DE102007051077A1

DE102007051077A1 - Flugstromvergaser mit Kühlschirm und innerem Wassermantel

Info

Publication number: DE102007051077A1
Application number: DE102007051077A
Authority: DE
Inventors: Volker KIRCHHÜBEL; Friedemann Mehlhose; Manfred Dr. Schingnitz; Heidrun Toth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: DE102007051077B4; CN101835879A; WO2009053204A2; US20110023362A1; WO2009053204A3; US8083817B2; DE202007018723U1

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 Ringspalt zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Wärmeträgeröl, zu befüllen, wodurch auf einen durch hohe Temperaturunterschiede bedingten Längenausgleich verzichtet werden kann. Durch eine Verbindung zwischen dem Ringspalt und dem Quenchraum oder der Rohgasleitung wird ein annähernder Druckausgleich zwischen dem Vergasungsraum 2 und dem Ringspalt 5 gewährleistet; dabei bleibt der Druck im Vergasungsraum 2 regelmäßig geringfügig höher als der im inneren Wassermantel.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zur Flugstromvergasung unterschiedlicher fester und flüssiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel unter normalem oder erhöhtem Druck bis 8 MPa. Feste Brennstoffe sind dabei zu Staub aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse sowie andere mahlbare Feststoffe mit einem Heizwert größer 7 MJ/Nm³. Unter flüssigen Brennstoffen sind Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen zu verstehen, wie beispielsweise Kohle-Wasser-Slurries. In der Technik der Gaserzeugung aus festen Brennstoffen ist die autotherme Flugstromvergasung langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel wird dabei so gewählt, dass man Temperaturen erreicht, die über dem Schmelzpunkt der Asche liegen. Dann wird die Asche zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen, die gemeinsam mit dem Vergasungsgas oder getrennt den Vergasungsraum verlässt und anschließend direkt oder indirekt gekühlt wird. Eine solche Vorrichtung geht aus DE 197 181 317 A1 hervor.
Eine ausführliche Beschreibung eines solchen mit einem Kühlschirm ausgerüsteten Vergasungsreaktors findet sich in J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energieund Umwelttechnik GmbH 1996, Seiten 32–33. In der darin beschriebenen Konzeption befindet sich ein aus gasdicht verschweißten Kühlrohren bestehender Kühlschirm innerhalb eines Druckgefäßes. Dieser Kühlschirm ist auf einem Zwischenboden abgestützt und kann sich nach oben frei ausdehnen. Damit wird sichergestellt, dass beim Auftreten verschiedener Temperaturen auf Grund von An- und Abfahrprozessen und daraus beding ter Längenänderungen keine mechanischen Spannungen auftreten können, die ggf. zu einer Zerstörung führen könnten. Um dies zu erreichen, befindet sich am oberen Ende des Kühlschirmes keine feste Verbindung sondern ein Spalt zwischen dem Kühlschirmkragen und dem Brennerflansch, der eine freie Beweglichkeit sichert. Um ein Hinterströmen des Kühlschirmspaltes bei Druckschwankungen im System von Vergasungsgas zu zuhindern, wird der Kühlschirmspalt mit einem trockenen, kondensat- und sauerstofffreien Gas gespült. Trotz der Spülung kommt es, wie die Praxis zeigt, zur Hinterströmung mit Vergasungsgas, was zu Korrosion an der Rückseite des Kühlschirmes oder am Druckmantel führt. Dies kann zu Betriebsausfällen bis zur Zerstörung des Kühlschirmes oder des Druckmantels führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile.
Erfindungsgemäß werden diese Nachteile durch die in Anspruch 1 genannte Lösung überwunden.
Erfindungsgemäß wird der Ringspalt 5 als innerer Wassermantel mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Wärmeträgeröl, gefüllt, was folgende weitere Vorteile bietet:
Die Temperatur des Kühlschirms 8 mit Werten zwischen 20 und 300°C entspricht der Temperatur des Ringspaltes 5 als innerem Wassermantel und damit auch der Temperatur des Druckmantels.
Durch die gleiche Temperatur zwischen Druckmantel und Kühlschirm treten bei Temperaturänderungen keine unterschiedlichen Dehnungen auf, so dass auf einen Längenausgleich wie beispielsweise durch einen Wellrohrkompensator verzichtet werden kann.
Durch eine Verbindung zwischen dem Ringspalt 5 und dem Quenchraum 17 oder einer Stelle der Rohgasleitung 22 wird der sich bei Entspannungsprozessen oder im Normalbetrieb bildende Wasserdampf abgeführt, wobei gleichzeitig ein annähernder Druckausgleich zwischen dem Vergasungsraum 2 und dem Ringspalt 5 gewährleistet wird; dabei bleibt der Druck im Vergasungsraum 2 regelmäßig geringfügig höher als der im inneren Wassermantel 5.
In weiterer Ausgestaltung werden technischen Maßnahmen zum Druckregime zwischen dem Vergasungsraum und dem Ringspalt dargestellt.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur erläutert. Dabei zeigt:
1 einen Vergasungsreaktor mit innerem Wassermantel
Einem Vergasungsreaktor nach 1 werden über einen Vergasungsbrenner 1, der gleichzeitig einen Pilotbrenner enthält, je Stunde 50 t Steinkohlenstaub und 35.000 Nm³ Wasserdampf zugeführt, die im Vergasungsraum 2 zu 75.000 Nm³ Syntheserohgas bei 3 MPa (30 bar) umgesetzt werden. Der Vergasungsbrenner 1 ist in einer Brennerbefestigungsvorrichtung 3 angeordnet. Der Vergasungsraum 2 wird von einem aus gasdicht verschweißten Kühlrohren gebildeten Kühlschirm 8 begrenzt. Die Vergasungstemperatur gemessen an der Austrittsvorrichtung 16 beträgt 1.500°C. Das heiße Vergasungsgas verlässt gemeinsam mit der aus der Steinkohlenasche entstandenen flüssigen Schlacke den Vergasungsraum 2 über die Austrittsvorrichtung 16 und gelangt in die Kühlkammer 17, in der durch Einspritzen von Kühlwasser über die Düsen 9 das Vergasungsrohgas auf ca. 200°C gekühlt und gleizeitig mit Wasserdampf gesättigt wird. Das gekühlte Rohgas wird anschließend weiteren Gasaufbereitungstechnologien zugeführt.
Zwischen dem Druckmantel 4 des Vergasungsreaktors und dem Kühlschirm 8 befindet sich ein Ringspalt, der der mit einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, gefüllt wird und der gegen Unterdruck und zu hohen Überdruck geschützt werden muss. Es ist zweckmäßig, in dem Ringspalt annähernd den glei chen Druck gegenüber dem Vergasungsraum 2 aufrecht zu erhalten. Dies erreicht man durch eine entsprechende Druckhaltung in der Dampftrommel 19 bzw. stellt sich der Druck automatisch entsprechend dem Druck in der Rohgasleitung 22 ein. Der innere Wassermantel 5 ist über eine Dampftrommel 19 mit dem Quenchraum 17 oder, wie in 1 dargestellt, mit der Rohgasleitung 22 verbunden. Bei der Einbindung der Verbindungsleitung 21 in die Rohgasleitung 22 kann über die Eindüsung 20 Wasser eingespritzt werden, um Ablagerung von festen Partikeln aus dem Rohgas wegzuspülen und so die Funktionstüchtigkeit dauerhaft zu gewährleisten. Um Dichtheit zwischen dem inneren Wassermantel 5 und dem Vergasungsraum sicherzustellen ist am oberen Ende des Kühlschirmes 8 eine feste Verbindung 12 zum Druckmantel 4 hergestellt. Der entstehende Spalt zwischen dem oberen Ende des Kühlschirmes 8 und der Brennerbefestigungseinheit 3 wird während der Montage verfüllt. Das Kühlwasser für den Kühlschirm 8 wird über die Anschlüsse 6 und 7 zu- beziehungsweise abgeführt.

1: Vergasungsbrenner mit Pilotbrenner
2: Vergasungsraum
3: Brennerbefestigungsvorrichtung
4: Druckmantel
5: Ringspalt als innerer Wassermantel
6: Kühlwasserzuführung zum Kühlschirm
7: Wasserabführung aus dem Kühlschirm
8: Kühlschirm
9: Düsen
10: Pilotbrennergas
11: Kombinationsbrenner
12: Verbindung zwischen Kühlschirm 8 und Druckmantel 4
13: Reaktorflansch
14: Wasserbad
15: Deckelflansch
16: Austrittsvorrichtung
17: Quenchraum
18: Isolation
19: Dampftrommel
20: Eindüsung
21: Verbindungsleitung
22: Rohgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 197181317 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energieund Umwelttechnik GmbH 1996, Seiten 32–33 [0003]

Claims

Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, wobei der Reaktor einen Kühlschirm (8), einen Druckmantel (4) und einen Quenchraum (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum zwischen dem Druckmantel und dem Kühlschirm als innerer Wassermantel mit Flüssigkeit gefüllt ist und der innere Wassermantel über eine Dampftrommel (19) mit dem Druck des Quenchraums beaufschlagbar ist.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem inneren Wassermantel ein Druck aufbaubar ist, der höher ist als der Druck im Vergasungsraum (2).
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem inneren Wassermantel ein Druck aufbaubar ist, der gleich oder höher ist als der Druck im Vergasungsraum (2).
Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wassermantel über die Dampftrommel mit der Rohgasleitung (22) verbunden ist.
Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Eintritt der Verbindungsleitung in die Rohgasleitung Wasser über eine Düse (20) einspritzbar ist.
Verfahren zum Starten eines Reaktors nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wassermantel vor dem Start des Reaktors mit Hochdruckdampf aufgeheizt wird.
Verfahren zum Starten eines Reaktors nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschirm und der innere Wassermantel vor dem Start des Reaktors gemeinsam aufgeheizt werden.