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DE102006059149B4 - Flugstromreaktor zur Vergasung fester und flüssiger Energieträger - Google Patents

Flugstromreaktor zur Vergasung fester und flüssiger Energieträger Download PDF

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DE102006059149B4
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burner
reactor
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reactor axis
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Volker KIRCHHÜBEL
Matthias Köhler
Manfred Dr. Schingnitz
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Original Assignee
Siemens Corp
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Abstract

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 80 bar, 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) mit dem Vergasungsraum verbunden ist,
– eine Mehrzahl von Vergasungsbrennern, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Reaktorachse angeordnet sind,
– eine Bezugsebene (BE) für einen Vergasungsbrenner derart, dass die Reaktorachse in ihr liegt sowie die Senkrechte auf Bezugsebene und Reaktorachse durch die Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum geht und
– die Mittellinie (ML) des Vergasungsbrenners die Bezugsebene innerhalb des Vergasungsraums sowie zwischen...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Flugstromvergasung mit unterschiedlicher Brenneranordnung. 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 197 18 131 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 Schriften CN 2700718 Y und CN 1637118 A 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.
  • Aus der DE 4241283 A1 ist ein Vergasungsreaktor bekannt, bei dem ein separater Brenner derart dargestellt ist, dass seine Mittelachse die Reaktorachse schneidet.
  • Aus dem nicht vorveröffentlichen Dokument DE 10 2005 048 488 A1 ist ein Vergasungsreaktor mit mehreren Brennern bekannt.
  • Aus der DE 3534015 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Synthesegas bekannt, bei der mehrere Brenner zum Einführen von Brennstoffen in das Reaktionsgefäß derart angeordnet sind, dass sich ihre Mittelachsen auf oder in der Nähe der mittleren Längsachse des Reaktionsgefäßes schneiden und die Mitte des Flammenbereichs auf oder in der Nähe der mittleren Längsachse des Reaktionsgefäßes liegt.
  • Bewertung des Standes der Technik:
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in dem Reaktionsraum ein Strömungsprofil derart gestaltbar zu machen, dass die aus der Asche des Brennstoffs 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.
  • Erfindungsgemäß wir die Aufgabe durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Lehre gelöst.
  • Erfindungsgemäß sind außerhalb der Reaktorachse (Zentralachse) mehrere Vergasungsbrenner angeordnet, wobei die Mittellinie 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 des Vergasungsbrenners passiert dabei die Reaktorachse in einem vorgegebenen Abstand.
  • Diese Anordnung bringt eine signifikante Reduktion von unerwünschtem Austrag staubförmiger Feinschlacke, der schwer nutzbar ist, mit sich.
  • 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 einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vergasungsbrenner derart angeordnet, dass ihre Mittellinien 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 Mittellinie 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 zur senkrechten Zentralachse.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vergasungsbrenner sowie der Zünd- und Pilotbrenner in einem gemeinsamen Brennerflansch angeordnet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft für eine Anordnung der Vergasungsbrenner mit einem spitzen Winkel nahe Null Grad, also im Wesentlichen parallel zur senkrechten Zentralachse.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Vergasungsbrenner in einem gesonderten Brennerflansch angeordnet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft für eine Anordnung der Vergasungsbrenner mit einem Winkel nahe 90°Grad zur senkrechten Zentralachse.
  • Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine Mehrbrenneranordnung an einem zentralen Brennerflansch,
  • 2 eine erste Mehrbrenneranordnung mit Einzelflanschen,
  • 3 eine zweite Mehrbrenneranordnung mit Einzelflanschen und
  • 4 eine Vergasungsbrenneranordnung mit Abstand der Mittellinie von der Reaktorachse.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
  • Beispiel 1:
  • Mehrbrenneranordnung an einem zentralen Brennerflansch nach 1
  • In einem Flugstromreaktor werden 300 t/h Kohlenstaub 3 mit Sauerstoff und Dampf 2 als Vergasungsmittel zu Rohsynthesegas umgesetzt. Die Vergasungstemperatur beträgt 1.450°C, der Vergasungsdruck 40 bar. Am Kopf des Reaktors sind ein Zünd- und Pilotbrenner 13 sowie symmetrisch im Abstand von 120°Grad drei Vergasungsbrenner 1 angeordnet. Der Kohlenstaub 3 wird pneumatisch als Kohlenstaub-Fördergassuspension den Vergasungsbrennern 1 zugeführt, der Umsatz (Konversion) vollzieht sich im Vergasungsraum 5, dessen Kontur durch einen Kühlschirm 4 begrenzt wird, wobei der Kühlschirm mit gasdicht verschweißten und mit Kühlwasser durchströmten Rohren gebildet ist. Das heiße Vergasungsgas verlässt gemeinsam mit der flüssigen Schlacke den Vergasungsraum 5 und gelangt durch den Rohgas- und Schlackeabgang 6 in den Quenchraum 12, in den zur Kühlung von Rohgas und Schlacke über die Quenchdüsen 7 Wasser eingedüst wird. Der Quenchraum 12 ist frei von Einbauten oder sonstigen Flächen, die zur Ablagerung von Staub oder Schlacke führen können. Die Schlacke 11 lagert sich im Wasserbad 8 ab und wird über den Schlackeaustrag 9 abgeführt. Das gequenchte Rohgas verlässt wasserdampfgesättigt den Quenchraum 12 über die Rohgasabführung 10 und gelangt in nachfolgende Reinigungsstufen. Die Vergasungsbrenner 1 sowie der Zünd- und Pilotbrenner 13 sind über eine Brennerbefestigungseinheit 14 in den Vergasungsraum 5 geführt. Der Zünd- und Pilotbrenner 13 ist senkrecht in der Reaktorachse angeordnet, die Vergasungsbrenner 1 können parallel zur Reaktorachse oder in einem solchen Winkel angeordnet werden, dass sich ihre Mittellinien auf der Reaktorachse des Rohgas- und Schlackeabganges 6 treffen. In einem bevorzugten Winkelbereich weicht der Winkel zwischen der Mittellinie eines Vergasungsbrenners und der Parallelen durch die Eintrittsstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum zur Reaktorachse um 5 bis 30 Grad ab.
  • Beispiel 2:
  • Mehrbrenneranordnung mit Einzelflanschen nach 2
  • Die Anordnung entspricht prinzipiell dem Beispiel 1. Wenn der Winkel zwischen der Reaktorachse und der Achse der Vergasungsbrenner 1 einen bestimmten Wert überschreitet, ist eine Anordnung auf einen Brennerflansch 14 konstruktiv nicht mehr sinnvoll, weil er zu groß wird. In diesem Falle werden die Vergasungsbrenner 1 mit Einzelflanschen versehen. Durch diese Maßnahme besteht die Möglichkeit, die Vergasungsbrenner 1 wahlfrei anzuordnen, ohne dass Beschränkungen in der Wahl des Winkels zwischen Reaktor- und Vergasungsbrennerachse bestehen.
  • Beispiel 3:
  • Mehrbrenneranordnung mit Einzelflanschen nach 3 und 4:
  • Das Beispiel zeigt die Anordnung der Vergasungsbrenner 1 in einem Winkel von 90°Grad zur Reaktorachse, wobei der Zünd- und Pilotbrenner 13 senkrecht installiert ist. Die Vergasungsbrenner 1 werden paarweise gegenüber in Opposition angebracht, so dass die Vergasungsflammen in Strömungsrichtung nach unten in Richtung der Reaktorachse abgelenkt werden. Die Vergasungsbrenner 1 sind vorzugsweise paarweise also 2, 4 oder 6 Stück angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, den Zünd- und Pilotbrenner 13 in einen oder mehreren Vergasungsbrennern 1 zu integrieren.
  • Die Vergasungsbrenner 1 können mit staubförmigen oder mit flüssigen Brennstoffen beaufschlagt werden, wobei unter flüssigen Brennstoffen auch Suspensionen von Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl mit staubförmig zerkleinerten Brennstoffen oder anorganischen Beimengen zu verstehen sind.
  • Es ist erfindungswesentlich, die Vergasungsbrennerachsen in einem bestimmten Abstand zur Reaktorachse zu führen, wie dies Bild 4 zeigt. Hierbei ist ein Vergasungsbrenner derart angeordnet, dass in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Reaktorachse die Mittellinie des Vergasungsbrenners sowie der Radius zwischen Reaktorachse und Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum einen Winkel 16 zwischen 0 und 30 Grad bilden. Die Achsen der Vergasungsbrenner 1 treffen sich also nicht auf der Reaktorachse 17, sondern bilden einen Winkel 16, 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.
  • Weiterhin kann der Zünd- und Pilotbrenner 13 in einen oder mehrere Staubbrenner (Vergasungsbrenner 1) integriert sein.
  • Diese Ausführungsform erübrigt einen gesonderten Flansch für den Zünd- und Pilotbrenner.
    • 1
    Vergasungsbrenner
    2
    Vergasungsmittel
    3
    Brennstoff
    4
    Kühlschirm
    5
    Vergasungsraum
    6
    Rohgas- und Schlackeabgang
    7
    Quenchdüse
    8
    Wasserbad
    9
    Schlackeaustrag
    10
    Rohgasabkühlführung
    11
    Schlackeablagerung
    12
    Quenchraum
    13
    Zünd- und Pilotbrenner
    14
    gemeinsamer Brennerflansch
    15
    Einzelbrennerflansche
    16
    Winkel zwischen Reaktor und Vergasungsbrennerachse
    17
    gedachte Reaktorachse

Claims (7)

  1. 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 80 bar, 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) mit dem Vergasungsraum verbunden ist, – eine Mehrzahl von Vergasungsbrennern, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Reaktorachse angeordnet sind, – eine Bezugsebene (BE) für einen Vergasungsbrenner derart, dass die Reaktorachse in ihr liegt sowie die Senkrechte auf Bezugsebene und Reaktorachse durch die Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum geht und – die Mittellinie (ML) des Vergasungsbrenners die Bezugsebene innerhalb des Vergasungsraums sowie zwischen Höhe der Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum und Oberkante des Rohgas- und Schlackeabganges schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Mittellinie (ML) die Reaktorachse in einem vorgegebenen Abstand passiert und – die Vergasungsflammen der Vergasungsbrenner gegeneinander verschränkt sind.
  2. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vergasungsbrenner, der derart angeordnet ist, dass in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Reaktorachse die Mittellinie des Vergasungsbrenners sowie der Radius zwischen Reaktorachse und Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum einen Winkel zwischen größer Null und 16 Grad bilden.
  3. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vergasungsbrenner, der derart angeordnet ist, dass in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Reaktorachse die Mittellinie des Vergasungsbrenners sowie der Radius zwischen Reaktorachse und Eintrittstelle des Vergasungsbrenners in den Vergasungsraum der Winkel 3 bis 25 Grad beträgt.
  4. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zünd- und Pilotbrenner (13) in der Reaktorachse angeordnet ist.
  5. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zünd- und Pilotbrenner in wenigstens einem Vergasungsbrenner angeordnet ist.
  6. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasungsbrenner sowie Zünd- und Pilotbrenner in einem gemeinsamen Brennerflansch (14) angeordnet sind.
  7. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergasungsbrenner in einem gesonderten Brennerflansch angeordnet ist.
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