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R
0716138
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
19960612
EP
94117069.8
19941028
19950513
de
de
de
19960612
199624
19960612
199624
6
6C 10J 3/86 A
6C 10K 1/04 B
de
Anlage für die Druckvergasung von feinteiligen Brennstoffen im Zuge der Erzeugung eines Produktgases
en
Device for pressure gasification of fine particulate fuels to obtain a gaseous product
fr
Installation pour la gazéiffication sous pression de combustibles finement divisés afine de produire un gaz
2
Krupp Koppers GmbH
00216110
80 524/D-
Krupp-Koppers
Altendorfer Strasse 120
D-45143 Essen
DE
Kowoll, Johannes, Dr.
Melschedeweg 26
D-44799 Bochum
DE
Andrejewski, Walter, Dr.
00001292
Patentanwälte Andrejewski, Honke & Partner Postfach 10 02 54
45002 Essen
DE
DE
ES
FR
IT
NL
Anlage für die Druckvergasung von feinteiligen Brennstoffen im Zuge der Erzeugung eines Produktgases, - mit einem Vergasungsreaktor, einem Quenchapparat für das aus dem Vergasungsreaktor austretende Rohgas und mit nachgeschalteten Wärmetauschern. Der Quenchapparat weist ein Mischrohr für die Mischung des darin eintretenden Rohgases mit einem Quenchgas auf. Das Mischrohr ist von einem Gaskühlungswärmetauscher umgeben, der eine Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung aufweist. Ein Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases ist durch das aus der Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung austretende Treibgas in den Gaskühlungswärmetauscher einführbar. Es tritt gekühlt in das Mischrohr als Quenchgas ein.
Die Erfindung betrifft eine Anlage für die Druckvergasung von feinteiligen Brennstoffen im Zuge der Erzeugung eines Produktgases, - mit einem Vergasungsreaktor, einem Quenchapparat für das aus dem Vergasungsreaktor austretende Rohgas und mit nachgeschalteten Wärmetauschern, bei der der Quenchapparat ein Mischrohr für die Mischung des darin eintretenden Rohgases mit einem Quenchgas aufweist. - Der Quenchapparat kühlt das Rohgas auf eine Temperatur, bei der vom Rohgas aus dem Vergasungsreaktor mitgerissene schmelzflüssige Schlackepartikel erstarren, so daß sie keine Ablagerungen bilden, sondern ausgetragen werden können. Bei den nachgeschalteten Wärmetauschern kann es sich um Strahlungswärmetauscher und/oder um Konvektionswärmetauscher handeln. Im allgemeinen erfolgt bei den Anlagen des beschriebenen Aufbaus und der angegebenen Zweckbestimmung im Quenchapparat eine Abkühlung auf eine Temperatur von etwa 850° C.
Bei der bekannten Anlage, von der die Erfindung ausgeht (P 43 10 447.9 PatG § 3 (2)) ist das Mischrohr des Quenchappartes in Strömungsrichtung des Rohgases vor oder hinter einem Strahlungswärmetauscher angeordnet. Es ist von einem Wärmetauscher für das Quenchgas nicht umgeben. Als Quenchgas wird ein Teilstrom des gekühlten Produktgases verwendet, welches mit Injektoren angesaugt wird, die ihrerseits mit einem Teilstrom des Gases betrieben werden, der aus einem Konvektionswärmetauscher austritt.
Im übrigen ist es bekannt (US 39 63 457, PatG § 3 (1)), einen Teilstrom des kalten gereinigten Produktgases hinter einem Gaswäscher abzuziehen und mit Hilfe eines Kompressors zum Vergasungsreaktor zurückzuführen, wo er dem Rohgas als Quenchgas beigemischt wird. Die insoweit bekannten Maßnahmen sind in baulicher Hinsicht aufwendig und in energetischer Hinsicht verbesserungsbedürftig.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, bei einer Anlage des eingangs beschriebenen Aufbaus und der eingangs beschriebenen Zweckbestimmung den Quenchapparat zu vereinfachen und den Energiebedarf für den Quenchprozeß zu reduzieren.
Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung, ausgehend von der eingangs beschriebenen Anlage, daß das Mischrohr von einem Gaskühlungswärmetauscher umgeben ist, der eine Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung aufweist, und daß ein Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases durch das aus der Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung austretende Treibgas in den Wärmetauscher einführbar ist und gekühlt in das Mischrohr als Quenchgas eintritt. Im allgemeinen wird man die Anordnung so treffen, daß der Gaskühlungswärmetauscher das Mischrohr konzentrisch umgibt. Auch eine 4-eckige oder beliebig vieleckige Form des Mischrohres mit parallel zu den Wänden des Mischrohres angeordneten Wärmetauscherflächen ist möglich. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühlungswärmetauscher eine Mehrzahl von hohlzylindrischen Wärmetauscherwänden aufweist, die mit radialem Abstand voneinander angeordnet sind und den Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases in Zylinderschichtströme aufteilt. Die Wärmetauscherwände können Membranwände, Rohre oder dergleichen sein. Es versteht sich, daß die Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung ebenfalls das Mischrohr umgibt, z. B. eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Treibdüsen aufweist. Der Treibstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases verteilt sich symmetrisch um die Achse des Mischrohres. Das gilt auch für das Quenchgas bei Eintritt in das Mischrohr und in den Gaskühlungswärmetauscher, in den die Mischung aus dem Rohgas und dem Quenchgas eintritt. Diese Mischung kann in dem Gaskühlungswärmetauscher von unten nach oben oder von oben nach unten strömen. Der Strömungsweg von oben nach unten ist vorteilhaft, weil erstarrte Schmelzepartikel nach unten abgeführt werden können.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das Mischrohr eines Quenchapparates bei einer Anlage des eingangs beschriebenen Aufbaus ohne Schwierigkeiten und ohne besonderen Aufwand von einem Gaskühlungswärmetauscher umgeben werden kann, in dem das aus dem Mischrohr austretende Rohgas mit seiner Temperatur von etwa 850° C, die dieses Rohgas durch die Einführung des Quenchgases erreicht hat, auf eine für den Quenchprozeß ausreichend niedrige Temperatur gekühlt werden kann. Dabei kann das Treibgas zur Steuerung des Quenchprozesses und zur Kühlung beitragen.
Das kann zunächst dadurch geschehen, daß die Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung eine Einrichtung zur Steuerung des Treibgasmengenstromes aufweist und über diese Einreichung der Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases sowie dessen Kühlung steuerbar sind. Das kann auch dadurch geschehen, daß die Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung an eine Zuführeinrichtung für gekühltes Produktgas angeschlossen und mit gekühltem Produktgas betreibbar ist.
Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage. Im Rahmen der Erfindung kann die Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung im Bereich des Gaseintritts des Gaskühlungswärmetauschers angeordnet sein, sie kann aber auch im Bereich des Gasaustritts des Gaskühlungswärmeaustauschers angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, daß in Gasströmungsrichtung hinter zumindest einem der dem Quenchapparat nachgeschalteten Wärmetauscher ein weiteres Mischrohr mit umgebendem Gaskühlungswärmetauscher und Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung und Teilstromabzweigung aus der Mischung aus Rohgas und Quenchgas angeordnet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage besteht ohne weiteres die Möglichkeit, den Vergasungsreaktor und den Quenchapparat in einem gemeinsamen Druckbehälter übereinander anzuordnen. Die erfindungsgemäße Anlage ist jedoch in bezug auf die Anordnung des Vergasungsreaktors und des Quenchapparates flexibel. Der Vergasungsreaktor und der Quenchreaktor sowie der Quenchreaktor einerseits und zumindest ein nachgeschalteter Wärmetauscher andererseits können auch in selbständigen Druckbehältern angeordnet sein, die durch Gasführungsleitungen verbunden sind. Dabei kann auch in dem Druckbehälter, in dem sich der Vergasungsreaktor und der Quenchapparat befinden, ein weiterer Wärmetauscher angeordnet sein.
Im folgenden werden die Erfindung und durch die Erfindung erreichte Vorteile anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher behandelt. Es zeigen
Fig. 1
das Schema einer erfindungsgemäßen Anlage,
Fig. 2
im gegenüber der Fig. 1 wesentlich vergrößertem Maßstab den Ausschnitt A aus dem Gegenstand der Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage ist für die Druckvergasung von feinteiligen Brennstoffen im Zuge der Erzeugung eines Produktgases bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein Vergasungsreaktor 1, ein Quenchapparat 2 für das aus dem Vergasungsreaktor 1 austretende Rohgas und nachgeschaltete Wärmetauscher 3. Bei dem nachgeschalteten Wärmetauscher 3 über dem Quenchapparat 2 mag es sich um einen Strahlungswärmetauscher, z. B. in Form eines Hochdruckdampfwärmetauschers, handeln, der in Strömungsrichtung nachgeschaltete Wärmetauscher 3 ist als Konvektionswärmetauscher ausgelegt. Der Quenchapparat 2 besitzt ein Mischrohr 4 für die Mischung des darin eintretenden Rohgases mit einem Quenchgas.
Insbesondere aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 entnimmt man, daß das Mischrohr 4 von einem Gaskühlungswärmetauscher 5 umgeben ist, der eine Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung aufweist. Ein Teilstrom des mit Quenchgas gemischten Rohgases wird durch das aus der Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung austretende Treibgas in den Gaskühlungswärmetauscher 5 eingeführt und gekühlt und tritt danach in das Mischrohr 4 als Quenchgas ein. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung umgibt der Gaskühlungswärmetauscher 5 das Mischrohr 4 konzentrisch. Angedeutet wurde in den Fig. 1 und 2, daß der Gaskühlungswärmetauscher 5 eine Mehrzahl von hohlzylindrischen wärmetauscherwänden 7 aufweist, die mit radialem Abstand voneinander angeordnet sind und den Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases in Zylinderschichtströme aufteilt. Die wärmetauscherwände mögen Membranwände oder Rohre sein. Aus Maßstabsgründen wurde nicht gezeichnet, daß die Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung eine Einrichtung zur Steuerung des Treibgasmengenstromes aufweisen kann und daß über diese Einrichtung der Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases sowie dessen Kühlung bis auf Quenchgastemperatur steuerbar sind.
Im Rahmen der Erfindung kann grundsätzlich mit den verschiedensten Treibgasen gearbeitet werden, soweit diese mit dem Produktgas verträglich sind. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung an eine Zuführeinrichtung 8 für gekühltes Produktgas angeschlossen, die das Treibgas aus dem abgehenden Produktgas abzieht. Die Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung ist auf diese Weise mit gekühltem und gereinigtem Produktgas betreibbar.
Im Ausführungsbeispiel erkennt man, daß die Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung im Bereich des Gasaustritts 9 des Gaskühlungswärmetauschers 5 angeordnet ist. Sie könnte aber auch im Bereich des Gaseintritts 10 angeordnet sein. Es könnte auch zusätzlich im Bereich des Gaseintritts 10 eine Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung angeordnet werden. Nicht dargestellt wurde, daß neben dem beschriebenen Quenchapparat 2 ein weiterer hinter einem nachgeschalteten Wärmetauscher 3 angeordnet werden kann.
Im Ausführungsbeispiel sind der Vergasungsreaktor 1 und der Quenchapparat 2 sowie zumindest ein weiterer Wärmetauscher 3 in einem gemeinsamen Druckbehälter 11 übereinander angeordnet. Nachgeschaltet ist ein weiterer Druckbehälter 12 für einen weiteren Wärmetauscher 3. Die beiden Druckbehälter 11, 12 sind über Gasführungsrohre 13 verbunden.
Der Quenchapparat 2 und die Vorrichtung 6 zur Treibgaseinspeisung erlauben eine kompakte Bauweise. Die Druck- und Energieverluste sind außerordentlich klein, lediglich die Druckverluste im Mischrohr 4 und im Gaskühlungswärmetauscher 5 sind zu überwinden. Klebrige Schlackepartikel, die das Rohrgas mitbringt, erstarren im Mischrohr 4 und damit vor dem Eintritt in den Gaskühlungswärmetauscher. Erosionsphänomene, die im Quenchgas mitgeführte Partikel erzeugen könnten, sind selten und verhältnismäßig klein, da mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten dieses Gases gearbeitet werden kann. Zwar können sich an den Wärmetauscherwänden 7 Ablagerungen bilden, diese sind jedoch auf bekannte Art und Weise, z. B. durch Klopfen, Rütteln oder Rußblasen entfernbar. Sie können den Abkühlungswärmetauscher ungehindert verlassen. Eine Abklopfeinrichtung 14 wurde angedeutet.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage erfolgt die Wärmeauskopplung aus dem Teilstrom der Gasmischung aus Produktgas und Quenchgas bei hohem Temperaturniveau, so daß mit kleinen wärmeaustauschflächen und folglich mit einem kompakten Gaskühlungswärmetauscher 5 gearbeitet werden kann. Für das Treibgas wird nur ein Verdichter 15 verhältnismäßig geringer Leistung benötigt. Im Mischrohr 4 wird eine annähernd ausgeglichene Gastemperatur im Bereich 600° C bis 1300° C erreicht, bei der mitgerissene schmelzflüssige Partikel erstarren. Das Quenchgas tritt aus dem Gaskühlungswärmetauscher mit einer Temperatur von 200° C bis 900° C aus. Es kann auch durch das Treibgas dem Mischrohr 4 zugeführt werden.
Die optimale Geschwindigkeit des Gases im Mischrohr 4 und im Gaskühlungswärmetauscher 5 liegt bei 6 - 10 m/s. Sie kann in einem relativ breiten Bereich von 3 - 20 m/s liegen.
Deutlich höhere Geschwindigkeit, 40 m/s bis Schallgeschwindigkeit, soll dagegen das Treibgas haben. Mit der steigenden Geschwindigkeit sinkt der Treibgasmengenstrom.
1. Anlage für die Druckvergasung von feinteiligen Brennstoffen im Zuge der Erzeugung eines Produktgases, - mit
einem Vergasungsreaktor (1),
einem Quenchapparat (2) für das aus dem Vergasungsreaktor (1) austretende Rohgas und mit
nachgeschalteten Wärmetauschern (3),
wobei der Quenchapparat (2) ein Mischrohr (4) für die Mischung des darin eintretenden Rohgases mit einem Quenchgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (4) von einem Gaskühlungswärmetauscher (5) umgeben ist, der eine Vorrichtung (6) zur Treibgaseinspeisung aufweist, und daß ein Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases durch das aus der Vorrichtung (6) zur Treibgaseinspeisung austretende Treibgas in den Gaskühlungswärmetauscher (5) einführbar ist sowie gekühlt in das Mischrohr (4) als Quenchgas eintritt.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühlungswärmetauscher (5) das Mischrohr (4) konzentrisch umgibt.
3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühlungswärmetauscher (5) eine Mehrzahl von hohlzylindrischen Wärmetauscherwänden (7) aufweist, die mit radialem Abstand voneinander angeordnet sind und den Teilstrom des mit dem Quenchgas gemischten Rohgases in Zylinderschichtströme aufteilt.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6) zur Treibgaseinspeisung eine Einrichtung zur Steuerung des Treibgasmengenstromes aufweist und über diese Einrichtung der Teilstrom des mit Quenchgas gemischten Rohgases sowie dessen Kühlung auf Quenchtemperatur steuerbar sind.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6) zur Treigaseinspeisung an eine Zuführeinrichtung (8) für gekühltes Produktgas angeschlossen und mit gekühltem Produktgas betreibbar ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6) zur Treibgaseinspeisung im Bereich des Gasaustritts (9) des Gaskühlungswärmetauschers (5) angeordnet ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6) zur Treibgaseinspeisung im Bereich des Gaseintritts (10) des Gaskühlungswärmetauschers (5) angeordnet ist.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Gasströmungsrichtung hinter zumindest einem der dem Quenchapparat (2) nachgeschalteten Wärmetauscher (3) ein weiteres Mischrohr (4) mit umgebendem Gaskühlungswärmetauscher (5) und Vorrichtung zur Treibgaseinspeisung und Teilstromabzweigung aus dem mit dem Quenchgas gemischten Rohgas angeordnet ist.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsreaktor 1 und der Quenchapparat (2) sowie zumindest ein weiterer Wärmetauscher (3) in einem gemeinsamen Druckbehälter (11) übereinander angeordnet sind.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsreaktor (1) und der Quenchapparat (2) in einem Druckbehälter (11) und zumindest ein nachgeschalteter Wärmetauscher (3) in einem weiteren Druckbehälter (12) angeordnet sind, wobei die beiden Druckbehälter durch Rohrleitungen (13) verbunden sind.