EP0341436B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines heissen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthält - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines heissen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthält Download PDF

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EP0341436B1
EP0341436B1 EP89106390A EP89106390A EP0341436B1 EP 0341436 B1 EP0341436 B1 EP 0341436B1 EP 89106390 A EP89106390 A EP 89106390A EP 89106390 A EP89106390 A EP 89106390A EP 0341436 B1 EP0341436 B1 EP 0341436B1
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EP
European Patent Office
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cooling fluid
cooling
nozzle ring
product gas
process according
Prior art date
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EP89106390A
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English (en)
French (fr)
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EP0341436A2 (de
EP0341436A3 (en
Inventor
Friedrich Dr. Ing. Jokisch
Adolf Dipl.-Ing. Linke
Hans Christoph Dr. Ing. Pohl
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Krupp Koppers GmbH
Original Assignee
Krupp Koppers GmbH
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Publication of EP0341436A3 publication Critical patent/EP0341436A3/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/04—Purifying combustible gases containing carbon monoxide by cooling to condense non-gaseous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/82—Gas withdrawal means
    • C10J3/84—Gas withdrawal means with means for removing dust or tar from the gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/08—Purifying combustible gases containing carbon monoxide by washing with liquids; Reviving the used wash liquors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S48/00—Gas: heating and illuminating
    • Y10S48/02—Slagging producer

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a hot product gas, which contains sticky or molten particles which lose their stickiness when cooled, wherein an annular jet of a cooling fluid is injected into the hot product gas in a cooling zone with a circular cross-section, which is emitted from a A large number of separate cooling fluid jets with different levels of penetration is composed.
  • appropriate measures must therefore be taken to ensure that these accompanying substances do not impair the cooling and the downstream processing process through deposits on the walls of the apparatus used, on the heat exchanger surfaces and / or in the pipes.
  • Toroidal air heaters also work according to the same principle, in which cold air is mixed with the hot combustion gas in a mixing chamber.
  • this cooling principle for cooling hot product gases which contain sticky or molten particles, in particular for cooling partial oxidation gas.
  • the introduction of a cooling fluid through an annular gap is intended to prevent the particles from touching the wall and thus to eliminate the risk of deposits.
  • this goal cannot be achieved to a satisfactory extent.
  • the recirculation flow that forms at the edges of the frustoconical cooling fluid ring jet does not keep the sticky particles away from the wall, but on the contrary leads them to the wall.
  • the annular jet of the cooling fluid is composed of a plurality of separate cooling fluid jets with different penetration depths.
  • the cooling fluid is injected radially through openings in the wall of the cooling device which are connected to a ring line.
  • the penetration depth of the emerging cooling fluid jets can only be influenced by the different diameter of the openings. However, this should only be variable within a narrow range between 1.2: 1 and 1.5: 1.
  • the invention is therefore based on the object of improving this method of the type mentioned in such a way that contact with the wall of the sticky or molten particles is avoided during the cooling process and the risk of caking or deposits is thereby eliminated. At the same time, a complete and uniform mixing of product gas stream and cooling fluid is to be ensured, which is essential for uniform cooling of the product gas stream.
  • the method used to achieve this object is characterized in that the mass and penetration depth of the cooling fluid jets injected at an angle in the direction of flow of the product gas is adapted to the mass of the product gas stream flowing in the individual annular spaces of the cooling zone, the injection speeds of the cooling fluid jets being selected such that the desired penetration depths are achieved and the supply of the cooling fluid to the individual nozzle groups takes place via separate lines provided with valves.
  • the method according to the invention enables a bes This adjustable and variable penetration depth of the cooling fluid jets.
  • the annular jet can be broken down into a large number of separate individual jets, some of which have different masses, some are different penetration depths and the same or some different injection angles.
  • the cooling fluid supply can thus be adapted to the mass of the product stream flowing in the individual annular spaces of the cooling zone, which is necessary for the uniform cooling of the product gas stream.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the section from the cooling zone 2 in which the nozzle ring 4 is located for an injection of the separate cooling fluid jets.
  • the diameter D of the cooling zone 2 is divided into four parts, for example.
  • the diameters 4 D, 2 D, 3 4 D and D therefore limit annular spaces with different base areas in the cooling zone, which is shown in the illustration by different hatching.
  • the percentage of the base areas of these annular spaces in the total area of the cooling zone is 6.25%, 18.75%, 31.25% and 43.75% from inside to outside. With a constant flow velocity of the product gas over the cross section of the cooling zone, these percentages also apply to the distribution of the total mass of the product gas over the different annular spaces of the cooling zone.
  • cooling fluid masses m1, m 2 , m 3 , m 4 with different penetration depths e 1 , e2, e3, e 4 are therefore injected into the individual annular spaces of the cooling zone.
  • the injection angle ⁇ can be the same or different for operational reasons.
  • the injection speeds of the cooling fluid are chosen so that the desired penetration depths are achieved.
  • the injection speeds are preferably selected at the same time so that when the desired penetration depth is reached, the vertical component of the jet center speed in the flow direction is equal to the speed of the overall flow.
  • the cooling of 12oo to 17oo ° C hot partial oxidation gas is a preferred area of application of the method according to the invention contain molten particles, for example metals, salts or ashes.
  • a partial stream of the cold, purified product gas can preferably be used as the cooling fluid.
  • other media such as e.g. Steam or, if necessary, preheated water.
  • FIG. 2 shows the upper part of the reactor 1, which is used to generate the product gas to be cooled, and the cooling zone 2 directly adjoining it.
  • the reactor 1 is concerned a gasification reactor with the features known per se. Since the generation of the respective product gas is not the subject of the present invention, there is no need to go into the structural details of the reactor 1 here.
  • the cooling zone 2 has a circular cross section. The product gas generated flows in the direction of arrow 3 from the bottom upwards from the reactor 1 into the cooling zone 2.
  • the cooling fluid is applied in three stages with different objectives and different effects.
  • the actual cooling of the product gas stream takes place through the cooling fluid jets which are injected into the gas via the nozzle ring 4.
  • the specific conditions of this cooling fluid addition have already been discussed above.
  • the different penetration depths of the individual cooling fluid jets, which are marked by the arrows 5, are achieved by different injection speeds. These are in turn achieved by different initial pressures in the chambers 6a, 6b and 6c, into which the nozzle ring 4 is divided in this case, and by different nozzle diameters.
  • the nozzle ring 4 has a number of nozzles corresponding to the number of cooling fluid jets required, which is not shown in the figure.
  • the nozzles are evenly distributed over the entire circumference of the nozzle ring 4.
  • the different cooling fluid masses are obtained from the different number of nozzles with the same diameter.
  • the individual cooling fluid jets can have a different injection angle.
  • This injection angle ⁇ can range between 0 ° and 90 ° lie.
  • the corresponding injection angles are achieved by a corresponding inclination of the nozzles on the nozzle ring 4.
  • the injection speeds of the cooling fluid at the nozzle ring 4 are between 1 m / s and 100 m / s.
  • the individual nozzles are each connected via the chambers 6a, 6b and 6c to the lines 7 through which the necessary cooling fluid is supplied, the required pressure being able to be set via the valves 8.
  • the pressure of the cooling fluid in the chambers 6a, 6b and 6c is controlled as a function of the gas temperature in the cooling zone 2.
  • the gas temperature determined by the temperature measuring device 22 is used via the pulse line 21 as a control variable for the actuator 23 of the valve 8, so that this valve can be opened or closed depending on the measured temperature.
  • This type of control is particularly appropriate when the product gas is only produced in a smaller amount than normal in part-load operation and therefore the cooling process is only operated with a reduced amount of cooling fluid. This can go so far that the cooling fluid supply to individual nozzle groups is completely interrupted.
  • the control described above has only been drawn for the chamber 6a of the nozzle ring 4. Of course, this regulation can also be applied to the other chambers.
  • a further cooling fluid stream is introduced into the device in the direction of the arrows 11 via the annular gap 10.
  • This cooling fluid flow is intended to keep the particles away from the reactor wall by displacement.
  • the transition region 9 is designed such that its change in inclination continuously changes into the cylindrical part of the cooling zone 2 after an exponential function.
  • the speed of the cooling fluid jet, which is injected via the annular gap 10 is in the range between 0.1 m / s and 50 m / s.
  • the annular gap 10 is preferably formed in that the wall 12 in the upper part of the reactor 1 is offset, as can be seen from the figure.
  • the annular gap 10 is connected via the line 13 to the ring line 14, which is supplied with the required cooling fluid via the line 15.
  • a further cooling fluid stream is also injected into the cooling zone 2 above the nozzle ring 4 via the annular gap 16.
  • This cooling fluid flow which is marked by the arrows 17, is intended to avoid or suppress eddies and backflows which may be generated by the injection of the cooling fluid via the nozzle ring 4 on the wall of the cooling zone 2.
  • the angle ⁇ is chosen to be correspondingly small, namely in the range between 0 ° and 45 °, so that this cooling fluid flow itself does not cause any backflow on the wall of the cooling zone 2.
  • the speed of the cooling fluid flow is in the range between 1 m / s and 50 m / s.
  • the annular gap 16 is in turn connected via line 18 to the ring line 19, which is supplied with the required cooling fluid via line 20.
  • FIG. 2 is only a schematic illustration of the device according to the invention, from which special structural configurations cannot be deduced.
  • the walls of the reactor 1 and / or the cooling zone 2 can be designed as tube walls through which a cooling medium flows and which are provided on the inside with a refractory lining.
  • the gap 16 can be given a different configuration for manufacturing reasons, which will be discussed further below in connection with FIG. 4.
  • FIG. 3 shows a cross section through another embodiment of the nozzle ring 4.
  • the nozzle ring in this case has two chambers 6a and 6b located one behind the other. While in the embodiment according to FIG. 2 the rows of nozzles of the individual chambers 6a, 6b and 6c lie one above the other, in the embodiment shown in FIG. 3 all the nozzles are in one plane.
  • the nozzles 24 assigned to the rear chamber 6a are each connected to this chamber via the line pieces 25, while the nozzles 26 assigned to the front chamber 6b are embedded directly in the chamber wall.
  • the nozzles 24 and 26 can have different diameters and / or angles of inclination. As a rule, the nozzles assigned to a nozzle chamber will each be the same.
  • FIG. 4 finally shows a longitudinal section through a special embodiment for the addition of cooling fluid above the nozzle ring 4. While in the device shown in FIG. 2 the cooling fluid is injected into the cooling zone 2 via the annular gap 16, it can be attached for manufacturing reasons. a nozzle ring 27 is also to be used for this.
  • the guide ring 29, which is open at the top, is placed on the nozzle ring 27, through which the cooling fluid jets emerging from the nozzles 28 are made more fluid.

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines heißen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthält.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines heißen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthält, die beim Abkühlen ihre Klebrigkeitverlieren, wobei in das heiße Produktgas in einer Kühlzone mit kreisförmigem Querschnitt ein ringförmiger Strahl eines Kühlfluids eingedüst wird, der aus einer Vielzahl separater Kühlfliudstrahelen mit unterschiedlicher Eindringteife zusammengesetzt ist.
  • Bei der Kühlung von heißen Produktgasen, die klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthalten, die ihre Klebrigkeit verlieren, wenn sie eine bestimmte Erstarrungstemperatur unterschritten haben, besteht stets die Gefahr, daß diese Partikel infolge Anbackung zu Ablagerungen an den Wänden der verwendeten Apparaturen oder sonstigen Anlageteilen führen. Das zwangsläufige Wachsen dieser Ablagerungen führt dabei im Laufe der Zeit dazu, daß der Gasweg in den verwendeten Apparaturen allmählich verlegt und damit die gesamte Anlage funktionsunfähig wird. Ein ausgeprägtes Beispiel für ein derartiges, klebrige bzw. schmelzflüssige Bestandteile enthaltendes Produktgas ist das Partialoxidationsgas, das bei der Partialoxidation von Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoffträgern bei Temperaturen oberhalb des Schlackenschmelzpunktes gewonnen wird. Hierbei führt das den Vergaser mit einer Temperatur von 1200 bis 17oo°C verlassende Partialoxidationsgas klebrige bzw. schmelzflüssige Schlacketeilchen und/odersonstige teerige Bestandteile mit sich, die zu den vorstehend beschriebenen Ablagerungen führen. Bei der Kühlung und Weiterbehandlung derartiger Gase muß deshalb durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgtwerden, daß diese Begleitstoffe den Kühl- sowie den nachgeschalteten Verarbeitungsprozeß nicht durch Ablagerungen an den Wänden der verwendeten Apparaturen, an den Wärmeaustauscherflächen und/oder in den Rohren beeinträchtigen.
  • Zur Kühlung heißer Produktgase ist es prinzipiell bekannt, in den heißen Produktgasstrom einen ringförmigen Strahl eines Kühlfluids in Strömungsrichtung des Gases einzuspritzen oder einzudüsen. Eine solche Einführung führt zwangsläufig zu einer kegelstumpfförmigen Ausbildung des ringförmigen Strahls, der dann einen konvergenten Primärteil und einen divergenten Sekundärteil aufweist, wenn er sich der Produktgasströmung überlagert. Beispiele für die praktische Anwendung dieses Kühlprinzips, bei dem das Kühlfluid über einen ringförmigen Spalt in den heißen Produktgasstrom eingeleitet wird, sind bereits seit langem bekannt. So wird dieses Verfahren beispielsweise beim sogenannten Wälzgasverfahren angewandt, bei dem dem heißen Verbrennungsgas zwecks Temperatureinstellung sogenanntes Rückgas zugemischt wird. (Ullmann, Bd. 1, 1951, Seite 182, Abbildung 332). Nach dem gleichen Prinzip arbeiten auch Toroidlufterhitzer, bei denen dem heissen Verbrennungsgas in einer Mischkammer Kalfluft beigemischt wird. In neuerer Zeit ist schließlich in der DE-A-35 24 802 vorgeschlagen worden, dieses Kühlprinzip auch zur Kühlung von heißen Produktgasen, die klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthalten, insbesondere zur Kühlung von Partialoxidationsgas, anzuwenden. Hierbei soll durch die Einleitung eines Kühlfluids über einen ringförmigen Spalt die Wandberührung der Partikel vermieden und damit die Gefahr von Ablagerungen ausgeschaltet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich dieses Ziel auf diese Weise nicht im befriedigenden Umfange erreichen läßt. Die sich an den Rändern des kegelstumpfförmigen Kühlfluidringstrahles ausbildende Rezirkulationsströmung hält die klebrigen Partikel nicht von der Wand fern, sondern führt sie im Gegenteil an die Wand heran.
  • Aus der DE-A-25 26 922 ist ferner ein Verfahren der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem der ringförmige Strahl des Kühlfluids aus einer Vielzahl separater Kühlfluidstrahlen mit unterschiedlicher Eindringtiefe zusammengesetzt ist. Die Eindüsung des Kühlfluids erfolgt hierbei radial über in derWand der Kühlvorrichtung befindliche Öffnungen, die an eine Ringleitung angeschlossen sind. Die Eindringtiefe der austretenden Kühlfluidstrahlen kann dabei nur durch den unterschiedlichen Durchmesser der Öffnungen beeinflußt werden. Dieser soll jedoch lediglich in einem engen Bereich zwischen 1,2 : 1 und 1,5 : 1 variierbar sein.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Wandberührung der klebrigen bzw. schmelzflüssigen Partikel während des Kühlvorganges vermieden und die Gefahr von Anbackungen bzw. Ablagerungen dadurch ausgeschaltet wird. Gleichzeitig soll eine vollständige und gleichmäßige Durchmischung von Produktgasstrom und Kühlfluid gewährleistet werden, was für eine gleichmäßige Kühlung des Produktgasstromes unerläßlich ist.
  • Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Masse und Eindringtiefe der unter einem Winkel in Strömungsrichtung des Produktgases eingedüsten Kühlfluidstrahlen der Masse des in den einzelnen Ringräumen der Kühlzone strömenden Produktgasstromes angepaßt ist, wobei die Eindüsgeschwindigkeiten der Kühlfluidstrahlen so gewähltwerden, daß die gewünschten Eindringtiefen erreicht werden und wobei die Zufuhr des Kühlfluids zu den einzelnen Düsengruppen über separate, mit Ventilen versehene Leitungen erfolgt.
  • In Abkehr von der bisher bekannten Arbeitsweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine besser einstellbare und variierbare Eindringtiefe der Kühlfluidstrahlen. Dadurch kann der ringförmige Strahl in eine Vielzahl separater Einzelstrahlen zerlegt werden, die teilweise unterschiedlich Massen, teilweise unterschiedliche Eindringtiefen und gleiche oder teilweise unterschiedliche Eindüswinkel haben. Damit kann die Kühlfluidzufuhr der Masse des in den einzelnen Ringräumen der Kühlzone strömenden Produktgesstromes angepaßt werden, was für die gleichmäßige abkühlung des Produktgasstromes erforderlich ist.
  • Zur Erläuterung wird hierzu auf Fig. 1 verwiesen, die in schematischer Darstellung den Ausschnitt aus der Kühlzone 2 darstellt, in dem sich der Düsenring 4 für eine Einspritzung der separaten Kühlfluidstrahlen befindet. Der Durchmesser D der Kühlzone 2 ist hierbei beispielsweise in vier Teile geteilt. Die Durchmesser 4 D, 2 D,3 4 D und D begrenzen deshalb in der Kühlzone Ringräume mit unterschiedlichen Grundflächen, was in der Abbildung durch eine unterschiedliche Schraffierung zum Ausdruck gebracht wird. Der prozentuale Anteil der Grundflächen dieser Ringraüme an der Gesamtfläche der Kühlzone beträgt hierbei von innen nach außen 6,25 %, 18,75 %, 31,25 % und 43,75 %. Bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit des Produktgases über den Querschnitt der Kühlzone gelten diese prozentualen Anteile auch für die Aufteilung der Gesamtmasse des Produktgases auf die verschiedenen Ringräume der Kühlzone. Entsprechend diesen unterschiedlichen Produktgasmassen werden deshalb in die einzelnen Ringräume der Kühlzone unterschiedliche Kühlfluidmassen m1, m2, m3, m4, mit unterschiedlichen Eindringtiefen e1 , e2, e3, e4 eingedüst. Die Eindüswinkel α können aus betrieblichen Gründen gleich oder untereinander verschieden sein. Die Eindüsgeschwindigkeiten des Kühlfluids werden so gewählt, daß die gewünschten Eindringtiefen erreicht werden. Vorzugsweise werden die Eindüsgeschwindigkeiten dabei gleichzeitig so gewählt, daß bei Erreichen der gewünschten Eindringtiefe die Vertikalkomponente der Strahlenmittengeschwindigkeit in Strömungsrichtung gleich der Geschwindigkeit der Gesamtströmung ist.
  • Wie bereits aus den weiter oben getroffenen Feststellungen hervorgeht, stellt die Kühlung von 12oo bis 17oo°C heißem Partialoxidationsgas ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Andere Produktgase, fürdie sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders anbietet, sind solche Gase, die als klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel beispielsweise Metalle, Salze oder Aschen enthalten. Als Kühlfluid kann vorzugsweise ein Teilstrom des kalten, gereinigten Produktgases verwendet werden. Es können hierfür aber auch andere Medien, wie Z.B. Dampf oder gegebenenfalls vorerhitztes Wasser, zur Anwendung gelangen.
  • Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer zur Durchführung dieses Verfahrens besonders geeigneten Vorrichtung ergeben sich aus den vor liegenden Unteransprüchen und sollen nachfolgend an Hand der in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Abbildungen erläutert werden. Diese Abbildungen zeigen:
    • Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,
    • Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Düsenring mit zwei hintereinanderliegenden Kammern, und
    • Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Kühlfluidzugabe oberhalb des Düsenringes.
  • Die Abbildung in Fig. 2 zeigt den Oberteil des Reaktors 1, der der Erzeugung des zu kühlenden Produktgases dient, sowie die sich unmittelbar daran anschliessende Kühlzone 2. Sofern das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung von Partialoxidationsgas verwendet werden soll, handelt es sich bei dem Reaktor 1 um einen Vergasungsreaktor mit den an sich bekannten Merkmalen. Da die Erzeugung des jeweiligen Produktgases nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, braucht hier auf die konstruktiven Einzelheiten des Reaktors 1 nicht näher eingegangen zu werden. Die Kühlzone 2 weist, wie bereits gesagt wurde, einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das erzeugte Produktgas strömt in Richtung des Pfeiles 3 von unten nach oben aus dem Reaktor 1 in die Kühlzone 2. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird das Kühlfluid in drei Stufen mit unterschiedlicher Zielsetzung und unterschiedlicher Wirkung aufgegeben. Die eigentliche Kühlung des Produktgasstromes erfolgt durch die Kühlfluidstrahlen, die über den Düsenring 4 in das Gas eingedüst werden. Auf die spezifischen Bedingungen dieser Kühlfluidzugabe ist bereits weiter oben eingegangen worden. Die unterschiedlichen Eindringtiefen der einzelnen Kühlfluidstrahlen, die durch die Pfeile 5 markiert werden, erreicht man durch unterschiedliche Eindüsgeschwindigkeiten. Diese werden wiederum durch unterschiedliche Vordrücke in den Kammern 6a, 6b und 6c, in die der Düsenring 4 in diesem Falle unterteilt ist, sowie durch unterschiedliche Düsendurchmesser erzielt. Selbstverständlich weist der Düsenring 4 eine der Zahl der benötigten Kühlfluidstrahlen entsprechende Anzahl von Düsen auf, was in der Abbildung nicht näher dargestellt ist. Die Düsen sind hierbei über den gesamten Umfang des Düsenringes 4 gleichmäßig verteilt. Die unterschiedlichen Kühlfluidmassen erhält man dabei durch die unterschiedliche Anzahl von Düsen mit gleichem Durchmesser. Wie durch die Lage der Pfeile 5 angedeutet wird, können die einzelnen Kühlfluidstrahlen dabei einen unterschiedlichen Eindüswinkel aufweisen. Dieser Eindüswinkel α kann im Bereich zwischen 0° und 90° liegen. Die entsprechenden Eindüswinkel werden durch entsprechende Neigung der Düsen am Düsenring 4 erzielt. Die Eindüsgeschwindigkeiten des Kühlfluids am Düsenring 4 liegen dabei zwischen 1 m/s und 1oo m/s. Die einzelnen Düsen sind jeweils über die Kammern 6a, 6b und 6c mit den Leitungen 7 verbunden, durch die die Zufuhr des erforderlichen Kühlfluids erfolgt, wobei der erforderliche Druck über die Ventile 8 eingestellt werden kann.
  • Aus Gründen der Betriebsflexibilität kann es vorteilhaft sein, wenn der Druck des Kühlfluids in den Kammers 6a, 6b und 6c in Abhängigkeit von der Gastemperatur in der Kühlzone 2 gesteuert wird. Hierbei wird die durch das Temperaturmeßgerät 22 ermittelte Gastemperatur über die Impulsleitung 21 als Steuergröße für den Stellantrieb 23 des Ventiles 8 benutzt, so daß dieses Ventil in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur geöffnet oder geschlossen werden kann. Diese Art der Regelung ist insbesondere dann angebracht, wenn das Produktgas im Teillastbetrieb nur in geringerer Menge als normal anfällt und deshalb der Kühlvorgang nur mit einer reduzierten Kühlfluidmenge betrieben wird. Dies kann dabei soweit gehen, daß die Kühlfluidzufuhr zu einzelnen Düsengruppen ganz unterbrochen wird. Aus zeichentechnischen Gründen ist die vorstehend beschriebene Regelung nur für die Kammer 6a des Düsenringes 4 eingezeichnet worden. Selbstverständlich kann diese Regelung aber auch für die anderen Kammern angewandt werden.
  • Um den Übergangsbereich 9 vom Oberteil des Reaktors 1 zur Kühlzone 2 unterhalb des Düsenrings 4 frei von Anbackungen zu halten, wird über den ringförmigen Spalt 1o ein weiterer Kühlfluidstrom in Richtung der Pfeile 11 wandparallel in die Vorrichtung eingeführt. Dieser Kühlfluidstrom soll durch Verdrängung die Partikel von der Reaktorwand fernhalten. Um eine ungestörte Grenzschicht dieses Kühlfluidstromes zu erreichen und um Partikelbahnen zu erhalten, die konturparallel zur Wand des Reaktors 1 verlaufen, wird der Übergangsbereich 9 so ausgebildet, daß seine Neigungsänderung stetig nach einer Exponentialfunktion in den zylindrischen Teil der Kühlzone 2 übergeht. Die Geschwindigkeit des Kühlfluidstrahles, der über den ringförmigen Spalt 1o eingedüst wird, liegt hierbei im Bereich zwischen o,1 m/s und 5o m/s. Der ringförmige Spalt 1o wird vorzugsweise dadurch ausgebildet, daß die Wand 12 im Oberteil des Reaktors 1 versetzt ausgebildet ist, wie das aus der Abbildung zu ersehen ist. Über die Leitung 13 ist der ringförmige Spalt 1o mit der Ringleitung 14 verbunden, die über die Leitung 15 mit dem erforderlichen Kühlfluid beaufschlagt wird.
  • Ein weiterer Kühlfluidstrom wird außerdem oberhalb des Düsenringes 4 über den ringförmigen Spalt 16 in die Kühlzone 2 eingespritzt. Dieser Kühlfluidstrom, der durch die Pfeile 17 markiert wird, soll Wirbel und Rückströmungen, die möglicherweise durch die Eindüsung des Kühlfluids über den Düsenring 4 an der Wandung der Kühlzone 2 erzeugt werden, vermeiden bzw. unterdrücken. Dazu wird der Winkel β entsprechend klein, nämlich im Bereich zwischen 0° und 45° gewählt, damit dieser Kühlfluidstrom selbst keine Rückströmung an der Wandung der Kühlzone 2 bewirkt. Die Geschwindigkeit des Kühlfluidstromes liegt hierbei im Bereich zwischen 1 m/s und 5o m/s. Der ringförmige Spalt 16 ist wiederum über die Leitung 18 mit der Ringleitung 19 verbunden, die über die Leitung 2o mit dem erforderlichen Kühlfluid versorgt wird.
  • Wie bereits weiter oben festgestellt wurde, handelt es sich bei Fig. 2 nur um eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der spezielle konstruktive Ausgestaltungen nicht zu entnehmen sind. So können beispielsweise die Wandungen des Reaktors 1 und/oder der Kühlzone 2 als von einem Kühlmedium durchflossene Rohrwandungen ausgebildet sein, die auf ihrer Innenseite mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sind. Ebenso kann der Spalt 16 aus fertigungstechnischen Gründen eine andere Ausgestaltung erfahren, worauf noch weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4 eingegangen werden wird.
  • Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Düsenringes 4. Im Gegensatz zur Ausführungsform in Fig. 2 weist der Düsenring in diesem Falle zwei hintereinanderliegende Kammern 6a und 6b auf. Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Düsenreihen der einzelnen Kammern 6a, 6b und 6c übereinander liegen, befinden sich bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform alle Düsen in einer Ebene. Die der hinteren Kammer 6a zugeordneten Düsen 24 sind dabei jeweils über die Leitungsstücke 25 mit dieser Kammer verbunden, während die der vorderen Kammer 6b zugeordneten Düsen 26 unmittelbar in die Kammerwand eingelassen sind. Selbstverständlich können die Düsen 24 und 26 dabei unterschiedliche Durchmesser und/oder Neigungswinkel aufweisen. In der Regel werden hierbei die einer Düsenkammer zugeordneten Düsen jeweils gleich sein.
  • Fig. 4 zeigt schließlich einen Längsschnitt durch eine spezielle Ausführungsform für die Kühlfluidzugabe oberhalb des Düsenringes 4. Während bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung das Kühlfluid über den ringförmigen Spalt 16 in die Kühlzone 2 eingespritzt wird, kann es aus fertigungstechnischen Gründen angebracht sein, hierfür ebenfalls einen Düsenring 27 zu verwernden. Auf den Düsenring 27 ist dabei der oben offene Leitring 29 aufgesetzt, durch den die aus den Düsen 28 austretenden Kühlfluidstrahlen strömungstechnisch vergleichmäßigt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Kühlen eines heißen Produktgases, das klebrige bzw. schmelzflüssige Partikel enthält, die beim Abkühlen ihre Klebrigkeit verlieren, wobei in das heiße Produktgas in einer Kühlzone mit kreisförmigem Querschnitt ein ringförmiger Strahl eines Kühlfluids eingedüst wird, der aus einer Vielzahl separater Kühlfluidstrahlen mit unterschiedlicher Eindringtiefe zusammengsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse und Eindringtiefe der unter einem Winkel in Strömungsrichtung des Produktgases eingedüsten Kühlfluidstrahlen der Masse des in den einzelnen Ringräumen der Kühlzone strömenden Produktgasstromes angepaßt ist, wobei die Eindüsgeschwindigkeiten der Kühlfluidstrahlen so gewählt werden, daß die gewünschten Eindringtiefen erreicht werden und wobei die Zufuhr des Kühlfluids zu den einzelnen Düsengruppen über separate, mit Ventilen versehene Leitungen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindüsgeschwindigkeiten der Kühlfluidstrahlen gleichzeitig so gewählt werden, daß bei Erreichen der gewünschten Eindringtiefe die Vertikalkomponente der Strahlenmittengeschwindigkeit in Strömungsrichtung gleich der Geschwindigkeit der Gesamtströmung ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfluidstrahlen über einen Düsenring mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bis 100 m/s und unter einem Eindüswinkel α von 0° bis 90° in das Produktgas eingedüst werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kühlfluids im Düsenring in Abhängigkeit von der Gastemperatur in der Kühlzone gesteuert wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich unterhalb und oberhalb des Düsenringes je ein weiterer Kühlfluidstrom in das Produktgas eingedüst wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfluidstrom unterhalb des Düsenringes mit einer Geschwindigkeit von o,1 m/s bis 5o m/s so in den Produktgasstrom eingedüst wird, daß seine Strömung konturparallel zur Reaktorwandung in diesem Bereich verläuft.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfluidstrom oberhalb des Düsenringes mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bis 5o m/s und unter einem Winkel β von 0° bis 45° in den Produktgasstrom eingedüst wird.
8. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 zur Kühlung von Partialoxidationsgas, das durch Partialoxidation von Kohle und/oder sonstigen Kohlenstoffträgern bei Temperaturen oberhalb des Schlackenschmelzpunktes gewonnen wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) und die sich unmittelbar daran anschließende Kühlzone (2) ringförmige Spalten (10, 16) für den Eintritt des Kühlfluids aufweisen und daß ferner im Übergangsbereich (9) zwischen dem Reaktor (1) und der Kühlzone (2) ein Düsenring (4) für die Kühlfluidzufuhr angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Spalt (10) dadurch gebildet wird, daß die Wand (12) in diesem Bereich des Reaktors (1) versetzt ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (9) zwischen dem Reaktor (1) und der Kühlzone (2) so ausgebildet ist, daß seine Neigungsänderung stetig nach einer Exponentialfunktion in den zylindrischen Teil der Kühlzone (2) übergeht.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (4) in mehrere Kammern (6a, 6b, 6c) unterteilt ist, die übereinander oder hintereinander angeordnet sein können.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des ringförmigen Spaltes (16) ein Düsenring (27) vorgesehen ist, auf den ein oben offener Leitring (29) aufgesetzt ist.
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