DE2418033C3 - Verfahren zur Entfernung von Schlackekuchen aus Synthesegasreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /ur Entfernung von Schlackekuchen ausSynlhesegasreaktoren.

Bei den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren zur Herstellung von einem überwiegend aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehenden Synthesegas durch partielle Oxydation von Schwerölen mit Sauerstoff unter Druck in Reaktoren, die mit einer hoch temperaturbeständigen keramischen Ausmauerung versehen sind, werden üblicherweise aus der Erdölverarbeitung stammende atmosphärische und Vakuumdesiillatrüekstandsölc (lleizöl-S, Bunker-C-Öl und andere) eingesetzt. Diese Schweröle enthalten die gesamten anorganischen Bestandteile des Erdöles, wobei von den metallischen Elementen das aus Vanadium-Porphyrinen des Erdöles stammende Vanadium üblicherweise über die Hälfte ausmacht. Typische Metallgehalte eines Schweröles sind
Tabelle A angegeben.

Tabelle A	Gehalt im
Metall	schweren
	Heizöl
	56,3 mg/kg
Vanadium	7,0 mg/kg
Eisen	14,6 mg/kg
Nickel	- 1,0 mg/kg
Cobalt	7,1 mg/kg
Natrium	3,0 mg/kg
Calcium	1,6 mg/k.«
Magnesium

Tabelle B	Wi.-rligku-u	1 a ι be	Schmelz
l'umiel			punkt
	Metall	grau-weiß	1535 C
Fe	(ID	schwarz	i42O C
FeO	(III ti. II)	schwarz	15OK C
Fe:,O,	(III)	rotbraun/	1570 C
FcO,		dtinkelurau
	Metall	silberweiß	1455 C
Ni	(ID	grau	1060 C
NiO	Metall		1726 C
V	(III)	schwarz	1070 C
	(IVi	blau	1067 C
v,o,	(V)	rot	658 C

Beim Betrieb einer Synthesegaserzeugung setzen sich im Laufe der Zeit die anorganischen Bestandteile in Form einer Schlacke ab, die weitgehend frei \on organischen Bestandteilen und Kohlenstoff ist.

Infolge der reduzierenden Wirkung des Synthesegases liegen in der Schlacke die Schwermetall wie Vanadium, Nickel und Eisen in niedrigen ().\\dationsstufen mit Schmelzpunkten zwischen 1400 und 2000 C, gegebenenfalls sogar als Metalle in Schwammform in tier Schlacke dispergiert mit ähnlich hohen Schmelznunkten vor (siehe Tabelle B).

Diese Schlacke sammelt sich beim Betrieb des

an Reaktors im unteren als Schlackesammelraum ausgebildeten, ebenfalls mit hoch hitzebesländigem keramischem Material ausgekleideten Teil des Reaktors an. Bei der Betriebstemperatur des Reaktors \on etwa 1200 bis 1300 C erstarrt die Schlacke im Sammelraum rasch. In gewissen Zeitabständen ist es erforderlich, die Schlacke aus dem Reaklorunteileil auszuräumen.

Dieses geschieht üblicherweise bei diesen ausgemauerten, unter Druck betriebenen Synthesegasreaktoren nach Außerbetriebnahme und Abkühlung von Reaktor und Schlackeklumpen durch Öffnen eines geeigneten am unteren Teil des Reaktors befindlichen, auch gegen Hitzeeinwirkung geschützten Flanschverschlusses, oder einer ähnlichen Ausführung und mechanischem Herausstemmen der erkalteten festen Schlacke.

Es sind einige Verfahren zum Entfernen von flüssiger Schlacke aus heißen Behältern oder Reaktoren bekannt. So ist in der Hüttenindustrie der Ab-

41) stich von Schlacke und von Roheisen bei laufendem Betrieb üblich. Desgleichen wird auch bei Carbidöfen durch Abstichlöcher das flüssige Calciumcarbid während des Betriebes abgelassen. Diese Verfahren arbeiten jedoch nicht unter Druck. Bei Reaktoren, die unter einem erhöhten Gasdruck betrieben werden, wie die Synthesegasreaktoren zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Vergasung von Ölen mit Sauerstoff, verbietet sich ein Öffnen im Betrieb von selbst.

so Auch nach Abstellung eines solchen Reaktors und Entspannung ist ein Abstich der Schlacke in der beschiiebenen Weise nicht möglich, da hierbei eine Beschädigung der Ausmauerung durch Eindringen der Schlacke und damit ein Verlust der Wärmeiso-

lation die Folge wäre. Außerdem ist bei der üblichen Reaktortemperatur nur an der Oberfläche des Schlackekuchens eine Schicht von einigen Zentimetern flüssig, während der untere Teil schon abgekühlt und erstarrt ist. Zuschläge zum Verflüssigen der gesamten Sehlacke billigen clic Gefahr mit sich, daß auch das Material der Ausmauerung aufgeschlossen und zerstört wird.

Demnach ist aus dem Stand der Technik kein

günstigeres Verfahren zur Entfernung der" Schlacke ans ausgemauerten, unter Diuck betriebenen Synihesegasreaktoren abzuleiten. Die Entfernung der Schlacke durch mechanisches Ausstemmen nach Abstellen und Auskühlen des Reaktors benötigt für die Abkühlung und das Wiederaufheizen sowie für das schwierig

durchzuführende llerausstenimeii der festen harten Schliickc ohne Beschädigung der keramischen Ausmauerung einen hohen Zeitaufwand und damit erhebliche I'roiliUklioneinbiilJen.

[Xt Erfindung liegt die Aufgabe /umrunde, ein Verfahren /u entwickeln, welches cii.iuht, ti ic /eit, die man /urn Entfernen des Sehlackekuehens benötigt, zu verkürzen.

Diese Aufgabe wurde erlindungsgemäß dadurch gelöst, dall man nach Entfernen des Bodcnflanschverschlusses und der unterhalb des Schlackekuchens befindlichen Stampfmasse mit der Flamme einer SauiTstoffkernlan/e eine Öffnung in den freigelegten erstarrten Schlackekuchen schmilzt, die vorhandene flüssige Schlacke ablaufen läßt und dann mit einer mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Ciasflamme den restlichen Teil des Schlackekuchens verflüssigt und ebenfalls ablaufen läßt.

Der Einsatz von Sauerstoffkernlan/en, d. h. von Rohren, welche dicht mit Eisendrähten gefüllt sind und beim Durchleiten von Sauerstoff, an der Spitze gezündet, unter sehr hohen Temperaturen verbrennen, /um Schmelzen von keramischem Material, von Steiren und Beton ist bekannt. Hierbei wird nur die extrem hohe, durch das Verbrennen von Eisen in Sauerstoff erzeugte Hitzeentwicklung und hohe Temperatur ausgenut/t. Ein Einsatz von Sauerstoffkernlanzen zur Entfernung von Schlacke aus Synthesegasreaktoren, die mit einem Bodenflansehverschluß und keramischer Ausmauerung versehen sind, ist jedoch nicht bekannt.

Ebenfalls nicht bekannt und bisher auch nicht angewandt ist der zweite Effekt der Sauerstoffkernlanze bei der erlindungsgemäßen Entschlackung. Hierbei wirkt der im Überschuß durch die Kernlanze eingegebene Sauerstoff ht\ der hohen Temperatur, die diese Schlacke zum Schmelzen bringt, auch oxydierend auf die Komponenten der Schlacke.

Durch Überführung in höhere Oxydationsstufen und gegebenenfalls durch Oxydieren von metallischen Anteilen zu den Oxyden wird der Schmelzpunkt der Schlacke erheblich herabgesetzt. So kann z. B. durch Oxydation des .^wenigen V₂O₃ zum 5wertigen VjO₅ der Schmelzpunkt des Vanadin-Oxyds von über 1900 C auf rund 660 C herabgesetzt werden.

Ein Herausschmelzen der gesamten Schlacke mittels Sauerstoffkernlanzen aus dem Reaktorunterteil ist indessen ebenfalls sehr zeitraubend, da hierbei nur Löcher in den festen Schiackekuchen gebrannt werden können. Auch besteht hierbei die Gefahr, durch die sehr hohe, mittels der Sauerstoh'kernlan/e erzeugte Temperatur die üblicherweise aus Aluminiumoxyd bestehende Ausmauerung zu beschädigen und durchzusehmelzen. Es wird daher in einem zweiten, erfmdungsgemäßen Verfahrensschritt mittels einer mit Sauerstoffüberschuß betriebenen, also oxydierenden Gasflamme, der Rest des Schlackekiichens weiter oxydiert und nach Herabsetzen der Schmelztemperatur zum Abfließen gebracht. Die durch den Einsat/ der SauerstoffkernLiii/e gebohrten Öffnungen durch den Schlackekuchen, die durch Zerklüftung ιίιίο h.he Oberfläche mit ano\> dienen, SchlackebcMandtenc!: aufweisen, ermöglichen einen Wirkungsvollen Angriff der oxydierenden Gasflamme und den Abzug der \ crbre!iiiungss;;:sc durch den Reaktor. Pie ^;;ι:\ί· die oxydierende Gasflamme er/eugie Tenux::'.:'■■.:: reicht nicht au-., um da-. Muminiumoxyd der keramischen -\uskleidum: :nv. Schmelzen /ι· bringen.

Damit wird eine Beschädigung dieser Ausmauerung durch das .Schlackeabschmelzen vermieden. Die in ihrer Temperatur nicht weit über 1000 C" aufweisende oxydierende Gasflamme ist indessen infolge ihrer

5 Oxydationswirkung imstande, die Schlacke /um Abfließen /u bringen; diese läuft dann mit dunkler Rotglut und Schmelztemperaturen um 700 C ab.

Nur die erlindungsgemaße Kombination der beiden Schmel/verfahren Sauerstoffkernlanze und oxy-

H) dierende Gasflamme ermöglicht mit ihrer doppelten Wirkung -- Erzeugung hoher Temperatur und gleichzeitigen Oxydation der Schlackekomponenten ■■--das Entfernen der Schlacke; aus dem heißen nicht abgekühlten Synthesegasreakior.

Das Durchschmelzen des Schlackekuchens mit Hilfe einer Sauerstoffkernlanze kann erfindungsgemäß sowohl von unten als auch von oben durch den Reaktor erfolgen. Bei einem Durchschmelzen von oben wird die Sauersloflkernlanze bis nahe an die Oberfläche der Schlacke geführt, fs empfiehlt sich dabei, sie bis etwa '■'., Meter oberhalb der Schlacke mit einem wassergekühlten Mantelrohr oder einer geeigneten Isolierung zu umgeben, da sie sonst durch die Hit/e des Reaktors schmelzen und sich serbiegen könnte, respektive beim Einleiten des Sauerstoffes an einer im Reaktoroberteil gelegenen Stelle zünden könnte. Wenn die Lanzenspitze die zum Zünden erforderliche Temperatur erreicht hat, wird Sauerstoff in die Lanze eingeblasen. Nach erfolgter Zündung werden in ausreichendem Abstand von der Ausmauerung ein oder mehrere Löcher durch die Schlacke gebohrt; anschließend kann dann das weitere Abschmelzen der Schlacke mit der oxydierenden Gasflamme erfolgen.

Beim Durchbohren des Schlackekuchens von unten wird die Sauerstoffkernlanze wie üblich mit dem Schweißbrenner an der Spitze auf Zündtemperatur gebracht und durch Einleiten son Sauerstoff gezündet. Anschließend werden auch hier in ausreichendem Abstand von der Ausmauerung ein oder mehrere Löcher durch den Schlackekuchen gebohrt. Für das Abschmelzen der Schlacke mittels einer mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Gasflamme können geeignete Brenner, welche mit Acetylen, Erdgas, Heizgas, Propan oder Wasserstoff betrieben werden, benutzt werden, wobei zum Erzielen einer ausreichend hohen Temperatur und überschüssigen Sauerstoffes in der Flamme als Oxydationsmittel reiner Sauerstoff eingesetzt wird. Dieser Gasbrenner kann durch geeignete Halterungen, in denen er beweglich angeordnet wird, am Flansch des Bodenflanschverschlusses angebracht werden. Die ablaufende Schlacke wird hierbei zweckmäßigerweise in einem Sandbett aufgefangen. Beim Betrieb der GasPamme muß genauestens darauf geachtet werden, daß sie nicht in einen reduzierenden Bereich durch Sauerstoffunterschuß gelangt, da sonst die keramische Ausmauerung, die im aligemeinen aus rk'chgeglühtem Aluminiumoxyd besteht, reduziert und beschädigt werden könnte.

ti< iJeine ηικίι übrigbleibenJc Schlackercste können /u;n vhiu!¹ noch Picch.misch entfernt werde¹! 'vieh der P'.:rchfü!v!r,g dcv i iH-cliiackung wird der die ganze /cit auf Beine:- ι·. :nper.<;,:r gehaltene Reaktor mittel- ic> B.O.'nllari-.Jr.crsehlus-e* wieder dkm geiT'.Kh; ,in.! '«.mn oh"j weiteres ohne /usäi/liehe Α;:Πιθΐ/\ο;τ.'!':!\· sofort wieder in Betrieb genommen werden Durch da-· ertindungsgemäUe Verfahren wird, wie au·· dem Bespiel ' hervorgeht, ein Zeitcewmn

von 5 Tagen gegenüber dem Verfahren nach dem Stand der Technik erzielt, bei dem zum Auskühlen, zum Ausstemmen der Schlacke und Wiederaufhei/en mindestens 6 Tage benötigt werden. Demgegenüber wird bei dem crfindiingsgemäßen Verfahren nur eine Ausfallzeit der Produktion von 1 Tag benötigt.

Verglcichsbeispie! I

Fin Synthesegasreaktor (Abb. I) wird bei einem Schlackcstand von ca. 40 cm im Schlackeauffanggefäß (1) außer Betrieb genommen, da der Schlackcspicgcl dann schon so weit in die Nähe des Gasaustrittsrohres (2) aus dem Reaktor kommt und ein Mitreißen von Schlacke mit der Folge von Verlegungen und Verstopfungen der nachgcschaltctcn Apparate und Rohrleitungen zu befürchten ist. Nach dem Ablassen des hoher. Betriebsdruckes und Abkühlen des Reaktors und des Schlackckuchcns (3) auf eine Temperatur von 50 bis 80 C, wozu 2 bis 3 Tage erforderlich sind wird der Bodcnflanschvcrsehluß (5) des Reaktors geöffnet und die darübcrliegcndc keramische Wärmeschulzschicht (6) entfernt. Anschließend wird ausgehend vom dann freigelegten Boden des erstarrten Schlackckuchcns mit Preßlufthämmern der Schlackekuchen zerkleinert und mechanisch entfernt, wobei mit äußerster Vorsicht vorgegangen werden muß, um die hochlempcralurbeständigc keramische Ausmauerung des Schlackcauffangraiimcs (7) nicht zu beschädigen. Die Zeit für dieses llcrausstcmmcn ergibt sich aus der Reaktorgröße; für einen Schlackekuchen von einem Volumen von 350 1 werden ca. 2 Tage benötigt. Anschließend wird der Bodenflanschvcrschluß (7) mit der darüberlicgendcn wärmcisolicrcndcn Schicht (6) wieder verschlossen und der Reaktor wieder bis auf die Betriebstemperatur von ca. 1000 bis 1300"C aufgeheizt. Hierzu wird ein weiterer Tag benötigt. Fs müssen somit mindestens υ Tage für das mechanische konventionelle Schlackccntferncn aufgewandt werden mit dem entsprechenden Ausfall der Produktion. Die hierbei mechanisch ausgeräumte Schlacke hat eine Zusammensetzung nach Tabelle C und einen Schmelzpunkt (unter Stickstoff gemessen) von über 1000"C.

Tabelle C

nls Metalle is

als (Kyili· (!i'iivliiH'l

Vanadium 43,4 Gew.-",, V_a()_;i ('3.SGeW.-",,

F.isen 7,2 Gew.-",, FeO 4..U iew.-",,

Nickel 13,0GcW.-",, NiO l(i.5Gew.-"„

Cobalt (UWGeW.-",,

Natrium 0.01 Gew.-",,

Calcium 1,5 Gew,-",, CaO ΛI Gew.-",,

Magnesium 2,8 Gew.-",, MgO 4,(> Gew.■■"„

78.00 Gow.-",, >H,,3 Gew.-",,

Davon:
Kohlonst.
0.03",,

Vergleichsheispicl 2

Der gleiche Svnihcscgasreaktor (Abb. 1) wie in Beispie! I wird für die Durchführung des erlindungsgemäßen Schlackeausräumens ebenfalls bei einem Schlackesland von ca. W cm außer Betrieb genommen, wobei ca. Sem flüssige Schlacke sieh auf dem erstarrten Schlackekuchen (3) helindel.

Nach dem Ablassen des hohen Betriebsdruckes wird die Flamme im Reaktor so stark \crklcincrt. daß dieser auf der Betriebstemperatur von 1000 bis 1300 C gehalten wird. Gegebenenfalls kann statt des Pro/cß-Brcnncrs ein kleinerer Brenner eingesetzt werden.

Der Bodcnflanschvcrsehluß (5) kann sofort nach dem Ablassen ties Druckes geöffnet, die darübcrliegcivic keramische Isolierschicht (6), soweit sie nicht mit dem Verschluß zusammen entfernbar ist, entfernt und der Boden des Schlackckuchcns (3) freigelegt werden. Hierzu werden ca. 4 Stunden benötigt.

Anschließend .vird eine Saucrstoffkernlan/e an der Spit/c mittels Schweißbrenner aufgeheizt und durch Finleilen von Sauerstoff gc/.ündct. Dann wird sie von unten her etwa in der Mitte ties freigelegten Schlackckuchcns angesetzt und immer weiter nach oben in die Schlacke geschoben.

Nach einigen Minuten hat sie ein Loch durch den erstarrten Teil der Schlacke gebrannt, so daß der flüssige Teil (4) von ca. S cm Standhöhe nach Löschen und Herausziehen der Sauerstofflanze ablaufen kann. Diese Schlacke wird in einem Sandbett aufgefangen.

Anschließend wird unter dem Reaktor ein Gasbrenner (8 in Abb. 2) angebracht, der mit F.rdgas und Sauerstoff betrieben wird. Hierbei wird durch Sauerstoffübersehuß eine oxydierende Flamme cingeslelll. Die Brennerabgasc (')) ziehen hieibci durch die von eier Saucrstoffkcrnlan/.c gebohrte, stark zorklüflele Öffnung (10) im Schlackekuchen (3) ab. Innerhalb von 2 Stunden wird tier Rest lies Schlackekuchcns (3) abgcschmol/en. Die Schlacke läuft hierbei leicht flüssig mit dunkler Rotglut ab (ca. 700 C) und wird ebenfalls in einem Sandhetl aufgefangen, Gelinge im Bereich der linieren Reaktoröffiumg angesetzte Schlackeniestc können abgeschlagen werden.

Nach Beseitigung vom Sandbell und ^f darin erstarrten Schlacke kann der Bodenllanschversehlul.MS) mit der keramischen W'ärmesehut/schieht wieder angebracht und damit der Reaktor wieder diehlgcmaehl werden.

Da der Reaktor auf Betrichslempeialui ('.ehalten wurde, kann or anschließend sofort wieder durch Zünden des l'ro/eßhrcnners in Meirich genommen weiden. Bei zügigem Aufeinanderfolgen der ein/einen Arbeitsgänge kann eine solche Fntschlackung in 24 Stunden gerechnet vom I tischen des Pro/olV bronneis bis /um Zünden bei der Inbetriebnahme, durchgeführt werden.

Fs wird somit eine Zeitersparnis von 5 Tagen gegenüber der konventionellen I nlschlackung durch mechanisches Ausräumen erreicht.

1 licivii I HIaIt Zeichnungen

u<v

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfuhren zur Entfernung des bei der partiellen Oxydation von Schweröl mit Sauerstoff zu Synthesegas anfallenden vanadinhaltigen Schlackekuchen!, aus einem mit keramischem Material ausgekleideten und mit Bodenflanschverschluß versehenen Flea k tors, d a d u r c h g e k e η n/ciclinel, daß man nach Entfernen des Bodcnllanschverschlusses einschließlich der gegebenenfalls vorhandenen Stampfmasse mit der 1 lamme einer SauerstolTkernlanze eine Öffnung in den freigelegten Schlackekuchen schmilzt, die vorhandene flüssige Schlacke ablaufen iül.'i. und dann mit einer mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Gasflamme den restliehen Teil des Schlackekuchens verflüssigt und ebenfalls ablaufen läßt.