Verfahren zur Kühlung von heissen Prozessgasen

Abstract

 Die Prozeßgase werden in eine mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht geleitet, die ringförmig und wannenförmig ausgebildet ist. Durch den Anströmboden der Wanne wird Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht geleitet. Das Prozeßgas wird durch die zentrale Öffnung der Wirbelschicht eingeleitet. Gekühlter Feststoff fließt aus der Wirbelschicht über den inneren Rand der Wanne in den Prozeßgasstrom und wird von diesem in den Staubraum über der Oberfläche der Wirbelschicht mitgerissen. Der im Staubraum abgeschiedene Feststoff fällt in die ringförmige Wirbelschicht zurück, und das den restlichen Feststoff enthaltende und gekühlte Gas wird in einen mit Kühlflächen ausgerüsteten Gaskühler geleitet. Das aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretende Gas wird in einen Staubabscheider geleitet, und der abgeschiedene Feststoff wird in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein verfahren zur Kühlung von heißen Prozeßgasen, wobei die Prozeßgase in eine mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht geleitet werden, im Staubraum über der Wirbelschicht ein Teil der im Gasstrom suspendierten Feststoffe abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, und aus dem Abgas in einer Entstaubung Feststoff abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeleitet wird.

[0002] Bei manchen Prozessen fallen heiße Prozeßgase an, deren Kühlung beträchtliche Schwierigkeiten bereitet. So können Prozeßgase kondensierbare Bestandteile oder mitgerissene flüssige Tröpfchen, z.B. Metalle oder Schlacke, enthalten, die bei Abkühlung an den Kühlflächen zu Ansätzen führen. Die Prozeßgase können Feinstäube mit schlechten Fließeigenschaften enthalten, die bereits bei Prozeßgas-Temperatur oder bei Abkühlung ebenfalls zu Ansätzen führen. Weiterhin können die Prozeßgase S0₃ enthalten, oder es wird S0₃ bei der Abkühlung gebildet und es tritt eine unerwünschte Sulfatisierung auf.

[0003] Aus der DE-PS 34 39 600 ist ein Verfahren zur Kühlung von Prozeßgasen aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen bekannt, bei dem das heiße Prozeßgas in eine stationäre Wirbelschicht aus schwefelbindenden Feststoffen geleitet und dort abgekühlt wird. In der Wirbelschicht sind Kühlelemente angeordnet, die von einem Kühlmedium durchflossen werden. Als Fluidisierungsgas wird ein Teilstrom des aus dem Wirbelschichtreaktor austretenden Prozeßgases zurückgeführt. Das Prozeßgas wird von der Seite oder von oben in die Wirbelschicht eingeleitet. Das aus der Wirbelschicht austretende, gekühlte Prozeßgas wird in einem Zyklon entstaubt, in einem Wärmetauscher weiter gekühlt und in eine Gasreinigung geleitet. Der im Zyklon und in der Gasreinigung abgeschiedene Feststoff wird in die Wirbelschicht zurückgeführt. Ein Kontakt zwischen Prozeßgas und Kühlflächen wird nicht vermieden, wodurch die Gefahr von Ansätzen besteht. Die Mischung zwischen Prozeßgas und Feststoff ist nicht optimal.

[0004] Aus der US-PS 3 977 846 ist es bekannt, ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes Prozeßgas in einer stationären Wirbelschicht zu kühlen, wobei im unteren Teil der Wirbelschicht Kühlflächen angeordnet sind, die von einem Kühlmedium durchflossen werden. Als Fluidisierungsgas wird ein kohlenwasserstofffreies Fremdgas verwendet. Das Prozeßgas wird oberhalb der Kühlflächen mittels in der Wirbelschicht angeordneter Düsen eingeleitet. Die Düsen sind zur Vermeidung von Ansätzen thermisch isoliert. Das aus dem Reaktor austretende, gekühlte Prozeßgas wird in einen Staubabscheider geleitet. Mit kondensierten Kohlenwasserstoffen beladener Feststoff wird aus dem Wirbelbett abgezogen und frischer Feststoff wird in das Wirbelbett chargiert. Durch korrosive Bestandteile und Feststoffe im Prozeßgas ist ein starker Verschleiß der Düsen zu erwarten. Außerdem besteht die Gefahr von Verstopfung.

[0005] Aus der US-PS 4 120 668 ist es bekannt, ein geschmolzene Salzpartikel und flüchtige Bestandteile enthaltendes Prozeßgas in einer stationären Wirbelschicht zu kühlen, wobei das Prozeßgas als Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht eingeleitet wird. Oberhalb der Einleitung des Prozeßgases sind Kühlflächen in der Wirbelschicht angeordnet. Das gekühlte Gas wird in einem Zyklon entstaubt und der abgeschiedene Feststoff in die Wirbelschicht zurückgeführt. Ein Teil des Feststoffes wird nach unten aus der Wirbelschicht abgezogen und frischer Feststoff wird in die Wirbelschicht chargiert. Auch hier gelten die vorstehend genannten Nachteile.

[0006] Aus der WO 88/08741 ist es bekannt, Prozeßgase in einer zirkulierenden Wirbelschicht zu kühlen, wobei das Prozeßgas in einer Mischkammer mit rezirkuliertem, gekühltem Prozeßgas und rezirkuliertem, gekühltem Feststoff gekühlt wird, wobei der Boden der Mischkammer konisch ausgebildet ist und eine Öffnung zur Einleitung des Prozeßgases und des rezirkulierten Gases hat. Die aus der Mischkammer austretende Suspension kann im oberen Teil des Reaktors an Kühlflächen weiter abgekühlt werden, anschließend in Zyklonen der Feststoff abgeschieden und in den Reaktor zurückgeführt werden und ein Teilstrom des Gases in den Reaktor rezirkuliert werden. Die Suspension kann auch ohne weitere Kühlung ausgetragen werden, der Feststoff in Zyklonen abgeschieden und in den Reaktor zurückgeführt werden, das Gas gekühlt und ein Teil in den Reaktor rezirkuliert werden. Die Suspensionsdichte der zirkulierenden Wirbelschicht wird durch Rückführung von 75 bis 100 % der Prozeßgasmenge und durch Rückführung von Feststoff in einer Menge von 0,92 bis 11,5 kg/Nm³ auf 1 bis 5 kg/m³ und niedrigere Werte eingestellt. Das durch die große Gasrückführung bedingte große Volumen der Abgase führt zu einer aufwendigen Gasreinigung. Wegen der geringen Suspensionsdichte wird eine relativ große Wärmeaustausch-Fläche benötigt.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, heiße Prozeßgase in möglichst wirtschaftlicher Weise unter Vermeidung von Ansatzbildung und Sulfatbildung abzukühlen.

[0008] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht ringförmig und wannenförmig ausgebildet ist, durch den Anströmboden der Wanne Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht geleitet wird, das Prozeßgas durch die zentrale Öffnung der Wirbelschicht eingeleitet wird, gekühlter Feststoff aus der Wirbelschicht über den inneren Rand der Wanne in den Prozeßgasstrom fließt und von diesem in den Staubraum über der Oberfläche der Wirbelschicht mitgerissen wird, der im Staubraum abgeschiedene Feststoff in die ringförmige Wirbelschicht zurückfällt, das den restlichen Feststoff enthaltende und gekühlte Gas in einen mit Kühlflächen ausgerüsteten Gaskühler geleitet wird, das aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretende Gas in einen Staubabscheider geleitet wird, und der abgeschiedene Feststoff in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird. Die stationäre Wirbelschicht zeichnet sich durch einen deutlichen Dichtesprung zwischen dichter Phase und darüber befindlichem Staubraum aus. Die ringförmige Ausgestaltung der stationären Wirbelschicht kann sowohl rund als auch rechteckig oder mehreckig erfolgen. Die in der Wirbelschicht angeordneten Kühlflächen werden zweckmäßigerweise auswechselbar angeordnet. Die Kühlflächen können als Verdampfer und/oder Überhitzer geschaltet werden. Die Kühlflächen bestehen im allgemeinen aus Rohrbündeln. Die Wände der Wanne sind mit Kühlrohren versehen. Die innere Wand der Wanne bildet die zentrale Öffnung der Wirbelschicht, durch die das Prozeßgas eingeleitet wird. Über den Rand der inneren Wand der Wanne fließt der gekühlte Feststoff aus der stationären Wirbelschicht in die zentrale Öffnung, wird mit dem Prozeßgas-Strom vermischt und als dichte Suspension in einem zentralen Strahl in den Staubraum über der Wirbelschicht mitgerissen. Dabei erfolgt eine rapide und starke Abkühlung des Prozeßgases. Durch die Volumenvergrößerung im Staubraum wird der Feststoff aus dem zentralen Strahl zum größten Teil im Staubraum abgeschieden, fällt in die stationäre Wirbelschicht zurück und wird dort wieder gekühlt. Die Abkühlung des Prozeßgases auf die im Staubraum gewünschte Temperatur erfolgt durch entsprechende Kühlung des Feststoffes in der stationären Wirbelschicht und durch Einleiten einer entsprechenden Menge von Feststoff in die zentrale Öffnung. Die Wand des Staubraumes wird durch Kühlrohre gekühlt. Das den restlichen Feststoff enthaltende Gasgemisch aus Prozeßgas und Fluidisierungsgas wird in einen Gaskühler geleitet und dort weiter gekühlt. Der Gaskühler ist vorzugsweise über dem Staubraum angeordnet. Der Gaskühler ist mit Wandkühlung versehen und kann zusätzlich eingehängte Kühlflächen haben. Ein Teil des noch im Gas suspendierten Feststoffes scheidet sich im Gaskühler ab, fällt in den Staubraum und von dort in die stationäre Wirbelschicht. Als Kühlmedium wird im allgemeinen Wasser verwendet und der Gaskühler als Verdampfer geschaltet. Das abgekühlte Gas enthält nur noch relativ geringe Feststoffmengen. Es wird in einen Staubabscheider, wie z.B. Zyklon, Filter oder EGR, geleitet, dort weitgehend entstaubt und als Abgas abgeleitet oder einer weiteren Gasreinigung zugeführt. Der im Staubabscheider abgeschiedene Feststoff wird ganz oder teilweise in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt. Je nach Zusammensetzung des Prozeßgases wird ein Teil des Feststoffes abgezogen und durch frischen Feststoff ersetzt. Dadurch wird verhindert, daß sich der Feststoff zu stark mit abgeschiedenen Stoffen anreichert. Als Fluidisierungsgas kann jedes Gas verwendet werden, das bei der Kühlung bzw. bei nachgeschalteten Prozessen nicht stört. In den Fällen, wo Luft für die Weiterbehandlung des Abgases erforderlich ist, wie z.B. bei Gasen mit hohen S0₂-Gehalten, oder nicht stört, kann Luft als Fluidisierungsgas verwendet werden. Ansonsten kann auch ein Teil des Abgases rezirkuliert werden. Dieses muß vorher von Stoffen gereinigt werden, welche den Anströmboden beschädigen würden. Um die Fluidisierungsgas-Menge möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, die Korngröße des Feststoffes in der Wirbelschicht kleiner als 1 mm mit dso unter 0,5 mm zu halten.

[0009] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Suspensionsdichte in der stationären Wirbelschicht 300 bis 1500 kg/m³ Reaktorraum, vorzugsweise 500 bis 1000 kg/m³, beträgt. In diesen Bereichen werden besonders gute Betriebsbedingungen erzielt, da hohe Wärmeübergangszahlen vorliegen.

[0010] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß dem Prozeßgasstrom 1 bis 10 kg/Nm³ Feststoff, vorzugsweise 2,5 bis 6 kg/N_M³, aus der stationären Wirbelschicht zugeführt werden. Diese Bereiche ergeben die gewünschte schnelle Abkühlung des Prozeßgases ohne die Notwendigkeit sehr großer Kühlflächen.

[0011] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Beladung des aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretenden Gases 0,1 bis 1 kg Feststoff, vorzugsweise 0,2 bis 0,6 kg Feststoff/Nm³, beträgt. Dadurch wird ein relativ geringer Druckverlust im Gaskühler und eine gute Abkühlung des Gases erzielt.

[0012] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß das Volumen des durch den Anströmboden in die stationäre Wirbelschicht geleiteten Fluidisierungsgases 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 20 %, des Volumens des Prozeßgases beträgt. Dadurch ist der Energiebedarf für das Fluidisierungsgas relativ gering, und bei rückgeführtem Abgas verringern sich außerdem die Kosten für die erforderliche Gasreinigung.

[0013] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß der im Staubabscheider abgeschiedene Feststoff gesteuert in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird. Die im Staubabscheider pro Zeiteinheit abgeschiedene Menge an Feststoff ist nicht konstant. Bei einer direkten, ungesteuerten Rückführung kann die schwankende Menge zu verschlechterten Ergebnissen führen. Dies wird durch die gesteuerte, gleichmäßige Zurückführung vermieden. Zwischen Staubabscheider und Rückführungsleitung in der Wirbelschicht wird ein Zwischengefäß angeordnet, das als Puffer dient und aus dem der Feststoff gesteuert abgezogen wird. Der Feststoff im Zwischengefäß wird zweckmäßigerweise leicht fluidisiert.

[0014] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die zentrale Öffnung der stationären Wirbelschicht durch feuerfeste Auskleidung isoliert ist. Die zentrale Öffnung besteht aus einem Blechmantel, der auf der Außenseite mit Kühlflächen ausgestattet ist. Auf der Innenseite des Blechmantels wird eine feuerfeste Auskleidung angebracht. Dadurch wird die Bildung von Ansätzen aus erstarrten Bestandteilen des Prozeßgases vermieden. Im Prozeßgas enthaltene schmelzflüssige Bestandteile, die sich auf der Auskleidung abscheiden, fließen wieder in den Reaktor zurück.

[0015] Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß als Wirbelbett-Material Feststoffe eingesetzt werden, die eine Weiterverarbeitung zusammen mit den abgeschiedenen Materialien ermöglichen.

[0016] Die Erfindung wird anhand einer Figur und eines Beispiels näher erläutert.

[0017] Die Figur zeigt schematisch ein Kühlsystem zur Durchführung des Verfahrens im Längsschnitt. In die ringförmige Wanne (1) wird von dem Gebläse (2) Fluidisierungsluft durch den Anströmboden geblasen. In der Wanne (1) sind Kühlelemente (3) angeordnet. Die innere Wand der Wanne (1) bildet eine zentrale Zuführung (4) für das Prozeßgas. Aus der in der Wanne (1) befindlichen stationären Wirbelschicht (5) fließt Feststoff über den inneren Rand der Wanne (1) in die Zuführung (4) in den Prozeßgasstrom (6) und mischt sich mit diesem zu einer dichten Suspension, wobei gleichzeitig eine schnelle und starke Abkühlung des Prozeßgases erfolgt. Diese Suspension wird als zentraler Strahl in den Staubraum (21) geblasen, wo infolge Volumenvergrößerung der größte Teil des Feststoffes abgeschieden wird und wieder in die Wirbelschicht (5) zurückfällt. Das den restlichen Feststoff enthaltende Gas strömt in den Gaskühler (7), der mit schematisch dargestellter, durchgehender Wandkühlung (8) und eingehängten Kühlflächen (9) ausgerüstet ist. Über den Auslaß (10) strömt das weiter gekühlte Gas in den Zyklon (11). Der abgeschiedene Feststoff fällt in das Zwischengefäß (12), das als Puffer dient. Über das Austragsorgan (13) und Leitung (14) wird Feststoff in geregelter Menge in die Wirbelschicht (5) zurückgeführt. Das von Staub befreite Gas wird über Leitung (15) abgeführt. Über Leitung (16) wird ein Teil des Feststoffes aus der Wirbelschicht abgezogen. Aus dem Bunker (17) kann frischer Feststoff zum Anfahren und zum Ausgleich der Betthöhe in die Wirbelschicht (5) zugeführt werden. Das Gas kann im Kühler (18) noch weiter abgekühlt werden, wobei z.B. Speisewasser aufgeheizt wird. Die Kühlelemente zur Kühlung der Außenwand der Wanne (1) und der Wand des Staubraumes (21) sind nur schematisch durch die oberen Rohre (19) und die unteren Rohre (20) dargestellt.

BEISPIEL

[0018] Es wird ein Abgas aus der Verhüttung von Bleierz in einem QSL-Reaktor gekühlt. Das Abgas fällt mit einer Temperatur von 1010 bis 1050°C in einer Menge von 21800 Nm³/h an. Die Staubbeladung beträgt 215 g/Nm³. Die Zusammensetzung ist:

[0019] Das Abgas wird durch die Zuführung (4), die einen Durchmesser von 100 cm hat, eingeblasen. Durch den Anströmboden der Wanne (1) werden 5000 Nm³/h Luft mit einer Temperatur von 60 C und einem Druck von 250 mbar in die stationäre Wirbelschicht geblasen. In der Wirbelschicht sind Kühlbündel (3) mit einer Fläche von 42 m² angeordnet. Aus der Wanne (1) fließt gekühlter Feststoff mit einer Temperatur von etwa 480 C in die Zuführung (4) in solcher Menge, daß die Feststoffbeladung des Abgases etwa 5 kg/Nm³ beträgt. Von der mit dem Abgas zugeführten Wärme von 5,27 MW werden etwa 3,78 MW an die Kühlbündel in der Wirbelschicht abgeführt. Das abgekühlte Abgas tritt mit einer Temperatur von 600 C und einer Geschwindigkeit von 5,5 m/s in den Gaskühler (7) ein, der mit 250 m² Kühlflächen ausgerüstet ist. Das weiter abgekühlte Abgas verläßt den Gaskühler (7) über Auslaß (10) mit einer Temperatur von 350 C, einer Staubbeladung von 0,5 kg/Nm³ mit einer Geschwindigkeit von 4 m/s. Das über Leitung (15) aus dem Zyklon (11) abgeführte Gas hat eine Staubbeladung von 5 bis 10 g/Nm^3. Aus dem Zwischenbehälter (12) werden 13,4 t/h mit einer Temperatur von 350 C in die Wirbelschicht (5) zurückgeführt. Aus der Wirbelschicht (5) werden 4,5 t/h Feststoff über Leitung (16) abgezogen. Die erzeugte Dampfmenge beträgt 12,1 t/h bei 40 bar und 250 C. Als Feststoff wird zum Anfahren Sand mit einer Korngröße unter 1 mm in die Wanne (1) eingeführt.

[0020] Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Kühlung der Prozeßgase mit relativ kleinen Wärmeaustauscher-Flächen und geringer zusätzlicher Gasmenge unter Vermeidung von Ansatzbildung und Sulfatisierung erfolgt. Bei einem Stillstand des vorgeschalteten Aggregates und damit verbundenem Ausfall des Prozeßgases kann das Durchfallen von Feststoff aus der Wirbelschicht in die vorgeschalteten Aggregate durch Verringerung oder Abschalten des Fluidisierungsgases verhindert werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Kühlung von heißen Prozeßgasen, wobei die Prozeßgase in eine mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht geleitet werden, im Staubraum über der Wirbelschicht ein Teil der im Gasstrom suspendierten Feststoffe abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, und aus dem Abgas in einer Entstaubung Feststoff abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht ringförmig und wannenförmig ausgebildet ist, durch den Anströmboden der Wanne Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht geleitet wird, das Prozeßgas durch die zentrale Öffnung der Wirbelschicht eingeleitet wird, gekühlter Feststoff aus der Wirbelschicht über den inneren Rand der Wanne in den Prozeßgasstrom fließt und von diesem in den Staubraum über der Oberfläche der Wirbelschicht mitgerissen wird, der im Staubraum abgeschiedene Feststoff in die ringförmige Wirbelschicht zurückfällt, das den restlichen Feststoff enthaltende und gekühlte Gas in einen mit Kühlflächen ausgerüsteten Gaskühler geleitet wird, das aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretende Gas in einen Staubabscheider geleitet wird, und der abgeschiedene Feststoff in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspensionsdichte in der stationären Wirbelschicht 300 bis 1500 kg/m³ Reaktorraum, vorzugsweise 500 bis 1000 kg/m³, beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgasstrom 1 bis 10 kg/Nm³ Feststoff, vorzugsweise 2,5 bis 6 kg/N_M³, aus der stationären Wirbelschicht zugeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung des aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretenden Gases 0,1 bis 1 kg Feststoff, vorzugsweise 0,2 bis 0,6 kg Feststoff/Nm³, beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des durch den Anströmboden in die stationäre Wirbelschicht geleiteten Fluidisierungsgases 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 20 %, des Volumens des Prozeßgases beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Staubabscheider abgeschiedene Feststoff gesteuert in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Öffnung der stationären Wirbelschicht durch feuerfeste Auskleidung isoliert ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Wirbelbett-Material Feststoffe eingesetzt werden, die eine Weiterverarbeitung zusammen mit den abgeschiedenen Materialien ermöglichen.

Zeichnung