DD288615A5 - Tauchrohr zur ueberfuehrung eines heissen gasstromes in ein wasserbad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tauchrohr zur UEberfuehrung eines heiszen, schmelzfluessige oder feste Verunreinigungen mit sich fuehrenden Gasstromes aus einem Reaktionsraum in ein Wasserbad. Das Ziel besteht in der gleichzeitigen Kuehlung, Aufsaettigung und Reinigung des Gases sowie der Granulierung der schmelzfluessigen Schlacke und der Verlaengerung der Betriebszeit. Daraus leitet sich die Aufgabe ab, ein Tauchrohr zu schaffen, welches ueber die gesamte Laenge einen stabilen Wasserfilm traegt. Erfindungsgemaesz besteht das Tauchrohr aus einem zylindrischen Ober- und Unterteil mit groeszerem Durchmesser, die durch ein konisches Zwischenstueck verbunden sind. Beide Teile werden mit einem Wasserfilm getrennt beaufschlagt. An der oberen Kante des Zwischenstueckes ist buendig mit der Innenwand des oberen Abschnittes ein nach unten gerichteter Duesenring mit Wasseranschlusz angeordnet. Der Duesenring ist mit Stroemungsleiteinrichtungen ausgeruestet. Figur{Tauchrohr; Gasstrom; Partialoxidation; Wasserbad; Kuehlung; Aufsaettigung; Reinigung; Schlacke; Granulierung; Wasserfilm; Duesenkranz; Stroemungsmitteleinrichtung; Abwaertsstroemung; Rotationsstroemung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Tauchrohr zur Überführung eines heißen, schmelzflüssige oder feste Verunreinigungen mit sich führenden Gasstroms aus einem Reaktionsraum in ein Wasserbad mit dem Ziel der gleichzeitigen Kühlung, Aufsättigung und Reinigung des Gases und der Granulierung der schmelzflüssigen Schlacke durch Kontakt mit Wasser. Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Reaktoren zur Erzeugung eines CO- und H₂-reichen Gases durch Partialoxydation von aschehaltigen staubförmigen und flüssigen Brennstoffen.

Charakteristik den bekannten Standes der Technik

Bei der Vergasung von staubförmigen Brennstoffen, wie Kohlenstaub, und mit mineralischen Beimengungen belasteten flüssigen Brennstoffen, wie beispielsweise Rückstandsteeren, im Flugstrom durch Partialoxydation mit technischem Sauerstoff sind in der Regel Reaktionstemperaturen notwendig, bei denen die mineralischen Beimengungen, die Asche, in eine schmelzflüssige Schlacke überführt wird. Bei einer Reihe bekannter Verfahren zur Flugstromvergasung wird die schmelzflüssige Schlacke gemeinsam mit dom erzeugten heißen Gas in Kontakt mit Wosser gebracht, um die mitgeführte schmelzflüssige Schlacke zu granulieren, das Gas zu kühlen und gleichzeitig mit Wasserdampf zu sättigen sowie Verunreinigungen aus dem Gasstrom auszuwaschen.

Nach DD-145025 oder DE-2940933 wird der Kontakt zwischen Heißgas und Wasser dadurch erreicht, daß der Gasstrom über ein Tauchrohr in ein im Kühlraum aufrechterhaltenes Wasserbad eingeleitet wird und in einem das Tauchrohr umgebenden Ringraum mehr oder weniger in Blasen aufgeteilt in diesem Wasserbad aufsteigt, bevor es in einem Sammelraum aufgefangen und zur weiteren Verwendung abgeführt wird.

Bei Ausführungsformen, wie sie in den oben genannten Schriften beschrieben worden sind, wird die Innenwand des Tauchrbhres mittels geeigneter Verteilungseinrichtungen mit Wasser in einer solchen Weise berieselt, daß ein zusammenhängender, an der Innenwand des Tauchrohres herabfließender Wasserfilm gebildet wird. Der Wasserfilm schützt die Wand des Tauchrohres vor Überhitzung durch Einwirkung des Heißgases und verhindert die Bildung von Ansätzen aus erstarrender Schlacke an dieser Innenwand.

Um ausreichenden Kontakt des Gases mit dem Kühlwasser zu gewährleisten, sind in technischen Anlagen relativ große Tauchtiefen und entsprechend lange Tauchrohre von beispielsweise 4m Länge erforderlich. Es hat sich im praktischen Betrieb jedoch gezeigt, daß die gleichmäßige Ausbildung des Wasserfilms an der Innenwand des Tauchrohres um so schwieriger wird, je länger das Tauchrohr ist. Geringe Rostansätze oder Verunreinigungen an der Wand können zum Aufreißen des Wasserfilms führen und Ansatzpunkte für das Anbacken von Schlacke bilden. Die beginnenden Schlackenansätze beeinträchtigen die Ausbildung des Wasserfilms zusätzlich, so daß die Ansatzbildung progressiv fortschreitet und die Anlage schließlich stillgesetzt werden muß, um die Ansätze im Tauchrohr beseitigen zu können. Das Aufreißen des Wasserfilms im unteren Teil des Ta*chrohres wird weiter durch Verdampfung eines Teils des zugeführten Wassers begünstigt. Bis zu einem gewissen Grade läßt sich die Stabilität des Wasserfilms durch Vergrößerung der zugeführton Wassermenge erhöhen, die genannten Schwierigkeiten aber nicht voll beseitigen.

Außerdem wird dabei der spezifische Wasserverbrauch und die aus dem Kühlraum abzuführende Menge unverdampften Wassers vergrößert, was die Wirtschaftlichkeit ungünstig beeinflußt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die durch Aufreißen des Wasserfilms verursachte Bildung von Ansätzen an der Innenwand des Tauchrohres weitgehend einzuschränken und die Betriebszeit der Anlage zu verlängern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tauchrohr zur Überführung eines heißen, schmelzflüssigo Schlacke mit sich führenden Gasstroms aus einem Reaktionsraum in ein Wasserbad zu schaffen, das die Ausbildung eines stabilen Wasserfilms auch in dessen unterem Teil und bei relativ langer Ausführung des Tauchrohres gewährleistet und damit die Gefahr der Bildung von Ansätzen erstarrter Schlacke an seiner Innenwand einschränkt.

Erfindung3gemäß besteht das Tauchrohr aus einem zylindrischen oberen Abschnitt mit einem bekannten oberen Öffnungskranz zur Erzeugung eines an der Innenwand des zylindrischen oberen Abschnitts herabrieselnden Wasserfilms und einem zylindrischen unteren Abschnitt größeren Durchmessers, der in das im Kühlraum aufrechterhaltene Wasserbad eintaucht, wobei der Übergang zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt durch ein konisches Zwischenstück erreicht wird. Nach der Erfindung ist weiter an der oberen Kante des Zwischenstückes, bündig mit der Innenwand des genannten oberen Abschnitts ein nach unten gerichteter Düsenring mit einem Anschluß zur Zuführung von Wasser angeordnet, der mit Strömungsleiteinrichtungen, beispielsweise schräg zur Achsrichtung angestellte Leitbleche, so ausgerichtet ist, daß der Abwärtsströmung des austretenden Wassers eine Rotationsströmung überlagert ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Verhältnis des Durchmessers des unteren zylindrischen Abschnittes zum Durchmesser des oberen zylindrischen Abschnittes In einem Bereich von 1,3 bis 1,5:1. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der öffnungswinkel des konischen Zwischenstückes mit der Achse de Tauchrohres in einem Bereich von 20° bis 40° liegt.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Tauchrohres In Verbindung mit einem Reaktor zur Vergasung von aschehaitigen staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen durch Partialoxydation in der Flugwolke wird durch Zuführung von Wasser über den oberen Öfffnungskranz an der Wand des zylindrischen oberen Abschnitts des Tauchrohres und durch Zuführung von Wasser zum genannten Düsenring an der Wand des zylindrischen unteren Abschnitts je ein geschlossener, nach unten abfließender Wasserfilm erzeugt. Das aus dem Reaktionsraum stammende heiße, schmelzflüssige Schlacke mit sich führende Rohgas wird über eine spezielle Austragsöffnung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, axial in den zylindrischen oberen Abschnitt des Tauchrohres eingeleitet und tritt aus dem unteren Abschnitt des Tauchrohres in das Wasserbad ein. Dort wird das Gas im Kontakt mit dem Wasser gekühlt, mit Wasserdampf aufgesättigt und die schmelzflüssige Schlacke granuliert.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann unabhängig von der Gesamtlänge bzw. der Eintauchtiefe des Tauchrohres die Länge seines zylindrischen oberen Abschnittes so weit begrenzt werden, daß die Stabilität des Wasserfilms auf der ganzen Länge dieses Abschnitts unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet worden kann. Die Funktion des geschlossenen Wasserfilms, ein unmittelbares Auftreffen von schmelzflüssigen oder teigigen Schlacketeilchen auf die Wand und damit die Bildung von Schlackenansätzen an der Wand zu verhindern, ist damit an keiner Stelle der Wand In diesem Abschnitt eingeschränkt. Da im zylindrischen unteren Abschnitt ein Wasserfilm neu aufgebaut wird, gilt das oben gesagte sinngemäß auch für den unteren Abschnitt des Tauchrohres.

Der Wärmeübergang zwischen heißem Rohgasstrom und Wasserfilm im zylindrischen oberen Abschnitt beschränkt sich im wesentlichen auf den Strahlungsaustausch. Der Wärmeeintrag ist verhältnismäßig gering. Er führt zur Erwärmung des Wasserfilms und zur Verdampfung eines Teils der Wassermenge, ohne daß jedoch eine wesentliche Abkühlung des Rohgases und der schmelzflüssigen Schlacke erfolgt. Es ist ein besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Tauchrohres, bei dem das Durchmesserverhältnis zwischen unterem und oberem Abschnitt des Tauchrohres im Bereich von 1,3 bis 1,5:1 und der öffnungswinkel des konischen Zwischenstückes im Bereich von 20 bis 40° ausgeführt ist, daß an der unteren Kante des oberen Abschnittes der ablaufende Wssserfilm abgerissen und offensichtlich unter der Wirkung von lokalen Rezirkulationen als fein verteilte Tröpfchen vom Gasstrom mitgeführt werden. Dadurch setzt an dieser Stelle eine intensive Kühlwirkung ein, so daß bereits der untere Teil des Tauchrohres für die Kühlung genutzt wird.

Es hat sich gezeigt, daß unter diesen Bedingungen der im Wasserbad erzielte Wascheffekt verbessert, also der Restgehalt feiner Feststoffpartikel Im Gasstrom nach Passieren des Wasserbades deutlich (um ca. 30%) gesenkt wird. Die Ursache ist vermutlich in einer Vorsättigung des Gasstromes mit Wasserdampf bereits im unteren Abschnitt des Tauchrohres zu suchen, durch die die Benetzungsbedingungen verbessert werden.

Die positiven Ergebnisse der Erfindung, vor allem hinsichtlich Kühl- und Wascheffekt, sind insofern für den Fachmann überraschend, als erwartet werden mußte, daß der Kontakt zwischen Wassertropfen und schmelzflüssigen Schlackepartikeln in Höhe der Unterkante des oberen Abschnittes zu lokalen, explosionsartigen Verdampfungserscheinungen führt. Solche Erscheinungen würden die Strömungsverhältnisse stören und Schlackepartikel mit solcher Geschwindigkeit an die Wand des Tauchrohres schleudern, daß trotz Wasserfilm die Gefahr von Schlackenansätzen bestünde. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung sind diese negativen Auswirkungen nicht aufgetreten.

Ausführungsbeispiel

In einem Reaktor zur Vergasung von Braunkohlenstaub wird in einem Reaktionsraum 1 durch partielle Oxidation mit technischem Sauerstoff ein CO- und H₂-reiches Gas erzeugt, das mit einer Temperatur von ca. 145O⁰C durch eine Austrittsöffnung 2 in das Tauchrohr 3 geleitet wird. Das Tauchrohr endet in einem Wasserbad 4, das im untoren Teil eines unterhalb des Reaktionsraumes 1 angeordneten Kühlraumes 5 aufrecht erhalten wird. Oberhalb des Wasserbades 4 befindet sich ein Gas-Sammelraum 6 mit dem Austrittsstutzen 7.

Das Tauchrohr 3 besteht aus einem zylindrischen oberen Abschnitt 8 mit einem oberen Öffnungskranz 9 zur Erzeugung eines an

der Wand des oberen Abschnittes 8 herabfließenden geschlossenen Wasserfilms 10 und einem zylindrischen unteren

Abschnitt 1, dor über ein konisches Zwischenstück 12 mit dem oberen Abschnitt 8 verbunden Ist. An der oberen Kante des Zwischenstückes 12 befindet sich ein nach unten gerichteter Düsenring 13, bestehend aus einem Kranz von schräg zur Achsrichtung angestellten Leitblechen mit einem Anschluß 14 zur Zuführung von Wasser. Der Durchmesser des unteren Abschnitts 11 beträgt 1100mm, der des oberen Abschnittes 8900mm, so daß das Durchmesserverhältnis 1,22:1 beträgt. Der

öffnungswinkel des konischen Zwischenstückes 12, bezogen auf die Achse des Tauchrohres ist 30°.

Der zylindrische obere Abschnitt 8 des Tauchrohres ist doppelwandig ausgeführt. Der Zwischenraum 15 ist mit einem zweiten Wasseranschluß 16 versehen und dient als Zuführung für den oberen Öffnungskranz 9. Gleichzeitig wird dadurch eine Kühlung der Innenwand des oberen Abschnittes 8 als Schutz vor Überhitzungen bei einer Störung

des Wasserfilms 10 erreicht. Das in das Tauchrohr eintretende Rohgas führt schmelzflüssig·) Schlacke mit sich. Der im oberen

Abschnitt 8 erzeugte Wasserfilm 10 schützt die Innenwand vor dem direkten Auftreffen von Schlackepartikeln und vor der Bildung von Schlackeansätzen. Rohgas und Schlacke kühlen sich in diesem Abschnitt geringfügig ab. Das über den Düsenring 13 austretende Wasser legt sich infolge der aufgezwungenen Rotations-Bewegungskomponente als Wasserfilm 17 an die Wand des unteren Abschnitts 11 und schützt diese vor Anbackungen. Der von der Unterkante des

zylindrischen oberen Abschnitts 8 ablaufende Wasserfilm 10 wird durch die aus den geometrischen Bedingungen am Übergangzwischen dem oberen Abschnitt 8 und dem erweiterten unteren Abschnitt 11 resultierende örtliche Gaszirkulation aufgerissenund, in feine Tropfen zerstäubt, vom Heißgasstrom mitgerissen.

Die einsetzende Verdampfung kühlt den Heißgasstrom von ca. 125O⁰C am Übergang auf ca. 650°C bei Eintritt in das Wasserbad

in Höhe der Unterkonto des unteren Abschnitts 11 ab. ''

Die durch Kontakt mit Wasser granulierte Schlacke setzt sich imiSumpf des Wass^rbades 4 ab und wird von dort ausgeschleust. Das Rohgas steigt rings um das Tauchrohr 3 in Blasen aufgeteilt im Wasserbad 4 auf, wird im Sammelraum 6 aufgefangen und

über den Austrittsstutzen 7 abgeführt. Beim Durchgang durch das Wasserbad kühlt sich das Gas bei einem Betriebsdruck von2,5 MPa auf ca. 20O⁰C ab und sättigt sich dabei mit Wasserdampf. Nicht sedimentlerende feinste Schlacketröpfchen und sonstigefeste und aerosolartige Verunreinigungen werden weitgehend vom Wasserbad aufgenommen. Der Rest-Staubgehalt desgekühlten und gesättigten Rohgases liegt bei ca. BOmg/m³1. N.

Claims (3)

1. Tauchrohr zur Überführung eines heißen, schmelzflüssige oder feste Verunreinigungen mit sich führenden Gasstromes aus einem Reaktionsraum in eine Wasserbad, wobei das Tauchrohr mit einem oberen Öffnungskranz zur Erzeugung eines an seiner Innenwand herabrieselnden Wasserfilms ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (3) aus einem zylindrischen oberen Abschnitt (8) und einem zylindrischen unteren Abschnitt (11) größeren Durchmessers besteht, der in das Wasserbad (4) eintaucht, wobei der Übergang zwischen dem oberen und dem untoren Abschnitt durch ein konisches Zwischenstück (12) erreicht wird, und daß an der oberen Kante des Zwischenstückes (12) bündig mit der Innenwand des genannten oberen Abschnittes (8) ein nach unten gerichteter Düsenring (13) mit einem Anschluß (14) zur Zuführung von Wasser angeordnet ist, wobei der Düsenring (13) mit Strömungsleiteinrichtungen so ausgerüstet ist, daß der Abwärtsstörmung eine Rotationsströmung überlagert ist.

2. Tauchrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des unteren Abschnittes (11) /um Durchmesser des oberen Abschnittes (8) in einem Bereich von 1,3 bis 1,5 liegt. ,:

3. Tauchrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des konischen Zwischenstückes (12) bezogen auf die Achse des Tauchrohres (3) in einem Bereich von 20 bis 40°

„Hegt.