DE102006057734B4

DE102006057734B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Abschlämmung von sich auf einem Rohrboden ablagernden Feststoffen

Info

Publication number: DE102006057734B4
Application number: DE102006057734.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Michel
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: EP2087281B1; KR101385415B1; DE102006057734A1; WO2008067908A3; HK1142944A1; WO2008067908A2; JP2010521640A; EP2087281A2; CN101809367B; CN101809367A; KR20090096447A

Abstract

Verfahren zur Abschlämmung von sich insbesondere auf einem Rohrboden eines Vertikal-Abhitzekessels ablagernden Feststoffen mit Hilfe des eingesetzten Kühlwassers, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Vielzahl von im Winkel zur Vertikalen angeordneten, im Rohrboden eingebrachten Kühlbohrungen eine Zwangsströmung des Kühlwassers im Bereich der Rohrbodenoberfläche bewirkt wird.

Description

Allgemeiner Stand der Technik zur Wärmerückgewinnung durch Abhitzekessel:
In vielen Chemieprozessen entsteht aufgrund der Prozessführung die Notwendigkeit, die durch den Prozess freigesetzte Wärmeenergie sinnvoll zu nutzen. Dies geschieht meist durch Dampferzeugung in Abhitzekesseln, die die Prozessenergie nutzbar macht zum Antrieb von Turbinen oder anderen Anwendungen des Produktdampfes.
Zur Anwendung kommen unterschiedlichste Bauarten von Abhitzekesseln horizontaler und vertikaler Bauart. Diese Bauarten sind in verschiedenen Patenten und in der Literatur beschrieben.
Horizontale Kessel haben in der Regel eine separate Dampftrommel, die über Steig- und Fallleitungen mit dem eigentlichen Kessel verbunden ist. Aus dieser Anordnung ergibt sich ein Naturumlauf im Kessel aufgrund der unterschiedlichen Fluiddichten in den Steig- und Fallrohren und im Kessel. Die lokale Aufteilung des Wasserumlaufes über die Kessellänge ergibt sich aus der Anordnung der Steig- und Fallrohre auf dem Mantel. Da die Dampfproduktion über die Länge des Rohrbündels abnimmt, ist der erste Bereich des Rohrbündels besonders kritisch bezüglich hinreichender Wasserzirkulation zur Vermeidung von Filmsieden mit instabilen oder stabilen Dampffilmen auf der Rohroberfläche, die zur Überhitzung und Versagen der Rohre führen können. Horizontale Kessel sind besonders empfindlich bei Verlust des Wasserstandes in der Dampftrommel, da dann die oberen Rohrreihen des Bündels trockenfallen und zerstört werden können.
Vertikale Kessel haben meist U-Rohr-Bündel mit dem Vorteil einer in den Apparatemantel integrierten Dampftrommel. Daher sind sie unempfindlicher gegen Wasserstandsverluste, da das Rohrbündel sich frei ausdehnen kann. Die Anordnung der Rohre erfolgt entweder in konventioneller U-Rohr-Anordnung mit heißer und kalter Hälfte oder im sogenannten Springbrunnendesign mit dem heißen eintretenden Prozessgas im Zentrum des Bündels und dem abgekühlten Prozessgas in dem kreisförmig um den zentralen heißen Rohrgang herum angeordneten kalten Rohrgang. Diese Springbrunnenanordnung wird auch verwendet, wenn mit der Energie des rückkehrenden kalten Rohrganges eine integrierte Vorwärmung vorgesehen ist, die es erlaubt, die Gastemperatur unter die Sattdampftemperatur abzusenken.
Der interne Wasserumlauf im Kessel wird ermöglicht durch einen oder mehrere Innenhemden um das Bündel herum oder zwischen den zwei Rohrgängen bei Springbrunnendesign mit integrierter Vorwärmzone.
Bei Anwendungen für die Ammoniaksynthese stellt sich als Zusatzanforderung aufgrund des Ammoniakgehaltes im Synthesegas, dass die Metallwandtemperatur ferritischer Bauteile unter 400°C gehalten werden müssen, um eine Versprödung des Werkstoffes aufgrund Nitrierung auszuschließen.
Dies wird in der Regel durch isolierte Ferrules in den Rohren des heißen Rohrganges und zusätzliche Maßnahmen wie z. B. Kühlung des Rohrbodens von der Vorkammerseite mit ausströmendem abgekühlten Gas, wie in Patent Nr. DE 3 022 480 beschrieben oder aber eine sogenannte Wechselfeldberohrung (auch heiß/kalt Design genannt) in Patent Nr. DE 3 049 409 C2 beschrieben erreicht. Das sogenannte heiß/kalt Design, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein heißes und ein kaltes Rohr nebeneinander im Rohrboden angeordnet werden, hat dabei den Nachteil, dass das ausströmende abgekühlte Gas zur Erreichung der gewünschten Kühlwirkung weiter heruntergekühlt werden muss als prozesstechnisch notwendig und/oder eine besonders dicke Ferruleisolierung eingesetzt werden muss. Daraus ergibt sich zwangsläufig eine größere Wärmeaustauscherfläche, als für die eigentlich gewünschte Abkühlung notwendig.
Zum Einsatz kommen teilweise auch in die heißen Rohre eingesetzte aufgeweitete Ferrules aus nitrietbeständigen austenitischen Werkstoffen, die den Kontakt des Prozessgases auf den ferritischen Werkstoff des Rohrbodens bzw. der Rohre bei konventioneller Bauweise verhindern sollen. Diese Ferrules haben sich in der Praxis als untauglich erwiesen eine Nitrierung des ferritischen Werkstoffes zu verhindern, da die aufgeweitete Verbindung Ferrule/Rohr/Rohrboden aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der kombinierten Materialien nicht dauerhaft gasdicht bleibt und nach einigen Jahren Betrieb Nitriettiefen von mehr als 60% der Rohrwanddicke festgestellt wurden.
Abschlämmen des Rohrbodens:
Neben der allgemeinen oben beschrieben konstruktiven Besonderheiten von Wärmetauschern bzw. Abhitzekesseln liegt ein weiteres Problem darin, sich auf den Rohrböden ablagernde Feststoffe aus dem System zu entfernen, um mit den Ablagerungen verbundene Schäden, etwa durch Korrosion oder dgl. zur verhindern.
Bei horizontalen Kesseln erfolgt die Abschlämmung in der Regel am Boden der angeschlossenen Dampftrommel, eventuell mit einer zusätzlichen Abschlämmmöglichkeit über die Mantelentleerung des Kessel selbst.
Bei stehenden Abhitzekesseln erfolgt die Abschlämmung über Stutzen in Rohrbodennähe. Bei dem sogenannten Springbrunnendesign über ein zentrales Abschlämmrohr im Zentrum des Rohrbündels nahe der Rohrbodenoberfläche. Bei konventioneller U-Rohrbodenaufteilung lassen sich Abschlämmungen ohne Verlust einer ganzen Rohrreihe nicht im Zentrum des Kessels, sondern nur am Rande der rohrfreien Gasse zwischen den beiden Rohrgängen anordnen. Derartige Maßnahmen zeigen z. B. die DE 31 26 169 A1 , die DE 22 43 402 A , die EP 0 470 207 B1 oder die EP 0 315 870 A1 .
Betrachtet man den Wasserumlauf im vertikalen Kessel, so ist klar, dass die Strömung immer von außen in den heißen Bereich des Rohrbündels erfolgt, in dem aufgrund der Dampfproduktion der Auftrieb am größten ist. Beim Springbrunnendesign ist dies der Mittelpunkt des Kessels, bei dem konventionellen U-Bündel-Design in etwa der Flächenschwerpunkt der heißen Hälfte.
Aus der Erfahrung von Schäden aufgrund der Ablagerungen auf der Rohrbodenoberseite ist bekannt, dass der natürliche Wasserumlauf einen hervorragenden Transportmechanismus für Feststoffe im Kessel darstellt, die über eine Abschlämmung aus dem Kessel ausgeschleust werden müssen, um Schäden zu vermeiden.
Eine weitere Einflussgröße bei Kesselschäden steilen Aufkonzentrationen von Verunreinigungen im Kesselspeisewasser dar, die sich in Zonen hoher Dampfproduktion einstellen. Daher konzentrieren sich Kesselschäden immer auf die heißen Schenkel des Rohrbündels während die kalten Schenkel ungeschädigt bleiben. Ein optimiertes Design für einen vertikalen Kessel muss also alle diese Faktoren berücksichtigen und optimieren.
Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht, eine optimale Entfernung von Ablagerungen auf Rohrböden bei vertikal ausgerichteten Kesseln zu ermöglichen.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass durch eine Vielzahl von im Winkel zur Vertikalen angeordneten, im Rohrboden eingebrachten Kühlbohrungen eine Zwangsströmung des Kühlwassers im Bereich der Rohrbodenoberfläche bewirkt wird.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass eine vorbestimmbare Abschlämmströmung über dem Rohrboden bewirkt werden kann, was zu konstruktiver Vereinfachung führt bei gleichzeitiger optimaler Reinigungswirkung.
Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Dabei ist insbesondere erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zwangsströmung von außen zu einem Abfluss aufweisenden Rohrbodenzentrum bewirkt wird.
Diese Vorgehensweise macht es möglich, im Zentrum des Rohrbodens einen Abfluss vorzusehen und damit die ohnehin vorhandene Strömung zu nutzen, um den Austrag von Verunreinigungen im Zentrum des Rohrbodens zu ermöglichen.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn bei einer Wechselfeldberohrug wenigstens zwei berohrungsfreie Radialgassen von außen zum Zentrum des Rohrbodens vorgesehen sind, wobei in den Gassen durch die im Winkel angestellten Kühlwasserbohrungen eine Zwangsströmung von außen zum Rohrboden-Zentrum bewirkt wird.
Die von außen nach innen gerichtete Zwangsströmung durch Radialgassen führt bereits zu sehr guten Ergebnissen der Ablagerungsentfernung.
Um eine gewisse Optimierung der Reinigungswirkung zu erreichen, kann auch vorgesehen sein, dass zwischen den Wärmetauscherrohren aufgrund der geneigten Kühlwasserbohrungen im Rohrboden dort eine quer zu der Radialgassenströmung ausgebildete Zwangsströmung ausgebildet wird.
Das heißt, aus den Berohrungsflächen wird eine Strömung in die Radialgassen bewirkt und von dort die Verunreinigungen in das Zentrum des Rohrbodens und über den Ablauf aus dem System entfernt.
Die Erfindung sieht in weiteren Ausgestaltungen auch vor, dass bei vier radialen berohrungsfreien Gassen die je Berohrungs-Quadrant ausgebildete Querströmung zwischen den Wärmetauscherrohren hälftig zu der einen angrenzenden Gasse und hälftig zur anderen angrenzenden Gasse gebildet wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung besteht bei einem Verfahren nach der Erfindung, welches einen Abhitzekessel mit einem den Berohrungsbereich außen auf Abstand zur Kesselwand umgebenden Innenhemd-Blech mit Kühlwasseröffnungen im Bereich des Rohrbodens einsetzt, darin, dass das Innenhemd im Bereich der berohrungsfreien Radialgassen ohne Kühlwasser-Zuströmöffnungen derart ausgerüstet ist, dass durch die dem Mittenbereich der Berohrungs-Quadranten zugeordneten Kühlwassereintrittsöffnungen die zum Zentrum gerichtete Zwangsströmung verstärkt wird.
Durch diese Maßnahme wird der Zulauf des Kühlwassers, das zwischen Innenhemd und Außenwand des Vertikal-Abhitzekessels strömt, genutzt, um die Reinigungswirkung zu erhöhen.
Zur Lösung der eingangs bezeichneten Aufgabe sieht die Erfindung auch einen Rohrboden, insbesondere eines Vertikal-Abhitzekessels mit Wechselfeldberohrung innerhalb eines die Berohrung umgebenden Innenhemdes auf Abstand zum Kesselmantel vor, der sich dadurch auszeichnet, dass neben Bohrungen für die Steig- und Fallrohre im Rohrboden eine Vielzahl von im Winkel zur Vertikalen geneigte Kühlbohrungen im Rohrbogen vorgesehen sind.
Ausgestaltungen des Rohrbodens ergeben sich aus den weiteren, den Rohrboden betreffenden Unteransprüchen, wobei vorgesehen sein kann, dass der Rohrboden im Zentrum mit einem Abfluss zum Entfernen von weggespülten Ablagerungen bzw. Schlämmen versehen ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zwischen wenigstens zwei Feldern von Rohrbündeln radial von außen nach innen ausgerichtete steig- und fallrohrfreie Gassen vorgesehen sind, mit Kühlbohrungen im Rohrboden zur Erzeugung einer Kühlmittelzwangsströmung von außen ins Innere des Abhitzekessels im Bereich des Rohrbodens, wie dies die Erfindung ebenfalls in Ausgestaltung vorsieht.
Als zweckmäßig hat sich auch erwiesen, wenn die den Steig- bzw. Fallrohren zugeordneten Kühlbohrungen im Rohrboden eine von der Vertikalen abweichende Winkelstellung aufweisen, wobei die Projektion der Kühlbohrungen in die Rohrbodenebene senkrecht zur nächstliegenden Radialgasse ausgerichtet ist und/oder dass bei durch vier Radialgassen gebildeten Berohrungs-Quadranten je die Hälfte der Kühlbohrungen eines Quadranten der benachbarten Radialgasse zugeordnet ist.
Die oben erwähnte zusätzliche Nutzung der Strömungen durch einen Naturumlauf trägt einer Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch Rechnung, dass das die Steig- und Fallrohre umgebende Innenhemd nur im Mittelbereich eines jeden Berohrungs-Quadranten mit bodennahen Kühlwassereinströmöffnungen ausgerüstet ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigt in
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Vertikal-Abhitzekessels,
2 eine Teilansicht eines Rohrbodens in vereinfachter Darstellung,
3 die Aufsicht auf einen Rohrboden mit einem Anordnungsschema von Horizontalbohrungen sowie in
4 in gleicher Ansicht wie 3 eine Aufsicht auf den Rohrboden mit angedeuteter Spülströmung.
Ein allgemein mit 1 bezeichneter Vertikal-Abhitzekessel nach 1 weist neben den Wärmetauscherrohren 2 einen allgemein mit 3 bezeichneten Rohrboden auf, der gespeist über Horizontalbohrungen 4 Kühlbohrungen 5 aufweist.
In 1 ist auch angedeutet, dass auf Abstand zur Kesselaußenwand 6 ein die Steig- und Fallrohre 2 umgebendes sogenanntes Innenhemd 7 vorgesehen ist, wobei das Innenhemd 7 im Bereich des Rohrbodens Kühlwassereintrittsöffnungen 8 aufweist, durch die das im Mantelraum zwischen Kesselaußenwand 6 und Innenhemd 7 nach unten strömende Kühlwasser in den inneren Berohrungsbereich eintreten kann.
2 zeigt einen Teil-Querschnitt durch einen Rohrboden 3. Dabei weist der Rohrboden 3 im Zentrum einen Abfluss 9 auf, durch den Verunreinigungen ausgespült werden können.
Zur Erzeugung einer Zwangsströmung von außen zum Zentrum des Rohrbodens und damit zum Abfluss 9, sind die über Horizontalbohrungen 4 beaufschlagten Kühlbohrungen 5 erfindungsgemäß aus der Vertikalen im Winkel geneigt, was in 2 angedeutet ist.
In der Aufsichtzeichnung der 3 ist angedeutet, dass zwischen den Steig- und Fallrohren vier radial ausgebildete berohrungsfreie Gassen, in 4 mit 10 bezeichnet, ausgebildet sind, so dass sich Berohrungs-Quadranten, durch 11 in 3 angedeutet, ausbilden.
Wie sich ebenfalls aus 3 ergibt, sind die Horizontalbohrungen in jeweils einer Hälfte eines Quadranten 11 in einer zur benachbarten Gasse 10a bzw. 10b parallelen Weise angeordnet, und zwar je hälftig um 90°C versetzt. So ist in 3 die eine Richtung der Horizontalbohrungen mit 4a bezeichnet, diejenigen der anderen Richtung mit 4b.
Schließen sich an diese Horizontalbohrungen die schräggestellten Kühlwasserbohrungen in der Weise an, dass die Schrägstellung in Richtung auf die jeweils nächstliegende berohrungsfreie Gasse 10 ausgerichtet ist, ergeben sich jeweils Querströmungen, dargestellt durch kleine Pfeile 12 in 4, wobei die Strömungen in den berohrungsfreien Radialgassen 10 mit kleinen Pfeilen 13 angedeutet sind.
Zur Verstärkung des Spüleffektes können die Kühlwassereintrittsöffnungen 8 im Innenhemd 7 so vorgesehen sein, dass sie den Mittelbereich eines jeden Quadranten beaufschlagen. Dieser Bereich ist in 4 mit Doppelpfeilen 14 angedeutet, so dass sich durch das einströmende Kühlwasser eine Zusatzströmung ergibt, die mit Pfeilen 15 in 4 angedeutet ist.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung vielfältig abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So könnnen die die Steig- und Fallrohre umgebenden Kühlbohrungen nicht nur in der hier beschriebenden Weise geneigt im Rohrbogen eingebracht sein, sie können auch von innen nach außen abweichende Schrägstellungen derart aufweisen, dass sich eine Art Spiralströmung von außen nach innen ergibt und dgl. mehr.

Claims

Verfahren zur Abschlämmung von sich insbesondere auf einem Rohrboden eines Vertikal-Abhitzekessels ablagernden Feststoffen mit Hilfe des eingesetzten Kühlwassers, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Vielzahl von im Winkel zur Vertikalen angeordneten, im Rohrboden eingebrachten Kühlbohrungen eine Zwangsströmung des Kühlwassers im Bereich der Rohrbodenoberfläche bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwangsströmung von außen zu einen Abfluss aufweisenden Rohrbodenzentrum bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Wechselfeldberohrung wenigstens zwei berohrungsfreie Radialgassen von außen zum Zentrum des Rohrbodens vorgesehen sind, wobei in den Gassen durch die im Winkel angestellten Kühlwasserbohrungen eine Zwangsströmung von außen zum Rohrboden-Zentrum bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmetauscherrohren aufgrund der geneigten Kühlwasserbohrungen im Rohrboden dort eine quer zu der Radialgassenströmung ausgebildete Zwangsströmung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei vier radialen berohrungsfreien Gassen die je Berohrungs-Quadrant ausgebildete Querströmung zwischen den Wärmetauscherrohren hälftig zu der einen angrenzenden Gasse und hälftig zur anderen angrenzenden Gasse gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche bei einem Abhitzekessel mit einem den Berohrungsbereich außen auf Abstand zur Kesselaußenwand umgebenden Innenhemd-Blech mit Kühlwassereintrittsöffnungen im Bereich des Rohrbodens, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhemd im Bereich der berohrungsfreien Radialgassen ohne Kühlwasser-Zuströmöffnungen derart ausgerüstet ist, dass durch die dem Mittenbereich der Berohrungs-Quadrant zugeordnete Kühlwassereintrittsöffnungen die zum Zentrum gerichtete Zwangsströmung verstärkt wird.
Rohrboden (3), insbesondere eines Vertikal-Abhitzkessels mit Wechselfeldberohrung innerhalb eines die Berohrung umgebenden Innenhemdes auf Abstand zum Kesselmantel, dadurch gekennzeichnet, dass neben Bohrungen für die Steig- und Fallrohre (2) im Rohrboden (3) eine Vielzahl von im Winkel zur vertikalen geneigte Kühlbohrungen (5) vorgesehen sind.
Rohrboden nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden (3) im Zentrum mit einen Abfluss (9) zum Entfernen von weggespülten Ablagerungen bzw. Schlämmen versehen ist.
Rohrboden nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Feldern von Rohrbündeln radial von außen nach innen ausgerichtete steig- und fallrohrfreie Gassen (10) vorgesehen sind, mit Kühlbohrungen (5) im Rohrboden (3) zur Erzeugung einer Kühlmittelzwangsströmung von außen ins Innere des Abhitzekessels (1) im Bereich des Rohrbodens (3).
Rohrboden nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Steig- bzw. Fallrohren (2) zugeordneten Kühlbohrungen (5) im Rohrboden eine von der Vertikalen abweichende Winkelstellung aufweisen, wobei die Projektion der Kühlbohrungen (5) in die Rohrbodenebene senkrecht zur nächstliegenden Radialgasse (10) ausgerichtet ist.
Rohrboden nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei durch vier Radialgassen (10) gebildeten Berohrungs-Quadranten (11) je die Hälfte der Kühlbohrungen (4a, 4b) eines Quadranten der benachbarten Radialgasse (10) zugeordnet ist.
Rohrboden nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Steig- und Fallrohre umgebende Innenhemd (7) nur im Mittelbereich (14) eines jeden Berohrungs-Quadranten (11) mit bodennahen Kühlwassereinströmöffnungen (8) ausgerüstet ist.