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EP0467441B1 - Verfahren zur Kühlung von heissen Prozessgasen - Google Patents

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Publication number
EP0467441B1
EP0467441B1 EP91201732A EP91201732A EP0467441B1 EP 0467441 B1 EP0467441 B1 EP 0467441B1 EP 91201732 A EP91201732 A EP 91201732A EP 91201732 A EP91201732 A EP 91201732A EP 0467441 B1 EP0467441 B1 EP 0467441B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
fluidised bed
solids
passed
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP91201732A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0467441A1 (de
Inventor
Martin Hirsch
Wolfgang Frank
Manfred Heil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GEA Group AG
Original Assignee
Metallgesellschaft AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Metallgesellschaft AG filed Critical Metallgesellschaft AG
Priority to AT91201732T priority Critical patent/ATE95556T1/de
Publication of EP0467441A1 publication Critical patent/EP0467441A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0467441B1 publication Critical patent/EP0467441B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D13/00—Heat-exchange apparatus using a fluidised bed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/02—Dust removal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/04—Purifying combustible gases containing carbon monoxide by cooling to condense non-gaseous materials

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling hot process gases, the process gases being passed into a stationary fluidized bed equipped with cooling elements, in the dust space above the fluidized bed some of the solids suspended in the gas stream being separated and returned to the fluidized bed, and from the exhaust gas in a Dust is removed from the solid and returned to the fluidized bed.
  • process gases can contain condensable components or entrained liquid droplets, e.g. Contain metals or slag, which lead to deposits on the cooling surfaces when cooling.
  • the process gases can contain fine dust with poor flow properties, which also lead to batches at process gas temperature or when cooled.
  • the process gases may contain SO3, or SO3 is formed on cooling and undesirable sulfation occurs.
  • a method for cooling process gases from the gasification of carbon-containing solids in which the hot process gas is passed into a stationary fluidized bed of sulfur-binding solids and is cooled there. Cooling elements, through which a cooling medium flows, are arranged in the fluidized bed. A partial stream of the process gas emerging from the fluidized bed reactor is returned as the fluidizing gas. The process gas is introduced into the fluidized bed from the side or from above. The cooled process gas emerging from the fluidized bed is dedusted in a cyclone, cooled further in a heat exchanger and passed to a gas cleaning system. The one in the cyclone and in the Solids separated by gas cleaning are returned to the fluidized bed. Contact between the process gas and cooling surfaces is not avoided, which creates the risk of build-up. The mixture between process gas and solid is not optimal.
  • the suspension density of the circulating fluidized bed is adjusted to 1 to 5 kg / m3 and lower values by recycling 75 to 100% of the process gas quantity and by recycling solid in an amount of 0.92 to 11.5 kg / Nm3.
  • the large volume of exhaust gases caused by the large gas recirculation leads to complex gas cleaning. Because of the low suspension density, a relatively large heat exchange area is required.
  • the invention has for its object to cool hot process gases in the most economical manner while avoiding formation and sulfate formation.
  • the stationary fluidized bed equipped with cooling elements is annular and trough-shaped, fluidizing gas is passed through the inflow floor of the trough into the fluidized bed, the process gas is introduced through the central opening of the fluidized bed, cooled solid from the fluidized bed the inner edge of the tub flows into and from the process gas stream is entrained into the dust space above the surface of the fluidized bed, the solid separated in the dust space falls back into the annular fluidized bed, the cooled solid gas containing the remaining solid is passed into a gas cooler equipped with cooling surfaces, the gas emerging from the upper part of the gas cooler into one Dust separator is passed, and the separated solid is returned to the stationary fluidized bed.
  • the stationary fluidized bed is characterized by a clear density jump between the dense phase and the dust space above.
  • the annular configuration of the stationary fluidized bed can be round, rectangular or polygonal.
  • the cooling surfaces arranged in the fluidized bed are expediently arranged to be exchangeable.
  • the cooling surfaces can be switched as evaporators and / or superheaters.
  • the cooling surfaces generally consist of tube bundles.
  • the walls of the tub are provided with cooling pipes.
  • the inner wall of the tub forms the central opening of the fluidized bed through which the process gas is introduced.
  • the cooled solid flows from the stationary fluidized bed into the central opening over the edge of the inner wall of the tub, is mixed with the process gas stream and entrained as a dense suspension in a central jet into the dust space above the fluidized bed.
  • the process gas cools down rapidly and strongly. Due to the increase in volume in the dust chamber, most of the solid is separated from the central jet in the dust chamber, falls back into the stationary fluidized bed and is cooled there again.
  • the process gas is cooled to the temperature desired in the dust chamber by appropriate cooling of the solid in the stationary fluidized bed and by introducing a corresponding amount of solid into the central opening.
  • the wall of the dust room is cooled by cooling pipes.
  • the gas mixture of process gas and fluidizing gas containing the remaining solid is passed into a gas cooler and further cooled there.
  • the gas cooler is preferably arranged above the dust chamber.
  • the gas cooler is provided with wall cooling and can have additional cooling surfaces.
  • Part of the solid still suspended in the gas separates out in the gas cooler, falls into the dust chamber and from there into the stationary fluidized bed.
  • Water is generally used as the cooling medium and the gas cooler is switched as an evaporator.
  • the cooled gas contains only relatively small amounts of solids. It is passed into a dust separator, such as a cyclone, filter or EGR, where it is largely dedusted and discharged as exhaust gas or fed to further gas cleaning. All or part of the solid matter separated out in the dust separator is returned to the stationary fluidized bed.
  • part of the solid is drawn off and replaced by fresh solid. This prevents the solid from accumulating too much with separated substances. Any gas that does not interfere with the cooling or downstream processes can be used as the fluidizing gas.
  • air can be used as the fluidizing gas. Otherwise, part of the exhaust gas can also be recirculated. This must first be cleaned of substances that would damage the inflow floor. In order to keep the amount of fluidizing gas as small as possible, it is advisable to keep the grain size of the solid in the fluidized bed smaller than 1 mm with d50 below 0.5 mm.
  • a preferred embodiment is that the suspension density in the stationary fluidized bed is 300 to 1500 kg / m3 reactor space, preferably 500 to 1000 kg / m3. Particularly good operating conditions are achieved in these areas, since the heat transfer numbers are high.
  • a preferred embodiment is that 1 to 10 kg / Nm3 solid, preferably 2.5 to 6 kg / Nm3, are fed from the stationary fluidized bed to the process gas stream. These areas provide the desired rapid cooling of the process gas without the need for very large cooling surfaces.
  • a preferred embodiment is that the loading of the gas emerging from the upper part of the gas cooler is 0.1 to 1 kg of solid, preferably 0.2 to 0.6 kg of solid / Nm3. This results in a relatively low pressure drop in the gas cooler and good cooling of the gas.
  • a preferred embodiment consists in that the volume of the fluidizing gas passed through the inflow floor into the stationary fluidized bed is 10 to 30%, preferably 15 to 20%, of the volume of the process gas.
  • a preferred embodiment consists in that the solid matter separated in the dust separator is returned to the stationary fluidized bed in a controlled manner.
  • the amount of solid separated in the dust separator per unit of time is not constant. In the case of a direct, uncontrolled return, the fluctuating amount can lead to deteriorated results. This is avoided by the controlled, even return.
  • An intermediate vessel which serves as a buffer and from which the solid is drawn off in a controlled manner, is arranged between the dust separator and the return line in the fluidized bed.
  • the solid in the intermediate vessel is expediently slightly fluidized.
  • a preferred embodiment consists in that the central opening of the stationary fluidized bed is insulated by a refractory lining.
  • the central opening consists of a sheet metal jacket with cooling surfaces on the outside.
  • a fireproof lining is attached to the inside of the sheet metal jacket. This prevents the formation of batches from solidified components of the process gas. Molten components contained in the process gas, which are deposited on the lining, flow back into the reactor.
  • a preferred embodiment is that solids are used as the fluidized bed material, which enable further processing together with the deposited materials.
  • the figure shows schematically a cooling system for performing the method in longitudinal section.
  • the blower (2) blows fluidizing air through the inflow floor into the annular trough (1).
  • Cooling elements (3) are arranged in the tub (1).
  • the inner wall of the tub (1) forms a central feed (4) for the process gas.
  • From the stationary fluidized bed (5) located in the tub (1) solid flows over the inner edge of the tub (1) into the feed (4) into the process gas stream (6) and mixes with it to form a dense suspension, with a simultaneous one rapid and strong cooling of the process gas takes place.
  • This suspension is blown as a central jet into the dust chamber (21), where most of the solid is separated out due to the increase in volume and falls back into the fluidized bed (5).
  • the gas containing the remaining solid flows into the gas cooler (7), which is equipped with a schematically illustrated, continuous wall cooling (8) and suspended cooling surfaces (9).
  • the further cooled gas flows into the cyclone (11) via the outlet (10).
  • the separated solid falls into the intermediate vessel (12), which serves as a buffer.
  • a controlled amount of solid is returned to the fluidized bed (5) via the discharge member (13) and line (14).
  • the dust-free gas is discharged via line (15).
  • a portion of the solid is withdrawn from the fluidized bed via line (16).
  • Fresh solids can be fed into the fluidized bed (5) from the bunker (17) to start up and to balance the bed height.
  • the gas can be cooled further in the cooler (18), for example feed water being heated.
  • the cooling elements for cooling the outer wall of the tub (1) and the wall of the dust chamber (21) are only shown schematically by the upper tubes (19) and the lower tubes (20).
  • the exhaust gas is blown through the feed (4), which has a diameter of 100 cm. 5000 Nm3 / h of air with a temperature of 60 ° C and a pressure of 250 mbar are passed through the inflow floor of the tub (1) blown stationary fluidized bed. Cooling bundles (3) with an area of 42 m2 are arranged in the fluidized bed. Cooled solid flows from the trough (1) at a temperature of approximately 480 ° C. into the feed (4) in such an amount that the solid loading of the exhaust gas is approximately 5 kg / Nm 3. About 3.78 MW of the heat supplied with the exhaust gas of 5.27 MW is dissipated to the cooling bundles in the fluidized bed.
  • the cooled exhaust gas enters the gas cooler (7), which is equipped with 250 m2 cooling surfaces, at a temperature of 600 ° C and a speed of 5.5 m / s.
  • the further cooled exhaust gas leaves the gas cooler (7) via outlet (10) at a temperature of 350 ° C, a dust load of 0.5 kg / Nm3 at a speed of 4 m / s.
  • the gas discharged from the cyclone (11) via line (15) has a dust loading of 5 to 10 g / Nm3.
  • 13.4 t / h are returned to the fluidized bed (5) at a temperature of 350 ° C.
  • 4.5 t / h of solid are drawn off from the fluidized bed (5) via line (16).
  • the amount of steam generated is 12.1 t / h at 40 bar and 250 ° C.
  • sand with a grain size of less than 1 mm is introduced into the trough (1) to start up.
  • Advantages of the invention are that the cooling of the process gases takes place with relatively small heat exchanger areas and a small additional amount of gas, while avoiding formation and sulfation. If the upstream unit comes to a standstill and the process gas fails, the falling through of solid from the fluidized bed into the upstream units can be prevented by reducing or switching off the fluidizing gas.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein verfahren zur Kühlung von heißen Prozeßgasen, wobei die Prozeßgase in eine mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht geleitet werden, im Staubraum über der Wirbelschicht ein Teil der im Gasstrom suspendierten Feststoffe abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, und aus dem Abgas in einer Entstaubung Feststoff abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeleitet wird.
  • Bei manchen Prozessen fallen heiße Prozeßgase an, deren Kühlung beträchtliche Schwierigkeiten bereitet. So können Prozeßgase kondensierbare Bestandteile oder mitgerissene flüssige Tröpfchen, z.B. Metalle oder Schlacke, enthalten, die bei Abkühlung an den Kühlflächen zu Ansätzen führen. Die Prozeßgase können Feinstäube mit schlechten Fließeigenschaften enthalten, die bereits bei Prozeßgas-Temperatur oder bei Abkühlung ebenfalls zu Ansätzen führen. Weiterhin können die Prozeßgase SO₃ enthalten, oder es wird SO₃ bei der Abkühlung gebildet und es tritt eine unerwünschte Sulfatisierung auf.
  • Aus der DE-PS 34 39 600 ist ein Verfahren zur Kühlung von Prozeßgasen aus der Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen bekannt, bei dem das heiße Prozeßgas in eine stationäre Wirbelschicht aus schwefelbindenden Feststoffen geleitet und dort abgekühlt wird. In der Wirbelschicht sind Kühlelemente angeordnet, die von einem Kühlmedium durchflossen werden. Als Fluidisierungsgas wird ein Teilstrom des aus dem Wirbelschichtreaktor austretenden Prozeßgases zurückgeführt. Das Prozeßgas wird von der Seite oder von oben in die Wirbelschicht eingeleitet. Das aus der Wirbelschicht austretende, gekühlte Prozeßgas wird in einem Zyklon entstaubt, in einem Wärmetauscher weiter gekühlt und in eine Gasreinigung geleitet. Der im Zyklon und in der Gasreinigung abgeschiedene Feststoff wird in die Wirbelschicht zurückgeführt. Ein Kontakt zwischen Prozeßgas und Kühlflächen wird nicht vermieden, wodurch die Gefahr von Ansätzen besteht. Die Mischung zwischen Prozeßgas und Feststoff ist nicht optimal.
  • Aus der US-PS 3 977 846 ist es bekannt, ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes Prozeßgas in einer stationären Wirbelschicht zu kühlen, wobei im unteren Teil der Wirbelschicht Kühlflächen angeordnet sind, die von einem Kühlmedium durchflossen werden. Als Fluidisierungsgas wird ein kohlenwasserstofffreies Fremdgas verwendet. Das Prozeßgas wird oberhalb der Kühlflächen mittels in der Wirbelschicht angeordneter Düsen eingeleitet. Die Düsen sind zur Vermeidung von Ansätzen thermisch isoliert. Das aus dem Reaktor austretende, gekühlte Prozeßgas wird in einen Staubabscheider geleitet. Mit kondensierten Kohlenwasserstoffen beladener Feststoff wird aus dem Wirbelbett abgezogen und frischer Feststoff wird in das Wirbelbett chargiert. Durch korrosive Bestandteile und Feststoffe im Prozeßgas ist ein starker Verschleiß der Düsen zu erwarten. Außerdem besteht die Gefahr von Verstopfung.
  • Aus der US-PS 4 120 668 ist es bekannt, ein geschmolzene Salzpartikel und flüchtige Bestandteile enthaltendes Prozeßgas in einer stationären Wirbelschicht zu kühlen, wobei das Prozeßgas als Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht eingeleitet wird. Oberhalb der Einleitung des Prozeßgases sind Kühlflächen in der Wirbelschicht angeordnet. Das gekühlte Gas wird in einem Zyklon entstaubt und der abgeschiedene Feststoff in die Wirbelschicht zurückgeführt. Ein Teil des Feststoffes wird nach unten aus der Wirbelschicht abgezogen und frischer Feststoff wird in die Wirbelschicht chargiert. Auch hier gelten die vorstehend genannten Nachteile.
  • Aus der WO 88/08741 ist es bekannt, Prozeßgase in einer zirkulierenden Wirbelschicht zu kühlen, wobei das Prozeßgas in einer Mischkammer mit rezirkuliertem, gekühltem Prozeßgas und rezirkuliertem, gekühltem Feststoff gekühlt wird, wobei der Boden der Mischkammer konisch ausgebildet ist und eine Öffnung zur Einleitung des Prozeßgases und des rezirkulierten Gases hat. Die aus der Mischkammer austretende Suspension kann im oberen Teil des Reaktors an Kühlflächen weiter abgekühlt werden, anschließend in Zyklonen der Feststoff abgeschieden und in den Reaktor zurückgeführt werden und ein Teilstrom des Gases in den Reaktor rezirkuliert werden. Die Suspension kann auch ohne weitere Kühlung ausgetragen werden, der Feststoff in Zyklonen abgeschieden und in den Reaktor zurückgeführt werden, das Gas gekühlt und ein Teil in den Reaktor rezirkuliert werden. Die Suspensionsdichte der zirkulierenden Wirbelschicht wird durch Rückführung von 75 bis 100 % der Prozeßgasmenge und durch Rückführung von Feststoff in einer Menge von 0,92 bis 11,5 kg/Nm³ auf 1 bis 5 kg/m³ und niedrigere Werte eingestellt. Das durch die große Gasrückführung bedingte große Volumen der Abgase führt zu einer aufwendigen Gasreinigung. Wegen der geringen Suspensionsdichte wird eine relativ große Wärmeaustausch-Fläche benötigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, heiße Prozeßgase in möglichst wirtschaftlicher Weise unter Vermeidung von Ansatzbildung und Sulfatbildung abzukühlen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht ringförmig und wannenförmig ausgebildet ist, durch den Anströmboden der Wanne Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht geleitet wird, das Prozeßgas durch die zentrale Öffnung der Wirbelschicht eingeleitet wird, gekühlter Feststoff aus der Wirbelschicht über den inneren Rand der Wanne in den Prozeßgasstrom fließt und von diesem in den Staubraum über der Oberfläche der Wirbelschicht mitgerissen wird, der im Staubraum abgeschiedene Feststoff in die ringförmige Wirbelschicht zurückfällt, das den restlichen Feststoff enthaltende und gekühlte Gas in einen mit Kühlflächen ausgerüsteten Gaskühler geleitet wird, das aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretende Gas in einen Staubabscheider geleitet wird, und der abgeschiedene Feststoff in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird. Die stationäre Wirbelschicht zeichnet sich durch einen deutlichen Dichtesprung zwischen dichter Phase und darüber befindlichem Staubraum aus. Die ringförmige Ausgestaltung der stationären Wirbelschicht kann sowohl rund als auch rechteckig oder mehreckig erfolgen. Die in der Wirbelschicht angeordneten Kühlflächen werden zweckmäßigerweise auswechselbar angeordnet. Die Kühlflächen können als Verdampfer und/oder Überhitzer geschaltet werden. Die Kühlflächen bestehen im allgemeinen aus Rohrbündeln. Die Wände der Wanne sind mit Kühlrohren versehen. Die innere Wand der Wanne bildet die zentrale Öffnung der Wirbelschicht, durch die das Prozeßgas eingeleitet wird. Über den Rand der inneren Wand der Wanne fließt der gekühlte Feststoff aus der stationären Wirbelschicht in die zentrale Öffnung, wird mit dem Prozeßgas-Strom vermischt und als dichte Suspension in einem zentralen Strahl in den Staubraum über der Wirbelschicht mitgerissen. Dabei erfolgt eine rapide und starke Abkühlung des Prozeßgases. Durch die Volumenvergrößerung im Staubraum wird der Feststoff aus dem zentralen Strahl zum größten Teil im Staubraum abgeschieden, fällt in die stationäre Wirbelschicht zurück und wird dort wieder gekühlt. Die Abkühlung des Prozeßgases auf die im Staubraum gewünschte Temperatur erfolgt durch entsprechende Kühlung des Feststoffes in der stationären Wirbelschicht und durch Einleiten einer entsprechenden Menge von Feststoff in die zentrale Öffnung. Die Wand des Staubraumes wird durch Kühlrohre gekühlt. Das den restlichen Feststoff enthaltende Gasgemisch aus Prozeßgas und Fluidisierungsgas wird in einen Gaskühler geleitet und dort weiter gekühlt. Der Gaskühler ist vorzugsweise über dem Staubraum angeordnet. Der Gaskühler ist mit Wandkühlung versehen und kann zusätzlich eingehängte Kühlflächen haben. Ein Teil des noch im Gas suspendierten Feststoffes scheidet sich im Gaskühler ab, fällt in den Staubraum und von dort in die stationäre Wirbelschicht. Als Kühlmedium wird im allgemeinen Wasser verwendet und der Gaskühler als Verdampfer geschaltet. Das abgekühlte Gas enthält nur noch relativ geringe Feststoffmengen. Es wird in einen Staubabscheider, wie z.B. Zyklon, Filter oder EGR, geleitet, dort weitgehend entstaubt und als Abgas abgeleitet oder einer weiteren Gasreinigung zugeführt. Der im Staubabscheider abgeschiedene Feststoff wird ganz oder teilweise in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt. Je nach Zusammensetzung des Prozeßgases wird ein Teil des Feststoffes abgezogen und durch frischen Feststoff ersetzt. Dadurch wird verhindert, daß sich der Feststoff zu stark mit abgeschiedenen Stoffen anreichert. Als Fluidisierungsgas kann jedes Gas verwendet werden, das bei der Kühlung bzw. bei nachgeschalteten Prozessen nicht stört. In den Fällen, wo Luft für die Weiterbehandlung des Abgases erforderlich ist, wie z.B. bei Gasen mit hohen SO₂-Gehalten, oder nicht stört, kann Luft als Fluidisierungsgas verwendet werden. Ansonsten kann auch ein Teil des Abgases rezirkuliert werden. Dieses muß vorher von Stoffen gereinigt werden, welche den Anströmboden beschädigen würden. Um die Fluidisierungsgas-Menge möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, die Korngröße des Feststoffes in der Wirbelschicht kleiner als 1 mm mit d₅₀ unter 0,5 mm zu halten.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Suspensionsdichte in der stationären Wirbelschicht 300 bis 1500 kg/m³ Reaktorraum, vorzugsweise 500 bis 1000 kg/m³, beträgt. In diesen Bereichen werden besonders gute Betriebsbedingungen erzielt, da hohe Wärmeübergangszahlen vorliegen.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß dem Prozeßgasstrom 1 bis 10 kg/Nm³ Feststoff, vorzugsweise 2,5 bis 6 kg/Nm³, aus der stationären Wirbelschicht zugeführt werden. Diese Bereiche ergeben die gewünschte schnelle Abkühlung des Prozeßgases ohne die Notwendigkeit sehr großer Kühlflächen.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Beladung des aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretenden Gases 0,1 bis 1 kg Feststoff, vorzugsweise 0,2 bis 0,6 kg Feststoff/Nm³, beträgt. Dadurch wird ein relativ geringer Druckverlust im Gaskühler und eine gute Abkühlung des Gases erzielt.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß das Volumen des durch den Anströmboden in die stationäre Wirbelschicht geleiteten Fluidisierungsgases 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 20 %, des Volumens des Prozeßgases beträgt. Dadurch ist der Energiebedarf für das Fluidisierungsgas relativ gering, und bei rückgeführtem Abgas verringern sich außerdem die Kosten für die erforderliche Gasreinigung.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß der im Staubabscheider abgeschiedene Feststoff gesteuert in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird. Die im Staubabscheider pro Zeiteinheit abgeschiedene Menge an Feststoff ist nicht konstant. Bei einer direkten, ungesteuerten Rückführung kann die schwankende Menge zu verschlechterten Ergebnissen führen. Dies wird durch die gesteuerte, gleichmäßige Zurückführung vermieden. Zwischen Staubabscheider und Rückführungsleitung in der Wirbelschicht wird ein Zwischengefäß angeordnet, das als Puffer dient und aus dem der Feststoff gesteuert abgezogen wird. Der Feststoff im Zwischengefäß wird zweckmäßigerweise leicht fluidisiert.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die zentrale Öffnung der stationären Wirbelschicht durch feuerfeste Auskleidung isoliert ist. Die zentrale Öffnung besteht aus einem Blechmantel, der auf der Außenseite mit Kühlflächen ausgestattet ist. Auf der Innenseite des Blechmantels wird eine feuerfeste Auskleidung angebracht. Dadurch wird die Bildung von Ansätzen aus erstarrten Bestandteilen des Prozeßgases vermieden. Im Prozeßgas enthaltene schmelzflüssige Bestandteile, die sich auf der Auskleidung abscheiden, fließen wieder in den Reaktor zurück.
  • Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß als Wirbelbett-Material Feststoffe eingesetzt werden, die eine Weiterverarbeitung zusammen mit den abgeschiedenen Materialien ermöglichen.
  • Die Erfindung wird anhand einer Figur und eines Beispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt schematisch ein Kühlsystem zur Durchführung des Verfahrens im Längsschnitt. In die ringförmige Wanne (1) wird von dem Gebläse (2) Fluidisierungsluft durch den Anströmboden geblasen. In der Wanne (1) sind Kühlelemente (3) angeordnet. Die innere Wand der Wanne (1) bildet eine zentrale Zuführung (4) für das Prozeßgas. Aus der in der Wanne (1) befindlichen stationären Wirbelschicht (5) fließt Feststoff über den inneren Rand der Wanne (1) in die Zuführung (4) in den Prozeßgasstrom (6) und mischt sich mit diesem zu einer dichten Suspension, wobei gleichzeitig eine schnelle und starke Abkühlung des Prozeßgases erfolgt. Diese Suspension wird als zentraler Strahl in den Staubraum (21) geblasen, wo infolge Volumenvergrößerung der größte Teil des Feststoffes abgeschieden wird und wieder in die Wirbelschicht (5) zurückfällt. Das den restlichen Feststoff enthaltende Gas strömt in den Gaskühler (7), der mit schematisch dargestellter, durchgehender Wandkühlung (8) und eingehängten Kühlflächen (9) ausgerüstet ist. Über den Auslaß (10) strömt das weiter gekühlte Gas in den Zyklon (11). Der abgeschiedene Feststoff fällt in das Zwischengefäß (12), das als Puffer dient. Über das Austragsorgan (13) und Leitung (14) wird Feststoff in geregelter Menge in die Wirbelschicht (5) zurückgeführt. Das von Staub befreite Gas wird über Leitung (15) abgeführt. Über Leitung (16) wird ein Teil des Feststoffes aus der Wirbelschicht abgezogen. Aus dem Bunker (17) kann frischer Feststoff zum Anfahren und zum Ausgleich der Betthöhe in die Wirbelschicht (5) zugeführt werden. Das Gas kann im Kühler (18) noch weiter abgekühlt werden, wobei z.B. Speisewasser aufgeheizt wird. Die Kühlelemente zur Kühlung der Außenwand der Wanne (1) und der Wand des Staubraumes (21) sind nur schematisch durch die oberen Rohre (19) und die unteren Rohre (20) dargestellt.
    • BEISPIEL
  • Es wird ein Abgas aus der Verhüttung von Bleierz in einem QSL-Reaktor gekühlt. Das Abgas fällt mit einer Temperatur von 1010 bis 1050°C in einer Menge von 21800 Nm³/h an. Die Staubbeladung beträgt 215 g/Nm³. Die Zusammensetzung ist:
    • 10,80 %
    SO₂
    15,67 %
    CO₂
    22,90 %
    H₂O
    7,83 %
    O₂
    39,80 %
    N₂.
  • Das Abgas wird durch die Zuführung (4), die einen Durchmesser von 100 cm hat, eingeblasen. Durch den Anströmboden der Wanne (1) werden 5000 Nm³/h Luft mit einer Temperatur von 60°C und einem Druck von 250 mbar in die stationäre Wirbelschicht geblasen. In der Wirbelschicht sind Kühlbündel (3) mit einer Fläche von 42 m² angeordnet. Aus der Wanne (1) fließt gekühlter Feststoff mit einer Temperatur von etwa 480°C in die Zuführung (4) in solcher Menge, daß die Feststoffbeladung des Abgases etwa 5 kg/Nm³ beträgt. Von der mit dem Abgas zugeführten Wärme von 5,27 MW werden etwa 3,78 MW an die Kühlbündel in der Wirbelschicht abgeführt. Das abgekühlte Abgas tritt mit einer Temperatur von 600°C und einer Geschwindigkeit von 5,5 m/s in den Gaskühler (7) ein, der mit 250 m² Kühlflächen ausgerüstet ist. Das weiter abgekühlte Abgas verläßt den Gaskühler (7) über Auslaß (10) mit einer Temperatur von 350°C, einer Staubbeladung von 0,5 kg/Nm³ mit einer Geschwindigkeit von 4 m/s. Das über Leitung (15) aus dem Zyklon (11) abgeführte Gas hat eine Staubbeladung von 5 bis 10 g/Nm³. Aus dem Zwischenbehälter (12) werden 13,4 t/h mit einer Temperatur von 350°C in die Wirbelschicht (5) zurückgeführt. Aus der Wirbelschicht (5) werden 4,5 t/h Feststoff über Leitung (16) abgezogen. Die erzeugte Dampfmenge beträgt 12,1 t/h bei 40 bar und 250°C. Als Feststoff wird zum Anfahren Sand mit einer Korngröße unter 1 mm in die Wanne (1) eingeführt.
  • Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Kühlung der Prozeßgase mit relativ kleinen Wärmeaustauscher-Flächen und geringer zusätzlicher Gasmenge unter Vermeidung von Ansatzbildung und Sulfatisierung erfolgt. Bei einem Stillstand des vorgeschalteten Aggregates und damit verbundenem Ausfall des Prozeßgases kann das Durchfallen von Feststoff aus der Wirbelschicht in die vorgeschalteten Aggregate durch Verringerung oder Abschalten des Fluidisierungsgases verhindert werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Kühlung von heißen Prozeßgasen, wobei die Prozeßgase in eine mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht geleitet werden, im Staubraum über der Wirbelschicht ein Teil der im Gasstrom suspendierten Feststoffe abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeführt wird, und aus dem Abgas in einer Entstaubung Feststoff abgeschieden und in die Wirbelschicht zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Kühlelementen ausgerüstete stationäre Wirbelschicht ringförmig und wannenförmig ausgebildet ist, durch den Anströmboden der Wanne Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht geleitet wird, das Prozeßgas durch die zentrale Öffnung der Wirbelschicht eingeleitet wird, gekühlter Feststoff aus der Wirbelschicht über den inneren Rand der Wanne in den Prozeßgasstrom fließt und von diesem in den Staubraum über der Oberfläche der Wirbelschicht mitgerissen wird, der im Staubraum abgeschiedene Feststoff in die ringförmige Wirbelschicht zurückfällt, das den restlichen Feststoff enthaltende und gekühlte Gas in einen mit Kühlflächen ausgerüsteten Gaskühler geleitet wird, das aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretende Gas in einen Staubabscheider geleitet wird, und der abgeschiedene Feststoff in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspensionsdichte in der stationären Wirbelschicht 300 bis 1500 kg/m³ Reaktorraum, vorzugsweise 500 bis 1000 kg/m³, beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgasstrom 1 bis 10 kg/Nm³ Feststoff, vorzugsweise 2,5 bis 6 kg/Nm³, aus der stationären Wirbelschicht zugeführt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung des aus dem oberen Teil des Gaskühlers austretenden Gases 0,1 bis 1 kg Feststoff, vorzugsweise 0,2 bis 0,6 kg Feststoff/Nm³, beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des durch den Anströmboden in die stationäre Wirbelschicht geleiteten Fluidisierungsgases 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 20 %, des Volumens des Prozeßgases beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Staubabscheider abgeschiedene Feststoff gesteuert in die stationäre Wirbelschicht zurückgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Öffnung der stationären Wirbelschicht durch feuerfeste Auskleidung isoliert ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Wirbelbett-Material Feststoffe eingesetzt werden, die eine Weiterverarbeitung zusammen mit den abgeschiedenen Materialien ermöglichen.
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