DE102010041092A1

DE102010041092A1 - Kühlmitteldirektinjektion in die Grenzschicht zwischen Kühlschirmwand und Vergasungsraum eines Flugstromvergasers

Info

Publication number: DE102010041092A1
Application number: DE201010041092
Authority: DE
Inventors: Andreas Wünsche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-03-22

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, zwischen dessen Windungen eine Vielzahl von über ein Verteilsystem (4.1, 4.2, ... 4.n) gespeister Düsenstifte (4) angeordnet sind, über die ein Medium in den Vergasungsraum direkt injizierbar ist. Ausgestaltungen betreffen die Zuführung unterschiedlicher Mengen des Mediums oder unterschiedlicher Medien, wie zum Beispiel Gas, Dampf, Vergasungsmittel, in unterschiedlichen Höhen des Kühlschirms. Zwischen Kühlschirm und Heißgasstrom wird 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.

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.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluid-Direktinjektions-Kühlung der inneren Reaktionsraumwand von Hochleistungs-Flugstromvergasern, 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.
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.
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 H₂- 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 wasserdurchströmten 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.
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.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Kühlschirm mit nach innen gerichteten und radial angeordneten Düsenstiften 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.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, alle oder einen Bruchteil der Injektionsstellen für das Kühlmedium zur Zugabe von Vergasungsmitteln zu nutzen.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren erläutert.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Flugstromvergasers mit Kühlschirm (3) und Kühlmitteldirektinjektion. Das mehrheitlich in der Flammreaktion beginnend am Mund des Brenners (7) gebildete Rohgas (1) strömt im Reaktionsraum abwärts. Abhängig von Brennstoff-/Asche- und gewünschter Produktgaszusammensetzung herrschen gemäß den anzuwendenden Gleichgewichtsbedingungen Temperaturen von 1200°C bis 1900°C vor.
Der Kühlschirm (3) ist im Wesentlichen mit einem Rohr gebildet, das zu einer Wendel geformt ist, deren Windungen gasdicht verschweißt sein können. Die aus Gründen der Bauteilkühlung notwendige Durchflutung der Rohrwendel des Kühlschirms mit Wasser führt zu einer kontinuierlichen Wärmeabfuhr aus dem System.
Über ein Kühlmedienverteilsystem 4.1, 4.2, ... 4.n werden eine Vielzahl durch die Windungen des Kühlschirms durchragende Düsenstifte 4 mit einem Kühlmedium, wie zum Beispiel Kühlgas oder Wasserdampf, derart beaufschlagt, dass bei Kühlmediendurchtritt eine Kühlmitteldirektinjektion (2) in die Strömungsgrenzschicht des Rohgases (1) an der Kühlwand erfolgt. In der Folge führt die nach innen gerichtete Kühlmittelströmung (2) zu einer Behinderung des Wärmeübergangs von der heißen Rohgasphase (1) auf die Reaktionsraum-Innenwand (6). Dies reduziert den Wärmestrom zum Kühlschirm im Wesentlichen auf seinen Strahlungsanteil. Die Bereitstellung des Kühlmittels erfolgt per Kühlmedienverteilersystem (4).
Zur weiteren Reduktion des Wärmeeintrags in den Kühlschirm kann auf seiner dem Vergasungsraum zugewandten Seite eine Schicht aus Feuerfest-Stampfmasse (6) aufgebracht sein, wobei die Enden der Düsenstifte 4 durch die Feuerfest-Stampfmasse (6) in den Vergasungsraum ragen oder mit der dem Vergasungsraum zugewandten Oberfläche der Feuerfest-Stampfmasse (6) bündig abschließen.
Nach Verlassen des Reaktionsraumes (8) erfährt das Rohgas eine plötzliche Abkühlung durch direkte Einspritzung von Wasser in den Rohgasstrom (Quenchung) (13).
2 zeigt einen Abschnitt einer Kühlwand mit Kühlmitteldirektinjektion mittels vom Verteilsystem (4.1, 4.2, ... 4.n) ausgehender und durch den Kühlschirm (3) ragender Düsenstifte (4). Eine Beschichtung, etwa mit Feuerfest-Stampfmasse ist entbehrlich. Zwischen den Windungen des Kühlschirms (3) sind von der dem Reaktionsraum (8) abgewandten Seite Düsenstifte geführt, die innerhalb einer bündigen Fläche mit den zum Reaktionsraum gewandten Windungen enden. Das Kühlmittel wird durch die Düsenstifte direkt in den Reaktionsraum injiziert. Die Düsenstifte werden durch ein Kühlmedienverteilsystem gespeist, das durch Ringrohre (4.1, 4.2, ... 4.n) gespeist werden möge. In verschiedenen Höhen des Kühlschirms können unterschiedliche Mengen von Kühlmittel injiziert werden. Dies kann durch Beaufschlagung der Ringrohre (4.1, 4.2, ... 4.n) mit unterschiedlichem Druck aber auch unterschiedlichem Strömungswiderstand für das Kühlmedium realisiert werden.
Einerseits trägt dies dem individuellen Kühlmittelstrom entsprechend der Wärmebelastung auf Höhe des jeweiligen Ringrohres (4.1, 4.2, ... 4.n) Rechnung. Zum anderen können die Ringrohre (4.1, 4.2, ... 4.n) mit verschiedenen Kühlmedien und/oder Vergasungsmitteln in jeweils optimierter Weise beaufschlagt werden.
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.
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.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine flächige oder ringsegmentweise Zufuhr von Vergasungsmitteln (zum Beispiel CO₂, Wasserdampf und Weitere) durch die Reaktionsraumwand hindurch in den Vergasungsraum.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ragen die Düsenstifte mindestens so weit in den Vergasungsraum wie die dem Vergasungsraum zugewandte Oberfläche der Feuerfestbestampfung des Kühlschirms.
Bezugszeichenliste

1: Rohgasstrom
2: Kühlmedienfilm
3: Kühlschirm
4: Düsenstifte Kühlgas/-Dampfzufuhr; Vergasungsmittelzufuhr
4.1, 4.2: Kühlmedienverteilsystem
5: Reaktordruckmantel
6: poröse Wand, Feuerfest-Stampfmasse
7: Vergasungsstoffbrenner
8: Reaktions-/Heißgasraum
9: Kaltgasraum
10: Kaltgasstutzen
11
12: Membranwand
13: Quenchung

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 Nicht-Patentliteratur

„Die Veredelung und Umwandlung von Kohle” herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V., Dez. 2008, Kapitel GSP-Vergasung [0003]

Claims

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, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Temperaturen bis 1900°C und Drücken bis zu 10 MPa, bei dem innerhalb des Druckmantels (5) ein Flüssigkeits-gekühlter Kühlschirm (3), der den Vergasungsraum (8) begrenzt, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Windungen des Kühlschirms eine Vielzahl von über ein Verteilsystem (4.1, 4.2, ... 4.n) gespeister Düsenstifte (4) angeordnet sind, über die ein Medium in den Vergasungsraum direkt injizierbar ist.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilsystem durch Ringrohre (4.1, 4.2, ... 4.n), individuell für jede Höhe des Kühlschirms, realisiert ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch ein Verteilsystem, das derart ausgestaltet ist, dass in verschiedenen Höhen des Kühlschirms unterschiedliche Mengen des Mediums zuführbar sind.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch ein Verteilsystem, das derart ausgestaltet ist, dass in verschiedenen Höhen des Kühlschirms unterschiedliche Medien zuführbar sind.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auf die dem Vergasungsraum zugewandten Seite des Kühlschirms eine Feuerfest-Stampfmasse (6) aufgebracht ist derart, dass die Enden der Düsenstifte durch sie austreten.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Medium durch ein Gas gegeben ist.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Medium durch Dampf gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Medium durch ein Vergasungsmittel gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Medium durch eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschirm zwischen seiner dem Vergasungsraum zugewandten und seiner dem Vergasungsraum abgewandten Seite gasdicht ausgestaltet ist.