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~Verfahren zum Reinigen und Kühlen eines heißen Gases und
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Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" beanspruchte Priorität:
1. Dezember 1981, Niederlande, Nr. 8105421 Die vorliegende Anmeldung betrifft ein
Verfahren zum Reinigen und Kühlen eines feste Teilchen enthaltenden heißen Gases,
in welchem a) das Gas durch mindestens einen Wärmeaustauscher geleitet wird: b)
das aus Stufe a) erhaltene Produkt durch mindestens ein Zyklon geleitet wird, in
welchem festes Material aus dem Gas abgetrennt wird; c) das aus Stufe b) erhaltene
gasförmige Produkt schließlich durch einen Wasserwäscher geleitet wird, in welchem
sich eine wässrige Suspension fester Teilchen bildet, und d) diese Suspension mindestens
zum Teil in Stufe a) zurückgeführt und an einer Stelle vor, zwischen oder nach dem
(den) Wärmeaustauscher(n) oder in dem (den) Wärmeaustauscher(n) in das Gas injiziert
wird.
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Die Anmeldung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung, welche zur Durchführung
eines solchen Verfahrens geeignet ist. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung
sind an sich aus
der offengelegten niederländischen Patentanmeldung
730261-&-bekannt.
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Die Anmelderin hat das bekannte Verfahren-und die bekannte Vorrichtung
auch mit guten Ergebnissen eingesetzt, um aus bl- und Kohlevergasungsanlagen erhaltene
Rohproduktgase zu reinigen und zu kühlen.
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Es hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, daß insbesondere Rohproduktgase,
welche aus einer Kohlevergasungsanlage stammen, viele feine Ascheteilchen enthalten,
die auch als Flugasche bezeichnet werden, und bei denen eine nicht unbeträchtliche
Menge einen solchen Feinheitsgrad aufweist, daß sie nicht in einem Zyklon oder in
einer Reihe von Zyklonen abgetrennt werden konnten. Solche Teilchen werden zwar
zugegebenermaßen im Wasserwäscher aus dem Gas abgetrennt, wenn man aber die dabei
gebildete wässrige Suspension im Kreislauf in das heiße Gas zurückführt, so gelangen
auch diese feinteiligen Stoffe wiederum in das Reinigungssystem. Das Ergebnis ist
dann, daß sich diese feinen Teilchen in immer stärkerem Ausmaß in dem Gesamtkreislauf
ansammeln, welcher durch das (die) Zyklon(e), den Wasserwäscher, die Rückführungsleitung
für die Suspension und möglicherweise den (die) Wärmeaustauscher gebildet wird,
falls nicht mindestens ein Teil der Suspension feiner Ascheteilchen aus dem Reinigungssystem
ausgetragen wird. Der (die) Wärmeaustauscher befindet (befinden) sich in diesem
Gesamtkreislauf , falls die Suspension nicht an einer Stelle, welche nach dem(den)Wärmeaustauscher(n)
gelegen ist, in das Gas injiziert wird. Die Durchführung der Injektion der wässrigen
Suspension in das heiße Gas an einer vor dem (den) Wärmeaustauscher(n) gelegenen
Stelle ist vorteilhaft, weil dann die Suspension tatsächlich schneller verdampft
und das Gas leicht vorgekühlt wird. Es zeigte sich jedoch, daß eine Injektion der
Suspension an einer vor, zwischen oder in dem (den) Wärmeaustauscher(n) selbst gelegenen
Stelle einen zusätzlichen Nachteil mit sich bringt, welcher darin besteht, daß der
(die) Wärmeaustauscher infolge eines örtlichen Niederschlages von Feinstoffen verschmutzt.
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Ein solcher Niederschlag führt zu einem geringeren Wärmeübergang,
so daß die Auslaßtemperatur des Gases aus dem (den) Wärmeaustauscher(n) zu hoch
liegt mit dem unerwünschten Ergebnis, daß das Zyklon gleichfalls beschädigt werden
kann. Außerdem führt ein gelegentliches Abblättern des Niederschlages zu einem plötzlichen
Temperaturwechsel bei den Wärmeaustauschrohren mit allen damit verbundenen unerwünschten
möglichen Folgeerscheinungen.
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Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß sich gerade die kleinsten
Teilchen in dem (den) Wärmeaustauscher(n) niederschlagen, insbesondere in den toten
Winkeln. Das läßt sich teilweise aus einer lokalen Verringerung in der Geschwindigkeit
des rasch fließenden Gasstromes und teilweise durch elektrostatische Ursachen erklären.
Diese Erklärungen haben jedoch noch nicht zu einer Lösung des betreffenden technischen
Problems geführt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen und
Reinigen eines heißen Gases zur Verfügung zu stellen, bei dem die Vorteile der bekannten
Arbeitsweise beibehalten werden, beispielsweise daß das abgetrennte feste Material
in praktisch trockenem Zustand anfällt und Wasser praktisch nicht verbraucht oder
abgezogen wird, welches aber nicht mehr den Nachteil der Ansammlung von feinen Teilchen
in dem System und der damit verbundenen Verschmutzung des bzw. der Wärmeaustauscher
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird das technische Problem dadurch gelöst, daß die
festen Teilchen in dem heißen Gas und/oder in der Suspension zu größeren Teilchen
agglomeriert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reinigen und Kühlen eines feste
Teilchen enthaltenden heißen Gases, in welchem a) das Gas durch mindestens einen
Wärmeaustauscher geleitet wird; b) das aus Stufe a) erhaltene Produkt durch mindestens
ein Zyklon geleitet wird, in welchem festes Material aus dem Gas abgetrennt wird;
c)
das aus Stufe b) erhaltene gasförmige Produkt schließlich durch einen Wasserwäscher
geleitet wird, in welchem sich eine wässrige Suspension fester Teilchen bildet,
und d) diese in Stufe c) gebildete Suspension mindestens zum Teil in Stufe a) zurückgeführt
und an einer Stelle vor, zwischen oder nach dem (den) Wärmeaustauscher(n) oder in
dem (den) Wärmeaustauscher(n) in das Gas injiziert wird, ist demgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die festen Teilchen in dem heißen Gas und/oder in der Suspension zu größeren
Teilchen agglomeriert werden.
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Die Maßnahme gemäß der Erfindung ermöglicht es in überraschend einfacher
Weise, daß praktisch die gesamte Menge an Feststoffen schließlich mittels des Zyklons
aus dem heißen Gas entfernt wird. Da die agglomerierten Teilchen vor Eintritt in
das oder die Zyklone in dem Gasstrom auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, tritt
eine leichte Calzinierung der Teilchen ein, so daß sie besonders fest werden und
viel schwieriger auslaugen, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen. Wenn demgemäß
ein solches Material im Freien gelagert wird, besteht praktisch keine Gefahr, daß
unerwünschte Komponenten daraus ausgelaugt werden.
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Die Umgebung kann daher durch die Lagerung solcher fester Teilchen
nicht verschmutzt werden.
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Die festen Teilchen können auf die verschiedenste Weise agglomeriert
werden, beispielsweise mechanisch oder elektrostatisch.
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Die besten Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn die Teilchen durch
Zusatz eines Klebemittels zu dem heißen Gas und/oder der Suspension agglomeriert
werden. Diese Arbeitsweise führt tatsächlich zu der geringst möglichen Störung in
der Gasströmung und darüber hinaus findet die Agglomerierung auch nicht nur lokal
an bestimmten Stellen statt, wie bei Anwendung der anderen vorstehend erwähnten
Methoden, sondern in dem Gesamtkreislauf, welcher aus dem bzw. den Zyklonen, dem
Wasserwäscher, der Rückführungsleitung für die Suspension und gegebenenfalls dem
bzw. den Wärmeaustauscher(n) besteht. Ein weiterer Vorteil des Zusatzes eines Klebemittels
besteht darin, daß dann die
Auslaugbarkeit der agglomerierten Teilchen
weiterhin verringert wird. Ein im Gasstrom Suspensionsstrom durch ein Klebemittel
klebrig gemachtes Ascheteilchen kollidiert mit anderen Ascheteilchen und agglomeriert
dadurch zu einem grösseren Teilchen. Das so gebildete Teilchen ist vielleicht noch
nicht groß genug, um durch ein Zyklon abtrennbar zu sein. In diesem Fall durchläuft
das Teilchen ein oder mehrere zusätzliche Behandlungszyklen und agglomeriert stetig
weiter, bis es für eine Abtrennung groß genug geworden ist.
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Das Klebemittel wird vorzugsweise demjenigen Teil der Suspension zugesetzt,
welcher zur Injizierungsstelle in Stufe a) zurückgeführt wird. Das bedeutet, daß
das Klebemittel zweckmässig nicht in den Gasstrom oder in denjenigen Teil der wässrigen
Suspension eingeführt wird, welcher gegebenenfalls an einer Stelle zwischen dem
bzw. den Zyklonen und dem Wasserwäscher in das Gas eingespeist wird. Das Klebemittel
läßt sich der Suspension in einfacher Weise zusetzen, beispielsweise mittels einer
Dosierpumpe, wohingegen der Zusatz zu dem Gasstrom, welcher oft unter Druck steht,
praktische Probleme bieten kann.
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Das Klebemittel muß eine derartige Zusammensetzung aufweisen, daß
es entweder in dem heißen oder kalten Gasstrom oder in der wässrigen Suspension
und vorzugsweise in beiden Medien seine Klebewirkung entfaltet. Es kann auch in
dem heißen Gasstrom carbonisiert werden, da ein solcher Carbonisierungsvorgang nicht
zu einer Zersetzung des Agglomerats Anlaß gibt. So kann eine Substanz verwendet
werden, welche carbonisiert wird und dadurch eine bestimmte Struktur bildet; beispielsweise
ist in diesem Zusammenhang Stärke ein geeignetes Klebemittel. Vorzugsweise wird
jedoch ein Silikat, wie ein Alkalisilikat und insbesondere ein Wasserglas, als Klebemittel
eingesetzt.
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Es ist bekannt, daß Wasserglas aus Wasser und Natriumsilikat der Formel
Na2O .xSiO2 besteht, wobei x Werte von 3 bis 5 annehmen kann. Die mit dieser Verbindung
erzielten sehr befriedigenden Ergebnisse können auch von den dispergierenden
Eigenschaften
der Verbindung herrühren, wobei die fetten Ascheteilchen, welche noch nicht verbrannten
Kohlenstoff oder nicht verbrannten Ruß enthalten, besser benetzt werden und dann
eine bessere Suspension bilden. Das Silikat ist bis zu sehr hohen Temperaturen,
beispielsweise oberhalb 1000°C, stabil, obwohl es bei einer solchen Temperatur selbstverständlich
den Wassergehalt verliert und dann im geschmolzenen oder zumindest erweichten Zustand
vorliegen kann.
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Vorzugsweise werden 0,5 bis 5 g Na2Si4O9 je Liter der aus dem Wasserwäscher
abgezogenen Suspension verwendet. Die Menge an zugesetztem Wasserglas muß ausreichen,
um denjenigen Anteil zu kompensieren, welcher zusammen mit den festen Teilchen im
Zyklon abgetrennt wird. Da kein anderes Wasser als kondensierter Wasserdampf aus
dem System abgezogen wird, kann auch kein Anteil des Wasserglases das Reinigungssystem
zusammen mit dem Wasser verlassen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Teilchen agglomeriert, indem man die Suspension in Form von Tropfen in
Stufe d) in das Gas injiziert.
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Diese Injektion erfolgt vorteilhaft in das heiße Gas, das heißt an
einer Stelle des Gasstromes vor dem Wärmeaustauscher. Es war an sich üblich, die
Suspension in Form eines möglichst feinen Nebels in den Gasstrom zu injizieren,
um so eine möglichst schnelle Wasserverdampfung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck
wurde vorzugsweise ein Sprühtrockner , beispielswiese vom Venturi-Typ, verwendet.
Zu feine Nebel sind jedoch für diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
weniger geeignet, da dann jedes Nebeltröpfchen nur eine so geringe Menge an festem
Material enthält, daß nach der Verdampfung des Wassers Teilchen von zu kleiner Abmessung
zurückbleiben. Die in den Gasstrom injizierten Tropfen der Suspension müssen vielmehr
so groß sein, daß sie ausreichend Feststoffe enthalten, um ein festes Agglomeratteilchen
zu bilden, das ausreichend groß ist, um mittels eines Zyklons abtrennbar zu sein.
Andererseits dürfen aber die Tropfen nicht so groß sein, daß das Wasser nicht mehr
schnell genug verdampfen kann, da dann solche Tropfen an
den Wandungen
des (der) Wärmeaustauscher(s) haften bleiben.
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Vorzugsweise haben solche Tropfen einen mittleren Durchmesser zwischen
100 und 1000 und insbesondere von etwa 3 ßm. Die in Tropfenform injizierte Suspension
kann K#lebemittel enthalten, braucht es aber nicht zu enthalten. Die Anwesenheit
von Klebemittel in der Suspension befördert selbstverständlich die Agglomerierung
der in den Tropfen vorhandenen festen Teilchen.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
können eventuell vorhandene Niederschläge feiner Feststoffteilchen auf den Rohrwandungen
des (der) Wärmeaustauscher(s) und der den Wärmeaustauscher mit dem Zyklon verbindenden
Rohrleitungen entfernt werden, indem man die erosive Wirkung harter, großer Teilchen
ausnutzt. Beispielsweise kann man gemahlene, aus einem Kohlevergaser stammende Schlacke
an einer Stelle vor dem (den) Wärmeaustauscher(n) in den Gasstrom injizieren. Das
Klebemittel wird vorzugsweise der Suspension selbst zugesetzt, und dann wird diese
an einer Stelle, welche vor dem (den) Wärmeaustauscher(n) gelegen ist, in das Gas
injiziert.
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Eine Analyse der Teilchengrößenverteilung der aus einem Kohlevergaser
stammenden Flugasche hat gezeigt, daß etwa 50 Gewichtsprozent dieser Teilchen zu
klein ist, um noch in einem Zyklon abtrennbar zu sein. Diese Tatsache hat bestimmte
Konsequenzen für den Agglomerierungsgrad, beispielsweise für die anzuwendende Konzentration
an Klebemittel und/oder die Tropfengröße der zu injizierenden Suspension. Die richtigen
Werte lassen sich jedoch durch einige einfache Vorversuche ermitteln.
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Unter Verwendung von Zyklonen der üblichen Art und bei Anwendung der
üblichen Bedingungen bezüglich des Gasdruckes und der Gastemperatur wird das erfindungsgemäße
Verfahren mit Vorteil derart durchgefüllrt, daß mindestens 80 Gewichtsprozent der
im Gas vorhandenen und in das Zyklon eintretenden festen Teilchen abgetrennt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Reinigen und Kühlen
eines Feststoffe enthaltenden heißen Gases, welche mindestens
einen
Wärmeaustauscher, mindestens ein Zyklon, minde' stens einen Wasserwäscher und diese
drei Einheiten seriell verbindende Gasleitungen, eine vor dem (den) Wärmeaustauscher(n)
angeordnete Gaszufuhrleitung, eine hinter dem Wasserwäscher angeordnete Gasabzugsleitung
und eine Flüssigkeitsleitung aufweist, welche den Wasserwäscher mit einer vor, in,
zwischen oder nach dem (den) Wärmeaustauscher(n) gelegene Stelle in der Gasleitung
verbindet und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flüssigkeitsleitung und/oder die
Gaszufuhrleitung einen Einlaß für ein Klebemittel aufweist.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, welche
ein Blockdiagramm bzw. ein Fließschema für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergibt.
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Ein heißes Gas, welches aus einem nicht dargestellten Reaktor stammt,
in welchem öl oder Kohle verbrannt bzw. vergast worden sind, wird einem Abschreckkessel
2 über eine Leitung 1 zugeführt.
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Hier wird in das heiße Rohgas eine über Leitung 3 zugeführte wässrige
Suspension und über Leitung 4 ein gekühltes gereinigtes Gas zugespeist. Das gekühlte
Gas wird vorzugsweise tangential eingeführt, um die Wände des Abschreckkessels 2
und der Verbindungsleitungen 1 und 5 so weit als möglich vor zu hohen Temperaturen
zu schützen. Das Gas wird dann durch Leitung 5 einem Wärmeaustauscher 6 zugeführt,
in welchem ein Wasserstrom 7 in einen Dampfstrom 8 umgewandelt wird.
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Das derartig bereits gekühlte Gas wird dann einem Zyklon 12 zugeführt,
und zwar über eine Leitung 9, in welcher ein Nebelkessel 10 angeordnet ist, in welchem
die wässrige Suspension/ die über Leitung 11, die mit Leitung 3 in Verbindung steht,
zugeführt und in Tropfen im Gas verteilt wird.
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Ein Zyklon 12 entfernt den größten Anteil der festen Teilchen aus
dem Gas und diese Teilchen werden in Form eines trockenen Stroms 13 aus dem Zyklon
ausgetragen. Das hierdurch bereits weitgehend gereinigte Gas wird über Leitung 14
einer Venturi-Vorrichtung
15 zugeführt, in welche eine wässrige
Suspension injiziert wird, welche über Leitung 16 zugeführt wird. Die Suspension
verdampft in dem Gas. Die dabei gebildete Gas-Dampf-Mischung wird der Waschvorrichtung
18 über Leitung 17 zugeführt.
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In dieser Waschvorrichtung wird das Gas durch Waschen im Gegegenstrom
mit über Leitung 19 zugeführtem Wasser von den Restmengen an festen Teilchen befreit.
Die dabei gebildete wässrige Suspension fester Teilchen wird über Leitung 20 abgezogen.
Ein Teil dieser Suspension wird über Leitung 21 in Leitung 19 zurückgeführt. Ein
anderer Teil der Suspension wird über Leitung 16 der Venturi-Vorrichtung 15 zugeführt
und der restliche Anteil der Suspension wird dem Abschreckkessel 2 und dem Nebelkessel
10 über Leitung 3 und eine Kühlvorrichtung 26 zugeführt.
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über Leitung 22 und ein nicht dargestelltes Regulierventil bzw.
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eine nicht dargestellte Dosierpumpe wird dem Suspensionsstrom 20 an
einer Stelle stromabwärts von den Verzweigungspunkten der Leitungen 16 und 21 eine
geeignete Menge Wasserglas zugesetzt.
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Das im Wäscher 18 gereinigte Gas wird über Leitung 23 abgelassen.
In dieser Leitung befindet sich ein weiterer Kondensator 24, in welchem das im Gas-in
Form von Wasserdampf vorhandene Wasser zum größten Teil entfernt und dann über Leitung
19 in den Wäscher zurückgeführt wird, während der Rest über Leitung 25 aus dem System
abgezogen wird. Ein Teil des gekühlten und gereinigten Gases in Leitung 23 wird
über Leitung 4 abgezweigt und dem heißen Rohgas im Abschreckkessel 2 zugespeist.
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Die Erfindung wird durch das nachstehende Ausführungsbeispiel noch
näher erläutert.
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Ausführungsbeispiel Eine Vorrichtung,wie vorstehend mit Bezug auf
die Zeichnung erläutert, wird verwendet, um 494,2 kg rohes Synthesegas je Stunde
zu behandeln. Dieses Gas stammte aus einem Kohlevergaser, es hatte eine Temperatur
von 15000C und enthielt 11,5 kg/h Wasserdampf und 24,7 kg/h Ascheteilchen. In dem
Abschreckkessel 2 wurden diesem Rohgas 260,3 kg/h gekühltes gereinigtes Gas
mit
einer Temperatur von 500C und 40,6 kg/h wässrige Suspension mit einer Temperatur
von 490C zugesetzt. Die wässrige Suspension enthielt 36,4 kg/h Wasser, 2,3 kg/h
Wasserglas und 1,9 kg/h Ascheteilchen. In dem Abschreckkessel 2 verdampfte das gesamte
Wasser,und die teilweise agglomerierten Ascheteilchen wurden in die gebildete Gas-Wasserdampfmischung
eingelagert. Diese Mischung wurde dann dem Wärmeaustauscher 6 zugeführt und kühlte
in diesem auf eine Temperatur von 3600c ab. Infolge der Anwesenheit der agglomerierten
Ascheteilchen in dem Gas wurden möglicherweise in den Wärmeaustauscherrohren vorhandene
Niederschläge abgerieben. Diese aus Gas, Wasserdampf und agglomerierten Teilchen
bestehende Mischung wurde dann dem Nebelkessel 10 zugeführt, wo 27,0 kg/h wässrige
Suspension zugesetzt wurden.
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Die dabei gebildete Mischung wurde in den Zyklon 12 eingespeist.
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Hier wurde die Mischung aufgetrennt, und es bildeten sich 25,4 kg/h
festes trockenes Material und 796,8 kg/h einer Mischung aus 717 kg/h Synthesegas,
73,4 kg/h Wasserdampf und 6,4 kg/h festen Teilchen. Die abgetrennten festen Teilchen
wurden am Boden des Zyklons ausgetragen und die Mischung aus Gas, Wasserdampf und
festen Teilchen wurde am Kopf des Zyklons abgezogen. Diese Mischung mit einer Temperatur
von 3000C wurde anschließend in der Venturi-Vorrichtung 15 mit 65,4 kg/h einer Suspension
in Berührung gebracht, welche 59 kg/h Wasser und 6,4 -kg/h feste Teilchen enthielt.
Die in der Venturi-Vorrichtung gebildete Mischung aus Wassertropfen, Wasserdampf,
Gas und festen Teilchen wurde dann in den Wasserwäscher 18 eingespeist. Die in diesem
Wäscher aufsteigende Mischung aus Synthesegas und Wasserdampf wurde im Gegenstrom
mit einer nach unten fließenden wässrigen Suspension mit einer Temperatur von 1060C
gewaschen. Am Boden des Wäschers 18 wurden 326,9 kg/h wässrige Suspension mit einer
Temperatur von 1430C abgezogen, welche 31,5 kg/h feste Teilchen enthielt. Von dieser
Gesamtmenge wurden 196,1 kg/h zum Kopf des Wäschers zurückgeführt und 65,4 kg/h
wurden der Venturi-Vorrichtung 15 zugeführt. Die Restmenge von 65,4 kg/h wurde dem
Nebelkessel 10 und dem Abschreckkessel 2 zugespeist, nachdem vorher 2,2 kg/h Wasserglas
aus Leitung 22 zugemischt worden war, welches aus 1,5 kg/h Wasser und 0,7 kg/h der
Verbindung Na2Si409 bestand.
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Das praktisch vollständig gereinigte Gas wurde am Kopf des Wasserwäschers
mit einer Temperatur von 1430C abgezogen und dem Kondensator 24 zugeleitet, in welchem
es bis auf 500C abgekühlt wurde. Bei dieser Behandlung bildeten sich infolge Kondensation
133,6 kg/h Wasser, welches aus dem System abgezogen wurde. Eine Mischung aus 259
kg/h Synthesegas und 1,3 kg/h Wasserdampf aus dem Produktgas wurde dem Abschreckkessel
2 über Leitung 4 zugeführt, während die Restmenge von 458 kg/h Synthesegas und 2,3
kg/h Wasserdampf über Leitung 23 ausgetragen und dann weiter zur Entfernung von
Schwefelverbindungen und anderen chemischen Verunreinigungen behandelt wurde. Diese
Mischung aus Synthesegas und Wasserdampf enthielt keine messbar festzustellende
Menge an Festteilchen. Infolge des Zusatzes von Wasserglas trat im Wärmeaustauscher
6 keine Verschmutzung auf.
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