DE3305032C2 - Verfahren zum Kühlen von schwebstoffhaltigen Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Gasen, die kleine Teilchen oder Schwebstoffe enthalten.

Das Kühlen von schwebstoffhaltigen heißen Gasen, die beispielsweise aus der Kohle-Vergasung stammen und in welchen die Anwesenheit von kleinen Flugasche-Teilchen unvermeidbar ist, stellt verschiedene Probleme dar, u. a. des Wärmeübergangs.

In Chem.-Ing.-Tech. 52 (1980), Nr. 9, S. 742 bis 745, ist durch Linke und Vogt eine Versuchsanlage zur Druckvergasung von Kohle im Flugstrom nach Shell-Koppers beschrieben, in welcher die Gase zunächst in einem Wärmeaustauscher bei gleichzeitiger Dampferzeugung vorgekühlt, die gröberen Teilchen in einem Zyklon als Schlacke abgeschieden und die Gase dann in nachgeschalteten Wärmeaustauschern, die von einem Kühlmedium durchflossen sind, weitergekühlt werden.

Werden zum Kühlen von Gasen diese durch Rohre geleitet, die von außen mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt werden, so erreichen die Rohrwandungen eine hohe Temperatur in Folge des Wärmeübergangs aus den heißen Gasen auf den Rohr-Werkstoff, während diese übertragene Wärmemenge weiter an das Kühlmedium abgegeben wird. Um Raum zu sparen, bevorzugt man spiral- oder schraubenförmig aufge­ wickelte Rohre. Aus der GB-PS 13 32 809 ist ein Verfahren und ein Wärmeaustauscher für das Kühlen von Gasen bekannt, welche aus einem Verfahren zur teilweisen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stammen und Rußteilchen ent­ halten. Der Wärmeaustausch geschieht dort in spiral- oder schneckenförmig aufgewickelten Rohren (Schlangenrohre).

Es kommt an den Rohrinnenwandungen zur Abscheidung von Ruß und Ansatz und damit zu einem Absinken des Wärme­ übergangs.

Dieses Ansatz-Problem beruht möglicherweise auf der Thermophorese, daß ist ein Phänomen, bei dem kleine in heißen fließfähigen Medien suspendierte Teilchen sich unter dem Einfluß eines Temperaturgradienten zu Stellen tieferer Temperatur bewegen. Es ist bekannt, daß in heißen fließfähigen Medien suspendierte Teilchen dazu neigen, sich auf den kalten Wänden der Rohrleitungen in chemischen Anlagen abzuscheiden und damit die Aus­ tauscherfläche zu verschmutzen (sh. hierzu Ind. Eng. Chem. Process Des. Develop., Bd. 13, Nr. 4, 1974, S. 408-415). Die Schwebstoffe haben eine sehr geringe Teilchengröße, beispielsweise etwa 1 bis 5 µm.

Außer dem Problem der Ansatzbildung gibt es noch ein anderes Problem, welches mit heißen Gasen enthaltend sehr feine Schwebstoffe, z. B. mit einer Feinheit <1 µm, auftritt. Wenn diese Teilchen, die meistens rußhaltige Ascheteilchen sind, sich auf der Innenfläche eines Wärmeaustauscherrohres durch Thermophorese niederschlagen, wird nicht nur der Wärmeübergang herabgesetzt, sondern die Teilchen führen auch zu einer Aufkohlung des Rohr- Werkstoffs durch Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Rohrwand.

Die Lebensdauer von Wärmeaustauscherrohren wird bestimmt durch die Versprödung durch Aufkohlung des Rohrs.

Ein weiteres Problem tritt auf, wenn ein Teil der kleinen Teilchen in den heißen Gasen gröber ist, z. B. eine Korngröße <5 µm besitzt. Dieses Grobkorn führt zur Erosion der Wärmeaustauscherrohre, wenn die schwebstoff­ haltigen Gase durch die Rohre mit Geschwindigkeiten über einem bestimmten Grenzwert geführt werden.

Um die Abscheidung von Teilchen an der Rohrwand aufgrund der Thermophorese zu vermeiden, sind beträchtliche Ge­ schwindigkeiten der schwebstoffhaltigen Gase notwendig, die ihrerseits jedoch wieder zu Erosionsproblemen füh­ ren können, wenn gröbere Teilchen in den zu kühlenden Gasen anwesend sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Lösung obiger Probleme.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden obige Probleme gelöst und darüberhinaus auch noch Kraft aus der Küh­ lung der heißen Gase durch sehr wirksame und wirtschaftliche Wärmewiedergewinnung gewonnen, wobei nicht nur Schlangen­ rohre sondern auch Wärmeaustauscher für die Dampfer­ zeugung und ein Zyklon für die Abscheidung von Grob­ korn aus den zu kühlenden heißen Gasen zur Anwendung ge­ langen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Kühlung von Gasen enthaltend feine, sehr feine und grobe Teilchen oder Schwebstoffe bei einer Gastemperatur von 800 bis 1400°C und einem Druck von 3 bis 60 bar, wobei die Gase in einem Wärmeaustauscher unter Dampferzeugung abgekühlt werden, dann das Grobkorn aus den Gasen in einem Zyklon ab­ getrennt wird, woraufhin die Gase weiter gekühlt werden, indem sie (ein) durch Schlangenrohr(e), die mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt werden, strömen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich ein hoher thermischer Wirkungsgrad und eine sehr vorteilhaft große Wärmerückgewinnung. Wenn die schwebstoffhaltigen Gase aus einem Reaktor für die Vergasung von Kohle aus­ treten, beträgt die Rückgewinnung der fühlbaren Wärme der heißen Gase 12 bis 20% des Wärmeinhalts der Kohle, die in die Kohlevergasung eingespeist worden ist. Der bei diesem Kühlen erzeugte Überschußdampf reicht im allge­ meinen für den Antrieb der Kompressoren der Sauerstoff­ anlage für die Kohlevergasung aus.

Bevorzugt werden die Gase auf eine Temperatur zwischen 500 und 700°C in einem Wärmeaustauscher mit gleich­ zeitiger Dampferzeugung, vorzugsweise Erzeugung von über­ hitztem Dampf, vorgekühlt. Der so erhaltene überhitzte Dampf mit einer Temperatur von 300 bis 500°C und einem Druck von 40 bis 120 bar läßt sich für den Betrieb von Turbinen zur Erzeugung elektrischer und mechanischer Energie anwenden. Die Dampfenergie wird nutzbar gemacht zum Antrieb der Kompressoren für die Sauerstoffanlage, wie bereits erwähnt. Um sicherzustellen, daß keine erosiv wirksamen groben Teilchen in die Schlangenrohre des Wärmeaustauschers eintreten, werden aus den Gasen Teilchen mit einer Größe von vorzugsweise <5 µm in einem Zyklon abgeschieden. Die von dem Grobkorn be­ freiten Gase gelangen dann in die Schlangenrohre mit einer Gasgeschwindigkeit, die vorzugsweise 20 bis 60 m/s beträgt. Der Gasdurchsatz in den Schlangenrohren beträgt vorzugsweise 150 bis 400 kg/m²·s.

Ganz allgemein kann man sagen, daß sich das erfindungs­ gemäße Verfahren zum Kühlen von schwebstoffhaltigen Gasen eignet, die aus beliebigen Prozessen stammen, Temperaturen zwischen 800 und 1400°C und einen Druck zwischen 3 und 60 bar besitzen. So muß man doch betonen, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren ganz besonders für solche Gase eignet, die aus der Vergasung fester Brennstoffe wie Kohle oder Petrolkoks stammen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt angewandt für das Kühlen von kohlestaubhaltigen Gasen aus der Kohlevergasung. Diese aus dem Reaktor der Kohlevergasung austretenden Gase enthalten bevorzugt Kohleteilchen von 0,1 bis 40 µm. Die Geschwindigkeit, mit der die Gase in die Schlangenrohre eintreten, beträgt bevorzugt 20 bis 60 m/s. Bei dieser Geschwindigkeit wird die Rohrwand blank gehalten und folglich ist der Wärmeübergang gut.

Der Durchsatz der kohlenstaubhaltigen Gase wird bevor­ zugt bei 150 bis 400 kg/m²·s gehalten. Das oder die Schlangenrohr(e) ist (sind) vorzugsweise Teil eines zweiten Wärmeaustauschers, wobei ein oder mehrere gerade(s) Rohr(e) von zumindest 2 m Länge - verbunden mit der Gasspeiseleitung -, ein oder mehrere Schlangenrohr(e) - verbunden mit einer Gasableitung - und eine Zu- und Ableitung für Kühlmedium vorgesehen sind und die Zuleitung für das Kühlmedium so konstruiert ist, daß es an das Gasein­ trittsende des (der) geraden Rohre(s) gelangt und wobei das (die) Schlangenrohr(e) mit dem (den) geraden Rohr(en) verbunden und zumindest eine oder mehrere der Windung(en) des (der) Schlangenrohre(s) zumindest im wesentlichen in Richtung des (der) geraden Rohre(s) verläuft.

Die Erfindung wird an der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert. Hilfsbauteile wie Pumpen, Kompressoren, Ventile, Reinigungs- und Regelaggregate u. dgl. sind der Einfachheit halber darin nicht enthalten.

Die Zeichnung zeigt ein Fließschema eines Verfahrens zum Kühlen kohlenstaubhaltiger Gase, die aus einem Reaktor zur Kohlevergasung stammen. In einem Wärmeaustauscher 1 wird überhitzter Dampf erzeugt. Ein Zyklon 2 dient zur Abscheidung des groben Anteils der Kohleteilchen aus dem heißen zu kühlenden Gas. In einem Trichter 3 wird der Kohleaustrag aus dem Zyklon 2 mit Hilfe eines Kühlrohrs 4 abgekühlt. Schließlich umfaßt die Anlage einen weiteren Wärmeaustauscher 5, der ein oder mehrere Schlangen­ rohr(e) 6 enthält.

Die, den Reaktor der Kohlevergasung verlassenden heißen Gase werden zuerst auf eine tiefere Temperatur abge­ schreckt, bevor sie in einen Wärmeaustauscher 1 über eine Speiseleitung 7 eingeführt werden. Die heißen Gase strömen außerhalb der Rohre 8 parallel zu diesen. Durch die Rohre 8 strömt Dampf aus einem Kondensatabscheider 16 über eine Leitung 17, der durch die heißen Gase über­ hitzt wird. Aus dem Wärmeaustauscher 1 gelangen die Gase durch eine Leitung 9 in einen Zyklon 2, aus dem die abge­ schiedenen Feststoffe in einen Trichter 3 ausgetragen werden, wo sie mit Hilfe eines Wasser-Kühlrohrs 4 abge­ kühlt werden. Innerhalb des Trichters 3 werden die Schlacke/Kohleteilchen im Wirbelschicht-Zustand gehalten unter der Wirkung von Stickstoff als Trägergas, der über eine Leitung 10 zugeführt wird. Das Grobkorn aus dem Trichter 3 wird ausgetragen oder über eine Leitung 11 in den Reaktor zur Kohlevergasung (nicht gezeigt) rück­ geführt.

Die von groben Kohleteilchen befreiten heißen Gase ge­ langen aus dem Zyklon über Leitung 12 in einen Wärmeaus­ tauscher 5, wo sie in Schlangenrohren 6, in denen frisches Kesselspeisewasser strömt, gekühlt werden. Das Kessel­ speisewasser wurde in dem Kühlrohr 4 vorgewärmt und wird über eine Leitung 13 zusammen mit Rücklaufwasser aus Leitung 18 in einen Raum um die Schlangenrohre 6 geführt. Die schließlich abgekühlten Gase verlassen den Wärmeaus­ tauscher über eine Ableitung 14. Hochdruckdampf tritt über Leitung 15 aus dem Wärmeaustauscher 5 aus und gelangt in den Kondensatabscheider 16. Trockener Sattdampf aus 16 wird zur Dampf-Überhitzung in den Wärmeaustauscher 1 geleitet. Rücklauf- oder Kesselwasser zusammen mit frischem Kesselspeisewasser wird über die Lei­ tung 18 in den Wärmeaustauscher 5 geführt. Heißdampf ver­ läßt den Wärmeaustauscher 1 und dient zum Antrieb von Turbinen, welche ihrerseits zur Komprimierung von Luft oder Sauerstoff oder zur Energiegewinnung dienen.

Beispiel

Bei einer Kohlevergasung bei 1500°C unter einem Druck von 30 bar wird Synthesegas in Form von 93 bis 98 Vol-% eines Gemisch von H₂ und Co im Vergasungsreaktor ge­ bildet.

Die Gase verlassen den Vergasungsreaktor mit etwa 1500°C und 30 bar und enthalten Ascheteilchen, die aus ge­ schmolzener Schlacke stammen. Sie werden mit von Schwebstoffen befreitem Rücklaufgas mit 100°C auf 800 bis 900°C ab­ gekühlt, um mitgerissene Schlacketröpfchen zu verfestigen, bevor die Gase in den Wärmeaustauscher zur Erzeugung von Heißdampf eintreten. Die Gase verlassen den Wärmeaus­ tauscher mit einer Temperatur von etwa 600°C, wobei im Wärmeaustauscher Heißdampf von 500°C und 100 bar er­ zeugt wird. Die den Wärmeaustauscher verlassenden Gase gelangen in einen Zyklon, in welchem die Schlackenteilchen mit einer Korngröße <5 µm abgeschieden werden. Die Teilchen (Schlacke) werden in einem Trichter unter fluidisierender Bewegung durch Stickstoff als Trägergas abgekühlt und zwar mit einem Kühlrohr, in welchem Kessel­ speisewasser für einen Wärmeaustauscher mit Schlangen­ rohren vorgewärmt wird, in dem die heißen Gase nach Ab­ scheidung des Grobkorns im Zyklon weiter abgekühlt wer­ den.

In dem Wärmeaustauscher durchströmen die Gase die Schlangenrohre mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s bei einem Durchsatz von 250 kg/m²·s und werden abgekühlt auf eine Temperatur von 350 bis 400°C. Bei obigen Geschwin­ digkeiten wird die Rohrwand blank gehalten, was zu einer Verbesserung und Konstanz des Wärmeübergangs-Koeffizienten führt. Es wird Sattdampf mit einer Temperatur von etwa 320°C und einem Druck von etwa 100°C gebildet. Der Hochdruckdampf gelangt in einen Abscheider zur Trennung von Dampf und Wasser (Kondensatabscheider), woraufhin trockener Sattdampf in den Wärmeaustauscher geleitet wird, um überhitzten Dampf oder Heißdampf zu erzeugen. Der Heißdampf dient zum Antrieb von Turbinen, die ihrer­ seits wieder Kompressoren der Sauerstoffanlage antrei­ ben. Die Flugasche oder Schwebstoffe, die im Wärmeaus­ tauscher anfallen, werden rückgeführt in den Zyklon, aus dem sie in den Trichter zur Abkühlung und späteren Rück­ leitung in den Vergasungsreaktor gelangen. Aufgrund der Tatsache, daß der Druck in dem Trichter etwa 0,5 bar unter dem des Vergasungsreaktors ist, ist zwischen Trichter und Vergasungsreaktor eine Schleuse vorzusehen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kühlung der aus einem Kohle-Vergasungs­ reaktor stammenden, kleine Teilchen enthaltenden Gase sowie zur Abtrennung dieser Teilchen, bestehend aus sehr feinen, feinen und gröberen Teilchen aus den Gasen mit einer Tempe­ ratur von 800 bis 1400°C sowie einem Druck von 3 bis 60 bar, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gase in einem Wärmeaustauscher kühlt, indem man die Gase einem in­ direkten Wärmeaustausch mit Dampf unter Erzeugung von über­ hitztem Dampf unterwirft, daß man die vorgekühlten Gase in einen Zyklon einführt und dort die gröberen Teilchen aus den Gasen abscheidet und daß man die den Zyklon verlassenden Gase weiter abkühlt, indem man sie bei einer Gasgeschwindigkeit von 20 bis 60/mSek. in und durch einen oder mehrere Schlangenküh­ ler führt, der bzw. die mittels eines Kühlmediums gekühlt wird oder werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gase in dem Wärmeaustauscher auf eine Temperatur von 500 bis 700°C abgekühlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gase in den oder die Schlangenkühler mit einer Durchsatzgeschwindigkeit von 150 bis 400 kg/m²/Sek. eingeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gase Teilchen einer Temperatur von 500 bis 700°C abgekühlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gase in den oder die Schlangenkühler mit einer Durchsatzgeschwindigkeit von 150 bis 400 kg/m²/Sek. eingeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gase Teilchen einer Größe von 0,1 bis 40 µm enthalten.