DE2817356C2 - Produktgas-Kühlvorrichtung an einem Generator zur Kohlenstaub-Vergasung und Herstellung von Synthesegas - Google Patents

Produktgas-Kühlvorrichtung an einem Generator zur Kohlenstaub-Vergasung und Herstellung von Synthesegas

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Description

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Die teilweise Verbrennung von Kohlenstaub mit einem Unterschuß an Sauerstoff (entweder rein oder in Gemisch mit anderen Gasen, wie Stickstoff oder Dampf) führt zu einer teilweisen Oxidierung der Kohle zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid und unterscheidet sich damit grundsätzlich von der vollständigen Verbrennung, bei der Kohlendioxid und Wasser gebildet werden.
Das bei der Vergasung von Kohlenstaub gebildete heiße Reaktionsgas enthält beträchtliche Anteile an Wasserstoff und Kohlenmonoxid und darüber hinaus Asche und Koksteiichen. In dem Reaktionsgas können außerdem noch beträchtliche Anteile an Wasserdampf, Kohlendioxid und/oder Stickstoff vorliegen, wenn man als Vergasungsmittel beispielsweise Luft angewandt hat.
Bei den in dem Reaktor bei der Vergasung herrschenden Temperaturen ist die Asche im allgemeinen klebrig. Dies gilt insbesondere, wenn die teilweise Vergasung der Kohle in der Flamme stattfindet und gegenüber einer Kohlevergasung in der Wirbelschicht oder im Fließbett die Verweilzeit im Reaktor sehr kurz und die Temperatur sehr hoch ist.
Die bei der Vergasung anfallende Asche ist bei den herrschenden Temperaturen von >1200°C, z.B. 1400 bis 1500° C, zumindest teilweise geschmolzen. Nicht so vollständig geschmolzene Ascheteilchen bestehen zumindest teilweise aus flüssiger Schlacke oder besitzen eine zumindest teilweise plastische Konsistenz.
Unter »feine« oder »pulverförmige« Kohlen sind Korngrößen < 1 mm zu verstehen. Beim Austrag des Reaktionsgases aus dem Reaktor kann sich klebrige Asche an den Wänden der Ableitungen absetzen, dort erstarren und die Ableitungen verstopfen, was zu Betriebsunterbrechungen zwingt.
Aus der DE-OS 27 to 154 ist ein unter Druck und hoher Temperatur arbeitender schachtförmiger Gas-Generator bekannt, wobei in dem Schacht tangentiale Kühlgaszuführungen und darunter Treibstrahldüsen vorgesehen sind, um damit eine Einschnürung des aus der Nachentgasungszone aufsteigenden staubbeladenen heißen Primärgasstroms zu erreichen.
Aus der DE-OS 14 21 094 ist ein Wirbelbett-Verfahren zum Vergasen von Kohlepulver in einer Vorrich tung bekannt, deren wesentliches Bestandteil ein Rohr zur pneumatischen Förderung von Kohlepulver und Luft oder Sauerstoff ist An dieses Rohr schließt oben das mehrfach engere Auslaßrohr an, das am Obergang mit einem wasser-, dampf-, gss- oder stickstoffgespeisten Kühlbehälter umgeben ist, aus dem das Kühlmittel mit größerer Geschwindigkeit als der des Gasstromes in diesen unter Wirbelbildung eintritt
Aus DD-PS 1 19 267 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen des heißen Produktgases bekannt, wobei das Produktgas noch klebrige Teilchen enthält und diese ihre Klebrigkeit beim Abkühlen verlieren sollen.
Das Kühlgas wird durch in radialer Richtung angeordnete Einlasse und nach dem Einlaß eines Schutzgases, das an mehreren über eine Länge verteilten Stellen eingeführt wird, eingespeist
Ausgehend von dieser Vorrichtung mit einer an einen Reaktor angeschlossenen Ableitung für das Synthesegas, wobei zwischen dem Reaktor und der Ableitung bzw. als Teil der Ableitung eine für Kühlgas durchlässige Wand vorgesehen ist, hinter der sich ein freier Raum innerhalb eines hülsenartigen Teils befindet, welcher eine Zuführung für das Kühlgas aufweist, ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein vorzeitiges Abreißen des Gasschutzes zu verhindern.
Wenn einander gegenüber in einem Reaktor mehrere Brenner vorgesehen sind und wenn sich eine geringe Änderung oder Verlagerung von einem oder mehreren Brennern ergibt, besteht die Möglichkeit einer »schiefen« Belastung der Produktgasleitung, wodurch es zu einer örtlichen Zerstörung der Gasabschirmung nach dem bekannten Verfahren kommen kann. Bei kleinen Reaktoranlagen beispielsweise sind eine unrunde Gasableitung und deren Oberflächenrauhigkeit kritische Faktoren, während auch die Ansatzbildung an der Wand und ein Ausbruch aus der Oberfläche während des Betriebes, z. B. durch thermisches Abschälen des Wandmaterials, von Einfluß sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Gasabschirmung über beträchtliche Längen der Gasableitung wirksam zu halten und eine einfache Regelmöglichkeit zu geben.
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die gestellte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst
Die Verbesserung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, hinsichtlich der oben erwähnten Schwierigkeiten, tritt besonders an der Übertrittsstelle von dem Reaktor in Erscheinung, aus dem das Produktgas mit einer Temperatur von etwa 16000C austritt und in den Hals nach Abkühlung mit Hilfe des Kühlgases auf <900°C abgekühlt wird. Darüber hinaus benötigt man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur eine einzige Zuführung für Kühlgas, während es bei der bekannten Vorrichtung — abgesehen von den vielen Teilströmen um den gesamten Umfang der Rohrzone radial unter Druck einzuführendem Kühlgas — erforderlich ist, das Kühlgas über eine Vielzahl von über dem Umfang eines Ringkanals verteilten Zuführungen tangential derart einzuführen, daß der Strömung eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente verliehen wird. Darüber hinaus ist es bei der bekannten Vorrichtung erforderlich, unmittelbar unterhalb der rotationssymmetrisch über den Umfang des Ringkanals zugeführten Gasströme noch etwas stromabwärts ebenfalls tangential und über den gesamten Umfang verteilt Sauerstoff zuzuführen, um durch Abbrennen
eines Teils der brennbaren Stoffe aus dem Produktgas einen Rand derart aufzuheizen, daß die sich eventuell absetzende Schlacke oder Asche fließfähig wird und aDtropfen kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hingegen keine rotationssymmetrische Einführung von Gas angestrebt Auch soll dieses keine Dralibewegung besitzen, sondern einen Kühl-Gasschleier über ein beträchtliches Wandstück der Ableitung des heißen Produktgasstroms ergeben. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sorgt das mit hoher Temperatur unten eintretende Produktgas zu einer so weitgehenden Erhitzung des Staurandes, daß vom Produktgas mitgerissene und auf den Staurand zurückfallende Schlackentröpfchen oder Aschenteilchen schmelzen und damit so geringe Viskosität erhalten, daß sie von dem Staurand durch die Einschnürung wieder in den Reaktor zurückzutropfen vermögen.
Die Stabilität des sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausbildenden Gasvorhangs ist im Vergleich zu den bisherigen Maßnahmen nur wenig vor äußeren Faktoren, wie der Strömung des Produktgases, abhängig. Man kann gegebenenfalls noch zusätzlich Kühlmittel einführen, z. B. weiter oben über der durchlässigen Wand, zur weiteren Verbesserung der Stabilität des Gasvorhangs.
Der Gasvorhang hat drei Hauptaufgaben, nämlich die Kühlung des Produktgases, die Verhinderung des Auftreffens von Ascheteiichen an den Wänden und die Abkühlung der Ascheteilchen durch das die Wand durchdringende Gas vor Auftreffen auf die Wand.
Dabei kann die »Gasdurchlässigkeit« der Wand auf beliebige Weise hervorgerufen werden. Es eignen sich somit poröse oder durchbrochene Wände. Wesentlich ist nur, daß die Gasdurchgänge durch die Wand gleichmäßig in beiden Richtungen senkrecht zu der Wand verteilt sind. Ein vielfacher Durchtritt des Kühlgases wird bevorzugt. Die erforderliche Porosität schränkt die brauchbaren Werkstoffe entsprechender thermischer und mechanischer Eigenschaften ein. Die bevorzugten Porositäten liegen zwischen 0,05 und 0,5. Die Geschwindigkeit des Kühlgases bei Durchtritt durch die Wand liegt im allgemeinen zwischen 0,1 und 10 m/s.
Da das Kühlgas die durchlässige Wand durchdringen muß, so muß der Druck an der Außenseite der Wand höher sein als in der Ableitung selbst Die durchlässige Wand wird daher von einer Hülse umgeben, über welche die Zufuhr des Kühlgases zu der durchlässigen Wand stattfindet und welche dem herrschenden Druck zu widerstehen vermag. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Hochdruck-Vergasung von Kohle, da auf diese Weise die durchlässige Wand, die bereits hoher Temperatur ausgesetzt ist nicht auch noch hohen Drücken zu widerstehen hat Diese Hülse braucht daher nicht notwendigerweise feuerfest zu sein und die durchlässige Wand braucht daher nicht aus einem Werkstoff zu bestehen, der auch noch druckbeständig ist
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß an der Innenseite der durchlässigen Wand keine Wärmeverluste durch Abstrahlung eintreten, da der Wärmeinhalt des Kühlgases vollständig als Dampf nutzbar gemacht werden kann.
Ein Maß für die Wirksamkeit des Gasvorhangs ist der Abstand, über den er innerhalb der Ableitung aufrecht erhalten werden kann. Diese Distanz muß natürlich größer sein als die Strecke, innerhalb welcher die fliegenden Ascheteilchen noch immer klebrig sind, und diese Strecke hängt weitgehend ab von der Menge und der Anfangstemperatur des Gases in dem Gasvorhang aufgrund des Wärmeaustausche mit dem Strom des Produktgases. Es wurde festgestellt daß bei früheren Verfahren optimale Wirksamkeit nur bei einem ganz speziellen Verhältnis von Produktgas zu Schutzgas erreicht wird und dieses natürlich nicht leicht zu regeln ist und bei bestimmten Fällen das Optimum, d. h. die maximal einhaltbare Strecke, innerhalb welcher die
ίο Gasabschiraiung intakt bleibt, wesentlich geringer ist als die Strecke, innerhalb welcher die Ascheteilchen noch klebrig sind. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt nun darin, daß kein solches Optimum besteht sondern die Wirksamkeit mit
)5 steigendem Verhältnis von Kühlgas zu Produktgas ansteigt
Es wurde in der Praxis auch festgestellt daß — wenn ein Ascheteilchen durch den Schutzgasvorhang dringt
— die Änderung der Strömung in der Ableitung durch das an der Wand haftende Teilchen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht kritisch ist und die Teilchen nicht die Tendenz haben anzuwachsen. Eine Erklärung dafür ist daß — wenn der Gasschleier im oberen Teil der Ableitung hervorgerufen wird — er wesentlich empfindlicher auf Oberflächenrauheiten wäre, als wenn
— wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung — die ganze Abschirmung über die ganze Länge der Ableitung erfolgt
Als Kühlgas kann rückgeleitetes Produktgas angewandt werden, welches vorher abgekühlt und gereinigt wurde. Man kann aber auch andere Kühlgase, wie Stickstoff, Dampf oder Kohlendioxid anwenden, jedoch hat die Anwendung von Produktgas auch den Vorteil, daß es immer verfügbar ist und es zu keinem Verdünnen des Produktgases durch dieses Kühlgas kommt.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden vorzugsweise 50 bis 200 Gew.-% Kühlgas, bezogen auf das Gewicht des Produktgases, eingesetzt
Für kleine Reaktoren ist eine dünne Ableitung und damit eine relativ einfache Konstruktion mit einem glatten Produktgasstrom und einem stabilen Kühlgasmantel ausreichend. Bei größeren Reaktoren ist mehr als eine Ableitung notwendig oder größere Ableitungen mit mehreren durchlässigen Wänden, z. B. mehrere poröse Zylinder, die parallel sein können, oder eine Anzahl von ebenen durchlässigen Wänden, die zu einer achteckigen Ableitung oder dergleichen zusammengefaßt sind. Je größer der Querschnitt einer Ableitung ist, umso größer ist das Verhältnis Volumen zu Obei fläche und um so schwieriger eine ausreichende Kühlung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat der poröse Zylinder als durchlässige Wand eine Länge, die seinem 0,5 bis 4fachen Durchmesser entspricht Ist der poröse Zylinder zu kurz, so ist seine Wirksamkeit zu gering und der Gasschleier endet, bevor die Ascheteiichen ausreichend abgekühlt sind. Andererseits braucht der poröse Zylinder und damit der Gasschleier nicht länger als notwendig zu sein. Es kann sich der Gasschleier über das Ende des porösen Zylinders in der Ableitung erstrecken.
Durch die Einschnürung mit einem Durchmesser von 50 bis 95% der lichten Weite des porösen Zylinders zwischen porösem Zylinder und Reaktor bleibt der Gasschleier lange aufrecht.
Die Err;ndung wird an der Zeichnung weiter erläutert. Die rohrförmige Ableitung 1 ist über einen Staurand 2 mit einem Reaktor für die Kohlenstaub-Vergasung verbunden, wobei von der Reaktorwand nur ein kleiner
oberer Teil 3 gezeigt ist. Das Reaktionsgas strömt aus dem Reaktor durch die vom Staurand 2 gebildete Einschnürung 4 in die Ableitung 1. Der Staurand 2 aus feuerfestem Material ist an der Innenseite der druckbeständigen Reaktorwand 5 befestigt.
Stromabwärts des Staurands 2 ist von der Wand 5 des Reaktors ein hülsenartiges Teil 6 vorgesehen, welches oben offen und mit einem Flansch 7 versehen ist. Dieser ist mit einem Flansch 8 eines druckbeständigen Außenrohrs 9, welches mit einer dicken, feuerfesten ι ο Ausmauerung 10 ausgestattet ist, fest verbunden.
Innerhalb der Hülse 6 befindet sich ein poröser Zylinder 11, dessen lichte Weite der der feuerfesten Auskleidung 10 entspricht. Die Wandstärke des Zylinders 11 ist derart, daß ein freier Raum 12 zwischen Zylinder und Hülse entsteht, dem über eine Leitung 13 Kühlgas zugeführt werden kann. Der poröse Zylinder 11 sitzt auf dem Staurand 2 auf und wird oben von der feuerfesten Auskleidung 10 abgeschlossen.
Den Reaktor verlassen durch die Einschnürung heiße Gase, die geschmolzene Aschtteilchen enthalten und eine Temperatur von über 12000C aufweisen. Durch Strahlung aus dem Reaktor und Berührung mit dem Reaktionsgas ist die Temperatur des Staurands 2 so hoch, daß die sich dort abscheidenden Ascheteilchen flüssig bleiben und zurück in den Reaktor tropfen. Durch die Einschnürung 4 gelangt der aschehaltige Produktgasstrom in den porösen Zylinder 11. In den Raum 12 zwischen Hülse 6 und Zylinder 11 wird über die Leitung 13 Kühlgas unter einem etwas höheren Druck als im Reaktor eingeführt, so daß das Kühlmedium einen schützenden Gasschleier um den Produktgas-Strom zu bilden vermag. Dieser Strom behält über eine gewisse Strecke seinen Durchmesser, den er durch die Einschnürung 4 erhielt, bei, wodurch der Gasschleier seine Schutzwirkung entwickeln kann.
Wie oben bereits darauf hingewiesen, kann der Gasschleier über eine gewisse Distanz über den porösen Zylinder hinausreichen. Das Kühlgas kühlt den Raum 12, den porösen Zylinder 11 und den Strom des Produktgases innerhalb der Ableitung 1. Wenn das Produktgas eine gewisse Strecke durch die Ableitung 1 geströmt ist, so ist seine Temperatur bereits so weit abgesunken, daß die Ascheteilchen nicht mehr klebrig sind. Die Aufgabe des Gasschleiers, d. h. Verhinderung eines Auftreffens von Ascheteilchen auf der Wand der Ableitung I, ist damit erfüllt, so daß keine Notwendigkeit besteht, den Gasschleier länger aufrechtzuerhalten.
Die poröse Wand kann aus den verschiedensten Werkstoffen bestehen, abhängig zum Teil von der Art des Kühlmediums. So kann die poröse Wand z. B. aus einem Sinterwerkstoff, aus einem geschäumten Metall oder Keramikmaterial oder aus feuerfesten Werkstoffen bestehen. Insbesondere wenn als Kühlmedium Wasser angewandt wird, ist es wesentlich, verschiedene Werkstoffe für die Innenseite der porösen Wand und der Außenseite anzuwenden, da Wasser nur in unmittelbarer Nähe der Innenseite der Wand verdampft und daher der Temperaturgradient hier am höchsten ist
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Produktgas-Kühlvorrichtung an einem Generator zur Vergasung von Kohlenstaub und Herstellung von Synthesegas mit einer an einen Reaktor angeschlossenen Ableitung Tür das Synthesegas, wobei zwischen dem Reaktor und der Ableitung bzw. als Teil der Ableitung eine für Kühlgase durchlässige Wand (11) vorgesehen ist, hinter der sich ein freier Raum (12) innerhalb eines hülsenartigen Teils (6) befindet, welcher eine Zuführung (15) für das Kühlgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Wand ein poröser Zylinder ist, dessen Länge dem 0,5 bis 4fachen seines Durchmessers entspricht
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem porösen Zylinder und dem Reaktor ein Staurand (2) für eine Einschnürung (4) befindet, d~ren Durchmesser 50 bis 95% der lichten Weite des porösen Zylinders entspricht
DE2817356A 1977-04-22 1978-04-20 Produktgas-Kühlvorrichtung an einem Generator zur Kohlenstaub-Vergasung und Herstellung von Synthesegas Expired DE2817356C2 (de)

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