DE102013020475A1

DE102013020475A1 - Kühlschirm gestaltet als Kühlsystem für Flugstromvergasungsreaktoren von kohlenstoffhaltigen Brenn- und Abfallprodukten

Info

Publication number: DE102013020475A1
Application number: DE102013020475.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Furkert; Rainer Spreckelmeyer
Original assignee: Hans-Joachim Furkert
Current assignee: SCHOELLER-BLECKMANN NITEC GMBH, AT
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Für einen Reaktionsraum eines Flugstromvergasungsreaktors für Drücke bis 6,3 MPa wird zum Schutz der Reaktordruckwand vorgeschlagen, ein flüssigkeitsgekühlter Kühlschirm erfinderisch so auszuführen, dass ein Blechmantel die erforderliche Reaktionsraumkontur nachbildet und zur Leitung der Kühlflüssigkeit innen mehrgängige Halbrohrwindungen aufgeschweißt werden, die zusätzlich zum Aufbringen einer keramischen Wärmeisoliermasse bestiftet sind wobei mit diesem Kühlschirmtyp eine wesentliche Reparaturfreundlichkeit der einzelnen Kühlschirmwicklungen erreicht wird und die Möglichkeit besteht Reaktoren ohne Behälterflanschverbindung auszuführen.

Description

Die Erfindung betrifft das Kühlsystem von Flugstromreaktoren zur Vergasung von kohlenstoff- und aschehaltigen Brenn- und Abfallstoffen, bei der die Vergasung bei erhöhtem Druck vorzugsweise bei 30 bar in einer Flammenreaktion von mindestens 1100°C mit Sauerstoff erfolgt.
Aus verfahrenstechnischer und energetischer Sichtweise wird bei Brennstoffe mit hohem Aschegehalt bei der Flugstromvergasung die Reaktordruckwand nach dem Stand der Technik vorzugsweise durch Kühlschirme aus Rohrschlangen geschützt, durch die Kühlwasser mit einem Druck, oberhalb des Vergasungsdruckes, strömt. Die Rohrschlangen sind untereinander über Stege gasdicht verschweißt und auf der Reaktionsraumseite bestiftet und mit einer zur Wärmeableitung keramischen Masse beschichtet. Derartige Kühlvorrichtungen sind unter anderem in der Patentschrift DE 196 43 258 A1 beschrieben.
Bei in der Technik bekannten Ausführung werden derartige Rohrkühlschirme zur Erreichung einer gleichmäßigen und intensiven Kühlung mehrgängig ausgeführt, wobei die Kühlwasserzu- und Kühlwasserabführungsrohre wahlweise im oberen Reaktorboden oder im zylindrischen Druckmantel des Reaktors angeordnet und mit selbigen dicht verschweißt sind. Zur Montage/Demontage solcher Kühlschirme ist es erforderlich, dass der Reaktor mit einem Mantelflansch und einem Deckelflansch versehen wird. Die Patentschriften DE 20 2009 012 134 und DE 10 2011 080 838 B3 offenbaren eine entsprechende Konstruktion dieses Reaktortyps.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass insbesondere beim Anfahrprozess eine Störungsgefahr des Kühlschirmes darin besteht, dass die Brennerflamme die keramische Masse auf den Kühlrohren zerstören und eine solche Schädigung bis zum Durchbruch der Kühlrohre führen kann. Ein solcher Defekt bedeutet die sofortige Abstellung der Anlage und eine langwierige und kostenintensive Reparatur der mehrgängigen Rohrschlange, bzw. Austausch des kompletten Kühlschirmes. Ein Austausch eines kompletten Kühlschirmes versucht man allgemein zu umgehen, da eine Demontage des Deckelflansches mit dem oberen Reaktorboden äußerst kostenintensiv ist.
Die Erfindung hat zum Ziel die Nachteile eines Reaktor, ausgeführt mit einem Mantel-/Deckelflansch zur Montage des Kühlschirmes, hergestellt aus mehrgängigen Rohrschlangen, die über Stege dicht miteinander verbunden sind, durch eine reparaturfreundliche Variante zu ersetzen wobei die erfinderische Lösung die Möglichkeit eröffnet, dass der Reaktor ohne Mantel-/Deckelflansch ausgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, statt den Kühlschirm aus mehrgängigen Rohrschlangen mit zwischen den einzelnen Rohrwendeln eingeschweißten Stege und aufgeschweißter Bestiftung auf den Rohren durch einen konturgleichen Blechmantel mit innen aufgeschweißten Halbrohre mit aufgeschweißter Bestiftung auszuführen, wobei das Kühlwasser nach wie vor mehrgängig durch die einzelnen Halbrohre fließen soll.
Der Vorteil dieser Ausführung wird darin gesehen, dass bei einem Schadensfall an den Halbrohren ein Austausch von schadhaften Halbrohrelementen wesentlich unkomplizierter ist, da alle Schweißnähte vom Innenraum des Reaktors normal ausgeführt werden können. Da bei der neuen Lösung die Stegeinschweißung zwischen den Kühlrohren und das Anschweißen des Stegbleches zur Befestigung des Kühlschirmes auf der gekühlten Tragplatte und des Stegbleches bei einer vorgesehenen Gleitdichtung im oberen Teil des Kühlschirmes entfällt, wird der höhere Anteil der Schweißnähte bei der Halbrohraufschweißung zum einem großen Teil kompensiert.
Um eine qualitätsgerechte Ausführung der Schweißnähte beim Aufschweißen der Halbrohre auf den Blechmantel zu gewährleisten ist ein genügend großer Abstand zwischen den Halbrohren vorzusehen. Zur Minderung insgesamt dieser Abstände, verbunden mit dem Ziel eine Vergrößerung der Kühlfläche zu erreichen, wird als eine weitere Ausführungsvariante gegenüber der in der Technik üblichen Halbrohranschweißung beim neuen Kühlschirm vorgeschlagen, nur den ersten Strang einer Halbrohrwicklung beidseitig auf den Blechmantel aufzuschweißen, danach ein Ende des jeweils darunterliegenden Halbrohres auf das darüberliegende Halbrohr und das andere Ende des Halbrohres auf den Blechmantel aufzuschweißen. Je nach der vorgesehenen Mehrgängigkeit werden die einzelnen Halbrohrwicklungen so nacheinander zusammengeschweißt, dass zu Beginn einer neuen Wicklung ein ausreichender Abstand zwischen der erneuten Halbrohrwicklung vorliegt. Aus prüftechnischer Sicht hat diese Ausführung den Vorteil gegenüber der aus der Technik allgemein bekannten Halbrohraufschweißung, dass der Anteil der prüfpflichtigen Schweißnähte bei der Halbrohraufschweißung auf den Blechmantel sich verringert.
Ein besonderer Vorteil bei dieser Kühlschirmausführung wird darin gesehen, dass bei einem Schadensfall des Kühlschirmes einzelne Halbrohrsegmente wesentlich einfacher ohne Demontage des Reaktorbodens ausgewechselt werden können. Diese Ausführung ermöglicht auch den Kühlschirm in Längssegmente so zu teilen, dass einzelne Segmente durch die Brennerkopföffnung im oberen Reaktorboden demontiert, durch neue Segmente ersetzt und im Reaktor wieder montiert werden können. Die neue Kühlschirmausführung eröffnet damit auch die Möglichkeit generell auf eine Behälterflanschverbindung zu verzichten, wenn vorgegeben ist, den Kühlschirm in Längssegmente geteilt in den Reaktor zu montieren. Der Wegfall der Behälterflanschverbindung stellt insbesondere bei großen Reaktoreinheiten eine äußerst kostengünstige Variante dar.
Ein weiterer Vorteil wird bei dieser Ausführung darin gesehen, dass diese Ausführung generell nach den Druckgeräterichtlinien für äußere Überdrücke geeignet ist. Damit besteht die Möglichkeit im Zwischenraum den Spülgasdruck zwischen den Druckmantel vom Reaktor und den Kühlmantel gegenüber von Kühlschirmen aus gewickelten Rohrschlangen zu erhöhen, was zu einer sicheren Vermeidung des Eintrittes von korrosiven Gasen in den Zwischenraum führt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Kühlschirm bestehend aus Blechmantel mit innen aufgeschweißte Halbrohre in einem Reaktor mit Mantel-/Deckelflansch und als Option ohne Mantel-/Deckelflansch
2 Gestaltung der Halbrohre und deren Verbindungsnähte am Beispiel einer viergängigen Spirale als Kühlschirm nach der erfinderischen Lösung in beiden Ausführungsvarianten
3 Verbindungsnähte zweier Kühlschirmsegmente im Schadensfall, wenn ein komplettes Kühlschirmsegment oder nur ein Halbrohrstück gewechselt werden muss.
Das nach 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt den erfinderischen Kühlschirm im Halbschnitt mit aufgeschweißten, mehrgängigen Halbrohren 1 auf einen Blechmantel 2 und den zugehörigen Kühlwasserzulaufstutzen 3 und Kühlwasserablaufstutzen 4 in einem mit einem Mantel-/Deckelflansch 12 gestalteten Reaktor 10, bzw. als Option ohne Mantel-Deckelflansch mit Mannloch 13, mit einer Brennerkopföffnung 11 über die eine Demontage/Montage von Halbrohrteile oder ganze Kühlschirmsegmente erfolgen kann.
In 2 sind beide Ausführungsvarianten dargestellt, wobei in Variante 1 die Schweißnähte 6 zur druckdichten Verbindung der Halbrohre 1 mit dem Blechmantel 2 sowie in Variante 2 die Schweißnähte 6 und 7 für der Halbrohre 1 und 5 auf den Blechmantel 2 am Beispiel einer 4-gängige Halbrohrwicklung mit der Bestiftung 15 zur Befestigung einer keramischen Schutzmasse dargestellt sind.
In 3 sind die Montagenähte zweier Kühlschirmsegmente 9 mit aufgeschweißten Halbrohren 1 bei einer Montage des Kühlschirmes in einem Reaktor dargestellt, wobei 14 die Verbindungsnaht des Blechmantels 2 ist und 8 die Verbindungsnähte eines erforderlichen Passstückes 12 eines Halbrohres 1 darstellen.
Bezugszeichenliste

1: Halbrohr (180°)
2: Blechmantel
3: Kühlwasserzulauf
4: Kühlwasserablauf
5: Halbrohr (<180°)
6: Verbindungsnaht für Halbrohr 1
7: Verbindungsnaht für Halbrohr 5
8: Passstück bei Halbrohrreparatur
9: Kühlschirmsegment
10: Reaktor
11: Brennkopföffnung
12: Mantel-/Deckelflansch
13: Mannloch
14: Verbindungsnaht für Blechmantel
15: Bestiftung
16: Verbindungsnaht für Passstück

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 19643258 A1 [0002]
DE 202009012134 [0003]
DE 102011080838 B3 [0003]

Claims

Kühlschirm zum Schutz der Druckbehälterwand eines Vergasungsreaktors nach dem Flugstromprinzip dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschirm aus einen aus Blech 2 gefertigten Kühlmantel mit innen aufgeschweißten, mehrgängigen Halbrohren 1 oder als Halbrohre in Kombination 1; 5 besteht, wobei die Halbrohre 1; 5 im Querschnitt flächengleich sind und je größer die Wahl der Mehrgängigkeit ist bei der Kombination der Halbrohre 1; 5 eine Reduzierung des Anteiles der druckbeaufschlagten und prüfpflichtigen Befestigungsnähte 6 und 7 am Kühlmantel Blech 2 eintritt.
Kühlschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das Teile der Halbrohre 1; 5 im Schadensfall vom inneren Reaktionsraum aus gewechselt werden können bzw. der Kühlschirm so in Kühlschirmsegmente 9 geteilt werden kann, das einzelne Kühlschirmsegmente 9 über die Brennerkopföffnung 11 im Reaktor 10 demontiert und wieder montiert werden können.
Kühlschirm nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, das eine Komplettmontage über die Brennerkopföffnung 11 bei einen in Kühlschirmsegmente 9 geteilten Kühlschirm eine Herstellung eines Reaktors 10 ohne Mantel-/Deckelflansch 12 ermöglicht wird.
Kühlschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung besonders für Außendruckbelastungen geeignet ist und dadurch für höhere Spülgasdrücke größer 1 bar im Zwischenraum von Reaktordruckwand und Kühlschirm geeignet ist.