ren zur Gewinnung von Alkaliverbindungen aus Gasgemischen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Alkaliverbindungen aus heissen gasartigen, ionisierte Alkaliverbindungen und Verbrennungsprodukte von Kohle, enthaltenden Gemischen.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man vorerst aus den Gemischen praktisch alle gegen über den Alkaliverbindungen weniger flüchtigen Stoffe entfernt, während man mindestens die gleichzeitige Abtrennung eines grösseren Anteils der Alkaliverbindungen vermeidet, dass man dann die sich ergebenden gasartigen Gemische auf eine zur Kondensation der Alkaliverbindungen ausreichende Temperatur abkühlt, wonach die kondensierten Alkaliverbindungen aus den abgekühlten Gemischen entfernt werden.
Das Verfahren ist insbesondere für die Rückgewinnung von Alkaliverbindungen (Samen) geeignet, welche zur Ionisierung von Verbrennungsprodukten zugegeben wurden, die durch die Verbrennung von Kohle in Luft oder einem mit Sauerstoff angereicherten brennbaren Medium erzeugt wurden, so dass der Samen wieder zurückgeführt und in einem magnetohydrodynamischen (hierin abgekürzt MHD ) elektrischen Generatorsystem wieder verwendet werden kann.
Obwohl sie nicht auf solche Anwendungen begrenzt ist, wird die vorliegende Erfindung der Einfachheit halber unter besonderer Bezugnahme auf ihre Verwendung in elektrischen MHD-Generatorsystemen beschrieben.
Allgemein erzeugen MHD-Generatoren elektrische Leistung durch die Bewegung eines elektrisch leitenden fliessfähigen Mediums relativ zu einem Magnetfeld.
Das verwendete fliessfähige Medium ist gewöhnlich ein elektrisch leitendes Gas von einer Hochtemperaturund Hochdruckquelle. Von der Quelle fliesst das fliessfähige Medium durch den Generator und induziert aufgrund seiner Bewegung relativ zu dem Magnetfeld eine elektromotorische Kraft zwischen gegenüber liegenden Elektroden in dem Generator. Das Gas kann zu einem Abzug ausströmen, bei dem es sich einfach um die Atmosphäre handeln kann, oder in umfangreicheren Systemen kann das Gas zu einem Rückgewinnungssystem abströmen, welches eine Pumpvorrichtung enthält, um das Gas zur Quelle zurückzubringen.
Mehrere verschiedene Gase können verwendet werden. Die Gase können Verbrennungsprodukte sein oder inerte Gase umfassen, wie Helium oder Argon. In offenen Systemen, d. h. in denjenigen, bei denen die Gase nicht nach dem Durchgang durch das Kraftwerk zurückgewonnen werden, werden normalerweise Verbrennungsprodukte verwendet. In geschlossenen Systemen, in denen die Gase zurückgewonnen und wieder zugeführt werden, ist es ausführbar, verhältnismässig teure Gase wie Helium und Argon zu verwenden. Um die elektrische Leitfähigkeit hervorzurufen, werden die Gase auf eine hohe Temperatur erhitzt. Die Leitfähigkeit kann auch dadurch gesteigert werden, dass den Gasen eine Substanz zugegeben wird, die leicht bei der Betriebstemperatur ionisiert.
Unabhängig von dem verwendeten Gas besteht es aus einem Gemisch von Elektronen, positiven Ionen und neutralen Atomen, und dieses Gemisch wird der Einfachheit halber mit Plasma bezeichnet.
Die Temperatur des Plasmas ist von grosser Bedeutung nicht nur für den Gesamtwirkungsgrad des Systems, sondern auch für den Entwurf des MHD Generators. Wenn eine höhere Temperatur am Einlass des Generators verfügbar ist, kann ein grösserer isotropischer Abfall entwickelt werden, wenn sich das Plasma durch den Generator ausdehnt, was einen verbesserten Wirkungsgrad zur Folge hat. Da weiterhin die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas sich stark mit steigender Temperatur erhöht, ist es möglich, eine gegebende Leistungsmenge in einem verhältnismässig kleineren Generator unter Verwendung eines kleineren Magnetfeldes zu erzeugen, als es auf andere Weise möglich wäre.
Der gesteigerte Wirkungsgrad des Systems, beträchtlich oberhalb desjenigen herkömmlicher Dampfturbinenkraftwerke, und das Fehlen heisser sich bewegender Teile in dem Generator legt nahe, dass zu gegebener Zeit dieses System Leistungserzeu gungssysteme herkömmlicher Bauart ersetzen wird.
Verbrennungsprodukte von der Verbrennung von Kohle ionisieren nicht, bevor extrem hohe Temperaturen erreicht sind. Wie jedoch vorher angegeben wurde, kann, wenn eine geringe Menge eines Materials, welches leichter ionisiert, wie ein Alkali, dem Gas zugegeben wird, eine ausreichende Ionisierung bei Temperaturen erreicht werden, welche in Verbrennungskammern durch Verbrennung von Kohle mit einem vorgewärmten Oxydator durchaus erzeugt werden können.
Für ein aus Verbrennungsprodukten von Kohle bestehendes Plasma werden Verbrennungstemperaturen von etwa 2760" C für eine gute Leistung benötigt. Die zugeführte Verunreinigung wird Samen genannt, und das Verfahren nennt man Beimpfen . In der Praxis geschieht die Beimpfung durch Zugabe eines Alkalisal- zes zu dem Gas anstelle des teureren reinen Metalls.
Heutzutage wurde Kalium als Samen aus wirtschaftlichen Gründen gewählt. Das billigste Kaliumsalz, KCl, ist als Samen nicht geeignet, da das Chloratom stark elektrisch negativ ist und die von dem Kalium abgegebenen Elektronen einfängt. Es ist deshalb notwendig, ein teureres Salz, z. B. Kaliumkarbonat oder Kaliumhydroxyd als Samen zu verwenden.
Hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Schaffung eines geeigneten Plasmas für MHD-Generatoren genügt es zu sagen, dass die Leitfähigkeit eine sehr starke Funktion der Gastemperatur ist, und eine Gasleitfähigkeit von mehr als einem Siemens je Meter ist erforderlich, was einer Mindestgastemperatur von etwa 22000 C entspricht.
Die Menge des Kaliumkarbonats, Kaliumhydroxyds oder dgl., die zur Erreichung einer ausreichenden Leitfähigkeit des Plasmas in einem MHD-Generator erforderlich ist, liegt in der Grössenordnung von 2 bis 5 O/o des Brennstoffgewichtes. Dies entspricht einer Samenkonzentration von etwa 0,1 bis 0,3 Vol.- /o nach der Verbrennung. Die oben erwähnte erforderliche Samenmenge ist etwa die zehnfache Menge oder mehr des Kaliums, das gewöhnlich in Kohlenasche vorhanden ist. Infolgedessen muss Samen zu den Verbrennungsprodukten der Kohle hinzugefügt werden.
Wie jetzt ersichtlich ist, ist die Verwendung von Samen beim Betrieb von MHD-Generatorsystemen erforderlich, und die Kosten des Samens stellen einen beträchtlichen Teil der Betriebskosten von elektrischen MHD-Generatoranlagen dar. Da der Wirkungsgrad einer MHD-Generatoranlage von sich aus höher als der herkömmliche Dampfgeneratoranlagen ist (z. B. etwa 53,5 o/o für 1MHD- und 40 O/o für Dampfgeneratoranlagen bei etwa 500 MW Kapazität), können die Kosten der erzeugten Nettoleistung auf der Basis der Gesamtbetriebskosten und der Gesamtkapitalkosten als geringer als bei Dampfgeneratoranlagen erwartet werden. Ohne die Samenrückgewinnung in einer MHD Anlage übersteigen jedoch die Kosten der Kohle und des Samens die Kosten der Kohle für eine vergleichbare Dampfgeneratoranlage.
Auf der Basis der Kosten je Kilowattstunde nehmen die Kosten für Kohle und Samen linear von einer Grösse, welche wesentlich die Kosten für Kohle für Dampfgeneratoranlagen bei Null Prozent Rückgewinnung des Samens übersteigt, linear auf eine Grösse ab, welche wesentlich geringer als die für Dampfgeneratoranlagen bei hohen Prozentsätzen der Rückgewinnung ist.
Dank der vorliegenden Erfindung kann man Alkali aus einem stark erhitzten gasartigen Gemisch von Alkali und den Verbrennungsprodukten von Kohle entfernen, wobei z. B. das Alkali in das Gemisch eingeführt wurde, um dessen elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen MHD-Generators ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm ist, welches ein elektrisches MHD-Generatorsystem darstellt, das Mittel aufweist, um Sauerstoff von der Luft zur Verwendung in der Verbrennungskammer eines offenen Systems, das den Sauerstoffkreislauf verwendet, zu trennen;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den Kosten der Kohle in Dampfgeneratoranlagen und den Kosten der Kohle und des Samens für verschiedene Grade der Rückgewinnung in MHD Generatoranlagen ist;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung der Verflüchtigung der Bestandteile von Kohlenasche ist, und
Fig. 5 ein Blockdiagramm ist, das in Übereinstim- mung mit der vorliegenden Erfindung eine Abänderung des in Fig. 2 offenbarten Systems darstellt.
Eine Kenntnis der Prinzipien von MHD-Generato- ren fördert das Verständnis der vorliegenden Erfindung. Aus diesem Grund wird in Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen MHD-Generators gezeigt. Der Generator besteht aus einem kegeligen Rohr 1, in das ein elektrisch leitendes Plasma von hoher Temperatur und hohem Druck eingeführt wird, wie es durch den Pfeil 2 angezeigt ist, und aus dem das Plasma wie durch den Pfeil 3 dargestellt ausströmt. Der Druck am Ausgang des Rohres ist geringer als an seinem Eingang, und aus diesem Grund bewegt sich das Plasma mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr, wie es der Pfeil 4 zeigt.
Durch geeignete Wahl des Druckunterschiedes und der Form des Rohres kann erreicht werden, dass sich das Plasma mit praktisch konstanter Geschwindigkeit durch das Rohr bewegt, was zweckmässig, aber für den Betrieb des Generators nicht notwendig ist. Das Äussere des Rohres wird durch einen kontinuierlichen elektrischen Leiter in Form einer Spule 5 umgeben, auf die elektrischer Strom von einer herkömmlichen Quelle oder vom Generator selbst gegeben wird. Der Fluss von elektrischem Strom durch die Spule erzeugt einen Magnetfluss durch das Rohr senkrecht zur Richtung des Plasmaflusses und zur Ebene des Papiers.
In dem Rohr sind gegenüberliegende Elektroden 6 und 7 angeordnet. Diese Elektroden können sich entlang dem Inneren des Rohres parallel zur Richtung der Plasmabewegung erstrecken und einander gegenüber auf einer Achse angeordnet sein, die sich sowohl zur Richtung der Plasmabewegung als auch des Magnetflusses senkrecht erstreckt.
Die Bewegung des elektrisch leitenden Plasmas mit hoher Geschwindigkeit durch das Magnetfeld induziert eine in einer Richtung wirkende EMK zwischen den Elektroden, wie es durch die Pfeile 9 angezeigt ist. Die Elektroden 6 und 7 sind durch den Leiter 10 mit einer Last 8 verbunden, durch die elektrischer Strom unter dem Einfluss der zwischen den Elektroden induzierten EMK fliesst.
In Fig. 2 wird ein Blockdiagramm eines Systems gezeigt, bei dem Brennstoff, wie pulverisierte Kohle, mit Samen bei 20 in die Verbrennungskammer 21 eingeführt wird. In die Verbrennungskammer wird bei 22 auch reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches, die Verbrennung unterstützendes Medium eingeführt. Da die Wärmeabgabe in der Verbrennungskammer je Pfund des Plasmas stark mit höheren Konzentrationen des Sauerstoffs als sie in der Luft vorhanden sind, gesteigert werden kann und der normale Stickstoffgehalt der Luft nicht auf Betriebstemperaturen erwärmt zu werden braucht, kann das die Verbrennungskammer bei 23 verlassende und in den MHD-Generator 24 eintretende Plasma leicht bei einer Temperatur über 27600 C erzeugt werden.
Bei einer höheren Plasmatemperatur am Eingang des MHD-Generators kann eine grössere Energiemenge durch den Generator bei der Ausdehnung des Plasmas auf einen gegebenen niedrigeren Druck abgezogen werden, was einen gesteigerten Betriebswirkungsgrad zur Folge hat.
Nach dem Verlassen des MIlD-Generators wird das Plasma, welches jetzt besser als fliessfähiges Arbeitsmedium bezeichnet wird, bei 25 in einen Vorwärmer 26 eingeführt. In dem Vorwärmer wird die Wärme vom fliessfähigen Arbeitsmedium abgezogen, um das sauerstoffreiche, die Verbrennung unterstütz tende Medium vorzuwärmen, bevor dieses in die Verbrennungskammer eintritt.
Ein Separator, der Sauerstoff von der Luft trennen kann, wird bei 27 gezeigt. Die Luft wird in den Separator bei 28 eingeführt, und der Sauerstoff verlässt den Separator bei 29, während der Stickstoff den Separator bei 29a verlässt. Der Sauerstoff wird durch einen Turbokompressor 30 komprimiert, und durch den Vorwärmer bei 31 gedrückt, bevor er in die Verbrennungskammer bei 22 eingeführt wird. Bei 33 kann auch Luft zu dem Sauerstoff zugeführt werden, wenn die Verbrennungskammer mit mit Sauerstoff angereicherter Luft anstatt mit reinem Sauerstoff betrieben werden soll. Wenn es zweckmässig ist, kann ein sauerstoffreiches, die Verbrennung unterstützendes Medium dadurch erzeugt werden, dass einfach der Stickstoffgehalt der Luft verringert wird, um ein sauerstoffreiches Gemisch zu erzeugen.
Der Plasmafluss verlässt den Vorwärmer bei 34 und tritt ein in eine Dampfanlage 35 der Type, welche einen herkömmlichen Kessel mit einem Überhitzungs wie dererw ärmer, Verdampfer, Ekonomiser und Rohrkühler (nicht gezeigt) aufweist. Der Dampf von der Dampfanlage kann zum Antrieb des Turbokompressors 30 verwendet werden. Das verbrauchte fliessfähige Arbeitsmedium strömt bei 36 zur Atmosphäre ab. Die von dem MHD-Generator und der Dampfanlage erzeugte elektrische Leistung verlässt das System bei 37.
Bei einem System der beschriebenen Type kann die Grösse der Vorwärmung des Sauerstoffs oder der mit Sauerstoff angereicherten Luft sehr gering sein, und zwar in der Grössenordnung von 870" C oder weniger.
Aus diesem Grund bringt die Konstruktion eines Vorwärmers für ein solches System keinerlei Probleme mit sich und liegt durchaus in dem entsprechenden Fachbereich.
Die Fig. 2 offenbart einen typischen Sauerstoffkreislauf für eine mit Kohle betriebene MHD-Anlage von 500 MW Nominalkapazität. In einem solchen Kreislauf kann ein N2/O2-Verhältnis von 2 zusammen mit einer Vorwärmungstemperatur der mit Sauerstoff angereicherten Luft von 8700 C bei einem Kreislaufdruck von 16 Atmosphären verwendet werden, um eine Verbrennungstemperatur von etwa 28150 C bei einem Druck von 16 Atmosphären zu erzeugen. Die heissen Gase dehnen sich durch den MHD-Generator aus und strömen aus diesem mit einer Geschwindigkeit von etwa 914 m/sec, einer Stautemperatur von etwa 22000 C und einem Staudruck von etwa einer Atmosphäre aus.
Die Kosten für Samen bei verschiedenen Graden der Rückgewinnung werden in Fig. 3 gezeigt. Die zur Berechnung der Kosten von Samen und Kohle je Kilowattstunde verwendeten Daten sind die folgenden: N2/O2 2 M/M Gesamtkreislaufwirkungsgrad 53,5 O/o Samen K2CO3 Beimpfungsmass 2 O/o des Brennstoff gewichtes Kosten des Samens Fr. 50.- je 50 kg Kosten der Kohle Fr. 1.- je 250000 kcal Kohle:
Wärmewert 7500 kcal/kg
Aschengehalt 10 Gew.- /o der Kohle
Kaliumgehalt 1,5 Gew.- /o K2O in der
Asche.
Die Betrachtung der Fig. 3 zeigt, dass für eine mit Kohle betriebene Anlage bei einer 900/oigen Rückgewinnung und Wiederzuführung des zurückgewonnenen Kaliums kein zusätzliches Samenmaterial erforderlich ist, da ausreichend Kalium in der Kohlenasche vorhanden ist, um die verlorenen 10 ovo auszugleichen. Die Kosten des anfangs notwendigen Samens sind als vernachlässigbar zu betrachten, und wurden hier auch vernachlässigt. Die Kosten der Kohle stellen dann die Gesamtkosten dar und betragen etwa 0,64 Rappen je Kilowattstunde. Bei einem Vergleich ist zu bemerken, dass die Brennstoffkosten für ein vergleichbares Dampfkraftwerk mit 400/oigem Wirkungsgrad etwa 0,85 Rappen je Kilowattstunde bei den gleichen Brennstoffkosten von etwa Fr. 1.- je 250 000kcal liegen.
Bei einer 800/oigen Rückgewinnung betragen die Kosten des Samens etwa 0,039 Rappen je Kilowattstunde entsprechend etwa 0,675 Rappen je Kilowattstunde für Kohle und Samen. Bei etwa 350/oiger Rückgewinnung sind die Kosten für Kohle und Samen gleich den Kosten der Kohle für ein Dampfkraftwerk.
An diesem Punkt ist es wichtiger festzustellen, dass ein wesentltiches Merkmal eines MHD-Generators im Vergleich zu einem Dampfgenerator darin liegt, dass die Verbrennung bei geringerem Überschuss an Sauerstoff, nahe der stöchiometrischen Menge, bei sehr viel höheren Temperaturen, etwa 2760" C, mit sich daraus ergebender sehr schneller Abkühlung der heissen Gase in die Nähe von 22000 C, wenn sie sich durch den MHD-Generatorkanal ausdehnen, stattfindet. Die hohen Verbrennungstemperaturen führen zu einem hohen Grad von Zersetzung und Verdampfung der Mineralstoffe in der Kohle. Die Haltezeit der Gase in dem MHD-Generatorkanal vom Eingang zum Ausgang liegt in der Grössenordnung von 10 Millisekunden.
Eine typische Analyse von Kohlenasche mit den Siedepunkten der entsprechenden Aschenbestandteile ergibt:
Aschen- Prozentsatz Siedepunkte
Bestandteil der Asche (lemperatur, bei der
Dampfdruck gleich 1 Atm. ist) O/o OK OC SiO2 46,7 3070 2800
FeO 3400 3130 Fe2Oa 23,1 Fe 3010 2740 Al203 21,6 3800 3520 CaO 3,3 3800 3520 K20 1,39 1750 1475 Na2O 0,42 2040 1765 MgO 1,3 3350 3080 TiO2 1,0 3200 2925 S s 2,0
Die Kurven der Fig. 4 zeigen die Verflüchtigung jedes Aschenbestandteils, wobei die verdampfte Menge in Prozent der Gesamtmenge von den Verbrennungstemperaturen bis herunter zu 1650"C angegeben ist.
Neutrale Bedingungen und keine chemischen Reaktionen zwischen den Aschenbestandteilen wurden bei der Aufzeichnung der Kurven angenommen. Obwohl grössere Diskrepanzen in der technischen Literatur hinsichtlich der Siedepunkte und der Verflüchtigung von Al2OS und CaO bestehen, wurden die letzten Daten bei der Aufzeichnung der Kurven dieser Aschenbestandteile verwendet. Für die beiden stabilsten Verbindungen Al2Os und CaO werden drei Kurven für Verbrennungsdrücke von 16, 8 und 4 Atmosphären gezeigt. Die der Temperaturen in der Verbrennungskammer, am Kanaleingang und am Ausgang werden in Fig. 4 angegeben.
Die einzige Verbindung, die nicht vollständig bei den Verbrennungstemperaturen verdampft, ist Al2O3, wobei die verdampfte Menge im Bereich von 12 O/o bis 17 O/o bei sich zwischen 16 bis 4 Atmosphären ändernden Verbrennungsdrücken liegt.
Die Kondensation von CaO beginnt am Kanaleingang oder in dem Kanal in Abhängigkeit von dem Verbrennungsdruck. Am Ausgang des Generatorkanals ist das gesamte Al2OS und praktisch das gesamte GaG kondensiert.
Es wird besonders auf die Tatsache hingewiesen, dass, wie in Fig. 4 gezeigt wird, die Kondensation der restlichen Aschenbestandteile, mit Ausnahme der Alkaliverbindungen und des Schwefels, bei 20900 C bis 2150"C beginnt und bei etwa 1650"C vollendet ist. Es wird weiter auf die Tatsache verwiesen, dass die Alkalis flüchtiger sind als die anderen anorganischen Stoffe in der Kohlenasche und deshalb immer noch in Dampfform vorliegen, wenn die anorganischen Stoffe flüssige oder feste Teilchen gebildet haben, vorausgesetzt, dass die Alkaliverbindungen nicht chemisch mit der Asche reagieren. Es wurde gefunden, dass bei oder oberhalb 1650"C die Alkaliverbindungen praktisch nicht reagieren und chemische Verbindungen mit den die Asche bildenden anorganischen Stoffen eingehen.
Anders ausgedrückt sind die Alkaliverbindungen im wesentlichen nicht löslich in den anorganischen Stoffen, die die Asche bei Temperaturen bei oder oberhalb 1650"C bilden. Da die Verbrennungsvorrichtungen bekannter mit Kohle geheizter Dampfgeneratoren u. dgl. bei maximalen Verbrennungs- oder Ofentemperaturen von etwa 16500 C arbeiten, sind die Alkaliverbindungen in der geschmolzenen Asche löslich und chemisch mit den anorganischen Stoffen in der Flugasche gebunden.
Dementsprechend ist die Rückgewinnung von Samen aus solchen Verbrennungsprodukten bei Verwendung vorhandener Verfahren und Techniken bei der Kohlenverbrennung oder anderen bekannten Systemen vollständig unpraktisch, da der Samen chemisch an den anorganischen Stoffen der Kohlenasche gebunden ist, und es existiert kein wirtschaftliches industrielles Verfahren, um Alkaliverbindungen aus den anorganischen Stoffen der Kohlenasche herauszuziehen. Weiterhin führt die Wiederzuführung aller solcher Verunreinigungen, die mit dem an die anorganischen Stoffe der Asche gebundenen Samen abgetrennt wurden, zu einem nachteiligen Aufbau von Asche in MHD-Systemen.
Wie nun ersichtlich ist, ist man an der Trennung der anorganischen Stoffe der Kohlenasche bei Gastemperaturen im Bereich von 16500 C bis 2200 C und an der nachträglichen Trennung des Samens von dem Gas interessiert. Demnach werden sich die anorganischen oder nicht brennbaren Stoffe in der Kohlenasche, die bei höheren Gastemperaturen in einem elektrischen MEID-Generatorsystem verdampft sind, kondensieren und feste oder flüssige Teilchen in dem oben genannten Temperaturbereich von 16500 C bis 2200 C bilden, während die Alkaliverbindungen weit flüchtiger sind als praktisch alle anderen anorganischen Stoffe und deshalb als Dampf zurückbleiben.
Die Menge der verdampften anorganischen Stoffe ist u. a. abhängig von der Verbrennungstemperatur, dem Verbrennungsverfahren, der Abkühlungsgeschwindigkeit der Verbrennungsprodukte, der Aschenzusammensetzung, der Art der Atmosphäre und den auftretenden chemischen Reaktionen. Unter Berücksichtigung aller dieser Faktoren ist jedoch bei einer Temperatur von etwa 19300 C der Hauptteil der anorganischen Stoffe in der Kohlenasche mit Ausnahme der Alkaliverbindungen und des Schwefels im flüssigen oder festen Zustand vorhanden, und bei 1650"C ist die Kondensation der anorganischen Stoffe ausschliesslich der Alkaliverbindungen und des Schwefels praktisch beendet, wobei die Alkalis in Dampfform bei 16500 C verbleiben.
Die anorganischen Stoffe der Kohlen asche im festen und flüssigen Zustand können demnach in einem Temperaturbereich von 1650"C bis 22000 C von den Verbrennungsprodukten getrennt werden, während sich der Samen im gasartigen Zustand befindet und einen Teil des Gases bildet.
Die Trennung der anorganischen Stoffe mit Ausnahme der Alkaliverbindungen und des Schwefels kann dadurch erzielt werden, dass man das Gas durch einen Separator schickt, um kondensierte nicht brennbare Stoffe in dem Gas zu entfernen, man die Temperatur des Gases reguliert, um sie am Gasausgang des Separators auf einem Wert zu halten, bei dem praktisch alle nicht brennbaren Stoffe mit Ausnahme der Alkaliverbindungen und des Schwefels in dem Gas kondensieren und der grösser ist als der, bei dem die Alkaliverbindungen praktisch in den anorganischen Stoffen löslich sind, man das Gas stromabwärts vom Separator auf eine Temperatur abkühlt, die zur Kondensation der Alkaliverbindungen in dem Gas ausreicht, und man die kondensierten Alkaliverbindungen aus dem Gas entfernt.
Der oben genannte Separator kann aus einem herkömmlichen Zyklonseparator bestehen, und die Alkaliverbindungen können von dem Gas zusammen mit der Flugasche, die in dem Gas in Suspension verbleibt, an einem oder mehreren Punkten stromabwärts vom Zyklonseparator getrennt werden.
Fig. 5 zeigt gemäss der vorliegenden Erfindung eine Abänderung des in Fig. 2 offenbarten Systems.
Das System der Fig. 5 ist identisch dem System der Fig. 2 mit der Ausnahme, dass ein Diffusor 41, ein Schlackenseparator 42 und eine Abscheidungsvorrichtung 43 zugefügt sind. Das fliessfähige Arbeitsmedium vom Generator 24 wird bei 25 in den Diffusor 41 eingeführt, welcher die aerodynamischen Verluste des aus dem MHD-Generator abgelassenen fliessfähigen Mediums auf ein Mindestmass herabsetzt. Typische Temperaturen und Geschwindigkeiten des den Diffusor verlassenden fliessfähigen Arbeitsmediums liegen bei etwa die herkömmliche Weise, um dieses fliessfähige 2090" C und 150 m/sec, unter der Diffusor arbeitet auf Arbeitsmedium bei 45 an den Separator 42 zu liefern.
Der Separator 42 ist vorzugsweise von herkömmlicher vertikaler Zyklontype, in dem das fliessfähige Arbeitsmedium vom Diffusor in eine zylindrische Zyklonkammer tangential am unteren Teil des Zyklonseparators eintritt, um dem Gas eine Wirbelbewegung in der Zyklonkammer zu geben. Die festen oder flüssigen Aschenteilchen, die bei Eintritt des Gases in den Separator im Gas vorhanden sind oder die in dem Separator kondensieren, werden durch die Zentrifugalwirkung nach aussen gegen die Wand der Zyklonkammer gedrückt. Die Kammer besitzt eine herkömmliche, wassergekühlte Metallband oder eine herkömmliche wassergekühlte, mit einem feuerfesten Stoff ausgekleidete Wand oder nach einer anderen Möglichkeit eine Kombination dieser beiden Arten. Das Kühlmittel für die Kammerwand kann das Wasser sein, welches zur Erzeugung von Dampf in der Dampfanlage verwendet wird.
Eine typische Metallwandkonstruktion des Zyklonseparators umfasst senkrechte, mit Metallrippen versehene Kesselrohre, wobei die benachbarten Rippen miteinander verschweisst sind (nicht gezeigt), um eine gasdichte Wand zu bilden. Eine typische mit einem feuerfesten Stoff ausgekleidete Wandkonstruktion kann aus vertikalen mit Zapfen versehenen Kesselrohren bestehen, die mit einem gegen hohe Temperaturen schützenden feuerfesten Stoff ausgekleidet sind, wie z. B. Kunststoff, Chromerz oder Magnesiumoxyd (nicht gezeigt), der an den Kesselrohren durch die Metallzapfen gehalten werden. Da wassergekühlte Oberflächen verwendet werden, wird die Oberflächentemperatur der Wand geringer als die Temperatur des Gases in dem Separator sein. Demnach ist es nur eine Frage der Wärmeübertragung, um die gewünschte Gastemperatur aufrecht zu erhalten.
Wie ersichtlich, können herkömmliche Techniken und Materialien für einen Separator herkömmlicher Bauart und Arbeitsweise verwendet werden. Dementsprechend wird eine weitere Besprechung solcher Separatoren nicht für notwendig gehalten.
Durch Regulierung des Druckes, der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit des in den Separator gegebenen Kühlmittels durch den Regulator 49 können die Temperatur des Arbeitsgases in dem Separator und insbesondere die Temperatur des Arbeitsgases am Ausgang des Separators auf einem Wert gehalten werden, bei dem praktisch alle nicht brennbaren Stoffe mit Ausnahme des Alkalis in dem Gas kondensieren und der grösser als die Temperatur ist, bei der das Alkali praktisch in den nicht brennbaren Stoffen löslich ist, d. h. die Wände des Separators mit Asche überzogen werden. Die Dicke der Ascheschicht auf den Separatorwänden wird abhängen von der Wandtemperatur, der Wärmeübertragung von den heissen Gasen auf die Wand und den physikalischen Eigenschaften der Asche.
Die Asche bildet eine flüssige Schlackenschicht auf der Oberfläche der Wände, welche Aschenteilchen im Durchgang enthält. Die flüssige Schlacke läuft kontinuierlich nach unten an der Wand zum Boden des Separators ab, wo sie kontinuierlich oder in Abständen auf herkömmliche Weise durch ein in dem Boden des Separators bei 44 liegendes Stichloch abgelassen werden kann. Der Hauptfluss des Arbeitsgases verläuft nach oben in dem Separator von dem Eingang 45 zum Gasausgang 46. Nach dem Verlassen des Separators wird das Arbeitsgas in den Vorwärmer 26 bei 47 eingeführt.
Die Abmessung des Separators wird durch die Gasflussgeschwindigkeit und die physikalischen Eigenschaften der Asche bestimmt. Eine Trennung von 80 /o oder mehr der Aschenverunreinigungen in dem fliessfähigen Arbeitsmedium, welches durch den Separator läuft, kann durch geeignete Abmessung der Separatorkammer und der Eintrittsgeschwindigkeit des Gases erzielt werden.
Da die Löslichkeit von Samen in geschmolzener Asche bei einer Temperatur von etwa 1650"C sehr begrenzt ist, wird der Verlust von in der Schlacke gelöstem Samen einen sehr kleinen Prozentsatz der Gesamtmenge des in den Verbrennungsprodukten erforderlichen Samens ausmachen. Da weiterhin die Schlacke nur einen geringen Prozentsatz des Samens als sehr stabile chemische Verbindungen enthalten wird, wird eine weitere Behandlung der Schlacke zur Extraktion des darin enthaltenen Samens als unwirtschaftlich betrachtet.
Nachdem es durch den Zyklonseparator geströmt ist, wird das fliessfähige Arbeitsmedium durch den Vorwärmer und die Dampfanlage geschickt. Bei etwa 10900 C wird der Samen in Abhängigkeit von der Samenkonzentration in dem Gas beginnen zu kondensieren. Auf diese Weise wird der Samen in diesem Teil des Systems kondensieren, wenn das fliessfähige Arbeitsmedi