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Dokumentenidentifikation DE102006030079B4 22.01.2009
Titel Verfahren zur Inbetriebnahme von Flugstrom-Vergasungsreaktoren hoher Leistung mit Kombinationsbrenner und Mehrbrenneranordnung
Anmelder Siemens Aktiengesellschaft, 80333 München, DE
Erfinder Fischer, Norbert, 09638 Lichtenberg, DE;
Schingnitz, Manfred, Dr., 09599 Freiberg, DE
Vertreter Lüdtke, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 30853 Langenhagen
DE-Anmeldedatum 28.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030079
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse C10J 3/46  (2006.01)  A,  F,  I,  20060628,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse C10J 3/50  (2006.01)  A,  L,  I,  20060628,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung, entsprechend den Merkmalen des ersten Patentanspruches.

Das Verfahren ist anwendbar für Flugstromvergaser mit Leistungen > 200 MW, wie sie zur Synthesegasversorgung von Großsynthesen eingesetzt werden können.

Die Erfindung erlaubt unter Gewährleistung der technischen Sicherheit und geringer Inbetriebnahmezeit den Start der autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse, feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, sogenannte Slurries mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 100 bar.

Die Gestaltung der Vorrichtung der Brennstaubzuführung einschließlich der Förderleitungen und deren Zuordnung zu den Staubbrennern, sowie die Anordnung der Brenner am Reaktorkopf für Flugstromvergaser sind in DE 10 2005 048 488 A1 beschrieben. Aus diesem Dokument geht ein Verfahren zur Vergasung von Brennstäuben hervor, bei dem aus festen Brennstoffen im Flugstrom mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel durch partielle Oxidation bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 80 bar sowie Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C bei hohen Reaktorleistungen zwischen 1.000 und 1.500 MW umgewandelt werden. Das Verfahren besteht aus den Teiltechnologien: Dosieren des Brennstoffes, Vergasungsreaktion in einem Vergasungsreaktor mit gekühlter Reaktionsraumkontur, Quenchkühlung, Rohgaswäsche, Teilkondensation. Ein Brennstoff, vorzugsweise ein Brennstaub, mit einem Wassergehalt < 10 Ma% und einer Korngröße < 200 &mgr;m wird mehreren gleichgeschalteten Dosiersystemen aufgegeben, die den Brennstoff, vorzugsweise den Brennstaub, über Förderrohre mehreren am Kopf eines Reaktor angeordneten Vergasungsbrennern zuführen, die symmetrisch angeordnet sind und zusätzliche Sauerstoffzuführungen enthalten. Weiterhin ist das Verfahren anwendbar für Anlagen, bei denen von einem Bunker Brennstaubströme, vorzugsweise drei, Brennstaubströme zu Druckschleusen gelangen, die die Brennstaubströme zu Dosiergefäßen leiten, von denen ein oder mehrere, vorzugsweise drei, Förderleitungen zu mehreren, vorzugsweise drei, Staubbrennern in einen Vergasungsreaktor führen.

Der Hochleistungsreaktor weist mehrere, am Kopf symmetrisch angeordneten Vergasungsbrennern und einem Zünd- und Pilotbrenner auf.

DD 278692 A3 beschreibt ein Verfahren zur Inbetriebnahme von Reaktoren mit wassergekühlter Rohrwandkonstruktion. Es wird ausgeführt, dass die Zündung der Vergasungsstoffe bei vollem Betriebsdruck erfolgt, wobei für eine zuverlässige und verzögerungsfreie Zündung unmittelbar vor und während des/der Produktionsbrenner die durch den Zünd- und Zünd- und Pilotbrenner entbundene Wärmeleistung Q größer oder gleich dem benötigten Zündwärmebedarf QZ der Startmenge an Vergasungsstoff, die der minimalen Dauerleistung des bzw. der Produktionsbrenner entspricht, sein muss. Das hat den Nachteil, dass dies bei Vergasungsreaktoren mit hoher Leistung beispielsweise bis zu 1.500 MW zu einer sehr hohen erforderlichen Wärmeleistung des Zünd- und Pilotbrenners führt.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Inbetriebnahme von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung > 200 MW zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse, feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen bei Betriebsdrücken bis 100 bar bei reduzierter Wärmeleistung des Zünd- und Pilotbrenners.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für verschiedene Anordnungen von Brennern in Reaktoren anwendbar.

Der Zünd- und Pilotbrenner ist mittig, d. h. in der Mitte der vertikalen Achse des Vergasungsreaktors angeordnet. Der Zünd- und Pilotbrenner kann mittig in einem Brenner, beispielsweise in einem Staubbrenner, angeordnet sein, so dass ein Kombinationsbrenner vorhanden ist. Der Zünd- und Pilotbrenner kann aber auch zentral zwischen Staubbrennern angeordnet sein. Beispielsweise können die Staubbrenner versetzt um den zentralen Zünd- und Pilotbrenner angeordnet sein.

Der zentral angeordnete Zünd- und Pilotbrenner wird mit einer Hochspannungszündeinrichtung gezündet. Sofort danach wird die Leistung des Zünd- und Pilotbrenners und der Druck des Flugstromvergasungsreaktors einschließlich das nachgeordneten Rohgassystems bis auf die maximale Zünd- und Pilotbrennerleistung und den Betriebsdruck der Anlage gesteigert.

Nach Erreichen des Betriebsdruckes wird über eine oder mehrere Staubförderleitungen Brenngas zugeführt und gemeinsam mit über separate Leitungen unterstöchiometrisch zugeführten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels verbrannt.

Nach Erreichen des Betriebsdruckes erfolgt zunächst die Zuschaltung und Zündung des über Brennstaubförderleitungen in den Vergasungsreaktor einströmenden Brenngases. Sind drei separate Staubbrenner angeordnet, werden diesen über Brennstaubförderleitungen Brenngas mit dem über separate Leitungen unterstöchiometrisch zugeführten sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel zugeführt. Mit der Zündung des Brenngas-Vergasungsmittel-Gemisches sind die Startbedingungen für die Zuführung der zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffe wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse, feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen Slurries zum Flugstromreaktor erfüllt. Der Start der Vergasungsstoffzuführung erfolgt durch die aufeinanderfolgende Zuschaltung jeweils nur einer Förderleitung derart, dass nach Zuschaltung der Zuführungsleitung zunächst ein der gewählten Sauerstoffverhältniszahl &lgr; entsprechender Vergasungsmittelstrom zudosiert wird und danach die Zuschaltung der nächsten Brennstoffleitung erfolgt. Bei einer Mehrbrenneranordnung kann nacheinander jeweils eine oder mehrere Brennstoffleitungen je Brenner in Betrieb gesetzt werden. Die Zuschaltung noch nicht angeschlossener Brennstoffleitungen erfolgt dann analog.

Bei einer Mehrfachbrenneranordnung wird nacheinander jeweils nur eine Brennstoffleitung je Brenner in Betrieb gesetzt und danach nach gleicher Verfahrensweise alle weiteren Leitungen.

Mit dieser Verfahrensweise muss für eine zuverlässige und verzögerungsfreie Zündung des Brennstoffes durch die Zündflamme unmittelbar vor und während der Inbetriebnahme des/der Brenner nur der Zündwärmebedarf bereitgestellt werden, der der minimalen Dauerleistung eines Brennstoffförderrohres entspricht. Bei Anwendung des Verfahrens kann bei Einsatz eines Kombinationsbrenners der Zündwärmebedarf um 60%, bei Mehrbrenneranordnung um bis zu 90% reduziert werden.

Die Erfindung soll an den nachfolgenden fünf Ausführungsbeispielen und zwei Figuren näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1: Staubdosiergefäß mit Staubförderleitungen zum Vergasungsreaktor mit Kombinationsbrenner,

2: Staubdosiergefäß mit Staubförderleitungen zum Vergasungsreaktor mit Mehrbrenneranordnung.

Als erstes Beispiel wird die Erfindung an einem Vergasungsreaktor mit einem Kombinationsbrenner nach 1 erläutert.

Der Kombinationsbrenner, der am Kopf des Reaktors 2 angebracht ist, besteht aus dem Zünd- und Pilotbrenner mit Zündeinrichtung 2.3 und dem Staubbrennerteil 2.4 Zur Versorgung des Staubbrenners mit Brennstaub werden aus einem Dosiergefäß 1.1 über drei Förderleitungen 1.2 die benötigten Staubmengen zugeführt.

Bei einem Vergasungsreaktor 2 mit einer Bruttoleistung von 500 MW und dem beschriebenen Kombinationsbrenner 2.4 entspricht das einer Kohlenstaubmenge von 78 Mg/h. Der Brennstaub besitzt einen Heizwert von 23 MJ/kg. Die Brennstaubzuführung vom Dosiergefäß 1.1 zum Kombinationsbrenner 2.4 erfolgt mittels genannter drei Förderleitungen 1.2, somit 26 Mg/h je Leitung. Die maximale Startleistung einer Brennstoffleitung 1.2 beträgt 11,7 Mg/h. Aus dieser Startleistung resultiert die Mindestzündwärme von 13,5 GJ/h. Bei Inbetriebnahme nach dem bisherigen Stand der Technik wäre eine Mindestzündwärme von 40,5 GJ/h notwendig.

Nach Erreichen des Betriebsdruckes im Reaktor 2 und der Zündleistung des Zünd- und Pilotbrenners 2.3 geschieht die Inbetriebnahme des Staubbrenners 2.4 derart, dass durch die automatische Steuerung Brenngas und sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel dem Staubbrenner 2.4 zugeführt werden, so dass durch die Zündflamme des Zünd- und Pilotbrenners 2.3 zunächst an jeder der drei Staubförderleitungen 1.2 eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme gezündet wird. Die Überwachung der Brenngasmenge und der Sauerstoffmenge erfolgt durch ein übergeordnetes Sicherheitssystem. Die durch die Zündbrennerflamme und die drei Brenngas-Sauerstoff-Flammen am Staubbrenner 2.4 frei werdende fühlbare Wärme ist so groß, dass mittels automatischer Steuerung durch Öffnen der ersten Zuführungsleitung 1.2 und durch Erhöhung des sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels die in den Reaktor 2 strömenden 11,7 Mg/h Kohlenstaub sicher gezündet werden können. Dem schließt sich die Inbetriebnahme der zweiten Kohlenstaubzuführungsleitung 1.2 an. Die Überwachung der Brenngasmenge, der Kohlenstaubmenge und der Sauerstoffmenge erfolgt durch das übergeordnete Sicherheitssystem. Nach erfolgter Inbetriebnahme des Kohlenstaubbrenners 2.4 wird die Zuführung von Brenngas zum Kohlenstaubbrenner 2.4 geschlossen.

Ein weiteres Beispiel wird an einem gleichen Brenner beschrieben. Die Zündung des Zünd- und Pilotbrenners 2.3 erfolgt wie im Beispiel 1. Nach Erreichen der vollen Zünd- und Pilotbrennerleistung und des gewünschten Druckes des Vergasungsreaktors 2 wird die der erforderlichen Mindestzündwärme von 13,5 MJ/h entsprechende Brenngasmenge über ein Staubförderrohr 1.2 zugegeben und mit sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel gezündet. Nach Erreichen einer stabilen Flamme werden die restlichen beiden Staubleitungen 1.2 sofort mit dem festen Brennstoff oder Slurry und dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel zur Reaktion gebracht. Anschließend werden diese beiden Staubleitungen 1.2 auf die Nennleistung von je 26 Mg/h hochgeregelt.

In einem dritten Beispiel soll das Verfahren an Vergasungsreaktoren mit Mehrbrenneranordnung nach 2 beschrieben werden. Einem Vergasungsreaktor 2 nach 2 mit einer Bruttoleistung von 1.500 MW wird eine Kohlenstaubmenge von 240 Mg/h zugeführt. Der Brennstaub besitzt einen Heizwert von 24,7 MJ/kg. Am Kopf des Vergasungsreaktors 2 in dem der Steinkohlenstaub mit einem freien Sauerstoff enthaltenen Vergasungsmittel vergast wird, sind ein Zünd- und Pilotbrenner 2.1 und drei um 120° versetzt um den Zünd- und Pilotbrenner angeordnete Kohlenstaubbrenner 2.2 installiert. Die Kohlenstaubbrenner 2.2 werden von je einem Dosiergefäß 1.1 beschickt, wobei jede Einheit 1/3 der Gesamtstaubmenge, also 80 Mg/h, und mittels je drei Zuführungsleitungen 1.2, also 26,7 Mg/h je Leitung, in dem Reaktor 2 fördert. Die Startleistung einer Zuführungsleitung 1.2 beträgt 12 Mg/h. Basierend auf dieser Startleistung einer Leitung 1.2 wird eine Mindestzündwärme von nur 14,8 GJ/h, benötigt im Vergleich zu 133,4 GJ/h nach dem bisherigen Verfahren. Nach Erreichen des Betriebsdruckes in Reaktor 2 und der Zündleistung des Zünd- und Pilotbrenners 2.1 geschieht die Inbetriebnahme der drei Kohlenstaubbrenner 2.2 derart, dass durch die automatische Steuerung Brenngas und sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel den Kohlenstaubbrennern 2.2 zugeführt werden, so dass durch die Zündflamme des Zünd- und Pilotbrenners 2.1 zunächst an jedem der drei Kohlenstaubbrenner 2.2 eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme gezündet wird. Die Überwachung der Brenngasmenge und der Sauerstoffmenge erfolgt durch ein übergeordnetes Sicherheitssystem.

Die durch die Flamme des Zünd- und Pilotbrenners 2.1 und die drei Brenngas-Sauerstoff-Flammen an den Kohlenstaubbrennern 2.2 frei werdende fühlbare Wärme ist so groß, dass mittels automatischer Steuerung durch öffnen der ersten Zuführungsleitung 1.2 und durch Erhöhung des sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels die in den Reaktor 2 strömenden 12 Mg/h Kohlenstaub sicher gezündet werden können. Dem schließt sich die Inbetriebnahme einer Kohlenstaubzuführungsleitung 1.2 des zweiten Kohlenstaubbrenners 2.2 mit Erhöhung des Vergasungsmittels und danach des dritten Kohlenstaubbrenners 2.2 an. Die Inbetriebnahme wird in der beschriebenen Reihenfolge fortgeführt, bis alle Kohlenstaubzuführungsleitungen 1.2 in Betrieb sind. Die Überwachung der Brenngasmenge, der Kohlenstaubmenge und der Sauerstoffmenge erfolgt durch das übergeordnete Sicherheitssystem. Nach erfolgter Inbetriebnahme der Kohlenstaubbrenner 2.2 wird die Zuführung von Brenngas Kohlenstaubbrennern 2.2 beendet.

In einem vierten Ausführungsbeispiel soll die Inbetriebnahme des Vergasungsreaktors 2 mit Hilfe des Zünd- und Pilotbrenners 2.1 analog dem Beispiel 3 erfolgen. Nach Erreichen des gewünschten Betriebsdruckes und der vollen Zünd- und Pilotbrennerleistung wird über einen der drei Kohlenstaubbrenner 2.2 die einer Wärmeleistung von 14,8 GJ/h entsprechende Brenngasmenge zugeführt und unterstöchiometrisch verbrannt. Anschließend werden die anderen beiden Kohlenstaubbrenner 2.2 mit Kohlenstaub in Betrieb gesetzt, wobei zunächst ein Förderrohr 1.2 mit der Mindeststaubmenge von 12 Mg/h beaufschlagt wird, dem die nächsten beiden Förderrohre 1.2 gleichfalls mit je 12 Mg/h folgen. Nachdem jeder Brenner 2.2 die Mindeststartmenge von 3 × 12 = 36 Mg/h erreicht hat, werden sie auf die Betriebsleistung von 80 Mg/h je Brenner 2.2 hochgeregelt. In vergleichbarer Weise wird der zunächst mit Brenngas beaufschlagte Brenner 2.2 durch Abschaltung des Brenngases auf die Leistung von 80 Mg/h gebracht.

In einem fünften Ausführungsbeispiel soll das Verfahren für Vergasungsreaktoren 2 mit Slurryvergasung bei Kombinationsbrenner- und Mehrbrenneranordnung dargestellt werden. An Stelle einer trockenen pneumatischen Staubzuführung wie in den Beispielen 1–4 kann der Brennstaub für bestimmte Brennstoffe wie Steinkohlen, Petrolkokse und feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände als Staub-Wasser oder Staub-Öl-Suspension, sogenannter Slurry, in den Vergasungsreaktor eingebracht werden. Für einen Reaktor 2 mit einer Leistung von 500 MW und damit einem Brennstaubbedarf von 78 Mg/h ergibt sich bei einer Feststoffkonzentration von 60 Ma% im Slurry eine zuzuführende Menge von 130 Mg/h. Die Mindestzündwärme beträgt wie im Beispiel 1 13,56 MJ/h, was einer Slurrymenge von 20 Mg/h entspricht. Der Inbetriebnahmevorgang selbst vollzieht sich wie in den vorangegangenen Beispielen.

1.1
Staubdosiergefäß
1.2
Staubförderleitungen
2
Vergasungsreaktor
2.1
Zünd- und Pilotbrenner
2.2
Staubbrenner
2.3
Zünd- und Pilotbrenner des Kombinationsbrenners
2.4
Staubbrenner des Kombinationsbrenners


Anspruch[de]
Verfahren zur Inbetriebnahme von Flugstromvergasungsreaktoren hoher Leistung mit

einem Kombinationsbrenner, der einen Zünd- und Pilotbrenner sowie einen Brenner enthält, oder

einer Mehrbrenneranordnung, wobei um einen Zünd- und Pilotbrenner separat mehrere Brenner angeordnet sind,

wobei je Brenner mehrere Brennstoffleitungen angeordnet sind, über die die jeweils anteilige Menge der gesamten Brennstoffmenge förderbar ist,

zur autothermen Partialoxidation von zu Brennstaub aufbereiteten Brennstoffen wie Braun- und Steinkohlen, Petrolkokse oder feste mahlbare kohlenstoffhaltige Rückstände aber auch Feststoff-Flüssigkeits-Suspensionen, die den Brennern zugeführt werden mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel bei Betriebsdrücken bis 10 MPa und Temperaturen zwischen 1200 und 1800°C mittels einer Zündflamme

dadurch gekennzeichnet, dass

der Zünd- und Pilotbrenner mit Brenngas und dem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unterstöchiometrisch gezündet und der Flugstromvergasungsreaktor damit auf den vorgesehenen Druck gebracht wird und

danach über eine oder mehrere zum Brenner führende Brennstoffleitungen ein vorgesehener Strom eines Brenngases zugeführt und mit einem Teilstrom des freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittels in unterstöchiometrischem Verhältnis durch die Flamme des Zünd- und Pilotbrenners gezündet wird und

danach der für die Vergasung durch Partialoxidation bestimmte Brennstoff zusammen mit weiterem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel über die Brennstoffleitungen dem Brenner zugeführt wird,

wobei die Brennstoffzuführung durch die aufeinanderfolgende Zuschaltung der Brennstoffleitungen erfolgt derart, dass nach Zuschaltung einer Brennstoffleitung zunächst ein entsprechender Vergasungsmittelstrom zudosiert wird und danach die Zuschaltung der nächsten Brennstoffleitung erfolgt,

und der Brennstoff durch die Zünd- und Pilotbrennerflamme sowie an den am Brenner entstehenden Flammen des Brenngases gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Brennstoffes als eine Brennstaub-Wasser oder Brennstaub-Öl-Suspension erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Einleiten von Brenngas zur Zündung über alle Brennstoffleitungen erfolgt und danach das Fördern von Brennstoff eingeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Einleiten von Brenngas nur über eine Brennstoffleitung geschieht und danach das Fördern von Brennstoff über alle Brennstoffleitungen erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Zündung erforderliche Wärmemenge gleich oder größer dem 0,05- bis 0,5-fachen Produkt aus dem Mengenstrom des Brennstoffes nur einer Brennstoffleitung und dessen Heizwert ist. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die vorgenannte Inbetriebnahme von einem übergeordneten, unabhängigen und selbsttätig wirkenden Sicherheitssystem überwacht wird.






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