DD280975A1

DD280975A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung und reinigung von mit schlacke bzw. staub beladenen druckvergasungsgasen

Info

Publication number: DD280975A1
Application number: DD32712889A
Authority: DD
Inventors: Manfred Schingnitz; Hans-Peter Minak; Anton Althapp; Helmut Peise; Rolf Tehsmer; Heinz Mann; Mathias Streicher; Rainer Bolcek; Friedrich Berger
Original assignee: Freiberg Brennstoffinst
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1990-07-25
Also published as: CN1023130C; AT404468B; ATA21990A; CS275922B6; AU5246990A; CN1045990A; CS9000682A2; DD280975B3; RU1829952C; DE4001739A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Gasen, insbesondere zur gleichzeitigen Kuehlung und Entstaubung sowie der Wasserdampfpartialdruckerhoehung von Gasen, die bei der Druckvergasung von staubfoermigen Brennstoffen entstehen. Das Ziel ist durch eine geeignete Vorrichtung die effektive Reinigung zu sichern. Die Aufgabe besteht darin, die Kuehlung, Entstaubung und Erhoehung des Wasserdampfpartialdruckes unter erhoehtem Druck, vorzugsweise zwischen 0,5 MPa und 7,0 MPa stehenden Gasen mit hoher Temperatur vorzugsweise zwischen 700C und 2 000C mittels Spruehquenchung vorzuschlagen. Erfindungsgemaess wird das heisse, staubbeladene Druckvergasungsgas als Freistrahl gequencht. Das aus Duesenkranzen austretende Kuehlwasser wird so in unterschiedlichen Niveaus auf das Druckvergasungsgas gerichtet, dass der Spruehkegel des Wassers eine ausgepraegte radiale Komponente zum allseitig bespruehten Gasstrahl besitzt und zwangsweise senkrecht nach unten im Quencher gefuehrt wird. Weiterhin wird die zugefuehrte Wassermenge so dimensioniert, dass sowohl eine Wasserdampfsaettigung erreicht als auch die Verunreinigungen gebunden werden. Wahlweise umhuellt eine parallel zum Gasstrahl verdueste nach unten gerichtete zusaetzliche Kuehlfluessigkeit das Druckvergasungsgas allseitig. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Gasen, insbesondere zur gleichzeitigen Kühlung und Entstaubung sowie der Wasserdampfpartialdruckerhöhung von Gasen, die bei der Druckvergasung von staubförmigen Brennstoffen entstehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter Druck entstehen staubhaltige Gasgemische hoher Temperatur. Wird die Staubvergasung als Flammenreaktion bei Temperaturen durchgeführt, die über dem Schmelzpunkt der Brennstoffasche liegen, so ist es vorteilhaft, das heiße Gas zusammen mit der flüssigen Asche (Schlacke) abzuführen, wonach unter Hinzufügen eines Kühlmediums eine Abkühlung des Gases unter gleichzeitiger Verfestigung der Schlacke (Granulierung), vorgenommen wird. Vorzugsweise wird Wasser als Kühlmedium verwendet. Diese direkte Kühlung des Gases bewirkt gleichzeitig eine Teilverdampfung von Wesser, wodurch der Wasserdampfgehalt im gekühlten Gas erhöht wird.

Es ist bekannt, daß für die Kühlung und/oder Teilentstaubung von Gasen Wascher eingesetzt werden, bei denen das zu kühlende Gas insbesondere im Gegenstrom mit Wasser berieselt oder bedüst wird. Durch Einbauten oder Leiteinrichtungen wird die Kontaktoberfläche vergrößert. Für diesen Zweck sind auch Wirbelwascher sowie Rotationswascher mit rotierenden Einbauten bekannt. Bei hohen Systemdrucken werden jedoch bewegte Teile vorzugsweise vermieden. Auch Venturiwäscher werden zur Kühlung und Teilentstaubung -jedoch für nur niedrige Drücke - eingesetzt.

Die Anwendung dieser Verfahren ist jedoch mit Nachteilen behaftet (beschränkt für relativ niedrige Drücke und Temperaturen und geringe Verfügbarkeit), so daß weitere Lösungen vorgeschlagen werden, die im Prinzip in zwei Gruppen eingestellt werden können.

Die erste Gruppe von Lösungen benutzt ein innenseitig mit einem Wasserfilm gekühltes Rohr, das ^;n ein Wasserbad eintaucht (Tauchrohrprinzip) und damit das Gas kühlt und durch den Kontakt mit der wäßrigen Phase teilweist! entstaubt (DD-WP 145860; EP-O 127878; DE-OS 3151483). Dieses Kühlprinzip wird u.a. ergänzt durch weitere zusätzliche Kühlstufen in Form von z.B. einer Wasserverdüsung am Ende des Tauchrohres und nach dem Durchströmen der Wassertauchung über dem Wasserniveau (EP-O 127878) und/oder durch konstruktive Maßnahmen am Tauchrohrende bzw. an der Gasführung durch das Wasserbad hindurch (DD-WP 145860). Ein Nachteil dieses Prinzips ist der unabhängig von der Leistung des Reaktors hohe spezifische Wasserverbrauch, da das Tauchrohr ständig innen r.nit einem Wasserfilm zu kühlen ist. Der wesentlichste Nachteil jedoch ist die ständig bestehende reale Möglichkeit einer thermisenen Überbeanspruchung des Tauchrohres, die dadurch besteht, daß es

ungeachtet eines ständig aufgegebenen Wasserfilms zu Anbackungen an der hnenseite des Tauchrohres kommt und den heißen Gasstrahl auf die gegenüberliegende Seite des Tauchrohres ablenkt. Kleinste Thermoschockrisse führen schnell zur fortschreitenden Zferstörung des Tauchrohres und damit zur thermischen Überbeanspruchung der dem Quencher nachgeschalteten Anlagenteile.

Die zweite Gruppe von Lösungen vermeidet eine so weitgehende Vernichtung der in den Vergasungsgasen enthaltenen fühlbaren Energie durch einan dem Reaktor nachgeschalteten Abhitzekessel. Zur Vermeidung von Anbackungen von zunächst flüssigen Schlacketropfen an tion Wandungen des Wärmetauscher wird vor dem Wärmetauscher Wasser in der Menge zugedüst, daß nur die Erstarrungstemperp.lur der Schlacke unterschritten wird und der restliche Wärmeinhalt der Vergasungsgase genutzt wird (DE-OS 2556370; DE-OS 2650512; DE-OS 3201526).

Die vorgesehenen Wege und Mittel nach DE-OS 2556370 lassen sofort die Gefahr erkennen, daß die dort beschriebenen Rohrleitungen für die Kühlmittelzufuhr in die Mittelachse des Synthesegasstromes sowohl einer extremen thermischen Belastung durch den direkten Kontakt mit den ungekühlten Vergasungsgasen ausgesetzt sind, die zur Zerstörung derselben führt, als auch durch die Anbackungen der an dieser Stelle noch flüssigen Schlacketeilchen an den Kühlmittelführenden Zuführungen die Verdüsungsvorrichtung unwirksam bzw. eingeschränkt wird, was wiederum zu Anbackungen in dein sich anschließendem Raum führt.

Die Gefahr von Anbackungen besteht auch in der in DE-OS 2650512 vorgeschlagenen Lösung, da die Art der Kühlung keine einheitliche Kühlung des heißen und damit zähen Gasstrahls im dem Reaktor nachgeschalteten Apparat gestattet. Anbackungen und Versetzungen an den gekühlten Teilen bis einschließlich Wärmetauscher sind die Folge.

Die in DE-OS 3201526 geforderte geringe Gasgeschwindigkeit von < 0,1 m/s in der 1. Quenchstufe führt wegen der weit größeren Gasgeschwindigkeit am Reaktoraustritt zu starker Rezirkulation bzw. Verwirbelung. Unter Beachtung der Schwierigkeit bei der Kühlung von zähen, heißen Gasen besteht auch hier die Gefahr von Anbackungen, da die erforderlichen Randbedingungen bei den allgemein bekannten Berechnungen für den Wärmeübergang nicht realisiert sind. Die geringe Verfügbarkeit der hier angeführten Verfahren und Einrichtungen wird zum entscheidenden Nachteil, auch bei denen, die den prinzipiell sinnvollen Gedanken einer besseren Nutzung des fühlbaren Enthalpiegehalts der Vergasungsgase zum Inhalt haben.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effektiven Kühlung, Teilentstaubung und Erhöhung des Wasserdampfpartialdruckes von heißen, staubhaltigen Druckgasen, die bei der Vergasung staubförmiger Brennstoffe in der Flugwolke entstehen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung, Entstaubung und Erhöhung des Wasserdampfpartialdruckes von staubhaltigen, unter höherem Druck vorzugsweise zwischen 0,5 und 7,0 MPa stehenden Gasen mit hoher Temperatur vorzugsweise zwischen 700°C und 2000⁰C mittels Sprühquenchung vorzuschlagen.

- Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe folgendermaßen gelöst:

Das zu kühlende und zu reinigende Gas strömt aus dem Vergasungsunterteil gemeinsam mit den flüssigen Schlacketeilchen als Freistrahl in einen Druckapparat (Quencher) von etwa gleicher oder qrößerer Durchmesserabmessung wie der Reaktor. Im Unterteil des Quenchers befindet sich ein Wasserbad, in dem die Schlacketeilchen abgeschieden werden. Während die Schlacke bekanntermaßen diskontinuierlich ausgeschleust werden kann, wird das Überschußwasser in der Form abgezogen, daß ein bestimmtes Flüssigkeitsniveau stets gehalten wird. Unmittelbar unterhalb der Gasaustrittsöffnung des Reaktors ist im Scha. ien des Freistrahls ein Düsenkranz angeordnet, wodurch Düsenverschmutzungen vermieden werden. Die Sprühdüsen ihrersaits sind ro installiert, daß sie den aus dem Reaktor austre'onden heißen Gasstrahl rechtwinklig beaufschlagen, d. h. Freistrdhlachse und Achsen der Sprühkegel stehen rechtwinklig bzw. annähernd rechtwinklig zueinander. Es ist erforderlich, daß bei z. B. vertikalem Freistrahl der Sprühkegel der Düsen eine wesentliche horizontale Komponente aufweist, vorzugsweise eine Winkel zwischen 0 und 30 Grad zur Waagerechten. Die Zahl der radial angeordneten Düsen ist so zu wählen, daß die Mantelfläche des Freistrahls vollständig mit dem Spray der Düsen überdeckt wird. Anders angeordnete Düsen ergeben nicht den günstigen Kühleffekt. Untersuchungen zeigen im wesentliche, daß mit paralleler Komponente des Sprays zum Gasstrahl sich ungünstigere Verhältnisse hinsichtlich Kühleffekt ergeben. So erweist sich, daß bei parallele' Eindüsung des Kühlmediums die Vermischung mit dem heißen und damit zähen Gasstrahl wesentlich erschwert .st, so daß längere Zeiten für die Kühlung und damit größere Apparateabmessungen erforderlich sind.

Nur bei im wesentlichen waagerechtem Eindüsen von Kühlflüssigkeit gegen einen senkrechten heißen Gasstrahl ergeben die bekannten und üblichen Wärmeübergangsberechnungen reale Zeiten für den erwünschten Wärmeaustausch. Die Düsen sind entsprechend dem Sprühkegel weiterhin so anzuordnen, daß die Untei kante des Übergangsstückes Reaktor- Quencher nicht direkt mit Tropfen des Kühlmediums beaufschlagt werden, bzw. alternativmäßig diese Unterkante durch ein wassergekühltes Rohrstück geschützt wird. Die Wassermenge ist so zu bemessen, daß nicht die gesamte Wassermenge verdampft, sondern die verbindenden Tropfen die Staubteilchen binden und in das Wasserbad überführen. Das Wasserbad ist nach unten als Konus ausgeführt, wodurch Ablagerungen des Schlackegranulats und des abgeschiedenen Staubes verhindert werden. Die Kühlung des Gases durch die bemessene Quenchwassermenge kann dadurch intensiviert werden, daß anstelle eines Düsenkranzes zwei bzw. mehrere Düsenkränze übereinander angeordnet werden. Der Effekt, der dadurch entsteht, besteht darin, daß die Tröpfchen der unteren Düsenkränze durch die bereits erzielte Kühlung de ί obersten Düsenkranzes tiefer in den Gasstrahl einzudringen vermögen und dadurch eine noch bessere Vermischung von Gas und Spray auftritt. Der Entstaubungseffekt der Sprühquenchung kann weiterhin dadurch wesentlich erhöht werden, daß im Oberteil des Quenchers im Rezirkulatiünsgebiet des Gases ein weiterer äußerer Düsenkranz installiert wird, der gezielt senkrecht nach unten weitere Kühlflüssigkeit versprüht mit Tropfen größerer Abmessungen, die durch entsprechende Düsenparameter erreicht werden können. Mit dieser Vorrichtung können weitere Entstaubungsaggroga'? wesentlich entlastet bzw. ersetzt werden. Die

Gasabführung aus dem Quenchaggregat ist so zu gestalten, daß die senkrechte Abwärtsströ.nung des Gases möglichst ungestört die Kühlung und Entstaubung gewährleistet und daß keine Kurzschlußströmung zwischen Gaseintritt und Giisaustritt entstehen kann.

Dieses wird durch eine schräg verlaufende Einschnürung der Gasführung als Einbauteil erreicht, dessen tiefste Stelle sich etwa in Höhe Unterkante des Gasabganges befindet und über dem höchsten Stand des Wasseniveaus liegt. Das hier beschriebene Verfahren weist den Vorzug einer Anpassungsfähigkeit des Quenchwasserbedarfs bei Lastwechsel und damit Wassereinsparung gegenüber den Tauchvarianten auf.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden, wozu Figur 1 herangezogen wird. Das heiße staubhaltige Vergasungsgas gelangt vom Druckreaktor! 1) durch das Übergangsstück (2) in den als Druckgefäß ausgebildeten Quencher (3). Unmittelbar danach wird das Gas durch das Versprühen von Wasser mittels übereinander angeordneterDüsenkränze (5; 6) gekühlt. Die intensive Kühlung wird durch den senkrecht auf die Gasstrahlachse gerichteten Sprühkegel der Düsen (4) bewirkt. Die Düsen sind so installiert, daß der Sprühkegel nicht die Unterkante des Übergangsstückes (2) erreicht. Das Gas strömt weiter nach unten auf die Oberfläche des Wasserbades (14). Dort erfolgt die Richtungsänderung der Gasbewegung und das Gas verläßt durch den Gasabgangsstutzen (9), der sich über dem Wasserniveau befindet, den Quencher. Durch eine Einschnürung der Gasströmung unmittelbar in Höhe des Gasabgangsstutzens (9) durch ein Einbauteil als schräggestalteten Kegelschnitt (12) wird das Gas zwangsweise senkrecht nach unten geführt und eine asymmetrische Kurzschlußströmung zum Abgang wird verhindert. Die Staubentfernung aus dem Gas wird durch Besprühen aus einem weiteren Düsenkranz (7) mit nach unten gerichtetem Sprühkegel relativ großer Tropfengröße der Düsen (8) verstärkt, so daß das Gas nach Umlenkung am schrägen Kegelschnitt (12) weitestgehend entstaubt ist.

Das Staub-Wasser-Gemisch sammelt sich im Wasserbad (14), wobei die festen Bestandteile am Stutzen (10) diskontinuierlich ausgeschleust werden und das Wasser über ein ins Wasserbad reichendes Rohr über den Stutzen (13) abgezogen wird. Zum Schutz der Unterkante des heißen Übergangsstückes (2) vor direkter Tropfenbeaufschlagung durch den oberen Düsenkranz (5) wird ein z. B. wassergekühltes kurzes Rohrstück (15) angebracht, da der Sprüh^ijgel der Düsen (4) bei Laständerung sich ändern kann.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Druckvergasungsgasen, insbesondere zur Kühlung, Entstaubung und Wasserdampfsättigung von Gasen unter Druck, vorzugsweise zwischen 0,5 und 7,0MPa und hoher Temperatur, die vorzugsweise zwischen 700⁰C und 2000⁰C liegt, mittels Sprühquenchung, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße, staubbeladene Druckvergasungsgas als Freistrahl derart gequencht wird, daß Kühlwasser in unterschiedlichen Niveaus so ai¹' las Druckvergasungsgas gerichtet wird, daß der Sprühkegel des Wassers eine ausgeprägte raoiale Komponente zum allseitig besprühten Gasstrahl besitzt und zwangsweise senkrecht nach unten im Quencher geführt wird, daß die zugeführte Wassermenge so dimensioniert ist, daß sowohl eine Wasserdampfsättigung erreicht wird als auch die Verunreinigungen gebunden werden, und daß wahlweise eine parallel zum Gasstrahl verdüste, nach unten gerichtete zusätzliche Kühlflüssigkeit das Druckvergasungsgas allseitig umhüllt.

2. Vorrichtung zur Kühlung und Reinigung von mit Schlacke bzw. Staub beladenen Druckvergasungsgasen, bestehend aus einem Quencher, Sprüheinrichtungen, Wasserbad und Abgangleitungen für Medien, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Druckreaktor (1) und Quencher (3) ein durch ein gekühltes Rohrstück (15) geschütztes Übergangsstück (2) angeordnet ist, daß übereinander angeordnete Düsenkränze (5; 6) mit zueinander versetzten Düsen (4), die unterhalb des Übergangsstückes (15) liegen, ringförmig den Freistrahl des Druckvergasungsgases umschließen und wahlweise ein weiterer Düsenkranz (7) mit nach in Strömungsrichtung des Druckvergasungsgases gerichteten Düsen (8) im Bereich des Rezirkulationsraumes des Freistrahles umhüllend angeordnet ist, daß im Bereich des Gasabgangsstutzens (9) durch einen schräg geschnittenen Kegelschnitt (12) die Gasströmung eingeschnürt ist und sich unterhalb des Gasabgangsstutzens (9) das Wasserbad (14) befindet.