DE4300776A1 - Verfahren zum Kühlen eines staubbeladenen Rohgases aus der Vergasung eines festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einem Reaktor unter Druck und Anlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Kühlen eines staubbeladenen Rohgases aus der Vergasung eines festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einem Reaktor unter Druck, bei dem das Gas aus dem Reaktor in eine für eine direkte Kühlung mit einem Quenchmedium beaufschlagte Quenchstrecke und danach in eine in einen Wasser-Dampf- Kreislauf eingebundene Kühlstrecke eingeführt wird und aus dieser abgezogen wird. Das Quenchmedium kann ein Quenchgas oder eine Quenchflüssigkeit sein.

Aus der EP- 0 115 094-A2 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem innerhalb eines Druckgefäßes durch den unteren Teil einer sich längs des Kessels erstreckenden Membranwand der Vergasungsreaktor, die darüberliegende Quenchstrecke, ein Strahlungsraum und eine von einer Heizfläche bestimmte Kühlstrecke definiert werden. Reaktor, Quenchstrecke und Kühlstrecke weisen den gleichen Querschnitt auf. Nach dem Verlassen des oberen Endes des Druckgefäßes wird das staubbeladene Rohgas unter Umlenkung um 90° abgezogen und einem Zyklon zugeführt. Das den Zyklon verlassende Heißgas wird einem weiteren Druckgefäß zugeführt, in dem eine weitere Heizfläche angeordnet ist.

Unterhalb des Auslasses des Reaktors für flüssige Schlacke ist ein Wasserbad angeordnet. Durch die Beibehaltung des Reaktorquerschnitts im Bereich des Quenchabschnitts und des Strahlungsabschnitts kann diesen Bereichen die konvektive Wärmeabfuhr nicht viel zur Kühlung des Gases beitragen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem bereits nach Zufuhr des Quenchmediums der Beitrag zur Kühlung durch Konvektiv- und/oder Strahlungswärmeübergang verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gas aus dem Reaktor in ein Quenchrohr mit einem gegenüber dem Reaktorquerschnitt verkleinertem Querschnitt abgezogen wird, daß das aus dem Austrittsende des Quenchrohres austretende Gas im wesentlichen um 180° umgelenkt wird und daß im Gegenstrom zur Strömung des Gases im Quenchrohr durch eine das Quenchrohr umgebende Kühlstrecke geführt wird.

Durch die Verringerung des Durchmessers der Quenchstrecke wird der Beitrag des Konvektiv- und/oder Strahlungswärmeübertragung in der Quenchstrecke vergrößert. Durch die Verringerung des Querschnitts der Quenchstrecke ergibt sich auch der Vorteil, das aus dem Quenchrohr ausgetretene Gas im Gegenstrom längs der Außenfläche des Quenchrohres zu führen. Hierdurch wird die Baulänge der für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen Anlage wesentlich verkürzt.

Eine Abfuhr des Gases aus der Kühlstrecke erfolgt in vorteilhafter Weise unter Umlenkung.

Für die erfindungsgemäße Verfahrensführung ist es von Vorteil, wenn dem Gas während der Umlenkung in die nachgeschaltete Kühlstrecke noch Wärme durch Wärmestrahlung entzogen wird.

Aus der US-PS 4 859 214 ist zwar ein Vergasungsreaktor bekannt, bei dem in einem Druckgefäß ein Vergasungsreaktor angeordnet ist, dessen oberes Ende mit einem im Durchmesser verringerten Quenchrohr verbunden ist. Bei der bekannten Anlage ist das Quenchrohr jedoch nicht von einer Heizfläche umgeben und es erfolgt keine 180°-Umlenkung in ein und demselben Druckgefäß.

Die Erfindung richtet sich auch auf eine Heißgaskühlanlage einer Anlage zur Vergasung eines festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einem Reaktor unter Druck mit einem Druckgefäß zur Aufnahme des Reaktors, einer mit dem Auslaß des Reaktors verbundenen und mit einem Quenchmedium beaufschlagbaren Quenchkammer und einer gasseitig mit der Quenchkammer verbundenen Kühlvorrichtung einschließlich mindestens einer in einen Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundenen und in dem Druckgefäß angeordneten Heizfläche, wie sie aus der EP-0 115 094 A2 bekannt ist.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs und zur Verringerung des Bauaufwandes ist die Anlage erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Quenchkammer ein Quenchrohr mit gegenüber dem Querschnitt des Reaktors verkleinerten Querschnitt ist, daß am Austrittsende des Quenchrohres eine Umlenkkammer für die 180°-Umlenkung des aus dem Quenchrohr austretenden Gasstroms angeordnet ist und daß das Quenchrohr längs einer vorgegebenen Strecke von mindestens einer Bündelheizfläche ringartig umgeben ist, die von dem umgelenkten Gasstrom durchströmt wird, und daß am Austrittsende der Bündelheizfläche ein Gassammelraum ausgebildet ist, der mit mindestens einer die Wandung des Druckgefäßes durchsetzenden Gasabfuhrleitung verbunden ist.

Gegenüber der aus der EP 0 115 094 bekannten Anlage wird die Baulänge erheblich verkürzt und gegenüber der aus der US-PS 4 859 214 bekannten Anlage kann unter Umständen auf den zweiten Behälter zur Aufnahme der als ausgebildeten Konvektivbündelheizfläche verzichtet werden.

Wenn die außenliegende Grenzfläche der Bündelheizfläche der Innenwandung des Druckgefäßes frei gegenüberliegt, ist es von Vorteil, wenn die Innenwandung zumindest im Bereich der Bündelheizfläche ausgemauert ist.

Es ist jedoch auch möglich, daß die Bündelheizfläche in einem Ringraum angeordnet ist, der innen von dem Quenchrohr und außen von einem mit Abstand von der Innenwandung des Druckgefäßes angeordneten äußeren Kühlwand begrenzt ist. Vorzugsweise ist das Quenchrohr wie die Quenchstrecke der Anordnung gemäß EP 0 115 094 ebenfalls als Kühlwand ausgebildet.

In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn der Außendurchmesser von Kühlwand oder Bündelheizfläche in etwa dem Außendurchmesser des Reaktors entspricht, so daß zur Innenwandung des Druckgefäßes hin noch ein begehbarer Raum verbleibt.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Umlenkkammer als Strahlraum ausgebildet ist.

Auch ist es zweckmäßig, daß der Boden des Gassammelraumes gegenüber der Längsachse des Quenchrohres geneigt ist, um die Abfuhr des mit Staub bzw. Feststoffen beladenen Gases aus dem Gassammelraum zu erleichtern und um ggf. auftretende Erosionsprobleme zu vermeiden.

Zu einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Boden des Gassammelraumes gelangt man, wenn der Boden des Gassammelraumes einen das Quenchrohr mit Abstand umgebenden Abschnitt aufweist, der an seinem freien Ende gasdicht gegen die Außenwandung des Quenchrohrs abgebildet ist. Dies kann über einen Kompensator oder stopfbuchsenartig erfolgen. Der das Quenchrohr umgebende Abschnitt kann dem Bündelheizfläche zugewandt oder von diesem angewandt sein. Probleme der unterschiedlichen Wärmedehnung können somit leichter berücksichtigt werden.

Es ist zweckmäßig, daß die mit dem Gassammelraum verbundene Gasabfuhrleitung unter einem geneigten Winkel zur Achse des Quenchrohrs die Wandung des Druckgefäßes durchsetzt.

Auch ist es von Vorteil, wenn der Boden des Gassammelraumes und/oder die Gasabfuhrleitung isoliert sind.

Die Bündelheizfläche kann aus mehreren Bündeln bestehen, die jeweils vorzugsweise aus einzelnen Zylindern aus gewickelten Rohren bestehen.

Diese Zylinder können unterschiedliche Länge aufweisen.

Wie beim Stand der Technik ist das Druckgefäß vorzugsweise vertikal angeordnet. Der Vergasungsreaktor ist im unteren Teil des Druckgefäßes angeordnet, wobei Quenchrohr und Bündelheizfläche darüber angeordnet sind. In einem solchen Falle ist erfindungsgemäß in bevorzugter Weise vorgesehen, daß der Boden des Gassammelraumes und die Gasabfuhrleitung gleichsinnig geneigt sind.

Es ist jedoch auch denkbar, daß bei vertikal angeordnetem Druckgefäß der Reaktor im oberen Teil des Druckgefäßes angeordnet ist und das Gas am unteren Ende des nach unten ragenden Quenchrohres abgezogen wird, so daß die Umlenkung im unteren Ende des Druckgefäßes erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage sollen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage, bei der der Reaktor im unteren Teil des vertikal stehenden Druckgefäßes angeordnet ist und

Fig. 2 einen Teilschnitt einer Ausführungsform, bei der der Reaktor im oberen Teil des Druckgefäßes angeordnet ist.

In einem vertikal angeordneten Druckgefäß 1 mit abnehmbarem Deckel 2 ist im unteren Teil ein Reaktor 3 angeordnet, dessen Wände in einen Wasser-Dampf-Kreislauf WDK eingeschaltet sind. Dem Reaktor sind Brenner 4 für die Teilverbrennung von Kohlenstaub mit einem sauerstoffhaltigen Gas zugeordnet.

Am unteren Ende ist der Reaktor 3 mit einer Schlackenauslauföffnung 5 versehen, die sich zu einem im unteren Teil des Druckgefäßes angeordneten Wasserbad 6 hin öffnet. Das obere Ende des Reaktors 3 ist kegelartig eingezogen und mit einem einen geringeren Durchmesser als der Reaktor 3 aufweisenden Quenchrohr 7 verbunden, das als Kühlwand ausgebildet ist. Im Verbindungsbereich zwischen Reaktor 3 und Quenchrohr 7 wird ein Quenchmedium über Leitungen 8 zugeführt. Hierfür eignen sich Wasser, Dampf und/oder abgekühltes rückgeführtes Gas. Das obere Ende 7a des Quenchrohres 7 öffnet sich zu einem Umlenkraum 9 hin, der an seinem oberen Ende durch einen gekühlten Boden 10 verschlossen ist und dessen Wände von einer sich koaxial zum Quenchrohr erstreckenden Kühlwand 11 begrenzt sind. Die Kühlwand erstreckt sich bis zu einem vorgegebenen Abstand nach unten und ist wie das Quenchrohr 7 in den Wasserdampfkreislauf WDK eingebunden. In dem von dem Quenchrohr 7 und der Kühlwand 11 begrenzten Ringraum 14 ist ein Bündelheizfläche 12 angeordnet, daß aus mehreren koaxial zueinander angeordneten und aus Rohren gewickelten Zylindern 13 besteht. Die Zylinder 13 weisen unterschiedliche axiale Längen auf. Die innenliegenden Zylinder sind länger als die außenliegenden Zylinder. Selbstverständlich können auch andere Konstruktionen für die Bündelheizfläche 12 zum Einsatz kommen. Der Kühlmantel 11 ist ggf. mit anderen Bauteilen über eine Stützeinrichtung 15 am Druckgefäß 1 abgestützt. Zur Versorgung des Bündelheizfläche 12 weist der Wasserdampfkreislauf WDK obere und untere Sammler 16 und 17 auf.

Dem unteren Ende der Bündelheizfläche 12 folgt ein Gassammelraum 18 mit einem Boden 19. Der Boden 19 besteht aus einer geneigten Bodenplatte 19a und einem in den Gassammelraum vorragenden zylindrischen Abschnitt 19b, der mit Abstand von der Wandung des Quenchrohres angeordnet ist und erst an seinem freien Ende gasdicht mit der Wandung des Quenchrohres verbunden ist. Zum Ableiten des sich in dem Gassammelraum ansammelnden Gases ist eine Gasabführleitung 20 vorgesehen, die mit dem Gassammelraum verbunden ist und die Wandung des Druckgefäßes 1 nach unten geneigt durchsetzt. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit oberhalb des Reaktors 3 angeordnetem Quenchrohr 7 und Bündelheizfläche 12 wird bevorzugt, daß sowohl die Bodenplatte 19a als auch die Gasabfuhrleitung 20 nach unten und unter demselben Neigungswinkel geneigt sind.

Es ist auch denkbar, daß auf eine gesonderte äußere Kühlwand 11 in axialer Richtung der Bündelheizfläche gesehen ganz oder teilweise verzichtet wird und zur Begrenzung des Strömungsweges die Innenwandung des Druckgefäßes 1 selbst herangezogen wird. In diesem Fall muß sich die Bodenplatte 19a bis zur Wandung des Druckgefäßes hin erstrecken. Wie auf der linken Seite der Fig. 1 oben dargestellt ist, ist es dann von Vorteil, wenn in diesem Bereich das Druckgefäß mit einer Ausmauerung 21 versehen ist.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Bezugszeichen weitgehendst übernommen worden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 ist in dem Druckgefäß 1 der Reaktor 3 im oberen Teil angeordnet und das Quenchrohr 7 erstreckt sich nach unten. Wie der in Fig. 1 dargestellte bisher noch nicht beschriebene Schlackeführungskegel 22 erstreckt sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 der äußere Kühlmantel 11 in das Wasserbad 6 hinein.

Abgesehen von diesen Abweichungen ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 vorgesehen, daß Bodenplatte 19a des Bodens zum Abschluß des Gassammelraumes 8 und Gasableitleitung 20 zwar beide nach unten geneigt sind, jedoch gegensinnig.

Bei beiden Ausführungsformen wird in einem Druckgefäß 1 zunächst das Gas in einem Reaktor 3 aus festen Brennstoffen bei Temperaturen oberhalb des Schlackeerweichungspunktes durch Vergasung der Brennstoffe unter Druck erzeugt. Zur Abkühlung des mit flüssigen wie mit festen Partikeln beladenen Rohgases sind in ein und demselben Druckgefäß folgende Kühlmechanismen in der angeführten Reihenfolge wirksam:

Zunächst erfolgt in dem Quenchrohr 7 mit kleinerem Durchmesser als der Durchmesser des Reaktors 3 eine direkte Kühlung in Verbindung mit überwiegend indirekter Kühlung durch konvektive und/oder Strahlungswärmeübertragung und zwar vorzugsweise bis zu einer Gastemperatur unterhalb der Schlackeerweichungstemperatur.

Danach erfolgt in dem als Strahlungsraum ausgebildeten Umlenkraum 9 eine weitere indirekte Kühlung durch Wärmestrahlung. Nach der Umlenkung folgt eine weitere indirekte Kühlung durch Wärmetausch mit der nachgeschalteten Bündelheizfläche 12 auf das am Auslaß 20 gewünschte Temperaturniveau. Die Bündelheizfläche kann eine Strahlungs- und/oder eine Konvektivheizfläche sein. Im Extremfall wäre es auch möglich, allein mit das Quenchrohr umgebenden Wandheizflächen einen reinen Strahlungswärmeübergang zu erreichen. Es wird jedoch eine Bündelheizfläche mit hohem Konvektionsanteil bevorzugt; weiter bevorzugt wird eine im wesentlichen nur konvektiv ausgelegte Bündelheizfläche.

Claims (16)

1. Verfahren zum Kühlen eines staubbeladenen Rohgases aus der Vergasung eines festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einem Reaktor unter Druck, bei dem das Gas aus dem Reaktor in eine für eine direkte Kühlung mit einem Quenchmedium beaufschlagte Quenchstrecke und danach in eine in einen Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundene Kühlstrecke eingeführt wird und aus dieser abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus dem Reaktor in ein Quenchrohr mit einem gegenüber dem Reaktorquerschnitt verkleinertem Querschnitt abgezogen wird, daß das aus dem Austrittsende des Quenchrohres aus tretende Gas im wesentlichen um 180° umgelenkt wird und daß im Gegenstrom zur Strömung des Gases im Quenchrohr durch eine das Quenchrohr umgebende Kühlstrecke geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfuhr des Gases aus der Kühlstrecke unter Umlenkung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gas während der Umlenkung in die Kühlstrecke noch Wärme durch Wärmestrahlung entzogen wird.

4. Heißgaskühlanlage in einer Anlage zur Vergasung eines festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in einem Reaktor unter Druck mit einem Druckgefäß zur Aufnahme des Reaktors, einer mit dem Auslaß des Reaktors verbundenen und mit einem Quenchmedium beaufschlagbaren Quenchkammer und einer gasseitig mit der Quenchkammer verbundenen Kühlvorrichtung einschließlich mindestens einer in einen Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundenen und in dem Druckgefäß angeordneten Heizfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quenchkammer ein Quenchrohr (7) mit einem gegenüber dem Querschnitt des Reaktors verkleinerten Querschnitt ist, daß am Austrittsende des Quenchrohres eine Umlenkkammer (9) für die 180°-Umlenkung des aus dem Quenchrohr austretenden Gasstroms angeordnet ist und daß das Quenchrohr (7) längs einer vorgegebenen Strecke von mindestens einer Bündelheizfläche (12) ringartig umgeben ist, die von dem umgelenkten Gasstrom durchströmt wird, und daß am Austrittsende der Bündelheizfläche (12) ein Gassammelraum (8) ausgebildet ist, der mit mindestens einer die Wandung des Druckgefäßes (1) durchsetzenden Gasabfuhrleitung 20 verbunden ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei freiem Gegenüberliegen der außenliegenden Grenzfläche der Bündelheizfläche gegen die Innenwandung des Druckgefäßes die Innenwandung zumindest im Bereich der Bündelheizfläche (12) mit einer Ausmauerung (21) versehen ist.

6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündelheizfläche in einem Ringraum (14) angeordnet ist, der innen von dem Quenchrohr (7) und außen von einem mit Abstand von der Innenwandung des Druckgefäßes (1) angeordneten äußeren Kühlwand (11) begrenzt ist.

7. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Quenchrohr (7) als Kühlwand ausgebildet ist.

8. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser von Kühlwand (11) oder Bündelheizfläche (12) in etwa dem Außendurchmesser des Reaktors entspricht, so daß zur Innenwandung des Druckgefäßes hin noch ein begehbarer Raum verbleibt.

9. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkkammer (9) als Strahlraum ausgebildet ist.

10. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19a) des Gassammelraumes (18) gegenüber der Längsachse des Quenchrohres (7) geneigt ist.

11. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19) des Gassammelraumes (18) einen das Quenchrohr (7) mit Abstand umgebenden Abschnitt (19b) aufweist, der an seinem freien Ende gasdicht gegen die Außenwandung des Quenchrohrs (7) abgedichtet ist.

12. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-11, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Gassammelraum (8) verbundene Gasabfuhrleitung (20) unter einem geneigten Winkel zur Achse des Quenchrohres (7) die Wandung des Druckgefäßes (1) durchsetzt.

13. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19; 19a, 19b) des Gassammelraumes (18) und/oder die Gasabfuhrleitung (20) isoliert sind.

14. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-13 mit einem vertikal angeordneten Druckgefäß, einem im unteren Teil des Druckgefäßes angeordneten Vergasungsreaktor und oberhalb des Vergasungsreaktors angeordnetem Quenchrohr und Bündelheizfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19) des Gassammelraumes (18) und die Gasabfuhrleitung (20) gleichsinnig geneigt sind.

15. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-13, mit einem vertikal angeordneten Druckgefäß, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (3) im oberen Teil des Druckgefäßes (1) angeordnet ist und das Gas am unteren Ende des nach unten ragenden Quenchrohres abgezogen, so daß die Umlenkung im unteren Ende des Druckgefäßes erfolgt.

16. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 4-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündelheizfläche eine Konvektivheizfläche (12) ist.