DE3441358A1

DE3441358A1 - Verfahren und vorrichtung zur partiellen verbrennung und vergasung von kohlenstoffhaltigem material

Info

Publication number: DE3441358A1
Application number: DE19843441358
Authority: DE
Inventors: Björn Sala Hammerskog; Sven Hofors Santén
Original assignee: SKF Steel Engineering AB
Current assignee: SKF Steel Engineering AB
Priority date: 1984-06-14
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1985-12-19
Also published as: AU568693B2; ES8607374A1; IT8423373A0; ES538144A0; IN162320B; SE453751B; BR8406069A; SE8403191D0; CN85101700A; AT390074B; IT8423373A1; AU3525684A; SE8403191L; NO844800L; DE3441358C2; GB2160218A; ZA848218B; GB2160218B; JPS614789A; CA1233431A

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiellen Verbrennung und Vergasung von zerstäubtem kohlenstoffhaltigem Material, bei welchem Oxidationsmittel und das kohlenstoffhaltige Material in eine Reaktionskammer eingebracht werden und gleichzeitig mit Hilfe eines Plasmagenerators Wärme zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits bekannt, Sauerstoffbrenner zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material zu verwenden, wobei diese Brenner auf die Mitte einer Kammer gerichtet sind, welche einen zentralen Gas- und Schlackenauslaß besitzt. In Verbindung mit der Brennerausbildung ergeben sich hier jedoch gewisse Probleme. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Sauerstoff eingeblasen wird, bestimmt die Lage der Flammenfront, und, um ein Zurückschlagen der Flamme zu verhindern, muß ein bestimmter Abstand zwischen der Brennerdüse und der Flammenfront eingehalten werden. Dies grenzt den Steuerbereich beträchtlich ein. Um die Wandungen der Kammer zu schützen, wird manchmal ein Mantel aus Wasserdampf rund um den Sauerstoffeinlaß geblasen, wodurch die Strömung relativ ungestört bleibt. Kohlenstoffpulver wird in den Sauerstoffstrom mittels Lanzen eingeblasen und im Brenner gemischt. Infolge der ungestörten Strömung und der hohen Strömungsgeschwindigkeit, ist die Vermischung äußerst schlecht und es ist eine lange Mischdistanz nötig, um das Wasser in den Kohlenstoffteilchen zu vergasen und die Teilchen selbst ausreichend zu erhitzen.

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Außerdem wird bei den bisher bekannten Verfahren eine Erhitzung des Oxidationsmittels und des Brennstoffes auf eine Temperatur, bei welcher Reaktionen beginnen, eine relativ langsame Reaktionsgeschwindigkeit erreicht, da die Reaktion hauptsächlich durch Umlauf der heißen Reaktionsprodukte erreicht wird.

Bekannt ist an sich auch, Plasmageneratoren für die Zufuhr von Wärmeenergie für die Verbrennung und Vergasung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff zu verwenden. Pulverisierter Kohlenstoff wird in ein Trägergas eingeblasen, welches durch einen Plasmagenerator erhitzt wird. Als Oxidationsmittel werden Sauerstoff, CO₂ und/oder Wasserdampf verwendet und entweder in das heiße Trägergas eingeblasen oder insgesamt oder partiell als Trägergas verwendet.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, daß eine schnelle effiziente Vermischung des Oxidationsmittels und des Kohlenstoffträgers erzielbar ist, woraus sich eine kurze Mischdistanz und ein weiter .Steuerbereich ungeachtet der Lage der Flammenfront ergeben, und daß eine wesentlich höhere Reaktionsgeschwindigkeit dadurch erzielt wird, daß Wärmeenergie dem Oxidationsmittel und dem verwendeten Brennstoff direkt zugeführt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in Form eines Kombinationsbrenners.

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Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch, daß in einem Plasmagenerator ein Oxidationsmittel enthaltender Heißgasstrom erzeugt und in die Reaktionskammer eingebracht wird, und daß das pulverförmige, kohlenstoffhaltige Material mit Hilfe eines Transportgases konzentrisch rund um den Heißgasstrom zugeführt wird.

Das Transportgas kann dabei beispielsweise aus Oxidationsmittel, Verbrennungsprodukten (0„, CO₂/ ^H ₂°) ^oder Umlaufgas bestehen.

Das Plasmagas erhält im Plasmagenerator eine Drehbewegung, sodaß bei Verlassen des Plasmagenerators in dem konzentrisch strömenden kohlenstoffhaltigen Material eine kräftige Turbulenz erzielt wird, während gleichzeitig der zentrale Strom des Heißgases die Materialmischung sofort auf Reaktionstemperatur erhitzt.

Das Oxidationsmittel besteht vorzugsweise aus O₃, CO₂/ Wasserdampf, Luft oder einer Mischung derselben, während das kohlenstoffhaltige Material aus Kohlenstaub, Koksstaub, Steinkohlenstaub, Torf und/oder Holzspänen besteht.

Die Vorrichtunb bzw. der Kombinationsbrenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator zylindrische Elektroden besitzt, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird, ferner eine Speiseleitung zum Einbringen von Trägergas in den Plasma-

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generator und Anordnungen, durch welche dem im Plasmagenerator erzeugten Heißgasstrom eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erteilbar ist, daß rund um den Plasmagenerator zumindest an seinem Auslaßende ein Außenrohr zur Ausbildung eines Ringraumes zwischen der Außenseite des Plasmagenerators und dem Außenrohr angeordnet ist und daß Anordnungen für die Zufuhr von Kohlenstoff führendem Material zu dem Ringraum vorgesehen sind.

Vorzugsweise wird in Verbindung mit dem Einlaßende des Ringraumes eine Druckkammer vorgesehen, in welcher Lanzen für die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Material angeordnet sind, um demselben eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente zu erteilen, um eine gleichmäßige Materialverteilung im Ringraum zu bewirken.

Alternativ kann ein inneres Schutzrohr mit Außenführungen, beispielsweise in Form von Schaufeln, vorgesehen werden, um eine Drehbewegung zu erreichen, und zwar vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung zu der des Plasmagases. In diesem Fall wird der Ringraum für das Einbringen des pulverförmigen Materials durch das Außenrohr und das innere Schutzrohr gebildet. Außer einer schnelleren Vermischung führt diese Anordnung zu einem geringeren Verschleiß des Plasmagenerators.

Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigt

Fig.1 den erfindungsgemäßen Plasmagenerator;

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Pig.2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Plasmagenerators gemäß Fig.1; und

Fig.3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Plasmagenerators gemäß Fig.2.

Fig.1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kombinationsbrenner mit einem Plasmagenerator 1 herkömmlicher Ausbildung mit zylindrischen Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird. Trägergas wird durch eine Speiseleitung 2 eingeblasen und beim Durchgang durch den Lichtbogen erhitzt. Neben der axialen Geschwindigkeitskomponente im Plasmagenerator erhält das Trägergas außerdem eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente, sodaß das Plasmagas beim Verlassen des Plasmagenerators stark rotiert.

Rund um den vorderen Bereich des Plasmagenerators ist ein Außenrohr 4 angeordnet, welches in 5 gasdicht mit dem Plasmagenerator verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt dieses Außenrohr 4 einen Flansch 5, mit dem es an eine Verbrennungs- oder Vergasungskammer angeschraubt werden kann. Dadurch kann das Außenrohr ständig an einer Wandung befestigt bleiben, sodaß der Plasmagenerator sehr leicht abgenommen und ausgetauscht werden kann. In diesem Fall ist das Außenrohr vorzugsweise wassergekühlt, und, indem man es etwas hinter die Kammerwandung vorspringen läßt, kann das Außenrohr auch als Wind- oder Blasdüse arbeiten.

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Trockener, pulverförmiger Brennstoff wird durch eine Leitung 7 in den Ringraum 8 zwischen dem Plasmagenerator und dem Außenrohr 4 eingebracht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Einlaßseite zum Ringraum eine Druckkammer 9 vorgesehen, in welche das Zufuhrrohr 7 einmündet. Dies ergibt eine gleichmäßigere Materialverteilung im Ringraum.

Fig.2 zeigt eine abgewandelte Ausführung des Plasmagenerators gemäß Fig.1. Um das freie Ende 3 des Plasmagenerators ist ein inneres Schutzrohr 10 angeordnet, welches vom Außenrohr 4 umgeben wird. An der Außenseite trägt dieses innere Schutzrohr 10 Schaufeln 11 bis 14, durch welche das eingebrachte pulverförmige Material entgegengesetzt zu der des erzeugten Plasmagases in Drehung versetzt wird. Dadurch ergibt sich eine bessere und schnellere Vermischung sowie ein Schutz für den Plasmagenerator vor Verschleiß.

Fig.3 zeigt eine Abwandlung des Plasmagenerators gemäß Fig. . Das hier mit dem Bezugszeichen 15 dargestellte Außenrohr ist wassergekühlt, wobei das Kühlwasser in 16 dem Kühlmantel 17 zugeführt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat das wassergekühlte Außenrohr die Form einer verlängerten Blasdüse, welche eine herkömmliche Blasdüse ersetzen soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachstehend im einzelnen beschrieben.

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Trägergas, welches vorzugsweise einen Teil des verwendeten Oxidationsmittels enthält, wird im Plasmagenerator erhitzt und verläßt denselben als heißer Kern aus rotierendem Plasmagas. Dieser entzündet das durch den Ringspalt 8 vorzugsweise mittels Oxidationsmittel wie beispielsweise Wasserdampf, Sauerstoff, Luft oder einer Mischung derselben eingebrachte pulverförmige kohlenstoffhaltige Material und ruft eine kräftige Turbulenz in demselben hervor. Im Gegensatz zu einem ölbrenner beispielsweise, bei welchem die Zündung durch die Flammenfront bewirkt wird, deren Lage durch die Strömungsbedingungen bestimmt wird, sichert die hohe Temperatur des Plasmagases eine stabile Zündung ungeachtet anderer Bedingungen. Dadurch ergibt sich ein äußerst weiter Steuerbereich für den Plasmagenerator und eine wesentlich schnellere Einleitung der Zündung und damit insgesamt eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit.

Das heiße Plasmagas setzt auch die Notwendigkeit herab, überschüssigen Sauerstoff einzusetzen, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung/Vergasung zu erreichen. Außerdem erreicht man eine äußerst hohe Flammentemperatur, welche wesentlich höher ist als bei herkömmlichen Brennern, was zu einem stark verringerten Anteil an unerwünschten Bestandteilen wie beispielsweise unverbranntem/unvergastem Kohlenstoff, Alkoholen, Phenolen, Methan, Teer, schweren Kohlenwasserstoff usw. im Gas nach der Verbrennung/Vergasung führt.

Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, daß unabhängig von der Verbrennung durch den Plasmagenerator ein

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Überschuß an Wärmeenergie geliefert wird. Dies bietet bessere Gelegenheiten, die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte zu steuern, während gleichzeitig die Gefahr von Rußablagerungen verringert wird.

Claims

Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte

Diplom-Physiker

Dr. Walter Andrejewski

Diplom-Ingenieur

Dr.-Ing. Manfred Honke

Diplom-Physiker

Dr. Karl Gerhard Masch

Anwaltsakte: 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 10 02

62 480/E-th 9. November 1984

Patentanmeldung

SKF Steel Engineering AB

P. 0. Box 202

S-813 00 HOFORS, Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur partiellen Verbrennung und Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material.

Patentansprüche.

MJ Verfahren zur partiellen Verbrennung und Vergasung von zerstäubtem kohlenstoffhaltigem Material, bei welchem Oxidationsmittel und das kohlenstoffhaltige Material in eine Reaktionskammer eingebracht werden und gleichzeitig mit Hilfe eines Plasmagenerators Wärmeenergie zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß in einem Plasmagenerator (1) ein Oxidationsmittel enthaltender Heißgasstrom erzeugt und in

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die Reaktionskammer eingebracht wird, und daß das pulverförmige, kohlenstoffhaltige Material mit Hilfe eines Transportgases konzentrisch rund um den Heißgasstrom zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel 0_, CO₃, Wasserdampf, Luft oder eine Mischung derselben verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel als Transportgas für das kohlenstoffhaltige Material verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel partiell oder insgesamt im Plasmagenerator (1) zur Erzeugung des Heißgasstromes erhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiges Material Kohlenstaub, Steinkohlepulver, Torf oder Holzspäne verwendet werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator

(1) zylindrische Elektroden besitzt, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird, ferner eine Speiseleitung (2) zum Einbringen von Trägergas in den Plasmagenerator und Anordnungen, durch welche dem im Plasmagenerstor erzeugten Heißgasstrom eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erteilbar

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ist, daß rund um den Plasmagenerator zumindest an seinem Auslaßende ein Außenrohr (4; 15) zur Ausbildung eines Ringraumes (8) zwischen der Außenseite des Plasmagenerators und dem Außenrohr angeordnet ist und daß Anordnungen (7) für die Zufuhr von Kohlenstoff führendem Material zu dem Ringraum vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Einlaßende des Ringraumes (8) eine Druckkammer (9) zwecks gleichmäßiger Verteilung des zugeführten Kohlenstoff führenden Materials vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (7) für das kohlenstoffhaltige Material tangential in die Druckkammer (9) einmündet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein inneres Schutzrohr (10) mit schräg verlaufenden Schaufeln (11-14) vorgesehen ist, durch welches dem eingebrachten pulverförmigen Material eine Drehbewegung erteilbar ist und der Plasmagenerator (1) vor Verschleiß schützbar ist.
10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (15) wassergekühlt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wassergekühlte Außenrohr (15) die Form einer verlängerten Blasdüse hat.