DE3809313A1

DE3809313A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen von partialoxidationsgas

Info

Publication number: DE3809313A1
Application number: DE3809313A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wilmer; Rolf Dr Wetzel
Original assignee: Krupp Koppers GmbH
Current assignee: Krupp Koppers GmbH
Priority date: 1988-03-19
Filing date: 1988-03-19
Publication date: 1989-10-05
Also published as: IN171482B; ZA889516B; US4936871A; PL159891B1; JP2633677B2; JPH01297497A; ES2009696A6

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Kühlen von Partialoxidationsgas, das insbeson dere durch Partialoxidation von ballastreicher Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoffträgern mit einem hohen Anteil an anorganischen Begleitstoffen gewonnen wird, wobei das in einem mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen Reaktionsgefäß erzeugte Partialoxidations gas mit einer Temperatur von 1000 bis 1700°C in eine dem Reaktionsgefäß nachgeschaltete Kühlzone eingeleitet wird, in der ein Strom eines Kühlfluids ringförmig in Strömungsrichtung des Gases in das Partialoxidations gas eingespritzt wird.

Bei der Partialoxidation von Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoffträgern bei Temperaturen oberhalb des Schlac keschmelzpunktes führt das das Reaktionsgefäß mit einer Temperatur zwischen 1200 und 1700°C verlassende Par tialoxidationsgas schmelzflüssige bzw. klebrige Teil chen mit sich. Bei der Weiterbehandlung des Gases muß deshalb dafür gesorgt werden, daß diese Begleitstoffe den nachgeschalteten Verarbeitungsprozeß nicht durch Ablagerungen an den Wänden der verwendeten Apparaturen, an den Wärmeaustauscherflächen und/oder in den Rohren beeinträchtigen. In Verfolgung dieses Zieles ist es be reits angestrebt worden, innerhalb einer dem Reaktions gefäß nachgeschalteten Kühlzone ein Kühlfluid in den heißen Partialoxidationsgasstrom möglichst so einzumi schen, daß das Partialoxidationsgas und die mitgeführ ten Begleitstoffe abgekühlt werden sollen, ohne daß innerhalb der Kühlzone noch nicht verfestigte, das heißt, noch klebefähige Teilchen an die Wandung der Kühlzone gelangen und dort zu Ablagerungen führen. So ist zum Beispiel aus der DE-OS 35 24 802 ein Verfah ren zum Kühlen eines heißen, klebrige Teilchen enthal tenden Produktgases bekannt, bei dem in das Produktgas in der Kühlzone ein ringförmiger Strahl eines Kühlflu ids eingespritzt wird, der die Form eines sich in Strömungsrichtung des Gases verjüngenden Kegelstumpfes aufweist.

Die bisher bekannten Maßnahmen beschränkten sich jedoch ausschließlich auf die Behandlung des Partialoxidati onsgases innerhalb der dem Reaktionsgefäß nachgeschal teten Kühlzone. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere bei der Partialoxidation von ballast reicher Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoffträgern mit einem hohen Anteil an anorganischen Begleitstoffen an der Übergangsstelle vom Reaktionsgefäß zur Kühlzone Ab lagerungen durch angeströmte klebefähige Teilchen auf traten, die durch Maßnahmen innerhalb der Kühlzone nicht zu vermeiden waren. Das zwangsläufige Wachsen dieser Ab lagerungen führt dabei dazu, daß der Gasweg in die Kühl zone und damit auch in die nachgeschalteten Gasbehand lungseinrichtungen verlegt und damit die gesamte Anlage funktionsunfähig wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern und weiterzuentwickeln, daß die vorstehend geschilder ten Schwierigkeiten vermieden werden und gleichzeitig eine zufriedenstellende Kühlung des Partialoxidations gases gewährleistet ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in das Partialoxidationsgas innerhalb des Reaktionsgefäßes un mittelbar vor dem Eintritt in die Kühlzone zusätzlich ein weiterer ringförmiger Strom eines Kühlfluids ein gespritzt wird, wobei dieser Kühlfluidstrom mit der Wand des Reaktionsgefäßes einen Winkel von 0 bis 90° und der Kühlfluidstrom in der Kühlzone mit der Wand der Kühlzone einen Winkel von 70 bis 90° bildet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ver fahrens sehen hierbei folgendes vor:
Das in das Reaktionsgefäß eingeleitete Kühlfluid wird mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 20 m/s eingespritzt, während das in die Kühlzone eingeleitete Kühlfluid mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 40 m/s eingespritzt wird.
Das Verhältnis des Kühlfluidstromes im Reaktionsgefäß zum Kühlfluidstrom in der Kühlzone wird so gewählt, daß es im Bereich zwischen 1 und 4 liegt.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Partialoxidationsga ses wird so eingestellt, daß es zusammen mit dem in das Reaktionsgefäß eingespritzten Kühlfluidstromes mit einer Geschwindigkeit <1 m/s in die Kühlzone einströmt.

Als Kühlfluid wird vorzugsweise ein Teilstrom des kalten gereinigten Partialoxidationsgases verwendet. Es können hierfür aber auch andere Medien, wie z.B. Dampf oder ge gebenenfalls vorerhitztes Wasser verwendet werden.

Vorzugsweise wird der Neigungswinkel des in das Reakti onsgefäß eingespritzten und der Neigungswinkel des in die Kühlzone eingespritzten Kühlfluidstromes so gewählt werden, daß jeweils ein kegelstumpfförmiger Strom ge bildet wird, wobei sich der Kegelstumpf in Strömungs richtung des Partialoxidationsgases verjüngt.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zur Durchführung dieses Verfahrens besonders geeigneten Vorrichtung sollen nachfolgend an Hand der Abbildungen erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längs schnitt des Übergangsbereiches vom Reaktions gefäß in die Kühlzone und

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Teil des Reaktionsgefäßes mit dem dazugehörigen ringförmigen Spalt, wobei diese Ausführungsform dann zur Anwendung gelangt, wenn der Kühlfluidstrom mit der Wand des Reak tionsgefäßes einen Winkel von 0° bilden soll.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus dem Reaktionsgefäß 1 und der darüber angeordneten Kühl zone 2. Hierbei weist die Kühlzone 2 einen kleineren Durchmesser als das Reaktionsgefäß 1 auf, so daß sich letzteres nach oben hin zur Kühlzone 2 verjüngt. Das Reaktionsgefäß 1 wird durch die gekühlte Wand 3, die auf ihrer Innenseite mit einer feuerfesten Auskleidung 4 versehen ist, begrenzt. In der Abbildung ist, wie be reits gesagt wurde, nur der Übergangsbereich vom Reak tionsgefäß 1 in die Kühlzone 2 dargestellt, weshalb der untere Teil des Reaktionsgefäßes 1 mit den dort angeordneten Vergasungsbrennern und dem Schlackenab zug nicht zu erkennen sind. Da diese Konstruktionsmerk male jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfin dung sind, kann hier auf ihre Darstellung verzichtet werden. Es handelt sich jedenfalls bei dem Reaktions gefäß 1 um einen Vergasungsreaktor mit den an sich be kannten Konstruktionsmerkmalen. Die Wand 5 der Kühl zone 2 ist ebenfalls gekühlt, weist aber keine zusätz liche feuerfeste Auskleidung auf. Die Kühlung der Wände 3 und 5 wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, daß diese als von einem Kühlmedium durchflossene Rohr wände ausgebildet werden. Da die Kühlzone 2 konzentrisch zum Reaktionsgefäß 1 angeordnet ist, haben beide die gleiche Mittelpunktachse. Erfindungsgemäß ist im Reak tionsgefäß 1 unmittelbar vor dem Eintritt in die Kühl zone 2 ein ringförmiger Spalt 6 vorgesehen, der sich über den gesamten Umfang des Reaktionsgefäßes 1 er streckt und durch den an dieser Stelle Kühlfluid in das Reaktionsgefäß 1 eingespritzt werden soll. Der ringförmige Spalt 6 ist deshalb über den Anschluß 7 mit der Ringleitung 8 verbunden, die der Zufuhr von Kühlfluid dient und die ihrerseits über die Leitung 9 versorgt wird. Wie bereits weiter oben gesagt wurde, soll der an dieser Stelle in das Reaktionsgefäß 1 einge spritzte Kühlfluidstrom mit der Wand 3 einen Winkel von 0-90° bilden. Der ringförmige Spalt 6 muß deshalb so zur Wand 3 geneigt sein, daß der Winkel α dem jeweils gewünschten Wert entspricht. Ein Sonderfall ist aller dings dann gegeben, wenn der Kühlfluidstrom mit der Wand 3 einen Winkel von 0° bilden und damit parallel zur Wand 3 strömen soll. In diesem Falle muß die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform zur Anwendung ge langen. Durch das über den ringförmigen Spalt 6 bzw. die entsprechende Ringleitung 8 zugeführte und in das in Pfeilrichtung von unten nach oben strömende Parti aloxidationsgas eingespritzte Kühlfluid bildet sich im Übergangsbereich vom Reaktionsgefäß 1 in die Kühlzone 2 ein kegelstumpfförmiger Mantelstrom des Kühlfluids aus. Dieser Mantelstrom verfestigt feine Teilchen, die beim Eintritt des Partialoxidationsgases aus dem Reaktionsge fäß 1 in die Kühlzone 2 nicht dem Einschnürungsprofil des Partialoxidationsgasstromes folgen, bevor sie Kon takt mit dem Wandbereich am Eingang der Kühlzone 2 be kommen. Ferner bewirkt dieser kegelstumpfförmige Mantel strom des Kühlfluids eine deutliche Verringerung der Teilchenkonzentration im Partialoxidationsgasstrom in diesem Wandbereich. Die so erreichte Vermeidung von Ablagerungen in diesem Wandbereich ist, wie bereits weiter oben festgestellt wurde, die grundlegende Vor aussetzung für die Funktionsfähigkeit der Kühlzone 2. Eigene Untersuchungen haben ergeben, daß Ablagerungen in diesem Bereich Strömungsturbulenzen des in die Kühl zone 2 eintretenden Partialoxidationsgasstromes bewir ken, die eine funktionsgerechte Ausbildung der Mischung von Kühlfluid und Partialoxidationsgas, durch die Abla gerungen im Bereich der Kühlzone 2 vermieden werden sol len, ausschließen. Außerdem wird natürlich bei einem starken Wachsen der Ablagerungen im Eingangsbereich der Kühlzone der freie Durchtritt des Partialoxidationsgas stromes stark beeinträchtigt und unter Umständen ganz unmöglich gemacht. Ablagerungen, die sich gegebenen falls an der unteren Seite des ringförmigen Spaltes 6 ausbilden können, nehmen durch den Funktionseinfluß der feuerfesten Auskleidung und des heißen Partial oxidationsgasstromes nur ein begrenztes Ausmaß an und stören die Funktion und Ausbildung des Kühlfluidstro mes im Wandbereich am Eingang der Kühlzone nicht.

In die Kühlzone 2 wird weiteres Kühlfluid über den ringförmigen Spalt 10 eingespritzt. Auch hier steht der ringförmige Spalt 10 über einen Anschluß 11 mit der Ringleitung 12 in Verbindung, die der Zufuhr des Kühlfluids dient und die über die Leitung 13 versorgt wird. Wie bereits weiter oben gesagt wurde, soll der an dieser Stelle in die Kühlzone 2 eingespritzte Kühl fluidstrom mit der Wand 5 einen Winkel von 70-90° bilden. Der ringförmige Spalt 10 muß deshalb so zur Wand 5 geneigt sein, daß der Winkel β dem jeweils ge wünschten Wert entspricht. Das durch den ringförmigen Spalt 10 eingespritzte Kühlfluid bildet wiederum einen kegelstumpfförmigen Mantelstrom, der in diesem Falle sowohl dem Schutz der Wand 5 vor Ablagerungen als auch der notwendigen Kühlung des Partialoxidationsgases dient. Durch die Kombination des durch den ringförmigen Spalt 6 zugeführten Kühlfluidstromes mit dem durch den ringförmigen Spalt 10 zugeführten Kühlfluidstrom wird die Kühlung des Partialoxidationsgasstromes in einer Weise erreicht, bei der eine Ablagerung von klebefähi gen Verunreinigungen auf den Wänden im Eingangsbereich der Kühlzone und in der Kühlzone 2 selbst vermieden wird. Auf die spezifischen Verfahrensbedingungen, die hierbei angewandt werden können, ist bereits weiter oben eingegangen worden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist der innere Durchmesser d ₁ am Eintritt in die Kühlzone 2 gleich dem inneren Durchmesser d ₂ oberhalb des ringför migen Spaltes 10. In Abweichung von dieser Ausführungs form kann die Kühlzone 2 aber auch so ausgebildet sein, daß d ₂ größer als d ₁ ist. Dies ist vor allem dann ange bracht, wenn man eine besonders ausgeprägte Ausbildung eines Mantelstromes des Kühlfluids parallel zur Wand 5 wünscht. Generell gilt für die Kühlzone 2 die Bezie hung

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird der ringförmige Spalt 6 dadurch gebildet, daß die Wand 3 des Reaktionsgefäßes 1 in diesem Bereich ver setzt ausgebildet ist. Das heißt, der innere Durchmes ser des Reaktionsgefäßes 1 ist in diesem Falle oberhalb des ringförmigen Spaltes 6 etwas größer als unterhalb. Die Ringleitung 8 schließt sich hier unmittelbar an den ringförmigen Spalt 6 an, so daß der Anschluß 7 entfallen kann. Die Kühlfluidzufuhr erfolgt wiederum über die Leitung 9, wobei das über den ringförmigen Spalt 6 austretende Kühlfluid in Pfeilrichtung paral lel zur Wand 3 strömen kann und deshalb der Winkel α=0 ist. Die Wand 3 ist in Fig. 2 als Rohrwand, die von einem Kühlmedium durchflossen werden kann, dargestellt. Die an der Wandinnenseite vorgesehene feuerfeste Auskleidung ist in der Abbildung nicht eingezeichnet worden.

Vorstehend sind das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dazugehörige Vorrichtung im Zusammenhang mit Küh lung von Partialoxidationsgas beschrieben worden. Selbstverständlich ist deren Anwendung auch dann gege ben, wenn es sich um die Kühlung eines anderen heißen, klebrige Bestandteile enthaltenden Produktgases han delt, das nicht durch Partialoxidation von Kohle und/ oder einem sonstigen Kohlenstoffträger gewonnen wurde.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen eines Partialoxidationsgases, das insbesondere durch Partialoxidation von bal lastreicher Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoff trägern mit einem hohen Anteil an anorganischen Begleitstoffen gewonnen wird, wobei das in einem mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen Rea aktionsgefäß erzeugte Partialoxidationsgas mit einer Temperatur von 1000 bis 1700°C in eine dem Reaktionsgefäß nachgeschaltete Kühlzone ein geleitet wird, in der ein Strom eines Kühlfluids ringförmig in Strömungsrichtung des Gases in das Partialoxidationsgas eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Partialoxidationsgas innerhalb des Reaktionsgefäßes unmittelbar vor dem Eintritt in die Kühlzone zusätzlich ein wei terer ringförmiger Strom eines Kühlfluids einge spritzt wird, wobei dieser Kühlfluidstrom mit der Wand des Reaktionsgefäßes einen Winkel von 0 bis 90° und der Kühlfluidstrom in der Kühlzone mit der Wand der Kühlzone einen Winkel von 70 bis 90° bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Reaktionsgefäß eingeleitete Kühl fluid vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 20 m/s eingespritzt und das in die Kühlzone eingeleitete Kühlfluid vorzugsweise mit einer Ge schwindigkeit von 4 bis 40 m/s eingespritzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Kühlfluid stromes im Reaktionsgefäß zum Kühlfluidstrom in der Kühlzone vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 4 liegt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Partialoxidationsgas zu sammen mit dem in das Reaktionsgefäß eingespritz ten Kühlfluidstrom vorzugsweise mit einer Ge schwindigkeit <1 m/s in die Kühlzone ein strömt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid vorzugsweise ein Teilstrom des kalten, gereinigten Partialoxi dationsgases verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Reaktionsgefäß (1) und die sich unmittelbar daran anschließende Kühlzone (2) ringförmige Spalten (6, 10) für den Eintritt des Kühlfluids aufweisen, die ihrerseits an Ringleitungen (8, 12) für die Kühlfluidzufuhr angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der ringförmige Spalt (6) dadurch gebil det wird, daß die Wand (3) in diesem Bereich ver setzt ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser d ₁ am Eintritt in die Kühlzone (2) gleich oder kleiner ist als der innere Durchmesser d ₂ oberhalb des ringförmigen Spaltes (10).