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Teiloxydationsverfahren
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Teiloxydationsverfahren zur Herstellung
von Synthesegas, Generatorgas oder reduzierendem Gas mit überhitztem Dampf als Nbenprodukt.
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Beim Teiloxydationsverfahren muß das Abgas, das den Gasgener ator
mit einer Temperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 9300C verläßt, unter die Gleichgewichtstemperatur
für die gewünschte Gaszusammensetzung abgekühlt werden. Gegenwärtig wird dieses
durchgeführt,
irdem man den Abgasstrom i@ Wasser @bsch@@ckt, oder indem man den Gasstrom in einem
Gaskühler abkühlt, wedurch man gesättigten Dampf erzeugt. Diese beiden Verf@hren
zur Abkühlung des Gases führen zu @inem stark@n Ansti@g der Entropie und zur Verminderung
des thermischen Wirkungsgrades.
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Dieses problem wird zum Teil gemäß der Erfindung durch die Erzeugung
von überhitztem Dampf aus der Eigenwärme gelöst, die dem heißen Abgasstrom entnommen
wird, der dem Teiloxydationsgasgenerator bei seiner maximalen Temperatur verläßt.
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Die Erzeugung gesättigten, jedoch nicht überhitzten Dampfes ist Gegenstand
der US-PS 3 523 930.
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Gemaß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung casförmiger
Mischungen mit einem Gehalt an H2 und CO durch Teiloxydation eines Brennstoffes
geschaffen, der Kohlenstoff und Wasserstoff mit einem freien Sauerstoff aufweisenden
Ca enthält, bei einer Temperatur von 815 bis 1 930°C und einem Druck von 1 bis 250
ata in der Reaktionszone eines Freiflußgasgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Eigenwärme eines nicht gequenchten Gasstromes von dem Generator abführt,
indem man es stufenweise durch einen ersten und einen zweiten Wärmetauschbereich
führt, wobei man die in den zweiten Dereich abgeführte Eigenwärme zur Verdampfung
eines Wasserstromes durch direkten Wärmeaustausch verwendet, wahrend man die in
dem ersten Bereich abgeführte Eigenwärme zur Überhitzung mindestens eines Teils
des Dampfes ausnutzt. Mindesters ein Teil des gemäß der Erfindung erzeugten überhitzten
Dampfes kann kontinuierlich zum Gasenerator in Kreislauf als Dispersant oder Träger
für der Brennstoff oder als Temperaturdämpfer gefthrt werden. Wahlweise kann mindestens
ein Teil des überhItztn Dampfes kontinuierlich einer Dampf turbine als Arbeitsmedium
zugeführt werden, zur Erzeugung mechanischer Arbeit oder elektrischer Energie. Die
hohe Dampfüberhitzungstemperatur führt zu einem höheren Umsetzungswirkungsgrad.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindung wird der heiße Abgasstrom des Teil-xydations-Gsgenerators
stufenweise nacheinander durch einen ersten und einen zweiten Wärmetauschbereich
geführt.
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Es wird ein kontinuierlicher Gasstrom in dem zweiten Wärmetauschbereich,
d.h. in einem Gaskühler erzeugt. Dann wird innerhalb des ersten Wärmetauschbereiches
der Dampfstrom in einen kontinuierlichen Strom überhitzten Dampfes umgesetzt durch
den Wärme austausch mit dem heißen Abgasstrom, der den Gasgenerator verläßt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind drei Wärmetauschbereichcvorgesehen. In dem ersten Wärmetauscher nimmt ein kontinuierlicher
Strom eines Wärmeübergangsmediums einen Teil der Eigenwärme des heißen Abgasstromes,
der den Gasgenerator verläßt, auf. Das aufgeheizte.
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Wärmeübergangsmedium wird dann kontinuierlich einem dritten Wärmetauschbereich
(der als Überhitzer wirkt) zugeführt, der im Wärmeaustausch mit einem kontinuierlichen
Dampfstrom steht.
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Der Dampfstrom wurde zuvor in einem Wärmetauscher erzeugt durch den
Wärme austausch zwischen Wasser und dem Abgasstrom, der den ersten Wärmetauscher
verläßt.
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Ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes kann aus dem Überhitzer
zur Verwendung in dem Verfahren oder zu anderen Zwecken abgeführt werden. Vorteilhafterweise
ist der Druck des überhitzten Dampfes höher als derjenige, der in dem Gasgenerator
vorliegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil des
Dampfes oder des Wärmeübergangsmediums kontinuierlich in den Abgasstrom in dem ersten
Wärmetauschbereich eingeleitet.
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Gemäß einer Ausbildung dieser Ausführungsform wird das heiße Abgas
von dem Gasgenerator direkt durch einen ersten Wärmeaustauschbereich mit einem Röhrenwärmeaustauscher
hindurchgeführt, wo ein indirekter Wärme austausch mit einem kontinuierlichen Dampfstrom
erfolgt, der einen höheren Druck besitzt als das Abgas, wodurch der Dampf in einen
kontinuierlichen Strom überhitzten Dampfes übergeführt wird, während gleichzeitig
die Temperatur des Abgases sich vermindert. Ein Teil des Dampfes wird kontinuierlich
in das Abgas durch Öffnungen in den
Wänden der Rohre eingeleitet,
wodurch eine Schutzschicht von Dampf zwischen der Oberfläche der Rohre und dem Abgasstrom,
der den ersten Wärmetauschbereich durchläuft, gebildet wird.
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Vorteilhafterweise besitzt der gemäß der Erfindung erzeugte Dampf
einen höheren Druck als der Druck des Abgases. Dementsprechend durchströmt der Dampf
die Öffnungen in den Wandungen der Rohre ohne weitere Kompression.
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Gemäß einer anderen Ausführung dieser Ausbildungsform wird das den
Gasgenerator verlassende Abgas ggf. durch eine Feststoffabtrennzone bei im wesentlichen
der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck wie in dem Generator direkt durch
einen ersten Wärmetauschbereich mit einem Röhrenwärmeaustauscher geführt, im Wärmeaustausch
mit einem kontinuierlichen Strom gasförmigen Wärmeübergangsmediums, wodurch der
heiße Abgasstrom abgekühlt und gleichzeitig das gasförmige Wärmeübergangsmedium
erhitzt wird. Ein Teil des gasförmigen Wärmeübergangsmediums wird kontinuierlich
in den Abgasstrom durch Öffnungen in den Wandungen der Röhren und ggf. der Rohrverzweiger
der Wärmeaustauscher eingeleitet, wodurch eine Schutzschicht oder ein Vorhang gasförmigen
Wärmeübertragungsmediums zwischen der Oberfläche der Rohre und ggf. Rohrverzweiger
und dem Abgasstrom aufgebaut wird. Das erhitzte, gasförmige Wärmeübertragungsmedium,
das den ersten Wärmeaustauschbereich verläßt, wird in einen dritten Wärmeaustauschbereich
eingeleitet, unter indirektem Wärme aus tausch mit dem Dampf, der den zweiten Wärmeaustauschbereich
verläßt, wodurch das gasförmige Wärmeübertragungsmedium abgekühlt und ein Strom
überhitzten Dampfes erzeugt wird. Die Mischung des Abgases und des eingeleiteten
Teils des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums aus dem ersten Wärmeaustauschbereich
wird gereinigt, wodurch ein Rohproduktabgas erzeugt wird.
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Ein Teil des rohen, sauberen Produktabgases wird als Ausgleich mit
dem gekühlten Wärmeübertragungsmedium, das den dritten Wärmeaustauschbereich verläßt,
vermischt, worauf
die gasförmige Mischung in den ersten Wärmeaustauschbereich
als gasförmiges Wärmeübertragungsmedium eingeleitet wird.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachfolgend
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen
die Figuren 1 bis 4 schematische Darstellungen von Fließbildern bevorzugter Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Mit der Erfindung wird ein verbessertes, kontinuierliches Teiloxydations-Vergasungsverfahren
zur Herstellung rohen Synthesegases, reduzierenden Gases oder Brennstoff, zusammen
mit wertvollem überhitzten Dampf als Nebenprodukt geschaffen.
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Die vorerwähnten Gasströme enthalten H2 und CO sowie im allgemeinen
einen oder mehrere der folgenden Bestandteile, nämlich H20, C02, H2S, COS, CH4,
N2, Ar und teilchenförmigen Kohlenstoff.
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Ein kontinuierlicher Abgasstrom des Synthesegases, des reduzierenden
Gases oder des Brennstoffgases wird in einer mit einem hitzebeständigen Material
ausgekleideten Reaktionszone eines getrennten, offenen, nicht katalytischen Freifluß-Teiloxydationsgasgenerator
erzeugt. Bei dem Gasgenerator handelt es sich bevorzugt um einen senkrechten Stahldruckbehälter,
wie er in der US-PS 2 992 906 beschrieben ist.
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Man kann einen weiten Bereich trennbarer Kohlenstoff und Wasserstoff
enthaltender organischer Materialien in dem Gasgenerator mit einem freien Sauerstoff
enthaltenden Gas ggf.
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in der Anwesenheit eines temperaturdämpfenden Gases reagieren lassen,
um den besagten Abgasstrom zu erzeugen.
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Jeder Brennstoff, der Kohlenstoff und Wasserstoff sowie ggf. andere
Elemente enthält, der im allgemeinen in Teiloxydations-Gasgeneratoren eingesetzt
werden kann, einschließlich gasförmigen flüssigen und festen Kohlenwasserstoffen,
kohlenstoffhaltigen Materialien, eignet sich für die Durchführung
des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Es kann sogar im wesentlichen jede brannbare Kohle,
die organisches Material oder fossilen Brennstoff, auch in aufgeschlämmter Form,
aufweist, Verwendung finden. Beispielhaft sind zu nennen 1. pumpbarer Schlamm fester
kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, wie z.B. Kohle, Lignit, Kohlenstaub, Erdölkoks,
konzentrierter Abwasserschlamm sowie Mischungen hiervon, 2. Gas/Feststoffsuspensionen,wie
feingemahlene, feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe, die entweder in einem temperaturdämpfenden
Gas oder einem gasförmigen Kohlenwasserstoff dispergiert sind und 3. Gas-Flüssigkeits/Feststoff-Dispersionen,
wie atomisierter, flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoff oder atomisiertes Wasser
und feinkörnige Kohle, dispergiert in einem temperaturdämpfenden Gas. Der kohlenwasserstoffhaltige
Brennstoff kann einen Schwefelgehalt im Bereich von 0 bis 10 Gew.-% und einen Aschegehalt
im Bereich von 0 bis 15 Gew.-% aufweisen.
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Der Begriff flüssige Kohlenwasserstoffe" zur Beschreibung geeigneter
flüssiger Rohstoffe umfaßt verschiedene Materialien, wie verflüssigtes Erdölgas,
Erdöldestillate und -rückstände, Benzin, Naphta, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl,
Rückstandsöl, Teersandöl und Schieferöl, Kohleöl, aromatische Kohlenwasserstoffe
(wie Benzol-, Toluol-, Xylolfraktionen), Kohlenteer, Rückführgasöl aus dem katalytischen
Flüssigkeitskrackbetrieb, Furfuralextrakt von Koksgasöl und Mischungen dieser Bestandteile.
Der Begriff "gasförmige Kohlenwasserstoffbrennstoffe" zur Beschreibung geeigneter
gasförmiger Rohstoffe umfaßt Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Naturgas, Wassergas,
Koksofengas, Raffineriegas, Acetylennachlaufgas, Äthylenabgas, Synthesgas und Mischungen
dieser Bestandteile.
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Gasförmige und flüssige Ausgangsstoffe können miteinander vermischt
und ghichzeitig eingesetzt werden und können paraffinische, olefinische, naphtenische
und aromatische Bestandteile in beliebigen Verhältnissen aufweisen.
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Als Brennstoffe mit einem Gehalt an Kohleastoff und Wasserstoff
sind
auch oxydierte kohlenwasserstoffhaltige, organische Materialien verwendbar, einschließlich
Kohlehydraten, Zellulosemateriaten, Aldehyden, organischen Säuren, Alkoholen, Tetonen,
oxydiertem Brennöl, flüssige Abfallstoffe und Nebenprodukte von chemischen Verfahren,
die oxydierte kohlenwasserstoffhaltige, organische Materialien enthalten>sowie
Mischungen dieser Bestand teile.
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Der Beschickungsbrennstoff kann Raumtemperatur aufweisen, oder er
kann auch vorerhitzt sein, z.B. auf eine Temperatur von 315 bis 650qC, z.B. bis
4300C, wobei die Temperatur jedoch vorzugsweise unter der Krack-Temperatur liegt.
Das Vorerhitzen des Brennstoffes kann durch kontaktlosen Wärmeaustausch erfolgen,
oder es kann durch unmittelbaren Kontakt mit überhitztem oder gesättigtem Dampf
durchgeführt werden, der an einer Stelle später im Verfahren erzeugt wird. Der Brennstoff
kann in flüssiger Phase in den Brenner eingeführt werden, oder es kann sich um eine
verdampfte Mischung handeln mit einem Temperaturdämpfer. Geeignete Temperaturdämpfer
umfassen überhitzten Dampf, gesättigten Dampf, ungesättigten Dampf, Wasser, C02-reiches
Gas, ein Teil des gekühlten Abgases von einer Turbine, die an weiter zurückliegender
Stelle des Verfahrens eingesetzt wird, Stickstoff in Luft, Stickstoff als Nebenprodukt
von einer herkömmlichen Luftzerlegungseinheit sowie Mischungen der erwähnten Temperaturdämpfer.
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Die Verwendung eines Temperaturdämpfers zur Dämpfung der Temperatur
in der Reaktionszone hängt im allgemeinen von dem Kohlenstoff zu Wasserstoffverhälntis
des Ausgangsmaterials und dem Sauerstoffgehalt des Oxydationsmittelstromes ab. Ein
Temperaturdämpfer muß nicht bei allen gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen
eingesetzt werden, er wird jedoch im allgemeinen bei flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen
und bei im wesentlichen reinem Sauerstoff verwendet. Der Temperaturdämpfer kann
als Beimischung eines oder beider Reaktionsströme zuge führt werden. Andererseits
kann der Temperaturdämpfer in die Reaktionszone des Gasgenerators durch eine ge)
trennte Leitung in den Brenner eingeleitet werden.
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0 bis 100 % des später im Verfahren erzeugten überhitzten Dampfes
können zur Vorerhitzung und Dispergierung der flüssigen, kohlenwasserstoffhaltigen
Beschickung eingesetzt werden, oder zur Vorerhitzung und zum Mitreißen der festen
kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, die in den Gasgenerator eingeführt werden können.
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Das Gewichtsverhältnis der Gesamtmenge an H20 zum in die Reaktionszone
des Gasgenerators eingeführten Brennstoff liegt im allgemeinen im Bereich von 0
bis 5.
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Wenn man verhältnismäßig kleine Mengen H20 der Reaktionszone beispielsweise
durch den Brenner zuführt, um die Brennerspitze zu kühlen, kann das H20 sich mit
dem Brennstoff, dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, dem Temperaturdmpfer oder
verschiedenen Bestandteilen vermischen. In einem solchen Fall liegt das Gewichtsverhältnis
von Wasser zu Brennstoff zweckmäßigerweise in einem Bereich von 0,0 bis 1,1 und
noch stärker bevorzugt, von 0,0 bis 0,2.
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Der Begriff " freien Sauerstoff enthaltendes Gas" soll hier Luft,
sauerstoffangereicherte Luft, d.h. Luft mit einem Gehalt von mehr als 21 Mol-% Sauerstoff
und im wesentlichen reinen Sauerstoff, d.h. Sauerstoff mit einem Gehalt von mehr
als 95 Mol-% (mit einem Rest an N2 und seltenen Gasen) umfassen.
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Freien Sauerstoff enthaltendes Gas führt man in den Brenner bei einer
Temperatur ein, die zwischen Raumtemperatur und 985 0C liegt. Das Verhältnis von
freiem Sauerstoff in dem Oxydationsmittel zum Kohlenstoff in dem Beschickungsmaterial
(O/C, Atom/ Atom) liegt bevorzugt im Bereich von etwa 0,7 bis 1,5.
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Die Beschickungsströme werden in die Reaktionszone des Gasgenerators
mit Hilfe eines Brenners eingeführt. Dabei können Ringbrenner, wie sie beispielsweise
in der US-PS 2 928 460 beschrieben sind, eingesetzt werden.
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Man läßt die Beschickungsströme durch Teiloxydation miteinander reagieren,
ohne daß sich ein Katalysator in der Reaktionszone
des Freifluß-Gasgenerators
befindet, bei einer Autogentemperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 930 0C und einem
Druck im Bereich von 1 bis 250 ata. Die Reaktionszeit in dem Gasgenerator liegt
im allgemeinen zwischen 1 und 10 Sekunden. Der Abstrom des Gases, das den Gasgenerator
verläßt, kann CO, H2, CO2, H20, CH4, N2, Ar, H2S und COS enthalten. Nicht in Reaktion
getretener, teilchenförmiger Kohlenstoff (auf der Basis des Gewichtes des Kohlenstoffs
in der Beschickung) liegt im allgemeinen im Bereich von 0, 2 bis 20 Gew.-% bei flüssigen
Beschickungen, ist jedoch normalerweise bei gasförmigen Kohlenwasserstoffbeschickungen
vernachlässigbar. Die spezifische Zusammensetzung des Abgases hängt von den Betriebsbedingungen
und den Zufuhrströmen ab. Synthesegas umfaßt im wesentlichen H2 + CO. Alles oder
das meiste des H20 und C02 wird für das reduzierende Gas entfernt, und der CH4-Gehalt
kann für Brennstoffgas erhöht werden.
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Das Vorerhitzen des Brennstoffes kann durchgeführt werden durch indirekten
Wärmeaustausch oder direkten Kontakt mit überhitztem, gesättigtem oder ungesättigtem
Dampf, wie er in dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt wird.
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Ein kontinuierlicher Strom heißen Abgases bei im wesentlichen der
gleichen Temperatur und dem gleichen Druck, wie in der Reaktionszone,verläßt durch
eine axiale Austrittsöffnung den Gasgenerator und wird dann direkt einem ersten
Wärmeaustauschbereich zugeführt. Gegebenenfalls kann sich eine Feststofftrennzone
(in der Zeichnung nicht dargestellt) zwischen der Austrittsöffnung des Gasgenerators
und dem ersten Wärmeaustauschbereich befinden. Die Feststofftrennzone kann aus einem
Freistromabscheider bestehen, wie beispielsweise einer Schlackenkammer, die in die
Leitung vor dem ersten Wärmetauscher geschaltet ist. Hierdurch kann zumindest ein
Teil irgendwelchen Feststoffmaterials, wie beispielsweise feinkörnige Kohle, Asche,
Schlacke, Auskleidungsmaterial und Mischungen hiervon, das in dem heißen Abgasstrom
eingeschlossen ist, oder das den Gasgenerator verläßt, (wie beispielsweise Schlacke,
Asche,
Teile von Auskleidungsmaterial) aus dem Abgasstrom abgetrennt
und mit geringem oder gar keinem Druckverlust in der Leitung zurückgewonnen werden.
Einetypische verwendbare Schlackenkammer ist in Fig. 1 der Zeichnungen der US-PS
3 528 930 dargestellt.
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Ein Teil der Eigenwärme des nicht abgekühlten Abgasstromes, der den
Gasgenerator oder den Feststoffabscheider verläßt, wird in einem ersten Wärmetauschbereich
zurückgewonnen.
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Diese Wärme wird eingesetzt, um den Dampf, der an anderer Stelle in
dem Verfahren gewonnen wird, in überhitzten Dampf zu überführen, bei einem Druck
oberhalb des Gasgeneratordruckes. Wie in den Fig. 1 und 3 der beigefügten Zeichnungen
dargestellt ist, wird der durch die Leitungen 39 und 42 strömende überhitzte Dampf
in dem Wärmetauscher 16 durch den Wärmeaustausch zwischen dem Abgasstrom aus dem
Gasgenerator und dem Dampf erzeugt. In den Fig. 2 und 4 wird der durch die Leitung
39 strömende überhitzte Dampf in dem Wärmetauscher 55 durch den Wärmeaustausch zwischen
einem Wärmeübertragungsmedium und Dampf erzeugt. Das Wärmeübertragungsmedium wurde
vorher in dem Wärmetauscher 16 durch den Wärme aus tausch mit dem Abgasstrom aus
dem Gasgenerator erhitzt.
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In der Darstellung gemäß Fig. 1 strömt der heiße Abgasstrom aus dem
Generator und in kontaktlosem Wärmeaustausch an einem Dampfstrom vorbei, der unmittelbar
im Anschluß hieran in einem Seitenwärmeaustauschbereich erzeugt wurde. Der Begriff
"kontaktlos" bedeutet, daß keine Vermischung zwischen den beiden Gasströmen eintritt.
Vorzugsweise laufen die beiden Ströme in entgegengesetzte Richtungen, d.h. im Gegenstrom.
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Sie können jedoch auch in der gleichen Richtung verlaufen, d.h. im
Gleichstrom. In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Röhrenwärmeaustauscher 16 darçestellt,
in welchen Dampf eintritt, aus welchem überhitzter Dampf aus der Behälterseite aus
tritt, während das heiße Abgas Röhren oder Mehrfachspiralen durchläuft. Diese Anordnung
der Ströme kann umgekehrt werden, wobei das heiße Abgas aus der Behälterseite austreten
kann. Im Grunde kann jeder Wärmeaustauscher, der die hohen Temperaturen und
Drucke
der Medien auszuhalten vermag, Einsatz finden. Wärmebeständige Metalle und Keramik
können als Konstruktionsmaterialien eingesetzt werden.
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Der in überhitzten Dampf umzusetzende Dampfstrom tritt in den ersten
Wärmetauscher bei einer Temperatur von 150 bis 375°C ein und einem Druck, der im
Bereich von etwa 4 ata bis 260 ata liegt. Der überhitzte Dampf verläßt den ersten
Wärmetauscher bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck
im Bereich von 4 bis 260 ata. Vorteilhaft steht der überhitzte Dampf unter einem
Druck, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators. Die
hohe Dampfüberhitzungstemperatur führt zu einem hohen Umsetzungswirkungsgrad, wenn
der überhitzte Dampf als Arbeitsmedium in eine Expansionsturbine zur Erzeugung mechanischer
Kraft oder elektrischer Energie eingesetzt wird. Der heiße Abgasstrom aus dem Gasgenerator
oder dem Feststoffabscheider tritt mit im wesentlichen der gleichen Temperatur und
dem gleichen Druck wie in der Reaktionszone in dem ersten Wärmetauscher, bei einer
Temperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 930°C und einem Druck im-Bereich von etwa
1 bis 250 ata ein, wie z.B. bei einem Druck von 3,5 bis 250 ata.
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Der teilweise abgekühlte Abgasstrom kann den ersten Wärmeaustauschbereich
bei einer Temperatur im Bereich von etwa 315 bis 1 4300C und einem Druck im Bereich
von etwa 3,5 bis 250 ata verlassen und tritt in einen zweiten Wärmeaustauschbereich,
wie z.B. den Gaskühler 23, ohne wesentliche Verminderung der Temperatur und des
Druckes, ein, wo er in kontaktlosem Wärme aus tausch an dem Speisekesselwasser vorbeigeführt
wird.
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Der Rohabgasstrom verläßt den zweiten Wärmeaustauschbereich bei einer
Temperatur im Bereich von etwa 160 bis 370°C und einem Druck, der im wesentlichen
der gleiche ist wie in der Reaktionszone des Gasgenerators, vermindert um den üblichen
Druckabfall in den Leitungen, irgendwelchen Feststoffabscheidern
sowie
dem ersten und zweiten Wärmeaustauschbereich, d.h. der Gesamtdruckverlust kann etwa
2 ata oder weniger betragen. Der Rohabgasstrom kann die folgenden Bestandteile umfassen
(in MOL-%) H2 70 bis 10, CO 15 bis 57, C02 0 bis 5, H20 0 bis 20, N2 0 bis 75, Ar
0 bis 1,0, CH4 0 bis 25, H2S O bis 2,0 und COS 0 bis 0,1. Nicht in Reaktion getretene,
feinkörnige Kohle (auf der Gewichtsbasis der Kohle in der B-schickung) kann etwa
0 bis 20 Gew-% ausmachen. Gegebenenfalls kann der Rohabgasstrom, der den zweiten
Wärmeaustauschbereich verläßt, herkömmlichen, nachgeschalteten Klär- und Reinigungszonen
zugeführt werden, in welchen unerwünschte Bestandteile entfernt werden.
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Das Kesselspeisewasser tritt in den zweiten Wärmetauschbereich mit
einer Tempertur im Bereich von etwa der Umgebungstemperatur bis 360°C ein und verläßt
die Zone als gesättigter oder ungesättigter Dampf bei einer Temperatur von etwa
150 bis 375 0C und einem Druck von 4,5 bis 260 ata. Vorteilhaft kann der ungesättigte
oder gesättigte Dampf bei einem Druck hergestellt werden, der größer ist als der
Druck innerhalb der Gaszone des Gasgenerators. Obwohl in dem zweiten Wärmetauscher
23 vorzugsweise ein Gegenstrom erzeugt wird, wie dies Fig. 1 zeigt, kann auch der
Wärmetauscher im Gleichstrom gefahren werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
kann darüber hinaus der Dampfstrom in Röhren erzeugt werden, während der Abgasstrom
durch den Behälter geleitet wird.
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Von etwa 0 bis 100 Gew.-% des in dem zweiten Wärmetauscherbereich
erzeugten Dampfes wird in dem ersten Wärmeaustauscherbereich übergeleitet, um überhitzten
Dampf zu erzeugen, mit einem Druck, der höher ist als der Druck in dem Gasgenerator.
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Gegebenenfalls kann ein Teil des Dampfes irgendwo an anderer Stelle
im Verfahren eingesetzt oder nach außen abgeführt werden.
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Überhitzter, gesättigter oder ungesättigter Dampf, der in dem laufenden
Verfahren hergestellt wurde, kann benutzt werden, um Hitze zur Verfügung zu stellen.
So kann beispielsweise der Dampf eingesetzt werden, um die Beschickungssströme zu
dem
Gasgenerator aufzuheizen. Auf diese Weise kann kohlenwasserstoffhaltiger
Brennstoff vorerhitzt werden, bis auf eine Temperatur von etwa 430°C, die jedoch
unterhalb der Kracktemperatur liegt, unterVerwendung mindestens eines Teils des
durch das gegenwärtige Verfahren erzeugten Dampfes. Er kann außerdem in den Gasgenerator
als Temperaturdämpfer eingesetzt werden.
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Mindestens ein Teil des im Laufe des Verfahrens erzeugten überhitzten
Dampfes kann in den Teiloxydationsgasgenerator eingeführt werden, wo er reagieren
und dadurch zur Menge des Wasserstoffes in dem Abgasstrom beitragen kann. Darüber
hinaus wird der thermische Wirkungsgrad des Verfahrens verbessert.
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Kondensationsprobleme, die sich ergeben können, wenn Dampf und Brennstoff
miteinander vermischt werden,können verhindert werden, indem man überhitzten Dampf
verwendet. Vorteilhaft setzt man einen Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium
in einem Turbokompressor ein, um die Luftbeschickung für eine Lufttrennungseinheit
zu komprimieren, zur Erzeugung im wesentlichen reinen Sauerstoffes (95 Mol-% oder
höher).
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Mindestens ein Teil dieses Sauerstoffes kann in den Gasgenerator als
Oxydationsmittel eingeführt werden. Der überhitzte Dampf kann außerdem als Arbeitsmedium
in einem turboelektrischen Generator eingesetzt werden. Wenn man mit überhitztem
Dampf einer sehr hohen Temperatur beginnt und die Wärme in Elektrizität umsetzt,
führt dies zu einem hohen Umsetzungswirkungsgrad.
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Der erste und der zweite Wärmeaustauschbereich sind in den Zeichnungen
als zwei getrennte Wärmetauscher 16 und 23 dargestellt, die miteinander verbunden
sind. Die Vorteile dieses Schemas sind die Vereinfachung des Aufbaues und die Verminderung
der Größe eines jeden Wärmeaustauschers, wodurch die Anlagekosten verringert werden.
Wärmeaustauscher mit herkömmlichen Aufbau können montiert werden. Die Systemabschaltzeiten
können vermindert werden, wenn eine der Einheiten zur Überholung oder Reparatur
ausgetauscht werden muß.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der erste und der zweite
Wärmeaustauschbereich in einem gemeinsamen Behälter untergebracht sein.
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zinke andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 der Zeichnungen
dargestellt. Der heiße Abgasstrom aus dem Gasgenerator oder ggf. aus dem Freistromabscheider
für Feststoffe und/oder Schlacke besitzt im wesentlichen die gleiche Temperatur
und den gleichen Druck, wie sie in der Reaktionszone vorliegen, und tritt in den
ersten Wärmetauscher 16, wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Zeichnungen,
ein. Der Abgasstrom wird jedoch in kontaktlosem Wärmeaustausch an einem re-.
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lativ kalten Wärmeübertragungsmedium vorbeigeführt, welches hierdurch
auf eine Temperatur im Bereich von etwa 985 bis 1 540°C erhitzt wird. Gleichzeitig
wird der Abgasstrom abgekühlt und verläßt den ersten Wärmeaustauschbereich mit einer
Temperatur im Bereich von etwa 315 bis 1 430°C und einem Druck im Bereich von etwa
2,7 bis 255 ata, worauf er direkt in den zweiten Wärmeaustauschbereich, d.h. den
Gaskühler 23 mit im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck
eintritt, wie er den Wärmetauscher 16 verläßt. In dem Gaskühler 23 wird der Abgasstrom
in kontaktlosem Wärmetausch an dem Kesselspeisewasser vorbeigeführt. Das Kesselspeisewasser
tritt mit einer Temperatur, die im Bereich von der Umgebungstemperatur bis 360°C
liegt, ein und entweicht als gesättigter oder ungesättigter Dampf mit einer Temperatur
von etwa 150 bis 375 0C und einem Druck von etwa 4,5 bis 260 ata.
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Vorteilhaft kann der gesättigte oder ungesättigte Dampf bei einem
Druck erzeugt werden, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators.
Der Abgasstrom verläßt den Gaskühler 23 bei einer Temperatur im Bereich von etwa
160 bis 370°C und einem Druck, der in etwa der gleiche ist wie in der Reaktionszone
des Gasgenerators, vermindert um den üblichen Druckabfall in den Leitungen und Behältern.
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Gleichzeitig mit dem Wärmeaustausch in den Wärmetauschern 16 und 23
wird ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes
bei einer Temperatur
im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich von 4,5 bis 260 ata
in einem dritten Wärmeaustauschbereich, d.h. dem Wärmetauscher 55 durch kontaktlosen
Wärmeaustausch zwischen einem kontinuierlichen Dampfstrom von dem vorerwähnten zweiten
Wärmeaustauschbereich 23 und einem kontinuierlichen Strom des Wärmeübertragungsmediums
von dem ersten Wärmeaustauschbereich 16 erzeugt. Vorteilhaft wird der überhitzte
Dampf mit einem Druck erzeugt, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone
des Gasgenerators.
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Das Wärmeübertragungsmedium tritt in den Wärmetauscher 55 von dem-Wärmetauscher
60 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 985 bis 1 5400C ein, verläßt den Wärmetauscher
55 bei einer Temperatur im Bereich von etwa 455 bis 1 205 0C und wird bei im wesentlichen
der gleichen Temperatur im Kreislauf dem Wärmetauscher 16 zugeführt, wo es in kontaktlosem
Wärmeaustausch an dem Abgasstrom aus dem Gasgenerator, wie oben beschrieben, vorbeigeleitet
wird. Hierdurch kann die Eigen wärme des Abgastromes von dem Gasgenerator verwendet
werden, um überhitzten Dampf in einer vergleichsweise sauberen Umgebung zu erzeugen.
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Ein Teil des Rohabgasstromes kann als Wärmeübertragungsmedium Verwendung
finden. Gegebenenfalls kann mindestens ein Teil des Rohabgasstromes mit herkömmlichen
Mitteln geklärt und gereinigt werden, um unerwünschte Bestandteile zu entfernen.
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Mindestens ein Teil dieses Produktgases kann als Wärmeübertragungsmedium
eingesetzt werden. Beispielsweise können Mischungen von H2 + CO mit der folgenden
Zusammensetzung (in Mol.-%) erzeugt werden: H2 10 bis 48, CO 15 bis 48 und der Rest
N2 + Ar. Außerdem kann im wesentlichen reiner H2 (z.B. 98 Mol.-% oder mehr) als
Wärmeübertragungsmedium aus dem Abgas mittels bekannter Gasklärungs- und Reinigungstechniken
hergestellt werden, einschließlich der katalytischen Wassergaskonvertierung.
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Das zwischen den Wärmetauschern 16 und 55 im Kreislauf geführte Wärmeübergangsmedium
kann sich entweder in gasförmigem'
oder in flüssigem Zustand befinden,
wobei es sich um H20, Helium, Stickstoff, Argon, Wasserstoff oder eine Mischung
mit einem Gehalt an H2 + CO handeln kann. Andererseits kann das Wärmeübertragungsmedium
Natrium, Kalium, Quecksilber oder Schwefel in gasföflnigem oder flüssigem Zustand
sein, so daß das Wärmeübertragungsmedium komprimiert oder gepumpt werden kann, in
Abhängigkeit von den Bltriebszuständen der Temperatur und des Druckes sowie der
Phase des Wärmeübertragungsmediums. Eine Abkühlung dieser Wärmeübertragungsmedien
unter ihrem Verfestigungspunkt ist dementsprechend zu vermeiden.
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G-mäß einer anderen Ausführungsform kann das Wärmeübertragungs medium
seinen Aggregatzustand während der Wärmeübertragung ändern. So kann beispielsweise
in dem Wärmetauscher 16 ein Wrmeübertragungsmittel, das sich in einer flüssigen
Phase befindet, in die Dampfphase umgesetzt werden, Dann kann in dem Wärmetauscher
55 das Wärmeübertragungsmedium zurück in den flüssigen Aggregatzustand kondensiert
werden, worauf es in den Wärmetauscher 16 gepumpt wird.
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Herkömmliche Röhrenwärmetauscher können eingesetzt werden.
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Wie oben beschrieben, können die beiden getrennten Ströme im Wärmeaustausch
miteinander in der gleichen oder der entgegengesetzten Richtung aneinander vorbeigeführt
werden, wobei jeder Strom durch die Röhren geführt werden kann, während sich der
jeweils andere auf der Behälterseite befindet. Durch eine hinlängliche Isolierung
der Leitungen, des Gasgenerators 1 und der Wärmetauscher 16, 23 und 55 kann der
Temperaturabfall zwischen den einzelnen Bauteilen sehr gering gehalten werden, d.h.
geringer als 5 0C. Hitzebeständige Metalle und feuerfeste Auskleidungen werden als
Konstruktionsmaterialien eingesetzt.
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In Fig. 3 der Zeichnungen ist ein erster Röhrenwärmeaustauscher 16A
dargestellt, der eine Anzahl von Röhren oder Spiralen besitzt. Wahlweise können
die Verteiler innerhalb oder außerhalb des Behälters angeordnet sein. Die Röhren
und ggf. die Vertei ler sind mit öffnungen in den Wänden versehen, durch welche
mindestens
ein Teil, d.h. etwa 1 bis 50 Vol.-» oder starker bevorzugt, 3 bis 25 Vol.-% des
Dampfes, der durch den Behälter von der Außenseite der Rohre zur Innenseite geführt
wird, während gleichzeitig der verbleibende Dampf auf der Bfhältersei i überhitzt
wird. Nachdem d-r Dampf in die Röhren oder Verzweiger eingedrungen ist, vermischt
er sich mit dem Abgasstrom, der direkt die Rohr von dem Gasgenerator bei einem etwas
geringeren Druck, d.h. etwa 0,35 bis 3,5 at weniger durchströmt. Vor dem Mischen
bildet jedoch der vergleichsweise kühle zugeführte Dampf eine kontinuierlich fließende
Schutzschicht oder einen Vorhang zwischen der Innenfläche der Röhren und dem Abgasstrom,
der hindurchgeführt wird, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 815 bis 1 930°C.
In einer ähnlichen Weise kann eine kontinuierlich fließende Schutzschicht oder ein
Dampfvorbang die Oberflächen der Vorteiler abdecken, die normalerweise in Kontakt
mit dem heißen Abgasstrom ständen. Hierdurch wird die Oberfläche und ggf. der Verteiler
gekühlt und gegen korrodierende Gasangriffe geschützt, wie auch vor dem Absetzen
von Asche, Schlacke und Ruß.
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Andererseits kann der Röhrenwärmeaustauscher 16A so geschaltet sein,
daß der heiße Abgasstrom von dem Gasgenerator die Behälterseite durchläuft, während
der Dampf durch die Röhren und Verteiler geführt wird. Zumindest ein Teil des Dampfes,
d.h. 1 bis 50 Vol.-%, stärker bevorzugt 3 bis 35 Vol.-% können von der Innenseite
der Röhren und ggf. Verteiler zur Außenseite geführt werden. Der durchtretende Dampf
sorgt für eine Schutzschicht zwischen der Außenseite der Röhren und ggf. Verteiler
sowie dem Abgasstrom aus dem Gasgenerator. Der verbleibende Dampf, der durch die
Röhren geführt wird, wird überhitzt.
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Gegebenenfalls sind in den abwärtigen Enden der Röhren und ggf. dem
abwärtigen Verteiler keine Löcher oder eine geringere Anzahl von Löchern vorgesehen,
da die Temperatur des Abgasstromes
an diesem Punkt durch den Wärmeübergang
soweit vermindert worden ist, daß sie unterhalb des Punktes liegt, an welchem die
Korrosion mit H2S in dem Abgasstrom eintritt.
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Aus dem gleichen Grund sind hochwertige Materialien nur am oberen,
(heißen) Ende der Röhren erforderlich. Die Oeffnungen in den Wandungen der Röhren
und ggf. Verteiler besitzen einen kleinen Durchmesser im Bereich von etwa 0,025
bis 1,6 mm.
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Die Löcher sind um den Umfang der Röhren angeordnet und ihre Anzahl
ist so groß, daß eine Schutzströmung um den gesamten Umfang der Röhrer herum auszutreten
vermag. Zwei unähnliche Metalle können durch eine festsitzende Gleitverbindung miteinander
verbunden werden, um thermische Expansionen und Ableitungen aszugleichen, Bispielsweise
können längsgerichtete Abstandsvorsprünge auf dem psositiven Ende der Gleitverbindung
vorgesehen sein und einen Spalt bilden, der einen durchtretenden Strom ermöglicht,
wenn die Verbindung montiert ist. Hitzebeständiges poröses Material, einschließlich
Metall und Keramik kann ebenfalls als Baumaterial verwendet werden.
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Der zu überhitzende Dampfstrom tritt in den ersten Wärmetauscher bei
einer Temperatur im Bereich von etwa 150 bis 3750C und einem Druck im Bereich von
etwa 4,5 bis 260 ata ein. Der überhitzte Dampf verläßt den ersten Wärmetauscher
mit einer Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich
von etwa 4 bis 460 ata. Vorteilhaft kann der überhitzte Dampf bei einem Druck erzeugt
werden, der größer ist als der Druck in der Reaktionszone des Gasgenerators. Dementsprechend
strömt der Dampf durch die Öffnungen in der Wandung der Wärmetauscherröhren ohne
Kompression.
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Während des Durchlaufes durch den ersten Wärmetauschbereich liegt
der Wassergehalt des Abgasstromes erhöht im Bereich von etwa 1 bis 50, beispielsweise
etwa 3 bis 25 Mol.-% H20. Vorteilhafterweise ist, wenn der Abgasstrom, der den ersten
Wärmetauscherbereich verläßt, einer Wassergaskonvertierung unterworfen wird, es
erstrebenswert, hinreichend Dampf in den
Abgasstrom in den ersten
Wärmetauscherbereich zu führen, da das Mol.-Verhältnis H20XCO der gasförmigen Mischung-im
Bereich von o,5 bis 8 liegen.
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Um den Dampf für die Überhitzung in dem ersten Wärmeaustauschbereich
zu erzeugen, wird der teilweise abgekühlte Abgasstrom, der den ersten Wärmeaustauschbereich
verläßt, beispielsweise mit einer Temperatur im Bereich von etwa 315 bis 1 430°C
und einem Druck im Bereich von etwa 3 bis 250 ata einem zweiten Wärmeaustauschbereich,
nämlich dem Gaskühler 23 zugeführt, ohne wesentliche Vermindernung der Temperatur
und des Druckes, wo er einem kontaktlosen Wärmeaustausch mit dem Kesseirpeisewasser
ausgesetzt wird. Die Temperatur- und Druckzustände in dem zweiten Wärmeaustauschbereich
fallen im allgemeinen in den gleichen Temperatur- und Druckbereich wie bei den anderen
Ausführungsformen der Erfindung.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 der Zeichnungen
dargestellt. Der heiße Abgasstrom von dem Gasgenerator bzw. ggf. von dem Feststoff-
und/oder Schlackenabscheider-tritt in den Wärmetauscher 16A ein, bei welchem es
sich um einen Röhrenwärmeaustauscher handelt, dessen Aufbau demjenigen ähnlich ist
der zuvor im Zusammenhang mit dem Wärmeaustauscher 16A in Fig. 3 beschrieben wurde.
Statt Dampf wird jedoch mindestens ein Teil des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums
von der Innenseit der Röhren oder ggf. des Verteilers nach der Außenseite oder umgekehrt
geführt und mit dem heißen Umgebungsgasstrom, der den Wärmetauscher 16A durchläuft,
vermischt. Dabei wird eine verhältnismäßig kühle, kontinuierlich fließende Schutzschicht
oder ein Vorhang von Wärmeübertragungsmedium zwischen den Oberflächen der Röhren
und ggf.
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der Verteiler und dem Umgebungsabgasstrom von dem Gasgenerator erzeugt.
Der nicht übergeleitete Teil des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums wird auf eine
Temperatur in Bereich von etwa 700 bis 15400C in dem Wärmetauscher 16A erhitzt und
hierauf in einen dritten Wärmetauscher 55 eingeführt, wo es mit Dampf in indirekte
Wärmeübertragung gebracht wird, wodurch der überhitzte Dampf erzeugt wird.
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Gleichzeitig wird der Abgasstrom, der den ersten Wärmetauschbereich
16A durchläuft, abgekühlt und verläßt mit einer Temperatur im Bereich von 315 bis
1 4300C und einem Druck im Bereich von etwa 3 bis 250 ata die Wärmeaustauschzone.
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Der gekühlte Abgasstrom, der den ersten Wärmeaustauschbereich verläßt,
kann durch herkömmliche Verfahren gereinigt werden, um unerwünschte eingeschlossene
Feststoffe, wie beispiels-und weise teilchenförmige Kohle / Asche zu entfernen,
wobei ggf.
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der Gasstrom gereinigt werden kann, indem man saure Gase, wie z.B.
C02, H2S und COS entfernt. Mindestens ein Teil, d.h.
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1 bis 50 Vol.-% und stärker bevorzugt 3 bis 25 Vol.-% des sauberen
und ggf. gereinigten Abgasstromes bei einer Temperatur im Bereich von 35 bis 1700C
wird mit dem gekühlten Wärmeübertragungsmedium, das den dritten Wärmeaustauschbereich
verläßt, im Kreislauf geführt und mit diesem vermischt, um den Teil des sauberen
Abgasstromes auszugleichen, der durch den Wärmetauscher 16A in den Abgasstrom der
Umgebung übergeht, welcher den ersten Wärmeaustauschbereich durchläuft. Die Gasmischung
wird dann bei einr Temperatur im Bereich von etwa 90 bis 1 315 0C bzw. 315 bis 7600C
durch den Wärmetauscher 16A als Wärmeübertragungsmedium geführt, wie dies bereits
beschrieben worden ist.
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Die Betriebsbedingungen in dem zweiten Wärmeaustauschbereich und die
Temperatur und der Druck des Kesselspeisewassers sowie des erzeugten Dampfes liegen
im wesentlichen in den gleichen Bereichen wie bei den anderen Ausführungsformen
der Erfindung.
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Gleichzeitig mit dem in den Austauschern 16A und 23 ablaufenden Wärmeübergang
wird ein kontinuierlicher Strom überhitzten Dampfes bei einer Temperatur im Bereich
von etwa 400 bis 6000C und einem Druck im Bereich von etwa 4,5 bis 260ata in einem
dritten Wärmeaustauschbereich, nämlich dem Austauscher 55 durch einen kontaktlosen
Wärmeübergang zwischen einem kontinuierlichen Dampfstrom von dem zweiten Wärmeaustauschbereich
23 und einem
kontinuierlichen Strom von Wärmeübertragungsmedium
aus dem ersten Wärmeaustauschbereich 16A erzeugt. Vorteilhafterweise besitzt der
überhitzte Dampf einen Druck, der höher ist als der Druck in der Reaktionszone des
Gasgenerators. Das Wärmeübertragungsmedium tritt von dem Wärmetauscher 16A in den
Wdrmetauscher 55, beispielsweise mit einer Temperatur im Bereich von 425 bis 1 5400C
und starker bevorzugt 425 bis 985 0C ein und vedaßt den Wärmetauscher 55 bei einer
Temperatur von beispielsweise 250 bis 1 3700C und stärker bevorzugt 310 bis 815
0C, worauf es mit dem in Kreislauf geführten Ausgleichsteil des Produktabgasstromes
bei einer Temperatur von 35 bis 370°C und einem Druck oberhalb des Rohabgasstromes
vermischt und anschließend in den Wärmetauscher 16A eingeführt wird, wo er in einem
kontaktlosen Wärmeaustausch mit dem Abgasstrom von dem Gasgenerator gebracht wird,
wie dies oben beschrieben worden ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung soll auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen werden, die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen darstellen.
Alle Leitungen und Ausrustungsgegenstände sind vorzugsweise isoliert, um die Wärmeverluste
gering zu halten. In den Zeichnungen tragen ähnliche Teile der Vorrichtung gleiche
Bezugszeiffern.
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In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein nicht katalytischer Freifluß-Teiloxydationsgasgenerator
1 dargestellt, der mit einem hitzebeständigen Material 2 ausgekleidet ist und eine
aufwärtsgerichtete, axial ausgerichtete und mit einem Flansch versehene Einlaßöffnung
3, eine awärtsgerichtete, axial ausgerichtete und mit einem Flansch versehene Auslaßöffnung
4 sowie eine offene Reaktionszone 5 aufweist. Ein Ringbrenner 6 mit einem Mitteld
+ chlaß 7 ist axial auf den Gasgenerator 1 ausgerichtet und in der Einlaßöffnung
3 gehalten. Der Mitteldurchlaß 7 beffitzt einen Einlaß 8 sowie eine konvergierende,
konusförmige Düse 9 an der Spitze des Brenners. Der Brenner 6 besitzt außerdem einen
konzentrischen, koaxialen Ringdurchlaß 10 mit einem Einlaß 11 und einer konischen
Auslaßoffnungvl2.
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Brenner mit einem anderen Aufbau können ebenfalls Verwendung finden.
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An die Awlaßöffnung 4 ist der Einlaß 15 eines Hochtemperaturröhrenwärmetauschers
16 mit herkömmlichem Aufbau angeflanscht, der im Inneren Röhren oder ehrfachspiralen
17, ein Gehäuse 20 sowie einen abwärtsgerichteten und mit einem Flansch versehenen
Auslaß 21 besitzt. Wahlweise kann ein Freifluß-Feststoffabscheider (in den Zeichnungen
nicht dargestellt), der keinen oder nur einen geringen Druckabfall hervorruft, in
der Leitung zwischen dem Auslaß 4 des Gasgenerators und dem Einlaß 15 des Wärmetauschers
16 angeordnet sein. An den Auslaß 21 des Wärmetauschers 16 ist der Einlaß 22 eines
Röhrengaskühlers 23 herkömmlichen Aufbaues angeflanscht, der innenliegende Röhren
24, ein Gehäuse 25 sowie einen abwärtsgerichteten und mit einem Flansch versehenen
Auslaß 26 besitzt.
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Ein kontinuierlicher, flüssiger oder dampfförmiger Brennstoff-Strom
oder ein pumpbarer Schlamm eines festen Brennstoffes können, wie oben beschrieben,
über die Leitung 30 in das System hineingeführt werden, wobei ggf. ein kontinuierlicher
Strom überhitzten Dampfes über die Leitung 31,oder ein Strom gesättigten Dampfes
über die Leitung 53 in einem Mischer (nicht dargestellt) beigemischt wird. Die Beschickungsmischung
wird dann über die Leitung 33,den Einlaß 11, den ringförmigen Durchlan 10 und die
Auslanöffnung 12 des Brenners 6 in die Reaktionszone 5 des Teiloxadationsgasgenerators
1 eingeführt.
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Gleichzeitig wird ein kontinuierlicher Stroh eines freien Sauerstoff
enthaltenden Gases, wie oben beschrieben, über die Leitung 34 durch die Mittelöffnung
7 und die Düse 9 des Brenners 6 in die Reaktionszone 5 des Gasgenerators 1 als Zumischung
mit dem Brennstoff und dem Dampf eingeleitet.
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Der kontinuierliche Strom des Abgases, das den Teiloxydationsgasgenerator
über den Auslaß 4 verläßt, strömt durch den
Wärmetauscher 16 in
kontaktfreiem, indirektem Wärmeübergang mit einem Gegenstrom von Dampf, der in dem
Gaskühler 23 erzeugt worden ist. Es wird z.B. der Dampf, der auf dtr Gehäuse seite
20 des Wärmetauschers 16 (ebenfalls Überhitzer 16 genannt) nach oben strömt, in
überhitzten Dampf umgewanddt, der über den Auslaß 38,die Leitung 39, das Ventil
41 und die Leitung 31 nach außen strömt, worauf er mit dem kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoff aus der Leitung 30 in der Leitung 33 vermischt wird. Gegebenenfalls kann
der Strom überhitzten Dampfes aus dem berhitzer 16 über die Leitung 42,das Ventil
43 und die Leitung 44 abgezogen und in eine Dampfturbine als Arbeitsmedium geführt
werden.
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Der teilweise gekühlte Abgasstrom verläßt den Überhitzer 16 durch
den Auslaß 21 und tritt durch den Einlaß 22 in den Gaskühler oder Abhitzekessel
23 ein. Beim Durchlauf durch den Gaskühler 23 tritt der Abgasstrom in kontaktfreien,
indirekten Wärmeübergang mit dem im Gegenstrom geführten K-sselspeisewasser. Das
Kesselspdsewasser wird dabei erhitzt und in Dampf umgesetzt, wobei zumindest ein
Teil der verbleibenden Sigenwärme des Abgasstromes absorbiert wird. Somit tritt
das Kesselspeisewasser aus der Leitung 45 durch den Einlaß 46 in den Wärmetauscher
23 ein. Es wird entlang des Gehäuses 25 nach oben geführt und verläßt den Tauscher
durchden Auslaß 47 und die Leitung 48 als Dampf. Der Dampf tritt in den Überhitzer
16 durch den Einlaß 49 ein und wird in überhitzten Dampf umgesetzt, wie dies oben
beschrieben worden ist. Gegebenenfalls wird ein Teil des Dampfes über den Auslaß
50, die Leitung 51, das Ventil 52 und die Leitung 53 aus dem Gaskühler abgezogen.
Dieser Dampf kann irgendwo in dem System Verwendung finden.
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Der gekühlte Abgasstrom verläßt den Gaskühler 23 über den Bodenauslaß
26 und die Leitung 54 und kann einer herkömmlichen, nachgeschalteten Gasreinigungsanlge
zugeführt werden.
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Die in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellte Vorrichtung ist ähnlich
der vorangehend beschriebenen, mit der Ausnahme eines zusätzlichen Röhrenwärmeaustauschers-
55, mit einem geflanschten
Bodeneinlaß 56, einem geflanschten
oberen Auslaß 57, inneren Röhren oder Spiralen 58, Gehausewanåungen 59 und einem
Seitenauslaß 60. Aus der Leitung 61 führt ein Zirkulator 62, d.h. eine Pumpe, ein
Kompressor oder ein Gebläse das gasförmige oder flüssige Wärmeübertragungsmedium
durch die Leitung 63, den Einlaß 64, entlang der Gehäusewandung 20-in dem Wärmetauscher
16, den Auslaß 25, die Leitung 66 und den Einlaß 67 des Wcrmetauschers 55 (der auch
Überhitzer 55 genannt wird) in Kreislauf. Das heiße Wärmeübertragungsmedium wird
dann entlang der Behälterwandung 59 durch die Bodenöffnung-60 für die Kreislaufführung
zum Wärmetauscher 16 und zur Wiedererhitzung geführt.
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Der Betrieb der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist ähnlich
wie bei der vorangehend in Fig. 1 beschrtbenen Form.
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Der wesentliche Unterschied liegt darin, daß ein Wärmeübertragungsmedium
eingesetzt wird, welches zwischen den Wärmetauschern 16 und 55 im Kreislauf geführt
wird. In dem Wärmetauscher 16 wird der Strom des Wärmeübertragungsmediums erhitzt,
indem ein Teil der Eigenwärme des Abgasstromes, der direkt aus dem Gasgenerator
1 oder unmittelbar von einem Feststoff- und Schlackenabscheider (in den Zeichnungen
nicht dargestellt)absorbiert wird. Wie oben beschrieben, wird der Wärmeübertragungsmittelstrom
in den Wärmetauscher 16 an der Behälterwandung 20 nach oben geführt und steht in
kontaktlosem, indirektem Wärmeaustausch mit dem abströmenden, kontinuierlichen Strom
heißen Abgases aus dem Gasgenerator 1 in den Röhren 17.
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Die dann in den Wärmetauscher 55 abgegebene Eigenwärmemenge des Wärmeübertragungsmittelstromes,der
kontinuierlich an der Behälterwand 59 abströmt, ist hinreichend groß, um den kontinuierlichen
Dampfstrom, der in kontaktfreiem, indirektem Wärme austausch durchströmt, in überhitzten
Dampf zu verwandeln.
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Der Dampf ist zuvor ist dem Abgaskessel 23, wie in Zusammenhang mit
Fig. 1 beschrieben, erzeugt worden. Zumindest ein Teil des in dem Gaskühler erzeugten
Dampfes wird in den Überhitzer 55
durch den Auslaß 47, die Leitung
48 und den angeflanschten Einlaß 56 eingeführt. Gegebenenfalls kann überhitzter
Dampf über die Leitung 39 oder Dampf aus der Leitung 53 in den Gasgenerator 1 als
Temperaturdämpfer und als Transportmittel für den Brennstoff eingeleitet werden.
Vorzugsweise wird der Abgasstrom durch die Röhren in den Wärmetauschern 16 und 23
geführt, die in Reihe aneinander angeschlossen sind.
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Bei der in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellten Vorrichtung ist die
Anordnung von Gasgenerator 1, Überhitzer und Gaskühler 23 im wesentlichen die gleichen
wie in Fig. 1, wobei jedoch der Wärmetauscher (Überhitzer) 16A einen etw anderen
Aufbau besitzt, wobei es sich um einen Röhrenhochtemperatur-Wärmeaustauscher 16A
handelt, dessen innere Röhren oder Vielfachspiralen 17 an einem oberen Verteiler
18 und einem unteren Verteiler 19 angeschlossen sind, während er außerdem eine Seitenwand
20 sowie einen mit einem Flansch versehenen unteren Auslaß 21 besitzt.
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Der kontinuierliche Abgasstrom, der den Teiloxydationsgenerator über
den-Auslaß 4 verläßt, wird durch den Wärmetauscher 16A mit einem Dampfstrom, der
in dem Gaskühler 23 erzeugt wurde, im Gegenstrom geführt. Zusätzlicher Dampf von
einer anderen Quelle kann durch die Leitungen 27, 28, 29, 32 und 49 zugeführt werden.
Zumindest ein Teil des entlang des Behälters 20 des Wärmetauschers 16A (ebenfalls
Überhitzer 16A) nach oben geführten Dampfes wird durch die Löcher 33 in den Wandungen
der Röhren 17 und des oberen Verteilers 18 geführt und dann mit dem heißen Abgasstrom
aus dem Gasgenerator vermischt.
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Der verbleibende Dampf wird in überhitzten Dampf umgesetzt, welcher
über den Auslaß 38, die Leitungen 79 und 39, das Ventil 41 sowie die Leitung 31
abgeführt und mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aus der Leitung 30 in
der Leitung 35 vermischt. Gegebenenfalls kann ein überhitzter Dampfstrom aus dem
überhitzer 16A über die Leitung 42, das Ventil 43, die Leitung 44abgezogen und in
eine Dampfturbine 70 als Arbeitsmedium eingführt werden, welche er durch die
Leitung
71 verläßt. Die Dampfturbine 70 treibt einen Luftkompressor 72 und ggf. einen elektrischen
Generator 73 an.
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Die Luft tritt in den Kompressor 70 über die Leitung 74 ein und verläßt
ihn über die Leitung 75. In der Lufttrennungszone 76 wird die komprimierte Luft
in über die Leitung 77 abgezogenen Stickstoff und über die Leitung 78 abgezogenen
Sauerstoff getrennt. Gegebenenfalls kann überhitzter Dampf aus den Überhitzer 16A
durch den Auslaß 38, die Leitungen 79 und 80, das Ventil 81 sowie die Leitung 82
abgezogen werden.
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Der teilweise gekühlte Abgasstrom mit dem beigemischten Strom verläßt
den bberhitzerl6A durch den Auslaß 21 und tritt in den Abwärmekessel 23 über den
Einlaß 22 ein. Beim Durchgang durch den Gaskühler 23 steht die Mischung aus Abgasstrom
und beigemischtem Strom in kontaktlosem, indirektem Wärmeaustausch mit dem im Gegenstrom
geführten Kesselspeisewasser. Das Kesselspeisewasser wird dabei erhitzt und in Dampf
umgesetzt, in dem zumindest ein Teil der verbleibenden Eigenwärme der Mischung des
Abgasstromes und des BEimischungsstromes absorbiert wird. Somit tritt das Kesselspeisewasser
aus der Leitung 45 über die Leitung 46 in den Wärmetauscher 23 ein.
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Es strömt entlang der G-häusewandung 25 aufwärts und verläßt den Wärmetauscher
durch die Öffnung 47 und die Leitung 48 als Dampf. Der Dampf tritt über die Leitung32
und den Einlaß 49 in den Überhitzer 16A ein und wird in überhitzten Dampf umgesetzt,
wie dies oben beschrieben wurde. Gegebenenfalls kann ein Teil des Dampfes aus dem
Gaskühler über den Auslaß 50, die Leitung 51, das Ventil 52 und die Leitung 53 abgezogen
werden.
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Dieser Dampf kann irgendwo in dem System eingesetzt werden.
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Die gekühlte Abgasstrommischung und der Beimischungsstrom verlassen
den Gaskühler 23 über den Bodenauslaß 26 sowie die Leitung 54 und können herkömmlichen
Gasreinigungsanlagen und ggf. einer nachgeschalteten Abscheidezone zugeführt werden.
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Das gesichtete und ggf. gereinigte Produktgas kann als Synthesegas,
reduziertes Gas oder Brenngas, in Abhängigkeit seiner
Zusammensetzung
Verwendung finden. Beispielsweise kann sauberes Produktgas in die Brennkammer einer
(nicht dargestellten) Gasturbine eingeleitet werden. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte
werden einer Expansionsturbine als Arbeitsmedium zugeführt. Die Turbine kann einen
Turbokompressor oder einen turboelektrischen Generator antreiben.
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Der Turbokompressor kann eingesetzt werden, um die im System benötigte
Luft zu komprimieren. Der elektrische Generator kann die elektrische Energie für
die Verwendung im Bereich des Verfahrens zur Verfügung stellen. Das in Fig. 4 der
Zeichnungen dargestellte Verfahren ist demjenigen des im Zusammenhang mit Fig. 2
beschriebenen ähnlich, mit der Ausnahme der Klärungs- und ggf. Reinigungszonen 91.
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Ein im Kreislauf geführter Ausgleichsteil des Produktabgasstromes
in Leitung 115 wird durch den Gaskompressor 69 auf einen höheren Druck gebracht
als derjenige des Rohabgasstromes, welcher den Gasgenerator 1 verläßt. Das kühlere
komprimierte Gas wird dann in der Leitung 68 mit dem gasförmigen Wärmeübertragungsmittel
vermischt, das dem Überhitzer 55 durch den unteren Auslaß 60 und die Leitung 61
verläßt. Mit Hilfe eines Gaszirkulators 62 wird das gasförmige Wärmeübertragungsmedium
durch die Leitung 63, den Einlaß 64 und den unteren Verteiler 13 des Röhrenwärmetauschers
16A geführt. Das gasförmige Wärmeübertragungsmedium strömt durch eine Vielzahl von
Röhren oder Spiralen 17 und tritt dann durch den oberen Verteiler 14 und den Auslaß
65 aus. Während des Aufströmens durch den Wärmetauscher 16A tritt ein Teil des gasförmigen
Wärmeübertragungsmediums durch Löcher oder Schlitze kleinen Durchmessers in den
Wänden der Röhren und ggf. der Verteiler aus. Das durchtretende Gas bildet eine
Schutzschicht oder einen Vorhang zwischen der Außenfläche der Verteiler und der
Röhren und dem Abgasstrom, der durch den Wärmetauscher 16A innerhalb des Gehäuses
20 nach unten strömt. Das übertretende Gas vermischt sich dann mit dem
Abgasstrom,und
der teilweise gckiihlte Gasstrom tritt durch den Auslaß 21 aus. Das erhitzte ssförige
Wärmeübertragungsmittel strömt aus dem Auslaß 65 durch die Leitung 66, den Einlaß
67 des Wärmetauschers 55 und anschließend durch das Gehäuse 59 abwärts und aus den
Bodenauslaß 60 heraus zur Kreislaufführung zu dem Wärmetauscher 168 und zur Wiedererhitzung,
wie dies oben beschrieben worden ist.
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Beim Betrieb dAr Ausführungsform des Verfahrens, das in Fig. 4 dargestellt
ist, wird der Strom des gasförmigen Wärmeübertragungsmediums in den Röhren 17 des
Wärmetauschers 16A erhitzt. Dann wird innerhalb des Wärmetauschers 55 eine Eigenwärmemenge
von dem Wärmeübertragungsmedium, das kontinuierlich an der Behälterwand 59 vorbeigeführt
wird, abgegeben, die ausreichend ist, um den in den röhren 58 kontinuierlii aufströmenden
Dampf kontaktlos durch indirekten Wärmeaustausch zu erhitzen und dabei den überhitzten
Dampf zu erzeugen.
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Der überhitzte Dampf tritt durch die Leitung 39 aus, und ein Teil
kann über die Leitung 40, das Ventil 41 sowie die Leitungen 105 und 31 abgezogen
und in Leitung 35 mit dem durch Leitung 30 tretenden Brennstoff vermischt werden.
Die Beschickungsmischung wird dann über den Brenner 6 in den Gasgenerator 1 eingeführt.
Der verbleibende überhitzte Dampf kann durch die Leitung 1C6, das Ventil 107 sowie
die Leitung 108 nach außen abgeführt werden. Gegebenenfalls kann ein Teil des überhitzten
Dampfes als Arbeitsmedium in einer Dampfturbine 70 eingesetzt werden, wie dies im
Zusammenhang mit dem überhitzten Dampf aus der Leitung 44 in Fig. 3 beschrieben
wurde.
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Der gesättigte oder ungesättigte Dampf in Leitung 48 wird in dem Gaskühler
23 erzeugt. Zusätzlicher Dampf von irgendeiner Stelle des Systems kann durch die
Leitung 95, das Ventil 96 und die Leitung 97 zugeführt werden. Zumindest ein Teil
des Abgasstromes, der den Gaskühler 23 verläßt, nämlich 1 bis 100 Vol.-%, kann in
die Klärungs- und ggf. Reinigungszone 91 eingeführt werden. Gegebenenfalls kann
ein Teil des
Gasstromes an den Klärungs- und Reinigungszonen 91
über die Leitung 124, das Ventil 125 und die Leitung 126 vorbeigeleitet werden.
Geklärtes und ggf. gereinigtes Produktgas wird in dem Bereich 91 erzeugt,und mindestens
ein Teil wird zum Kompressor 69 als Ausgleich zurückgeführt. Der verbleibende Teil
des Produktgases in Leitung 121 kam beispielsweise als Brennstoff in der Brennkammer
einer Gas turbine eingesetzt werden. Das Abgas von der Brennkammer wird einer Expansionsturbine
als Arbeitsmedium zugeführt. Die Expansionsturbine kann einen Kompressor oder einen
elKtrischen Generator antreiben, wie dies bereits beschrieben wurde. Andere Verwendungsmöglichkeiten
für das Produktgas sind oben näher erläutert. Zumindest ein Teil des Dampfes für
den Überhitzer 55 wird in dem Abgaskessel oder Wärmetauscher 53 erzeugt, indem man
Kesselspeisewasser aus der Leitung 45 durch den Einlaß 46 und den Behälter 25 führt,
wodurch zumindest ein Teil der Eigenwärme, die in der abströmenden Mischung des
Abgasstromes und des Beimischungsstromes in den Röhren 24, der durch den Auslaß
26 und die Leitung 54 austritt, verbleibt, absorbiert wird. Zumindest ein Teil des
in dem Gaskühler 23 erzeugten Dampfes wird über-den Auslaß 47, die Leitungen 98
und 48 sowie den mit einem Flansch versehenen Einlaß 56 dem Überhitzer 55 zugeführt.
Gegebenenfalls kann überhitzter Dampf aus der Leitung 39 oder Dampf aus der Leitung
53 als Temperaturdämpfer und als Transportmittel für den kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoff in den Gasgenerator 1 eingeführt werden.
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Andererseits kann der Abgas strom aus dem Generator 1 durch die Röhren
der Wärmetauscher 16 und 23 geführt werden, die in Reihe aneinander angeschlossen
sind. In diesem Fall tritt das gasförmige Wärmeübertragungsmedium in Leitung 63
durch das Gehäuse des Wärmetauschers 16A. Ein Teil des Wärmetransportmediums tritt
dann durch die Wände der Röhren und Verteiler und wird zusammen mit dem in den Röhren
abwärtsströmenden Abgasstrom weitergeleitet. Es bildet sich jedoch zunächst eine
Schutzschicht aus gasförmigem Wärmeübertragungsmittel auf der Innenfläche der Röhren
und der beiden Verteiler.
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Gegebenenfalls kann lediglich der aufwärtige Verteiler mit den Übertrittslöchern
versehen sein.
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Der gekühlte Abgasstrom, der durch die Leitung 54 austritt, wird über
die Leitung 117, das Ventil 118 sowie die Leitung 119 der Klärungs- und Reinigungszone
91 zugeführt, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Das geklärte und ggf.
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gereinigte Gas tritt durch die Leitungen 120 und 121, das Ventil 122
und die Leitung 123 aus. Wenn es sich bei dem Produktgas in Leitung 123 um Brenngas
handelt,kann ein Teil in einem Gasbrenner verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen.
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Andererseits kann ein Teil in die Brennkammer einer (nicht dargestellten)
Gasturbine eingeleitet werden. Die Verbrennungsgase strömen durch eine Expansionsturbine
zur erzeugung mechanischer Energie. Das Produktgas kann auch Synthesegas, reduzierendes
Gas oder reiner Wasserstoff sein. Zumindest ein Teil des Abgasstromes und des Beimischungsstromes
in Leitung 54 kann die Klärungs- und Reinigungszone über die Leitung 124, das Ventil
125 sowie die Leitung 126 umgehen.
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Ein Teil des Produktgases aus Leitung 120 wird als Ausgleich verwendet,
um das gasförmige Wärmeübertragungsmedium zu ersetzen, das durch die Öffnungen in
den Röhren 17 und den Verteilern 13 und 14 des Wärmetauschers 16A übergetreten ist.
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Dieser Ausgleichsgasstrom ist kühler als das gasförmige Wärmeübertragungsmedium
in Leitung 61 und wird durch die Leitung 130, das Ventil 131 sowie die Leitung 115
geführt und in dem Kompressor 69 auf einen Druck oberhalb desjenigen des Abgasstromes
in dem Behälter 20 des Wärmetauschers 16A komprimiert. Wie bereits vorher beschrieben,
wird das komprimierte Ausgleichsgas mit dem gasförmigen Wärmeübertragungsmedium
aus der Leitung 61 vermischt, und die Mischung wird in der Schleife zwischen den
Wärmetauschern 16A und 55 im Kreislauf geführt.
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Die nachfolgenden Beispiele sollen die verschiedenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern.
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Die Verfahren werden kontinuierlich durchgeführt, und die angegebenen
Mengen sind auf eine stündliche Basis für alle Ströme und Materialien bezogen. Die
Volumina sind bei OOC und 1 at Druck angegeben. Bei den Drucken handelt es sich
jeweils
um den absoluten Druck.
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Beispiel Die durch das Beispiel I repräsentierte Ausführungsform
der Erfindung ist in der bereits vorher beschriebenen Fig. 1 der 3 Zeichnungen dargestellt.
89896 m rohen Synthesegases werden kontinuierlich in einem nicht katalytischen Freiflußgasgenerator
durch Teiloxydation eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes (der noch weiter
erläutert werden wird) mit Sauerstoff (etwa 99,7 Vol.-% Reinheit) hergestellt. Der
kohlenwasserstoffhaltic3e Brennstoff ist ein pumpbarer Schlamm mit 470,3 kg feinkörniger
Kohle, die später durch Reinigung des Synthesegasproduktes wiedergewonnen wird und
26014 kg reduziertem Rohöl, entsprechend der folgenden Analyse in Gew.-%: C 85,87,
H2 11,10, S 2,06, N2 C,78, 02 0,16 und Asche 0,04.
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Weiter besaß das reduzierte Rohöl eine spezifische Dichte von 0,983
(APl Schwere 12,5), eine Verbrennungwärme von 10185 cal/g wie eine Viskosität von
1170 centistokes (479 Saybolt Seconds Furol bei 500C).
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Etwa 13007 kg überhitzten Dampfes, die in dem Verfahren mit einer
Temperatur von 399 0C und einem Druck von etwa 40,8 ata erzeugt wurden, werden mit
dem Rohöl vermischt, um eine Beschickungsmischung zu erzeugen, die eine Temperatur
von etwa 295 0C besaß, die kontinuierlich in den Ringdurchlaß eines Ringbrenners
eingeführt und in die Reaktionszone des Gas-3 generators entladen wurde. Etwa 19937
m@ Sauerstoff mit einer Temperatur von etwa 360°C werden kontinuierlich durch die
Mittelöffnung des Brenners zugeführt und mit der Dispersion des überhitzten Dampfes
und des Rohöles vermischt.
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Die Teiloxydation und verwandte Reaktionen treten in der Freiflußreaktionszone
des Gasgenerators auf, und es wird ein kontinuierlicher Abgasstrom rohen Synthesgases
bei einer Temperatur von 13050C und einem Druck von 28,2 ata erzeugt. Der
Abgasstrom
des rohen SyntEsesegases aus dem Gasgenerator durchströmt einen getrennten Wärmetauscher
oder Überhitzer, wo es auf eine Temperatur von 1125°C durch den Wärmeaustausch mit
einem kontinuierlichen Strom, an einer späteren Stelle im Verfahren, hergestellten,
gesättigten Dampfes abgekühlt wird.
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65738 kg gesättigeten Dampfes treten in den Überhitzer bei einer Temperatur
von 2530C und einem Druck von 41,5 ata ein.
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Etwa 65738 kg überhitzten Damptes verlassen den Überhitzer bei einer
Temperatur von 4C00 und einem Druck von 40,8 ata.
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Wie weiter oben beschrieben, wird ein Teil dies kontinuierlichen Stromes
übe-rhitzten Dampfes in den Gasgenerator vorzugsweise als Bimischung zum Rohöl eingeführt.
Wahlweise wird ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium in einem Turbokompressor
beispielsweise eingesetzt, um in einer Luftzerlegungsanlege freien Sauerstoff zu
erzeugen, der dem Gasgenerator zugeführt wird.
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Der teilweise abgekühlte Strom rohen Synthesegases, der den Überhitzer
verläßt, wird dann durch die Röhren eines getrennten herkömmlichen Gaskühlers geführt,
und auf eine Temperatur von etwa 270°C durch den Wärmeaustausch mit 65738 kg Kesselspeisewasser,
das in einem kontinuierlichen Strom entlang der Behälterwand geführt wird, abgekühlt.
Ein Strom von etwa 65738 kg des gesättigten Nebenproduktdampfes wird hierdurch erzeugt
bei einer Temperatur von etwa 2530C und einem Druck von etwa 41,5 ata. Wie weiter
oben beschrieben, wird zumindest ein Teil dieses gesättigten Dampfes dem Überhitzer
zugeführt, um überhitzten Dampf zu erzeugen. Der verbleibende Rest des gesättigten
Dampfes kann an anderer Stelle des Verfahrens eingesetzt werden, wie z.B. zur Vorerhitzung
des freien Sauerstoff enthaltenden Gases.
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Der kontinuierlich Abstrom rohren Synthesegases, das den Gaskühler
nach dem Wärme austausch mit dem Kesselspeisewasser verläßt, besitzt einen Druck,
der im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige in der Reaktionszone des Gasgenerators,
vermindert
um den üblichen Druckverlust in den Leitungen und Wärmetauschern.
Dieser Druck kann geringer sein als etwa 1,35 at. Die Zusammensetzung des Stromes
an rohem Synthesegas, das den Gaskühler verläßt, ist wie folgt: H2 41,55 %, CO 41,59
%, CO2 4,61 %, H2O 11,46 ;t', H25 0,40 %, COS 0,02 A, CH4 0,31 A, N2 0,21 % und
Ar O,G3 %. Etwa 474,5 kg nicht umgesetzter feinkörniger Kohle wurden in den Abstrom
des rohen Synthesegases eingeschlossen. Felnkörnige Kohle und andere gasförmige
Verunreinigungen können aus dem rohen Synthesegas in der nachgeschalteten Klärungs-
und Reinigungszone entfernt werden. Wahlweise kann ein Teil des überhitzten Dampfes
mit dem Synthesegasstrom vermischt und dann einer Wassergaskonvertierung ausgesetzt
werden, um das Kohlenmonoxid in dem Gasstrom in Wasserstoff und Kohlendioxid umzusetzen.
Das CO2 kann dann abgezogen werden, um einen Wasserstoff enthaltenden Gasstrom zu
erzeugen.
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Beispiel II Die Ausführungsform der Erfindung, die durch Beispiel
II repräsentiert wird, ist in Fig. 2 der Zeichnungen, die bereits oben beschrieben
worden ist, dargestellt.
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Die Arten und Mengen der Materialien,mit welchen der nicht katalytische
Freiflußgasgenerator in Beispiel II beschickt wird, sind im wesentlichen' die gleichen,
wie die im Zusammenhang mit Beispiel I beschriebenen. In einer ähnlichen Weise ist
die Zusammensetzung und die Menge an rohren Synthesegas, wie auch die Mengen an
gesättigtem Dampf und überhitzten Dampf im wesentlichen gleich denjenigen der Besipiele
I und II.
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Darüber hinaus sind die Betriebstemperaturen und Drucke in dem Gasgenerator
und den jeweiligen Wärmetauschern auch für die Materialströme und Produkte im wesentlichen
in beiden Beispielen die gleichen.
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In Beispiel II werden 9361 kg Wasserstoff kontinuierlich zwischen
dem Wärmetauscher 16 und dem getrennt davon angeordneten Überhitzer 55 als Wärmeübertragungsmedium
im Kreislauf geführt.
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Der kontinuierliche Abstrom rohen Synthesegases aus dem Gasgenerator
bei einer Temperatur von 1305°C und einem Druck von 28,2 ata wird auf eine Temperatur
von 1124°C vermindert durch den Wärmeübergang mit dem genannten Wärmeübertragungsmedium,
das in den Warmetauscher 16 mit einer Temperatur von 455 0C eintritt und ihn bei
einer Temperatur von 805 0C verläßt. Die Temperatur des kontinuierlichen Stromes
rohen Synthesegases wird dann weiter auf 2710C durch den Wärmeübergang mit dem Kesselspeisewasser
in dem Gaskühler 23 vermindert.
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Ein kontinuierlicher Strom gesättigten Dampfes, der in dem Gaskühler
23 mit einer Temperatur von 2520C erzeugt wird, wird dann in einem kontinuierlichen
Strom überhitzten Dampfes bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 40,8
ata umgesetzt, in einem getrennten Überhitzer 55 durch kontaktlosen Wärmeaustausch
mit dem Wärmeübertragungsmedium, das in den Überhitzer 55 mit einer Temperatur von
805°C eintritt und diesen bei einer Temperatur von 455°C verläßt.
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Beispiel III Die durch das Beispiel III repräsentierte Ausführungsform
der Erfindung ist in Fig. 3, die bereits vorher beschrieben worden ist, dargestellt.
Die Arten und Mengen der Materialien, die dem Gasgenerator zugeführt werden, sind
im wesentlichen die gleichen wie die in Beispiel I beschriebenen. In ähnlicher Wtise
sind die Zusammensetzung und die Menge des rohen Synthesegases ebenfalls im wesentlichen
die gleichen wie in Beispiel I. Der Abstrom rohen Synthesegases aus dem Gasgenerator
strömt durch die Röhren des getrennt angeordneten Wärmetauschers oder Überhitzers
16A, wo er auf eine Temperatur von 1125 0C abgekühlt wird, durch den Wärme aus tausch
mit einem kontinuierlichn Strom gesättigten Dampfes, der an späterer Stelle in dem
Verfahren hergestellt wurde. 65738 kg gesättigten Dampfes treten in das Gehäuse
des Überhitzers bei einer Temperatur von 253 0C und einem Druck von 41,5 ata ein.
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Etwa 90 % des gesättigten Dampfes verlassen den Wärmetauscher als
überhitzer Dampf bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 40,8 ata. Wie
in Beispiel I beschrieben, wird ein
Teil deses kontinuierlichen
Stromes überhitzten Dampfes in den Gasgenerator vorzugsweise als Beimischung zu
dem Rohoi eingeführt. Gegebenenfalls wird ein Teil des überhitzten Dampfes als Arbeitsmedium
in einem Turbokompressor, z.B.
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zum Betrieb einer LuftzerlequngsãnAge eingesetzt, zur rzeugung der
freien sauerstoffhaltigen Beschickung für den Gasgenerator. Der verbleibende R st
des gesättigten Dampfes, nämlich etwa 6573 kg, der dem Überhitzer zugeführt wird,
tritt durch die Öffnungen kleinen Durchmessers in die Röhren und den aufwärtigen
Verteiler ein und vermischt sich mit dem durchtretenden heißen rohen Synthesegas.
Ein Schutzschild von Dampf kleidet die Innenseite derRohroberflächen aus und schützt
dabei die Röhren vor dem korrodierenden Angriff des rohen Synthesegases. Außerdem
setzt sich keine Kohle oder Asche an der Innenseite der Röhrenoberflächen fest.
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Der teilweise gekühlte Strom rohen Synthesegases, zusammen mit dem
Übergagsstrom, der den Überhitzer verläßt, wird dann durch die Röhren eines getrennt
angeordneten, herkömmlichen Gaskühlers geführt und auf eine Temperatur von etwa
2710C abgekühlt durch den Wärmeaustausch mit 65738 kg Kesselspeisewasser, das in
einem kontinuierlichen Strom durch den Behälter geführt wird. Ein Strom von etwa
65738 kg des gesättigten Nebenproduktdampfes wird hierdurch erzeugt bei einer Temperatur
von etwa 253 0C und einem Druck von 41,5 at. Wie bereits beschrieben, wird dieser
gesättigte Dampf dem Überhitzer 16A zur Umsetzung in überhitzten Dampf zugeführt.
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Der kontinuierliche Abstrom rohen Synthesegases, das den Gaskühler
nach dem Wärmetausch mit dem Kesselspeisewasser verläßt, besitzt einen Druck, der
im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige, der in Reaktionszone des Gasgenerators
vorliegt, vermindert um den üblichen Druckabfall in den Leitungen und Wärmetauschern.
Dieser Druckabfall kann geringer als etwa 1,35 at sein. Die Zusammensetzung des
Stromes an rohem
Synthesegas, welches den Gaskühler verläßt, ist
wie folgt (Mol.% auf trockener Basis): H2 46,95, CO 46,99, C02 5,19, H2S 0,45, COS
0,02, CH4 0,14, N2 C,23 und Ar 0,03. Etwa 474,5 kg nicht konvertierter, feinkörniger
Kohle ist in dem Abstrom des rohen Synthesegases eingeschlossen. Die feinkörnige
Kohle und andere gasförmige Verunreinigungen können aus dem rohen Synthesgas in
nachgeschalteten Klär- und Reinigungsanlagen ausgeschieden werden. Gegebenenfalls
kann ein Til des überhitzten Dampfes mit dem Synthesegasstrom vermischt und dann
einer Wassergaskonvertierung ausgesetzt werden, um das Kohlermonoxid in dem Gasstrom
in Wasserstoff und Kohlendioxid umzusetzen. Das C02 kann dann entfernt werden, um
einen wasserstoffhaltigen Gasstrom zu erzeugen.
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Beispiel IV Die durch das Beispiel IV repräsentierte Ausführungsform
der Erfindung ist in der bereits vorangehend beschriebenen Fig. 4 dargestellt. Die
Arten und Mengen der Materialen, die dem nicht katalytischen Freistromgasgenerator
in Beispiel IV zugeführt werden, sind im wesentlichen die gleichen wie die im Zusammenhang
mit Beispiel I beschriebenen. In ähnlicher Weise sind die Zusammensetzung und die
Menge des rohen Synthesegases und die Mengen an gesättigtem und überhitztem Dampf
im wesentlichen die gleichen wie in Beispiel I. Außerdem sind die Betriebstemperatur
und der Druck innerhalb des Gasgenerators und der jeweiligen Wärmetauscher wie auch
die entsprechenden Material- und Produktströme im wesentlichen in beiden Beispielen
die gleichen.
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In Beispiel IV wurden 9361 kg an einer späteren Stelle des Verfahrens
hergestellten Sauerstoffes kontinuierlich im Kreislauf zwischen dem Wärmetauscher
16A und einem hiervon getrennt angeordneten Überhitzer als Wärmeübertragungsmedium
geführt.
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Der kontinuierliche Abstrom rohen Synthesegases von dem Generator
mit einer Temperatur von 1305 0C und einem Druck von 28,2 ata wird reduziert auf
eine Temperatur von 1125 0C durch den
Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium,
welches in dem Wärmetauscher 16A bei einer Temperatur von 455°C eintritt und diesen
bei einer Temperatur von 805°C verläßt. Die Tempertur des kontinuierlichen Stromes
rohen Synthesegases mit dem beigemischten Wasserstoff wird dann weiter abgekühlt
durch den Wärmeaustausch mit dem Nesselspei.sewasser in dem Gaskühler 23. Ein kontinuierlicher
Strom gesättigten Dampfes wird in dem Gaskühler 23 erzeugt, der eine Temperatur
von 253 0C besitzt und anschließend in einen kontinuierlichen Strom überhitzten
Dampfes umgesetzt wird, bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 40,8
ata in dem Überhitzer 55 durch den kontaktfreien Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium
unter Beimischung des ausgleichenden Wasserstoffes, der in den Überhitzer 55 bei
einer Temperatur von 805 0C eintritt.