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Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter mit Einbauten, wobei der Druckbehälter eine Druckbehälterwand aufweist, die einen Deckel, einen zylindrischen Wandabschnitt und einen Boden umfasst, und die Einbauten im Bereich des zylindrischen Wandabschnitts im Druckbehälter angeordnet sind. Die Einbauten weisen gattungsgemäß eine in axialer Richtung konvergierende Form auf.
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Druckbehälter werden beispielsweise für die Erzeugung von Synthesegas durch Druckvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen benötigt.
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Die Druckvergasung von Kohle erfolgt durch partielle Oxidation des Kohlenstoffes bei Temperaturen im Bereich von 800°C bis 2000°C und unter einem Druck von etwa 1–200 bar im Flammenbereich von Kohlestaub-Brennern in Gegenwart von Sauerstoff in einem Vergasungsreaktor. Deshalb besteht die Notwendigkeit, die unter Normaldruck und Umgebungsbedingungen gelagerten Brennstoffe auf das Druckniveau der thermischen Umwandlung zu bringen und in den Vergasungsreaktor zu fördern. Zur Förderung der festen Brennstoffe und für eine effiziente Vergasung ist eine vorherige Zerkleinerung der Brennstoffe zu feinkörnigem Brennstaub notwendig.
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Zur Herstellung eines Synthesegases von konstanter Qualität und zur Vermeidung von Reaktorschäden infolge eines schwankenden Brennstoff-Sauerstoffverhältnisses ist ein möglichst konstanter Massenstrom des staubförmigen Brennstoffes, beispielsweise Kohlestaub, aus dem Druckbehälter zu den Brennstaubbrennern des Vergasungsreaktors anzustreben.
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Infolge der erforderlichen Druckbeaufschlagung der Brennstaubschüttung im Druckbehälter („dosing vessel“) neigt der staubförmige Brennstaub jedoch zur Feststoffbrückenbildung und zur Kompaktierung. Beides behindert einen gleichmäßigen pneumatischen Staubtransport in den Vergasungsreaktor.
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Zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Massenstroms an Brennstaub haben sich mehrere Maßnahmen bewährt.
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Eine Möglichkeit, den kontinuierlichen Brennstaubaustrag aus einem Behälter zu ermöglichen, besteht darin, unter Berücksichtigung der Schüttguteigenschaften konische Auslaufgeometrien vorzusehen. Der Brennstaubauslauf aus einem Konus heraus kann durch Zugabe von Gas über poröse Wandelemente im Austragskonus unterstützt werden (z.B.
EP 0 308 024 B1 ,
WO2004/035435 A1 ,
DE 10 2010 018 108 A1 ). Die Gaszufuhr bewirkt eine Aufhebung der Wandreibung des Schüttgutes und/oder die Verhinderung der Entstehung lokaler Feststoffbrücken.
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Eine andere Möglichkeit stellt der Einsatz eines Anströmbodens mit optionalem Rührwerk dar. Der Brennstaub lagert auf einem porösen ebenen Boden, durch den ein Trägergas aufwärts in die Schüttung eingeleitet wird und diese im bodennahen Bereich, unterstützt von einem rotierenden Rührfinger, in eine partielle Wirbelschicht überführt, in die ein oder mehrere Förderrohre für die Brennstaubzufuhr zum Druckreaktor eintauchen (z.B.
DD-WP 147 188 ,
DE 10 2010 018 108 A1 ).
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Bei großen Anlagenleistungen wird häufig für jedes Brennstaubförderrohr ein eigener Austragskonus am Druckbehälter vorgesehen, so dass ein Dosierbehälter („dosing vessel“) gebildet ist, der zwei, drei oder mehr Konen aufweisen kann (z.B.
DE 38 72 470 T2 ).
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Die Gestaltung eines Druckbehälters mit mehreren Austragskonen erforderte bisher eine aufwändige Stützkonstruktion für den Überdruckraum, in dem der Brennstaub lagert. Durch die Stützkonstruktion muss vermieden werden, dass es trotz der fortlaufenden Druckwechsel im Schüttgutraum nicht zu Wandverwerfungen und Undichtheiten an den Schweißnähten kommt.
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Nachteilig an den bekannten Multikonen-Lösungen ist, dass die Einbauten einzeln in den Druckbehälter eingebaut werden und jedes Einbauelement für sich vor Ort an die Druck tragende Behälterwand und die benachbarten Einbauten angeschweißt werden muss. Für eine möglichst einfache Montage ohne Nacharbeit im Inneren des Druckbehälters werden deshalb von vornherein große Spalten zwischen den Einbauteilen vorgesehen, die aber wiederum das druckdichte Schließen der Spalten mit Schweißnähten aufwändig gestalten und unerwünscht große Schweißnahtvolumen und großen Schweißverzug zur Folge haben. Ebenfalls nachteilig ist die obligatorische Wärmebehandlung des Behälters inkl. Einbauten nach dem Einschweißen, weil es zu Verwerfungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen der Einbauten und Behälterwand kommen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Auslaufverteiler mit mehreren Auslaufkonen für Druckgefäße konstruktiv so zu optimieren, dass der Montageaufwand reduziert und gleichzeitig die Stabilität der Einbauten verbessert wird. Dabei sollen insbesondere Schweißverzug, Form- und Lagetoleranzen und die nach den geltenden technischen Regeln geforderten Wärmebehandlungen nach Schweißarbeiten verringert oder ganz vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch eine von der erfinderischen Gestaltung der Einbauten unterstützte Vorfertigung der Einbauten zu einer Baugruppe, die mit geringen Spaltmaßen in den Druckbehälter eingefügt und nur noch mit einer einzigen umlaufenden Schweißnaht druckdicht mit dem Druckbehälter verbunden werden muss, wird der Montageaufwand deutlich gesenkt.
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Dazu werden die folgenden konstruktiven Maßnahmen vorgeschlagen:
Die Einbauten werden derart gestaltet, dass sie von einer zum zylindrischen Wandabschnitt konzentrischen zylindrischen Einfassung umschlossen sind. Dabei kann die zylindrische Einfassung durch die Einbauten selbst gebildet werden, indem diese zylindrische äußere Begrenzungsflächen aufweisen. Oder sie kann durch einen zusätzlichen zylindrischen Stützring gebildet sein, der mit den Einbauten verbunden ist. Auch eine Kombination von beiden Varianten ist möglich, beispielsweise indem die zylindrische Einfassung aus den Begrenzungsflächen der Einbauten und aus lückenfüllenden Teilstücken eines Stützringes zusammengesetzt ist.
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Innerhalb der zylindrischen Einfassung sind die Einbauten und, sofern durch deren Design erforderlich, ergänzende Elemente derart angeordnet, dass der Querschnitt innerhalb der zylindrischen Einfassung ausgefüllt ist. Weiter sind alle Verbindungen zwischen den innerhalb der zylindrischen Einfassung der Einbauten angeordneten Komponenten sowie zwischen der Innenfläche des zylindrischen Wandabschnittes der Druckbehälterwand und der Außenfläche der zylindrischen Einfassung der Einbauten druckdicht ausgebildet, so dass im Ergebnis der Querschnitt innerhalb der zylindrischen Einfassung lückenlos geschlossen ist. Die druckdichten Verbindungen können durch eine unterbrechungsfreie Schweißnaht oder eine andere druckdichte Fügetechnik ausgebildet sein. Auf diese Weise ist über den Einbauten ein Druckraum herstellbar, welcher vom Deckel, vom zylindrischen Wandabschnitt des Druckbehälters und den Einbauten im Druckbehälter begrenzt ist.
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Bei größeren Form- und Lagedifferenzen zwischen der Druckbehälterwand und der Einfassung der Einbauten bietet die vorgeschlagene Lösung eine vorteilhafte Anpassungsmöglichkeit durch Zwischenbleche, die zur Reduzierung lokaler Spaltmaßüberschreitungen auf die Druckbehälterwand und/oder die Einfassung der Einbauten aufgebracht und bearbeitet werden können, so dass sichergestellt ist, dass nach dem Positionieren der vormontierten Einbauten im Druckbehälter ein umlaufender und vor allem gleichmäßiger Spalt vorhanden ist, der eine Schweißnahtbreite nicht überschreitet. Auf diese Weise ist ohne aufwändige nachträgliche Anpassungsarbeiten eine schnelle Montage der Einbauten zur Herstellung des Druckraumes möglich. Durch eine geeignete Materialauswahl ist gewährleistet, dass die Zwischenbleche entsprechend den jeweiligen Anforderungen bearbeitet, geformt und gefügt werden können.
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Mit Hilfe der Zwischenbleche sind nicht nur Spaltmaße anpassbar, so dass ein Spalt zwischen der Druckbehälterwand und der Einfassung der Einbauten zumindest auf Schweißnahtbreite verringert ist, sondern es sind auch zusätzliche Versteifungen der Einbauten und deren zylindrischer Einfassung ohne aufwändige Wärmebehandlung realisierbar.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die fertigungsbedingten Form- und Lagetoleranzen zwischen Druckbehälter und Einbauten bereits vor der Endmontage des Druckbehälters ausgeglichen werden können und dadurch eine aufwändige nachträgliche Bearbeitung im Inneren des Druckbehälters nicht mehr notwendig ist.
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Mit den vorgeschlagenen Mitteln werden Schweißverzug, Form und Lagetoleranzen und die nach den verbindlichen Regelwerken geforderte Wärmebehandlung nach Schweißarbeiten minimiert oder völlig vermieden.
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Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines druckbeaufschlagbaren Dosierbehälters mit Einbauten für die Lagerung und Verteilung von Kohlestaub auf nachgeordnete Fördermittel, wie Dosierschleusen und pneumatische Dichtstromförderleitungen, die den Brennstoff in einen Vergasungsreaktor zur Erzeugung von Synthesegas fördern, erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
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1: Darstellung eines Längsschnittes durch den Druckbehälter
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2: Explosionsdarstellung der Einbauten
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3A: Seitenansicht des Druckbehälters mit Zwischenblechen
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3B: Schnittdarstellung des Druckbehälterinnenraums mit Zwischenblechen.
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Wie aus der 1 ersichtlich, weist ein derartiger Druckbehälter mit Einbauten für die Schüttgutlagerung eine Druckbehälterwand auf, die in üblicher Weise zumindest einen Deckel 1, einen zylindrischen Wandabschnitt 2 und einen Boden 3 umfasst, wobei die Einbauten 6 im Bereich des zylindrischen Wandabschnitts 2 im Druckbehälter angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß sind die Einbauten 6 von einer zum zylindrischen Wandabschnitt 2 konzentrischen, zylindrischen Einfassung umschlossen, wobei die Einfassung in Abhängigkeit von der Gestaltung der Einbauten durch äußere Begrenzungsflächen der Einbauten 6 selbst oder mit einem zusätzlichen zylindermantelförmigen Stützring 4 gebildet ist. Letzterer hat den Vorteil, dass er die Einbauten 6 zusätzlich stabilisiert. Die zylindrische Einfassung kann auch zu einem Teil aus den Begrenzungsflächen der Einbauten 6 und aus lückenfüllenden Teilstücken eines Stützringes 4 zusammengesetzt sein. Innerhalb des Stützrings 4 können die Einbauten 6 frei wählbar gestaltet sein, soweit von ihnen der Querschnitt innerhalb der zylindrischen Einfassung nach der Ausbildung aller notwendigen Verbindung lückenlos gefüllt wird, um nach dem Einbau in den Druckbehälter die Funktion einer druckdichten Begrenzung des Schüttgutraumes erfüllen zu können.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Einbauten 6 zur Unterstützung eines störungsfreien Auslaufens des Schüttgutes aus dem Druckbehälter in die nachgeordneten Fördermittel als Multikonus ausgeführt, beispielsweise als dreifacher Konus. Die Vorteile von mehreren konischen Auslässen bei großvolumigen Schüttgut-Silos sind allgemein bekannt.
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Die drei Einbauten 6 weisen somit konische Formen auf und sind zentralsymmetrisch im Winkel von 120° in dem Stützring 4 fest gelagert. Der Stützring 4 weist etwa die Höhe der Konen auf, wobei die innerhalb des Stützringes 4 einander überschneidenden und über den Stützring 4 hinausragenden Konusteilflächen entlang ihren Schnittlinien ausgespart sind (2).
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Der Stützring 4 umschließt die konischen Einbauten 6 von außen und bildet somit die geschlossene Einfassung. Die konischen Einbauten 6 sind ihrerseits untereinander und mit dem Stützring 4 entlang ihrer Überschneidungskonturen verschweißt. Auf diese Weise füllen die Einbauten 6 den Querschnitt innerhalb der zylindrischen Einfassung lückenlos aus. Lediglich die unteren Öffnungen in den Konusspitzen (Auslauföffnungen) bleiben zunächst offen. Sie bilden nach dem späteren Anschweißen der Verbindungsrohre 10 und Befestigung der Fluidisierkonen 6k eine druckdichte untere Begrenzung und Abstützung der Einbauten des druckbeaufschlagbaren Innenraums des Druckbehälters.
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Nach dem Einschieben und Positionieren der Einbauten 6 im Druckbehälter ist mittels einer die zylindrische Einfassung der Einbauten 6 mit dem zylindrischen Wandabschnitt 2 verbindenden unterbrechungsfreien Schweißnaht entlang des Innenumfangs des zylindrischen Wandabschnittes 2 oder mittels einer anderen druckdichten Verbindung zwischen der Druckbehälterwand und der Einfassung der Einbauten 6 ein druckdichter Druckraum ausbildbar, der vom Deckel 1, vom zylindrischen Wandabschnitt 2 und den Einbauten 6 in Verbindung mit den genannten nachfolgenden Bauteilen im Druckbehälter begrenzt ist.
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Auf die Innenfläche des zylindrischen Wandabschnitts 2 der Druckbehälterwand und/oder die Einfassung der Einbauten 6 können zusätzliche streifenförmige, mechanisch bearbeitbare Zwischenbleche 5 aufgebracht sein, die den für die Montage erforderlichen Spalt zwischen der Druckbehälterwand und der Einfassung der Einbauten 6 zumindest auf Schweißnahtbreite verringern.
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Die Zwischenbleche sind nach dem Aufschweißen derart nachbearbeitbar, dass im Bereich der Zwischenbleche 5 geringere Spaltmaße und geringere Form- und Lageabweichungen zwischen Druckbehälterwand und Einfassung der Einbauten 6 vorhanden sind als außerhalb der Zwischenbleche 5.
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Für eine einfache Montage ist es vorteilhaft, wenn sich zumindest ein bearbeitetes Zwischenblech 5 ringförmig in Höhe des oberen Randes des Stützrings 4 entlang des Innenumfangs der Druckbehälterwand erstreckt (1, 3A). Der Stützring 4 ist in diesem Fall nach dem Einschub der gesamten Einbaugruppe mit Konen und Stützring sehr einfach am oberen Rand mit dem Zwischenblech 5 verschweißbar.
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Weitere Zwischenbleche 5 können optional an der Innenfläche der Druckbehälterwand senkrecht zwischen den konischen Einbauten 6 angeordnet und mit senkrechten radialen Versteifungsrippen 7 zwischen den konischen Einbauten 6 verschweißt sein, wobei der Stützring 4 Aussparungen 8 für die Versteifungsrippen 7 aufweist und die radial angeordneten Versteifungsrippen 7 mit einem zentralen Stützrohr 9 in der Längsachse des Druckbehälters verschweißt sind (2, 3A). Das Stützrohr 9 ist mit einem Deckel 9d druckdicht verschlossen (2).
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Zur Erhöhung der Steifigkeit der Einbauten können weitere Zwischenbleche 5 zum Beispiel entlang des Innenumfanges der Druckbehälterwand in Höhe des unteren Randes des Stützrings 4 angeordnet sein, die nach der Montage mit dem Stützring 4 zwischen den Aussparungen 8 verschweißbar sind (3A).
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Da der Kohlestaub bei der Lagerung im Dosierbehälter zur Brückenbildung und Verstopfung neigt, ist es zur Unterstützung der Fluidisierung des Schüttgutes vorteilhaft, wenn der Schüttgutbehälter neben den drei Schüttgutkonen innerhalb des Dosierbehälters zusätzliche Fluidisierkonen 6k für das Schüttgut aufweist, die zur einfacheren Montage und leichteren Wartung außerhalb des Druckbehälters angeordnet sind und durch Verbindungsrohre 10, die durch Öffnungen im Boden 3 des Druckbehälters hindurch geführt sind (3B), mit den konischen Einbauten 6 druckdicht verbunden sind.
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In den Fluidisierkonen 6k befinden sich druckgasdurchlässige Wandflächen zur Einleitung von Druckgas in das Schüttgut, um damit brückenbildende Oberflächenkontakte der Staubpartikel in der Nähe der Austragsöffnung aufzulösen zur Unterstützung eines gleichmäßigen Massenstroms des Gemisches aus Brennstaub und Gas, welches in die pneumatische Förderstrecke zum Vergasungsreaktor eingespeist wird. Die Wandflächen können dazu aus porösem Material, beispielsweise Sintermetall, gefertigt sein.
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Der Boden 3 ist nach der Montage der Einbauten 6 mit dem zylindrischen Wandabschnitt 2 verschweißbar. Abschließend werden die Verbindungsrohre 10 im Bereich der Öffnungen mit dem Boden 3 verschweißt.
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Durch die Befestigung von einzelnen Zwischenblechen 5 (Pflasterblechen) an der Druckbehälterwand, die nach den geltenden Regeln einer Wärmebehandlung zu unterziehen sind, erreicht man, dass die Einbauten 6 keiner zusätzlichen Wärmebehandlung mehr unterzogen werden müssen. Die Zwischenbleche 5, die ein entsprechendes Bearbeitungsaufmass besitzen, werden nach dem Anschweißen an der Druckbehälterwand und der geforderten Wärmebehandlung mechanisch abtragend bearbeitet und umgeben damit die Einbauten mit einer nahezu idealen zylindrischen Geometrie.
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Ebenso wird mit den Einbauten 6 verfahren. Die geometrisch komplexen Konen werden in einem mit Aufmaß ausgeführten zylindermantelförmigen Stützring 4 zusammen mit den Versteifungsrippen 7 eingepasst und gasdicht verschweißt.
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Danach wird dieser Stützring 4 mit Einbauten 6 durch mechanische Bearbeitung am Außendurchmesser von Schweißverzug sowie Form und Lagetoleranzen befreit. Der bearbeitete Außendurchmesser des Stützrings 4 weist einen kleineren Durchmesser als der mit bearbeiteten Zwischenblechen 5 versehene zylindrische Wandabschnitt 2 auf.
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Die Befestigung der Einbauten erfolgt durch eine leicht zugängliche umlaufende Schweißnaht an der oberen Kante des Stützrings 4. Mit dieser Naht wird auch die Gasdichtheit hergestellt. Weitere Schweißnähte zur Einleitung von Kräften können im unteren Teil der Einbauten an weiteren Zwischenblechen 5 angebracht werden.
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Der zylindrische Stützring 4 um die Einlaufkonen wirkt weiterhin verstärkend, da er die Konen komplett umfasst und stützt.
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Obwohl die Erfindung vorstehend mit Bezug auf pulverisierte Kohle bzw. Staubkohle beschrieben ist, eignet sich die Lösung auch für die Lagerung anderer staubförmiger fester Brennstoffe, wie beispielsweise Lignit, Anthrazit, bituminöse Kohle, Braunkohle, Ruß, Erdölkoks, Biokoks und dergleichen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung verwendet werden für pulverförmige Stoffe wie Harze, Katalysatoren, Flugasche und elektrostatisch abgeschiedene Feinstoffe.
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Mit der vorgeschlagenen Lösung sind mehrere Vorteile verbunden:
- – Die fertigungsbedingten Form- und Lagetoleranzen werden von vornherein gering gehalten bzw. durch eine nachträgliche mechanische Bearbeitungsmöglichkeit an den Zwischenblechen 5 minimiert.
- – Mit der Installation der Einbauten 6 in einen Stützzylinder 4 mit Versteifungsrippen 7 wird eine zusätzliche Steifigkeit der Struktur erreicht, so dass eine Verringerung der Wanddicke der Einbauten 6 möglich wird.
- – Im unteren Bereich des Stützringes 4 sind zusätzliche Lasteintragungspunkte für andere Einbauten oder für extreme Beanspruchungen realisierbar.
- – Indem der Stützzylinder 4 mit Bearbeitungsaufmaß versehen werden kann, ist es einfach, durch eine nachfolgende mechanische Bearbeitung die radialen Form- und Lagetoleranzen der Einbaugruppe zu verringern.
- – Eine Wärmebehandlung des Druckbehälters ist nun bereits vor der Installation der Einbauten möglich.
- – Durch eine nachfolgende mechanische Bearbeitung der Innenkontur des Behälters an den Zwischenblechen 5 können Form und Lagetoleranzen des Druckbehälters ausgeglichen werden. Damit ergeben sich optimale Bedingungen für die problemlose, konzentrische Montage der Einbauten 6, die mit einer klar definierten, finalen Montagenaht im Druckbehälter abgeschlossen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Deckel
- 2
- zylindrischer Wandabschnitt
- 3
- Boden
- 4
- Stützring
- 5
- Zwischenblech
- 6
- Einbauten
- 6k
- Auslaufkonus
- 7
- Versteifungsrippe
- 8
- Aussparung am Stützring
- 9
- Stützrohr
- 9d
- Deckel für Stützrohr
- 10
- Verbindungsrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0308024 B1 [0007]
- WO 2004/035435 A1 [0007]
- DE 102010018108 A1 [0007, 0008]
- DD 147188 [0008]
- DE 3872470 T2 [0009]
