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Verfahren und Einrichtung zur Ausnutzung der fühlbaren Wärme von durch
Vergasen feinzerteilter Brennstoffe in der Schwebe erzeugten Gasen zur Dampferzeugung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vergasung feinzerteilter Brennstoffe
in der Schwebe mit Sauerstoff und endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, insbesondere
Wasserdampf oder einem Geinisch von Wasserdampf und Kohlendioxyd. Im besonderen
betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ausnutzung der fühlbaren
Wärme, die in den Nutzgasen einer solchen Vergasung enthalten ist, zur Dampferzeugung.
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Die Schwebevergasung von feinzerteilten Brennstoffen, worunter hier
gleichermaßen staubförmige feste Brennstoffe, wie z. B. Steinkohle, Braunkohle,
Lignit, Torf, Koks od. dgl., als auch flüssige oder bei geringer Temperaturerhöhung
flüssig werdende Brennstoffe, wie Kohlenwasserstofföle, Teere, Destillationsrückstände,
Pech od. dgl., verstanden sind, mit Sauerstoff und Wasserdampf ist bekannt und hat
in der jüngsten Zeit in großtechnischen Anlagen praktische Verwirklichung gefunden.
Der zu vergasende Brennstoff wird dabei zunächst mit dem Sauerstoff oder einem Gemisch
von Sauerstoff und Wasserdampf möglichst homogen vermischt, wonach das Gemisch durch
eine vorzugsweise wassergekühlte Düse in einen auf hoher Temperatur befindlichen
Reaktionsraum derart eingeblasen wird, daß die Zündung des Geinisches erst nach
Eintritt desselben in den Reaktionsraum einsetzt. Wegen. der homogenen Vermischung
tritt eine äußerst intensive und vollständige Reaktion zwischen dem Kohlenstoff
und dem Sauerstoff ein, wobei der Sauerstoff vollständig unter Bildung von vorzugsweise
Kohlenoxyd verbraucht wird, während gleichzeitig der nicht oxydierte Kohlenstoffanteil
des Brennstoffes auf eine so 'hohe Temperatur erhitzt wird, daß dieser Brennstoffanteil
mit dem Wasserdampf und der Kohlensäure unter Bildung von weiterem Kohlenoxyd und
Wasserstoff reagiert. Die Vergasungsrückstände, die je nach der Art des eingesetzten
Brennstoffes neben unverbrennlich.en Bestandteilen noch nicht vergasten Kohlenstoff
enthalten, werden zu einem kleinen Teil als flüssige Schlacke aus der Vergasungseinrichtung
abgezogen. Der größere Teil der Vergasungsrückstände bleibt jedoch in mehr oder
weniger fein verteilter Form in der Schwebe und wird mit dem Nutzgas aus der Vergasungseinrichtung
herausgeführt.
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Der besondere Charakter der vorstehend beschriebenen Schwebevergasung,
die auch als Gleichstromvergasung bezeichnet werden kann, bringt es mit sich, daß
das Nutzgas beim Verlassen der Vergasungseinrichtung eine erhebliche Temperatur
hat, deren Höhe in erster Linie von der Reaktionsfähigkeit des eingesetzten Brennstoffes
abhängt. Bei sehr reaktionsfähigen festen Brennstoffen, wie etwa Torfstaub oder
Braunkohlenstaub, kann man mit Nutzgastemperaturen am Ausgang der Vergasungseinrichtung
von etwa 1000 bis 1200° rechnen. Bei schwer reaktionsfähigen festen Brennstoffen,
wie beispielsweise sehr gasarmer Steinkohle oder Koksstaub, können die Nutzgastemperaturen
am Ausgang der Vergasungseinrichtung bis zu 1500° ansteigen. Es liegt auf der Hand,
daß die Ausnutzung der im Nutzgas enthaltenen fühlbaren Wärme, die letzten Endes
unter Verbrauch von wertvollem Sauerstoff erzeugt worden ist, für Zwecke der Dampf-
oder Energieerzeugung von wesentlicher Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit derartiger
Staubvergasungsverfahren ist.
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Die Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Nutzgases, für die es zahlreiche
Vorschläge gibt, durch Abkühlen desselben von seiner Anfangstemperatur auf eine
Endtemperatur von etwa 400° in einem der Vergasungseinrichtung unmittelbar nachgeschalteten
Wasserrohrkessel zwecks Erzeugung von Hochdruckdampf hat sich als technisch nicht
durchführbar erwiesen, obwohl ähnlich hohe Temperaturen in den üblichen mit Staubfeuerung
arbeitenden Dampfkesselanlagen an sich beherrscht werden können. Die Gründe für
dieses andersartige Verhalten des Nutzgases von Schwebevergasungsanlagen liegen
sowohl in der chemischen Natur des erzeugten Nutzgases als auch in dem wesentlich
anderen Verhalten der im Nutzgas schwebenden Brennstoffasche begründet. Es konnte
beobachtet
werden, daß Wasserrohrkessel, falls man diese unmittelbar an die Vergasungseinrichtung
anschloß, nach kurzer Zeit durch Bildung von harten und schlecht wärmeleitenden
Ablagerungen auf den Rohrwandungen unbrauchbar wurden.
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Man hat deshalb schon vorgeschlagen, der Vergasungseinrichtung zunächst
unmittelbar einen Strahlungskessel nachzuschalten, der im wesentlichen aus einem
zylindrischen Doppelmantel besteht, in welchem die Temperatur des Nutzgases infolge
Abstrahlung von Wärme zunächst auf etwa 1000 bis 1200' gesenkt wird, und an diesen
Strahlungskessel einen Röhrenkessel, vorzugsweise einen Rauchrohrkessel, anzuschließen,
in welchem die Temperatur des Nutzgases weiter auf etwa 400' gesenkt wird. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß auch diese Aufteilung der Abkühlung des Nutzgases in zwei
Stufen nicht frei von unter Umständen beträchtlichen Betriebsschwierigkeiten ist.
Insbesondere hat sich die hohe Eingangstemperatur am Röhrenkessel als auf die Dauer
untragbar erwiesen, weil sich bei dieser Eingangstemperatur, etwa 1000 bis 1200°,
Ascheablagerungen bilden, die noch unv ergasten Kohlenstoff enthalten und deren
Bildung durch den klebrigen Zustand der Asche in diesem Temperaturbereich begründet
ist. Bei der Nachv ergasung des in den Ascheablagerungen enthaltenen Kohlenstoffes
fritten die Ascheteilchen vielfach zu einer harten Kruste zusammen.
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Die Erfindung folgt nun dem Leitgedanken. zwischen den Strahlungskessel
und den Röhrenkessel bzw. dessen oberen, horizontalen Rohrboden eine weitere Abkühlungszone
einzuschalten, die das aus dem Strahlungskessel austretende Nutzgas vor Eintritt
desselben in den Röhrenkessel so abkühlt, daß in dem nachgeschalteten Röhrenkessel
betriebliche Störungen der vorgenannten Art vermieden «-erden. E-genügt zu diesem
Zweck, wie der Erfinder gefunden hat, jedoch nicht, den Verbindungsweg zwischen
dein Strahlungskessel und dein Röhrenkessel einfach als wassergekühltes Rohr auszubilden,
durch welches das Gas mit im wesentlichen gleichförmiger Geschwilidigkeit strömt,
da auf diese Weise eine ausreichende Temperatursenkung bei tragbaren Abmessungen
nicht zu erreichen ist. Die Anbringung von Kühlrohreil oder Siederohren innerhalb
des Verbindungswege. zwischen Strahlungskessel und Röhrenkessel scheidet wegen der
an diesem Rohr auftretenden Ablagerungen aus.
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Es wurde inin gefunden, daß man eine von Betriebsstörungen freie Ausnutzung
der fühlbaren Wärme des Nutzgases von Schwebevergasungen dann erreichen kann, wenn
man das Nutzgas bei seinem Übergang von dem Strahlungskessel zum Röhrenkessel einer
starken Durchwirbelung und einer ein-oder mehrfachen Verdichtung und Entspannung
bzw. Änderung der Strömungsgeschwindigkeit unter gleichzeitiger Abkühlung unterwirft.
Die Gründe dafür liegen unter anderem in folgendem: Durch die starke Durchwirbelung
des finit Brennstoffrückständen beladenen Gases auf dein `reg zwischen Strahlungskessel
und Röhrenkessel wird zunächst einmal infolge der starken Relativbewegung zwischen
dem im Gas enfhaltenen Wasserdampf und den festen Schwebeteilchen noch eine gewisse
Nachvergasung des Brennstoffanteils der Vergasungsrückstände erreicht. Diese Nachvergasung
ist mit einer unter Umständen beträchtlichen Temperatursenkung des Gases und insbesondere
auch der Vergasungsrückstände verbunden, so daß letztere ihr: klebrigen Eigenschaften
bereits vor Erreichen des Röhrenkessels verlieren, sich an besonders dafür vor gesehenen
Stellen ablagern und so nicht mehr imstande sind, feste Ansätze im Röhrenkessel
zu bilden. Die gleichzeitig mit der Durchwirbelung erfolgende ein- oder mehrfache
Verdichtung und Entspannung des Gases, die gleichbedeutend ist mit einer entsprechenden
Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, bewirkt ein starkes Auswandern der festen
Schwebeteilchen des Gases zu den Wänden dieser zwischengeschalteten Kühleinrichtung
hin, ohne daß jedoch diese Schwebeteilchen noch die Fähigkeit besitzen, sich an
die Wände unter Bildung von festen Ablagerungen anzusetzen. Vielmehr lagern sich
die Schwebeteilchen unter dem Einfluß der Schwerkraft an bestimmten Stellen ab,
von denen sie dann aus der Einrichtung entfernt werden können.
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Schließlich hat die mehrfache Änderung der Strömungsgeschwindigkeit
und die starke Durch wirbelurig des Nutzgases auch eine wesentliche Verbesserung
des Wärmeübergangs zur Folge. Alle diese Faktoren wirken in dein Sinne zusammen.
daß das Gas auf seinem Weg vorn Strahlungskessel zum Röhrenkessel nicht nur auf
eine für den Röhrenkessel zuträgliche Temperatur, etwa 700°, abgekühlt wird. sondern
daß ein großer Teil der nunmehr nicht mehr nachfrittenden Schwebeteilchen bereits
vor Erreichen des Röhrenkessels aus dem Gas abgeschieden und so ein vergleichsweise
einfaches Entfernen diese Schwebeteilchen aus der Einrichtung ermöglicht wird. Die
dort herrschende Temperatur liegt unter der Reaktionstemperatur des Wasserdampfes
und vermag also keine weitere Veränderung der Ascheteilcheil mehr auszulösen.
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Die Einrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens
wird vorzugsweise in der Form ausgebildet, daß der Ausgang des Strahlungskessel>
und der Eingang des Röhrenkessels durch einen ini wesentlichen waagerechten, niit
einem als Danipferzeugei- ausgebildeten Doppelmantel verselielien rohrartigen Kanal
miteinander verbunden sind, in welchem von unten her ein oder mehrere trichterförmige
Gasumlenkungskörper hineinragen. die gleichzeitig als Staubsammel- und -abzugsgefäße
ausgebildet sind.
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Weitere konstruktive Einzelheiten der erfindungsgemäßen Einrichtung
ergeben sich aus der Beschreibung der "Zeichnung, die einen Schnitt durch eine schematisch
dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung wiedergibt.
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Die Vergasung des Brennstoffes findet in dein Vergasungsrauin 1 statt,
dessen Einzelheiten in vorliegendem Zusammenhang ohne Interesse sind und von dein
deshalb nur der Teil t der Wandung dargestellt ist, der der Gasabzugsöffnung 3 unmittelbar
benachbart ist. Die Gasabzugsöffnung wird gebildet durch einer: wassergekühlten
Doppelmantel 4, der vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet ist, daß sich die
eigelitliche Vergasungseinrichtung unabhängig von dein die Gasabzugsöffnun g umgebenden
Mantel 4 bewegen kann. Unmittelbar an den Gasabzug 3 schließt sich der Strahlungskessels
an, welcher ini wesentlichen aus einem senkrecht stehenden, geraden zylindrischen
Rohr besteht, das als Doppelmantel 6 ausgebildet ist und in welchem Wasserdampf
von mäßigem Druckerzeugt wird. Der in dein Strahlungskessel erzeugte Wasserdampf
wird aus dein Dampfsaininelgefäß 7 durch die Nutzdanipfleitung 8 abgezogen. Innerhalb
des Strahlungskessels, den <las Nutzgas rin wesentlichen ohne Wirbelbildung -durchströmt,
wird die Temperatur des -Nutzgases auf einen Wert voll etwa
1100°
gesenkt. Mit dieser Temperatur tritt das Nutzgas in einen rohrartigen Kanal 9 ein.
Der rohrartige Kanal 9 besteht aus zwei Teilstücken 10 und 11, die achsgleich angeordnet
und durch eine ringförmige Dichtung 12 gasdicht miteinander verbunden sind. Die
Wandung des rohrartigen Kanals 9 ist als Doppelmantel 13 ausgebildet und dient ebenfalls
zur Erzeugung von Niederdruckdampf, insbesondere des Dampfes, der bei der Vergasung
des Brennstoffes unmittelbar benötigt wird. Der in dem Doppelmantel des Kanals 9
erzeugte Dampf wird in dem Dampfsammler 14 gesammelt und durch die Nutzdampfleitung
15 abgezogen. Von unten her sind in den rohrartigen Kanal 9 trichterförmige Umlenkkörper
16 und 17 eingeführt, die an ihren unteren Enden Auslässe 18 und 19 für den Abzug
des sich in den Trichtern ansammelnden Staubes od. dgl. aufweisen. Der Strömungsquerschnitt
des rohrartigen Kanals 9 wird durch die Uinlenkkörper im Zuge des Gasweges mehrfach
verengt und wieder erweitert, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases entsprechenden
Änderungen unterworfen ist. An den in den rohrartigen Kanal hineinragenden Kanten
der Trichter entstehen gleichzeitig starke Gaswirbel. Das Endergebnis ist eine intensive
Kühlung des Gases und ein störungsfreies Abscheiden wesentlicher Feststoffanteile,
die praktisch völlig ausreagiert sind, aus dem Gas.
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Am Ende des Kanals 9, das nicht als Doppelmantel ausgeführt ist, ist
innerhalb des Gasweges ein Dampfüberhitzer 20 vorgesehen, der eine weitere Abkühlung
des Gases bewirkt, ehe es in den Röhrenkessel 21 eintritt. Der Röhrenkessel ist
als Rauchrohrkessel ausgebildet und erzeugt Hochdruckdampf, der beispielsweise für
die Herstellung elektrischer Energie benutzt werden kann. Diese elektrische Energie
wird ihrerseits für die Erzeugung des bei der Vergasung benötigten Sauerstoffes
verwandt. Die Ausführung des Röhrenkesse121 als Rauchrohrkessel ist insofern vorteilhafter
als die Ausbildung als Wasserrohrkessel, als man durch eine entsprechende Bemessung
der Querschnitte der Rohre eine solche Gasgeschwindigkeit innerhalb der Rohre erreichen
kann, daß diese frei von empfindlichen Staubanhaftungen bleiben. Der im Röhrenkessel
21 erzeugte Hochdruckdampf wird au" dem Dampfsammler 22 durch die Nutzdampfleitung
23 abgezogen. Das Gas verläßt den Röhrenkessel mit einer Temperatur von etwa 380
bis 400° durch die Abzugsleitung 24.
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Der rohrartige Kanal 9 ist an seinen beiden Eiiden unmittelbar auf
den Strahlungskessel lrzw. den Röhrenkessel aufgestützt. 1?ine weitere Abstützung
des Kanals 9 erfolgt in der Weise, daß Stützbalken 25 vorgesehen sind, die ihrerseits
mit ihren Enden auf dem Strahlungskessel bei 26 bzw. auf dein Röhrenkessel bei 27
beweglich aufliegen und auf die der Kanal 9 bei 28 und 29 seinerseits aufgestützt
ist.