Die Gaserzeuger PDF
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Die Verbrennungskraftmaschine Herausgegeben von Prof. Dr. Hans List Graz Band 1, Teil 2 Die Gaserzeuger Wien Springer-Verlag 1959 Die Gaserzeuger Von Dipl.-Ing. Kurt Schmidt Oberingenieur i. R. der KlOckner-Humboldt-Deulz A. G. Koln-Deutz Zweite, neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 52 Textabbildungen Springer- Verlag Gesch~ftsbib'iothek Wien Spri nger-Verlag 1959 ISBN-13 978-3-211-80529-9 e-ISBN-13 978-3-7091-8057-0 001: 10.1007/978-3-7091-8057-0 Alle Rechte, insbesondere das del' tbersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdruckliche Genehmigung des Vel'lages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, ::\-likrokopie) zu vervielfaltigen Copyright 1939 and @ 1959 by Springer-Verlag in Vienna Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1959 Vorwort Feste Brennstoffe yom geologisch altesten Anthrazit tiber Magerkohlen, EJ3kohlen, Fett- und Gasflammkohlen, Lignite, Braunkohlen, Olschiefer, Torf bis zu Holz und ver schiedensten pflanzlichen Abfallen in naturgegebenem Zustand und als Kokse ausgegart, als Holz- und Torf-"Kohlen" geschwelt, als Briketts getrocknet und gepreJ3t, werden ftir Kraft- und Warmeanlagen in der Energiewirtschaft der Erde einen wichtigen Platz behalten. Ein Weg, sie motortechnisch mit gutem Wirkungsgrad zu verwertcn, fUhrt tiber Entgasung - in Schwelwerken und Kokereien - oder Vergasung in Gaserzeugern (Generatoren), also tiber die Umwandlung fester Kohlen und Kohlenwasserstoffe in Gas - teilweise oder vollstandig. Ftir in sich geschlossene Kraft- und Kraft-Warme-Anlagen sind nur die Gaserzeuger mit den zugehorenden Apparaturen wichtig - bei Schwelwerken, Kokereien und stadtischen Gasanstalten handelt es sich hochstens urn die Entnahme von Gas fUr einzelne Verbrennungskraftmaschinen aus dem groJ3en Versorgungsnetz. Der Schwerpunkt dieses Heftes konzentriert sich daher auf diejenigen Gaserzeuger und Apparaturen, die ein fUr Motoren gut geeignetes Gas liefern; doch habe ich die Schwel werke, Kokereien und auch die fUr Stadte und in Verbindung mit Gasmotoren immer wichtiger werdenden Faulgasanlagen dem Leser gleichsam im Vorbeigehen vorgestellt. Gar nicht a ber behandle ich hier die nach verschiedenen Verfahren mit meist sehr groJ3en Leistungen entwickelten Staubvergasungsanlagen, auch nicht Wassergas-Erzeuger, da diese in Verbindung mit Gasmotoren in Einzelanlagen nicht in Frage kommen. Wer sich nur kurz tiber diese oder jene Frage der Motorgas-Erzeuger unterrichten will, dem sollen dies die ofteren Seitenhinweise auf Stellen im Buch, wo die gleiche Sache von anderem Gesichtspunkt behandelt wird, erleichtern. Koln-Holweide, im Dezember 1958 Kurt Schmidt Inhaltsverzeichnis Seite I. Gas als motorischer Kraftstoff . . . . . . 1 II. Die Gaserzeugung aus festen Brennstoffen. 6 Die Entgasung . . . . . . . . . . . . . 6 Die Vergasung . . . . . . . . . . . . . 11 Wichtige Gaserzeuger-Bauarten fur Gasmotoren 18 Fortleitung des Gases . . . . . . 32 III. Betriebsverhalten der Gaserzeuger 43 IV. Wahl der GaserzeugergroGe 48 I. Gas als motorischer Kraftstoff Gas Hi8t sich im Vergleich zu fliissigen oder festen Brennstoffen innenmotorisch, also im Arbeitsraum einer Kraftmaschine am leichtesten verbrennen, well zur guten Mischung mit Luft keine Anderung des Aggregatzustandes wie bei fliissigen Brennstoffen erforder lich ist - diese miissen ja nach Zerstaubung verdampft, also in einen gasfOrmigen Zu stand umgeformt werden. Daher machen beim Gas-Brennstoff die Gemischbildung, Entflammung und vollstandige Verbrennung keine besonderen Schwierigkeiten. Durch unerwiinschte Beimengungen unreines Gas la8t sich auch vor Eintritt in die Maschine verhaltnisma8ig leicht "motor- rein" machen. Die altesten ge brauchsfiihigen Verbrennungs kraftmaschinen waren daher Gasmotoren. Als motorisch geeignete Ga g se ("Kraftgase") kommen in Frage: Ifc;t!n,;usl,;f./ Generatorgas - durch Ver gasung fester Brennstoffe (S. 11); Gichtgas - aus HochOfen der Roheisengewinnung durch AtJI,;u! Zum !1Jd7u/er Vergasung von Koks; Abb. 1. Schema einer mechanischen KUiranlage mit Faulgas Leuchtgas (Femgas, Stadtgas) gewinnung. a Grobrechen; b Sand fang ; c Absetzbecken; d Schlamm - aus Kokereien und Gas sammel- und Pumpenschacht; e Faulraume; f Schlammtrocken- werken (S. 9); pIatze; g Gasometer. Die Stadt-Abwasser werden in der Klaranlage gereinigt. wobei Schwelgas - aus Schwelwer Klarschlamm anfallt. Dieser wird in Faulraumen beheizt, wodurch ken (S. 7); Faulgas und Grundstoffe flir Dlingemittel gewonnen werden. Die Fliissiggas (" Treibgas") Abwasser passieren den Grobrechen a, den Sandfang b, und ge langen dann in das Absetzbecken c. Aile schweren Bestandteile durch Entspannung ver senken sich hier infolge der sehr geringen DurchfluBgeschwindig dampfender, unter hohem keit ab und werden durch einen Rechen in die Schlammgrube d geschoben. Pumpen fiirdern ihn nun in die Faulraume e. Das Druck in Stahlflaschen Ausfaulen geschieht unter Zuhilfenahme von Bakterien dadurch, noch fliissiger Kohlenwas daB der neue Schlamm mit altern bakteriiisem Schlamm "ge serstoffe (Abb. 2); impft" wird. Die Bakterien gedeihen am besten bei einer ganz bestimmten Temperatur (30 bis 40° C). Die Beheizung erfolgt Faulgas - aus stadtischen zweckmaBig und wirtschaftlich durch Faulgasmotoren-Abwarme. Klaranlagen (Abb. 1); Das durch den Faulvorgang gebildete stark methanhaltige Gas Erdgas ("N at urgas " ) - auf entweicht und wird in einem Gasometer g gespeichert, von dem es den Gasmotoren oder sonstigen Verbrauchern zustriimt. Der Olfeldem erbohrt; ausgefaulte Schlamm kommt auf einen Trockenplatz fund wird Olgas - durch Verkrackung spater als Grundstoff flir Dlingemittel verwendet. Das geklarte Wasser kann nun abgeflihrt werden fliissiger Kohlenwasserstof fe. Alle diese Kraftgase sind gleichzeitig Brenngase, konnen also z. B. auch zur Beheizung von I ndustrieofen , Trocknungsanlagen und anderen dienen, umgekehrt jedoch sind nicht alle Brenngase auch Kraftgase, daher in Verbrennungskraftmaschinen nicht ohne wei teres List, Verbrennungskraftmaschine, Bd. 1/2, Schmidt, 2. Auf!. 1 2 Gas als motorischer Kraftstoff ~ ~ ~ .~ I::: ~ '1;; ~ ~ ~ ~ ~ v en <n oj ~ ...,' I-; <lJ e'~ .... 0 "0 .,........ E " N OJ) " " :: @ ~ ~ ~ <:1nl ~ bD OJ) ~ ':1. ~ ;<2n fr< .... I '" '0 oj 1~:'; I ., /,. . ' , ..E<clJ: ~ (I' , I .U<..n, ~ ~~ , , .cc;j ~ ~ r.uf) ~ l.( e-i .ci .D < Gas als motorischer Kraftstoff 3 Zahlentafel 1. Beispiele von Gasen aus festen Brennstoffen Gas- Ausgangs Unterart Gaserzeuger art Brennstoff Z...: Raum ~/~ 1. Gichtgas Koks Hochofen 928 gut 10,0 - - 3,0 28,0 59,0 -------- ~ Waldenburger Drehrost 2. 1160 gut 5,0 - - 11,5 29,5 54,0 Erbskoks aufsteigend -- Koks ----- -------- Harpener Drehrost 3. 1065 gut 7,0 - - 10,8 26,0 56,2 Brechkoks IV aufsteigend ----- -------- ~ Ruhranthrazit Planrost 4. 1310 gut 6,0 0,2 1,5 15,5 24,7 52,1 NuB IV aufsteigend ~ri. Anthrazit Ruhranthrazit Drehrost 1340 -gu-t -4-,7 -- -1-,2 -16-,0 -27-,2 5-0-,9 Nuf3 IV aufsteigend ~ "'13 Fahrzeug- ----- ------ -- Z B. Buchenholz 50x 70 Gasanlage 1342 t 1050'4I 1' BI 18 '2 ')2 0 47,3 oj Feuchtigkeit 20% quer- gu, ~, u ..>: absteigend _._- 0 o Holz -F-ic-h-te-n--BO-x-BOx 100 -~R::Cu-:Ct-:-t-CelC--ro-s--:t-I--- 1 7. 1.0.. -. o F ht' k' 180' b' d 1145 gut 11,00,1 1,215,520,6151,6 ---- '" 1-1' euc 19 elt /0 -aD::~:;::t- • __1_ 1_ _ 1_ _ 1_ ____ 8. 15 ] Weichholz-Abfalle aufsteigend 141" gut 8,4:0,2 3,0 9,828,849,,, 00 ~ -_-R~o=hbr~~~~_h_le_.. N~~:~~a:~~i~er a~~~;::~~ _6'_5b~I_-2_'_0 _10_,_~ ~_5_, !J. ~ i-- 1286 gut :6,0 1 -- II 10. ;". :::r: i1 RheInISche Drehrost 1500 ut 501071 1 7 12,030,550,1 Braunkohlen- Bnke~t-UnIo~ aufstelgend g _'_I~I_'_ ------ .---- 11. Ua)l ~ Brikett Rheinische Drehrost 1200 gut 87041 15_1_2,_92_2_,1 5-4,-4 - --- .rbo:.:jO e..o ____ ~ _____~ nkett-UnI0l1_ Doppelfeuer _'_I~I_' -1.2--. .r;uuo:::j ~aI~-< )BSSrt"caehuinnnokk eoolhkhloleeknns- - Oberschlesische ~DD frrSee tehh'rr looss~ttd ~ 1344 gtu _4,_ I'!1: -_ ~0_,4 I1-4-,4 3_0,_3 5_1,8_ 13. (fl o ___ Sch",elkoks _______~ tei~~~hle____ _aufs.!.eigend 1250 gut ~I--=-~ 13,5 28,6 51,~ --- 14. Holzkohle - ~latnrostd 1320 gut 7,7 - 1,2 18,623,948,6 -- _______~ --I-a-cu,__s-e--'lg"-e-n--I--~ ____________ 15. Torf PLrletaf3utoernf Drehrost 1470 gut 7,50,7 2,012,228,549,1 aufsteigend ~ 1-------------- -cF--la-c-h~s-s-c,h_e_b-e-nI ---=--R-i-it-t-e-l"ro"s-t- ---------- ~ -----~ lB. Flachsscheben 1220 gut 11,00,3 2,014,021,051,7 Viersener Spinnerei I----,D=-o-"'p-"'p-e-,-lf-e-u-e-r-I---_____________ -- Innere Kokosschalen Riittelrost 17. Kokosnuf3schalen Cabello-Venezuela absteigend 1300 gut 12,90,4 2,815,319,748,9 ---- ------"--"-~-ur~i-~a-s~---- Mitt~~-~::t~~~~and 5r~rct ~II'~I~I~12; ~~ 18. - 3983 gut vergaser 1;5 g", Wassergas --1---------1---"---·1--- . I I I 1 I ~. ~~ ~ H=u_c-=c-k_~_~cc~cc~-~-ii-29-0-0- ~1_~'I~~1~9'0I",~~l~~ _ ______K_ O_k_S _____ I------ _ 2682 mcht ~ ~ '"§ Kohlen-Wassergas 1 _20. _~ "~ .'._>':_ Hu =k c3a2l0/N0 bmis3 3.500 Steinkohlen - 3300 nicht 3,4I'0 ,911, 9,5151,0133 ,5I1 1,7 g 21. ~ "'13 ___H _o_lz_-_S_ch_,,_'_el-"'g'--a_s_ ____________ .. __ ~_ 4050 gut 27,0 5'Oi'.2 1'711 ~~~121 9'01-I -=-_ if'; 22. 7; Torf-Schwelgas (nach 3265 gut 55,4 ~~1~5~1~~ 12,3~ ~3. ~ ~ ::];-I-_-13-_r-a-u-n-~-o-I~-le--n"-_--s-c-~_-v.:-~-lg-_a -s----- -~ ~--_-_-_ FISCHER) 5260 gut 27,77, 1'38, ~1115, 011~1--=-_ 1 1 A. "" Steinkohlen-Schwelgas 7300 gut 11,2,6,667,412,8 2,0 - 2.~. Torf-Destillationsgas I----------I3-22~0~ gut 14,014,0 7,0140,0130,0: 5,0 g --1-----1--1-- ~ ~ siehe Anhalts· 26. :§bi£f:; E;:•: "'!r:;: --B-ra-un-k-oh-l-cn--B-r-ik-et-t--De-s-til-la-ti-on-sg-a-s zsachhleesn BRrhaue.inn-i·· 3190 gut .')..3, 014, 163, 3I3 6'1 2i 27J 1I 3'0 ~ ..>: C~ii ksioehhele nH-Sanydnbdulkcaht --__1 _ 1 __ i1 __ I1_ _ 27. ~ § ~ Steinkohlen-Destillationsgas (Hiittengas) 'h~~t~~~~~~~s 4810 gut 2,73,8129,8150,8: 9,611. 3,3 :> M Kohien-Syndikat 1 I I 'I 28. ---cL:c-eu-c--=-h---t-g-as-(:-S=·C-ta-dCCt-g-a-s---K:-::cc6=--ln-c)--------- - 4010 gut 3] 2,1 !25,9148,1 -6,214,8 1 I' Gas als motorischer Kraftstoff verwertbar. Ungeeignet, bzw. schwierig zu verkraften sind z. B. wegen der Neigung zu scharfen Ztindungen Wassergas (S. 3), Azetylengas, Wasserstoff. N ur selten ist Kraftgas homogen, meist ist es ein Gemisch aus verschiedenen Einzelgasen. Die Zahlentafeln 1 und 2 geben einen Uberblick tiber Kraftgase und Brenngase. Zahlentafel 2. Beispiele von Brenngasen verschiedener Herkunft I Unterer Gasheizwert I Name Eignung fiir Gasmotor kcal/Nm3 I Erdgas "feucht" 8100 gut Erdgas "trocken" 10000 gut Faulgas 6400 gut Fliissiggas 11000 gut Wasserstoff 2570 schwieriger Methan 8550 gut Propan 22350 gut Butan 29510 gut Gaskraft-Anlagen lit//z/eisiwig Die besondere Eignung der em Kolben fi8smoior .30b;;538% zelnen Kraftgase zum Betrieb von R017g8S Gasmotoren wird in Band 5 dieser Sammlung behandelt. W irtschaftlich entscheidend ist meist der auf C8S -Turbine ol7ne f118rme- gleichen unteren Heizwert bezogene 18t/scl7er Gaspreis - und dieser ist ortlich und auch zeitlich je nach Vorkom men oder Erzeugung sehr verschie C8S -TurClfle m;/ fIIJrme 20 blii 30 % den. Erdgas zum Beispiel kann /8uscl7er auf Bohrfeldern im Uberflu13 zur Verftigung stehen, anderwarts gar nicht. lTIeuirtbJilnueT / zo bls 30 % Den Anreiz, feste - oder in Einzelfallen fltissige - Brennstoffe ganz oder teilweise in motorisch T gut verwertbares Gas zu verwan ~ !J8mjJTl:r8/?· deln (zu "konvertieren"), bieten 01( \ Ao/8ge 1(7 CIS J(7 % 1. die erwahnte, fUr Motoren ,P Ko leichte und gut regelbare Verbren nung, 8 2. die gute Reinigungs-, Fort b8S -!J8m,of- leitungs- und Verteilmoglichkeit, Ai7I8ge 35 bls (/0 % 3. ein im Vergleich zu anderen Energietragern oft niedrigerer War mepreis. Abb. 3. Prinzip-Schema der Gasverwendung zur Kraftstoff 1m Verlauf der letzten beiden erzeugung. B Brennkammer; DK Dampfkessel; DT Dampf J ahrzehnte sind allerdings die Preise turbine; G T Gasturbine; G V Gasverdichter; Ko Kondensator; Kit Kuhler; L T Luftturbine; LV Luftverdichter; M Motor; fUr vergasbare Kahle wesentlich ge P Speisepumpe; R Reiniger; 5 V Speisewasser-Vorwarmer; stiegen, ftir Erdol und seine Raffi W Warmetauscher nate dagegen geblieben oder sogar gefallen. Daher kommen heute fUr verschiedene Anwendungen - erwahnt sei die Rhein Schleppschiffahrt - nur Dieselmotoren zum Einbau, wo man vor zwanzig J ahren auch Gas als motorischer Kraftstoff 5 gem Gasmotoren wiihlte. Man mu/3 jedoch beachten, da/3 Brennstoffpreise schwanken, und auch heute ist vielerorts noch fester vergasbarer Brennstoff, auf gleiche Kraftaus beute bezogen, billiger als fliissiger. 4. Das Bestreben, einen vorhandenen fest en oder £liissigen Brennstoff (Ausgangs brennstoff) auf bestmogliche Weise gesamt-wirtschaftlich auszunutzen und Wertstotfe ver schiedener Art zu gewinnen, wobei dann Gas als Nebenerzeugnis anfiillt und zu Heiz undJoder Kraftzwecken verfiigbar ist. Hat man sich dariiber Klarheit verschafft, da/3 der Aggregatzustand des Brenn stoffes, den man zur Krafterzeugung verwenden will, Gas sein solI, dann folgt die Uber legung, ob es in Kolben-Verbrennungskraftmaschinen oder Gas-Turbinen oder Heil3luft-Turbinen oder Dampfanlagen verbrannt und verkraftet werden soIl (Abb. 3). Den besten Nutzwirkungsgrad, das Verhiiltnis der gewonnenen Nutzleistung zum Heizwert des Brennstoffes wird - zumal bei Leistungen bis etwa 1500 PS - in den meisten Fiillen die Kolben-Verbrennungskraftmaschine erzielen (Band 5 dieser Samm lung). Die Gasturbine hat den Vorzug niedrigen Gewichtes und geringer Raumbean spruchung, besonders dann, wenn man sich einen miiJ3igen N utzwirkungsgrad durch Verzicht auf die sonst recht gro/3en Wiirmetauscher leisten kann. Dies diirfte z. B. fUr Notstrom-Aggregate hiiufig der Fall sein. Die HeifJluftanlage stellt wesentlich gering ere Anspriiche an die Sauberkeit des Gases, verlangt aber durch die hier unumgiinglichen Wiirmetauscher viel Platz und kann nur bei gro/3en Leistungen thermodynamisch an die Kolben-Gasmaschine herankommen. Auch die Damp/anlage ist recht bescheiden in ihren Anspriichen an die Gasreinheit (Kesselfeuerung). Hier gilt jedoch ebenso, da/3 nur sehr gro/3e Leistungen sich der Kolben-Verbrennungskraftmaschine im N utzwirkungsgrad niihem. N och sehr wenig angewandt wird die Verbindung einer Dampfturbine mit einer Gasturbine, z. B. in der Art, da/3 die Dampfkessel-Gasfeue rung unter einem solchen Druck be trieben wird, wie er als Anfangs spannung fUr die Gasturbine giinstig ist. Solche Anlagen versprechen sehr gute n Nutzwirkungsgrad, sind aber vielteilig. Dem H eizol ist Gas sowohl fUr die Gasturbine als auch fUr eine ver bundene Gas- und Dampfturbinen Anlage vielfach auch deshalb vor zuziehen, weil eine Schiidigung der .\bb. 4. Kraft-Warme-Anlage mit Gaserzeuger. Laufschaufeln durch Vanadium Ga Gaserzeuger; Ge Gasforderer; Gl Hochtemperatur-Gliih Pentoxyd nicht zu befiirchten ist, ofe n ; M Gasmotor; Ra Raumheizung; R Reiniger; und man deshalb auf hahere Ein Tr Trockenkammer; V Vorreiniger tritts-Temperaturen in der Gastur- bine gehen kann. Die Dampfanlage hat bekanntlich weitgehende Moglichkeiten einer Verbindung von Kraft- und Wiirme-Wirtschaft. Es wiire aber falsch, zu glauben, da/3 nicht auch eine Gas anlage hiiufig eine recht giinstige Koppelung einer Wiirme- mit einer Kraftzentrale in industriellen Betrieben, auch auf Schiffen, zulii/3t. Die Kraft-Wiirme-Wirtschaft auf reiner
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