Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gemeinsamen Vergasung von einem fluiden Medium suspendierten festen, staubförmigen Brennstoff und aschehaltigen flüssigen Brennstoff in einem Vergasungsreaktor, der für die Partialoxidation fester, staubförmiger Brennstoffe mit technischem Sauerstoff und gegebenenfalls Wasserdampf unter erhöhtem Druck in einer Flammenreaktion ausgelegt ist. Das Ziel der Erfindung ist eine wirtschaftlich günstige und verbundwirtschaftlich flexible Vergasung brennbarer, aber aschehaltiger flüssiger Rückstände bei voller Gewährleistung der technischen Sicherheit. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sicherheitstechnisch, regelungstechnisch und technologisch einfaches Verfahren zur Vergasung von brennbaren, aber aschehaltigen Rückständen, vorzugsweise aschereichen Teeröl-Rückständen der Kohleveredlung zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird der aschehaltige flüssige Brennstoff separat und unabhängig von dem (den) Brenner(n) so zusammen mit Wasserdampf über eine Zuführungseinrichtung dem Reaktionsraum zugeführt, daß der Wasserdampf eine Zerstäubung des aschehaltigen flüssigen Brennstoffes herbeiführt und zugleich als Spülmedium für die Zuführungseinrichtung dient, und daß der für die autotherme Partialoxidation des aschehaltigen flüssigen Brennstoffes benötigte technische Sauerstoff gemeinsam mit den zur Vergasung des staubförmigen Brennstoffes bestimmten Sauerstoff mittels einer gemeinsamen Sauerstoffdurchflußmessung und ...
Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gemeinsamen Vergasung
von in einem fluiden Medium suspendierten festen, staubförmigen
Brennstoff und aschehaltigem flüssigen Brennstoff in
einem Vergasungsreaktor, der für die Partialoxidation fester,
staubförmiger Brennstoffe mit technischem Sauerstoff und gegebenenfalls
Wasserdampf unter erhöhtem Druck in einer Flammenreaktion
ausgelegt ist.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Bekannte Verfahren zur Herstellung von wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen
Rohgasen durch autotherme Partialoxidation flüssiger
Brennstoffe mit Sauerstoff in einer Flammenreaktion sind
beschrieben in "Chemiker-Zeitung" 3 (1972), Seiten 123 bis 134,
"Chemical Economy and Engineering Review" 5 (1973), Seiten 22
bis 28, "Ullmann, Enzyklopädie der technischen Chemie", Band 14
(1977), Seiten 395 und 396 und in der Patentschrift DE OS 32 42 699.
All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß der flüssige Brennstoff
und der zur autothermen Partialoxidation des Brennstoffs benötigte
technische Sauerstoff über einen oder mehrere Brenner
einem durch feuerfestes Mauerwerk umgrenzten, freien Reaktionsraum
innerhalb eines Reaktorgehäuses zugeführt werden, auch
dann, wenn zwei verschiedene Brennstoffqualitäten, wie zum
Beispiel Kohlenstaub und Öl oder Erdgas und Öl, in einem
Reaktor vergast werden (DE-OS 35 34 015). Der Umsatz erfolgt
als Flammenreaktion, wobei das glühende feuerfeste Mauerwerk
als permanente Zündquelle wirkt.
In Kohleveredlungswerken und Raffinerien fallen flüssige
Kohlenwasserstoff-Rückstände mit hohen Gehalten an Staub
und mineralischen Bestandteilen (Asche), wie staubhaltige
Teerrückstände oder Hydrierrückstände, an. Die Anwendung
der obengenannten Verfahren für die Verwertung solcher aschehaltigen
Rückstände ist problematisch, vielfach sogar unmöglich,
weil die bei der Flammenreaktion entstehende flüssige
Schlacke das feuerfeste Mauerwerk der Reaktoren infiltriert
und dieses zerstört.
Es sind zum Beispiel für die Vergasung fester, staubförmiger
Brennstoffe mit technischem Sauerstoff nach dem Prinzip der
Partialoxidation Reaktoren bekannt, deren Reaktionsraumkontur
gekühlt ist und beispielsweise aus wendelartig angeordneten,
mit Druckwasser beaufschlagten Rohren besteht, die reaktionsraumseitig
bestiftet und mit einer dünnen Stampfmassenschicht
belegt sind. Solche Reaktoren widerstehen dem Angriff flüssiger
Schlacke. Die stark gekühlte Reaktionstemperatur erfüllt
jedoch nicht die Funktion einer permanenten Zündquelle, die
nach kurzzeitigen Störungen in der Brennstoffzuführung eine
sofortige Neuzündung und damit den gefahrlosen Weiterbetrieb
sichern soll.
Flüssige Rückstände der Kohleveredlung oder Erdölverarbeitung
fallen in schwankender Menge und mit schwankender Qualität an.
Es ist auch nicht auszuschließen, daß durch Entmischungen kurzzeitig
ein Wasserpfropfen in der Zuleitung zu einer Verwertungseinrichtung
gefördert wird. Die Verwendung eines Reaktors
mit gekühlter Reaktionstemperatur wäre deshalb mit einem sehr
aufwendigen Sicherheitssystem insbesondere zur Überwachung
der Qualität und des Mengenflusses des flüssigen, aschehaltigen
Rückstandes auszurüsten, das zur Vermeidung gefährlicher Sauerstoffdurchbrüche
durch beispielsweise Qualitätsverschlechterung
des flüssigen, aschehaltigen Rückstandes schon bei relativ
kurzzeitigen Abweichungen von der Norm zur Abschaltung der
Anlage führen müßte.
In einem anderen Verfahren (DE-OS 27 43 865) zur Verwertung von
Rückständen aus der Kohleverflüssigung wird aus diesen Rückständen
in Gegenwart von Erdalkaliverbindungen zunächst Koks
erzeugt, der dann mit Wasserdampf vergast wird. Eine solche
Aufarbeitung des flüssigen Rückstandes ist, soweit überhaupt
möglich, mit erheblichem Aufwand verbunden.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist eine wirtschaftlich günstige und
verbundwirtschaftlich flexible Vergasung brennbarer, aber
aschehaltiger flüssiger Rückstände bei voller Gewährleistung
der technischen Sicherheit.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sicherheitstechnisch,
regelungstechnisch und technologisch einfaches
Verfahren zur Vergasung von brennbaren, aber aschehaltigen
Rückständen, vorzugsweise aschereichen Teeröl-Rückständen
der Kohleveredlung zu entwickeln.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst,
daß der aschereiche flüssige Brennstoff einem Vergasungsreaktor
zugeführt wird, dessen Reaktionsraum eine gekühlte
Kontur aufweist und dem gleichzeitig durch mindestens einen
Kohlenstoffbrenner ein in einem fluiden Medium suspendierter
staubförmiger Brennstoff zusammen mit technischem Sauerstoff
und gegebenenfalls Wasserdampf zugeführt wird, und daß der
aschehaltige flüssige Brennstoff gemeinsam mit dem staubförmigen
Brennstoff nach dem Prinzip der autothermen Partialoxidation,
vorzugsweise unter erhöhtem Druck von zum Beispiel
3,0 MPa vergast wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Zuführung des aschehaltigen
flüssigen Brennstoffes zum Vergasungsreaktor über eine
separate, von dem/den Kohlenstaubbrennern für die Zuführung
des staubförmigen Brennstoffes und des technischen Sauerstoffes
unabhängige Zuführungseinrichtung derart, daß der
aschehaltige flüssige Brennstoff mit Wasserdampf im Vergasungsreaktor
zerstäubt wird und der Wasserdampf weiterhin
als Spülmedium für die Zuführungseinrichtung für den aschehaltigen
flüssigen Brennstoff verwendet wird, wenn der Vergasungsreaktor
in Betrieb genommen wird oder wenn zwar in
einem fluiden Trägermedium suspendierter, fester, staubförmiger
Brennstoff, nicht aber aschehaltiger flüssiger Brennstoff
vergast werden soll.
Erfindungsgemäß wird der Zuführungseinrichtung für den aschehaltigen
flüssigen Brennstoff nur noch Wasserdampf, aber kein
technischer Sauerstoff zugeführt. Der für die Partialoxidation
des aschehaltigen flüssigen Brennstoffes benötigte technische
Sauerstoff wird gemeinsam mit dem zur Vergasung des festen,
staubförmigen Brennstoffes benötigten technischen Sauerstoff
mittels einer gemeinsamen Sauerstoffmengenmessung und -regelung
über den/die Kohlenstaubbrenner dem Vergasungsreaktor zugeführt.
Erfindungsgemäß müssen bei der gemeinsamen Vergasung von in
einem fluiden Trägermedium suspendierten festen, staubförmigen
Brennstoff und aschehaltigem flüssigem Brennstoff aus Gründen
der technischen Sicherheit folgende Bedingungen eingehalten
werden:
wobei das Verhältnis ( ≙o/ ≙s)Max von einem übergeordneten
Sicherheitssystem überwacht wird. ≙F [kg/h] Massenstrom des aschehaltigen flüssigen
Brennstoffes ≙s [kg/h] Massenstrom des staubförmigen Brennstoffes LF, Ls Theoretischer Sauerstoffbedarf für eine
vollständige Verbrennung der Brennstoffe ≙o [m³ i.N./h] Maximal zulässiger Volumenstrom reiner
Sauerstoff zu dem (den) Kohlenstaubbrenner(n)
Bei Einhaltung dieser Bedingungen ist eine Verwertung aschehaltiger
flüssiger Rückstände durch Vergasung bei voller Gewährleistung
der technischen Sicherheit möglich, ohne daß die
momentanen Meßwerte von Qualität und Mengenstrom des aschehaltigen
flüssigen Brennstoffes in das Sicherheitssystem eingebunden
werden müssen. Ein für das Sicherheitssystem geeignetes
Überwachungsverfahren der Qualität des aschehaltigen flüssigen
Brennstoffes müßte mit Totzeiten von maximal 1 s arbeiten,
was allenfalls nur mit extrem hohem Aufwand erreichbar wäre.
Bei einem kurzzeitigen Ausfall des aschehaltigen flüssigen
Brennstoffes (beispielsweise durch Förderung eines Wasserpfropfens)
wird der für die Vergasung des aschehaltigen flüssigen
Rückstandes bestimmte Sauerstoff voll durch den staubförmigen
Brennstoff (unter Bildung von H&sub2;O und CO&sub2;) gebunden,
ohne daß Sauerstoff in die dem Vergasungsreaktor nachgeschalteten
Anlagen gelangen kann.
Ausführungsbeispiel
In einem Vergasungsreaktor 1, desen Reaktionsraumkontur
durch eine mit Druckwasser durchflossene Rohrwandkonstruktion
2 gebildet wird, die reaktionsraumseitig durch eine
dünne Stampfmassenschicht geschützt wird, erfolgt die Vergasung
von Braunkohlenstaub mit technischem Sauerstoff
(xO&sub2; = 0,95) und Wasserdampf in einer Flammenreaktion unter
Bedingungen der autothermen Partialoxidation bei Reaktionsraumtemperaturen
von 1400 bis 1800°C und bei einem Druck von
2,5 bis 3,0 MPa(Ü) zu einem wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen
Rohgas. Der mit Stickstoff fluidisierte Braunkohlenstaub,
der einen mittleren theoretischen Sauerstoffbedarf von
Ls = 1,2 m³ i.N./kg hat, der technische Sauerstoff und der
Wasserdampf werden über einen Kohlenstaubbrenner 3 dem
Reaktionsraum zugeführt. Der Kohlenstaubbrenner 3 ist für
eine Leistung von 15 bis 30 t/h Braunkohlenstaub, 8000 bis
16 000 m³ i.N./h technischem Sauerstoff und 1 bis 3 t/h Wasserdampf
ausgelegt.
Aus verbundwirtschaftlichen Gründen ist es erforderlich,
einen aschereichen Teeröl-Rückstand der Zusammensetzung
mit einem mittleren theoretischen Sauerstoffbedarf von
LF = 1,8 m³ i.N./kg wechselnder Menge gemeinsam mit Kohlenstaub
zu vergasen.
Die Zuführung des durch vorherige Erwärmung fließfähig gemachten
Teeröls zum Vergasungsreaktor erfolgt gemeinsam mit
Wasserdampf über eine Zuführungseinrichtung 4 (Fig. 1).
Die Reaktionsbedingungen sind durch die Menge an technischem
Sauerstoff ≙O&sub2; (F 6), die Braunkohlenstaubmenge ≙s(F 7) und
die Teerölmenge MF(F 8) so einzuregulieren, daß der Wert
λSoll im Reaktionsraum im Bereich von λSoll = 0,40 liegt.
Zur Gewährleistung der technischen Sicherheit wird der maximal
zulässige λ-Wert zu λMax = 0,80 festgelegt.
Auf Grund der Qualitäten der eingesetzten Brennstoffe Braunkohlenstaub
und Teeröl und des technischen Sauerstoffes und
bei Beachtung der reaktions- und sicherheitstechnischen Erfordernisse
darf das Verhältnis von technischer Sauerstoffmenge
≙O&sub2;(F 6) zu Kohlenstaubmenge ≙s(F 7) maximal
sein.
Dieser maximal zulässige Wert des Verhältnisses wird mittels
Fr 9 von einem übergeordneten Sicherheitssystem 10 (Fig. 1)
überwacht.
Für das Betriebsregime des Vergasungsreaktors wird ein Mengenverhältnis
von technischem Sauerstoff und Braunkohlenstaub von
80% des sicherheitstechnisch zulässigen Maximalwertes
( ≙O&sub2;/ ≙s)Max, also 0,80 m³ i.N./kg festgelegt, woraus sich bei
Beachtung der Forderung
ein maximal mögliches Mengenverhältnis von Teeröl zu Braunkohlenstaub
von 0,39 kg/kg ergibt.
In der nachstehenden Tabelle 1 sind einige Beispiele für
Betriebsvarianten des Vergasungsreaktors unter Beachtung
der Leistung des Kohlenstaubbrenners dargestellt:
Tabelle 1
In den Beispielen Nr. 1 und Nr. 6 wird die Zuführungsvorrichtung
für Teeröl 4 (Fig. 1) zur Gewährleistung der technologisch
richtigen Strömungsrichtung nur mit Wasserdampf der Menge F 11
gespült.
Anspruch[de]
1. Verfahren zur gemeinsamen Vergasung von einem in einem
fluiden Medium suspendierten festen, staubförmigen Brennstoff
und einem aschehaltigen flüssigen Brennstoff nach
dem Prinzip der autothermen Partialoxidation unter erhöhtem
Druck in einem Vergasungsreaktor mit gekühlter Reaktionsraumkontur,
wobei der staubförmige Brennstoff und der
technische Sauerstoff über mindestens einen Kohlenstaubbrenner
in den Reaktionsraum eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der aschehaltige flüssige Brennstoff
separat und unabhängig von dem (den) Brenner(n) so zusammen
mit Wasserdampf über eine Zuführungseinrichtung dem Reaktionsraum
zugeführt werden, daß der Wasserdampf eine Zerstäubung
des aschehaltigen flüssigen Brennstoffes herbeiführt
und zugleich als Spülmedium für die Zuführungseinrichtung
dient, und daß der für die autotherme Partialoxidation
des aschehaltigen flüssigen Brennstoffes benötigte
technische Sauerstoff gemeinsam mit dem zur Vergasung
des staubförmigen Brennstoffes bestimmten Sauerstoff
mittels einer gemeinsamen Sauerstoffdurchflußmessung und
-regelung über den/die Kohlenstaubbrenner dem Vergasungsreaktor
zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
gemeinsame Vergasung von festem, staubförmigem Brennstoff
und aschehaltigem flüssigem Brennstoff unter den folgenden
Bedingungen erfolgt:
wobei gilt
und das Verhältnis ( ≙o/ ≙s)Max von einem übergeordneten Sicherheitssystem
überwacht wird. ≙F, ≙s Massenströme des aschehaltigen flüssigen und
des festen, staubförmigen Brennstoffes LF, Ls Theoretischer Sauerstoffbedarf des aschehaltigen
flüssigen und des festen, staubförmigen
Brennstoffes ≙o Maximal zulässiger Volumenstrom reiner Sauerstoff
zu dem (den) Brenner(n).