DD215326B3

DD215326B3 - Austrags- und kuehlvorrichtung fuer heisse reaktionsgase

Info

Publication number: DD215326B3
Application number: DD25027683A
Authority: DD
Inventors: Joachim Heynisch; Horst Burkhardt; Lutz Groeschel; Peter Krieg; Berthold Neumann; Gerhard Richter; Volker Schimmeier; Andrea Schmidt; Johannes Slabik
Priority date: 1983-04-28
Filing date: 1983-04-28
Publication date: 1995-09-07
Also published as: DD215326A1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austragen und zur direkten Kühlung heißer, mit geschmolzenen Reaktionsrückständen beladener Reaktionsgase aus unter erhöhtem Druck stehenden Reaktoren. Insbesondere kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der autothermen, nichtkatalytischen Druckspaltung bzw. Druckvergasung von Asche enthaltenden Kohlenwasserstoffen zur Anwendung, deren Reaktionsgase auf annähernde Sättigungstemperatur gekühlt '« л"<лг müssen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei Verfahren der Spaltung bzw. Vergasung aschehaltiger fester bzw. flüssiger Kohlenwasserstoffe unter höherem als atmosphärischem Druck, welche mit Reaktionstemperaturen arbeiten, die über der Schmelztemperatur der enthaltenen anorganischen Bestandteile liegen, sind Schwierigkeiten beim flüssigen Schlackeabzug bekannt.

Nach DE-OS 2 718 539, DD-WP 8 231, DE-PS 1 022 736 und DE-PS 1 208 443 wird ein getrennter Abzug von Reaktionsgas und flüssiger Schlacke vorgeschlagen. Im Reaktorunterteil besteht durch Unterschreiten der Schlackeschmelztemperatur infolge ungenügenden Wärmeangebotes bei geringer Durchströmung die Gefahr des Verschlusses der Schlackeauslauföffnungen.

Ähnliche Verhältnisse liegen bei der nach DD-AP 119 266 vorgeschlagenen technischen Lösung vor. Eine auf die Schlackeauslauföffnung des Reaktors gerichtete Sauerstofflanze zum Aufschmelzen von Schlackeanbackungen ermöglicht im nur ungenügend durchströmten Schlackeabzugsschacht die Bildung explosibler Gemische und ist aus sicherheitstechnischer Sicht fragwürdig.

Eine nach DE-OS 2 940 933 ausgeführte Löschring- und Tauchrohrbaugruppe für Reaktionsbehälter läßt auf Grund der Wasserführung eine unbefriedigende Durchmischung von schlackehaltigem Gas und Kühlwasser erwarten. Bei dieser Ausführung kann eine nicht zu beherrschende Vergrößerung der Reaktoröffnung durch Abschmelzen des feuerfesten Materials eintreten.

Aus dem Stand der Technik sind weiter verschiedene Lösungen bekannt geworden, nach denen die Bauteile im Gasaustrittsbereich durch Kühlmantel gegen Überhitzung geschützt werden sollen. Das sind beispielsweise die Lösungen nach US-PS 3 544 291, GB-PS 1 371 296 oder DD-PS 145 025. Dabei soll u. a. durch Kühlung im Gegenstrom ein besserer Wärmeaustausch erreicht werden. Da auch die Art des Kühlwassereinlaufs eine Bedeutung für die Kühlung haben kann, wurde zur Verringerung der Wirbelbildung nach US-PS 3 164 644 ein tangentialer Wassereinlauf vorgeschlagen.

Bekannt ist auch das direkte Einspritzen von Wasser in den heißen Gasstrom, so beispielsweise nach GB-PS 1 371 296, DD-PS 145 025 oder DE-AS 2 650 512.

Nach DE-AS 2 425 962 wird das im Generator erzeugte heiße Gas durch einen wassergekühlten Stutzen abgeführt und dabei durch Wassereindüsung gekühlt.

Die letztgenannten Lösungen zum Stand der Technik dienen der Beherrschung eines normalen Reaktorbetriebes. Instationäre Betriebszustände, die vor allem im An- und Abfahrbetrieb eintreten können, werden mit diesen Lösungen nicht immer zu beherrschen sein.

Die unten beschriebene Erfindung geht von deren Unzulänglichkeit aus.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die heißen, mit geschmolzenen Reaktionsrückständen beladenen Reaktionsgase aus dem Reaktor selbst bei instationären Betriebszuständen, wie An- und Abfahrvorgängen sicher auszutragen und zu kühlen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Austragen und Kühlen schlackebeladener Reaktionsgase aus Reaktoren zu entwickeln, welche die Nachteile der bekannten technischen Lösungen abwendet, bzw. nur in geringem Maße aufweist.;

Erfindungsgemäß wird dazu ein Strömungskanal angeordnet, der aus einer unmittelbar im Reaktorboden heißgehenden, nicht erweiterten Düse, der sich nach einer definierten Querschnittserweiterung ein Kühlrohr anschließt, besteht. Die heißgehende, nicht erweiterte Düse wird durch einen gekühlten, metallischen Ring gebildet, der gasseitig mit feuerfestem Material verkleidet ist. Der freie Durchmesser der Düse ist entsprechend der geforderten Spaltgasgeschwindigkeit von 80. ..120 m/s dimensioniert. Das Kühlrohr weist ebenfalls einen mit der Kühlung der Düse verbundenen Kühlmantel auf, der in seinem Unterteil einen tangentialen Wassereinlauf aufweist. Weiter sind im Oberteil dieses Kühlrohres über dessen Umfang verteilte, in den Spaltgäsweg weisende Wasseraustrittsöffnungen mit definierter, eine bestimmte Wasseraustrittsgeschwindigkeit garantierender Öffnungsweite angeordnet.

Die mit geschmolzener. Schlacke beladenen Reaktionsgase verlassen den Reaktor über den im Reaktorboden angeordneten Strömungskanal, durchströmen dabei die Düse und gelangen dann in das Kühlrohr. Als Kühlmedium wird vorzugsweise Weichwasser eingesetzt. Die o. g. Ausführung der Düse garantiert auf Grund der ungünstig gestalteten Wärmedurchgangsverhältnisse vom heißen Reaktionsgas zur Wasserseite der Düse hin eine gasseitige Oberflächentemperatur des feuerfesten Materials im Bereich des Schmelzpunktes der im Reaktionsgas mitgeführten, geschmolzenen Schlacke. Unter Voraussetzung quasi konstanter Wärmeübergangsverhältnisse auf der Gas- bzw. Wasserseite der heißgehenden Düse ist somit ein Zusetzen derselben mit erstarrender Schlacke auszuschließen, da eine zusätzliche Schlackeschicht auf dem feuerfesten Material die Wärmedurchgangsverhältnisse vom heißen Reaktionsgas zur Wasserseite hin weiter verschlechtern würde, die gasseitige Oberflächentemperatur der Düse über den Schmelzpunkt der Schlacke ansteigen und die Schlacke abschmelzen würde. Andererseits wird die heißgehende Düse durch die Wasserkühlung vor unzulässigem Abtrag des feuerfesten Materials geschützt. Eine Verringerung der Schichtdicke des feuerfesten Materials würde die gasseitige Oberflächentempertatur infolge Verbesserung der Wärmedurchgangsverhältnisse unter den Schlackeschmelzpunkt absenken und das abgetragene feuerfeste Material durch erstarrende Schlacke ersetzen.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden soll die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austragen und Kühlen eines bei der autothermen, nichtkatalytischen Druckspaltung von aschehaltigen Kohlenwasserstoffen entstehenden Spaltgases erläutert werden. Die Zeichnung stellt die Anordnung des Strömungskanales 1 im Unterteil des unter einem Druck von 2,5 MPa arbeitenden Reaktors 2 dar. Im Ausführungsbeispiel ist der druckfeste Reaktormantel 3 durch einen wassergefüllten Ringspalt 4 vor Temperaturüberbeanspruchung geschützt. Auf dem Reaktorinnenmantel 5 aus dünnwandigem Kesselblech ist eine Schutzschicht 6 aus feuerfestem Material aufgebracht.

Im Reaktorboden tritt das саЛ 300 ⁰C heiße, geschmolzene Schlacke enthaltene Spaltgas 7 durch die heißgehende, nicht erweiterte Düse 8 in das Kühlrohr 9, wo es unmittelbar nach der plötzlichen Querschnittserweiterung durch Einspritzen von Kühlwasser auf ca. 180⁰C gekühlt wird. Die Kühlwassermenge ist mit 1... 1,5 kg/m³ (N) Spaltgas so bemessen, daß nach Verdampfen von ca. 0,6 kg Wasser pro 1 m³ (N) Spaltgas noch ausreichend Wasser zum Auswaschen der Schlacke vorhanden ist. Im nachfolgenden Trennbehälter 10 werden aschehaltiges Kühlwasser im Sumpf und auf annähernde Sättigungstemperatur gekühltes, gereinigtes Spaltgas im Oberteil getrennt abgezogen und in bekannter Weise weiterverarbeitet. Die Düse 8 wird durch einen gekühlten Ring aus dünnwandigem Kesselblech gebildet, der gasseitig verstiftet und mit feuerfestem Material verkleidet ist. Der freie Durchmesser der Düse ist so bemessen, daß das Spaltgas 7 auf eine Geschwindigkeit von 80...120 m/s beschleunigt wird und als Freistrahl keinen direkten Kontakt mit dem Kühlrohr 9 hat. Die freien Durchmesser des Kühlrohres 9 zu Düse 8 müssen mindestens das Verhältnis 3:1 bilden. Die Schichtdicke des feuerfesten Materials im Strömungskanal der Düse 8 ist unter Berücksichtigung der Wärmedurchgangsverhältnisse vom heißen Spaltgas zur Wasserseite hin so gewählt, daß die gasseitige Oberflächentemperatur des feuerfesten Materials im Bereich des Schmelzpunktes der mitgeführten Schlacke liegt. Wasserseitig ist die heißgehende Düse 8 unmittelbar mit dem doppelwandigen Kühlrohr 9 verbunden. Eine Schikane 15 garantiert die Kühlung der Düse 8. Das zur direkten Kühlung und Reinigung des Spaltgases 7 notwendige Kühlwasser 11 wird über einen Wasserzulauf 12 im Unterteil des Kühlrohres 9 tangential zugeführt. Das Kühlwasser 11 durchströmt den Wassermantel 13 des Strömungskanales 1 und gelangt unmittelbar unterhalb der Düse 8 durch 18 über den Umfang des Kühlrohres 9 verteilte Wasseraustrittsöffnungen 14 in den Gasstrom. Der Durchmesser der Wasseraustrittsöffnungen ist so gewählt, daß das Kühlwasser 11 auf eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 30 m/s beschleunigt wird. Auf der gasseitigen, gekühlten Oberfläche des Kühlrohres 9 bildet sich so ein Kühlwasserschleier aus, der ein Anbacken der zum Teil noch flüssigen Schlacke verhindert.

Der Strömungskanal 1 wird durch einen in die Flanschverbindung 16 von druckfesten Reaktormantel 3 und Trennbehälter einbezogenen Stützring 17 getragen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

US-PS 3 544 291 (C 10 J 3/16) GB-PS 1 371 296 (C 10 J 3/16) DD-PS 145 025 (C 10 J 3/52) DE-AS 2 650 512 (C 10 K 1/04) DE AS 2 425 962 (C 10 J 3/48) US-PS 3 164 644 (Kl. 261-159)

Claims

1. Austrage- und Kühlvorrichtung für heiße Reaktionsgase, die mit geschmolzenen Reaktionsrückständen beladen aus Reaktoren austreten, die unter erhöhtem Druck betrieben werden, insbesondere aus Reaktoren der autothermen, nichtkatalytischen Druckspaltung bzw. Druckvergasung, als doppelwandiger, wassergekühlter Stutzen ausgeführt und koaxial im Reaktorboden angeordnet, innen bestehend aus

- der heißgehenden, unerweiterten Düse (8), gebildet durch den metallischen Ring, der gasseitig mit der feuerfesten Schicht versehen ist und

- dem sich nach einer Querschnittserweiterung auf einen mindestens dreifachen freien Durchmesser der Düse (8) anschließenden Kühlrohr (9).

2. Austrags- und Kühlvorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der freie Durchmesser der Düse (8) einer erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeit von 80 bis 120 m/s entspricht.

3. Austrags- und Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Oberteil des Kühlrohres (9), über seinen Umfang verteilt, Wasseraustrittsöffnungen (14) mit einer eine erforderliche Wasseraustrittsgeschwindigkeit von mindestens 30 m/s garantierenden Öffnungsweite in Richtung des Reaktionsgasstromes angeordnet sind.