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DE3820013A1 - Verfahren zur gemeinsamen vergasung von fluessigen und festen, staubfoermigen brennstoffen - Google Patents

Verfahren zur gemeinsamen vergasung von fluessigen und festen, staubfoermigen brennstoffen

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DE3820013A1
DE3820013A1 DE19883820013 DE3820013A DE3820013A1 DE 3820013 A1 DE3820013 A1 DE 3820013A1 DE 19883820013 DE19883820013 DE 19883820013 DE 3820013 A DE3820013 A DE 3820013A DE 3820013 A1 DE3820013 A1 DE 3820013A1
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liquid fuel
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Description

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
L F , L s 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 H₂O und CO₂) 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 (x O₂ = 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 L s = 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
C
70-78 Gew.-%
H 8-10 Gew.-%
O 4-6 Gew.-%
S 0,5-1 Gew.-%
N 0,5-1 Gew.-%
H₂O 1-2 Gew.-%
Asche 5-15 Gew.-%
mit einem mittleren theoretischen Sauerstoffbedarf von L F = 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 O₂ (F 6), die Braunkohlenstaubmenge s (F 7) und die Teerölmenge M F (F 8) so einzuregulieren, daß der Wert λ Soll im Reaktionsraum im Bereich von λ Soll = 0,40 liegt. Zur Gewährleistung der technischen Sicherheit wird der maximal zulässige λ-Wert zu λ Max = 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 O₂ (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 ( O₂/ 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.

Claims (2)

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
L F , L s Theoretischer Sauerstoffbedarf des aschehaltigen flüssigen und des festen, staubförmigen Brennstoffes
o Maximal zulässiger Volumenstrom reiner Sauerstoff zu dem (den) Brenner(n).
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