DE102014203639A1

DE102014203639A1 - Staubabscheidung aus dem Rohgas einer Flugstromvergasung

Info

Publication number: DE102014203639A1
Application number: DE102014203639.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Manfred Schingnitz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03

Abstract

Zur Staubabscheidung aus Rohgasen der Flugstromvergasung von Brennstäuben unter Druck bis 10 MPa und Temperaturen, die über dem Schmelzpunkt der Brennstoffasche liegen, kommt ein mehrstufiges Gaswaschsystem zur Anwendung. Die erste Stufe besteht aus einem modifizierten Quenchsystem und einer nachgeschalteten Waschkolonne, die als Blasensäule arbeitet. Eine zweite Waschstufe besteht aus einem oder mehreren in Reihe geschalteten Venturiwäschern. Die dritte Waschstufe besteht aus mehreren Hochdruckzerstäubungen von Waschwasser, einem Teilkondensator zur Abkühlung des Rohgases um 1 bis 15°C mit Kondensatbildung und einer Abscheidekolonne, die mit Waschböden und einem kunststoffbeschichteten Demister ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Staubabscheidung aus Rohgasen der Flugstromvergasung von pneumatisch oder hydraulisch zugeführten Brennstäuben unter Drücken bis 10 MPa und Temperaturen zwischen 150 und 250°C im Zustand der Wasserdampfsättigung durch ein dreistufiges Gaswaschsystem.
Unter Brennstäuben werden fein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Stäube aus Biomassen, Produkte der thermischen Vorbehandlung wie Kokse, Dörrprodukte durch „Torrefaction“ sowie heizwertreiche Fraktionen aus kommunalen und gewerblichen Rest- und Abfallstoffen verstanden. Die Brennstäube können als Gas-Feststoff- oder als Flüssig-Feststoff-Suspension der Vergasung zugeführt werden. Die Vergasungsreaktoren können mit einem Kühlschirm oder mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein, wie die Patente DE 4446803 und EP 0677567 zeigen. Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei das Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, wie in DE 19718131 beschrieben. Eine ausführliche Beschreibung der Gesamttechnologie findet sich in J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSATIONSVERFAHREN, EF-Verlag, 1996, S. 25–53. Die Flugstromvergasung verursacht aufgrund der staubfein aufgemahlenen Brennstoffpartikel und kurzer Reaktionszeiten im Vergasungsraum einen erhöhten Staubanteil im Rohgas. Dieser Flugstaub besteht in Abhängigkeit von der Reaktionsfähigkeit des Brennstoffes aus Ruß, nicht umgesetzten Brennstoffpartikeln sowie feinen Schlacke- und Aschepartikeln. Die Größe variiert zwischen groben Partikeln mit einem Durchmesser größer 0,5 mm und feinen Partikeln mit einem Durchmesser bis zu 0,1 µm. Die Trennbarkeit der Partikel vom Rohgas ist von diesem Durchmesser aber auch deren Zusammensetzung abhängig. Grundsätzlich kann zwischen Russ und Asche einerseits sowie Schlackepartikeln andererseits unterschieden werden, wobei Russpartikel generell kleiner und schwieriger vom Rohgas zu trennen sind. Schlackepartikel haben eine höhere Dichte und damit eine bessere Trennbarkeit, weisen aber im Gegensatz dazu eine höhere Härte und damit erosive Wirkung auf. Dies führt zu verstärktem Verschleiß in den Trennabscheidern und rohgasführenden Leitungen, was sicherheitsrelevante Leckagen und Lebensdauereinschränkungen bewirken kann.
Der bisherige Stand der Technik ist im Patent DE 10 2005 041 930 sowie in „Die Veredelung von Kohle“, DGMK, Hamburg, Dezember 2008, Kapitel „GSP-Verfahren“ Seiten 537–553, besonders in den Abbildungen 4.4.2.4.13 und 4.4.2.9.1 dokumentiert. Danach verlässt das Vergasungsrohgas gemeinsam mit der aus der Brennstoffasche gebildeten Schlacke bei Temperaturen von 1.300–1.900°C den Vergasungsraum und wird in einem nachfolgenden Quenchraum durch Einspritzen von Überschusswasser gekühlt und von der Schlacke und im geringen Maße von mitgeführtem Staub befreit. Die weitere Staubentfernung geschieht in zwei in Reihe geschalteten Venturiwäschern, wobei der zweite Wascher über eine verstellbare Kehle verfügt, um die Geschwindigkeit in der Kehle auch bei wechselnder Rohgasmenge konstant halten zu können und damit eine gleichbleibende Geschwindigkeit für den mitgeführten Staub sicherzustellen. Die Gasreinigung wurde für Staubmengen von bis zu 2 g/m³ i.N. konzipiert und soll eine Staubmenge von 1–3 mg/m³ i.N. am Austritt erreichen, die für einen störungsfreien Betrieb der nachgeschalteten Anlagen, wie CO-Konvertierung, Synthesen oder Gasturbinen, notwendig ist. Zur Entfernung von Feinstäuben, besonders von Salznebeln, wird ein Teilkondensator betrieben, in dem das Rohgas um 1–15°C abgekühlt wird, wobei sich das Kondenswasser besonders an den Salzpartikeln niederschlägt und durch Abscheidung der Wassertröpfchen aus dem Rohgasstrom entfernt wird. Für Staubmengen größer als 2 g/m³ i.N. ist diese Anordnung bestehend aus zwei Venturies und einer Teilkondensationsstufe nur bedingt oder nicht ausreichend und kann zu wesentlich höheren Staubkonzentrationen im Eingang der CO-Konvertierung als auch zu verstärkter Erosion in den Venturiwäschern und weiter zu Verschmutzungen und Verblockungen im Teilkondensator sowie den nachgeschalteten Systemen führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die eine hohe Abscheidungsrate von Partikeln, insbesondere von Feinstaub aufweist, die bei einer zuverlässigen Betriebsweise den unterschiedlichen Aschegehalten und -eigenschaften der Brennstoffe Rechnung trägt und die eine hohe Verfügbarkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst, wobei Unteransprüche vorteilhafte Ausführungen zur Lösung der Aufgabenstellung aufzeigen.
Um die Vergasungsanlage für höhere Staubkonzentrationen, bestehend aus Grob- und Feinpartikeln, auszulegen, wird eine selektive Abscheidung der Partikel eingesetzt. Es wird eine Kombination aus Grob-Feinabscheidern vorgeschlagen, die in einem ersten Reinigungsschritt die groben und besonderes erosiven Partikel in einer robusten und gegebenenfalls mehrstufigen Waschstufe abtrennnt. Diese weist zunächst einen Quenchraum auf, in den Überschusswasser fein verteilt eingedüst wird und in dem neben der Kühlung des Rohgases gleichzeitig eine Abscheidung sehr grober Staubpartikel stattfindet. Das wird unterstützt durch die Anordnung einer Haube über dem Rohgasabgang, die in Verbindung mit einer von unten in die Haube hineinragenden Trennwand den Gasstrom zu einem dreifachen Richtungswechsel zwingt und zur Vermeidung von Anbackungen zusätzlich bedüst wird. Anschließend durchströmt das Rohgas eine Waschkolonne 12 mit Tauchrohr, wo es in der angestauten Waschflüssigkeit als Blasensäule nach oben steigt. Durch die geringe Geschwindigkeit in dem darüber liegenden Gasraum werden Staub-beladene Wassertropfen nicht mitgeführt und fallen in die Blasensäule zurück. Über diese Reinigungsstufe werden alle Partikel > 10µm vollständig abgetrennt. Kleinere Partikel werden in einer nachfolgenden Reinigungsstufe abgetrennt, die aus einem oder zwei hintereinander folgenden Venturiwäschern besteht. Um auch feinste Teilchen < 1 µm abzuscheiden erfährt das Rohgas eine direkte Abkühlung aber auch indirekte Abkühlung von 1–15°C durch Hochdruckeinspritzen von Wasser 18, 20 beziehungsweise in einem Wärmetauscher 19. Das Feinstaub-beladene Wasser und auch Kondensat wird anschließend in einem Feintropfenabscheider vom Rohgas abgetrennt und geht in die Wasserkreisläufe zurück. Durch die Hochdruckeinspritzung und die Abkühlung entstehen feinste Tröpfchen mit großer Oberfläche, die auch sehr feine Partikel aufnehmen können. Der Feintropfenabscheider 21 kann mit Waschböden 22 ausgerüstet sein und ist im oberen Teil mit einer beschichteten Demisterpackung 23 bestückt. Um der Gefahr durch Verschmutzung des Tropfenabscheiders entgegenzuwirken, wird dieser mit PTFE oder einer Teflon-Verbindung beschichtet. Durch die beschriebene Kombination der genannten Reinigungsstufen können über 99,9% der Partikel abgetrennt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei Figuren und drei Ausführungsbeispielen in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Staubabscheidung in einer Kaskade von Quencheinrichtung mit Haube, einer Waschkolonne, zwei Venturiwäschern, einer Hochdruckeindüsung, einem Teilkondensator und einen Feintropfenabscheider,
2 eine Vorrichtung zur Staubabscheidung in einer Kaskade von Quencheinrichtung mit Haube, einer Waschkolonne, zwei Venturiwäschern, einer Hochdruckzerstäubung mit Demister-Tropfenabscheider und nachgeschaltetem Feintropfenabscheider,
3 eine Vorrichtung zur Staubabscheidung in einer Kaskade von Quencheinrichtung mit Haube, einer Waschkolonne, einem Venturiwascher und einer Hochdruckzerstäubung mit einem Demister-Tropfenabscheider.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Einem Flugstromreaktor mit einer Bruttoleistung von 500 MW, wie in 1 dargestellt, werden 80 Mg/h Brennstaub aus einer Magerkohle nach dem Prinzip der Fließförderung mit Kohlendioxid als Trägergas über die Staubförderleitung 1 zugeführt und gemeinsam mit 45.000 m³ i.N./h Sauerstoff über Leitung 2 im Vergasungsraum 3 bei Temperaturen von 1.650°C und einem Druck von 4,5 MPa zu einem Rohsynthesegas umgesetzt. Der Vergasungsraum 3 ist durch einen Kühlschirm 4 begrenzt. Die Brennstoffasche wird bei den genannten Vergasungstemperaturen aufgeschmolzen und größtenteils auf den Kühlschirm aufgetragen, läuft nach unten und gelangt über die Rohgas- und Schlackeauftragsöffnung 5 in den nachfolgenden Quenchraum 6. Die Rohgasmenge beträgt 135.000 m³ i.N./h. Die Temperaturen nach der Quenchung liegen zwischen 150 und 250°C, das Rohgas ist wasserdampfgesättigt. Nicht die gesamte zu Schlacke aufgeschmolzene Brennstoffasche gelangt auf den Kühlschirm 4, sondern ein Teil wird mit dem Rohgasstrom direkt ausgetragen, so dass das Rohgas einen Staubgehalt von ca. 2–10 g/m³ i.N. mitführt.
Da dieser Staub in nachfolgenden Prozessen durch Erosion oder Ablagerungen zu Störungen führt, ist eine Entfernung bis auf Restgehalte < 1 mg/m³ i.N. erforderlich, wobei die Feinstaubabscheidung eine besondere technologische Herausforderung darstellt. Um die Zielstellung zu erfüllen wird ein mehrstufiges Gaswaschsystem installiert. Die erste Stufe umfasst ein modifiziertes Quenchsystem und eine nachgeschalteten Waschkolonne, die als Blasensäule arbeitet. Im Quenchram 6 werden zunächst durch Einspritzen von Überschusswasser Rohgas und Schlacke auf 220°C abgekühlt und dabei mit Wasserdampf gesättigt. Durch eine besondere Modifikation des Quenchraumes 6 beginnt hier bereits die Abscheidung von Grobstaub. Dazu wird über den Rohgasabgang 11 eine Haube mit Bedüsung 9 installiert, wobei ein Trennblech von unten in den von der Haube umschlossenen Raum ragt. Das den Quencher verlassende Rohgas wird zu einem dreimaligen Richtungswechsel gezwungen, wodurch in Verbindung mit der Bedüsung 9 eine weitere Abscheidung von Partikeln erfolgt. Die Haube kann über einen Teil oder den gesamten Umfang des Quenchraumes gezogen sein. Hinter dem Rohgasabgang 11 kann über eine Eindüsung 10 zusätzliches Waschwasser eingebracht werden. Weiter gelangt das Rohgas in eine Waschkolonne 12, taucht in das Wasserbad 13 ein und wird als Blasensäule nach oben in einem Freiraum mit geringer Rohgasgeschwindigkeit geführt. In dieser ersten Gaswaschstufe werden etwa 30 Ma% des Grobstaubes im Korngrößenbereich von 2.500 bis 10 µm aus dem Rohgas entfernt.
Die zweite Waschstufe umfasst ein Venturiwaschsystem, in dem ein erster Venturiwascher 14 mit fester und ein zweiter Venturiwascher 15 mit regelbarer Kehle und Wasserzuführung 16 angeordnet sind.
Die regelbare Kehle im zweiten Venturiwascher 15 erlaubt es, auf schwankende Rohgasmengen zu reagieren. In dieser zweiten Waschstufe werden ca. 35 Ma% des im Rohgas mitgeführten Staubes in einem Korngrößenbereich bis 0,6 µm abgeschieden.
In der dritten Waschstufe wird die herausfordernde Feinstaubabscheidung bewältigt, die besondere Anforderungen an die Technologie stellt. Dazu werden vor und hinter einem Teilkondensator 19 durch Hochdruckeindüsungen 18 und 20 feststofffreie Waschwässer feinstverteilt eingesprüht, um die mitgeführten Staubpartikel zu benetzen. Die gleiche Aufgabe besitzt der Teilkondensator 19, in dem durch Abkühlung des wasserdampfgesättigten Rohgases um 1 bis 15°C ca. 3 bis 10 m³/h Wasserdampf unter Bildung gleichfalls kleinster Tröpfchen ausgebildet werden, wobei die feinen Staubteilchen Kondensationskerne für den Wasserdampf darstellen und damit der Feinstaub in das auskondensierte Wasser eingebunden wird. Zur Abscheidung der staubführenden Tröpfchen wird die dritte Waschstufe durch eine Abscheidekolonne 21 abgeschlossen, die mit einer Bodenkolonne 22 und einem Kunststoff-beschichteten Demister 23 bestückt ist. Das weitgehend vom Staub befreite Rohgas verlässt die Abscheidekammer 21 über die Gasabführung 24 und gelangt anschließend in weitere Prozesse bis zur Erzeugung des Endproduktes. Die aus den gesamten Waschstufen abgeschiedenen Rußwässer 25 sowie die Kondensate und Waschwässer 26 werden nach einer Abtrennung der mitgeführten Feststoffe im Kreislauf wieder in die Waschstufen zurückgeführt.
In einer Flugstromvergasungsanlage gemäß 2 ist der im Vergasungsraum 3 bei der Vergasung des Brennstoffes gebildete Staubanteil von verschiedenen Parametern abhängig. Dazu gehören Brennstoffeigenschaften, wie seine Reaktionsfähigkeit, die Korngrößenverteilung, der Aschegehalt, die Aschezusammensetzung und damit der Ascheschmelzpunkt sowie das Zähigkeitsverhalten der gebildeten Schlacke. Das dreistufige Waschsystem ist unter Berücksichtigung besonderer Brennstoffeigenschaften modifiziert. In diesem Beispiel – mit der gleichen Leistung wie oben – wird dem Vergasungsreaktor über die Slurryleitung 1a eine Wasser-Brennstaub-Suspension mit einem Feststoffanteil von 60 Ma% zugeführt und mit Sauerstoff über Leitung 2 im Vergasungsraum 3 zu Rohgas umgesetzt. Durch den mitgeführten Wasseranteil erhöht sich der Sauerstoffeinsatz auf 53.000 m³ i.N./h. Die Vergasungstemperatur beträgt 1.550°C, der Druck 4,5 MPa. Es wird gleichfalls eine Rohgasmenge entsprechend der vorgegebenen Leistung von 135.000 m³ i.N./h erzeugt. Die erste Waschstufe gleicht der im vorstehenden Beispiel gemäß 1. Die zweite Waschstufe ist auf einen Venturiwascher 14 mit Wasserzuführung 16 und einen Wasserabscheider 17 beschränkt. Der Venturiwascher 14 ist zweckmäßigerweise zur Anpassung an auftretende Schwankungen der erzeugten Rohgasmenge mit regelbarer Kehle ausgerüstet. Hinter dem Waschwasserabscheider 17 folgt, als dritte Waschstufe, eine Hochdruckzerstäubung 18 mit einem Tropfenabscheider 27 als Demister, dem eine zusätzliche Abscheidekolonne 21 nachgeschaltet ist, die gleichfalls mit einer Bodenkolonne 22 und einem weiteren Kunststoff-beschichteten Demister ausgestattet ist. Die Russwasser- sowie die Kondensat- und Waschwasserabführung 25 beziehungsweise 26 sind in die Wasseraufbereitungs- und Kreislaufsysteme eingebunden.
In einer Flugstromvergasungsanlage gemäß 3 wird unter den gleichen Bedingungen, wie in dem vorstehenden Bespiel, gleichfalls eine Wasser-Brennstoff-Suspension vergast. Die erste und zweite Waschstufe entspricht der Darstellung in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel nach 2. Die dritte Waschstufe ist auf die Hochdruckzerstäubung von Waschwasser 18 und den als Demister ausgeführten Tropfenabscheider 27 beschränkt. Zur Auskondensation von Wasserdampf wird das in der Hochdruckzerstäubung 18 eingesetzte Waschwasser mit solchen Mengen und Temperaturen eingesetzt, dass das Rohgas eine Abkühlung um 1 bis 15°C erfährt. Russwasser 25 sowie Kondensat und Waschwasser 26 werden gleichfalls in die Wasseraufbreitungs- und Kreislaufsysteme eingebunden.
Bezugszeichenliste

1: Staubförderleitung
1a: Slurryleitung
2: Sauerstoffleitung
3: Vergasungsraum
4: Kühlschirm
5: Rohgas- und Schlackeaustragsöffnung
6: Quenchraum
7: Quenchwassereinspritzung
8: Schlackeaustrag
9: Haube mit Bedüsung
10: Waschwassereindüsung
11: Rohgasabgang
12: Waschkolonne
13: Wasserbad
14: Venturiwascher 1
15: Venturiwascher 2
16: Waschwasser
17: Waschwasserabscheider
18: Hochruckeindüsung von Waschwasser vor Teilkondensator 19
19: Teilkondensator
20: Hochruckeindüsung von Waschwasser nach Teilkondensator 19
21: Abscheidekolonne
22: Bodenkolonne
23: beschichteter Demister
24: Gasabführung
25: Russwasserabführung
26: Kondensat- und Waschwasserabführung
27: Tropfenabscheider als Demister

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4446803 [0002]
EP 0677567 [0002]
DE 19718131 [0002]
DE 102005041930 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSATIONSVERFAHREN, EF-Verlag, 1996, S. 25–53 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Staubabscheidung aus Rohgasen der Flugstromvergasung von pneumatisch oder hydraulisch zugeführten Brennstäuben unter Drücken bis 10 MPa und Temperaturen zwischen 150 und 250°C im Zustand der Wasserdampfsättigung durch ein dreistufiges Gaswaschsystem, bei dem – die erste Stufe einen Quencher (6) aufweist, in dem über den Rohgasabgang (11) eine Wasser-berieselte Haube mit Bedüsung (9) angeordnet ist, gefolgt von einer Waschkolonne (12), in deren Unterteil das Rohgas in dem dort befindlichen Wasserbad (13) eine Blasensäule bildet, – die zweite Stufe einen oder mehrere in Reihe geschaltete Venturiwäscher (14, 15) aufweist, die über einen jeweiligen nachgeschalteten Abscheider (17) verfügen, – die dritte Stufe eine Hochdruckeindüsung (18) zum Einsprühen von Waschwasser in das Rohgas und einen nachfolgenden Kunststoff-beschichteten Demister (23, 27) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die wasserberieselte Haube mit Bedüsung (9) über einen Bruchteil des Umfangs des Quenchers (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die wasserberieselte Haube mit Bedüsung (9) über den gesamten Umfang des Quenchers (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennwand in das von der Haube umschlossene Volumen von unten hineinragend angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Venturiwäscher (14, 15) mit einer verstellbaren Kehle ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rohgasabgang (11) des Quenchers und der Waschkolonne (12) eine Eindüsung (10) von Waschwasser in das Rohgas angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Stufe eine Abscheidekolonne (21) angeordnet ist, die eine Bodenkolonne (22) und einen eigenen Kunststoff-beschichteten Demister (23) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Stufe ein Teilkondensator (19) angeordnet ist, vor dem eine erste Hochruckeindüsung (18) und nach dem eine zweite Hochruckeindüsung (20), sowie eine Abscheidekolonne (21) mit einer Bodenkolonne (22) und einem eigenen Kunststoff-beschichteten Demister (23) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Zugabe einer Menge von Waschwasser in der Hochruckeindüsung (18, 20) für eine Abkühlung des Rohgases um 1 bis 15°C gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Aufbereitung und Kreislaufführung der Wässer (25, 26).