DE974501C

DE974501C - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung brennbarer Gase

Info

Publication number: DE974501C
Application number: DEK10591A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Totzek
Original assignee: Heinrich Koppers GmbH
Current assignee: Heinrich Koppers GmbH
Priority date: 1951-07-14
Filing date: 1951-07-14
Publication date: 1961-01-19
Also published as: BE512251A; CH308851A; US2920945A; LU31508A1; GB718657A; FR1058696A; NL83269C

Description

l. S. 175) AUSGEGEBEN AM 19. JANUAR 1961

BIBiIOTHEK

DES DEUTSCHEN
PATENTAMTES

K i05gi IVc

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung brennbarer, d. h. Wasserstoff und Kohlenoxyd enthaltender Gase durch Umsetzen von feinverteilten, insbesondere festen Brennstoffen in der Schwebe mit Sauerstoff und endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf oder Kohlensäure, wobei der Brennstoff im Gemisch mit Sauerstoff in einen auf erhöhter Temperatur gehaltenen Reaktionsraum eingeblasen wird. Die endotherm reagierenden Vergasungsmittel werden dabei in Form eines den Brennstoff-Sauerstoff-Strom einhüllenden Ringstrahles in den Reaktionsraum eingeblasen.

Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung erstreckt sich darauf, bei der Gaserzeugung nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren den Verbrauch an wertvollem Sauerstoff, worunter hier reiner Sauerstoff oder Luft von wesentlich erhöhtem Sauerstoffgehalt verstanden wird, möglichst gering zu halten, d. h. die Menge des bei der endothermen Vergasungsreaktion entstandenen Gases, bei welcher der feste Brennstoff sich mit Wasserdampf bzw. Kohlensäure umsetzt, soweit wie möglich zu steigern.

Gemäß der Erfindung wird das Gaserzeugungsverfahren in der Weise ausgestaltet, daß die Reaktions-

009 685/11

stoffe während des Ablaufes der Reaktion des Brennstoffes mit dem Sauerstoff in im wesentlichen gradliniger, paralleler Strömung-durch den Reaktionsraum geleitet werden und nach praktischer Beendigung dieser Reaktion, jedoch vor Beendigung der Reaktion mit dem endotherm reagierenden Vergasungsmittel der Strom der Reaktionsstoffe seitlich abgelenkt wird. Durch die anfänglich gleichgerichtete Bewegung von festen Brennstoffen und gasförmigen Reaktionsmitteln wird eine Energiekonzentration erreicht, die in einer sehr hohen, der Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff förderlichen Temperatur resultiert. Die anschließende, durch die Ablenkung hervorgerufene Relativbewegung zwischen dem noch nicht vergasten Brennstoff anteil und den gasförmigen Vergasungsmitteln läßt eine zusätzliche Reaktion im Sinne der Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff auch in etwas niedrigere Temperaturbereiche hinein zu. Es ist an sich bekannt, bei mit staubförmigem so Brennstoff arbeitenden Vergasungseinrichtungen die Reaktionsstoffe zunächst in im wesentlichen gradliniger, paralleler Strömung durch den Reaktionsraum zu leiten und dann im weiteren Verlauf der Strömung seitlich abzulenken. Jedoch hat man bisher nicht auf die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Zuordnung der beiden Bewegungen (parallele Strömung bzw. abgelenkte Strömung) zu den beiden nacheinander erfolgenden Reaktionen (exotherme Reaktion des Brennstoffes mit Sauerstoff bzw. endotherme Reaktion des Brennstoffes mit Wasserdampf oder Kohlendioxyd) geachtet, die als Voraussetzung die getrennte Einführung des Brennstoffes und des Sauerstoffes einerseits und der endotherm reagierenden Vergasungsmittel andererseits hat. So wird beispielsweise bei der Einrichtung gemäß dem USA.-Patent 2 344 007 zunächst nur ein Teil des Brennstaubes im Gemisch mit Sauerstoff in den Reaktionsraum eingeblasen, während der restliche Brennstoff erst später für sich aufgegeben wird. Ferner werden bei diesem bekannten Verfahren die endotherm reagierenden Vergasungsmittel nicht in Form eines den Brennstoff-Sauerstoff-Strom einhüllenden Ringstrahles in den Reaktionsraum eingeführt, sondern erst nachdem die Zweitmerlge Brennstoff mit den heißen Rauchgasen der Verbrennung der Erstmenge Brennstoff reagiert hat.

Bei dem weiterhin bekannten Vergasungsverfahren gemäß der vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung ρ 33997/24 ε D wird im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung der Brennstoff mit dem größten Teil des insgesamt zugeführten Wasserdampfes gemischt und in einer Vorkammer unter Beibehaltung einer gradlinigen, parallelen Strömung in endothermer Reaktion umgesetzt. Außerdem werden wesentliche Teile der exotherm reagierenden Vergasungsmittel (Sauerstoff und Luft) erst einer nachgeschalteten Vergasungskammer, d. h. nicht in Mischung mit Sauerstoff, zugeführt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Relativbewegung der Reaktionsmedien während der endothermen Reaktion dadurch zu bewirken, daß man die aus der in geradliniger Strömung durchlaufenden oxydierenden Zone kommenden Medien in einen zyklonartigen Raum einleitet, in den die Bewegungszone der oxydierenden Reaktion im wesentlichen tangential mündet.

Praktisch kann die Erfindung vorteilhaft in der Weise verwirklicht werden, daß einem zyklonartigen Reaktionsraum ein oder mehrere vorteilhaft konisch sich erweiternde Reaktionsräume zugeordnet werden, die sich mit ihrem weiteren Ende im wesentlichen tangential in den Zyklonraum öffnen, während der Eintritt der Reaktionsmedien an dem geschlossenen kleineren Ende angeordnet ist.

Aus dem zyklonartigen Reaktionsraum werden die Gase mittig abgeleitet.

Es ist vorteilhaft, die Reaktionsräume, in denen die oxydierende Reaktion vor sich geht, aus einem feuerfesten, die Wärme schlecht leitenden Material herzustellen, so daß in diesen Reaktionsräumen eine hohe Temperatur herrscht. Dadurch wird erreicht, daß der Brennstoff, was insbesondere für die Vergasung fester Brennstoffe wichtig ist, schnell auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, die die spätere endotherme Vergasungsreaktion erleichtert.

Der sich an den Reaktionsraum für die exotherme Vergasungsreaktion anschließende Reaktionsraum, in dem die endotherme Vergasungsreaktion unter Ableitung des Stromes der Reaktionsmedien beendet werden soll, kann gegebenenfalls aus gekühlten Wandflächen, beispielsweise in Form eines mit Wasserkühlung versehenen Doppelmantels, gebildet werden. Es hat sich gezeigt, daß durch eine solche Kühlung der Ablauf der endothermen Vergasungsreaktionen nicht wesentlich beeinträchtigt wird, da es hier hauptsächlich darauf ankommt, den Brennstoffrest genügend lange Zeit mit den Vergasungsmedien in Berührung zu halten bzw. eine starke Relativbewegung zwischen den Medien herbeizuführen.

Der zu verarbeitende feste Brennstoff wird vorteil- i°° haft in Form eines feinen Pulvers angewendet. Aus diesem Pulver wird ein möglichst homogenes Gemisch mit Sauerstoff und gegebenenfalls anderen Vergasungsmitteln hergestellt, so daß der Brennstaub in den gasförmigen Vergasungsmedien suspendiert ist. Das i°5 Gemisch wird durch wassergekühlte Düsen mit geeigneter Strömungsgeschwindigkeit in den auf hoher Temperatur gehaltenen Reaktionsraum eingeblasen und dort entzündet.

In der Zeichnung ist eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Einrichtung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι die Einrichtung in einem senkrechten Schnitt und

Fig. 2 in einem waagerechten Schnitt nach Linie H-II der Fig. 1.

Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1, das als Doppelmantel ausgebildet ist, durch den Kühlwasser geleitet werden kann. Der Mantel des Gehäuses 1 ist durch Zwischenboden 2 in verschiedene Kühlzonen unterteilt, denen das Kühlmittel durch Rohre 3 zugeführt wird und aus denen das Kühlmittel durch die Rohre 4 abläuft.

In ähnlicher Weise wie die Wände 1 des Gehäuses ist die Decke 5 ausgebildet, in der ein wassergekühlter

Rohrstutzen 6 angeordnet ist, der in das Innere de: Gehäuses hineinragt. Der Rohrstutzen 6 liegt in der Gehäuseachse und dient zum Abziehen von Gasen aus dem Gehäuse.
Unten schließt sich an das Gehäuse ι ein ebenfalls wassergekühlter konischer Boden 7 an, der in eine Reihe von schmalen Kanälen 8 übergeht, durch welche der Brennstoffrückstand ausgetragen werden kann. Auch die Kanäle 8 werden von wassergekühlten Wänden gebildet.

Im oberen Teil des Gehäuses 1 münden in dessen Inneres die konischen Reaktionskammern 9 und 10. Diese werden von feuerfestem Mauerwerk 11 bzw. 12 gebildet. An den verjüngten äußeren Enden der Reaktionskammern 9 und 10 mündet je eine wassergekühlte Düse 13, die mit einem Rohrkörper 14 eine Ringdüse 15 bildet.

Die Düsen 13 dienen dazu, in die Reaktionsräume ein möglichst homogenes Gemisch des Brennstaubes mit Sauerstoff in Form eines Strahles einzuleiten.

Das Gemisch entzündet sich in den auf hoher

Temperatur gehaltenen Reaktionskammern 9 und 10 und bildet nahe dem inneren Ende der Düsen 13 eine etwa birnenförmige exotherme Reaktionszone, wie für die Reaktionskammer 10 bei 16 angedeutet.

Durch die Ringdüsen 15 wird das endotherm reagierende Vergasungsmittel, beispielsweise Wasserdampf, eingeleitet, so daß die exothermen Reaktionszonen 16 allseitig von einem praktisch zusammenhängenden Dampfschleier umgeben sind.

Die Reaktionsmedien verlassen die Reaktionsräume 9 und 10 in im wesentlichen paralleler, geradliniger Strömung. Die Strömungen treffen auf die quer zur Strömungsrichtung der aus den Kammern 9 und 10 austretenden Medien verlaufenden Wandungsteile, die aus dem Reaktionsraum 10 austretende Strömung also etwa in der in Fig. 2 mit 17 bezeichneten Zone. Die Ströme der Reaktionsmedien werden seitlich abgelenkt und geraten in eine kreisende Bewegung, durch die eine Relativbewegung der von dem Gasstrom getragenen festen Bestandteile hervorgerufen wird.

Soweit durch diese Relativbewegung die Festkörper

an die Wände des Gehäuses 1 gelangen, wird die Geschwindigkeit der Festkörper durch Reibung noch weiter vermindert und damit die Relativbewegung verstärkt.

Durch die Relativbewegung wird die Reaktion zwischen dem Restbrennstoff und den endotherm reagierenden Vergasungsmedien erheblich verstärkt und damit das Ausmaß der Vergasung des Kohlenstoffgehaltes des Brennstoffs beträchtlich erhöht. Das nachfolgende Ausführungsbeispiel zeigt den Fortschritt, der durch die Erfindung erreicht wurde. Es sei angenommen, daß 1 kg Kohlenstaub nach der bisher üblichen Vergasungsmethode mit Sauerstoff und endotherm reagierenden Vergasungsmitteln in der Schwebe umgesetzt wird. Hierzu werden 0,593 Nm³ Sauerstoff (95%ig) und 0,726 kg Wasserdampf zugesetzt. Man erhält 2,1192 Nm³ Wassergas mit einem unteren Heizwert von 2420 kcal/Nm³. 83 % des Kohlenstoffgehaltes des Brennstaubes wurden verbraucht.

Arbeitet man hingegen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, beispielsweise in der dargestellten Einrichtung, so erhält man bei dem gleichen Verbrauch an Kohlenstaub, Sauerstoff und Wasserdampf 2,4462 Nm³ Wassergas von 2450 kcal/Nm³ unterem Heizwert, und es werden 93 % des Kohlenstoffgehaltes des Brennstaubes umgesetzt.

Im Einzelfall hängt natürlich der Grad der Umsetzung wesentlich von der Reaktionsfähigkeit des Brennstaubes und seiner Verteilung ab. Jedoch läßt sich in jedem Falle eine wesentliche Verbesserung der Umsetzung durch Anwendung der Erfindung gegenüber der früher \'orgeschlagenen Arbeitsweise erreichen.

Unter Umständen braucht das zur Nachreaktion dienende Gehäuse, in dem die Ablenkung der Gasströmung erfolgt, nicht mit einem Kühlmantel ausgestattet zu werden. Es ist auch möglich, das Gehäuse ganz oder teilweise aus feuerfesten Wandflächen zu bilden. Auch kann es unter Umständen vorteilhaft sein, gasförmige Vergasungsmedien, insbesondere endotherm reagierende Medien, gesondert in den Nachreaktionsraum einzuleiten, um die dort beabsichtigten Umsetzungen weiter zu verbessern. In diesem Fall ist es gegebenenfalls vorteilhaft, die Medien vor dem Eintritt in den Nachreaktionsraum vorzuerhitzen.

Die Zahl der der Nachreaktionskammer zugeordneten Primärreaktionskammem kann auch größer als zwei sein. Auch ist es möglich, die Primärreaktionskammem in verschiedener Höhenlage zueinander anzuordnen und gegebenenfalls auch mit einer gewissen Neigung zur Waagerechten einmünden zu lassen, wodurch die kreisende Bewegung der Gase in der Nachreaktionskammer günstig beeinflußt werden kann.

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Erzeugung brennbarer Gase durch Umsetzen feinverteilter, insbesondere fester Brennstoffe in der Schwebe mit Sauerstoff und endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf oder Kohlendioxyd, bei dem der Brennstoff mit dem Sauerstoff gemischt und die endotherm reagierenden Vergasungsmittel in einem den Brennstoff-Sauerstoff-Strom einhüllenden Ringstrahl in einen auf erhöhter Temperatur gehaltenen Reaktionsraum eingeblasen werden, dadurch ge kennzeichnet, daß die Reaktionsstoffe während des Ablaufes der Reaktion des Brennstoffes mit dem Sauerstoff in im wesentlichen gradliniger, paralleler Strömung durch den Reaktionsraum geleitet werden und nach praktischer Beendigung dieser Reaktion, jedoch vor Beendigung der Reaktion mit dem endotherm reagierenden Vergasungsmittel der Strom der Reaktionsstoffe seitlich abgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmedien nach Verlassen der Strömungszone geradliniger Bewegung in eine kreisende Bewegung, z. B. durch tangentiales Einleiten in einen zyklonartigen Raum, versetzt werden.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß einem zyklonartigen Raum ein oder mehrere sich konisch erweiternde Reaktionsräume zugeordnet sind, an deren geschlossenen Enden die Reaktionsstoffe eintreten und die im wesentlichen tangential in den Zyklonraum münden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung ρ 33997 IVc / 24 ε D (bekanntgemacht am 12.10.1950); schweizerische Patentschriften Nr. 268 480, 268 483; USA.-Patentschrift Nr. 2 344 007.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen