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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erhitzen
von Dampf, der aus Kühlwasser
in einem Wärmeaustauscher
für Heißgas gebildet
wird, mit einem primären
Wärmeaustauschergefäß, das ein
Abteil für
Kühlwasser,
einen Einlaß für zu kühlendes
Gas, einen Auslaß für gekühltes Gas,
einen Auslaß für erhitzten
Dampf und einen Sammelraum zur Aufnahme des erzeugten Dampfes hat.
In dem Abteil für
Kühlwasser
ist zumindest ein primäres
Verdampferrohr angeordnet, durch welches im Betrieb das heiße Gas strömt. Infolge
des Wärmeaustausches
zwischen dem Kühlwasser
und dem heißen
Gas über
die Verdampferrohrwände
verdampft das Wasser, und Dampf wird gebildet. Der Dampf strömt nach
oben zu dem Sammelraum für
die Aufnahme des erzeugten Dampfes. Dieser Dampf wird in einem sekundären Mantel-Wärmeaustauschergefäß weiter
erhitzt, welches auch als „Überhitzermodul" bezeichnet wird,
das in dem Abteil für Kühlwasser
angeordnet ist. In einem derartigen Überhitzermodul wird der erzeugte
Dampf gegen Gas erhitzt, dessen Temperatur in dem primären Verdampferrohr
teilweise reduziert worden ist.
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Eine
solche Vorrichtung ist in der EP-A-257719 beschrieben. Die in dieser
Publikation offenbarte Vorrichtung besteht aus einem untergetauchten Überhitzermodul,
welches aus einem Mantel-Wärmeaustauscher
besteht, in dem teilweise gekühltes
Gas zur Mantelseite des Überhitzermoduls und
Dampf zur Rohrseite des Überhitzermoduls
geleitet werden. Die beiden Ströme
werden in dem Überhitzer
im Gegenstrombetrieb kontaktiert.
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Die
DE-A-3602935 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zum Erzeugen
von Dampf, welche aus einem ersten untergetauchten Verdampfer und
ein Überhitzermodul
oberhalb des Kühlwassergefäßes besteht,
welches aus einem Mantel-Wärmeaustauscher
gebildet ist, wobei das teilweise gekühlte Gas zur Mantelseite des Überhitzermoduls
und der erzeugte Dampf zur Rohrseite des Überhitzermoduls geleitet werden.
Die JP-A-05248604 lehrt die Verwendung einer Temperatur-Reduziervorrichtung
in einer Dampfüberhitzereinheit,
wogegen die EP-A-0199251 einen Zweistufen-Dampfgenerator offenbart,
bei welchem während
des Betriebes die Dampfqualität
durch Hinzufügen
von Wasser gesteuert werden kann.
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Die
Anmelder haben gefunden, daß bei
Verwendung der Vorrichtung gemäß der EP-A-257719 zum
Kühlen
von Gas, welches Verunreinigungen, wie Kohlenstoff, Asche und/oder
Schwefel, enthält,
was beispielsweise bei Synthesegas der Fall ist, das aus der Vergasung
eines gasförmigen
oder flüssigen Kohlenwasserstoffeinsatzes
erzeugt wird, Lecks auftreten können.
Es wird angenommen, daß die
Verschmutzung der Vorrichtung auf der Gasseite das Lecken verursachte.
Obzwar die Vorrichtung regelmäßig gereinigt
wurde, bestanden die Leckprobleme weiter. Eine Verschmutzung, speziell
dann, wenn Synthesegas durch Vergasung eines flüssigen Kohlenwasserstoffes
erzeugt wird, insbesondere schwerer Ölrückstände, führt auch dazu, daß die Wärmeaustauschkapazität der Vorrichtung
allmählich
mit der Laufzeit abnimmt. Deshalb nimmt die Temperatur des Prozeßgases,
welches den Wärmeaustauscher verläßt, allmählich mit
der Laufzeit zu. Wenn die Temperatur des Prozeßgases, welches aus der primären Wärmeaustauschervorrichtung
austritt, eine bestimmte Temperatur übersteigt, typischerweise 400–450°C, wird die
Temperatur der Rohre, welche das Prozeßgas stromabwärts des
primären
Wärmeaustauschers
transportieren, so hoch, daß sie
beschädigt
werden können.
Deshalb muß die
Vorrichtung stillgesetzt werden, um die Rohre zu reinigen. Die Laufzeit
einer Vorrichtung nach dem Reinigen der Rohre wird als „Zykluszeit" bezeichnet.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erhitzen
von Dampf in einem Wärmeaustauscher
zum Kühlen
eines Heißgases
zu schaffen, bei welcher die Zykluszeit maximiert wird und/oder
Leckprobleme vermieden werden. Das Heißgas ist speziell ein heißes Prozeßgas, welches Bestandteile
enthält,
die ein Verschmutzen der Wärmeaustauscherflächen der
Vorrichtung verursachen. Solche Bestandteile sind speziell Ruß und gegebenenfalls
Schwefel. Die Bezugnahme auf Ruß erfolgt hinsichtlich
Kohlenstoff und Asche. Dieses Ziel wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch
1 erreicht.
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Es
wurde nun gefunden, daß durch
Erhöhen der
Wassermenge, welche dem erzeugten Dampf während der Laufzeit zugesetzt
wird, die Temperatur des Heißgases,
welches das primäre
Wärmeaustauschergefäß verläßt, über eine
längere
Zeitspanne unterhalb der kritischen Temperatur gehalten werden kann.
Somit wurde eine Vorrichtung erhalten, die mit einer längeren Zykluszeit
arbeiten kann. Da das Zusetzen von Wasser zu dem Dampf die Kühlkapazität des Dampfes,
welcher in das Überhitzermodul
eintritt, ausreicht, um das Überhitzermodul
im Gegenstrom zu betreiben, können
die Rohrwandtemperaturen des Überhitzers
unterhalb einer maximal zulässigen
Temperatur gehalten werden. Solche maximal zulässigen Temperaturen liegen
unterhalb 650°C, vorzugsweise
unterhalb 500°C.
Da der Überhitzer
im Gegenstrom betrieben werden kann, kann eine hohe Wärmeaustausch-Wirksamkeit
erreicht werden, die beispielsweise darin resultiert, daß die Menge
an erhitztem Dampf, der erzeugt wird, erhöht werden kann. Da das Heißgas durch
das Überhitzermodul auf
der Rohrseite strömt,
wird eine leichtere Reinigung der Vorrichtung ermöglicht.
Das Reinigen kann nun beispielsweise dadurch vorgenommen werden, daß ein Stopfen
durch die Verdampferrohre und die Rohre des Überhitzers transportiert wird,
die mit dem Verdampferrohr in Fluidverbindung stehen.
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Die
Bezugnahme auf ein Verdampferrohr bezieht sich auf ein oder mehrere
parallele Rohre. Vorzugsweise sind die Verdampferrohre zur Minimierung der
Ausrüstungsgröße gewickelt.
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Die
Mittel zum Hinzufügen
von Wasser sind vorzugsweise so ausgebildet, daß das Wasser dem erzeugten
Dampf in einer Position zwischen dem Dampfauslaß des Sammelraumes für erzeugten Dampf
und bis zu dem oder einschließlich
des Überhitzermoduls
zugesetzt wird. Es wird bevorzugt, daß das Wasser derart zugesetzt
wird, daß das
Auftreten von Wassertröpfchen
in dem Überhitzermodul
vermieden wird. Deshalb kann Wasser als Dampf hinzugefügt werden,
beispielsweise direkt in diesem Modul. Noch bevorzugter wird der
erzeugte Dampf, der in dem Sammelraum für erzeugten Dampf gehalten wird,
zuerst erhitzt, zweckmäßig in einem
Hilfs-Überhitzermodul,
bevor flüssiges
Wasser dem erzeugten Dampf zugesetzt wird. Das flüssige Wasser
wird dann unmittelbar verdampfen, wenn es dem überhitzten Dampf zugesetzt
wird.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die angeschlossenen
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 schematisch
einen Längsschnitt
eines ersten Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 schematisch
einen Längsschnitt
eines zweiten Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
und
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3 einen
Schnitt eines bevorzugten Überhitzermoduls.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 weist
die Vorrichtung gemäß der Erfindung
ein primäres
Wärmeaustauschergefäß 1 mit
einem Einlaß 2 für Kühlwasser
auf, wobei sich der Einlaß 2 in
das Innere des Gefäßes 1 öffnet. Das
Gefäß 1 umfaßt ferner
ein Abteil für
Kühlwasser 5 und
einen Sammelraum 35 zur Aufnahme des erzeugten Dampfes.
Der Sammelraum 35 ist mit einem Auslaß 3 versehen, der
in Fluidverbindung mit einem Dampfrohr 18 zum Abziehen des
erzeugten Dampfes steht. Das Dampfrohr 18 kann innerhalb
oder außerhalb
des Gefäßes 1 positioniert
sein. Eine zweckmäßige Ausführungsform,
die zeigt, wie das Dampfrohr 18 innerhalb des Gefäßes 1 positioniert
werden kann, ist in 1a der EP-A-257719
gezeigt. Vorzugsweise ist eine Sprühmatte (nicht gezeigt) zwischen
dem Auslaß 3 und
dem Dampfsammelraum 35 vorhanden, um zu vermeiden, daß Wassertröpfchen in
den Auslaß 3 eintreten.
Während
des Normalbetriebes wird Kühlwasser
dem Gefäß 1 über eine
Kühlwasserzufuhrleitung 4 zugeführt, wobei
das Abteil für
Kühlwasser 5 des
Gefäßes 1 mit
Kühlwasser
gefüllt
wird. Die Vorrichtung umfaßt
ein primäres
Verdampferrohrbündel 6 mit
einem Einlaß 7 für Heißgas und
einem Auslaß 8.
Das primäre
Verdampferrohrbündel 6 ist
in dem Abteil 5 für
Kühlwasser
angeordnet. Die Vorrichtung umfaßt ferner ein Überhitzermodul 9,
das ein Gefäß 10 aufweist,
das ein zweites Rohrbündel 11 mit
einem Einlaß 12 enthält, der
mit dem Auslaß 8 des
primären
Verdampferrohrbündels 6 und
einem Auslaß 13 in
Verbindung steht. Aus dem Auslaß 13 wird Kühlgas über eine
Kühlgasaustragleitung 14 ausgetragen.
Das Überhitzergefäß 9 hat
einen Einlaß 15 für Dampf
und einen Auslaß 17 für überhitzten
Dampf, wobei sowohl der Einlaß 15 als
auch der Auslaß 17 mit
der Schalenseite 16 des Überhitzermoduls 9 in Verbindung
stehen. Die Einlässe 15 und 12 und
die Auslässe 17 und 13 sind
vorzugsweise derart angeordnet, daß Heißgas und Dampf im wesentlichen
im Gegenstrom durch ein vorzugsweise langgestrecktes Überhitzermodul 9 strömen. Der
Einlaß 15 für Dampf steht
in Fluidverbindung mit dem Auslaß 3 für Dampf des
Wärmeaustauschergefäßes 1.
Somit umfaßt
die Vorrichtung einen Strömungspfad
für Dampf,
der sich von dem Auslaß 3 für Dampf
des Gefäßes 1 über den Auslaß 15 für Dampf
des Gefäßes 10 durch
die Schalenseite 16 des Überhitzers 9 zu dem
Auslaß 17 für überhitzten
Dampf erstreckt. Von dem Auslaß 17 wird der überhitzte
Dampf über
die Leitung 19 ausgetragen.
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Die
Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung, die in den 1 und 2 gezeigt
sind, umfassen einen Hilfs-Überhitzer 21,
um den Dampf in dem Dampfströmungsweg
zu überhitzen,
bevor Wasser durch die Mittel 20 zugesetzt wird. Zweckmäßige Mittel
zum Zusetzen von Wasser sind im Stand der Technik bekannt, wie eine
Abschreckeinrichtung od.dgl. Es versteht sich, daß Wasser
an mehr als einem Punkt des Strömungsweges
für Dampf
zugesetzt werden kann.
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Der
Hilfs-Überhitzer 21 umfaßt ein Gefäß 22 mit
einem dritten Rohrbündel 23 mit
einem Einlaß 24, der
mit dem Auslaß 13 des Überhitzergefäßes 10 und einem
Auslaß 25 in
Verbindung steht. Die Schalenseite 26 des Hilfs-Überhitzers 21 bildet
einen Teil des Dampfströmungsweges.
Gekühltes
Gas wird aus dem Auslaß 25 über eine
Gasaustragleitung 27 ausgetragen. Der Strömungsweg,
der Einlaß 24 und
der Auslaß 25 sind
vorzugsweise so angeordnet, daß das
Heißgas
und der Dampf im wesentlichen im Gegenstrom durch ein vorzugsweise
langgestrecktes Hilfs-Überhitzergefäß 21 strömen.
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Alternativ
kann die Vorrichtung ein einzelnes Überhitzermodul 9 und
Mittel 20 aufweisen, die so ausgebildet sind, daß das Wasser
der Schalenseite 16 des Überhitzers 9 zugesetzt
wird.
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Die
Mittel 20 zum Zusetzen von Wasser können innerhalb oder außerhalb
des Gefäßes 1 angeordnet
sein. Aus praktischen Gründen,
speziell aus Wartungsgründen,
ist es bevorzugt, daß die
Mittel 20 außerhalb
des Gefäßes 1 angeordnet
sind, wie dies 2 zeigt.
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Während des
Normalbetriebes wird die Temperatur des Gases in der Gasaustragleitung
stromabwärts
des Gefäßes 1,
d.h. die Leitung 27 in den 1 und 2,
für einen
gegebenen Durchsatz des Heißgases
allmählich
zunehmen, u.zw. infolge der Ver schmutzung des primären Verdampfers
und des Überhitzerrohrbündels. Durch
Zusetzen von Wasser zu dem Dampfströmungsweg kann die Zeitspanne, während welcher
die Temperatur des Gases in der Gasaustragleitung 27 unter
einem kritischen Wert gehalten werden kann, d.h. dem Wert, bei welchem eine
Beschädigung
der Leitung 27 wahrscheinlich ist, verlängert werden.
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Die
Temperatur des Gases, das in der Leitung 27 an einem Punkt
unmittelbar stromabwärts des
Gefäßes 1 strömt, wird
durch eine Temperaturmeßvorrichtung 28 bestimmt.
Die Meßdaten
werden einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt) zugeführt, die mittels
eines Ventils 29 die Menge an zugesetztem Wasser steuert,
welches dem Gasströmungsweg über die
Mittel 20 zugegeben wird. Alternativ wird die Temperatur
des Gases, das in der Leitung 27 strömt, durch Messen der Temperatur
des überhitzten Dampfes
in der Leitung 19 bestimmt.
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Die
Temperatur des überhitzten
Dampfes, der aus der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgetragen wird, kann durch das Zusetzen von Wasser geregelt werden.
Dies reduziert die Temperatur des Dampfes und erhöht gleichzeitig
die Menge an erzeugtem Dampf. 2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform,
wie Wasser zugesetzt werden kann. Wie in 2 gezeigt
ist, wird die Temperatur des überhitzten
Dampfes, der über
eine Leitung 19 ausgetragen wird, mittels einer Temperaturmeßvorrichtung 30 bestimmt.
Die gemessenen Daten werden einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt)
zugeführt,
welche die Menge an Wasser mittels des Ventils 31 steuert,
welches der Leitung 19 über
eine Abschreckeinrichtung 32 zugesetzt wird.
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Vorzugsweise
wird gekühltes
Gas in der Gasaustragleitung 27 (bei einem Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung, das einen Hilfs-Überhitzer 21 aufweist,
wie in 1 und 2 gezeigt ist) oder in der Gasaustragleitung 14 (bei
einem Ausführungsbei spiel
ohne Hilfs-Überhitzer
(nicht gezeigt)) durch den Wärmeaustausch
mit dem Kühlwasser
weitergekühlt,
bevor es in das Gefäß 1 eintritt.
Deshalb umfaßt
die Vorrichtung gemäß der Erfindung
vorzugsweise einen Hilfs-Wärmeaustauscher 33 zum
Kühlen des
Gases gegen Kühlwasser,
wobei die warme Seite des Hilfs-Wärmeaustauschers 33 in
Fluidverbindung mit dem Auslaß 13 des
zweiten Rohrbündels 11 steht,
oder wenn ein Hilfsüberhitzer 21 vorhanden
ist, mit dem Auslaß 25 des
dritten Rohrbündels 23 und der
kalten Seite des Hilfs-Wärmeaustauschers 33 in Fluidverbindung
mit dem Einlaß 2 für Kühlwasser
des Gefäßes 1.
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Die
Vorrichtung kann ferner eine oder mehrere Abschreckeinrichtungen
aufweisen (nicht gezeigt), um das Heißgas mit Wasser oder Gas abzuschrecken,
um das Heißgas
weiterzukühlen.
Die Abschreckeinrichtung kann stromaufwärts oder stromabwärts des Überhitzers 9 vorgesehen
sein.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
wird zweckmäßig weiter
mit einem sekundären
Verdampferrohr ausgestattet, das in Fluidverbindung mit dem Heißgasauslaß des Überhitzermoduls
steht, oder falls vorhanden, dem Heißgasauslaß eines Hilfs-Überhitzers.
Dieses sekundäre
Verdampferrohr verlängert
auch die Zeitspanne, während
welcher die Temperatur des Gases in der Gasaustragleitung 27 der
Vorrichtung gemäß der Erfindung
unter einem kritischen Wert gehalten werden kann, wie dies vorstehend
beschrieben wurde. Die Wärmeaustauschflächen der
primären
und sekundären
Verdampferrohre sind zweckmäßig so ausgebildet,
daß am
Beginn des Zyklus fast kein Wärmeaustausch über das
zweite Verdampferrohr stattfindet. Infolge Verschmutzens der Innenseite
des Verdampfers und der Überhitzerrohre
während
des Betriebes nimmt die Gastemperatur in dem sekundären Verdampferrohr
allmählich
zu. Die sekundären
Verdampferrohre werden dann allmählich
beginnen, an der Kühlung
des Gases teilzunehmen, wodurch die Zeitspanne verlängert wird, nach
welcher die Temperatur der Gasauslaßleitung 27 den vorerwähnten kritischen
Wert erreicht.
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3 zeigt
ein bevorzugtes Überhitzermodul 9 mit
einem Einlaß 36 für Dampf
und einem Auslaß 37 für erhitzten
Dampf, einem Einlaß 38 für Heißgas und
einem Auslaß 39 für Heißgas. Der
Einlaß 38 für Heißgas steht
in Fluidverbindung mit einem gewickelten Rohr 40. Das gewickelte
Rohr 40 ist in einem Ringraum 41 positioniert,
der von einer rohrförmigen Auslaßwand 42 und
einer rohrförmigen
Innenwand 43 sowie einem Boden 44 und einem Dach 45 begrenzt
wird. Die rohrförmigen
Wände 42 und 43 sind gegen
das gewickelte Rohr 40 derart positioniert, daß an der
Außenseite
(Schalenseite) des gewickelten Rohres und innerhalb des Ringraumes 41 ein
spiralförmiger
Raum 46 gebildet wird. Dieser spiralförmige Raum 46 steht
an einem Ende mit dem Dampfeinlaß 36 und an seinem
gegenüberliegenden
Ende mit dem Dampfauslaß 37 in
Fluidverbindung. Infolge dieser Ausbildung wird Dampf über den
Spiralraum 46 im Gegenstrom zu dem Heißgas strömen, das über das gewickelte Rohr 40 strömt. Der
Klarheit halber sind in 3 nur eine Wicklung 40 und
ein Spiralraum 46 gezeigt. Es ist aber klar, daß mehr als
eine parallel positionierte Wicklung und Spiralen in dem Ringraum 41 vorhanden
sein können.
Der in 3 gezeigte Wärmeaustauscher
kann allgemeine Anwendung finden. Er ist zweckmäßig, weil er eine einfache
Ausbildung hat und weil nahezu 100% Gegenstrom- oder Gleichstrom-Wärmeaustausch
erreicht werden können.
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Somit
eignet sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung
zur Verwendung in einem Verfahren zum Überhitzen von Dampf in einem
Wärmeaustauscher zum
Kühlen
von Heißgas,
vorzugsweise Heißgas, das
hauptsächlich
mit Ruß und/oder
Schwefel verunreinigt ist. Dementsprechend bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf ein Verfahren zum Erhitzen von Dampf, das in einer
Vorrichtung, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wird und die Merkmale des
Anspruchs 10 hat.
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Das
Verfahren eignet sich speziell zum Kühlen von ruß- und schwefelhaltigem Synthesegas,
das durch Vergasung von flüssigen
Kohlenwasserstoffeinsätzen
erzeugt wird, vorzugsweise einem Schwerölrückstand, d.h. einem flüssigen Kohlenwasserstoffeinsatz,
der zumindest 90 Gew.-% der Komponenten mit einem Siedepunkt oberhalb
von 360°C aufweist,
wie Visbreaker-Rückstand,
Asphalt und Vakuumflash-Crack-Rückstände. Synthesegas,
das aus dem Schwerölrückstand
erzeugt wird, umfaßt
typischerweise 0,1 bis 1,5 Gew.-% Ruß und 0,1 bis 4 Gew.-% Schwefel.
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Infolge
des Vorhandenseins von Ruß und Schwefel
tritt ein Verschmutzen der das Heißgas führenden Rohre auf und erhöht die Laufzeit,
wodurch der Wärmeaustausch
im Wärmeaustauscher
und im Überhitzer
beeinträchtigt
wird. Vorzugsweise wird die Menge an Wasser, die durch die Einrichtung 20 zugesetzt
wird, mit der Laufzeit erhöht,
vorzugsweise derart, daß die
Temperatur des Heißgases
an dem Punkt, an welchem die das Heißgas führenden Rohre den Wärmeaustauscher
verlassen, unterhalb von 450°C
liegt.
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Das
in dem Verfahren gemäß der Erfindung zu
kühlende
Heißgas
hat typischerweise eine Temperatur im Bereich von 1200 bis 1500°C, vorzugsweise
1250 bis 1400°C
und wird vorzugsweise auf einer Temperatur im Bereich von 150 bis
450°C gekühlt, noch
bevorzugter von 170 bis 300°C.
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Zumindest
ein Teil des überhitzten
Dampfes, der nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugt wird, kann vorteilhaft in einem Prozeß zum Vergasen eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes
verwendet werden. In einem solchen Prozeß, der im Stand der Technik
bekannt ist, werden kohlen wasserstoffhaltiger Einsatz, molekularer
Sauerstoff und Dampf von einem Vergaser zugeführt und in heißes Synthesegas
umgewandelt. Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Verfahren zum Vergasen eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes,
umfassend die Schritte
- (a) Zuführen von
kohlenwasserstoffhaltigem Einsatz, einem molekularen Sauerstoff
enthaltenden Gas und Dampf zu einem Vergasungsreaktor,
- (b) Vergasen des Einsatzes, des molekularen Sauerstoff enthaltenden
Gases und Dampfes, um ein heißes
Synthesegas in einem Vergasungsreaktor zu erhalten,
- (c) Kühlen
des heißen
Synthesegases, das im Schritt (b) erhalten wurde, und Erhitzen von Dampf
in einer Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, wobei
zumindest ein Teil des Dampfes der dem Vergasungsreaktor im Schritt (a)
zugeführt
wird, im Schritt (c) erhalten wird.