DE3133470A1

DE3133470A1 - Regeneratives waermeuebertragungs- und reinigungssystem

Info

Publication number: DE3133470A1
Application number: DE19813133470
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. Dr. 6605 Friedrichsthal Spiethoff
Original assignee: Saarbergwerke AG
Current assignee: Saarbergwerke AG
Priority date: 1981-08-25
Filing date: 1981-08-25
Publication date: 1983-03-31
Also published as: DE3133470C2

Description

Regeneratives Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem

Die Erfindung betrifft ein regeneratives Wärmeübertragungsund Reinigungssystem zum Kühlen und Reinigen eines heißen, Feststoffteilchen enthaltenden Rohgases und zum gleichzeitigen Anwärmen eines kalten Reingases, bei dem der Wärmeinhalt des Rohgases zumindest teilweise zunächst auf einen Zwischenwärmeträger und dann von diesem auf das Reingas übertragen wird.

Bei der Verbrennung bzw. Vergasung von organischen Feststoffen, insbesondere von Kohle, entstehen je nach der angewandten Verfahrenstechnik Rauchgase bzw. Kohlevergasungsgase (im folgenden Rohgase genannt), bei Temperaturen bis zu 2000° C. Diese Rohgase enthalten neben Verunreinigungen in der Gasphase, wie z.B. Schwefelverbindungen, auch noch Asche, unverbrauchte Kohle bzw. Flugkoks in der flüssigen oder festen Phase.

Die Ableitung der Rauchgase in die Atmosphäre bzw. die Weiterverarbeitung der Kohlevergasungsgase, z.B. in Gasturbinenprozessen, erfordert die vorherige Abtrennung der Verunreinigungen.

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-G-

Bei den bekannten Verfahren erfolgt die Abtrennung von Feststoffen meist durch Elektrofilter, durch Zyklone, durch Staubfilter oder auch durch eine Kombination dieser Anlagenteile, während die Abtrennung der gasförmigen Verunreinigungen in der Regel durch Stoffaustausch mit geeigneten Waschmitteln erfolgt, z.B. im Falle der Schwefeloxide durch Reaktion mit wässrigen Kalklösungen.

Allen diesen Reinigungsverfahren ist gemeinsam, daß sie unter anderem auch aus Materialgründen nur bei relativ niedrigen Drükken und Temperaturen erfolgreich betrieben werden können.

Die Vorteile, die sich im Hinblick auf nachgeschaltete Prozesse bei Rohgasen, die unter erhöhtem Druck und relativ hohen Temperaturen anfallen, ergeben, gehen somit durch die zwangsläufig erforderlichen Reinigungsschritte zumindest teilweise wieder verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und somit wirtschaftliches System zur Reinigung heißer und ggf. unter Druck stehender Rohgase zu entwickeln, bei dem die reinigungsbedingten Wärmeverluste möglichst gering sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmeübertragungssystem aus mindestens drei Zonen besteht, wobei zum Zeitpunkt der Erhitzung einer gekühlten Zone durch durchströmendes Rohgas eine bereits erhitzte Zone gespült und eine bereits gespülte Zone durch durchströmendes Reingas gekühlt

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem wird das heiße, Feststoffteilchen enthaltende Rohgas zunächst in die erste Zone des Systems eingeleitet und dort durch Wärmeabgabe an das in dieser Zone vorhandene Speichermedium abgekühlt. Gleichzeitig werden ein Großteil der im Rohgas vorhandenen Feststoffpartikel auf der Oberfläche des Speichermediums abgeschieden. Die Wahl des jeweiligen Speichermediums hängt im wesentlichen von der Temperatur des jeweilig zu behandelnden Rohgases ab. Falls die Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der mitgetragenen Schlacketeilchen liegt, wird zweckmäßigerweise ein mineralisches Material, wie Keramik usw., als Speichermediumverwendet.

Für den Fall, daß die Temperatur des zu behandelnden Rohgases oberhalb des Schlackeschmelzpunktes liegt, wie dies besonders bei Kohlevergasungsanlagen der Fall ist, und die vom Rohgas mitgerissenen Teilchen somit in der flüssigen Phase vorliegen, erweist es sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als besonders sinnvoll, die Zonenwände als aus der Kraftwerkstechnik bekannte Schmelzkammerwände auszubilden. Eine solche Schmelzkammerwand besteht von der kalten zur Rohgasseite zunächst aus einer mit Stiften versehenen und bestampften Flossenwand, die mit einem Schlackepelz versehen ist. Bei dieser Anordnung erfüllt nunmehr der Schlackepelz die Funktion des WarmeSpeichers in der entsprechenden Zone.

Während die erste Zone des mehrzonigen Wärmeübertragungssystems erwärmt, d.h. das heiße Rohgas gekühlt und entstaubt wird, wird die zweite Zone, die in dem vorherigen Schaltintervall erhitzt wurde, gespült. Dabei wird kurzzeitig ein Gasstrom durch diese Zone geleitet, der die freien, nicht abgebundenen Staubteilchen austrägt. Eine dritte, bereits gespülte Zone wird indessen wieder abgekühlt, d.h. die gespeicherte Wärmemenge wird auf das Reingas übertragen, welches sich dabei erwärmt und dann der weiteren Verwendung, z.B. einer Gasturbine zugeführt wird. Zweckmäßigerweise wird ein Teil des Reingases zum Spülen der zweiten Zone abgezweigt.

Für den Fall, daß Schlacke in dem zur Strömung frei zu haltenden Querschnitt abgelagert wird, erweist es sich als vorteilhaft, noch eine vierte Zone vorzusehen. Während die erste Zone erhitzt, die zweite gespült und die dritte gekühlt wird, können in dieser Zone nunmehr die aus der Schmelzkammerwand heraus- und in den Strömungsweg hineinragenden Schlackeansätze abgetrennt werden.

In dem nachfolgenden Schaltintervall wird dann die vierte Zone erhitzt, die erste gespült, die zweite gekühlt und die dritte von Schlackerückständen befreit.

Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem eignet sich in besonderer Weise zur Behandlung von heißem, unter Druck stehendem Kohlevergasungsgas. Dieses Gas kann zunächst in der ersten Zone des Systems abgekühlt und von Staub befreit werden. Anschließend können unmittelbar im Anschluß an die Abkühlung weitere gasförmige Verunreinigungen, wie z.B.

der Schwefelwasserstoff, abgetrennt werden. Daraufhin wird das nunmehr saubere Rohgas in der gespülten Zone wieder aufgeheizt und kann dann direkt z.B. einer Gasturbine zugeführt werden. Durch das vorgeschlagene Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem gelingt es somit unter Beibehaltung des Druckniveaus ein heißes Rohgas zum Zwecke der Reinigung zu kühlen und daraufhin wieder zu erhitzen.

Als konstruktiv sinnvoll erweist es sich, das aus den verschiedenen Zonen bestehende Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem in einem druckfesten Gehäuse mit einem sich drehenden Rotor mit feststehenden Ein- und Auslaßhauben für das Rohgas sowie feststehenden Ein- und Auslaßhauben für das Reingas anzuordnen und innerhalb des Gehäuses Abdeckplatten zum Abdecken der zu reinigenden Zonen, d.h. der jeweils zu spülenden sowie der zu entschlackenden Zone, vorzusehen. Durch diskontinuierliches oder kontinuierliches Drehen des Rotors können die einzelnen Zonen jeweils den einzelnen Verfahrensschritten, nämlich Aufheizen, Spülen, Kühlen und Entschlacken, zugänglich gemacht werden. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Ein- und Auslaßhauben relativ zum Rotor gedreht werden.

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind den in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Es zeigen:

ίο -

Fig. 1 : ein mögliches Gesamtsystem zum Behandeln eines heissen Kohlevergasungsgases.

Fig. 2 : eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform des Wärmeubertragungs- und Reinigungssystem.

Figur 1 zeigt ein aus vier Zonen 1, 2, 3 und 4 bestehendes Wärmeubertragungs- und Reinigungssystem für ein heißes Kohlevergasungsgas, das bei einer Temperatur oberhalb des Schlackeschmelzpunktesj also oberhalb etwa 1400 C, und bei einem Druck von etwa 25 bar in einem Flugstromvergaser anfällt.

Die Wände der einzelnen Zonen sind als an sich bekannte Schmelzkammerwände ausgebildet, d.h. sie_setzen sich aus einer bestifteten, von Kühlwasser durchströmten Flossenwand, einer Stampfmasse sowie einem auf der Stampfmasse abgelagerten Schlackepelz zusammen.

In dem in der Figur dargestellten Schaltintervall des Wärmeubertragungs- und Reinigungssystems wird das heiße Rohgas zunächst der Zone 1 zugeführt und beim Durchströmen dieser Zone abgekühlt.· Die Wärme, die in dem vorliegenden hohen Temperaturbereich im wesentlichen in Form von Strahlungswärme abgegeben wird, wodurch nur relativ kleine Wärmeübertragungsflächen benötigt werden, wird auf die Seitenwände dieser Zone übertragen und zu einem erheblichen Teil in dem Schlackepelz der Seitenwände gespeichert. Gleichzeitig lagern sich die im Zuge der Abkühlung verfestigten Aschepartikel auf den Seitenwänden der Zone 1 ab.

Das stark abgekühlte und weitgehend von Feststoffen befreite Rohgas verlaßt die Zone 1 über einen Abzug 6. Nach Abgabe der ggf. noch vorhandenen Restwärme in einem Wärmetauschersystem 7 wird das Rohgas nunmehr einem Reinigungssystem 8 zugeführt, in dem ggf. noch vorhandene Restbestandteile an Feststoffen sowie die gasförmigen Verunreinigungen, wie z.B. Schwefelwasserstoffe, abgetrennt werden.

Das gereinigte Rohgas verläßt das Reinigungssystem B über eine Leitung 9, durchströmt das Wärmetauschersystem 7 und wird dann in die gespülte, aber noch heiße Zone 3 des Wärmeübertragungsund Reinigungssystems eingespeist und durch Aufnahme von Speicherwärme aus den Seitenwänden dieser Zone erneut aufgeheizt. Hier können Reingastemperaturen bis knapp unterhalb des Schlakkeschmelzpunktes erreicht werden. Über ein Abzugssystem 10 kann das gereinigte und erhitzte Reingas weiterverwendet werden, z.B. in einer Gasturbinenanlage zur Stromerzeugung.

Zweckmäßigerweise wird ein geringer Teil des gereinigten Reingases kurzzeitig zum Spülen der heißen und noch mit Feststoffteilchen beaufschlagten Zone 2 abgezogen. Hierzu dienen eine absperrbare Zuführung 11 sowie ein entsprechender Abzug 12.

Gleichzeitig wird die in diesem Schaltintervall kalte Zone 4 von Schlackeresten, die den Strömungsquerschnitt verkleinern, befreit.

In dem dem geschilderten Schaltintervall folgenden Intervall wird nunmehr die Zone 4 erhitzt, die Zone 1 gespült, die Zone 2 gekühlt und die Zone 3 entschlackt» Entsprechendes gilt für die nachfolgenden Schaltintervalle.

Fig. 2 zeigt schematisch eine u/eitere Ausführungsform des Wärmeübertragungs- und Reinigungssystems, bei der die verschiedenen Zonen drehbar als Rotor angeordnet sind. Der Rotor selbst weist in diesem Beispiel insgesamt acht Sektoren 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 und 20 auf. Die gasseitigen Wände der einzelnen Sektoren, die auch durch einzelne Rohre mit freiem Rohrquerschnitt gebildet «/erden können, sind hier als Schmelzkammeru/ände ausgebildet.

Die gesamte Anordnung ist in einem druckfesten, hier nicht dargestellten Gehäuse untergebracht. Ebenfalls nicht dargestellte Gasein- bzw. Gasauslaßhauben überdecken die Sektoren 13, 14 und 15 bzw. die Sektoren 17, 18 und 19. Für die Sektoren 16 und 20 sind mit dem Gehäuse kraftschlüssig verbundene Abdeckplatten vorgesehen. Der Rotor ist im Gehäuse in Pfeilrichtung 23 drehbar angeordnet.

In der vorliegenden Schaltphase entsprechen die Sektoren 13, 14 und 15 der 1. Zone des Systems, die vom heißen Rohgas durchströmt wird. Gleichzeitig werden der Sektor 16 (2. Zone) gespült, die Sektoren 17, 18 und 19 gekühlt (3. Zone) und der Sektor 20 (4. Zone) entschlackt. In dem nachfolgenden Schaltintervall verlagert sich die 1. Zone auf die Sektoren 20, 13 und 14, die 2. Zo-

ne auf den Sektor 15, die dritte Zone auf die Sektoren 16, 17 und 18 und die vierte Zone auf den Sektor 19.

Der Umlauf des Rotors kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich erfolgen. Bei diskontinuierlicher Fahrweise können die Hauben und Abdeckplatten heb- und senkbar im Gehäuse angeordnet M/erden, während beim kontinuierlichen Betrieb die Hauben und Abdeckplatten im Gehäuse starr unter Freilassung eines Spaltes zum Rotor angeordnet sind.

Claims

ι -

Saarbergwerke Aktiengesellschaft 20. Aug. 1981

La/Kö/P 81/10

Regeneratives Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem

Patentansprüche:

1„j Regeneratives Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem zum ^S Kühlen und Reinigen eines heißen, Feststoffteilchen enthaltenden Rohgases und zum gleichzeitigen Anwärmen eines kalten Reingases, bei dem der Wärmeinhalt des Rohgases zumindest teilweise zunächst auf einen Zwischenwärmeträger und dann von diesem auf das Reingas übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungssystem aus mindestens drei Zonen besteht, wobei in der Zeit der Aufheizung einer gekühlten Zone durch durchströmendes Rohgas eine bereits aufgeheizte Zone gespült und eine bereits gespülte Zone durch durchströmendes Reingas gekühlt wird.
2. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Spülen ein Teil "des Reingases verwendet wird.
3. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Rohgas bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Feststoffteilchen anfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der verschiedenen Zonen als Schmelzkammerwände ausgebildet sind.
4. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungssystem eine weitere vierte Zone aufweist, wobei aus dieser Zone nach der Abkühlung und vor der erneuten Aufheizung aus der Schmelzkammerwand heraus- und in den Strömungsweg hineinragende Schlakkenansätze abgetrennt werden.
5. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach einem der.Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der gespülten Zone durch das abgekühlte und gereinigte Rohgas erfolgt.
6. Regeneratives Wärmeübertragungssystem nach einem der Anprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen drehbar als Rotor in einem druckfesten Gehäuse mit einer Ein- und Auslaßhaube für das Rohgas sowie einer Ein- und Auslaß-

haube für das Reingas angeordnet sind, und daß innerhalb des Gehäuses Abdeckplatten zum Abdecken der jeweils zu reinigenden Zone vorgesehen sind.
7. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor diskontinuierlich umläuft und die Hauben und Abdeckplatten heb- und senkbar angeordnet sind.
8. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor kontinuierlich umläuft und die Hauben und Abdeckplatten starr unter Freilassung eines Spaltes zum Rotor angeordnet sind.
9. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Sektoren besteht und daß jede Abdeckplatte die Abdeckung mindestens eines Sektors ermöglicht.
10. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sektor durch ein parallel zur Rotorachse angeordnetes Rohr mit freiem Rohrquerschnitt gebildet wird.
11. Wärmeübertragungs- und Reinigungssystem nach einem der An-

sprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und AuslaQhauben relativ zum Rotor drehbar angeordnet sind.