AT390074B - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung und vergasung von pulverfoermigem kohlenstoffhaltigem material mittels plasmagasstromes - Google Patents

Description

Nr. 390074

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung und Vergasung von pulverförmigem kohlenstoffhaltigem Material, bei dem ein oxidationsmittelhaltiges Gas in einem Plasmagenerator aufgeheizt wird und bei dem das aus dem Plasmagenerator austretende Plasmagas mit dem kohlenstoffhaltigen Material in einer Reaklionskammer vermischt wird, wobei das Plasmagas vor Eintritt in die Reaktionskammer in Drehung versetzt wird und wobei das kohlenstoffhaltige Material am Umfang der Plasmagasströmung mit Hilfe eines Transportgases in die Reaktionskammer eingeleitet wird. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei diesem Verfahren wird also ein oxidationsmittelhaltiger Gasstrom in einem Plasmagenerator aufgeheizt. Der Gasstrom verläßt den Plasmagenerator als heißer Kern aus rotierendem Plasmagas und entzündet das in die Reaktionskammer eingeführte kohlenstoffhaltige Material. Das heiße Plasmagas setzt die Notwendigkeit herab, überschüssigen Sauerstoff einzusetzen, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung oder Vergasung zu erreichen. Außerdem erreicht man eine äußerst hohe Flammentemperatur, was im Vergleich zu herkömmlichen Brennern zu einem stark verringerten Anteil an unerwünschten Bestandteilen, wie beispielsweise unverbranntem oder unvergastem Kohlenstoff, Alkoholen, Phenolen, Methan, Teer sowie schweren Kohlenwasserstoffen führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß unabhängig von der Verbrennung durch den Plasmagenerator ein Überschuß an Wärmeenergie geliefert wird. Dies bietet die Möglichkeit, die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte genau zu steuern und Rußablagerungen zu vermeiden.

Bei dem aus der DE-PS 32 22 574 bekannten gattungsgemäßen Verfahren wird das kohlenstoffhaltige Material mittels Lanzen in das Plasmagas eingeblasen. Die Lanzen sind tangential an der Reaktionskammerwand angeordnet und orthogonal zur Strömungsrichtung des Plasmagases ausgerichtet. Das kohlenstoffhaltige Material wird als gebündelter Strahl durch die Lanzen in die Reaktionskammer eingeführt. Obwohl mehrere Lanzen verwendet werden und die Strömungsrichtung des kohlenstoffhaltigen Materials der Drehrichtung des Plasmagases entgegengerichtet ist, ist die Auflösung des Strahls und die Vermischung mit Plasmagas schlecht und ist eine lange Mischdistanz notwendig, um das Wasser aus den Kohlenstoffteilchen auszutreiben und die Teilchen selbst ausreichend zu erhitzen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Vermischung von Plasmagas und pulverförmigem kohlenstoffhaltigem Material in der Reaktionskammer zu verbessern und das Verfahren so weiter zu bilden, daß die für die Einstellung eines zündfähigen Gemisches erforderliche Mischstrecke sehr kurz ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet, ist, daß das materialbeladene Transportgas vor Eintritt in die Reaktionskammer um das Plasmagas verteilt, in Strömungsrichtung das Plasmagas beschleunigt und schließlich als eine das Plasmagas mantelförmig umschließende Gasströmung koaxial in die Reaktionskammer eingeleitet wird.

Durch die erfindungsgemäße Strömungsführung wird eine gleichmäßige Feststoffverteilung bei Eintritt in die Reaktionskammer erreicht und wird eine große Kontaktfläche zwischen Plasmagas und Transportgas geschaffen. Das in Form einer drallförmigen Strömung in die Reaktionskammer eintretende Plasmagas erzeugt an der Kontaktfläche zu dem Transportgas eine kräftige Turbulenz. Dadurch kommt es zu einem raschen Konzentrationsausgleich der Feststoffpartikel über den gesamten Strömungsquerschnitt. Die Mischwirkung wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung noch verbessert, wenn das materialbeladene Transportgas vor Eintritt in die Reaktionskammer in Drehung versetzt wird, die der Drehung des Plasmagases entgegengerichtet ist Eine weitere Maßnahme, um die Zündung zu beschleunigen, besteht darin, Transportgas einzusetzen, das Oxidationsmittel enthält. Bezüglich der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird auf die Ansprüche 4 bis 6 verwiesen.

Bei dem erfmdungsgemäßen geführten Verfahren wird aufgrund der guten Mischwirkung eine stabile Zündung des kohlenstoffhaltigen Materials erreicht. Es ergibt sich ein weiter Steuerbereich für den Plasmagenerator, eine schnelle Einleitung der Zündung und insgesamt eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit.

Die gattungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ausgebildet mit einer Reaktionskammer, einem Plasmagenerator mit zylindrischen Elektroden sowie Dralleinrichtungen für das Plasmagas und in die Reaktionskammer einmündendem Auslaßstutzen, einer Speiseleitung für oxidationsmittelhaltiges Gas, die mit dem Plasmagenerator verbunden ist, und mit einer Zufuhreinrichtung für kohlenstoffhaltiges Material. Gemäß der Lehre der Erfindung ist der Auslaßstutzen des Plasmagenerators in ein Mantelrohr eingesetzt, wobei sich ein Ringspalt zwischen dem Auslaßstutzen und dem Mantelrohr bildet. Der Ringspalt mündet stromabwärts in die Reaktionskammer ein und ist stromaufwärts zu einer Ringkammer erweitert, an welche die Zufuhreinrichtung für das kohlenstoffhaltige Material angeschlossen ist

Das kohlenstoffhaltige Material wird mit Hüfe eines Transportgases eingeführt. Die Ringkammer bewirkt eine gleichmäßige und konzentrische Materialverteilung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zufuhreinrichtung für das kohlenstoffhaltige Material tangential an die Druckkammer angeschlossen. Dadurch ist dem materialbeladenen Transportgas eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufprägbar. Es versteht sich, daß die tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Rotation des Plasmagases entgegengerichtet ist.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß auf dem Auslaßstutzen des Plasmagenerators ein Schutzrohr mit schräg angestellten Leitschaufeln aufgesetzt ist. Auch in diesem Fall ist dem Transportgas eine Drehbewegung -2-

Claims (10)

1. Nr. 390074 aufprägbar, die der Drehbewegung des Plasmagases entgegengerichtet ist. Abgesehen von den strömungstechnischen Vorzügen zeichnet sich diese Ausführungsform dadurch aus, daß der Auslaßstutzen des Plasmagenerators durch das Schutzrohr vor Verschleiß geschützt ist Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß das Mantelrohr als doppelwandiges Rohr mit Kühlwasserkanälen ausgebildet ist Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung (ohne Reaktionskammer) in Seitenansicht, wobei das Mantelrohr (4) und dessen Flansche geschnitten sind; Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1; Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2. Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung ist für die Verbrennung und Vergasung von pulverförmigem kohlenstoffhaltigem Material bestimmt. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Plasmagenerator (1). Der Plasmagenerator (1), dessen Einzelheiten nicht dargestellt sind, kann herkömmlicher Ausbildung mit zylindrischen Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird, sein. Oxidationsmittelhaltiges Gas wird durch eine Speiseleitung (2) in den Plasmagenerator (1) eingegeben und beim Durchgang durch den Lichtbogen erhitzt. Es tritt als Plasmagas wieder aus. Neben der axialen Geschwindigkeitskomponente im Plasmagenerator wird dem Gas außerdem eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erteilt, so daß das Plasmagas beim Verlassen des Plasmagenerators stark rotiert. Der Plasmagenerator (1) weist einen verjüngten Auslaßstutzen (3) auf, der in ein Mantelrohr (4) eingesetzt ist. Damit der Auslaßstutzen (3) in Fig. 1 sichtbar ist, ist das Mantelrohr (4) im Schnitt dargestellt. Das Mantelrohr (4) ist stromaufwärts mittels eines Flansches (5) gasdicht mit dem Plasmagenerator verbunden. Das Mantelrohr (4) weist fernerhin einen Flansch (6) auf zum Anschluß an eine im Ausführungsbeispiel nicht dargestellte Reaktionskammer. Dadurch kann das Mantelrohr ständig an einer Randung befestigt bleiben und der Plasmagenerator sehr leicht abgenommen und ausgetauscht werden. An das Mantelrohr (4) ist fernerhin eine Zufuhreinrichtung (7) für kohlenstoffhaltiges Material angeschlossen. Die Anordnung vom Mantelrohr und Auslaßstutzen ist so getroffen, daß sich ein Ringspalt (8) zwischen dem Auslaßstutzen (3) und dem Mantelrohr (4) bildet, der stromabwärts in die Reaktionskammer einmündet. Stromaufwärts ist der Ringspalt (8) zu einer Ringkammer (9) erweitert, an welche die Zufuhreinrichtung (7) für das kohlenstoffhaltige Material angeschlossen ist. Das kohlenstoffhaltige Material wird mit Hilfe eines Transportgases durch die Zufuhreinrichtung (7) in die Ringkammer (9) eingeführt. Hier erfolgt eine gleichmäßige Materialverteilung im Ringraum. Im Ringspalt (8) erfährt das Transportgas dann eine Beschleunigung in Strömungsrichtung des Plasmagases und wird schließlich als eine der Plasmagas mantelförmig umschließende Gasströmung koaxial in die Reaktionskammer eingeleitet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zufuhreinrichtung (7) für das kohlenstoffhaltige Material tangential an die Ringkammer (9) angeschlossen. Dadurch wird das kohlenstoffhaltige Transportgas vor Eintritt in die Reaktionskammer in Drehung versetzt, die der Drehung des Plasmagases entgegengerichtet ist Fig. 2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist auf den Auslaßstutzen (3) des Plasmagenerators (1) ein Schutzrohr (10) mit schräg angestellten Leitschaufeln (11) bis (14) aufgesetzt. Der Auslaßstutzen (3) ist dadurch in der Fig. 2 verdeckt und nur durch strichlierte Linien angedeutet. Durch die Leitschaufeln wird das kohlenstoffbeladene Transportgas in Drehung versetzt, welche der Rotation des Plasmagenerators entgegengerichtet ist. Abgesehen von der Verbesserung in bezug auf die Mischwirkung zeichnet sich diese Ausführung dadurch aus, daß der Auslaßstutzen (3) des Plasmagenerators durch das Schutzohr wirksam vor Verschleiß geschützt ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Mantelrohr, wie aus Fig. 1 ersichtlich, als doppelwandiges Rohr (15) mit Kohlenwasserzufuhreinrichtung und Kohlenwasserkanälen (17) ausgebildet PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Verbrennung und Vergasung von pulverförmigem kohlenstoffhaltigem Material, bei dem ein oxidationsmittelhaltiges Gas in einem Plasmagenerator aufgeheizt wird und bei dem das aus dem Plasmagasgenerator austretende Plasmagas mit dem kohlenstoffhaltigen Material in einer Reaktionskammer vermischt wird, wobei das Plasmagas vor Eintritt in die Reaktionskammer in Drehung versetzt wird und wobei das kohlenstoffhaltige Material am Umfang der Plasmagasströmung mit Hilfe eines Transportgases in die Reaktionskammer eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das materialbeladene Transportgas vor Eintritt in die Reaktionskammer um das Plasmagas verteilt, in Strömungsrichtung des Plasmagases beschleunigt und schließlich als eine das Plasmagas mantelförmig umschließende Gasströmung koaxial in die Reaktionskammer eingeleitet wird. -3- Nr. 390074
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das materialbeladene Transportgas vor Eintritt in die Reaktionskammer in Drehung versetzt wird, die der Drehung des Plasmagases entgegengerichtet ist
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportgas Oxidationsmittel enthält
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Transportgas Umlaufgas eingesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel O2, 0Ο2, Wasserdampf, Luft oder eine Mischung der vorgenannten Oxidationsmittel verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiges Material Kohlenstaub, Steinkohlepulver, Torf oder Holzspäne verwendet werden.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Reaktionskammer, einem Plasmagenerator mit zylindrischen Elektroden sowie Dralleinrichtungen für das Plasmagas und in die Reaktionskammer einmündendem Auslaßstutzen, einer Speiseleitung für oxidationsmittelhaltiges Gas, die mit dem Plasmagenerator verbunden ist und einer Zufuhreinrichtung für kohlenstoffhaltiges Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßstutzen (3) des Plasmagenerators (1) in ein Mantelrohr (4) eingesetzt ist, wobei sich ein Ringspalt (8) zwischen dem Auslaßstutzen (3) und dem Mantelrohr (4) bildet, und daß der Ringspalt (8) stromabwärts in die Reaktionskammer einmündet und stromaufwärts zu einer Ringkammer (9) erweitert ist, an welche die Zufuhreinrichtung (7) für das kohlenstoffhaltige Material angeschlossen ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (7) tangential an die Ringkammer (9) angeschlossen ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Auslaßstutzen (3) des Plasmagenerators (1) ein Schutzrohr (10) mit schräg angestellten Leitschaufeln (11 bis 14) aufgesetzt ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr als doppelwandiges Rohr (15) mit Kühlwasserkanälen (17) ausgebildet ist Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-