DE102014113653A1

DE102014113653A1 - Reaktor zur Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen

Info

Publication number: DE102014113653A1
Application number: DE102014113653.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Eisold
Original assignee: Choren Industrietechnik GmbH
Current assignee: Choren Industrietechnik GmbH
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2016-03-24
Also published as: CN105985807B; CN204848783U; CN105985807A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einer Reaktionskammer und einer daran anschließenden Kühlkammer innerhalb einer Druck tragenden Reaktorwand. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Lösung für einen Zwischenboden zu schaffen, die die effektive Betriebszeit eines Flugstromvergasers erhöht, indem sie den korrosiven Verschleiß im Zwischenbodenbereich und auch den Demontage- und Montageaufwand am Schlackeablauf im Reparaturfall reduziert. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mehrere Elemente des Zwischenbodens lückenfrei miteinander und mit dem Schlackeablaufkörper derart verbunden sind, dass zwischen dem Schlackeablaufkörper und der Reaktorwand eine gasdichte, den Gasraum der Kühlkammer begrenzende Unterseite des Zwischenbodens ausgebildet ist und Hohlräume zwischen den Elementen des Zwischenbodens durch Druckausgleichskanäle miteinander, mit einer Inertgasspülung und mit dem Gasraum der Kühlkammer verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einer Reaktionskammer und einer daran anschließenden Kühlkammer innerhalb einer Druck tragenden Reaktorwand gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Die Flugstromvergasung von Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffen dient der Erzeugung von wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen Gasen, die als Synthesegas, Reduktionsgas, Stadtgas oder Gas für energetische Zwecke Verwendung finden.
Bei der Gaserzeugung hat sich die Vergasung von staubförmiger Kohle unter Beteiligung von Sauerstoff und Wasserdampf oder Kohlendioxid in einer Flammenreaktion in einer Flugwolke bei Temperaturen von 1200°C bis zu 1800°C und Drücken bis 80 bar durchgesetzt, wobei neben dem gewünschten Rohgas auch schmelzflüssige mineralische Rückstände in Gestalt von Schlackepartikeln anfallen. Prinzipiell gleiche Vergasungsverfahren werden für die Vergasung flüssiger Brennstoffe (Teere, Rückstandsöle), Suspensionen aus flüssigen und festen Brennstoffen oder für die Vergasung von torrefizierter Biomasse angewendet.
Bei einer Flugstromvergasung unter erhöhtem Druck und bei hohen Temperaturen ist es entscheidend, dass der Vergasungsprozess in der Reaktionskammer stabil abläuft. Dazu gehört auch, dass der Vergasungsreaktor so ausgeführt ist, dass die schmelzflüssigen Schlackepartikeln, die in der Flammenzone eines Vergasungsbrenners während der Oxidation der Kohlepartikel aus den mineralischen Reststoffen entstehen und sich an der Reaktionskammerwand niederschlagen, störungsfrei aus der Reaktionskammer in die darunter angeordnete Kühl- oder Quenchkammer ablaufen können. Der Boden der Reaktionskammer ist dazu in Richtung auf eine zentrale Schlackeablauföffnung trichterförmig ausgebildet.
Die noch im Gasstrom verbliebenen schmelzflüssigen Schlackepartikel werden üblicherweise in der Kühlkammer des Flugstromreaktors mittels Einsprühen von Wasser oder Durchleiten des mit Schlacke beladenen Rohgases durch ein Wasserbad unter den Schmelzpunkt abgekühlt und als Granulat in Wasser suspendiert aus dem Reaktor ausgetragen.
Die Reaktorelemente im Bereich des Schlackeablaufes unterliegen starkem Verschleiß. Sie werden von dem schmelzflüssigen Schlackenfluss angegriffen, gleichzeitig wird das heiße korrosive Reaktionsgas aus der Reaktionskammer durch die Schlackeablauföffnung in die anschließende Kühlkammer geleitet und zusätzlich ist der Zwischenbodenbereich zwischen Reaktions- und Kühlkammer den thermischen und atmosphärischen Einwirkungen aus der mit Feuchtigkeit beladenen Kühlkammer ausgesetzt. Deswegen ist der Zwischenbodenbereich mit der Schlackeablauföffnung einer der am intensivsten korrosiv beanspruchten Verschleißteile, deren Verschleißzustand die Betriebsdauer des Reaktors mitbestimmt.
Auf die Wirtschaftlichkeit von Kohlevergasungsreaktoren hat die für die Vergasung nutzbare Betriebszeit („running time“) einen großen Einfluss. Jede Prozessunterbrechung infolge instabiler Vergasungsparameter oder wegen Reparatur verschlissener Anlagenkomponenten hat wegen der damit verbundenen aufwändigen An- und Abfahrprozesse und Montage- und Demontagearbeiten am druckfest ausgebildeten Vergasungsreaktor hohe Kosten und Ausfallzeiten zur Folge. Zur Reduzierung der Reparaturkosten tragen ganz wesentlich eine verschleißbeständige Gestaltung des Zwischenbodens zwischen Reaktions- und Kühlkammer und des Schlackeablaufs sowie Maßnahmen zur Vereinfachung des Montage- und Demontageaufwandes am Schlackeablauf im Reparaturfall bei.
Bereits in der DD-PS 1 19 266 ist ein Reaktor zur Vergasung von Kohlenstaub unter Druck beschrieben, dessen Reaktionsraum von einer wasserbeaufschlagten, durch eine Schicht feuerfester Stampfmasse geschützten Rohrwandkonstruktion begrenzt wird. Für den Ablauf der flüssigen Schlacke in den Granulierteil ist eine zentrale Öffnung im Boden des Reaktionsraumes vorgesehen, deren Konturen durch die entsprechend gestaltete Rohrwandkonstruktion mit Feuerfest-Beschichtung gebildet werden.
Die Ausführung der Schlackenabflussöffnung ist in der DD-PS 1 19 266 wegen der für die angestrebte Verschleißbeständigkeit benötigten hochwertigen Werkstoffe kostspielig und für einen gemeinsamen Abzug der heißen Rohgase und der Schlackenschmelze durch die trichterförmige Bodenöffnung wegen der höheren thermischen und dynamischen Beanspruchungen nur bedingt geeignet.
Da ein fortgeschrittener Verschleiß am Schlackeablaufkörper nach einer längeren Betriebsdauer wegen des direkten Schlackekontaktes unvermeidlich ist, sollte zumindest der Aufwand für den Austausch des verschlissenen Schlackeablaufkörpers möglichst gering sein. Eine Reparatur im eingebauten Zustand oder eine einfache, schnelle Demontage und Montage des Schlackeablaufkörpers sind dafür vorteilhaft.
Deshalb ist der Schlackeablaufkörper bei modernen Reaktoren teilweise bereits als austauschbares separates Bodenteil des Kühlschirms mit thermischer und Schlacke-Schutzbeschichtung und gewickelten Kühlwasserrohren ausgestaltet.
Ein Nachteil der bekannten Lösungen besteht jedoch darin, dass bei der konstruktiven Gestaltung des Zwischenbodens die einfache Austauschbarkeit des Schlackeablaufkörpers auch nach längerer Betriebszeit zu wenig Berücksichtigung findet.
Nach dem Stand der Technik werden Schlackenabläufe entweder fest oder nur mit großem Aufwand lösbar auf eine sogenannte „Tragplatte“ (Zwischenboden) montiert, die den Reaktionsraum vom Kühlraum trennt.
Wenn ein nicht austauschbarer Schlackeablauf gemeinsam mit der Tragplatte ausgetauscht werden muss, dann besteht ein Nachteil der bekannten Ausführungsformen von Tragplatten, beispielsweise gemäß DE 10 2006 031 816 A1 , DE 20 2008 009 249 U1 und DE 20 2010 015 889 U1 darin, dass sie einen geschmiedeten Aufnahmering erfordern, der in den Mantelschuss der Druck tragenden Reaktorwand eingeschweißt werden muss und eine nachträgliche kostenintensive Wärmebehandlung der Reaktorwand nach dem Einbau des Aufnahmerings notwendig macht.
Ein weiterer Nachteil in Bezug auf die bekannte konstruktive Gestaltung des Schlackeablaufbereiches besteht darin, dass häufig unbelüftete Hohl- oder Toträume um den Schlackeablauftrichter vorhanden sind, in denen sich aggressive Gase aus der Reaktionskammer und Feuchte aus der Kühlkammer ansammeln können und zu einer schnell fortschreitenden Korrosion und zeitaufwändigen Reparatur am Schlackeablauf führen. Die Reaktorgestaltung gemäß DE 10 2006 031 816 A1 ist ein Beispiel dafür.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik eine konstruktive Lösung für einen Zwischenboden zu schaffen, die die effektive Betriebszeit eines Flugstromvergasers erhöht, indem sie den korrosiven Verschleiß im Zwischenbodenbereich und auch den Demontage- und Montageaufwand am Schlackeablauf im Reparaturfall reduziert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Reaktor mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die genannte Zielstellung wird im Rahmen der vorgeschlagenen Lösung durch das Zusammenwirken mehrerer sich ergänzender konstruktiver Mittel erreicht. Zur wirksamen Verschleißminderung am Zwischenboden ist der Zwischenboden aus mehreren Elementen zusammengesetzt, die lückenfrei miteinander und mit dem Schlackeablaufkörper verbunden sind, so dass zwischen dem Schlackeablaufkörper und der Reaktorwand eine gasdichte, den Gasraum der Kühlkammer begrenzende Unterseite des Zwischenbodens ausgebildet ist, die den Zwischenraum zur Reaktorwand vor korrosiven Gasen aus der Kühlkammer abschirmt.
Zum Druckausgleich und Schutz vor eindringenden korrosiven Gasen sind Hohlräume zwischen den Elementen des Zwischenbodens durch Druckausgleichskanäle miteinander, mit einer Inertgasspülung und mit dem Gasraum der Kühlkammer verbunden, so dass der Zwischenboden umfassend vor Korrosion geschützt ist.
Die Druckausgleichskanäle gestatten es aufgrund der gasseitigen Verbindung zwischen den Hohlräumen und dem Gasraum der Kühlkammer auch, den Zwischenboden mit den darin vorhandenen Toträumen nicht in kostenaufwändiger Weise druckfest auslegen zu müssen. Denn damit ist es möglich, dass der Druck in den Hohlräumen dem herrschenden Betriebsdruck nachgeführt wird, der infolge von unvermeidbaren Schwankungen der Betriebsparameter in der Regel nicht konstant zu halten ist.
Sind separate Inertgaszuführungen an den unteren in die Kühlkammer herausgeführten Mündungen der Druckausgleichskanäle angeordnet, können die Hohlräume auch intensiver mit einem höheren Inertgasvolumenstrom in entgegengesetzter Richtung gespült werden.
Um den Zwischenboden vor korrosiven Schädigungen zu schützen, sieht die vorgeschlagene konstruktive Lösung vor, die nicht vor Korrosion geschützten Elemente des Zwischenbodens durch eine gasdicht geschlossene Fläche aus einem korrosionsbeständigen Material gegenüber dem Gasraum der Abkühlkammer abzuschirmen. Insbesondere werden aus einfachem C-Stahl gefertigten Elemente, wie beispielsweise der Schlackeablaufkörper und die Stützkonstruktionselemente für den Kühlschirm, durch andere Zwischenbodenelemente vor korrosiven Einflüssen geschützt. Der Schutz der Zwischenbodenelemente vor Korrosion ist bei der vorgeschlagenen Zwischenbodenstruktur auch deshalb bedeutsam, weil es sich um einen ungekühlten Zwischenboden handelt.
Der grundsätzliche Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht somit darin, dass die konstruktive Neugestaltung des Zwischenbodens zu einer lückenfreien gasdichten Begrenzung des Gasraumes der Kühlkammer nicht nur eine Reduzierung der Korrosion am Zwischenboden durch aggressive Gase aus der Kühlkammer ermöglichen, sondern mittels leicht verbindbarer und trennbarer Verbindungsmittel auch (de-)montagefreundlich gestaltet sind, so dass der Schlackeablaufkörper nicht nur eine längere Nutzungszeit aufweist, sondern auch im Reparaturfall in kurzer Zeit und mit geringem Aufwand ausgetauscht werden kann.
In diesem Zusammenhang ist ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung darin zu sehen, dass sowohl ein Einbau als auch ein Austausch der gesamten Zwischenboden-Baugruppe im Reaktor ebenfalls mit geringerem Aufwand als bisher üblich erfolgt, weil mit dem erfindungsgemäßen Zwischenbodenaufbau nun auch auf geschmiedete Zwischenringe für die Reaktorwand und deren anschließende Wärmebehandlung verzichtet werden kann.
Die vorgeschlagene Konstruktion ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Schlackeablaufkörper eine geringe Steifigkeit aufweist, also beispielsweise im Wesentlichen aus einer Wicklung von Kühlwasserrohren gebildet ist. Sie lässt sich jedoch auch mit anderen der bekannten Ausführungsformen von Schlackeablaufkörpern nutzen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die aus mehreren Elementen gebildete gasdichte Unterseite des Zwischenbodens aus einem Mantelstützring, einem Bodenblech, einem Tragring, einem äußeren und einem inneren Dichtungsring, einer unteren Tragplatte und einem unteren Stabilisierungsring,. Diese ringförmigen Elemente, die in der genannten Reihenfolge von außen nach innen und zueinander gasdicht aufeinanderfolgen, bilden im Wesentlichen die Unterseite des Zwischenbodens, welche den Gasraum der Kühlkammer begrenzt.
Eine Konstruktion des Zwischenbodens mit vorbereiteten Trennstellen bietet die Möglichkeit, sowohl den Schlackenablaufkörper als auch den Zwischenboden durch eine einfach ausführbare Trennung zwischen zwei Elementen auszutauschen, ohne dass die getrennten Bauteile danach beschädigt sind. Zumindest sind sie, verglichen mit dem Stand der Technik, in deutlich geringerem Umfang betroffen. Zudem können für die einzelnen Elemente handelsübliche Materialien verwendet werden, wodurch teure Sonderbauteile vermieden werden. Außerdem verleiht insbesondere die Verwendung eines Stabilisierungsrings unmittelbar am Schlackenablaufkörper der Konstruktion eine höhere Steifigkeit, insbesondere, wenn der Schlackenablaufkörper aus gewickelten Kühlwasserrohren gebildet ist.
Die zuvor beschriebenen konstruktiven Maßnahmen werden vorteilhaft ergänzt durch eine korrosionsbeständige Oberfläche auf der Unterseite des Zwischenbodens, womit eine geschlossene Abschirmung der korrosionsanfälligen Teile des Zwischenbodens erzielt wird. Beispielsweise kann die korrosionsbeständige Oberfläche durch korrosionsbeständige Beschichtungen, korrosionsbeständige Werkstoffe der Elemente oder eine Kombination von beiden Alternativen gebildet sein.
Als vorteilhaft für einen durchgehenden Korrosionsschutz hat es sich erwiesen, wenn zumindest diejenigen Elemente mit den größeren Flächenanteilen an der Unterseite des Zwischenbodens korrosionsbeständige Beschichtungen auf ihren Unterseiten aufweisen. Das sind für die oben beschriebene Konstruktion das Bodenblech und der Tragring als Elemente des Zwischenbodens und ein Mantelstützring, welcher den Zwischenboden an der Reaktorwand aufnimmt.
Um den Korrosionsschutz zu vervollständigen können der äußere und der innere Dichtungsring, die untere Tragplatte und der untere Stabilisierungsring aus korrosionsbeständigen Metalllegierungen gefertigt sein oder ebenfalls mit korrosionsbeständigen Beschichtungen ausgestattet sein.
Zur konstruktiven Verbesserung des Reaktors ist in einer weiteren Ausgestaltung der konzentrisch zum Reaktormantel ausgeführte Tragring des Zwischenbodens in einer oberen horizontalen Ebene mittels Schraubenbolzen, Distanzhülsen und Schutzkappen mit einer kreisringförmigen oberen Tragplatte lösbar verbunden und diese ist ihrerseits mit einem oberen Stabilisierungsring fest verbunden. Der Tragring ist zudem in einer unteren horizontalen Ebene mittels einer ringförmig ausgeführten Schweißlippendichtung mit einer kreisringförmigen unteren Tragplatte trennbar verbunden, wobei die untere Tragplatte wiederum mit dem unteren Stabilisierungsring fest verbunden ist. In dieser Konstruktionsvariante werden sowohl der Kühlschirm als auch der Schlackeablaufkörper von dem Tragring gehalten, indem beide mit je einem Stützring auf dem Tragring fest gelagert sind, wobei der Schlackeablaufkörper zunächst auf einer oberen Tragplatte fest gelagert ist.
Diese Konstruktion mit Schraubbolzen-Distanzhülsen-Kombination und eine, bevorzugt mehrfach trennbare, ringförmige Schweißlippendichtung zwischen dem Schlackeablaufkörper und dem Zwischenboden gestattet einen unkomplizierten Austausch des Schlackeablaufkörpers selbst nach längerer Betriebszeit.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der obere und untere Stabilisierungsring am äußeren Umfang der Wendeln der Kühlwasserrohre des Schlackeablaufkörpers angeordnet. Beide Stabilisierungsringe verleihen dem Schlackeablaufkörper eine verbesserte Steifigkeit der Rohrwicklung und erhöhen auf diese Weise die Verschleißfestigkeit der aufgebrachten feuerfesten und nicht elastisch verformbaren Beschichtung der Kühlwasserrohre. Die Bezeichnung als unterer und oberer Stabilisierungsring definiert deren Lage in Relation zueinander.
Bei einer andersartigen Gestaltung des Schlackeablaufkörpers, die keine gewickelten Kühlwasserrohre aufweist, können die Stabilisierungsringe entbehrlich und die Tragplatten direkt am Schlackeablaufkörper angeschweißt oder andersartig fest angeordnet sein.
Indem entsprechend einer weiteren Ausgestaltung die lösbaren Schraubenbolzen und die mehrfach trennbare Schweißlippendichtung die einzigen Mittel zur Befestigung des Schlackeablaufkörpers am Zwischenboden bilden, wird eine Montage und/oder Demontage des Schlackeablaufkörpers einfacher und weniger aufwändig, indem eine axiale Schweißlippendichtung mehrfach wiederverwendet und die Schraubenbolzen-Distanzhülsen-Verbindung einfach getrennt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Reaktor an der Innenseite der Reaktorwand einen Mantelring und radial angeordnete Rippenbleche auf, an denen der Zwischenboden mit seinem Mantelstützring an der Reaktorwand befestigt ist, wobei diese Elemente aus einlagig verschweißten handelsüblichen Blechen bestehen. Auf diese Weise ist es möglich, Schmiedeteilen an der Reaktorwand einzusparen und infolge der geringen Blechstärken Wärmenachbehandlungen der Reaktorwand zu vermeiden.
Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines Reaktors nach dem Flugstromprinzip erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
1: Darstellung eines Flugstromreaktors mit Längsschnitt im Zwischenbodenbereich
2: Schnittansicht vom Zwischenboden und Schlackeablaufkörper
3: Zwischenboden und Schlackeablaufkörper in einer Schnittansicht von oben
Wie aus der 1 ersichtlich, besteht ein Reaktor R für die Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, beispielsweise Kohlenstaub, bei Temperaturen von 1200°C bis zu 1800°C und unter einem Druck bis zu 80 bar im Wesentlichen aus einer Reaktionskammer 2 und einer daran anschließenden Kühlkammer 4 innerhalb einer Druck tragenden Reaktorwand 1, wobei in der Reaktionskammer 2 zumindest ein Brenner 3 für die Teiloxidation der Brennstoffe zu Rohsynthesegas und ein mit Wasser innengekühlter Kühlschirm 5 zur Begrenzung des Reaktionsraumes angeordnet sind und in der Kühlkammer 4 das Rohsynthesegas und mittransportierte Schlackepartikel im Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit unter den Ascheschmelzpunkt kühlbar sind.
Beide Kammern sind durch einen geraden oder gewölbten Zwischenboden B getrennt, der aus mehreren konzentrisch angeordneten, ringförmigen Elementen zusammengesetzt ist und einen zentralen Schlackeablaufkörper S umschließt, wobei der Schlackeablaufkörper S eine zentrale axiale Öffnung für das Überströmen des Rohsynthesegases und den Ablauf schmelzflüssiger Schlacke aus der Reaktionskammer 2 in die Kühlkammer 4 aufweist.
Im Ausführungsbeispiel ist der Zwischenboden B aus folgenden Elementen zusammengesetzt: einem Bodenblech 6, einem Tragring 7, einem äußeren Dichtungsring 9, einem inneren Dichtungsring 10, einer unteren Tragplatte 11, einem unteren Stabilisierungsring 12, einer oberen Tragplatte 13, einem oberen Stabilisierungsring 14 und einem Mantelstützring 18.
Der Schlackeablaufkörper S ist ebenso wie der Kühlschirm 5 in einer üblichen konstruktiven Gestaltungsweise aus spiralförmig gewickelten und mit Kühlwasser durchströmten Kühlwasserrohren 8 gebildet, wobei üblicherweise zum thermischen und mechanischen Schutz der Kühlwasserrohre 8 und des Kühlschirmes 5 vor den Beanspruchungen des Hochtemperatur-Vergasungsprozesses eine (nicht dargestellte) feuerfeste Beschichtung auf deren Innenseite aufgebracht ist.
Der Schlackeablaufkörper S und der Kühlschirm 5 sind auf dem Zwischenboden B gelagert und mit diesem fest verbunden, vorzugsweise verschweißt.
Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen ist der Zwischenboden B nicht an einem aufwändig in den Zylinderschuss der Reaktorwand 1 eingeschweißten geschmiedeten Aufnahmering mit der Reaktorwand 1 verbunden. Auf die Innenseite der Reaktorwand 1 ist lediglich ein ringförmig gebogenes Streifenblech aufgeschweißt (Mantelring 19), welches auch Formabweichungen der Reaktorwand 1 kompensiert. An den Mantelring 19 ist das äußerste Zwischenbodenelement angeschweißt, nämlich gemäß Ausführungsbeispiel der kreisringförmige ebene Mantelstützring 18, der zusammen mit dem Mantelring 19 eine horizontale Traverse am Umfang der Reaktorwand 1 bildet. Auf dem Mantelstützring 18 stützt sich das gewölbte oder dem Mantel eines Kegelstumpfes entsprechend geformte einlagige Bodenblech 6 ab, wobei die Stirnseite des Bodenbleches 6 entlang des Innenumfangs des Mantelstützringes 18 mit diesem verschweißt ist. Aufgrund der hohen thermischen Beanspruchung im Reaktorinnenraum sind zur zusätzlichen Versteifung der Tragkonstruktion für den Kühlschirm 5 und den Schlackeablaufkörper S radial angeordnete Rippenbleche 20 in den von Bodenblech 6, Mantelstützring 18 und Mantelring 19 gebildeten Ringkanal über den Umfang verteilt eingeschweißt.
In 2 ist der Zwischenboden B im Bereich des Schlackeablaufkörpers S ausschnittweise dargestellt.
Der Zwischenboden B weist als zentrales Tragelement den konzentrisch zum Reaktormantel 1 in eine zentrale Öffnung des Bodenbleches 6 eingeschweißten Tragring 7 auf, wobei der Tragring 7 in einer oberen horizontalen Ebene mittels einer Schraubbolzen-Distanzhülsen-Kombination 15, 16, 17 mit der kreisringförmigen oberen Tragplatte 13 lösbar und diese mit dem oberen Stabilisierungsring 14 fest verbunden ist. In einer unteren horizontalen Ebene des Zwischenbodens B ist der Tragring 7 mittels einer Schweißlippendichtung L mit der kreisringförmigen unteren Tragplatte 11 und diese mit dem unteren Stabilisierungsring 12 verbunden. Bei dem Tragring 7 handelt es sich vorzugsweise um ein Schmiedeteil. Der Kühlschirm 5 ist mit einem Stützring 5r auf dem Tragring 7 gelagert, wobei der Stützring 5r an der unteren Rohrwicklung des Kühlschirms 5 angeschweißt ist und diesen bis zum Tragring 7 nach unten verlängert, wo er mit dem Tragring 7 verschweißt ist.
In einer umlaufenden Ausdrehung auf der Oberseite des Tragrings 7 lagert die scheibenförmige obere Tragplatte 13, die den Zwischenraum bis zu den Kühlwasserrohren 8 des Schlackeablaufkörpers S schließt. In eine zentrale Öffnung der oberen Tragplatte 13 ist der obere Stabilisierungsring 14 eingeschweißt, der in Gestalt eines senkrechten Rohrstückes die Rohrwicklung der Kühlwasserrohre 8 von außen umschließt und mit den Kühlwasserrohren 8 verschweißt ist.
Die obere Tragplatte 13 ist am gesamten Umfang mittels Schraubenbolzen 15 mit dem Tragring 7 lösbar verschraubt. Die Köpfe der Schraubenbolzen 15 auf der Unterseite des Tragringes 7 haben infolge der verwendeten Distanzhülsen 16 einen Abstand vom Tragring 7 und sind mit Schutzkappen 17 aus korrosionsbeständigem Material bedeckt oder die Schraubenbolzen selbst sind aus einem korrosionsbeständigen Stahl hergestellt.
Konzentrisch zum Stützring 5r des Kühlschirms ist ein zweiter Stützring 8r unter der Wicklung der Kühlwasserrohre 8 am äußeren Kragen des Schlackeablaufkörpers S angeordnet, der diesen auf der oberen Tragplatte 13 abstützt. Der Stützring 8r ist an seiner Oberseite mit der unteren Wicklung der Kühlwasserrohre 8 des äußeren Kragens des Schlackeablaufkörpers S und an seiner Unterseite mit der oberen Tragplatte 13 verschweißt.
Die Kühlwasserrohre 8 des unteren Abschnittes des Schlackeablaufkörpers S umschließt der untere Stabilisierungsring 12, der analog zum oberen Stabilisierungsring 14 am Außenumfang der Rohrwicklung angeschweißt ist und der zusammen mit der unteren horizontalen Tragplatte 11 und dem inneren Dichtungsring 10 die untere Haltekonstruktion und Abschirmung für den Schlackeablaufkörper S bildet. Die gasdichte Anbindung des unteren Stabilisierungsringes 12 an die Kühlwasserrohre 8 des Schlackeablaufkörpers S ist dabei. von großer Wichtigkeit für die gasdichte Abschirmung des Zwischenbodens B.
Die vorstehend beschriebenen ringförmigen Elemente des Zwischenbodens B, Mantelstützring 18, Bodenblech 6, Tragring 7, äußerer Dichtungsring 9, innerer Dichtungsring 10, untere Tragplatte 11 und unterer Stabilisierungsring 12, sind bei der vorgeschlagenen Lösung lückenfrei miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, und bilden gemeinsam eine gasdichte, den Gasraum der Kühlkammer 4 begrenzende Unterseite des Zwischenbodens B aus.
Dabei bilden der innere Dichtungsring 10 und der Spaltarm und konzentrisch dazu am Tragring 7 angeschweißte äußere Dichtungsring 9 nach dem stirnseitigen Verschweißen der beiden Dichtungsringe 9, 10 eine gasdichte ringförmige Schweißlippendichtung L aus, die die untere Haltekonstruktion mit dem Tragring 7 verbindet. Die Schweißlippendichtung L ist mit Hilfe einer Trennschleifeinrichtung mehrfach auftrennbar und nach dem Austausch des Schlackeablaufkörpers S wieder verschweißbar.
Damit die gesamte Unterseite des Zwischenbodens B, die im unmittelbaren Kontakt mit dem Gasraum der Kühlkammer 4 steht, vor dem korrosiven Angriff der Gase und der Schlacke geschützt ist, weist sie eine korrosionsbeständige Oberfläche auf. Die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen der Elemente des Zwischenbodens B kann durch korrosionsbeständige Beschichtungen und/oder korrosionsbeständige Werkstoffe der einzelnen Elemente realisiert werden.
Beispielsweise können das Bodenblech 6, der Tragring 7 und der Mantelstützring 18 jeweils auf ihrer Unterseite mit einem korrosionsbeständigen Material beschichtet sein.
Als korrosionsbeständiges Beschichtungsmaterial ist beispielsweise eine Nickel-Basis-Legierung „Alloy 625“ (Materialnummer 2.4856) geeignet. Sie kann durch Auftragsschweißen, Flammspritzen oder PVD-Beschichtung aufgebracht werden.
Die übrigen Elemente, die die Unterseite des Zwischenbodens B bilden, nämlich der äußere Dichtungsring 9, der innere Dichtungsring 10, die untere Tragplatte 11 und der untere Stabilisierungsring 12, sind zumindest korrosionsbeständig beschichtet oder sind bevorzugt vollständig aus korrosionsbeständigen Metalllegierungen, wie Edelstahl-Legierungen, beispielsweise mit der Materialnummer 1.4539, gefertigt.
Somit besteht die korrosionsbeständige Unterseite des Zwischenbodens B aus einer Kombination von korrosionsbeständigen Beschichtungen und Bauteilen aus korrosionsbeständigen Metalllegierungen.
Die vorgeschlagene Tragkonstruktion für den Schlackeablaufkörper S bildet zwei ringförmige Hohlräume H1, H2 aus, die zwecks Druckausgleichs und Inertgasspülung durch Druckausgleichskanäle 21a, 21b, die im Ausführungsbeispiel im Tragring 7 ausgebildet sind, mit dem üblicherweise mit Inertgas gespülten Ringraum zwischen dem Kühlschirm 5 und der Reaktorwand 1 und über Belüftungsrohre 22 mit dem Gasraum der Kühlkammer 4 gasseitig verbunden sind.
Die 3 zeigt eine Ansicht des Zwischenbodens B von oben in einer Schnittebene auf Höhe der Druckausgleichskanäle 21a. Gut erkennbar sind hier auch die radial verschweißten Rippenbleche 20 zur Versteifung der Tragkonstruktion des Zwischenbodens B an der Reaktorwand 1 und vier radiale Druckausgleichskanäle 21a zur Belüftung des Hohlraumes H1. Die Anzahl und die Querschnitte der Druckausgleichskanäle 21a, 21b und der Belüftungsrohre 22 wählt der Fachmann nach eigenem Ermessen.
Zur Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Zwischenbodens:
In der Reaktionskammer 2 wird der Brennstoff mit Hilfe mindestens eines Brenners 3 unter Zuführung von Sauerstoff teiloxidiert, wobei Rohsynthesegas und schmelzflüssige Schlackepartikel entstehen. Das mit Schlacke beladene Rohsynthesegas tritt im Bodenbereich der Reaktionskammer 2 durch den trichterförmigen Schlackeablaufkörper S in die Kühlkammer 4 ein und wird dort mit Hilfe eines flüssigen Kühlmediums (üblicherweise Wasser) unter den Schmelzpunkt der Schlacke abgekühlt, bevor das Rohsynthesegas den Reaktor R verlässt und weiter aufbereitet wird.
Der zwischen der Reaktions- und der Kühlkammer 2, 4 befindliche Zwischenboden B ist damit aggressiven Einflüssen der Schlacken, des Rohsynthesegases und der korrosiven Feuchte beladenen Gasatmosphäre in der Kühlkammer 4 ausgesetzt.
Zur Vermeidung des Eindringens von aggressiven Gasen in die Hohlräume H1, H2 wird mit dem Inertgas aus dem Ringraum zwischen Kühlschirm 5 und Zwischenboden B über die Druckausgleichskanäle 21a, 21b ein leichter Überdruck gegenüber der Reaktions- und Kühlkammer 2,4 erzeugt und gleichzeitig werden dabei die Hohlräume H1, H2 gespült und inertisiert. Mit separaten Inertgaszuführungen an den unteren in die Kühlkammer herausgeführten Mündungen der Druckausgleichskanäle 21a, 21b können die Hohlräume H1, H2 mit einem Inertgasvolumenstrom in entgegengesetzter Richtung gespült werden. Der vorgeschlagene Zwischenboden B ist einem unvermeidlichen Verschleiß am Schlackeablaufkörper S infolge des direkten Kontaktes mit der schmelzflüssigen Schlacke ausgesetzt. Gemäß Zielstellung der vorgeschlagenen Lösung soll der Schlackeablaufkörper S bei fortgeschrittenem Verschleiß schnell austauschbar sein. Die Schraubbolzen-Distanzhülsen-Kombination (15, 16, 17) und die ringförmige Schweißlippendichtung L bilden deshalb die einzigen Mittel zur gasdichten Befestigung des Schlackeablaufkörpers S am Zwischenboden B. Für den Austausch des Schlackeablaufkörpers S sind lediglich die mehrfach trennbare Schweißlippenverbindung L zwischen dem inneren und äußeren Dichtungsring 9, 10 beispielsweise mit einem Trennschleifgerät aufzutrennen und die Köpfe der Schraubbolzen 15 abzutrennen. Aufgrund der Distanzhülsen 16 bleibt der Tragring 7 beim Abtrennen der Bolzenköpfe unbeschädigt. Der Schlackeablaufkörper S in Verbindung mit der oberen Tragplatte 13 kann bereits nach Trennung der zwei Verbindungen nach oben herausgezogen und ein neuer eingesetzt werden.
Auch ein Austausch des gesamten Zwischenbodens B ist mit geringerem Aufwand möglich, als aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es ist lediglich ein Heraustrennen des einlagigen Bodenbleches 6 und Einschweißen eines neuen Bodens aus handelsüblichem Blech erforderlich, das infolge seiner geringen Wandstärke teure Schmiedeteile als Auflage in der Reaktorwand 1 und eine anschließende Glühbehandlung des Vergasermantels überflüssig macht.
Insgesamt ergeben sich aus der vorgeschlagenen konstruktiven Lösung für einen Zwischenboden B eines Flugstromreaktors zahlreiche Vorteile bzgl. Verschleißfestigkeit und Austauschbarkeit, die hier noch einmal zusammengefasst sind:
Verbesserung des Korrosionsschutzes:

• Schutz der korrosionsanfälligen Teile des Zwischenbodens B durch eine geschlossene Abschirmung gegenüber der Kühlkammer 4 mittels korrosionsbeständiger Oberflächen,
• Belüftung der Hohlräume H1, H2 durch Spülgaskanäle im Tragring 7, eine aktive Gasspülung des Totraums durch Gasanschlüsse auf der Unterseite ist möglich,
• höhere Steifigkeit der Rohrwicklung gegen auftretende Differenzdrücke durch zusätzliche Abstützungen der Kühlwasserrohre 8 im Schlackeablaufkörper S mit den Stabilisierungsringen 12, 14, dadurch geringerer Verschleiß von Feuerfest-Schutzschichten auf der Rohrwicklung,
• Verhinderung von Gaskriechströmen durch die Abdichtung des Tragringes 7 mit der unteren Tragplatte 11.

Konstruktive Vereinfachung:

• der Zwischenboden B und seine Verbindungselemente zur Innenseite der Reaktorwand 1 bestehen aus einlagigen kostensparenden handelsüblichen Blechabmessungen, Einsparung von Schmiedeteilen an der Reaktorwand 1 und infolge der geringen Blechstärken keine Wärmenachbehandlung der Reaktorwand 1,
• einfache und glatte Oberfläche zur Kühlkammer hin, leichte Aufbringung der zusätzlichen Korrosionsschutzschicht.

Reduzierung des Montageaufwandes

• einfache Montage und Demontage des Schlackeablaufkörpers S durch eine axiale Schweißlippendichtung, die mehrfach wiederverwendet werden kann, und durch eine Schraubenbolzen – Distanzhülsen – Kombination 15, 16, 17, die im Falle einer Demontage einfach auftrennbar ist.

Bezugszeichenliste

1: Reaktorwand
2: Reaktionskammer
3: Brenner
4: Kühlkammer
5: Kühlschirm
5r: Stützring für den Kühlschirm
6: Bodenblech
7: Tragring
8: Kühlwasserrohre des Schlackeablaufkörpers
8r: Stützring für den Schlackeablaufkörper
9: äußerer Dichtungsring
10: innerer Dichtungsring
11: untere Tragplatte
12: unterer Stabilisierungsring
13: obere Tragplatte
14: oberer Stabilisierungsring
15: Schraubenbolzen
16: Distanzhülse
17: Schutzkappe
18: Mantelstützring
19: Mantelring
20: Rippenblech
21a: Druckausgleichskanal, Spülgaszufuhr
21b: Druckausgleichskanal, Spülgasöffnung
22: Belüftungsrohr, Spülgasaustritt
B: Zwischenboden
L: Schweißlippendichtung
R: Reaktor
S: Schlackeablaufkörper
H1: Hohlraum
H2: Hohlraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 119266 [0008, 0009]
DE 102006031816 A1 [0014, 0015]
DE 202008009249 U1 [0014]
DE 202010015889 U1 [0014]

Claims

Reaktor zur Flugstromvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einer Reaktionskammer (2) und einer daran anschließenden Kühlkammer (4) innerhalb einer Druck tragenden Reaktorwand (1), wobei – in der Reaktionskammer (2) zumindest ein Brenner (3) für die Teiloxidation der Brennstoffe zu Rohsynthesegas und ein Kühlschirm (5) zur Begrenzung des Reaktionsraumes angeordnet sind, – in der Kühlkammer (4) das Rohsynthesegas und mittransportierte Schlackepartikel im Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit unter den Ascheschmelzpunkt kühlbar sind und – ein Zwischenboden (B), der aus mehreren konzentrischen ringförmigen Elementen zusammengesetzt ist, beide Kammern voneinander trennt und einen zentralen, Schlackeablaufkörper (S) umschließt, wobei der Schlackeablaufkörper (S) eine zentrale Öffnung für das Überströmen des Rohsynthesegases und den Ablauf schmelzflüssiger Schlacke aus der Reaktionskammer (2) in die Kühlkammer (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – mehrere Elemente des Zwischenbodens (B) lückenfrei miteinander und mit dem Schlackeablaufkörper (S) derart verbunden sind, dass zwischen dem Schlackeablaufkörper (S) und der Reaktorwand (1) eine gasdichte, den Gasraum der Kühlkammer (4) begrenzende Unterseite des Zwischenbodens (B) ausgebildet ist und – Hohlräume (H1, H2) zwischen den Elementen des Zwischenbodens (B) durch Druckausgleichskanäle (21a, 21b) miteinander, mit einer Inertgasspülung und mit dem Gasraum der Kühlkammer (4) verbunden sind.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlackeablaufkörper (S) im Wesentlichen aus Kühlwasserrohren (8) gebildet ist.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Unterseite von den Elementen des Zwischenbodens (B) Bodenblech (6), Tragring (7), äußeren Dichtungsring (9), inneren Dichtungsring (10), unteren Tragplatte (11), unteren Stabilisierungsring (12) und Mantelstützring (18) gebildet ist.
Reaktor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des Zwischenbodens (B) eine korrosionsbeständige Oberfläche aufweist.
Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsbeständige Oberfläche durch korrosionsbeständige Beschichtungen und/oder korrosionsbeständige Werkstoffe der Elemente gebildet ist.
Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – korrosionsbeständige Beschichtungen auf der Unterseite des Bodenblechs (6), des Tragrings (7) und des Mantelstützrings (18) aufgebracht sind und – der äußere Dichtungsring (9), der innere Dichtungsring (10), die untere Tragplatte (11) und der untere Stabilisierungsring (12) aus korrosionsbeständigen Metalllegierungen gefertigt sind.
Reaktor nach Anspruch 3 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (7) des Zwischenbodens (B) konzentrisch zum Reaktormantel (1) ausgeführt ist, wobei – der Tragring (7) in einer oberen horizontalen Ebene mittels Schraubenbolzen (15), Distanzhülsen (16) und Schutzkappen (17) mit einer kreisringförmigen oberen Tragplatte (13) lösbar verbunden ist und diese mit einem oberen Stabilisierungsring (14) fest verbunden ist, – der Tragring (7) in einer unteren horizontalen Ebene mittels einer ringförmig ausgeführten Schweißlippendichtung (L) mit einer kreisringförmigen unteren Tragplatte (11) trennbar verbunden ist, – die untere Tragplatte (11) mit dem unteren Stabilisierungsring (12) fest verbunden ist und – der Kühlschirm (5) mit einem Stützring (5r) auf dem Tragring (7) fest gelagert ist und der Schlackeablaufkörper (S) mit einem weiteren Stützring (8r) auf der oberen Tragplatte (13) fest gelagert ist.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und untere Stabilisierungsring (12, 14) am äußeren Umfang der Wendeln der Kühlwasserrohre (8) des Schlackeablaufkörpers (S) angeordnet sind.
Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbaren Schraubenbolzen (15) und die mehrfach trennbare Schweißlippendichtung (L) die einzigen Mittel zur Befestigung des Schlackeablaufkörpers (S) am Zwischenboden (B) bilden.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (B) mit einem Mantelstützring (18), einem Mantelring (19) und radial angeordneten Rippenblechen (20) an der Innenseite der Reaktorwand (1) befestigt ist, wobei diese Elemente aus einlagig verschweißten handelsüblichen Blechen bestehen.