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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe
in der Wirbelschicht unter erhöhtem
Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend
aus Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladenes
Rohgas oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes
des Wirbelschichtvergasers abgezogen werden und bei dem auf eine externe
Nachbehandlung der Feinstäube
nahezu verzichtet werden kann.
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Der
Vergasungsraum des Wirbelschichtvergasers besteht üblicherweise
aus einer Wirbelschicht und einem über der Wirbelschicht angeordnetem Freeboard.
In die Wirbelschicht und häufig
auch in das Freeboard werden die Vergasungsmittel mittels Vergasungsmitteldüsen, die
in so genannten Düsenebenen
auf unterschiedlicher Höhe
des Vergasungsraumes angeordnet sind, eingedüst. Die Vergasungsmittel bestehen
in der Regel aus Sauerstoff O2 und Wasserdampf
H2O (g) oder Luft. Es kann auch Kohlendioxid
CO2 als Vergasungsmittel vorgesehen werden.
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Die
bei der Vergasung fester Brennstoffe im Vergasungsraum des Wirbelschichtvergasers
entstehenden Vergasungsrückstände bestehen
aus Aschen und Restkoksen. Sofern im Vergasungsraum flüssige Brennstoffe
oder zu entsorgende Flüssigkeiten
mitvergast werden, kommen deren Vergasungsrückstände, die sich aus mineralischen
oder metallischen Rückständen und
Restkoksen (bestehend aus Kokskohlenstoff und Aschen) zusammensetzen,
hinzu. Die Vergasungsrückstände sind
hinsichtlich ihrer Körnung
in grobkörnige
und feinkörnige
Vergasungsrückstände zu unterteilen.
Erstere werden unterseitig des Vergasungsraumes als Bodenprodukt
abgezogen, letztere verlassen den Vergasungsraum oberseitig mit
dem Rohgas als Feinstäube.
Die Feinstäube
werden in einem dem Wirbelschichtvergaser nachgeschalteten Staubabscheider
aus dem staubbeladenen Rohgas abgeschieden. Auf Grund des hohen
Anteils an Kokskohlenstoff müssen
die Feinstäube
weiter aufbereitet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, sie
einer externen Feuerung zuzuführen. Hierzu
müssen
die Feinstäube
unter Druck abgekühlt,
aus dem Drucksystem ausgeschleust und schließlich einem Verbrennungskessel
zugeführt werden.
Nach der Verbrennung werden die Verbrennungsaschen aus den Rauchgasen
abgeschieden. Der Prozess der thermischen Behandlung ist mehrstufig,
sehr aufwendig und mindert die Effizienz des Gesamtprozesses.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Feinstäube nachzubehandeln,
besteht darin, sie in den Wirbelschichtvergaser zurückzuführen und
auf diese Weise deren Verweilzeit im Vergasungsraum zu erhöhen. Bei
der Vergasung bilden sich allerdings sehr feinkörnige Aschen, die ebenfalls
mit dem Rohgas ausgetragen werden. Die Beladung des staubbeladenen
Rohgases mit diesen feinkörnigen
Aschen würde
so stark ansteigen, dass eine vollständige Rückführung der Feinstäube nicht
mehr möglich
wäre. Ein
großer
Teil der Feinstäube
müsste
unter Inkaufnahme der vorstehend beschriebenen Nachteile weiterhin
in einer externen Nachverbrennung nachbehandelt werden.
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Zur
Lösung
des Problems wird in
DE
44 13 923 A1 vorgeschlagen, mindestens eine Teilmenge der
Feinstäube über eine
mit einem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel betriebene und zugleich
als Staubbrenner ausgebildete Vergasungsmitteldüse in einer Höhe bis zu
3 m oberhalb der Wirbelschicht in den Wirbelschichtvergaser einzutragen,
wobei das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel einen Anteil von mehr
als 20 Vol.-% Sauerstoff enthalten soll. Angestrebt werden die thermische
Zersetzung der mit den Feinstäuben
mitgeführten
organischen Spurenstoffe und eine Einbindung anorganischer Spurenstoffe
in die Matrix der Asche. Als besonders vorteilhaft wird eine Verfahrensführung beschrieben,
bei welcher die Aschebestandteile in der Sauerstoff-Flamme über den
Erweichungspunkt aufgeheizt und agglomeriert werden. Das Vergasungsmittel
soll auch mehr als 30 Vol.-% Sauerstoff enthalten. Der Vorschlag
ist leider ebenfalls nicht geeignet, die Feinstäube vollständig thermisch nachzubehandeln,
da in der Sauerstoff-Flamme nicht die gesamte Asche der zurückgeführten Feinstäube granuliert
werden kann. Ein großer
Teil der Asche fällt
weiterhin als sehr feinkörnige Asche
an und reichert sich im Rohgas soweit an, dass auf eine externe
Nachbehandlung nicht verzichtet werden kann.
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EP 30 323 B1 offenbart
ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettreaktors zum Vergasen von
kohlenstoffhaltigem Material, wobei ein Vergasungsmittelgemisch
aus sauerstoffhaltigem Vergasungsmittel und Dampf und/oder Kohlendioxid
in das Wirbelbett und über
mindestens drei entlang der Reaktorlängsachse angeordneten Einblasebereichen
in den Nachreaktionsraum eingeführt
werden. Die Vergasungsmittel werden derart verteilt und dosiert
in den Nachreaktionsraum eingeführt,
dass oberhalb des Wirbelbettes eine möglichst gleichbleibend hohe Temperatur
entlang der Reaktorachse im Bereich der Vergasungsmittelzufuhr eingehalten
wird, und die Temperatur im Nachreaktionsraum in diesem Bereich nicht
tiefer liegt als die Temperatur des aus dem Wirbelbett austretenden
Gases.
EP 30 323 B1 beschreibt
die Prozessführung
bei maximalen Temperaturen unterhalb des Ascherweichungs- bis Ascheschmelzpunktes.
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DE 197 48 043 C2 beinhaltet
ein Verfahren zum Betrieb eines Vergasungs- und Schmelzofens, wobei
ein Vergasungsmittelgemisch aus Luft, Dampf und Sauerstoff in die
Wirbelschicht, in das Bett sowie in den Nachreaktionsraum eingedüst werden.
Auch hier ist deutlich ausgeführt,
dass, um Betriebsstörungen
zu vermeiden, Temperaturen eingestellt werden, die unterhalb des
Schmelzpunktes der Asche liegen.
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In
EP 1 201 731 A1 wird
ein Verfahren beschrieben, das die Granulation der Aschebestandteile
in der Wirbelschicht mittels Eindüsung zusätzlicher Vergasungsmittel,
die sich durch einen höheren
Sauerstoffgehalt und/oder eine höhere
Temperatur auszeichnen, bewirken soll. Der Sauerstoffgehalt ist
dabei ≥ 21
Vol.-% und/oder die Vorwärmung ≥ 400°C. Dieser
Vorschlag eröffnet
ebenfalls keine Lehre, wonach die aus dem Wirbelschichtvergaser
austretenden Feinstäube
vollständig
thermisch nachbehandelt werden können. Dies liegt zum einen
darin begründet,
dass infolge der starken Feststoffvermischung in der Wirbelschicht
nur in lokal eng begrenzten Gebieten vor den Vergasungsmitteldüsen so hohe
Temperaturen erreicht werden, dass die Aschebestandteile agglomerieren
können.
Da zum anderen der Kohlenstoffgehalt in der Wirbelschicht sehr hoch
ist (> ca. 60 Ma.-%
bezogen auf den Feststoff), kann selbst in diesen Gebieten nur von
einem geringen Anteil an feinkörnigen
Aschen ausgegangen werden, der durch die Verbrennung freigesetzt
wird und zur Agglomeration zur Verfügung steht. Der überwiegende
Teil der feinkörnigen
Aschen befindet sich außerhalb
der Flammen, wird nicht agglomeriert und mit dem Rohgas ausgetragen.
Eine externe Nachbehandlung der Feinstäube ist auch hier weiterhin
unumgänglich.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Behandlung
von Feinstäuben
bei der Wirbelschichtvergasung fester Brennstoffe unter erhöhtem Druck
bereitzustellen, das es gestattet, auf eine externe Nachbehandlung
der Feinstäube
möglichst
vollständig
zu verzichten.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren zur Vergasung fester Brennstoffe in
der Wirbelschicht unter erhöhtem
Druck unter Verwendung von Vergasungsmittelgemischen, bestehend aus
Sauerstoff und Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, wobei staubbeladenes
Rohgas oberseitig und Bodenprodukt unterseitig des Vergasungsraumes des
Wirbelschichtvergasers abgezogen werden und wobei Vergasungsmittel
mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in den Vergasungsraum eingedüst werden,
dadurch gelöst,
- – dass
die dem Vergasungsraum insgesamt zugeführten Vergasungsmittel in erste
und zweite Vergasungsmittel aufgetrennt werden,
- – dass
die ersten Vergasungsmittel in die Wirbelschicht und die zweiten
Vergasungsmittel in das Freeboard eingedüst werden,
- – dass
die zweiten Vergasungsmittel weit überwiegend oder vollständig aus
Sauerstoff (> 60 Vol.-%)
bestehen und mindestens 20% und höchstens 50% des insgesamt zugeführten Sauerstoffes
und 0% bis höchstens
25% des insgesamt zugeführten
Wasserdampfes umfassen
- – und
dass die zweiten Vergasungsmittel über mindestens eine Vergasungsmitteldüse in einer Höhe von 1
m bis höchstens
5 m über
der oberen Begrenzung der Wirbelschicht mit Gasströmungsgeschwindigkeiten
von > 20 m/s in das
Freeboard eingedüst
werden.
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Die
Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass bei geeigneter
Auftrennung und Zuführung
der Vergasungsmittel die Asche der zurückgeführten Feinstäube in ihrer
Körnung
durch Schmelzagglomeration überwiegend
bis vollständig
soweit vergrößert werden
kann, dass die sich bildenden Schmelzagglomerate nach unten sinken
und als Bodenprodukt aus dem Wirbelschichtvergaser ausgetragen werden.
Durch diese Form der thermischen Nachbehandlung wird dem Rohgas
genügend
Feinstaub entzogen, um die im Rohgas verbleibenden und im Staubabscheider
abgeschiedenen Feinstäube
weitestgehend bis vollständig
in den Wirbelschichtvergaser zurückführen zu
können.
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Bei
der Durchführung
der Schmelzagglomeration spielt die Strömungszirkulation oberhalb der Wirbelschicht
eine zentrale Rolle. Im Freeboard des Wirbelschichtvergasers oberhalb
der so genannten Splash-Zone bildet sich eine Zone der zentralen
Aufwärtsströmung mit
nach oben hin abnehmenden Beladungen an Feinstäuben und eine die Zone der
zentralen Aufwärtsströmung umfassende,
ringförmige Zone
der Abwärtsströmung mit
nach unten hin zunehmenden Beladungen an Feinstäuben aus. Der Strömungsquerschnitt
der Zone der zentralen Aufwärtsströmung erweitert
sich nach oben hin und umfasst spätestens am Vergaserkopf den
zur Verfügung stehenden
Strömungsquerschnitt
des Vergasungsraumes. In der erfindungsgemäßen Weise werden die zweiten
Vergasungsmittel, die überwiegend
bis vollständig
aus Sauerstoff (> 60
Vol.-%) bestehen, mit hoher Geschwindigkeit (> 20 m/s) in diese zentrale Aufwärtsströmung eingedüst. Dadurch
steigt die Temperatur in der Aufwärtsströmung vorrangig durch die homogenen,
exothermen Reaktionen der Gasverbrennung, bei der aus den Brenngasen
(Wasserstoff H2, Kohlenmonoxid CO und Methan
CH4) Kohlendioxid CO2 und
Wasserdampf H2O entstehen, sehr stark an.
Damit die zweiten Vergasungsmittel durch die Zone der ringförmigen Abwärtsströmung in die
Zone der zentralen Aufwärtsströmung gelangen, sind
Gasaustrittsgeschwindigkeiten von mindestens 20 m/s ausreichend.
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Durch
die hohen Reaktionsgeschwindigkeiten der homogenen Oxidationsreaktionen
(„gemischt ist
gleich reagiert”)
kommt es oberhalb des Ortes der Zuführung der zweiten Vergasungsmittels
zu einer in der Längsausdehnung
begrenzten hot spot-Zone in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung. Die
spontan einsetzende Volumenexpansion sorgt für eine intensive Quervermischung,
die mit einer Verbreitung der hohen Temperaturen über den
Querschnitt der Aufwärtsströmung einhergeht.
Nahezu der gesamte Feinstaub muss diese hot spot-Zone mit höchsten Temperaturen
passieren.
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Der
Temperaturanstieg in dieser Zone ist größer, wenn die Beladung des
Gases mit Kokskohlenstoff geringer ist und umgekehrt. Mit steigender Beladung
an Kokskohlenstoff nehmen die endothermen, heterogenen Vergasungsreaktionen
zu und es kommt zu einer Dämpfung
des Temperaturanstieges. Die Eindüsung der zweiten Vergasungsmittel
ist bezüglich
der Temperaturerhöhung
oberhalb der Wirbelschicht (ab ca. 1 m oberhalb der Wirbelschicht) und
besonders in den feststoffarmen Strömungsgebieten oberhalb der
Splash-Zone (bis
ca. 5 m oberhalb der Wirbelschicht) wirkungsvoll. Werden nun mindestens
20% und höchstens
50% des insgesamt zugeführten
Sauerstoffes und 0 bis höchstens
25% des insgesamt zugeführten
Wasserdampfes als zweite Vergasungsmittel zugeführt, steigen die Temperaturen
in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung auf
Werte, die in Höhe
oder oberhalb der Erweichungstemperaturen der feinen Aschen liegen. Dabei
muss prozentual mehr Sauerstoff zugeführt bzw. der Volumenanteil
des Sauerstoffes erhöht
werden, je größer die
Temperaturdifferenz zwischen der Ascheerweichungstemperatur und
der Temperatur der Wirbelschicht und je größer die Konzentration an Kokskohlenstoff
ist. Dabei ist zu beachten, dass durch die Auftrennung der Vergasungsmittel
die Temperatur, die sich in der Wirbelschicht einstellt, der kinetischen
Reaktionsendtemperatur näher
kommt, wobei der höhere
Anteil endotherm reagierender Vergasungsmittel zu einem höheren Kohlenstoffumsatz in
der Wirbelschicht führt.
Die kinetische Reaktionsendtemperatur wird von der Reaktionsfähigkeit
des Kokskohlenstoffes und damit von den Eigenschaften der eingesetzten
Brennstoffe bestimmt. Die Temperaturdifferenz zwischen der Ascheerweichungstemperatur
und der Wirbelschichttemperatur wird im Folgenden als Temperaturfenster
für die
endothermen Reaktionen bezeichnet.
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Im
Falle eines kleinen Temperaturfensters von ca. < 200 K ist es möglich, die zweiten Vergasungsmittel
kurz oberhalb der Wirbelschicht in der Splash-Zone oder sogar am
oberen Ende der Wirbelschicht einzudüsen.
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In
der Zone der zentralen Aufwärtsströmung werden
nahezu die gesamten mit der Gasströmung mitgeführten feinen Aschen zumindest
erweicht, geschmolzen und agglomeriert. Die hohen Temperaturen der
Schmelzagglomeration begünstigen
die eluatfeste Einbindung flüchtiger
Alkalien und Schwermetalle in die sich bildende Schlacke. Durch
die mit der Agglomeration einhergehende Kornvergrößerung können die
Schmelzagglomerate vom Gasstrom nicht mehr getragen werden. Sie
gelangen in die ringförmige Abwärtsströmung und
somit nach unten in die Wirbelschicht und von dort in den Bodenabzug.
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Die
endothermen, heterogenen Reaktionen der Vergasung des mitgeführten Kokskohlenstoffes mit
Kohlendioxid CO2 und Wasserdampf H2O laufen deutlich langsamer als die homogenen
Verbrennungsreaktionen ab. Sie kommen mit zunehmender Höhe in der
Zone der zentralen Aufwärtsströmung sowie
in der Zone der ringförmigen
Abwärtsströmung zum
Tragen. Dadurch bedingt, sinken die Temperaturen in diesen Gebieten
auf Werte unter die Ascheerweichungstemperaturen, so dass weder
am Gasaustritt des Wirbelschichtvergasers noch in Wandnähe die Gefahr
der Anhaftung erweichter oder geschmolzener Aschepartikel besteht.
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Die
im konkreten Anwendungsfall einzustellenden Werte des prozentual
zuzuführenden
Sauerstoffes und der Konzentration des Sauerstoffes der zweiten
Vergasungsmittel werden entsprechend der jeweiligen Brennstoffe
und der Bedingungen des Wirbelschichtvergasers angepasst. Um die
Aufgabe der Agglomeration der Asche im gewünschten Umfang zu erfüllen, wird
prozentual so wenig wie möglich Sauerstoff
und in so geringer Konzentration wie möglich eingesetzt. Als weiterer
Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass durch die hohen Temperaturen
in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung organische
Spurenstoffe gegenüber
dem Stand der Technik stärker
thermisch zersetzt und daher die Konzentrationen insbesondere der
aromatischen Kohlenwasserstoffe wie Benzol und Naphthalin abgesenkt
werden.
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Anhand
des in 1 dargestellten, stark vereinfachten Schemas soll
die Erfindung näher
erläutert
werden. In den Wirbelschichtvergaser (1) wird mittels des
Kohleeintrags (2) Trockenbraunkohle (3) mit einem
Wassergehalt von 12 Ma.-% und einer Ascheerweichungstemperatur von
1100°C eingebracht.
Der Vergasungsraum (4) des Wirbelschichtvergasers (1)
besteht aus der Wirbelschicht (5) und dem Freeboard (6) über dem
oberen Ende (7) der Wirbelschicht (5). Die Wirbelschicht
(5) befindet sich im unteren Teil Vergasungsraumes (4)
des Wirbelschichtvergasers (1). Als Vergasungsmittel (8)
werden Sauerstoff (9) und Wasserdampf (10) zugeführt. Volumenstrom
und Zusammensetzung der insgesamt zugeführten Vergasungsmittel (8)
werden so eingestellt, dass sich eine Gastemperatur am Gasaustritt
(11) des Wirbelschichtvergasers (1) von 1000°C einstellt.
Für die
Auftrennung und die Zuführung
der Vergasungsmittel (8) ist die Kenntnis des Temperaturfensters
wichtig, das im vorliegenden Fall etwa 250 K beträgt, da sich
in der Wirbelschicht eine Temperatur von ca. 850°C einstellt.
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Sauerstoff
(9) und Wasserdampf (10) der Vergasungsmittel
(8) werden aufgetrennt in ersten Sauerstoff (12)
und ersten Wasserdampf (13) der ersten Vergasungsmittel
(14) sowie in zweiten Sauerstoff (15) und zweiten
Wasserdampf (16) der zweiten Vergasungsmittel (17).
Der erste Sauerstoff (12) und der erste Wasserdampf (13)
werden in die Wirbelschicht (5) eingedüst. Die Eindüsung erfolgt
mittels der Vergasungsmitteldüsen
(18), verteilt auf drei Düsenebenen (19). Der
zweite Sauerstoff (15) und der zweite Wasserdampf (16)
werden im Mischer (20) gemischt und in das Freeboard (6)
eingedüst.
Die Eindüsung
erfolgt mittels der auf der Düsenebene (21)
angeordneten Vergasungsmitteldüsen
(22), die gleichmäßig verteilt über den
Umfang des Wirbelschichtvergasers (1) sind. Die Düsenebene
(21) befindet sich 3 m über
dem oberen Ende (7) der Wirbelschicht (5). Die
Vergasungsmitteldüsen
(22) sind horizontal und radial ausgerichtet.
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Die
mengenmäßige Auftrennung
der Vergasungsmittel (8) wird im Folgenden der besseren
Verständlichkeit
halber auf der Bezugsbasis von einem kg Trockenbraunkohle (3)
erläutert.
Auf 1 kg Trockenbraunkohle (3) werden insgesamt 0,35 m3 (i. N.) Sauerstoff (9) und 0,18
kg Wasserdampf (10) zugeführt und mengenmäßig aufgetrennt
in die ersten Vergasungsmittel (14), bestehend aus 0,21
m3 (i. N.) Sauerstoff (12) und
0,144 kg ersten Wasserdampf (13) und in die zweiten Vergasungsmittel
(17), bestehend aus 0,14 m3 (i.
N.) zweiten Sauerstoff (14) und 0,036 kg zweiten Wasserdampf
(15). Der Sauerstoffgehalt der zweiten Vergasungsmittel
(17) beträgt
73 Vol.-%. Die zweiten Vergasungsmitteln (17) umfassen
40% des insgesamt zugeführten
Sauerstoffes (9) und 20% des insgesamt zugeführten Wasserdampfes
(10). Die zweiten Vergasungsmittel (17) werden
mit einer Gasaustrittsgeschwindigkeit von 30 m/s in das Freeboard (6)
eingedüst.
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Durch
die Zuführung
der zweiten Vergasungsmittel (17) in das Freeboard (6)
bildet sich oberhalb der Zuführung
in der Zone der zentralen Aufwärtsströmung (23)
eine hot spot-Zone (24) mit einer Längsausdehnung von mehreren
Metern aus. In dieser hot spot-Zone (24) stellen sich Temperaturen
von im Mittel 1200 bis 1500°C
ein. In der Zone der zentralen Aufwärtsströmung (23) werden nahezu
die gesamten mit der Gasströmung
mitgeführten
feinen Aschen zumindest erweicht, geschmolzen und agglomeriert.
Die Schmelzagglomerate gelangen in die Zone der ringförmigen Abwärtsströmung (25)
und somit nach unten in die Wirbelschicht (5) und von dort in
den Bodenabzug 26).
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Die
staubbeladenen Rohgase (27), die den Wirbelschichtvergaser
(1) über
den Gasaustritt (11) verlassen, enthalten nur noch so wenig
Feinstaub, um die im Rohgas (27) verbleibenden und in den nachfolgenden
Staubabscheidern, wie Zyklon und Kerzenfilter (hier nicht dargestellt),
abgeschiedenen Feinstäube
weitestgehend bis vollständig
in den Wirbelschichtvergaser (1) zurückführen zu können.
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- 1
- Wirbelschichtvergaser
- 2
- Kohleeintrag
- 3
- Trockenbraunkohle
- 4
- Vergasungsraum
- 5
- Wirbelschicht
- 6
- Freeboard
- 7
- oberes
Ende der Wirbelschicht
- 8
- Vergasungsmittel
- 9
- Sauerstoff
- 10
- Wasserdampf
- 11
- Gasaustritt
- 12
- erster
Sauerstoff
- 13
- erster
Wasserdampf
- 14
- erste
Vergasungsmittel
- 15
- zweiter
Sauerstoff
- 16
- zweiter
Wasserdampf
- 17
- zweite
Vergasungsmittel
- 18
- Vergasungsmitteldüsen
- 19
- Düsenebenen
- 20
- Mischer
- 21
- Düsenebene
- 22
- Vergasungsmitteldüsen
- 23
- Zone
der zentralen Aufwärtsströmung
- 24
- hot
spot-Zone
- 25
- Zone
der ringförmigen
Abwärtsströmung
- 26
- Bodenabzug
- 27
- staubbeladene
Rohgase