DE102013204779A1

DE102013204779A1 - Messung der Temperaturen im Kühlschirm eines Flugstromvergasers

Info

Publication number: DE102013204779A1
Application number: DE102013204779.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Dietmar Degenkolb; Horst Hoppe; Tino Just; Manfred Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-25
Also published as: CN204174182U

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Kühlschirmtemperatur an verschiedenen Stellen des Kühlschirmes. Dabei wird eine gewünschte Anzahl von Mantelthermoelementen an verschiedenen Stellen des Kühlschirmes befestigt und mittels einer überwachten Druckschleuse nach außen gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur sicheren Druckdurchführung einer Leitung (12) durch den Druckmantel (11) eines mit Vergasungsdrücken bis 10 MPa und Vergasungstemperaturen bis 1.900°C betriebenen Vergasungsreaktors.
Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Temperaturen im Kühlschirm eines Flugstromvergasers, in dem durch Partialoxidation aschehaltiger flüssiger oder staubförmiger fester Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel ein Syntheserohgas erzeugt wird. Die Partialoxidation vollzieht sich bei Temperaturen zwischen 1.300°C und 1.900°C und Drücken bis 10 MPa. Unter flüssigen Brennstoffen sind insbesondere Schweröle der Erdölverarbeitung, Teere aus der thermischen Brennstoffbehandlung sowie Suspensionen aus Wasser und Ölen mit staubförmig aufgemahlenen festen Brennstoffen zu verstehen, die Aschegehalte über 2 Ma% aufweisen, zu den staubförmigen festen Brennstoffen zählen fein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Stäube aus Biomassen, Produkte der thermischen Vorbehandlung wie Kokse, Dörrprodukte durch „Torrefaction“ sowie heizwertreiche Fraktionen aus kommunalen und gewerblichen Rest- und Abfallstoffen. Die Brennstäube werden als Gas-Feststoff-Suspensionen bei hohen Stoffdichten nach dem Prinzip der Fließförderung dem Vergasungsreaktor zugeführt. Die Vergasungsreaktoren können mit einem Kühlschirm oder mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sein, wie die Patente DE 4446803 und EP 0677567 zeigen. Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei das Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke getrennt oder gemeinsam aus dem Vergasungsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, wie in DE 19718131 dargestellt. Eine ausführliche Beschreibung der Gesamttechnologie findet sich in J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSATIONS- VERFAHREN, EF-Verlag, 1996, S. 25–53. Da die Vergasungstemperatur im Reaktionsraum des Flugstromvergasers nicht gemessen werden kann, bietet die Messung der Temperaturen im wasserdurchflossenen Kühlschirm die Möglichkeit, indirekt auf den Zustand im Vergasungsraum zu schließen.
Der bisherige Stand der Technik ist in der Patentschrift DD 145024 dokumentiert. Danach wird vorgeschlagen, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzuwenden, mit der die im Reaktionsraum eines Vergasungsreaktors für die Partialoxidation aschehaltiger Brennstoffe herrschenden Temperaturen und der Reaktionsablauf überwacht und die gewonnenen Messgrößen zur Steuerung des Prozesses herangezogen werden. Der Vorschlag kann für Reaktoren angewendet werden, deren Reaktionsraum von einem Kühlschirm begrenzt ist und der von einem Kühlmittel durchflossen wird. Dazu wird die Wärmemenge gemessen, die je Zeiteinheit auf das flüssige Kühlmittel, z.B. unter Druck stehendes Wasser, übertragen wird. Diese übertragene Wärmemenge wird als Maß für die mittlere Temperatur im Reaktionsraum des Vergasungsreaktors verwendet. Die übertragene Wärmemenge wird dann als Regelgröße für die Steuerung des Vergasungsprozesses genutzt. Zur Erfassung einer signifikanten Wärmemenge wird die Kühlmitteltemperatur am Ein- und Ausgang bzw. an bestimmten Stellen des Kühlschirmes gemessen. Dazu werden Thermoelemente an den Temperaturmessstellen angebracht. Voraussetzung ist dabei neben der Temperaturmessung die genaue Erfassung der Kühlwassermenge, was aber als Stand der Technik betrachtet werden kann. Die an verschiedenen Stellen des Kühlschirmes angebrachten Mantelthermoelemente werden mit einem dünnen Stahlseil durch Schellen zu einem Bündel zusammengefasst. Das Stahlseil ist über die gesamte Länge des Kühlschirmrohres geführt und in einem Stutzen am oberen Ende des Rohres außerhalb des Reaktordruckgefäßes an gut zugänglicher Stelle an einer Halterung befestigt. Mit der Bündelung der dünnen, ca. 1mm starken Mantelthermoelemente und dem Stahlseil versucht man, eine ausreichende mechanische Stabilität der Anordnung gegenüber dem durch die Druckwasserströmung im Rohr verursachten Beanspruchungen zu erreichen. Die nach dem Stand der Technik gefundene Lösung ist schwierig umsetzbar, da sie das Problem der Druckabdichtung nicht lösen kann bzw. eine aufwändige Lösung über die wasserführenden Rohrleitungen beschreibt. Sowohl die Wasserströmung im Kühlschirm als auch die Durchführung des Leitungsbündels aus den druckbeaufschlagten Kühlrohren könnten zu Schäden führen und die Temperaturmessung verfälschen.
In der DE 10 2011 080 835 ist bereits ein Reaktor zur Vergasung Kohlenstoff-haltiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel im Flugstrom bei Drücken von Atmosphärendruck bis 10 MPa vorgeschlagen worden, bei dem in einem Druckmantel ein Kühlschirm einen Reaktionsraum begrenzt, bei dem der Kühlschirm mit der wendelförmigen Wicklung eines Rohres, das von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, gebildet ist und bei dem über die Höhe des Kühlschirms verteilt eine Vielzahl von Temperaturmessstellen angeordnet sind. Bei diesem Reaktor kann im Druckmantel eine Sicherheitsdruckkammer zur Herausführung der an die Temperaturmessstellen angeschlossenen Messleitungen aus dem Kühlschirmspalt angeordnet sein.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein einfaches und zuverlässiges System zu schaffen, das eine zuverlässige Messung der Temperaturen im Kühlschirm mit hoher Verfügbarkeit zulässt und damit die Vorraussetzungen für die Einbindung in das Mess-, Regel- und Kontrollsystem des Vergasungsreaktors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst, wobei Unteransprüche vorteilhafte Ausführungen zur Lösung der Aufgabenstellung aufzeigen.
Wenn man davon ausgeht, dass die Messung der Kühlwassermenge zuverlässig und mit sehr großes Genauigkeit geschieht, dann bietet die im Kühlschirm gemessene Temperatur, respective die vom Kühlwasser aufgenommene Wärmemenge, ein relevantes Maß für die Vergasungstemperatur und Temperaturverteilung im Reaktionsraum des Flugstromvergasers aber auch für die der Vergasung zugeführte Brennstoff- und Sauerstoffmenge. Zur Messung der Kühlwassertemperaturen werden über die Höhe des Kühlschirmes verteilt, Thermoelemente angebracht und im gasgefüllten Kühlschirmspalt zwischen dem Druckmantel und dem Kühlschirm nach unten in eine Sicherheitsdruckkammer, die im Druckmantel des Vergasungsreaktors angeordnet ist, geführt. Die Durchführung vom Kühlschirmspalt in die Kammer ist druckfest ausgeführt und drucküberwacht. Sollte der Druck in der Sicherheitsdruckkammer ansteigen, so weist das auf eine Undichtheit in der Durchführung 5 hin und entsprechende Reparaturmaßnahmen können eingeleitet werden. Wird die zweite Durchführung 9 aus der Druckschleuse gleichfalls druckdicht ausgeführt, so kann mit Inertgas ein Druckpolster aufgebaut werden. Die Temperaturmessung behält ihre Funktionstüchtigkeit. Bei einer planmäßigen Stillsetzung des Vergasungsreaktors kann die defekte Druckdurchführung repariert werden
Im Folgenden wird die Erfindung als Ausführungsbeispiel anhand von zwei Figuren in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Flugstromvergasungsreaktor mit Thermoelementen
2 die Druckschleuse zur Durchführung der Messleitungen der Thermoelemente durch den Druckmantel
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Beispiel 1:
Die Darstellung geschieht mit Bezug auf die 1 und 2. Einem Flugstromvergasungsreaktor mit einer Bruttoleistung von 500MW, dessen Reaktionsraum 1 von einem wasserdurchflossenen Kühlschirm 2 umgeben ist, werden 80 Mg/h Brennstaub einer Magerkohle zugeführt und gemeinsam mit 45.000 m³i.N./h Sauerstoff bei Temperaturen von 1.650°C und einem Druck von 4,5 MPa zu einem Rohsynthesegas umgesetzt. Das Kühlwasser tritt mit einer Temperatur von 150°C in den Kühlschirm 2 ein und erwärmt sich durch die Wärmeaufnahme aus dem Reaktionsraum 1 bei der angegebenen Nennleistung um 70°C auf 220°C und wird über einen Wärmetauscher (hier nicht gezeigt) zur Abkühlung auf 150°C wieder dem Kühlschirm 2 zur Kühlung zugeführt. Am Kühlschirm 2 sind über seiner Höhe gleichmäßig verteilt, 8 Mantelthermoelemente 3 zur Messung der Kühlwassertemperatur angebracht. Die Anzahl der Mantelthermoelemente liegt in typischer Weise zwischen Eins und einem Dutzend. Aus den gemessenen Temperaturen und den Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Messstellen kann auf die durchschnittliche Vergasungstemperatur im Reaktionsraum 1 geschlossen werden, aber auch Rückschlüsse über die Lage der Vergasungsflamme gezogen werden. Die Messgrößen werden in das Überwachungs-, Regel- und Steuersystem der Anlage einbezogen. Die Leitungen 12 der Mantelthermoelemente werden über eine erste druckdichte Durchführung 5 über eine kleine Sicherheitsdruckschleuse 4 und einer zweiten druckdichte Durchführung 9 aus dem unter Vergasungsdruck stehenden Kühlschirmspalt 10 nach außen geführt. Die Sicherheitsdruckschleuse 4 ist normalerweise ohne Überdruck, steht also im Wesentlichen unter Atmosphärendruck (Umgebungsdruck). Durch Überwachung des Druckes P 6 in der Druckschleuse kann auf Undichtheiten der an sich druckdichten Druckdurchführung 5 geschlossen werden, worauf die notwendigen Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden können. Zur weiteren Sicherheit ist eine Temperaturmessung 8 in der Sicherheitsdruckschleuse 4 vorgesehen. So lässt ein Anstieg der von der Temperaturmessung 8 gemessenen Temperatur T auf ein Eindringen von Medium, wie zum Beispiel Gas oder Wasser, in die Kammer 4 aus dem unter unter Vergasungsdruck stehenden Innenraum des Vergasungsreaktors schließen. Weiter kann die Temperaturmessung 8 eine thermische Überbeanspruchung des Dichtungsmaterials der Druckdurchführung anzeigen.
Beispiel 2:
In einer Vergasungsanlage nach 2 ist gleichfalls eine Sicherheitsdruckschleuse 4 zur Druckdurchführung der Messleitungen 12 der Mantelthermoelemente 3 vorgesehen. Sie besitzt zusätzlich einen Inertgasanschluss 7. Sollte die Druckmessung 6 einen Druckanstieg anzeigen, der Undichtheiten in der Druckdurchführung 5 detektiert, so kann über den Anschluss 7 Inertgas zugeführt und der gleiche Druck wie im Kühlschirmspalt 10 aufgebaut werden. So kann der Betrieb des Vergasungsreaktors fortgesetzt werden bis bei einem planmäßigen Stillstand die erforderliche Dichtheit der Druckdurchführung 5 wieder hergestellt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Temperaturen in einem druckwassergekühltem Kühlschirm eines Flugstromvergasungsreaktors, der mit Drücken bis 10 MPa und Vergasungstemperaturen bis 1.900°C betrieben werden kann durch an den Kühlschirmrohren angebrachten Thermoelementen, bei der die Messleitungen (12) der Thermoelemente (3) im Kühlschirmspalt (10) zwischen dem Kühlschirm (2) und dem Druckmantel (11) über eine Druckdurchführung (5) im Druckmantel (11) und einer Sicherheitsdruckschleuse (4) nach außen geführt und mit dem Überwachungs-, Mess- und Regelsystem verbunden sind.
Bezugszeichenliste

1: Reaktionsraum
2: Kühlschirm
3: Mantelthermoelemente
4: Sicherheitsdruckkammer
5: erste Druckdurchführung, druckdichte Durchführung
6: Druckmessung
7: Intergaszuführung
8: Temperaturmessung
9: zweite Druckdurchführung, druckdichte Durchführung
10: Kühlschirmspalt, unter Vergasungsdruck stehender Raum
11: Druckmantel
12: Messleitung(en)

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 4446803 [0002]
EP 0677567 [0002]
DE 19718131 [0002]
DD 145024 [0003]
DE 102011080835 [0004]

Claims

System zur sicheren Druckdurchführung einer Leitung (12) durch den Druckmantel (11) eines mit Vergasungsdrücken bis 10 MPa und Vergasungstemperaturen bis 1.900°C betriebenen Vergasungsreaktors, bei dem – eine Druckkammer (4) auf der unter Atmosphärendruck stehenden Außenseite des Druckmantels (11) angeordnet ist, – die Druckkammer (4) auf der einen Seite über eine erste druckdichte Durchführung (5) mit dem unter Vergasungsdruck stehenden Raum (10) des Vergasungsreaktors verbunden ist, – die Druckkammer (4) auf der anderen Seite über eine zweite druckdichte Durchführung (9) abgeschlossen ist, – die Leitung (12) aus dem unter Vergasungsdruck stehenden Raum (10) durch die erste druckdichte Durchführung (5), die Druckkammer (4) und die zweite druckdichte Durchführung (9) in den Atmosphärendruck geführt ist, – die Druckkammer (4) im Normalbetrieb unter Atmosphärendruck steht, – der Druck in der Druckkammer (4) mittels einer Druckmessung (6) überwacht ist, – bei Anzeige eines Druckanstieges durch die Druckmessung (6) eine Undichtheit in der Durchführung (5) detektiert wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (4) einen Inertgasanschluss (7) besitzt und im Falle der Detektion einer Undichtheit mittels Zuführung von Inertgas im Wesentlichen Druckgleichheit mit dem unter Vergasungsdruck stehenden Raum (10) hergestellt wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (12) durch die Messleitung eines an einem Kühlschirmrohr eines Flugstromvergasungsreaktors angebrachten Thermoelementes (3) gegeben ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Leitungen (12) aus dem unter Vergasungsdruck stehenden Raum (10) durch die erste druckdichte Durchführung (5), die Druckkammer (4) und die zweite druckdichte Durchführung (9) in den Atmosphärendruck geführt ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckkammer (4) eine Temperaturmessung (8) zur Überwachung der Temperatur in der Druckkammer (4) angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung für die Temperaturmessung (8) durch die zweite druckdichte Durchführung (9) in den Atmosphärendruck geführt ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste druckdichte Durchführung (5) gedoppelt ausgeführt ist.