DE2821413A1

DE2821413A1 - Teiloxydationsverfahren

Info

Publication number: DE2821413A1
Application number: DE19782821413
Authority: DE
Inventors: Rodney Mcgann; Peter L Paull
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1978-05-16
Filing date: 1978-05-16
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2821413C2

Description

Teiloxydationsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Teiloxydationsverfahren zur Herstellung von Synthesegas, Generatorgas oder reduzierendem Gas mit überhitztem Dampf als Nbenprodukt.
Beim Teiloxydationsverfahren muß das Abgas, das den Gasgener ator mit einer Temperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 9300C verläßt, unter die Gleichgewichtstemperatur für die gewünschte Gaszusammensetzung abgekühlt werden. Gegenwärtig wird dieses durchgeführt, irdem man den Abgasstrom i@ Wasser @bsch@@ckt, oder indem man den Gasstrom in einem Gaskühler abkühlt, wedurch man gesättigten Dampf erzeugt. Diese beiden Verf@hren zur Abkühlung des Gases führen zu @inem stark@n Ansti@g der Entropie und zur Verminderung des thermischen Wirkungsgrades.
Dieses problem wird zum Teil gemäß der Erfindung durch die Erzeugung von überhitztem Dampf aus der Eigenwärme gelöst, die dem heißen Abgasstrom entnommen wird, der dem Teiloxydationsgasgenerator bei seiner maximalen Temperatur verläßt.
Die Erzeugung gesättigten, jedoch nicht überhitzten Dampfes ist Gegenstand der US-PS 3 523 930.
Gemaß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung casförmiger Mischungen mit einem Gehalt an H2 und CO durch Teiloxydation eines Brennstoffes geschaffen, der Kohlenstoff und Wasserstoff mit einem freien Sauerstoff aufweisenden Ca enthält, bei einer Temperatur von 815 bis 1 930°C und einem Druck von 1 bis 250 ata in der Reaktionszone eines Freiflußgasgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß man die Eigenwärme eines nicht gequenchten Gasstromes von dem Generator abführt, indem man es stufenweise durch einen ersten und einen zweiten Wärmetauschbereich führt, wobei man die in den zweiten Dereich abgeführte Eigenwärme zur Verdampfung eines Wasserstromes durch direkten Wärmeaustausch verwendet, wahrend man die in dem ersten Bereich abgeführte Eigenwärme zur Überhitzung mindestens eines Teils des Dampfes ausnutzt. Mindesters ein Teil des gemäß der Erfindung erzeugten überhitzten Dampfes kann kontinuierlich zum Gasenerator in Kreislauf als Dispersant oder Träger für der Brennstoff oder als Temperaturdämpfer gefthrt werden. Wahlweise kann mindestens ein Teil des überhItztn Dampfes kontinuierlich einer Dampf turbine als Arbeitsmedium zugeführt werden, zur Erzeugung mechanischer Arbeit oder elektrischer Energie. Die hohe Dampfüberhitzungstemperatur führt zu einem höheren Umsetzungswirkungsgrad. Gemäß einer Ausführungsform der erfindung wird der heiße Abgasstrom des Teil-xydations-Gsgenerators stufenweise nacheinander durch einen ersten und einen zweiten Wärmetauschbereich geführt.
Es wird ein kontinuierlicher Gasstrom in dem zweiten Wärmetauschbereich, d.h. in einem Gaskühler erzeugt. Dann wird innerhalb des ersten Wärmetauschbereiches der Dampfstrom in einen kontinuierlichen Strom überhitzten Dampfes umgesetzt durch den Wärme austausch mit dem heißen Abgasstrom, der den Gasgenerator verläßt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind drei Wärmetauschbereichcvorgesehen. In dem ersten Wärmetauscher nimmt ein kontinuierlicher Strom eines Wärmeübergangsmediums einen Teil der Eigenwärme des heißen Abgasstromes, der den Gasgenerator verläßt, auf. Das aufgeheizte.
Wärmeübergangsmedium wird dann kontinuierlich einem dritten Wärmetauschbereich (der als Überhitzer wirkt) zugeführt, der im Wärmeaustausch mit einem kontinuierlichen Dampfstrom steht.
Der Dampfstrom wurde zuvor in einem Wärmetauscher erzeugt durch den Wärme austausch zwischen Wasser und dem Abgasstrom, der den ersten Wärmetauscher verläßt.
Ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes kann aus dem Überhitzer zur Verwendung in dem Verfahren oder zu anderen Zwecken abgeführt werden. Vorteilhafterweise ist der Druck des überhitzten Dampfes höher als derjenige, der in dem Gasgenerator vorliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil des Dampfes oder des Wärmeübergangsmediums kontinuierlich in den Abgasstrom in dem ersten Wärmetauschbereich eingeleitet.
Gemäß einer Ausbildung dieser Ausführungsform wird das heiße Abgas von dem Gasgenerator direkt durch einen ersten Wärmeaustauschbereich mit einem Röhrenwärmeaustauscher hindurchgeführt, wo ein indirekter Wärme austausch mit einem kontinuierlichen Dampfstrom erfolgt, der einen höheren Druck besitzt als das Abgas, wodurch der Dampf in einen kontinuierlichen Strom überhitzten Dampfes übergeführt wird, während gleichzeitig die Temperatur des Abgases sich vermindert. Ein Teil des Dampfes wird kontinuierlich in das Abgas durch Öffnungen in den Wänden der Rohre eingeleitet, wodurch eine Schutzschicht von Dampf zwischen der Oberfläche der Rohre und dem Abgasstrom, der den ersten Wärmetauschbereich durchläuft, gebildet wird.
Vorteilhafterweise besitzt der gemäß der Erfindung erzeugte Dampf einen höheren Druck als der Druck des Abgases. Dementsprechend durchströmt der Dampf die Öffnungen in den Wandungen der Rohre ohne weitere Kompression.
Gemäß einer anderen Ausführung dieser Ausbildungsform wird das den Gasgenerator verlassende Abgas ggf. durch eine Feststoffabtrennzone bei im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck wie in dem Generator direkt durch einen ersten Wärmetauschbereich mit einem Röhrenwärmeaustauscher geführt, im Wärmeaustausch mit einem kontinuierlichen Strom gasförmigen Wärmeübergangsmediums, wodurch der heiße Abgasstrom abgekühlt und gleichzeitig das gasförmige Wärmeübergangsmedium erhitzt wird. Ein Teil des gasförmigen Wärmeübergangsmediums wird kontinuierlich in den Abgasstrom durch Öffnungen in den Wandungen der Röhren und ggf. der Rohrverzweiger der Wärmeaustauscher eingeleitet, wodurch eine Schutzschicht oder ein Vorhang gasförmigen Wärmeübertragungsmediums zwischen der Oberfläche der Rohre und ggf. Rohrverzweiger und dem Abgasstrom aufgebaut wird. Das erhitzte, gasförmige Wärmeübertragungsmedium, das den ersten Wärmeaustauschbereich verläßt, wird in einen dritten Wärmeaustauschbereich eingeleitet, unter indirektem Wärme aus tausch mit dem Dampf, der den zweiten Wärmeaustauschbereich verläßt, wodurch das gasförmige Wärmeübertragungsmedium abgekühlt und ein Strom überhitzten Dampfes erzeugt wird. Die Mischung des Abgases und des eingeleiteten Teils des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums aus dem ersten Wärmeaustauschbereich wird gereinigt, wodurch ein Rohproduktabgas erzeugt wird.
Ein Teil des rohen, sauberen Produktabgases wird als Ausgleich mit dem gekühlten Wärmeübertragungsmedium, das den dritten Wärmeaustauschbereich verläßt, vermischt, worauf die gasförmige Mischung in den ersten Wärmeaustauschbereich als gasförmiges Wärmeübertragungsmedium eingeleitet wird.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 4 schematische Darstellungen von Fließbildern bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit der Erfindung wird ein verbessertes, kontinuierliches Teiloxydations-Vergasungsverfahren zur Herstellung rohen Synthesegases, reduzierenden Gases oder Brennstoff, zusammen mit wertvollem überhitzten Dampf als Nebenprodukt geschaffen.
Die vorerwähnten Gasströme enthalten H2 und CO sowie im allgemeinen einen oder mehrere der folgenden Bestandteile, nämlich H20, C02, H2S, COS, CH4, N2, Ar und teilchenförmigen Kohlenstoff.
Ein kontinuierlicher Abgasstrom des Synthesegases, des reduzierenden Gases oder des Brennstoffgases wird in einer mit einem hitzebeständigen Material ausgekleideten Reaktionszone eines getrennten, offenen, nicht katalytischen Freifluß-Teiloxydationsgasgenerator erzeugt. Bei dem Gasgenerator handelt es sich bevorzugt um einen senkrechten Stahldruckbehälter, wie er in der US-PS 2 992 906 beschrieben ist.
Man kann einen weiten Bereich trennbarer Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltender organischer Materialien in dem Gasgenerator mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas ggf.
in der Anwesenheit eines temperaturdämpfenden Gases reagieren lassen, um den besagten Abgasstrom zu erzeugen.
Jeder Brennstoff, der Kohlenstoff und Wasserstoff sowie ggf. andere Elemente enthält, der im allgemeinen in Teiloxydations-Gasgeneratoren eingesetzt werden kann, einschließlich gasförmigen flüssigen und festen Kohlenwasserstoffen, kohlenstoffhaltigen Materialien, eignet sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es kann sogar im wesentlichen jede brannbare Kohle, die organisches Material oder fossilen Brennstoff, auch in aufgeschlämmter Form, aufweist, Verwendung finden. Beispielhaft sind zu nennen 1. pumpbarer Schlamm fester kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, wie z.B. Kohle, Lignit, Kohlenstaub, Erdölkoks, konzentrierter Abwasserschlamm sowie Mischungen hiervon, 2. Gas/Feststoffsuspensionen,wie feingemahlene, feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe, die entweder in einem temperaturdämpfenden Gas oder einem gasförmigen Kohlenwasserstoff dispergiert sind und 3. Gas-Flüssigkeits/Feststoff-Dispersionen, wie atomisierter, flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoff oder atomisiertes Wasser und feinkörnige Kohle, dispergiert in einem temperaturdämpfenden Gas. Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff kann einen Schwefelgehalt im Bereich von 0 bis 10 Gew.-% und einen Aschegehalt im Bereich von 0 bis 15 Gew.-% aufweisen.
Der Begriff flüssige Kohlenwasserstoffe" zur Beschreibung geeigneter flüssiger Rohstoffe umfaßt verschiedene Materialien, wie verflüssigtes Erdölgas, Erdöldestillate und -rückstände, Benzin, Naphta, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl und Schieferöl, Kohleöl, aromatische Kohlenwasserstoffe (wie Benzol-, Toluol-, Xylolfraktionen), Kohlenteer, Rückführgasöl aus dem katalytischen Flüssigkeitskrackbetrieb, Furfuralextrakt von Koksgasöl und Mischungen dieser Bestandteile. Der Begriff "gasförmige Kohlenwasserstoffbrennstoffe" zur Beschreibung geeigneter gasförmiger Rohstoffe umfaßt Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Naturgas, Wassergas, Koksofengas, Raffineriegas, Acetylennachlaufgas, Äthylenabgas, Synthesgas und Mischungen dieser Bestandteile.
Gasförmige und flüssige Ausgangsstoffe können miteinander vermischt und ghichzeitig eingesetzt werden und können paraffinische, olefinische, naphtenische und aromatische Bestandteile in beliebigen Verhältnissen aufweisen.
Als Brennstoffe mit einem Gehalt an Kohleastoff und Wasserstoff sind auch oxydierte kohlenwasserstoffhaltige, organische Materialien verwendbar, einschließlich Kohlehydraten, Zellulosemateriaten, Aldehyden, organischen Säuren, Alkoholen, Tetonen, oxydiertem Brennöl, flüssige Abfallstoffe und Nebenprodukte von chemischen Verfahren, die oxydierte kohlenwasserstoffhaltige, organische Materialien enthalten>sowie Mischungen dieser Bestand teile.
Der Beschickungsbrennstoff kann Raumtemperatur aufweisen, oder er kann auch vorerhitzt sein, z.B. auf eine Temperatur von 315 bis 650qC, z.B. bis 4300C, wobei die Temperatur jedoch vorzugsweise unter der Krack-Temperatur liegt. Das Vorerhitzen des Brennstoffes kann durch kontaktlosen Wärmeaustausch erfolgen, oder es kann durch unmittelbaren Kontakt mit überhitztem oder gesättigtem Dampf durchgeführt werden, der an einer Stelle später im Verfahren erzeugt wird. Der Brennstoff kann in flüssiger Phase in den Brenner eingeführt werden, oder es kann sich um eine verdampfte Mischung handeln mit einem Temperaturdämpfer. Geeignete Temperaturdämpfer umfassen überhitzten Dampf, gesättigten Dampf, ungesättigten Dampf, Wasser, C02-reiches Gas, ein Teil des gekühlten Abgases von einer Turbine, die an weiter zurückliegender Stelle des Verfahrens eingesetzt wird, Stickstoff in Luft, Stickstoff als Nebenprodukt von einer herkömmlichen Luftzerlegungseinheit sowie Mischungen der erwähnten Temperaturdämpfer.
Die Verwendung eines Temperaturdämpfers zur Dämpfung der Temperatur in der Reaktionszone hängt im allgemeinen von dem Kohlenstoff zu Wasserstoffverhälntis des Ausgangsmaterials und dem Sauerstoffgehalt des Oxydationsmittelstromes ab. Ein Temperaturdämpfer muß nicht bei allen gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen eingesetzt werden, er wird jedoch im allgemeinen bei flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen und bei im wesentlichen reinem Sauerstoff verwendet. Der Temperaturdämpfer kann als Beimischung eines oder beider Reaktionsströme zuge führt werden. Andererseits kann der Temperaturdämpfer in die Reaktionszone des Gasgenerators durch eine ge) trennte Leitung in den Brenner eingeleitet werden.
0 bis 100 % des später im Verfahren erzeugten überhitzten Dampfes können zur Vorerhitzung und Dispergierung der flüssigen, kohlenwasserstoffhaltigen Beschickung eingesetzt werden, oder zur Vorerhitzung und zum Mitreißen der festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, die in den Gasgenerator eingeführt werden können.
Das Gewichtsverhältnis der Gesamtmenge an H20 zum in die Reaktionszone des Gasgenerators eingeführten Brennstoff liegt im allgemeinen im Bereich von 0 bis 5.
Wenn man verhältnismäßig kleine Mengen H20 der Reaktionszone beispielsweise durch den Brenner zuführt, um die Brennerspitze zu kühlen, kann das H20 sich mit dem Brennstoff, dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, dem Temperaturdmpfer oder verschiedenen Bestandteilen vermischen. In einem solchen Fall liegt das Gewichtsverhältnis von Wasser zu Brennstoff zweckmäßigerweise in einem Bereich von 0,0 bis 1,1 und noch stärker bevorzugt, von 0,0 bis 0,2.
Der Begriff " freien Sauerstoff enthaltendes Gas" soll hier Luft, sauerstoffangereicherte Luft, d.h. Luft mit einem Gehalt von mehr als 21 Mol-% Sauerstoff und im wesentlichen reinen Sauerstoff, d.h. Sauerstoff mit einem Gehalt von mehr als 95 Mol-% (mit einem Rest an N2 und seltenen Gasen) umfassen.
Freien Sauerstoff enthaltendes Gas führt man in den Brenner bei einer Temperatur ein, die zwischen Raumtemperatur und 985 0C liegt. Das Verhältnis von freiem Sauerstoff in dem Oxydationsmittel zum Kohlenstoff in dem Beschickungsmaterial (O/C, Atom/ Atom) liegt bevorzugt im Bereich von etwa 0,7 bis 1,5.
Die Beschickungsströme werden in die Reaktionszone des Gasgenerators mit Hilfe eines Brenners eingeführt. Dabei können Ringbrenner, wie sie beispielsweise in der US-PS 2 928 460 beschrieben sind, eingesetzt werden.
Man läßt die Beschickungsströme durch Teiloxydation miteinander reagieren, ohne daß sich ein Katalysator in der Reaktionszone des Freifluß-Gasgenerators befindet, bei einer Autogentemperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 930 0C und einem Druck im Bereich von 1 bis 250 ata. Die Reaktionszeit in dem Gasgenerator liegt im allgemeinen zwischen 1 und 10 Sekunden. Der Abstrom des Gases, das den Gasgenerator verläßt, kann CO, H2, CO2, H20, CH4, N2, Ar, H2S und COS enthalten. Nicht in Reaktion getretener, teilchenförmiger Kohlenstoff (auf der Basis des Gewichtes des Kohlenstoffs in der Beschickung) liegt im allgemeinen im Bereich von 0, 2 bis 20 Gew.-% bei flüssigen Beschickungen, ist jedoch normalerweise bei gasförmigen Kohlenwasserstoffbeschickungen vernachlässigbar. Die spezifische Zusammensetzung des Abgases hängt von den Betriebsbedingungen und den Zufuhrströmen ab. Synthesegas umfaßt im wesentlichen H2 + CO. Alles oder das meiste des H20 und C02 wird für das reduzierende Gas entfernt, und der CH4-Gehalt kann für Brennstoffgas erhöht werden.
Das Vorerhitzen des Brennstoffes kann durchgeführt werden durch indirekten Wärmeaustausch oder direkten Kontakt mit überhitztem, gesättigtem oder ungesättigtem Dampf, wie er in dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt wird.
Ein kontinuierlicher Strom heißen Abgases bei im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck, wie in der Reaktionszone,verläßt durch eine axiale Austrittsöffnung den Gasgenerator und wird dann direkt einem ersten Wärmeaustauschbereich zugeführt. Gegebenenfalls kann sich eine Feststofftrennzone (in der Zeichnung nicht dargestellt) zwischen der Austrittsöffnung des Gasgenerators und dem ersten Wärmeaustauschbereich befinden. Die Feststofftrennzone kann aus einem Freistromabscheider bestehen, wie beispielsweise einer Schlackenkammer, die in die Leitung vor dem ersten Wärmetauscher geschaltet ist. Hierdurch kann zumindest ein Teil irgendwelchen Feststoffmaterials, wie beispielsweise feinkörnige Kohle, Asche, Schlacke, Auskleidungsmaterial und Mischungen hiervon, das in dem heißen Abgasstrom eingeschlossen ist, oder das den Gasgenerator verläßt, (wie beispielsweise Schlacke, Asche, Teile von Auskleidungsmaterial) aus dem Abgasstrom abgetrennt und mit geringem oder gar keinem Druckverlust in der Leitung zurückgewonnen werden. Einetypische verwendbare Schlackenkammer ist in Fig. 1 der Zeichnungen der US-PS 3 528 930 dargestellt.
Ein Teil der Eigenwärme des nicht abgekühlten Abgasstromes, der den Gasgenerator oder den Feststoffabscheider verläßt, wird in einem ersten Wärmetauschbereich zurückgewonnen.
Diese Wärme wird eingesetzt, um den Dampf, der an anderer Stelle in dem Verfahren gewonnen wird, in überhitzten Dampf zu überführen, bei einem Druck oberhalb des Gasgeneratordruckes. Wie in den Fig. 1 und 3 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wird der durch die Leitungen 39 und 42 strömende überhitzte Dampf in dem Wärmetauscher 16 durch den Wärmeaustausch zwischen dem Abgasstrom aus dem Gasgenerator und dem Dampf erzeugt. In den Fig. 2 und 4 wird der durch die Leitung 39 strömende überhitzte Dampf in dem Wärmetauscher 55 durch den Wärmeaustausch zwischen einem Wärmeübertragungsmedium und Dampf erzeugt. Das Wärmeübertragungsmedium wurde vorher in dem Wärmetauscher 16 durch den Wärme aus tausch mit dem Abgasstrom aus dem Gasgenerator erhitzt.
In der Darstellung gemäß Fig. 1 strömt der heiße Abgasstrom aus dem Generator und in kontaktlosem Wärmeaustausch an einem Dampfstrom vorbei, der unmittelbar im Anschluß hieran in einem Seitenwärmeaustauschbereich erzeugt wurde. Der Begriff "kontaktlos" bedeutet, daß keine Vermischung zwischen den beiden Gasströmen eintritt. Vorzugsweise laufen die beiden Ströme in entgegengesetzte Richtungen, d.h. im Gegenstrom.
Sie können jedoch auch in der gleichen Richtung verlaufen, d.h. im Gleichstrom. In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Röhrenwärmeaustauscher 16 darçestellt, in welchen Dampf eintritt, aus welchem überhitzter Dampf aus der Behälterseite aus tritt, während das heiße Abgas Röhren oder Mehrfachspiralen durchläuft. Diese Anordnung der Ströme kann umgekehrt werden, wobei das heiße Abgas aus der Behälterseite austreten kann. Im Grunde kann jeder Wärmeaustauscher, der die hohen Temperaturen und Drucke der Medien auszuhalten vermag, Einsatz finden. Wärmebeständige Metalle und Keramik können als Konstruktionsmaterialien eingesetzt werden.
Der in überhitzten Dampf umzusetzende Dampfstrom tritt in den ersten Wärmetauscher bei einer Temperatur von 150 bis 375°C ein und einem Druck, der im Bereich von etwa 4 ata bis 260 ata liegt. Der überhitzte Dampf verläßt den ersten Wärmetauscher bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich von 4 bis 260 ata. Vorteilhaft steht der überhitzte Dampf unter einem Druck, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators. Die hohe Dampfüberhitzungstemperatur führt zu einem hohen Umsetzungswirkungsgrad, wenn der überhitzte Dampf als Arbeitsmedium in eine Expansionsturbine zur Erzeugung mechanischer Kraft oder elektrischer Energie eingesetzt wird. Der heiße Abgasstrom aus dem Gasgenerator oder dem Feststoffabscheider tritt mit im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck wie in der Reaktionszone in dem ersten Wärmetauscher, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 930°C und einem Druck im-Bereich von etwa 1 bis 250 ata ein, wie z.B. bei einem Druck von 3,5 bis 250 ata.
Der teilweise abgekühlte Abgasstrom kann den ersten Wärmeaustauschbereich bei einer Temperatur im Bereich von etwa 315 bis 1 4300C und einem Druck im Bereich von etwa 3,5 bis 250 ata verlassen und tritt in einen zweiten Wärmeaustauschbereich, wie z.B. den Gaskühler 23, ohne wesentliche Verminderung der Temperatur und des Druckes, ein, wo er in kontaktlosem Wärme aus tausch an dem Speisekesselwasser vorbeigeführt wird.
Der Rohabgasstrom verläßt den zweiten Wärmeaustauschbereich bei einer Temperatur im Bereich von etwa 160 bis 370°C und einem Druck, der im wesentlichen der gleiche ist wie in der Reaktionszone des Gasgenerators, vermindert um den üblichen Druckabfall in den Leitungen, irgendwelchen Feststoffabscheidern sowie dem ersten und zweiten Wärmeaustauschbereich, d.h. der Gesamtdruckverlust kann etwa 2 ata oder weniger betragen. Der Rohabgasstrom kann die folgenden Bestandteile umfassen (in MOL-%) H2 70 bis 10, CO 15 bis 57, C02 0 bis 5, H20 0 bis 20, N2 0 bis 75, Ar 0 bis 1,0, CH4 0 bis 25, H2S O bis 2,0 und COS 0 bis 0,1. Nicht in Reaktion getretene, feinkörnige Kohle (auf der Gewichtsbasis der Kohle in der B-schickung) kann etwa 0 bis 20 Gew-% ausmachen. Gegebenenfalls kann der Rohabgasstrom, der den zweiten Wärmeaustauschbereich verläßt, herkömmlichen, nachgeschalteten Klär- und Reinigungszonen zugeführt werden, in welchen unerwünschte Bestandteile entfernt werden.
Das Kesselspeisewasser tritt in den zweiten Wärmetauschbereich mit einer Tempertur im Bereich von etwa der Umgebungstemperatur bis 360°C ein und verläßt die Zone als gesättigter oder ungesättigter Dampf bei einer Temperatur von etwa 150 bis 375 0C und einem Druck von 4,5 bis 260 ata. Vorteilhaft kann der ungesättigte oder gesättigte Dampf bei einem Druck hergestellt werden, der größer ist als der Druck innerhalb der Gaszone des Gasgenerators. Obwohl in dem zweiten Wärmetauscher 23 vorzugsweise ein Gegenstrom erzeugt wird, wie dies Fig. 1 zeigt, kann auch der Wärmetauscher im Gleichstrom gefahren werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann darüber hinaus der Dampfstrom in Röhren erzeugt werden, während der Abgasstrom durch den Behälter geleitet wird.
Von etwa 0 bis 100 Gew.-% des in dem zweiten Wärmetauscherbereich erzeugten Dampfes wird in dem ersten Wärmeaustauscherbereich übergeleitet, um überhitzten Dampf zu erzeugen, mit einem Druck, der höher ist als der Druck in dem Gasgenerator.
Gegebenenfalls kann ein Teil des Dampfes irgendwo an anderer Stelle im Verfahren eingesetzt oder nach außen abgeführt werden.
Überhitzter, gesättigter oder ungesättigter Dampf, der in dem laufenden Verfahren hergestellt wurde, kann benutzt werden, um Hitze zur Verfügung zu stellen. So kann beispielsweise der Dampf eingesetzt werden, um die Beschickungssströme zu dem Gasgenerator aufzuheizen. Auf diese Weise kann kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff vorerhitzt werden, bis auf eine Temperatur von etwa 430°C, die jedoch unterhalb der Kracktemperatur liegt, unterVerwendung mindestens eines Teils des durch das gegenwärtige Verfahren erzeugten Dampfes. Er kann außerdem in den Gasgenerator als Temperaturdämpfer eingesetzt werden.
Mindestens ein Teil des im Laufe des Verfahrens erzeugten überhitzten Dampfes kann in den Teiloxydationsgasgenerator eingeführt werden, wo er reagieren und dadurch zur Menge des Wasserstoffes in dem Abgasstrom beitragen kann. Darüber hinaus wird der thermische Wirkungsgrad des Verfahrens verbessert.
Kondensationsprobleme, die sich ergeben können, wenn Dampf und Brennstoff miteinander vermischt werden,können verhindert werden, indem man überhitzten Dampf verwendet. Vorteilhaft setzt man einen Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium in einem Turbokompressor ein, um die Luftbeschickung für eine Lufttrennungseinheit zu komprimieren, zur Erzeugung im wesentlichen reinen Sauerstoffes (95 Mol-% oder höher).
Mindestens ein Teil dieses Sauerstoffes kann in den Gasgenerator als Oxydationsmittel eingeführt werden. Der überhitzte Dampf kann außerdem als Arbeitsmedium in einem turboelektrischen Generator eingesetzt werden. Wenn man mit überhitztem Dampf einer sehr hohen Temperatur beginnt und die Wärme in Elektrizität umsetzt, führt dies zu einem hohen Umsetzungswirkungsgrad.
Der erste und der zweite Wärmeaustauschbereich sind in den Zeichnungen als zwei getrennte Wärmetauscher 16 und 23 dargestellt, die miteinander verbunden sind. Die Vorteile dieses Schemas sind die Vereinfachung des Aufbaues und die Verminderung der Größe eines jeden Wärmeaustauschers, wodurch die Anlagekosten verringert werden. Wärmeaustauscher mit herkömmlichen Aufbau können montiert werden. Die Systemabschaltzeiten können vermindert werden, wenn eine der Einheiten zur Überholung oder Reparatur ausgetauscht werden muß.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der erste und der zweite Wärmeaustauschbereich in einem gemeinsamen Behälter untergebracht sein.
zinke andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt. Der heiße Abgasstrom aus dem Gasgenerator oder ggf. aus dem Freistromabscheider für Feststoffe und/oder Schlacke besitzt im wesentlichen die gleiche Temperatur und den gleichen Druck, wie sie in der Reaktionszone vorliegen, und tritt in den ersten Wärmetauscher 16, wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Zeichnungen, ein. Der Abgasstrom wird jedoch in kontaktlosem Wärmeaustausch an einem re-.
lativ kalten Wärmeübertragungsmedium vorbeigeführt, welches hierdurch auf eine Temperatur im Bereich von etwa 985 bis 1 540°C erhitzt wird. Gleichzeitig wird der Abgasstrom abgekühlt und verläßt den ersten Wärmeaustauschbereich mit einer Temperatur im Bereich von etwa 315 bis 1 430°C und einem Druck im Bereich von etwa 2,7 bis 255 ata, worauf er direkt in den zweiten Wärmeaustauschbereich, d.h. den Gaskühler 23 mit im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck eintritt, wie er den Wärmetauscher 16 verläßt. In dem Gaskühler 23 wird der Abgasstrom in kontaktlosem Wärmetausch an dem Kesselspeisewasser vorbeigeführt. Das Kesselspeisewasser tritt mit einer Temperatur, die im Bereich von der Umgebungstemperatur bis 360°C liegt, ein und entweicht als gesättigter oder ungesättigter Dampf mit einer Temperatur von etwa 150 bis 375 0C und einem Druck von etwa 4,5 bis 260 ata.
Vorteilhaft kann der gesättigte oder ungesättigte Dampf bei einem Druck erzeugt werden, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators. Der Abgasstrom verläßt den Gaskühler 23 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 160 bis 370°C und einem Druck, der in etwa der gleiche ist wie in der Reaktionszone des Gasgenerators, vermindert um den üblichen Druckabfall in den Leitungen und Behältern.
Gleichzeitig mit dem Wärmeaustausch in den Wärmetauschern 16 und 23 wird ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich von 4,5 bis 260 ata in einem dritten Wärmeaustauschbereich, d.h. dem Wärmetauscher 55 durch kontaktlosen Wärmeaustausch zwischen einem kontinuierlichen Dampfstrom von dem vorerwähnten zweiten Wärmeaustauschbereich 23 und einem kontinuierlichen Strom des Wärmeübertragungsmediums von dem ersten Wärmeaustauschbereich 16 erzeugt. Vorteilhaft wird der überhitzte Dampf mit einem Druck erzeugt, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators.
Das Wärmeübertragungsmedium tritt in den Wärmetauscher 55 von dem-Wärmetauscher 60 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 985 bis 1 5400C ein, verläßt den Wärmetauscher 55 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 455 bis 1 205 0C und wird bei im wesentlichen der gleichen Temperatur im Kreislauf dem Wärmetauscher 16 zugeführt, wo es in kontaktlosem Wärmeaustausch an dem Abgasstrom aus dem Gasgenerator, wie oben beschrieben, vorbeigeleitet wird. Hierdurch kann die Eigen wärme des Abgastromes von dem Gasgenerator verwendet werden, um überhitzten Dampf in einer vergleichsweise sauberen Umgebung zu erzeugen.
Ein Teil des Rohabgasstromes kann als Wärmeübertragungsmedium Verwendung finden. Gegebenenfalls kann mindestens ein Teil des Rohabgasstromes mit herkömmlichen Mitteln geklärt und gereinigt werden, um unerwünschte Bestandteile zu entfernen.
Mindestens ein Teil dieses Produktgases kann als Wärmeübertragungsmedium eingesetzt werden. Beispielsweise können Mischungen von H2 + CO mit der folgenden Zusammensetzung (in Mol.-%) erzeugt werden: H2 10 bis 48, CO 15 bis 48 und der Rest N2 + Ar. Außerdem kann im wesentlichen reiner H2 (z.B. 98 Mol.-% oder mehr) als Wärmeübertragungsmedium aus dem Abgas mittels bekannter Gasklärungs- und Reinigungstechniken hergestellt werden, einschließlich der katalytischen Wassergaskonvertierung.
Das zwischen den Wärmetauschern 16 und 55 im Kreislauf geführte Wärmeübergangsmedium kann sich entweder in gasförmigem' oder in flüssigem Zustand befinden, wobei es sich um H20, Helium, Stickstoff, Argon, Wasserstoff oder eine Mischung mit einem Gehalt an H2 + CO handeln kann. Andererseits kann das Wärmeübertragungsmedium Natrium, Kalium, Quecksilber oder Schwefel in gasföflnigem oder flüssigem Zustand sein, so daß das Wärmeübertragungsmedium komprimiert oder gepumpt werden kann, in Abhängigkeit von den Bltriebszuständen der Temperatur und des Druckes sowie der Phase des Wärmeübertragungsmediums. Eine Abkühlung dieser Wärmeübertragungsmedien unter ihrem Verfestigungspunkt ist dementsprechend zu vermeiden.
G-mäß einer anderen Ausführungsform kann das Wärmeübertragungs medium seinen Aggregatzustand während der Wärmeübertragung ändern. So kann beispielsweise in dem Wärmetauscher 16 ein Wrmeübertragungsmittel, das sich in einer flüssigen Phase befindet, in die Dampfphase umgesetzt werden, Dann kann in dem Wärmetauscher 55 das Wärmeübertragungsmedium zurück in den flüssigen Aggregatzustand kondensiert werden, worauf es in den Wärmetauscher 16 gepumpt wird.
Herkömmliche Röhrenwärmetauscher können eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben, können die beiden getrennten Ströme im Wärmeaustausch miteinander in der gleichen oder der entgegengesetzten Richtung aneinander vorbeigeführt werden, wobei jeder Strom durch die Röhren geführt werden kann, während sich der jeweils andere auf der Behälterseite befindet. Durch eine hinlängliche Isolierung der Leitungen, des Gasgenerators 1 und der Wärmetauscher 16, 23 und 55 kann der Temperaturabfall zwischen den einzelnen Bauteilen sehr gering gehalten werden, d.h. geringer als 5 0C. Hitzebeständige Metalle und feuerfeste Auskleidungen werden als Konstruktionsmaterialien eingesetzt.
In Fig. 3 der Zeichnungen ist ein erster Röhrenwärmeaustauscher 16A dargestellt, der eine Anzahl von Röhren oder Spiralen besitzt. Wahlweise können die Verteiler innerhalb oder außerhalb des Behälters angeordnet sein. Die Röhren und ggf. die Vertei ler sind mit öffnungen in den Wänden versehen, durch welche mindestens ein Teil, d.h. etwa 1 bis 50 Vol.-» oder starker bevorzugt, 3 bis 25 Vol.-% des Dampfes, der durch den Behälter von der Außenseite der Rohre zur Innenseite geführt wird, während gleichzeitig der verbleibende Dampf auf der Bfhältersei i überhitzt wird. Nachdem d-r Dampf in die Röhren oder Verzweiger eingedrungen ist, vermischt er sich mit dem Abgasstrom, der direkt die Rohr von dem Gasgenerator bei einem etwas geringeren Druck, d.h. etwa 0,35 bis 3,5 at weniger durchströmt. Vor dem Mischen bildet jedoch der vergleichsweise kühle zugeführte Dampf eine kontinuierlich fließende Schutzschicht oder einen Vorhang zwischen der Innenfläche der Röhren und dem Abgasstrom, der hindurchgeführt wird, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 930°C. In einer ähnlichen Weise kann eine kontinuierlich fließende Schutzschicht oder ein Dampfvorbang die Oberflächen der Vorteiler abdecken, die normalerweise in Kontakt mit dem heißen Abgasstrom ständen. Hierdurch wird die Oberfläche und ggf. der Verteiler gekühlt und gegen korrodierende Gasangriffe geschützt, wie auch vor dem Absetzen von Asche, Schlacke und Ruß.
Andererseits kann der Röhrenwärmeaustauscher 16A so geschaltet sein, daß der heiße Abgasstrom von dem Gasgenerator die Behälterseite durchläuft, während der Dampf durch die Röhren und Verteiler geführt wird. Zumindest ein Teil des Dampfes, d.h. 1 bis 50 Vol.-%, stärker bevorzugt 3 bis 35 Vol.-% können von der Innenseite der Röhren und ggf. Verteiler zur Außenseite geführt werden. Der durchtretende Dampf sorgt für eine Schutzschicht zwischen der Außenseite der Röhren und ggf. Verteiler sowie dem Abgasstrom aus dem Gasgenerator. Der verbleibende Dampf, der durch die Röhren geführt wird, wird überhitzt.
Gegebenenfalls sind in den abwärtigen Enden der Röhren und ggf. dem abwärtigen Verteiler keine Löcher oder eine geringere Anzahl von Löchern vorgesehen, da die Temperatur des Abgasstromes an diesem Punkt durch den Wärmeübergang soweit vermindert worden ist, daß sie unterhalb des Punktes liegt, an welchem die Korrosion mit H2S in dem Abgasstrom eintritt.
Aus dem gleichen Grund sind hochwertige Materialien nur am oberen, (heißen) Ende der Röhren erforderlich. Die Oeffnungen in den Wandungen der Röhren und ggf. Verteiler besitzen einen kleinen Durchmesser im Bereich von etwa 0,025 bis 1,6 mm.
Die Löcher sind um den Umfang der Röhren angeordnet und ihre Anzahl ist so groß, daß eine Schutzströmung um den gesamten Umfang der Röhrer herum auszutreten vermag. Zwei unähnliche Metalle können durch eine festsitzende Gleitverbindung miteinander verbunden werden, um thermische Expansionen und Ableitungen aszugleichen, Bispielsweise können längsgerichtete Abstandsvorsprünge auf dem psositiven Ende der Gleitverbindung vorgesehen sein und einen Spalt bilden, der einen durchtretenden Strom ermöglicht, wenn die Verbindung montiert ist. Hitzebeständiges poröses Material, einschließlich Metall und Keramik kann ebenfalls als Baumaterial verwendet werden.
Der zu überhitzende Dampfstrom tritt in den ersten Wärmetauscher bei einer Temperatur im Bereich von etwa 150 bis 3750C und einem Druck im Bereich von etwa 4,5 bis 260 ata ein. Der überhitzte Dampf verläßt den ersten Wärmetauscher mit einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich von etwa 4 bis 460 ata. Vorteilhaft kann der überhitzte Dampf bei einem Druck erzeugt werden, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators. Dementsprechend strömt der Dampf durch die Öffnungen in der Wandung der Wärmetauscherröhren ohne Kompression.
Während des Durchlaufes durch den ersten Wärmetauschbereich liegt der Wassergehalt des Abgasstromes erhöht im Bereich von etwa 1 bis 50, beispielsweise etwa 3 bis 25 Mol.-% H20. Vorteilhafterweise ist, wenn der Abgasstrom, der den ersten Wärmetauscherbereich verläßt, einer Wassergaskonvertierung unterworfen wird, es erstrebenswert, hinreichend Dampf in den Abgasstrom in den ersten Wärmetauscherbereich zu führen, da das Mol.-Verhältnis H20XCO der gasförmigen Mischung-im Bereich von o,5 bis 8 liegen.
Um den Dampf für die Überhitzung in dem ersten Wärmeaustauschbereich zu erzeugen, wird der teilweise abgekühlte Abgasstrom, der den ersten Wärmeaustauschbereich verläßt, beispielsweise mit einer Temperatur im Bereich von etwa 315 bis 1 430°C und einem Druck im Bereich von etwa 3 bis 250 ata einem zweiten Wärmeaustauschbereich, nämlich dem Gaskühler 23 zugeführt, ohne wesentliche Vermindernung der Temperatur und des Druckes, wo er einem kontaktlosen Wärmeaustausch mit dem Kesseirpeisewasser ausgesetzt wird. Die Temperatur- und Druckzustände in dem zweiten Wärmeaustauschbereich fallen im allgemeinen in den gleichen Temperatur- und Druckbereich wie bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 der Zeichnungen dargestellt. Der heiße Abgasstrom von dem Gasgenerator bzw. ggf. von dem Feststoff- und/oder Schlackenabscheider-tritt in den Wärmetauscher 16A ein, bei welchem es sich um einen Röhrenwärmeaustauscher handelt, dessen Aufbau demjenigen ähnlich ist der zuvor im Zusammenhang mit dem Wärmeaustauscher 16A in Fig. 3 beschrieben wurde. Statt Dampf wird jedoch mindestens ein Teil des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums von der Innenseit der Röhren oder ggf. des Verteilers nach der Außenseite oder umgekehrt geführt und mit dem heißen Umgebungsgasstrom, der den Wärmetauscher 16A durchläuft, vermischt. Dabei wird eine verhältnismäßig kühle, kontinuierlich fließende Schutzschicht oder ein Vorhang von Wärmeübertragungsmedium zwischen den Oberflächen der Röhren und ggf.
der Verteiler und dem Umgebungsabgasstrom von dem Gasgenerator erzeugt. Der nicht übergeleitete Teil des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums wird auf eine Temperatur in Bereich von etwa 700 bis 15400C in dem Wärmetauscher 16A erhitzt und hierauf in einen dritten Wärmetauscher 55 eingeführt, wo es mit Dampf in indirekte Wärmeübertragung gebracht wird, wodurch der überhitzte Dampf erzeugt wird.
Gleichzeitig wird der Abgasstrom, der den ersten Wärmetauschbereich 16A durchläuft, abgekühlt und verläßt mit einer Temperatur im Bereich von 315 bis 1 4300C und einem Druck im Bereich von etwa 3 bis 250 ata die Wärmeaustauschzone.
Der gekühlte Abgasstrom, der den ersten Wärmeaustauschbereich verläßt, kann durch herkömmliche Verfahren gereinigt werden, um unerwünschte eingeschlossene Feststoffe, wie beispiels-und weise teilchenförmige Kohle / Asche zu entfernen, wobei ggf.
der Gasstrom gereinigt werden kann, indem man saure Gase, wie z.B. C02, H2S und COS entfernt. Mindestens ein Teil, d.h.
1 bis 50 Vol.-% und stärker bevorzugt 3 bis 25 Vol.-% des sauberen und ggf. gereinigten Abgasstromes bei einer Temperatur im Bereich von 35 bis 1700C wird mit dem gekühlten Wärmeübertragungsmedium, das den dritten Wärmeaustauschbereich verläßt, im Kreislauf geführt und mit diesem vermischt, um den Teil des sauberen Abgasstromes auszugleichen, der durch den Wärmetauscher 16A in den Abgasstrom der Umgebung übergeht, welcher den ersten Wärmeaustauschbereich durchläuft. Die Gasmischung wird dann bei einr Temperatur im Bereich von etwa 90 bis 1 315 0C bzw. 315 bis 7600C durch den Wärmetauscher 16A als Wärmeübertragungsmedium geführt, wie dies bereits beschrieben worden ist.
Die Betriebsbedingungen in dem zweiten Wärmeaustauschbereich und die Temperatur und der Druck des Kesselspeisewassers sowie des erzeugten Dampfes liegen im wesentlichen in den gleichen Bereichen wie bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung.
Gleichzeitig mit dem in den Austauschern 16A und 23 ablaufenden Wärmeübergang wird ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich von etwa 4,5 bis 260ata in einem dritten Wärmeaustauschbereich, nämlich dem Austauscher 55 durch einen kontaktlosen Wärmeübergang zwischen einem kontinuierlichen Dampfstrom von dem zweiten Wärmeaustauschbereich 23 und einem kontinuierlichen Strom von Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Wärmeaustauschbereich 16A erzeugt. Vorteilhafterweise besitzt der überhitzte Dampf einen Druck, der höher ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators. Das Wärmeübertragungsmedium tritt von dem Wärmetauscher 16A in den Wdrmetauscher 55, beispielsweise mit einer Temperatur im Bereich von 425 bis 1 5400C und starker bevorzugt 425 bis 985 0C ein und vedaßt den Wärmetauscher 55 bei einer Temperatur von beispielsweise 250 bis 1 3700C und stärker bevorzugt 310 bis 815 0C, worauf es mit dem in Kreislauf geführten Ausgleichsteil des Produktabgasstromes bei einer Temperatur von 35 bis 370°C und einem Druck oberhalb des Rohabgasstromes vermischt und anschließend in den Wärmetauscher 16A eingeführt wird, wo er in einem kontaktlosen Wärmeaustausch mit dem Abgasstrom von dem Gasgenerator gebracht wird, wie dies oben beschrieben worden ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung soll auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden, die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen darstellen. Alle Leitungen und Ausrustungsgegenstände sind vorzugsweise isoliert, um die Wärmeverluste gering zu halten. In den Zeichnungen tragen ähnliche Teile der Vorrichtung gleiche Bezugszeiffern.
In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein nicht katalytischer Freifluß-Teiloxydationsgasgenerator 1 dargestellt, der mit einem hitzebeständigen Material 2 ausgekleidet ist und eine aufwärtsgerichtete, axial ausgerichtete und mit einem Flansch versehene Einlaßöffnung 3, eine awärtsgerichtete, axial ausgerichtete und mit einem Flansch versehene Auslaßöffnung 4 sowie eine offene Reaktionszone 5 aufweist. Ein Ringbrenner 6 mit einem Mitteld + chlaß 7 ist axial auf den Gasgenerator 1 ausgerichtet und in der Einlaßöffnung 3 gehalten. Der Mitteldurchlaß 7 beffitzt einen Einlaß 8 sowie eine konvergierende, konusförmige Düse 9 an der Spitze des Brenners. Der Brenner 6 besitzt außerdem einen konzentrischen, koaxialen Ringdurchlaß 10 mit einem Einlaß 11 und einer konischen Auslaßoffnungvl2.
Brenner mit einem anderen Aufbau können ebenfalls Verwendung finden.
An die Awlaßöffnung 4 ist der Einlaß 15 eines Hochtemperaturröhrenwärmetauschers 16 mit herkömmlichem Aufbau angeflanscht, der im Inneren Röhren oder ehrfachspiralen 17, ein Gehäuse 20 sowie einen abwärtsgerichteten und mit einem Flansch versehenen Auslaß 21 besitzt. Wahlweise kann ein Freifluß-Feststoffabscheider (in den Zeichnungen nicht dargestellt), der keinen oder nur einen geringen Druckabfall hervorruft, in der Leitung zwischen dem Auslaß 4 des Gasgenerators und dem Einlaß 15 des Wärmetauschers 16 angeordnet sein. An den Auslaß 21 des Wärmetauschers 16 ist der Einlaß 22 eines Röhrengaskühlers 23 herkömmlichen Aufbaues angeflanscht, der innenliegende Röhren 24, ein Gehäuse 25 sowie einen abwärtsgerichteten und mit einem Flansch versehenen Auslaß 26 besitzt.
Ein kontinuierlicher, flüssiger oder dampfförmiger Brennstoff-Strom oder ein pumpbarer Schlamm eines festen Brennstoffes können, wie oben beschrieben, über die Leitung 30 in das System hineingeführt werden, wobei ggf. ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes über die Leitung 31,oder ein Strom gesättigten Dampfes über die Leitung 53 in einem Mischer (nicht dargestellt) beigemischt wird. Die Beschickungsmischung wird dann über die Leitung 33,den Einlaß 11, den ringförmigen Durchlan 10 und die Auslanöffnung 12 des Brenners 6 in die Reaktionszone 5 des Teiloxadationsgasgenerators 1 eingeführt.
Gleichzeitig wird ein kontinuierlicher Stroh eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases, wie oben beschrieben, über die Leitung 34 durch die Mittelöffnung 7 und die Düse 9 des Brenners 6 in die Reaktionszone 5 des Gasgenerators 1 als Zumischung mit dem Brennstoff und dem Dampf eingeleitet.
Der kontinuierliche Strom des Abgases, das den Teiloxydationsgasgenerator über den Auslaß 4 verläßt, strömt durch den Wärmetauscher 16 in kontaktfreiem, indirektem Wärmeübergang mit einem Gegenstrom von Dampf, der in dem Gaskühler 23 erzeugt worden ist. Es wird z.B. der Dampf, der auf dtr Gehäuse seite 20 des Wärmetauschers 16 (ebenfalls Überhitzer 16 genannt) nach oben strömt, in überhitzten Dampf umgewanddt, der über den Auslaß 38,die Leitung 39, das Ventil 41 und die Leitung 31 nach außen strömt, worauf er mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aus der Leitung 30 in der Leitung 33 vermischt wird. Gegebenenfalls kann der Strom überhitzten Dampfes aus dem berhitzer 16 über die Leitung 42,das Ventil 43 und die Leitung 44 abgezogen und in eine Dampfturbine als Arbeitsmedium geführt werden.
Der teilweise gekühlte Abgasstrom verläßt den Überhitzer 16 durch den Auslaß 21 und tritt durch den Einlaß 22 in den Gaskühler oder Abhitzekessel 23 ein. Beim Durchlauf durch den Gaskühler 23 tritt der Abgasstrom in kontaktfreien, indirekten Wärmeübergang mit dem im Gegenstrom geführten K-sselspeisewasser. Das Kesselspdsewasser wird dabei erhitzt und in Dampf umgesetzt, wobei zumindest ein Teil der verbleibenden Sigenwärme des Abgasstromes absorbiert wird. Somit tritt das Kesselspeisewasser aus der Leitung 45 durch den Einlaß 46 in den Wärmetauscher 23 ein. Es wird entlang des Gehäuses 25 nach oben geführt und verläßt den Tauscher durchden Auslaß 47 und die Leitung 48 als Dampf. Der Dampf tritt in den Überhitzer 16 durch den Einlaß 49 ein und wird in überhitzten Dampf umgesetzt, wie dies oben beschrieben worden ist. Gegebenenfalls wird ein Teil des Dampfes über den Auslaß 50, die Leitung 51, das Ventil 52 und die Leitung 53 aus dem Gaskühler abgezogen. Dieser Dampf kann irgendwo in dem System Verwendung finden.
Der gekühlte Abgasstrom verläßt den Gaskühler 23 über den Bodenauslaß 26 und die Leitung 54 und kann einer herkömmlichen, nachgeschalteten Gasreinigungsanlge zugeführt werden.
Die in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellte Vorrichtung ist ähnlich der vorangehend beschriebenen, mit der Ausnahme eines zusätzlichen Röhrenwärmeaustauschers- 55, mit einem geflanschten Bodeneinlaß 56, einem geflanschten oberen Auslaß 57, inneren Röhren oder Spiralen 58, Gehausewanåungen 59 und einem Seitenauslaß 60. Aus der Leitung 61 führt ein Zirkulator 62, d.h. eine Pumpe, ein Kompressor oder ein Gebläse das gasförmige oder flüssige Wärmeübertragungsmedium durch die Leitung 63, den Einlaß 64, entlang der Gehäusewandung 20-in dem Wärmetauscher 16, den Auslaß 25, die Leitung 66 und den Einlaß 67 des Wcrmetauschers 55 (der auch Überhitzer 55 genannt wird) in Kreislauf. Das heiße Wärmeübertragungsmedium wird dann entlang der Behälterwandung 59 durch die Bodenöffnung-60 für die Kreislaufführung zum Wärmetauscher 16 und zur Wiedererhitzung geführt.
Der Betrieb der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist ähnlich wie bei der vorangehend in Fig. 1 beschrtbenen Form.
Der wesentliche Unterschied liegt darin, daß ein Wärmeübertragungsmedium eingesetzt wird, welches zwischen den Wärmetauschern 16 und 55 im Kreislauf geführt wird. In dem Wärmetauscher 16 wird der Strom des Wärmeübertragungsmediums erhitzt, indem ein Teil der Eigenwärme des Abgasstromes, der direkt aus dem Gasgenerator 1 oder unmittelbar von einem Feststoff- und Schlackenabscheider (in den Zeichnungen nicht dargestellt)absorbiert wird. Wie oben beschrieben, wird der Wärmeübertragungsmittelstrom in den Wärmetauscher 16 an der Behälterwandung 20 nach oben geführt und steht in kontaktlosem, indirektem Wärmeaustausch mit dem abströmenden, kontinuierlichen Strom heißen Abgases aus dem Gasgenerator 1 in den Röhren 17.
Die dann in den Wärmetauscher 55 abgegebene Eigenwärmemenge des Wärmeübertragungsmittelstromes,der kontinuierlich an der Behälterwand 59 abströmt, ist hinreichend groß, um den kontinuierlichen Dampfstrom, der in kontaktfreiem, indirektem Wärme austausch durchströmt, in überhitzten Dampf zu verwandeln.
Der Dampf ist zuvor ist dem Abgaskessel 23, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, erzeugt worden. Zumindest ein Teil des in dem Gaskühler erzeugten Dampfes wird in den Überhitzer 55 durch den Auslaß 47, die Leitung 48 und den angeflanschten Einlaß 56 eingeführt. Gegebenenfalls kann überhitzter Dampf über die Leitung 39 oder Dampf aus der Leitung 53 in den Gasgenerator 1 als Temperaturdämpfer und als Transportmittel für den Brennstoff eingeleitet werden. Vorzugsweise wird der Abgasstrom durch die Röhren in den Wärmetauschern 16 und 23 geführt, die in Reihe aneinander angeschlossen sind.
Bei der in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellten Vorrichtung ist die Anordnung von Gasgenerator 1, Überhitzer und Gaskühler 23 im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 1, wobei jedoch der Wärmetauscher (Überhitzer) 16A einen etw anderen Aufbau besitzt, wobei es sich um einen Röhrenhochtemperatur-Wärmeaustauscher 16A handelt, dessen innere Röhren oder Vielfachspiralen 17 an einem oberen Verteiler 18 und einem unteren Verteiler 19 angeschlossen sind, während er außerdem eine Seitenwand 20 sowie einen mit einem Flansch versehenen unteren Auslaß 21 besitzt.
Der kontinuierliche Abgasstrom, der den Teiloxydationsgenerator über den-Auslaß 4 verläßt, wird durch den Wärmetauscher 16A mit einem Dampfstrom, der in dem Gaskühler 23 erzeugt wurde, im Gegenstrom geführt. Zusätzlicher Dampf von einer anderen Quelle kann durch die Leitungen 27, 28, 29, 32 und 49 zugeführt werden. Zumindest ein Teil des entlang des Behälters 20 des Wärmetauschers 16A (ebenfalls Überhitzer 16A) nach oben geführten Dampfes wird durch die Löcher 33 in den Wandungen der Röhren 17 und des oberen Verteilers 18 geführt und dann mit dem heißen Abgasstrom aus dem Gasgenerator vermischt.
Der verbleibende Dampf wird in überhitzten Dampf umgesetzt, welcher über den Auslaß 38, die Leitungen 79 und 39, das Ventil 41 sowie die Leitung 31 abgeführt und mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aus der Leitung 30 in der Leitung 35 vermischt. Gegebenenfalls kann ein überhitzter Dampfstrom aus dem überhitzer 16A über die Leitung 42, das Ventil 43, die Leitung 44abgezogen und in eine Dampfturbine 70 als Arbeitsmedium eingführt werden, welche er durch die Leitung 71 verläßt. Die Dampfturbine 70 treibt einen Luftkompressor 72 und ggf. einen elektrischen Generator 73 an.
Die Luft tritt in den Kompressor 70 über die Leitung 74 ein und verläßt ihn über die Leitung 75. In der Lufttrennungszone 76 wird die komprimierte Luft in über die Leitung 77 abgezogenen Stickstoff und über die Leitung 78 abgezogenen Sauerstoff getrennt. Gegebenenfalls kann überhitzter Dampf aus den Überhitzer 16A durch den Auslaß 38, die Leitungen 79 und 80, das Ventil 81 sowie die Leitung 82 abgezogen werden.
Der teilweise gekühlte Abgasstrom mit dem beigemischten Strom verläßt den bberhitzerl6A durch den Auslaß 21 und tritt in den Abwärmekessel 23 über den Einlaß 22 ein. Beim Durchgang durch den Gaskühler 23 steht die Mischung aus Abgasstrom und beigemischtem Strom in kontaktlosem, indirektem Wärmeaustausch mit dem im Gegenstrom geführten Kesselspeisewasser. Das Kesselspeisewasser wird dabei erhitzt und in Dampf umgesetzt, in dem zumindest ein Teil der verbleibenden Eigenwärme der Mischung des Abgasstromes und des BEimischungsstromes absorbiert wird. Somit tritt das Kesselspeisewasser aus der Leitung 45 über die Leitung 46 in den Wärmetauscher 23 ein.
Es strömt entlang der G-häusewandung 25 aufwärts und verläßt den Wärmetauscher durch die Öffnung 47 und die Leitung 48 als Dampf. Der Dampf tritt über die Leitung32 und den Einlaß 49 in den Überhitzer 16A ein und wird in überhitzten Dampf umgesetzt, wie dies oben beschrieben wurde. Gegebenenfalls kann ein Teil des Dampfes aus dem Gaskühler über den Auslaß 50, die Leitung 51, das Ventil 52 und die Leitung 53 abgezogen werden.
Dieser Dampf kann irgendwo in dem System eingesetzt werden.
Die gekühlte Abgasstrommischung und der Beimischungsstrom verlassen den Gaskühler 23 über den Bodenauslaß 26 sowie die Leitung 54 und können herkömmlichen Gasreinigungsanlagen und ggf. einer nachgeschalteten Abscheidezone zugeführt werden.
Das gesichtete und ggf. gereinigte Produktgas kann als Synthesegas, reduziertes Gas oder Brenngas, in Abhängigkeit seiner Zusammensetzung Verwendung finden. Beispielsweise kann sauberes Produktgas in die Brennkammer einer (nicht dargestellten) Gasturbine eingeleitet werden. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte werden einer Expansionsturbine als Arbeitsmedium zugeführt. Die Turbine kann einen Turbokompressor oder einen turboelektrischen Generator antreiben.
Der Turbokompressor kann eingesetzt werden, um die im System benötigte Luft zu komprimieren. Der elektrische Generator kann die elektrische Energie für die Verwendung im Bereich des Verfahrens zur Verfügung stellen. Das in Fig. 4 der Zeichnungen dargestellte Verfahren ist demjenigen des im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen ähnlich, mit der Ausnahme der Klärungs- und ggf. Reinigungszonen 91.
Ein im Kreislauf geführter Ausgleichsteil des Produktabgasstromes in Leitung 115 wird durch den Gaskompressor 69 auf einen höheren Druck gebracht als derjenige des Rohabgasstromes, welcher den Gasgenerator 1 verläßt. Das kühlere komprimierte Gas wird dann in der Leitung 68 mit dem gasförmigen Wärmeübertragungsmittel vermischt, das dem Überhitzer 55 durch den unteren Auslaß 60 und die Leitung 61 verläßt. Mit Hilfe eines Gaszirkulators 62 wird das gasförmige Wärmeübertragungsmedium durch die Leitung 63, den Einlaß 64 und den unteren Verteiler 13 des Röhrenwärmetauschers 16A geführt. Das gasförmige Wärmeübertragungsmedium strömt durch eine Vielzahl von Röhren oder Spiralen 17 und tritt dann durch den oberen Verteiler 14 und den Auslaß 65 aus. Während des Aufströmens durch den Wärmetauscher 16A tritt ein Teil des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums durch Löcher oder Schlitze kleinen Durchmessers in den Wänden der Röhren und ggf. der Verteiler aus. Das durchtretende Gas bildet eine Schutzschicht oder einen Vorhang zwischen der Außenfläche der Verteiler und der Röhren und dem Abgasstrom, der durch den Wärmetauscher 16A innerhalb des Gehäuses 20 nach unten strömt. Das übertretende Gas vermischt sich dann mit dem Abgasstrom,und der teilweise gckiihlte Gasstrom tritt durch den Auslaß 21 aus. Das erhitzte ssförige Wärmeübertragungsmittel strömt aus dem Auslaß 65 durch die Leitung 66, den Einlaß 67 des Wärmetauschers 55 und anschließend durch das Gehäuse 59 abwärts und aus den Bodenauslaß 60 heraus zur Kreislaufführung zu dem Wärmetauscher 168 und zur Wiedererhitzung, wie dies oben beschrieben worden ist.
Beim Betrieb dAr Ausführungsform des Verfahrens, das in Fig. 4 dargestellt ist, wird der Strom des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums in den Röhren 17 des Wärmetauschers 16A erhitzt. Dann wird innerhalb des Wärmetauschers 55 eine Eigenwärmemenge von dem Wärmeübertragungsmedium, das kontinuierlich an der Behälterwand 59 vorbeigeführt wird, abgegeben, die ausreichend ist, um den in den röhren 58 kontinuierlii aufströmenden Dampf kontaktlos durch indirekten Wärmeaustausch zu erhitzen und dabei den überhitzten Dampf zu erzeugen.
Der überhitzte Dampf tritt durch die Leitung 39 aus, und ein Teil kann über die Leitung 40, das Ventil 41 sowie die Leitungen 105 und 31 abgezogen und in Leitung 35 mit dem durch Leitung 30 tretenden Brennstoff vermischt werden. Die Beschickungsmischung wird dann über den Brenner 6 in den Gasgenerator 1 eingeführt. Der verbleibende überhitzte Dampf kann durch die Leitung 1C6, das Ventil 107 sowie die Leitung 108 nach außen abgeführt werden. Gegebenenfalls kann ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium in einer Dampfturbine 70 eingesetzt werden, wie dies im Zusammenhang mit dem überhitzten Dampf aus der Leitung 44 in Fig. 3 beschrieben wurde.
Der gesättigte oder ungesättigte Dampf in Leitung 48 wird in dem Gaskühler 23 erzeugt. Zusätzlicher Dampf von irgendeiner Stelle des Systems kann durch die Leitung 95, das Ventil 96 und die Leitung 97 zugeführt werden. Zumindest ein Teil des Abgasstromes, der den Gaskühler 23 verläßt, nämlich 1 bis 100 Vol.-%, kann in die Klärungs- und ggf. Reinigungszone 91 eingeführt werden. Gegebenenfalls kann ein Teil des Gasstromes an den Klärungs- und Reinigungszonen 91 über die Leitung 124, das Ventil 125 und die Leitung 126 vorbeigeleitet werden. Geklärtes und ggf. gereinigtes Produktgas wird in dem Bereich 91 erzeugt,und mindestens ein Teil wird zum Kompressor 69 als Ausgleich zurückgeführt. Der verbleibende Teil des Produktgases in Leitung 121 kam beispielsweise als Brennstoff in der Brennkammer einer Gas turbine eingesetzt werden. Das Abgas von der Brennkammer wird einer Expansionsturbine als Arbeitsmedium zugeführt. Die Expansionsturbine kann einen Kompressor oder einen elKtrischen Generator antreiben, wie dies bereits beschrieben wurde. Andere Verwendungsmöglichkeiten für das Produktgas sind oben näher erläutert. Zumindest ein Teil des Dampfes für den Überhitzer 55 wird in dem Abgaskessel oder Wärmetauscher 53 erzeugt, indem man Kesselspeisewasser aus der Leitung 45 durch den Einlaß 46 und den Behälter 25 führt, wodurch zumindest ein Teil der Eigenwärme, die in der abströmenden Mischung des Abgasstromes und des Beimischungsstromes in den Röhren 24, der durch den Auslaß 26 und die Leitung 54 austritt, verbleibt, absorbiert wird. Zumindest ein Teil des in dem Gaskühler 23 erzeugten Dampfes wird über-den Auslaß 47, die Leitungen 98 und 48 sowie den mit einem Flansch versehenen Einlaß 56 dem Überhitzer 55 zugeführt. Gegebenenfalls kann überhitzter Dampf aus der Leitung 39 oder Dampf aus der Leitung 53 als Temperaturdämpfer und als Transportmittel für den kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff in den Gasgenerator 1 eingeführt werden.
Andererseits kann der Abgas strom aus dem Generator 1 durch die Röhren der Wärmetauscher 16 und 23 geführt werden, die in Reihe aneinander angeschlossen sind. In diesem Fall tritt das gasförmige Wärmeübertragungsmedium in Leitung 63 durch das Gehäuse des Wärmetauschers 16A. Ein Teil des Wärmetransportmediums tritt dann durch die Wände der Röhren und Verteiler und wird zusammen mit dem in den Röhren abwärtsströmenden Abgasstrom weitergeleitet. Es bildet sich jedoch zunächst eine Schutzschicht aus gasförmigem Wärmeübertragungsmittel auf der Innenfläche der Röhren und der beiden Verteiler.
Gegebenenfalls kann lediglich der aufwärtige Verteiler mit den Übertrittslöchern versehen sein.
Der gekühlte Abgasstrom, der durch die Leitung 54 austritt, wird über die Leitung 117, das Ventil 118 sowie die Leitung 119 der Klärungs- und Reinigungszone 91 zugeführt, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Das geklärte und ggf.
gereinigte Gas tritt durch die Leitungen 120 und 121, das Ventil 122 und die Leitung 123 aus. Wenn es sich bei dem Produktgas in Leitung 123 um Brenngas handelt,kann ein Teil in einem Gasbrenner verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen.
Andererseits kann ein Teil in die Brennkammer einer (nicht dargestellten) Gasturbine eingeleitet werden. Die Verbrennungsgase strömen durch eine Expansionsturbine zur erzeugung mechanischer Energie. Das Produktgas kann auch Synthesegas, reduzierendes Gas oder reiner Wasserstoff sein. Zumindest ein Teil des Abgasstromes und des Beimischungsstromes in Leitung 54 kann die Klärungs- und Reinigungszone über die Leitung 124, das Ventil 125 sowie die Leitung 126 umgehen.
Ein Teil des Produktgases aus Leitung 120 wird als Ausgleich verwendet, um das gasförmige Wärmeübertragungsmedium zu ersetzen, das durch die Öffnungen in den Röhren 17 und den Verteilern 13 und 14 des Wärmetauschers 16A übergetreten ist.
Dieser Ausgleichsgasstrom ist kühler als das gasförmige Wärmeübertragungsmedium in Leitung 61 und wird durch die Leitung 130, das Ventil 131 sowie die Leitung 115 geführt und in dem Kompressor 69 auf einen Druck oberhalb desjenigen des Abgasstromes in dem Behälter 20 des Wärmetauschers 16A komprimiert. Wie bereits vorher beschrieben, wird das komprimierte Ausgleichsgas mit dem gasförmigen Wärmeübertragungsmedium aus der Leitung 61 vermischt, und die Mischung wird in der Schleife zwischen den Wärmetauschern 16A und 55 im Kreislauf geführt.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern.
Die Verfahren werden kontinuierlich durchgeführt, und die angegebenen Mengen sind auf eine stündliche Basis für alle Ströme und Materialien bezogen. Die Volumina sind bei OOC und 1 at Druck angegeben. Bei den Drucken handelt es sich jeweils um den absoluten Druck.
Beispiel Die durch das Beispiel I repräsentierte Ausführungsform der Erfindung ist in der bereits vorher beschriebenen Fig. 1 der 3 Zeichnungen dargestellt. 89896 m rohen Synthesegases werden kontinuierlich in einem nicht katalytischen Freiflußgasgenerator durch Teiloxydation eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes (der noch weiter erläutert werden wird) mit Sauerstoff (etwa 99,7 Vol.-% Reinheit) hergestellt. Der kohlenwasserstoffhaltic3e Brennstoff ist ein pumpbarer Schlamm mit 470,3 kg feinkörniger Kohle, die später durch Reinigung des Synthesegasproduktes wiedergewonnen wird und 26014 kg reduziertem Rohöl, entsprechend der folgenden Analyse in Gew.-%: C 85,87, H2 11,10, S 2,06, N2 C,78, 02 0,16 und Asche 0,04.
Weiter besaß das reduzierte Rohöl eine spezifische Dichte von 0,983 (APl Schwere 12,5), eine Verbrennungwärme von 10185 cal/g wie eine Viskosität von 1170 centistokes (479 Saybolt Seconds Furol bei 500C).
Etwa 13007 kg überhitzten Dampfes, die in dem Verfahren mit einer Temperatur von 399 0C und einem Druck von etwa 40,8 ata erzeugt wurden, werden mit dem Rohöl vermischt, um eine Beschickungsmischung zu erzeugen, die eine Temperatur von etwa 295 0C besaß, die kontinuierlich in den Ringdurchlaß eines Ringbrenners eingeführt und in die Reaktionszone des Gas-3 generators entladen wurde. Etwa 19937 m@ Sauerstoff mit einer Temperatur von etwa 360°C werden kontinuierlich durch die Mittelöffnung des Brenners zugeführt und mit der Dispersion des überhitzten Dampfes und des Rohöles vermischt.
Die Teiloxydation und verwandte Reaktionen treten in der Freiflußreaktionszone des Gasgenerators auf, und es wird ein kontinuierlicher Abgasstrom rohen Synthesgases bei einer Temperatur von 13050C und einem Druck von 28,2 ata erzeugt. Der Abgasstrom des rohen SyntEsesegases aus dem Gasgenerator durchströmt einen getrennten Wärmetauscher oder Überhitzer, wo es auf eine Temperatur von 1125°C durch den Wärmeaustausch mit einem kontinuierlichen Strom, an einer späteren Stelle im Verfahren, hergestellten, gesättigten Dampfes abgekühlt wird.
65738 kg gesättigeten Dampfes treten in den Überhitzer bei einer Temperatur von 2530C und einem Druck von 41,5 ata ein.
Etwa 65738 kg überhitzten Damptes verlassen den Überhitzer bei einer Temperatur von 4C00 und einem Druck von 40,8 ata.
Wie weiter oben beschrieben, wird ein Teil dies kontinuierlichen Stromes übe-rhitzten Dampfes in den Gasgenerator vorzugsweise als Bimischung zum Rohöl eingeführt. Wahlweise wird ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium in einem Turbokompressor beispielsweise eingesetzt, um in einer Luftzerlegungsanlege freien Sauerstoff zu erzeugen, der dem Gasgenerator zugeführt wird.
Der teilweise abgekühlte Strom rohen Synthesegases, der den Überhitzer verläßt, wird dann durch die Röhren eines getrennten herkömmlichen Gaskühlers geführt, und auf eine Temperatur von etwa 270°C durch den Wärmeaustausch mit 65738 kg Kesselspeisewasser, das in einem kontinuierlichen Strom entlang der Behälterwand geführt wird, abgekühlt. Ein Strom von etwa 65738 kg des gesättigten Nebenproduktdampfes wird hierdurch erzeugt bei einer Temperatur von etwa 2530C und einem Druck von etwa 41,5 ata. Wie weiter oben beschrieben, wird zumindest ein Teil dieses gesättigten Dampfes dem Überhitzer zugeführt, um überhitzten Dampf zu erzeugen. Der verbleibende Rest des gesättigten Dampfes kann an anderer Stelle des Verfahrens eingesetzt werden, wie z.B. zur Vorerhitzung des freien Sauerstoff enthaltenden Gases.
Der kontinuierlich Abstrom rohren Synthesegases, das den Gaskühler nach dem Wärme austausch mit dem Kesselspeisewasser verläßt, besitzt einen Druck, der im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige in der Reaktionszone des Gasgenerators, vermindert um den üblichen Druckverlust in den Leitungen und Wärmetauschern. Dieser Druck kann geringer sein als etwa 1,35 at. Die Zusammensetzung des Stromes an rohem Synthesegas, das den Gaskühler verläßt, ist wie folgt: H2 41,55 %, CO 41,59 %, CO2 4,61 %, H2O 11,46 ;t', H25 0,40 %, COS 0,02 A, CH4 0,31 A, N2 0,21 % und Ar O,G3 %. Etwa 474,5 kg nicht umgesetzter feinkörniger Kohle wurden in den Abstrom des rohen Synthesegases eingeschlossen. Felnkörnige Kohle und andere gasförmige Verunreinigungen können aus dem rohen Synthesegas in der nachgeschalteten Klärungs- und Reinigungszone entfernt werden. Wahlweise kann ein Teil des überhitzten Dampfes mit dem Synthesegasstrom vermischt und dann einer Wassergaskonvertierung ausgesetzt werden, um das Kohlenmonoxid in dem Gasstrom in Wasserstoff und Kohlendioxid umzusetzen. Das CO2 kann dann abgezogen werden, um einen Wasserstoff enthaltenden Gasstrom zu erzeugen.
Beispiel II Die Ausführungsform der Erfindung, die durch Beispiel II repräsentiert wird, ist in Fig. 2 der Zeichnungen, die bereits oben beschrieben worden ist, dargestellt.
Die Arten und Mengen der Materialien,mit welchen der nicht katalytische Freiflußgasgenerator in Beispiel II beschickt wird, sind im wesentlichen' die gleichen, wie die im Zusammenhang mit Beispiel I beschriebenen. In einer ähnlichen Weise ist die Zusammensetzung und die Menge an rohren Synthesegas, wie auch die Mengen an gesättigtem Dampf und überhitzten Dampf im wesentlichen gleich denjenigen der Besipiele I und II.
Darüber hinaus sind die Betriebstemperaturen und Drucke in dem Gasgenerator und den jeweiligen Wärmetauschern auch für die Materialströme und Produkte im wesentlichen in beiden Beispielen die gleichen.
In Beispiel II werden 9361 kg Wasserstoff kontinuierlich zwischen dem Wärmetauscher 16 und dem getrennt davon angeordneten Überhitzer 55 als Wärmeübertragungsmedium im Kreislauf geführt.
Der kontinuierliche Abstrom rohen Synthesegases aus dem Gasgenerator bei einer Temperatur von 1305°C und einem Druck von 28,2 ata wird auf eine Temperatur von 1124°C vermindert durch den Wärmeübergang mit dem genannten Wärmeübertragungsmedium, das in den Warmetauscher 16 mit einer Temperatur von 455 0C eintritt und ihn bei einer Temperatur von 805 0C verläßt. Die Temperatur des kontinuierlichen Stromes rohen Synthesegases wird dann weiter auf 2710C durch den Wärmeübergang mit dem Kesselspeisewasser in dem Gaskühler 23 vermindert.
Ein kontinuierlicher Strom gesättigten Dampfes, der in dem Gaskühler 23 mit einer Temperatur von 2520C erzeugt wird, wird dann in einem kontinuierlichen Strom überhitzten Dampfes bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 40,8 ata umgesetzt, in einem getrennten Überhitzer 55 durch kontaktlosen Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium, das in den Überhitzer 55 mit einer Temperatur von 805°C eintritt und diesen bei einer Temperatur von 455°C verläßt.
Beispiel III Die durch das Beispiel III repräsentierte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3, die bereits vorher beschrieben worden ist, dargestellt. Die Arten und Mengen der Materialien, die dem Gasgenerator zugeführt werden, sind im wesentlichen die gleichen wie die in Beispiel I beschriebenen. In ähnlicher Wtise sind die Zusammensetzung und die Menge des rohen Synthesegases ebenfalls im wesentlichen die gleichen wie in Beispiel I. Der Abstrom rohen Synthesegases aus dem Gasgenerator strömt durch die Röhren des getrennt angeordneten Wärmetauschers oder Überhitzers 16A, wo er auf eine Temperatur von 1125 0C abgekühlt wird, durch den Wärme aus tausch mit einem kontinuierlichn Strom gesättigten Dampfes, der an späterer Stelle in dem Verfahren hergestellt wurde. 65738 kg gesättigten Dampfes treten in das Gehäuse des Überhitzers bei einer Temperatur von 253 0C und einem Druck von 41,5 ata ein.
Etwa 90 % des gesättigten Dampfes verlassen den Wärmetauscher als überhitzer Dampf bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 40,8 ata. Wie in Beispiel I beschrieben, wird ein Teil deses kontinuierlichen Stromes überhitzten Dampfes in den Gasgenerator vorzugsweise als Beimischung zu dem Rohoi eingeführt. Gegebenenfalls wird ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium in einem Turbokompressor, z.B.
zum Betrieb einer LuftzerlequngsãnAge eingesetzt, zur rzeugung der freien sauerstoffhaltigen Beschickung für den Gasgenerator. Der verbleibende R st des gesättigten Dampfes, nämlich etwa 6573 kg, der dem Überhitzer zugeführt wird, tritt durch die Öffnungen kleinen Durchmessers in die Röhren und den aufwärtigen Verteiler ein und vermischt sich mit dem durchtretenden heißen rohen Synthesegas. Ein Schutzschild von Dampf kleidet die Innenseite derRohroberflächen aus und schützt dabei die Röhren vor dem korrodierenden Angriff des rohen Synthesegases. Außerdem setzt sich keine Kohle oder Asche an der Innenseite der Röhrenoberflächen fest.
Der teilweise gekühlte Strom rohen Synthesegases, zusammen mit dem Übergagsstrom, der den Überhitzer verläßt, wird dann durch die Röhren eines getrennt angeordneten, herkömmlichen Gaskühlers geführt und auf eine Temperatur von etwa 2710C abgekühlt durch den Wärmeaustausch mit 65738 kg Kesselspeisewasser, das in einem kontinuierlichen Strom durch den Behälter geführt wird. Ein Strom von etwa 65738 kg des gesättigten Nebenproduktdampfes wird hierdurch erzeugt bei einer Temperatur von etwa 253 0C und einem Druck von 41,5 at. Wie bereits beschrieben, wird dieser gesättigte Dampf dem Überhitzer 16A zur Umsetzung in überhitzten Dampf zugeführt.
Der kontinuierliche Abstrom rohen Synthesegases, das den Gaskühler nach dem Wärmetausch mit dem Kesselspeisewasser verläßt, besitzt einen Druck, der im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige, der in Reaktionszone des Gasgenerators vorliegt, vermindert um den üblichen Druckabfall in den Leitungen und Wärmetauschern. Dieser Druckabfall kann geringer als etwa 1,35 at sein. Die Zusammensetzung des Stromes an rohem Synthesegas, welches den Gaskühler verläßt, ist wie folgt (Mol.% auf trockener Basis): H2 46,95, CO 46,99, C02 5,19, H2S 0,45, COS 0,02, CH4 0,14, N2 C,23 und Ar 0,03. Etwa 474,5 kg nicht konvertierter, feinkörniger Kohle ist in dem Abstrom des rohen Synthesegases eingeschlossen. Die feinkörnige Kohle und andere gasförmige Verunreinigungen können aus dem rohen Synthesgas in nachgeschalteten Klär- und Reinigungsanlagen ausgeschieden werden. Gegebenenfalls kann ein Til des überhitzten Dampfes mit dem Synthesegasstrom vermischt und dann einer Wassergaskonvertierung ausgesetzt werden, um das Kohlermonoxid in dem Gasstrom in Wasserstoff und Kohlendioxid umzusetzen. Das C02 kann dann entfernt werden, um einen wasserstoffhaltigen Gasstrom zu erzeugen.
Beispiel IV Die durch das Beispiel IV repräsentierte Ausführungsform der Erfindung ist in der bereits vorangehend beschriebenen Fig. 4 dargestellt. Die Arten und Mengen der Materialen, die dem nicht katalytischen Freistromgasgenerator in Beispiel IV zugeführt werden, sind im wesentlichen die gleichen wie die im Zusammenhang mit Beispiel I beschriebenen. In ähnlicher Weise sind die Zusammensetzung und die Menge des rohen Synthesegases und die Mengen an gesättigtem und überhitztem Dampf im wesentlichen die gleichen wie in Beispiel I. Außerdem sind die Betriebstemperatur und der Druck innerhalb des Gasgenerators und der jeweiligen Wärmetauscher wie auch die entsprechenden Material- und Produktströme im wesentlichen in beiden Beispielen die gleichen.
In Beispiel IV wurden 9361 kg an einer späteren Stelle des Verfahrens hergestellten Sauerstoffes kontinuierlich im Kreislauf zwischen dem Wärmetauscher 16A und einem hiervon getrennt angeordneten Überhitzer als Wärmeübertragungsmedium geführt.
Der kontinuierliche Abstrom rohen Synthesegases von dem Generator mit einer Temperatur von 1305 0C und einem Druck von 28,2 ata wird reduziert auf eine Temperatur von 1125 0C durch den Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium, welches in dem Wärmetauscher 16A bei einer Temperatur von 455°C eintritt und diesen bei einer Temperatur von 805°C verläßt. Die Tempertur des kontinuierlichen Stromes rohen Synthesegases mit dem beigemischten Wasserstoff wird dann weiter abgekühlt durch den Wärmeaustausch mit dem Nesselspei.sewasser in dem Gaskühler 23. Ein kontinuierlicher Strom gesättigten Dampfes wird in dem Gaskühler 23 erzeugt, der eine Temperatur von 253 0C besitzt und anschließend in einen kontinuierlichen Strom überhitzten Dampfes umgesetzt wird, bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 40,8 ata in dem Überhitzer 55 durch den kontaktfreien Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium unter Beimischung des ausgleichenden Wasserstoffes, der in den Überhitzer 55 bei einer Temperatur von 805 0C eintritt.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung gasförmiger Mischungen mit einem Gehalt an H2 und CO durch Teiloxydation eines Brennstoffes, der Kohlenstorf und Wasserstoff mit einem freien Sauerstoff aufweisenden Gas enthält, bei einer Temperatur von 815 bis 19300C und einem Druck von etwa 1 bis 250 ata in der Reaktionszone eines nicht katalytischen Freiflußgasyenerators, dadurch gekennzeichnct, daß man die Eigenwärme eines nicht gequenchte Gasstromes von dem Generator abführt, indem man inn stuSenweise durch einen ersten und einen zweiten Wärmeaustauschbereich führt, wobei man die in dem zweiten Bereich abgeführte Eigenwärme zur Verdampfung eines Wasserstromes durch indirekten Wärmeaustausch verwendet, während man die in dem ersten Bereich abgeführte Eigenwärme zur Überhitzung mindestens eines Teils des Dampfes ausnutzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Dampf von dem zweiten Wärmeaustauschbereich in den ersten Wärmeaustauschbereich überführt und dort überhitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauschbereich aus einem Röhrenwärmeaustauscher besteht und ein Teil des Dampfes kontinuierlich in dem Abgasstrom durch Öffnungen in den Wänden des Wärmeaustauschers überführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Dampf aus dem zweiten Wärmeaustauschbereich in einen dritten Wärmeaustauschbereich überführt, in welchem er durch indirekten Wärmeaustausch überhitzt wird mittels eines Stromes eines gasförmigen Wärmeübertragungsmediums, welches zwischen dem ersten und dem dritten Wärmeaustauschbereich im Kreislauf geführt wird, um die Eignewärme des Abgases aus dem ersten Bereich in den dritten Bereich zu übertragen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauschbc-relch durch einen Röhrenwärmeaustauscher gebildet wird und ein Teil des Wärmeübertragungsmediums kontinuierlich in den Abgasstrom durch Öffnungen in den Wänden des Wärmeaustauschers eingeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mischung aus dem Abgas und dem LSerleitungsteilstrom des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums reinigt, einen Teil des sich ergebenden reinen Produktabgases mit dem gekühlten gasförmigen Übertragungsmedium, das den dritten Wärmeaustauschbereich verläßt, vermischt und die sich ergebende Gasmischung dem ersten Wärmeaustauschbereich als gasförmiges Übertragungsmedium zuführt, das einen höheren Druck besitzt als der heiße Abgasstrom.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium aus H20, Helium, Stickstoff, Argon, Wasserstoff oder einer Mischung von H2 + CO besteht.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium Wasserstoff ist, den man aus dem Produktabgas erhält, nach dem Wärme aus tausch durch Klären, Wassergaskonvertierung und Reinigung.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübergangsmedium Natrium, Kalium, Quecksilber oder Schwefel ist.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium den ersten Wärmeaustauschbereich als Dampf verläßt und in dem dritten Wärmeausbereich zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, worauf das nunmehr flüssige Wärmeübertragungsmedium zum ersten Wärmeaustauschbereich im Kreislauf zurückgeführt wird.
11. Verfahren nach einem dr vorangenenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, daß der Damp@strom eine Temperatur von 150 bis 375 0C und inn Druck von 4 bis 260 ata aufweist und in überhitzten Dampf mit einer Temperatur von 400 bis 6000C und einem Druck von 4 bis 260 ata umgesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium einer Dampf turbine zur erzeugung mechanischer Arbeit oder elektrischer Energie zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des überhitzten Dampfes in die Reaktionszone des Gasgenerators eingeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der überhitzte Dampf Träger der Brennstoffbeschickung in den Gasgenerator ist.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium einer Dampf turbine zugeführt wird, mittels welcher komprimierte Luft einer Luftzerlegungsanlage zugeführt wird, zur Erzeugung von Sauerstoff mit einer Reinheit von 95 Mol.-; oder mehr für die Reaktion innerhalb des Gasgenerators.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der feinkörnigen Kohle, Asche, Schlacke, des Kesselsteins, des feuerfesten Materials und Mischungen hiervon, die in dem Abgasstrom einseschlossen sind, aus dem Gasstrom entfernt werden, bei dieser dem ersten Wärmeaustauschbereich zugeführt wird.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff vorerhitzt wird auf eine Temperatur bis etwa 4300C, die jedoch unterhalb der Kracktemperatur liegt, wobei mindestens ein Teil des überhitzten Damfpes vor dem Brennstoff in den Gasgenerator eingeleitet wird.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des geklärten und ggf. gereinigten Gasstromes der Brennkammer einer Gasturbine zugeführt wird und die gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der Brennkamer einer Expansionsturbine zur Energieerzeugung zugeleitet werden.