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Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Vergasung Kohlenstoff-haltiger, Schlacke-bildender Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel im Flugstrom bei Drücken bis 10 MPa mit vereinfachter Montierbarkeit des Kühlschirms.
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Für Vergaser zur Flugstromvergasung von Schlacke bildenden Brennstoffen ist es aus der
DE 102011080838 B3 bekannt, den Reaktionsraum durch eine mehrgängige, spiralförmig gewickelte Rohrmembranwand, die auch als Kühlschirm bezeichnet wird, zu begrenzen. Das Kühlwasser für diese Kühlschirme wird über Stutzen in der Druckbehälterwand des Vergasers angeschlossen.
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Einen begrenzenden Faktor der Kühlschirmdimensionierung stellt die Nennweite der Kühlwasserrohre dar. Mit der Vergrößerung des Reaktionsraumes, mit dem Ziel der Leistungssteigerung, steigt die wärmetauschende Fläche, was zur Folge hat, dass eine größere Wassermenge notwendig ist, um die Wärmemenge abzuführen. Die Vergrößerung der Nennweite hat zwei Nachteile. Mit einem größeren Rohrdurchmesser verschlechtert sich das Abfließen der flüssigen Schlacke an der Rohrwand und die Beschlackung wird ungleichmäßiger. Eine gleichmäßige Beschlackung ist aber notwendig, um lokale Überhitzungen und Kühlschirmschäden zu vermeiden. Von Nachteil ist auch, dass mit Vergrößerung der Nennweite prozentual eine geringere Wassermenge am unmittelbaren Wärmeaustausch teilnimmt. Deshalb vergrößert man besser die Anzahl der Rohrwindungen.
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Die zunehmende Anzahl der Windungen bei größerer Vergaserleistung erfordert mehr Stutzen für Zu- und Abführung des Kühlwassers. Weiterhin ist eine Totalentleerung der Kühlwasserrohre bei Außerbetriebnahme zur Vermeidung von Einfrierungen notwendig und zu lösen.
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In der der
DE 102011080838 B3 ist vorgeschlagen worden, am unteren Ende des Kühlschirms einen Ringverteiler konzentrisch um die senkrechte Zentralachse des Reaktors anzuordnen, wobei die einzelnen Rohrstränge mit ihrem unteren Ende mit dem Ringverteiler verbunden sind und der Ringverteiler mit einer Stutzendurchführung verbunden ist, die durch den Druckmantel druckdicht geführt ist.
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Ein Kühlschirmwechsel bedeutet auch aufwändige Arbeiten, Prüfungen und Abnahmen, insbesondere an den Durchführungen der Anschlüsse durch den oberen Boden des Behälters. Die Herausforderung besteht in der komplizierten Montierbarkeit des oberen Behälterdeckels, die mit einem aufwändigen Einfädeln der einzelnen Rohrstränge, Ausführung von finalen Schweißnähten und deren eingeschränkter Prüfbarkeit verbunden ist. Nach Behälterdruckprüfung werden üblicherweise keine Schweißarbeiten nach Regelwerk (AD, ASME, TSG) mehr durchgeführt. Nach den gängigen Druckbehälter-Regelwerken sind für diese Schweißnähte jeweils spezielle Abnahmeregularien mit den technischen Überwachungsbehörden zu vereinbaren.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Vergasungsreaktor so auszugestalten, dass eine aufwandsarme Montierbarkeit des Kühlschirms gegeben ist.
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Das Problem wird durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Erfindung sind der Bau von Vergasern hoher Leistung mit verfahrenstechnisch sinnvoller Begrenzung der Nennweite der Kühlschirmrohre und reduzierter Anzahl von Stutzen durch den Druckbehälter erreicht. Des Weiteren wird dadurch die Erhöhung der Gangzahl (Anzahl der Rohre) möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Begrenzung der Nennweite gleichzeitig zur Begrenzung der Rohrwandstärke und damit Verbesserung des Wärmedurchganges führt.
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Durch Wegfall der Deckeldurchführung der Kühlrohre reduziert sich der Montage- und Instandhaltungsaufwand bei Kühlschirmwechsel erheblich. Weiterhin sind alle Schweißnähte prüfbar und umfangreiche Sondermaßnahmen zur Qualitätssicherung entfallen. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Zugänglichkeit des Spaltes zwischen Kühlschirm und Druckbehälter für Revisionen.
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Durch die Möglichkeit, bei Stillständen den Kühlschirm vollständig entleeren zu können, wird das Risiko der Zerstörung bei Minustemperaturen beseitigt, auch kann auf den Aufwand zur Warmhaltung des Kühlschirmkreislaufes oder die Verwendung von Frostschutzmitteln verzichtet werden.
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Die zylindrischen Stutzendurchführungen bilden eine aufwandarme Verbindung für mehrere die unteren Enden mehrerer Rohrstränge.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein seitliches Schnittbild eines erfindungsgemäßen Rohrschirms für einen Flugstromvergaser und
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2 ein Schnittbild von unten auf den Rohrschirm in der Schnittebene C-C aus 1.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
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Der Reaktionsraum 11 eines unter einem Vergasungsdruck bis 10 MPa (100 bar) arbeitenden Vergasungsreaktors ist durch einen Kühlschirm 1 begrenzt, der von einem Druckmantel 7 umhüllt ist. Am Kopf der Vorrichtung befindet sich der Sitz des Vergasungsbrenners 13, über den die Reaktionsmedien Brennstoff und freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel zugeführt werden. Über eine Öffnung am unteren Ende des Kühlschirms werden das Vergasungsgas und die flüssige Schlacke abgeführt, die bei Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C aus der Brennstoffasche gebildet werden. Zwischen dem Druckmantel und dem Kühlschirm befindet sich der Kühlschirmspalt. Der Kühlschirm ist am Oberteil und dem Unterteil verjüngt. Der Kühlschirm stützt sich über einen Kühlschirmsockel 6 auf einer Tragplatte 8 ab.
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Das im Kühlschirm erwärmte Kühlwasser wird als Heißwasser abgeführt und unter Nutzung seines Wärmeinhaltes gekühlt und als Kühlwasser wieder dem Kühlschirm zugeführt. Der Wasserdruck im Kühlschirm wird einige Zehntel MPa (einige bar) über dem Vergasungsdruck im Reaktionsraum gehalten. Der Kühlschirm ist mit mehreren, im Allgemeinen n, parallel gewickelten Rohrsträngen gebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kühlschirm sechs parallel gewickelte Rohrstränge auf. Die unteren Enden der einzelnen Rohrstränge sind mit einer in Höhe des Kühlschirm-Unterteils angeordneten Stutzendurchführung verbunden, die durch den Druckmantel druckdicht geführt ist. In einer Ausgestaltungsvariante sind mehrere Stutzendurchführungen 3.1, 3.2 angeordnet, die auf den Umfang des zylindrischen Druckmantels verteilt sein können.
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Die oberen Enden der einzelnen Rohrstränge sind mit einer Stutzendurchführung 5.1–5.6 verbunden, die durch den Druckmantel unterhalb des Druckmantel-Flansches 9 druckdicht geführt ist, wobei die Stutzendurchführungen auf dem Umfang des zylindrischen Druckmantels verteilt sind.
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Die druckfeste Durchführung der Stutzendurchführungen für die Zuführung beziehungsweise die Abführung von Kühlwasser erfolgt über Stopfbuchsdichtungen.
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Die Zuführungsrohre 4 zu der unteren Stutzendurchführung 3.1, 3.2 und die Abführungsrohre zu der oberen Stutzendurchführung 5.1–5.6 sind durch Versatz bildende Krümmungen flexibel gestaltet, wodurch Wärmeausdehnungen bei An- und Abfahrprozessen ausgeglichen werden können. Die Anzahl der Rohre (Mehrgängigkeit) des Kühlschirms ist erhöht, wobei zum Einen die Nennweite der Kühlschirmrohre begrenzt ist und zum Anderen auch bei einem Reaktor mit erhöhter Vergaserleistung lokale Überhitzungen des Kühlschirmes vermieden werden.
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Eine zylinderförmige Stutzendurchführung 3.1, 3.2 ist auf Höhe des unteren Bereichs des Kühlschirms durch den Druckmantel 7 druckdicht geführt. Die Stutzendurchführung ragt in den erweiterten Raum des Kühlschirmspaltes, der durch den nach unten verjüngten Kühlschirm gebildet ist. Mehrere Zuführungsrohre 4 sind mit dem Zylindermantel der Stutzendurchführung 3.1, 3.2 verbunden. An eine Stutzendurchführung können 2 oder mehr Rohre angeschlossen werden (vorzugsweise 3 bis 4). Es können mehrere Stutzendurchführungen 3.1, 3.2 angeordnet sein. Im Ausführungsbeispiel mit einem 6-gängigen Kühlschirm sind 2 Stutzendurchführungen 3.1, 3.2 angeordnet, an die jeweils drei Zuführungsrohre 4 angeschlossen sind. Durch eine Stutzendurchführung, an die mehrere Zuführungsrohre 4 innerhalb des Druckmantels angeschlossen sind, wird die Anzahl der notwendigen druckdichten Durchführungen durch den Druckmantel für den Vorlauf des Kühlwassers entsprechend reduziert.
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Eine Stutzendurchführung 3.1, 3.2 ist am tiefsten Punkt des Kühlschirmes angeordnet. Die Zuführungsrohre 4, die die Stutzendurchführung mit den einzelnen Wendeln des Kühlschirms innerhalb des Druckmantels verbinden, sind stetig fallend angeordnet. Diese Maßnahmen gestatten ein vollständiges Entleeren des Kühlschirmes. Damit kann das Kühlwasser komplett abgelassen werden und es besteht Sicherheit gegen Zerstörung durch Auffrieren bei Außerbetriebnahme unter 0 °C.
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Die untere Stutzendurchführung ist zylinderförmig ausgestaltet. Die Stutzendurchführung ragt radial zur Reaktorachse in den Raum zwischen Druckmantel und dem verjüngten unteren Ende des Kühlschirms. Die unteren Enden der einzelnen Rohrstränge sind im Wesentlichen rechtwinklig zur Achse der Stutzendurchführung mit der Stutzendurchführung verbunden. Es können mehrere Stutzendurchführung als Verteiler angeordnet sein, an die jeweils mehrere Rohrstränge des Kühlschirms angeschlossen sind.
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Die einzelnen Wendeln des Kühlschirms an dessen oberen Ende führen das erhitzte Kühlwasser ab und sind mit einer Rücklaufdurchführung 5.1–5.6 seitlich am zylindrischen Druckmantel 7 verbunden. Es können nur eine Rücklaufdurchführung, die den Rücklauf aller Wendeln führt, oder mehrere Rücklaufdurchführungen, die den Rücklauf mehrerer Wendeln führen, oder für jede Wendel eine eigene Rücklaufdurchführung angeordnet sein.
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Eine Rücklaufdurchführung oder die Rücklaufdurchführungen sind unterhalb des Hauptflansches 9 angeordnet. Der Hauptflansch ist niedriger als das obere Ende des Kühlschirms angeordnet, derart, dass bei abgenommenem Behälterdeckel 10 das obere Ende des Kühlschirms über den Hauptflansch hinausragt. Durch diese Maßnahme liegen die erforderlichen Endmontagenähte 12 bei Kühlschirmmontage und -wechsel im gut zugänglichen Bereich oberhalb des Mantelflansches. Damit vereinfacht sich der Montage- und Instandhaltungsaufwand erheblich und die Möglichkeit zur Prüfung ist gewährleistet. Gegenüber einer Ausführung mit Rücklaufdurchführung durch den Behälterdeckel entfallen die aufwendigen Arbeiten am Behälterdeckel.
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Als eine weitere Ausführungsvariante kann es sinnvoll sein, alle Rückläufe zu einem inneren Sammler, wie zum Beispiel einen Ringverteiler, zusammen zu führen, wobei der Sammler mit einer oberen Stutzendurchführung 5 verbunden ist, wodurch die Anzahl der Durchführungen durch den Druckmantel weiter reduziert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlschirm
- 2.1, 2.2
- Kühlwasser-Zuführung
- 3.1, 3.2
- Zuführungsverteiler, zylindrische Stutzendurchführung
- 4
- Anschlussleitungen zum Kühlschirm
- 5.1–5.2
- Kühlwasser-Abführung, Rücklaufdurchführung
- 6
- Kühlschirmsockel
- 7
- Druckmantel
- 8
- Tragplatte
- 9
- Hauptflansch
- 10
- Behälterdeckel
- 11
- Reaktionsraum
- 12
- Schweißnaht, die ein oberes Ende eines Rohrstrangs mit der oberen Stutzendurchführung verbindet
- 13
- Sitz des Vergasungsbrenners
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011080838 B3 [0002, 0005]
