DE102007020332A1

DE102007020332A1 - Einsatz einer Mischung von Kohlendoxid und Stickstoff als Inertisierungs- und Fördermedium in Staubeintragsystemen für die Kohlenstaubdruckvergasung

Info

Publication number: DE102007020332A1
Application number: DE102007020332A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Schingnitz; Günter TIETZE
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2008-11-06
Also published as: AU2008244398A8; WO2008132071A2; EP2142621A2; CA2685511A1; AU2008244398A1; US20100126068A1; WO2008132071A3; CN101679886A

Abstract

In einem Staubeintragsystem für die Kohlenstaubdruckvergasung, das einen Bunker (BK) zur Bevorratung des Kohlenstaubs, eine Anzahl von Staubeintragschleusen (SES) und ein Dosiergefäß (DG) umfasst, werden den mit Betriebshochdruck beaufschlagten Komponenten Staubeintragschleuse und Dosiergefäß als Inertisierungs- und Fördermedium bzw. Fluidierungsmedium eine Stickstoff N2/Kohlendioxid CO2-Mischung zugeführt. Die die Stickstoff N2/Kohlendioxid CO2-Mischung führenden Komponenten werden so weit beheizt, dass die Temperatur oberhalb der Grenze zum Zweiphasengebiet liegt. 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.

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaubdruckvergasung und eine Anordnung zur Staubeintragung für die Kohlenstaubdruckvergasung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 4.
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 bewahrt 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 Verfahren bzw. eine Anordnung eines Staubeintragsystems für die Kohlenstaubdruckvergasung derart weiterzubilden, dass der Stickstoffeintrag in das nachfolgende Vergasungssystem und die damit einhergehenden Nachteile begrenzt werden.
Das Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 4 gelöst.
Erfindungsgemäß wird der Forderung nach Begrenzung des Stickstoffanteils im Produktgas aus der Kohlenstaubdruckvergasung durch den Einsatz von Mischungen aus Kohlendioxid und Stickstoff als Inertisierungs- und Fördermedium im Kohlenstaubeintragsystem Rechnung getragen. Die mit der Stickstoff/Kohlendioxid-Mischung betriebenen Anlagenabschnitte werden soweit beheizt, dass eine Temperatur oberhalb der Grenze zum Zweiphasengebiet gegeben ist. In vorteilhafter Weise macht sich die Erfindung zu nutze, dass nicht sämtliche Komponenten mit der Stickstoff/Kohlendioxid -Mischung betrieben werden müssen, vielmehr dem Bunker als Inertisierungs- und Auflockerungsmedium – mit verringertem Aufwand gegenüber Kohlendioxid – erhitzter Stickstoff zugeführt wird.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird das Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischungsverhältnis nach dem höchstzulässigen Anteil von Stickstoff am Förderleitungseintritt zum Reaktor nach Maßgabe des höchstzulässigen Eintrags von Stickstoff in das Produktgas der Vergasungsanlage bemessen. Hierbei wird der für einen störungsfreien Betrieb des Staubeintragsystems erforderliche Beheizungsaufwand mit steigendem Stickstoffanteil in der Mischung und damit sinkendem Partialdruck des Kohlendioxids vermindert.
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 erfindungsgemäßen 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 oder mehrerer unter einem Betriebshochdruck von beispielsweise 40 bar stehenden Staubeintragschleusen SES zuführbar. Der Staubeintragschleuse ist als Inertisierungs- und Fördermedium eine Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung zuführbar mit einer Temperatur oberhalb der Grenze zum Zweiphasengebiet bei Betriebshochdruck. Im oberen Bereich der Staubeintragschleuse wird das Entspannungsgas abgeführt, über eine mehrstufige Entspannungsvorrichtung mEV auf Umgebungsdruck entspannt und in einem nachfolgenden Filter F unter Umgebungsdruck entstaubt. Die Feststoffübernahme aus den Staubeintragschleusen in das Dosiergefäß DG erfolgt durch Schwerkraftförderung über eine ausreichend dimensionierte Fallleitung. Je Staubeintragsystem sind zwei bis vier Staubeintragschleusen im Einsatz.
Als Fluidisierungsgas wird die Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung 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 der Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung gefüllt ist und für die Fluidisierung ebenfalls die Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung eingesetzt wird, besteht das Staubbegleitgas am Förderleitungseintritt zum Reaktor aus dieser Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung.
Als Injektionsgas wird ebenfalls die Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung genutzt. Das Injektionsgas wird in die Kohlenstaubförderleitungen eingeleitet. Injektionsgaszuführungen können erforderlich werden, um Störungen der Kohlenstaubzuführung zum Reaktor schnell genug zu erkennen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in sämtlichen unter Hochdruck zu betreibenden Verfahrenabschnitten des Eintragsystems, namentlich der Staubeintragschleuse und das Dosiergefäß, eine Kohlendioxid-Stickstoff-Mischung gleicher Zusammensetzung einzusetzen.
Um die aus dem Anfall von flüssigem Kohlendioxid resultierenden Risiken bei seinem Einsatz als Inertisierungs- und Fördermedium in Kohlenstaubeintragsystemen zu vermindern bzw. um den erforderlichen Beheizungsaufwand bei Einsatz von reinem Kohlendioxid zu reduzieren, wird mit Mischungen der beiden Inertgaskomponenten Kohlendioxid und Stickstoff gearbeitet.
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.
Die Mischung der beiden Inertisierungs- und Fördermedien wird in geeigneter Weise erzeugt und für den Einsatz im Staubeintragsystem bereitgestellt. Die aus der Verwendung von Kohlendioxid als Inertisierungs- und Fördergas resultierenden Probleme bzw. der für einen störungsfreien Betrieb des Staubeintragsystems erforderliche Beheizungsaufwand werden mit steigendem Stickstoffanteil in der Mischung und damit sinkendem Partialdruck des Kohlendioxids vermindert.
Der zulässige Stickstoffanteil in der Mischung ergibt sich aus dem gerade noch vertretbaren Stickstoffeintrag in das Produktgas der Vergasungsanlage.
Typische Mischungsverhältnisse Kohlendioxid/Stickstoff sind 75/25, 60/40, 50/50, 40/60 oder 25/75.
Das Kohlendioxid/Stickstoff-Gemisch wird bereits an der Anlagengrenze mit ausreichend hoher Temperatur übernommen. Der Abkühlung des Gases bei der Bevorratung, Fortleitung sowie der verfahrensspezifischen Nutzung selbst ist durch ein geeignetes Beheizungssystem entgegenzuwirken.
Von besonderer Bedeutung ist es, die Temperatur des in der vorgeschalteten Mahltrocknungsanlage erzeugten Kohlenstaubs bis zum Förderleitungseintritt FLE in den Reaktor durchgängig auf einem ausreichend hohen Niveau zu halten. Aus diesem Grund wird auch der bei Umgebungsdruck arbeitende und mit Stickstoff als Inertisierungs- und Auflockerungsmedium beaufschlagte Kohlenstaubbunker beheizt. Ebenso wird der zugeführte Stickstoff erwärmt, um eine Staubabkühlung z. B. bei längeren Anlagenstillständen zu vermeiden. Erfindungsgemäß ist eine durchgängige Beheizung in den Verfahrensabschnitten Gasspeicherung, -fortleitung und Dosiersystem selbst gegeben.
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 Staubeintragschleuse 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 erhitzter Stickstoff N₂ zugeführt wird, der Staubeintragschleuse als Inertisierungs- und Fördermedium eine Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂ -Mischung zugeführt wird und dem Dosiergefäß als Fluidierungsmedium die Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung auf eine Temperatur aufgeheizt wird, oberhalb der Grenze zum Zweiphasengebiet bei Verfahrenshochdruck (im Hochdruckbereich des Systems).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischungsverhältnis nach dem höchstzulässigen Anteil von Stickstoff am Förderleitungseintritt zum Reaktor nach Maßgabe des höchstzulässigen Eintrags von Stickstoff in das Produktgas der Vergasungsanlage bemessen wird.
Anordnung zur Staubeintragung für die Kohlenstaubdruckvergasung, umfassend einen mit Umgebungsdruck beaufschlagten Bunker zur Bevorratung des Kohlenstaubs, eine mit Betriebshochdruck beaufschlagbare Staubeintragschleuse, ein mit Betriebshochdruck beaufschlagbare Dosiergefäß wobei der Bunker beheizbar ist, dem Bunker als Inertisierungs- und Auflockerungsmedium erhitzter Stickstoff zuführbar ist, der Staubeintragschleuse als Inertisierungs- und Fördermedium eine Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung zuführbar ist, dem Dosiergefäß als Fluidierungsmedium die Stickstoff N₂/Kohlendioxid CO₂-Mischung zuführbar ist.