DE4229895C2 - Vorrichtung zur Kühlung eines heißen Gases, insbesondere eines in einer Verbrennungs- bzw. Vergasungkammer durch Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff erzeugten heißen Nutzgases - Google Patents
Vorrichtung zur Kühlung eines heißen Gases, insbesondere eines in einer Verbrennungs- bzw. Vergasungkammer durch Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff erzeugten heißen NutzgasesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1
genannten Art.
Bei der Erzeugung eines Nutzgases aus feinteiliger Kohle oder Koks durch
Verbrennung und/oder Vergasung wird eine bevorzugte Betriebstemperatur in
der Verbrennungskammer von rund 1000-1600°C aufrecht erhalten, und zwar
bei Drücken im Bereich von 1-250 bar. Andere heiße Gase, die zu kühlen
sind, können z. B. in chemischen Prozessen anfallen.
Aus der US-A-4,339,515 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der Überlauf dem
Gaszuführungsrohr so zugeordnet ist, daß auf der Innenfläche des
Gaszuführungsrohres ein das Bad füllender Flüssigkeitsfilm im Gleichstrom mit
dem zu kühlenden heißen Gas abläuft. Durch diesen Film soll primär die
Ablagerung von Feststoffen auf der Innenfläche des Gaszuführungsrohres
verhindert werden.
Bei einem aus der EP-B1-374 324 bekannten Verfahren taucht das
Gaszuführungsrohr in das Flüssigkeitsbad ein und auch dort wird auf der
Innenseite des Gaszuführungsrohres ein Flüssigkeitsfilm ausgebildet, der im
Gleichstrom zu dem Gas in das Bad abströmt.
Bei Ausbildung eines auf der Innenseite des Gaszuführungsrohres in
Gleichstrom mit dem zu kühlenden heißen Gas strömenden Films wird eine
sichere Kühlung des Gaszuführungsrohres für die Zufuhr des heißen Gases
nicht erreicht.
Aus der US-A-4,284,609 ist es bekannt, in einer Vorrichtung zur Kühlung eines
heißen Gases das heiße Gas durch Rohre zu führen, die im Gegenstrom von
einem Kühlmittel umströmt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der
gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem das Gaszuführungsrohr sicher
gekühlt und gleichzeitig das Flüssigkeitsbad auf einfache Weise und
betriebssicher gefüllt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gaszuführungsrohr von außen
längs einer vorgegebenen Strecke von einem das Flüssigkeitsbad
begrenzenden Mantel umgeben ist und durch den so aufgespannten Ringraum
dem Flüssigkeitsbad frische Flüssigkeit im Gegenstrom zu dem Gas unter
Überlauf über die obere Kante des Mantels zuführbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt somit eine zwangsgeführte
Gegenstromkühlung des Gaszuführungsrohres an seiner Außenfläche und ein
Überströmen über die obere Kante des die Zwangsströmung bestimmenden
Mantels, der gleichzeitig das Flüssigkeitsbad begrenzt. Damit liegt für die
zwangsgeführte Kühlung des Gaszuführungsrohres ein offenes System vor, bei
dem sich in der Kühlstrecke bildender Dampf ohne Druckerhöhung frei nach
oben austreten kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zwischen der Innenwandung eines das
Flüssigkeitsbad aufnehmenden Druckbehälters im Bereich des Mantels für das
Gaszuführungsrohr ein das Flüssigkeitsbad außen begrenzender und mit
Abstand angeordneter Mantel vorgesehen ist und durch den so aufgespannten
Ringraum frische Flüssigkeit dem Flüssigkeitsbad unter Überlauf über die
obere Kante des Mantels zuführbar ist.
Wenn wie beim Stand der Technik gemäß der EP-B1-374 324 und
US-A-4,339,515 das Gaszuführungsrohr als in das Flüssigkeitsbad
eintauchendes Tauchrohr ausgebildet ist, ist es zweckmäßig, daß in dem
Flüssigkeitsbad im vorgegebenen Abstand oberhalb der freien Kante des
Tauchrohres mindestens ein sich im wesentlichen senkrecht zum Tauchrohr
erstreckender Strömungsteiler angeordnet ist.
Andererseits ist es möglich, daß im Betriebszustrand das Gaszuführungsrohr in
einem vorgegebenen Abstand von der Oberfläche eines zweiten
Flüssigkeitsbades endet und der Boden des oberhalb und im Abstand von dem
zweiten Flüssigkeitsbad angeordneten ersten Flüssigkeitsbades als
Strömungsteiler ausgebildet ist.
Wenn mehre Flüssigkeitsbäder in Übereinanderanordnung das
Gaszuführungsrohr umgeben, können diese nacheinander von dem in
Teilströme zerlegten und wieder zusammengeführten Gas durchströmt werden.
Es ist zweckmäßig, wenn die Überläufe, d. h. die oberen Kanten, der Mäntel
als gezackte Aufgabewehre ausgebildet sind. Um bei Ausbildung zweier
Ringräume diese auf einfache Weise vom Äußeren des Druckbehälters her zu
speisen, ist es sinnvoll, wenn der äußere Ringraum mit einem Außenanschluß
verbunden ist und der innenliegende Ringraum mit dem außenliegenden
Ringraum über mindestens eine Verbindungsleitung verbunden ist.
Wenn der Strömungsteiler nicht in der Wandung des Abfuhrrohres ausgebildet
ist, sondern als gesondertes
Bauteil vorgesehen ist, kann es als Lochblech, Netzwerk,
Gitterwerk oder Stabwerk oder dergleichen ausgebildet sein.
Verschiedene
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen
am Beispiel eines in einer Brennkammer durch Verbrennung
bzw. Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff erzeugten
heilen Nutzgases nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einem als Tauchrohr ausgebildeten
Abfuhrrohr und einem das Abfuhrrohr umgebenden
Strömungsteiler.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Tauchrohr,
wobei ein Tauchrohrabschnitt als Strömungsteiler
ausgebildet ist,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vergleichbar Fig. 2, wobei jedoch der
Strömungsteiler in einem konisch aufgeweiteten
Abschnitt des Tauchrohres ausgebildet ist,
Fig. 4 einen Längsschnitt längs der Pfeile IV-IV in Fig. 5
durch eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das
Abfuhrrohr von mindestens einem von einem
Strömungsteiler getragenen Flüssigkeitsbad
umgeben ist, und
Fig. 5 einen Horizontalschnitt längs der Linie V-V in
der Fig. 4.
Zunächst wird darauf hingewiesen, daß in den Fig. 1-4 die
Betriebswasserstände berücksichtigt worden sind.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist in einem Druckbehälter
1 auf einer Tragkonstruktion 1a eine Brennkammer 2
angeordnet, der in nicht näher dargestellter Weise ein
Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.
Mit dem eingezogenen unteren Ende 2a der Brennkammer 2 ist
ein als Tauchrohr ausgebildetes Abfuhrrohr 3 verbunden, das
das erzeugte heile Gas G und die in ihm enthaltenen
flüssigen oder festen Teilchen aus der Brennkammer nach
unten abführt. Das Abfuhrrohr 3 ist an seiner freien Kante
3a gut ausgebildet. Das Tauchrohr 3 taucht in ein
Flüssigkeitsbad 4 ein. Das Flüssigkeitsbad 4 ist durch den
als Trichter ausgebildeten unteren Teil des Druckbehälters
1 und durch einen mit Abstand von der Behälterwand
angeordneten Mantel 5 begrenzt, dessen untere Kante 5a mit
der Behälterinnenwand verbunden ist.
Mit Abstand von dem Tauchrohr 3 ist ein weiterer Mantel 6
angeordnet, dessen untere Kante 6a mit Abstand von der
Zackung 3a mit der Außenfläche des Abfuhrrohres verbunden
ist und dessen obere Kante 6b in gleicher Höhe wie die
obere Kante 5b des Mantels 5 liegt. Der von der
Behälterinnenwand und dem Mantel 5 auf gespannte Ringraum R1
kann über einen oder mehrere Anschlüsse 7 mit Wasser
beaufschlagt werden. Über eine oder mehrere sich radial
erstreckende Verbindungsleitungen 8 kann Wasser aus dem
äußeren Ringraum R1 in den inneren Ringraum R2 eintreten.
Die freien Kanten 5b und 6b sind vorzugsweise gezackt und
als Überlaufwehre ausgebildet, wie dies bei der Fig. 4
dargestellt ist.
Zwischen den beiden Mänteln 5 und 6 ist ein sich horizontal
erstreckendes ringartiges Lochblech 9 mit Löchern 9a als
Strömungsteiler eingebaut.
In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, daß sich nach
dem Austritt des Gases aus dem Abfuhrrohr 3 in das
Flüssigkeitsbad 4 zunächst Blasen relativ groben
Durchmessers ausbilden. Die in dem Ringraum R3 zwischen
dem Abfuhrrohr 3 und dem Mantel 6 bzw. im außen liegenden
Mantel 5 aufsteigenden groben Blasen treffen auf das
Lochblech 9 und werden dort zerstört, so daß das Gas in den
Ringraum oberhalb des Lochblechs 9 in Form kleinerer Blasen
in dem Flüssigkeitsbad dispergiert ist. Das abgekühlte und
zumindest teilweise von Feststoffen befreite Gas wird aus
dem Behältermantel über Gasabfuhrstutzen 10 abgeführt.
Der Durchmesser der Öffnungen 9a im Lochblech 9 ist so
gewählt, daß zum einen der gewünschte Dispergiereffekt
auftritt und zum anderen oberhalb des Lochbleches
abgeschiedene Feststoffteilchen nach unten in den Trichter
1b des Behälters abgeführt werden können, an dessen unteren
Ende 1c sie abgezogen werden.
In der Fig. 1 ist dargestellt, daß der nicht von dem
Flüssigkeitsbad umgebene Bereich des Tauchrohres und die
Brennkammer noch mit gesonderten Kühlrohren II belegt sein
kann.
Bei dieser Ausführungsform ist zum einen sichergestellt,
daß die gewünschte Dispergierung erreicht wird, zum anderen
werden in bevorzugter Weise sowohl das Tauchrohr als auch
der Behälter gekühlt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 und den
Ausführungsformen gemäß den Fig. 3-5 sind die
Bezugszeichen soweit als möglich beibehalten worden. Die
Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß
kein gesonderter Strömungsteiler in Form des Lochbleches 9
erforderlich ist, sondern ein gesonderter Abschnitt 12 des
Tauchrohres 3 mit Öffnungen 12a versehen ist, so daß das zu
kühlende und zu reinigende Gas bereits in Form definierten
Teilströmen kleineren Durchmessers in das Flüssigkeitsbad
eintritt, so daß es gar nicht zur Bildung größerer Blasen
kommen kann.
Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Blasen des
in das Flüssigkeitsbad eingetretenen Gases relativ dicht am
Abfuhrrohr 3 aufsteigen werden, ist bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 3 vorgesehen, die Teilströme möglichst
weitgehend auf den Ringraum R3 zwischen Abfuhrrohr und
Behälterwand bzw. zwischen den Mänteln 5 und 6 zu
verteilen. Zu diesem Zweck sind die Durchtrittsöffnungen in
einem sich konisch erweiternden Abschnitt 13 mit Löchern
13a des Tauchrohres ausgebildet. Diese Anordnung bietet
darüber hinaus den Vorteil, daß der ausgewaschene
Feststoffanteil sich von außen auf der konischen Fläche des
Abschnittes 13 ablagern kann und von diesem seitlich
abgeführt und somit sicher der Abzugsöffnung 1c zugeführt
wird.
Bei der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform wird
die Wasch- und Kühlflüssigkeit auf vier Bäder verteilt, und
zwar auf das als Sumpf dienende Flüssigkeitsbad 4, das im
wesentlichen im trichterförmigen unteren Teil des
Druckbehälters 1 ausgebildet ist, und auf drei weitere
Bäder 14, 15 und 16, die mittels sich zwischen den beiden
Mantelblechen 5 und 6 im Ringraum R3 erstreckenden
Lochblechen 17, 18 und 19 mit Löchern 17a, 18a, 19a
übereinander aufgebaut werden. Das Abfuhrrohr 3 endet in
vorgegebenem Abstand von der Oberfläche des im unteren Teil
des Behälters ausgebildeten Flüssigkeitsbades 4. Das
untere Bad 14 übernimmt im wesentlichen die Funktion des
Gaswäschers und die nachfolgenden Bäder 15 und 16
übernehmen die Funktion der Kühlung (Quenche). Das von oben
einströmende Gas G wird an der unteren freien Kante 3a um
180° nach oben umgelenkt, wobei bereits ein Teil der
Feststoffe abgeschieden wird und somit nicht mehr auf das
untere Lochblech 17 auftrifft. Danach strömt das Gas über
den gesamten freien Querschnitt zwischen den Mänteln 5 und 6
auf den Lochboden 17 zu, der es in eine Vielzahl von
Teilströmen unterteilt. Das Quenchwasser bzw. Waschwasser
wird dem oberen Bad 16 über die Ringräume R1 und R2
zugegeben und strömt im Kreuzgegenstrom zum Gas nach unten.
Dabei wird das dem oberen Boden 19 und den nachfolgenden
Böden aufgegebene Wasser in zwei Teilströme unterteilt. Der
eine Teilstrom regnet durch die Löcher 19a in das
darunterliegende Flüssigkeitsbad 15, womit auch die im
Flüssigkeitsbad 16 ausgewaschenen Feststoffpartikel nach
unten abgeleitet werden. Bei der entsprechenden
Dimensionierung der Löcher in den Lochböden hinsichtlich
des Lochdurchmessers, der Lochanzahl und der Lochteilung
wird eine intensive Durchmischung von Gas und Wasser in den
einzelnen Flüssigkeitsbädern erreicht und gleichzeitig das
vorstehend angesprochene Abregnen ermöglicht. Durch die
Löcher können z. B. 50% des aus dem oben liegenden
Flüssigkeitsbad abzuführenden Flüssigkeitsvolumens
abgeleitet werden. Für die Überleitung des anderen
Teilstromes von einem oben liegenden Flüssigkeitsbad in ein
darunter liegendes sind die Bäder durch Überlaufrohre 20
mit wehrartig ausgebildeten oberen Enden miteinander
verbunden.
Die Menge des durch die Löcher abgeregneten Wassers wird so
eingestellt, daß eine gleichmäßige Beaufschlagung des
jeweiligen Lochbodens mit Waschflüssigkeit und damit eine
gleichmäßige Begasung gewährleistet ist.
Infolge der Abkühlung des Gases wird ein entsprechender
Teil des Wassers verdampft und mit dem Gas nach oben
abgeführt. Über die freien Kanten 5b und 6b wird - wie auch
bei den anderen Ausführungsformen - so viel Wasser auf den
oberen Boden 19 zugegeben, wie dies für die Funktion der
eingesetzten Böden erforderlich ist. Diese
Zusatzwassermenge strömt über dem letzten Boden 17
zugeordnete und in den Sumpf 4 eintauchende Überlaufrohre
21 ab bzw. regnet durch die Löcher des untersten Bodens 17a
in den Sumpf 4 und kühlt diesen. Durch die aus dem unteren
Boden 17 abregnende Wassermenge wird bereits eine
Vorreinigung des umgelenkten und auf den Lochboden 17
zuströmenden Gases erreicht.
Die Überlaufrohre 20 und 21 können kreisförmige
Querschnitte aufweisen; bevorzugt wird jeweils die
gekrümmte Langlochkonfiguration, wie sie in der Fig. 4 und
5 dargestellt ist; vergleiche insbesondere Fig. 4. Die
Überlaufrohre, die den einzelnen Lochblechen zugeordnet
sind, sind von Lochblech zu Lochblech in der aus der Fig. 4
ersichtlichen Weise winkelmäßig gegeneinander versetzt
angeordnet.
Die Gasgeschwindigkeit in den Löchern der Böden 17, 18 und
19 und der Abstand zwischen den Böden wird so eingestellt,
daß ein Eintrag von Wassertropfen, in denen die
Feststoffteilchen enthalten sind, in den jeweils gasseitig
nachgeschalteten Boden möglichst klein gehalten wird.
Wie auch bei den anderen Ausführungsformen wird das
Gasabfuhrrohr 3 vor hoher thermischer Beanspruchung durch
das heile Gas durch die in dem Ringraum R2 zwischen Rohr 3
und Mantel 6 geführte Flüssigkeit gekühlt. Analoges gilt
für den Ringraum R3 im Behälter. Bei geringer Belastung
kann unter Umständen auf die Mäntel verzichtet werden und
können sich die Lochbleche von Abfuhrrohr zur Behälterwand
erstrecken. Die Wasserversorgung muß dann entsprechend
geändert werden.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen ist das
untere Ende der Brennkammer 2 direkt mit dem Abfuhrrohr 3
verbunden. Es ist jedoch auch möglich, daß zwischen der
Brennkammer 2 und dem Abfuhrrohr 3 noch ein Wärmetauscher
oder dergleichen zwischengeschaltet ist.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Kühlung eines heißen Gases, insbesondere eines in einer
Verbrennungs- bzw. Vergasungskammer durch Verbrennung von
kohlenstoffhaltigem Brennstoff erzeugten heißen Nutzgases, mit einem
das heiße Gas am unteren Ende einer Kammer, insbesondere der
Verbrennungskammer, abführenden und das Gas mindestens einem über
einen Überlauf mit Flüssigkeit gespeistem Flüssigkeitsbad zuführenden
Gaszuführungsrohr, einem im Strömungsweg des Gases angeordneten
und mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen für den Durchtritt des
Gases versehenen Strömungsteiler, einem oberhalb des
Flüssigkeitsbades angeordneten Abzug für das gekühlte Gas und einer
Einrichtung zum Kühlen des Gaszuführungsrohres,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszuführungsrohr (3)
von außen längs einer vorgegebenen Strecke von einem das
Flüssigkeitsbad (4; 14; 15; 16) begrenzenden Mantel (6) in vorgegebenem
Abstand umgeben ist und durch den so aufgespannten Ringraum (R2)
dem Flüssigkeitsbad frische Flüssigkeit im Gegenstrom zu dem Gas (G)
unter Überlauf über die obere Kante des Mantels (6) zuführbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenwandung
eines das Flüssigkeltsbad (4; 14,15,16) aufnehmenden Druckbehälters
(1) im Bereich des Mantels (6) für das Gaszuführungsrohr (3) ein das
Flüssigkeitsbad außen begrenzender und mit Abstand angeordneter
Mantel (5) vorgesehen ist und durch den so aufgespannten Ringraum (R1)
frische Flüssigkeit dem Flüssigkeitsbad unter Überlauf über die obere
Kante des Mantels (5) zuführbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Gaszuführungsrohr als
in das Flüssigkeitsbad eintauchendes Tauchrohr ausgebildet ist
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Flüssigkeitsbad (4) im
vorgegebenen Abstand oberhalb der freien Kante (3a) des Tauchrohres
(3) mindestens ein sich im wesentlichen senkrecht zum Tauchrohr (3)
erstreckender Strömungsteiler (9) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebszustand das
Gaszuführungsrohr (3) in einem vorgegebenen Abstand von der
Oberfläche eines zweiten Flüssigkeitsbades (4) endet und der Boden des
oberhalb und im Abstand von dem zweiten Flüssigkeitsbad (4)
angeordneten ersten Flüssigkeitsbades (14; 15; 16) als Strömungsteiler
(17; 18; 19) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flüssigkeitsbäder (14,
15, 16) in Übereinanderanordnung das Gaszuführungsrohr (3) umgeben,
die nacheinander von dem in Teilströme zerlegten und wieder
zusammengeführten Gas durchströmt sind.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Kanten der Mäntel
(5, 6) als gezackte Aufgabewehre ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringraum (R1) mit
einem Außenanschluß (7) verbunden ist und der innenliegende Ringraum
(R2) mit dem außenliegenden Ringraum (R1) über mindestens eine
Verbindungsleitung (8) verbunden ist.
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