DE1034594B - Verfahren zum Aufheizen von Gasen und/oder Daempfen auf hohe Temperatur - Google Patents

Description

• Verfahren zum Aufheizen von Gasen und/oder Dämpfen auf hohe Temperatur Für viele Zwecke ist @es erforderlich, Gase und Dämpfe, wie Wasserdampf, Kohlendioxyd, Luft Stickstoff, Sauerstoff usw., auf hohe Temperaturen vorzuwärmen. Im allgemeinen leitet man die Gase zu diesem Zweck durch Rohre, die von außen durch Brenngase oder heiße Abgase beheizt werden. Die Rohre dieser vielfach als »Röhrenerhitzer« oder »Rekuperatoren« bezeichneten Apparate müssen aus einem Material bestehen, dus hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. In erster Linie kommen daher Rohre aus Metall und für besondere Fälle solche aus Graphit und Siliciumcarbid in Frage. Diese Stoffe erlauben aber nur eine Erhitzung von Gasen und Dämpfen bis etwa 100a° C. Darüber hinaus ist ihre Warmfestigkeit und chemische Beständigkeit zu gering. Will man höhere Temperaturen erreichen, so muß man mit den als »Regeneratoren« bekanntenVorrichtungenarbeiten, d. h. Apparaten., die mit einem Gitterwerk und einer Ausmauerung von feuerfesten Steinen versehen sind. Sie werden periodisch durch heiße Brenn- oder Abgase aufgeheizt, während in den dazwischenliegenden Perioden das vorzuwärmende Gas hindurchgeschickt wird. Der Nachteil dieser Regeneratoren besteht vor allem darin, daß sie störanfällige Absperrorgane haben müssen, um die Umschaltungen zwischen den einzelnen Perioden durchführen zu können. Außerdem ist die Temperatur des vorzuwärmenden Gases nicht gleichmäßig, sondern, sinkt vom Anfang bis zum Ende jeder Vorwärmperiode stets um einen bestimmten Betrag ab. Man kann diese beiden Nachteile zwar vermeiden, wenn man das Gitterwerk gewissermaßen beweglich macht und z. B. in Form von Kugeln durch den Regenerator laufen läßt, die in einem zweiten, besonderen Gefäß durch beiße Verbrennungsgase wieder aufgeheizt werden, Diese Arbeitsweise ist in den letzten Jahren unter der Bezeichnung »Pebbleheater« bekanntgeworden. Sowohl für den eigentlichen Regenerator wie für den Pebble-heater ist aber die Höhe der erreichbaren Temperatur vom Erweichungspunkt der verwendeten feuerfesten Steine bzw. der Pebbles abhängig. -Es wurde nun gefunden, daß man Gase und Dämpfe in einfacher Weise auf hohe Temperaturen von z. B. über 1000° C und höher bringen kann, ohne daß teure feuerfeste Materialien zum Bau der Apparaturen verwendet werden müssen, wenn man den Gasen oder Dämpfen die benötigte Wärme mittels einer hocherhitzten Flüssigkeit zuführt, die kontinuierlich im Kreislauf zwischen zwei durch eine Tauchwand getrennten Räumen geführt wird. In dem einen Raum wird sie z. B. durch heiße Verbrennungsgase auf die gewünschte Temperaturerhitzt (Schlackenerhitzungsraum), fließt in den anderen Raum und gibt dort einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an das aufzuheizende Gas ab (Gaserhitzungsraum). Sie kühlt sich dabei um einen bestimmten Betrag ab, fließt mit der niedrigeren Temperatur in den ersten Raum zurück und wird dort wieder auf die gewünschte ursprüngliche Temperatur gebracht. Die Apparatur besteht aus normalem Eisenblech und ist mit einem Doppelmantel umgeben, so daß sie mit Wasser, Dampf oder verdampfendem Wasser gekühlt werden kann. Durch diese Kühlung bildet sich auf der Innenseite der Apparatur eine schützende und wärmeisolierende Schlackenkruste, so daß keinerlei Auskleidung mit teurem feuerfestem Material notwendig ist. Statt des Doppelmantels kann die Apparatur auch aus eng aneinander liegenden Kühlrohren gebildet sein, wie dies vom modernen Dampfkesselbau mit Schmelzkammer- oder Zyklonfeuerung her bekannt ist.
• Die zu erwärmenden Gase kann man - zweckmäßig fein verteilt - durch die Schlacke hindurchperlen lassen. Man kann sie aber auch durch Düsen mit hoher Geschwindigkeit von oben in die Schlacke einblasen und dabei die Richtung so wählen, daß die Schlacke durch die lebendige Kraft der Gase in die gewünschte kreisende Bewegung gerät. Die Gase können mit normaler- Temperatur eingeführt werden, können aber auch schon weitgehend auf andere Art vorgewärmt sein, so daß durch die heiße Schlacke nur noch eine Spitzenvorwärmung erfolgen muß.
• Die Schlacke kann im Schlackenerhitzungsraum durch Brenngase erhitzt werden, die in einem gesonderten Raum durch Verbrennen fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe erhalten werden. Zweckmäßig erfolgt die Erhitzung aber so, daß man die Brennstoffe und die Verbrennungsluft gemeinsam oder getrennt direkt in die flüssige Schlacke einführt oder sie von oben in die Schlacke einbläst, so daß die Verbrennung in dieser selbst oder unmittelbar an ihrer Oberfläche stattfindet. Dabei kann man die Richtung und Geschwindigkeit der einzublasenden Brennstoffe und der Vergasungsluft wiederum so wählen, daß die Schlacke durch die lebendige Kraft der Gase in die gewünschte kreisende Bewegung gerät. Verwendet man aschehaltige Brennstoffe, wie Steinkohle, Braunkohle usw., so bildet sich aus der darin enthaltenen Asche im allgemeinen direkt eine für den vorliegenden Zweck geeignete Schlacke. Sollte ihre Viskosität zu hoch sein, so läßt sich dies durch Zuschläge in bekannter Weise leicht beheben. Als solche kommen ganz allgemein vor allem Eisenoxyde sowie für saure Schlacken Kalk und für basische Schlacke Kieselsäure oder Tonerde in Frage. Verwendet man dagegen aschefreie Brennstoffe, wie Heizöle, Erdgas usw., so muß man eine geeignete hocherhitzte Flüssigkeit künstlich herstellen, indem man geeignete anorganische Stoffe oder Stoffgemische, die bei hohen Temperaturen ausreichend flüssig sind, z. B. Aschen von Braun- oder Steinkohlen, Hochofenschlacken, natürliche Mineralien oder Gemische von Kalk, Kieselsäure, Tonerde, Metalloxyden usw., einschmilzt. Hat das aufzuwärmende Gas reduzierenden Charakter (z. B. Wasserstoff oder Kohlenoxyd), so ist es vielfach zweckmäßig, Schlacken bzw. hocherhitzte Flüssigkeiten zu verwenden, die keine leicht reduzierbaren Bestandteilen wie Eisienoxyde usw., enthalten, da sonst unerwünschte chemische Reaktionen zwischen der Schlacke und dem aufzuwärmenden Gas eintreten können.
• Als Verbrennungsgas wird im allgemeinen Luft benutzt, die zweckmäßig hoch vorgewärmt wird. Werden besonders hohe Temperaturen im Schlackenbad gewünscht, z. B. bis 2000° C und gegebenenfalls darüber, so kann man d'i:eVerbrennungsluftmitSauerstoff anreichern oder ganz durch Sauerstoff ersetzen.
• Führt man die Verbrennung im Schlackenerhitzungsraum mit Luftunterschuß durch, so erhält man statt normaler Rauchgase ein Schwachgas, das für Heizzwecke verwendet werden kann. Ersetzt man die Luft durch Sauerstoff, so ergibt sich Wassergas oder Synthesegas.
• Die fühlbare Wärme des aus dem Schlackenerhitzungsraum austretenden heißen Abgases (Rauchgas, Schwachgas usw.) kann in einem Abhitzekessel in Dannpf umgewandelt werden oder zur Vorwärmung der Verbrennungsluft bzw. der aufzuwärmenden Gase benutzt werden. In vielen Fällen wird eine Kombination dieser Maßnahme zweckmäßig sein.
• Die nach dem neuen Verfahren auf hohe Temperaturen gebrachten Gase können zu beliebigen Zwecken verwendet werden. Insbesondere kommt ihre Verwendung für chemische Reaktionen in Frage, die unter starkem Wärmeverbrauch verlaufen, oder für solche Fälle, in denen einem oder mehreren anderen Reaktionspartnern mit Hilfe der vorerhitzten Gase soviel Wärme zugeführt werden soll, daß sie ihrerseits auf Reaktionstemperatur kommen. So kann man z. B. mit hocherhitztem Wasserdampf und/oder C 02 alle Arten von festen, flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen zu; Wassergas oder je nach dem gewählten Mischungsverhältnis zu Stadtgas, olefinreichem Ölgas usw. spalten und vergasen. Spritzt man flüssigen Phosphor in hocherhitzten Wasserdampf und/ oder C 02 ein, so erhält man bei Temperaturen von über 1000° C P2 05 und H2 bzw. CO. Mit hocherhitztem Stickstoff kann man aus einem Gemisch von Mg O und Kohle Magnesiümnitrid erhalten. Durch das nachstehende Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der Fig. 1 und 1 a verdeutlicht werden.
• Beispiel (hierzu s. Fig. 1) Der aus Eisenblech bestehende runde Behälter 1 von 2,6 m Durchmesser ist durch die Tauchwand 24 in zwei Räume 1 ca und 1 b getrennt. Die am Boden befindliche etwa 1 m hohe Schicht 2 aus geschmolzener Schlacke kann unter der Tauchwand hindurch zwischen den beiden Räumen zirkulieren. Durch die Leitung 7 werden stündlich 7,0 t Braunkohle (Wassergehalt 1511/0) mit 700 Nm3 Luft von 25° C, durch die Leitung 8 37 100 Nms auf 600° C vorgewärmte Luft schräg von oben in tangentialer Richtung auf die Schlackenoberfläche d!es Schlackenerhitzungsraumes 1 a geblasen. Die Schlacke wird dabei stark aufgewirbelt und in die gewünschte kreisende Bewegung versetzt. Durch die Verbrennung der Kohle mit der Luft wird sie auf eine Temperatur von 1600° C gebracht und fließt unter der Tauchwand hindurch in den Gaserhitzungsraum 1 b. Die entstandenen Rauchgase gehen ebenfalls mit 1600° C in Leitung 10 in den Abhitzekessel 11 und kühlen sich auf 835° C ab. Dabei werden 15,7 t/h Dampf von 2,5 atü erzeugt, die durch Leitung 12 zur Leitung 21 gehen. Die Rauchgase durchlaufen anschließend den Luftvorwärmer 13, in dem sich ihre Temperatur weiterhin auf 300° C erniedrigt. Mit dieser Temperatur gehen sie durch Leitung 14 zu einem Kamin. Durch Leitung 15 werden 37100 Nm3/h Luft in den Luftvorwärmer gegeben und dort auf 600° C vorgewärmt. Mit dieser Temperatur gehen sie, wie beschrieben, durch Leitung 8 in den Schl.ackenerhitzungsraum 1 a.
• Durch Leitung 21 werden die aus Leitung 12 kömmenden 15,7 t Dampf zusammen mit weiteren 4,3 t aus dem Netz entnommenem Dampf, insgesamt also 20 t Dampf" mit großer Geschwindigkeit schräg von oben in tangentialer Richtung auf die Schlackenoberfläche des Gaserhitzungsraumes 1 b geblasen. Die Schlacke wird stark aufgewirbelt und ihre kreisende Bewegung verstärkt. Der Dampf erwärmt sich auf 1500° C und; wird durch Leitung 23 dem gewünschten Verwendungszweck zugeführt. Die Schlacke kühlt sich beim Durchlaufen des Gaserhitzungsraumes 1 b auf 1400° C ab. Sie kehrt mit dieser Temperatur in den Schlackenerhitzungsraum 1 a zurück und wird dort wieder auf 1600° C aufgeheizt, wie oben beschrieben. Die aus der verbrannten Kohle gebildete Schlacke (350 kg/h) fließt durch den Schlackenüberlauf 25 ab, so daß der Stand! der Schlacke im Behälter 1 immer gleich hoch bleibt.
• Spritzt man z. B. 9 t/h Heizöl fein verteilt in die 20 t auf 1500° C aufgeheizten Wasserdampf ein, so erhält-man neben etwa 3.,6 t flüssigen Krackprodukten etwa 4500 Nm3 eines olefinreichen Ölgases.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Aufheizen von Gasen und oder Dämpfen auf hohe Temperaturen durch innige Berührung mit einer im Kreislauf geführten, als Wärmeträger dienenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zwischen zwei benachbarten, durch eine Tauchwand getrennten Räumen kreist, von denen der eine zum Aufheizen der Gasse und/oder Dämpfe unter Abkühlung der Flüssigkeit und der andere zum Wiederaufheizen der abgekühlten Flüssigkeit durch Verbrennen oder Vergasen von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen dient, wobei der Kreislauf der Flüssigkeit durch Einblasen der aufzuheizenden Gase, Dämpfe und/oder des Brennstoffes sowie der zugehörigen Verbrennungs- oder Vergasungsmittel mit hoher Geschwindigkeit in der gewünschten Strömungsrichtung in die kreisende Flüssigkeit erzeugt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung fester aschehaltiger Brennstoffe die aus diesen Brennstoffen gebildete hocherhitzte Schlacke als Wärmeträgerflüssigkeit verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Verwendung aschefreier Brennstoffe natürliche Aschen oder Schlacken von festen Brennstoffen aus Feuerungen oder aus Prozessen der Eisen- und Hüttenindustrie und/oder natürlich! vorkommende Gesteine oder Mineralien verwendet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Schmelzpunkt und Viskosität der hocherhitzten Flüssigkeit durch geeignete Zuschläge ändert. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 415 683, 860 046; schweizerische Patentschrift Nr. 214 894; belgische Patentschrift Nr. 508 370; französische Patentschrift Nr. 576 287; H e n g 1 e i n , »Grundriß der chemischen Technik«, 1949, S. 131.