DE102007020294A1

DE102007020294A1 - Gemeinsamer Einsatz von Kohlendioxid und Stickstoff in einer Komponente eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaubdruckvergasung

Info

Publication number: DE102007020294A1
Application number: DE102007020294A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Schingnitz; Günter TIETZE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008132072A2; WO2008132072A3; DE202007018715U1

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 Staubeintragschleuse 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 Staubeintragschleusen resultierenden Probleme begrenzt.

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaubdruckvergasung und eine Anordnung zur Staubeintragung für die Kohlenstaubdruckvergasung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.
Als Inertisierungs- und Fördermedium in pneumatisch arbeitenden Staubeintragsystemen von Anlagen zur Kohlenstaubdruckvergasung 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. Insbesondere 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 beziehungsweise 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:
1 eine prinzipielle Darstellung eines Kohlenstaub-Eintragsystems
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 oberhalb 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 Feststoffübernahme 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 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.
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 Staubeintragsschleusen, 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 Vergasungsreaktor 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 Inertgaskomponenten 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 jeweilige 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 polytropen Abkühlung des Mediums bei der Schleusenentspannung auszuschließen, wird auf die Entstaubung des Entspannungsgases unter erhöhtem Betriebsdruck verzichtet.
Der Druck des in geringem Maße staubbeladenen Entspannungsgases 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 gleichzeitig 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

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 verdrängte Stickstoff über eine Druckausgleichsleitung DAL der Staubeintragsschleuse zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Kohlendioxid auf eine Temperatur aufgeheizt wird, oberhalb der Grenze zum Zweiphasengebiet bei Verfahrenshochdruck (im Hochdruckbereich des Systems).
Anordnung zur Staubeintragung für die Kohlenstaubdruckvergasung, 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.
Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Staubeintragschleuse und das Dosiergefäß beheizbar sind.