DE4001739A1

DE4001739A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung und reinigung von mit schlacke bzw. staub beladenen druckvergasungsgasen

Info

Publication number: DE4001739A1
Application number: DE19904001739
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Ing Schingnitz; Hans-Peter Dr Ing Minak; Anton Dr Ing Althapp; Helmut Dipl Ing Peise; Rolf Dipl Ing Tehsmer; Heinz Dipl Ing Mann; Mathias Dipl Ing Streicher; Rainer Bolcek; Friedrich Dr Ing Berger
Original assignee: Brennstoffinstitut Freiberg
Current assignee: Noell-Dbi Energie- und Entsorgungstechnik O- GmbH
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-01-22
Publication date: 1990-10-04
Also published as: DD280975A1; CS9000682A2; AT404468B; CN1023130C; ATA21990A; CS275922B6; DD280975B3; CN1045990A; AU5246990A; RU1829952C

Description

Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung und Reinigung von mit Schlacke bzw. Staub beladenen Druckvergasungsgasen.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Gasen, insbesondere zur gleichzeitigen Kühlung und Entstaubung sowie der Wasserdampfpartialdruckerhöhung von Gasen, die bei der Druckvergasung von staubförmigen Brenn stoffen entstehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter Druck entstehen staubhaltige Gasgemische hoher Temperatur. Wird die Staubvergasung als Flammenreaktion bei Temperaturen durchgeführt, die über dem Schmelzpunkt der Brennstoffasche liegen, so ist es vorteilhaft, das heiße Gas zusammen mit der flüssigen Asche (Schlacke) abzuführen, wonach unter Hinzufügen eines Kühlmediums eine Abkühlung des Gases unter gleichzeitiger Verfestigung der Schlacke (Granulierung) vorgenommen wird. Vorzugsweise wird Wasser als Kühlmedium verwendet. Diese direkte Kühlung des Gases bewirkt gleichzeitig eine Teilverdampfung von Wasser, wodurch der Wasserdampfgehalt im gekühlten Gas erhöht wird.

Es ist bekannt, daß für die Kühlung und/oder Teilentstaubung von Gasen Wäscher eingesetzt werden, bei denen das zu kühlende Gas insbesondere im Gegenstrom mit Wasser berieselt oder bedüst wird. Durch Einbauten oder Leiteinrichtungen wird die Kontakt oberfläche vergrößert. Für diesen Zweck sind auch Wirbelwäscher sowie Rotationswäscher mit rotierenden Einbauten bekannt. Bei hohen Systemdrücken werden jedoch bewegte Teile vorzugsweise vermieden. Auch Venturiwäscher werden zur Kühlung und Teilent staubung - jedoch vorrangig für niedrige Drücke - eingesetzt.

Die Anwendung dieser Verfahren ist jedoch mit Nachteilen behaftet (beschränkt für relativ niedrige Drücke und Tempera turen und geringe Verfügbarkeit), so daß weitere Lösungen vorge schlagen werden, die im Prinzip in zwei Gruppen eingeteilt werden können.

Die erste Gruppe von Lösungen benutzt ein innenseitig mit einem Wasserfilm gekühltes Rohr, das in ein Wasserbad ein taucht (Tauchrohrprinzip) und damit das Gas kühlt und durch den Kontakt mit der wäßrigen Phase teilweise entstaubt (DD-WP 1 45 860); EP-O 1 27 878; DE-OS 31 51 483). Dieses Kühlprinzip wird u. a. ergänzt durch weitere zusätzliche Kühlstufen in Form von z. B. einer Wasserverdüsung am Ende des Tauchrohres und nach dem Durchströmen der Wassertauchung über dem Wasserniveau (EP-O 1 27 878) und/oder durch konstruktive Maßnahmen am Tauch rohrende bzw. an der Gasführung durch das Wasserbad hindurch (DD-WP 1 45 860). Ein Nachteil dieses Prinzips ist der unabhängig von der Leistung des Reaktors hohe spezifische Wasserverbrauch, da das Tauchrohr ständig innen mit einem Wasserfilm zu kühlen ist. Der wesentlichste Nachteil jedoch ist die ständig bestehende reale Möglichkeit einer thermischen Überbeanspruchung des Tauch rohres, die dadurch besteht, daß es ungeachtet eines ständig auf gegebenen Wasserfilms zu Anbackungen an der Innenseite des Tauch rohres kommt und den heißen Gasstrahl auf die gegenüberliegende Seite des Tauchrohrs ablenkt. Kleinste Thermoschockrisse führen schnell zur fortschreitenden Zerstörung des Tauchrohres und damit zur thermischen Überbeanspruchung der dem Quencher nachgeschal teten Anlagenteile.

Die zweite Gruppe von Lösungen vermeidet eine so weitgehende Vernichtung der in den Vergasungsgasen enthaltenen fühlbaren Energie durch einen dem Reaktor nachgeschalteten Abhitzekessel. Zur Vermeidung von Anbackungen von zunächst flüssigen Schlacke tropfen an den Wandungen des Wärmetauschers wird vor dem Wärme tauscher Wasser in der Menge zugedüst, daß nur die Erstarrungs temperatur der Schlacke unterschritten wird und der restliche Wärmeinhalt der Vergasungsgase genutzt wird (DE-OS 25 56 370; DE-OS 26 50 512; DE-OS 32 01 526).

Die vorgesehenen Wege und Mittel nach DE-OS 25 56 370 lassen sofort die Gefahr erkennen, daß die dort beschriebenen Rohr leitungen für die Kühlmittelzufuhr in die Mittelachse des Synthesegasstromes sowohl einer extremen thermischen Be lastung durch den direkten Kontakt mit den ungekühlten Ver gasungsgasen ausgesetzt sind, die zur Zerstörung derselben führt, als auch durch die Anbackungen der an dieser Stelle noch flüssigen Schlacketeilchen an den kühlmittelführenden Zuführungen die Verdüsungsvorrichtung unwirksam bzw. einge schränkt wird, was wiederum zu Anbackungen in dem sich an schließendem Raum führt.

Die Gefahr von Anbackungen besteht auch in der in DE-OS 26 50 512 vorgeschlagenen Lösung, da die Art der Kühlung keine einheitliche Kühlung des heißen und damit zähen Gasstrahls in dem Reaktor nachgeschalteten Apparat gestattet. Anbackungen und Versetzungen an den gekühlten Teilen bis einschließlich Wärmetauscher sind die Folge.

Die in DE-OS 32 01 526 geforderte geringe Gasgeschwindigkeit von 0,1 m/s in der 1. Quenchstufe führt wegen der weit größeren Gasgeschwindigkeit am Reaktoraustritt zu starker Rezirkulation bzw. Verwirbelung. Unter Beachtung der Schwie rigkeit bei der Kühlung von zähen, heißen Gasen besteht auch hier die Gefahr von Anbackungen, da die erforderlichen Rand bedingungen bei den allgemein bekannten Berechnungen für den Wärmeübergang nicht realisiert sind. Die geringe Verfügbarkeit der hier angeführten Verfahren und Einrichtungen wird zum ent scheidenden Nachteil auch bei denen, die den prinzipiell sinn vollen Gedanken einer besseren Nutzung des fühlbaren Enthaltpie gehalts der Vergasungsgase zum Inhalt haben.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effektiven Kühlung, Teilentstaubung und Erhöhung des Wasser dampfpartialdruckes von heißen, staubhaltigen Druckgasen, die bei der Vergasung staubförmiger Brennstoffe in der Flugwolke entstehen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung, Entstaubung und Erhöhung des Wasserdampfpartialdruckes von staubhaltigen, unter höherem Druck vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,7 MPa stehenden Gasen mit hoher Temperatur vorzugsweise zwischen 700°Cund 2000°C mittels Sprühquenchung vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe folgendermaßen gelöst: Das zu kühlende und zu reinigende Gas strömt aus dem Vergasungs unterteil gemeinsam mit den flüssigen Schlacketeilchen als Freistrahl in einen Druckapparat (Quencher) von etwa gleicher oder größerer Durchmesserabmessung wie der Reaktor. Im Unterteil des Quenchers befindet sich ein Wasserbad, in dem die Schlacke teilchen abgeschieden werden. Während die Schlacke bekannter maßen diskontinuierlich ausgeschleust werden kann, wird das Oberschußwasser in der Form abgezogen, daß ein bestimmtes Flüssigkeitsniveau stets gehalten wird. Unmittelbar unterhalb der Gasaustrittsöffnung des Reaktors ist im Schatten des Frei strahls ein Düsenkranz angeordnet, wodurch Düsenverschmutzungen vermieden werden. Die Sprühdüsen ihrerseits sind so installiert, daß sie den aus dem Reaktor austretenden heißen Gasstrahl recht winklig beaufschlagen, d. h. Freistrahlachse und Achsen der Sprühkegel stehen rechtwinklig bzw. annähernd rechtwinklig zueinander. Es ist erforderlich, daß bei z. B. vertikalem Frei strahl der Sprühkegel der Düsen eine wesentliche horizontale Komponente aufweist, vorzugsweise einen Winkel zwischen 0 und 30 Grad zur Waagerechten. Die Zahl der radial angeordneten Düsen ist so zu wählen, daß die Mantelfläche des Freistrahls vollständig mit dem Spray der Düsen überdeckt wird. Anders ange ordnete Düsen ergeben nicht den günstigen Kühleffekt. Unter suchungen zeigen im wesentlichen, daß mit paralleler Komponente des Sprays zum Gasstrahl sich ungünstigere Verhältnisse hinsicht lich Kühleffekt ergeben.

So erweist sich, daß bei paralleler Eindüsung des Kühlmediums die Vermischung mit dem heißen und damit zähen Gasstrahl wesent lich erschwert ist, so daß längere Zeiten für die Kühlung und damit größere Apparateabmessungen erforderlich sind.

Nur bei im wesentlichen waagerechtem Eindüsen von Kühlflüssig keit gegen einen senkrechten heißen Gasstrahl ergeben die bekannten und üblichen Wärmeübergangsberechnungen reale Zeiten für den erwünschten Wärmeaustausch. Die Düsen sind entsprechend dem Sprühkegel weiterhin so anzuordnen, daß die Unterkante des Übergangsstückes Reaktor-Quencher nicht direkt mit Tropfen des Kühlmediums beaufschlagt werden, bzw. alternativmäßig diese Unterkante durch ein wassergekühltes Rohrstück geschützt wird. Die Wassermenge ist so zu bemessen, daß nicht die gesamte Wasser menge verdampft, sondern die verbleibenden Tropfen die Staub teilchen binden und in das Wasserbad überführen. Das Wasserbad ist nach unten als Konus ausgeführt, wodurch Ablagerungen des Schlackegranulats und des abgeschiedenen Staubes verhindert werden.

Die Kühlung des Gases durch die bemessene Quenchwassermenge kann dadurch intensiviert werden, daß anstelle eines Düsenkranzes zwei bzw. mehrere Düsenkränze übereinander angeordnet werden. Der Effekt, der dadurch entsteht, besteht darin, daß die Tröpfchen der unteren Düsenkränze durch die bereits erzielte Kühlung des obersten Düsenkranzes tiefer in den Gasstrahl einzudringen ver mögen und dadurch eine noch bessere Vermischung von Gas und Spray auftritt. Der Entstaubungseffekt der Sprühquenchung kann weiterhin dadurch wesentlich erhöht werden, daß im Oberteil des Quenchers im Rezirkulationsgebiet des Gases ein weiterer äußerer Düsenkranz installiert wird, der gezielt senkrecht nach unten weitere Kühlflüssigkeit versprüht mit Tropfen größerer Ab messungen, die durch entsprechende Düsenparameter erreicht werden können. Mit dieser Vorrichtung können weitere Entstaubungsaggre gate wesentlich entlastet bzw. ersetzt werden.

Die Gasabführung aus dem Quenchaggregat ist so zu gestalten, daß die senkrechte Abwärtsströmung des Gases möglichst unge stört die Kühlung und Entstaubung gewährleistet und daß keine Kurzschlußströmung zwischen Gaseintritt und Gasaustritt entstehen kann.

Dieses wird durch eine schräg verlaufende Einschnürung der Gas führung als Einbauteil erreicht, dessen tiefste Stelle sich etwa in Höhe Unterkante des Gasabganges befindet und über dem höchsten Stand des Wasserniveaus liegt. Das hier beschriebene Verfahren weist den Vorzug einer Anpassungsfähigkeit des Quenchwasserbe darfs bei Lastwechsel und damit Wassereinsparung gegenüber den Tauchvarianten auf.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden, wozu Fig. 1 herangezogen wird. Das heiße staubhaltige Vergasungs gas gelangt vom Druckreaktor 1 durch das Übergangsstück 2 in den als Druckgefäß ausgebildeten Quencher 3. Unmittelbar danach wird das Gas durch das Versprühen von Wasser mittels übereinander angeordnete Düsenkränze 5; 6 gekühlt. Die intensive Kühlung wird durch den senkrecht auf die Gasstrahlachse gerichteten Sprühkegel der Düsen 4 bewirkt. Die Düsen sind so installiert, daß der Sprühkegel nicht die Unterkante des Übergangsstückes 2 erreicht. Das Gas strömt weiter nach unten auf die Oberfläche des Wasser bades 14. Dort erfolgt die Richtungsänderung der Gasbewegung und das Gas verläßt durch den Gasabgangsstutzen 9, der sich über dem Wasserniveau befindet, den Quencher. Durch eine Einschnürung der Gasströmung unmittelbar in Höhe des Gasabgangsstutzens 9 durch ein Einbauteil als schräggestalteten Kegelschnitt 12 wird das Gas zwangsweise senkrecht nach unten geführt und eine asymme trische Kurzschlußströmung zum Abgang wird verhindert.

Die Staubentfernung aus dem Gas wird durch Besprühen aus einem weiteren Düsenkranz 7 mit nach unten gerichtetem Sprühkegel relativ großer Tropfengröße der Düsen 8 verstärkt, so daß das Gas nach Umlenkung am schrägen Kegelschnitt 12 weitestgehend entstaubt ist.

Das Staub-Wasser-Gemisch sammelt sich im Wasserbad 14, wobei die festen Bestandteile am Stutzen 10 diskontinuierlich ausgeschleust werden und das Wasser über ein ins Wasserbad reichendes Rohr über den Stutzen 13 abgezogen wird. Zum Schutz der Unterkante des heißen Übergangsstückes 2 vor direkter Tropfenbeaufschlagung durch den oberen Düsenkranz 5 wird ein z. B. wassergekühltes kurzes Rohr stück 15 angebracht, da der Sprühkegel der Düsen 4 bei Lastände rung sich ändern kann.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Druckreaktor
2 Übergangsstück
3 Quencher
4 Düsen
5 Düsenkranz
6 Düsenkranz
7 Düsenkranz
8 Düse
9 Gasabgangsstutzen
10 Stutzen für feste Bestandteile
11 Konus
12 schräger Kegelschnitt
13 Stutzen für Wasserabführung
14 Wasserbad
15 gekühltes Rohrstück

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Druckvergasungsgasen, insbesondere zur Kühlung, Entstaubung und Wasserdampfsättigung von Gasen unter Druck, vorzugsweise zwischen 0,5 und 7,0 MPa und hoher Temperatur, die vorzugsweise zwischen 700°C und 2000°C liegt, mittels Sprühquenchung, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße, staubbeladene Druckvergasungsgas als Freistrahl derart ge quencht wird, daß Kühlwasser in unterschiedlichen Niveaus so auf das Druckvergasungsgas gerichtet wird, daß der Sprühkegel des Wassers eine ausgeprägte radiale Komponente zum allseitig besprühten Gasstrahl besitzt und zwangsweise senkrecht nach unten im Quencher geführt wird, daß die zugeführte Wasser menge so dimensioniert ist, daß sowohl eine Wasserdampfsät tigung erreicht wird als auch die Verunreinigungen gebunden werden, und daß wahlweise eine parallel zum Gasstrahl verdüste, nach unten gerichtete zusätzliche Kühlflüssigkeit das Druck vergasungsgas allseitig umhüllt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Quencher, Sprüheinrichtungen, Wasserbad und Abgangsleitungen für Medien, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Druckreaktor (1) und Quencher (3) ein durch ein ge kühltes Rohrstück (15) geschütztes Übergangsstück (2) ange ordnet ist, daß übereinander angeordnete Düsenkränze (5; 6) mit zueinander versetzten Düsen (4), die unterhalb des Über gangsstückes (15) liegen, ringförmig den Freistrahl des Druck vergasungsgases umschließen und wahlweise ein weiterer Düsen kranz (7) mit nach in Strömungsrichtung des Druckvergasungs gases gerichteten Düsen (8) im Bereich des Rezirkulations raumes des Freistrahles umhüllend angeordnet ist, daß im Bereich des Gasabgangsstutzens (9) durch einen schräg ge schnittenen Kegelschnitt (12) die Gasströmung eingeschnürt ist und sich unterhalb des Gasabgangsstutzens (9) das Wasser bad (14) befindet.