DE102009030716A1 - Kühlschirmhinterspülung mit inkompressiblen Medien bei fest verschweißtem Kühlschirm - Google Patents

Abstract

Bei einem Flugstromvergaser zur partiellen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen ist der Reaktionsraum durch einen Kühlschirm begrenzt, der von einem Druckmantel umgeben ist. Der Kühlschirm ist an seinem unteren Ende fest mit dem Druckmantel verbunden und weist an seinem oberen, brennerseitigen Ende einen Kompensator zur Aufnahme von temperaturbedingten Längenänderungen auf. Erfindungsgemäß ist der Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem flüssigen Medium, insbesondere Wasser, das gegenüber dem Druck im Reaktionsraum einen erhöhten Druck aufweist, gefüllt. Neben einer vorteilhaften Wärmeführung ist die einfache Einhaltbarkeit einer nicht zu überschreitenden Druckdifferenz, auch bei schnellen Reaktordruckänderungen, auf den Kühlschirm erzielbar.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen im Flugstrom, bei der ein Kühlschirm, der den Reaktionsraum begrenzt, an seinem unteren Ende fest mit dem Druckmantel verbunden ist und der an seinem oberen, Brenner-seitigen Ende einen gasdichten Kompensator zur Aufnahme von temperaturbedingten Längenänderungen aufweist.
• Eine konstruktive Alternative zu dem gleitend gelagerten Kühlschirm ist ein fest verschweißter Kühlschirm mit Kompensator. Der Raum (A4) zwischen Druckmantel (A9) und Kühlschirm (A3) kann mit Gas gepuffert werden. Nachteilig dabei ist im Falle einer Reaktor-Notentspannung eine dem Reaktordruck nachgeführte Entspannung hinter dem Kühlschirm, um den zulässigen Differenzdruck über den Kühlschirm zuverlässig nicht zu überschreiten.
• Ein herkömmlicher Reaktor zur Flugstromvergasung von festen Brennstoffen weist einen Kühlschirm (A3) auf. Der Kühlschirm (A3) schützt den drucktragenden Mantel vor thermischer Belastung der Reaktionstemperatur von cirka 1600°C. Am Kopf des Reaktors ist die Brennerbefestigungsvorrichtung installiert, welche den Brenner (A1) aufnimmt. Der Kühlschirm ist am Reaktoraustritt fest gelagert. Im Hinblick auf die mit Aufheiz- oder Abkühlvorgängen einhergehenden Längenveränderungen wird der Kühlschirm an der Brennerbefestigungsvorrichtung gleitend gelagert. Der notwendige Spalt zwischen Brennerbefestigungsvorrichtung und Kühlschirm wird mit einem Inertgas gespült, um eine Rückströmung von Rohgas und damit verbundene Kondensationen zu vermeiden. Der Inertgasanschluß für das Spülgas mündet am unteren Reaktorende ein. So wird der Raum (A4) zwischen Druckmantel (A9) und Kühlschirm (A3) gespült und das Spülgas tritt am oberen Reaktorende durch den Spalt zwischen Kühlschirm und Brennerbefestigungsvorrichtung aus.
• Der Verbrauch von Stickstoff macht sich zum einen wirtschaftlich ungünstig bemerkbar und zum anderen verringert er die Rohgasqualität. Zudem kann die Spülung mit Inertgas bei Druckwechselvorgängen im Reaktor unzureichend sein, wenn ein Teil des Rohgases in den Raum zwischen Druckmantel und Kühlschirm rückströmt. Die Kondensationsprodukte des Rohgases wirken in dem Kühlschirmspalt korrosiv. Der Spalt zwischen Kühlschirm und Brennerbefestigungsvorrichtung ist mit einem Fasermaterial versehen, um die erforderlichen Stickstoffmengen zu reduzieren und um ein ungehindertes Eindringen von Gas und Partikeln zu minimieren. Dies führt allerdings bei schnellen Druckentspannungen, wie bei einem Not-Aus, zu gewissen Unsicherheiten, ob der Druck hinter dem Kühlschirm ausreichend schnell mit abgebaut werden kann, wenn die Durchlässigkeit des Fasermaterials bereits zu stark abgenommen hat. Eine Überschreitung des zulässigen Differenzdrucks auf den Kühlschirm muss vermieden werden.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Flugstromvergaser so auszugestalten, dass eine nicht zu überschreitende Druckdifferenz auf den Kühlschirm, auch bei schnellen Reaktordruckänderungen, mit hoher Sicherheit nicht überschritten wird.
• Das Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
• – Keine Korrosionsgefahr hinter dem Kühlschirm durch Einsatz von flüssigen Medien, wie zum Beispiel Kesselspeisewasser,
• – Keine „Verdünnung” des Rohgases durch Stickstoff,
• – Da Skirt ohnehin mit Kesselspeiswasser beaufschlagt wird, entsteht kein zusätzlicher Spülstrom, wenn Wasser als flüssigen Medium verwendet wird,
• – Gewährleistung eines stets konstanten Differenzdruckes über den Kühlschirm. auch bei schnellen Reaktordruckänderungen,
• – Einsparung des Kühlmantelkreislaufs (Pumpen, Wärmeübertrager, Behälter). Damit verbunden ist ein geringerer konstruktiver Aufwand durch den Wegfall der Installation des Kühlmantels am Reaktor,
• – Die Außenwand des Reaktor kann unterhalb der Zündtemperatur der Kohlenstäube gehalten werden,
• – Der Raum hinter dem Kühlschirm kann über die Variation der Wassermenge temperaturgeregelt werden,
• – Bei der Druckentspannung liegt nur ein sehr kleines Gasvolumen vor,
• – Kontrolle von Leckagen möglich über Mengendifferenzüberwachung,
• – Die Integration in bestehende Systeme führt lediglich zu einem geringen apparativen Mehraufwand.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 Zuspeisung für Kühlschirmhinterspülung in den Brennerkühlkreislauf (BKK) und
• 2 Zuspeisung für Kühlschirmhinterspülung in separaten Behälter.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
• Erfindungsgemäß wird der Raum (A4) zwischen Reaktordruckmantel (A9) und Kühlschirm (A3) mit einem inkompressiblen Medium wie Wasser gefüllt; hierdurch kann bei einem verschweißten Kühlschirm mit Kompensator eine schnelle Druckentspannung sicher gewährleistet werden.
• In dem Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel wird ein gegenüber dem Reaktionsraum leicht erhöhter Druck aufrecht erhalten. Beispielsweise kann mittels Wasserpufferbehälters (B1) oder (C1), der etwa 10 m über den Reaktor steht, ein um 0,1 MPa (1 bar) gegenüber dem Reaktordruck erhöhter Druck hinter dem Kühlschirm sichergestellt werden.
• Im Falle einer Leckage strömt das Medium aufgrund des Überdrucks in den Reaktor und das Gas bleibt sicher im Reaktionsraum bzw. im Rohgasweg. Als Einsatzstoff bietet Wasser die besten Voraussetzungen, da es relativ günstig zur Verfügung steht und auch leicht handhabbar ist.
• Der Pufferbehälter ist an den Quencher (A6) über eine Druckausgleichsleitung (B4) angeschlossen, so dass auch bei Druckwechselvorgängen während der Vergasung ein konstanter Differenzdruck aufrecht erhalten wird.
• Als Puffer kann der schon bestehende Brennerkühlkreislaufbehälter (B1) verwendet werden (Variante 1), welcher die genannten Forderungen erfüllt und dem Hochdruck Kesselspeisewasser zugeführt ist. Der Brennerkühlkreislaufbehälter (B1) ist in den mit dem Wärmeübertragerer B2, Pumpe B3 und Brenner A1 gebildeten Brennerkühlkreislauf eingebunden.
• In einer Ausführungsalternative kann auch ein separater Puffer (C1), wie in Variante 2 dargestellt, verwendet werden.
• Da die Rückwand des Kühlschirms (A3) cirka 240°C erreichen kann, muss das Wasser hinter dem Kühlschirm abgeführt werden und durch kaltes Wasser ersetzt werden. Dies wird über die Zufuhrleitung (C2) realisiert. Das Wasser hinter dem Kühlschirm (A3) muss eine Temperatur unter der Siedetemperatur haben, welche sich bei niedrigstem Reaktordruck, also nach der Entspannung, einstellt. Beispielsweise muss bei einem Enddruck von 0,3 MPa (3 bar(g)) die Temperatur von 143°C unterschreiten. Im anderen Fall entsteht ungünstigerweise eine hohe Dampfmenge, welche sicher abgeführt werden müsste. Das abgeführte warme Wasser mag als Skirtwasserzuspeisung (A10) über die Leitung (C4) in den Quencher (A6) zugeführt werden. In der Transferleitung (C4) ist die Menge für die Skirtwassereinspeisung einstellbar.
• Die Zufuhrleitung (C2) kann am Kopf des Reaktors münden oder am unteren Ende des Reaktors. Mündet die Zufuhrleitung (C2) am unteren Ende des Reaktors ein, muss die Transferleitung (C4) am Kopf des Reaktors angeschlossen werden. Idealerweise wird eine zu dem Kühlschirm gleichgerichtete Strömungsführung gewählt, um die Wärmeübertragung zu minimieren.
• Eine geeignete wasserdichte Wärmeisolation der Kühlschirmrückseite verringert den Wärmeeintrag von Kühlschirm (A3) in das kühlschirmhinterspülende Wasser.
• Für Befüllungsvorgänge ist eine Entlüftungsleitung (C3) für Spülstickstoff N2 notwendig, um den Raum (A4) gasfrei zu befüllen.
• Eine Mengenmessung in der Kesselspeisewasserzufuhr und eine Mengenmessung in der Transferleitung (C4) überwachen den Kühlschirm (A3) auf mögliche Leckagen. Zusätzliche Tempera turmessungen in den beiden Leitungen geben Aufschluss über einen erhöhten Wärmeeintrag in den Kühlschirm. Die Auswertung von eingetragenen Wärmemengen in das Wasser kann als sicherheitstechnisches Signal ausgewertet werden. Ein zusätzlicher wasserbeaufschlagter Reaktorkühlmantel (D1) inklusive Pumpen, Wärmetauscher und Vorlagebehälter ist somit nicht mehr notwendig.
• Der Pufferbehälter (C1) in Variante 2 wird ähnlich wie der Brennerkühlkreislaufbehälter (B1) über ein Füllstandsregelventil nahezu vollständig gefüllt gehalten, um den Gasinhalt von Spülstickstoff N2 gering zu halten.
• Der Auslauf der Transferleitung (C4) ist entgegengesetzt zur Nachspeiseleitung (C2) angeordnet, um Kurzschlussströmung im Raum (A4) zu vermeiden. Alternativ können auch vier um 90° zueinander versetzte Auslässe vorgesehen sein, welche in die Transferleitung (C4) münden. Die Auslässe werden so gestaltet, dass bei einer Entleerung des Freiraums (A4) kein Restwasser verbleibt.
• Bezugszeichenliste

A1

Brenner

A2

Reaktionsraum

A3

Kühlschirm

A4

Freiraum zwischen A3 und A9

A5

Schlackeablauf

A6

Quenchraum

A7

Quenchersumpf

A8

Rohgasabgang

A9

Druckmantel

A10

Skirt

B1

Behälter BKK

B2

Wärmeübertrager BKK

B3

Pumpen BKK

B4

Druckausgleichsleitung Quencher – B1

C1

Behälter für Kühlschirm-Hinterspülung

C2

Nachspeisung Kühlschirm-Hinterspülung

C3

Entlüftungsleitung

C4

Transferleitung

D1

Kühlmantel

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen im Flugstrom bei der – ein Reaktionsraum durch einen Kühlschirm begrenzt ist, – der Kühlschirm von einem Druckmantel umgeben ist, – der Kühlschirm an seinem unteren Ende fest mit dem Druckmantel verbunden ist und an seinem oberen, Brenner-seitigen Ende einen Kompensator aufweist dadurch gekennzeichnet, dass – der Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel im Wesentlichen mit einem flüssigen Medium befüllt ist und – der Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem gegenüber dem Reaktionsraum erhöhten Druck beaufschlagt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein kleiner Bruchteil des Raumes zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem Inertgas gefüllt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung des erhöhten Drucks ein Speisebehälter (B1, C1) für das flüssige Medium in einer entsprechenden Höhe angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium Wasser ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in dem Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel in einem solchen Maße durch kaltes Wasser austauschbar ist, dass eine Dampfbildung vermieden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung und die Abführung des Wassers an diametral beabstandeten Stellen des Raums zwischen Kühlschirm und Druckmantel angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Transferleitung (C4) zur Einspeisung des abgeführten Wassers aus dem Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel in den Spalt des Skirt (A10) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung in dem Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel gleichgerichtet ist wie die Strömungsrichtung in dem Kühlschirm.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung von oben nach unten gerichtet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschirm auf der dem Druckmantel zugewandten Seite eine Wärmeisolation aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführung und der Abführung des Wassers Mengenmesseinrichtungen angeordnet sind zur Feststellung von Verlustmengen.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführung und der Abführung des Wassers Temperaturmesseinrichtungen angeordnet sind zur Feststellung des Wärmeeintrags.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Abführungen an dem Raum zwischen Kühlschirm und Druckmantel angeordnet sind.