DE3816340A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen eines heissen produktgases, das klebrige bzw. schmelzfluessige partikel enthaelt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines heißen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthält, die beim Abkühlen ihre Klebrigkeit verlieren, wobei in das heiße Produktgas in einer Kühlzone mit kreisförmigem Querschnitt in Strö­ mungsrichtung des Gases ein ringförmiger Strahl eines Kühlfluids eingedüst wird.

Bei der Kühlung von heißen Produktgasen, die klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthalten, die ihre Kle­ brigkeit verlieren, wenn sie eine bestimmte Erstarrungs­ temperatur unterschritten haben, besteht stets die Ge­ fahr, daß diese Partikel infolge Anbackung zu Ablagerun­ gen an den Wänden der verwendeten Apparaturen oder sonsti­ gen Anlageteilen führen. Das zwangsläufige Wachsen die­ ser Ablagerungen führt dabei im Laufe der Zeit dazu, daß der Gasweg in den verwendeten Apparaturen allmählich verlegt und damit die gesamte Anlage funktionsunfähig wird. Ein ausgeprägtes Beispiel für ein derartiges, kle­ brige bzw. schmelzflüssige Bestandteile enthaltendes Produktgas ist das Partialoxidationsgas, das bei der Partialoxidation von Kohle und/oder sonstigen Kohlen­ stoffträgern bei Temperaturen oberhalb des Schlacken­ schmelzpunktes gewonnen wird. Hierbei führt das den Vergaser mit einer Temperatur von 1200 bis 1700°C ver­ lassende Partialoxidationsgas klebrige bzw. schmelz­ flüssige Schlacketeilchen und/oder sonstige teerige Bestandteile mit sich, die zu den vorstehend beschrie­ benen Ablagerungen führen. Bei der Kühlung und Weiter­ behandlung derartiger Gase muß deshalb durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß diese Begleitstoffe den Kühl- sowie den nachgeschalteten Verarbeitungspro­ zeß nicht durch Ablagerungen an den Wänden der verwen­ deten Apparaturen, an den Wärmeaustauscherflächen und/ oder in den Rohren beeinträchtigen.

Zur Kühlung heißer Produktgase ist es prinzipiell be­ kannt, in den heißen Produktgasstrom einen ringförmigen Strahl eines Kühlfluids in Strömungsrichtung des Gases einzuspritzen oder einzudüsen. Eine solche Einführung führt zwangsläufig zu einer kegelstumpfförmigen Aus­ bildung des ringförmigen Strahls, der dann einen kon­ vergenten Primärteil und einen divergenten Sekundär­ teil aufweist, wenn er sich der Produktgasströmung überlagert. Beispiele für die praktische Anwendung dieses Kühlprinzips, bei dem das Kühlfluid über einen ringförmigen Spalt in den heißen Produktgasstrom ein­ geleitet wird, sind bereits seit langem bekannt. So wird dieses Verfahren beispielsweise beim sogenannten Wälzgasverfahren angewandt, bei dem dem heißen Ver­ brennungsgas zwecks Temperatureinstellung sogenanntes Rückgas zugemischt wird. (Ullmann, Bd. 1, 1951, Seite 182, Abbildung 332). Nach dem gleichen Prinzip arbeiten auch Toroidlufterhitzer, bei denen dem hei­ ßen Verbrennungsgas in einer Mischkammer Kaltluft bei­ gemischt wird. In neuerer Zeit ist schließlich in der DE-OS 35 24 802 vorgeschlagen worden, dieses Kühlprinzip auch zur Kühlung von heißen Produktgasen, die klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthalten, insbesondere zur Kühlung von Partialoxidationsgas, anzuwenden. Hier­ bei soll durch die Einleitung eines Kühlfluids über einen ringförmigen Spalt die Wandberührung der Partikel vermieden und damit die Gefahr von Ablagerungen ausge­ schaltet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich dieses Ziel auf diese Weise nicht im befriedigenden Umfange erreichen läßt. Die sich an den Rändern des kegelstumpfförmigen Kühlfluidringstrahles ausbildende Rezirkulationsströmung hält die klebrigen Partikel nicht von der Wand fern, sondern führt sie im Gegen­ teil an die Wand heran.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Wandberührung der klebrigen bzw. schmelzflüssigen Partikel während des Kühlvorganges vermieden und die Gefahr von Anbackungen bzw. Ablage­ rungen dadurch ausgeschaltet wird. Gleichzeitig soll eine vollständige und gleichmäßige Durchmischung von Produktgasstrom und Kühlfluid gewährleistet werden.

Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der gattungsgemäßen Art ist erfindungsgemäß dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ringförmige Strahl aus einer Vielzahl separater Kühlfluidstrahlen zusammengesetzt ist, deren Masse und Eindringtiefe der Masse des in den einzelnen Ringräumen der Kühlzone strömenden Pro­ duktgasstromes angepaßt ist, wobei die Eindüsgeschwin­ digkeiten der Kühlfluidstrahlen so gewählt werden, daß die gewünschten Eindringtiefen erreicht werden.

In Abkehr von der bisher bekannten Arbeitsweise sieht also das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr die Ein­ führung des Kühlfluids in Form eines geschlossenen ring­ förmigen Strahles vor. Stattdessen wird der ringförmige Strahl in eine Vielzahl separater Einzelstrahlen zer­ legt, die teilweise unterschiedliche Massen, teilweise unterschiedliche Eindringtiefen und gleiche oder teil­ weise unterschiedliche Eindüswinkel haben. Damit kann die Kühlfluidzufuhr der Masse des in den einzelnen Ringräumen der Kühlzone strömenden Produktgasstromes angepaßt werden.

Zur Erläuterung wird hierzu auf Fig. 1 verwiesen, die in schematischer Darstellung den Ausschnitt aus der Kühlzone 2 darstellt, in dem sich der Düsenring 4 für die Einspritzung der separaten Kühlfluidstrahlen be­ findet. Der Durchmesser D der Kühlzone 2 ist hierbei beispielsweise in vier Teile geteilt. Die Durchmesser D, D, D und D begrenzen deshalb in der Kühlzone Ringräume mit unterschiedlichen Grundflächen, was in der Abbildung durch eine unterschiedliche Schraffierung zum Ausdruck gebracht wird. Der prozentu­ ale Anteil der Grundflächen dieser Ringräume an der Ge­ samtfläche der Kühlzone beträgt hierbei von innen nach außen 6,25%, 18,75%, 31,25% und 43,75%. Bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit des Produktgases über den Querschnitt der Kühlzone gelten diese prozen­ tualen Anteile auch für die Aufteilung der Gesamtmasse des Produktgases auf die verschiedenen Ringräume der Kühlzone. Entsprechend diesen unterschiedlichen Pro­ duktgasmassen werden deshalb in die einzelnen Ring­ räume der Kühlzone unterschiedliche Kühlfluidmassen ₁, ₂, ₃; ₄, mit unterschiedlichen Eindringtiefen e ₁, e ₂, e ₃, e ₄ eingedüst. Die Eindüswinkel α _i können aus betrieblichen Gründen gleich oder unterein­ ander verschieden sein. Die Eindüsgeschwindigkeiten des Kühlfluids werden so gewählt, daß die gewünschten Ein­ dringtiefen erreicht werden. Vorzugsweise werden die Eindüsgeschwindigkeiten dabei gleichzeitig so gewählt, daß bei Erreichen der gewünschten Eindringtiefe die Vertikalkomponente der Strahlenmittengeschwindigkeit in Strömungsrichtung gleich der Geschwindigkeit der Gesamtströmung ist.

Wie bereits aus den weiter oben getroffenen Feststellun­ gen hervorgeht, stellt die Kühlung von 1200 bis 1700°C heißem Partialoxidationsgas ein bevorzugtes Anwendungs­ gebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Andere Produktgase, für die sich der Einsatz des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besonders anbietet, sind solche Gase, die als klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel bei­ spielsweise Metalle, Salze oder Aschen enthalten. Als Kühlfluid kann vorzugsweise ein Teilstrom des kalten, gereinigten Produktgases verwendet werden. Es können hierfür aber auch andere Medien, wie z.B. Dampf oder gegebenenfalls vorerhitztes Wasser, zur Anwendung ge­ langen.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer zur Durchführung dieses Verfahrens beson­ ders geeigneten Vorrichtung ergeben sich aus den vor­ liegenden Unteransprüchen und sollen nachfolgend an Hand der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Abbildun­ gen erläutert werden. Diese Abbildungen zeigen:

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Düsenring mit zwei hintereinanderliegenden Kammern, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Kühlfluidzugabe oberhalb des Düsenringes.

Die Abbildung in Fig. 2 zeigt den Oberteil des Reak­ tors 1, der der Erzeugung des zu kühlenden Produktga­ ses dient, sowie die sich unmittelbar daran anschlie­ ßende Kühlzone 2. Sofern das erfindungsgemäße Verfah­ ren zur Kühlung von Partialoxidationsgas verwendet werden soll, handelt es sich bei dem Reaktor 1 um einen Vergasungsreaktor mit den an sich bekannten Merkmalen. Da die Erzeugung des jeweiligen Produkt­ gases nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, braucht hier auf die konstruktiven Einzelheiten des Reaktors 1 nicht näher eingegangen zu werden. Die Kühl­ zone 2 weist, wie bereits gesagt wurde, einen kreis­ förmigen Querschnitt auf. Das erzeugte Produktgas strömt in Richtung des Pfeiles 3 von unten nach oben aus dem Reaktor 1 in die Kühlzone 2. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird das Kühlfluid in drei Stufen mit unterschiedlicher Zielsetzung und unter­ schiedlicher Wirkung aufgegeben. Die eigentliche Küh­ lung des Produktgasstromes erfolgt durch die Kühl­ fluidstrahlen, die über den Düsenring 4 in das Gas eingedüst werden. Auf die spezifischen Bedingungen dieser Kühlfluidzugabe ist bereits weiter oben einge­ gangen worden. Die unterschiedlichen Eindringtiefen der einzelnen Kühlfluidstrahlen, die durch die Pfeile 5 markiert werden, erreicht man durch unterschiedliche Eindüsgeschwindigkeiten. Diese werden wiederum durch unterschiedliche Vordrücke in den Kammern 6 a, 6 b und 6 c, in die der Düsenring 4 in diesem Falle unterteilt ist, sowie durch unterschiedliche Düsendurchmesser er­ zielt. Selbstverständlich weist der Düsenring 4 eine der Zahl der benötigten Kühlfluidstrahlen entsprechen­ de Anzahl von Düsen auf, was in der Abbildung nicht näher dargestellt ist. Die Düsen sind hierbei über den gesamten Umfang des Düsenringes 4 gleichmäßig verteilt. Die unterschiedlichen Kühlfluidmassen erhält man dabei durch die unterschiedliche Anzahl von Düsen mit glei­ chem Durchmesser. Wie durch die Lage der Pfeile 5 an­ gedeutet wird, können die einzelnen Kühlfluidstrahlen dabei einen unterschiedlichen Eindüswinkel aufweisen. Dieser Eindüswinkel α _i kann im Bereich zwischen 0° und 90° liegen. Die entsprechenden Eindüswinkel werden durch entsprechende Neigung der Düsen am Dü­ senring 4 erzielt. Die Eindüsgeschwindigkeiten des Kühlfluids am Düsenring 4 liegen dabei zwischen 1 m/s und 100 m/s. Die einzelnen Düsen sind jeweils über die Kammern 6 a, 6 b und 6 c mit den Leitungen 7 verbunden, durch die die Zufuhr des erforderlichen Kühlfluids er­ folgt, wobei der erforderliche Druck über die Ven­ tile 8 eingestellt werden kann.

Aus Gründen der Betriebsflexibilität kann es vorteil­ haft sein, wenn der Druck des Kühlfluids in den Kam­ mers 6 a, 6 b und 6 c in Abhängigkeit von der Gastempera­ tur in der Kühlzone 2 gesteuert wird. Hierbei wird die durch das Temperaturmeßgerät 22 ermittelte Gas­ temperatur über die Impulsleitung 21 als Steuergröße für den Stellantrieb 23 des Ventiles 8 benutzt, so daß dieses Ventil in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur geöffnet oder geschlossen werden kann. Diese Art der Regelung ist insbesondere dann angebracht, wenn das Produktgas im Teillastbetrieb nur in geringe­ rer Menge als normal anfällt und deshalb der Kühlvor­ gang nur mit einer reduzierten Kühlfluidmenge betrieben wird. Dies kann dabei soweit gehen, daß die Kühlfluid­ zufuhr zu einzelnen Düsengruppen ganz unterbrochen wird. Aus zeichentechnischen Gründen ist die vor­ stehend beschriebene Regelung nur für die Kammer 6 a des Düsenringes 4 eingezeichnet worden. Selbstver­ ständlich kann diese Regelung aber auch für die an­ deren Kammern angewandt werden.

Um den Übergangsbereich 9 vom Oberteil des Reaktors zur Kühlzone 2 unterhalb des Düsenrings 4 frei von Anbackungen zu halten, wird über den ringförmigen Spalt 10 ein weiterer Kühlfluidstrom in Richtung der Pfeile 11 wandparallel in die Vorrichtung eingeführt. Dieser Kühlfluidstrom soll durch Verdrängung die Par­ tikel von der Reaktorwand fernhalten. Um eine unge­ störte Grenzschicht dieses Kühlfluidstromes zu er­ reichen und um Partikelbahnen zu erhalten, die kontur­ parallel zur Wand des Reaktors 1 verlaufen, wird der Übergangsbereich 9 so ausgebildet, daß seine Nei­ gungsänderung stetig nach einer Exponentialfunktion in den zylindrischen Teil der Kühlzone 2 übergeht. Die Geschwindigkeit des Kühlfluidstrahles, der über den ringförmigen Spalt 10 eingedüst wird, liegt hier­ bei im Bereich zwischen 0,1 m/s und 50 m/s. Der ring­ förmige Spalt 10 wird vorzugsweise dadurch ausgebil­ det, daß die Wand 12 im Oberteil des Reaktors 1 ver­ setzt ausgebildet ist, wie das aus der Abbildung zu ersehen ist. über die Leitung 13 ist der ringförmige Spalt 10 mit der Ringleitung 14 verbunden, die über die Leitung 15 mit dem erforderlichen Kühlfluid be­ aufschlagt wird.

Ein weiterer Kühlfluidstrom wird außerdem oberhalb des Düsenringes 4 über den ringförmigen Spalt 16 in die Kühlzone 2 eingespritzt. Dieser Kühlfluidstrom, der durch die Pfeile 17 markiert wird, soll Wirbel und Rückströmungen, die möglicherweise durch die Eindü­ sung des Kühlfluids über den Düsenring 4 an der Wan­ dung der Kühlzone 2 erzeugt werden, vermeiden bzw. unterdrücken. Dazu wird der Winkel β entsprechend klein, nämlich im Bereich zwischen 0° und 45° gewählt, damit dieser Kühlfluidstrom selbst keine Rückströmung an der Wandung der Kühlzone 2 bewirkt. Die Geschwin­ digkeit des Kühlfluidstromes liegt hierbei im Bereich zwischen 1 m/s und 50 m/s. Der ringförmige Spalt 16 ist wiederum über die Leitung 18 mit der Ringleitung 19 verbunden, die über die Leitung 20 mit dem erforder­ lichen Kühlfluid versorgt wird.

Wie bereits weiter oben festgestellt wurde, handelt es sich bei Fig. 2 nur um eine schematische Darstel­ lung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der spezielle konstruktive Ausgestaltungen nicht zu entnehmen sind. So können beispielsweise die Wandungen des Reaktors 1 und/oder der Kühlzone 2 als von einem Kühlmedium durchflossene Rohrwandungen ausgebildet sein, die auf ihrer Innenseite mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sind. Ebenso kann der Spalt 16 aus fertigungs­ technischen Gründen eine andere Ausgestaltung erfahren, worauf noch weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4 eingegangen werden wird.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Aus­ führungsform des Düsenringes 4. Im Gegensatz zur Aus­ führungsform in Fig. 2 weist der Düsenring in diesem Falle zwei hintereinanderliegende Kammern 6 a und 6 b auf. Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Düsenreihen der einzelnen Kammern 6 a, 6 b und 6 c über­ einander liegen, befinden sich bei der in Fig. 3 dar­ gestellten Ausführungsform alle Düsen in einer Ebene. Die der hinteren Kammer 6 a zugeordneten Düsen 24 sind dabei jeweils über die Leitungsstücke 25 mit dieser Kammer verbunden, während die der vorderen Kammer 6 b zugeordneten Düsen 26 unmittelbar in die Kammerwand eingelassen sind. Selbstverständlich können die Dü­ sen 24 und 26 dabei unterschiedliche Durchmesser und/ oder Neigungswinkel aufweisen. In der Regel werden hierbei die einer Düsenkammer zugeordneten Düsen je­ weils gleich sein.

Fig. 4 zeigt schließlich einen Längsschnitt durch eine spezielle Ausführungsform für die Kühlfluidzugabe ober­ halb des Düsenringes 4. Während bei der in Fig. 2 dar­ gestellten Vorrichtung das Kühlfluid über den ringför­ migen Spalt 16 in die Kühlzone 2 eingespritzt wird, kann es aus fertigungstechnischen Gründen angebracht sein, hierfür ebenfalls einen Düsenring 27 zu verwen­ den. Auf den Düsenring 27 ist dabei der oben offene Leitring 29 aufgesetzt, durch den die aus den Düsen 28 austretenden Kühlfluidstrahlen strömungstechnisch vergleichmäßigt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Kühlen eines heißen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel ent­ hält, die beim Abkühlen ihre Klebrigkeit ver­ lieren, wobei in das heiße Produktgas in einer Kühlzone mit kreisförmigem Querschnitt in Strö­ mungsrichtung des Gases ein ringförmiger Strahl eines Kühlfluids eingedüst wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ringförmige Strahl aus einer Vielzahl separater Kühlfluidstrahlen zu­ sammengesetzt ist, deren Masse und Eindringtiefe der Masse des in den einzelnen Ringräumen der Kühlzone strömenden Produktgasstromes angepaßt ist, wobei die Eindüsgeschwindigkeiten der Kühl­ fluidstrahlen so gewählt werden, daß die ge­ wünschten Eindringtiefen erreicht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eindüsgeschwindigkeiten der Kühl­ fluidstrahlen gleichzeitig so gewählt werden, daß bei Erreichen der gewünschten Eindringtiefe die Vertikalkomponente der Strahlenmittenge­ schwindigkeit in Strömungsrichtung gleich der Geschwindigkeit der Gesamtströmung ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfluidstrahlen über einen Düsenring mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bis 100 m/s und unter einem Eindüswinkel α _i von 0° bis 90° in das Produktgas einge­ düst werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kühlfluids im Düsenring in Abhängigkeit von der Gastemperatur in der Kühlzone gesteuert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich unterhalb und oberhalb des Düsenringes je ein weiterer Kühl­ fluidstrom in das Produktgas eingedüst wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfluidstrom unter­ halb des Düsenringes mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s bis 50 m/s so in den Produktgas­ strom eingedüst wird, daß seine Strömung kon­ turparallel zur Reaktorwandung in diesem Be­ reich verläuft.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfluidstrom oberhalb des Düsenringes mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bis 50 m/s und unter einem Winkel β von 0° bis 45° in den Produktgasstrom eingedüst wird.

8. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 zur Kühlung von Partialoxidationsgas, das durch Partialoxidation von Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoffträgern bei Temperaturen oberhalb des Schlackenschmelzpunktes gewonnen wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) und die sich unmittelbar daran anschließende Kühlzone (2) ringförmige Spalten (10, 16) für den Eintritt des Kühlfluids aufweisen und daß ferner im Übergangsbereich (9) zwischen dem Reaktor (1) und der Kühlzone (2) ein Düsenring (4) für die Kühlfluidzufuhr ange­ ordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der ringförmige Spalt (10) dadurch gebil­ det wird, daß die Wand (12) in diesem Bereich des Reaktors (1) versetzt ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (9) zwischen dem Reaktor (1) und der Kühlzone (2) so ausgebildet ist, daß seine Neigungsänderung stetig nach einer Exponentialfunktion in den zylindrischen Teil der Kühlzone (2) übergeht.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (4) in mehrere Kammern (6 a, 6 b, 6 c) unterteilt ist, die über­ einander oder hintereinander angeordnet sein können.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des ringförmigen Spaltes (16) ein Düsenring (27) vorgesehen ist, auf den ein oben offener Leitring (29) aufge­ setzt ist.