DE3524802A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen eines heissen produktgases - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kuehlen eines heissen produktgases

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Description

Shell Internationale Research Maatschappij B.V.
Carel van Bylandtlaan 30
2596 HR Den Haag (Niederlande)
"Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines heißen Produktgases1
Beanspruchte Priorität:
13. Juli 1984 - Großbritannien - 8417877
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines heißen Produktgases, welches haftende oder klebrige Teilchen enthält, die ihre Klebrigkeit beim Abkühlen verlieren.
Die klebrigen Teilchen in dem heißen Produktgas führen zu Schwierigkeiten in der Anlage, in welcher das Produktgas wieterverarbeitet werden soll, weil unerwünschte Ablagerungen der Teilchen an beispielsweise Wänden, Ventilen oder Auslassen die Verarbeitung nachteilig beeinflussen.
Das heiße Produktgas kann erhalten werden aus einer teilweisen Verbrennung eines Kohlenstoff enthaltenden Materials, in welchem Fall das Produktgas eine Temperatur im Bereich von 10000C bis 18000C hat. Die klebrigen Teilchen können teilweise oder vollständig in geschmolzenem Zustand vorliegen, sie können Metalle, Salze oder Aschen umfassen, und allgemein verlieren diese Teilchen ihre Klebrigkeit bei einer Temperatur
unterhalb 800°C.
Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zu schaffen zum Kühlen eines heißen Produktgases, welches klebrige Teilchen enthält, die beim Abkühlen ihre Klebrigkeit verlieren.
Hierfür umfaßt ein Verfahren gemäß der Erfindung das Führen des heißen Produktgases durch einen Kühlabschnitt und das Einspritzen in den Strom des Produktgases wenigstens, eines kegelstumpfförmigen ringförmigen Strahles aus Kühlfluid, wobei der Strahl sich in Richtung des Stromes oder des Strömens des Produktgases verjüngt.
Der ringförmige Strahl aus Kühlfluid bewirkt, daß das Produktgas durch eine Mischzone strömt, in welcher das Produktgas \ gekühlt wird, weil es mit dem Kühlgas intensiv gemischt wird. Die Mischzone, die einen konvergenten Primärteil und einen divergenten Sekundärteil aufweist, ist von einer ringförmigen Umlaufzone umgeben, welche die klebrigen Teilchen von der Wand des Kühlabschnittes trennt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Kühlen eines heißen Produktgases, und diese Vorrichtung umfaßt einen Kühlabschnitt, eine Einlaßleitungseinrichtung, die mit einem Auslaß für heißes Produkt verbunden werden kann, und wenigstens eine kegelstumpfförmige Kühlfluidleitung, die sich in der Richtung verjüngt, in welcher während des normalen Betriebes Produktgas durch die Vorrichtung hindurchtritt, wobei die Umfangs-Auslaßöffnung bzw. Auslaßöffnungen der kegelstumpfförmigen Kühlfluidleitung bzw. der entsprechenden Leitungen sich in die Vorrichtung öffnen, und wobei der Einlaß bzw. die Einlasse der kegelstumpfförmigen Kühlfluidleitung bzw. dieser Leitungen an eine Zufuhr von Kühlfluid angeschlossen werden können.
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Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Figur 1 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Vorrichtung mit einer kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung.
Figur 2 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Vorrichtung mit zwei kegelstumpfförmigen Kühlgasleitungen.
Die Vorrichtung gemäß Figur 1 weist einen rohrartigen Kühlabschnitt 11, eine Einlaßleitungseinrichtung in Form einer rohrförmigen Einlaßleitung 12, und eine kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 13 auf, die sich gemäß Figur 1 nach oben verjüngt.
Die Wände des Kühlabschnittes 11 und der Einlaßleitung 12 können aus feuerfestem Material oder aus einem geeigneten Metall wie beispielsweise Stahl bestehen, und die Wand der kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung 13 kann aus einem zweckentsprechenden Metall, beispielsweise aus Stahl gebildet sein.
Die kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 13 ist mit einer ringförmigen Leitung 14 verbunden, die mit einer Einlaßleitung 15 versehen ist.
Während des Betriebes der Vorrichtung ist die Einlaßleitung der Vorrichtung an einen nicht dargestellten Auslaß für heißes Produktgas angeschlossen, und heißes Produktgas wird durch den Kühlabschnitt 11 hindurchtreten gelassen, und zwar parallel zur mittleren Längsachse 18 des Kühlabschnittes 11 gemäß Figur 1 in Aufwärtsrichtung, wie es durch den Pfeil 19 angegeben ist.
Weiterhin wird Kühlgas der Einlaßleitung 15 zugeführt, und dieses Gas verläßt die Umfangsauslaßöffnung 21 der kegelstumpf förmigen Kühlgasleitung 13 in Form eines kegelstumpfförmigen ringförmigen Strahles 22 aus Kühlgas, der sich in Richtung des Strömens des heißen Produktgases verjüngt, wobei
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diese Richtung mit dem pfeil 19 angegeben ist.
Der ringförmige Strahl 22 aus Kühlgas bewirkt, daß das klebrige Teilchen enthaltende heiße Produktgas durch eine Mischzone 23 strömt, die von einer Wiederumlaufzone 24 umgeben ist. Die Mischzone 23 umfaßt einen konvergenten Primärteil 25, in welchem heißes Produktgas schnell mit Kühlgas gemischt wird, und einen divergenten Sekundärteil 27, in welchem das Mischen und Kühlen in einem turbulenten Strahl vervollständigt wird.
Am Ende des Sekundärteiles 27 der Mischzone 23 befindet sich eine Auftreffzone 30. Stromabwärts dieser Auftreffzone 30 sind die Temperaturen derart niedrig, daß die Teilchen in dem Produktgas ihre Klebrigkeit verloren haben, so daß sie an der Wand des Kühlabschnittes 11 nicht anhaften. Weiterhin ist die Temperatur der Teilchen in dem Gemisch aus Produktgas und Kühlgas in der Wiederumlaufzone 24 derart, daß die Teilchen ihre Klebrigkeit verloren haben, so daß sie an der Wand des Kühlabschnittes 11 nicht anhaften.
Das Gemisch aus Produktgas und Kühlgas in der Wiederumlaufzone 24 wirkt als eine Zwischenschicht, welche die Wand des Kühlabschnittes 11 von den klebrigen Teilchen in der Mischzone 23 trennt.
Stromabwärts der Auftreffzone 30 wird das Gemisch aus Produktgas und Kühlgas aus dem Kühlabschnitt 11 entfernt, indem das Gemisch über eine nicht dargestellte Leitung zu einer nicht dargestellten Anlage für weitere Verarbeitung des Produktgases gebracht wird.
Die Vorrichtung gemäß vorstehender Beschreibung kann verwendet werden zum Kühlen von Produktgas, welches einen Vergasungsreaktor verläßt, in welchem beispielsweise kohlenstoffhaltiges Material teilweise oxidiert wird.
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Es ist festzustellen, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch dazu verwendet werden kann, Produktgas zu kühlen, welches einen Vergasungsreaktor verläßt, in welchem flüssige und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe teilweise oxidiert werden.
Wenn die Vergasung bei hohen Drücken ausgeführt wird, wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem nicht dargestellten Druckbehälter angeordnet.
Um während des normalen Betriebes die Länge des Kühlweges zu vergrößern/ der sich zwischen der Umfangsauslaßöffnung der kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung und der Auftreffzone erstreckt, schafft die Erfindung weiterhin eine Vorrichtung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist und die einen rohrförmigen Kühabschnitt 36 aufweist, dessen Durchtrittsquerschnittsflache größer als die Querschnittsfläche des Durchtritts der rohrförmigen Einlaßleitung 37 ist, wobei ein Übergangsabschnitt 38 die Einlaßleitung 37 und den Kühlabschnitt 36 miteinander verbindet. Der Übergangsabschnitt 38 kann eben oder sich in derjenigen Richtung erweiternd ausgeführt sein, in welcher beim normalen Betrieb Produktgas durch die Vorrichtung hindurchtreten gelassen wird.
Die Vorrichtung gemäß Figur 2 umfaßt weiterhin eine erste kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 41, deren Umfangsauslaßöffnung 4 2 in der Einlaßleitung 3 7 nahe dem Übergangsabschnitt 38 angeordnet ist. Die kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 41 ist an eine ringförmige Leitung 45 angeschlossen, die eine Einlaßleitung 46 aufweist.
Um die Länge des Kühlweges zu vergrößern, umfaßt die Vorrichtung weiterhin eine sekundäre kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 48, die eine Umfangsauslaßöffnung 49 aufweist und an eine ringförmige Leitung 50 angeschlossen ist, die einen Einlaßdurchgang 51 aufweist.
Die kegelstumpfförmigan Kühlgasleitungen 41 und 48 verjüngen sich in gemäß Figur 2 Aufwärtsrichtung, in welcher während des normalen Betriebes Produktgas durch die Vorrichtung hindurchtreten gelassen wird.
Während des normalen Betriebes der Vorrichtung wird heißes Produktgas der Einlaßleitung 37 zugeführt und durch den Kühlabschnitt 36 hindurch in gemäß Figur 2 Aufwärtsrichtung hindurchtreten gelassen, wie es durch den Pfeil 55 angegeben ist. Weiterhin wird Kühlgas den Einlaßleitungen 46 und 51 zugeführt, und dieses Gas verläßt die Umfangsauslaßöffnungen und 49 jeweils in Form eines ersten bzw. eines zweiten kegelstumpf förmigen ringförmigen Strahles, der mit dem Bezugszeichen 56 bzw. 57 bezeichnet ist.
Der erste kegelstumpfförmige ringförmige Strahl 56 zwingt das heiße Produktgas, durch eine erste Mischzone 58 hindurchzutreten, die einen konvergenten und einen divergenten Teil hat und die von einer ringförmigen Wiederumlaufzone 59 umgeben ist, und der zweite kegelstumpfförmige ringförmige Strahl 57 zwingt das Gemisch aus Produktgas und Kühlgas, durch eine zweite Mischzone 61 hindurchzutreten, die einen konvergenten und einen divergenten Teil aufweist und von einer ringförmigen Wiederumlaufzone 60 ungeben ist.
Am stromabwärtigen Ende der zweiten Mischzone 61 sind die Temperaturen derart, daß die Teilchen ihre Klebrigkeit verloren haben, so daß sie an der Wand des Kühlabschnlttes 36 nicht anhaften, und von dort wird das Gasgemisch zu einer nicht dargestellten Anlage für weitere Verarbeitung des Produktgases geführt.
Der Innendurchmesser dos Kühlabschnittos kann in dom Bereich vom 1,5 bis zum 3-fachen des Innendurchmessers der Einlaßleitung liegen.
Die Vorrichtung gemäß Figur 1, bei welcher der Innendurchmesser des Kühlabschnittes 11 dem Innendurchmesser der Einlaßleitung 12 gleich ist, kann weiterhin mit einer nicht darge-
stellten sekundären kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung versehen sein, um die Länge des Kühlweges zu vergrößern.
Das oben angegebene Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Kühlabschnittes und dem Innendurchmesser der Einlaßleitung gilt vorzugsweise für die Ausführungsform nach Figur 2.
Um die Betriebsflexibilität einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zu verbessern, kann diese mit mehr als zwei kegelstumpfförmigen Kühlgasleitungen versehen sein, deren Umfangsauslaßöffnungen sich in die Vorrichtung öffnen, und deren Einlasse mit einer Kühlgaszufuhr verbunden werden können.
Um zu verhindern, daß während des normalen Betriebes heiße Teilchen, die durch die Mischzone strömen, die Wand des Kühlabschnittes zwischen zwei aufeinanderfolgenden ringförmigen Auslaßöffnungen berühren, sollte der Abstand zwischen den Öffnungen im Bereich vom einfachen bis zum 4-fachen des Innendurchmessers des Kühlabschnittes liegen.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung können der Querschnitt des Kühlabschnittes und der Einlaßleitung rechteckig oder quadratisch sein.
Um die Verweilzeit der Teilchen in der Mischzone zu verlängern und ein gutes Mischen zu erhalten, sollte die Geschwindigkeit, mit welcher das Kühlgas in den Produktgasstrom eingeführt oder eingespritzt wird, im Bereich von 5 m/s bis 100 m/s liegen, und insbesondere im Bereich von 20 m/s bis 60 m/s.
Um einen Rückfluß von Mengen an relativ dichtem kalten Gas zu verhindern, sollte die Geschwindigkeit, mit welcher das heiße Produktgas in die Vorrichtung eintritt, größer als 1 m/s sein.
Eine zweckentsprechende Dicke einer kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung liegt im Bereich von 0,5 bis 10 mm. Der Spitzenwinkel 63 (siehe Figur 1) der kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung 13, der auch als Einführ- oder Einspritzwinkel bezeichnet wird, kann im Bereich von 0° bis 90° liegen. Um die Gefahr einer Rückströmung des kegelstumpfförmigen ringförmigen Kühlgasstromes zu verringern, das Mischen in der Mischzone zu verbessern, und um eine optimale Länge des Kühlweges zu erhalten, sollte der Spitzenwinkel 63 der kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung 13 im Bereich von 20° bis 70° liegen.
Um das Mischen zu quantifizieren wird ein dimensionsloses Verhältnis einer Momentströmung eingeführt, und dieses Verhältnis der Momentströmung ist definiert als die Momentströmung des Kühlgases, wiederum definiert als die Massenströmung ( in kg/s) an Kühlgas, multipliziert mit der Geschwindigkeit, mit welcher das Kühlgas eingespritzt wird (in m/s), dividiert durch die Momentströmung des Produktgases, die definiert ist durch die Massenströmung (in kg/s) an Produktgas, multipliziert mit der Geschwindigkeit, mit welcher das Produktgas in die Vorrichtung eintritt. Um ein gutes Mischen zu erhalten, ist der Wert dieses dimensionslosen Verhältnisses vorzugsweise größer als 1 und ein Wert von größer als 5 wird noch mehr bevorzugt.

Claims (10)

Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Carel van Bylandtlaan 30 2596 HR Den Haag (Niederlande) "Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines heißen Produktgases" Beanspruchte Priorität: 13. Juli 1984 - Großbritannien - 8417877 Patentansprüche
1. Verfahren zum Kühlen eines heißen Produktgases, welches klebrige Teilchen enthält, die beim Abkühlen ihre Klebrigkeit verlieren,
dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Proöuktgas durch einen Kühlabschnitt hindurchi:reter> gelassen wird, und daß in den Strom aus Produktgas wenigstens ein kegelstumpfförmiger ringförmiger Strahl aus Kühlfluid eingespritzt wird, der sich in Richtung des Strömens des Produktgases verjüngt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Produktgas durch teilweises Verbrennen eines Kohlenstoff enthaltenden Materiales erhalten wird.
POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 501 75 - 809 · BANKKONTO: DEUTSCHE BANK A.Q. MÖNCHEN. LEOPOLDSTR. 71, KONTO-NR. 60/35 794
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid durch eine kegelstumpfförmige Kühlgasleitung hindurchtreten gelassen wird, die sich in Richtung des Strömens des Produktgases verjüngt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid in die Strömung des Produktgases mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 5 m/s bis 100 m/s eingespritzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Produktgas mit einer Geschwindigkeit von größer als 1 m/s eintreten gelassen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Momentströmung größer als 1 ist, wobei dieses Verhältnis definiert ist durch die Massenströmung (in kg/s) des Kühlgases, multipliziert mit der Geschwindigkeit (in m/s), mit welcher das Kühlgas eingeführt wird, dividiert durch die Massenströmung (in kg/s) des Produktgases, multipliziert mit der Geschwindigkeit (in m/s) mit welcher das Produktgas eintreten gelassen wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kühlabschnitt (11 bzw. 36), eine Einlaßleitungseinrichtung (12 bzw. 37) und wenigstens eine kegelstumpfförmige Kühlfluidleitung (13 bzw. 41) aufweist, die sich in der Richtung verjüngt, in welcher während des normalen Betriebes Produktgas durch die Vorrichtung hindurchtreten gelassen wird, daß die Umfangsauslaßöffnung (21 bzw. 42) der oder jeder kegelstrumpfförmigen Kühlfluidleitung sich in die Vorrichtung öffnet, und daß der Einlaß (15 bzw. 46) der oder jeder kegelstumpfförmigen Kühlfluidleitung mit einer Kühlfluidquelle verbindbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwinkel· der oder jeder kegelstumpfförmigen Kühlfluidleitung im Bereich von 20° bis 70° liegt (Winkel 63, Figur 1).
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Durchganges durch den Kühlabschnitt (36) größer als die Querschnittsfläche des Durchganges durch die Einlaßleitungseinrichtung (37) ist, und daß die Vorrichtung einen Übergangsabschnitt (38) vorgesehen ist, der die Einlaßleitungseinrichtung mit dem Kühlabschnitt verbindet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsabschnitt eine Wand (38) aufweist, die sich in derjenigen Richtung erweitert, in welcher während des normalen Betriebes Produktgas durch die Vorrichtung hindurchtreten gelassen wird.
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