DE19643258B4

DE19643258B4 - Flugstromvergaser zur Vergasung von kohlenstoff- und aschehaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen

Info

Publication number: DE19643258B4
Application number: DE19643258A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Peise; Dietmar Dipl.-Ing. Degenkolb; Manfred Dr.-Ing. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-10-19
Filing date: 1996-10-19
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2016-10-20
Also published as: SE9703794D0; DE19643258A1; SE9703794L; US5968212A

Abstract

Flugstromreaktor zur Vergasung von kohlenstoff- und aschehaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen niedrigen Aschegehaltes mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel, aufweisend einen Reaktorraum, der ausgelegt ist für einen Betrieb bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Anteile des Vergasungsgutes und einem Druck bis 60 bar,
mit einer
vertikalen Aufteilung der Reaktorraumkontur in einem ersten Bereich mit einer feuerfesten Auskleidung und einen zweiten, durch eine gekühlte Wand ausgebildeten Bereich, wobei die gekühlte Wand aus gasdicht verschweißten und reaktorseitig bestifteten Kühlschlangen, die mit einer dünnen Schicht einer gut wärmeleitenden keramischen Masse beschichtet sind, oder aus einer Doppelmantelkonstruktion mit einem Kühlspalt besteht,
wobei die Verbindungsstelle zwischen feuerfestem Material und Bodenkühlung überlappend ausgeführt ist und unterschiedliche Wärmedehnungen kompensieren kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugstromvergaser zur Verwertung von kohlenstoff- und aschehaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen durch Vergasung.
Die Vorrichtung ist überall dort anwendbar, wo kohlenstoff- und aschehaltige Abfallstoffe bei erhöhtem bzw. atmosphärischem Druck in einer Flammenreaktion bei Temperaturen von mindestens 1100°C mit Sauerstoff bzw. einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel vergast werden. Unter aschehaltigen Brennstoffen sind sowohl feste Brennstoffe wie Braun- und Steinkohlen sowie ihre Kokse mit mehr oder weniger hohen Aschegehalten als auch mit geringen anorganischen Bestandteilen beladene Öle, Teere oder ihre Mischungen mit Feststoffen zu verstehen. Unter aschehaltigen Abfallstoffen sind feste und flüssige Stoffe zu verstehen, die besonders aus der Abfall- und Recyclingwirtschaft entstehen, wie kommunale und industrielle Schlämme, Altöle, PCB-haltige Öle, Plaste- und Hausmüllfraktionen oder ihre Aufbereitungsprodukte, Leichtshredder aus der Aufarbeitung von Auto-, Kabel- und Elektronikschrott sowie kontaminierte wässrige Lösungen.
Aus EP 0 078 100 B1 ist ein Vergasungsreaktor bekannt, der sowohl eine mit feuerfester Auskleidung versehene senkrechte Wand als auch eine gekühlte Boden- oder Auslaufzone aufweist. Es handelt sich dabei allerdings um einen Festbettreaktor.
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-KONVERSIONS-VERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, S. 39).
Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Vergasungsgas und flüssige Schlacke getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden. (F. J. Schweitzer, Thermoselect-Verfahren, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1994, S. 156).
Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumkontur des Vergasungssystems sind sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt ( DE 4446803 A1 ).
In GB 394,299 und DE-PS 390 436 werden Generatoren zur Brenngaserzeugung mit doppelwandigem Kühlmantel beschrieben. Diese Generatoren arbeiten bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Brennstoffasche. Dem zufälligen, örtlich begrenzten Aufschmelzen der Asche während des Luftblasens und dem Anbacken der erweichten Asche soll durch die gekühlten Flächen entgegengewirkt werden. Auch der Wasserdampfkondensation an den Kühlflächen und damit dem Anbacken von Asche soll durch Anheben der Kühlmedientemperatur entgegengewirkt werden. Für Gaserzeuger mit Flüssigschlckeabzug sind diese Lösungen nicht geeignet. Sie würden zuwachsen bzw. die Ausmauerung würde kurzzeitig abgezehrt werden.
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 z. B. 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 und nur in Form von Heißwasser oder Niederdruckdampf gewonnen werden kann. Besonders bei niederkalorischen Brenn- und Abfallstoffen kann das von erheblichem Nachteil sein.
Betrachtet man die Entwicklung der Flugstromvergasung in den vergangenen 30 Jahren, so werden unter Inkaufnahme aller Nachteile nur Reaktoren mit Kühlschirm oder mit feuerfester Auskleidung gebaut. So bietet die weltbekannte Firma Texaco nur Reaktoren mit feuerfester Auskleidung an, die bei aschehaltigen Vergasungsstoffen zu kurzen Laufzeiten von ca. 1 Jahr führen. Dabei verschleißen bevorzugt die unteren Teile des Reaktors wegen der Konzentration auch geringer Ascheanteile. Die Firmen Shell und Uhde bieten gleiche Reaktortypen an, die entweder nur Kühlschirme oder Feuerfestauskleidung haben, auch mit den damit verbundenen Problemen. Trotz der mehr als 30-jährigen Forschung und Entwicklung unter Einbeziehung fachlich bekannter Autoritäten hat man die vorgeschlagene Lösung nicht gefunden.
Bei Flugstromvergasern wird der gegenwärtige Stand der Technik entweder durch feuertest ausgemauerte Reaktoren, wie in US 4 647 294 dargelegt oder durch eine gekühlte Reaktionsraumkontur gekennzeichnet. Feuerfest ausgekleidete Reaktoren haben den Nachteil großen Verschleißes der Auskleidung, wodurch die Reisezeiten zwischen Generalreparaturen bei etwa einem Jahr liegen. Kühlschirmreaktoren benötigen einen höheren Aschegehalt zum Schutz des Kühlschirmes. Viele Einsatzstoffe wie leicht aschehaltige Öle, Petrolkokse, Teerschlämme sowie Rückstände aus chemischen Prozessen besitzen zu geringe Aschegehalte für den Einsatz eines Kühlschirmes und zuviel für den Einsatz einer feuerfest ausgemauerten Variante. Dabei konzentriert sich der Verschleiß hauptsächlich auf den Reaktorboden sowie den Gas- und Schlackeaustritt. In diesem Bereich sammelt sich auch die wenige Schlacke und führt zu Auflösungserscheinungen. Eine Kombination von feuerfester Auskleidung im oberen Reaktorteil, wo sich die Schlacke noch nicht konzentriert mit einem gekühlten Unterteil, im Extremfall auf Boden und Auslauf begrenzt, löst das Problem, wie in Untersuchungen festgestellt wurde. Derartige Lösungen sind jedoch nicht bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die den unterschiedlichsten Aschegehalten von Brenn- und Abfallstoffen Rechnung trägt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für die Vergasung von Brenn- und Abfallstoffen unterschiedlichsten Aschegehaltes sowie für die kombinierte Vergasung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Reaktionsraumkontur für den Vergasungsprozeß, die einen Flugstromreaktor betrifft, teils durch eine Feuerfestauskleidung und teils durch einen gekühlten Schirm zu begrenzen, wobei die Verbindungsstelle zwischen feuerfestem Material und Bodenkühlung überlappend ausgeführt ist und unterschiedliche Wärmedehnungen kompensieren kann.
Die Reaktoren sollten geeignet sein für Drücke 60 bar. Die Feuerfestauskleidung kann dabei den zylindrischen Teil des Reaktionsraumes oder Teile davon sowie den Boden des Reaktionsraumes umfassen. Der nicht aus feuerfestem Material bestehende Teil wird durch eine intensiv gekühlte Kontur mit keramischer Beschichtung gebildet. Der Umfang des zu kühlenden Bereiches richtet sich nach der Menge der anfallenden schmelzflüssigen Schlacke.
Der gekühlte Bereich wird von ein- oder mehrgängig gewickelten Rohrschlangen gebildet, die von Kühlwasser mit hoher Geschwindigkeit und einem Druck, der über dem Vergasungsdruck liegt, durchströmt werden.
Die Kühlschlangen können druckwassergekühlt oberhalb und unterhalb des Siedepunktes des Kühlwassers betrieben werden. Die Kühlschlangen sind auf der Reaktionsraumseite bestiftet und mit einer gut wärmeleitenden keramischen Masse beschichtet. Durch die gute Kühlung erstarrt schmelzflüssige Schlacke auf dieser Masse, und es entsteht ein Schlackepelz, auf dem noch fließfähige Schlacke abläuft. Auf diese Weise entsteht ein sicherer Schutz der Kühlschlangen auch vor Korrosionsangriffen.
Anstelle des gasdicht verschweißten Rohrschirmes kann auch eine Doppelmantelkonstruktion mit einem Kühlspalt eingesetzt werden. Weiterhin ist es günstig die Kühlung so zu gestalten, daß die Kühlung von Auslauföffnung und Boden mit dem zylindrischem Mantel in Reihe oder auch parallel betrieben werden kann.
Die Kühlung der zylindrischen Reaktionsraumkontur ist nach oben hin problemlos erweiterbar.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß sie den unterschiedlichen Aschegehalten von Brenn- und Abfallstoffen Rechnung tragen kann.
Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel mit zwei Figuren näher erläutert.
Das nach 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Vergasungsreaktor, der der umweltfreundlichen Verwertung von kontaminierten, leicht feststoffbeladenen Altölen durch Erzeugung eines Vergasungsrohgases bei 26 bar und ca. 1500°C dient. Der Reaktor besitzt im Oberteil eine Feuerfestauskleidung 3, die im Unterteil in eine Bodenkühlung 4 aus spiralförmig gewickeltem Rohr, dessen Windungen über gasdicht verschweißte Stege miteinander verbunden sind, übergeht. Die Bodenkühlung 4 hat einen zylindrischen und einen kegligen Teil. Die Kühlwasserzu- und -abführung 5 der Bodenkühlung 4 erfolgt über Stutzen im Behältermantel.
Zentral am unteren Boden des Reaktors ist die Auslaufkühlung 6, die die Rohgas-/Schlackeaustrittsöffnung bildet, angeordnet, an deren Unterteil sich die Schlackeabtropfkante 7 befindet. Die Kühlwasserzu- und -abführung der Auslaufkühlung 8 wird im Ausführungsbeispiel durch den Behältermantel aus dem Druckraum herausgeführt. Prinzipiell ist auch ein Durchströmen von Bodenkühlung 4 und Auslaufkühlung 6 in einer Reihenschaltung möglich. An den Reaktor schließt sich nach unten hin eine Kühl- und Waschstufe 9 an.
Montagespalte zwischen Bodenkühlung 4, Auslaufkühlung 6 und dem metallischen Druckbehälter des Reaktionsraumes 2 bzw. der Feuerfestauskleidung werden mit keramischem Fasermaterial 10 abgedichtet. Der Druckmantel ist von einem mit Wasser durchströmten Kühlmantel 11 umgeben. Die Vergasungsmedien treten über eine Brennereinheit 1 in den Reaktionsraum 2 ein und werden in einer Flammenreaktion umgesetzt. Das Zünden der Flamme erfolgt an der aufgeheizten Feuerfestauskleidung 3. Die Feuerfestauskleidung und die Bodenkühlung 4 aus spiralförmig gewickeltem Rohr stützen sich auf einer gekühlten Tragplatte 12 ab.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 zeigt einen Vergasungsreaktor mit nachgeschaltetem Abhitzekessel 13. Während nach dem Beispiel 1 die fühlbare Wärme des bei ca. 1500°C den Reaktor verlassenden Vergasungsgases und der flüssigen Schlacke durch Verdampfen des in die Kühl- und Waschstufe 9 eingespritzten Wassers gebunden wird, kann es energetisch und technologisch sinnvoll sein, die fühlbare Wärme durch Erzeugung von Hochdruckdampf zu nutzen. Zu diesem Zweck wurde dem Reaktortyp nach dem Beispiel 1 anstelle der Kühl- und Waschstufe 9 ein Abhitzekessel 13 nach 2 nachgeschaltet.

1: Brennereinheit
2: Reaktionsraum
3: Feuerfestauskleidung
4: Bodenkühlung
5: Wasser Zu- und Abführung
6: Auslaufkühlung
7: Schlackeabtropfkante
8: Auslauf
9: Kühl- und Wasserstufe
10: keramisches Fasermaterial
11: Kühlmantel
12: Tragplatte

Claims

Flugstromreaktor zur Vergasung von kohlenstoff- und aschehaltigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen niedrigen Aschegehaltes mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel, aufweisend einen Reaktorraum, der ausgelegt ist für einen Betrieb bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Anteile des Vergasungsgutes und einem Druck bis 60 bar, mit einer vertikalen Aufteilung der Reaktorraumkontur in einem ersten Bereich mit einer feuerfesten Auskleidung und einen zweiten, durch eine gekühlte Wand ausgebildeten Bereich, wobei die gekühlte Wand aus gasdicht verschweißten und reaktorseitig bestifteten Kühlschlangen, die mit einer dünnen Schicht einer gut wärmeleitenden keramischen Masse beschichtet sind, oder aus einer Doppelmantelkonstruktion mit einem Kühlspalt besteht, wobei die Verbindungsstelle zwischen feuerfestem Material und Bodenkühlung überlappend ausgeführt ist und unterschiedliche Wärmedehnungen kompensieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekühlte Bereich der Reaktionsraumkontur sich auf die untere Austrittsöffnung beschränkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlungen von Auslauföffnung und unterem Boden mit zylindrischem Mantel in Reihen- bzw. Parallelschaltung erfolgt.