DE19751889C1 - Verfahren zur autothermen Vergasung flüssiger Abfallstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der autothermen Vergasung von flüssigen Kohlen­ wasserstoffen im Flugstromreaktor. Die Erfindung betrifft die Vergasung von wasserhaltigen und/oder hochfeststoffhaltigen sowie miteinander schlecht oder nicht mischbaren Verga­ sungsstoffen. Die genannten Vergasungsstoffe sind Abfallstoffe wie beispielsweise bestimmte Slurries, Farb- und Teerschlämme oder Säureharze.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, daß wasserhaltige Abfallstoffe wie bei­ spielsweise Öl-Wasser-Gemische nach destillativer Abscheidung des Wassers als Grundbrenn­ stoff in Vergasungsverfahren eingesetzt werden. Es ist weiter bekannt, daß wasserhaltige Schlämme, sog. Slurries, in die Staub- oder Ölflammen von Vergasungsanlagen eingesprüht werden (DE 38 20 013 C2). Der zur Vergasung notwendige Sauerstoff wird über die Ölbrenner zugesetzt. Diese Variante ist in ihrem Verhältnis von Erst- zu Zweitbrennstoff vor allem durch das sich einstellende hohe Lambda an den Ölbrennern begrenzt, was zu geringen Lauf- und Liegezeiten der Brennerbaugruppen führt.

Bekannt ist ferner die Vermischung wasserhaltiger Schlämme mit Grundöl. Dazu wird mittels Naßzerkleinerung eine hohe Durchmischung von Erst- und Zweitbrennstoff angestrebt. Bei normalen Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen und in den verfahrenstechnisch oft notwendigen Pufferbehältern muß jedoch mit nachträglichen Entmischungen gerechnet werden. Technisch wäre es möglich, zusätzliche Stabilisatoren oder Emulgatoren einzusetzen, was aber die Betriebskosten in die Höhe treiben würde.

Nach DE 35 34 015 A1 wird vorgeschlagen, mindestens zwei verschiedene Brennstoffe in ei­ nem Reaktor der Partialoxidation zu unterziehen. Dabei werden Kombinationen von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen angegeben. Alle einzelnen Brennstoffe erfüllen die Anforderungen an einen Grundbrennstoff, d. h. mit jedem einzelnen Brenner allein ist ein siche­ rer Teiloxidationsbetrieb möglich. Eine Prozeßentartung durch nicht umgesetzten Sauerstoff ist ausgeschlossen. So werden flüssige Brennstoffe erst nach Anwendung eines Trennverfahrens, z. B. als Rohöl, eingesetzt.

Jeder Brenner ist mit Mengenüberwachungen ausgerüstet, um die Reaktionstemperatur von 1000-1800°C einzustellen. Jeder Brenner kann autark für sich betrieben werden. Der Einsatz von flüssigen Brennstoffen schwankender Qualität mit der Gefahr des Umschlags zu Wasser ist jedoch nicht möglich und würde zu einer Prozeßentartung mit Explosionsgefahr führen. Glei­ ches gilt für den Einsatz von gleichzeitig zwei flüssigen Brennstoffen, die sich nicht mischen lassen.

In DE 40 25 916 A1 wird ein Reaktor zur Flugstromvergasung beschrieben, dessen Kühl­ schirm am unteren Ende des Reaktors in einen ebenfalls intensiv gekühlten Schlackeablaufkör­ per übergeht. Diese Kombination hat sich bei der Vergasung fester, flüssiger und pastöser Brennstoffe bewährt. Die Kombination Feuerfestausmauerung mit intensiv gekühltem Schlac­ keablauf wird jedoch hierbei nicht in Erwägung gezogen, da das Verhalten der Schlacke zum Ausmauerungsmaterial andere Prioritäten setzt als eine intensiv gekühlte Rohrschlange.

Es ist auch versucht worden, den Wassergehalt der zur Vergasung anstehenden Brennstoff- Wasser-Gemische kontinuierlich zu messen. Die bekannten Meßverfahren erwiesen sich aber gegenüber Qualitätsschwankungen als zu unzuverlässig, so daß man darauf verzichten mußte.

Der grundsätzliche Nachteil dieser bekannten Lösungen ist die erforderliche Vermischung von Erst- und Zweitbrennstoff.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für den gleichzeitigen Einsatz von flüssigen Brennstoffen mit wasserhaltigen sowie miteinander schlecht oder gar nicht mischbaren flüssi­ gen Vergasungsstoffen im Flugstromvergaser zu finden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei werden in einem Mehrlanzendruckzer­ stäuberbrenner, der aus ≧ 4 Einzellanzen besteht, über mindestens eine Lanze ein wasserhalti­ ger Abfallstoff (Zweitbrennstoff) separat dem Flugstromvergaser zugeführt, wobei die mit diesem Stoff betriebene Lanze ausschließlich als Zweitbrennstoffbrenner betrieben wird. Die anderen Lanzen werden mit üblichem Brennstoff (Erstbrennstoff) betrieben. Die Zuführung der verfahrensnotwendigen Stoffe Sauerstoff und Dampf erfolgt gemeinsam für alle Brennstofflan­ zen. Die getrennte Zuführung der Vergasungsstoffe ermöglicht, daß die zugeführten Mengen so eingestellt werden können, daß die Verhältnisse an allen Teilbrennern gleich sind, d. h., es wird eine solche Menge an Abfallstoff dosiert, daß das Lambda (Verhältnis der Vergasungs­ sauerstoffmenge zum Produkt aus Brennstoffmenge und minimalem Sauerstoffbedarf des Brennstoffs) an allen Teilbrennern gleich groß ist. Soll ein weiterer mit Öl und den genannten Abfallstoffen nicht mischbarer Stoff eingesetzt werden, kann dieser ebenfalls erfindungsgemäß über eine weitere separate Lanze in den Mehrlanzenbrenner eingebunden werden. Die Zünd­ bedingungen im Reaktor werden über an der Reaktorkuppel angeordnete Thermoelemente überwacht. Der Start des Mehrlanzenbrenners erfolgt ohne Abfallstoff.

Aus Sicherheitsgründen darf das Verhältnis der Menge Gesamtsauerstoff für Erst- und Zweit­ brennstoff zur Erstbrennstoffmenge nicht größer als 1,7-1,8 Nm³/kg werden. Es muß immer davon ausgegangen werden, daß durch Qualitätsveränderungen der Zweitbrennstoff zu Wasser werden könnte. Der dann weiter zur Verfügung stehende Erstbrennstoff garantiert den voll­ ständigen Umsatz des Gesamtsauerstoffs. Der Prozeß wird entweder über die Messung der Reaktortemperatur außer Betrieb oder nach einem sofortigen Sauerstoffrücksprung in die reine Ölvergasung gesetzt.

Als redundante Überwachung wurde herausgefunden, daß dazu das Verhältnis von Gesamt­ sauerstoff zu erzeugter Spaltgasmenge geeignet ist. Qualitätsverfälschungen des Zweitbrenn­ stoffes in Richtung Wasser bewirken den schlagartigen Abfall der gemessenen Spaltgasmenge und damit einen Anstieg des Verhältnisses Gesamtsauerstoff/Spaltgas. Beim Überschreiten des Wertes von 0,36 Nm³ O₂/Nm³ Spaltgas wird die Zufuhr von Zweitbrennstoff unterbrochen und durch automatischen Sauerstoffrücksprung die Verhältnisse der reinen Ölvergasung ein­ gestellt.

Der erfindungsgemäße Betrieb der separaten Lanze als Abfallstoff Brenner gewährleistet eine Vermeidung von Verschleiß an den Erstbrennstoff Brennerbaugruppen.

Beim gewollten Anheben des Aschegehaltes im Vergasungsstoff wurde überraschend festge­ stellt, daß ein sicherer Abfluß der Schlacke aus dem Reaktor auch dann garantiert werden kann, wenn die entsprechenden Bauteile des Reaktors aus einer Kombination von keramischer Auskleidung und intensiv gekühltem Schlackeablaufkörper bestehen.

Bei der Zusammenstellung der Qualitäten von Erst- und Zweitbrennstoff ist unbedingt darauf zu achten, daß die anfallende Schlacke bei der eingestellten Reaktortemperatur von 1300-­ 1450°C fließfähig bleibt, d. h. das CaO/SiO₂-Verhältnis ist in den Grenzen von 0,8 bis 1,5 einzustellen. Diese Schlacken haben dann einen Fließpunkt von kleiner 1300°C und garantie­ ren damit das sichere Zusammenwirken von Feuerfestausmauerung und intensiv gekühlten Schlackeablauf.

Die Kühlung und Waschung der heißen Spaltgase erfolgt über eine Quenchdüse. Die Schlacke wird in 2 alternierend betriebenen Schlackeschleusen gesammelt und ausgeschleust. Eine Schlackewaschvorrichtung gewährleistet durch Entfernung des Rußes die Einhaltung der vor­ geschriebenen Deponiefähigkeit entsprechend den gesetzlichen Bedingungen. Die Schwerme­ tallanteile aus den vergasten Abfallstoffen sind in der Schlacke und im Ruß nichteluierbar ein­ geschlossen.

Aus dem bisher Beschriebenen ergibt sich die Eignung des Flugstromvergasers für die Entsor­ gung von flüssigen/ pastösen Abfallstoffen, die mit schwer-, aber auch leichtflüchtigen Schwermetallen belastet sein können. Bis zu 60% des benötigten Vergasungsstoffes kann nach dieser Lösung durch den Sekundärbrennstoff ersetzt werden.

Im folgenden soll die Erfindung mit einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen keramisch ausgekleideten Flugstromvergaser, der mit einem Mehrlanzenbrenner mit 4 Lanzen betrieben wird, von denen 2 Lanzen der Zufuhr von Zweitbrennstoff dienen. Der Zweitbrennstoff ist Säureharz und Teerschlamm. Der Flug­ stromvergaser wird über die anderen zwei Lanzen mit Erstbrennstoff betrieben mit einem mi­ nimalen Sauerstoffbedarf von 2,2 Nm³/kg Öl. Für den Erstbrennstoff kann durch die entspre­ chende Aufbereitungstechnologie die Wasserfreiheit von kleiner 1,0 Ma.% garantiert werden. Über eine der zwei Zweitbrennstofflanzen wird ein wasserhaltiger Teerschlamm mit einem O_min von 1,4 Nm³/kg separat zugeführt, und über eine zweite Zweitbrennstofflanze wird ein rück­ verflüssigtes Säureharz mit einem O_min von 1,3 Nm³/kg eingespeist.

Die Sauerstoffmenge wird so geregelt, als wenn alle 4 Lanzen mit Öl (Summe: 8 t/h) betrieben würden, d. h. bei einem Lambda von 0,38 und einer Gesamtbrennstoffmenge über die zwei mit Öl betriebenen Lanzen von 4 t/h fließen über jede Lanze 1700 Nm³ O₂/h. Somit werden über die Teerschlammlanze eine Menge von 3,2 t/h und über die Säureharzlanze 3,4 t/h eingestellt, wodurch sich stabile Reaktionsbedingungen am Mehrlanzenbrenner einstellen.

Die mit den Einsatzstoffen in den Reaktor eingetragene Asche verläßt den Reaktor über den intensiv gekühlten Schlackeablaufkörper und wird in der Quenchdüse gekühlt und gewaschen. Die Quenchdüse besitzt als Einlauf eine Abtropfkante für Schlacke. Die intensive Durch­ mischung von Spaltgas mit Wasser wird durch eine Einengung am Ende der Quenchdüse er­ reicht. Das die Quenchdüse verlassende Spaltgas ist bei 190°C wasserdampfgesättigt. Der Restfeststoffgehalt des ca. 190°C heißen Rohgases liegt bei ≦ 2 g/ Nm³. Die Schlacke wird mit dem sich im Quencher sammelnden Rußwasser zwischenentspannt und über zwei alternierend arbeitende Schlackeschleusen aus dem Prozeß entfernt. Die Schlacke ist intensiv mit Ruß ver­ mischt und wird in einer nachgeschalteten Schlackewaschanlage vor der Deponierung von Ruß befreit. Die mit dem Erst- und Zweitbrennstoff in den Flugstromreaktor eingetragenen Schwermetalle liegen in der Schlacke und im Ruß in nichteluierbarer Form vor.

Das Spaltgas wird nach dem Quencher in einem Waschkühler auf einen Feststoffgehalt von < 1 g/Nm³ gereinigt und dann einer CO-Konvertierungsanlage zugeführt. In dieser Konvertie­ rungsanlage erfolgt die Einstellung des für weitere Veredlungszwecke benötigten CO/H₂- Verhältnisses.

Bei Ausfall eines Abfallstoffes wird die entsprechende Lanze entweder mit inertem Medium oder mit Spüldampf beaufschlagt, so daß die sicherheitstechnisch notwendige Strömungsrich­ tung immer gewährleistet ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur autothermen Vergasung flüssiger Abfallstoffe im Flugstromvergaser, wobei die flüssigen Abfallstoffe Stoffe sind, die zu Qualitätsschwankungen neigen und/oder nicht miteinander mischbar sind, wie beispielsweise Öl-Wassergemische oder Säureharz, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. das Abfallstoffmenü so zusammengestellt wird, daß das CaO/SiO₂-Verhältnis der am Ende der Vergasung anfallenden Schlacke im Bereich 0,8 bis 1,5 liegt,
• 2. das Mengenverhältnis von Erst- zu Zweitbrennstoff so gewählt wird, daß bei Quali­ tätsverfälschung des Zweitbrennstoffs und voller Sauerstoffmenge das Gesamtlambda des Prozesses kleiner 1 bleibt,
• 3. als Vergasungsbrenner ein Mehrlanzendampfzerstäuberbrenner eingesetzt wird, der aus ≧ 4 Einzellanzen besteht und daß von diesen Einzellanzen mindestens eine mit einem mit Erstbrennstoff nicht mischbaren und/oder wasserhaltigen Abfallstoff (Zweitbrennstoff) betrieben wird,
• 4. die Sauerstoff und Zerstäuberdampfzuführung zum Mehrlanzendampfzerstäuberbren­ ner für alle Brennstofflanzen gemeinsam erfolgt,
• 5. der Austritt des schlackebeladenen Spaltgases aus dem feuerfestausgekleideten Reaktor vorbei an einer zusätzlich angeordneten, intensiv gekühlten Rohrschlange erfolgt, die direkt in die darunterliegende Quenchdüse ausläuft,
• 6. sich nach der Quenchung eine aus zwei alternierend betriebenen Schlackeschleusen bestehende Schlackeentfernung anschließt, der technologisch eine Schlackewaschanlage folgt,
• 7. jede Prozeßentartung durch Anstieg des Gesamtsauerstoff/Spaltgas-Verhältnisses auf größer 0,36 Nm³/Nm³ meßtechnisch erkannt und durch Abschalten des Abfallstoffes verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Start des Mehrlanzen­ brenners ohne Abfallstoff erfolgt, wobei aber Sauerstoffund Zerstäuberdampf über alle Lanzen zugeführt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abschaltung oder Ausfall des Zweitbrennstoffs ein sofortiger Sauerstoffrücksprung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 60% des Verga­ sungsstoffes durch flüssige Abfallstoffe ersetzt werden.

5. Verfahren nach allen vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zünd­ bedingungen im Reaktor durch in der Reaktorkuppel angeordnete Thermoelemente überwacht werden.