation and on the other hand by dividing the total required bore cross-section on a variety of smaller holes. It is also a wear-protected control valve with downstream Silencer used. If these measures are not sufficient, additional soundproofing measures can be used, for example by means of a sound-insulating sheathing.

Abstract

In einem Staubeintragsystem für die Kohlenstaubdruckvergasung, das einen Bunker (BK) zur Bevorratung des Kohlenstaubs, eine Staubeintragschleuse (SES) und ein Dosiergefäß (DG) umfasst, werden den mit Betriebshochdruck beaufschlagten Komponenten Staubeintragschleuse und Dosiergefäß als Inertisierungs- und Fördermedium bzw. Fluidierungsmedium Kohlendioxid CO<SUB>2</SUB>-zugeführt. Dem Dosiergefäß wird kopfseitig als Kompensationsgas Stickstoff zugeführt und wobei der bei Übernahme von Kohlenstaub in das Dosiergefäß verdrängte Stickstoff über eine Druckausgleichsleitung DAL der Staubeintragsschleuse zugeführt wird. In vorteilhafter Weise ist, insbesondere für die Kohlenstaubdruckvergasung mit der Zielstellung Synthesegaserzeugung für die Produktion unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe, der durch das Staubeintragsystem bedingte Stickstoffanteil im Produktgas reduziert und die bei der Entspannung der Staubeintragsschleusen resultierenden Probleme begrenzt.

Description

Beschreibung
Gemeinsamer Einsatz von Kohlendoxid und Stickstoff in einer Komponente eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaub- druckvergasung
Der Anmeldungsgegenstand betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaubdruckvergasung und eine Anordnung zur Staubeintragung für die Kohlenstaub- druckvergasung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.
Als Inertisierungs- und Fördermedium in pneumatisch arbeitenden Staubeintragsystemen von Anlagen zur Kohlenstaubdruckver- gasung wird üblicherweise Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage eingesetzt. Diese Verfahrensvariante hat sich sowohl in Eintragsystemen für die Kohlenstaubinjektion in Hochöfen als auch für Kohlenstaubdruckvergasungsanlagen bewährt und ist technisch weitgehend ausgereift. Vorteilhafterweise werden hierbei das Entspannungsgas der Staubeintragsschleusen sowie das unter bestimmten Betriebsbedingungen im Dosiergefäß anfallende Überschussgas vor der Abgabe in die Atmosphäre bereits unter erhöhten Betriebsdrücken in speziellen Filtergefäßen entstaubt. Obwohl die Staubeintragssysteme auf der Basis der pneumatischen Dichtstromförderung mit sehr hohen Beladungsverhältnissen arbeiten, überschreitet der Stickstoffeintrag in die Vergasungssysteme in vielen Fällen die zulässigen Grenzen. Ursache hierfür ist auch der in den meisten Anwendungsfällen ansteigende Verfahrensdruck. Insbe- sondere für die Kohlenstaubdruckvergasung mit der Zielstellung Synthesegaserzeugung für die Produktion unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe ergibt sich die Forderung nach einer Begrenzung des Stickstoffanteils im Produktgas.
Dem Anmeldungsgegenstand liegt das Problem zugrunde, ein
Staubeitragsystem derart zu verbessern, dass einerseits die aus der Schleusenentspannung resultierenden Probleme vermin- dert werden und andererseits der Stickstoffeintrag in den Vergasungsreaktor möglichst weitgehend reduziert wird.
Das Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bezie- hungsweise durch eine Anordnung nach Anspruch 3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Kohlenstaub-Ein- tragsystems
Einem unter Umgebungsdruck stehenden und beheizbaren Bunker BK zur Bevorratung von Feststoff FS, wie z. B. Kohlenstaub, ist als Inertisierungs- und Auflockerungsmedium erhitzter Stickstoff N2 zuführbar. Über eine Fördereinrichtung ist der Feststoff einer unter einem Betriebshochdruck von beispielsweise 40 bar stehenden Staubeintragschleuse SES zuführbar. Der Staubeintragschleuse ist als Inertisierungs- und Fördermedium Kohlendioxid CO2 zuführbar mit einer Temperatur ober- halb der Grenze zum Zweiphasengebiet bei Betriebshochdruck. Im oberen Bereich der Staubeintragschleuse wird das Entspannungsgas abgeführt, über eine mehrstufige Entspannungsvorrichtung auf Umgebungsdruck entspannt und in einem nachfolgenden Filter unter Umgebungsdruck entstaubt. Die Feststoff- Übernahme aus den Staubeintragschleusen in das Dosiergefäß erfolgt durch Schwerkraftförderung über eine ausreichend dimensionierte Fallleitung. Je Staubeintragsystem sind zwei bis vier Staubeintragschleusen im Einsatz.
Als Fluidisierungsgas wird wiederum Kohlendioxid genutzt.
Durch das Fluidisierungsgas wird im Unterteil des Dosiergefäßes eine partielle Wirbelschicht erzeugt. Hierbei wird der Kohlenstaub aus dem Zustand einer Staubschüttung in den Wirbelschicht- und damit zugleich in den Förderzustand überführt. Da durch die vorhergehenden Verfahrensschritte sichergestellt wurde, dass das Lückenvolumen der Staubschüttung im Dosiergefäß mit Kohlendioxid gefüllt ist und für die Fluidi- sierung ebenfalls Kohlendioxid eingesetzt wird, kann angenommen werden, dass das Staubbegleitgas am Förderleitungsein- tritt nahezu vollständig aus dieser Gaskomponente besteht.
Als Injektionsgas wird ebenfalls Kohlendioxid genutzt. Das Injektionsgas wird in die Kohlenstaubförderleitungen eingeleitet. Injektionsgaszuführungen können erforderlich werden, um Störungen der Kohlenstaubzuführung zum Reaktor schnell genug zu erkennen.
Erfindungsgemäß wird der Forderung nach Begrenzung des Stickstoffanteils im Produktgas aus der Kohlenstaubdruckvergasung durch den Einsatz von Kohlendioxid und Stickstoff für unterschiedliche Aufgaben im Kohlenstaubeintragsystem Rechnung getragen .
Wegen der thermodynamischen Eigenschaften von Kohlendioxid sind hierbei jedoch einige Besonderheiten zu beachten. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass reines Kohlendioxid bei den angestrebten Verfahrensdrücken oberhalb 40 bar bereits bei Umgebungstemperatur die Grenze zum Zweiphasengebiet erreicht. Um das zu vermeiden, sind in sämtlichen Verfahrensabschnitten, die bei bzw. oberhalb der erforderlichen Verfahrensdrücke mit Kohlendioxid betrieben werden, stets ausreichend hohe Betriebstemperaturen zu gewährleisten.
Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensvariante wird die Zielstellung verfolgt, die beiden Medien Kohlendioxid und Stickstoff für die unterschiedlichen Aufgaben innerhalb eines Staubeintragsystems so einzusetzen, dass einerseits die aus der Schleusenentspannung resultierenden Probleme vermindert werden und andererseits der Stickstoffeintrag in den Vergasungsreaktor möglichst weitgehend reduziert wird. Erfindungsgemäß erfolgt ein getrennter Einsatz von Kohlendioxid und Stickstoff für unterschiedliche Aufgaben innerhalb eines Staubeitragsystems.
Damit wird die Zielstellung verfolgt auf der einen Seite die aus der Entspannung der Staubeintragsschleusen resultierenden Probleme zu begrenzen und andererseits den Stickstoffeintrag in das Produktgas zu vermindern. Aus dieser Zielstellung ergibt sich die Forderung, den Anteil an Kohlendioxid im Entspannungsgas der Staubeintragsschleusen möglichst weitgehend zu reduzieren und gleichzeitig einen hohen Anteil an Kohlendioxid im so genannten Staubbegleitgas anzustreben, welches gemeinsam mit dem Kohlenstaub in den Reaktor gelangt.
Erfindungsgemäß wird diese Zielstellung durch den nachfolgend beschriebenen, getrennten Einsatz der beiden Inertgaskomponenten Kohlendioxid und Stickstoff für die unterschiedlichen Aufgaben innerhalb eines Staubeintragsystems erreicht: Einsatz von Kohlendioxid für die Bespannung der Staubein- tragsschleusen, d.h. die bei Umgebungsdruck mit Kohlenstaub gefüllten Staubeintragsschleusen werden durch Zuführung von Kohlendioxid, welches mit ausreichend hohem Druck bereitgestellt wird, auf den Betriebsdruck des Dosiergefäßes gebracht . Am Ende dieses Bespannungsvorgang sind die Kohlenstaubeintragsschleusen mit Kohlenstaub gefüllt; das Lückenvolumen der Staubschüttung sowie der verbleibende Gasraum der Schleuse sind mit Kohlendioxid ausgefüllt, dessen Druck dem erforderlichen Betriebsdruck des Staubeintragsystems entspricht.
Als Kompensationsgas für das Dosiergefäß DG wird Stickstoff eingesetzt. Durch das so genannte Kompensationsgas wird das Volumen der zwischen den einzelnen Staubübernahmen aus den Eintragsschleusen aus dem Dosiergefäß in den Vergasungsreak- tor abgeförderten Kohlenstaubschüttung ergänzt. Gleichzeitig wird damit der für den geforderten Staubmassenstrom erforderliche Differenzdruck zwischen Dosiergefäß und Vergasungsreaktor gewährleistet. Dieses Kompensationsgas wird über ein Filtergefäß dem Gasraum des Dosiergefäßes oberhalb des Staubinhalts zugeführt.
Auf Grund des Dichteunterschieds zwischen den beiden Inert- gaskomponenten kann vorausgesetzt werden, dass der Stickstoff vorzugsweise im Gasraum des Dosiergefäßes und das Kohlendioxid überwiegend im Lückenvolumen der darunter liegenden Kohlenstaubschüttung verbleiben.
Die Kohlenstaubübernahme aus den Staubeintragsschleusen in das Dosiergefäß erfolgt durch Schwerkraftförderung über eine ausreichend dimensionierte Fallleitung. Die dem Volumen der übernommenen Kohlenstaubschüttung entsprechende Gasmenge wird über eine separate Druckausgleichsleitung DAL in die jewei- lige Staubeintragsschleuse verdrängt.
Hierbei kann vorausgesetzt werden, dass die im Lückenvolumen der übernommenen Kohlenstaubschüttung enthaltene Kohlendioxidmenge ohne wesentliche Gasaustauschvorgänge mit in die Kohlenstaubschüttung des Dosiergefäßes überführt wird. Ebenso kann vorausgesetzt werden, dass die aus dem Gasraum des
Dosiergefäßes in die jeweilige Eintragsschleuse verdrängte Gasmenge vorzugsweise aus Stickstoff besteht.
Damit kann nach Beendigung einer Staubübernahme aus einer Eintragsschleuse in das Dosiergefäß folgender Zustand vorausgesetzt werden:
Die gerade von Kohlenstaub entleerte Eintragsschleuse enthält ein zum überwiegenden Teil aus Stickstoff bestehendes Kohlendioxid- Stickstoff-Gemisch. Der Stickstoffanteil ist in der Größenordnung des eingeplanten Schüttgutfüllungsgrades der Eintragsschleusen, d.h. bei mindestens 70 %, zu erwarten.
Das von der Staubeintragschleuse SES abgegebene Entspannungsgas besteht also zum überwiegenden Anteil aus Stickstoff.
Als Fluidisierungsgas wird wiederum Kohlendioxid genutzt. Durch das Fluidisierungsgas wird im Unterteil des Dosiergefäßes eine partielle Wirbelschicht erzeugt. Hierbei wird der Kohlenstaub aus dem Zustand einer Staubschüttung in den Wirbelschicht- und damit zugleich in den Förderzustand überführt.
Da durch die vorhergehenden Verfahrensschritte sichergestellt wurde, dass das Lückenvolumen der Staubschüttung im Dosiergefäß mit Kohlendioxid gefüllt ist und für die Fluidisierung ebenfalls Kohlendioxid eingesetzt wird, kann angenommen werden, dass das Staubbegleitgas am Förderleitungseintritt nahezu vollständig aus dieser Gaskomponente besteht.
Als Injektionsgas wird ebenfalls Kohlendioxid genutzt. Das Injektionsgas wird in die Kohlenstaubförderleitungen eingeleitet. Injektionsgaszuführungen können erforderlich werden, um Störungen der Kohlenstaubzuführung zum Reaktor schnell genug zu erkennen.
Um Probleme durch verminderte Einsatzdauer von Filterelementen durch Anfall von flüssigem Kohlendioxid infolge der poly- tropen Abkühlung des Mediums bei der Schleusenentspannung auszuschließen, wird auf die Entstaubung des Entspannungsgases unter erhöhtem Betriebsdruck verzichtet.
Der Druck des in geringem Maße staubbeladenen Entspannungs- gases wird über mehrstufig ausgeführte Entspannungsvorrichtungen mEV abgebaut. Die Entstaubung des Entspannungsgases erfolgt im Anschluss in einem unter Umgebungsdruck arbeitenden Filter F.
Der Rohrleitungsabschnitt zwischen Schleuse und Entspannungsvorrichtung wird beheizt, um die polytrope Entspannungskälte zu kompensieren und die zulässigen Arbeitsbedingungen des Entspannungsfilters einzuhalten. Die Entspannungsvorrichtung wird so ausgeführt, dass gleich- zeitig die Entspannungsgeräusche vermindert werden. Als Entspannungsvorrichtung werden beispielsweise in Fachkreisen bekannte, sogenannte Silencerplates eingesetzt. Diese bewirken eine Minderung der Entspannungsgeräusche einerseits durch mehrstufige Entspannung und andererseits durch Aufteilung des insgesamt erforderlichen Bohrungsquerschnitts auf eine Vielzahl kleinerer Bohrungen. Es ist auch ein verschleißgeschütztes Regelventil mit nachgeschaltetem Silencer einsetzbar. Falls diese Maßnahmen nicht ausreichen sind zusätzlichen Schallschutzmaßnahmen, wie zum Beispiel mittels einer schalldämmenden Ummantelung, einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaubdruckvergasung, umfassend einen Bunker (BK) zur Bevorratung des Kohlenstaubs, der mit Umgebungsdruck beaufschlagt wird, eine Anzahl von Staubeintragschleusen (SES) und ein Dosiergefäß (DG) , die mit Betriebshochdruck beaufschlagt werden, demzufolge der Bunker beheizt wird, dem Bunker als Inertisierungs- und Auflockerungsmedium Stickstoff, insbesondere erhitzter, zugeführt wird, der Staubeintragschleuse als Inertisierungs- und Fördermedium Kohlendioxid zugeführt wird, dem Dosiergefäß als Fluidierungsmedium Kohlendioxid zugeführt wird, dem Dosiergefäß kopfseitig als Kompensationsgas Stickstoff zugeführt wird und der bei Übernahme von Kohlenstaub in das Dosiergefäß ver- drängte Stickstoff über eine Druckausgleichsleitung DAL der Staubeintragsschleuse zugeführt wird.
2 . Verfahren nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das zugeführte Kohlendioxid auf eine Temperatur aufgeheizt wird, oberhalb der Grenze zum Zweiphasengebiet bei Verfahrenshochdruck (im Hochdruckbereich des Systems) .
3. Anordnung zur Staubeintragung für die Kohlenstaubdruckver- gasung, umfassend einen mit Umgebungsdruck beaufschlagten Bunker (BK) zur Bevorratung des Kohlenstaubs, eine mit Betriebshochdruck beaufschlagbare Staubeintragschleuse (SES) , ein mit Betriebshochdruck beaufschlagbare Dosiergefäß (DG) wobei der Bunker beheizbar ist, dem Bunker als Inertisierungs- und Auflockerungsmedium erhitzter Stickstoff zuführbar ist, der Staubeintragschleuse als Inertisierungs- und Fördermedium Kohlendioxid zuführbar ist, dem Dosiergefäß als Fluidierungsmedium Kohlendioxid zuführbar ist und eine die Kopfseite des Dosiergefäßes mit der Staubeintragschleuse verbundene Druckausgleichsleitung zur Weiterleitung des verdrängten Stickstoffs bei Übernahme von Kohlenstaub in das Dosiergefäß angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Staubeintragschleuse und das Dosiergefäß beheizbar sind.
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