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Einrichtung zur Vergasung von feinzerteilten Brennstoffen Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Vergasung von feinzerteilten Brennstoffen in der Schwebe
mit Sauerstoff und gegebenenfalls endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, bei
der die fühlbare Wärme: des erzeugten Nutzgases für die Hochdruckdampferzeugun:g
in. einem dem eigentlichen Vergasungsraum nachgeschalteten Strahlungskessel ausgenutzt
wird.
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Bei der Schwebevergasung von feinverteilten Brennstoffen mit Sauerstoff
und gegebenenfalls endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, wie beispielsweise
Wasserdampf, d. h. bei einer Vergasung, bei der sich Brennstoff und Vergasungsmittel
im wesentlichen in der gleichen Richtung und ohne nennenswerte. Relativbewegung
gegeneinander durch den Vergasungsraum bewegen (Gleichstromvergasung), fällt das.
Nutzgas zwangläufig mit einer vergleichsweise hohen. Temperatur an. Die Temperatur
richtet sich dabei nach der Reaktionsfähigkeit des zu vergasenden Brennstoffes und
kann bei Steinkoh.lenstauh bis etwa 1300° ansteigen. Da die fühlbare Wärme des Nutzgases
unter Verwendung von Sauerstoff erzeugt wird, besteht das Bedürfnis, diese fühlbare
Wärme wenigstens teilweise in der Form auszunutzen, daß sie zur Energieerzeugung
herangezogen, wird. Die aus der fühlbaren Wärme: des Nutzgases erzeugte Energie
kann unter anderem auch zur Deckung des Energiebedarfes für die Sauerstoffherstellung
verwendet werden.
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Es hat nicht an Vorschlägen gefehlt, die fühlbare Wärme: des Nutzgases
von Schwebevergasungen in dem eigentlichen, Vergasungsraum nachgeschalteten Dampfkesseln
auszunutzen. Im wesentlichen ist man dabei so, verfahren, daß hinter den Vergasungsraum
ein Dampfkessel geschaltet wird, in welchem das Nutzgas seine fühlbare Wärme teilweise
durch Strahlung und teilweise durch Konvektion, unter Dampferzeugung abgeben konnte.
Dabei hat man sich in größtem Umfange der aus dem Dampfkesselbau bekannten Bauprinzipien
bedient. In der Praxis hat sich aber gezeigt, da.ß die Ausnutzung der fühlbaren
Wärme von. Vergasungsgasen nicht ohne weiteres mit den Bauprinzipien des üblichen
Dampfkessel- und Feuerungsbaues zu verwirklichen ist. Es zeigten sich gewisse Störungen
im Kesselbetrieb, die vor allen Dingen durch Ablagerungen von festen Vergasungsrückständen
auf den Kesselwänden herrühren. Die Gründe dafür liegen in folgendem: Wenn man die
Schwebevergasung in der Weise durchführt, daß der größte Teil des festen Vergasungsrückstandes
in feinverteilter Form mit dem Gas aus dem Reaktionsraum herausgeführt wird, so
ist der Gasstrom mit einem staubförmigen Feststoff beladen, der aus Asche und Restkohlenstoff
besteht. Dieser staubförmige: Feststoff befindet sich beim Verlassen des Vergasungsraumes
auf einer so: hohen, Temperatur, daß die unverbrennlichen Teilchen in weichem Zustand
vorliegen. Diese klebrigen Teilchen geben anfangs ihre Wärme fast ausschließlich
durch Strahlung an die Kesselwände ab und gelangen dabei in einen Temperaturbereich,
in welchem sie fest werden. Die Temperatursenkung wird noch. in, einem gewissen
Ausmaß im Bereich des Kessels durch eine wärmebindende: Nachvergasung gefördert.
Die Nachvergasung besteht im wesentlichen. in der endothermen Reaktion des Restkohlenstoffes
mit heißem CO2 und/oder Wa.sserda,mpf. Solange die Asche noch weich ist, hat sie
die Neigung, sich bei Berührung mit den Kesselwänden an diesen anzusetzen und allmählich
mehr oder weniger starke Verkrustungen zu bilden, die den Wärmeübergang erschweren.
Es kommt deshalb darauf an, daß die Feststoffe, insbesondere die anfänglich «-eichen
Ascheteilchen, mit dem Nutzgas in der Weise, durch den. Kessel geführt werden, daß
sie; auf eine Temperatur unterhalb ihres Erweichungsbereiches abgekühlt sind, ehe
sie! mit den Wänden in Berührung kommen können.
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Es ist, wie der Erfinder gefunden hat, von ausschlaggebender Bedeutung
für einen störungsfreien Kesselbetrieb, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Nutzgases
in dem Kessel so gewählt wird, daß die Abkühlung der Ascheteilchen auf eine Temperatur
unterhalb des Erweichungsbereiches praktisch vollständig eingetreten ist, ehe die
Asche Gelegenheit hat, mit den Kesselwänden in Berührung zu kommen.
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Die bisher im Zusammenhang mit Staubvergasungsanlagen angewendeten
Kessel erfüllen aber eine, solche Bedingung nicht. Sie sind nämlich, gleichgültig,
welche spezielle Ausbildung sie haben., bisher immer so gebaut worden, daß der für
die Gasströmung zur Verfügung stehende Querschnitt im wesentlichen auf
der
ganzen Länge des Kessels unverändert ist. Nun wird aber das Volumen des Gases durch
die Wärmeabgabe an die: Kesselwände: und die Nachvergasung ständig verkleinert,
so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Nutzgases bei seinem Weg durch den Kessel.
der normalerweise senkrecht angeordnet ist, abnimmt. Diese Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit
des Nutzgases bei den bisher verwendeten Kesseln hat aber, wenn die Gasströmung
von unten nach oben gerichtet ist, zunächst einmal zur Folge, daß die Ascheteilchen,
die vom Gas, wenn auch mit einem gewissen Schlupf, mitgeführt werden, bei abnehmender
Gasgeschwindigkeit in einem stärkeren Maß als das Gas ihre Relativbewegung gegenüber
der Kesselwandfläche verringern und bei sehr stark abnehmender Gasgeschwindigkeit
unter Umständen innerhalb des Kessels ohne nennenswerte Vorwärtsbewegung in der
Schwebe verweilen, wobei natürlich die gröberen Ascheteilchen weiter unten und die
feineren weiter oben im Kessel schweben. Diese nicht mehr nennenswert fortbewegten
Ascheteilchen unterliegen zwar hinsichtlich ihres Kohlenstoffgehaltes wegen der
längeren Verweilzeit unter Umständen noch einer gewissen Nachvergasung durch im
heißen Nutzgas enthaltene endotherme Vergasungsmittel, wie Wasserdampf oder Kohlendioxv
d, haben aber eine verstärkte Neigung, sich an den Kesselwänden abzusetzen, weil
sie diesen gegenüber keine oder nur eine geringe Relativbewegung ausführen.
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Es kommt noch hinzu - und dies trifft für alle senkrecht angeordneten
Kessel zu, gleichgültig ob das Nutzgas von unten nach oben oder von oben nach unten
strömt -, daß, wie aus der Aerodynamik bekannt ist, die Herabsetzung der Gasgeschwindigkeit
in einem Strömungskanal die Bildung von Wirbelablösungen fördert, und zwar wegen
des gegen die Strömung gerichteten Druckgefälles. Durch die-Wirbelablösungen werden
aber feste Ascheteilchen aus der Vorwärtsströmung herausgenommen und in den Wirbel
hineingezogen. Dieser Vorgang bewirkt eine Anreicherung der Festteilchen in der
Nähe der Kesselwandung, verbunden mit einer erhöhten Gefahr der Bildung von Ansätzen.
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Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile der bekannten Kesseleinrichtungen
dann praktisch vollständig beseitigen kann, wenn man dafür sorgt, daß der für die
Nutzgasströmung zur Verfügung stehende freie Ouerschnitt des Strahlungskessels in
Richtung der Gasströmung stetig in dem Ausmaß abnimmt, daß die Ga.sgeschwind.igkeit
trotz der durch die Abkühlung bewirkten Volumenabnahme im Bereich des Strahlungskessels
zum mindesten nicht abnimmt, möglichst aber zunimmt.
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Wenn man in der erfindungsgemäßen Weise verfährt und den Kessel in
der Weise ausbildet, daß die Gasgeschwindigkeit zum mindesten gleichbleibt, möglichst
aber zunimmt, so erreicht man, daß die Gasströmung im wesentlichen ohne Wirbelablösungen
erfolgt, die die obergenannten Nachteile hätten. Die Feststoffan.teile werden also
ständig in Richtung des Gasstromes weiterbewegt, so: daß sie keine Gelegenheit haben,
sich an den Kesselwänden abzusetzen.
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Bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung kommt es also darauf
an, den für die Gasströmung zur Verfügung stehenden Kesselquerschnitt in Richtung
der Gasströmung zu verkleinern, d. h. das Prinzip des im wesentlichen prismenförmig,
z. B. zylindrisch aufgebauten Kessels zu verlassen. Man kann beispielsweise in der
Weise vorgehen, daß man die den Strahlungsraum umgebenden Wasserrohre nicht, wie
bisher, als Erzeugende eines Prismen- hz`v. Zvlinfiermante@ls ausbildet, sondern
als Erzeugende eines Kegelstumpfma.ntels, dessen weiteres Ende sich an den Vergasungsraum
anschließt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht
darin, daß man die, die Wandung des Strahlungskessels bildenden Wasserrohre nach
Art einer Exponentia.lkurve biegt und so anordnet, daß sie in ihrer Gesamtheit einen
Exponentialtrichter bilden, dessen weiteres Ende sich unmittelbar an den Vergasungsraum
anschließt, während die kleinere Öffnung in die dein Strahlungskessel nachgeschalteten
Gasbehandlungseinrichtungen einmündet. Die Kesselfläche wird dabei zweckmäßigerweise
so bemessen, daß das 'Nutzgas am Ausgang des Kessels eine Temperatur von nicht mehr
als 900° aufweist.
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Die Erfindung ist im einzelnen nicht an die spezielle Art der Ausbildung
der Kesselwand aus einzelnen Rohren gebunden. Die Kesselwände lassen sich natürlich
auch in Form eines zusammenhängenden Doppelmantels ausbilden; jedoch wird bei der
Erzeugung von Hochdruckdampf, insbesondere einem Dampf von 20 atü und mehr, einer
Kesselwand aus Wasserrohren der Vorzug gegeben.
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In der Abbildung ist eine Ausführungsform der Erfindung in schematischer
Form dargestellt.
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Die Vergasungseinrichtung besteht aus einem Gassammelraum 1, in den
ein oder mehrere Vergaserköpfe 2 einmünden. Diese Vergaserköpfe bestehen aus konisch
sich erweiternden Nischen, in deren kleineres Ende die Zuleitungen für die Vergasungsmittel
einmünden. Durch eine zentrale Düse 3 wird beispielsweise ein Gemisch aus Sauerstoff
und Brennstaub eingeführt. Diese zentrale Düse 3 ist umgeben von einer ringförmigen
Düse 4. durch die Wasserdampf eingeblasen wird, welcher die zentrale exotherme Zone,
in welcher der Staub mit dem Sauerstoff reagiert, mit einer Wasserdampfhülle umgibt,
die die aus feuerfestem Material 5 bestehende Wand des Vergaserkopfes vor gefährlichen
Temperaturen schützt. Die Vergaserköpfe werden vorzugsweise alle in einer Ebene,
insbesondere in der Äquatorialebene des Gassammelraumes, falls dieser kugel- oder
birnenförmige Gestalt hat, angeordnet. Die Gassammelraumwand selbst kann aus feuerfestem
Material 6 ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, sie ganz oder teilweise als
einen wassergekühlten Doppelmantel auszubilden. Am unteren Ende ist eine Aschenabzugsöffnung
7 vorgesehen, durch welche ein Teil der Asche, und zwar der Teil, welcher sich als
flüssige Schlacke auf den Wänden des Gassammelraumes ansetzt, abgezogen wird. Die
an den Wänden ablaufende flüssige Asche wird in einem wassergekühlten Kragen 8 so
abgekühlt, daß sie dort erstarrt, und fällt dann in die Tauchtasse: 9. Ein
Teil der flüssigen Schlacke läuft auch unmittelbar in flüssiger Form in die Tauchtasse
9 hinein.
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Das heiße Nutzgas verläßt den Gassammelraum durch die Abzugsöffnung
10. Diese Abzugsöffnung 10 ist gleichzeitig die Eintrittsöffnung für einen Strahlungs-Hochdruckkesse111,
in welchem ein Teil der fühlbaren Wärme des Gases zur Erzeugung von Hochdruckdampf
dient. Der Kessel besteht aus einer unteren Sammelleitung 12, einer oberen Sammelleitung
13 und gebogenen Wasserrohren 14, die oben und unten in die Sammelleitungen eingewalzt
bzw. eingeschweißt sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Rohre so
gebogen, daß sie in ihrer Gesamtheit einen Exponentialtrichter bilden. Wärmeverluste
nach außen werden durch eine Isolierschicht
15 verhindert bzw. herabgesetzt.
An die Sammel-Icitung 12 ist die Speisewasserleitung 16 angeschlossen, während von
der Sammelleitung 13 der erzeugte Nutzdampf durch Leitung 18 entnommen, werden kann.
Das abgekühlte Gas verläßt dann den Kessel durch eine Abzugsleitung 19, welche zu
den nachgeschalteten Behandlungseinrichtungen. wie Dampfüberhitzer, Nachschaltkessel,
"Speisewasservorwärmer, Kühler, Wascher u. dgl., führt.
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Die Erfindung nutzt die fühlbare @ATärme in erster Linie zur Hochdruckdampferzeugung
aus, wobei dann aus dem erzeugten Dampf mechanische oder elektrische- Energie gewonnen,
wird. Man kann statt Wasserdampf natürlich auch einen anderen Energieüberträger
benutzen, z. B. ein unter hohem Druck stehendes Gas, ohne daß sich an dem Prinzip
der Erfindung etwas ändert.