DE102007032809A1

DE102007032809A1 - Flugstromvergasungsreaktor mit flüssigkeitsgefülltem Raum zwischen Druckmantel und Kühlschirm

Info

Publication number: DE102007032809A1
Application number: DE200710032809
Authority: DE
Inventors: Andreas Meissner; Christian Reuther; Ralph Schumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-22
Also published as: DE202007018717U1

Abstract

Ein Reaktor zur Flugstromvergasung für einen Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen weist einen durch einen Kühlschirm begrenzten Reaktionsraum sowie einen über einen Rohgas- und Schlackeabgang mit dem Reaktionsraum verbundenen Quenchraum auf, wobei zumindest der Kühlschirm durch einen Druckmantel druckfest umschlossen ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Zwischenraum zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Wärmeträgeröl, zu befüllen, wodurch die wärmetechnischen Eigenschaften verbessert und die Betriebssicherheit erhöht werden.

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft einen Reaktor zur Flugstromvergasung.
Für die Flugstromvergasung mit aschehaltigen Brennstoffen werden Reaktoren mit Kühlschirm eingesetzt. Der Kühlschirm begrenzt innerhalb des Druckmantels den Reaktionsraum. Er besteht aus einer oder mehreren gewickelten Rohrschlangen, die auf der Innenseite mit Siliziumcarbid(SIC)-Masse bestampft werden. Die Windungen werden durch Stegbleche verbunden und dicht verschweißt. Der Druck im Kühlschirmkreislauf wird oberhalb des Reaktordruckes gewählt. Der Druckmantel wird zusätzlich durch einen drucklosen Kühlmantel von außen gekühlt. Der Kühlschirm wird von oben in den Reaktor eingesetzt und stützt sich auf der wassergekühlten Tragplatte ab. Der Zwischenraum zwischen dem Druckmantel und der Kühlschirmrückseite ist am Reaktorkopf zum Reaktionsraum hin nur durch eine Fasermatte getrennt um die Wärmeausdehnung und den Druck auszugleichen. Durch diesen konstruktiv bedingten Zwischenraum kann somit die Reaktionsraumatmosphäre eindringen, was zu Ablagerungen und Korrosion am Druckmantel und Kühlschirmrückseite führen kann.
Um dies zu verhindern kann der der Zwischenraum permanent mit Inertgas gespült werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den bekannten Flugstromreaktor wärmetechnisch zu verbessern und seine Betriebssicherheit zu erhöhen.
Das Problem wird durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch das Ausfüllen des Zwischenraumes mit Flüssigkeit wird der Eintritt von Rohgas in den Zwischenraum minimiert. Eindringende korrosive Kondensate und Stäube werden durch die Flüssigkeit gebunden und können neutralisiert bzw. abgeführt werden. Damit kann eine permanente Inertgasspülung entfallen, was zur Verminderung des Inertgasanteils im Rohgas führt.
Die Mantelkühlung und die Kühlung der Tragplatte können durch die Flüssigkeitsfüllung ersetzt werden.
Die genutzte Wärmeübertragungsfläche des Kühlschirmes wird durch die Einbeziehung der Kühlschirmrückseite insbesondere durch die direkte, rückseitige Kühlung der Stege vergrößert. Wodurch die entstehende Wärme sicherer abgeführt werden kann.
Bei Versagen des Kühlschirmkreislaufes bildet der flüssigkeitsgefüllten Zwischenraum einen zusätzlichen Schutz für den Druckmantel. Bei Notentspannung wird die Restwärme durch die auf Grund des sinkenden Druckes siedende Flüssigkeit und die nachgespeiste kühlere Flüssigkeit schnell und sicher abgeführt.
Die entstehende Wärme wird über den Kühlschirmkreislauf abgeführt. Im flüssigkeitsgefüllten Zwischenraum stellt sich daher durch unvermeidliche Wärmeverluste stets eine Temperatur unterhalb der maximalen Kühlschirmkreislauftemperatur ein, diese wird durch die Siedetemperatur begrenzt. Die Temperatur im Zwischenraum und damit die Wandtemperatur des Druckmantels kann gut überwacht werden. Wegen der gleichmäßigen Wärmeverteilung durch die Flüssigkeit im Zwischenraum können keine „hot spots" am Druckmantel auftreten.
Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Flugstromvergasers mit erfindungsgemäßer Flüssigkeitsfüllung zwischen Druckmantel und Kühlschirm.
Der in 1 dargestellte Flugstromvergaser weist einen Reaktionsraum (14) auf, der durch einen im Wesentlichen zylindrischen Kühlschirm (4) umschlossen ist. Der Reaktionsraum weist am Reaktorkopf eine Brennerbefestigungseinheit (10) auf, die der Aufnahme eines Brenners, beispielsweise eines Kohlenstaubbrenners, dient. Unterhalb des Reaktionsraum ist über einen Rohgas- und Schlackeabgang (9) ein Quenchraum (8) zur Abkühlung und Reinigung des Rohgases mittels Wassereindüsung angeordnet.
Ein Druckmantel (13) umschließt den Kühlschirm (4) im Wesentlichen zylindrisch. Das Gehäuse des Brenners ist mit dem Druckmantel druckdicht verbunden.
Die Erfindung umfasst das Füllen des Zwischenraumes (3) zwischen Druckmantel des Reaktors (13) und Kühlschirm (4) mit Flüssigkeit bis kurz unterhalb des Ausdehnungsspaltes (1) am Reaktorkopf. Dazu wird der Kühlschirm (4) unten an der Tragplatte (7) dicht verschweißt (6).
Es können Flüssigkeiten deren Siedepunkt unter Betriebsbedingungen nicht überschritten wird, eingesetzt werden. Weiterhin sind bei der Auswahl neben der Korrosion der Dampf- und Flüssigkeitsaustausch mit dem Quencher und Reaktor zu berücksichtigen. Im einfachsten Fall wird Wasser verwendet.
Der Druckausgleich gegenüber dem Reaktionsraum (14) wird durch Anbindung an den Quencher (8) sichergestellt. Die Anbindung (5) erfolgt in Form eines Siphons, wobei die Höhe der Flüssigkeitssäule (H) über den maximal zugelassenen Differenzdruck zwischen Quencher (8) und Reaktionsraum (14) liegt. Dadurch wird eine Kurzschluss-Strömung des Rohgases zum Quencher (8) über die Druckausgleichsleitung (5) verhindert, da die Abschaltung des Hauptbrenners wegen Übersteigen des maximalen Differenzdruckes zwischen Quencher (8) und Reaktionsraum (14) vor Durchbruch des Siphons (5) erfolgt.
Der gasgefüllte Volumenanteil des Zwischenraumes (17) wird minimiert, so dass das Eindringen von Gas und Staub minimiert wird.
Durch eine Nachspeisung (12) wird der Füllstand im Zwischenraum (3) und im Siphon (5) gehalten. Entstehender Dampf wird in den Reaktionsraum (14) bzw. den Quencher (8) abgeleitet. Die Druckausgleichsleitung (5) wird in Höhe des maximalen Füllstandes, unterhalb des Ausdehnungsspaltes (1), eingebunden und dient damit gleichzeitig als Überlauf und Überfüllungssicherung.
Die Größe der Überlaufleitung (5) richtet sich nach dem maximal entstehenden Dampfvolumen bei der Notentspannung. Entsprechend ist die Nachspeisung so auszulegen, dass die verdampfte Flüssigkeit ersetzt werden kann.
Die Temperatur wird mindestens im unteren und oberen Bereich des flüssigkeitsgefüllten Zwischenraumes überwacht.
Der Reaktor ist zu isolieren um die Abwärme möglichst vollständig zur Dampferzeugung im Kühlschirmkreislauf zu nutzen.
Der kleine obere Bereich (17) des Zwischenraumes, der nicht mit Flüssigkeit gefüllt ist, wird mit Korrosionsschutz versehen.
Bei Verwendung von Wasser kann je nach zu erwartender Rohgaszusammensetzung und damit der sich einstellenden Zusammensetzung des Zwischenraumwassers durch Zusätze ein nicht aggressives Milieu geschaffen werden bzw. eine entsprechende Opferanode eingesetzt werden um Korrosion zu verhindern. Bei Einsatz von Wärmeträgeröl statt Wasser entfallen die Korrosionsprobleme.
Im untersten Punkt des flüssigkeitsgefüllten Zwischenraumes (3) ist eine Abschlämmung und Probenahme (11) vorgesehen.

1: Dehnspalt mit keramischer Fasermatte
2: Spalt zwischen Kühlschirm und Brennerbefestigungseinheit
3: Flüssigkeitsgefüllter Zwischenraum zwischen Druckmantel und Kühlschirm
4: Kühlschirm
5: Druckausgleichsleitung in Siphonform
6: Umlaufende, dichte Schweißnaht zwischen Tragplatte und Kühlschirm
7: Tragplatte
8: Quencher
9: Schlackeauslaufkörper mit Leitrohr
10: Brennerbefestigungseinheit
11: Abschlämmung und Probenahme
12: Füllstandsregelung mit Nachspeisung
13: Druckmantel des Reaktors
14: Reaktionsraum
15: Eintritt der Druckausgleichsleitung in den Quencher
16: Rohgasaustritt
17: Nicht flüssigkeitsgefüllter Teil des Zwischenraumes zwischen Druckmantel und Kühlschirm
18: Schlackebad
19: Überlauf

Claims

Reaktor zur Flugstromvergasung für einen Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen, wobei unter flüssigen Brennstoffen Öle oder feststoffhaltige Öle sowie Suspensionen von Wasser oder Öl mit staubfein gemahlenen Brennstoffen oder anorganischen Beimengen zu verstehen sind, bei Drucken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa, Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C, sowie mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel, umfassend – einen Reaktionsraum (14), der durch einen im Wesentlichen zylindrischen Kühlschirm (4) umschlossen ist, – einen im oberen Bereich des Reaktionsraumes anordenbaren Vergasungsbrenner, – einen Quenchraum (8), der über einen Rohgas- und Schlackeabgang (9) mit dem Reaktionsraum verbunden ist, – einen den Kühlschirm (4) im Wesentlichen zylindrisch umschließenden Druckmantel (13), dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (3) zwischen Kühlschirm und Druckmantel im Wesentlichen vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch Wasser gegeben ist.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch Wärmeträgeröl gegeben ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein den maximalen Füllstand der Flüssigkeit begrenzender Überlauf (19) angeordnet ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenraum und dem Quenchraum ein Druckausgleich (5) angeordnet ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleich (5) durch einen den Überlauf mit dem Quenchraum verbindenden Siphon mit einem der Höhe (H) entsprechenden Druckgefälle gegeben ist.
Reaktor nach Anspruch 5 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgefälle des Druckausgleichs (5) höher ist als der maximal zulässige Differenzdruck zwischen Reaktionsraum und Quenchraum.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachspeisung (12) zum Halten des Füllstandes im Zwischenraum (3) und im Siphon (5) angeordnet ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des flüssigkeitsgefüllten Zwischenraumes (3) eine Abschlämmung und Probenahme (11) angeordnet ist.