DE10062320A1 - Abhitzekessel zum Kühlen von heißem Synthesegas - Google Patents

Abstract

Ein Abhitzekessel zum Kühlen von heißem Synthesegas im Wärmetausch mit unter Siededruck stehendem Wasser besteht aus einem äußeren Druckmantel (1), der einen bis zu einem vorgegebenen Flüssigkeitsspiegel (4) mit dem siedenden Wasser gefüllten Wasserraum (2) und darüber einen Dampfraum (3) aufweist. In dem Wasserraum (2) sind Wärmetauscherrohre (5) angeordnet, die von dem zu kühlenden Synthesegas durchströmt sind. Den Wärmetauscherrohren (5) ist ein Überhitzer zum Überhitzen des aus dem siedenden Wasser entstandenen Sattdampfes nachgeschaltet. Dieser Überhitzer befindet sich zumindest teilweise in dem Dampfraum (3) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) und ist mit geraden Rohren (7) versehen, die von dem aus den Wärmetauscherrohren (5) austretenden Synthesegas durchströmt und von dem aus dem Wasserraum (2) austretenden Dampf umströmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abhitzekessel zum Kühlen von heißem Synthesegas mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Heiße Synthesegase wie sie z. B. in Öl- oder Rückstandsvergasungsanlagen erzeugt werden, werden in einem dem Vergasungsreaktor nachgeschalteten Synthesegas-Abhitzekessel abgekühlt. Die in dem Synthesegas enthaltene Wärmeenergie wird rückgewonnen, wobei Hochdruck-Sattdampf erzeugt wird. Zur weiteren sinnvollen Nutzung ist dieser Sattdampf in der Regel zu überhitzen.

Synthesegas-Abhitzekessel zur Hochdruck-Sattdampferzeugung bestehen zum Beispiel aus spiralförmig geformten Rohrschlangen oder einem Bündel aus geraden oder U-förmig gebogenen Rohren, die die Wärmeaustauschfläche bilden. Das heiße Synthesegas durchströmt diese Rohrschlangen oder Rohrbündel und gibt seine Wärme an das die Rohrschlange oder das Rohrbündel innerhalb eines Druckmantels umgebende und unter Siededruck stehende Wasser ab.

Der Sattdampf wird in einem separaten, dem Abhitzekessel nachgeschalteten Überhitzer überhitzt. Es sind auch in Synthesegas-Abhitzekessel integrierte Dampfüberhitzer bekannt, die aus spiralförmig geformten Rohrschlangen bestehen, die den Abhitzekessel-Rohrschlangen nachgeschaltet sind und bei denen das Synthesegas in gleicher Weise wie bei dem Abhitzekessel die Rohrschlange durchströmt. Die Überhitzer-Rohrschlangen weisen in der Regel einen kleineren Rohrdurchmesser als die Abhitzekessel- Rohrschlangen auf. Der Sattdampf wird um die Überhitzerrohrschlange geführt und dabei überhitzt. Diese Bauart weist die folgenden gravierenden Nachteile auf: Sie ist spezifisch teuer und aufwendig; sie ist nur mit erheblichem Aufwand zu inspizieren und zu reparieren. Das die Überhitzerrohrschlange durchströmende Synthesegas kann Ablagerungen innerhalb des Rohrschlangenrohres hervorrufen, die zu Verstopfung und damit Unwirksamkeitwerden des Überhitzers führen. Aufgrund des relativ kleinen Rohrdurchmessers sind diese Verstopfungen kaum oder nur mit großem Aufwand zu beheben.

Des Weiteren sind in Synthesegas-Abhitzekessel integrierte Rohrschlangen-Dampfüberhitzer bekannt (Chem.-Ing.-Techn. 56 (1984 Nr. 5, S. 356-360), bei denen das Synthesegas um die Rohrschlangenrohre und der zu überhitzende Sattdampf durch die Rohrschlangenrohre geführt wird. Auch für diesen integrierten Dampfüberhitzer gilt, dass er spezifisch teuer und aufwendig ist und nur mit erheblichem Aufwand zu inspizieren und zu reparieren ist. Darüber hinaus werden zumindest bei der Vergasung flüssiger Einsatzstoffe die Strömungskanäle zwischen der Rohrschlange durch Ablagerungen aus dem Synthesegas verstopft. Diese Ablagerungen können nicht entfernt werden und machen den Überhitzer nach einer gewissen Zeit unwirksam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Überhitzer so in den Abhitzekessel zu integrieren, dass eine einfache und kostengünstige Bauweise entsteht, bei der der Überhitzer relativ einfach zu inspizieren, zu reinigen und zu reparieren ist.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Abhitzekessel erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung und deren Vorteile seien nachfolgend an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch den Längschnitt durch den oberen Teil eines Abhitzekessels zum Kühlen von Synthesegas.

Der Abhitzekessel zum Kühlen von Synthesegas ist ein Wärmetauscher stehender Bauart. Es besteht aus einem Druckmantel 1, der einen Wasserraum 2 und einen darüber angeordneten Dampfraum 3 umschließt. Der Wasserraum 2 ist bis zu einem Flüssigkeitsspiegel 4 mit unter hohem Siededruck stehendem Wasser gefüllt. Zur Zuführung des als Wärmeaustauschmedium dienenden Wassers ist in dem unteren, nicht gezeigten Teil des Druckmantels 1 ein Zuführungsstutzen angebracht.

In dem Wasserraum 2 sind Wärmetauscherrohre 5 angeordnet, die von dem zu kühlenden Synthesegas durchströmt sind. Die Wärmetauscherrohre 5 sind als spiralförmig gebogene Rohrschlangen ausgebildet, die ein- oder mehrgängig sein können. Im Wärmetausch mit dem heißen Synthesegas verdampft das die Wärmetauscherrohre 5 umgebende Wasser teilweise und tritt als Sattdampf am Flüssigkeitsspiegel 4 in den Dampfraum 3 ein. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 4 befindet sich in dem Dampfraum 3 ein Tropfenabscheider 6 zur Trocknung des Sattdampfes.

Den als Verdampfer dienenden Wärmetauscherrohren 5 ist ein Überhitzer nachgeschaltet, der das Synthesegas weiter abkühlt und dabei den getrockneten Sattdampf überhitzt. Der Überhitzer ist zumindest teilweise innerhalb des Druckmantels 1 angeordnet und damit in den Abhitzekessel integriert. Der Überhitzer enthält ein vertikal ausgerichtetes Bündel aus geraden, in mehreren Reihen nebeneinander angeordneten Rohren 7, die in einen unteren Rohrboden 8 und einen oberen Rohrboden 9 dicht eingesetzt sind. Der untere Rohrboden 8 stellt den oberen Teil einer haubenförmige Gaseintrittskammer 10 dar, in die die Wärmetauscherrohre 5 einmünden.

Das Bündel der Rohre 7 des Überhitzers ist von einem Leitmantel 11 umschlossen, der bis nahe an den unteren Rohrboden 8 reicht. Dabei wird ein zwischen der Unterkante des Leitmantels 11 und dem unteren Rohrboden 8 ein Durchgang gebildet. Der Überhitzer ragt aus dem Druckmantel 1 heraus. An der Austrittsstelle des Überhitzers ist der Leitmantel 11 mit dem Druckmantel 1 dicht verbunden. Außerhalb des Druckmantels 1 ist an den Leitmantel 11 ein Austrittsstutzen 12 angeschlossen.

Oberhalb des oberen Rohrbodens 9 befindet sich eine haubenförmige Gasaustrittskammer 13. Die Gasaustrittskammer 13 und der Leitmantel 11 sind jeweils mit einem Ringflansch 14, 15 versehen. Zwischen diese beiden Ringflansche 14, 15 ist der oberen Rohrboden 9 eingespannt.

Innerhalb des Leitmantels 11 sind versetzt zueinander und quer zu den Rohren 7 Umlenkbleche 16 angeordnet, die als Schikanen für das die Rohre 7 umströmende Medium dienen.

Der Überhitzer ist so innerhalb des Druckmantels 1 angeordnet, dass die Gaseintrittskammer 10 mit dem unteren Rohrboden 8 sich in dem Wasserraum 2 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 4 befindet. Die Gaseintrittskammer 10 ist damit von der Wasserseite gut gekühlt, wodurch Materialüberhitzungen vermieden werden.

Zwischen der Reihen der Rohre 7 sind durch den unteren Rohrboden 8 Querbohrungen 17 hindurchgeführt, die zum Wasserraum 2 hin an beiden Enden offen sind. Die Querbohrungen 17 sind damit mit Wasser gefüllt, welches den unteren Rohrboden 8 kühlt.

Ein Kragen 18 ist mit dem äußeren Rand des unteren Rohrbodens 8 dicht verbunden. Dieser Kragen 18 umgibt den unteren Teil des Leitmantels 11 unter Bildung eines Ringraumes 19. Die Oberkante des Kragens 18 reicht nach oben über den Flüssigkeitsspiegel 4 hinaus in den Dampfraum 3. Zwischen dem Kragen 18 und dem Druckmantel 1 erstreckt sich der Tropfenabscheider 6 quer durch den Dampfraum 3.

Der beschriebene Abhitzekessel arbeitet auf folgende Weise. Das zu kühlende, heiße Synthesegas, zum Beispiel aus einem Vergasungsreaktor wird den Rohrschlangen der Wärmetauscherrohre 5 zugeführt, durchströmt diese Wärmetauscherrohre 5 und tritt in die Gaseintrittskammer 10 ein. Die Gaseintrittskammer 10 verteilt das Synthesegas auf die Rohre 7 des Überhitzers. Nach dem Durchströmen der Rohre 7 des Überhitzers gelangt das Synthesegas in die Gasaustrittskammer 10, von wo aus es abgeführt wird.

In den Druckmantel 1 des Abhitzekessels wird so viel unter hohen Druck stehendes Wasser eingespeist, dass der Flüssigkeitsspiegel 4 auf einer vorgegebenen Höhe eingehalten wird. Das in dem Wasserraum 2 vorhandene, die Wärmetauscherrohre 5 umgebende Wasser verdampft im Wärmetausch mit dem heißen Synthesegas teilweise und tritt als Sattdampf am Flüssigkeitsspiegel 4 in den Dampfraum 3 aus. Beim Durchtritt durch den Tropfenabscheider 6 wird der nasse Sattdampf getrocknet. Von hier strömt der getrockene Sattdampf in den Ringraum 19 zwischen dem Kragen 18 und dem Leitmantel 11 nach unten und tritt durch den Durchgang zwischen der Unterkante des Leitmantels 11 und dem unteren Rohrboden 8 in den von dem Leitmantel 11 umschlossenen Innenraum ein. An dieser Stelle beginnt die Überhitzung des Sattdampfes, indem der getrocknete Sattdampf unter häufiger Umlenkung an den Umlenkblechen 16 an den Rohren 7 des Überhitzers entlang zum Austrittsstutzen 12 geführt wird und dabei die Wärmeenergie des durch die Rohre 7 strömenden Synthesegases aufnimmt. Der überhitzte Dampf wird durch den Austrittsstutzen 12 abgeführt.

Der mit dem äußeren Rand des unteren Rohrbodens 8 dicht verbundene Kragen 18 verhindert eine Flutung des Überhitzers mit siedendem Wasser.

Der Umstand, dass das gesamte Unterteil des Überhitzers, bestehend aus Kragen 18, unterem Rohrboden 8 und Gaseintrittskammer 10 sowie die Wärmetauscherrohren 5 in das siedende Wasser im Wasserraum 2 eintauchen, bewirkt eine sehr effektive und sichere Kühlung dieser durch das heiße Synthesegas berührten Teile.

Die Bauart des beschriebenen Abhitzekessels mit integriertem Überhiter ist konzeptionell einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen. Das gesamte Überhitzer-Rohrbündel ist als Ganzes aus dem Abhitzekessel ausbaubar, leicht zu inspizieren, zu reinigen und zu reparieren. Die Innenseite der geraden Rohre 7 des Überhitzers ist mechanisch leicht von Ablagerungen zu reinigen. Der Überhitzer kann dazu in dem Synthesegas- Abhitzekessel eingebaut bleiben. Lediglich die Gasaustrittskammer 13 ist zu entfernen, wodurch die Überhitzerrohre 7 von oben zugänglich werden.

Claims (6)

1. Abhitzekessel zum Kühlen von heißem Synthesegas im Wärmetausch mit unter Siededruck stehendem Wasser, bestehend aus einem äußeren Druckmantel (1), der einen bis zu einem vorgegebenen Flüssigkeitsspiegel (4) mit dem siedendem Wasser gefüllten Wasserraum (2) und darüber einen Dampfraum (3) aufweist, aus Wärmetauscherrohren (5), die in dem Wasserraum (2) ausgeordnet und von dem zu kühlenden Synthesegas durchströmt sind, und aus einem Überhitzer zum Überhitzen des aus dem siedenden Wasser entstandenen Sattdampfes, der den Wärmetauscherrohren (5) nachgeschaltet und innerhalb des Druckmantels (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass . der Überhitzer sich zumindest teilweise in dem Dampfraum (3) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) befindet und dass der Überhitzer mit geraden Rohren (7) versehen ist, die von dem aus den Wärmestauscherrohren (5) austretenden Synthesegas durchströmt und von dem aus dem Wasserraum (2) austretenden Dampf umströmt sind.

2. Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (7) des Überhitzers in einem unteren Rohrboden (8) und einen oberen Rohrboden (9) dicht eingesetzt und von einem Leitmantel (11) umgeben sind, dass der untere Rohrboden (8) eine Gaseintrittskammer (10) nach oben begrenzt, in die die Wärmeaustauschrohre einmünden und dass sich der untere Rohrboden (8) mit der Gaseintrittskammer (10) in dem Wasserraum (2) unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) befindet.

3. Abhitzekessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil des Überhitzers aus dem Druckmantel (1) herausragt und dass der Leitmantel (11) an der Durchtrittsstelle des Überhitzers mit dem Druckmantel (1) dicht verbunden ist.

4. Abhitzekessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitmantel (11) bis nahe an den unteren Rohrboden (8) reicht, dass der untere Rohrboden (8) mit einem Kragen (18) verbunden ist, der den Leitmantel (11) auf einer Teillänge des Überhitzers unter Bildung eines Ringraumes (19) mit radialem Abstand umgibt und dass der Kragen (18) bis in den Dampfraum (3) hineinragt.

5. Abhitzekessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tropfenabscheider (6) sich zwischen dem Kragen (18) und in dem Druckmantel (1) quer durch den Dampfraum (3) erstreckt.

6. Abhitzekessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rohrboden (8) zwischen den Reihen der Rohre (7) von durchgehenden Querbohrungen (17) durchdrungen ist, die zu dem Wasserraum (2) hin offen sind.