[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches
und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung ist überall dort
anwendbar, wo der Bedarf zur Kühlung und Reinigung von heißen Vergasungsgasen, die
bei der Vergasung von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen entstehen, besteht.
[0002] Unter Brenn-, Rest- und Abfallstoffen verstehen wir dabei konventionelle Brennstoffe
wie Kohlen verschiedenen Inkohlungsgrades, Öle aus verschiedenen Aufkommen sowie Gase
wie Erdgas, Reststoffe aus der Industrie wie beispielsweise Synthesereststoffe, halogenhaltige
Reststoffe wie beispielsweise chlor- oder fuorhaltige Kohlenwasserstoffe, Rückstände
der Erdölverarbeitung wie Schweröle und Petrolkoks sowie Abfallstoffe aus Haushalt
und Gewerbe wie halogenhaltige Kunststoffe in Mischung mit weiteren Abfällen.
[0003] Für die Vergasung von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen hat sich die Partialoxidation
mit freiem Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel nach dem Flugstromprinzip bewährt.
Die Vergasung erfolgt unter höherem Druck bei Temperaturen zwischen 1000 °C bis 1600
°C. Bekannte Reaktoren zur Durchführung eines solchen Vergasungsprozesses bestehen
aus einem oder mehreren nacheinander angeordneten Reaktionsräumen, in denen die zu
vergasenden Brenn-, Rest- und Abfallstoffe im Flugstrom, in der Form einer Flammenreaktion
zu einem CO- und H
2-reichem Rohgas umgesetzt werden. Besteht der Einsatzstoff aus halogenhaltigem Material,
sind gleichfalls höhere Konzentrationen an Halogenwasserstoffen im Rohgas. Das mit
Temperaturen zwischen 1000 °C und 1600 °C heiße Rohgas tritt nach dem Reaktionsraum
in ein Kühl- oder Quenchsystem ein, wo durch direkten Kontakt mit Wasser eine Kühlung
und Aufsättigung des Gases erfolgt. Eine Gruppe von technischen Lösungen benutzt dazu
ein innenseitig mit einem Wasserfilm gekühltes Rohr, das in ein Wasserbad eintaucht,
wie in DD-WP 145 860 und DE ― OS 31 51 483 beschreiben. Dieses Kühlprinzip wird unter
anderem ergänzt durch weitere Kühlstufen in Form von zum Beispiel einer Wasserverdüsung
am Ende des Tauchrohres. Ein Nachteil dieses Prinzips ist der unabhängig von der Leistung
des Reaktors hohe spezifische Wasserverbrauch und der ungenügende Kühl- und Wascheffekt.
[0004] Zur Überwindung der genannten Nachteile wurden Sprühquenchsysteme entwickelt, bei
denen das heiße Vergasungsgas als Freistrahl in einen Freiraum eintritt und die Kühlung
durch Eindüsen von Wasser geschieht. Lösungen dieser Art sind beschrieben in DD 288
614 B3 und in DE 36 01 786 C2.
[0005] Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass relativ große Quenchräume benötigt
werden und der Wascheffekt sich nur ungenügend vollzieht. Durch ungenügende Durchmischung
des Gases und sogenannter Strähnenbildung entsteht im Quenchraum ein inhomogenes Temperaturfeld
mit heißen und kalten Zonen, was zu unerwünschten Nachreaktionen wie Rußbildung und
dem Entstehen toxischer Komponenten führen kann.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, heiße Vergasungsgase, die bei der Vergasung
von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen entstehen und mit Temperaturen von 1100 ― 1600
°C den Vergasungsreaktor verlassen, durch Kontaktierung mit einem Kühlmittel einer
Sturzkühlung (Quenchung) zu unterziehen und gleichzeitig einen Waschprozess einzuleiten.
[0007] Erfindungsgemäß wird das den Reaktionsraum verlassende 1100 ― 1600 °C heiße Vergasuntgsgas
direkt in ein Rohr, beispielsweise ein Venturirohr, eingeleitet, dem gleichzeitig
das Kühlmittel zugeführt wird. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit im Venturirohr
von 50 bis 100 m/s wird das eingespritzte oder anderweitig zugeführte Kühlmittel in
feinste Tröpfchen aufgerissen, was zur Bildung sehr großer Oberflächen führt. Da sowohl
die Geschwindigkeit der Abkühlung als auch die des Stoffaustausches bei der Waschung
des Gases direkt von der gebildeten Oberfläche bestimmt werden, steigen Kühl- und
Wascheffekt mit abnehmendem Tropfendurchmesser exponentiell an.
[0008] Durch extrem schnelle Sturzkühlung (Quenchung) werden Nachreaktionen "eingefroren",
so dass es nicht zur Bildung unerwünschter Komponenten kommen kann. Speziell bei der
Vergasung halogenhaltiger Rest- und Abfallstoffe besteht die Möglichkeit, als Kühlmittel
für die Sturzkühlung Halogenwasserstoffsäure zu benutzen, um auf diese Weise eine
genügend hohe Konzentration dieser Wertstoffe zu erreichen.
[0009] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten
Patentanspruches gelöst und mit Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
[0010] Im Gegensatz zum starren Freiraum- oder Rohrquencher kann der Querschnitt des Venturirohres
in Abhängigkeit von der Gasmenge so geregelt werden, dass immer die optimale Geschwindigkeit
des Gasstromes eingestellt wird. Besonders bei der Gewinnung von Wertstoffen aus dem
Vergasungsgas, wie beispielsweise Salzsäure oder Flusssäure, wie dies beim Einsatz
halogenhaltiger Rest- und Abfallstoffe möglich ist, können dem Venturiquenchsystem
weitere Waschstufen nachgeschaltet und im Kreislauf verbunden werden.
[0011] Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel mit 6 Figuren näher
erläutert.
Die Figuren zeigen:
- Fig. 1
- Anordnung von Vergasungsreaktor und Venturiquencher,
- Fig. 2
- konstruktive Ausgestaltung des Venturiquenchers mit Düsen und Stutzen,
- Fig. 3/4
- weitere Lösungen zur Kühlmittelzuführung,
- Fig. 5
- Anordnung einer zusätzlichen Wasch- und Kühlstufe nach dem Venturiquencher,
- Fig. 6
- Ausführungsbeispiel für einen regelbaren Venturiquencher.
[0012] Di
e Figur 1 zeigt die Anordnung von Vergasungsreaktor 2 und Venturiquencher 3. Der Brenn-, Abfall-
oder Reststoff wird gemeinsam mit Sauerstoff über Brenner 1 dem Vergasungsraum 2 zugeführt
und in einer Flammenreaktion zu CO- und H
2-reichem Vergasungsgas umgesetzt. Das 1100- 1600 °C heiße Vergasungsgas gelangt aus
dem Vergasungsraum 2 in den Venturiquencher 3, in dessen engstem Querschnitt das zu
kühlende und zu reinigende heiße Vergasungsgas auf Geschwindigkeiten zwischen 50 und
100 m/s beschleunigt wird. Über den Stutzen 7 wird Kühlmittel zugeführt, das im Doppelmantel
4 des Venturiquenchers nach oben strömt und dabei die Metallwandung kühlt Das Kühlmittel
gelangt über Zuführungsöffnungen 5, die auch als Düsen ausgebildet sein können, in
den heißen Gasstrom und wird in kleine Tröpfchen aufgerissen, die eine große spezifische
Oberfläche bilden und zu einer extrem schnellen Abkühlung des heißen Vergasungsgases
führen. Mitgerissene, bei den hohen Gastemperaturen flüssige Schlackepartikel werden
gleichfalls gekühlt, verfestigt und mit dem Gasstrom weggeführt. Feste Partikel wie
Ruß oder andere nicht geschmolzene Bestandteile werden benetzt und im nachfolgenden
Abscheider 6 gemeinsam mit Wassertröpfchen aus dem gekühlten Gasstrom abgeschieden.
Der Abscheider 6 kann nach dem Stand der Technik beispielsweise als Fliehkraft- oder
Lamellenabscheider ausgebildet sein. Als kühlmedium wird gewöhnlich Wasser verwendet,
das nach einer Zwischenreinigung durch Staubabscheidung im Kreislauf geführt wird.
Gleichfalls werden Kondensate verwendet, die im nachgeschalteten technologischen Teil
der weiteren Gaskühlung und -reinigung anfallen. Bei Einsatz halogenhaltiger Rest-
und Abfallstoffe mit dem Ziel der Gewinnung von Halogenwasserstoffsäuren kann als
Kühl- und Waschmittel über den Stutzen 7 und die Zuführungsöffnungen 5 bereits Halogenwasserstoffsäure
zugeführt werden, um während des gleichzeitig ablaufenden Waschprozesses im Venturiquencher
und nachgeschalteten Stufen eine genügend hohe Säurekonzentration zu erhalten.
[0013] Die
Figur 2 zeigt eine bestimmte konstruktive Ausgestaltung der erfinderischen Lösung, bei der
das über den Stutzen 7 zugeführte Kühlmittel zur Kühlung der Metallwandung des Venturirohres
zunächst nach unten geleitet, umgelenkt und über den doppelmantelähnlichen Raum 4
im engsten Querschnitt des Venturirohres 3 über die Zuführungsöffnung 5 dem aus der
Vergasungskammer 2 kommenden heißen Gasstrom aufgegeben wird.
[0014] Die
Figuren 3 und 4 zeigen besondere Lösungen der Kühlmittelzufuhr 5. Während in Figur 3 das Kühlmittel
über eine wehrähnliche Anordnung geführt wird, fließt es in Figur 4 als Kühlmittelfilm
in den Konfusor des Venturiquenchers 3 ein. Den Lösungen nach den Figuren 3 und 4
ist gemeinsam, dass das Kühlmittel vor dem engsten Querschnitt des Venturiquenchers
3 im Konfusor zugeführt wird. Es wird vom Gasstrom beschleunigt und im engsten Querschnitt
zu feinste Tröpfchen aufgerissen. Die filmartige Ausbildung des Kühlmittelstromes
bewirkt gleichzeitig eine zusätzliche Kühlung der Metallwandung im Konfusionsbereich
des Venturiquenchers 3.
[0015] Die
Figur 5 zeigt die Anordnung einer zusätzlichen Wasch- und Kühlstufe 8 hinter dem Venturiquencher
3. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn bestimmte Komponenten wie Halogenwasserstoffe
zur Gewinnung von Halogenwasserstoffsäuren aus dem Rohgasstrom zu gewinnen sind. Der
Abscheider 6 ist dann dieser zusätzlichen Wasch- und Kühlstufe 8 nachgeschaltet.
[0016] Die
Figur 6 zeigt die Anordnung eines regelbaren Venturiquenchers 3. Starre Venturiquencher 3
haben den Nachteil, dass mit schwankender Rohgasmenge gleichfalls die Geschwindigkeiten
im Venturiquencher 3 unterschiedlich hoch sind. Wird die Gasgeschwindigkeit zu niedrig,
wird das Kühlmittel nur in ungenügender Weise zerteilt. Es bilden sich nur größere
Kühlmitteltropfen, deren Oberfläche für den gewünschten Kühl- und Wascheffekt zu gering
ist. Durch Anordnung eines verfahrbaren Kegels 9 lässt sich der verbleibende Querschnitt
in Abhängigkeit von der Rohgasmenge regeln, so dass unabhängig von der Rohgasmenge
die gewünschte Geschwindigkeit eingestellt werden kann. Um ein Austreten von Rohgas
oder Kühlmittel zu verhindern, wird die Antriebsstange durch ein Abdichtungssystem
10 geführt. Um den mechanischen Aufwand gering zu halten, wird das gequenchte Rohgas
seitlich abgeführt.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
[0017]
- 1
- Brenner
- 2
- Vergasungsraum
- 3
- Venturirohr
- 4
- Doppelmantel
- 5
- Zuführung des Kühlmittels
- 6
- Abscheider
- 7
- Stutzen
- 8
- Wasch- und Kühlstufe
- 9
- Verfahrbarer Kegel
- 10
- Abdichtungssystem
1. Verfahren zur Kühlung und Reinigung von Vergasungsrohgasen, die bei der Vergasung
von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen entstehen und bei Normal- und höheren Drucken
und mit Temperaturen zwischen 1100- 1600 °C aus dem Vergasungsraum eines Flugstromvergasers
in ein Kühl- oder Quenchsystem eintreten, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende
und zu reinigende heiße Rohgas aus dem Vergasungsraum in einem sich verjüngenden Rohr
auf Geschwindigkeiten zwischen 30 und 150 m/s, vorzugsweise zwischen 50 und 100 m/s
beschleunigt wird, wobei dem heißen Rohgas vor oder nach dem engsten Querschnitt Kühlmittel
zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Gasstromes
über den Querschnitt des Rohres unabhängig von der Gasmenge geregelt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel
Wasser, Laugen oder Säuren zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohgas nach dem Beschleunigungs- und Waschprozess einem zusätzlichen Wasch- und
Kühlprozess mit einer anschließenden Abscheidung unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Kühlmittel im Rohr die abgetrennte Flüssigkeit des Abscheiders oder der nachgeschalteten
Wasch- und Kühlstufe zugeführt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass
nach dem Vergasungsraum (2) als Rohr zur Beschleunigung des Rohgases ein Venturirohr
(3) angeordnet ist, welches an seiner engsten Stelle Zuführöffnungen (5, 7) für eine
Kühlflüssigkeit aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Venturirohr (3)
ein Abscheider (6) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Venturirohr (3) als Doppelmantel (4) ausgeführt ist und das Kühlmittel über den
Doppelmantel (4) dem Venturirohr (3) zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuführung (5) des Kühlmittels in das Venturirohr (3) über Düsen erfolgt.
10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Zuführung (5) des Kühlmittels über einen Überlauf erfolgt.
11. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Zuführung (5) des Kühlmittels über durch einen mittels Spalt erzeugten Kühlmittelfilm
erfolgt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Venturirohr (3) eine zusätzliche Wasch- und Kühlstufe (8) nachgeschaltet ist und
das gekühlte und gewaschene Gas zum Abscheider (6) gelangt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlmittel des Venturirohres (3) abgetrennte Flüssigkeit des Abscheiders (6) oder
der nachgeschalteten Wasch- und Kühlstufe (8) über Rohrleitungen zugeführt wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wirksame Querschnitt des Venturirohres (3) mittels verfahrbarem Kegel (9) im Venturirohr
(3) eingestellt wird.