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Es sind Verfahren zur Vergasung von Brennstoffen bekannt, bei denen
Vergasungsmittel und Brennstoffe in ein flüssiges Schlackenbad eingeführt werden.
Das Schlackenbad dient hierbei als Filterflüssigkeit. Sie soll die Brennstoffrückstände
(Asche) in sich aufnehmen, so daß die erzeugten Gase möglichst frei von festen Bestandteilen
aus dem Vergasungsraum abziehen. Bei diesem Verfahren erfüllt das Schlackenbad nur
dann seinen Zweck, wenn der Brennstoff genügend lange in der flüssigen Schlacke
verweilt, so daß er unter Zurücklassung des Unverbrennlichen vollständig vergasen
kann. Dies setzt im Vergleich zum Brennstoffdurchsatz ein sehr voluminöses Schlackenbad
voraus.
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Ein anderes Verfahren bekannter Art führt ebenfalls die Vergasung
oder Verbrennung von Brennstoffen in einem Schlackenbad durch, das jedoch durch
die Strömungsenergie der eingeführten Vergasungs- oder Verbrennungsmittel sowie
gegebenenfalls auch der Brennstoffe in eine turbulent um einen zentral angeordneten
Schlackenüberlauf rotierende Bewegung (Schlackenwirbelsenke) versetzt wird. Die
Düsen für die Einführung der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel sowie der Brennstoffe
in das Schlakkenbad sind gleichmäßig verteilt und tangential oder nahezu tangential
zum Umfang angeordnet. Bei diesem Verfahren vergast oder verbrennt ein betrachtetes
Brennstoffkorn auf einem langen engspiralförmigen Weg um den Schlackenüberlauf herum,
wobei sein unverbrennlicher Rückstand in die Schlacke eingebunden und verflüssigt
wird, bevor er das Schlackenbad durch den Überlauf verläßt.
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Es wurde nun gefunden, daß ein Brennstoffkorn von der flüssigen Schlacke
im allgemeinen nicht aufgenommen wird, wenn es flüchtige Bestandteile enthält. Offenbar
hindern die bei der Erhitzung durch die Schlacke entweichenden Dämpfe und Gase so
lange seinen innigen Kontakt mit der Schlacke, bis sämtliche flüchtigen Bestandteile
ausgetrieben sind. Das in das flüssige Schlackenbad eingeführte Brennstoffkorn versucht
daher zunächst mit den flüchtigen Bestandteilen aus dem Schlackenbad zu entweichen.
Nur ein Brennstoffkorn mit einer mittleren Ausdehnung von weniger als 0,5 mm entgast
in der hocherhitzten flüssigen Schlacke während eines kleinen Bruchteils von einer
Sekunde, d. h. in so kurzer Zeit, daß ein solches Korn von der Schlacke festgehalten
wird, ehe es aus dem Bad entweichen kann. Die Entgasungszeit nimmt etwa mit dem
Quadrat der Korngröße zu, weshalb ein größeres Brennstoffkorn aus dem Schlackenbad
entflieht, bevor es restlos entgast ist.
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Im allgemeinen sind die Kosten der Aufbereitung von festen Brennstoffen
verhältnismäßig gering, wenn dieselbe auf eine Korngrößenverteilung abzielt, die
in den Grenzen von 0 bis etwa 3 mm liegt. Bei flüssigen Brennstoffen, insbesondere
Schwerölen, Rückstands- oder Abfallölen, die vielfach einen merklichen Aschengehalt
aufweisen, ist eine feine Zerstäubung nicht oder nur unter hohem Aufwand durchführbar.
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Die vorliegende Erfindung setzt sich nunmehr das Ziel, alle festen
oder flüssigen Brennstoffe, insbesondere minderwertige und ballastreiche, bei geringsten
Aufbereitungskosten in einem Schlackenbad mit höchstem Wirkungsgrad zu vergasen
oder zu verbrennen, wobei dem besonderen Verhalten des Brennstoffes in der flüssigen
Schlacke weitgehend Rechnung getragen werden muß.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung oder Verbrennung
von Brennstoffen in einem Schlackenbad, das durch die Strömungsenergie der gleichmäßig
über den Umfang verteilt eingeführten Vergasungs- oder Verbrennungsmittel sowie
der Brennstoffe in eine turbulent umlaufende Bewegung versetzt und durch einen in
seinem Zentrum angebrachten Überlauf auf konstanter Höhe gehalten wird. Sie ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen für die Einführung der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel
und der Brennstoffe gleichsinnig tangential auf einen konzentrischen in Höhe der
Oberfläche des Schlackenbades gedachten Kreis gerichtet sind, dessen Umfang kleiner
oder gleich dem halben Umfang des flüssigen Schlackenbades ist. Die besondere Wirkung
dieser Düsenanordnung ist darin zu erblicken, daß durch die Einführung des Brennstoffes
und der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel in das mittlere Feld des Schlackenbades
die feinen Anteile des Brennstoffes innerhalb der Schlacke entgasen oder kracken
und auf engspiraligem Weg nach Art einer Wirbelsenke vergasen oder verbrennen unter
Verflüssigung seiner unverbrennlichen Rückstände, während seine groben Anteile nicht
vollständig entgast oder gekrackt aus dem Schlackenbad entweichen und im Fliehkraftfeld
oberhalb des Schlackenbadspiegels zusammen mit aufgewirbelten Schlackentröpfchen
an die Wand geschleudert und hierbei vollständig entgast werden. Sie laufen dann
mit der ausgeschleuderten Schlacke von der Wand in das Schlackenbad zurück und rotieren
mit diesem auf spiralförmiger Bahn zum zentralen Schlackenüberlauf hin. Auf diesem
Wege vollzieht sich ihre Vergasung oder Verbrennung und die Verflüssigung ihrer
unverbrennlichen Rückstände. Durch die erfindungsgemäße Düsenanordnung, die der
überraschenden Selektivwirkung der flüssigen Schlacke auf das Brennstoffkorn Rechnung
trägt, wird eine günstige Verteilung des Brennstoffes im Schlackenbad entsprechend
den von der Korngröße abhängenden Reaktionszeiten erzielt. Hieraus folgt eine Leistungssteigerung
der Vorrichtung auf etwa das Doppelte der bekannten. Es hat sich ferner gezeigt,
daß der Umsatz der sich bei der Entgasung des Brennstoffes bildenden Kohlenwasserstoffe
zu Kohlenmonoxyd und Wasserstoff praktisch vollkommen erfolgt und organische Schwefelverbindungen
viel weitgehender in anorganische übergeführt werden als bei den bekannten Verfahren.
Bei gleichem Brennstoff konnte der Gehalt des Gases an organischem Schwefel auf
die Hälfte vermindert werden.
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Der Brennstoff kann in bekannter Weise gemeinsam mit oder getrennt
von den Vergasungs- oder Verbrennungsmitteln in das Schlackenbad eingeführt werden.
Die Förderung fester Brennstoffe erfolgt hierbei vorteilhaft pneumatisch mit einem
Trägergas, das eines der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel sein kann.
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Zur Verstärkung des Fliehkraftfeldes oberhalb des Schlackenbades kann
dort tangential zum Umfang des Reaktionsgefäßes oder zu einem konzentrischen Kreis
desselben ein Teil der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel mit hoher Geschwindigkeit
im gleichen Drehsinn des Schlackenbades sekundär eingeführt werden. Die Düsen hierfür
werden zweckmäßig am Umfang des Reaktionsgefäßes oberhalb des
Schlackenbades
vorzugsweise gleichmäßig verteilt so angeordnet, daß ihre Richtung tangential zum
Umfang oder zu einem konzentrischen Kreis desselben oberhalb und im gleichen Drehsinn
des Schlackenbades verläuft.
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Bei der Vergasung von Brennstoffen führt man sekundär vorzugsweise
endotherm reagierende Vergasungsmittel ein. Die sich hierdurch ergebende höhere
Konzentration an exotherm reagierenden primär in das Schlackenbad eingeführten Vergasungsmitteln
bewirkt eine hohe Schlackenbadtemperatur, durch die der Ablauf der Vergasung beschleunigt
und die Viskosität der Schlacke erniedrigt wird.
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Das Fliehkraftfeld oberhalb des Schlackenbades kann noch weiter verstärkt
werden, indem man erfindungsgemäß das Reaktionsgefäß in Richtung der Gasabführung
konzentrisch verengt. Das Gas zieht dann durch die Verengung nach Art einer Gaswirbelsenke
unter verstärktem Drall ab, wobei noch vorhandene feine Schlackentröpfchen ausgeschleudert
werden und dann entlang der Wand in das Schlackenbad zurücklaufen.
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Bei der Vergasung oder Verbrennung von Brennstoffen im Schlackenbad
werden anorganische Bestandteile (Asche) als flüssige Schlacke durch den überlauf
abgeführt. Ihre Temperatur liegt weit über dem Schmelzpunkt. Es hat sich indessen
gezeigt, daß Aschen von Brennstoffen mitunter geringe Mengen von solchen Bestandteilen,
im allgemeinen Alkalien, enthalten, die bereits unterhalb dieser Temperatur sublimieren,
ehe sie in die Schlacke unter Bildung von Komplexverbindungen eingebunden werden.
Die Dämpfe dieser Stoffe ziehen mit den Gasen ab und schlagen sich an kühlen Wänden
und Heizflächen nieder, wo sie feste Ansätze bilden, die sich während des Betriebes
nur sehr schwierig entfernen lassen.
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Es wurde nun gefunden, daß solche Ansätze vermieden werden können,
wenn man die Gase vor ihrer Berührung mit einer Wand oder Heizfläche so weit abkühlt,
daß die Sublimate im Gas sich wieder verfestigen. Das feinverteilte Sublimat strömt
dann mit dem Gas durch die Abhitzeverwertung und setzt sich nicht an Wänden und
Heizflächen fest. Im Bereich von Strömungsschatten kann es lediglich auf horizontalen
Flächen in Form von losem Staub liegen bleiben, von wo es mit bekannten Blasvorrichtungen
während des Betriebes einfach zu entfernen ist. Die Sublimation der mit den Gasen
mitgeführten Aschenbestandteile findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich
statt, der etwa zwischen 900 und 1100° C liegt.
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Die Kühlung der Gase kann dadurch erreicht werden, daß erfindungsgemäß
gleichmäßig über den Umfang des Reaktionsgefäßes verteilte und oberhalb der Einführungen
der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel angeordnete Düsen zur Einführung oder Rückführung
von Gasen niedriger Temperatur vorgesehen sind. Als Kühlmittel ist jedes passende
Gas, auch Wasserdampf, geeignet, das eine Temperatur zwischen etwa 0 und 350° C
aufweist. Im allgemeinen wird man jedoch das in der Vorrichtung gemäß der Erfindung
selbst erzeugte Gas benutzen, das nach seiner Abhitzeverwertung zum Teil zurückgeführt
wird. Hierbei ist es vorteilhaft, das nicht oder nicht vollständig entstaubte Gas
zu benutzen, da dessen staubförmige Anteile als Kristallisationskerne wirken.
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Erfindungsgemäß werden die Düsen für die Einführung der Kühlgase tangential
oder nahezu taneential zum Umfan- des Reaktionsgefäßes gestellt, uni die heißen
aufsteigenden Gase daran zu hindern, die Wand zu berühren. ehe sie ausreichend gekühlt
sind. Die Mischung der Gase erfolgt besonders wirksam. wenn die Düsen erfindungsgemäß
entgegengesetzt dem Drall der im Reaktionsgefäß aufsteigenden Gase gerichtet sind.
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Bei der Einführung- von kalten und/oder staubfreien Gasen kann man
diesen erfindungsgemäß zur Beschleunigung der Auskristallisation der anorganischen
Dämpfe Staub aus der Entstaubungseinrichtung oder andere geeignete staubförmige
Stoffe zumischen oder direkt in das Reaktionsgefäß einführen.
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An einem Ausführungsbeispiel wird der Gegenstand der Erfindunz näher
erläutert.
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F i g. 1 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt nach Linie l-K der F i g.
2, F i g. 2 im Horizontalschnitt nach Linie A-B-C-D, F i g. 3 im Horizontalschnitt
nach Linie E-F und F i g. 4 im Horizontalschnitt nach Linie G-H der Fig. 1.
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Im Reaktionsgefäß 1 (F i g. 1) wird durch einen zentral angeordneten
Schlackenüberlauf 2 ein Schlakkenbad 3 aufrechterhalten. Durch die über den Umfang
des Gefäßes gleichmäßig verteilten Düsen 4
(F i g. 1 und 2) werden primär
Vergasungs- oder Verbrennungsmittel in das Schlackenbad geblasen. Zentral in den
Düsen 4 sind die Düsen 5 für die Einführung des Brennstoffes vorgesehen,
die durch Leitung 6 mit Brennstoff-Förderpumpen in Verbindung stehen. Die Versorgung
der Düsen 4 erfolgt über eine Ringleitung 8, der durch Stutzen
9 vorzugsweise vorerhitzte Vergasungs- oder Verbrennungsmittel zugeleitet
werden. Die zu einer Einheit kombinierten Düsen 4 und 5 sind so auf das Schlackenbad
gerichtet, daß die Projektion ihrer gemeinsamen Achse auf die Schlackenbadoberfläche
10 gleichsinnig einen auf dieser Oberfläche gedachten konzentrischen Kreis
11
(F i g. 2) tangieren, der kleiner ist als der Kreis 12,
der den halben
Badumfang darstellt. Die mit hoher Geschwindigkeit aus den Düsen 4 und 5
austretenden Stoffe dringen in das Schlackenbad ein und versetzen es in eine turbulent
rotierende Bewegung um seine senkrechte Achse. Die Gasmasse oberhalb des Schlackenbades
wird durch die Schleppwirkung der Düsenstrahlen ebenfalls in eine rasche rotierende
Bewegung um die senkrechte Achse versetzt, so daß die aufgewirbelten Schlackentröpfchen
und die aus dem Schlackenbad entweichenden groben Brennstoffanteile nach außen und
an die Wand des Reaktionsgefäßes geschleudert werden.
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Die sich ständig aus der Asche des Brennstoffes bildende Schlacke
läuft in dem Maße durch den überlauf 2 flüssig ab, als sich neue bildet. Sie fließt
in ein Wasserbad, aus dem sie in granulierter Form durch eine in der Zeichnung nicht
dargestellte Fördervorrichtung abgezogen wird. Die Anordnung ist hierbei so getroffen,
daß der Schlackenüberlauf durch einen Stutzen 15 nach unten verlängert wird, der
in das in einem Trog 16 vorgesehene Wasserbad 17 eintaucht und hierdurch
den Reaktionsraum gasdicht abschließt. Außer der Schlacke wird durch die öffnung
14 des überlaufs in bekannter Weise eine geringe Menge des erzeugten Gases
abgezogen, um sie offenzuhalten. Dieses Gas wird dann zusammen mit
dem
bei der Kühlung der Schlacke entstehenden Wasserdampf durch Leitung 18 in
den Hauptstrom der erzeugten Gase hinter deren Abhitzeverwertung zurückgeführt.
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Durch die Düsen 19 (F i g. 1 und 3) werden sekundär nahezu
tangential zum Umfang des Reaktionsgefäßes 1 Vergasungs- oder Verbrennungsmittel
eingeführt, um den Drall der Gassäule oberhalb des Schlackenbades zu verstärken.
Sie stehen über Leitungen 20 mit der Ringleitung 21 in Verbindung,
deren Stutzen 22 an die Leitung für diese Mittel angeschlossen ist.
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Eine weitere Verstärkung des Dralles der im Reaktionsraum aufsteigenden
Gase wird durch die Einschnürung 23 des Reaktionsgefäßes 1 (F i g. 1 und 4) erreicht.
Hier werden praktisch die letzten Anteile der im Gas hochgewirbelten flüssigen und
festen Stoffe abgetrennt und fließen entlang der Wand des Reaktionsgefäßes in das
Schlackenbad zurück. In diesem verengten Raum des Reaktionsgefäßes liegt die Temperatur
des Gases noch über dem Schmelzpunkt der Schlacke.
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Oberhalb der Verengung des Reaktionsraumes erfolgt die Kühlung des
Gases durch Einführung von und innige Mischung mit Gasen niedriger Temperatur auf
unterhalb des Kristallisationspunktes der im Gas mitgeführten anorganischen Dämpfe.
Die Entnahme der Kühlgase erfolgt hinter der dem Reaktionsgefäß nachgeordneten,
in der Zeichnung nicht dargestellten Abhitzeverwertung. In diesem Fall liegt ihre
Temperatur im allgemeinen bei etwa 200° C. Für ihre Einführung in den Reaktionsraum
sind erfindungsgemäß gleichmäßig über dessen Umfang verteilte und tangential einmündende,
schlitzartige Düsen 24 (F i g. 1 und 4) vorgesehen. Sie stehen mit dem Ringkanal
25
in Verbindung, der durch den Stutzen 26 an die Kühlgasleitung angeschlossen
ist. Die in das Reaktionsgefäß eintretenden Kühlgase bilden an der Wand einen Schleier,
der eine Berührung der aufsteigenden heißen Gase mit der Wand verhindert. Zur rascheren
Mischung sind die Düsen 24 dem Drall der aufsteigenden Gase entgegengerichtet.
Die Mischung der erwähnten Gase vollzieht sich im Reaktionsraum auf dem Weg zum
Gasausgang 27.
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Die dem Reaktionsraum nachgeordnete Abhitzeverwertung besteht üblicherweise
aus einem Wärmetauscher für die Erhitzung der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel,
einem Abhitzekessel und Dampfüberhitzer. Eine Einrichtung zur Entstaubung des Gases
folgt anschließend. Bei der Erzeugung von Gasen, z. B. Synthesegasen, sind dann
noch Einrichtungen zur Waschung und Feinstentstaubung der Gase vorgesehen. Bei der
Verbrennung werden die Gase unmittelbar oder über ein Saugzuggebläse ins Freie geleitet.
Das Reaktionsgefäß wird in normalen Fällen als Dampferzeuger ausgebildet. Für niedrige
Dampfdrücke erhält es einen Siedemantel, für hohe Drücke besteht es aus einem Röhrensystem,
durch das Wasser im Naturumlauf oder Zwangsdurchlauf fließt. Das Röhrensystem ist
von einem gasdichten Mantel umgeben.
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Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Stellung der Düsen
für die primäre Einführung der Vergasungs- oder Verbrennungsmittel und der Brennstoffe
in das Schlackenbad dem Charakter des Brennstoffes angeglichen. Wesentlich hierfür
ist die Korngrößenverteilung und der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen des Brennstoffes
bzw. der Zerstäubungsgrad und die Viskosität des flüssigen Brennstoffes. Es kann
Vorsorge getroffen werden, daß die Düsen in ausreichenden Grenzen verstellbar sind,
wenn Brennstoffe verschiedener Beschaffenheit verarbeitet werden sollen.