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Verfahren und Vorrichtung# zur Fließbettkühlung heißer Gase aus
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einer Kohlevergasung Die Erfindung betrifft die Kühlung von heißen,
aus einer Kohlevergasung herstammenden Gasen und betrifft insbesondere ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Kühlung und zur Entfernung von Staub und Teer und eines
heißen, aus einem Kohlevergaser ausströmenden Gases, welches das Produkt in Form
eines gereinigten Brennstoffgases mit einem niederen bis mittleren BTU-Heizwert
darstellt (BTU = British thermal unit).
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Die heißen, aus einem Fließbett-Kohlevergaser ausströmenden Gase enthalten
in hoher Konzentration feine Partikelchen, die aus zum Teil vergaster Kohle und
Asche bestehen. Ein solches Gas enthält auch einen geringen, aber störenden Gehalt
an Teer und Ölen. Der Teer neigt zur Kondensierung auf den Staubpartikelchen, welche
dadurch an der Stromabwarts-Ausrüstung hängenbleiben und &~Li#c' scllneLle Verstopfung
der Leitungen und Durchltisse mit Koks verursachen. Es ist daher irgendeine Verfahrensstufe
und eine Ausrüstung erforderlich, um solche heißen Gasströme
auf
eine tiefere Temperatur abzukühlen, bei welcher der ganze Teer kondensiert wird
(etwa 3200C bzw. 6000F), aber ohne dabei zu Verstopfungen mit Koksablagerungen zu
führen. Darüber hinaus soll solch eine Gaskühlungsstufe vorzugsweise die wertvolle
Hitze in dem heißen Gas produkt in-einer nützlichen Form wiedergewinnen, zum Beispiel
als Hochdruckdampf.
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Die übliche Methode zum Kühlen heißer Gase aus Kohlevergasungsverfahren
ist es, das Gas durch Zugabe von Wasser abzukühlen, zum Beispiel in einem Lurgi-Festbettkohlevergaser,
wie er in der US-PS 3 746 522 beschrieben ist.
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Es ergeben sich jedoch mit solch einer Wasserabkühlung unter anderem
die folgenden Probleme: (a) Es werden beträchtliche Mengen an Wasser verbraucht;
(b) wenn das ausströmende Gas zur Entfernung von H2S bei einer tieferen Temperatur
gewaschen werden muß, so wird dieses Abkühlwasser wieder kondensiert und seine latente
Verdampfungswärme ist verloren; und (c) das kondensierte Wasser ist extrem verunreinigt
und schwer zu reinigen.
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Obwohl das Abkühlen des heißen Produktgases mit Öl die mit der Wasserabkühlung
verbundenen Probleme vermeidet, erfordert es eine beträchtlich komplexe Ausrüstung,
insbesondere um den kondensierten Staub aus dem rezirkulierenden Ölstrom abzutrennen.
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Es sind verschiedene Wärmeaustauscherstufen und Ausrüstungen zur Kühlung
heißer Prozeßgase bekannt. Zum Beispiel
wird in der US-PS 3 392
221 die Abkühlung eines heißen Kohlenwasserstoffgases in einem röhrenförmigen Wärmeaustauscher
unter Verwendung von durch die Röhren strömenden Wassers beschrieben. Auch die US-PS
3 456 719 beschreibt einen isolierten Wärmeaustauscher zum Abkühlen heißer Gase
und die Verwendung von Rohren vom Bajonett-Typ für die Kühlmittelströmung. Jedoch
stammen die in diesen Prozessen gekühlten heißen Gase nicht von Kohle und enthalten
daher nicht die teilchenförmigen Feststoffe und Teere, die zur Vermeidung von Verstopfungsproblemen
entfernt werden müssen. Somit besteht ein deutlicher Bedarf an einem verbesserten
Gasabkühlsystem zum Einsatz bei Kohlevergasungsverfahren.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kühlen der heißen, von Kohlevergasungen ausströmenden Gasen, das bzw. der durch
die Verwendung eines Fließbetts aus festen Kohle- und Ascheteilchen gekennzeichnet
ist, wobei in dem Fließbett Rohre mit einer Kühlflüssigkeit verlaufen, um die Hitze
aus dem Bett herauszuziehen. Diese Fließbettkühlungseinheit sieht auch Maßnahmen
zur Kondensierung der Teere und zur Agglomerierung feiner Staubpartikelchen aus
dem ausströmenden Gas und zur Entfernung derselben von dem Gas vor. Da die Teilchen
in diesem Bett bei einer tieferen Temperatur als der des Einlaßgases gehalten werden,
z.B. innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 315 - 4300C (600 - 800°F), werden
die Teere in dem Bett kondensieren und der Staub wird sowohl durch Adhäsion als
auch durch Thermophorese angezogen, ähnlich wie beschrieben in der US-PS 3 953 180
in einem Fließbettvergaser für Rückstandsöle und diese US-PS soll mit diesem Bezug
im erforderlichen Ausmaß auch Gegenstand dieser Beschreibung sein.
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Rohre zur Beförderung einer unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit
sind innerllall des Fließbetts lngeordnet. Solche Rohre können in verschiedenen
Konfigurationen orientiert sein, aber
sollte vorzugsweise vertikal
in dem Bett orientiert sein, um eine bessere Reinigung zu fördern und um die Ansammlung
von aus dem Gas auf den äußeren Rohroberflächen niedergeschlagenen, festen Material
zu vermeiden. Das Fließbett aus Asche- und Kokspartikeln dient dazu, die Rohre durch
Abrieb sauber zu halten und verbessert auch die Wärmeübertragung von dem Bett auf
die Rohre, insbesondere bei Drücken nahe dem Atmosphärendruck. Die Rohre werden
vorzugsweise so angeordnet, daß sowohl die Einlaß- und Auslaßverbindungen in der
obersten Wandung des Behälters angebracht sind.
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Diese Teer- und Staubentfernungsstufe ist in der Funktion in etwa
ähnlich einem Ignifluid-Bettkessel zur Verbrennung von Kohle in einem Fließbett,
aber das erfindungsgemäße Fließbett ist ungefeuert, und das untere Ende ist mit
einer Prallfläche oder Deckel modifiziert, der über der Einlaßöffnung angeordnet
ist, um die Rückentleerung des Partikelbetts nach unten in das Gaseinlaßrohr zu
verhindern. Dieser Deckel dient auch dazu, die Einlaßströmung der heißen Gase nach
außen und in die Nähe der Behälterwandungen zu führen und auf diese Weise ein Strömungsschema
mit einer Wirbelregion in der Mitte,durch welche die Teilchen zurückkehren können,
aufzubauen. Da sich von der Kohle herstammende Feststoffe in dem zur Kühlung vorgesehenen
Fließbett ansammeln, werden die überschüssigen Feststoffe nach unten über ein Überströmrohr
zurückgezogen und können vorteilhafterweise in den Vergaser darunter eingeblasen
werden, um die verbrennbaren Kohlefeststoffe (Koks) zu verbrauchen und die Asche
auszuscheiden.
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Die üblichen Betriebsbedingungen für diese Fließbettkühlungsstufe
sind 800 - 12000C (1500 - 22000F) Einlaßgastemperaturen und 7 - 70 bar (100 - 1000
psig) Druck. Die Einlaßgasgeschwindigkeit wird gewöhnlich etwa 1,3 - 20 m/s (4 -60
ft/sec) betragen, vorzugsweise 1,6 - 10 m/s (5 - 30 ft/sec). Die Temperatur des
in dem Bett gekühlten, ausströmenden
Gases wird gewöhnlich innerhalb
des Bereiches von 310 - 4300C (600 - 8000F> liegen. Die Oberflächengasgeschwindigkeit
stromaufwärts durch das Fließbett sollte im Bereich von 1 - 7 m/s (3 - 20 ft/sec)
liegen. Ein Gas/Flüssigkeits-Trennraum ist über dem Fließbett vorgesehen, um das
Mitreißen von Feststoffen mit dem gekühlten, ausströmenden Gas zu minimieren.
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Obwohl die Fließbettkühlungsstufe verschiedene Querschl tsformen lgaben
kann ~ so wird doch (~in zylindrischer Be1# t c'r bevorzugt und er sollte vorzugsweise
ein Verhältnis von Länge : Durchmesser (L/D) von wenigstens etwa 1,5 : 1, vorzugsweise
im Bereich von 2 : 1 bis 8 : 1, haben. Wenigstens der untere Teil des Behälters
wird in seinem Inneren mit einer harten, feuerfesten Auskleidung thermisch isoliert,
aber der obere Teil, wo die Bettemperatur wohl innerhalb der für Kohlenstoffstahlgehäusematerial
tragbaren Grenze liegt, braucht nicht mit Isolierung ausgekleidet werden.
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Das heiße, aus dem Kohlevergaser ausströmende Gas wird gewöhnlich
durch einen ersten Zyklonabscheider zur Entfernung von groben Feststoffen geleitet;
der Zyklonabscheider ist unmittelbar stromaufwärts zur Fließbettgaskühlungsstufe
angeordnet. Es wird erwartet, daß der erste Zyklonabscheiderausgang und der Deckelbereich
des Fließbetts im wesentlichen frei von Teerablagerungen bleiben, und zwar aufgrund
der hohen Geschwindigkeit und hohen Temperatur des Gases in dieser Umgebung und
des isolierenden Effekts, der durch die umgebende feuerfeste Isolierung und die
auf der Oberseite des Deckels niedergeschlagenen Feststoffe vorgesehen wird. Wenn
jedoch die Deckelfläche nicht ausreichend frei von Feststoffansammlungen bleibt,
kann es vorteilhaft sein, die Feststoffe in dieser Region zu rezirkulieren oder
gröbere Feststoffe in den Ausgang des ersten Zyklonabscheiders hinzuzufügen, wo
solche Feststoffe rundherum zirkulieren
können und die Koksniederschläge
innerhalb dieses Raums wegreinigen können.
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Die erfindungsgemäße Gaskühlungs- und Staubentfernungsstufe ist zur
Vergasung von Anthrazit, bituminösen und subbituminösen Kohletypen brauchbar. Diese
Erfindung ist für verschiedene bekannte Typen von Kohlevergasungsverfahren brauchbar,
vorzugsweise für solche, die Fließbetten verwenden; sie ist jedoch besonders brauchbar
für die Typen der schnellen Fließbettkohlenvergasungssysteme.
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Bei der Kohlevergasung in einem Vergaser vom schnellen Fließbettyp
wird man mit dem zusätzlichen Problem konfrontiert, daß die Vergaseraustrittsgeschwindigkeit
in weiten Grenzen schwanken kann, nämlich wenn sich die Nachfrage nach Gasprodukt
oder die Strömungsgeschwindigkeit ändert.
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Um sich der Änderung der Gasströmungsgeschwindigkeit in weiten Grenzen
anzupassen, muß das Teer- und Staubentfernungssystem hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit
in vergleichbar weiten Grenzen veränderbar sein und eine dementsprechende Charakteristik
aufweisen. Es ist ein Vorteil der erfindungsgemäßen Fließbettgaskühlungs- und Staubentfernungsstufe,
daß sie auch ein schneller Typ eines Fließbetts mit von Kohle herstammenden Teilchen
sein kann und dabei im wesentlichen dieselbe Fähigkeit zur Strömungs- und Belastungsänderung
hat, wie der Kohlevergaser selbst. Obgleich diese Erfindung bei irgendeiner Kohlevergasungsstufe,
bei der Partikel aus unreagierter Kohle, Teer und Asche in dem heißen ausströmenden
Gasstrom erzeugt werden, einsetzbar ist, so wird sie jedoch am vorteilhaftesten
und vorzugsweise in Verbindung mit einem schnellen Fließbettkohlevergaser verwendet,
der mit einer etwa 1,6 m/s (5 ft/sec) übersteigenden Gasgeschwindigkeit betrieben
wird.
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Die Figur ist eine teilweise geschnittene, schematische Darstellung
eines Fließbettgaskühlers zur Verwendung in einem
in einem Kohlevergasungsverfahren.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der Figur beschrieben. Die Figur stellt ganz allgemein ein Kohlevergasungsverfahren
dar, in welchem die pulverisierte und vorgeheizte Kohlebeschickung bei 10 in eine
Vergasungsstufe 12 zusammen mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas 14 und unter Druck
gesetztem Dampf 16 eingeführt wird. Das resultierende, heiße, ausströmende Gas,
das eine Temperatur von 820 - 12000C (1500 - 22000F) hat, wird bei 18 entfernt und
bei 20 der Fließbettgaskühlstufe zugeführt, während der Ascherückstand aus dem Vergaser
bei 19 zurückgezogen wird.
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Das heiße Gas bei 18, das feine partikelförmige Feststoffe und Teere
von der Kohlevergasungszone 12 enthält, wird gewöhnlich in einem primären Zyklonabscheider,
wie gezeigt bei 22, eingeführt. In diesem Abscheider wird der Anteil an gröberen,
mitgerissenen Feststoffen als Strom 23 entfernt und in die Kohlevergasungszone darunter
zurückgeführt.
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Der resultierende, heiße Überkopfgasstrom, der gewöhnlich eine Temperatur
im Bereich von 820 - 11000C (1500 - 2200°F) hat und etwas feine, teilchenförmige
Feststoffe enthält, verläßt den Abscheider durch das Rohr 24 und tritt in die Fließbettgaskühlzone
26 ein. Dieser Zyklonabscheider 22 kann entweder in den oberen Teil des Vergasers
12 einverleibt werden, oder er kann am unteren Teil der Fließbettkühlungszone 26
befestigt werden, oder beides, wie hier gezeigt.
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Das heiße Gas passiert aufwärts strömend durch die Öffnung 24 und
um die feststehende Prallfläche oderDeckel28 herum, und von dort wird der Gasstrom
im allgemeinen nach außen gegen die Wandung 29 und aufwärts durch die im Fließbett
30 angesammeiten Yohlefeststoffe geleitet. Der Deckel 28 ist vorzugsweise zentral
in dem Bodenteil des Behälters
angeordnet und dient dazu, das Zurirekfallen
der Feststoffe aus dem Fließbett 30 nach unten durch das Rohr 24 zu verhindern;
dadurch wird eine gewünschte Menge an Feststoffen in dem Fließbett aufrechterhalten.
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Die Rohre oder Leitungen 32 sind innerhalb des Fließbetts 30 vorgesehen
zur Beförderung einer Kühlflüssigkeit, zur Abführung von Hitze aus dem heißen Gas
und dem partikelförmigen Feststoffen und zur Kühlung des Betts. Die Leitungen 32
werden vorzugsweise so angeordnet, daß sowohl die Einlaß-, als auch die Auslaßverbindungen
an der oberen Wandung des Behälters angeordnet und im wesentlichen vertikal orientiert
sind, wie das durch U-förmige Metalleitungen vorgesehen ist. In dem heißen Gasstrom
24 enthaltene Teere und Öle kondensieren auf den kühleren Feststoffpartikeln in
dem Bett 30 und die Feststoffe werden über das Uberströmrohr 34 nach unten entfernt
und werden vorzugsweise in die Vergasungszone 12 darunter zurückgeführt. Die Kühlflüssigkeit
in den Rohrleitungen 32 ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel unter
Druck stehendes Wasser zur Herstellung von Dampf.
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Das erhaltene, gereinigte Gas wird dadurch auf unter 43com (8000F),
vorzugsweise 320 - 4000C (600 - 7500F), gekühlt und verläßt die Fließbettkühlzone
26 durch das Rohr 36 für weitere Verfahrensschritte, wie zum Beispiel die Reinigung
von Schwefelverunreinigungen und Fraktionierstufen. Um ein nennenswertes Mitreißen
von Feststoffen aus dem Bett 30 mit dem Produktgas zu verhindern, ist ein Gas/Flüssigkeits-Trennraum
42 über dem Fließbetts 30 vorgesehen. Auch sollte das Gasauslaßrohr 36 wenigstens
etwa 30 cm (1 ft.) über dem Niveau des Überströmrohrauslasses 34 für die Feststoffe
angeordnet sein; es sollte vorzugsweise 60 - 180 cm über dem Überstromrohrauslaß
angeordnet sein. Falls gewünscht, kann auch ein Prallblech 37 nahe dem Einlaß zum
Rohr 36 angebracht werden, um das Mitreißen von Feststoffen aus dem Bett 30 möglichst
gering zu halten.
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Die Temperatur des in die Kühlungszone bei 20 eintretenden Gases wird
gewöhnlich innerhalb des Bereiches von 820 -12000C (1500 - 22000F) liegen, vorzugsweise
bei 930 - 11500C (1700 - 21000F). Der brauchbare Druckbereich ist 7 - 70 bar (100
- 1000 psig)' und ist vorzugsweise 10 - 55 bar (150 -800 psi. Das Fließbett ist
wenigstens in seinem unteren Teil mit einer abriebfesten, thermisci.en Isolierung
38 ausgekleidet, um die gewünschte Gastemperatur darin leicht-nr aufrechterhalten
zu können und um den Metallbehälter 40 nach Bedarf vor übermäßigen Temperaturen
zu schützen. Solch eine innere thermische Isolierung erstreckt sich vorzugsweise
nach oben bis etwa zum Niveau des Rohrs 34 zum Zurückziehen der Feststoffe. Das
Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) des Fließbetts sollte wenigstens etwa
0,5 : 1 sein und sollte gewöhnlich etwa 4 überschreiten.
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Diese Fließbettgaskühl- oder Abschreckstufe ist für verschiedene Typen
von Kohlevergasern brauchbar, einschließlich für die Typen von Partikelfall- und
Fließbettvergasern. Die Kühlstufe dieser Erfindung weist zwar eine Charakteristik
auf, die eine Variation der Strömung in weiten Grenzen erlaubt, sie wird aber vorzugsweise
in Verbindung mit einem Fließbettkohlevergaser vom schnellen Typ mit zweifachen
Betten eingesetzt. Diese Fließbettgasabschreckeinheit wird vorzugsweise direkt über
dem primären Zyklonabscheider eines Fließbettvergasers vom schnellen Typ aufgebaut
und führt Feststoffe in das langsame Bett des Vergasers zurück. Auf diese Weise
erfüllt sie die Funktion eines sekundären Abscheiders, der gewöhnlich in einem Fließbettvergaserverfahren
vom schnellen Typ verwendet wird, indem sie die feinen Staubpartikel von dem Gas
abtrennt und in den Vergaser über ein Überströmrohr zurückführt.
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