DE102016216453A1

DE102016216453A1 - Cooling screen with variable tube diameter for high carburetor performance

Info

Publication number: DE102016216453A1
Application number: DE102016216453.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Hannemann; Tino Just; Norbert Fischer; André HERKLOTZ; Heidrun Toth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018041791A1; EP3491107A1; EP3491107B1; US20190194560A1; CN109642170A; ZA201901315B

Abstract

Für einen Flugstromvergaser zur Vergasung von staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa sowie Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C wird ein Flüssigkeits-gekühlter Kühlschirm vorgeschlagen, dessen Kühlrohre im mittleren zylindrischen Abschnitt eine geringere Wandstärke aufweisen als die Kühlrohre im unteren und oberen konischen Abschnitt. Die Erfindung bringt eine Kühlschirmgestaltung mit ausreichenden Festigkeiten bei hoher Druckdifferenz über der Kühlschirmwand, eine Rohrwandstärke, welche einen sicheren Betrieb des Kühlschirmes und einen hohen Wärmedurchgang gewährleistet, und einen Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt und Reaktionsraum in allen Betriebszuständen mit sich.For a Flugstromvergaser for gasification of dusty or liquid fuels with a free oxygen-containing gasification agent at pressures between ambient pressure and 8 MPa and gasification temperatures between 1,200 and 1,900 ° C, a liquid-cooled cooling screen is proposed, the cooling tubes in the central cylindrical portion have a smaller wall thickness than the cooling tubes in the lower and upper conical section. The invention provides a cooling screen design with sufficient strength at high pressure difference across the cooling screen, a tube wall thickness, which ensures safe operation of the cooling screen and a high heat transfer, and a pressure balance between the cooling screen gap and the reaction chamber in all operating conditions with it.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugstromvergaser zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, bei dem ein in einem Druckmantel 15 angeordneter Kühlschirm 8 einen Reaktionsraum 9 begrenzt.The invention relates to an entrained flow gasifier for the gasification of solid and liquid fuels at temperatures between 1,200 and 1,900 ° C and pressures between ambient pressure and 10 MPa (100 bar), with solid fuels dusty ground coal different degrees of coalification, petroleum coke or other solid carbonaceous materials and liquid Fuels, oils or oil-solid or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidant, in which one in a pressure jacket 15 arranged cooling screen 8th a reaction space 9 limited.

Bei Flugstromvergasern wird der thermisch hoch belastete Reaktionsraum 9 durch eine gekühlte Rohrkonstruktion gebildet. Diese Konstruktion, der sogenannte Kühlschirm 8, als Ganzes ist nur begrenzt druckstabil, wobei die Rohre an sich druckbeständig ausgeführt sind. Der Kühlschirm 8 ist in einem Druckgefäß 15 positioniert. Aus Gründen der thermischen Beständigkeit des Druckbehälters ist ein bestimmter Abstand zwischen Druckbehälter und Kühlschirm notwendig. Der somit entstehende Rückraum 10 (auch als Kühlschirmspalt bezeichnet) ist mit einem Inertgas gespült und weist zu dem Reaktionsraum einen Druckausgleich auf, womit im Normalbetrieb in dem Reaktionsraum und in dem Rückraum gleicher Druck herrscht.With entrainment gasifiers, the thermally highly loaded reaction space 9 formed by a cooled tube construction. This construction, the so-called cooling screen 8th , as a whole, is only limited pressure stable, the pipes are designed to be pressure resistant. The cooling screen 8th is in a pressure vessel 15 positioned. For reasons of thermal stability of the pressure vessel, a certain distance between the pressure vessel and the cooling screen is necessary. The resulting backspace 10 (Also referred to as a cooling screen gap) is purged with an inert gas and has to the reaction chamber to a pressure equalization, which in the normal operation in the reaction chamber and in the back chamber equal pressure prevails.

Da Druckwechsel zum Teil hochdynamische Vorgänge darstellen, muss sichergestellt werden, dass ein Druckausgleich in jedem Betriebszustand erfolgen kann und dass durch eine in den Reaktionsraum gerichtete Strömung das Eindringen von Reaktionsgas und Staub in den Kühlschirmspalt 10 begrenzt wird. Zusätzlich muss der Kühlschirm als Ganzes eine gewisse Mindestresistenz gegen Druckdifferenzen über seine Wandung aufweisen. Diese Mindestbeständigkeit gegen Druckdifferenzen nimmt mit größer werdenden Kühlschirmdurchmesser und Kühlschirmhöhe ab, so dass sich mit größer werdender Vergaserleistung diese Problematik verstärkt. Des Weiteren ist der Kühlschirm einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt und zur Vermeidung von Schäden ist ein guter Wärmedurchgang vom Reaktionsraum in das Kühlwasser erforderlich. Diese Anforderung lässt sich durch geringe Rohrwandstärken erreichen, was wiederum der Differenzdruckfestigkeit des Kühlschirms entgegenwirkt.Since pressure changes are sometimes highly dynamic processes, it must be ensured that a pressure equalization can take place in any operating state and that by a directed into the reaction space flow of the reaction gas and dust in the cooling screen gap 10 is limited. In addition, the cooling screen as a whole must have a certain minimum resistance to pressure differences across its wall. This minimum resistance to pressure differences decreases with increasing cooling screen diameter and cooling screen height, so that increases with increasing carburetor this problem. Furthermore, the cooling screen is exposed to a high thermal load and to avoid damage, a good heat transfer from the reaction space in the cooling water is required. This requirement can be achieved by low pipe wall thicknesses, which in turn counteracts the differential pressure resistance of the cooling screen.

Stand der Technik sind Vergasergrößen von 500 MW, wie zum Beispiel beschrieben in DE 197 181 31 A1 . In der darin beschriebenen Konzeption befindet sich ein aus gasdicht verschweißten Kühlrohren bestehender Kühlschirm innerhalb eines Druckgefäßes. Dieser Kühlschirm ist auf einem Zwischenboden abgestützt und kann sich nach oben frei ausdehnen. Damit wird sichergestellt, dass beim Auftreten verschiedener Temperaturen auf Grund von An- und Abfahrvorgängen und daraus bedingter Längenänderung keine mechanischen Spannungen auftreten, die gegebenenfalls zu einer Zerstörung führen könnten. Um dies zu erreichen, befindet sich am oberen Ende des Kühlschirmes keine feste Verbindung, sondern ein Ringspalt zwischen dem Kühlschirmkragen und dem Brennerhalterungsflansch, der eine freie Beweglichkeit sichert und mit elastischen, thermisch beständigen Fasermatten ausgefüllt ist. Diese Matten sind nicht gasdicht ausgeführt und ermöglichen somit ein Hinterströmen des Kühlschirmspaltes mit einem trockenen, kondensatfreien und sauerstofffreien Gas. Durch diese Spülung soll ein Rückströmen von heißem Vergasungsgas bei Druckschwankungen in den Kühlschirmspalt verhindert werden. Nachteil dieser Ausführung ist, dass diese Matten lediglich formschlüssig im Ringspalt positioniert sind und bei größeren Differenzdrücken aus der Führung herausgedrückt werden können. Damit erfüllen die Matten ihre Funktion, den Staubübertritt aus dem Reaktionsraum in den Rückraum zu begrenzen, nicht mehr, was letztendlich dazu führt, dass trotz entgegen gerichteter Spülung Reaktionsgas und Staub in den Kühlschirmspalt 10 gelangen. Durch den Staub- und Vergasungsgasübertritt in den Rückraum findet einerseits Korrosion an der Rückseite des Kühlschirmes oder des Druckmantels statt, welche langfristig zu einer Zerstörung führen kann, andererseits verursacht der Staubeintrag in den Kühlschirmspalt 10 auch eine erhöhte CO Konzentration nach Abschaltung des Vergasers innerhalb des Reaktionsraumes und der gasführenden nachgeschalteten Systeme. Eine Inspektion und mögliche Reparatur wird dadurch aus sicherheitstechnischen Gründen stark verzögert.Prior art are carburetor sizes of 500 MW, such as described in DE 197 181 31 A1 , In the conception described therein, there is a cooling screen consisting of gastight welded cooling tubes within a pressure vessel. This cooling screen is supported on an intermediate floor and can expand freely upwards. This ensures that when various temperatures occur due to startup and shutdown processes and the resulting change in length no mechanical stresses occur, which could possibly lead to destruction. To achieve this, there is no fixed connection at the upper end of the cooling screen, but an annular gap between the cooling screen collar and the burner mounting flange, which ensures free mobility and is filled with elastic, thermally resistant fiber mats. These mats are not gas-tight and thus allow a backflow of the cooling screen gap with a dry, condensate-free and oxygen-free gas. This flushing is intended to prevent a backflow of hot gasification gas in the event of pressure fluctuations in the cooling screen gap. Disadvantage of this design is that these mats are only positively positioned in the annular gap and can be pushed out of the guide at larger differential pressures. Thus, the mats no longer fulfill their function of limiting the passage of dust from the reaction space into the rear space, which ultimately leads to reaction gas and dust in the cooling screen gap, despite opposing flushing 10 reach. By the dust and Vergasungsgasübetritt in the back space corrosion takes place on the one hand on the back of the cooling screen or the pressure jacket, which can lead to destruction in the long term, on the other hand causes the dust entry into the cooling screen gap 10 also an increased CO concentration after switching off the carburetor within the reaction space and the gas-carrying downstream systems. An inspection and possible repair is thereby greatly delayed for safety reasons.

Alternativ kann der Spalt, wie in DE 10 2007 045 321 und DE 10 2009 005 856 beschrieben, über einen Wellrohrkompensator verschlossen werden. Bei dieser Ausführung wird das Spülgas vom Kühlschirmspalt 10 über eine zusätzliche mit dem Kombinationsbrenner verbundene Druckausgleichsleitung in den Reaktionsraum geleitet, um somit den notwendigen Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt und Reaktionsraum sicherzustellen. Nachteilig an dieser Lösung sind der hohe Preis von Kompensatoren mit größerem Durchmesser und der zusätzliche Verrohrungsaufwand für die Druckausgleichsleitung.Alternatively, the gap, as in DE 10 2007 045 321 and DE 10 2009 005 856 described, be closed by a corrugated pipe compensator. In this embodiment, the purge gas from the cooling screen gap 10 passed through an additional connected to the combination burner pressure equalization line in the reaction chamber, thus ensuring the necessary pressure equalization between cooling screen gap and reaction space. A disadvantage of this solution are the high price of compensators with larger diameter and the additional piping costs for the pressure equalization line.

Um den Kühlschirm bei hohen Vergasungstemperaturen zu schützen und die thermische Belastung zu begrenzen, erfordert das in DE 197 181 31 beschriebene Kühlschirmkonzept eine ausreichende und aus flüssiger und fester Schlacke bestehende Schicht auf dem Kühlschirm. In der Praxis zeigte sich, dass diese Schlackeschicht abhängig von der eingesetzten Kohle beziehungsweise deren Asche eine unterschiedliche Dicke ausbilden kann. In deren Folge kann der Wärmeeintrag und die abzuführende Wärmemenge in den Kühlschirm stark ansteigen und zu Wandtemperaturen oberhalb der zulässigen Materialwerte und stärkerem thermischen Verschleiß führen.In order to protect the cooling screen at high gasification temperatures and to limit the thermal load, this requires DE 197 181 31 described cooling screen concept a sufficient and consisting of liquid and solid slag layer on the cooling screen. In practice, it was found that this slag layer depends on the coal used or its ash can form a different thickness. As a result, the heat input and the amount of heat to be dissipated in the cooling screen can rise sharply and lead to wall temperatures above the permissible material values and greater thermal wear.

Um in diesen Fällen einen Kühlschirmschaden zu vermeiden, ist eine geringere Rohrwandstärke nötig, was aber andererseits zu kleineren zulässigen Druckdifferenzen über die Kühlschirmwand führt. Diese zulässige Druckdifferenz verkleinert sich weiter mit größer werdender Vergaserleistung, da sich dabei auch der Reaktionsraumdurchmesser und damit verbunden die Kühlschirmflächen vergrößern und geringere Festigkeitswerte verursachen. Abhilfe schafft eine größere Rohrwandstärke, was aber dem Ziel einer geringeren Wandstärke entgegenwirkt, den Wärmedurchgang reduziert und die abführbare Wärmemenge verringert. Eine erhöhte Rohrwandstärke verursacht größere Temperaturunterschiede zwischen Rohrinnenseite und Rohraußenseite, wodurch zusätzliche Spannungen in der Rohrwandung induziert werden. Beide Aspekte, höhere Spannungen und höherer thermischer Verschleiß führen zu potentiell kürzeren Standzeiten des Kühlschirms. Damit sind der Einsatzbereich und die Leistungsgröße des Kühlschirmes aufgrund der gegenläufigen Wirkung einer veränderten Rohrwandstärke auf Festigkeit des Kühlschirms versus abführbarer Wärmemenge begrenzt.In order to avoid a cooling screen damage in these cases, a smaller pipe wall thickness is necessary, but on the other hand leads to smaller permissible pressure differences across the cooling screen wall. This permissible pressure difference is further reduced with increasing carburetor output, since the reaction chamber diameter and, associated therewith, the cooling screen surfaces also increase and cause lower strength values. Remedy creates a larger pipe wall thickness, but counteracts the goal of a lower wall thickness, reduces the heat transfer and reduces the amount of heat dissipated. An increased pipe wall thickness causes larger temperature differences between the pipe inside and pipe outside, whereby additional stresses in the pipe wall are induced. Both aspects, higher voltages and higher thermal wear lead to potentially shorter life of the cooling screen. Thus, the range of application and the performance of the cooling screen are limited due to the opposite effect of a changed pipe wall thickness on strength of the cooling screen versus dissipated amount of heat.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine technische Lösung für die angesprochenen, einander widerstrebenden Anforderungen anzugeben.The invention is based on the problem to provide a technical solution to the mentioned, conflicting requirements.

Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved by an article having the features of claim 1.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch eine entsprechende Brennergestaltung die Temperaturfreisetzung so eingestellt werden kann, dass eine geringere thermische Belastung in den konischen Bereichen des Kühlschirms realisierbar ist.The invention makes use of the knowledge that the temperature release can be adjusted by a corresponding burner design so that a lower thermal load in the conical regions of the cooling screen can be realized.

Die erfindungsgemäße Lösung des Problems liegt in einer Kühlschirmgestaltung mit ausreichenden Festigkeiten bei hoher Druckdifferenz über der Kühlschirmwand und einer Rohrwandstärke, welche einen sicheren Betrieb des Kühlschirmes und einen hohen Wärmedurchgang gewährleistet; zudem ist ein Druckausgleiches zwischen Kühlschirmspalt 10 und Reaktionsraum 9 in allen Betriebszuständen gegeben.The solution to the problem of the invention lies in a cooling screen design with sufficient strength at high pressure difference across the cooling screen wall and a tube wall thickness, which ensures safe operation of the cooling screen and a high heat transfer; In addition, a pressure equalization between cooling screen gap 10 and reaction space 9 given in all operating conditions.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment in a scope necessary for understanding with reference to figures. Showing:

1 einen erfindungsgemäßen 8-gängigen Kühlschirm mit 4 gleichmäßig über den Umfang verteilten Pratzen und 1 an inventive 8-speed cooling screen with 4 evenly distributed over the circumference claws and

2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit 8 Auflageplatten und 32 auf diese verteilte Spül- und Druckausgleichsrohren. 2 an embodiment of the invention with 8 support plates and 32 distributed to this rinsing and pressure equalization tubes.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.In the figures, like names denote like elements.

Erfindungsgemäß werden im Bereich der höchsten Temperaturbelastung, das heißt im zylindrischen Teil des Kühlschirms, dünnwandige Rohre 5 verwendet und zur Gewährleistung der mechanischen Festigkeit in den konischen Bereichen des Kühlschirms (oben und unten), insbesondere zwecks Aufnahme der Biegemomente durch Eigenlast und bei auftretenden Differenzdrücken, dickwandige Rohre 3 eingesetzt.According to the invention, in the region of the highest temperature load, that is, in the cylindrical part of the cooling screen, thin-walled tubes 5 used and to ensure the mechanical strength in the conical areas of the cooling screen (top and bottom), in particular for the purpose of recording the bending moments by dead load and occurring differential pressures, thick-walled tubes 3 used.

Die Rohre werden weiterhin so gewählt, dass der Rohraußendurchmesser über die gesamte Kühlschirmhöhe 8 konstant gehalten wird und die Rohrwandstärke nur über den Rohrinnendurchmesser variiert wird. Der Übergang vom kleineren auf den größeren Rohrinnendurchmessern ist dabei gleitend über einen allmählichen Durchmesseranstieg 4 ausgestaltet, um damit das Entstehen von „Totwassergebieten” zu vermeiden, in welchen auf Grund diskontinuierlicher Strömungsverhältnisse keine ausreichende Kühlung sichergestellt werden kann. Die Beibehaltung eines einheitlichen Außendurchmessers der Kühlschirmrohre führt zu einer homogenen Ausführung des Kühlschirms. Neben fertigungstechnischen Vorteilen (zum Beispiel automatische Schweißung) ist insbesondere die dadurch gewährleistete gleichmäßige Bestampfbarkeit mit Feuerfestmaterial vorteilhaft.The tubes are further selected so that the tube outside diameter over the entire cooling screen height 8th is kept constant and the pipe wall thickness is varied only over the pipe inside diameter. The transition from the smaller to the larger inner tube diameters is thereby sliding over a gradual increase in diameter 4 designed so as to avoid the emergence of "dead water areas" in which due to discontinuous flow conditions no adequate cooling can be ensured. The maintenance of a uniform outer diameter of the Kühlschirmrohre leads to a homogeneous design of the cooling screen. In addition to manufacturing advantages (for example, automatic welding) in particular the thus ensured uniform Bestampfbarkeit with refractory material is advantageous.

Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Kühlschirms wird die mechanische Last des Kühlschirms über Pratzen 1 in den umschließenden Druckmantel 15 abgeleitet, was die Biegemomente insgesamt weiter reduziert und damit die zulässige Druckdifferenz prinzipiell erhöht. Durch die vorgesehenen Pratzen 1 werden aber gleichzeitig lokale Spannungsspitzen hervorgerufen. Aus diesem Grund werden die beschriebenen Wandstärkeübergänge 4 nach Möglichkeit weit außerhalb des Störbereichs der Pratzen (Bereich in welchem durch die Pratzen beim Vorhandensein mechanischer Belastung lokale Spannungsspitzen auftreten können) positioniert. Unter Beibehaltung eines nach Möglichkeit großen Bereiches dünnerer Wandstärken 5 werden die Wandstärkenübergänge 4 vertikal oberhalb der Pratzen und tangential betrachtet mittig zwischen den Pratzen 1 angeordnet.To further increase the mechanical strength of the cooling screen, the mechanical load of the cooling screen is increased by claws 1 in the surrounding pressure jacket 15 derived, which further reduces the bending moments and thus increases the permissible pressure difference in principle. Through the provided claws 1 but at the same time local voltage peaks are caused. For this reason, the described wall thickness transitions 4 if possible, positioned far outside the area of interference of the claws (area in which local stress peaks can occur due to the claws in the presence of mechanical stress). While maintaining a wide range of thinner wall thicknesses, if possible 5 become the wall thickness transitions 4 vertically above the Pratzen and tangentially viewed in the middle between the claws 1 arranged.

Bei symmetrischer Anzahl der Pratzen kann zur Positionierung der Wandstärkenübergänge 4 im unteren zylindrischen Bereich folgende Formel für die horizontale Anordnung der Wandstärkenübergänge angewendet werden:

wobei
γ = Winkel zwischen der Mitte der Pratze und dem Wandstärkenübergang (7),
n_R = Anzahl der Pratzen und
k =

mit n_R = Anzahl der Kühlschirmrohre sind.With symmetrical number of claws can be used to position the wall thickness transitions 4 in the lower cylindrical area, the following formula is used for the horizontal arrangement of wall thickness transitions:

in which
γ = angle between the middle of the claw and the wall thickness transition ( 7 )
n _R = number of claws and
k =

with n _R = number of Kühlschirmrohre are.

Symmetrische Ausführung bedeutet, dass zwischen den Pratzen immer die gleiche Anzahl an Wandstärkenübergängen angeordnet ist, das heißt k ist eine ganzzahlige Zahl.Symmetric design means that between the claws always the same number of wall thickness transitions is arranged, that is, k is an integer number.

Der vertikale Abstand x zwischen der Pratze und dem ersten Wandstärkenübergang ist so gewählt, dass zwischen dem obersten mit der Pratze verbundenen Rohr und dem Rohr mit Wandstärkenübergang mindestens ein weiteres Rohr mit großer Wandstärke liegt. Dabei ist die Pratze vorteilhafterweise so ausgeführt, dass mindestens drei Rohre im konischen Bereich und drei Rohre im zylindrischen Teil fest mit jeder Pratze verbunden sind. Mit einer zusätzlichen Befestigung der Pratze an den oberen Rohren des unteren konisch ausgeführten Kühlschirmteils kann die Lastaufnahme des Kühlschirmes besonders vorteilhaft gestaltet werden.The vertical distance x between the claw and the first wall thickness transition is chosen such that between the uppermost connected to the claw tube and the tube with wall thickness transition is at least one other tube with a large wall thickness. The claw is advantageously designed so that at least three tubes in the conical region and three tubes in the cylindrical part are firmly connected to each claw. With an additional attachment of the claw to the upper tubes of the lower conical cooling screen part, the load bearing of the cooling screen can be made particularly advantageous.

Im oberen Bereich des Kühlschirmes werden die dickwandigen Rohre im konischen Teil verwendet und so weit in den zylindrischen Teil weitergeführt, dass mindestens ein Kühlschirmrohr einen halben Umlauf im Zylinder erreicht. Eine weitere Erhöhung der Kühlschirmfestigkeit ist durch eine Optimierung des oberen und unteren konischen Kühlschirmteiles verbunden mit einer Vergrößerung des Anstellwinkels 16 möglich. Da diese Erhöhung des Anstellwinkels aber andererseits zu einer Vergrößerung des Kühlschirmspaltes 10 führt, steigt die abzuführende Gasmenge bei Notentspannung des Reaktors 9 an. Eine erhöhte Gasmenge wiederum vergrößert bei gleichbleibenden Spül- und Druckausgleichsleitungen 13 den Differenzdruck über den Kühlschirm und wirkt einer Erhöhung der Festigkeit durch einen größeren Anstellwinkel entgegen. Daher ist in vorteilhafter Ausgestaltung ein Winkel 16 zwischen 35° und 60° gewählt. Im Ausführungsbeispiel 2 ist dieser Winkel 16 mit 45° gewählt.In the upper part of the cooling screen, the thick-walled tubes are used in the conical part and continued so far into the cylindrical part that at least one cooling shield tube reaches half a revolution in the cylinder. A further increase in the cooling screen resistance is associated with an optimization of the upper and lower conical cooling screen part with an increase in the angle of attack 16 possible. On the other hand, since this increase in the angle of attack increases the cooling screen gap 10 leads, increases the amount of gas to be discharged at Notentspannung the reactor 9 at. An increased amount of gas in turn increases at constant flushing and pressure equalization lines 13 the differential pressure across the cooling screen and counteracts an increase in strength by a larger angle of attack. Therefore, in an advantageous embodiment, an angle 16 between 35 ° and 60 °. In the embodiment 2 is this angle 16 chosen at 45 °.

1 stellt ein Ausführungsbeispiel mit acht Kühlschirmrohren (8-gängiger Kühlschirm) und 4 gleichmäßig über den Umfang verteilten Pratzen dar. Der vertikale Abstand wurde mit vier Rohrdurchmessern und der horizontale Abstand mit 22,5° gewählt. 1 shows an embodiment with eight cooling screen tubes (8-speed cooling screen) and 4 evenly distributed around the claws. The vertical distance was selected with four tube diameters and the horizontal distance of 22.5 °.

Trotz der beschriebenen wirksamen Maßnahme zur Erhöhung des zulässigen Differenzdruckes über die Kühlschirmwand ist der zulässige Differenzdruck bei Vergasern größerer Leistung (und damit Volumen) geringer als bei kleineren Vergaserleistungen bis zum Beispiel 500 MW, so dass weitere Maßnahmen notwendig werden, um einen sicheren Betrieb ohne Anreicherung von Kohlenstaub im Kühlschirmspalt oder Korrosion des Druckbehälters 15 beziehungsweise der Rückseite des Kühlschirms 8 zu gewährleisten. Konstruktiv wird sichergestellt, dass in jedem Betriebszustand eine ausreichend große durchströmte Fläche zum Druckausgleich zur Verfügung steht, ohne aber einen ungehinderten Staub und Reaktionsgaseintrag in den Rückraum des Kühlschirms zu ermöglichen. Hierzu werden im Dehnungsspalt des Kühlschirms metallische Spül- und Druckausgleichsrohre 12 so positioniert, dass einerseits die zulässige Druckdifferenz über die Kühlschirmwand nicht überschritten wird und dass andererseits die vertikale thermische Dehnung des Kühlschirms gewährleistet bleibt. Der für Dehnung verbleibende notwendige Spalt wird zwecks Verhinderung von Staubübertritt mit flexiblen, thermisch stabilen keramischen Fasermatten 11 ausgefüllt. Für die Anordnung der metallischen Rohre über den Umfang werden am oberen Abschluss des Kühlschirms Auflageplatten 13 positioniert, wobei die Anzahl dieser Auflageplatten so gewählt werden, dass sie der Anzahl der Kühlschirmrohre entsprechen. Auf diesen Auflageplatten werden die metallischen Rohre 12 gleichmäßig verteilt und der verbleibende Ringraum zwischen Kühlschirmabschluss und Druckbehälter mittels Fasermatten 11 abgedichtet, die vorteilhafterweise oberhalb der Rohre angeordnet sind. Zur Sicherstellung einer gerichteten Strömung beziehungsweise Vermeidung von Rückströmungen wird ein trockenes, kondensat- und sauerstofffreies Gas als Spülgas über den Stutzen 14 und die Spül- und Druckausgleichsrohre 12 in den Reaktionsraum 9 eingetragen.Despite the described effective measure to increase the allowable differential pressure across the cooling screen wall, the allowable differential pressure for carburetors of greater power (and thus volume) is less than for smaller carburetor powers up to, for example, 500 MW, so further action will be required to ensure safe operation without enrichment of coal dust in the cooling screen gap or corrosion of the pressure vessel 15 or the back of the cooling screen 8th to ensure. It is ensured by design that in each operating state, a sufficiently large flow area is available for pressure equalization, but without allowing unimpeded dust and reaction gas entry into the rear space of the cooling screen. For this purpose, in the expansion gap of the cooling screen metallic rinsing and pressure equalization tubes 12 positioned so that on the one hand, the allowable pressure difference across the cooling screen wall is not exceeded and on the other hand, the vertical thermal expansion of the cooling screen is ensured. The necessary gap remaining for expansion is used to prevent dust transfer with flexible, thermally stable ceramic fiber mats 11 filled. For the arrangement of the metallic tubes over the circumference are at the upper end of the cooling screen support plates 13 positioned, the number of these support plates are chosen so that they correspond to the number of Kühlschirmrohre. On these support plates are the metallic tubes 12 evenly distributed and the remaining annular space between the cooling screen and pressure vessel by means of fiber mats 11 sealed, which are advantageously arranged above the tubes. To ensure a directed flow or avoid backflow, a dry, condensate- and oxygen-free gas as purge gas through the nozzle 14 and the flushing and pressure equalizing tubes 12 in the reaction space 9 entered.

2 stellt ein Ausführungsbeispiel mit acht Auflageplatten und 32 auf diesen verteilten Spül- und Druckausgleichsrohren dar. 2 represents an embodiment with eight support plates and 32 distributed on these rinsing and pressure equalization pipes.

Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, wobei der Reaktor einen Kühlschirm 8 und einen Druckmantel 15 aufweist, wobei in einem Druckmantel 15 ein Kühlschirm 8 einen Reaktionsraum 9 begrenzt, der Kühlschirm mit mehreren parallel gewickelten Rohren ausgeführt ist, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, die Kühlschirmrohre Wandstärkenänderungen aufweisen mit einer dickeren Wandstärke im unteren und oberen Bereich und einer dünneren Wandstärke im mittleren zylindrischen Bereich und der Anstellwinkel des konischen Kühlschirmbereiches einen Winkel 16 von 35° bis 60° aufweist.The invention is also given by a reactor for the gasification of solid and liquid fuels in the air stream at temperatures between 1200 and 1900 ° C and pressures between ambient pressure and 10 MPa (100 bar), wherein solid fuels are pulverized coal of varying rank, petroleum cokes or other solid carbonaceous material and may be liquid fuels, oils or oil-solid or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidant, the reactor comprising a cooling screen 8th and a pressure jacket 15 having, wherein in a pressure jacket 15 a cooling screen 8th a reaction space 9 limited, the cooling screen is executed with a plurality of parallel-wound tubes through which a cooling liquid, the Kühlschirmrohre have wall thickness changes with a thicker wall thickness in the lower and upper regions and a thinner wall thickness in the central cylindrical region and the angle of incidence of the conical Kühlschirmbereiches an angle 16 from 35 ° to 60 °.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.The present invention has been explained in detail for illustrative purposes with reference to specific embodiments. In this case, elements of the individual embodiments can also be combined with each other. The invention is therefore not intended to be limited to individual embodiments, but merely to be limited by the appended claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Pratzepaw
22: dickwandiges Kühlschirmrohr mit Pratze verbundenthick-walled cooling screen tube connected with claw
33: dickwandiges Kühlschirmrohrthick-walled cooling screen tube
44: Wandstärkenübergang des KühlschirmrohresWall thickness transition of the Kühlschirmrohres
55: dünnwandiges Kühlschirmrohrthin-walled cooling screen tube
66: vertikaler Abstand zwischen Pratze und Wandstärkenübergangvertical distance between claw and wall thickness transition
77: horizontaler Abstand zwischen Pratze und Wandstärkenüberganghorizontal distance between claw and wall thickness transition
88th: Kühlschirmcooling screen
99: Reaktionsraumreaction chamber
1010: Kühlschirmspalt,Cooling screen gap
1111: Fasermattenfiber mats
1212: Spül- und DruckausgleichsleitungenFlushing and pressure equalizing lines
1313: Auflageplatte für Spül- und DruckausgleichsleitungenPlaten for flushing and pressure compensation lines
1414: Spülanschluss im DruckbehälterFlushing connection in the pressure vessel
1515: Druckbehälterpressure vessel
1616: Anstellwinkel des konischen KühlschirmteilesAngle of attack of the conical cooling screen part
1717: konischer Kühlschirmabschnitt am unteren Ende des Kühlschirmsconical cooling screen section at the lower end of the cooling screen
1818: zylinderförmiger Kühlschirmabschnittcylindrical cooling screen section

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19718131 A1 [0004]
DE 102007045321 [0005]
DE 102009005856 [0005]
DE19718131 [0006]

Claims

Air flow gasifier for the gasification of dusty or liquid fuels with a free-oxygen-containing gasification agent at pressures between ambient pressure and 8 MPa and gasification temperatures between 1,200 and 1,900 ° C, in which - in a pressure jacket ( 15 ) a reaction space ( 9 ) is connected via a guide tube with a quench space arranged underneath, - the reaction space through a cooling screen ( 8th ) is limited, - one can be arranged at the top of the reaction chamber gasification burner, - the cooling screen gap ( 10 ) is rinsed between the cooling screen and pressure jacket with an inert gas, - the cooling screen is designed with the winding of a number of cooling screen tubes, which are traversed by a cooling liquid, - the cooling screen at the top of a tapered conical cooling screen section, at the lower end of a tapered conical Cooling screen section ( 17 ) and in between a central cylindrical cooling screen section ( 18 ), characterized in that the cooling screen tubes as thick-walled cooling screen tube ( 3 ) in the region of the lower and the upper cooling screen section and as a thin-walled cooling screen tube ( 5 ) are executed in the region of the central cooling screen section.

Flugstromvergaser according to claim 1, characterized in that the angle of attack of the conical cooling screen section an angle ( 16 ) of 35 ° to 60 °.

Flugstromvergaser according to any one of the preceding claims, characterized in that the cooling screen with claws ( 1 ), which in each case with at least three pipe turns of the conical cooling screen section ( 17 ) at the lower end and three pipe turns in the overlying cylindrical cooling screen section ( 18 ) are firmly connected.

Flugstromvergaser according to any one of the preceding claims, characterized in that the outer diameter of the Kühlschirmrohres is constant and the transition ( 7 ) of a thick-walled cooling screen tube ( 3 ) to a thin-walled cooling screen tube ( 5 ) ( 4 ) is executed in the inner part of the cooling screen tube.

Flugstromvergaser according to claim 3 and 4, characterized in that the transition ( 7 ) of a thick-walled cooling screen tube ( 3 ) to a thin-walled cooling screen tube ( 5 ) in the horizontal direction between the claws ( 1 ) and in the vertical direction at least one thick-walled cooling screen tube is arranged above the claw.

Flugstromvergaser any one of the preceding claims, characterized in that the thick-walled cooling screen tube ( 3 ) is continued so far into the cylindrical cooling screen section, that at least one cooling screen tube reaches half a revolution in the cylindrical cooling screen section.

Flugstromvergaser according to any one of the preceding claims, characterized in that the cooling screen with a plurality, in particular eight, parallel wound pipes is executed.

Flugstromvergaser one of the preceding claims, characterized in that flushing and pressure equalizing tubes ( 12 ) are arranged at the upper end of the cooling screen.

Flugstromvergaser according to claim 8, characterized in that the flushing and pressure equalizing tubes ( 12 ) on support plates ( 13 ) and the remaining gap with fiber mats ( 11 ) is sealed.

Flugstromvergaser according to claim 9, characterized in that each support plate ( 13 ) is connected to a cooling screen tube.