DE2703921C3 - Verfahren zur Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Reaktors für die partielle Oxidation von schwerflüchtigen flüssigen oder festen Brennstoffen - Google Patents

Verfahren zur Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Reaktors für die partielle Oxidation von schwerflüchtigen flüssigen oder festen Brennstoffen

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren .Tür Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Reaktors für die partielle Oxidation von schwerflüchtigen flüssigen oder festen Brennstoffen. In den letzten Jahren sind zum Beispiel für die Herstellung von Ammoniak-, Oxo- oder auch Methanol-Synthesegasen vorwiegend zwei Verfahren großtechnisch erprobt worden, bei welchen insbesondere auch schwefelhaltige höhersiedende Kohlenwasserstoffe oder feste Brennstoffe verwendet werden. In Zukunft werden in immer stärkerem Maße schwere schwefelhaltige öle, also insbesondere »atmosphärische« oder Vakuum-Rückstände aus der Rohölverarbeitung der direkten Verwertung oder der Weiterverarbeitung unter Einsatz katalytischer Verfahren in Gegenwart von Wasserstoff zugeführt werden müssen. Daneben kann auch das Interesse an der Verarbeitung fester Brennstoffe wieder zunehmen.
Verfahren zur partiellen Oxidation flüssiger oder fester Brennstoffe sind bekannt (vgl. hierzu Ulimann's Encyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage 1965, Band 16, Stichwort »Synthesegas«, Seiten 589 bis 635, sowie Ergänzungsband, 3. Auflage 1970, Stichwort »Ammoniak«, Seiten 458 bis 480).
Eine Anzahl von bekannten Verfahren betrifft Verbesserungen des Betriebsbrenners zur Erzielung höherer Laufzeiten.
Es ist ferner bekannt, daß wegen der in der Reaktionszone auftretenden höheren Temperaturen und wegen der im Einsatzstoff enthaltenden Verunreinigungen (vor allem schwere Rückstandsöle und feste Brennstoffe enthalten Aschebestandteile, wie Vanadium, Nickel und Eisen) gerade beim Betriebsbrenner und bei der Reaktorausmauerung sowie den darin angeordneten Temperaturmeßgeräten Probleme auftreten, die häufig zu Betriebsunterbrechungen führen. Es ist zwar in den letzten Jahren gelungen, die Laufzeit
ίο von Betriebsbrennern von zunächst nur wenigen Stunden über Standzeiten von 20 bis 30 Tagen bis zu den heute üblichen Durchschnittswerten von 60 bis 70 Tagen zu verbessern. Abstellungen des Vergaserteiles der Produktionsanlagen können aber auch durch Störungen und Korrosionsprobleme der vor- oder nachgeschalteten Anlagenteile (z. B. Pumpen, Abhitzekessel, Gaswäsche, Konvertierungsanlagen) sowie durch Energitausfall vorkommen.
Falis solche Störungen nicht innerhalb kurzer Zeit (ca. 1 h) behoben werden können, kühlt sich die Reaktionszone so stark ab, daß eine Wiederinbetriebnahme der Gaserzeugung nicht ohne weiteres möglich ist. Die Wiederinbetriebnahme nach einer länger als max. 1 Stunde dauernden Störung erfolgt dann -
2) ebenso wie die erste Inbetriebnahme - in folgender Weise:
Zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Reaktors benutzt man im allgemeinen einen besonderen »Vorheizbrenner« sehr einfacher Bauart, der im wein senthchen aus einem ein Heizgas führenden Rohr besteht, welches so dimensioniert ist, daß sich bei den in Betracht kommenden Heizgasmengen an der Rohrmündung eine stabile Flamme bildet. Die für die Verbrennung des Heizgases erforderliche Luft gelangt
r. ohne besondere Vorrichtung und ohne Druck aus der Umgebung zu dieser Flamme. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, in der Reaktionszone einen leichten Unterdruck zu erzeugen und dadurch die erforderliche Luftmenge anzusaugen, sowie die Verbrennungsgase
-in durch die Reaktionszone zu transportieren.
Der Vorheizbrenner ist - wie aus dem Vorstehenden ersichtlich - mit der oberen öffnung des Reaktors, durch welche sonst der Betriebsbrenner eingeführt wird, nicht fest verbunden, sondern mittels einer
Ί> einfachen Vorrichtung nur über dieser öffnung aufgestellt. Zum (Wieder-)Aufheizen des Reaktors muß also der Betriebsbrenner abmontiert werden.
Als Heizgas kann Erdgas oder ein beliebiges anderes, gegebenenfalls als Nebenprodukt verfügbares
">(i brennbares Gas verwendet werden; die Verbrennung geschieht vorzugsweise bei Normaldruck.
Die Zündtemperaturen für die zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffe oder für die üblicherweise verwendeten wäßrigen Aufschlämmungen fester Brenn-
v-, stoffe oder Mischungen fester und flüssiger Kohlenwasserstoffe liegen bei 1200 bis 1450° C. Wenn mittels des Vorheizbrenners die für den betreffenden Einsatzstoff festgelegte Zündtemperatur überschritten ist, wird der Vorheizbrenner entfernt und der Be-
Wi triebsbrenner montiert.
Während dieser Arbeit und während anderer für das Zünden der Reaktion erforderlicher Arbeiten, wie z. B. das Anfahren von Pumpen, sinkt die Temperatur in der Reaktionszone erheblich ab, so daß ein sicheres
b5 Zünden nur dann möglich ist, wenn die genannten Manipulationen sehr schnell durchgeführt werden können. Treten irgendwelche Verzögerungen ein, und sinkt infolgedessen dif Temperatur unter einen aus
Sicherheitsgründen festgelegten, von der Art des zu vergasenden Brennstoffes abhängigen Grenzwert, so kann eine Zündung nicht mehr vorgenommen werden. Vielmehr muß in einem solchen Falle, der gar nicht selten vorkommt, der Betriebsbrenner wieder ausgebaut und der Reaktor erneut vorgeheizt werden.
Es bestand daher die Aufgabe, dieses umständliche Verfahren zu verbessern, um die Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft von Anlagen für die partielle Oxidation — insbesondere nach Produktionsunterbrechungen - zu erleichtern und eine wirksame Reservehaltung von Gasgeneratoren, sei es zur Gas- oder Energieerzeugung oder zur Deckung eines periodisch auftretenden Spitzenbedarfs, zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Sie geht aus von einem Verfahren zur Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Reaktors für die partielle Oxidation von schwerflüchtigen flüssigen oder festen Brennstoffen mit Zündtemperaturen von 1200 bis 1450° C oder Mischungen aus diesen durch Umsetzung mit Sauerstoff in Gegenwart von Temperaturmoderatoren bei einem Druck von 10 bis 100 bar und bei erhöhter Temperatur zu einem H2 und CO enthaltenden Gasgemisch, wobei die Aufheizung der Reaktionszone zunächst drucklos unter Verwendung eines nicht fest mit der Reaktionszone verbundenen Vorheizbrenners, welcher mit einem Heizgas betrieben wird, erfolgt, danach der Vorheizbrenner gegen den Betriebsbrenner ausgetauscht und dieser mit der Reaktionszone fest verbunden wird und die Einsatzstoffe drucklos gezündet und dann die Reaktionszone unter Druck gesetzt wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch des Vorheizbrenners gegen den Betriebsbrenner nach Erreichen einer Temperatur von 1000 bis 1100° C erfolgt und die Reaktionszone durch Zufuhr von Heizgas und Luft in den Betriebsbrenner auf eine für die Zündung der partiellen Oxidation erforderliche Temperatur aufgeheizt wird.
Eine besondere Ausführungsform bzw. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man bei Betriebsunterbrechungen, bei denen eine Temperatur von 900° C nicht unterschritten wird, die Wiederaufheizung auf die Zündtemperatur und gegebenenfalls die Aufrechterhaltung der Zündtemperatur ohne Entfernung des Betriebsbrenners durch diesen selbst vornimmt.
Die Erfindung ermöglicht eine vereinfachte Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft einer Anlage für partielle Oxidation durch die Maßnahmen, daß man den Betriebsbrenner unmittelbar nach dem Aufheizen auf die mittels Vorheizbrenner aufgeheizte oder noch heiße Reaktionszone oder unmittelbar nach der Entspannung der abgestellten Anlage mit einem Heizgas und (Druck )Luft betreibt und so die Reaktionszone warm hält bzw. wieder aufheizt.
Erst danach wird der Betriebsbrenner drucksicher befestigt, soweit dies von der vorangegangenen Produktionsperiode nicht schon geschehen ist. Anschließend daran werden alle anderen für das (Wieder-)Anfahren der Anlage erf< -kihchen Manipulationen ohne Zeitdruck vorgenommen, wobei in der Reaktionszone die erforderliche Zündtemperatur ständig aufrechterhalten wird. Wenn alle Vorbereitungen für die Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft getroffen sind, wird die Gas- und Luft-Zufuhr zum Betriebsbrennei unterbrochen und die Zündung der Reaktionskomponenten vorgenommen.
Es war bekannt, daß man Heizgas mit einer für die Verbrennung unzureichenden Menge an Luft oder Sauerstoff durch autotherme Spaltung gefahrlos um-
• setzen kann. Jedoch war es überraschend, daß ein Gemisch von Heizgas mit einer für die vollständige Verbrennung ausreichenden Luftmenge gefahrlos in einem geschlossenen System mit geringen Gasgeschwindigkeiten ohne Explosionsgefahr umgesetzt werden kann, ohne daß dafür die Ausbildung einer stabilen Flamme am Brenner erforderlich ist.
Als Rohstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren kommen schwerflüchtige flüssige Brennstoffe, feste Brennstoffe sowie Mischungen aus diesen in Betracht.
> Die festen Brennstoffe werden, falls sie nicht mit flüssigen Brennstoffen gemischt werden sollen, vorwiegend fein gemahlen als wäßrige Aufschlämmung in die Reaktionszone eingeführt. Sollen dagegen Mischungen fester und flüssiger Brennstoffe angewendet
werden, so werden die fein gemahlenen festen Brennstoffe in den erwärmten, flüssigen Brennstoffen gelöst bzw. mit diesen zu einer pumpfähigen Masse angeteigt.
Als feste Brennstoffe kommen die verschiedensten
> Kohlesorten und Petrolkokse sowie der im Verfahren anfallende Ruß in Betracht. Als flüssige Brennstoffe sind Gesamtrohöle sowie insbesondere Heizöl und hiervon bevorzugt die schweren Heizöle zu nennen.
Auch Mischungen von Vakuum-Rückständen mit ι Vakuumgasölen sowie gegebenenfalls Vakuumrückstandsöle oder Entasphaltate können in Betracht kommen.
Unter Heizgas zur Aufheizung des Reaktors auf Zündtemperatur im Sinne der vorliegenden Erfindung
> sollen Erdgas oder Nebenproduktgase aus andern Prozessen, wie z. B. das sogenannte »Armgas« aus einer Acetylen-Erzeugungsanlage verstanden werden. Es sind alle Heizgase geeignet, die einen oberen Heizwert von mindestens 1500 kcal/Nm' haben.
ι Während der Phase der Aufheizung bzw. Inbetriebnahme, Wiederinbetriebnahme oder der Aufrechterhaltung eines betriebsbereiten Zustandes. werden zweckmäßigerweise Drücke von weniger als 25 bar angewandt.
> Der anzuwendende Druck richtet sich u. a. nach den Drücken, unter denen das Heizgas bzw. die Druckluft zur Verfügung stehen. Für den Fall, daß die Luft für den Betriebsbrenner mit Hilfe einer unterdruckerzeugendcn Hilfseinrichtung angesaugt
ι werden soll, werden Drücke um Atmosphärendruck bzw. geringfügig darunter angewandt. Das gilt auch für den Fall, daß und solange der Betriebsbrenner noch nicht fest mit der Reaktionszone verbunden ist.
» Die Durchführung der autothermen Spaltung selbst erfolgt dann bei Drücken von K) bis 100 bar, insbesondere solchen von 25 bis 85 bar.
Der Vorgang bei der Inbetriebnahme eines Reaktors ist nachstehend beschrieben:
ι Der Betriebsbrenner wird nach der Entfernung des lose auf der Reaktionszone aufgesetzten Vorheizbrenners zunächst anstelle des Vorheizbrenners aufgesetzt (Flansch auf Flansch) und mit z. B. 3 Schrauben provisorisch befestigt. Danach wird sofort Heizgas in einer Menge von 50 bis 800 NmVh (je nach Heizwert) durch ein mehrfach gesichertes Ventilsystem zweckmäßig über die beim Normalbetrieb den Brennstoff zuführende Leitung des Betriebsbrenners in die
Reaktionszone eingeführt. Die Dampfzuführung bleibt hierbei natürlich geschlossen. Über die im Normalbetrieb für die Zugabe des Oxidationsmittels (Sauerstoff oder Luft) vorgesehene Leitung wird über ein mehrfach gesichertes Ventilsystem eine überstöchiometrische Menge an Luft, bezogen auf das Heizgas, zudosiert.
Erst wenn auf diese Weise die Beheizung in Gang gesetzt ist, wird der Betriebsbrenner mit der R nktionszone druckfest verbunden, d. h. alle für die Flanschverbindung vorgesehenen Schrauben werden angebracht und festgezogen. Danach werden die für das Anfahren weiter erforderlichen Manipulationen, wie das Anfahren von Pumpen und Betriebsbereitmachen von nachgeschalteten Anlageteilen, ohne die früher erforderliche Eile vorgenommen.
Wenn diese Arbeiten durchgeführt sind und die angestrebte Zündtemperatur gegeben ist, werden die Zuführungen für Heizgas und Luft abgesperrt und durch Einführung der vorgesehenen Mengen an flüssigem oder festem Brennstoff, Wasserdampf und Sauerstoff der Generator gezündet;· nach der Zündung wird der Druck in der Reaktionszone auf den Betriebsdruck angehoben.
Bei Inbetriebnahme aus kaltdtn Zustand, also auch nach Abstellungen, die durch Störungen im Vergasersystem erforderlich waren, wird zunächst mit dem Vorheizbrenner aufgeheizt. Diese Vorwärmung braucht aber nur noch bis zu Temperaturen von 1000 bis 1100° C vorgenommen zu werden. Für die Vorheizung wird Heizgas verwendet, die für die vollständige Verbrennung desselben benötigte Luft wird vorzugsweise mittels Unterdruck aus der Umgebung angesaugt.
Nach Erreichen einer Temperatur von 1000 bis 11000C wird der Vorheizbrenner gegen den Betriebsbrenner ausgetauscht, der dann in der vorher beschriebenen Weise die weitere Aufheizung bzw. das Warmhalten der Reaktionszone übernimmt. Wenn bei Betriebsunterbrechungen eine Temperatur von 900° C nicht unterschritten wurde, kann die Wiederaufheizung ohne Entfernung des Betriebsbrenners durch diesen selbst vorgenommen werden.
Ergänzend können für das erfindungsgemäße Verfahren folgende spezielle Vorteile geltend gemacht werden:
1. Bei Betriebsstörungen, die eine Abschaltung des Reaktionsofens erforderlich machen (oder automatisch bewirken), kann nach Entspannung der Reaktionszone mit -Hilfe des Betriebsbrenners die inzwischen nur wenig abgesunkene Temperatur für die gesamte Dauer der Betriebsunterbrechung auf der für das Wiederinbetriebnehmen erforderlichen Höhe gehalten bzw. wieder auf diese Höhe gebracht werden.
Das Ein- und Ausbauen des Betriebsbrenners und das Wiederaufheizen mit dem Vorheizbren
ner ist entbehrlich. Es wird so Zeit und Arbeitsaufwand gespart.
2. Durch die unter 1. geschilderte Maßnahme wird eine Abkühlung der Reaktionszone weitgehend vermieden. Dies führt zu einer Schonung und damit zur erheblich längeren Lebensdauer der feuerfesten Ausmauerung und der Temperaturmeßeinrichtungen. Außerdem wird die sonst notwendige Aufheizung über die Zündtemperatur vermieden.
3. Wenn eine Reserve-Vergasungseinheit vorhanden ist, so kann diese innerhalb kürzester Zeit (10 bis 15 Minuten) zur zusätzlichen Produktion eingesetzt werden, wenn sie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen ständig auf Betriebstemperatur gehalten wird. Dieser Vorteil kann insbesondere wichtig sein zur Deckung von plötzlich auftretenden Bedarfsspitzen, z. B. in Kraftwerken.
4. Überraschenderweise wird auch die Standzeit der Brenner erhöht, wenn diese ständig unter dem Normalbetrieb ähnlichen Bedingungen gehalten werden. Es konnten in mehreren Fällen Standzeiten von mehr als 500 Tagen erreicht werden.
5. Nicht erwartet werden konnte auch, daß sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Gaserzeugungsanlagen mit Abhitzekesseln, bei denen im Unterteil des Reaktionsofens eine flüssige Schlacke anfällt, ein weiterer Vorteil bezüglich der Beschaffenheit dieser Schlacke ergibt. Während die aus den Brennstoffen entstehende Schlacke normalerweise nach Abkühlung des Reaktionsofens zu einer festen Masse verbacken ist, die nur mühsam mechanisch oder durch Wiederaufschmelzen entfernt werden kann, fällt diese Schlacke als lockerer rieselfähiger Grieß an, wenn während der Laufzeit des Reaktionsofens Zwischenkühlung vermieden wurde und der Reaktionsofen zwischenzeitlich ein oder mehrere Male auf »Warmhaltebetrieb« geschaltet war. Der iockere, rieselfähige Aschegrieß kann sehr viel einfacher entfernt werden, wobei es nicht einmal erforderlich ist, den Reaktionsofen wesentlich abzukühlen.
Die unter 1 bis 3 genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Arbeitsweise sind aus der Figur gut zu erkennen, wenn man den Temperaturverlauf beim Abstellen und Wiederanfahren eines Generators einmal ohne und das andere Mal mit Warmhaltung durch den Betriebsbrenner miteinander vergleicht.
Insbesondere die unter 4. und 5. genannten Vorteile konnten nicht erwartet werden. Dies wird besonders deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, welche Lösung in der DE-OS 2418033 zur Entfernung von Schlacke aus Synthesegasreaktoren vorgeschlagen wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Inbetriebnahme oder Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Reaktors für die partielle Oxidation von schwerflüchtigen flüssigen oder festen Brennstoffen mit Zündtemperaturen von 1200 bis 1450° C oder Mischungen aus diesen durch Umsetzung mit Sauerstoff in Gegenwart von Temperaturmoderatoren bei einem Druck von 10 bis 100 bar und bei erhöhter Temperatur zu einem H2 und CO enthaltenden Gasgemisch, wobei die Aufheizung der Reaktionszone zunächst drucklos unter Verwendung eines nicht fest mit der Reaktionszone verbundenen Vorheizbrenners, welcher mit einem Heizgas betrieben wird, erfolgt, danach der Vorheizbrenner gegen den Betriebsbrenner ausgetauscht und dieser mit der Reaktionszone fest verbunden wird, die Einsatzstoffe drucklos gezündet werden und dann die Reaktionszone unter Druck gesetzt wird, dadurch ge ke η η ze ich net, daß der Austausch des Vorheizbrenners gegen den Betriebsbrenner nach Erreichen einer Temperatur von 1000 bis 1100° C erfolgt und die Reaktionszone durch Zufuhr von Heizgas und Luft in den Betriebsbrenner auf eine für die Zündung der partiellen Oxidation erforderliche Temperatur aufgeheizt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Betriebsunterbrechungen, bei denen eine Temperatur von 900° C nicht unterschritten wird, die Wiederaufheizung auf die Zündtemperatur durch den Betriebsbrenner vornimmt.
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