DE102010041091B4 - Fluid-direct cooling of the inner reaction space wall of an entrained flow gasifier with cold gas space - Google Patents
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Abstract
Ein Reaktor zur Vergasung aschefreier oder aschearmer Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Temperaturen bis 1900°C und Drücken bis zu 10 MPa weist einen Kühlschirm auf, der auf seiner dem Vergasungsraum zugewandten Seite eine poröse Schicht trägt. Der Kaltgasraum hinter dem Kühlschirm ist mit einem Kühlmedium beaufschlagt derart, dass das Kühlmedium durch den Kühlschirm und die poröse Schicht hindurch in den Vergasungsraum diffundiert. Hierdurch wird zwischen Kühlschirm und Heißgasstrom eine Fluidschicht mit Wärmedämmendem Charakter erzeugt. Durch die im Folgenden stattfindende Vermischung beider Gasphasen und deren gemeinsame Abfuhr aus dem Vergasungsraum bleibt die Wärmemenge dem Gasvolumen erhalten und kann später einer Nutzung zugeführt werden. Die über den Kühlschirm aus dem Prozess abzuführende Wärmemenge wird prinzipiell verringert.A reactor for gasifying ash-free or low-ash fuels with a gasifying agent containing free oxygen at temperatures of up to 1900 ° C. and pressures of up to 10 MPa has a cooling screen which has a porous layer on its side facing the gasification chamber. A cooling medium is applied to the cold gas space behind the cooling shield in such a way that the cooling medium diffuses through the cooling shield and the porous layer into the gasification space. This creates a fluid layer with a heat-insulating character between the cooling screen and the hot gas flow. As a result of the subsequent mixing of the two gas phases and their joint removal from the gasification chamber, the amount of heat is retained in the gas volume and can be used later. The amount of heat to be dissipated from the process via the cooling shield is reduced in principle.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung aschefreier oder aschearmer Brennstoffe, insbesondere wie kohlenwasserstoffhaltiger Gase, die als Fraktionen der Erdölaufbereitung oder der thermischen Behandlung organischer Materialien anfallen sowie aschearme Kohlen, Kokse, Biomassen und Fraktionen von Abfall und Reststoffen, im Flugstrom mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Temperaturen bis 1900°C und Drücken bis zu 10 MPa.The invention relates to a reactor for the gasification of ash-free or low-ash fuels, in particular hydrocarbon-containing gases obtained as fractions of oil treatment or the thermal treatment of organic materials and low ash coals, cokes, biomasses and fractions of waste and residues, in the air stream containing a free oxygen Gasification agent at temperatures up to 1900 ° C and pressures up to 10 MPa.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluid-Direkt-Kühlung (auch Transpirationskühlung) der inneren Reaktionsraumwand von Hochleistungs-Flugstromvergasern nach dem Prinzip der Kühlmedien-Direkt-Injektion, insbesondere auf eine neue Technologie zur Kühlung der inneren Oberfläche der Reaktionsraumwand von Flugstromvergasern durch Direktinjektion eines Kühlmediums in die dort ausgebildete Strömungsgrenzschicht des Rohgasstroms.The invention relates to a fluid-direct cooling (also transpiration cooling) of the inner reaction space wall of high-performance entrained flow gasifiers according to the principle of direct coolant injection, in particular to a new technology for cooling the inner surface of the reaction space wall of entrained flow gasifiers by direct injection of a cooling medium in the formed there flow boundary layer of the crude gas stream.
Der Vergaser stellt bei der Flugstromvergasung eine Kernkomponente des Verfahrens dar. Die Technologie ist ausführlich in „Die Veredelung und Umwandlung von Kohle” herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V., Dez. 2008, Kapitel GSP-Vergasung beschrieben.The gasifier is a core component of the process of entrained flow gasification. The technology is described in detail in "The upgrading and conversion of coal" issued by the German Scientific Society of Petroleum, Natural Gas and Coal. V., Dec. 2008, chapter GSP gasification.
Die Vergasungsstoffe festen oder flüssigen Aggregatzustandes werden über einen Vergasungsstoffbrenner in den Reaktionsraum des Flugstromvergasers eingebracht und unter Zusatz von einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Drücken von bis zu 10 MPa und Temperaturen bis 1.900°C in einer Flammenreaktion zu HZ- und CO-reichem Rohgas umgesetzt. Der Reaktionsraum wird durch die Kontur des Kühlschirms räumlich begrenzt und dient der Abfuhr von Reaktionswärme. Im Vergasungsstoff enthaltene Asche wird in der Flammreaktion aufgeschmolzen und schlägt sich an der inneren Wand des Kühlschirms nieder. Die so aufgebaute und kontinuierlich erneuerte Schlackeschicht bildet wegen ihrer schlechten Wärmeleiteigenschaften einen Dämmmantel und begrenzt auf diese Weise den Wärmestrom zum Kühlschirm. Der Kühlschirm selbst ist mit Wasser-durchströmten Rohrschlangen gebildet. Die Rückkühlung des Kühlwassers findet außerhalb des Reaktors statt. Entscheidender Vorteil der beschriebenen Technologie gegenüber der ausgemauerten Alternative ist die minimale thermische und werkstofftechnische Trägheit des Systems. Daraus folgen der äußerst geringe Zeitbedarf zum An- und Abfahren des Vergasers sowie der enorm hohe verfügbare Gradient für Lastwechsel. Ein derartiger Flugstromvergaser ist prinzipiell aus der
Aus der
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Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlschirmtechnologie auch für Brennstoffe mit sehr geringem oder keinem Ascheanteil nutzbar zu machen respektive eine Alternativtechnologie mit ähnlich geringer thermischer Trägheit für solche Brennstoffe bereitzustellen. Als Vertreter derartig charakterisierter Brennstoffe sind Raffinerie- und Chemierückstände wie (Schwer) Öle, Bitumen, Teere und (Petrol-, Pyrolyse-)Kokse als Beispiel genannt.The invention has for its object to make the cooling screen technology also available for fuels with very little or no ash content, respectively, to provide an alternative technology with similar low thermal inertia for such fuels. As representatives of fuels characterized in this way, refinery and chemical residues such as (heavy) oils, bitumen, tars and (petroleum, pyrolysis) cokes are mentioned as examples.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Kühlschirm mit nach innen gerichteten und radial angeordneten Transpirationsöffnungen auf beliebig vielen horizontalen Ebenen auszurüsten. Diese gewährleisten die Zufuhr eines gas- und/oder dampfförmigen Kühlmittels auf die innere Wandung des Kühlschirms. Mithin wird erreicht, dass zwischen Kühlschirm (t ≈ 200°C) und Heißgasstrom (t 1200–1900°C) eine Fluidschicht regelbarer Temperatur und Schichtdicke ausgebildet wird. Eintrittstemperatur und Wärmekapazität des Kühlmittels bestimmen zusammen mit der ausgebildeten Schichtdicke den Wärmedämmenden Charakter des Fluidfilms. Durch die im Folgenden stattfindende Vermischung beider Gasphasen und deren gemeinsame Abfuhr aus dem Reaktionsraum bleibt die Wärmemenge dem Gasvolumen erhalten und kann später einer Nutzung zugeführt werden. Die über den Kühlschirm aus dem Prozess abzuführende Wärmemenge wird so tendenziell verringert.According to the invention, it is proposed to equip the cooling screen with inwardly directed and radially arranged transpiration openings on any number of horizontal planes. These ensure the supply of a gaseous and / or vaporous Coolant on the inner wall of the cooling screen. Thus, it is achieved that between the cooling screen (t ≈ 200 ° C) and hot gas flow (t 1200-1900 ° C), a fluid layer of controllable temperature and layer thickness is formed. Inlet temperature and heat capacity of the coolant together with the formed layer thickness determine the thermal insulating character of the fluid film. By taking place in the following mixing both gas phases and their common removal from the reaction chamber, the amount of heat remains the gas volume and can later be used. The dissipated via the cooling screen from the process amount of heat is thus tends to be reduced.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren erläutert.The invention is explained below as an exemplary embodiment in a scope necessary for understanding with reference to figures.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.In the figures, like names denote like elements.
Der Kühlschirm (
Die Kühlmedienbereitstellung erfolgt über den Kaltgasraum (
Nach Verlassen des Reaktionsraumes (
Die Erfindung umfasst auch einen Reaktor zur Vergasung aschefreier oder aschearmer Brennstoffe, wie kohlenwasserstoffhaltiger Gase, die als Fraktionen der Erdölaufbereitung oder der thermischen Behandlung organischer Materialien anfallen sowie aschearme Kohlen, Kokse, Biomassen und Fraktionen von Abfall und Reststoffen, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Temperaturen bis 1900°C und Drücken bis zu 10 MPa, bei dem die Begrenzung des Vergasungsraumes durch eine gekühlte Reaktionsraumkontur realisiert ist, welche innerhalb eines Druckmantels angeordnet ist und die Reaktionsraumbegrenzung auch mit einem Kühlsystem ausgerüstet ist, welches nach dem Prinzip der Transpirationskühlung wirkt.The invention also includes a reactor for gasification of ashless or low ash fuels, such as hydrocarbonaceous gases produced as fractions of petroleum upgrading or thermal treatment of organic materials, and low ash cokes, cokes, biomasses and fractions of waste and residuals, with a free oxygen-containing gasification agent Temperatures up to 1900 ° C and pressures up to 10 MPa, in which the limitation of the gasification chamber is realized by a cooled reaction space contour, which is disposed within a pressure jacket and the reaction space boundary is also equipped with a cooling system which acts on the principle of transpiration cooling.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behinderung des Gas-Fest-Wärmeübergangs aus dem Reaktionsrauminneren in die innere Wand der Reaktionsraumbegrenzung eines Flugstromvergasers mittels multipler Dirket-Injektion eines gas- oder dampfförmigen Kühlmittels in die Strömungsgrenzschicht des heißen Rohgases an eben dieser Wand.The invention also encompasses a method and a device for preventing the gas-solid heat transfer from the interior of the reaction chamber to the inner wall of the reaction space boundary of an entrainment gasifier by means of multiple direct injection of a gaseous or vaporous coolant into the flow boundary layer of the hot raw gas at this very wall.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine flächige Zufuhr von Vergasungsmitteln (zum Beispiel CO2, Wasserdampf und Weitere) durch die Reaktionsraumwand hindurch in den Vergasungsraum.In a particular embodiment of the invention, a surface supply of gasification agents (for example CO 2 , water vapor and others) takes place through the reaction space wall into the gasification space.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kühlmedienzufuhr transpirativ durch eine poröse Wand beliebigen Materials.In a particular embodiment of the invention, the cooling medium supply is transpiratively through a porous wall of any material.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kühlmedienzufuhr durch eine löchrige Membranwand.In a particular embodiment of the invention, the cooling medium is supplied through a holey membrane wall.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Reaktionsraumwand segmentweise aus Materialien unterschiedlicher Porosität aufgebaut.In a particular embodiment of the invention, the reaction space wall is constructed in segments of materials of different porosity.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die poröse Schicht durch eine Feuerfestbestampfung ersetzt und die Injektion des Kühlmittels wird durch die Poren der Feuerfestbestampfung des Kühlschirms geleitet.In a particular embodiment of the invention, the porous layer is replaced by a Feuerfestbestampfung and the injection of the coolant is passed through the pores of Feuerfestbestampfung the cooling screen.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rohgasstromraw gas stream
- 22
- KühlmedienfilmCoolants film
- 33
-
Kühlschirm
4 cooling screen4 - 55
- ReaktordruckmantelReactor pressure shell
- 66
- poröse Wandporous wall
- 77
- VergasungsstoffbrennerGasification fuel burners
- 88th
- Reaktions-/HeißgasraumReaction / plenum
- 99
- KaltgasraumCold gas space
- 1010
- KaltgasstutzenCold gas nozzle
- 1111
- 1212
- Membranwandmembrane wall
- 1313
- Quenchungquenching
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