DE19714376C1 - Synthesegaserzeuger mit Brenn- und Quenchkammer - Google Patents

Synthesegaserzeuger mit Brenn- und Quenchkammer

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Description

Die Erfindung betrifft einen Synthesegaserzeuger zur Erzeugung, Kühlung und Reinigung von Gasen mit einer mit keramischem Material ausgekleideten Brennkammer und Verbindungskanal zur Quenchkammer, mit im Gaseintritts­ bereich der Quenchkammer angeordneten Düsenstöcken mit Quenchdüsen, mit am Quenchkammerende angeordnetem Konus mit einem diesen umgebenden Beruhigungsraum und darunter anschließendem Wasserbad sowie mit einer 180° Umlenkung des Nutzgases im Beruhigungsraum zum Gasaus­ trittsstutzen.
Derartige Synthesegaserzeuger in unterschiedlichen konstruktiven Ausführungen sind bekannt.
Die Partialoxidation von Brennstoffen, z. B. Kohle, Öl, Klärschlamm, Kunststoffabfall, Erdgas usw., mit dem Ziel der Erzeugung von Synthesegas und deren Nutzung bietet breitgefächerte Anwendungsmöglichkeiten.
Einige der Anwendungsmöglichkeiten sind:
  • - Erzeugung von Synthesegas für GuD-Anlagen,
  • - Erzeugung von Stadtgas,
  • - Versorgung von Chemieanlagen mit Synthesegasen,
  • - Entsorgung von Abfällen (Klärschlamm, Kunststoffe, Rückstandsdestillate) mit Herstellung eines hochwertigen Produktgases (H2 und CO),
  • - H2-Erzeugung für die Reduktion bei der Stahlerzeugung.
Je nach Erfordernis der Anwendungen wird dem durch partielle Oxydation erzeugten Gas ein Abhitzesystem oder eine Quencheinrichtung nachgeschaltet. In der Quencheinrichtung wird dem Gas ein Quenchmedium, z. B. Wasser, zugeführt, um es abzukühlen.
Aus der DE 41 09 231 C2 ist ein Verfahren zur Verwertung halogenbelasteter kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe in einem Reaktordruckgefäß bei hohen Temperaturen bekannt.
Dieses Verfahren dient zur Erzeugung eines CO- und H2- reichen Gases bei einem Druck von 26 bar. Die für den Prozeß notwendigen Temperaturbedingungen im Reaktor­ raum werden durch Regelung des Verhältnisses von Sauer­ stoff zu Einsatzstoff gesteuert. Es wird eine Tempera­ tur am Ausgang des Reaktionsraumes von 1350 bis 1400°C eingestellt. Damit wird ein vollständiger Ausbrand des Kohlenstoffinhaltes erreicht, die mineralischen Bestandteile des Brennstoffes bilden eine schmelz­ flüssige Schlacke, die an der Wand des Reaktionsraumes abwärts fließt und in ein Wasserbad gelangt.
Das Reaktorgefäß besteht im wesentlichen aus:
  • - zwei getrennten Kammern für Reaktions- und Quench­ kammer mit einem Verbindungskanal,
  • - einem Düsenkranz am Quenchkammereintritt für die Wasserzuführung in feiner Verteilung mit einer Wasser/Gas-Kontaktzone,
  • - einem der Quenchkammer nachgeschalteten Wasserbad sowie einem Nutzgasabzug nach einer 180°-Umlenkung.
Aus der EP 0 284 762 B1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen eines in einem Vergasungsreaktor erzeugten Synthese­ gases mit Hilfe eines Quenchkühlers bekannt, der unter­ halb des Ausganges des Vergasungsreaktors angeordnet ist und einen gekühlten Innenmantel umfaßt, der in einem Abstand von einem Druckmantel umgeben ist. Dieser nimmt einen Wassersumpf auf, wobei in den Innenraum des Innenmantels Sprühdüsen hineinragen und durch den Innenmantel in einer Ebene oberhalb des Wassersumpfes ein oder mehrere Gasaustrittsstutzen hindurchgeführt sind. Zwischen dem Innenmantel und dem Ausgang des Vergasungsreaktors ist ein Zwischenabschnitt angeord­ net, dessen Durchmesser geringer ist als der des Innenmantels und größer als der des Ausganges des Vergasungsreaktors. Die Vorderkanten der Sprühdüsen sind auf einem Teilkreis angeordnet, der größer als der Durchmesser des Zwischenabschnittes ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besonders vorteilhafte Einrichtung zu schaffen, in der Nutzgas erzeugt, gekühlt und von groben, festen und flüssigen Teilchen gereinigt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs und der abhängigen Unteransprüche gekennzeichnet.
Nach der Erfindung werden in die Brennkammer Brennstoff und Sauerstoff über Brenner eingebracht und durch Partialoxidation ein Nutzgas erzeugt, das über einen Verbindungskanal der Quenchzone einer Quenchkammer zugeführt wird. Die Abkühlung des Nutzgases erfolgt am Eintritt der Quenchkammer durch ein gleichmäßig auf dem Umfang angeordnetes Düsensystem, über das ein Quenchmedium eingedüst wird. Je nach Erfordernis können eine oder mehrere Düsenebenen mit Düsenstöcken angeordnet werden.
Mit Hilfe des eingedüsten Quenchmediums wird die Temperatur des Nutzgases heruntergekühlt. Nach der Quenchung verläßt das Nutzgas mit hoher Geschwindigkeit über einen Konus die Quenchkammer, trifft auf ein Wasserbad und wird danach um 180° umgelenkt und den Gasaustrittsstutzen zugeleitet.
Durch die hohe Geschwindigkeit und die starke Umlenkung im Anschluß an den Konus werden größere Feststoff­ teilchen und Wassertröpfchen ins Wasserbad hinein abgeschieden. Somit verläßt das Gas gereinigt und tropfenfrei den Synthesegaserzeuger.
Die Quenchkammer weist gekühlte Kammerwände auf, die aus einer wassergekühlten Rohr-Steg-Rohr-Wand oder einer Doppelwand, dem Kühlkorb mit im unteren Bereich angeordnetem Konus, bestehen.
Der Synthesegaserzeuger mit Brenn- und Quenchkammer kann als eine Einheit in einem gemeinsamen Druckgefäß angeordnet sein. Eine Alternative besteht darin, die Brenn- und Quenchkammer als separate Einheiten auszuführen und mittels Verflanschung zur Gesamteinheit zu verbinden.
Die Erzeugung des Gases geschieht mittels Brenner in der Brennkammer. Die Kühlung erfolgt durch ein Quench­ medium, das über die Quenchdüsen der Düsenstöcke fein verteilt in die Quenchkammer eingebracht wird. Die Reinigung von Feststoffen und Flüssigkeitstropfen wird vorgenommen durch die hohe Beschleunigung des Gases im Austrittskonus, das Aufprallen auf das Wasserbad und die nachfolgende Umlenkung um 180° in Richtung der Gasaustrittsöffnungen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch Synthesegaserzeuger mit integrierter Quencheinrichtung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch Synthesegaserzeuger mit separater Quencheinrichtung,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch Quencheinrichtung mit Kühlkorb, Ringverteiler und Ringsammler,
Fig. 4 einen Schnitt A-B nach Fig. 3 mit Anordnung der Düsenstöcke mit Düsen.
Wie in Fig. 1 dargestellt, gelangt der Brennstoff (1) über den Brenner (2) in die Brennkammer (3). Hier erfolgt die Vergasung des Brennstoffs, d. h. es wird Nutzgas erzeugt. Die Brennkammer (3) ist mit keramischem Material (4) ausgekleidet, um die Druckmantelwand (5) der Brennkammer (3) vor zu hohen Temperaturen zu schützen.
Das Nutzgas und die flüssige Schlacke verlassen, von oben nach unten strömend, die Brennkammer und gelangen über den Verbindungskanal (6) mit hoher Geschwindigkeit in die Quenchkammer (7). Hier erfolgt die Abkühlung durch ein Kühlmedium (8), vorzugsweise Wasser, das über Düsenköpfe (9) der Düsenstöcke (10, 11) in das Nutzgas eingebracht wird.
Die Düsenstöcke (10, 11) können je nach Erfordernis in verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Die Düsenstöcke sind sowohl mit einem Kühlmedienanschluß (12) als auch mit einem Kaltgasanschluß (13) (für z. B. Stickstoff) ausgerüstet. Beide Anschlüsse weisen Absperrarmaturen (14, 15) und Durchflußmengenmesser (16, 17) zur Sicherstellung der gleichmäßigen Einbringung des Kühlmediums in die Quenchkammer auf. Im Falle der Verwendung von Wasser als Kühlmedium wird Stickstoff als Spül- und Inertisierungsmedium benutzt.
Die Düsenstöcke (10, 11) sind an den Druckmantelstutzen (18) angeflanscht und in Kühlposition im Quench­ raum der Quenchkammer (7) eingebaut.
Der Kühlkorb (41) und der Konus (42) der Quenchkammer weisen einen doppelwandigen Stahlgrundkörper auf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Das in der Quenchkammer (7) abgekühlte Nutzgas verläßt über den sich verengenden Konus (42) die Quenchkammer (7). Das Nutzgas führt Feststoffteilchen und Kühl­ mediumtropfen mit sich und wird im Konus (42) stark beschleunigt und frontal auf ein Wasserbad (21) geleitet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und der relativ großen Masse der Feststoff- und flüssigen Kühlmediumteilchen gelingt diesen nicht die Umlenkung um 180° zu den Gasaustrittsstutzen (23), sondern sie schlagen auf die Oberfläche des Wasserbades (21) auf, werden vom Wasserbad aufgenommen und auf diese Weise aus dem Gasstrom ausgeschieden. Das von Feststoffen gereinigte Gas wird um 180° umgelenkt und verläßt nach dem Durchlaufen eines Beruhigungsraumes (22) über die Gasaustrittsstutzen (23) den Synthesegaserzeuger.
Die in das Wasserbad hineingefallenen Feststoff­ teilchen, z. B. Schlacke, werden über den Feststoff­ austrittsstutzen (24) abgeschieden.
Die Innenseite des Druckgefäßes (5, 31) ist im Nutzgaskontaktbereich durch eine Auskleidung (27) gegen Korrosion und Übertemperatur geschützt.
Fig. 2 zeigt den Synthesegaserzeuger mit separatem Druckgefäß (30) für die Brennkammer (3) und Druckkammer (31) für die Quenchkammer (7). Die Grundprinzipien und Arbeitsweise sind die gleichen, wie in Fig. 1 beschrie­ ben. Der Unterschied liegt nur darin, daß für Brenn­ kammer (3) und Quenchkammer (7) zwei separate Druck­ gefäße (30, 31) verwendet werden, die mittels Verflan­ schung (33) zu einem Reaktorgefäß verbunden sind.
In dem Druckgefäß (31) mit beidseitig angeordnetem Gasaustrittsstutzen (23) und unten liegendem Feststoff­ austrittsstutzen (24) ist der an Festpunkten (47) auf­ gehängte Kühlkorb (41) mit Konus (42) angeordnet. Das Kühlmittel (8) wird auch hier über Düsenstöcke (10, 11) in die Quenchkammer (7) eingedüst, die Feststoffparti­ kel des Gases werden in ein Wasserbad (21) geleitet.
Fig. 3 stellt einen Längsschnitt durch einen Synthese­ gaserzeuger mit integrierter Quencheinrichtung dar. Hier ist die Quenchkammer (7) mit einem wassergekühl­ ten Kühlsystem (41, 42) versehen.
Das Kühlsystem besteht aus einem Kühlkorb (41), einer gasdichten Schweißkonstruktion aus Kühlrohren und Stegen, die mit einem Ringverteiler (43) und einem Ringsammler (44) verbunden sind. Am Ringverteiler (43) und Ringsammler (44) sind Wasserzuführungsleitungen (45) bzw. Wasserabführungsleitungen (46) angebracht, die durch das Druckgefäß (31) geführt sind. In diesem Bereich sind auch die Festpunkte (47) des Kühlsystems angeordnet, so daß der Kühlkorb (41) eine freie Ausdehnungsmöglichkeit nach unten besitzt.
Die Innenseite des Druckgefäßes (31) ist auch hier im Nutzgaskontaktbereich durch eine Auskleidung (27) gegen Korrosion und Übertemperatur geschützt. Die Düsenstöcke (10, 11) werden durch eine Abdichtung (48) in den Kühl­ korb (41) geführt.
Fig. 4 (Schnitt A-B nach Fig. 3), vermittelt die Anordnung der Düsenstöcke (10, 11) in der Quenchkammer (7).
Bezugszeichenliste
1
Brennstoff (Brennstoff-Sauerstoffgemisch)
2
Brenner
3
Brennkammer
4
Keramisches Material
5
Druckmantelwand
6
Verbindungskanal
7
Quenchkammer
8
Kühlmedium
9
Düsenkopf
10
Düsenstöcke
11
Düsenstöcke
12
Kühlmediumanschluß
13
Stickstoffanschluß
14
Absperrarmatur
15
Absperrarmatur
16
Durchflußmengenmesser
17
Durchflußmengenmesser
18
Druckmantelstutzen
19
Durchgänge in
4
20
21
Wasserbad
22
Beruhigungsraum
23
Gasaustrittsstutzen
24
Feststoffaustrittsstutzen
25
Eintrittsstutzen (Kühlung
10
,
11
)
26
Austrittsstutzen (Kühlung
10
,
11
)
27
Auskleidung (im Nutzgaskontaktbereich)
28
29
30
Druckgefäß (Brennkammer)
31
Druckgefäß (Quenchkammer)
33
Flansch zwischen
30
und
31
41
Kühlkorb
42
Konus von
41
43
Ringverteiler
44
Ringsammler
45
Wasserzuführleitung
46
Wasserabführleitung
47
Festpunkt
48
Abdichtung

Claims (9)

1. Synthesegaserzeuger zur Erzeugung, Kühlung und Reinigung von Gasen mit einer mit keramischem Material ausgekleideten Brennkammer und Verbin­ dungskanal zur Quenchkammer, mit im Gaseintritts­ bereich der Quenchkammer angeordneten Düsenstöcken mit Quenchdüsen, mit am Quenchkammerende angeord­ netem Konus mit einem diesen umgebenden Beruhi­ gungsraum und darunter anschließendem Wasserbad sowie mit einer 180° Umlenkung des Nutzgases im Beruhigungsraum zum Gasaustrittsstutzen, dadurch gekennzeichnet,
  • 1. daß die Quenchkammer (7) aus einem Kühlkorb (41), einer gasdichten Schweißkonstruktion aus Kühl­ rohren und Stegen, mit im Oberteil des Kühlkorbes (41) angeordnetem außenliegenden Ringverteiler (43) und innenliegenden Ringsammler (44) und Wasserzuführungs- (45) und Wasserabführungs­ leitungen (46) besteht und
  • 2. daß die Düsenstöcke (10, 11) im Kühlkorb (41) in verschiedenen Höhenebenen und auf dem Umfang untereinander versetzt oder fluchtend angeordnet sind.
2. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (41, 43 und 44) an umlaufenden Festpunkten (47), die an der Innenseite der Druck­ mantelwand (5) angebracht sind, befestigt ist.
3. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenstöcke (10, 11) unterschiedlich weit in die Quenchkammer (7) hineinragen.
4. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenstöcke (10, 11) mit auswechselbaren und den jeweiligen Erfordernissen angepaßten Düsenköpfen (9, 29) versehen sind.
5. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von außen in die Quenchkammer (7) eingesteckten Düsenstöcke (10, 11) im Kühlkorb (41) eine Abdichtung (48) aufweisen.
6. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenstöcke (10, 11) mit einer indirekten Kühlung ausgerüstet sind, die über Ein- und Austrittsstutzen (25, 26) gespeist wird.
7. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenstöcke (10, 11) zur Kühlwasserzufuhr über einen Kühlmediumanschluß (12) mit Absperr­ armatur (14) und Durchflußmengenmesser (16) und zur Kaltgaszufuhr und über einen Kaltgasanschluß (13) mit Absperrarmatur (15) und Durchflußmengenmesser (17) versehen sind.
8. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Brenn- (3) und Quenchkammer (7) entweder in einer gemeinsamen Druckmantelwand (5) integriert sind oder als separate Druckgefäße (30) und (31) aufgebaut sind, die durch Flansche (33) zusammen­ gefügt sind.
9. Synthesegaserzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Druckgefäßes (31) im Nutzgas-Kontaktbereich, unterhalb/seitlich des Kühlkorbes (41, 42) durch eine Auskleidung (27) gegen Korrosion und Übertemperatur geschützt ist.
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