DE102008028388A1

DE102008028388A1 - Flugstromvergaser mit integriertem Vergasungs-, Zünd- und Pilotbrenner

Info

Publication number: DE102008028388A1
Application number: DE102008028388A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Degenkolb; Volker KIRCHHÜBEL; Matthias Köhler; Manfred Dr. Schingnitz; Heidrun Toth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Reaktor zur Flugstromvergasung von festen und flüssigen Brennstoffen, wobei in einem der Vergasungsbrenner ein Zünd- und Pilotbrenner integriert ist. Die Vergasungsbrenner sind so angeordnet, dass sich immer zwei gegenüberstehen. Anstelle eines integrierten Zünd- und Pilotbrenners kann dieser während der Inbetriebnahmephase anstelle eines der Vergasungsbrenner gesetzt und zum gegebenen Zeitpunkt gegen einen Vergasungsbrenner ausgetauscht werden.

Description

Die Erfindung betrifft Reaktor zur Flugstromvergasung für einen Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen, wobei unter flüssigen Brennstoffen asche- oder feststoffhaltige öle sowie Suspensionen von Wasser und/oder Öl mit staubfein aufgemahlenen Brennstoffen oder anderen organischen oder anorganischen Beimengungen zu verstehen sind bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa bei Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel
Unter festen und flüssigen Energieträgern sind feste Brennstoffe wie Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades sowie Kokse unterschiedlichen Herkommens aber auch brennbare Flüssigkeiten mit bestimmten Feststoff- und Aschegehalten aber auch Wasser-, Kohle- oder Öl-Kohle-Suspensionen, sogenannte Slurries, zu verstehen.
In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, dass aus Gründen der Synthesegasqualität höhere Kohlenstoffverbindungen zu Synthesegaskomponenten wie CO und H₂ vollständig aufgespalten werden und die anorganischen Bestandteile als schmelzflüssige Schlacke ausgetragen werden (J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, S. 33 und S. 73).
Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Vergasungsgas und der schmelzflüssige anorganische Teil, z. B. Schlacke, getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, was aus DE 19718131.7 A1 hervorgeht.
Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumkontur des Vergasungssystems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt und beispielsweise aus DE 4446803 A1 bekannt. Die Vergasungsbrenner sind am Kopf, also oben, des Vergasungsreaktors angeordnet, die Strömung ist nach unten gerichtet, Vergasungsgas und Schlacke treten durch eine zentrale Öffnung am Boden des Vergasungsraumes aus. Solche Vergasungsreaktoren zeigen beispielsweise DE 41 09 231 C2 und die chinesischen Patente CN 200 4200 4200 7 und CN 2004 100 73361 des Northwest Chemical Institute. Dieser Reaktor, dessen Vergasungsbrenner sich gleichfalls am Kopf des Reaktors befindet, begrenzt den Vergasungsraum durch eine Feuerfestauskleidung, in die Kühlrohre eingebettet sind. Das Vergasungsgas verlässt gemeinsam mit der zu Schlacke aufgeschmolzenen Asche zentral den Vergasungsraum und wird über ein zentrales Leitrohr in ein Wasserbad geführt, in dem das heiße Rohgas und die Schlacke abgekühlt werden. Das gekühlte Rohgas steigt aus dem Wasserbad auf und wird über eine Rohrleitung abgeführt. Die Schlacke wird im Wasserbad gesammelt und zyklisch über eine Schleuse entspannt und aus dem Vergasungssystem ausgetragen.
Die Begrenzung des Vergasungsraumes durch ein gekühltes feuerfestes Mauerwerk, in das Kühlrohre eingelassen sind, führt zu sehr großen thermodynamischen Spannungen durch die großen Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur im Vergasungsraum und dem Bereich der Kühlrohre im Mauerwerk. Dies führt zur Rissbildung und zur schnellen Zerstörung und damit zu geringer Verfügbarkeit. Darüber hinaus tritt bei der herkömmlichen Bauart in erhöhtem Maße unerwünschter Feinschlackeaustrag als Schlackestaub, der schwer nutzbar ist, aus dem Vergasungsraum aus. Die Abführung von Rohgas und flüssiger Schlacke führt durch Abkühlung im Leitrohr zu Ablagerungen, die bis zur völligen Verstopfung dieses Leitrohres führen können. Damit können Rohgas und Schlacke nicht mehr aus dem Vergasungsraum abgeführt werden und der Vergasungsprozess muss abgestellt werden. Damit leidet die Verfügbarkeit, die verfestigte harte Schlacke muss unter schwierigen Bedingungen aus dem Leitrohr entfernt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Vergasungsverfahren darzustellen, das die genannten Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannte Lösung gelöst.
Bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Reaktor wird in dem Reaktionsraum ein Strömungsprofil erzeugt, derart dass die aus der Asche des Brennstoffe während der Vergasung entstehenden staubförmigen Partikel auf die Reaktorwand aufgetragen werden, als Schlackefilm ablaufen und nach dem Austritt aus dem Reaktionsraum durch Abkühlung mit Wasser granuliert werden. Dadurch wird die Gefahr von Verstopfungen durch Ablagerungen in nachfolgenden Anlagen vermieden, zumindest aber vermindert und die Erzeugung schwer nutzbarer Feinschlacke reduziert. Diese Anordnung bringt eine signifikante Reduktion von unerwünschtem Austrag staubförmiger Feinschlacke, der schwer nutzbar ist, mit sich. Insbesondere bei Reaktorleistungen > 500 MW wird eine sichere und zuverlässige Betriebsweise erzielt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann auf einen gesondert ausgeführten Zünd- und Pilotbrenner verzichtet werden, wenn dieser in mindestens einem Vergasungsbrenner integriert ist. Weiter ist es möglich, während der Inbetriebnahme anstelle eines Vergasungsbrenners einen Zünd- und Pilotbrenner einzusetzen, mit dem der oder die weiteren Vergasungsbrenner gezündet werden. Nach sicherer Zündung wird unter Normal- oder leichtem Überdruck der Zünd- und Pilotbrenner gegen den Vergasungsbrenner ausgetauscht.
Weiterhin können die Kühlrohre des Kühlschirmes waagerecht (horizontal) oder senkrecht (vertikal) angeordnet werden, wobei sie miteinander verschweißt gasdicht den Vergasungsraum umschließen.
Die Abführung von Rohgas und flüssiger Schlacke aus dem Vergasungsraum kann gemeinsam oder getrennt erfolgen.
Die Inbetriebnahme des Vergasungsreaktors durch Zündung des Zünd- und Pilotbrenners kann reduzierend oder zunächst oxidierend sein, wobei anschließend auf den reduzierenden Zustand übergegangen wird.
Die Erfindung wird im Folgenden an Anführungsbeispielen in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren erläutert:
Dabei zeigen:
1 einen Vergasungsreaktor mit in einem Vergasungsbrenner integrierten Pilotbrenner und gemeinsamer Rohgas- und Schlackeabführung aus dem Vergasungsraum,
2 eine getrennte Schlacke- und Rohgasabführung aus dem Vergasungsraum und
3 eine Vergasungsbrenneranordnung mit Abstand der Mittelachse von der Reaktorachse
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 werden einem Flugstromreaktor 150 t/h Kohlenstaub 3 mit Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel 2 über die Vergasungsbrenner 1 zugeführt und bei Temperaturen von 1.450°C und einem Druck von 4 MPa (40 bar) zu Synthesegas umgesetzt. Es sind zwei sich gegenüberstehende Vergasungsbrenner 1 angeordnet, die jeweils zwischen 0 und 10° nach oben oder unten von der Horizontalen abweichen können. Ein Vergasungsbrenner kann also um 10° nach oben geneigt sein und ein anderer Vergasungsbrenner kann um 10° nach unten geneigt sein.
Ein Vergasungsbrenner kann mit einem Zünd- und Pilotbrenner ausgerüstet sein.
In Abhängigkeit von der geplanten Leistung des Vergasungsreaktors ist es auch möglich, neben zwei auch vier oder sechs Vergasungsbrenner 1 anzuordnen, wobei sich immer zwei in Opposition gegenüberstehen. Es können aber auch eine ungerade Mehrzahl, z. B. 3, 5, 7 ..., Vergasungsbrenner angeordnet sein, die vorzugsweise gleich beabstandet auf dem Umfang des Druckgehäuses des Reaktors angeordnet sind.
Der Umsatz vollzieht sich in einer Flammenreaktion in einem einbautenfreien Vergasungsraum 5, der durch eine gekühlte Wand in Form des Kühlschirmes 4 begrenzt ist. Der Kühlschirm weist wassergekühlte Rohre auf, die gasdicht miteinander verschweißt, waagerecht spiralförmig 4 oder senkrecht 13 angeordnet sind. Der Kühlschirm kann sowohl in der waagerecht spiralförmigen Anordnung nach 4 oder in der senkrechten Anordnung nach 13 im nichtsiedenden oder siedenden Zustand betrieben werden. Der spezifische Wärmeeintrag aus dem Vergasungsraum 5 liegt bei ca. 150 kW/m². Die mit dem Kohlestaub 3 eingetragene Asche wird bei den angegebenen Vergasungstemperaturen aufgeschmolzen und verlässt als flüssige Schlacke den Vergasungsraum 5 über die Rohgas- und Schlackeabführung 6 und gelangt in den Quenchraum 12. Durch Einspritzen von Wasser über eine bestimmte Anzahl von Quenchdüsen 7 wird das Rohgas gekühlt. Die Kühlung des Rohgases kann bis zum Wasserdampftaupunkt geführt werden, der bei 4 MPa (40 bar) im Bereich von 190–230°C liegt. Es ist aber auch eine partielle Kühlung auf Temperaturen zwischen 600–1.200°C möglich, wobei das Rohgas oberhalb des Taupunktes den Quenchraum 12 über die Rohgasabführung 10 verlässt. Bei voller Abkühlung kann das Rohgas anschießend direkt weiteren Behandlungsstufen zur Reinigung und Konditionierung, bei partieller Kühlung gleichfalls über die Rohgasabführung 10 zunächst einem Abhitzekessel und danach weiteren Behandlungsstufen zugeführt werden. Die Schlacke wird gleichfalls im Quenchraum 12 gekühlt, granuliert, im Wasserbad 8 als Schlacke 11 abgelagert und über den Schlackeaustrag 9 aus dem Prozess ausgetragen. Dem Schlackeaustrag 9 kann zum störungsfreien Schlackeabzug ein Schlackebrecher nachgeordnet sein.
Die Funktionalität des Zentralrohres gemäß des Standes der Technik, das mit der Problematik der Ablagerung und der damit einhergehend eingeschränkten Verfügbarkeit behaftet ist, ist bei der Erfindung durch eine Quenchung im Freiraum ersetzt. Dabei bleibt der Quenchraum frei von Einbauten, auf denen sich Ablagerungen bilden können. Das erforderliche Kühlwasser wird über Düsen eingebracht, die in regelmäßigen Abständen um den Quenchraum im Bereich des Druckmantels angeordnet sind.
In dem Flugstromreaktor nach 2 werden 300 t/h Brennstoff 3, insbesondere in Form aufgemahlenen Staubes, mit Dampf und Sauerstoff als Vergasungsmittel 2 zu Rohsynthesegas umgesetzt. Der Vergasungsdruck beträgt 3 MPa (30 bar), die Vergasungstemperatur 1.540°C. Es werden vier Vergasungsbrenner 1 eingesetzt, wobei jeder mit 75 t/h Brennstoffstaub beaufschlagt wird. Die vier Vergasungsbrenner 1 sind jeweils mit einem Abstand von 90° auf dem Umfang des Vergasungsreaktors angeordnet, so dass sich immer ein Vergasungsbrennpaar gegenübersteht. In einem oder mehreren der Vergasungsbrenner 1 ist ein Zünd- und Pilotbrenner integriert. Es besteht auch die Möglichkeit, dass zur Inbetriebnahme des Reaktors die Öffnung eines Vergasungsbrenners mit einem separaten Zünd- und Pilotbrenner bestückt wird und nach erfolgreicher Zündung eines oder mehrerer der Vergasungsbrenner 1 durch den vorgesehenen Vergasungsbrenner 1 ersetzt wird. Der Vergasungsraum 5 wird durch den Kühlschirm 4 mit waagerechter spiralförmiger 4 oder senkrechter Anordnung 13 der Kühlrohre begrenzt. Im Vergasungsraum 5 werden das heiße Rohgas und die flüssige Schlacke getrennt abgeführt. Das 1.540°C heiße Rohgas verlässt den Vergasungsraum 5 über die Rohgasabführung 14 und kann zunächst einer direkten Kühlung mit Wasser oder einer indirekten Kühlung zur Dampferzeugung unterzogen werden, bevor weitere Stufen zur Reinigung und Konditionierung folgen. Die hauptsächlich am Kühlschirm ablaufende flüssige Schlacke gelangt über die Schlackeabführung 15 in einen Quenchraum 12, in dem sie durch Einspritzen von Wasser über die Düsen 7 gekühlt oder direkt in ein Wasserbad 8 geführt und granuliert wird, sich als Haufwerk 11 sammelt und aus dem Prozess über den Schlackeaustrag 9 ausgeschleust wird.
In den Ausführungsbeispielen nach 1 und 2 ist auch möglich, die Mittelachsen 18 der Vergasungsbrenner in einem bestimmten Abstand zur Reaktorachse zu führen, wie dies 3 zeigt. Hierbei ist ein Vergasungsbrenner derart angeordnet, dass in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Reaktorachse die Mittelachse 18 des Vergasungsbrenners sowie der Radius zwischen Reaktorachse und Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum einen Winkel zwischen 0 und 30 Grad, vorzugsweise 16 Grad bilden. Die Achsen der Vergasungsbrenner 1 treffen sich also nicht auf der Reaktorachse 17, sondern bilden einen Winkel, der bis zu 30° betragen kann. Ein bevorzugter Bereich für diesen Winkel beträgt 3 bis 25 Grad. Hierbei sind die Vergasungsflammen von paarweise in Opposition angeordneten Vergasungsbrennern in vorteilhafter Weise gegeneinander verschränkt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei oder Mehrfache von zwei Vergasungsbrennern auf dem Umfang des Vergasungsreaktors angeordnet, wobei immer zwei paarweise gegenüberstehend angeordnet sind.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Vergasungsraum 5 des Reaktors durch einen Kühlschirm 4 begrenzt, der aus gasdicht verschweißten Rohren besteht, die waagerecht spiralförmig 4 oder senkrecht nach 13 angeordnet sind.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das heiße Rohgas und die flüssige Schlacke gemeinsam aus dem Vergasungsraum 5 über die Rohgas- und Schlackeabführung 6 ausgetragen.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das heiße Rohgas über die Rohgasabführung 14 getrennt von der flüs sigen Schlacke aus dem Vergasungsraum 5 abgeführt, wobei die Schlacke über die Schlackeabführung 15 in den Quenchraum 12 fließt und mit Wasser direkt gekühlt und granuliert wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird zur Inbetriebnahme anstelle eines Vergasungsbrenners 1 ein Zünd- und Pilotbrenner eingesetzt, der nach Zündung eines oder mehrerer Staubbrenner 1 wieder gegen einen Vergasungsbrenner 1 ausgetauscht wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung verlässt das im Quenchraum 12 gekühlte Rohgas wasserdampfgesättigt über die Rohgasabführung 10 den Quenchraum 12 und wird weiteren Behandlungsstufen zur Reinigung und Konditionierung zugeleitet.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Rohgas im Quenchraum 12 teilgekühlt, verlässt den Quenchraum teilgekühlt mit Temperaturen zwischen 600–1.200°C, wobei anschliessend die fühlbare Wärme des Rohgases durch eine indirekte Kühlung zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist dem Schlackeaustrag 9 ein Schlackebrecher nachgeordnet.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vergasungsbrenner derart angeordnet, dass ihre Mittelachsen 18 die Reaktorachse oberhalb der Oberkante des Rohgas- und Schlackeabgangs, insbesondere in einem Punkt, schneiden. Hierbei ist eine bauartbedingte Reduktion des Durchmessers des Reaktors möglich.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vergasungsbrenner derart angeordnet, dass in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Reaktorachse die Mittelachse eines jeweiligen Vergasungsbrenners sowie der Radius zwischen Reaktorachse und Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum einen Winkel zwischen größer Null und 16 Grad bilden. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft für eine Anordnung der Vergasungsbrenner mit einem Winkel nahe 90°Grad, also im Wesentlichen waagerecht zur senkrechten Zentralachse.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind außerhalb der Reaktorachse (Zentralachse) mehrere Vergasungsbrenner angeordnet, wobei die Mittelachse eines Vergasungsbrenners eine von der Parallelität zur Reaktorachse abweichende Schrägstellung aufweist, die in verschiedenen Winkeln bis hin zu einem Winkel von 90°Grad reichen kann, bei dem also im Wesentlichen waagerecht zur senkrechten Zentralachse die Vergasungsmedien in den Vergasungsraum eingeführt werden. Die Mittellinie muss dabei nicht notwendigerweise die Reaktorachse schneiden; vielmehr kann die Mittelachse die Reaktorachse in einem vorgegebenen Abstand passieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19718131 A1 [0004]
- DE 4446803 A1 [0005]
- DE 4109231 C2 [0005]
- CN 200420042007 [0005]
- CN 200410073361 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, S. 33 und S. 73 [0003]

Claims

Reaktor zur Flugstromvergasung für einen Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen, wobei unter flüssigen Brennstoffen öle oder feststoffhaltige öle sowie Suspensionen von Wasser oder Öl mit staubfein gemahlenen Brennstoffen oder anorganischen Beimengen zu verstehen sind, bei Drucken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa, Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C, sowie mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel, umfassend – einen Vergasungsraum (5), – einen Vergasungsbrenner (1), der im oberen Bereich des Vergasungsraumes angeordnet ist, – einen Quenchraum (12), der über einen Rohgas- und Schlackeabgang (6, 15) mit dem Vergasungsraum verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Vergasungsbrennern, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Reaktorachse angeordnet sind, wobei ein Vergasungsbrenner so angeordnet ist, dass seine Mittelachse (18) einen Winkel zur Horizontalen einnimmt, der zwischen 10 Grad nach oben und 80 Grad nach unten beträgt.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass zwei sich gegenüberliegende Vergasungsbrenner (1) angeordnet sind, deren Mittelachse (18) jeweils einen Winkel zur Horizontalen einnimmt, der zwischen 10 Grad nach oben und 10 Grad nach unten beträgt.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass ein Vergasungsbrenner derart angeordnet ist, dass in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Reaktorachse die Mittelachse des Vergasungsbrenners sowie der Radius zwischen Reaktorachse und Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum einen Winkel größer Null und 30 Grad bilden.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass die Vergasungsbrenner als Mehrfache Paare einander gegenüberliegender Vergasungsbrenner angeordnet sind.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass während der Inbetriebnahme anstelle eines Vergasungsbrenners ein Zünd- und Pilotbrenner einsetzbar ist, mit dem der oder die weiteren Vergasungsbrenner zündbar sind, wobei nach sicherer Zündung unter Normal- oder leichtem Überdruck der Zünd- und Pilotbrenner gegen den Vergasungsbrenner austauschbar ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass ein Zünd- und Pilotbrenner in wenigstens einem Vergasungsbrenner angeordnet ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass der Vergasungsraum durch einen Kühlschirm (4) begrenzt ist, dessen Kühlrohre waagerecht angeordnet sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet dass der Vergasungsraum durch einen Kühlschirm (13) begrenzt ist, dessen Kühlrohre senkrecht angeordnet sind.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass die Rohgasabführung (10) im Bereich des Quenchraums (12) angeordnet ist und das Rohgas und die flüssige Schlacke gemeinsam durch die Rohgas- und Schlackeabführung (6) aus dem Vergasungsraum (5) abführbar sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet dass die Rohgasabführung (14) im Bereich des Vergasungsraumes (5) angeordnet ist und das Rohgas über diese Rohgasabführung (14) aus dem Vergasungsraum (5) abführbar ist und die flüssige Schlacke getrennt von dem Rohgas durch die Rohgas- und Schlackeabführung (15) aus dem Vergasungsraum (5) abführbar ist.