DE4229895C2 - Vorrichtung zur Kühlung eines heißen Gases, insbesondere eines in einer Verbrennungs- bzw. Vergasungkammer durch Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff erzeugten heißen Nutzgases - Google Patents

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.