Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung und Reinigung von Vergasungsgasen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung und Reinigung von Vergasungsrohgasen, die bei der Vergasung von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen entstehen und bei Normal- und höherem Druck und mit Temperaturen zwischen 1100- 1600 °C aus dem Vergasungsraum eines Flugstromvergasers in ein Kühl- oder Quenchsystem eintreten, wobei das Kühl- und Quenchsystem aus einem Vanturirohr besteht, in dessen engstem Querschnitt das zu kühlende und zu reinigende Rohgas auf Geschwindigkeiten zwischen 30 und 150 m/s beschleunigt wird und in das vor oder im engsten Querschnitt Kühlmittel zugeführt wird sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung

[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 H₂-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] Die 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 H₂-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

Ansprüche

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.

Zeichnung