DE19957696C1

DE19957696C1 - Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe in einem Flugstromreaktor

Info

Publication number: DE19957696C1
Application number: DE19957696A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schingnitz; Christian Reuther; Dietmar Degenkolb
Original assignee: KRC Umwelttechnik GmbH; Noell KRC Energie und Umwelttechnik GmbH
Current assignee: Future Energy GmbH
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: US6827912B2; US20010020346A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxydationsmittel mit einem als Flugstromreaktor ausgebildeten Reaktionsraum bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar, vorzugsweise zwischen Umgebungsdruck und 30 bar, wobei die Reaktionsraumkontur durch ein Kühlsystem begrenzt wird, der Druck im Kühlsystem immer höher gehalten wird als der Druck im Reaktionsraum und das Kühlsystem die maximal mögliche Druckdifferenz bis zum auf Atmosphärendruck entspannten Reaktionsraum aufnimmt und wobei die Kühlkanäle (5) durch Stege (13) gebildet werden, die sowohl mit einer feuerfesten Schutzschicht (6) als auch mit einem Druckmaterial (4) in Kontakt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen in einem Flugstromreaktor.

Unter Brenn-, Rest- und Abfallstoffen sind solche mit oder ohne Aschegehalt, wie Braun- oder Steinkohlen sowie ihre Kokse, Wasser/Kohle-Suspensionen, aber auch Öle, Teere und Schlämme sowie Reste oder Abfälle von chemischen und Holzaufschlussprozessen der Papier- und Zellstoffindustrie, wie beispielsweise Schwarzlauge aus dem Kraftprozess, sowie feste und flüssige Fraktionen aus der Abfall- und Recyclingwirtschaft, wie Altöle, PCB-haltige Öle, Plaste- und Hausmüllfraktionen oder ihre Aufbereitungsprodukte, und Rest- und Abfallstoffe aus der chemischen Industrie, wie beispielsweise stickstoff- und halogenhaltige Kohlenwasserstoffe oder Alkalisalze von organischen Säuren, 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 Anteil, z. B. Schlacke, getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden DE 197 18 131 A1.

Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumkontur des Vergasungssystems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt (DE 44 46 803 A1).

Mit feuerfester Auskleidung versehene Vergasungssysteme haben den Vorteil geringer Wärmeverluste und bieten deshalb eine energetisch effektive Umsetzung der zugeführten Brennstoffe. Sie sind allerdings nur für aschefreie Brennstoffe einsetzbar, da die bei der Flugstromvergasung an der inneren Oberfläche des Reaktionsraumes abfließende flüssige Schlacke die feuerfeste Auskleidung auflöst und deshalb nur sehr begrenzte Reisezeiten bis zu einer kostenintensiven Neuzustellung erlaubt.

Um diesen Nachteil bei aschehaltigen Brennstoffen zu beheben, wurden deshalb gekühlte Systeme nach dem Prinzip einer Membranwand geschaffen. Durch die Kühlung bildet sich auf der dem Reaktionsraum zugeordneten Oberfläche zunächst eine feste Schlackeschicht, deren Stärke soweit zunimmt, bis die aus dem Vergasungsraum weiter aufgeworfene Schlacke flüssig an dieser Wand abläuft und zum Beispiel gemeinsam mit dem Vergasungsgas aus dem Reaktionsraum abströmt. Solche Systeme sind sehr beständig und sichern lange Reisezeiten. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß bis zu ca. 5% der eingetragenen Energie auf den gekühlten Schirm übertragen wird.

Verschiedene Brenn- und Abfallstoffe wie z. B. schwermetall- oder leichtaschehaltige Öle, Teere oder Teer-Öl-Feststoffschlämme enthalten zu wenig Asche, um bei gekühlten Reaktorwänden eine ausreichend schützende Schlackeschicht zu bilden, was zusätzliche Energieverluste zur Folge hat, andererseits ist der Aschegehalt zu hoch, um bei feuerfest ausgekleideten Reaktoren ein Abschmelzen bzw. Auflösen der Feuerfestschicht zu vermeiden und genügend hohe Reisezeiten bis zur Neuzustellung zu erreichen.

Ein weiterer Nachteil besteht im komplizierten Aufbau der Reaktorwand, was zu erheblichen Problemen bei der Herstellung und im Betrieb führen kann. So besteht beispielsweise die Reaktorwand des in J. Carl, P. Fritz: NOELL KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Berlin 1996, S. 33 und S. 73, dargestellten Flugstromvergasers aus einem drucklosen Wassermantel, dem Druckmantel, der auf der Innenseite durch ein Teerepoxidharzgemisch korrosionsgeschützt und mit Feuerleichtbeton ausgekleidet ist sowie dem Kühlschirm, der wie eine im Kesselbau übliche Membranwand aus gasdicht verschweißten, wasserdurchströmten Kühlrohren besteht, die bestiftet und mit einer dünnen SiC-Schicht belegt sind. Zwischen Kühlschirm und mit Feuerbeton belegten Druckmantel existiert ein Kühlschirmspalt, der zur Vermeidung von Hinterströmungen und Kondensatbildung mit einem trockenen sauerstofffreien Gas gespült werden muß.

Um die genannten Nachteile zu beheben, wurde mit DE 198 29 385 C1 eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Kühlspalt innerhalb des Druckmantels des Vergasungsreaktors angeordnet wurde, der durch eine gekühlte in Richtung Reaktionsraum mit keramischem Material oder einer Schlackeschicht versehene Wand begrenzt wird. Diese Vorrichtung hat den Vorteil einer einfachen technischen Lösung in Bezug auf die Reaktorkonstruktion. Der Nachteil besteht darin, dass nur begrenzte Druckdifferenzen zwischen dem Reaktionsraum und dem Kühlspalt möglich sind, was zu einem erheblichen regelungs- und sicherheitstechnischen Aufwand führt. So muss bei Druckschwankungen im Reaktionsraum oder bei An- und Abfahrprozessen der Druck im Kühlspalt ständig dem Druck im Reaktionsraum nachgeführt werden. Dies kann bei sicherheitstechnisch bedingten, schnellen Druckentspannungen des Reaktionsraumes problematisch sein, weil der Druck im Kühlspalt nicht so schnell nachgeführt werden kann, was zur mechanischen Zerstörung des Kühlmantels führen kann.

Aus DD 226 588 A1 ist ein bestifteter Schirm für Heizungsanlagen zur Anwendung in der chemischen Industrie und Gaswirtschaft für Generatoren mit flüssigem Schlackeablauf bekannt, bei dem Stifte als Distanzstücke ausgebildet und zwischen einem Druckmantel und einer Innenhaut angeordnet sind. Die Stifte dienen nur zur Befestigung der Stampfmasse und der Abführung der Wärme von ihr. Der bestiftete Schirm ist relativ kompliziert aufgebaut, wobei eine einfache und zuverlässige Betriebsweise bei unterschiedlichen Aschegehalten von Brenn- und Abfallstoffen problematisch ist. Der Druck im Kühlsystem muss dem Druck im Reaktionsraum nachgeführt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei einfacher und zuverlässiger Betriebsweise den unterschiedlichsten Aschegehalten von Brenn- und Abfallstoffen Rechnung trägt und bei der der Druck im Kühlspalt bzw. im Kühlsystem nicht ständig dem Druck im Reaktionsraum nachgeführt werden muss.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung wieder.

Die Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in einem als Flugstromreaktor ausgebildeten Vergasungsraum bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar, vorzugsweise zwischen Umgebungsdruck und 30 bar, bei dem die Reaktionsraumkontur durch ein Kühlsystem begrenzt wird, wobei der Druck im Kühlsystem immer höher gehalten wird als der Druck im Reaktionsraum, zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlkanäle durch Stege gebildet werden, die sowohl mit der feuerfesten Schutzschicht als auch mit dem Druckmantel in Kontakt sind.

Damit nimmt das Kühlsystem die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen dem Reaktionsraum und Atmosphärendruck auf. Die Druckschwankungen im Reaktionsraum werden ohne Nachregelung des Kühlsystems aufgenommen. Dem Fachmann ist bekannt, dass das durch die Wahl der Querschnittsform der Kühlkanäle (halbrund, oval, eckig) oder/und die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes erfolgen kann.

Die Vorrichtung ist von außen nach innen wie folgt aufgebaut: Druckmantel, Kühlkanäle, feuerfeste Schutzschicht und Schlackepelz sowie feuerfeste Ausmauerung.

Vorteilhaft für die Erfindung ist es, das Druck und Temperatur in den Kühlkanälen so geregelt werden, dass die Kühlkanäle oberhalb oder unterhalb des Siedepunktes betrieben werden.

Weiterhin vorteilhaft für die Erfindung ist es, dass die Kühlkanäle aus auf den Druckmantel aufgeschweißten Stegen bestehen, die durch Halbkreis- oder Bogensegmente verschlossen sind.

Weiterhin ist es erfindungswesentlich, dass die feuerfeste Schutzschicht durch auf die Halbkreis- oder Bogensegmente aufgeschweißte, stiftähnliche oder gespreizte Anker befestigt sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für die Vergasung von Brenn-, Abfall- und Reststoffen unterschiedlichsten Aschegehaltes sowie für die kombinierte Vergasung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Reaktionsraumkontur für den Vergasungsprozess durch eine Feuerfestauskleidung oder durch eine Schicht aus erstarrter Schlacke zu begrenzen. Durch eine intensive Kühlung wird bei Auskleidung mit Feuerfestmaterial dieses geschützt oder flüssige Schlacke zur Erstarrung gebracht, so dass sich eine thermische Isolierschicht bildet. Die Kühlung wird durch wassergekühlte Kühlkanäle erreicht, wobei Betriebszustände oberhalb oder unterhalb des Siedepunktes eingestellt werden können.

Im Folgenden wird die Erfindung an 4 Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Schnitt A/A der Fig. 2,

Fig. 2 Erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 3 Ausschnitt aus einer Reaktorwand mit Schlackepelz,

Fig. 4 Ausschnitt aus einer Reaktorwand mit Ausmauerung.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Längs- und Querschnitt des Vergasungsreaktors. Der Umsatz der Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel zu einem H₂- und CO-reichem Rohgas vollzieht sich im Reaktionsraum 1. Die Zuführung der Vergasungsmedien geschieht über spezielle Brenner, die am Brennerflansch 2 befestigt werden. Über die Öffnung 3, die mit einer speziellen Vorrichtung versehen ist, verlässt das Vergasungsrohgas gegebenenfalls gemeinsam mit flüssiger Schlacke den Reaktionsraum 1 und gelangt zur weiteren Gasbehandlung. Der Vergasungsreaktor wird umhüllt vom Druckmantel 4, der den Differenzdruck zwischen dem Reaktorinneren und der Außenatmosphäre aufnimmt. Zu seinem thermischen Schutz ist ein Kühlsystem 15 angeordnet, das aus gas- und wasserdicht miteinander verschweißten Kühlkanälen 5 besteht, die mit Wasser gefüllt, ober- oder unterhalb des vom Gesamtdruck abhängigen Siedepunktes betrieben werden können. Um im Schadensfall den Eintritt von Vergasungsgas in das Kühlsystem 15 zu vermeiden, wird dessen Druck stets höher gehalten als der Druck im Reaktionsraum 1. Die relativ kleinen Abmessungen der Kühlkanäle 5 erlauben die Aufrechterhaltung ihres Druckes, auch wenn der Reaktionsraum 1 bis auf Atmosphärendruck entspannt wird. Gleichfalls kann bei Schwankungen des Druckes im Reaktionsraum 1 der Druck in den Kühlkanälen 5 konstant bleiben, wenn die Voraussetzung erfüllt ist, dass er immer höher als der Druck in der Reaktionskammer 1 ist. In Richtung Reaktionskammer 1 werden die Kühlkanäle 5 begrenzt durch eine feuerfeste als Stampfmasse aufgetragene Schutzschicht 6, die durch Stifte, wie sie in Fig. 4 Nr. 11 oder Fig. 3 Nr. 12 beispielhaft dargestellt sind, gehalten wird. Das im Kühlsystem 15 benötigte Wasser wird über den Stutzen 7 zugeführt und als Heißwasser oder Dampf über den Stutzen 8 abgeleitet.

Werden aschehaltige Brenn-, Rest- und Abfallstoffe vergast, so stellt die feuerfeste Schutzschicht 6 zunächst die innere Begrenzung zum Reaktionsraum 1 dar. Durch den Kühlvorgang im Kühlsystem 15 und den Kühlkanälen 5 wird gleichfalls die im Reaktionsraum 1 verflüssigte Schlacke abgekühlt. Dadurch verfestigt sie sich als Schlackepelz 9 auf der Oberfläche der Schutzschicht 6. Dieser Schlackepelz 9 übernimmt die Wärmeisolation zwischen dem Reaktionsraum 1 und den Kühlkanälen 5. Werden aschefreie oder aschearme Brennstoffe vergast, so kann sich dieser Schlackepelz 9 nicht bilden beziehungsweise regenerieren. In diesen Fällen wird eine Verkleidung aus feuerfestem Mauerwerk 10 vorgesehen (Fig. 4). Die Kühlkanäle 5 bestehen nach den Fig. 3 und 4 aus senkrecht oder radial auf den Druckmantel 4 aufgeschweißte Stege 13, die durch Halbkreis- oder Bogensegmente 14 abgeschlossen sind.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Reaktionsraum

2

Brennerflansch

3

Öffnung für Schlacke

4

Druckmantel

5

Kühlkanäle

6

Schutzschicht

7

Zuführungsstutzen

8

Ableitungsstutzen

9

Schlackepelz

10

Mauerwerk

11

Stifte

12

gespreizte Anker

13

aufgeschweißte Stege

14

Halbkreis- und Bogensegmente

15

Kühlsystem

Claims

1. Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxydationsmittel mit einem als Flugstromreaktor ausgebildeten Reaktionsraum bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar, vorzugsweise zwischen Umgebungsdruck und 30 bar, wobei die Reaktionsraumkontur durch ein Kühlsystem begrenzt wird, der Druck im Kühlsystem immer höher gehalten wird als der Druck im Reaktionsraum und das Kühlsystem die maximal mögliche Druckdifferenz bis zum auf Atmosphärendruck entspannten Reaktionsraum aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle (5) durch Stege (13) gebildet werden, die sowohl mit einer feuerfesten Schutzschicht (86) als auch mit einem Druckmantel (4) in Kontakt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kühlkanäle (5) so gewählt wird, dass das Kühlsystem Druckschwankungen im Reaktionsraum ohne Nachregelung aufnimmt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Vergasungsreaktors von außen nach innen wie folgt aufgebaut ist:

- Druckmantel (4)
- Kühlkanäle (5)
- feuerfeste Schutzschicht (6)
- Schlackepelz (9) oder feuerfeste Ausmauerung (10)

und die Kühlkanäle (5) oberhalb und unterhalb des Kühlmittel-Siedepunktes betreibbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (5) aus auf den Druckmantel (4) aufgeschweißten Stegen (13) bestehen, die durch Halbkreis- oder Bogensegmente (14) verschlossen sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Schutzschicht (6) durch auf die Halbkreis- oder Bogensegmente (14) aufgeschweißte stiftähnliche (11) oder gespreizte Anker (12) gehalten wird.