DE1022736B

DE1022736B - Device for the gasification of finely divided fuels

Info

Publication number: DE1022736B
Application number: DEK26955A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Kaspar-Hei Osthaus
Original assignee: Heinrich Koppers GmbH
Current assignee: Heinrich Koppers GmbH
Priority date: 1955-09-24
Filing date: 1955-09-24
Publication date: 1958-01-16

Description

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.Device for the gasification of finely divided fuels The invention relates to a device for the gasification of finely divided fuels in suspension with oxygen and optionally gasifying agents which react endothermically the sensible heat: of the useful gas generated for high-pressure steam generation: g exploited in a radiation boiler downstream of the actual gasification room will.

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.During the suspension gasification of finely divided fuels with oxygen and optionally endothermic gasifying agents, such as Water vapor, d. H. in a gasification, in which fuel and gasifying agent essentially in the same direction and without significant. Relative movement move against each other through the gasification chamber (co-current gasification), that falls. Useful gas inevitably with a comparatively high. Temperature. The temperature depends on the reactivity of the fuel to be gasified and can rise to about 1300 ° at Steinkoh.lenstauh. Because the sensible heat of the useful gas is generated using oxygen, there is a need to feel this Use heat at least partially in the form that it can be used to generate energy is used. The energy generated from the sensible heat: the useful gas can also be used to cover the energy requirements for oxygen production be used.

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.There was no shortage of suggestions, the sensible warmth: the useful gas of suspended gasification in the actual, downstream steam boiler to take advantage of. Essentially, the procedure is that behind the gassing room a steam boiler is switched, in which the useful gas is partially its sensible heat by radiation and partly by convection, with the generation of steam. In doing so, the construction principles known from steam boiler construction are used to a large extent served. In practice, however, it has been shown that the use of the tangible Warmth from. Gasification gases do not readily comply with the construction principles of the usual Steam boiler and furnace construction is to be realized. There were certain disturbances in boiler operation, mainly due to deposits of solid gasification residues on the boiler walls. The reasons for this are as follows: If you have the Carries out suspension gasification in such a way that most of the solid gasification residue is led out of the reaction chamber in finely divided form with the gas, see above the gas stream is loaded with a dusty solid consisting of ash and residual carbon consists. This dusty: solid is when leaving the gasification room at such a high temperature that the incombustible particles are in a soft state are present. These sticky particles give off their warmth almost exclusively at first by radiation on the boiler walls and thereby reach a temperature range in which they get stuck. The temperature drop is still going to be. in, a certain Extent in the area of the boiler through a heat-binding: post-gasification promoted. The post-gasification consists essentially. in the endothermic reaction of the residual carbon with hot CO2 and / or Wa.sserda, mpf. As long as the ashes are still soft, they have the tendency to attach to the boiler walls when they come into contact with them, and gradually to form more or less strong incrustations, which make the heat transfer difficult. It is therefore important that the solids, in particular the initially -iche Ash particles, with the useful gas in the way through which. Boilers are run that she; have cooled to a temperature below their softening range before she! come into contact with the walls.

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.As the inventor has found, it is of vital importance for trouble-free boiler operation that the flow rate of the useful gas is chosen in the boiler so that the cooling of the ash particles to a temperature has almost completely occurred below the softening range before the Ash has the opportunity to come into contact with the boiler walls.

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.Those previously used in connection with dust gasification systems But boilers do not meet such a condition. For you are indifferent what special training they have., so far always been built in such a way that the for the gas flow available cross-section essentially the entire length of the boiler is unchanged. But now the volume of the gas is through the heat transfer to the: boiler walls: and the post-gasification is constantly reduced, so that the flow rate of the useful gas on its way through the boiler. which is normally arranged vertically, decreases. This decrease in flow velocity of the useful gas in the boilers used up to now has, however, if the gas flow is directed from bottom to top, first of all with the consequence that the ash particles, which are carried along by the gas, albeit with a certain amount of slip, as it decreases Gas velocity to a greater extent than the gas compared to its relative movement reduce the boiler wall area and with a very sharp decrease in gas velocity possibly within the boiler without any appreciable forward movement in the Linger in the air, although of course the coarser ash particles below and the finer ones float further up in the kettle. These no longer moved appreciably Ash particles are subject to their carbon content because of the longer residence time, possibly a certain amount of post-gasification due to im endothermic gasification agents such as water vapor or carbon dioxide contained in hot useful gas d, but have an increased tendency to settle on the boiler walls because they perform little or no relative movement with respect to them.

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.There is still more - and this applies to all those arranged vertically Boiler closed, regardless of whether the useful gas is from bottom to top or from top to bottom flows - that, as is known from aerodynamics, the decrease in gas velocity promotes the formation of vortex shedding in a flow channel, because of the pressure gradient directed against the flow. Through the-vortex shedding be but solid ash particles are taken out of the forward flow and into the vortex drawn into it. This process causes the solid particles to accumulate in the Proximity to the boiler wall, associated with an increased risk of deposits forming.

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.It has now been found that these disadvantages of the known boiler devices can then be eliminated practically completely if one ensures that the for the Useful gas flow available free cross-section of the radiation boiler in Direction of gas flow decreases steadily to the extent that the gas velocity despite the decrease in volume caused by the cooling in the area of the radiation boiler at least not decreasing, but increasing if possible.

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.If you proceed in the manner according to the invention and the boiler in the way that the gas velocity remains at least the same, if possible but if it increases, the result is that the gas flow is essentially without vortex shedding takes place, which would have the above disadvantages. The solid components are so constantly moving in the direction of the gas flow, so that they have no opportunity to settle on the boiler walls.

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.So this is what matters in the practical implementation of the invention the boiler cross-section available for the gas flow in the direction to reduce the gas flow, d. H. the principle of the essentially prismatic, z. B. to leave cylindrical boiler. For example, in the Proceed in a way that you do not like the water pipes surrounding the radiation space so far, as the generator of a prism - hz`v. Zvlinfiermante @ ls trains, rather as the generator of a truncated cone cap, the further end of which is connected to the gasification chamber connects.

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.There is a particularly advantageous embodiment of the invention in that one follows the water pipes forming the wall of the radiation boiler Kind of an exponential curve and arranges it in such a way that it unites in its entirety Form exponential funnel, the further end of which is directly adjacent to the gasification chamber connects, while the smaller opening in the downstream of your radiation boiler Gas treatment facilities opens. The boiler area is expedient dimensioned so that the 'useful gas at the exit of the boiler has a temperature of no more than 900 °.

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.The invention is not limited to the specific type of training tied to the boiler wall from individual tubes. The boiler walls can of course also train in the form of a coherent double jacket; however, the Generation of high pressure steam, in particular a steam of 20 atmospheres and more, one Preference is given to boiler walls made of water pipes.

In der Abbildung ist eine Ausführungsform der Erfindung in schematischer Form dargestellt.In the figure, an embodiment of the invention is in schematic Shape shown.

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.The gasification device consists of a gas collecting space 1 into which one or more gasification heads 2 open. These carburetor heads consist of conically widening niches, into the smaller end of which the feed lines for the gasification agents open. A mixture of oxygen and fuel dust is introduced through a central nozzle 3, for example. This central nozzle 3 is surrounded by an annular nozzle 4. through which water vapor is blown in, which surrounds the central exothermic zone, in which the dust reacts with the oxygen, with a water vapor envelope which makes the wall of the gasifier head made of refractory material 5 dangerous Protects against temperatures. The gasifier heads are preferably all arranged in one plane, in particular in the equatorial plane of the gas collecting space, if this is spherical or pear-shaped. The gas collecting space wall itself can be made of refractory material 6. But it is also possible to design it completely or partially as a water-cooled double jacket. At the lower end an ash discharge opening 7 is provided, through which part of the ash, namely the part which settles as liquid slag on the walls of the gas collecting space, is drawn off. The liquid ash running off the walls is cooled in a water-cooled collar 8 so that it solidifies there and then falls into the immersion cup: 9. Part of the liquid slag also runs directly into the immersion cup 9 in liquid form.

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.The hot useful gas leaves the gas collecting space through the vent 10. This outlet opening 10 is at the same time the inlet opening for a high-pressure radiation boiler111, in which part of the sensible heat of the gas is used to generate high pressure steam serves. The boiler consists of a lower manifold 12 and an upper manifold 13 and curved water pipes 14, which are rolled into the manifolds at the top and bottom or are welded. In the illustrated embodiment, the tubes are like this curved so that in their entirety they form an exponential funnel. Heat losses to the outside through an insulating layer 15 prevented or reduced. The feedwater line 16 is connected to the collecting line 12, while from the collecting line 13, the useful steam generated can be removed through line 18. The cooled gas then leaves the boiler through a discharge line 19, which to the downstream treatment facilities. such as steam superheaters, secondary boilers, "Feed water preheater, cooler, washer and the like., Leads.

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.The invention uses the sensible @A heat primarily to generate high pressure steam from, whereby mechanical or electrical energy is then obtained from the steam generated, will. Instead of water vapor, you can of course also use another energy carrier use, e.g. B. a high pressure gas, without affecting the principle the invention changes something.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for the gasification of finely divided fuels in suspension with oxygen and possibly endothermically reacting gasification agents, utilizing the sensible heat: the useful gas generated for high-pressure steam generation in a radiation boiler, which is located downstream of the actual gasification chamber, characterized in that the walls of the radiation boiler are in are designed in such a way that the free cross-section available for the useful gas flow decreases steadily in the direction of the gas flow to the extent that the gas velocity at least does not decrease, but increases as much as possible despite the decrease in volume caused by the cooling in the area of the boiler.

2. Establishment according to claim 1, characterized in that the radiation boiler, its wall consists of individual tubes lying next to one another, is formed in the shape, that the tubes form the generatrix of a truncated cone jacket, the wide end of which adjoins the gassing room.

3. Device according to claim 1, characterized in that that the radiation boiler is formed by water pipes following an exponential curve are curved and arranged in the boiler so that an exponential funnel is created, the further opening of which adjoins the gasification room.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling surface of the boiler is dimensioned so that the useful gases have a temperature of not more than 900 ° when leaving the boiler.