DE102016211869A1

DE102016211869A1 - Combined free space quench for a high flow entrainment gasification reactor with quench and scrubbing stage

Info

Publication number: DE102016211869A1
Application number: DE102016211869.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Gregor Straßberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Es wird ein Quench- und Waschsystem zur Behandlung heißer Rohgase und flüssiger Schlacke vorgeschlagen, das einer Flugstromvergasung nachgelagert ist. In der ersten primären Stufe wird unmittelbar am Ende eines Leitrohres am Reaktorausgang Kühl- und Quenchwasser über verschiedene Quenchringe stufenweise eingedüst, und die Schlacke und das Rohgas bis auf Sättigungstemperatur unter Nutzung von Düsen mit kleinem Tropfenspektrum abgekühlt. In einer sekundären Waschstufe, erfolgt die Reinigung des Rohgases von Grobstaub- und Schlackepartikeln über einen Waschring mit Düsen zur Erzeugung großer Tropfendurchmesser. Die restliche Reinigung erfolgt durch intensive Besprühung in einer tertiären Waschstufe innerhalb einer Rohgashaube über weitere Düsen zur Erzeugung großer Tropfendurchmesser.A quench and wash system is proposed for the treatment of hot raw gases and liquid slag downstream of an entrainment gasification plant. In the first primary stage, cooling and quench water are injected in stages via various quench rings directly at the end of a guide tube at the reactor outlet, and the slag and the crude gas are cooled down to saturation temperature using nozzles with a small droplet spectrum. In a secondary washing stage, the purification of the raw gas from coarse dust and slag particles via a washing ring with nozzles to produce large droplet diameter. The remaining cleaning is carried out by intensive spraying in a tertiary washing stage within a crude gas hood via other nozzles for producing large droplet diameter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Quenchen von Rohgas eines Flugstromvergasers hoher Leistung. The invention relates to a device for quenching raw gas of a high-performance Flugstromvergasers.

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Behandlung von Rohgasen in einer kombinierten Quench- und Waschstufe, die einem Flugstromvergasungsreaktor nachgeschaltet ist, in welchem Brennstäube mit Sauerstoff und bei Temperaturen zwischen 1200–1900°C und Drücken bis 10 MPa zu einem CO- und H₂-reichen Rohgas umgesetzt werden. Unter Brennstäuben sind fein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Stäube aus Biomassen, Produkte der thermischen Vorbehandlung wie Kokse, durch sogenannte Torrefaction gewonnene Dörrprodukte, sowie heizwertreiche Fraktionen aus kommunalen und gewerblichen Rest- und Abfallstoffen zu verstehen. Die Brennstäube können als Gas-Feststoff- oder als Flüssig-Feststoff-Suspension der Vergasung zugeführt werden. Zusätzlich oder ausschließlich können flüssige Brennstoffe vergast werden. Die Vergasungsreaktoren können mit einem Kühlschirm oder mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein, wie die Patentdokumente DE 4446803 und EP 0677567 zeigen. The invention relates to apparatus for the treatment of raw gases in a combined quenching and washing stage, which is downstream of an entrained flow gasification reactor, in which fuel dusts with oxygen and at temperatures between 1200-1900 ° C and pressures up to 10 MPa to a CO and H ₂ -rich raw gas can be implemented. Fumigants are finely ground coals of varying degrees of coalification, dusts from biomass, products of thermal pretreatment, such as coke, dehydrated products obtained through so-called Torrefaction, as well as high-calorific fractions from municipal and industrial residues and waste. The fuel dusts can be fed to the gasification as a gas-solid or as a liquid-solid suspension. Additionally or exclusively, liquid fuels can be gasified. The gasification reactors may be provided with a cooling screen or with a refractory lining, such as the patent documents DE 4446803 and EP 0677567 demonstrate.

Wie in dem Patentdokument DE 10 2013 217447 beschrieben, verursacht die Flugstromvergasung aufgrund der staubfein aufgemahlenen Brennstoffpartikel, der enthaltenen inerten Bestandteile und kurzer Reaktionszeiten im Vergasungsraum einen erhöhten Staubanteil im Rohgas. As in the patent document DE 10 2013 217447 described, caused the entrained flow gasification due to the pulverized fine ground fuel particles, the inert components contained and short reaction times in the gasification room increased dust content in the raw gas.

Der bisherige Stand der Technik ist in den Patentdokumenten DE 10 2005 041 930 , DE 10 2014 203639 und DE 10 2013 217447 wiedergegeben. Danach verlässt das Vergasungsrohgas gemeinsam mit der aus der Brennstoffasche gebildeten Schlacke bei Temperaturen von 1200–1900°C den Vergasungsraum und wird in einem nachfolgenden Quenchraum durch Einspritzen von Überschusswasser gekühlt und von der Schlacke und eines Anteiles des mitgeführten Staubes gereinigt, wobei der Quenchraum als Freiraumquench, wie in DE 10 2014 203639 gestaltet, oder mit einem rohgasführenden Zentralrohr, wie in DE 10 2013 217447 beschrieben, ausgestattet sein kann. Ein Freiraumquenchsystem ist beispielsweise in DE 10 2007 042543 offenbart, bei dem das den Vergasungsraum verlassende Rohgas mit Wasser besprüht und im Unterteil unter einer Dachkonstruktion abgezogen wird. DE 10 2006 031816 zeigt einen freien Quenchraum völlig ohne Einbauten, wobei in einer oder mehreren Ebenen Quenchwasser in einer solchen Menge eingedüst wird, dass das Rohgas gekühlt und mit Wasserdampf gesättigt wird und das überschüssige Quenchwasser im Unterteil allein oder gemeinsam mit abgeschiedener Schlacke abgezogen wird. Varianten mit Zentralrohr zeigen die Patentdokumente DE 199 52 754 , bei dem das Zentralrohr in Form eines Venturirohres ausgebildet ist, DD 145 860 , bei dem das Rohgas am Ende des Zentralrohres einer zusätzlichen Wäsche in Form einer Mammutpumpe unterworfen wird und DD 265 051 , bei dem am Ende des Zentralrohres Elemente zur Verteilung des ausströmenden Rohgases für ein gleichmäßiges Abströmen sorgen sollen. The prior art is in the patent documents DE 10 2005 041 930 . DE 10 2014 203639 and DE 10 2013 217447 played. Thereafter, the gasification raw gas leaves together with the slag formed from the fuel ash at temperatures of 1200-1900 ° C the gasification chamber and is cooled in a subsequent quench by injecting excess water and purified from the slag and a portion of the entrained dust, the quenching space as Frequaumquench , as in DE 10 2014 203639 designed, or with a rohgasführenden central tube, as in DE 10 2013 217447 described, can be equipped. A free space quench system is for example in DE 10 2007 042543 discloses in which the raw gas leaving the gasification room is sprayed with water and withdrawn in the lower part under a roof structure. DE 10 2006 031816 shows a free quench space completely without internals, wherein in one or more levels quench water is injected in such an amount that the raw gas is cooled and saturated with water vapor and the excess quench water is withdrawn in the lower part alone or together with deposited slag. Versions with central tube show the patent documents DE 199 52 754 in which the central tube is designed in the form of a Venturi tube, DD 145 860 in which the raw gas is subjected at the end of the central tube of an additional laundry in the form of a mammoth pump and DD 265 051 , in which at the end of the central tube elements to distribute the outflowing raw gas to ensure a uniform outflow.

Die Lösung gemäß Patentdokument DE 10 2007 042 543 besitzt den Nachteil, dass der Freiraum durch Rohrleitungen größeren Durchmessers für die Rohgasabführung und die Dachkonstruktion Ablagerungsflächen für mitgeführte Schlacken und Stäube bietet, was zu Verstopfungen führen kann. The solution according to patent document DE 10 2007 042 543 has the disadvantage that the space provided by pipes of larger diameter for the Rohgasabführung and the roof structure deposition surfaces for entrained slags and dusts, which can lead to blockages.

DE 10 2006 031816 erfordert ein gleichmäßiges Abströmen des heißen Rohgases aus dem Vergasungsraum, weil sonst die Gefahr der thermischen Überlastung der drucktragenden Behälterwände bestehen könnte. Die Anordnung eines Venturirohres nach DE 199 52 754 kann zu unerwünschten Druckschwankungen im Vergasungsraum führen, die wegen ihrer kurzen Wirkungszeit regelungstechnisch kaum auszugleichen sind. Einbauten in den Quench- und Waschraum, wie in den Patentdokumenten DD 256 051 und DD 224 045 , können durch die puzzolanischen Eigenschaften besonders der Feinstaubanteile bei bestimmten Kohle- und Aschetypen zu zementfesten Aufwachsungen führen, die gleichfalls zu Verstopfungen und zur Erhöhung des Druckverlustes führen. DE 10 2006 031816 requires a uniform outflow of hot raw gas from the gasification chamber, otherwise the risk of thermal overload of the pressure-bearing container walls could exist. The arrangement of a Venturi tube after DE 199 52 754 can lead to undesirable pressure fluctuations in the gasification chamber, which are hardly compensated control technology because of their short duration of action. Internals in the quench and washroom, as in the patent documents DD 256 051 and DD 224 045 , the pozzolanic properties of particulate matter in particular types of coal and ash can lead to cement-resistant growths, which also lead to blockages and increase the pressure loss.

Lösungen mit einem Zentralrohr, wie in dem Patentdokument DE 10 2013 217447 beschrieben, können bei Flugstromvergasern großer Leistung und hohen Vergasungstemperaturen sowie ungleichmäßiger Benetzung des Innenrohres mit Wasser zu einer thermischen Zerstörung des Zentralrohres führen. Neben dieser Einschränkung ist der Einsatz von Zentralrohren auch bei Schlacken, welche ein kritisches Viskositätsverhalten aufweisen problematisch, da aufgrund des begrenzten Zentralrohrdurchmessers Verblockungen und Schlackefäden entstehen können. Der damit ansteigende Differenzdruck über dem Zentralrohr stellt ein hohes Risiko für die Verfügbarkeit dar und kann zu einer sicherheitstechnischen Abschaltung des Flugstromvergasers führen. Solutions with a central tube, as in the patent document DE 10 2013 217447 described, may entail a thermal destruction of the central tube in entrainment gasifiers large power and high gasification temperatures and uneven wetting of the inner tube with water. In addition to this limitation, the use of central tubes is also problematic with slags which have a critical viscosity behavior, since due to the limited central tube diameter blockages and slag threads can arise. The thus increasing differential pressure above the central pipe represents a high risk for availability and can lead to a safety-related shutdown of Flugstromvergasers.

Aus dem Patentdokument DE102008035295 ist ein gestufter Quench zur Konvertierung von Rohgasen, die bei der autothermen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen bei Temperaturen von 1300 bis 1800 °C und Drücken bis 10 MPa entstehen, bekannt, bei dem ein Teil der Düsen zum Zwecke der Wasserdampferzeugung im Quenchraum für die tangentiale Einspritzung ausgelegt ist, während die übrigen Düsen zum Zwecke der schnellen Abkühlung der Vergasungsprodukte und Nebenprodukte für die radiale Einspritzung ausgelegt sind. From the patent document DE102008035295 is a stepped quench for the conversion of raw gases resulting from the autothermal gasification of carbonaceous feedstocks at temperatures of 1300 to 1800 ° C and pressures to 10 MPa known, in which a part of the nozzles for the purpose of steam generation in the quenching space for the tangential injection is designed while the remaining nozzles for the purpose of rapid cooling the gasification products and by-products are designed for radial injection.

Aus dem Patentdokument DE102010033323 ist ein Quencher für Flugstromvergaser höherer Leistungsklassen bekannt, bei dem in mehreren Ebenen am Quenchermantel angeordnete Quenchdüsen mit unmittelbar am Gaseintritt in den Quencher angeordneten Düsen kombiniert sind. From the patent document DE102010033323 is a quencher for Flugstromvergaser higher performance classes is known in which arranged in several levels on the Quenchermantel quench nozzles are combined with directly arranged at the gas inlet into the quencher nozzles.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Quencher für einen Flugstromvergaser hoher Leistung, wie zum Beispiel für die Leistungsklasse 1000 MW, bereitzustellen, der zum Einen eine Abkühlung des heißen Rohgases bis auf die vom Verfahrensdruck bedingte Temperatur der Wasserdampfsättigung, zum Anderen eine weitgehende Abscheidung von erosiven Partikeln, Schlacke und Staub und zum Weiteren einen erhöhten Wasserstoffanteil im Rohgas mit sich bringt. The object of the invention is to provide a quencher for a high-performance Flugstromvergaser, such as for the power class 1000 MW, on the one hand, a cooling of the hot raw gas to the process pressure caused by the temperature of the water vapor saturation, on the other hand, a large separation of erosive Particles, slag and dust and also brings an increased hydrogen content in the raw gas with it.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. The object is achieved by a device having the features of the first claim.

Erfindungsgemäß wird das 1200 bis 1900°C heiße Vergasungsrohgas bei Drücken bis 10 MPa einem mehrstufigen Kühl- und Waschsystem unterzogen. Dabei wird das Rohgas 11 aus dem Vergasungsraum 1 über eine gemeinsame wassergekühlte Gas- und Schlackeaustrittsvorrichtung 16 und ein anschließendes gleichfalls wassergekühltes Leitrohr 20 geführt und der Quenchzone 2 zur Temperaturreduzierung zugeführt. Die Quenchzone unterteilt sich in mehrere Düsenebenen, wobei jeder Düsenring 13, 15, 9 eine unterschiedliche Eindringtiefe aufweisen können und die Einzeldüsen derart auf den Düsenringen angeordnet sein können, dass eine vollständige flächenseitige Überdeckung und Wasserverteilung innerhalb der Quenchzone erreicht werden. Durch eine sowohl in Tiefe als auch Umfang versetzte Anordnung der Quenchdüsen kann sichergestellt werden, dass eine schnelle und gleichverteilte Temperaturreduzierung erfolgt, heiße Gassträhnen vermieden werden und das Rohgas auf kurzem Wege bis auf Sättigungstemperatur abgekühlt wird. Diese Anordnung bringt eine kompakte, robuste und aufwandsoptimierte Ausführung mit sich. According to the invention, the 1200 to 1900 ° C hot gas raw gas is subjected to a multi-stage cooling and washing system at pressures up to 10 MPa. This is the raw gas 11 from the gasification room 1 via a common water-cooled gas and slag outlet device 16 and a subsequent likewise water-cooled draft tube 20 led and the quench zone 2 supplied for temperature reduction. The quench zone is divided into several nozzle planes, each nozzle ring 13 . 15 . 9 may have a different penetration depth and the individual nozzles may be arranged on the nozzle rings such that a full area coverage and water distribution within the quench zone can be achieved. By an arrangement of the quench nozzles offset both in depth and in circumference, it can be ensured that a rapid and uniformly distributed temperature reduction takes place, hot gas strands are avoided and the raw gas is cooled to saturation temperature over a short path. This arrangement brings a compact, robust and cost-optimized design with it.

Erfindungsgemäß ist im Quenchraum unterhalb der Quenchringe ein Waschring, aufweisend Waschdüsen 17 zum Eindüsen von Waschwasser mit einem mittleren Tropfendurchmesser von > 500 µm in das Rohgas angeordnet. Hierdurch wird eine Abscheidung von größeren und damit errosiveren Partikel bereits im Quencher 2 bewirkt. According to the invention, a washing ring, comprising washing nozzles, is provided in the quench space below the quench rings 17 arranged for injecting washing water with a mean drop diameter of> 500 microns in the raw gas. This is a deposition of larger and thus errosiveren particles already in the quencher 2 causes.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Quenchers mit mehreren hintereinander geschalteten Quenchstufen und einer Waschstufe bewirkt durch eine gestufte Abkühlung des heißen Rohgases bis auf die vom Verfahrensdruck bedingte Temperatur der Wasserdampfsättigung und die dabei ablaufende Konvertierungsreaktion zwischen Kohlenmonoxid und Wasserdampf einen erhöhten Wasserstoffanteil im Rohgas. The embodiment of the quencher according to the invention with a plurality of quench stages connected in series and a washing stage brings about an increased hydrogen content in the raw gas through a stepped cooling of the hot raw gas to the temperature of the water vapor saturation conditioned by the process pressure and the resulting conversion reaction between carbon monoxide and water vapor.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind die Quenchdüsen 13, 15, 9 aufeinander folgender oder benachbarter Quenchringe bezüglich der Zentralachse 21 auf ihrem jeweiligen Quenchringumfang winkelversetzt zueinander angeordnet, womit eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Kernströmung 11 erzielt wird. In a particular embodiment of the invention, the quench nozzles 13 . 15 . 9 successive or adjacent quench rings with respect to the central axis 21 arranged angularly offset from one another on their respective Quenchringumfang, whereby a uniform temperature distribution in the core flow 11 is achieved.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung beträgt der mittlere Radius des Quenchrings mit den Quenchdüsen 9 zwei Drittel des großen Radius des Quenchrings mit den Quenchdüsen 15. In a particular embodiment of the invention, the mean radius of the quench ring with the quench nozzles 9 two thirds of the large radius of the quench ring with the quench nozzles 15 ,

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Trennbarkeit der Partikel vom Rohgas von ihrem Durchmesser, aber auch von deren Zusammensetzung abhängig ist. The invention makes use of the knowledge that the separability of the particles from the raw gas depends on their diameter, but also on their composition.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Waschring auf halber Höhe zwischen Leitrohr 16, 20 und Rohgasausgang 6 angeordnet. Diese Maßnahme bedingt eine Anordnung der Quenchdüsen, die erfindungsgemäß oberhalb des Waschrings positioniert sind, weit oben im Quenchraum, was einer Verschmutzung der Quenchdüsen durch die sich aufweitende Kernstömung 11 aus dem Leitrohr 16, 20 entgegenwirkt. In a particular embodiment of the invention, the washing ring is halfway between guide tube 16 . 20 and raw gas output 6 arranged. This measure requires an arrangement of the quench nozzles, which are positioned according to the invention above the wash ring, far above in the quench chamber, causing contamination of the quench nozzles by the expanding core flow 11 from the guide tube 16 . 20 counteracts.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Quenchdüsen 9 des Quenchrings mit dem mittleren Radius auf jeweils eines von mehreren Segmenten, die in den Quenchraum hineinragen, aufgeteilt und haben die Quenchdüsen 9 eines Segmentes eine gemeinsame Wasserzuführung durch den Druckmantel 3 und gegebenenfalls durch den Innenmantel 4. In a particular embodiment of the invention are several quench nozzles 9 of the quench ring with the average radius on each one of a plurality of segments which protrude into the quenching chamber, and have the quench nozzles 9 a segment of a common water supply through the pressure jacket 3 and optionally through the inner jacket 4 ,

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Quenchring in mehrere Segmente unterteilt, wobei eine Mindestanzahl von zwei Quenchdüsen 9 am Ende des jeweiligen Segments angeordnet ist und wobei die Quenchdüsen eines Segmentes eine gemeinsame Wasserzuführung durch den Druckmantel 3 und gegebenenfalls durch den Innenmantel 4 haben. Im Vergleich zu einer Einzeldurchführung der Düsen mit Hilfe aufwändiger Lanzen zeichnet sich diese Ausführung durch eine Reduzierung der Stutzenanzahl am Druckbehälter 3 aus. In a particular embodiment of the invention, a quench ring is divided into several segments, wherein a minimum number of two quench nozzles 9 is arranged at the end of the respective segment and wherein the quench nozzles of a segment a common water supply through the pressure jacket 3 and optionally through the inner jacket 4 to have. Compared to a single feedthrough of the nozzles with the help of elaborate lances, this design is characterized by a reduction in the number of nozzles on the pressure vessel 3 out.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: The invention will be described below as an exemplary embodiment in an understanding required extent explained in more detail with reference to figures. Showing:

1 einen erfindungsgemäßen Flugstromvergaser mit Freiraumquench hoher Leistung aufweisend eine Quenchzone und eine Waschzone sowie 1 an entrained flow gasifier according to the invention with free space quench high performance comprising a quench zone and a washing zone and

2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Quencher mit näheren Einzelheiten der Quenchdüsenanordnung. 2 a cross section through the quencher according to the invention with more details of the quench nozzle assembly.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente. In the figures, like names denote like elements.

Bei dem Flugstromvergaser in 1, der eine Zentralachse 21 aufweist, ist innerhalb eines Druckmantels 3 unter einem Reaktionsraum 1 ein Quenchraum 2 angeordnet. In dem Reaktionsraum, der durch einen Kühlschirm 12 begrenzt ist, werden Brennstäube mit Sauerstoff bei Temperaturen zwischen 1200–1900°C und unter Drücken bis 10 MPa zu Rohgas und flüssiger Schlacke umgesetzt, die über einen Gas- und Schlackeaustrag 16 und ein wassergekühltes Leitrohr 20 in eine Quench- und Waschvorrichtung 2 überführt werden. In dem Quenchraum 2 ist ein erster Quenchdüsenring 13 am Austritt des Leitrohres 20, konzentrisch zum Leitrohr und in zentraler Position zur Kernströmung 11 angeordnet, reicht (von der Innenwand des Quenchraums aus betrachtet) am weitesten in den Quenchraum hinein und reduziert die Temperatur des Gas- und Schlackestromes durch Wassereindüsung unter die Erweichungstemperatur der Schlacke von 800 bis 1000°C. Die Wassereindüsung erfolgt direkt in die heiße und nach unten gerichtete Kernströmung von Rohgas und flüssiger Schlacke. Gleichzeitig werden aufwärts strömende Gase im äußeren Bereich der Quenchzone in die Kernströmung ansaugt und bewirken neben der Wassereindüsung eine zusätzliche Abkühlung durch Gasmischung von aufwärts strömenden mit heißen, den Reaktor verlassenden Rohgasen. Diese zusätzliche Abkühlung wird durch einen weiteren Düsenring 15 am äußeren Rand des Quenchraumes, aber auch der Quenchzone, verstärkt, wobei der Düsenring 15 die aufwärts strömenden Gase bis auf 200°C abkühlt. Durch Mischung dieser abgekühlten aufwärts strömenden Gase mit heißem, den Vergasungsreaktor verlassenden Rohgas und der zusätzlichen Wassereindüsung 13 am Austritt des Leitrohres ist eine effektive und sehr schnelle Abkühlung auf 800–1000°C gegeben. Die weitere Abkühlung des Rohgases auf Sättigungstemperatur wird durch einen dritten Düsenring 9 erreicht, der in radialer Richtung zwischen dem inneren 13 und äußeren Düsenring 15 und unterhalb des äußeren Quenchringes 15 positioniert ist. Durch diese versetzte Anordnung wird sichergestellt, dass einerseits eine vollständige Abdeckung der Quenchfläche gegeben ist und andererseits der untere Düsenring 9 einen nach Möglichkeit kurzen Abstand zu der aus dem Reaktor austretenden Kernströmung 11 aufweist. Damit kann bei aufweitender Kernströmung eine Überhitzung der Düsen vermieden und gleichzeitig eine Durchdringung der Kernströmung erreicht werden. Zur Begrenzung der durch Schlackepartikel verursachten zementartigen Aufwachsungen, ist der untere Düsenring 9 in einer speziellen Ausführung in mehrere Segmente unterteilt, auf denen sich eine Mindestanzahl von zwei Düsen am Ende des jeweiligen Segments befinden. Damit wird eine Reduzierung der erforderlichen Haltekonstruktionen und Rohrleitungslängen erreicht und typische Ansätze für pozellanische Aufwachsungen vermieden. At the entrainment gasifier in 1 , which is a central axis 21 is inside a pressure jacket 3 under a reaction space 1 a quenching room 2 arranged. In the reaction chamber, passing through a cooling screen 12 is limited, are reacted with oxygen at temperatures between 1200-1900 ° C and under pressures up to 10 MPa to raw gas and liquid slag, which via a gas and Schlackeaustrag 16 and a water-cooled draft tube 20 in a quenching and washing device 2 be transferred. In the quench room 2 is a first quench nozzle ring 13 at the outlet of the guide tube 20 , concentric to the guide tube and in a central position to the core flow 11 arranged, extends (viewed from the inner wall of the quench space from the farthest into the quench chamber and reduces the temperature of the gas and slag stream by water injection below the softening temperature of the slag from 800 to 1000 ° C. The water injection takes place directly into the hot and downward core flow of raw gas and liquid slag. At the same time, upwardly flowing gases in the outer region of the quench zone are sucked into the core flow and cause, in addition to the injection of water, additional cooling by gas mixture of upflowing hot gases leaving the reactor. This additional cooling is provided by a further nozzle ring 15 reinforced at the outer edge of the quench, but also the quench zone, wherein the nozzle ring 15 the upflowing gases cool down to 200 ° C. By mixing these cooled upflowing gases with hot raw gas leaving the gasification reactor and the additional water injection 13 At the outlet of the guide tube, an effective and very rapid cooling to 800-1000 ° C is given. The further cooling of the raw gas to saturation temperature is achieved by a third nozzle ring 9 achieved in the radial direction between the inner 13 and outer nozzle ring 15 and below the outer quench ring 15 is positioned. This staggered arrangement ensures that on the one hand there is complete coverage of the quench surface and, on the other hand, the lower nozzle ring 9 a possibly short distance to the core flow exiting the reactor 11 having. This can be avoided with expanding core flow overheating of the nozzle and at the same time a penetration of the core flow can be achieved. To limit the cementitious growths caused by slag particles, the lower nozzle ring 9 divided in a special design into several segments, which have a minimum number of two nozzles at the end of the respective segment. This achieves a reduction in the required holding structures and pipe lengths and avoids typical approaches to porcelain growth.

Neben der Anordnung der Quenchdüsen für eine gleichmäßige Temperaturverteilung ist auch eine schnelle Verdampfung der Wasserpartikel anzustreben. Dies kann in vorteilhafterweise mit der Wahl spezieller Quenchdüsen, welche überwiegend Tropfen mit Durchmesser < 500 µm erzeugen, erreicht werden. Kleine Tropfen resultieren in einer großen stoffübertragenden Fläche und ermöglichen somit hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten auf kurzem Weg. In addition to the arrangement of the quench nozzles for a uniform temperature distribution and a fast evaporation of the water particles is desirable. This can be achieved advantageously with the choice of special quench nozzles, which predominantly produce drops with a diameter <500 μm. Small droplets result in a large mass-transferring surface and thus enable high evaporation rates in a short way.

Das in der Quenchzone bis auf Sättigungstemperatur abgekühlte Rohgas wird in einer weiteren Prozessstufe innerhalb des Druckmantels 3 von groben Staub- und Schlacketeilchen gereinigt. In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird hierfür unterhalb des letzten Quenchdüsenringes 9 ein weiterer Düsenring 17 angeordnet, welcher Tropfen mit wesentlich größerem Durchmesser als dem der Quenchdüsen erzeugt und gleichmäßig über den Querschnitt verteilt. Der mittlere Tropfendurchmesser dieser Düsen sollte größer als 500 µm und in besonders vorteilhafter Weise einen Durchmesser zwischen 500 und 1000 µm betragen, um somit die Masse der Staubpartikel durch Benetzung mit Wasser zu vergrößern und eine bessere Abscheidung nach dem Trägheitsprinzip zu ermöglichen. In einer weiteren vorteilhaften Anordnung ist der Waschring 17 auf halber Höhe zwischen Eintritt 20 des Rohgases in den Quench- und Waschraum 2 und dem Gasaustritt 6 aus dem Druckmantel 3 angeordnet. Die Abscheidung der mit Wasser vergrößerten Staubpartikel aus dem Rohgasstrom in das Wasserbad 7 am Boden des Druckmantels erfolgt durch Umlenkung des Gasstrahles in Richtung Gasaustritt 6 und Rohgashaube 19, wobei in einem weiteren Reinigungsschritt die Waschwirkung durch zusätzliche Wassereindüsung von größeren Tropfen > 500 µm unterhalb der Rohgashaube 19 verstärkt werden kann. Da unterhalb der Rohgashaube 19 die Wassertropfen im Gegenstrom zum Rohgas eingetragen werden, erhöht sich die Differenzgeschwindigkeit und damit die Benetzungswahrscheinlichkeit. Die nachfolgende Umlenkung des Rohgases am Gasaustritt 6 des Druckbehälters 3 führt zu einer verstärkten Abscheidung der benetzten Staubpartikel vor Verlassen des Druckmantels 3. The raw gas cooled down to saturation temperature in the quench zone is in a further process stage within the pressure jacket 3 cleaned of coarse dust and slag particles. In a particularly advantageous embodiment, this is below the last quench nozzle ring 9 another nozzle ring 17 arranged, which produces drops with a diameter substantially larger than that of the quench and uniformly distributed over the cross section. The average droplet diameter of these nozzles should be greater than 500 microns and in a particularly advantageous manner a diameter between 500 and 1000 microns, thus increasing the mass of the dust particles by wetting with water and to allow better separation on the principle of inertia. In a further advantageous arrangement, the washing ring 17 halfway between entry 20 of the raw gas in the quench and wash room 2 and the gas outlet 6 from the pressure jacket 3 arranged. The separation of the water-enlarged dust particles from the raw gas stream into the water bath 7 at the bottom of the pressure jacket by deflecting the gas jet in the direction of gas outlet 6 and raw gas hood 19 , wherein in a further cleaning step, the washing effect by additional water injection of larger drops> 500 microns below the Rohgaschaube 19 can be strengthened. As below the crude gas hood 19 the water drops are added in countercurrent to the raw gas, the differential speed increases and thus the wetting probability. The subsequent deflection of the raw gas at the gas outlet 6 of the pressure vessel 3 leads to an intensified Separation of wetted dust particles before leaving the pressure jacket 3 ,

Der Druckmantel 3 ist gegen Überhitzung, Abrasion und Korrosion durch einen Innenmantel 4 geschützt, wobei der Zwischenraum 10 laufend mit Wasser gespült wird, das auf der Innenseite des Innenmantels 4 als Wasserfilm nach unten fließt. Der abgeschiedene Grobstaub wird gemeinsam mit der Schlacke unten aus dem Quencher über den Schlackeaustrag 8 abgeführt. Der Wasserstand im Sumpf 7 wird durch eine geregelte Abführung des Überschusswassers auf dem gewünschten Niveau gehalten. The pressure jacket 3 is against overheating, abrasion and corrosion by an inner jacket 4 protected, with the gap 10 is continuously rinsed with water on the inside of the inner shell 4 as water film flows down. The separated coarse dust, along with the slag below, is removed from the quencher via the slag discharge 8th dissipated. The water level in the swamp 7 is kept at the desired level by a controlled discharge of excess water.

2 zeigt die winkelversetzte Anordnung von Quenchdüsen benachbarter Quenchringe 13, 15, 9. Quenchring 9 ist in drei Segmente aufgeteilt, die in den Quenchraum hineinragen. Ein Segment trägt mehrere Quenchdüsen und weist für diese eine gemeinsame Quenchwasser-Durchführung durch den Innenmantel 4 sowie den Druckmantel 3 auf. 2 shows the angular offset arrangement of quench nozzles of adjacent quench rings 13 . 15 . 9 , quench 9 is divided into three segments that protrude into the quench space. A segment carries a plurality of quench nozzles and has for this a common Quenchwasser implementation through the inner shell 4 as well as the pressure jacket 3 on.

Die Beschreibung kleiner, mittlerer und großer Radius für die Quenchringe betrifft den Abstand von der Zentralachse 21 bis zum Austritt des Quenchwassers aus dem Quenchkopf der jeweiligen Quenchdüse 13, 9, 15. The description of small, medium and large radius for the quench rings relates to the distance from the central axis 21 until the exit of the quench water from the quenching head of the respective quench nozzle 13 . 9 . 15 ,

Der große Radius ist annähernd gleich dem Abstand von der Zentralachse 21 zur Innenwand des Quenchraums 2, die durch den Druckmantel 3 oder gegebenenfalls durch den Innenmantel 4 gegeben ist. The large radius is approximately equal to the distance from the central axis 21 to the inner wall of the Quenchraums 2 passing through the pressure jacket 3 or optionally through the inner jacket 4 given is.

Der Quenchraum 2 weist auf der Höhe zwischen dem Auslass des Leitrohres 16, 20 und dem Rohgasabgang 6 einen annähernd konstanten Durchmesser auf. The quench room 2 indicates the height between the outlet of the guide tube 16 . 20 and the raw gas outlet 6 an approximately constant diameter.

Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Flugstromvergaser mit Freiraumquench hoher Leistung bestehend aus Quench- und Waschzone. The invention is also given by an entrained flow gasifier with Freiraumquench high performance consisting of quench and wash zone.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ragen die Düsenköpfe der Quenchdüsen 9 mindestens 1/3 des Durchmessers des Quenchraumes 2 in diesen hinein. In a particular embodiment of the invention, the nozzle heads of the quench nozzles protrude 9 at least 1/3 of the diameter of the quench space 2 into this.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren. The present invention has been explained in detail for illustrative purposes with reference to specific embodiments. In this case, elements of the individual embodiments can also be combined with each other. The invention is therefore not intended to be limited to individual embodiments, but merely to be limited by the appended claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Vergasungsreaktor gasification reactor
2 2: Quench- und Waschzone, Quenchraum Quenching and washing zone, quenching chamber
3 3: Druckmantel pressure shroud
4 4: Innenmantel inner sheath
5 5: Wassereindüsung in die Rohgashaube Water injection into the raw gas hood
6 6: Rohgasausgang Rohgasausgang
7 7: Wasserbad, Sumpf Water bath, swamp
8 8th: Schlackeaustrag slag discharge
9 9: Düsenring, zweiter Quenchring, mittlerer Quenchring Nozzle ring, second quench ring, middle quench ring
10 10: Ringspalt annular gap
11 11: Gas- und Schlackeaustritt aus dem Vergasungsreaktor Gas and slag exit from the gasification reactor
12 12: Schlackeaustrag slag discharge
13 13: kleiner Düsenring, erster Quenchring, innerer Quenchring small nozzle ring, first quench ring, inner quench ring
14 14: Abführung des Überschussquenchwassers Removal of surplus quench water
15 15: Quenchdüsen mit Einzeldurchführung, äußerer Quenchring Quench nozzles with single feedthrough, outer quench ring
16 16: gekühlter Schlackeauslauf cooled slag outlet
17 17: Waschdüsenring, Waschdüsen, Waschring Wash nozzle ring, wash nozzles, wash ring
18 18: Wasserüberlauf Water overflow
19 19: Rohgashaube Rohgashaube
20 20: Leitrohr guide tube
2121: Zentralachse central axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4446803 [0002] DE 4446803 [0002]
EP 0677567 [0002] EP 0677567 [0002]
DE 102013217447 [0003, 0004, 0004, 0007] DE 102013217447 [0003, 0004, 0004, 0007]
DE 102005041930 [0004] DE 102005041930 [0004]
DE 102014203639 [0004, 0004] DE 102014203639 [0004, 0004]
DE 102007042543 [0004, 0005] DE 102007042543 [0004, 0005]
DE 102006031816 [0004, 0006] DE 102006031816 [0004, 0006]
DE 19952754 [0004, 0006] DE 19952754 [0004, 0006]
DD 145860 [0004] DD 145860 [0004]
DD 265051 [0004] DD 265051 [0004]
DD 256051 [0006] DD 256051 [0006]
DD 224045 [0006] DD 224045 [0006]
DE 102008035295 [0008] DE 102008035295 [0008]
DE 102010033323 [0009] DE 102010033323 [0009]

Claims

Vorrichtung zur Behandlung von Rohgasen und flüssiger Schlacke, die bei der Flugstromvergasung mit Temperaturen von 1200 bis 1900°C und Drucken bis 10 MPa anfallen, wobei das heiße Rohgas und die flüssige Schlacke aus einem mit einem Kühlschirm (12) begrenzten Vergasungsreaktor (1) über einen Gas- und Schlackeaustrag (16) und einem wassergekühlten Leitrohr (20) in eine Quench- und Waschvorrichtung (2) überführt wird, bei der – in dem Druckmantel (3) des Flugstromvergasers unter einem Reaktionsraum (1) ein Quenchraum (2) angeordnet ist, – am unteren Ende des Leitrohres (20) in der Quenchzone mehrere Quenchringe (13, 15, 9) zur Quenchung des heißen Rohgases angeordnet sind, die derart ausgestaltet sind, dass die mitgeführte flüssige Schlacke mittels intensiver Verdüsung von Wasser mit einem mittleren Tropfendurchmesser von < 500 µm mindestens bis unter den Erweichungspunkt zwischen 800 und 1000°C abgekühlt wird, – mindestens ein Waschring (17) unterhalb der Quenchzone angeordnet ist, der Waschtropfen mit einem mittleren Tropfendurchmesser > 500 µm erzeugt, – eine Haube (19) angeordnet ist, die den Rohgasausgang (6) durch den Druckmantel (3) überdeckt und unterhalb der Haube Waschdüsen (5) zur Verdüsung von Wasser mit einem mittleren Tropfendurchmesser > 500 µm angeordnet sind. Device for the treatment of raw gases and liquid slag obtained in the entrained flow gasification with temperatures of 1200 to 1900 ° C and pressures up to 10 MPa, wherein the hot raw gas and the liquid slag from a with a cooling screen ( 12 ) limited gasification reactor ( 1 ) via a gas and slag discharge ( 16 ) and a water-cooled guide tube ( 20 ) into a quenching and washing device ( 2 ), in which - in the pressure jacket ( 3 ) of the entrained-flow gasifier under a reaction space ( 1 ) a quenching room ( 2 ) is arranged, - at the lower end of the guide tube ( 20 ) in the quench zone a plurality of quench rings ( 13 . 15 . 9 ) are arranged for quenching the hot raw gas, which are designed such that the entrained liquid slag is cooled by intensive atomization of water with a mean droplet diameter of <500 microns at least to below the softening point between 800 and 1000 ° C, - at least one washing ring ( 17 ) is arranged below the quench zone which produces wash drops with a mean drop diameter> 500 μm, - a hood ( 19 ) is arranged, which the raw gas output ( 6 ) through the pressure jacket ( 3 ) and below the hood washing nozzles ( 5 ) are arranged for the atomization of water with a mean drop diameter> 500 microns.

Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – im Quenchraum (2), nahe am und konzentrisch zum Leitrohr (16, 20) ein Quenchring mit kleinem Radius, aufweisend Quenchdüsen (13) zum Eindüsen von Quenchwasser in das Rohgas angeordnet ist, – im Quenchraum unterhalb des Quenchrings mit dem kleinen Radius ein Quenchring mit großem Radius, aufweisend Quenchdüsen (15) zum Eindüsen von Quenchwasser in das Rohgas angeordnet ist, – im Quenchraum unterhalb des Quenchrings mit dem großen Radius ein Quenchring mit mittlerem Radius, aufweisend Quenchdüsen (9) zum Eindüsen von Quenchwasser in das Rohgas angeordnet ist. Device according to claim 1, characterized in that - in the quenching chamber ( 2 ), close to and concentric with the guide tube ( 16 . 20 ) a quench ring with a small radius, comprising quench nozzles ( 13 ) is arranged for injecting quench water into the raw gas, - in the quench space below the quench ring with the small radius a quench ring with a large radius, comprising quench nozzles ( 15 ) is arranged for injecting quench water into the raw gas, - in the quench space below the quench ring with the large radius a quench ring with medium radius, comprising quench nozzles ( 9 ) is arranged for injecting quench water in the raw gas.

Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Radius 2/3 des großen Radius beträgt. Apparatus according to claim 2, characterized in that the average radius is 2/3 of the large radius.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass – mehrere Quenchdüsen (9) des Quenchrings mit dem mittleren Radius auf jeweils eines von mehreren Segmenten aufgeteilt sind und – die Quenchdüsen (9) eines Segmentes eine gemeinsame Wasserzuführung durch den Druckmantel (3) haben. Device according to one of the preceding claims 2 to 3, characterized in that - a plurality of quench nozzles ( 9 ) of the quench ring with the mean radius are each subdivided into one of a plurality of segments, and - the quench nozzles ( 9 ) of a segment a common water supply through the pressure jacket ( 3 ) to have.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (13, 15, 9) benachbarter Quenchringe auf ihrem jeweiligen Quenchringumfang winkelversetzt zu den Düsen des benachbarten Quenchringes angeordnet sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzles ( 13 . 15 . 9 ) adjacent quench rings are arranged on their respective Quenchringumfang angularly offset from the nozzles of the adjacent quench ring.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Waschring (17) auf halber Höhe zwischen Leitrohr (16, 20) und Rohgasausgang (6) angeordnet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the washing ring ( 17 ) halfway between guide tube ( 16 . 20 ) and raw gas output ( 6 ) is arranged.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Waschdüsen (17) schräg nach unten angestellt sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the washing nozzles ( 17 ) are made obliquely downwards.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Quenchraum (2) durch einen Innenmantel (4) begrenzt ist, wobei zwischen dem Innenmantel (4) und dem Druckmantel (3) ein Ringspalt (10) gebildet ist und am oberen Ende des Innenmantels ein Wasserüberlauf (18) aus dem Ringspalt in den Quenchraum gegeben ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the quenching space ( 2 ) by an inner jacket ( 4 ) is limited, wherein between the inner shell ( 4 ) and the pressure jacket ( 3 ) an annular gap ( 10 ) is formed and at the upper end of the inner shell a water overflow ( 18 ) is given from the annular gap in the Quenchraum.