DE4001739A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung und reinigung von mit schlacke bzw. staub beladenen druckvergasungsgasen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur kuehlung und reinigung von mit schlacke bzw. staub beladenen druckvergasungsgasenInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung und Reinigung von mit
Schlacke bzw. Staub beladenen Druckvergasungsgasen.
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.
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.
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.
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.
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
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 (2)
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.
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