Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen, bei welchen fein verteilte feste Stoffe mit Gasen in Berührung gebracht werden.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung von Prozessen, bei denen fein verteilte, z. B. feinkornige oder staubformige feste Stoffe mit Gasen oder Dämpfen in Berührung gebracht werden, indem die Gase mit den fein verteilten festen Stoffen beladen werden, und bei denen ein Wärmeumsatz stattfindet. Dabei kann es sich z. B. um die Durchführung von endothermen oder exothermen chemischen Reaktionen zwischen den festen Stoffen und den Gasen handeln, oder es kann auch eine Umsetzung zwischen einzelnen Komponenten des festen Stoffes und bzw. oder der STase stattfinden. Diese Prozesse können bei normaler, tieferer oder auch beliebig erhöhter Temperatur verlaufen.
Beispielsweise kann nach der Erfindung verfahren werden bei der Staubvergasung, bei der Erzeugung von Wassergas aus staubformi- gen Brennstoffen, der Entgasung von staub formigen Brennstoffen, bei der Herstellung von Aktivkohle, bei der Reduktion oder Oxy- dation von Metallverbindungen, bei der Trocknung organischer oder anorganischer Stoffe, bei Kondensationen, bei denen staubformige oder feinkörnige feste Körper zugegen sind, bei katalytischen Hydrierverfahren, z. B. der Kohlenoxydhydrierung zu Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoff-Derivaten unter Mitwirkung von z. B. Nickel-, Kobalt-oder Eisenkatalysatoren oder dergleichen, bei denen der Katalysator feinkörnig und in bewegtem Zustand verwendet wird, oder ähnliehen Verfahren.
Die Erfindung wird im folgenden haupt sächlich am Beispiel der Vergasung staubfor- miger fester Brennstoffe erläutert. Bei dieser Vergasung unterscheidet man : die Schwebe- vergasung und die Fluidized -Vergasung.
Beide können, je nach den Stromungsverhältnissen, ineinander übergehen.
Die Schwebe-und die Fluidized -Vergasung werden heute vorzugsweise unter Verwendung von Sauerstoff als Vergasungsmittel durchgefiihrt, wobei im kontinuierlichen Betrieb ein stickstoffarmes, wassergasähnliehes Gas erzeugt wird.
Je nach der Geschwindigkeit und dem spezifischen Gewicht des Gases und seiner Beladung mit dem feinkörnigen oder staub- förmigen festen Stoff, der Körnung und dem spezifischen Gewicht des letzteren kann dieser im Gleichstrom von dem Gas durch den Reaktionsraum getragen oder aber in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand bewegt werden, wie dies z. B. bei der Vergasung nach Winkler oder bei der Fluidizedo-Technik bekannt ist, die für die katalytische Krackung von Oldämpfen, die Kohlenwasserstoff-Synthese oder auch die Kohlevergasung angewendet wird.
Bei der Sehwebevergasung, bei der der Brennstoff im Gleichstrom mit dem Gas durch den Reaktionsraum getragen wird, hat das Gas beim Austritt aus dem Reaktionsraum eine Temperatur, die im wesentlichen durch die Zusammensetzung und Temperatur des angewendeten Vergasungsmittels und die Reaktionsfähigkeit des Brennstoffes gegeben ist und erfahrungsgemäss bei etwa 750 bis 1200 C liegt. Bei der Fluidized -Vergasung liegen die Austrittstemperaturen des Gases etwa in gleicher Hohe.
Während man aber bei der Fluidized > - Vergasung auch im praktischen Betrieb einen guten Wärme-und Stoffumsatz erreicht, weil durch die Wirbelung hohe Relativgeschwin- digkeiten zwischen Brennstoff und Gasen und damit ein intensiver Wärme-und Stoffaustausch erzielt werden, hat sich gezeigt, dass I3 diese bei der Schwebevergasung häufig mangelhaft sind. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Brennstoff ist bei dieser nur gering, und es bewirkt hauptsächlich die Diffusion den Wärme-und Stoffaustausch, der aber unzureichend ist, so dass das Reaktions- gleichgewicht bei weitem nicht erreicht wird und sehr kohlenstoffhaltige Rückstände anfallen.
Bei der Fluidized -Vergasung tritt eine starke Durehmischung des Brennstoffes mit der Asche und damit eine Anreicherung des Brennstoffbettes mit Asche ein, so dass ein hoher Gehalt an Verbrennliehem sowohl in der ausgetragenen Asche als auch in dem mit dem Gas ausgetragenen Rüekstand in Kauf genommen werden muss. Beide Verfahren haben also gemeinsam den Nachteil eines geringen Wirkungsgrades des Kohlenstoffum- satzes und hoher Gasaustrittstemperaturen, so dass sich ein hoher Sauerstoffverbrauch ergibt.
Die Schwierigkeiten der Schwebevergasung hat man durch folgende Massnahmen zu beseitigen versucht :
1. Erhöhung der Aufenthaltsdauer des Staubes im Vergasungsraum durch Vergasung im aufsteigenden Gasstrom in einem konisehen Reaktionsraum, mit Abscheidung und Rückführung des nicht vergasten Staubes, und schliesslich durch Hintereinanderschaltung mehrerer Brennstoff-Kreisläufe.
2. Verkürzung der Vergasungszeit durch Steigerung der Relativgesehwindigkeit zwi- schen Staub und Vergasungsmittel, z. B. durch hohe Einblasegeschwindigkeiten oder Schleudern des Staubes durch Anwendung gekrümmter Bahnen (Gumz : Kurzes Handbuch der Brennstoff-und Feuerungsteehnik, Abschnitt Staubvergasung).
3. Hintereinanderschaltung eines Vergasungs-und eines Verbrennungsvorganges, das heisst die Abseheidung des unvergasten Staubes und seine Verbrennung in einer Kohlenstaubfeuerung.
Um mit Sieherheit einen völligen Ausbrand des Brennstoffes zu erzielen, hat man schliesslich höchste Reaktionstemperaturen durch unmittelbare Verbrennung mit reinem Sauerstoff angewendet, um dann die Reaktion mit hoch überhitztem Wasserdampf folgen zu lassen (Industrial Engineering Chemistry, Vol. 40, April 1948, S. 559 ff). Kann man hierbei auch eine gute Umsetzung des Kohlenstoffes erreichen, so ist doeh infolge hoher Gasaustrittstemperatur der Sauerstoffver- brauch höher als bei der üblichen Vergasung stüekiger Brennstoffe im ruhenden Brennstoffbett. Der Sauerstoff, der zum Zweeke der Vergasung, z.
B. nach dem Linde-Verfahren, durch Luftzerlegung erzeugt wird, ist trotz der fortgeschrittenen Teehnik ein kostspieliges Vergasungsmittel, sowohl hinsichtlich der Baukosten für die Erzeugungsanlagen als auch der Erzeugungskosten (Energiebedarf).
Da die Vergasung von Staub gegenüber von festem, stüekigem Brennstoff unbestrit- tene Vorteile, vor allem in der Verwendung billiger feinkörniger Brennstoffe bietet, ist man seit langem bemüht, einen Wassergaspro- zess für Staubkohle ohne Verwendung von zu sätzlichem Sauerstoff zu entwickeln.
Es ist bekannt (Gas-Journal vom 17. Sept.
1947, S. 617), die Fluidized -Technik anzuwenden und hierbei den Wärmebedarf der Reaktion durch im Überschuss umgewälzten, erhitzten Brennstoff bzw. Koks zu decken. Die innige Vermisehung von Brennstoff und Asche benachteiligt aber aueh bei diesem Ver fahren die Vergasungsreaktion und ihren Wirkungsgrad.
Ferner ist bekannt, den Wärmebedarf eines Prozesses, wie die Erhitzung von Gasen auf hohe Temperaturen oder die Verkokung von Kohle, unter Verwendung eines festen Wärmeträgers durchzufiihren. Nueh wurde schon im obern Teil eines Schachtofens der aus einem keramischen Material bestehende Wärmeträger mittels heisser Verbrennungsgase auf hohe Temperaturen erhitzt und dann in einen darunterliegenden Teil des Sehachtofens geführt, in den Öle zwecks Krackung eingespritzt wurden.
Die Teehnik thermischer Prozesse wird nun durch das Verfahren gemäss der Erfin dung, welches besonders für die Vergasung oder Entgasung staubformiger oder feinkör- niger Brennstoffe geeignet ist, grundlegend erweitert und bereichert. Das Verfahren ge mäss der Erfindung zur Durchführung von Prozessen, bei denen ein fester Stoff mit einem Gas in Berührung gebracht wird, indem das Gas mit dem festen Stoff in fein verteiltem Zustand beladen wird, und bei welchem ein Austausch von Wärme stattfindet, ist dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem fein verteilten festen Stoff beladene Gas durch einen Raum bewegt wird, durch den gleiehzeitig ein Strom eines kornigen bis stüekigen Wärme abgebenden bzw.
aufnehmenden Stoffes durchgeleitet wird.
Der körnige bis stüekige Wärmeträger kann z. B. aus Metall oder keramischen Stoffen bestehen. Er sollte natürlich so gewählt werden, dass er sieh zum Zweeke einer gleiehzeitigen oder nachfolgenden Trennung von dem fein verteilten Stoff im strömenden Gas eindeutig versehieden von dem fein verteilten Stoff verhält. Je nach der Geschwindigkeit und dem spezifisehen Gewieht des Gases und dem durch die Körnung und das spezifische Gewicht des fein verteilten Stoffes bedingten Verhalten in dem strömenden Gas kann sieh dieser im Gase im Zustand der Schwebe oder in einem einer siedenden Flüssigkeit ähnliehen Zustand befinden, während der Wärmeträger z.
B. in diehtem Strom durch den Behand lungsraum wandert, oder auch in einem aufgelockerten Strome durch das sprudelnde Bett des fein verteilten Stoffes absinken gelassen wird, wobei er lmter Umständen dureh die Gasströmung kaum beeinflusst wird. Es kann aber auch die Bewegung des Wärmeträgers ebenso wie die des fein verteilten Stoffes unter dem Einfluss der Gasströmung erfolgen, indem z. B. beide (fein verteilter Stoff und Wärmeträger) sich, einer siedenden Flüssigkeit ähnlich, aber trotzdem im strömenden Gas je nach Korngrösse und spezifischem Gewicht, versehieden verhalten, so dass eine Trennung beider voneinander entweder im gleichen oder in einem besonderen Raum möglich ist.
Zum Beispiel erhitzt man einen geformten Wärmeträger aus feuerfestem Material oder Metall, der eine Korn-oder Stüekgrösse von z. B. 8 mm oder darüber, etwa von 20 mm, oder auch eine kleinere Korngrösse hat, in einem geschlossenen Raum mit heissen Gasen.
Der heisse Wärmeträger wird dann in einen zweiten Raum geführt, der von Gasen durchströmt wird, welche den zu behandelnden festen, feinkörnigen oder staubförmigen Stoff tragen. Unter Abgabe von Wärme durch den Wärmeträger wird der beabsichtigte thermische Prozess zur Behandlung des mit dem Gas zugeführten festen Stoffes durchgefiihrt. Der abgekühlte Wärmeträger verlässt dann diesen Raum und wird zweckmässig wieder in den ersten Raum zurückgeführt und im Kreislauf gehalten.
L'berrasehenderweise wurde gefunden, dass in der Regel der zu behandelnde feste Stoff sich im Gas bei dessen Strömen durch die Schicht der Wärmeträger sehr gleichmässig verteilt und eine gleichmässige Wärmeüber tragung erreicht wird.
Abscheidungen des festen Stoffes auf den Wärmeträgerpartikeln, die eine Behinderung der Strömung verursachen, treten gewöhnlieh nicht auf. Bei Prozessen, bei denen chemische Reaktionen zwisehen den Gasen und den mitgeführten feinen festen Stoffen stattfinden, wird auch der Stoffumsatz bei diesen Reaktionen sehr gleichmässig, und es verlaufen die Reaktionen mit hohen Geschwindigkeiten.
Ferner hat sich gezeigt, da13 die gröberen Bestandteile der festen feinen Stoffe eine wesentlich längere Aufenthaltszeit zwisehen den Wärmeträgerpartikeln haben als die feineren Bestandteile. Dadurch entsteht der Vorteil, dass das gröbere Korn intensiver als das feinere behandelt wird, und z. B. bei der Vergasung so lange in Berührung mit dem Wärmeträger bleibt, bis es praktisch aufgezehrt ist. Man kann den fein verteilten festen Stoff nach Abtrennung vom Wärmeträger in Form eines Fluidized -Bettes weiter behan- deln.
Statt der Erwärmung des zu behandelnden Gemisches von Gasen und festen feinen Stoffen durch den Wärmeträger, kann man auch eine Kühlung durchführen, etwa derart, dass der Wärmeträger gekühlt in den Behandlungsraum eintritt, darin Wärme aufnimmt, ausgetragen wird und nach erneuter Kühlung in den Behandlungsraum zurüekkehrt.
Die Bewegung des Wärmeträgers durch den Behandlungsraum kann z. B. in vertikaler oder horizontaler Richtung geschehen. Das mit feinen festen Stoffen beladene Gas kann im Gleich-oder Gegen-oder Querstrom durch den Wärmeträgerstrom geführt werden, wobei bei Gleichstrombewegung zweckmässig eine relative Bewegung zwischen Wärmeträger und Gas eingehalten wird.
Auch die Aufheizung des Wärmeträgers kann nach dem Verfahren gemäss der Erfin dung erfolgen, z. B. in der Weise, dass Brennstaub und Verbrennungsluft unmittelbar durch die aufzuheizenden, z. B. abwärts bewegten Wärmeträgersehichten hindurchge- führt werden, derart, dass in den Schichten die Verbrennung erfolgt. Die Räume für die Heizung oder Kühlung des Wärmeträgers und für die Hindurchfiihrung von Gasen und festen feinen Stoffen durch den Wärmeträger können übereinander oder auch beliebig nebeneinander angeordnet sein.
Ist in dem Wärmeträger nach Durchfüh- rung der Behandlung noch nutzbare Wärme oder Kälte verfügbar, so kann diese in einem dritten Raum für andere Prozesse nutzbar gemacht werden, insbesondere für solche, die im Zusammenhang mit dem betreffenden Verfahren durchgefiihrt werden, z. B. für die Erwärmung oder Kuhlnngwon Gasen, die am Prozess beteiligt sind, die Erzeugung von Wasserdampf, Uberliitzttng von Wasserdampf oder dergleichen.
Das Verfahren ist unter beliebigem Druck durchführbar, z. B. auch mit hohem Druck von 20 atü und mehr, was unter anderem dann zweckmässig ist, wenn der Ablauf einer beabsichtigten chemischen Reaktion durch den Druek begünstigt wird. Ein unter Druck anfallendes heisses Gas kann man z. B. anschlie ssend unter Krafterzeugung auf atmosphäri- schen Druck entspannen. Der Reaktionsbehälter, z. B. ein Schacht, und die Fördervorrich- tungen für den Umlauf des körnigen bis stüekigen, Stoffes müssen natürlich dem hohen Druck angepasst sein.
Hierbei werden der Schacht und die Fördervorrichtungen zweck- mässig in getrennten druckfesten Gehäusen nntergebracht, die druckfest miteinander verbunden werden. In besonderen Fällen kann es von Vorteil sein, den Schacht und die Fördervorrichtungen in einem gemeinsamen druckfesten Gehäuse unterzubringen.
An einigen Ausführungsbeispielen sei die Erfindung näher erläutert. Vorrichtungen, die für die Durchführung der in den Beispielen beschriebenen Ausführungsformen geeignet sind, sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Abb. 1 zeigt eine Vorrichtnng im senkrechten Schnitt für die Herstellung von Wassergas oder für die Herstellung eines ähnlichen Gases, wobei ein Vergasungsmittel verwendet Wird. In Abb. 2 ist eine Vorrichtung für die Herstellung eines ähnlichen Gases in der gleichen Weise dargestellt, wobei ein Vergasungsmittel benutzt wird, dem Sauerstoff zugesetzt ist. Die Vorrichtung nach Abb. 3 ist für die Entgasung von Brennstoffen geeignet.
Beispiel 1 :
Die Vorrichtung (Abb. 1), die hier für die kontinuierliche Erzeugung von Wassergas aus feinkörnigen oder staubförmigen Brennstoffen verwendet wird, besteht aus einem vertikalen rechteckigen Schacht 1, der in eine Erhitzerzone 2, eine Vergaserzone 3 und eine Verdampferzone 4 unterteilt ist. Der Schacht ist von einem äussern Bleehmantel 5 gasdicht umsehlossen und im Innern mit feuerfestem Mauerwerk 6 ausgemauert. Zwischen der Erhitzerzone und der Vergaser- zone ist der Schacht eingeschnürt. Diese Einschnürung 7 hat in Verbindung mit einer entsprechenden Druckregelung im Sehacht den Zweek, den {'bertritt von Gasen von der einen in die andere Zone weitgehend zu verhindern.
Eine weitere Einsehnürung 8 im untern Teil des Schachtes trennt die Vergaserzone 3 von der Verdampferzone 4. Daehförmige Einbauten 9, 10 und 11 liegen innerhalb des Schachtes l. Sie dienen zur Einführung von Verbrennungsgasen, Kohlenstaub und Waerdampf. Das als Wärmeträger vert- wendete keramisehe Material wird in einer mogliehst einheitliehen Korn- oder Stüekgrosse von z. B. 8, 12 oder 25 mm angewen- det. Es wird dem am obern Ende des ver tikalen Schachtes befindlichen Bunker 12 mit einer Temperatur von z. B. 300 bis 500 C aufgegeben.
Durch Verbrennung von gasför- migen, flüssigen oder staubförmigen Brennstoffen wird es beim Durchgang durch die Zone 2 auf Temperaturen von z. B. 1200 bis 1300 C erhitzt. Die Verbrennung und Aufheizung können auch stufenweise erfol- gen, z. B. um unerwünsehte Temperaturspitzen zu vermeiden. In der folgenden Zone 3 gibt der Wärmeträger die aufgenommene Wärme oder einen Teil derselben an das Gas und den zn vergasenden Brennstoff ab.
Nach Durehführung des Vergasungsprozesses und gegebenenfalls einer Wärmeabgabe in der Zone 4 wird der Wärmeträger am untern Ende dieser Zone, z. B. durch ein Zellenrad 13, wieder abgezogen und zu einem Beeherwerk 14 geleitet, welches ihn zum Bunker 1: ? zuriiekbefordert.
Der Erhitzer 2 steht mittels einer Leitung, die unter dem daeliförmigen Einbau 9 mündet, mit der Brennkammer 15 in Verbindung, in der die zur Aufheizung des Wärmeträgers erforderliehen heissen Verbrennungsgase erzeugt werden. Die Verbrennungsluft wird bei 16 in den Brenner eingeführt ; bei 17 tritt der Brennstoff ein. Die heissen Gase, die z. B. mit einer Temperatur von 1300 C aus der Brennkammer in den dachförmigen Einbau 9 gelangen, strömen dem im Schacht abwärts sinkenden Wärmeträger nach oben entgegen und heizen ihn so auf, dass er am Austritt aus dem Erhitzer bzw. Eintritt in die eingeschnürte Stelle 7 die gewünschte Temperatur von z. B. 1200 C hat. Das Heizgas kühlt sich hierbei auf eine Temperatur ab, die etwas über der Eintrittstemperatur des Wärmeträgers, also z.
B. bei 300 bis 400 C, liegt. Es verlässt den Erhitzer durch die Öffnungen 18, wird durch eine Leitung zum Staubabscheider 19 geführt und gelangt von dort in den Kamin 20, in welchem eine eingebaute Drosselklappe 21 dazu dient, den Druck im obern Teil des Schachtes so einzuregeln, dass praktiseh keine Verbrennungsgase durch den Bunker 12 strömen. Um ein Überströmen von Gasen aus einer Zone in die andere zu verhindern, wird der Druck an beiden Enden der Einschnürung 7 auf gleiche Hühe eingestellt. Man kann diese Absperrung dadurch unterstützen, dass man z. B. durch eine Leitung 22 Sperrdampf oder Sperrgas in die Einschnürung 7 einführt.
Wasserdampf strömt aus der Verdampferzone 4 dureh die Einschnürung 8 in die Vergaserzone 3. In diese wird der zu vergasende staubförmige oder feinkörnige Brennstoff, z. B. Braunkohlen-oder Steinkohlenstaub, unterhalb des dachförmigen Einbaues 10 ni- geführt. Die Einschnürung 8 ist so bemessen, dass man eine Dampfgeschwindigkeit in dieser erhält, die verhindert, dass Staub aus dem dachförmigen Einbau 10 in die Verdampfer- zone durehfällt. Unterhalb des dachförmigen Einbaues 10 vermischt sieh der Wasserdampf mit dem aufgegebenen Kohlenstaub, der zweckmässig mit Korngrössen von 0 bis 1 mm angewendet wird.
Der Dampf strömt dem Wärmeträger mit einer Anfangstemperatur von z. B. 400 bis 600 C nach aufwärts entgegen. Hierbei wird der mit Kohlenstaub beladene Wasserdampf aufgeheizt, bis bei Tem peraturen oberhalb etwa 700 C die Vergasung des Brennstoffes mit Wasserdampf einsetzt, wobei die für die endotherme Reaktion er forderliche Wärme aus dem hocherhitzten Wärmeträger zugeführt wird. Infolge der intensiven Wirbelung wird ein vorzüglicher Wärme-und Stoffaustausch und damit eine praktiseh restlose Vergasung des Brennstoffes erzielt.
Das erzeugte Gas verlässt den vertikalen Schacht am obern Ende der Vergaser- zone durch die Öffnungen 23 und strömt dann zu einem Staubabscheider 24, aus dem der Vergasungsrückstand bei 25 trocken ausgetragen wird. Die Temperatur des Gases beträgt an dieser Stelle z. B. 800 bis 1000 C.
Der aus dem Brennstoff freiwerdende Teer wird weitgehend gekraekt lmd in gasformige bzw. leicht siedende Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Das erzeugte Gas hat etwa die Zu sammensetzung des bekannten Wassergases, z. B. etwa 50 /o Wasserstoff und 40 % Koh lenoxyd. Seine Zusammensetzung richtet sich im einzelnen Falle nach den gewählten Ver gasimgsbedingungen und der Art des verarbeiteten Brennstoffes. Zum Beispiel kann durch Einhalten niedriger Vergasungstempe raturen ein wasserstoffreieheres Gas erzeugt werden.
Krackkoks, der sich bilden kann, setzt sich mit dem Wasserdampf ebenfalls mehr oder weniger weitgehend zu Gas um. Es hängt von dem Verlauf der Vergasungsreaktion, insbesondere auch der Beschaffenheit des Brenn stotfes ab, welche Mengen des Wärmeträgers man benötigt, und mit weleher Temperatur der Wärmeträger unten aus der'Vergasungszone austritt. Das aus der Vergasungszone abströmende heisse Gas wird nach Durchgang durch den Staubabscheider 24 z. B. in einem Abhitzekessel 26 auf z. B. 200 C gekühlt.
Die abgeführte Wärme wird z. B. zur Erzeu- gung von Hockdruckdampf verwendet, der bei 40 abströmt und z. B. für den Antrieb der benotigten Gebläse und Maschinen oder dergleiehen verwendet werden kann. Das Gas strömt dann zu dem Wasehkühler 27, dem durch eine Rohrleitung 28 Wasser zugeführt wird. Dieses Wasser dient sowohl zur Küh- llmg als zur Waschung des Gases zum Zwecke weiterer Staubabseheidung.
Das Abwasser läuft z. B. durch einen Abschlusstopf 29 zu einer Sammelgrube. Die Schlussreinigung des Gases von Staub erfolgt durch einen Desinte- grator oder, wie in der Abbildung dargestellt, durch einen Elektrofilter 30, dem der hochgespannte Strom bei 31 zugeführt wird, oder ähnliche Beinigungsvorrichtungen. Das ge reinigte Wassergas verlä#t schliesslich bei 32 die Anlage. Der zu vergasende Brennstoff wird z. B. von einem beliebig angeordneten Bunker durch die Leitung 33 dem dachför- migen Einbau 10 zugeführt.
Beim Austritt aus der Vergaserzone 3 hat der Wärmeträger noch eine Temperatur von etwa 500 bis 600 C. Die in ihm enthaltene Wärme kann nun dazu benutzt werden, den Wasserdampffür die Vergasung zu erzeugen.
Zu diesem Zweek wird durch die im untern Teil des Sehaehtes angeordnete Zone 4 ein Wasserdampfkreislauf in der Weise aufreeht- erhalten, dass der Wasserdampf dureh den Wärmeträger auf z. B. 500 C überhitzt wird und anschlie#end in einem Verdampfer 36. in den er durch eine Auslassoffnung 35 ge- langt, mit Wasser berieselt wird. Das Wasser verdampft in dem überhitzten Dampf, wodurch die Temperatur des Wasserdampfes z. B. auf 150 bis 200 C'erniedrigt wird.
Das einzuspritzende Wasser wird durch eine Leitung 37 zugeführt und das an den untern Teil des Verdampfers 36 angeschlossene CTebläse 38 hält den Wasserdampfkreislauf durch die Leitung 34 aufrecht, durch die der Was- serdampf in den daehförmigen Einbau 11 und weiter in die Zone 4 eintritt. Diese Art der Wasserverdampfung bietet den Vorteil, da# sie gegen Versehmutzungen höchst un- empfindlich ist.
Man kann sie deshalb mit besonderem Vorteil dazu verwenden, das Schwel- und Gaswasser, welches bei der Ver gasung anfällt, zu verdampfen, und es auf diese Weise für die Vergasung selbst wieder nutzbar zu maehen. Der Verdampfer 36 kann aueh der Vorwärmung des Vergasungsmittels und des Trägergases dienen. In dem Masse. wie in dem Verdampfer 36 Dampf neu gebildet wird, strömt dieser durch die Ein- schnürung 8 nach oben in die Vergasungszone 3 ab. Das als Wärmeträger verwendete Material verlässt mit einer Temperatur von z. B.
300 bis 3500 C den Ofen. Das Zellenrad 13 er möglieht einen gasdichten Abschluss. Die durch den Ofen geförderte Menge des Wärme- trägers wird z. B. durch die Drehzahl des Zellenrades 13 geregelt. Es ist auch möglich, den gasdichten Abschluss und die Regelung der ausgetragenen Wärmeträgermenge durch zwei unabhängig voneinancler betätigte Vorrichtungen zu bewerkstelligen. Der ausgetra- gene Wärmeträger kann über eine Siebstrecke 39, die zur Absiebung des mitgeführten Staubes und Feinmaterials dient, dem Beeherwerk 14 zugeleitet werden, welehes den Wärmeträger wieder oben in clen Ofen aufgibt.
Die nach der Vergasung noeh nutzbare Wärme des Wärmeträgers kann aber auch für andere Zwecke, z. B. zur Vortrocknung des Brennstoffes, beispielsweise bei Verarbei tung stark wasserhaltiger Braunkohle, verwendet werden. Hierdurch gelingt es, den Wassergehalt des Brennstoffes unmittelbar zu seiner Vergasung auszunutzen. Die Rückführung des Wärmeträgers kann statt durch die Vorriehtung 14 auch z. B. pneumatisch erfolgen.
Infolge der Einsehnürungen des Schachtes in Verbindung mit der Einhaltung einer höehstens geringen Druckdifferenz beidseits der Einschnürungen kann man es ermögliehen, dass praktisch keine Gasströmung durch die Einschnürungen erfolgt, soweit man nicht, z. B. wie hier zwischen der dritten und zwei- ten Zone, eine Dampfstromung nach aufwärts durch die Einschnürung beabsichtigt.
Die Wärme der mit z. B. 800 bis 1000 C aus der Vergasungszone austretenden Gase kann nach Abseheidung des staubförmigen Rüekstandes der Vergasung aus den Gasen z. B. auch für die Kohletrocknung, die Behandlung der Kohle zum Zweeke der Beseitigung ihrer Baekfähigkeit oder die Erzeugung von Dampf zur Deckung des Energiebedarfes des Verfahrens oder dergleichen ausgenutzt werden. Auf gleiche Weise kann man den Brennstoff mit jeder Art reaktionsfähiger Gase vergasen.
Auch kann man z. B. methanhaltige Restgase der Hydrierung oder Fischer-Tropsch- Synthese zum Zweeke der Methanspaltung in die Vergasungszone einführen. Auch können flüssige Kohlenwassertoffe, gegebenenfalls in verdampftem Zustand, oben mit dem heissen Wärmeträger oder unten mit dem mit Staub beladenen Gas in die Vergasungszone eingeführt werden, die z. B. auf hohe Temperaturen gebracht und somit zu Kohlenoxyd und Wasserstoff gespalten bzw. vergast oder bei mittleren Temperaturen gekraekt werden können und somit durch Bildung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen das erzeugte Wassergas karburieren und seinen Heizwert erhohen können.
Die beschriebene Vorrichtung ist geeignet, Wassergas aus staubformigen oder feinkörni- gen. Brennstoffen kontinuierlich zu erzeugen.
Sie kann mit hoher spezifischer Leistung betrieben werden, da mit hohen Gasgeschwindig- keiten und einer entsprechend guten Dureh- wirbelung von Gas und Brennstoff gearbeitet wird, welche einen vorziiglichen Stoff-und Wärmeaustausch bewirken. Statt des in Abb. 1 dargestellten Schachtes mit rechteekigem Quersehnitt kann auch ein Schacht mit rundem Querschnitt verwendet werden.
Die Leistung einer solchen Vorrichtung ist, verglichen mit der eines periodisch betriebenen Wassergaserzeugers, hoch, da man infolge des kontinuierlichen Betriebes die beim üblichen Wassergasprozess erforderliche Zeit einspart, welehe zum Heissblasen des Brennstoffbettes er forderlich ist und bis zu 40 /o der Gesamtbetriebszeit beträgt. Eine Leistung von etwa 12 000 Nm3 Wassergas/h kann von einem Gaserzeuger der beschriebenen Art mit 3, 6 m # erreicht werden.
Beispiel 2 :
Bei der Vergasung stüekiger, fester Brennstoffe im ruhenden Brennstoffbett mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel wird die Zusammensetzung des letzteren so gewählt, dass die aus der Reaktion des Brennstoffes mit dem zugeführten Sauerstoff entwiekelte Wärme ausreicht, um den Wärmebedarf der Reaktion des Wasserdampfes mit dem Kohlenstoff zu decken. Da Brennstoff und Verga sungsmittel sich im Gegenstrom bewegen, wird der Brennstoff von dem aus der Reaktions sone abströmenden heissen Gas auf die Reaktionstemperatur vorgewärmt und eine gute Wärmeausnutzung erzielt. Bei der bekannten Staubvergasung ist dies, wie bereits erwähnt wurde, nieht der Fall.
Der Brennstoff wird vielmehr von dem Gas im Gleiehstrom getragen, und das Gas strömt mit der Endreaktionstemperatur oder einer hoheren ab, wenn man mit der Absicht, einen vollkommenen Ausbrand des Brennstoffes zu erzielen, den Sauerstoffzusatz erhöht.
Durch die Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung gelingt es nun, die Staubvergasung unter ähnliehen Voraussetzungen wie die des festen, stückigen Brenn- stoffes zu betreiben. Leitet man das mit dem su vergasenden Brennstoff in Staubform beladene Vergasungsmittel in eine in einem Schacht befindliche erhitzte Wärmeträger- sehicht ein, so wird es im Schacht aufwärts- strömend zunächst aufgeheizt, bis die Zündtemperatur erreicht ist und die Verbrennung und Vergasung des Brennstoffes erfolgt.
Würde das als Wärmeträger verwendete Steinmaterial ruhen, so wäre die Gasaustrittstem- peratur, wie bei der Schwebevergasung be kannt, etwa 900 bis 1200 C. Bewegt man aber den Wärmeträger, indem man ihn am untern Ende des Schachtes abzieht und oben z. B. in gleicher Menge wieder aufgibt, so wird dem erzeugten Gas Wärme entzogen, welche vom Wärmeträger aufgenommen wird, der diese Wärme in die darunterliegenden Zonen trägt.
Der Wärmeträger wird zweckmä#ig in solcher Menge durch den Schacht geführt, dass die Austrittstemperatur des Gases soweit herabgesetzt wird, bis sie etwas über dem Taupunkt des Gases liegt. Man entzieht damit dem aus der Reaktionszone abströmenden Gas Wärme und führt sie mit dem Wärmeträger in die Reaktionszone bzw. verwendet sie weiter zur Aufheizung des Vergasungsmittels oder zur Dampferzeugung oder dergleichen. Der Wärmeträgerumlauf wird zweckmässig nur so gross gehalten, dass die Wärmeverluste im ausgetragenen Wärmeträger den Wirkungs- grad des Vergasungsprozesses nieht ungünstig beeinflussen.
In dem Masse, wie man dem erzeugten Gas Wärme entzieht und sie der Reaktionszone bzw. dem Vergasungsmittel wieder zuiührt, kann man den Sauerstoffverbraueh, das heisst die Wärmeentwicklung durch die Oxydation, reduzieren.
Beispielsweise wird für diese Ausführungs- form ein Schacht 51 (Abb. 2) verwendet, der von einem gasdichten Bleehmantel 54 um- geben und im Innern mit feuerfestem lauerwerk 55 ausgemauert ist. Der Schacht ist in die obere Vergasungszone 52 und die untere, der Erhitzung des Vergasungsmittels. und der Dampferzeugung dienende Zone 53 unterteilt.
Dachförmige Einbauten 56 entlasten die Wärmeträgerfüllung im Innern des Schachtes, desgleichen ein dachförmiger Einbau 57, der zur Einführung des zu vergasenden Brenn- stoffes dient. Ferner befindet sieh in der Zone 53 ein daehförmiger Einbau 58, der zur Einführung des im Kreislauf geführten Was- serdampfes oder Vergasungsmittels benutzt wird. Die Vergaserzone 52 ist von der Zone 53 durch eine Einsehnürung 59 getrennt. Am obern Ende des Schachtes befindet sich der Aufgabebunker 60 und am untern Ende das Zellenrad 61, durci welches der Wärmeträger aus dem Schacht über eine Schurre 63 zu einem Becherwerk 62 ausgetragen wird.
Die Schurre 63 kann mit einer Siebstrecke ausgerüstet werden, um anfallendes Feinmaterial abzuziehen. Der vom Beeherwerk 62 geförderte Wärmeträger kann über eine Rutsehe 64 dem Bunker 60 wieder zugeführt werden. Auf diese Weise wird der Kreislauf des Wärmeträgers gesehlossen. Es kann derselbe Wärmeträger wie im Beispiel 1 verwendet werden. Die zur Vergasung verwendete Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder der Sauerstoff wird durch eine Leitung 65 mittels eines Gebläses 66 angesaugt und naeh Mischung mit Wasserdampf durch eine Leitung 67 dem dachförmigen Einbau 58 in dem untern Teil der Verdampferzone 53 zugeführt.
Der mit geeignet hoher Temperatur aus der Vergaserzone durch die Einschnü- rung 59 in den Verdampfer 53 eintretende Wärmeträger heizt das Vergasungsmittel auf.
Zieht man einen Teil des erhitzten. Verga sungsmittels im Kreislauf durch die öffnun- gen 68 und eine Leitung 69 zu einem Verdampfer 70 ab, in dem man ihn mit Wasser aus einer Leitung 72 berieselt, so nimmt das überhitzte Vergasungsmittel Wasserdampf auf. I) as an das untere Ende des Verdampfers angeschlossene Gebläse 71 bewirkt den Umlauf des Vergasungsmittels. Die zugeführte Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder der Sauerstoff wird auf diese Weise mit Wasserdampf soweit angereiehert, wie es für die Vergasung des Brennstoffes erforderlich ist.
Man kann ähnlich wie beim Beispiel 1 in dieser Vorrichtung Seliwel-oder Gaswasser verdampfen und damit die Sehwierigkeiten, die mit dessen Reinigung verbunden sind, vermeiden Auch kann man den Gaskreislauf durch die Zone 53 und den Verdampfer 70 nur mit Wasserdampf betreiben, und die Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder den Sauerstoff dem untern Teil des Vergasers 52 gesondert zufiihren. Das in der Zone 53 erhitzte Vergasungsmittel bzw. der Wasserdampf strömt durch die Einsehnürung 59 in die Zone 52.
Der zur Vergasung bestimmte feinkornige oder staubformige Brennstoff befindet sieh in einem Bunker 73, aus dem er mittels einer Forderschnecke 74 in geregelter Menge der Vergasungszone unter dem dachförmigen Einbau 57 zugeführt wird. Das mit hoher Ge schwindigkeit durch die Einschnürung 59 aufwärts strömende Vergasungsmittel verhindert, dass der Staub in die untere Zone fällt. Unterhalb des daehförmigen Einbaues 57 belädt sich das Vergasungsmittel mit dem zu vergasenden Brennstoff. Es strömt dann im Gegen- strom zu dem Wärmeträger aufwärts.
Die Verbrennung und Vergasung des Brennstoffes mit dem Vergasungsmittel erfolgt innerhalb der Wärmeträgerschicht. Das Gas verlässt durch die Öffnung 82 den Schacht, tritt in einen Staubabscheider 75, aus dem der Vergasungsrüekstand, hauptsächlich Asche, abgezogen werden kann. Das Gas wird in dem.
Waschkühler 76 mit durch die Leitung 77 zugeführtem Wasser berieselt, gekühlt und gereinigt. Das Abwasser läuft über den Topf 78 ab. Die Entfernung der Staubreste erfolgt z. B. in einem Elektrofilter 79, dem hochge- spannter Strom über den Isolator 80 zugeführt wird. Das gereinigte und gekühlte Gas verlässt die Anlage bei 81 und wird gegebenenfalls nach weiterer Reinigung z. B. von Sehwefel. zur Verwendungsstelle geführt, z. B. wird es für Synthesezweeke verwendet.
Durch diese Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung gelingt es, die bei der Staubvergasung von Brennstoffen auftretende hohe Gasaustrittstemperatur von 900 bis 1200 C auf z. B. 200 bis 400 C herab- zusetzen, eine beträchtliche Ersparnis an Sauerstoff zu erzielen und den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Auch hierbei sorgt die intensive Durchwirbelung des Vergasungs- mittels und des Brennstoffes in der Wärme- trägersehieht für einen gesteigerten Stoffund Wärmeumsatz bei kurzen Reaktionszeiten, und es ergibt sich eine hohe spezifisehe Ver gastmgsleistung.
In der Zone 53 kann die Wärme auch auf andere Weise ausgenutzt werden, z. B. indem damit Kohle getroeknet wird.
Aueh kann eine Verbindung der Anwendungsformen des Verfahrens naeh Beispielen I und 2 in der Art erfolgen, dass man die zur Vergasungsreaktion benotigte Wärme teils durch Wärmezufuhr von aussen mittels des Wärmeträgers und teils mittels Verbrennung von Brennstoff durch Sauerstoff deekt.
Beispiel 3 :
Die Schwelung oder Verkokung fester Brennstoffe erfolgt durch deren Erhitzung auf tiefe, mittlere oder hohe Destillationstem peraturen unter Luftabsehluss. Die Wärmezu- fuhr kann hierbei direkt-mittels Innenheizung durch heisse Gase, bevorzugt bei stückigen, nichtbackenden Brennstoffen-oder indirekt-durch Aussenheizung in Retorten oder Kammern, bevorzugt bei feinkörnigen, baekenden Brennstoffen-erfolgen. Man kann auch Innen-und Aussenheizung gleich- zeitig anwenden.
Es ist bekannt, feste Brennstoffe, die zum Zwecke der Krafterzeugung unter Dampfkesseln verfeuert werden sollen, zuvor zu entgasen und auf diese Weise Energie-und Gaserzeugung miteinander zu verbinden. Für die reine Gaserzeugung durch Verkokung verwendet man vorzugsweise als bestgeeigneten Brennstoff backende Steinkohle, die einen solch hochwertigen Koks ergibt, dass dessen Verkaufswert zum wesentlichen Teil die Betriebskosten deekt.
Bei der eben erwähnten Kupplung von Gas-und Energieerzeugung muss man aber vorwiegend Brennstoffe verarbeiten, die meist weder für das eine noch das andere Verkokungsverfahren unmittelbar geeignet sind und nur einen minderwertigen Koks ergeben, der, damit die Wirtschaftliehkeit der Energieerzeugung nicht ungünstiger wird, an den Energie-Erzeugungsbetrieb mit dem gleichen Wärmepreis wie dem der Ausgangskohle abgegeben werden muss. Man muss aus diesem Grunde besonderen Wert auf hohe spezifische Leistungen des Verkokungsverfahrens legen.
Ftir die Verbrennung fester Brennstoffe unter dem Dampfkessel wendet man bevorzugt die Kohlenstaubfeuerung an ; hierfür müssen die Brennstoffe zerkleinert und gemahlen werden. Bei der Aufbereitung des durch vorherige Entgasung der Kohle erzeugten Kokses in gleicher Weise entstehen aber erheblieh höhere Kosten durch erhöhten Versehleiss und geringere Leistung der Mühlen.
Für die Kupplung von Gas-und Energieerzeugung bietet die Anwendung der Erfin dung besondere Vorteile. Dabei wird z. B. wie folgt verfahren :
Die Kohle wird in üblicher Weise zerklei- nert und gemahlen und der so hergestellte Kohlenstaub dadurch entgast und verkokt, dass er in einem Schacht mit einem Trägergas durch die Schicht eines hocherhitzten bewegten Wärmeträgers geleitet wird. Der Schacht besteht aus einer obern Erhitzer-und einer untern Entgaserzone. Die Erhitzung des Wärmeträgers erfolgt durch heisse Verbrennungsgase, die durch Verbrennung von Gas, Koks oder Kohlenstaub oder dergleiehen erzeugt werden.
Der Wärmeträger tritt hocherhitzt in den Entgaser ein und wandert im Schacht abwärts, während ihm das mit Koh lenstaub beladene Gas aufwärts entgegen- strömt und dabei auf so hohe Temperaturen aufgeheizt wird, dass die Kohle entgast und verkokt wird.
Durch die Menge des verwendeten Wärmeträgers und dessen Temperatur wird bei gege- benem Brennstoff die Endtemperatur der Verkokung und damit die Gasausbeute, Gas- zusammensetznng und Beschaffenheit des Kokses bestimmt. Fährt man mit hoher Ver kokungstemperatur, so kann, da zweckmässig im Gegenstrom gearbeitet wird, der entstandene Teer weitgehend gekraekt werden, so dass bevorzugt gasförmige und leichtsiedende Kohlenwasserstoffe aus ihm entstehen.
Als Träger- gas verwendet man zweekmässig einen Teil des erzeugten Entgasungsgases, den man gekühlt oder ungekühlt und mit dem staubförmigen Brennstoff beladen in die Wärmeträgerschicht einführt.
Will man zusätzliche Wassergasbildung und damit Erhöhung der Gasausbeute bei gleiehzeitiger Einregelung des Gasheizwertes erzielen, so kann man dem Trägergas Wasserdampf zusetzen, der z. B. in einer dritten Zone unter weiterer Ausnutzung der Wärme des Wärmeträgers erzeugt wird. Der Wärme- träger geht im Kreislauf durch den Ofen.
Das Verfahren ermöglieht die Verkokung von Kohlenstaub bei spezifisch hoher Leistung zur Erzeugung von Stadt-oder Ferngas, wobei der erzeugte Koksstaub zur Energieerzeugung weiter verwendet werden kann. Der Koksstaub kann z. B. unter dem Dampfkessel, in der Brennkammer einer Gasturbine verbrannt oder für sonstige Feuerungszweeke verwendet werden.
Beispielsweise wird ein Schacht 101 (Abb. 3) verwendet, der von einem gasdichten Blech- mantel 102 umgeben ist, und der im Innern ein feuerfestes Mauerwerk 103 hat. Der Schacht ist in eine Erhitzerzone 104 und eine Entgaserzone 105 unterteilt. Die beiden Zonen sind durch eine Einsehnürung 106 zur Verhinderung des Gasübertrittes von einer in die andere Zone, die z. B. durch entsprechende Druckregelung erreicht werden kann, vonein aider getrennt. Durch die Einsehnürung 107 strömt Trägergas naeh oben und verhindert ein Durchfallen des Brennstoffes nach unten.
Dachförmige Einbauten 108 bzw. 109 dienen zur Zuführung heisser Verbrennungsgase bzw. von Kohlenstaub. Der Wärmeträger wird dem Ofen aus einem gasdicht geschlossenen Bunker J 10 zugeführt. Er verlässt den Ofen durch ein Zellenrad oder eine ähnliehe Vorrichtung lll, gelangt zu einer Fördervorriehtung 112, die in diesem Falle aus einer Art Injektor besteht. Der aus dem Injektor austretende Gasstrahl fördert den Wärmeträger durch eine Leitung-113 in den Bunker 110 zurüek.
Der Erhitzer wird durch heisse Verbrenmungsgase beheizt, die z. B. in einer Brennkammer 114 durch Verbrennung von Gas, Kohlenstaub, 61 oder dergleichen erzeugt werden und durch ein Verbindungsrohr 115 und den dachförmigen Einbau 108 in den Schacht gelangen. Die Brennkammer besitzt einen Brenner, in den bei 116 der Brennstoff und bei 117 die Luft eintreten. Die heissen Verbrennungsgase erhitzen den Wärmeträger auf eine Temperatur von etwa 1000 bis 1400 C, z. B. 1200 C. Sie kühlen sich dabei ab und verlassen mit z. B. 300 bis 400 C den Erhitzer durch die offnung 118. Sie gelangen in den Staubabscheider 119 und schliesslieh in den Kamin 120, der mit einer Drosselkl. appe 121 zur Einregelung der Druekverhältnisse versehen ist.
Der hocherhitzte Wärmeträger wird durch die Einschnürung 106 in die Entgaserzone 105 geführt. Durch diese strömt das mit dem zu vergasenden Kohlenstaub be ladene Trägergas aufwärts im Gegenstrom zum Wärmeträger. Als Trägergas dient ein Teil des erzeugten Gases, welches mit dem Gebläse 122 über die Leitung 123 durch Öffnungen 124 in den Schacht gelant.
Das Trägergas strömt durch die Einschnürung 107 und wird in dem untern Teil der Entgaserzone mit dem Brennstoff, der durch den dachförmigen Einbau 109 zutritt, beladen. Das z. B. 900 C heisse Gas verlässt den Ofen durch die Öffnungen 125, von denen es durch eine Verbindungsleitung 126 zu einem Staubabscheider 127 geführt wird, dem bei 128 der entgaste Eoksstaub entnommen werden kann. Während man nicht oder leieht beckende Kohle unmittelbar in die Wärmeträgerschicht einbringen kann, kann es bei stärker backenden Kohlen notwendig werden, diese in bekannter Weise zur Verminderung ihrer Backfähigkeit vorzubehandeln. Für diese Vorbehandlung kann man die Abhitze des Gases verwenden. Dies gesehieht z.
B. in einem Behälter 131, in den die Staubkohle aus einem Bunker 1. 29 mit einer Förder- schnecke 130 durch Düsen 132 gelangt und durch den das Gas aus dem Abscheider 127 geleitet wird. Von dem Gasstrom wird der Brennstoff in einen nachfolgenden Abscheider 133 getragen, in dem er von dem Gas wieder getrennt wird. Mittels der Fördersehneeke 134 und einer Leitung 135 wird der abgesehiedene Staub aus dem Abscheider 133 unter die dachförmigen Einbauten 109 der Entgasungszone eingeführt. Das Gas strömt aus dem Abscheider 133 weiter in den Waschkühler 140, in dem es mit Wasser aus der Leitung 141 berieselt wird, während das Abwasser durch den Topf 136 abläuft.
Eine weitere Reinigung des Gases erfolgt z. B. in einem Elektrofilter 137. Durch die Leitung 138 wird das Gas der weiteren Verwendung zugeführt. Das Ge bläse 122 entnimmt aus dieser Leitung 138 einen Teil des erzeugten Entgasungsgases, um es als Trägergas in die Entgasungszone zurückzuführen.
In den drei Beispielen mit den zugehörigen Abb. 1 bis 3 sind Ofen beschrieben und sche matisch dargestellt, deren eingebaute Einrich- tungen jeweils nur in einer Einheit vorhanden sind. Werden grössere Leistungen je Ofen gefordert, so können Querschnitt und Höhe des Ofenschachtes entsprechend erhöht werden. Die Nachteile hierbei sind, dass auch die Einbauten grosse Höhen und Breiten aufweisen, die Strömungsverhältnisse ungünstig beeinflusst werden und die Staubaufgabe auf das Gas erschwert wird. Bei grossen Ofen sehächten ist es aus diesem Grunde zweek- mässig, den Schacht z. B. rechteckig zu bauen und in einzelne Zellen geeigneter Abmessungen zu unterteilen, in denen die Strömungs verhältnisse leichter beherrschbar-sind.
Legt man mehrere Zellen gleicher Bauart nebeneinander und das umschliessende Mauerwerk und den Bleehmantel nach au#en um mehrere Zellen, so entsteht hierdurch ein Mehrzellen- ofen. Die Tiefe der Zellen kann z. B. 0, 5 m, aber auch 1 bis 2 m und mehr betragen. Die Zellen selbst werden zweckmässig mit gemeinsamen Sammel-bzw. Verteileinrichtungen für die Zu-und Abführung des Gases und des Wärmeträgers ausgerüstet. Eine vorteilhafte Bauart entsteht bei Öfen grosser Leistung dadurch, dass jeweils zwei Mehrzellenöfen parallel in geeignetem Abstand voneinander angeordnet werden und so zusammen einen Doppel-Sehaehtofen bilden.
Im Raum zwisehen den Sehächten können eine gemeinsame Brennkammer und gemeinsame Sammel-und Verteileinrichtungen für das Gas, gegebenenfalls in Verbindung mit Staubbeladungs-bzw.
Entstaubungseinrichtungen, für beide Ofensehächte untergebracht werden.
Zur näheren Erläuterung dienen die Abb. 4, welche schematisch den Querschnitt durch einen einfachen Vierzellenofen darstellt, und die Abb. 5, die den Querschnitt eines Doppelschachtofens mit je vier Zellen zeigt.
151 und 201 sind gasdichte Blechmäntel, 152 und 202 die feuerfesten Ausmauerungen der Ofenschäehte 153, 203 und 204, welche in vier Zellen unterteilt sind. Die strichpunktierten Linien deuten die Abgrenzungen der einzelnen Zellen an. 154 und 205 sind die Räume für-die gemeinsamen Sammel-und Verteilkanäle für die Zu-und Abführung der Gase von und zu den einzelnen Zellen. 155, 156, 206 und 207 sind die Anschlussleitungen zu den Kanälen 154 und 205, die von und zu den nieht dargestellten Gebläsen und den angeschlossenen Apparaten führen.
Die Zu- und Abgänge der Zellen zu den Sammelräumen 154 und 205 können mit Einrichtungen, wie z. B. Drosselklappen, für die gleichmässige Verteilung der Gase auf die Zellen und in den Zellen ausgerüstet sein. Statt in einer äussern Brennkammer, in der die heissen Ver brennungsgase für die Erhitzung des umlaufenden Wärmeträgers durch Verbrennung von Brennstoffen erzeugt werden, kann die Verbrennung, vor allem bei Verbrennung von Gas oder Staub als Brennstoff, auch direkt in den einzelnen Zellen erfolgen.
Zum Einstel- len der gewiinschten Temperatur der heissen Verbrennungsgase wird zweckmässig eine ent sprechende Menge von übersehüssiger Luft oder kaltem Gas, vorteilhaft von abgekühlten rüekgeführten Verbrennungsgasen, den heissen Verbrennungsgasen in der oder nach der Brennkammer zugemiseht. Es ist möglieh, die Einführung von kälteren Gasen zum Senken der Temperatur der Verbrennungsgase vor Eintritt in die Wärmeträgersehieht ganz oder teilweise dadureh zu vermeiden, dass eine schleppende Verbrennung in der Wärmeträgerschicht vorgenommen wird.
Die sehleppende Verbrennung kann durch stufenweises Zuführen der Verbrennungsmittel oder dergleichen erreicht werden, derart, dass bereits vor der Beendigung der Verbrennung eine Abgtabe von Wärme der heissen Verbrennungs- gase an den Wärmeträger erfolgt ; die maximal mögliche Verbrennungstemperatur wird somit nieht erreicht. Bei Ofenschächten mit mehreren Zellen wird zweckmässig dafür ge- sorgt, dass jeder Zelle Wärmeträger gleicher Körnung und Menge zugeführt werden, was durch Verwendung bekannter Einrichtungen zur Aufgabe und zum Austragen des Wärmeträgers erreieht werden kann.
Vor der bekannten Fluidized -Technik hat die Staubvergasung oder Staubentgasung gemäss der Erfindung den Vorteil, dass sie im Gegenstrom mit hohem Temperaturgefälle betrieben und die Belastung des Reaktions- raumes in wesentlieh weiterenGrenzengehal- ten werden kann, als dies bei der bekannten Fluidized -Teelmik der Fall ist, da man, um den flüssigkeitsähnlichen Zustand des Brennstoffbettes zu erhalten, gezwungen ist, bei niedrigen Belastungen Gas im Kreislawt zu fahren und bei hohen Belastungen die obere Geschwindigkeitsgrenze nicht zu überschrei- ten, um ein Mitreissen des Brennstoffes zu vermeiden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist nicht auf die in den Beispielen erwähnten Arbeitsgebiete beschränkt. Es kann mit grossem Vorteil gegenüber andern bekannten Verfahren überall da angewendet werden, wo staubförmige oder feinkornige Stoffe einem thermischen Prozess zu unterwerfen sind, der mit einem Wärmeaustausch oder Stoff-und Wärmeaustausch verbunden ist. Intensive Durchwirbelung der zu behandelnden Stoffe mit dem als Forder-und gegebenenfalls auch als Reaktionsmittel verwendeten Gas in dem vom Wärmeträger erfüllten Raum bewirken einen vorzüglichen Wärme-und gegebenenfalls Stoffaustauseh. Eine für den Prozess geeignete Temperaturverteilung innerhalb des Raumes kann durch die zweckmässige Führung der mit dem Stoff beladenen Gase und des Wärmeträgers erreicht werden.
Durch geeignete Abstimmung von Korngrosse und spezifischem Gewicht des Wärmeträgers, des zu be handelnden Stoffes, der Zusammensetzung des Gases und dessen qGesehwindigkeit wird die gleichzeitige oder nachträgliche Trennung des Wärmeträgers vom behandelten Stoff er möglieht.
PATENTANSPRVCHE : I. Verfahren zur Durchführung von Prozessen, bei denen ein fester Stoff mit einem Gas in Berührung gebraeht wird, indem das Gas mit dem festen Stoff in fein verteiltem Zustand beladen wird, und bei welehem ein Austauseh von Wärme stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem fein verteilten festen Stoff beladene Gas durch einen Raum bewegt wird, durch den gleichzeitig ein Strom eines körnigen bis stüekigen, Wärme abgebenden bzw. aufnehmenden Stoffes durch- geleitet wird.
Method and device for carrying out processes in which finely divided solid substances are brought into contact with gases.
The invention relates to a method for carrying out processes in which finely divided, e.g. B. fine-grained or dusty solid substances are brought into contact with gases or vapors by loading the gases with the finely divided solid substances, and in which a heat conversion takes place. It can be, for. B. to carry out endothermic or exothermic chemical reactions between the solid substances and the gases, or a conversion between individual components of the solid substance and / or the STase can take place. These processes can take place at normal, lower or any higher temperature.
For example, the invention can be used for dust gasification, for the generation of water gas from dust-like fuels, the degassing of dust-like fuels, for the production of activated carbon, for the reduction or oxidation of metal compounds, for the drying of organic or inorganic substances, in condensations in which dusty or fine-grained solid bodies are present, in catalytic hydrogenation processes, e.g. B. the carbon dioxide hydrogenation to hydrocarbons or hydrocarbons and oxygen-containing hydrocarbon derivatives with the participation of z. B. nickel, cobalt or iron catalysts or the like, in which the catalyst is fine-grained and used in a moving state, or similar methods.
In the following, the invention is mainly explained using the example of gasification of pulverulent solid fuels. A distinction is made with this gasification: floating gasification and fluidized gasification.
Both can merge into one another, depending on the flow conditions.
The levitation and fluidized gasification are nowadays preferably carried out using oxygen as the gasification agent, a low-nitrogen, water-gas-like gas being generated in continuous operation.
Depending on the speed and the specific gravity of the gas and its loading with the fine-grained or dusty solid substance, the grain size and the specific gravity of the latter, it can be carried in cocurrent by the gas through the reaction chamber or moved in a liquid-like state how this z. B. in the gasification according to Winkler or in the fluidizedo technology is known, which is used for the catalytic cracking of oil vapors, the hydrocarbon synthesis or coal gasification.
In the case of visual gasification, in which the fuel is carried through the reaction chamber in cocurrent with the gas, the gas exiting the reaction chamber has a temperature that is essentially determined by the composition and temperature of the gasifying agent used and the reactivity of the fuel, and experience has shown is at about 750 to 1200 C. With fluidized gasification, the outlet temperatures of the gas are roughly the same.
However, while fluidized gasification also achieves good heat and material conversion in practical operation, because the turbulence achieves high relative speeds between fuel and gases and thus an intensive heat and material exchange, it has been shown that I3 these are often inadequate for suspension gasification. The relative speed between gas and fuel is only low in this case, and it is mainly the diffusion that effects the heat and mass transfer, which is, however, insufficient, so that the reaction equilibrium is far from being reached and very carbon-containing residues are produced.
With fluidized gasification, there is a strong mixture of the fuel with the ash and thus an enrichment of the fuel bed with ash, so that a high content of combustibles in both the ash removed and in the residue removed with the gas must be accepted . Both processes have the common disadvantage of a low efficiency of the carbon conversion and high gas outlet temperatures, so that a high oxygen consumption results.
Attempts have been made to eliminate the difficulties of floating gasification by the following measures:
1. Increase of the duration of the dust in the gasification chamber by gasification in the ascending gas stream in a conical reaction chamber, with separation and return of the non-gasified dust, and finally by connecting several fuel circuits in series.
2. Shortening the gasification time by increasing the relative speed between dust and gasification agent, e. B. by high injection speeds or flinging the dust by using curved paths (Gumz: Kurzes Handbuch der fuel- und Feuerungsteehnik, section dust gasification).
3. Series connection of a gasification and a combustion process, that is, the separation of the ungased dust and its combustion in a pulverized coal furnace.
In order to achieve complete burnout of the fuel with certainty, the highest reaction temperatures have finally been used through direct combustion with pure oxygen, in order then to follow the reaction with highly superheated steam (Industrial Engineering Chemistry, Vol. 40, April 1948, p. 559 ff). If a good conversion of the carbon can also be achieved here, then the oxygen consumption is higher due to the high gas outlet temperature than with the usual gasification of lumpy fuels in a stationary fuel bed. The oxygen that is used for gasification purposes, e.g.
B. after the Linde process, is generated by air separation, is an expensive gasification agent despite the advanced Teehnik, both in terms of the construction costs for the generation plants and the generation costs (energy requirements).
Since the gasification of dust offers undisputed advantages over solid, lumpy fuel, especially in the use of cheap fine-grain fuels, efforts have long been made to develop a water gas process for pulverized coal without the use of additional oxygen.
It is known (Gas-Journal of Sept.
1947, p. 617) to apply the fluidized technique and to cover the heat requirements of the reaction with excess circulated, heated fuel or coke. The intimate distribution of fuel and ash, however, also disadvantages the gasification reaction and its efficiency in this process.
It is also known that the heat demand of a process, such as the heating of gases to high temperatures or the coking of coal, can be carried out using a solid heat carrier. In the upper part of a shaft furnace, the heat transfer medium, consisting of a ceramic material, was heated to high temperatures by means of hot combustion gases and then fed into a part of the shaft furnace below, into which oils were injected for the purpose of cracking.
The technology of thermal processes is now fundamentally expanded and enriched by the method according to the invention, which is particularly suitable for the gasification or degassing of pulverulent or fine-grain fuels. The method according to the invention for carrying out processes in which a solid substance is brought into contact with a gas by loading the gas with the solid substance in a finely divided state and in which an exchange of heat takes place is characterized that the gas laden with the finely divided solid material is moved through a space through which a stream of granular to lumpy heat emits or
absorbing substance is passed through.
The granular to stüekige heat transfer medium can, for. B. made of metal or ceramic materials. It should of course be selected so that it behaves clearly differently from the finely divided substance for the purpose of simultaneous or subsequent separation of the finely divided substance in the flowing gas. Depending on the speed and the specific gravity of the gas and the behavior in the flowing gas due to the grain size and the specific weight of the finely divided substance, the gas can be in a state of suspension or in a state similar to a boiling liquid during the Heat carrier z.
B. migrates in this stream through the treatment room, or is allowed to sink in a loosened stream through the bubbling bed of the finely divided substance, whereby under certain circumstances it is hardly influenced by the gas flow. However, the movement of the heat carrier as well as that of the finely divided substance can also take place under the influence of the gas flow by z. B. Both (finely divided substance and heat transfer medium) behave differently, similar to a boiling liquid, but nevertheless in the flowing gas depending on the grain size and specific weight, so that a separation of the two is possible either in the same or in a special room.
For example, a shaped heat transfer medium made of refractory material or metal, which has a grain or piece size of z. B. 8 mm or more, about 20 mm, or a smaller grain size, in an enclosed space with hot gases.
The hot heat transfer medium is then led into a second room through which gases flow, which carry the solid, fine-grained or dusty substance to be treated. The intended thermal process for treating the solid substance supplied with the gas is carried out with the release of heat by the heat transfer medium. The cooled heat transfer medium then leaves this room and is expediently returned to the first room and kept in circulation.
Surprisingly, it has been found that, as a rule, the solid substance to be treated is very evenly distributed in the gas as it flows through the layer of heat transfer medium, and a uniform heat transfer is achieved.
Deposits of the solid matter on the heat carrier particles, which cause an obstruction to the flow, do not usually occur. In processes in which chemical reactions take place between the gases and the fine solid substances that are carried along, the metabolism of these reactions is also very uniform, and the reactions take place at high speeds.
Furthermore, it has been shown that the coarser constituents of the solid, fine substances have a significantly longer residence time between the heat carrier particles than the finer constituents. This has the advantage that the coarser grain is treated more intensively than the finer one, and z. B. remains in contact with the heat transfer medium during gasification until it is practically consumed. The finely divided solid material can be treated further after it has been separated from the heat transfer medium in the form of a fluidized bed.
Instead of heating the mixture of gases and solid fine substances to be treated by the heat transfer medium, cooling can also be carried out, for example in such a way that the heat transfer medium enters the treatment room in a cooled state, absorbs heat therein, is discharged and, after being cooled again, returns to the treatment room .
The movement of the heat carrier through the treatment room can, for. B. happen in the vertical or horizontal direction. The gas laden with fine solid substances can be passed through the heat carrier flow in cocurrent or countercurrent or cross-flow, with a relative movement between the heat carrier and gas being advantageously maintained in the case of cocurrent movement.
The heating of the heat carrier can be carried out according to the method according to the inven tion, for. B. in such a way that fuel dust and combustion air directly through the to be heated, z. B. downwardly moving heat transfer layers are passed through, in such a way that the combustion takes place in the layers. The spaces for heating or cooling the heat transfer medium and for the passage of gases and solid fine substances through the heat transfer medium can be arranged one above the other or side by side as desired.
If usable heat or cold is still available in the heat transfer medium after the treatment has been carried out, this can be made usable in a third room for other processes, in particular for those that are carried out in connection with the process in question, e.g. B. for the heating or cooling of gases involved in the process, the generation of water vapor, excess steam or the like.
The method can be carried out under any pressure, e.g. B. also at high pressure of 20 atmospheres and more, which is useful, among other things, if the course of an intended chemical reaction is favored by the pressure. A hot gas under pressure can be used, for. B. then relax under force generation to atmospheric pressure. The reaction vessel, e.g. B. a shaft, and the conveyor devices for the circulation of the granular to lumpy material must of course be adapted to the high pressure.
In this case, the shaft and the conveying devices are expediently accommodated in separate pressure-tight housings which are connected to one another in a pressure-tight manner. In special cases it can be advantageous to accommodate the shaft and the conveying devices in a common pressure-resistant housing.
The invention is explained in more detail using a few exemplary embodiments. Devices which are suitable for carrying out the embodiments described in the examples are shown schematically in the drawing. Fig. 1 shows a device in vertical section for the production of water gas or for the production of a similar gas using a gasifying agent. In Fig. 2 an apparatus for producing a similar gas is shown in the same way, using a gasifying agent to which oxygen is added. The device according to Fig. 3 is suitable for the degassing of fuels.
Example 1 :
The device (Fig. 1), which is used here for the continuous generation of water gas from fine-grained or dusty fuels, consists of a vertical rectangular shaft 1, which is divided into a heater zone 2, a gasifier zone 3 and an evaporator zone 4. The shaft is enclosed in a gastight manner by an outer sheet metal jacket 5 and lined with fire-resistant masonry 6 on the inside. The shaft is constricted between the heating zone and the gasifier zone. This constriction 7, in conjunction with a corresponding pressure regulation in the sight, has the purpose of largely preventing the passage of gases from one zone into the other.
Another recess 8 in the lower part of the shaft separates the gasifier zone 3 from the evaporator zone 4. Daeh-shaped fixtures 9, 10 and 11 are located within the shaft 1. They are used to introduce combustion gases, coal dust and steam. The ceramic material used as a heat transfer medium is used in the most uniform possible grain or piece size of z. B. 8, 12 or 25 mm are used. It is the bunker 12 located at the upper end of the vertical shaft with a temperature of z. B. 300 to 500 C abandoned.
By burning gaseous, liquid or dusty fuels, it is heated to temperatures of z. B. 1200 to 1300 C. The combustion and heating can also take place in stages, e.g. B. to avoid undesired temperature peaks. In the following zone 3, the heat carrier gives off the absorbed heat or part of it to the gas and the gasifying fuel.
After the gasification process has been carried out and, if necessary, a heat release in zone 4, the heat transfer medium is at the lower end of this zone, e.g. B. by a cellular wheel 13, withdrawn again and passed to a Beeherwerk 14, which it to the bunker 1:? returned.
The heater 2 is connected to the combustion chamber 15 by means of a line which opens under the daeliform installation 9, in which the hot combustion gases required for heating the heat carrier are generated. The combustion air is introduced into the burner at 16; at 17 the fuel enters. The hot gases that z. B. with a temperature of 1300 C from the combustion chamber into the roof-shaped installation 9, flow upward against the sinking heat transfer medium in the shaft and heat it so that it exits the heater or enters the constricted point 7 the desired temperature of z. B. 1200 C. The heating gas cools down to a temperature that is slightly above the inlet temperature of the heat transfer medium, e.g.
B. at 300 to 400 ° C. It leaves the heater through the openings 18, is led through a line to the dust separator 19 and from there into the chimney 20, in which a built-in throttle valve 21 is used to regulate the pressure in the upper part of the shaft so that practically no combustion gases through the bunker 12 flow. In order to prevent gases from flowing over from one zone to the other, the pressure at both ends of the constriction 7 is set to the same level. You can support this barrier by z. B. introduces sealing steam or sealing gas into the constriction 7 through a line 22.
Water vapor flows from the evaporator zone 4 through the constriction 8 into the gasifier zone 3. In this the pulverulent or fine-grained fuel to be gasified, e.g. B. lignite or hard coal dust, guided below the roof-shaped installation 10 ni-. The constriction 8 is dimensioned in such a way that a steam speed is obtained therein which prevents dust from falling from the roof-shaped installation 10 into the evaporator zone. Below the roof-shaped installation 10, the water vapor is mixed with the discharged coal dust, which is expediently used with grain sizes of 0 to 1 mm.
The steam flows to the heat carrier with an initial temperature of z. B. 400 to 600 C upwards. Here, the steam laden with coal dust is heated until the gasification of the fuel with steam begins at temperatures above about 700 C. The heat required for the endothermic reaction is supplied from the highly heated heat carrier. As a result of the intensive turbulence, an excellent heat and material exchange and thus practically complete gasification of the fuel is achieved.
The generated gas leaves the vertical shaft at the upper end of the gasifier zone through the openings 23 and then flows to a dust separator 24, from which the gasification residue is discharged dry at 25. The temperature of the gas at this point is z. B. 800 to 1000 C.
The tar released from the fuel is largely cracked and converted into gaseous or low-boiling hydrocarbons. The gas generated has about the composition of the known water gas, z. B. about 50 / o hydrogen and 40% Koh lenoxyd. Its composition depends in the individual case on the chosen gasification conditions and the type of fuel processed. For example, by maintaining low gasification temperatures, a hydrogen-free gas can be generated.
Cracked coke that can form is also more or less largely converted into gas with the water vapor. It depends on the course of the gasification reaction, in particular the nature of the fuel stotfes, which amounts of the heat transfer medium are required and at which temperature the heat transfer medium emerges from the bottom of the gasification zone. The hot gas flowing out of the gasification zone is after passing through the dust separator 24 z. B. in a waste heat boiler 26 on z. B. 200 C cooled.
The dissipated heat is z. B. used to generate high pressure steam that flows off at 40 and z. B. can be used to drive the required blower and machines or dergleiehen. The gas then flows to the washing cooler 27, to which water is fed through a pipe 28. This water is used both for cooling and for washing the gas for the purpose of further dust separation.
The sewage runs z. B. through a final pot 29 to a sump. The final cleaning of dust from the gas is carried out by a disintegrator or, as shown in the figure, by an electrostatic precipitator 30 to which the high-voltage current is fed at 31, or similar inclination devices. The purified water gas finally leaves the system at 32. The fuel to be gasified is z. B. from a randomly arranged bunker through the line 33 to the roof-shaped installation 10 supplied.
When it emerges from the gasifier zone 3, the heat carrier still has a temperature of around 500 to 600 C. The heat it contains can now be used to generate the water vapor for the gasification.
For this purpose, a water vapor cycle is obtained through zone 4 arranged in the lower part of the eye in such a way that the water vapor passes through the heat transfer medium to z. B. 500 C is superheated and then in an evaporator 36. into which it reaches through an outlet opening 35, is sprinkled with water. The water evaporates in the superheated steam, whereby the temperature of the water vapor z. B. is lowered to 150 to 200 C '.
The water to be injected is fed in through a line 37 and the C fan 38 connected to the lower part of the evaporator 36 maintains the steam cycle through the line 34 through which the water vapor enters the roof-shaped installation 11 and further into zone 4. This type of water evaporation offers the advantage that # it is extremely insensitive to contamination.
They can therefore be used with particular advantage to evaporate the smoldering and gas water that is produced during the gasification process, and in this way make it usable again for the gasification process. The evaporator 36 can also serve to preheat the gasification agent and the carrier gas. In this scale. as steam is newly formed in the evaporator 36, it flows through the constriction 8 upwards into the gasification zone 3. The material used as a heat transfer medium leaves at a temperature of z. B.
300 to 3500 C the furnace. The cellular wheel 13 it enables a gas-tight seal. The amount of heat carrier conveyed through the furnace is e.g. B. regulated by the speed of the rotary feeder 13. It is also possible to achieve the gas-tight seal and the regulation of the amount of heat transfer medium discharged by two devices that are operated independently of one another. The discharged heat transfer medium can be fed via a sieve section 39, which is used to screen the entrained dust and fine material, to the processing plant 14, which returns the heat transfer medium to the top of the furnace.
The heat of the heat transfer medium that can be used after the gasification can also be used for other purposes, e.g. B. for pre-drying the fuel, for example when processing highly water-containing lignite, are used. This makes it possible to use the water content of the fuel directly for its gasification. The return of the heat transfer medium can instead of through the Vorriehtung 14 z. B. be done pneumatically.
As a result of the penetration of the shaft in connection with the maintenance of a very low pressure difference on both sides of the constrictions, it can be made possible that practically no gas flow occurs through the constrictions, unless you, for. B. as here between the third and second zone, an upward steam flow through the constriction is intended.
The warmth of the z. B. 800 to 1000 C exiting gases from the gasification zone can after separation of the dusty residue of the gasification from the gases z. B. can also be used for the drying of coal, the treatment of coal for the purpose of eliminating their backing ability or the generation of steam to meet the energy requirements of the process or the like. In the same way one can gasify the fuel with any kind of reactive gas.
You can also z. B. methane-containing residual gases from hydrogenation or Fischer-Tropsch synthesis for the purpose of methane cleavage in the gasification zone. Liquid hydrocarbons, optionally in the vaporized state, can also be introduced into the gasification zone at the top with the hot heat transfer medium or at the bottom with the dust-laden gas, which z. B. brought to high temperatures and thus split or gasified to carbon oxide and hydrogen or can be cracked at medium temperatures and thus carburize the water gas produced by the formation of gaseous hydrocarbons and increase its calorific value.
The device described is suitable for continuously generating water gas from dusty or fine-grain fuels.
It can be operated with a high specific power, since it works with high gas velocities and a correspondingly good swirling of gas and fuel, which bring about an excellent exchange of substances and heat. Instead of the shaft shown in Fig. 1 with a rectangular cross section, a shaft with a round cross section can also be used.
The performance of such a device is high compared to that of a periodically operated water gas generator, because the continuous operation saves the time required for the usual water gas process, which is necessary for hot-blowing the fuel bed and amounts to up to 40 / o of the total operating time. An output of about 12,000 Nm3 water gas / h can be achieved by a gas generator of the type described with 3.6 m #.
Example 2:
When gasifying lumpy, solid fuels in a stationary fuel bed with an oxygen-containing gasifying agent, the composition of the latter is chosen so that the heat generated from the reaction of the fuel with the supplied oxygen is sufficient to cover the heat requirements for the reaction of the water vapor with the carbon. Since the fuel and gasification agent move in countercurrent, the fuel is preheated to the reaction temperature by the hot gas flowing out of the reaction sone and good heat utilization is achieved. As already mentioned, this is not the case with the known dust gasification.
Rather, the fuel is carried by the gas in constant flow, and the gas flows off at the final reaction temperature or higher if the oxygen addition is increased with the intention of achieving complete burnout of the fuel.
By using the method according to the invention, it is now possible to operate the dust gasification under conditions similar to those of the solid, lumpy fuel. If the gasifying agent loaded with the su gasified fuel in dust form is introduced into a heated heat carrier layer located in a shaft, it is first heated up in the shaft until the ignition temperature is reached and the fuel is burned and gasified.
If the stone material used as the heat transfer medium were at rest, the gas outlet temperature, as is known in floating gasification, would be around 900 to 1200 C. But if you move the heat transfer medium by pulling it off at the lower end of the shaft and z. B. gives up again in the same amount, heat is withdrawn from the gas generated, which is absorbed by the heat carrier, which carries this heat into the underlying zones.
The heat transfer medium is expediently fed through the shaft in such an amount that the outlet temperature of the gas is reduced until it is slightly above the dew point of the gas. This removes heat from the gas flowing out of the reaction zone and feeds it with the heat carrier into the reaction zone or uses it further to heat the gasification agent or to generate steam or the like. The heat transfer medium is expediently only kept so large that the heat losses in the heat transfer medium discharged do not have an unfavorable effect on the efficiency of the gasification process.
To the extent that heat is withdrawn from the gas produced and fed back into the reaction zone or the gasifying agent, the consumption of oxygen, i.e. the heat generated by the oxidation, can be reduced.
For example, a shaft 51 (FIG. 2) is used for this embodiment, which is surrounded by a gas-tight lead jacket 54 and lined with fire-resistant masonry 55 on the inside. The shaft is in the upper gasification zone 52 and the lower, the heating of the gasification agent. and zone 53 serving for steam generation.
Roof-shaped fixtures 56 relieve the heat carrier filling inside the shaft, as does a roof-shaped fixture 57, which is used to introduce the fuel to be gasified. Furthermore, in the zone 53 there is a daeh-shaped installation 58 which is used to introduce the circulating water vapor or gasification agent. The gasifier zone 52 is separated from the zone 53 by a recess 59. At the upper end of the shaft is the feed hopper 60 and at the lower end the cellular wheel 61, by means of which the heat transfer medium is discharged from the shaft via a chute 63 to a bucket elevator 62.
The chute 63 can be equipped with a screening section to remove any fine material. The heat transfer medium conveyed by the processing plant 62 can be returned to the bunker 60 via a slide 64. In this way, the circuit of the heat carrier is closed. The same heat transfer medium as in example 1 can be used. The air used for gasification, air enriched with oxygen or the oxygen is sucked in through a line 65 by means of a fan 66 and, after being mixed with water vapor, fed through a line 67 to the roof-shaped installation 58 in the lower part of the evaporator zone 53.
The heat transfer medium entering the evaporator 53 at a suitably high temperature from the gasification zone through the constriction 59 heats the gasification agent.
If you pull part of the heated. Gasifying agent in the circuit through the openings 68 and a line 69 to an evaporator 70, in which it is sprinkled with water from a line 72, so the superheated gasifying agent absorbs water vapor. I) the fan 71 connected to the lower end of the evaporator causes the gasification agent to circulate. The supplied air, oxygen-enriched air or oxygen is enriched with water vapor to the extent necessary for the gasification of the fuel.
Similar to Example 1, Seliwel or gas water can be evaporated in this device and thus the problems associated with its cleaning can be avoided. The gas circuit through zone 53 and evaporator 70 can only be operated with water vapor, and the air, Feed oxygen-enriched air or the oxygen to the lower part of the gasifier 52 separately. The gasification agent or the water vapor heated in zone 53 flows through opening 59 into zone 52.
The fine-grained or pulverulent fuel intended for gasification is located in a bunker 73, from which it is fed in a regulated amount to the gasification zone under the roof-shaped installation 57 by means of a conveyor screw 74. The gasifying agent flowing upward through the constriction 59 at high speed prevents the dust from falling into the lower zone. Below the roof-shaped installation 57, the gasification agent is loaded with the fuel to be gasified. It then flows upwards in countercurrent to the heat transfer medium.
The combustion and gasification of the fuel with the gasification agent takes place within the heat transfer layer. The gas leaves the shaft through the opening 82, enters a dust separator 75, from which the gasification residue, mainly ash, can be drawn off. The gas is in that.
Wash cooler 76 sprinkled with water supplied through line 77, cooled and cleaned. The waste water runs off through the pot 78. The dust residues are removed e.g. B. in an electrostatic precipitator 79, to which high-voltage current is fed via the insulator 80. The cleaned and cooled gas leaves the system at 81 and, if necessary, after further cleaning z. B. of Sehwefel. led to the point of use, z. B. it is used for synthesis purposes.
This embodiment of the method according to the invention makes it possible to reduce the high gas outlet temperature of 900 to 1200 C occurring in the dust gasification of fuels to z. B. 200 to 400 C lower to achieve a considerable saving in oxygen and to increase the thermal efficiency. Here, too, the intensive swirling of the gasification agent and the fuel in the heat carrier ensures an increased material and heat conversion with short reaction times, and a high specific gasification output results.
In zone 53, the heat can also be used in other ways, e.g. B. by using it to dry coal.
The application forms of the method according to Examples I and 2 can also be combined in such a way that the heat required for the gasification reaction is deekt partly by supplying heat from the outside by means of the heat carrier and partly by means of burning fuel by means of oxygen.
Example 3:
The smoldering or coking of solid fuels takes place by heating them to low, medium or high distillation temperatures with the absence of air. The heat can be supplied directly, by means of internal heating using hot gases, preferably in the case of lumpy, non-baking fuels, or indirectly, by means of external heating in retorts or chambers, preferably in the case of fine-grain, baking fuels. You can also use indoor and outdoor heating at the same time.
It is known to degas solid fuels which are to be burned under steam boilers for the purpose of generating power and in this way to combine energy and gas generation. For pure gas production by coking, the most suitable fuel is preferably baked coal, which produces such high quality coke that its sales value largely deekts the operating costs.
In the above-mentioned coupling of gas and energy generation, however, one has to primarily process fuels that are usually neither directly suitable for one nor the other coking process and only result in inferior coke, which, so that the economic viability of energy generation does not become less favorable, is sent to Energy generation company with the same heat price as that of the starting coal must be delivered. For this reason, special emphasis must be placed on the high specific performance of the coking process.
For the combustion of solid fuels under the steam boiler, it is preferable to use pulverized coal firing; for this the fuels have to be crushed and ground. When processing the coke produced by prior degassing of the coal in the same way, however, considerably higher costs arise due to increased wear and tear and lower performance of the mills.
The application of the invention offers particular advantages for the coupling of gas and energy generation. It is z. B. proceed as follows:
The coal is comminuted and ground in the usual way and the coal dust produced in this way is degassed and coked by passing it in a shaft with a carrier gas through the layer of a highly heated moving heat transfer medium. The shaft consists of an upper heating zone and a lower degassing zone. The heat transfer medium is heated by hot combustion gases that are generated by burning gas, coke or coal dust or similar.
The heat transfer medium enters the deaerator at a high temperature and moves down the shaft, while the gas laden with coal dust flows upwards and is heated to such high temperatures that the coal is deaerated and coked.
With the given fuel, the amount of heat transfer medium used and its temperature determine the final coking temperature and thus the gas yield, gas composition and nature of the coke. If the coking temperature is high, then, since it is advisable to work in countercurrent, the tar that has formed can be largely cracked, so that preferably gaseous and low-boiling hydrocarbons are formed from it.
A part of the degassing gas produced is used as the carrier gas, which is cooled or uncooled and charged with the pulverized fuel and introduced into the heat carrier layer.
If you want to achieve additional water gas formation and thus increase the gas yield with simultaneous adjustment of the gas calorific value, you can add water vapor to the carrier gas, the z. B. is generated in a third zone with further utilization of the heat of the heat carrier. The heat carrier circulates through the furnace.
The method enables the coking of coal dust at a specifically high output for the production of town or long-distance gas, with the coke dust produced being able to continue to be used for energy production. The coke dust can, for. B. burned under the steam boiler in the combustion chamber of a gas turbine or used for other combustion purposes.
For example, a shaft 101 (FIG. 3) is used which is surrounded by a gas-tight sheet metal jacket 102 and which has a fire-proof masonry 103 inside. The shaft is divided into a heating zone 104 and a degassing zone 105. The two zones are surrounded by a penetration 106 to prevent the passage of gas from one zone to the other. B. can be achieved by appropriate pressure control, vonein aider separately. Carrier gas flows through the recess 107 close to the top and prevents the fuel from falling through downwards.
Roof-shaped internals 108 and 109 serve to supply hot combustion gases or coal dust. The heat transfer medium is fed to the furnace from a gas-tight closed hopper J 10. It leaves the furnace through a cellular wheel or a similar device III, arrives at a conveyor device 112, which in this case consists of a type of injector. The gas jet emerging from the injector conveys the heat carrier back into the bunker 110 through a line 113.
The heater is heated by hot combustion gases, the z. B. are generated in a combustion chamber 114 by burning gas, coal dust, 61 or the like and pass through a connecting pipe 115 and the roof-shaped installation 108 in the shaft. The combustion chamber has a burner into which the fuel enters at 116 and the air at 117. The hot combustion gases heat the heat carrier to a temperature of about 1000 to 1400 C, e.g. B. 1200 C. You cool down and leave with z. B. 300 to 400 C the heater through the opening 118. You get into the dust collector 119 and finally in the chimney 120, which is equipped with a throttle valve. appe 121 is provided to regulate the pressure ratios.
The highly heated heat transfer medium is guided through the constriction 106 into the degassing zone 105. The carrier gas loaded with the pulverized coal to be gasified flows through this upward in countercurrent to the heat carrier. A portion of the gas produced serves as the carrier gas, which is conveyed with the fan 122 via the line 123 through openings 124 into the shaft.
The carrier gas flows through the constriction 107 and is loaded in the lower part of the degassing zone with the fuel that enters through the roof-shaped installation 109. The Z. B. 900 C hot gas leaves the furnace through the openings 125, from which it is led through a connecting line 126 to a dust separator 127, from which at 128 the degassed coke dust can be removed. While it is not possible to introduce basin charcoal directly into the heat transfer layer, or it may be necessary to pretreat it in a known manner in order to reduce its ability to be baked. The waste heat from the gas can be used for this pretreatment. This is seen e.g.
B. in a container 131, into which the pulverized coal from a bunker 1. 29 with a screw conveyor 130 passes through nozzles 132 and through which the gas from the separator 127 is passed. The fuel is carried by the gas flow into a subsequent separator 133, in which it is again separated from the gas. The separated dust is introduced from the separator 133 under the roof-shaped fixtures 109 of the degassing zone by means of the conveyor tendon 134 and a line 135. The gas flows further from the separator 133 into the washing cooler 140, in which it is sprinkled with water from the line 141, while the waste water runs off through the pot 136.
A further purification of the gas takes place, for. B. in an electrostatic precipitator 137. The gas is fed to further use through line 138. The Ge blower 122 removes part of the degassing gas generated from this line 138 in order to return it as a carrier gas to the degassing zone.
In the three examples with the associated figs. 1 to 3, ovens are described and shown schematically, the built-in devices of which are only available in one unit. If higher outputs are required for each furnace, the cross-section and height of the furnace shaft can be increased accordingly. The disadvantages here are that the internals also have great heights and widths, the flow conditions are adversely affected and the application of dust to the gas is made more difficult. In the case of large furnace shafts it is therefore two-fold to open the shaft e.g. B. to build rectangular and subdivided into individual cells of suitable dimensions in which the flow conditions are easier to control.
If you put several cells of the same type next to one another and the surrounding masonry and the lead jacket on the outside around several cells, this creates a multi-cell oven. The depth of the cells can e.g. B. 0.5 m, but also 1 to 2 m and more. The cells themselves are expediently with common collecting or. Equipped distribution devices for the supply and discharge of the gas and the heat transfer medium. In the case of high-performance ovens, an advantageous design is that two multi-cell ovens are arranged in parallel at a suitable distance from one another and thus together form a double-vision oven.
In the space between the viewing shafts, a common combustion chamber and common collection and distribution devices for the gas, possibly in connection with dust loading or
Dust extraction devices for both furnace shafts.
Fig. 4, which schematically shows the cross-section through a simple four-cell furnace, and Fig. 5, which shows the cross-section of a double-shaft furnace with four cells each, serve for a more detailed explanation.
151 and 201 are gas-tight sheet metal jackets, 152 and 202 are the refractory lining of the furnace shafts 153, 203 and 204, which are divided into four cells. The dash-dotted lines indicate the boundaries of the individual cells. 154 and 205 are the spaces for the common collection and distribution channels for the supply and discharge of the gases from and to the individual cells. 155, 156, 206 and 207 are the connection lines to the ducts 154 and 205, which lead from and to the blowers not shown and the connected apparatus.
The inlets and outlets of the cells to the collecting spaces 154 and 205 can be connected to devices such as B. Throttle valves, be equipped for the even distribution of gases on the cells and in the cells. Instead of being generated in an external combustion chamber in which the hot combustion gases for heating the circulating heat transfer medium are generated by burning fuels, combustion can also take place directly in the individual cells, especially when gas or dust is burned as fuel.
To set the desired temperature of the hot combustion gases, an appropriate amount of excess air or cold gas, advantageously cooled returned combustion gases, is added to the hot combustion gases in or after the combustion chamber. It is possible to completely or partially avoid the introduction of colder gases to lower the temperature of the combustion gases before they enter the heat transfer medium because slow combustion takes place in the heat transfer layer.
The slow combustion can be achieved by gradually supplying the combustion agent or the like, in such a way that heat from the hot combustion gases is given off to the heat carrier before the end of the combustion; the maximum possible combustion temperature is therefore not reached. In the case of furnace shafts with several cells, it is expedient to ensure that each cell is supplied with heat carriers of the same grain size and quantity, which can be achieved by using known devices for feeding and discharging the heat carrier.
Before the known fluidized technology, dust gasification or dust degassing according to the invention has the advantage that it is operated in countercurrent with a high temperature gradient and the load on the reaction space can be kept within substantially wider limits than is the case with the known fluidized technology is because, in order to maintain the liquid-like state of the fuel bed, one is forced to run gas in a circle at low loads and not to exceed the upper speed limit at high loads in order to avoid the fuel being carried away.
The method according to the invention is not restricted to the fields of work mentioned in the examples. It can be used with great advantage over other known methods wherever dust-like or fine-grained substances are to be subjected to a thermal process which is associated with an exchange of heat or an exchange of substances and heat. Intensive swirling of the substances to be treated with the gas used as a carrier and optionally also as a reactant in the space filled by the heat transfer medium results in an excellent exchange of heat and, if necessary, substance exchange. A temperature distribution within the room that is suitable for the process can be achieved through the appropriate guidance of the gases loaded with the substance and the heat transfer medium.
The simultaneous or subsequent separation of the heat carrier from the treated substance is made possible by suitable coordination of the grain size and the specific weight of the heat transfer medium, the substance to be treated, the composition of the gas and its q speed.
PATENT CLAIM: I. A method for carrying out processes in which a solid substance is brought into contact with a gas by loading the gas with the solid substance in a finely divided state, and in which an exchange of heat takes place, characterized in that the gas loaded with the finely divided solid material is moved through a space through which a stream of granular to lumpy, heat-emitting or absorbing material is passed at the same time.