DE102011007808B3

DE102011007808B3 - Reaktor zur Vergasung aschefreier und aschearmer Brennstoffe mit mehreren Kalträumen

Info

Publication number: DE102011007808B3
Application number: DE201110007808
Authority: DE
Inventors: Manfred Schingnitz; Andreas Wünsche
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-04-21

Abstract

Es wird ein Reaktor zur Vergasung aschefreier oder aschearmer Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel im Flugstrom bei Temperaturen bis 1500°C und Drücken bis zu 10 MPa vorgeschlagen, bei dem in dem drucktragenden Reaktordruckmantel (4) der Vergasungsraum (7) durch eine Wandung (5) begrenzt ist, bei dem die Wandung auf der dem Reaktordruckmantel zugewandten Seite mit einem Lochblech gebildet ist, auf dessen dem Vergasungsraum zugewandten Seite ein gasdurchlässiges, poröses Material aufgebracht ist und bei dem das Volumen zwischen Reaktordruckmantel und Wandung mehrere Kaltgasräume (3.1, 3.2) bildet, die mit Kaltgas (8) beaufschlagbar sind, derart, dass das Kaltgas das Lochblech und das poröse Material in Richtung des Vergasungsraums (7) durchströmt. Die Strömung des Kaltgases ist hierbei dem Wärmestrom aus dem Reaktionsraum zur Außenwand des Reaktors entgegengerichtet, erwärmt sich und kühlt dabei die poröse Begrenzungswand. Der Wärmefluss nach außen wird behindert, was zur Begrenzung der Wärmeverluste führt. Besondere Weiterbildungen der Erfindung betreffen Maßnahmen zur geregelten Zufuhr unterschiedlicher Mengen von Kaltgas in den verschiedenen Kaltgasräumen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung aschearmer beziehungsweise aschefreier Brennstoffe im Flugstrom und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Reaktors.
Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Technologie zur wärmetechnischen Isolation des Reaktors, wobei aschearme beziehungsweise aschefreie Brennstoffe zum Einsatz kommen können. Unter solchen Brennstoffen versteht man gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe wie Erdgas, Fraktionen der Erdölverarbeitung oder Nebenprodukte aus Synthesen, aber auch Biomassen, Kohlen und Kokse, deren Aschegehalte kleiner als 0,5 Masse sind.
Der Vergaser stellt bei der Flugstromvergasung eine Kernkomponente des Verfahrens dar. Die Technologie ist ausführlich in „Die Veredelung und Umwandlung von Kohle” herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V., Dez. 2008, Kapitel GSP-Vergasung beschrieben worden.
Die Vergasungsstoffe festen oder flüssigen Aggregatzustandes werden über einen Vergasungsstoffbrenner in den Reaktionsraum des Flugstromvergasers eingebracht und unter Zusatz von einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Drücken von bis zu 10 MPa und Temperaturen bis 1.900°C in einer Flammenreaktion zu H2- und CO- reichem Rohgas umgesetzt. Der Reaktionsraum wird durch die Kontur des Kühlschirms räumlich begrenzt und dient seiner thermischen Isolation. Im Vergasungsstoff enthaltene Asche wird in der Flammreaktion aufgeschmolzen und schlägt sich an der inneren Wand des Kühlschirms nieder. Die so aufgebaute und kontinuierlich erneuerte Schlackeschicht bildet wegen ihrer schlechten Wärmeleiteigenschaften einen Dämmmantel und begrenzt auf diese Weise den Wärmestrom zum Kühlschirm. Der Kühlschirm selbst besteht aus wasserdurchströmten Rohrschlangen. Die Rückkühlung des Kühlwassers findet außerhalb des Reaktors statt. Entscheidender Vorteil der beschriebenen Technologie gegenüber der ausgemauerten Alternative ist die hohe Verfügbarkeit bei langer Lebensdauer und die minimale thermische und werkstofftechnische Trägheit des Systems. Daraus folgen der äußerst geringe Zeitbedarf zum An- und Abfahren des Vergasers sowie die Unempfindlichkeit gegen schnelle Lastwechsel.
Verschiedene Ausgestaltungen der Reaktorwand zeigen DE 20317461 U1 , DE 20 2007 018 717 U1 und DE 19643258 B4 , die sich für höhere Aschegehalte der eingesetzten Brennstoffe eignen. Im Fall der Verwendung von Brennstoffen mit keinem oder nur einem geringen Ascheanteil weist die Kühlschirmtechnologie den Nachteil auf, dass wegen der fehlenden bzw. sehr dünnen und ggf. nicht vollständig die Kontur bedeckenden Schlackeschicht dem System eine große Teilmenge der Reaktionswärme entzogen wird, womit eine Senkung der Verfahrens-Effizienz einhergeht. Weiterhin wird die thermische Belastung des Kühlschirms so erhöht, dass Schädigungen und die Verkürzung der Lebenszeit die Folge sind.
Aus der US 7,736,600 B2 ist ein thermischer Reaktor zur Beseitigung von Rückständen aus der Halbleiterfertigung bekannt, bei dem eine interne poröse Wand eine zentrale Kammer umschließt. In die zentrale Kammer wird ein gasförmiger Rückstandsstrom eingeführt, der mittels einer thermischen Einrichtung zerlegt wird und dabei Reaktionsprodukte bildet. Die poröse Wand, die sich aus mehreren gestapelten Abschnitten zusammensetzt, kann von einem Lochblech mit vorgegebenem Lochmuster umschlossen sein, wobei zwischen der porösen Wand und dem Lochblech zumindest eine Lage eines Flies angeordnet ist. Die Eigenschaften können innerhalb eines Abschnitts der porösen Wand variieren. Ein System zur Versorgung mit einem Fluid ist so ausgestaltet, dass das Fluid mit ausreichendem Druck durch die poröse Wand in die zentrale Kammer befördert wird, um auf der inneren Oberfläche der porösen Wand eine Ablagerung der Reaktionsprodukte zu reduzieren.
Aus der US 2010/0300063 A1 ist eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff bei hohen Drücken und Temperaturen oder zur Erzeugung von Synthesegas bekannt, bei der die in einem Druck-tragenden Mantel angeordnete Brennkammer von einer Wand begrenzt ist. Die Wand weist zur Brennkammer hin eine poröse Schicht und zum Mantel hin eine Schicht aus Stahl mit Öffnungen auf. Den Öffnungen können über Zuleitungen ein Transpirations-Fluid, wie z. B. CO2, mit einem so ausreichenden Druck zugeführt werden, dass das Fluid durch die poröse Schicht in die Brennkammer gelangt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlschirmtechnologie für Brennstoffe mit sehr geringem oder keinem Ascheanteil durch eine, den Wirkungsgrad steigernde, Alternative zu ersetzen, dabei jedoch die hohe Flexibilität im Lastwechselverhalten des Vergasers zu erhalten.
Die Aufgabe wird durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Durchführung in einem solchen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Es wird vorgeschlagen, den Vergasungsraum durch eine Wand zu begrenzen, die aus einem mit durchlässigem porösem Material beschichtetem Lochblech besteht. Eine Hinterspülung dieser Anordnung mit einem Gas, Wasserdampf oder einer Kombination aus Beidem auf leicht erhöhtem Druckniveau gegenüber dem Reaktionsraum sorgt für einen radial gerichteten Medienfluss von außen nach innen. In der Folge kommt es zur Injektion des zugegebenen Gases/Dampfes in die Strömungsgrenzschicht des produzierten Heißgasstroms. Die Strömung des Gases/Wasserdampfes ist damit dem Wärmestrom aus dem Reaktionsraum zur Außenwand des Reaktors entgegengerichtet, erwärmt sich und kühlt dabei die poröse Begrenzungswand. Der Wärmefluss nach außen wird behindert, was zur Begrenzung der Wärmeverluste führt. Die kontinuierliche Zugabe des Kühlmediums bewirkt, dass die Wand auf einem Temperaturniveau im Bereich des Kühlmediums gehalten wird.
Als Kühlmedium können neben Wasserdampf verschiedene Gase wie Kohlendioxid, eigenerzeugtes Synthesegas, Restgase nachfolgender Synthesen, Fremdgase wie Erdgas oder auch Stickstoff eingesetzt werden. Besonders interessant sind Wasserdampf und/oder Kohlenstoffdioxid, da diese Medien zusätzlich als Vergasungsmittel und Temperaturmoderator im Vergasungsprozess wirken.
Der Kaltraum (3) zwischen Reaktordruckmantel (4) und Reaktorwand (5) ist erfindungsgemäß in mehrere übereinander angeordnete und gasdicht getrennte Teil-Kalträume (3.1, 3.2), die individuelle Kaltgas-/Wasserdampfstutzen (8.1, 8.2), aufweisen, separiert. Die Teil-Kalträume können durch eine Membran (14) separiert sein.
In verschiedenen Höhen der Reaktorwand sind unterschiedliche Mengen an Kaltgas, das auch durch ein Vergasungsmittel gegeben sein kann, aus dem Kaltraum in den Vergasungsraum zuführbar. Dies kann ganz allgemein durch unterschiedliche Strömungswiderstände der Reaktorwand in verschiedenen Höhen realisiert werden. Der Strömungswiderstand der Reaktorwand ist durch die Dicke und Porosität der porösen Schicht, Anzahl pro Fläche und Durchmesser der Löcher des Lochblechs beeinflussbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind verschiedene Kaltgase zuführbar. Dies betrifft zum Einen die sequentielle Zuführung unterschiedlicher Kaltgase, wie zum Beispiel zuerst Stickstoff und dann Wasserdampf. Dies betrifft zum Anderen die gleichzeitige Zuführung unterschiedlicher Kaltgase, wie zum Beispiel eine Mischung aus Stickstoff und Wasserdampf. Dies betrifft zum Weiteren die Zuführung verschiedener Kaltgase in unterschiedlichen Höhen der Reaktorwand.
Die Teil-Kalträume können mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt sein. Hierdurch sind in verschieden Höhen der Reaktorwand die Mengen der durchdiffundierenden Kaltgase individuell regelbar. Dies betrifft sowohl gleiches Kaltgas wie auch unterschiedliches Kaltgas für unterschiedliche Teil-Kalträume.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 die Gesamtdarstellung eines Flugstromvergasers mit poröser Reaktionsraumwand (5) und mehreren, gesonderten Kaltgasräumen und
2 nähere Einzelheiten aus 1 des Aufbaus der Reaktionsraumwand (5) sowie deren Lage zwischen Reaktordruckmantel (4) und Heißgasstrom (1).
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Bei dem Flugstromvergaser nach 1 strömt das mehrheitlich in einer Flammreaktion, beginnend am Mund des Brenners (6), gebildete Rohgas (1) im Reaktionsraum (7) abwärts. Abhängig von Brennstoff-/Asche- und gewünschter Produktgaszusammensetzung herrschen gemäß den einzustellenden Gleichgewichtsbedingungen Temperaturen von 1200°C bis 1500°C vor. Durch Zugabe eines Kaltgases über den Kaltgasstutzen (8) in den Kaltgasraum (3) des Vergasers und bei Einstellung eines entsprechenden Druckgefälles zwischen Kaltgasraum (3) und Reaktionsraum (7) kommt es zum radial nach innen gerichteten Durchströmen der Anordnung (5). Die Folge ist ein Kaltgasfilm (2) an der Innenwandung des Reaktionsraumes, im weiteren Verlauf kommt es zur Bildung einer Mischphase aus Heißgas- (1) und Kaltgasstrom (2).
Die Zufuhr von Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf, als Kaltgas aus dem Kaltgasraum (3) in den Reaktionsraum (7) erfolgt in analoger Weise. Hierbei kommt dem injizierten Fluid eine Doppelrolle als Kühlmedium und Vergasungsmittel zu.
Das produzierte Rohgas (1) und das Kaltgas (2) sowie die gebildete Mischphase aus (1) und (2) werden über den Rohgasabgang (9) in den Quenchraum (12) geleitet, wo es eine spontane Abkühlung durch Wasserdirektinjektion über die Quenchlanzen (10) erfährt. Das gequenchte Rohgas verlässt über den Rohgasaustritt (13) den Flugstromvergaser. Der Kaltraum (3) zwischen Reaktordruckmantel (4) und Reaktorwand (5) ist in zwei, allgemein mehrere übereinander angeordnete und gasdicht getrennte Teil-Kalträume (3.1, 3.2), die individuelle Kaltgas-/Wasserdampfstutzen (8.1, 8.2), aufweisen, separiert. Die Teil-Kalträume sind durch eine Membran (14), die auch als Diaphragma bezeichnet werden kann, separiert.
In 2 ist der Aufbau der Reaktionsraumwand (5) aus 1 und dessen Lage zwischen Reaktordruckmantel (4) und Heißgasstrom (1) detaillierter dargestellt. Bei der Reaktionsraumwand ist die Zugabe des Kühlmittels durch ein löchriges Wellenrohr-Lochblech, auf das poröses Material aufgebracht ist, realisiert. Der Raum zwischen der Reaktionsraumwand und dem Reaktordruckmantel ist mit einem Kühlgas kontinuierlich hinterspült. Das Kühlgas dringt durch die Löcher des Lochblechs und das poröse Material in den Reaktionsraum (7). Das Lochblech kann ein sich in vertikaler Richtung erstreckendes Wellenprofil aufweisen. In verschiedenen Höhen der Reaktionsraumwand können unterschiedliche Mengen von Kühlgas injiziert werden. Dies kann durch unterschiedlichen Strömungswiderstand für das Kühlgas realisiert werden. Eine Membran (14) trennt den Kaltgasraum in einen oberen Kaltgasraum 3.1 und in einen unteren Kaltgasraum 3.2. Die Membran kann durch ein Feuerfest-material mit Presssitz gegeben sein.
Bezugszeichenliste

1: Rohgasstrom
2: Kühlmedienfilm
3: Kaltgasraum
4: Reaktordruckmantel
5: poröse Wand
6: Vergasungsstoffbrenner
7: Vergasungsraum
8: Kaltgas-/Wasserdampfstutzen
9: Rohgasaustritt in den Quenchraum
10: Quenchlanzen
11: Dichtsystem
12: Quenchraum
13: Rohgasaustritt
14: Membran, Diaphragma

Claims

Reaktor zur Vergasung aschefreier oder aschearmer Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel im Flugstrom bei Temperaturen bis 1500°C und Drücken bis zu 10 MPa, bei dem – in dem drucktragenden Reaktordruckmantel (4) der Vergasungsraum (7) durch eine Wandung (5) begrenzt ist, – die Wandung auf der dem Reaktordruckmantel zugewandten Seite mit einem Lochblech gebildet ist, auf dessen dem Vergasungsraum zugewandten Seite ein gasdurchlässiges, poröses Material aufgebracht ist, – das Volumen zwischen Reaktordruckmantel und Wandung in verschiedenen horizontalen Ebenen in eine Mehrzahl von Kaltgasräumen (3.1, 3.2) separiert ist, – die Kaltgasräume mit Kaltgas (8.1, 8.2) beaufschlagbar sind, derart, dass das Kaltgas das Lochblech und das poröse Material in Richtung des Vergasungsraums (7) durchströmt.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material der Wandung (5) in verschiedenen horizontalen Ebenen in Segmente unterschiedlicher Porosität unterteilt ist.
Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material der Wandung (5) in verschiedenen horizontalen Ebenen unterschiedliche Materialdicke aufweist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech in verschiedenen Höhen unterschiedliche Querschnitte der Löcher zur Zuführung unterschiedlicher Mengen von Kaltgas aufweist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech in vertikaler Richtung ein Wellenprofil aufweist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgasräume durch eine Membran separiert sind.
Reaktor nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit einem Feuerfest-Material gebildet ist.
Reaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch, gekennzeichnet, dass die Membran die Eigenschaft zum Presssitz aufweist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kaltraum (3) eine Drainage für anfallendes Kondensat angeordnet ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material der Wandung (5) in verschiedene horizontale Ebenen zur Zuführung unterschiedlicher Mengen von Kaltgas unterteilt ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material der Wandung (5) in verschiedene horizontale Ebenen unterteilt ist für eine individuell geregelte Zufuhr von Kaltgas.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltgas Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, eigenerzeugtes Synthesegas, Restgase nachfolgender Synthesen oder Fremdgase, wie Erdgas, einzeln oder in beliebigen Mischungen gegeben ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltgas Wasserdampf und/oder Kohlenstoffdioxid gleichzeitig als Kühl- und Vergasungsmittel gegeben sind.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltgas unterschiedliche Vergasungsmittel gegeben sind.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Kaltgasräume (3.1, 3.2) mit unterschiedlichen Vergasungsmitteln beaufschlagt sind.
Verfahren zum Betrieb eines Reaktors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Kaltgase sequentiell einem Kaltgasraum (3.1, 3.2) zugeführt werden.
Verfahren zum Betrieb eines Reaktors nach Anspruch 16 gekennzeichnet durch Regelung des Drucks des zugeführten Kaltgases.
Verfahren zum Betrieb eines Reaktors nach Anspruch 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zugeführten Kaltgases für jeden Kaltgasraum individuell geregelt wird.