DE3906078A1 - Verfahren zur rueckgewinnung von waerme aus heissen prozessgasen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wärmerückgewinnungsprozesses in einem Abhitzekessel, wobei ein in Hochtemperaturprozessen entstehender, verdampfte Komponenten und/oder schmelzflüssige und/oder feste Partikel enthaltender heißer Prozeßgasstrom im Strahlungsabschnitt des Kessels abgekühlt wird.

Verschiedene Hochtemperaturprozesse, wie z.B. Schmelzprozesse für Metall-Anreicherungsprodukte und Metalle, Reduktionsprozesse für Metalle, Reduktions- und Abrauchprozesse für metallurgische Schlacken, Hochtemperaturprozesse der chemischen Industrie usw. erzeugen Gase mit hoher Temperatur. Die Rückgewinnung von Wärme aus diesen Gasen oder die Abkühlung derselben werden wesentlich durch die darin enthaltenen Komponenten erschwert, die dazu neigen, sich auf den Heizflächen abzusetzen. Anhaftende Verbindungen können auch als Folge der Abkühlung entstehen.

Als Beispiele für solche, Wärmeübertragungsflächen verschmutzende Verbindungen sollen u.a. erwähnt werden:

• - Schmelztropfen, die bei Abkühlung erstarren,
• - Verbindungen, die unter Prozeßbedingungen verdampfen und bei Abkühlung kondensiert oder sublimiert werden,
• - Stäube, die zum Sintern neigen
• - Rauch oder Nebel oder Aerosol, das durch sehr geringe Partikelgröße, in der Regel unter 1 µm, sowie dadurch gekennzeichnet ist, daß es dazu neigt, sich auf anderen Nebelpartikeln und den ihm begegnenden Flächen abzusetzen.
• - als Ergebnis und während der Abkühlung von chemischen und anderen Reaktionen entstehende schmelzflüssige oder feste Verbindungen.

In ein und demselben Prozeßgas können von Fall zu Fall eine oder mehrere der oben genannten Komponenten vorkommen. Sie werden gemeinsam dadurch gekennzeichnet, daß sie dazu neigen, beim Passieren des Wärmetauschers sich auf den Wärmeübertragungsflächen abzusetzen. Dadurch wird der Wärmetauscher schrittweise verstopft und die Leistung reduziert, was in der Regel ein Abschalten des Prozesses zur Folge hat. Prozeßgase und insbesondere die darin enthaltenen Stäube sollen also in einem Temperaturbereich abgekühlt werden, wo der Staub fest ist, bevor die Gase in den Konvektionsabschnitt geleitet werden.

Zum Beispiel bei der Suspensionsschmelze von Sulfid-Anreicherungsprodukten, wie etwa dem von Outokumpu Oy entwickelten Schmelzflammprozeß (finnisches Kürzel LSU) entstehen staubhaltige Gase, deren Temperatur in der Regel 1200-1400°C ist. Die Wärme wird aus diesen Gasen gewöhnlich in einem von A. AHLSTRÖM OSAKEYHTIÖ entwickelten zweiteiligen Abhitzekessel mit einem Strahlungs- und einem Konvektionsabschnitt zurückgewonnen. Die LSU-Stäube verursachen große Verschmutzungsprobleme sowohl im Steigschacht des Ofens als im Kessel selbst. Man hat versucht, sowohl mit mechanischen Mitteln als auch mit getrennten Ölbrennern die Staubansammlungen loszuwerden. Problematisch beim LSU-Prozeß ist vor allem, daß der Gasabzug im Steigschacht, d.h. die Eintrittsöffnung des Abhitzekessels stark verschmutzt wird und zum Verstopfen tendiert. Dadurch steigt unter praktischen Verhältnissen die Gasgeschwindigkeit an der Austrittsöffnung erheblich höher als im Vergleich zur sauberen Öffnung mit den ursprünglichen Maßen.

Das staubhaltige viskose Gas mit hoher Temperatur bildet beim Ausströmen aus dem Steigschacht durch die Eintrittsöffnung in die Strahlungskammer des Abhitzekessels eine weit in die Strahlungskammer hinein reichende heiße "Zunge", in der die Gase langsamer abkühlen als das umgebende Gas. Das Vorhandensein der "Zunge" hat man u.a. durch Temperaturessungen in der Strahlungskammer feststellen können.

Fig. 1 zeigt die Temperaturkurven in einem Abhitzekessel, dem Prozeßgas mit einer Temperatur von 1250°C zugeführt wird. Die 1200°C heisse "Zunge" reicht tief in den Kessel hinein. Noch im Endabschnitt der Strahlungszone des Abhitzekessels, vor dem Konvektionsteil, befindet sich eine relativ heiße Zone mit 900°C. Falls die Eintrittsöffnung teilweise verstopft ist, strömt das Gas in den Kessel mit einer Geschwindigkeit, die größer als berechnet ist, wodurch die Bildung einer "Zunge" noch mehr begünstigt wird.

Die Aufgabe des Strahlungsabschnitts besteht darin, die aus dem Prozeß kommenden Gase und Stäube auf eine genügend niedrige Temperatur abzukühlen, bevor sie in den Konvektionsabschnitt geleitet werden. Dadurch werden Verstopfungsprobleme im Konvektionsabschnitt vermieden. Vor allem bei großen Einheiten wird die Gasabkühlung in der Strahlungskammer mit den äußeren Schichten eingeleitet, wobei sich natürlich ein Temperaturgradient zur Mitte hin bilden wird, d.h. daß sich in der Mitte eine Zone mit langsam abkühlenden Gasen bildet, eine Zone mit höherer Temperatur. In der Nähe der Strahlungskammerwände bildet sich dagegen eine Zone mit schnell abkühlenden Gasen. Dieses Phänomen wird durch den oben erwähnten strömungstechnischen Vorgang noch mehr verstärkt, der die Bildung der heißen "Zunge" begünstigt. Wärmerückgewinnung aus der heißen "Zunge" ist im Strahlungsabschnitt verhältnismäßig unwirksam.

Darüber hinaus ist die Lage bei der Prozeßentwicklung in der letzten Zeit noch ungünstiger geworden. Die Einführung von Sauerstoff und/oder technischem Sauerstoff in metallurgische Prozesse hat den Gehalt von Schwefelverbindungen in Prozeßgasen erheblich erhöht, wodurch z.B. der relative Anteil von Reaktionen, die mit dem Sulfatieren des Staubs verbunden sind, merklich ange­ stiegen ist. Dies bedingt auch eine Hervorhebung der Bedeutung der heißen "Zunge" weil die Sulfatierung hauptsächlich erst durch die Abkühlung induziert wird und als letztes im Kernbereich der Gasströmung erfolgt und gleichzeitig im Kernbereich Wärme freigibt, wodurch eine überdurchschnittlich hohe Temperatur in den inneren Bereichen, das heißt in der heiße "Zunge" des Gasstromes, aufrechterhalten wird.

Zusätzlich zur oben genannten Prozeßgasströmung, dem Wärmeübertragungsvorgang und den chemischen Reaktionen kann auch die Form des Abhitzekessels selbst an der ungleichmäßigen Strömung und Abkühlung von Heißgasen im Kessel mitwirken.

In der Praxis haben die oben genannten Erscheinungen zur Folge, daß der Strahlungsabschnitt relativ geräumig und langgezogen ausgeführt sein soll, um wunschgemäß zu funktionieren, und zwar so, daß alle Stäube vor dem Erreichen des Konvektionsabschnittes ausreichend abgekühlt werden und Verstopfungsprobleme vermieden werden. Die "Zunge" mit erhöhter Temperatur ist selbstverständlich auch schädlich für die Kesselbauten selbst, insbesondere wenn sie auf die Wandungen trifft. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erstreckt sich im Beispielsfall sogar bis zur Endzone des Strahlungsabschnitts, d.h. bis zum Anfang des Konvektionsabschnittes, eine relativ heiße "Zunge" mit 900°C, obwohl das Gas in der übrigen Strahlungskammer abgekühlt ist. Ein ausreichend großer Strahlungsabschnitt wird als Investition jedoch in der Regel teuer. Die erhebliche Größe der Strahlungskammer hat Probleme in Hinsicht auf die Plazierung zur Folge und die entsprechenden Betriebskosten sind bei den benötigten Pumpen, Reinigungsvorrichtungen, Staubförderern usw. hoch.

Bei Kohlevergasungsprozessen treten auch entsprechende Probleme auf. Infolge des Anstiegs von Energiepreisen sowie der verschärften Emissionsbestimmungen sind verschiedene Kohlevergasungsprozesse in variierendem Maße aktuell geworden. Es gibt eine große Anzahl unterschiedlicher Vergasungsprozesse. Für die meisten ist gemeinsam, daß die Vergasung bei einer hohen Temperatur von 700-1500°C erfolgt und daß die Gase den Vergasungsreaktor mit der Vergasungstemperatur verlassen und daß die Gase verschmutzt sind. Die Gase aus Vergasungsprozessen enthalten Tropfen, Stäube, Nebel usw., die Verschmutzungsprobleme der Wärmeaustauschflächen hervorrufen.

Die Abkühlung der Produktgase aus den Vergasungsprozessen ist infolge des oben Angeführten im allgemeinen problematisch, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß der Prozeß in der Regel mit Überdruck beaufschlagt ist und daß die CO/H₂-haltigen Gase wegen ihrer niedrigen CO₂- und H₂O-Gehalte schlechte Strahler sind.

So sieht z.B. die Analyse des Produktgases aus dem sog. MIP- Prozeß (Molten Iron Pure Gas) in etwa so aus:

CO: 65-70 Vol.-%
H₂: 25-30 Vol.-%
CO₂: 0,3 Vol.-%

Die Strahlungseigenschaften eines solchen Gases sind so schlecht, daß eine Abkühlung im Strahlungsabschnitt sehr unwirksam ist und deshalb ein relativ groß angelegter und teuerer Strahlungsabschnitt notwendig ist. Der von den Gasen mitgeführte Staub, ca. 50 g/Nm³, begünstigt etwas die Strahlung. Die Menge an Prozeßstaub ist jedoch so gering, daß die Wärmeübertragung durch Strahlung relativ ineffektiv ist. Anderseits ist die Staubmenge so groß, daß beim Erreichen des Konvektionsabschnittes bei einer allzu hohen Temperatur der Staub den Konvektionsabschnitt schnell verstopft, wodurch dessen Funktion beeinträchtigt wird und der Prozeß zum Stillstand kommt. So sind bei druckbeaufschlagter Vergasung die Investitionen betreffend die Abkühlung des Produktgases beim Abhitzekessel aus den obigen Gründen sehr hoch. Dies wiederum verschlechtert die Konkurrenzfähigkeit von Vergasungsprozessen.

Die oben beschriebenen Erscheinungen führen also in der Praxis zu Verschmutzungsproblemen des Kessels und dadurch zu einer schlechten Verfügbarkeit des Prozesses. Zur Lösung der obigen Probleme stehen zahlreiche Vorschläge und Verfahren zur Verfügung.

Durch die Reinigungstechnik kann die Situation oft erleichtert werden. Als Folge enstehen jedoch erhebliche Kosten z.B. in Form von Reinigungsvorrichtungen und den entsprechenden Bedienungsanlagen. In mehreren Fällen wird der Einsatz von Reinigungsvorrichtungen mit Lufteinblasung durch die ungünstige Auswirkung des Reinigungsgases auf die Analyse des Prozeßgases begrenzt. Mit mechanischen Reinigungsvorrichtungen, wie Vibratoren, Schlag- und Federhämmern können diejenigen Probleme vermieden werden, die durch Reinigungsvorrichtungen mit Lufteinblasung verursacht werden. Als Folge entstehen jedoch zahlreiche konstruktive Beschränkungen, die in der Regel zu relativ teueren Lösungen führen.

Man hat auf verschiedenen Weisen versucht, das Prinzip der autogenen Reinigung anzuwenden, indem die Prozeßgase einem Wirbelbett zugeführt werden, in dem Wärmeaustauschflächen angeordnet sind. Die Nachteile der Verfahren bestehen in Druckverlusten bis zu 300...1000 mm H₂O, sowie in Problemen in bezug auf die Roste und den Verschleiß von Wärmeübertragungsflächen. Aus diesem Grund sind Systeme auf Wirbelbettbasis begrenzt zum Einsatz gekommen.

Durch das finnische Patent FI 64 897 wird ein mit Kühlflächen und zirkulierendem Wirbelbett versehener Reaktor dargestellt, bei dem die Temperatur eines Gases mit Schmelztropfen vor dem Wärmeaustauscher unterhalb des eutektischen Temperaturbereichs der Schmelztropfen gesenkt wird, indem dem Gas im Wärmeaustauscher abgekühlte, aus dem Gas abgeschiedene, zurückgeführte Feststoffpartikel beigemengt werden. Bei dem Verfahren werden die Feststoffpartikel aus einem als Partikelabscheider dienenden Zyklon einfach über direkte Rückführung zurückgeleitet und in einem Raum unmittelbar oberhalb der Saugöffnung dem Prozeßgas beigemischt. Bezüglich dieses Verfahrens wird festgestellt, daß u.a. wegen der Funktionstüchtigkeit ein gewisser Mindestgasdurchsatz erfordert wird, damit einerseits der Staub nicht durch die Saugöffnung auf die Prozeßseite zurückfällt, und damit der Staub anderseits mit dem Gas den Kühler passiert. Dies beschränkt in einigen Fällen die Funktionstüchtigkeit des Verfahrens, weil die große Geschwindigkeit des hineinströmenden Gases auch im Wirbelbettreaktor eine tief hinein in den Reaktor reichende heiße "Zunge" bildet. Falls die heiße "Zunge" bis zum Wärmeaustauscher hineinragt, kann sie Verstopfung der Wärmeaustauscherflächen herbeiführen.

Das finnische Patent Nr. 65 632 stellt ein Verfahren dar, Wärme aus staubhaltigen Gasen wiederzugewinnen, die bei der Suspensionsschmelze von Sulfid-Anreichrerungsprodukten entstanden sind. Dem Verfahren gemäß wird den bei der Suspensionsschmelze entstandenen staubhaltigen Gasen ein kälteres Reaktionsmittel beigemengt, hauptsälich bevor sie in einen indirekten Wärmetauschkontakt gebracht werden. Bei dem Verfahren wird das kältere Festmaterial in das hintere Ende des Schmelzofens aufgegeben, bevor die Gase in den Kessel strömen. Hiermit will man man einerseits die Gastemperatur und dadurch die Anhaftung von Stäuben vermindern und anderseits die Staubanalyse so beeinflussen, daß die Sinterungsneigung des Staubes zurückgeht. Eine Reduzierung der Eintrittstemperatur vermindert jedoch die Leistung der Strahlungswärmeübertragung. Ein vernünftiger Erfolg würde u.a. voraussetzen, daß als reagierender Feststoff eines der Aufgabegüter des Prozesses dient und daß die erforderliche Zugabe dieses Materials in die, für ein Gelingen erforderlichen Grenzen fällt. Es handelt sich also um eine erhebliche Beschränkung.

Ein bedeutendes praktisches Problem besteht darin, die Aufgabe in den Ofen selbst so zu gestalten, daß die Zugabe von Feststoff wirklich vorstellungsgemäß funktioniert und dieser nicht an den von Schmelze bedeckten Ofenwandungen haften bleibt und ein Zusetzen des Ofens oder der Gasaustrittsöffnung zur Folge hat. Die Anbringung von Durchführungen durch die dicken Wandungen des Schmelzofens selbst ist ebenfalls eine sehr schwierige Aufgabe.

Eine zur Abkühlung des Prozesses verwendete Methode besteht darin, daß dem Prozeßgas gleich im Anfangsabschnitt des Kessels, in der Strahlungskammer kälteres Gas beigemischt wird. In der Praxis wird dies im allgemeinen dadurch bewerkstelligt, daß ein Teil des Prozeßgases nach der Gasreinigung zurück in den Anfangsabschnitt des Kessels geleitet wird. Die bekannten Methoden erfordern jedoch so große Mengen Umlaufgas, 2-4mal die Menge des Prozeßgases, daß der Konvektionsteil des Kessels und die Gasrei­ nigungsanlage entsprechend sehr große Gasmengen behandeln müssen. Die Folge sind erheblich hohe Investitions- und Betriebskosten.

Die englische Patentveröffentlichung GB 13 79 168 stellt ein Verfahren dar, durch das die Anhaftung von Schmelze auf den Kesselwandungen verhindert werden soll. Nach dem Verfahren wird dem Kessel Gas zugeführt, das den Sauerstoffgehalt der Prozeßgase reduziert, z.B. Stickstoffgas oder zurückgeführtes gereinigtes Prozeßgas. Dadurch wird eine sekundäre Verbrennungsreaktion im Abhitzekessel vermieden. Das Verfahren verhindert weder die Entstehung einer heißen "Zunge" im Gasstrom noch die dadurch entstandenen Nachteile.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein gegenüber den obigen wirksameres und kostengünstiges Verfahren zur Abkühlung und Wiedergewinnung von Wärmeaustauschflächen verschmutzenden Prozeßgasen vorgeschlagen werden.

Im folgenden wird die Erfindung eingehend beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgasstrom, und zwar der langsam abkühlenden Zone des Gasstroms, der heißen "Zunge", im Strahlungsabschnitt des Abhitzekessels ein die Abkühlung der heißen "Zunge" begünstigendes Gas und/oder Feststoffpartikel und/oder eine unter den vorherrschenden Verhältnissen verdampfende Flüssigkeit zugeführt wird bzw. werden um die Abkühlung der heißen "Zunge" zu fördern.

Dem Prozeßgasstrom im Strahlungsabschnitt, den inneren Zonen des Gasstroms wird bzw. werden Gas und/oder Partikel und/oder Flüssigkeit derart beigemengt daß es bzw. sie schnell im zu behandelten heißen Prozeßgas suspendiert bzw. suspendieren werden.

Dadurch wird die Abkühlung des Gases besonders in der Zone der langsam abkühlenden Gase beschleunigt und/oder die Emissionsfähigkeit des Gases erhöht, was wiederum zur Wirksamkeit der Wärmeübertragung durch Strahlung aus der heißen "Zunge" beiträgt und die Abkühlung des Prozeßgases fördert.

Die Zugabe von Gas, Feststoffpartikeln oder Flüssigkeit kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Eine praktische Methode besteht in einer pneumatischen Zugabe mittels einer oder mehreren Lanzen, wobei sich die Zugabe zweckentsprechend ausrichten und durch Verstellen der Lanzen genau auf die richtige Zone der heißen "Zunge" richten läßt.

In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Feststoffstrom axial direkt in den Kernbereich der Gasströmung hineinzublasen, was zur Eliminierung der heißen "Zunge" wirksam beiträgt. In einigen Fällen kann es angebracht sein, die Lanze z.B. durch den Steigschacht so anzuordnen, daß sich die Austrittsöffnung der Lanze in der Nähe der Eintrittsöffnung des Kessels befindet, wobei die Einblasung auf den Kern der Gasströmung gerichtet ist.

Eine zweite praktische Methode ist, Einblasdüsen an den Wänden der Strahlungskammer des Kesseln anzubringen, wodurch sich die Zugabe durch Verstellen der Ausrichtung der Düsen und des Strahlenimpulses zweckmäßig auf den richtigen Punkt und in richtiger Menge richten läßt. In besonderen Fällen kann die Zugabe erfolgreich auch über ein Fallrohr von oberhalb des Kessels, ohne Anwendung eines speziellen Gases zur Einblasung, vorgenommen werden.

Als Einsatz- oder Trägergas für den zugeführten Feststoff kann z.B. vom Ende des Prozesses zurückgeführtes, gereinigtes Prozeßgas verwendet werden, wodurch die Analyse des Prozeßgases durch das betreffende Gas nicht beeinflußt wird. Als Trägergas kann auch ein inertes oder chemisch aktives Gas in Frage kommen, falls dies gewünscht wird, um z.B. eine chemische Reaktion zu bewirken. Als gutes Beispiel kann man Luft nehmen, die zugegeben wird, um z.B. ein Nachbrennen in Gang zu setzen oder die Sultatie­ rung zu bewirken oder zu fördern.

Als zugeführter Staub kann z.B. der in einem Elektrofilter abgeschiedene Prozeßstaub dienen, wobei auch die Staubanalyse nicht beeinträchtigt wird. In Sonderfällen kann auch ein anderer, entweder inerter oder chemisch aktiver Staub in Frage kommen, falls dies gewünscht wird, um irgendeine Gasreinigungsmaßnahme durchzuführen oder eine gewünschte Reaktion zu erreichen.

Eine wesentliche Aufgabe der Zugabe von Staub, Gas oder Flüssigkeit besteht darin, die sich in der Strahlungskammer bildende heiße "Zunge" effektiv abzukühlen oder die Entstehung der heißen "Zunge" ganz und gar zu verhindern. Durch die Leitung von Gas und/oder Feststoffpartikeln mittels einer Lanze oder durch ausreichend starke Strahlen oder eine andere geeignete Methode in den inneren Bereich der Gasströmung kann in erster Linie nur die in den inneren Teilen der Gasströmung gebildete heiße Zone örtlich abgekühlt werden, wobei die Enstehung einer heißen "Zunge" und die damit verbundenen Nachteile vermieden werden.

Die Staubzugabe hat auch eine zweite wesentliche Aufgabe, nämlich eine wesentliche Verbesserung der Emissionsfähigkeit der Prozeßgase in der heißen "Zunge" und dadurch eine Verbesserung von Übergang und Rückgewinnung von Wärme zu erreichen. Die Emissionsfähigkeit des Gases ist abhängig u.a. von der rechnerisch ermittelten Partikelanzahl pro Volumeneinheit. Durch eine örtliche Erhöhung der Partikelanzahl in der heißen "Zunge" auf ein gewünschtes Niveau kann die Strahlungswärmeübertragung wesentlich effektiviert werden.

Von Fall zu Fall variiert die Situation so, daß entweder eines von beiden, die Reduzierung von Nachteilen, verbunden mit der Abkühlung von verschmutzten Gasen, entweder durch Eliminierung der durch die heiße "Zunge" entstandenen Schwierigkeiten oder Effektivierung der Wärmeübertragung durch eine Erhöhung der Emissionsfähigkeit, schwerer wiegt oder daß beide Effekte gleichzeitig wichtig sind.

Beim LSU-Prozeß etwa ist es wichtig, die heiße "Zunge" zu eliminieren und damit die schmelzflüssigen Partikel abzukühlen. Falls es außerdem wünschenswert ist, eine möglichst wirksame Sulfatierung des Staubes in der Strahlungskammer zu erreichen, kann dies begünstigt werden, indem als Trägergas z.B. Luft verwendet wird, mit der der benötigte Sauerstoff im System genau dort eingebracht werden kann, wo er benötigt wird. Aufgrund der anfänglich starken Staubhaltigkeit des Prozeßgases sind die Auswirkungen von Staubzugabe auf die Emissionsfähigkeit beim LSU-Prozeß im allgemeinen nicht besonders groß. Durch die Eliminierung der heißen "Zunge" wird die Funktion der Strahlungskammer wesentlich effektiviert und die Größe der Strahlungskammer kann merklich reduziert werden oder die Kapazität der Strahlungskammer kann erhöht werden.

Bei Vergasung von Kohle dagegen wird durch die Staubzugabe eine wesentliche Verbesserung der Emissionsfähigkeit und dadurch eine erhebliche Effektivierung der Wärmeübertragung durch Strahlung im Strahlungsabschnitt des Kessels erreicht. Das Resultat ist ein erheblich wirksamerer und kompakterer Strahlungsabschnitt.

Durch die Staubzugabe wird auch eine erhebliche Verbesserung in der Gasreinigung erreicht. Die zugeführten Staubpartikeln wirken als heterogene Kernbildner, an deren Oberfläche die verdampfte Komponente kondensiert die geschmolzenen Tropfen erstarren und der Rauch absorbiert wird.

Es ist wesentlich zu bemerken, daß man durch die Zugabe von kalten Feststoffpartikeln nicht bestrebt ist, die Abkühlung des gesamten zu behandelten Prozeßgasstromes merklich zu effektivieren, weil die Strahlungswärmeübertragung aus dem gesamten Gas dabei durch den Temperaturrückgang schnell reduziert wird. Die Effektivität der Strahlungswärmeübertragung ist in der Regel bedeutend erst bei hohen Temperaturen über 900°C und sehr bedeutend bei Temperaturen über 1200°C. Mit der Zugabe von Feststoffpartikeln dagegen will man erfindungsgemäß hauptsächlich nur die heiße "Zunge" und die dadurch verursachten Nachteile beseitigen. Ebenfalls will man mit der Zugabe von Feststoffpartikeln in Sonderfällen die Wärmeübertragung durch Strahlung verbes­ sern, indem die Emissionsfähigkeit des Gasstromes vorteilhaft beeinflußt wird.

Durch eine kontrollierte Zugabe von Feststoffpartikeln an der richtigen Stelle in das zu behandelnde Gas kann örtlich eine wirksame Abkühlung, ohne allgemeine, sogar örtliche Zunahme des Gasvolumens erreicht werden. Eine örtliche Zunahme des Gasvolumens sowie eine Zunahme des Volumenstroms würden die Gasströmung im Kessel stark beeinträchtigen. Eine Gaszugabe kann sich in einigen Prozessen auch auf die Analyse des Produktgases negativ auswirken.

Bei einigen Anwendungen haben eine Zunahme der Gasmenge und eventuelle Turbulenzen im Kessel keine nachteiligen Auswirkungen, wobei reines Gas ohne Staubpartikel eingeblasen werden kann, auch wenn größere Mengen davon gegenüber dem zu behandelnden Gas eingesetzt werden sollten, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Ein erheblicher Vorteil der Einblasung von Staubpartikeln besteht in der Verstellbarkeit. Durch Verstellen der Strömungsgeschwindigkeit und des Verhältnisses der Massenströme Staub/Gas am Ausgang der Lanze oder des Mundstücks können Strahlenimpuls und Durchdringung in sehr weiten Grenzen geregelt werden. Der Feststoff kann bei Bedarf auch von großen Entfernungen aus genau auf die richtige Stelle gerichtet werden. Die Lanze selbst braucht nicht unbedingt bis zur "Zunge" zu reichen. Dadurch ist es möglich, daß sich die Austrittsöffnung der Lanze sogar auf der Höhe der Kesselwandung befindet, obwohl der Strahl bis zum Kernbereich der Gasströmung vordringt. Die Lanze kann natürlich z.B. mit Wasserkühlung versehen sein, wobei sie den vorherrschenden Verhältnissen standhält und derart angebracht werden kann, daß sich die Staub/Gas-Suspension aus der Lanze, zweckmäßig gerichtet, direkt in den Kernbereich ergießt.

In speziellen Fällen kann in den Kernbereich der Gasströmung sehr einfach nur verdampfende Flüssigkeit eingespritzt werden, z.B. Wasser, wobei bereits bei sehr kleinen Flüssigkeitsmengen sehr viel Wärme gebunden wird und die gewünschte schnelle Abkühlung der heißen "Zunge" sehr einfach erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 wie bereits erläutert, die Temperaturgradienten in einem Abhitzekessel, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewandt ist,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ausführung in schmematischer Darstellung,

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. 4 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. 5 Kurven über die Notwendigkeit der Zugabe von Feststoffpartikeln und Gas bei Abkühlung von Prozeßgas, und

Fig. 6 die Erfindung auf einen zirkulierenden Wirbelbettreaktor angewandt.

Fig. 2 stellt den Strahlungsabschnitt 1 eines Abhitzekessels dar, der eine Eintrittsöffnung 2 für heiße Prozeßgase mit 1300°C z.B. aus dem Steigschacht 4 eines Schmelzofens 3 und eine Austrittsöffnung für Gase in den Konvektionsabschnitt 6 des Kessels aufweist, der mit Wärmeübertragungsflächen 7 bestückt ist. Bevor das erfindungsgemäße Verfahren bei Kesseln angewandt wurde, wurde das Prozeßgas bei Strömen in den Strahlungsabschnitt schnell in den Zonen I in der Nähe von Wandungen und Kessel­ unterteil abgekühlt. Im mitteleren Bereich der Gasströmung bildete sich dagegen eine schlecht abkühlende, weit reichende Zone II, eine heiße "Zunge", deren Temperatur sogar auf 1200°C beharrte. Die heiße "Zunge" erstreckte sich schlimmstenfalls sogar bis in die Nähe der Austrittsöffnung 5 des Strahlenabschnitts. Aufgrund dessen traten schädliche, in anhaftendem Zustand befindliche Stäube mit dem Gas in den Konvektionsabschnitt 6 des Abhitzekessels ein, wo sie die Wärmeübertragung auf die Wärmeübertragungsflächen 7 beeinträchtigten.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Kesselwand 8 eine Lanze 11 angebracht. Mit der Lanze werden Feststoffpartikel der heißen "Zunge" 10 zugeführt und die darin enthaltenen Partikel abgekühlt. Dadurch wird eine erheblich kleinere heiße "Zunge" 12 erreicht.

Bei der zweiten, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Lanze 11 ungefähr in der Mitte der Kessel-Eintrittsöffnung 2 angeordnet. Dabei wird die heiße "Zunge" gleich hinter der Eintrittsöffnung einer Kühlwirkung ausgesetzt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren bei einem vertikalen Abhitzekessel angewandt worden. Die Beseitigung bzw. derartige Verkleinerung der heißen "Zunge", daß damit keine Nachteile verbunden sind, wird erreicht, indem zwei Lanzen an den gegenüberliegenden Wandungen 8 des Strahlungsabschnitts angeordnet werden.

Im folgenden Beispiel ist der Bedarf an Umlaufstaub und -Gas dargestellt, wenn ein Teil der 1250°C heißen Gasströmung, 100 000 Nm³/h, abgekühlt werden. Vor der Gasströmung wird entweder der heiße Kernbereich oder die heiße, z.B. auf den oberen Abschluß des Kessels treffende "Zunge" abgekühlt. Das Gas wird auf 750°C abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt bei 350°C mittels Umlaufgas und Umlaufstaub. Fig. 5 zeigt den Bedarf an Umlaufgas und -Partikeln bei Abkühlung von 10, 20 oder 30% der gesamten Gasmenge. Auf der vertikalen Achse sind die Umlaufgasmengen (Nm³/h) und auf der horizontalen die Mengen der Umlaufpartikel (kg/Nm³) eingezeichnet.

Bei der Abkühlung von 20% des Gasstromes nur durch Umlaufgas werden 24 000 Nm³/h Umlaufgas benötigt. Wenn nach der erfindungsgemäßen Methode sowohl Umlaufgas und 9 kg/m³ Umlaufpartikel zugegeben werden, werden nur 4500 Nm³/h Umlaufgas benötigt. Durch die Zugabe von Feststoffpartikeln in das Umlaufgas wird eine bessere Durchmischung erreicht, denn die Gas/Partikel-Suspension besitzt mit dergleichen Geschwindigkeit eine 7fache Impuls- und Bewegungsenergie gegenüber Gas allein.

Anhand der Kurven in Fig. 5 läßt sich auch feststellen, daß bei der Abkühlung von noch größeren Prozeßgasmengen auch die notwendige Menge an Umlaufgas erheblich zunehmen würde, vor allem, wenn die Menge von Umlaufpartikeln gering gehalten würde.

Die Erfindung ist nicht auf die als Beispiel angeführte Ausführungsform beschränkt, sondern läßt sich abwandeln und anwenden im Rahmen des durch die Patentansprüche festgelegten Erfindungsgedankens. So kann die Erfindung auf einem als Abhitzkessel funktionierenden Reaktor mit zirkulierendem Wirbelbett angewandt sein, wie in Fig. 6 gezeigt ist. In dem Reaktor werden die heiße Gase erst mit zirkulierenden Partikeln in einem Strahlungsabschnitt und danach mit den Wärmeübertragungsflächen in einem Konvektionsabschnitt abgekühlt. Das die Abkühlung fördernde Gas und/oder die festen Partikeln und/oder die Flüssigkeit wird bzw. werden der heißen "Zunge", die in der Strahlungsabschnitt des Wirbelreaktors gebildet ist, zugeführt. So wird es vermieden, daß die heiße "Zunge" bis an die Wärmeübertragungsfläche in dem Reaktor reicht.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verbesserung des Wärmerückgewinnungsprozesses in einem Abhitzekessel, bei dem der in Hochtemperaturprozessen entstehende, verdampfte Komponenten und/oder schmelzflüssige und/oder feste Partikel enthaltende heiße Prozeßgasstrom im Strahlungsabschnitt des Kessel abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgasstrom im Strahlungsabschnitt des Kessels, der langsam abkühlenden Zone des Gasstromes, der heißen "Zunge", die Abkühlung begünstigendes Gas und/oder Feststoffpartikel und/oder unter den vorherrschenden Verhältnissen verdampfende Flüssigkeit zur Begünstigung der Abkühlung der heißen "Zunge" geleitet wird bzw. werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom ein pulverförmiges Aufgabegut des Prozesses zugeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom ein pulverförmiges Material zugeführt wird, das sich mit geeigneten Mitteln leicht vom Prozeßstaub selbst trennen läßt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom von Prozeßgasen abgeschiedener Umlaufstaub zugeführt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom im Prozeß gereinigtes Gas, Umlaufgas, zugeführt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom von Prozeßgasen abgeschiedener und abgekühlter Umlaufstaub oder Umlaufgas zugeführt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gasstrom chemisch aktives Gas und/oder Flüssigkeit und/oder chemisch aktive Feststoffpartikel eingespritzt wird bzw. werden.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gasstrom Luft eingespritzt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas und/oder die Feststoffpartikel durch eine oder mehrere Lanzen in den Kessel eingebracht wird bzw. werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Lanze(n) verstellt wird, um das Gas und/oder die Feststoffpartikel auf die richtige Stelle im Kessel zu richten.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls des mittels einer Lanze in den Kessel hineingebrachten Gases und/oder der Feststoffpartikel so eingestellt wird, daß das Gas und/oder die Feststoffpartikel auf die richtige Stelle im Kessel gerichtet werden.

12. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas und/oder die Feststoffpartikel über eine in der Wandung angeordnete Lanze in den Kessel eingebracht wird. bzw. werden.

13. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Gas und/oder Feststoff in den Kessel mit einer Lanze ein­ gebracht wird bzw.werden, die in der Eintrittsöffnung axial zum Kernbereich der Gasströmung angeordnet ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Prozeßgas in einen Reaktor mit zirkuliernder Wirbelschicht, der als Abhitzkessel funktioniert, abgeführt wird.