DE2162390A1 - Verfahren zur erzeugung von spaltgas und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von spaltgas und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

PRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen
Verfahren zur Erzeugung von Spaltgas und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Spaltgas aus kohlenstoff- und/oder kohlenwasserst off haltigen Reaktionsstoffen und Wasserdampf, insbesondere für die Direktreduktion von oxidischen Me- ä tallerzen, in einem mittels eines Kernreaktorkühlmittels beheiztem Reaktionsgefäß, ggf. unter Verwendung eines Katalysators, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei den bekannten derartigen Umsetzverfahren wird die für den Spaltprozeß erforderliche Wärme im allgemeinen durch Verbrennung eines Wärmeträgers im Innern der Reaktionskammer erzeugt. Bei dem Wärmeträger handelt es sich meist um einen Teil des umzusetzenden Kohlenwasserstoffs. Eine derartige Wärmeerzeugung ist teuer und unwirtschaftlich, weil eine verhältnismäßig große Menge wertvollen Rohstoffs ver- "
brannt wird. Das gewonnene Spaltgas wird zudem mit den Verbrennungsprodukten verunreinigt. Wird, was oftmals der Fall ist, der Wärmeträger dabei nur unvollständig verbrannt, so tritt als weitere Nebenerscheinung infolge Verkokung Rußbildung auf, die auch noch starke ■Verunreinigungen der Anlage und damit Prozeßbehinderung zur Folge hat. Um die Verunreinigungen aus dem erzeugten Spaltgas zu entfernen, muß ein aufwendiges und teures Reinigungsverfahren nachgeschaltet werden.
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Es Ist bereits ein Vorschlag bekannt, die Behieizung des Gaserzeugungsprozesses mittels Reaktorkühlmittels auf indirektem Wege durch geeignete Wände hindurch erfolgen zu lassen. Nähere Einzelheiten, wie dies durchgeführt werden kann, sind darüber jedoch nicht offenbart.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirtschaftlichen Erzeugung größerer Mengen von Spaltgasen zu schaffen, die insbesondere für die Direktreduktion von oxidischen Metallerzen ohne vorherige Zwischenbehandlung eingesetzt werden können.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Erzeugung von Spaltgas der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Reactionsstoff mit Hilfe von durch Kernreaktorwärme erzeugtem überhitztem Wasserdampf verdüst wird und in fein verteilter Mischung zusammen mit dem Wasserdampf zur Umsetzung in eine Reaktionskaramer gelangt und anschließend das gebildete Spaltgas einen Wärmeaustauscher durchströmt.
Das Verfahren nach der Erfindung ist äußerst wirtschaftlich, weil die Wärmeenergie für den Spaltprozeß und die nachgeschaltete weitere Erhitzung der Spaltgase auf die gewünschte, für die unmittelbare Weiterverwendung notwendig Temperatur sowie für die Erzeugung und Überhitzung des eingesetzten Wasserdampfes, also die gesamte benötigte Energie vom Kernreaktor geliefert wird, wobei auch die Abwärme nahezu vollständig ausgenutzt wird.
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Mit Wasserdampf läßt sich das Spaltgas aus kohlenwasserstoffhaltigen Reaktionsstoffen entsprechend dem Ansatz
CnHm + nH20 + W = nCO +
darstellen. Diese Reaktion läuft selbst bei Drücken f
von etwa 40 at und Temperaturen von etwa 85O0C noch ausreichend vollständig ab. Der vollständige Ablauf ist gemäß der Erfindung dadurch gewährleistet, daß das Spaltgas nach der Reaktionskammer noch den Wärmeaustauscher durchströmt, wo der restliche Umsatz bisher nicht reagierter Stoffe durch die zusätzliche Wärmezufuhr und die ausgedehnte Verweilzeit in der heißen Zone stattfindet.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die rohr« förmige, am Zuführende mit einer Düse versehene -
Reaktionskammer und der diese umschließende Wärmeaustauscher in einem Gefäß angeordnet sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Überhitzer für den Wasserdampf zwischen Gefäßwandung und Wärmeaustauscher angeordnet ist.
Besondas vorteilhaft ist es, die Düse als Venturi-Ringdüse auszubilden. Dadurch ist bei geringem Aufwand ein betriebssicherer Verfahrensablauf zu erzielen.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist einfach im Aufbau und durch ihre kompakte Bauweise auch wärmetechnisch zweckmäßig gestaltet.
Als kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaitige Reaktionsstoffe kommen alle festen,flüssigen und gasförmigen Brennstoffe allein oder miteinander vermischt in Frage. Dadurch wird es möglich, je nach den örtlichen Verhältnissen, das oder die billigsten ψ? Reaktionsstoffe auszuwählen. In den meisten Fällen wird Öl oder ein Ölprodukt in Frage kommen. Auch Erdgas wird künftig an vielen Orten billig zur Verfügung stehen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß sogar Kohlenstaub eingesetzt werden kann.
Als Kernreaktorkühljnittel wird in erster Linie Helium, das unter lern üblichen Druck von etwa 40 at stehen kann, verwendet, jedoch können auch organische Substanzen, z.B. auf Stearinbasis, eingesetzt werden. Die Prozeßwärme kann ggf. auch, z.B. aus Kontaminationsgründen, A durch einen zwischengesehalteten Sekundärkreislauf zugeführt werden.
Für die dem erfindungsgemäßen Verfahren nachgeschaltete Direktreduktion kommen in erster Linie Eisenerze, insbesondere ärmere wie Hämatit, aber auch andere oxidische
oxidische
Metallerze, ζ ,Β/ Kupfererze, infrage.
In der Zeichnung zeigen als Ausführungsbeispiele nach der Erfindung
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Fig. 1 ein Schema des Wärme- und Materialflusses,
Pig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem in Pig. I dargestellten Prozeßschema und
Pig. 3 eine andere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte mi-t unter Druck stehendem f
Helium gekühlte Kernreaktor 1 liefert Dampf, der in einer Turbine 2 zunächst zur Erzeugung elektrischer Energie herangezogen wird. Der Abdampf der Turbine 2 wird über eine Leitung 12 einem Dampfüberhitzer J5 zugeführt und gelangt in die Düse 4, in der er mit dem Reaktionsstoff gemischt wird und in eine in einem Gefäß 5 untergebrachte Reaktionskammer und von da aus in einen nachgeschalteten, im gleichen Gefäß untergebrachten Wärmeaustauscher gelangt, den das gebildete heiße Spaltgas am anderen Ende, durch eine an einen nicht dargestellten Reduktionsofen oder einen anderen Verbraucher angeschlossene Leitung 6 wieder verläßt. Das im vor- a
liegenden Fall als Reaktionsstoff vorgesehene Öl wird aus dem Vorratsbehälter 7 über einen Vorwärm-Wärmeaustauscher 8 durch eine Leitung 11 in die Düse 4 eingeleitet. Eine Heizschlange 9 dient der Vorwärmung des Öls bei niedriger Außentemperatur. Das Kernreaktor*« kühlmittel wird dem Gefäß 5 und dem Überhitzer 3 über eine Leitung 10 zugeführt.
Aus der Pig. 2 ist; der Aufbau des Gefäßes 5 ersichtlich. Das über die Leitung 11 zugeführte Öl wird in der Venturi-Ringdüse 4 von dem durch die Leitung 12 zugeführten Dampf mitgerissen. Das so gebildete Aerosol
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gelangt in eine rohrförmige Reaktionskammer Ij5, wo der Prozeß der Spaltung der Kohlenwasserstoffe im wesentlichen abläuft. Eine Restspaltung findet gegebenenfalls noch in den nachgeschalteten Rohren 14 eines im gleichen Gefäß untergebrachten Wärmeaustauschers statt. Das erhitzte Spaltgas verläßt das Gefäß 5 über die Austrittsleitung 6. Das Kernreaktorkühlmittel tritt über die Leitung 10 bei I5 in das Gefäß 5 ein und verläßt es nach Durchströmung von oben nach unten über den Austrittsstutzen 16 wieder. Die Dampfleitung 12 ist in dem Raum zwischen der isolierten Außenwand des Gefäßes 5 und den äußeren Rohren 14 des Wärmeaustauschers zur Überhitzung des Dampfes im Gefäß 5 angeordnet.
Fig. 5 zeigt die Abänderung der Vorrichtung nach der Erfindung im Falle eines Einsatzes von Kohlenstaub als Reaktionsstoff. Der über eine Schnecke I7 zugeführte Kohlenstaub wird zu einem Schaufelrad 18 eines WurfZerstäubers 19 gefördert. Er gelangt von da gemischt mit dem über die Leitung 12 zugeführten Dampf, der den Wurfzerstäuber über ein weiteres inneres Schaufelrad 20 antreibt und in die Düse 4 a aus dem Wurfzerstäuber 19 austritt, in die rohrförmige Reaktionskammer IjJ. Der Antrieb des Wurfzerstäubers I9 erfolgt ähnlieh wie bei einer Dampfturbine. Dazu reicht im allgemeinen ein abgezweigter Teilstrom (nicht dargestellt) des zugeführten Dampfes aus. Die Ausbildung der Düse 4 a als Venturi-Ringdüse ist für den Fall vorgesehen, wenn gleichzeitig mit dem Kohlenstaub andere Reaktionsstoffe, z.B. öl oder Erdgas eingesetzt werden sollen.
Von Vorteil ist es, daß der Eintritt für das Kernreaktorkühlmittel etwa in der Mitte zwischen dem oberen
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und dem unteren Ende des Gefäßes 5, an denen sich dann jeweils ein Austritt befindet, angeordnet ist (In der Zeichnung nicht dargestellt). DaHdurch wird erreicht, daß die heißeste Zone im Gefäß näher an die Düse als Ort der Gemischbildung herangeführt wird. Ferner wird dadurch nur der obere Teil der rohrförmigen Reaktionskammer I3 im Gleichstrom, dafür aber der obere Teil der Rohre 14 im Gegenstrom umspült.
Weitere vorteilhafte Abänderungen der Führung des Kern- ä reaktorkühlmittels, z,B. der Einbau von Schikanen, sind selbstverständlich möglich.
Je nach Art der eingesetzten Reaktionsstoffe kann in der Reaktionskammer Ij5 sowie gegebenenfalls auch in den Rohren 14 des Wärmeaustauschers zur Reaktionsbeschleunigung ein üblicher Katalysator in bekannter Weise eingebaut werden. Selbstverständlich kann eine Katalysatormasse in feinverteilter Form auch den zur Reaktion zu bringenden Stoffen beigemischt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung bzw. das Gefäß 5 eignet sich wegen der "
Kompaktheit besonders zum Einbau in den Spannbetonbehälter des Kernreaktors.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    { 1. Verfahren zur Urzeugung von Spaltgas aus kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Reaktionsstoffen und Wasserdampf, insbesondere für die Direktreduktion von oxidischen Metallerzen, in einem mittels eines Kernreaktorkühlmittels beheiztem Reaktionsgefäß, ggf. α unter Verwendung eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsstoff mit HJlfe von durch Kernreaktorwärme erzeugtem überhitztem Wasserdampf verdüst wird und in fein verteilter Mischung zusammen mit dem Wasserdampf zur Umsetzung in eine Reaktionskammer gelangt und anschließend das gebildete Spaltgas einen Wärmeaustauscher durchströmt.
  2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, daß die rohrförmige, am Zuführende mit einer Düse (4, 4a) versehene Reaktionskammer (13) und der diese umschließende Wärmeaustauscher (14) in einem Gefäß (5) angeordnet
    φ sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhitzer (12) für den Wasserdampf zwischen Gefäßwandung und Wärmeaustauscher (14) angeordnet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder f>, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse als Venturi-Ringdüse (4, 4a) ausgebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Reaktionskammer (13)
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    AK/Dc
    zentral und senkrecht im Gefäß angeordnet ist und die Düse (4, 4a) sich am unteren Ende befindet.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (15) für das die rohr förmige Reaktionskammer im Gegenstrom umspülende Kernreaktorkühlmittel am oberen und der Austritt (16) am unteren Ende des Gefäßes (5) angeordnet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt für das Kernreaktorkühlmittel etwa in der Mitte zwischen dem oberen und unteren Ende des Gefäßes (5), an denen sich jeweils ein Austritt befindet., angeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens teilweiser Verwendung von Kohlenstaub als Reaktionsstoff vor der Düse (4 a) ein diesen zuführender Wurfζerstauber (19) angeordnet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des WurfZerstäubers (19) mittels des Wasserdampfes oder eines Teiles davon erfolgt.
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