DE3524802C2 - Vorrichtung zum Verhindern unerwünschter Anlagerungen von klebrigen Teilchen aus einem heißen Produktgas und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verhin­ dern unerwünschter Anlagerungen von klebrigen Teilchen aus einem heißen Produktgas gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Die klebrigen Teilchen in dem heißen Produktgas führen zu Schwierigkeiten in der Anlage, in welcher das Pro­ duktgas weiterverarbeitet werden soll, weil unerwünschte An­ lagerungen der Teilchen an beispielsweise Wänden, Ventilen oder Auslässen die Verarbeitung nachteilig beeinflussen.

Das heiße Produktgas kann erhalten werden aus einer teilweisen Verbrennung eines Kohlenstoff enthaltenden Materi­ als, in welchem Fall das Produktgas eine Temperatur im Be­ reich von 1000°C bis 1800°C hat. Die klebrigen Teilchen kön­ nen teilweise oder vollständig in geschmolzenem Zustand vor­ liegen, sie können Metalle, Salze oder Aschen umfassen, und allgemein verlieren diese Teilchen ihre Klebrigkeit bei einer Temperatur unterhalb 800°C.

Bei einer bekannten Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 (DE 27 35 565 A1) wird dem zen­ tralen Produktgasstrom Warmgas in spitzem Winkel zu dem zen­ tralen Produktgasstrom zugemischt bzw. eingespritzt. Dieses Warmgas ist in einem Kreislauf geführt und tritt aus einer Mehrzahl von auf einem Umfang angeordneten einzelnen Düsen aus, die in dem genannten spitzen Winkel zu dem zentralen Produktgasstrom angeordnet sind. Die in dem aus dem Verga­ sungsreaktor kommenden, heißes Produktgas enthaltenden flüs­ sigen bzw. teigigen Schlacketeilchen sollen durch die Wirkung mit dem kühleren Kreislaufgas abgeschreckt werden und sich zu größeren Teilchen zusammenballen, die infolge ihrer Schwere aus dem Gasstrom heraus und in eine Wassertasse fallen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art mit einfacher und robuster Gestal­ tung zu schaffen, die ein wirksameres Mischen und Kühlen er­ möglicht derart, daß Teilchen nicht an der Wand des Kühlab­ schnitts anhaften.

Gelöst wird diese Aufgabe ausgehend von einer Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Durch den ringförmigen und kegelstumpfförmigen, sich verjüngenden Strahl des Kühlgases wird ein inniges Mischen mit dem Strom aus heißem Produktgas erzielt, so daß eine schnelle und wirksame Abkühlung erfolgt und die anfäng­ lich klebrigen Teilchen schnell ihre Klebrigkeit verlieren und nicht an den Wänden der Vorrichtung anhaften.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Vor­ richtung mit einer kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung.

Fig. 2 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Vor­ richtung mit zwei kegelstumpfförmigen Kühlgasleitungen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist einen rohrartigen Kühlab­ schnitt 11, eine Einlaßleitungseinrichtung in Form einer rohr­ förmigen Einlaßleitung 12, und eine kegelstumpfförmige Kühl­ gasleitung 13 auf, die sich gemäß Fig. 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 zweck­ entsprechenden Metall, beispielsweise aus Stahl gebildet sein.

Die kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 13 ist mit einer ring­ förmigen Leitung 14 verbunden, die mit einer Einlaßleitung 15 versehen ist.

Während des Betriebes der Vorrichtung ist die Einlaßleitung 12 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 Fig. 1 in Aufwärtsrichtung, wie es durch den Pfeil 19 ange­ geben ist.

Weiterhin wird Kühlgas der Einlaßleitung 15 zugeführt, und dieses Gas verläßt die Umfangsauslaßöffnung 21 der kegel­ stumpfförmigen Kühlgasleitung 13 in Form eines kegelstumpf­ förmigen ringförmigen Strahles 22 aus Kühlgas, der sich in Richtung des Strömens des heißen Produktgases verjüngt, wobei diese Richtung mit dem Pfeil 19 angegeben ist.

Der ringförmige Strahl 22 aus Kühlgas bewirkt, daß das kleb­ rige Teilchen enthaltende heiße Produktgas durch eine Misch­ zone 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 Pro­ duktgas 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 Kühl­ abschnittes 11 von den klebrigen Teilchen in der Mischzone 23 trennt.

Stromabwärts der Auftreffzone 30 wird das Gemisch aus Produkt­ gas und Kühlgas aus dem Kühlabschnitt 11 entfernt, indem das Gemisch über eine nicht dargestellte Leitung zu einer nicht dargestellten Anlage für weitere Verarbeitung des Produkt­ gases gebracht wird.

Die Vorrichtung gemäß vorstehender Beschreibung kann verwendet werden zum Kühlen von Produktgas, welches einen Vergasungs­ reaktor verläßt, in welchem beispielsweise kohlenstoffhaltiges Material teilweise oxidiert wird.

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 dargestell­ ten Druckbehälter angeordnet.

Um während des normalen Betriebes die Länge des Kühlweges zu vergrößern, der sich zwischen der Umfangsauslaßöffnung der kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung und der Auftreffzone er­ streckt, schafft die Erfindung weiterhin eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und die einen rohrförmigen Kühabschnitt 36 aufweist, dessen Durchtrittsquerschnittsfläche größer als die Querschnittsfläche des Durchtritts der rohr­ förmigen 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 hin­ durchtreten gelassen wird.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 umfaßt weiterhin eine erste kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 41, deren Umfangsauslaß­ öffnung 42 in der Einlaßleitung 37 nahe dem Übergangsabschnitt 38 angeordnet ist. Die kegelstumpfförmige Kühlgasleitung 41 ist an eine ringförmige Leitung 45 angeschlossen, die eine Einlaß­ leitung 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 ring­ förmige Leitung 50 angeschlossen ist, die einen Einlaßdurch­ gang 51 aufweist.

Die kegelstumpfförmigen Kühlgasleitungen 41 und 48 verjüngen sich in gemäß Fig. 2 Aufwärtsrichtung, in welcher während des normalen Betriebes Produktgas durch die Vorrichtung hindurch­ treten gelassen wird.

Während des normalen Betriebes der Vorrichtung wird heißes Produktgas der Einlaßleitung 37 zugeführt und durch den Kühl­ abschnitt 36 hindurch in gemäß Fig. 2 Aufwärtsrichtung hin­ durchtreten gelassen, wie es durch den Pfeil 55 angegeben ist. Weiterhin wird Kühlgas den Einlaßleitungen 46 und 51 zuge­ führt, und dieses Gas verläßt die Umfangsauslaßöffnungen 42 und 49 jeweils in Form eines ersten bzw. eines zweiten kegel­ stumpfförmigen ringförmigen Strahles, der mit dem Bezugs­ zeichen 56 bzw. 57 bezeichnet ist.

Der erste kegelstumpfförmige ringförmige Strahl 56 zwingt das heiße Produktgas, durch eine erste Mischzone 58 hindurchzu­ treten, 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 ver­ loren haben, so daß sie an der Wand des Kühlabschnittes 36 nicht anhaften, und von dort wird das Gasgemisch zu einer nicht dargestellten Anlage für weitere Verarbeitung des Pro­ duktgases geführt.

Der Innendurchmesser des Kühlabschnittes kann in dem Bereich vom 1,5 bis zum 3-fachen des Innendurchmessers der Einlaß­ leitung liegen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei welcher der Innendurch­ messer des Kühlabschnittes 11 dem Innendurchmesser der Einlaß­ leitung 12 gleich ist, kann weiterhin mit einer nicht darge­ stellten sekundären kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung ver­ sehen sein, um die Länge des Kühlweges zu vergrößern.

Das oben angegebene Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Kühlabschnittes und dem Innendurchmesser der Einlaßlei­ tung gilt vorzugsweise für die Ausführungsform nach Fig. 2.

Um die Betriebsflexibilität einer Vorrichtung gemäß der Er­ findung zu verbessern, kann diese mit mehr als zwei kegel­ stumpfförmigen Kühlgasleitungen versehen sein, deren Umfangs­ auslaßöffnungen sich in die Vorrichtung öffnen, und deren Ein­ lässe mit einer Kühlgaszufuhr verbunden werden können.

Um zu verhindern, daß während des normalen Betriebes heiße Teilchen, die durch die Mischzone strömen, die Wand des Kühl­ abschnittes 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 Kühl­ gasleitung liegt im Bereich von 0,5 bis 10 mm. Der Spitzen­ winkel 63 (siehe Fig. 1) der kegelstumpfförmigen Kühlgas­ leitung 13, der auch als Einführ- oder Einspritzwinkel be­ zeichnet 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 Ver­ hältnis einer Momentströmung eingeführt, und dieses Verhält­ nis 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 be­ vorzugt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Verhindern unerwünschter Anlagerun­ gen von klebrigen Teilchen aus einem heißen Produktgas, das einen Vergasungsreaktor verläßt, in welchem ein kohlenstoff­ haltiges Material teilweise oxidiert wird, wobei das heiße Produktgas klebrige Teilchen enthält, die ihre Klebrigkeit beim Abkühlen verlieren, umfassend einen Kühlabschnitt (11, 36), eine Einlaßleitungseinrichtung (12, 37), die mit einem Auslaß des Vergasungsreaktors für heißes Produktgas verbunden ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine kegelstumpfförmige Leitung (13, 41, 48) für Kühlgas, die sich in der Richtung verjüngt, in welcher während des normalen Betriebs Produktgas durch die Vorrichtung hindurchtreten gelassen wird, wobei die kegelstumpfförmige Kühlgasleitung (13, 41, 48) eine Umfangsauslaßöffnung (21, 42, 49) und eine ringförmige Leitung (14, 45, 50) aufweist, die Umfangsauslaß­ öffnung(en) (21, 42, 49) der kegelstumpfförmigen Kühlgaslei­ tung(en) (13, 41, 48) sich durch die Wand des Kühlabschnitts (11, 36) hindurch in die Vorrichtung öffnet (öffnen), und wo­ bei der Einlaß (die Einlässe) (15, 46, 51) der kegelstumpf­ förmigen Kühlgasleitungen (13, 41, 48) mit einer Kühlgaszu­ fuhr verbunden ist (sind).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spitzenwinkel der oder jeder kegelstumpfförmigen Kühlgasleitung im Bereich von 20° bis 70° liegt (Winkel 63, Fig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, 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) aufweist, der die Einlaßleitungseinrichtung mit dem Kühlabschnitt ver­ bindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Übergangsabschnitt eine Wand (38) aufweist, die sich in derjenigen Richtung erweitert, in welcher während des normalen Betriebes Produktgas durch die Vorrichtung hindurch­ treten gelassen wird.

5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Kühlen eines heißen Produktgases, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kühlgas in die Strömung des Produkt­ gases mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 5 m/s bis 100 m/s eingespritzt wird.

6. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Produktgas mit einer Geschwindigkeit von größer als 1 m/s eintreten gelassen wird.

7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Mo­ mentströmung größer als eins ist, wobei dieses Verhältnis de­ finiert 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 Massenströ­ mung (in kg/s) des Produktgases und multipliziert mit der Ge­ schwindigkeit (in m/s), mit welcher das Produktgas eintreten gelassen wird.