DE3530918A1

DE3530918A1 - Vorrichtung zur vergasung von kohlenstaub

Info

Publication number: DE3530918A1
Application number: DE19853530918
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr.-Ing. Ddr 9230 Brand-Erbisdorf Berger; Vasilij Fedotov; Ernest Dr.-Ing. Gudymov; Helmut Dipl.-Ing. DDR 9200 Freiberg Peise; Boris Moskau/Moskva Rodinov; Manfred Dr.-Ing. Ddr 9200 Freiberg Schingnitz; Vladimir Dr.-Ing. Semenov; Winfried Dr.-Ing. Wenzel
Original assignee: Brennstoffinstitut Freiberg; GNII PI AZOTNOJ
Current assignee: Brennstoffinstitut Freiberg; GNII PI AZOTNOJ
Priority date: 1984-10-29
Filing date: 1985-08-29
Publication date: 1986-05-07
Also published as: CS266234B1; GB8525902D0; US4707163A; DE3530918C2; DD227980A1; GB2166155A; JPS61108694A; JPH0149440B2; FR2572418A1; CS545285A1

Description

* ρ- ♦ * ft -.

1. Brennstoffinstitut Freiberg DDR - 92oo Freiberg

2. Gosudarstvenny Nauchno-Issledovatelsky I Proektny Institut Azotnoi Promyshlennosti I Produktov Organicheskogo Sinteza

UdSSR - Moskau

Vorrichtung zur Vergasung von Kohlenstaub

Die Erfindung betrifft, eine Vorrichtung zum Vergasen von u. a. Kohlenstaub mit Sauerstoff und Dampf, die z. B. in der chemischen Industrie zur Erzeugung von Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemischen aus festen Brennstoffen verwendet werden kann.

Aus der DE-OS 2 573 950 ist eine Vorrichtung für die Vergasung von Kohlenstaub bekannt, die ein Gehäuse mit Stutzen für das Generatorgas und die granulierte Schlacke, einen Kohlenstaubbrenner, ein Überlaufrohr zur Aufrechterhaltung des Wasserstandes im unteren Gehäuseteil und eimKonusteil zum Überführen der granulierten Schlacke zum Schlackestutzen enthält. In einem oberen Generatorabschnitt befindet sich eine hochtemperaturbeständige Auskleidung, die im unteren Teil eine Einziehung hat. Ein gasdichter Rohrschirm im unteren Ab-

751-(2688167)-Sd-E

schnitt (der Strahlungszone) ist unter Ausbildung eines Spalts zwischen ihm und dem Gehäuse angeordnet und über einen unteren (eingangsseitigen) und einen oberen (ausgangsseitigen) Sammler für ein Kühlmedium versehen. Diese Vorrichtung hat ganz wesentliche Nachteile. Die temperaturbeständige Auskleidung im Bereich der Reaktionszone wird schnell durch die flüssige Schlacke gelöst und erodiert, die sich bei der Hochtemperaturvergasung bildet. In Versuchen wurde ein Auswaschen der Auskleidung von 10 bis 40 mm nach 200 Betriebsstunden festgestellt. Ferner erstarrt der aus der Einziehung der Auskleidung der Reaktionszone ausfließende Schlackestrahl bereits im oberen Teil oder am Schirm der Strahlungszone, was den Querschnitt für den Durchtritt des Gases verringert. Die zusammen mit dem Gasstrom aus der Einengung der Reaktionszone kommenden Schlacketeilchen setzen sich an den kalten Oberflächen des Kühlschirms ab und verschlacken ihn. Die dadurch verminderte Kühlwirkung ergibt eine Erhöhung der Gastemperaturen bis über die Norm. Wegen der heißen Gase und der Gefahr des Verschlackens des Austrittsstutzens für das Generatorgas muß dann die Anlage abgestellt werden. Ferner gehört eine im SU-Erfinderschein 3 359 368/23-26 beschriebene Vorrichtung zur Vergasung von Kohlenstaub zum gattungsgemäßen Stand der Technik, die ein innen wärmeisoliertes Gehäuse mit Abführstutzen für das Generatorgas und die granulierte Schlacke und einen Kohlenstaubbrenner enthält. Ein überlaufrohr hält den Wasserstand im unteren Teil des Gehäuses auf einem bestimmten Niveau. Die granulierte Schlacke wird dem Schlackeabführungsstutzen durch ein Rohr mit einem konischen Abschnitt zugeführt. Ein gasdichter Rohrschirm ist verti-

kai längs der Wand des Gehäuses mit einem Spalt zwischen Rohrschirm und Isolierung des Gehäuses angeordnet und mit einem Eingangssammler und einem Ausgangssammler für das Kühlmedium verbunden. Eine Einziehung unterteilt den Innenraum der Vorrichtung in eine Reaktionsund in eine Strahlungszone, in der sich der Stutzen für die Abführung des Generatorgases und der flüssigen Schlacke aus der Reaktionszone in die Strahlungszone befindet. Der gasdichte Rohrschirm in der Reaktionszone ist bestiftet und hat über den Stiften eine feuerfeste Stampfmasse. In der Strahlungszone ist der Schirm aus zwei konzentrisch angeordneten gasdichten Teilen ausgeführt und der untere Teil oben und unten mit Zacken versehen, die durch Wegführen der Rohre nach verschiedenen Seiten vom Schirm und einen bestimmten Abstand einhaltend gebildet werden. Die Vorrichtung zum Zuführen der Schlacke zum Schlackeabführungsstutzen liegt unter dem unteren Eingangssammler für das Kühlmedium, der seinerseits wieder oberhalb der Kante des Überlaufrohres liegt, wobei konzentrisch um die Vorrichtung zum Zuführen der Schlacke zum Schlackeabführungsstutzen ein Konvektions-Ringwärmeübertrager angeordnet ist.

Diese Vorrichtung hat eine geringe Betriebszuverlässigkeit, produziert ein Generatorgas geringer Qualität und benötigt einen hohen Energieaufwand. Diese Nachteile ergeben sich durch die Einziehung des Rohrschirms, in die der Gas- und Schlackestutzen eingebaut ist und die der Reaktor in eine Reaktionszone und in eine Strahlungszone aufteilt, wobei die Reaktionszone bestiftet ist und eine feuerfeste Auskleidung hat. Daher liegt die Gastemperatur vor der Einziehung 100 bis

200 ⁰C über der Temperatur der normalen Flüssigschlackeabführung und die Temperatur am Kohlenstaubbrenner muß infolge der Wärmeverluste in der Strahlungszone höher sein. Dabei zeigt sich, daß die mittlere Temperatur in der Reaktionszone, die durch die Bedingungen der Flüssigschlackeabführung festgelegt wird, bedeutend höher ist als die Temperatur, die vom Standpunkt der Durchführung und der Vollständigkeit der Vergasungsreaktion des Kohlenstaubes aus gesehen erforderlich ist.

Zur Aufrechterhaltung der höheren Temperaturen muß ein Teil des erhaltenen Generatorgases verbrannt werden, wozu eine zusätzliche Sauerstoffmenge notwendig ist, und wobei die Qualität des Generatorgases vermindert und der Energieaufwand erhöht wird. Da in der bestifteten Auskleidung Temperaturen der leitenden Metallstifte und niedrigere Temperaturen in der Stampfmasse zwischen den Stiften herrschen, ist die Lebensdauer der Auskleidung unbefriedigend.

Außerdem kann der aus dem Stutzen ausfließende Schlackestrahl im oberen Teil der Strahlungszone durch zu intensive Kühlung erstarren. Das führt wiederum zu einer starken Verminderung der Betriebszuverlässigkeit des gesamten Apparates. Da im Innenteil des gasdichten Rohrschirmes durch Wegführen der Rohre nach verschiedenen Seiten Zacken entstehen, ergeben sich Verschlackungen des Gas- und Schlackestutzens durch die Rückführung einer großen Menge rezirkulierenden Gases in den Raum zwischen Innen- und Außenteil des Schirmes. Das führt zu einer Verminderung der Betriebszuverlässigkeit und zu einer Erhöhung des Energieaufwandes. Da schließlich der

in die Einziehung des Schirmes eingebaute Stutzen zum Absaugen des rezirkulierten Gases von den oberen Zacken verwendet wird, muß die Druckdifferenz zur Schaffung einer zuverlässigen Rezirkulation groß sein, was zu einer Erhöhung des Energieaufwandes beim Betrieb des Apparates führt.

Die Erfindung soll eine Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit, eine Verbesserung der Qualität des erzeugten Generatorgases und eine Verringerung des Energieaufwandes für das Erzeugen des Generatorgases bewirken und einen Reaktor unter den Bedingungen der Partialoxidation von Brennstoffen unter Druck konstruktiv so weiterbilden, daß die Betriebssicherheit, die Qualität des erzeugten Gases und der verringerte Energieaufwand garantiert werden.

In einem Reaktor zur Vergasung von Kohlenstaub, bestehend aus einem innen wärmeisolierten Gehäuse mit Stutzen für das Abführen des Generatorgases und der granulierten Schlacke, aus einem Kohlenstaubbrenner, aus einem Überlaufrohr für das Aufrechterhalten des Wasserstandes im unteren Teil des Gehäuses, aus Wasserbad in einem konischen Behälter und aus einem gasdichten Rohrschirm, der an der Gehäusewand mit einem Zwischenabstand zur Gehäuseisolierung angeordnet ist und über einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Sammler für das Kühlmedium verfügt sowie einen unteren Kranz aus Rohrbögen aufweist, welcher über dem Wasserbad angeordnet ist, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rohrbogen- bzw. Zackenkranz im oberen Teil in Form eines Systemes von auseinander-

laufenden Rohren ausgeführt ist, von denen ein Teil die Form einer Schlaufe hat, deren konvexer Teil zum Brenner hin gerichtet ist, daß der der sich direkt an die Schlaufen anschließende Abschnitt des Rohrschirmes eine konische Form hat, und daß zwischen der Vorrichtung zum Zuführen der granulierten Schlacke zu dem Schlackestutzen ein als Dampfabscheider wirkender Verteiler bzw. Sammler mit Austrittsrohren eingebaut ist, die im Ringspalt zwischen dem Rohrschirm und der Isolation des Gehäuses verlaufen und deren Austrittsenden oberhalb des unteren Rohrbogen- bzw. Zackenkranzes angeordnet sind.

Bei einer Variante ist der Eingangssammler für das Kühlmedium unter der Kante eines Überlaufrohres zwischen dem Wasserbadbehalter zum Zuführen der granulierten Schlacke zum Schlackestutzen und dem Gehäuse angeordnet und der untere Zackenkranz ist in Form von auseinanderlaufenden Rohren ausgeführt, von denen ein Teil die Form einer Linse hat, die mit ihrem konvexen Teil zur Wärmeisolierung des Gehäuses hin gerichtet ist, wobei der Stutzen zum Abführen des Generatorgases zwischen dem unteren Zackenkranz und dem Einlauf des Überlaufrohres liegt.

Eine weitere Variante zeichnet sich dadurch aus, daß der Eingangssammler für das Kühlmedium auf der Höhe des AusgangsSammlers liegt, daß der gasdichte Rohrschirm U-förmig ausgebildet ist, daß die Rohre des Schirmes im unteren Teil durch U-förmige Übergangsrohre verbunden sind, die in verschiedener Höhe angeordnet sind

-it ·

und den unteren Zackenkranz bilden, daß die Ausgangsrohre im Spalt des Schirmes angeordnet sind und daß der Stutzen für das Abführen des Generatorgases im oberen Teil des Gehäuses liegt.

In einer dritten Variante sind in Ergänzung zur zweiten Variante im Ringraum zwischen dem Rohrschirm und der Wärmeisolierung des Gehäuses Wärmetauscher eingebaut, die in der Höhe über dem unteren Zackenkranz und unter dem konischen Teil des Schirmes liegen, wobei der Stutzen für das Generatorgas über diesem konvektiven Ringwärmetauscher angeordnet ist.

Der Winkel des konischen Abschnitts des gasdichten Rohrschirmes liegt zweckmäßig etwa zwischen 6° und 15°. Die Ausführung des oberen Rohrbogen- bzw. Zackenkranzes in Form eines Systemes von auseinanderlaufenden Rohren, von denen ein Teil die Form einer Öse hat, deren konvexer Teil zum Brenner hin gerichtet ist, gestattet es, einen Strom von abschirmendem Gas längs der Innenwand des Rohrschirmes sowohl in der Strahlungszone als auch in der Reaktionszone auszubilden, sowie dem austretenden zirkulierenden Gas einen solchen Widerstand entgegenzusetzen, daß die Hauptmasse des Gases durch die Peripherie hindurchgeht, wobei eine abschirmende Ringströmung gebildet wird, während ein bestimmter Teil des Gases direkt am Brenner austritt und dabei die Bildung eines Rezirkulationsstromes am Brennermund verhindert und seiner Verschlackung vorbeugt. Der sich direkt an den Rohrbogenkranz anschließende konische Abschnitt des Rohrschirmes ergibt eine Diffusorwirkung zwischen dem Rohrschirm und der Wärme-

isolierung für den zirkulierenden Gasstrom, wobei die Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird, der Druck ansteigt und somit die Umlenkung des zirkulierenden Gases mit einer geringen Geschwindigkeit und folglich mit geringen Druckverlusten erfolgt.

Die Dampfrohre im Ringspalt zwischen dem Schirm und der Isolierung mit ihren Austrittsenden über dem unteren Zackenkranz führen zu einem zirkulierenden Gasstrom im Reaktor insgesamt und insbesondere zu einem abschirmenden Gasstrom längs der Innenwand des Rohrschirmes aus insbesondere Wasserdampf oder einem anderen Injektionsmedium mit einem geringen Energieaufwand.

Der Reaktor gemäß der Erfindung zur Vergasung von Kohlenstaub kann in mehreren Varianten ausgeführt werden.

Die erste Variante ist für die Verwendung von Kohlen mit tiefem Ascheerweichungspunkt sowie für salzhaltige Kohlen bestimmt. Die zweite Variante ist für Kohlen mit einer hohen Ascheerweichungstemperatur geeignet. Die dritte Variante ist auch für die Verwendung von Kohlen mit hoher Ascheerweichungstemperatur bei geringem Aschegehalt und für kleinere Leistungen bestimmt.

Erste Variante

Die Lage des Eingangssammlers für das Kühlmedium unter dem Wasserbad bzw. der Kante des Überlaufrohrs

ergibt eine Wassersperre zwischen dem Innenraum des Reaktors und dem Ringraum zwischen der Wärmeisolierung des Gehäuses und dem gasdichten Rohrschirm und gewährleistet damit eine stabile Zirkulation der Gase im Reaktor, einen gleichmäßigen Austritt des Generatorgases und einen wirksamen Schutz der Sammler. Die Anordnung des Eingangssammlers zwischen dem Gehäuse und dem vorzugsweise trichterförmigen Wasserbadbehälter mit Schlackeabführung gewährleistet eine ungestörte Ableitung der granulierten Schlacke zum Austragsstutzen. Die Anordnung des Stutzens für das Generatorgas zwischen dem unteren Zackenkranz aus Rohrbogen und der Kante des Überlaufrohres sowie die Ausführung des unteren Zackenkranzes als System auseinanderlaufender Rohre, von denen ein Teil die Form einer Linse hat, deren konvexer Teil zur Wärmeisolierung des Gehäuses hin gerichtet ist, gewährleisten eine gleichmäßige Entnahme und eine organisierte Abführung des Generatorgases, weil im Zwischenraum zwischen dem Zackenkranz und dem Überlaufrohr ein Ringsammler gebildet wird, der die kontinuierliche Aufnahme und Abgabe des Generatorgases gewährleistet.

Der gasdichte Rohrschirm kann nach einer Demontage leicht an der Innen- und an der Außenseite von Asche- und Schlackeanhäufungen gereinigt werden.

Zweite Variante

Die Anordnung des Eingangssammlers in Hohe des Ausgangssammlers ermöglicht die Montage und Demontage des Apparates zu vereinfachen, denn der gesamte Rohrschirm

ist am oberen Gehäusedeckel befestigt. Die Ausführung des gasdichten Rohrschirmes in U-Form und die Anordnung der Austrittsrohre im Spalt erlaubt es, die Wärmeaufnahme vom zirkulierenden Gas zu erhöhen und die Betriebszuverlässigkeit des Reaktors insgesamt zu erhöhen.

Durch die Anordnung der die Rohrreihen des Kühlschirmes miteinander verbindenden U-förmigen Übergangsstücke in unterschiedlicher Höhe zur Ausbildung des unteren Zackenkranzes wird der Widerstand für den Durchgang des zirkulierenden Gases verringert und so ebenfalls die Betriebszuverlässigkeit erhöht. Die Anordnung des Stutzens für das Generatorgas im oberen Teil des Gehäuses erlaubt zusätzlich, die Temperatur des abgehenden Generatorgases zu senken und damit die Betriebszuverlässigkeit weiter zu optimieren.

Dritte Variante

In Ergänzung zur zweiten Variante ermöglicht die Anordnung mindestens eines Konvektions-Wärmetauschers im Spalt zwischen dem Schirm und der Wärmeisolierung des Gehäuses, welcher über dem unteren Zackenkranz und unter dem konischen Teil des Kühlrohrschirmes unter dem Stutzen für das Generatorgas positioniert wird, die Temperatur der abgehenden Generatorgase weiter zu verringern und damit die Betriebszuverlässigkeit des Generators durch verringerte Wärmebelastung der Isolierung des Gehäuses und des Abführungsstutzens weiter zu steigern. Die Ausführung des Winkels des konischen Rohrschirmabschnitts von etwa 6° bis 15° führt zu einer besonders

intensiven Diffusorwirkung zwischen dem Schirm und der Wärmeisolierung des Gehäuses für den Strom des zirkulierenden Gases, wobei die Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird und der Druck ansteigt. Das bedingt kleine Druckverluste des zirkulierenden Gasstromes. Bei einem Konuswinkel kleiner 6° ist der Effekt der Geschwindigkeitsverminderung unwesentlich, bei einem Winkel größer 15° erfolgt ein Abreißen der Strömung vom Schirm und eine schroffe Verminderung der Effektivität des Diffusors.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Reaktor-Variante mit
einem linsenförmigen unteren
Zackenkranz und unten liegendem
Eingangssammler für das Kühlmedium im Axialschnitt,

Fig. 2 eine zweite Reaktor-Variante mit
einem U-förmigen Schirm, mit oben liegendem Eingangssammler und mit einem Zackenkranz aus U-Rohren in unterschiedlicher Höhe,

Fig. 3 eine dritte Reaktor-Variante mit

einem Konvektions-Ringwärmeüberträger,

Fig. 4 den Querschnitt A-A in Fig. 1,

Fig. 5 den Querschnitt B-B in Fig. 2.

Die dargestellten Druckreaktoren zur Kohlenstaubvergasung enthalten ein langgestrecktes geschlossenes Druckgehäuse 1 mit einer inneren Wärmeisolierung 2 und einem seitlichen Abzugsstutzen 3 für das Generatorgas sowie einem Schlackestutzen 4 in der Bodenwandung. In einer Dachöffnung des Gehäuses 1 und der - verdickten - Wärmeisolierung 2 ist ein Kohlenstaubbrenner 5 mit integrierter Sauerstoff- und ggf. Dampfzufuhr zentral angeordnet. Im unteren Teil des Gehäuses 1 im Anschluß an die Isolierung 2 befindet sich ein mit Wasser gefüllter Trichter, dessen oberes breites Ende sich über den gesamten Innenquerschnitt des Behälters erstreckt und dessen unteres schmales Ende in den Schlackestutzen 4 mündet. Der Wasserstand im Trichter 7 wird durch ein aus dem Behälter 1 herausgeführtes Überlaufrohr 6 auf einem gewünschten Pegel gehalten. Ein aus nebeneinander verlaufenden Kühlrohren gebildeter gasdichter Rohrschirm 8 ist mit freiem Zwischenabstand zur Isolierung 2 im Gehäuseinnenraum angeordnet und mit einem Ende an einen Einlaufsammler 12 mit Anschlußstutzen 14 sowie mit dem anderen Ende an einen Ablaufsammler 13 mit Abzugsrohren 15 für ein zirkulierendes Kühlmittel verbunden. Beim Reaktor nach Fig. 1 besteht der Rohrschirm 8 aus kranzförmig zur Mittelachse mit Zwischenabstand zur Isolierung 2 angeordneten Kühlrohren 19, wobei der eine Sammler 12 als Ringkanal im Freiraum zwischen der Behälterwand und dem Trichter 7 und der obere Sammler 13 als Ringkanal in der verdickten Isolierung 2 angeordnet sind. In einem oberen Abschnitt unterhalb der Brennermündung sind die Kühl-

·* I

rohre des Rohrschirms 8 nach innen eingebogen, so daß der Kühlschirm*in diesem Abschnitt 9 eine sich zum Brenner 5 hin verjüngende konische Form hat. Neben dem in den Reaktorinnenraum hineinragenden Endabschnitt des Brenners 5 sind zumindest ein Teil der Rohre schlaufenförmig nach innen gebogen und bilden einen"Zackerikranz" 10, der das Brennerende umgibt (vgl. Fig. 4). Die Kühlrohre sind miteinander ggf. unter Verwendung von längslaufenden Distanzstreben 19 zu dem gasdichten Rohrschirm 8 verschweißt. Bei der Ausführung nach Fig. 1 weisen zumindest ein Teil der Rohre 19 des Rohrschirms 8 oberhalb des kurz über dem Wasserbad angeordneten Gasstutzens 3 einen weiteren Kranz 11 von nach außen gerichteten Rohrbogen auf, der bis an die Isolierung heranreicht. Ein als Ringkanal ausgeführter Verteiler 16 ist im Freiraum außen neben dem Trichter 7 angeordnet und mit einem Dampfstutzen 18 sowie mit einem Kranz von Dampfrohren 17 verbunden, die achsparallel in dem Ringraum zwischen dem Rohrschirm 8 und der Isolierung 2 angeordnet sind und oberhalb des Zacken- bzw. Bogenkranzes 11 ausmünden.

Die Reaktor-Ausführungen nach Fig. 2 und 3 entsprechen in ihrem Grundaufbau dem oben erläuterten Reaktortyp. Statt des einreihigen Rohrschirms mit dem nach außen gerichteten Bogenkranz 11 wird jedoch bei den Ausführungen nach Fig. 2 und 3 ein als Doppelmantel ausgebildeter Rohrschirm 8 verwendet, dessen kranzförmig angeordnete Kühlrohre und Distanzstreben 19 U-förmig gebogen sind, wobei die U-Bögen oberhalb des Wasserbades in unterschiedlichen Höhen liegen und den unteren Bogen- bzw. Zackenkranz 11 bilden. Die

Innenrohre bilden den eingezogenen konischen Abschnitt 9 und die Außenrohre verlaufen parallel und mit Zwischenabstand zur Isolierung 2 und zu den Innenrohren bis zum Ringsammler 12. Beide Sammler 12, 13 mit ihren Stützen 14, 15 zum Anschluß an ein Kühlmittelsystem sind in der oberen verdickten Isolierschicht 2 im Gehäuse 1 angeordnet. Der Auslaßstutzen 3 für das Generatorgas befindet sich etwa im oberen Gehäuseteil etwa in Höhe des konischen Schirmabschnitts 9.

Der Reaktor nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 2 im wesentlichen durch einen konvektiven Ringwärmetauscher 20, der zwischen dem äußeren Rohrkranz des Rohrschirmes 8 und der Isolierung 2 unterhalb des Gas-Abzugsstutzens 3 angeordnet ist. Ein oberer und ein unterer Sammler 21 und 22 mit Anschlüssen 23 und 24 zum Zu- und Abführen eines Wärmeträgers sind an den Ringwärmetauscher 28 angeschlossen.

Der erfindungsgemäße Reaktor z. B. gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Vor der Inbetriebnahme wird der Reaktor mit Inertgas gefüllt und der Reaktordruck bis auf den Betriebsdruck angehoben. Durch den Stutzen 14 fließt dem Eingangssammler 12 Kühlflüssigkeit zu, die durch die Rohre des gasdichten Rohrschirmes 8 hindurchgeht, in den Ausgangssammler 13 gelangt und aus diesem durch den Stutzen 15 abgeführt wird. Dem als Dampfabscheider dienenden Sammler 16 wird über den Zuführstutzen 18 Wasserdampf zugeführt, der mit großer Geschwindigkeit durch die Austrittsrohre 17 in den Ringraum zwischen der Wärme-

■i tr · If

> 4 * ♦

<18* * ~

isolierung 2 und dem gasdichten Rohrschirm 8 strömt. Der Wasserdampf saugt über den unteren Zackenkranz Inertgas an, das sich im Innenraum befindet und beschleunigt es bis auf eine hohe Geschwindigkeit. Der Ringraum zwischen der Wärmeisolierung 2 und dem konischen Teil 9 des Rohrschirmes 8 im oberen Reaktorteil arbeitet als Diffusor, in dem sich die Geschwindigkeit der Mischung aus Dampf und Gas verringert und ihr Druck ansteigt. Nach dem konischen Teil wird die Gemisch-Strömung bei geringer Geschwindigkeit umgelenkt und strömt über den unteren Zackenkranz 11 in den Innenraum des Apparates. Damit wird im Apparat ein Zirkulieren der Mischung von Inertgas und Wasserdampf organisiert. Der Überschuß wird durch den Stutzen 3 so abgeführt, daß im Apparat der vorgegebene Druck aufrechterhalten bleibt.

Dem unteren Teil des Reaktors führt man Wasser für die Schlackekühlung zu, dessen Stand mittels des Überlaufrohres 6 aufrechterhalten wird.

Durch den Brenner 5 erfolgt die Zufuhr von Kohlenstaub, sauerstoffhaltigem Gas und Wasserdampf. In unmittelbarer Nähe des Brenners stabilisiert sich die Flamme und es beginnt die Vergasung des Kohlenstaubes. Der Strom der Vergasungsprodukte bewegt sich etwa in der Achse der Anlage, wobei er die aus dem oberen Zackenkranz 10 kommende Mischung zum gasdichten Rohrschirm 8 hin abdrängt. Die Vergasungsprodukte werden durch Strahlungswärmeaustausch mit dem Rohrschirm 8 durch die ringförmige Schicht der Mischung hindurch,

die sich entlang dem Rohrschirm 8 bewegt, und (insbesondere in großen Abständen vom Brenner) durch Vermischung mit dieser Mischung gekühlt. Die Länge des gasdichten RohrSchirmes 8 wird so gewählt, daß die Temperatur der Vergasungsgase vor dem unteren Zackenkranz 11 etwas unter der Schlackeerweichungstemperatur, also etwa bei 800 bis 900 ⁰C liegt. Bei Umkehr der Vergasungsprodukte vor dem Eintritt in den unteren Zackenkranz 11 fällt der Hauptteil der Schlacketeilchen aus dem Strom in das Wasserbad, wo er sich unter Abkühlung auf tiefe Temperaturen im Trichter 7 absetzt und als Granulat durch den Schlackeabführungsstutzen 4 abgezogen wird. Der Strom des mit dem rezirkulierenden Gas gemischten Generatorgases wird beim Durchgang durch den unteren Zackenkranz 11 in zwei Ströme geteilt, von denen einer über den Stutzen 3 abgeführt und der andere mittels der Austrittsrohre 17 in den Ringraum zwischen der Wärmeisolierung 2 und dem gasdichten Rohrschirm 8 gesaugt wird. Schrittweise ersetzt das Generatorgas in der rezirkulierenden Strömung das Inertgas, mit dem der Apparat anfangs gefüllt war. Das in den Ringraum zwischen der Wärmeisolierung 2 und dem gasdichten Rohrschirm 8 eingesaugte Generatorgas wird zusätzlich sowohl durch Vermischung mit dem Dampfstrom aus den Austrittsrohren 17 als auch durch konvektiven und Strahlungswärmeaustausch mit dem Rohrschirm 8 gekühlt. Damit hat die Mischung von Generatorgas und Wasserdampf, die aus dem oberen Zackenkranz austritt, eine Temperatur, die etwas unter der Temperatur des Erweichungsbeginns der Schlacke liegt. Das bedeutet, daß die feinen Schlacketeilchen, die mit dem Generatorgas mitgeführt werden, nicht an dem gasdich-

ten Rohrschirm 8 ankleben. Damit existiert zwischen dem sich durch das Zentrum bewegenden Strom des Generatorgases, in dem sich die Schlacketeilchen in einem pastenartigen oder sogar in einem flüssigen Zustand befinden, ein abschirmender relativ kalter Ringstrom aus einer Mischung von Generatorgas und Wasserdampf, in dem sich die Schlacketeilchen in einem festen Zustand befinden, der weit vom Deformationsbeginn entfernt liegt, und es kann nicht die Gefahr der Verschlackung des gasdichten Rohrschirmes 8 und des Ringraums entstehen. Wenn als Kühlmedium Speisewasser Verwendung findet, kann am Ausgang aus dem Austrittsstutzen 15 eine Dampf-Wasser-Emulsion vorliegen, aus der energetischer oder technologischer Dampf erzeugt werden kann.

Der Betrieb des Reaktors nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Betrieb des Reaktors nach Fig. 1 dadurch, daß das Gas in den Innenraum des U-förmigen Rohrschirmes 8 gesaugt und dabei effektiver gekühlt wird, bevor es aus dem Stutzen 3 austritt, der im oberen Reaktorteil in den Ringraum angeschlossen ist. Das abgehende Generatorgas wird zusätzlich durch Strahlungswärmeaustausch und konvektiven Wärmeaustausch mit dem gasdichten Rohrschirm 8 gekühlt.

Der Betrieb des Reaktors nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Fig. 2 dadurch, daß das abgehende Generatorgas vor dem Stutzen 3 durch den konvektiven Ringwärmeübertrager 20 hindurchgeht und dabei bis auf eine Temperatur von 200 bis 250 ⁰C gekühlt wird.

»fr «t *

Der Vergasungsreaktor für Kohlenstaub gemäß der Erfindung hat große Vorteile gegenüber bekannten Reaktoren. Die sich bildende schmelzflüssige Schlacke kommt nirgendwo mit den Reaktorwänden in Berührung und es sind keine Probleme vorhanden, die das hervorrufen- Darüber hinaus muß der Prozeß nicht so geführt werden, daß eine Schlackeschmelze entsteht. Vielmehr kann die Schlacke einen pastenförmigen Zustand haben, ohne daß die Gefahr einer Verschlackung des Rohrschirmes besteht.

Nachfolgend ist ein Vergleich der Betriebsparameter von herkömmlichen und erfindungsgemäß ausgebildeten Reaktoren für einen Durchsatz von 25 t/h Kohlenstaub bei einem Druck von 30 atm sowie bei einem Dampfdurchsatz von 6 t/h gegenübergestellt.

- 22 -

Betriebsparameter Reaktor-Prototyp

Reaktor gemäß der Erfindung

Mittlere Temperatur in der Reaktionszone in ⁰C 1700

1450

Sauerstoffdurchsatz in lShi³/h 13860

12060

Gaszusammensetzung in Volumenprozent

CO. 22,47

4,39

19,93

41,01

10,34

1,83

17,62

4,18

24,88

42,97

8,52

1,83

Produktion von Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid in Nm³/h 30700

34120

Wärmeverluste in der Reaktionszone in kkal/h 5990000

3100000

Verbrauch von Sauerstoff in Nm³/h für 1000 Kfai³ Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid 451

353'

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, ergibt sich beim erfindungsgemäßen Reaktor bei verringertem Sauerstoff verbrauch um 13 % eine um 11 % größere Ausbeute an effektivem Viasserstoff und Kohlenmonoxid. Der Sauerstoffverbrauch im neuen Reaktor, bezogen auf 1000 Nm³ Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, ist um 28 % geringer als in dem Prototyp. Andererseits beträgt der Gehalt an Wasserstoff und Kohlenmonoxid im erfindungsgemäß erzeugten Generatorgas 67,85 % gegenüber 60,97 % in dem im Prototyp erzeugten Generatorgas. Ferner sind die Temperaturen in der Reaktionszone niedriger, die Betriebszuverlässigkeit ist verbessert und die Wärmeverluste sind um das 1,9-fache gesenkt, was seinerseits wiederum zu einer Senkung des Energieaufwandes führt.

Als Bezugsobjekt wurde ein Vergasungsreaktor für Kohlenstaub gewählt, der aus einem Gehäuse mit einem Stutzen für das Abführen des Generatorgases, einem Stutzen für das Abführen der granulierten Schlacke, einem Kohlenstaubbrenner, einem Überlaufrohr, einem Schlacketrichter, einer hochtemperaturbeständigen Auskleidung im oberen Teil dem Reaktionsteil der Anlage, die im unteren Teil über eine Einziehung verfügt, einem gasdichten Rohrschirm im unteren Teil, dem Strahlungsteil, der vertikal längs dem Gehäuse mit einem Spalt zwischen Gehäuse und Rohrschirm angeordnet und mit einem unteren (eingangsseitigen) Sammler und einem oberen (ausgangsseitigen) Sammler für das Kühlmedium versehen ist, besteht. Der Reaktor wurde für eine Leistung von 7 t/h und für einen Druck von 30 atm ausgelegt.

ft .' ft C

Bei der Instandsetzung und bei Untersuchungen dieses Reaktors wurde festgestellt:

a) Die hochtemperaturbeständige Auskleidung wurde durch die flüssigen Schlacken aufgelöst und ausgewaschen. Auch bei einer garantierten Lebensdauer der Auskleidung bis zu einem Jahr muß die Auskleidung jährlich zumindest einmal ausgewechselt werden.

b) Die flüssige Schlacke, die sich auf der Auskleidung sammelt und in Form von Strähnen abläuft, erstarrt am Austritt aus der Einziehung, wobei sie den Querschnitt für den Durchtritt des Gases verkleinert und dadurch einen normalen Betriebsablauf im Generator verhindert, was periodische Stillstände zum Entschlacken hervorruft.

c) Die zusammen mit dem Gemischstrom aus der Reaktionszone herauskommenden feinen Plussigschlacketeilchen setzen sich an den kalten Oberflächen des Schirmes ab und verschlacken ihn. Versuche mit Blasvorrichtungen für das Entschlacken ergaben einen erhöhten Energieaufwand bei nur unwesentlich verlängerter Lebensdauer und Betriebszeiten der Anlage.

Bei dem Reaktor gemäß der Erfindung können die mit der feuerfesten Auskleidung verbundenen Nachteile bekannter Reaktorausführungen nicht auftreten, weil eine solche Auskleidung nicht vorhanden ist. Durch die Schaffung eines abschirmenden relativ kalten Ringstromes längs des gasdichten Rohrschirmes sowohl in der Reaktions-

zone als auch in der Strahlungszone können sich die flüssigen Schlacketeilchen nicht auf den Wänden absetzen, weshalb sich auch kein flüssiger Schlackestrom ausbildet und Verschlackungen durch Schlacketröpfchen nicht auftreten.

Claims

Ansprüche

Vorrichtung zur Vergasung von Kohlenstaub, bestehend aus einem innen wärmeisolierten Gehäuse mit einem Abzugsstutzen für das Generatorgas und einem Stutzen für die granulierte Schlacke, einem zentralen Kohlenstaubbrenner, einem Wasserbad in einer im Schlackestutzen ausmündenden Wanne, einem gasdichten Kühlrohrschirm, der längs der Gehäusewand im Abstand zur Isolierung angeordnet und an einen Eingangs- sowie an einen Ausgangssammler für ein Kühlmedium angeschlossen ist, wobei ein unterer Kranz von Rohrbögen über dem überlaufrohr angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß zur Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit, zur Verbesserung der Qualität des Generatorgases und zur Senkung des Energieaufwandes ein Kranz von Rohrbögen (10) im oberen Gehäuseteil vorgesehen ist, welcher von zumindest einem Teil der Kühlrohre des Rohrschirmes (8) gebildet wird, welche die Form einer mit ihrem konvexen Teil zum Brenner (5) hin gerichteten Schlaufe haben, daß der sich unmittelbar an den Rohr-

751-(2688167)-Sd-E

bogenkranz anschließende Teil (9) des Rohrschirms (8) eine konische Form hat, und

daß in dem zwischen dem Rohrschirm (8) und der Isolierung (2) vorhandenen Ringraum mit Dampf beaufschlagbare Rohre (17) angeordnet sind, deren Mündungen über dem unteren Rohrbogenkranz (11) liegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingangssammler (12) für das Kühlmedium außen neben dem trichterförmigen Wasserbadbehälter (7) im Gehäuse (1) angeordnet ist, daß der untere Rohrbogenkranz (11) in Form eines Systemes auseinanderlaufender Rohre ausgeführt ist, von denen ein Teil die Form

ψ, einer Linse hat, die mit ihrem konvexen Teil zur Wär

meisolierung des Gehäuses hin gerichtet ist, und daß

> der Generatorgasstutzen (3) zwischen dem unteren Rohr

bogenkranz (11) und dem Wasserbad liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingangssammler (12) für das Kühlmedium oben im Gehäuse (1) in Höhe des AusgangsSammlers (13) liegt, daß der gasdichte Rohrschirm (8) U-Form hat, wobei seine Rohre der beiden Reihen im unteren Teil untereinander durch U-förmige Übergangsstücke verbunden sind, die in verschiedener Höhe angeordnet sind und den unteren Bogenkranz (11) bilden, daß die Dampfrohre (17) im Spalt des Schirmes ausmünden und daß der Stutzen (3) für das Generatorgas im oberen Teil des Gehäuses (1) liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß im Spalt zwischen dem Rohrschirm (8) und der Wärmeisolierung (2) des Gehäuses (1) ein konvektiver Ring-'wärmetauscher (20) angeordnet ist, der über dem unteren Rohrbogenkranz (11) und unter dem konischen Abschnitt (9) des Schirmes liegt, wobei der Stutzen (3) für das Generatorgas oberhalb des Wärmetauschers (20) an das Gehäuse (1) angeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Konuswinkel des konischen Abschnitts (9) des Rohrschirmes etwa 6 bis 15° beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, «■

daß die Dampfrohre (17) achsparallel und in Form eines Kranzes angeordnet und an einen außen neben dem Wasserbadtrichter (7) angeordneten Ringverteiler (16) mit Dampfstutzen (18) angeschlossen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rohrbögen des oberen Rohrkranzes (10) allseitig bis dicht an das Endstück des Kohlenstaubbrenners (5) heranreichen.