DE102009034867A1

DE102009034867A1 - Vergasungsreaktor

Info

Publication number: DE102009034867A1
Application number: DE102009034867A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Kuske; Johannes Dostal; Reinald Schulze Eckel; Lothar Semrau
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2011-02-03
Also published as: US9200222B2; RU2012106882A; AU2010278409A1; CU20120008A7; KR20120035915A; CA2768595A1; KR101648606B1; RU2534081C2; EP2459682B1; WO2011012232A3; CN102471710A; WO2011012232A2; UA104477C2; AU2010278409B2; CA2768595C; US20120110907A1; TWI487782B; BR112012001697A2; CN102471710B; EP2459682A2

Abstract

Bei einem Vergasungsreaktor (1) zur Herstellung von CO- oder H-haltigem Rohgas mit einem Druckbehälter (2) und einem durch eine Membranwand (3) aus Kühlrohren gebildeten Raktionsraum (4), wobei zwischen der Innenwand des Druckbehälters (2) und der Membranwand (3) ein Ringraum gebildet ist, wobei Elemente, wie Brenner (17) o. dgl., vorgesehen sind, die die Druckbehälterwand und die Membranwand im Wesentlichen auf derselben Ebene (18) horizontal durchsetzen, soll insbesondere innerhalb des Druckbehälters ein Kühlschirm bereitgestellt werden mit konischen Bereichen für den Gas- bzw. Schlackeaustritt, wobei die Aufhängung bzw. Verbindung zwischen Kühlschlamm und Druckbehälter (Lastabtragung) unter Vermeidung von Differenzdehnungen optimiert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass zur Abtragung der Last der Membranwand (3) eine Abstützung direkt oder indirekt an den Kühlmitteleintittsleitungen (5) oder Gemischaustrittsleitungen (14) erfolgt.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Vergasungsreaktor zur Herstellung von CO- oder H₂-haltigem Rohgas der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung.
Ein derartiger Vergasungsreaktor ist beispielsweise aus der WO 2009/036985 A1 der Anmelderin bekannt, wobei in dieser Literaturstelle eine Fülle von weiterem Stand der Technik genannt ist, wie beispielsweise die US 4 474 584 , die insbesondere die Kühlung des heißen Synthesegases behandelt.
Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit Problemen, die bei derartigen Reaktoren auftauchen, wobei die Erfindung nicht auf den speziell hier angesprochenen Vergasungsreaktor beschränkt ist, sie richtet sich auch auf Apparate, bei denen ähnliche, weiter unten näher beschriebene Probleme auftauchen können.
Ein derartiger Apparat muss geeignet sein, um Verfahren der Druckvergasung/Brennung von fein verteilten Brennstoffen zu ermöglichen, wozu die partielle Oxidation der Brennstoffe Kohlenstaub, fein verteilte Biomasse, Öl, Teere od. dgl. in einem Reaktor gehört. Hierzu gehört auch der getrennte oder gemeinsame Abzug von Schlacke oder Flugasche und erzeugtem Synthese- bzw. Rauchgas. Es muss eine Kühlung der Reaktionsprodukte (Gas und Schlacke/Flugasche) möglich gemacht werden, etwa durch Sprühquenchen, Gasquenchen, Strahlungsquenchen, Konvektionsheizflächen od. dgl., je nach Art des eingesetzten Verfahrens, wobei schließlich auch ein Augenmerk auf die Ausschleusung der Reaktionsprodukte aus dem Druckbehälter gerichtet werden muss.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, innerhalb des Druckbehälters einen Kühlschirm bereitzustellen mit konischen Bereichen für den Gas- bzw. Schlackeaustritt, wobei die Aufhängung bzw. Verbindung zwischen Kühlschirm und Druckbehälter (Lastabtragung) unter Vermeidung von Differenzdehnungen optimiert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zur Abtragung der Last der Membranwand eine Abstützung direkt oder indirekt an den Kühlmitteleintrittsleitungen oder Gemischaustrittsleitungen erfolgt, wobei es zweckmäßig ist, wenn die Kühlmitteleintrittsleitungen und/oder die Gemischaustrittsleitungen in der durch beispielsweise die Brenner vorgegebenen neutralen Ebene positioniert sind und dort den Druckbehälter durchsetzen.
Mit der Erfindung wird u. a. das Problem gelöst, eine Fixpunktebene in der Normalen zu der Behälterebene zwischen dem Druckbehälter und den inneren Konstruktionen zu schaffen, so dass die durch die extremen Temperaturunterschiede auftretenden Dehnungen abgefangen werden, da es in der Fixpunktebene keine oder nur geringe Dehnungsdifferenzen gibt. Die Membranwand ist gegenüber der Druckbehälterwand gasdicht. Der Boden bzw. der Deckel eines solchen Membrandwandkorbes weist demgegenüber je nach Bauart Auslässe auf, um Gas, Schlacke, Wasser etc. ein- bzw. ausströmen zu lassen.
Erkennbar ist es mit der Erfindung möglich, z. B. Brenner bei einer Vergasung, einer Druckkohlenstaubfeuerung od. dgl. durch den Druckbehälter und den Kühlschirm hindurchzustecken, ohne dabei Dehnungen in Kauf nehmen zu müssen.
Die eingangs erwähnte Problematik greift zum Teil die EP 0 616 022 B1 auf. Hier wird die Anwendung auf einen Vergasungsreaktor sowie auf direkt folgende Konvektiv-Heizflächen beschrieben. Auch hier wird eine Membranwandkonstruktion gezeigt, die außen von einem Druckbehälter umschlossen wird. Die Last wird hier über separate Bauteile von den Membranwänden in den Druckbehälter abgeleitet. Diese Bauteile sind mit eigenen Kreisläufen ausgestattet, die die Bauteile beheizen. Diese Konstruktion hat aber den Nachteil, dass weitere Kreisläufe zusätzlich zu den bestehenden für die Membranwand eingesetzt werden müssen, was einen zusätzlichen Platzbedarf nach sich zieht und äußerst aufwändig ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Rohre der Membranwand an einem unterhalb und/oder oberhalb der Heizflächen angeordneten Ringverteiler befestigt sind, wobei der Ringverteiler mit den Kühlmitteleintrittsleitungen bzw. den Gemischaustrittsleitungen verbunden ist.
Grundsätzlich sind die Wandausführungen des Reaktionsraumes unterschiedlich gestaltbar, so sieht die Erfindung einen Vergasungsreaktor mit einem Membranwandkorb vor und mit aus Kühlrohren gebildeten oberen und unteren konischen Bereichen, der sich dadurch auszeichnet, dass die konischen Membrankorbbereiche mit getrennten Kühlwasserzu- und -abflüssen ausgestaltet sind, wobei ein Teil der die senkrechte Membranwand bildenden Rohre als Tragelement der den unteren bzw. oberen Konus bildenden Rohre ausgebildet ist.
Eine Besonderheit dieser Ausgestaltung besteht erkennbar darin, dass wenigstens ein Teil der die im Wesentlichen zylindrische Membranwand bildenden kühlmitteldurchströmten Rohre gleichzeitig den unteren Membrankorbbereich durch Auflagen tragen bzw. den oberen Membrankorbbereich durch Abhängen tragen.
Dabei kann in Ausgestaltung dieser Lösung vorgesehen sein, dass die die Tragelemente bildenden Rohre getrennt aus dem jeweiligen Ringverteiler unterhalb oder oberhalb des jeweiligen Konus und zurück in die Membranwand verlaufen, wobei dadurch, dass die die Tragelemente bildenden Rohre aus einer unterschiedlichen Ebene des Ringverteilers geführt sind immer optimale Winkelstellungen zur Aufnahme der Last des aufgelegten bzw. abgehängten Membranwandkorbbereiches aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere dann vorgesehen, wenn die Membran aus durchgehenden Rohren gebildet ist, die sowohl den oberen als auch den unteren konischen Bereich bilden, dass im Ringraum an den Membranwandrohren Konsolen vorgesehen sind, die sich an den Kühlmitteleintrittsleitungen oder den Gemischaustrittsleitungen abstützen, wobei auch vorgesehen sein kann, dass die Membranwand und der obere und untere konische Bereich von den selben kühlmittelführenden Rohren gebildet ist, wobei zur jeweiligen Konusbildung die entsprechenden Rohrabschnitte bereichsweise gegeneinander versetzt bzw. verschoben angeordnet sind, womit mit einfachen Mitteln die Konusbildung optimiert werden kann.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
1 eine prinzipielle Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor,
2 und 3 Prinzipdarstellungen eines Vergasungsreaktors mit unterschiedlich gestalteten Reaktionsräumen sowie in den
4 bis 7 Prinzipzeichnungen der Reaktionsräume im Halbschnitt mit unterschiedlichen Berohrungen.
Der in 1 dargestellte, allgemein mit 1 bezeichnete Vergasungsreaktor weist einen Druckbehälter 2 auf, in dem von oben nach unten ein durch eine Membranwand 3 umschlossener Reaktionsraum 4 auf Abstand zum Druckbehälter 2 angeordnet ist. Die die Membranwand 3 beaufschlagende Kühlmittelzuleitung ist mit 5 bezeichnet. Dabei geht die Membranwand 3 über einen unteren Konus 6 in einen verengten Kanal als Teil eines mit 8 bezeichneten Übergangsbereiches über, wobei im verengten Übergangskanal 7 Drallbremsen 9 angedeutet sind. Mit 10a ist eine Abtropfkante im Übergangsbereich 8 für die flüssige Asche im Übergangsbereich im Abstand zur ersten Abtropfkante 10 am Ende des Übergangskanales 7 bezeichnet.
An den Übergangsbereich 8 schließt sich ein Quenchraum bzw. Quenchkanal 11, gefolgt von einem Schlackesammelbehälter 12 in einem Wasserbad 13 an.
Nachfolgend wird insbesondere die Ausgestaltung der den Reaktionsraum 4 umschließenden Membranwand 3 beschrieben.
Beim Ausführungsbeispiel nach 2 wird die Membranwand 3 von kühlmediumdurchflossenen, lediglich als Strich angedeuteten Rohren gebildet, die gleichzeitig obere und untere konische Bereiche 3a und 3b ausbilden, wobei die Zuleitung des Kühlmittels über Kühlmitteleintrittsleitungen 5 er folgt, die Gemischaustrittsleitungen sind mit 14 bezeichnet, wobei diese Leitungen von einem oberen und unteren Ringverteiler 15 bzw. 16 beaufschlagt sind.
Etwaige, die Wand des Druckbehälters 2 sowie die Membranwand 3 durchsetzende Elemente, wie Brenner od. dgl. sind in 2 lediglich angedeutet und mit 17 bezeichnet. Die durch diese Einbauten definierte horizontale Ebene ist gestrichelt angedeutet und mit 18 bezeichnet.
Die Ein- bzw. Austritte der Kühlmitteleintrittsleitungen 5 bzw. Gemischaustrittsleitungen 14 durchsetzen in dieser Ebene 18 bzw. möglichst nahe an der Ebene 18 die Druckbehälterwand 2, die geometrische Zuordnung ist in 2 mit ”x” bezeichnet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist etwas anders gestaltet. Hier wird der obere und der untere Konus, in 3 mit 3' und 3'' bezeichnet, von getrennten Kühlrohrsystemen gebildet, die gasdicht mit der Membranwand 3 verbunden und mit einer eigenen Kühlmittelzufuhr und -abfuhr ausgerüstet sind, was nicht näher dargestellt ist.
Angedeutet in 3 ist eine Lösung, bei der der untere Konus 3' von einigen Kühlrohren getragen wird, die beispielsweise in wechselnder Folge winkelförmig abgeknickt aus der Membranwand 3 unter dem unteren Konus 3' zu dessen Abstützung zurück in den unteren Ringverteiler 15 geführt sind, diese Rohrstücke sind in 3 mit 3a bezeichnet.
Die Konstruktion kann auch entsprechend für den oberen Konus 3'' gelten, was in den Figuren nicht näher dargestellt ist.
Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass zur Abtragung der Last der Membranwand 3 unmittelbar die Kühlmitteleintrittsleitungen 5 oder die Gemischaustrittsleitungen 14 herangezogen werden, was in den 4 bis 7 in unterschiedlichen Varianten dargestellt ist.
4 zeigt einen dreiteiligen Membranwandkorb mit einem zylindrischen Bereich 3, einem unteren Konus 3' und einem oberen Konus 3'' mit eigener Verrohrung, wobei diese Konusbereiche gasdicht mit der zylindrischen Wand verbunden sind.
Zur Stützung des unteren Konusbereiches 3' ist ein Teil der die zylindrische Membranwand 3 bildenden Rohre etwa winkelförmig aus der Ebene abgeknickt und in den unteren Ringverteiler 15 geführt, wobei der größere Teil der Rohre der senkrechten Membranwand 3 knickfrei in diesen Ringverteiler einmünden. Der Ringverteiler 15 selbst wird von einer Mehrzahl von Kühlmitteleintrittsleitungen 5 getragen, womit die Gesamtkonstruktion entsprechend gehalten ist.
Der Ein- bzw. Austritt der entsprechenden Leitungen 5 bzw. 14 sollte in oder in der Nähe der gestrichelt eingezeichneten neutralen Ebene 18 positioniert sein, um Differenzdehnungen zu vermeiden bzw. aufzufangen.
In 5 ist ein abgewandeltes Beispiel dargestellt. Hier ist der Membrankorb mit oberem und unteren Konus aus durchlaufenden Kühlrohren gefertigt. Im Beispiel der 5 weist der Membrankorb, insbesondere die zylindrische Membranwand 3, in ihrem oberen Bereich Stützkonsolen 19 auf, wobei die Austrittsleitungen 14 korrespondierende Auflagen 20 aufweisen, an denen sich die Stützkonsolen 19 abstützen, um so den gesamten Membrankorb zu halten.
6 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel. Hier werden die Konsolen 19a von Auflagen 20a gehalten, die hier allerdings an der jeweiligen Kühlmitteleintrittsleitung 5 positioniert sind, um so ebenfalls den gesamten Membrankorb abzustützen.
Schließlich zeigt 7 ein weiteres Beispiel, bei dem auf den unteren Ringverteiler 5 ggf. selbst kühlmitteldurchflossene Stützelemente 21 positioniert sind, auf denen sich entsprechende Auflager 22 am Membrankorb 3 abstützen.
Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können beispielsweise auch Mischformen der Abstützung vorgesehen sein, etwa Auflagen des unteren Membranwandkorbbereiches 3' einerseits auf ausgebogenen Kühlmittelleitungen und ggf. zusätzlich Auflager 19 und 20 etwa als Kombination der Ausführungsformen aus 4 und 6 andererseits, um nur ein mögliches Beispiel zu nennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2009/036985 A1 [0002]
- US 4474584 [0002]
- EP 0616022 B1 [0009]

Claims

Vergasungsreaktor (1) zur Herstellung von CO- oder H₂-haltigem Rohgas durch Vergasung von aschehaltigem Brennstoff mit sauerstoffhaltigem Gas bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Asche mit einem Druckbehälter (2) und einem durch eine Membranwand (3) aus Kühlrohren gebildeten Reaktionsraum (4), wobei zwischen der Innenwand des Druckbehälters (2) und der Membranwand (3) ein Ringraum gebildet ist, wobei Elemente, wie Brenner (17) od. dgl., vorgesehen sind, die die Druckbehälterwand und die Membranwand im Wesentlichen auf derselben Ebene (18) horizontal durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtragung der Last der Membranwand (3) eine Abstützung direkt oder indirekt an den Kühlmitteleintrittsleitungen (5) oder Gemischaustrittsleitungen (14) erfolgt.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre der Membranwand (3) an einem unterhalb und/oder oberhalb der Heizflächen angeordneten Ringverteiler (15, 16) befestigt sind, wobei der Ringverteiler (15, 16) mit den Kühlmitteleintrittsleitungen (5) bzw. den Gemischaustrittsleitungen (14) verbunden ist.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Membranwandkorb und aus Kühlrohren gebildeten oberen und unteren konischen Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Membrankorbbereiche (3', 3'') mit getrenntem Kühlwasserzu- und -abflüssen ausgestaltet sind, wobei ein Teil (3a) der die senkrechte Membranwand (3) bildenden Rohre als Tragelement der den unteren bzw. oberen Konus (3', 3'') bildenden Rohre ausgebildet ist.
Vergasungsreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Tragelemente bildenden Rohre (3, 3a) getrennt aus dem jeweiligen Ringverteiler (15, 16) unterhalb oder oberhalb des jeweiligen Konus und zurück in die Membranwand verlaufen.
Vergasungsreaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringraum an den Membranwandrohren (3) Konsolen (19) vorgesehen sind, die sich an Auflagen (20) an den Kühlmitteleintrittsleitungen (5) oder den Gemischaustrittsleitungen (14) abstützen.
Vergasungsreaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranwand (3) und der obere und untere konische Bereich (3a, 3b) von den selben kühlmittelführenden Rohren gebildet sind, wobei zur jeweiligen Konusbildung die entsprechenden Rohrabschnitte bereichsweise gegeneinander versetzt bzw. verschoben angeordnet sind.