DE1080253B - Process and device for utilizing the sensible heat of fuel gas generated by suspended gasification of dust-like fuels - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Vergasung staubförmiger Brennstoffe in der Schwebe mit Sauerstoff und endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, wobei die in dem erzeugten Nutzgas enthaltene fühlbare Wärme in einem der eigentlichen Vergasungseinrichtung im Zuge der Nutzgasströmung nachgeschalteten indirekten Wärmetauscher, z. B. einer Dampferzeugungseinrichtung, in wirtschaftlicher Form ausgenutzt wird.The invention relates to the gasification of pulverulent fuels in suspension with oxygen and endothermically reacting gasification agents, the contained in the useful gas produced being palpable Heat in a downstream of the actual gasification device in the course of the useful gas flow indirect heat exchanger, e.g. B. a steam generator, exploited in an economical form will.

Bei der Vergasung in der Schwebe mit Sauerstoff und gegebenenfalls endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf oder Kohlensäure oder einem Gemisch von Wasserdampf und Kohlensäure, wird der auf Staubfeinheit, z. B. auf eine Korngröße unter 0,1 mm zerkleinerte Brennstoff in einer Sauerstoffmenge, die nicht für die vollständige Oxydation des Bennstoffes zu Kohlensäure ausreichend ist, bei im wesentlichen normaler Temperatur suspendiert und dann in einen auf hoher Temperatur gehaltenen Reaktionsraum eingeblasen. Dabei entzündet sich die Brennstoff-Sauerstoff-Suspension, und es tritt eine Reaktion zwischen dem Sauerstoff und den brennbaren Anteilen des Brennstoffes unter Bildung von im wesentlichen Kohlenoxyd neben einer vergleichsweise kleinen Menge Kohlendioxyd ein. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen, deren Höhe in starkem Maße von der Reaktionsfähigkeit des eingesetzten Brennstoffes abhängig ist. Der nicht mit dem Sauerstoff umgesetzte Kohlenstoffanteil, der ebenfalls auf eine hohe Temperatur erhitzt ist, reagiert mit dem gleichzeitig anwesenden, entweder aus dem Brennstoff selbst stammenden oder besonders zugesetzten Wasserdampf unter Bildung von weiterem Kohlenoxyd und Wasserstoff, wobei ein Teil der aus der Umsetzung des Kohlenstoffes mit dem Sauerstoff stammenden Wärme für die Zersetzung des Wasserdampfes verbraucht wird.When gasifying in suspension with oxygen and possibly endothermic gasifying agents, such as steam or carbonic acid or a mixture of steam and carbonic acid, is the on dust fineness, z. B. to a grain size of less than 0.1 mm fuel in one Amount of oxygen which is not sufficient for the complete oxidation of the fuel to carbonic acid is suspended at substantially normal temperature and then kept in a high temperature Blown into the reaction chamber. The fuel-oxygen suspension ignites and it occurs a reaction between the oxygen and the combustible components of the fuel with the formation of im essential carbon dioxide in addition to a comparatively small amount of carbon dioxide. This creates very high temperatures, the level of which depends to a large extent on the reactivity of the used Fuel is dependent. The proportion of carbon not reacted with the oxygen, which is also due to a high temperature is heated, reacts with the simultaneously present, either from the fuel itself originating or specially added water vapor with the formation of further carbon oxide and hydrogen, part of the heat resulting from the reaction of the carbon with the oxygen for the Decomposition of the water vapor is consumed.

Während der Vergasungsreaktionen bleibt der feste Brennstoff in den Vergasungsmitteln suspendiert und bewegt sich mit diesen durch den Vergasungsraum, und zwar im wesentlichen in der gleichen Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit. Der besondere Mechanismus dieser auch als Gleichstromvergasung bezeichneten Vergasungsart hat zur Folge, daß das erzeugte Nutzgas eine vergleichsweise hohe Austritts- , temperatur besitzt. Diese kann bei der Verwendung von verhältnismäßig wenig reaktionsfähiger Kohle bis zu 1300° C betragen. Bei anderen reaktionsfähigeren Brennstoffen ist die Austrittstemperatur des Nutzgases entsprechend niedriger. Auf jeden Fall aber ist sie so hoch, daß die Ausnutzung der in dem Nutzgas enthaltenen fühlbaren Wärme für die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens, wenn nicht von ausschlaggebender, so doch immerhin von wesentlicher Bedeutung ist.During the gasification reactions, the solid fuel remains suspended in the gasification means and moves with them through the gasification chamber, in essentially the same direction and at the same speed. The special mechanism of this also as cocurrent gasification designated type of gasification has the consequence that the useful gas generated has a comparatively high outlet temperature owns. This can occur when using relatively unreactive coal up to 1300 ° C. For other more reactive fuels, the outlet temperature is the Useful gas correspondingly lower. In any case, however, it is so high that the utilization of the Useful gas contained sensible heat for the economy of the entire process, if not of decisive, but at least essential, importance.

Verfahren und EinrichtungProcedure and establishment

zur Ausnutzung der fühlbaren Wärmeto utilize the sensible heat

von durch Schwebevergasungfrom by suspension gasification

staubförmiger Brennstoffepowdered fuels

erzeugtem Brenngasgenerated fuel gas

Anmelder:
Heinrich KoppersApplicant:
Heinrich Koppers

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Essen, Moltkestr. 29Company with limited liability,
Essen, Moltkestr. 29

Josef Daniels, Essen,
ist als Erfinder genannt wordenJosef Daniels, food,
has been named as the inventor

Es ist schon mehrfach vorgeschlagen worden, die fühlbare Wärme des aus einem solchen Vergasungsverfahren stammenden Nutzgases in einer der eigentlichen Vergasungseinrichtung unmittelbar nachgeschalteten Wärmetauschvorrichtung wirtschaftlich auszunutzen. Zu diesem Zweck hat man der Vergasungseinrichtung eine Dampferzeugungsanlage nachgeschaltet, die von dem Nutzgas nach seinem Austritt aus der Vergasungseinrichtung durchströmt wird und in der die fühlbare Wärme des Gases durch Strahlung und Leitung indirekt auf Wasser unter Dampfbildung übertragen wird.It has already been suggested several times that the sensible heat of such a gasification process originating useful gas in one of the actual gasification device immediately downstream Exploit the heat exchange device economically. For this purpose one has the gasifier downstream of a steam generation system, the useful gas after its exit from the gasifier is flowed through and in which the sensible heat of the gas by radiation and conduction is indirectly transferred to water with the formation of steam.

Bei der praktischen Durchführung dieser an sich bekannten Methode zeigte sich jedoch, daß die bei dem Bau der üblichen Dampfkesselanlagen, z. B. in Kraftwerken, gewonnenen Erfahrungen keineswegs ohne weiteres auf das bei Vergasungsanlagen vorliegende P-roblem anzuwenden sind. Es zeigte sich nämlich, daß bei Vergasungsgasen nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil der in dem Nutzgas enthaltenen fühlbaren Wärme mittels Strahlung auf die Dampferzeugungseinrichtung übertragbar ist, und es zeigte sich ferner, daß, wenn man den Dampfkessel bei einer Vergaseranlage in der üblichen Weise als Röhrenkessel ausbildet, d. h. so, daß er von dem Nutzgasstrom von unten nach oben durchzogen wird, die im Gas enthaltenen Festanteile die Neigung haben, ■ an den Wänden bzw. Rohren des Kessels anzuhaften und dort einen auf die Dauer mechanisch äußerst festen und dazu schlecht wärmeleitenden Überzug zu bilden, der schließlich so dick wird, daß die freien GaswegeIn the practical implementation of this known method, however, it was found that the in the Construction of the usual steam boiler systems, e.g. B. in power plants, gained experience by no means without further to the problem present with gasification plants are to be applied. It turned out that that with gasification gases only a relatively small proportion of the sensible contained in the useful gas Heat can be transferred to the steam generating device by means of radiation, and it showed furthermore that if the steam boiler is used in a gasification system in the usual way as a tubular boiler trains, d. H. so that it is traversed by the useful gas stream from bottom to top, which in the Solids contained in gas have a tendency ■ to adhere to the walls or pipes of the boiler and to form a mechanically extremely strong and poorly thermally conductive coating there in the long term, which eventually becomes so thick that the free gas paths

909 787/177909 787/177

1 OSO 2531 OSO 253

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mehr oder weniger stark verlegt werden. Der zuletzt um die natürliche Saugkraft des sich abkühlenden genannte Effekt kommt, wie sich durch Untersuchun- Gases, das infolge seines mit der Abkühlung ansteigen herausgestellt hat, daher, daß der im Nutzgas ent- genden spezifischen Gewichtes nach unten fällt, aushaltene Feststoff, der sich unter gewissen Bedingungen zunutzen. Der Strahlungskessel selbst schließt sich an den Wänden des üblichen, dem Vergaser nach- 5 unmittelbar an den Vergasungsraum bzw. einen zugegeschalteten Kessels ansetzt, noch Restmengen brenn- hörigen Gassammeiraum nach oben an.
barer Substanz enthält. Dieser mit den nicht brenn- Gemäß der Erfindung wird der freie Querschnitt baren Anteilen des Feststoffes sich an den Rohren des Strahlungskessels so in bezug auf die durchansetzende brennbare Anteil wird durch das vorbei- fließende Gasmenge abgestimmt, daß die Strömungsströmende heiße Gas, das noch nicht umgesetzten io geschwindigkeit des Gases größer ist als im Strah-Wasserdampf enthält, einer Nachvergasung unter- lungsteil üblicher Feuerungskessel, vorzugsweise zogen, wobei ein aus nicht brennbaren Aschebestand- größer als 9 m/s. Gasgeschwindigkeiten von 15 m/s teilen bestehendes Skelett auf den Wänden des Kessels sind an sich noch vorteilhafter, solange nicht die für zurückbleibt, das unter dem fortgesetzten Einfluß der diese Geschwindigkeiten aufzubringende erhöhte Saugvorbeistreichenden Gase mit der Zeit zu einer äußerst 15 leistung kostenmäßig zu sehr ins Gewicht fällt,
harten Kruste zusammensintert, die sich immer weiter Die Gasgeschwindigkeit im Strahlungskessel teil ist aufbaut und deren Wärmeleitfähigkeit vergleichsweise in jedem Fall so zu wählen, daß die abwärts gerichtete gering ist. Bei den Dampfkesseln, in denen die bei der Schwerebewegung der im Gas schwebenden Feststoffe totalen Verbrennung eines Brennstoffes entstehende im ganzen Strömungsquerschnitt mehr als aufgehoben Wärme ausschließlich für die Dampferzeugung aus- 20 wird. Dadurch wird die Bildung von sogenannten genutzt wird, tritt dieses Schwierigkeit im allgemeinen, Schwebezonen verhindert, die immer dort bestehen, d. h. bei richtigen Betriebsbedingungen, nicht auf, wo der im Gas in Staubform enthaltene Vergasungsweil dort grundsätzlich immer mit Luftüberschuß ge- rückstand praktisch keine Geschwindigkeit gegenüber arbeitet wird, durch den der größte Teil der mit den den Wänden des Strahlungskessels besitzt, so daß er Rauchgasen schwebenden teilverbrannten Feststoff- 25 sich leicht an den Wänden ansetzen könnte,
anteile ausgebrannt wird und durch Strahlung an Die erfindungsgemäße Gasgeschwindigkeit sichert Temperatur verliert, bevor er zum Ansetzen gekom- einmal eine hohe Wärmeübergangszahl für die konmen ist. Der Oxydationsprozeß verläuft nämlich vektionelle Wärmeübertragung und verhindert zum bedeutend schneller ab als ein Reduktionsprozeß. anderen die Bildung von mechanisch festen und Letzterem fehlt die hohe Oxydationstemperaturspitze 30 schlecht wärmedurchlässigen Schichten aus im Nutzais Startbasis. gas enthaltenen festen bzw. teigigen Bestandteilen aufbe laid more or less heavily. The last effect mentioned about the natural suction force of the cooling down comes, as has been shown by investigations of the gas, which increases as a result of its cooling with cooling, from the fact that the specific gravity in the useful gas falls down under certain conditions. The radiation boiler itself is attached to the walls of the usual gas collection room that is still connected to the gasification chamber after the carburetor or is connected to a connected boiler.
contains cash substance. According to the invention, the free cross-section of the solid part is settled on the pipes of the radiation boiler so in relation to the combustible part that is going through the amount of gas flowing past, that the flowing hot gas is not yet converted The speed of the gas is greater than that contained in the jet of water vapor, a post-gasification subject to conventional furnace boilers, preferably drawn, with a non-combustible ash stock greater than 9 m / s. Gas velocities of 15 m / s share the existing skeleton on the walls of the boiler, as long as it does not leave behind the fact that, over time, the increased suction gas sweeping past under the continued influence of these velocities to an extremely high performance is too much in terms of cost Weight falls,
hard crust sintered together, which is always further The gas speed in the radiation boiler is built up and its thermal conductivity should be selected comparatively in each case so that the downward direction is low. In the case of steam boilers, in which the total combustion of a fuel resulting from the gravitational movement of the solids suspended in the gas is more than absorbed in the entire flow cross-section and is used exclusively for steam generation. Thereby the formation of so-called is used, this difficulty arises in general, avoids floating zones, which always exist there, ie under correct operating conditions, do not occur, where the gasification contained in the gas in the form of dust is basically always with excess air residue practically no speed works opposite, through which most of the partially burned solid matter floating with the walls of the radiation boiler, so that it could easily attach itself to the walls,
The gas velocity according to the invention ensures that the temperature is lost before it begins to form. This is because the oxidation process takes place in a vectional heat transfer and prevents it from occurring significantly faster than a reduction process. others the formation of mechanically solid and the latter lack the high oxidation temperature peak 30 poorly heat-permeable layers from in the useful starting base. solid or doughy components contained in gas

Die bei den Vergasungsgasen zu beobachtende den Wänden des Strahlungskessels,
schlechte Möglichkeit einer Ausnutzung der fühlbaren Die gesteigerte Gasgeschwindigkeit wirkt sich in Wärme vermittels Strahlung rührt daher, daß die in der Praxis auch in dem Sinne aus, daß die Gaswege den Vergasungsgasen enthaltenen Gasbestandteile, die 35 im Kessel unter Umständen beträchtlich verkürzt sich zu mehr als 80 % aus Kohlenoxyd und Wasser- werden können, wodurch eine einfachere und billigere stoff zusammensetzen, nur sehr geringe Abstrahlungs- Konstruktion des Kessels ermöglicht wird,
fähigkeit für Wärme besitzen, während bei den Ver- Gegenüber einer Einrichtung, bei der das aus dem brennungsgasen infolge des hohen Gehaltes an. Stick- Gaserzeuger austretende Gasgemisch unmittelbar stoff und auch Kohlendioxyd eine Übertragung der 40 durch einen Röhrenkessel geleitet wird, hat die erfühlbaren Wärme auf die Kesselwände durch Strah- findungsgemäße Einrichtung den Vorteil, daß den in lung in größerem Umfange erfolgt. Es kommt noch dem Reaktionsgemisch vorhandenen festen Brennstoffhinzu, daß im Gegensatz zu den üblichen Feuerungs- resten Gelegenheit gegeben wird, in einem verhältnisanlagen eben keine Nachverbrennung von kleinsten mäßig wandfernen Raum, nämlich dem Strahlungs-Brennstoffteilchen durch Zweit- und Drittluft erfolgt, 45 kessel, auszureagieren, ohne daß eine Gefahr von wodurch im üblichen Kesselbetrieb örtliche Strah- Wandverkrustungen besteht, die auch bei hohen Gaslungszonen entstehen, die ausgezeichnete Wärme- geschwindigkeiten nicht absolut vermieden werden abstrahlungen zeigen, ohne nachteilige Begleiterschei- kann, falls der Strom des Reaktionsgemisches schon nungen durch Schlackenanflug. zu früh in dünne Einzelströme mit hoher Wand-The walls of the radiation boiler that can be observed with the gasification gases,
Poor possibility of utilizing the sensible The increased gas velocity has the effect of heat by means of radiation, because in practice it is also in the sense that the gas pathways contained in the gasification gases, the 35 in the boiler may be considerably shortened to more than 80 % of carbon oxide and water can be, whereby a simpler and cheaper material can be composed, only very low radiation construction of the boiler is made possible,
have the ability to generate heat, while in the case of the opposite of a facility in which the combustion gases are produced due to the high content of. Stick gas generator emitted gas mixture directly substance and also carbon dioxide a transfer which is conducted through a tubular boiler, the sensible heat on the boiler walls by radiation device according to the invention has the advantage that the development takes place to a larger extent. In addition to the solid fuel present in the reaction mixture, in contrast to the usual combustion residues, the opportunity is given not to react in a proportionate system in the smallest room remote from the wall, namely the radiation fuel particles caused by secondary and third air, 45 boiler without the risk of local radiant wall encrustations in normal boiler operation, which also arise in high gassing zones, which show excellent heat velocities that cannot be absolutely avoided, without disadvantageous side effects, if the flow of the reaction mixture is already clogged by slag . too early into thin individual streams with high wall

Die praktischen Untersuchungen haben ergeben, 5° berührungswahrscheinlichkeit aufgeteilt wird,
daß man mit den im üblichen Feuerungs- bzw. Dampf- In der Zeichnung ist mit 1 der Vergasungsraum kesselbau angewandten Maßnahmen bei der Aus- bezeichnet, in dem die durch Düsenköpfe 2 eingeführten nutzung der fühlbaren Wärme von Vergasungsgasen Reaktionsmedien (Brennstaub, Sauerstoff, Wasserkeine befriedigenden Ergebnisse erhält. Die üblichen dampf) miteinander unter Bildung von hauptsächlich Kesselanlagen sind unter bevorzugter Ausnutzung der 55 Kohlenoxyd und Wasserstoff reagieren. Die heißen strahlenden Eigenschaften der Verbrennungsgase stets Gase treten unter Mitführung staubförmiger Verso ausgebildet, daß eine möglichst große Kesselfläche gasungsrückstände durch einen wassergekühlten und für die Wärmeübertragung zur Verfügung steht, d. h., vorzugsweise unabhängig vom Vergasungsraum abderartige Anlagen arbeiten immer mit verhältnis- gestützten Abzug 3 in den sogenannten Strahlungsmäßig großen Räumen bzw. Gaswegen und also ver- 60 kessel 4 ein. Dieser Strahlungskessel 4 besteht aus gleichsweise niedrigen Gasgeschwindigkeiten, zum einem unteren weiteren Teil 5 und einem in vorliemindesten in der Strahlungszone. gendem Falle zwei Durchgänge aufweisenden engerenThe practical investigations have shown that 5 ° probability of contact is divided,
that one with the usual firing or steam In the drawing, 1 of the gasification chamber boiler construction designates measures applied in the off, in which the use of the sensible heat of gasification gases introduced by nozzle heads 2 reaction media (fuel dust, oxygen, water none satisfactory Results obtained: The usual steam) react with one another to form mainly boiler systems, making preferential use of the 55 carbon monoxide and hydrogen. The hot, radiating properties of the combustion gases always occur with the entrainment of dust-like gases so that the largest possible boiler surface is available for gassing residues through a water-cooled and for heat transfer, ie, preferably independent of the gasification room, systems always work with ratio-based exhaust 3 in the So-called radiation-wise large rooms or gas paths and thus 60 boilers 4. This radiation boiler 4 consists of equally low gas velocities, on the one hand another lower part 5 and one in the present at least in the radiation zone. in the case of two passages having narrower ones

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die erwähn- Teil 6. Die absolute Höhe des Kesselteils 5 wird so ten Schwierigkeiten durch eine geeignete Konstruk- gewählt, daß an seinem oberen Ende die Temperatur tion und Betriebsweise des .Kessels zu vermeiden. Da- 65 des Gases so gesunken ist, daß eine nennenswerte bei wird von der bei Staubvergasungsanlagen an sich Nachvergasung der im Gas schwebenden Vergasungsbekannten und bewährten Aufteilung des Kessels in rückstände nicht mehr stattfindet, zumal auch in dieser einen Strahlungskesselteil und einen Röhrenkesselteil 7nn_e eine Relativbewegung zwischen den festen ausgegangen, wobei der Röhrenkesselteil von oben ^ «-en ti stoffen und dem Gas praktisch völlig fehlt. Die nach unten mit dem heißen Nutzgas beaufschlagt wird, 7° Temperatur des Gases ist dabei immer noch sehr hoch.The invention has set itself the goal of the mentioned part 6. The absolute height of the boiler part 5 is chosen so th difficulties by a suitable construction that at its upper end the temperature tion and mode of operation of the .Kessel to avoid. DA 65 of the gas is decreased so that an appreciable when is pending in the gas gasification known and proven division of the boiler in residues no longer takes place by the case of dust gasification plants per se post-gasification, especially since in this one radiation part of the boiler and a tube boiler part 7NN _e relative movement started out between the solid ones, with the tubular boiler part from above and the gas practically completely absent. The hot useful gas is applied downwards, the 7 ° temperature of the gas is still very high.