Partikelabscheidung aus einem Gasstrom durch Direktkühlung und anschließender verbesserter Waschwassernutzung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System zur Abscheidung von Partikeln aus dem Wasserdampf- gesättigten Rohgas einer Vergasungseinrichtung. Die Flugstromvergasung wird für die Vergasung unterschiedlicher kohlenstoffhaltiger Brennstoffe eingesetzt. Die verwendeten Reaktoren weisen zwei Räume auf. Im oben angeordneten ersten Raum 1 wird der Brennstoff umgesetzt und die Asche, soweit vorhanden, geschmolzen. Das entstehende heiße Synthe- segas, im Folgenden Rohgas genannt, wird zusammen mit der flüssigen Schlacke dem zweiten Raum (Quencher) zugeführt. Unter Eindüsung von Wasser findet neben der Abkühlung des

Rohgases die schlagartige Erstarrung der Schlacke statt. Die angestrebte Abkühlung des Rohgases auf Sättigungstemperatur wird als Vollquenchung bezeichnet. Nach der Quenchung erfolgt die Rohgasreinigung, bei der die im Wasserdampf-gesättigten Rohgas mitgeführten Partikel, wie Ruß, Asche und Feinschla ^¬ cke, über eine Nasswäsche in mehreren Reinigungsstufen abgeschieden werden. Die der Grobreinigung 2 des Rohgases nachge- schaltete Feinreinigung 3 umfasst im Allgemeinen eine

Venturiwäsche . Weitere Abscheidestufen für eine Feinreinigung des Rohgases können eine Teilkondensation des Rohgases und eine Abscheidung mittels Waschböden in einem Waschturm sein. In der Praxis konnte bisher die Teilkondensation des gesät- tigten Rohgases nur mit hohem anlagentechnischen Aufwand erreicht werden. Dabei lag die erzielte Abscheideleistung von Feinpartikeln durch die Teilkondensation unter den Erwartungen. Als problematisch hat sich dabei ein Partial Condenser erwiesen, der eine Teilkondensation durch indirekte Kühlung mittels eines Kühlrohrbündels 18 bewirkt (Fig 4) . Im Anlagen ^¬ betrieb sind folgende Nachteile des Partial Condensers fest ^¬ gestellt worden: Eine Reinigungswirkung des Apparates, der eine enorme Bauteilgröße aufweist, war nicht nachweisbar. Im Rohrbündel kam es zu Ablagerungen bis hin zu Totalverschlüs ^¬ sen des Rohgasweges, häufige Abschaltungen und Reinigungsarbeiten waren erforderlich. Der Bereich des Kondensatablaufes 15 war im Betrieb wiederkehrend blockiert mit Ablagerungen. Die Abkühlung des Rohgases erfolgt in unmittelbarer Nähe der Rohrinnenseite. Wasser kondensiert daher hauptsächlich auf der Rohrinnenseite aus und läuft am Rohr nach unten. Die Par ^¬ tikel befinden sich aber eher in der Rohgas-Kernströmung im Bereich der Mittelachse des Rohres, der Reinigungseffekt kann daher nur schwer erzielt werden. Des Weiteren ist bei dem

Partial Condenser mit seiner indirekten Kühlung eine Anpassung des Kühlbedarfs aufgrund der vorgegebenen

Wärmeübertragergeometrie nur in engen Grenzen möglich. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für die

Feinpartikelabscheidung aus dem gesättigten Rohgas 8.3 anstelle des bisher verwendeten Verfahrens der indirekten Gaskühlung mittels Partial Condenser eine weniger aufwändige Lö ^¬ sung mit besserer Reinigungsleistung zu schaffen.

Das Problem wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, durch ein Verfahren nach Anspruch 12 und ein System nach Anspruch 17 gelöst. Die Erfindung erzielt durch Verdüsung einer kalten Waschflüssigkeit zu einem Feinst-Tropfennebel in einer freien Strömung eine Teilkondensation und damit eine verbesserte

Feinpartikelabscheidung aus dem gesättigten Rohgas. Anstelle des Partial Condensers (Indirekte Gaskühlung), wird ein Hochdrückdüsensystem eingesetzt, das sehr fein zerstäubte und auf nahe Prozesstemperatur vorgewärmte Tropfen zur

Feinpartikelabscheidung in das Rohgas eindüst (Direktkühlung des Gases) . Die Tropfenagglomeration und Tropfenabscheidung findet im Rohgasabscheidebehälter 5 an den entsprechenden Waschböden statt. Aufgrund der über den gesamten Querschnitt der freien Strömung gleichmäßigen Einsprühung ist eine gleichförmige und vollständige Durchdringung des Rohgases gegeben, wodurch der Effekt der Teilkondensation auf jeden Volumenteil des

Rohgases gleichermaßen wirkt. Durch die Nutzung großer freier Strömungsquerschnitte und der damit verbundenen Minimierung oder gar dem Entfall der Gefahr von Verblockungen, wie es bei der Kühlung und Teilkondensation des Gasstromes über

Wärmeübertrager der Fall ist, handelt es sich um ein robustes Verfahren, bei dem es nahezu zu keinem Druckverlust kommt.

Desweiteren ist mit dem vorliegenden Verfahren der Direktkühlung eine Anpassung des Kühlbedarfs und damit dem Grad der Teilkondensation des Rohgases sehr einfach möglich, indem die Waschwassermenge und/oder -temperatur angepasst wird.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann die erste Stufe als Hochdruckzerstäuberdüsensystem ausgeführt sein.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist dem

Zyklonabscheider des Venturiwäschers ein Hochdruckdüsensystem nachgeschalten, dem eine Frischwassereindüsung nachfolgend angeordnet ist.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die durch die Kondensation entstandenen partikelbeladenen Tropfen in den nachfolgenden Prozessstufen über Tropfenabscheider oder Kontaktstufen als Gaskondensat abgetrennt.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Wassereindüsung zur Ergänzung der Wasserverluste des Gesamtsystems genutzt.

Die erfindungsgemäße Gasreinigung mittels Gasabkühlung und Teilkondensation kann in vorteilhafter Weise eingesetzt wer- den, wenn für die nachfolgende Anwendung, wie zum Beispiel ein Low Steam CO Shift nach DE 102013224037 oder DE

102013224039, der Dampfgehalt des Rohgases abgesenkt werden kann, was niedrigere Rohgastemperaturen ermöglicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig 1 eine erfindungsgemäße Partikelabscheidung in einem

Gasstrom durch Direktkühlung,

Fig 2 eine erfindungsgemäße Tropfeneindüsung bei kleinen

Strömungsquerschnitten mittels einer Düse am Beispiel eines Venturiwäschers ,

Fig 3 eine erfindungsgemäße Rohgasreinigung mit verbessertem Waschwasserkreislauf durch Mehrfachnutzung von Waschwasser und

Fig 4 Aufbau eines herkömmlichen Partial Condensers (Indirek te Gaskühlung) .

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Ele mente .

Fig 3 zeigt charakteristische Elemente der Rohgasreinigung entlang des Rohgasweges 8.1 bis 8.5. Das in einem Flugstrom ^¬ vergaser mit Quencher erzeugte Rohgas 8.1 wird einer Grobrei- nigungsstufe 2, wie zum Beispiel einem Strahlwäscher, zuge ^¬ führt. Das in der Grobreinigungsstufe 2 von groben Partikeln gereinigte Rohgas 8.2 wird einer ersten Feinreinigungsstufe 3, wie zum Beispiel einem Venturiwäscher, zugeführt. Das in der ersten Feinreinigungsstufe 3 fein gereinigte Rohgas 8.3 wird einer zweiten Feinreinigungsstufe 4 zugeführt. Das in der zweiten Feinreinigungsstufe 4 weiter gereinigte Rohgas 8.4 wird einem Rohgasabscheidebehälter 5 zugeführt, wo Tropfen aus dem Rohgas entfernt werden. Aus dem

Rohgasabscheidebehälter 5 wird das von Tropfen befreites Rohgas 8.5 zur weiteren Verwendung abgegeben.

In einer herkömmlichen Ausführung ist die erste Feinreinigungsstufe 3 mit einem Venturiwäscher, dem sich ein Zyklon anschließt, und die zweite Feinreinigungsstufe 4 mit einem Partial Condenser, der als indirekte Gaskühlung ausgestaltet ist, gebildet. Der Partial Condenser soll das eintretende wasserdampfgesättigte Rohgas so kühlen, dass eine Teilmenge des wasserdampfgesättigten Rohgases auskondensiert. Durch die partielle Kondensation werden Feinpartikel aus dem Rohgas ausgewaschen. Dabei dienen die im Gas enthaltenen Partikel als Kondensationskeime. An ihnen bilden sich Tropfen, die die Partikel umschließen und vergrößern. Die gebildeten feinen Tropfen können entweder im Partial Condenser selber oder in nachgeschalteten Abscheidern abgeschieden werden. Der Partial Condenser ist als Rohrbündelwärmeübertrager ausgeführt, bei dem durch indirekte Abkühlung des Gasstromes eine Teilkondensation bewirkt werden soll.

Bei dem in Fig 4 dargestellten Partial Condenser gelangt das Rohgas 8.3 mit einer Temperatur Tl über den Rohgaseintritts ^¬ stutzen in das Rohrbündel 18. Im Rohrbündel erfolgt eine Ab ^¬ kühlung des Rohgases um circa 3 Kelvin. Durch die Abkühlung wird im Rohgas enthaltener Wasserdampf auskondensiert. Es bilden sich Wassertropfen im Gas und an der Innenseite der Rohre. Die im Rohgas enthaltenen Partikel sollen als Konden ^¬ sationskeime dienen und die Bildung von Wassertropfen unterstützen. Dabei werden diese Partikel von Wassertropfen um- schlössen und somit abgeschieden. Um ein Verstopfen zu verhindern, fließt das Rohgas von oben nach unten durch das Rohrbündel. Durch die Gravitation und unterstützt durch die Strömungsgeschwindigkeit des Rohgases fallen die sich bilden ^¬ den Tropfen nach unten. Nach dem Rohrbündel erfolgt die Tren- nung von Wassertropfen und gereinigtem Rohgas. Das Rohgas 8.4 verlässt den Apparat über einen Stutzen mit der Temperatur T2. Das Kondensat 15 wird über einen Trichter abgezogen. Als Kühlmedium wird Kesselspeisewasser 16 verwendet. Dieses tritt über einen Stutzen in den Mantelraum des Partial Condensers ein. Das Rohrbündel steht vollständig im Kühlwasser. Die ab ^¬ geführte Wärme aus dem Rohgas wird verwendet, um das Kühlwas ^¬ ser im Mantelraum zu verdampfen. Der entstehende Dampf 17 wird aus dem Behälter abgezogen. Bei der Erfindung beruht der Effekt einer verbesserten

Feinpartikelabscheidung aus einem gesättigten Rohgas auf einer Teilkondensation durch Verdüsung einer kalten Waschflüs- sigkeit zu einem Feinst-Tropfennebel in einer freien Strömung (Direktkühlung des Gases) . Hierfür wird ein Düsensystem oder eine andere Einrichtung eingesetzt, die fein zerstäubte kalte Tropfen gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der vom Rohgas durchströmten Fläche einbringt (Fig 1) . Dazu sind die Düsen 20 des Düsensystems 19 über Düsenstöcke gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt angeordnet. Der in Fig 1 darge ^¬ stellte Apparat kann als Rohrleitung, Rohrleitungsteil aber auch als Behälter ausgeführt sein. Als Rohrleitungsteil wird zum Beispiel auch ein Venturiwäscher verstanden. Im Falle von kleinen Strömungsquerschnitten, wie zum Beispiel im

Venturiwäscher, kann das Düsensystem 19 lediglich aus einer Düse 20 bestehen (Fig 2) . Die fein zerstäubten Tropfen scheiden aufgrund ihrer geringen Durchmesser und ihrer hohen Relativgeschwindigkeit zum Rohgas effektiv Feinpartikel ab.

Gleichzeitig wirken die im Vergleich zum Rohgas mit der Eintrittstemperatur Tl um eine Temperaturdifferenz ΔΤ kälteren Tropfen als Kondensationskeime. Dadurch findet eine Vergröße ^¬ rung der Partikel-beladenen Tropfen statt. Infolgedessen werden die Partikel sicher umschlossen und können aufgrund der Tropfenvergrößerung durch die Teilkondensation sehr gut vom

Rohgas abgetrennt werden. Das Rohgas verlässt die Reinigungs ^¬ stufe mit einer Temperatur T2, welche leicht geringer als Tl ist. Parallel zu diesem Effekt werden Feinstpartikel von teilgekühltem Rohgas als Kondensationskeime genutzt, die so- mit zusätzlich eingefangen und abgeschieden werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Einsprühung von kalten Tropfen finden folgende Abscheidemechanismen gleichzeitig statt, die sich auch überlagern können (Kombination von mehreren

Abscheidemechanismen) : Direkte Trägheitsabscheidung von Partikeln infolge der Relativgeschwindigkeit zwischen eingesprühten Tropfen und Partikeln im Rohgas,

Partikel-Abscheidung infolge der durch kalte Tropfen hervorgerufenen Kondensation von Wasserdampf direkt am Partikel (Partikel wirkt als Kondensationskeim) ,

Tropfenvergrößerung bereits partikelbeladener kalter Tropfen durch Kondensation von Wasserdampf aus dem

Rohgas ,

Direkte Abscheidung von Partikeln durch Einfangen der heißen Partikel durch kalte Tropfen, hervorgerufen durch eine konvektive Strömung infolge einer Temperaturdiffe ^¬ renz,

Darüber hinaus gibt es noch weitere Abscheidemechanismen von Partikeln oder Tropfen untereinander, die aber unabhängig von der Direktkühlung stattfinden.

Das vorgestellte Verfahren umfasst die Möglichkeit einer mehrstufigen Partikelabscheidung durch die Kombination von Hochdruckeindüsung und Direktkühlung.

Es ist möglich, dass Feinpartikel zunächst mit sehr fein zer ^¬ stäubten kalten Tropfen eingefangen werden. In der nachfolgenden Stufe werden gröber zerstäubte kalte Tropfen einge ^¬ sprüht. Damit können die in der ersten Stufe gebildeten Tropfen nochmals vergrößert werden, wodurch eine leichtere Ab ^¬ scheidung dieser Tropfen ermöglicht wird.

Der Vorgang kann beliebig wiederholt werden. Prinzipiell kann auch eine einfache mehrstufige Abscheidung realisiert werden, indem mehrere gleichartige Düsensysteme in Reihe geschalten werden . Die Feinpartikelabscheidung 4 sollte nach einer Vorreinigung 3 der Rohgases installiert werden, die aus einer Stufe beste ^¬ hen kann, wie zum Beispiel einem Venturiwäscher, die aber auch aus mehreren hintereinander geschalteten Reinigungsstu- fen (Grobreinigungsstufe 2 und Feinreinigungsstufe 3) beste ^¬ hen kann.

Nach Abscheiden der Partikel am Tropfen können die

partikelbeladenen Tropfen in einer Agglomerationsstufe 6 ab- geschieden werden. In der Agglomerationsstufe werden die

Tropfen durch Tropfenkollision vergrößert, wodurch eine weitgehende Abscheidung erzielt wird. Die Agglomerationsstufe kann zum Beispiel als Lamellenabscheider ausgeführt sein. Eine Agglomerationsstufe ist nicht zwingend erforderlich, so ^¬ fern die durch Teilkondensation vergrößerten Tropfen genügend groß zum Abscheiden in einem Tropfen-Abscheider 7 sind.

Zur Abscheidung der eingedüsten Waschflüssigkeit und der er- zeugten Gaskondensate werden Kontaktstufen 6 und / oder Tropfenabscheider 7 genutzt. Unter Kontaktstufen werden alle Arten von Kolonnenböden (zum Beispiel Sieb-, Ventil-, Glockenböden) oder sonstige Kolonneneinbauten (zum Beispiel Füllkörper) verstanden. Als Tropfenabscheider 7 kommen verschiedene Arten von Demister in Frage, zum Beispiel Flügelrad-Demister zur Abscheidung großer Tropfen, Lamellen-Demister zur Abscheidung mittlerer Tropfen und Gestrick-Demister zur Abscheidung von Feinsttropfen. Das zur partiellen Unterkühlung des Rohgases verwendete

Frischwasser 9 und das Waschwasser 10 dienen gleichzeitig zur Ergänzung der Wasserverluste des Gesamtsystems, die durch die Gaskühlung mittels Wasserquench und ausgeschleuste Restfeuchten an Schlacke und Filterkuchen sowie durch abgeleitetes Ab- wasser bedingt sind.

Das abgeschiedene Waschwasser und das bei der Kühlung erzeug ^¬ te Gaskondensat 12 sowie das saure Gaskondensat 10 von der Kontaktstufe werden in einem Rohgas-Abscheidebehälter 5 gesammelt und als Waschwasser II (14) für die vorhergehende Reinigungsstufe 3, dem Venturiwäscher, genutzt (Fig 3) . Somit findet eine Wiederverwendung des schwach mit Partikeln bela- denen und sauren Waschwassers aus der 2. Feinreinigungsstufe Feinreinigungsstufe 2 (Partielle Kondensation durch Direkt ^¬ kühlung) statt. Durch das saure Waschwasser wird in der Reinigungsstufe der Karbonat-Bildung entgegengewirkt. Im Allge ^¬ meinen wird die abgeschiedene Waschwasser-/ Gaskondensatmenge aus der Feinreinigungsstufe 2 nicht vollständig als Waschwas ^¬ sermenge für den Venturiwäscher benötigt. Infolgedessen kann das zum Beispiel in einem Zyklon abgeschiedene Venturi- Abwasser mit dem überschüssigen Waschwasser/ Gaskondensat aus der Feinreinigungsstufe 2 gemischt werden. Damit verringert sich der Feststoffgehalt des Venturi-Abwassers , wodurch eine Nutzung dieses Abwassers als Waschwasser III für die Grobrei ^¬ nigungsstufe (zum Beispiel einen Strahlwäscher) wie auch als Zusatzquenchwasser im Quencher ermöglicht wird. Auch hier mindert der saure Charakter des Waschwassers die Karbonat- Bildung in den jeweiligen Wäschern.

Die im Rohgas-Abscheidebehälter eingehenden Waschwässer (Gas- kondensat, Waschwasser I 12 beziehungsweise Venturi Abwasser 11) werden derart getrennt aufgenommen, dass eine Abführung von sauberem Waschwasser (Gaskondensat + Waschwasser I) 14 zum Venturiwäscher 3 und von verdünntem Venturiabwasser 13 zur Grobreinigungsstufe 2 gegeben ist. Dies wird zum Beispiel durch eine räumlich getrennte Einbindung der abgeschiedenen Waschwässer im Rohgassammelbehälter verbunden mit einer

AufStromklassierung erreicht (Fig 3) . Hierdurch wird die Notwendigkeit eines zusätzlichen Sammelbehälters umgangen. Bezugs zeichenliste

1 - Vergaser

2 - Grobreinigungsstufe, Strahlwäscher

3 - Feinreinigungsstufe 1, 1. Feinreinigungsstufe,

VenturiWäscher,

4 - Feinreinigungsstufe 2, 2. Feinreinigungsstufe, Partielle Kondensation durch Direktkühlung, Feinpartikelabscheidung

5 - Abscheider, Rohgasabscheidebehälter

6 - Agglomerationsstufe, Kontaktstufe

7 - Tropfenabscheider

8 - Rohgas

9 - Waschwasser I, z.B. kaltes demineralisiertes Wasser, Waschflüssigkeit kalt, Frischwasser

10 - Waschwasser I*, sauer, saures Gaskondensat

11 - Venturi-Abwasser

12 - Gaskondensat und Waschwasser

13 - Waschwasser III, Venturi-Abwasser verdünnt

14 - Waschwasser II

15 - Kondensatablauf, Gaskondensat aus Partial Condenser

16 - Kesselspeisewasser

17 - Dampf

18 - Rohrbündel

19 - Düsensystem, Kalttropfen-Erzeuger

20 - Hochdruckdüse

21 - Rohrleitungsteil

Tl - Eintrittstemperatur

T2 - Austrittstemperatur