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Die Erfindung betrifft ein 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, bei dem in einem Druckmantel ein durch einen Kühlschirm begrenzter Reaktionsraum über einen Rohgas- und Schlackeabgang mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden und der Kühlschirmspalt zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem Inertgas gespült/beaufschlagt sind.
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Herkömmliche Kühlschirm-Vergaser nach dem Druckvergasungsverfahren für Kohle und alternative Brennstoffe besitzen innerhalb eines Druckmantels, durch eine Tragplatte getrennt, einen Reaktions- und einen darunter befindlichen Quenchraum. Der Reaktionsraum wird von einem mehrgängigen Kühlschirm in Form einer zylindrischen Membranwand gebildet. Durch betriebsbedingte Druckschwankungen im Reaktionsraum kann es zu einer Außen- oder Innendruckbelastung des nur sehr bedingt als drucktragend ausführbaren Kühlschirms kommen. Resultierend daraus besteht generell, aber zunehmend mit größer werdenden Vergaserleistungen und damit zunehmenden Behälterdurchmessern, das Risiko der Kühlschirmzerstörung durch Druck-Überlastung, was zu plastischen Verformungen (Beulen) oder überhaupt zur Zerstörung (Risse) im unter Normalbedingungen gasdichten Kühlschirm mit weiteren Folgeschäden führen kann.
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Mit größer werdenden Vergaserleistungen und mit den bei entsprechend größer werdenden Vergaserdurchmessern auftretenden Differenzdruckproblem am Kühlschirm kommt es durch die räumlich begrenzten Sprühwirkung der Quenchdüsen bei der betriebsbedingt hohen Dichte des produzierten Rohgases zu einer Verschlechterung der Kühlwirkung und Waschwirkung und damit zu erhöhtem Feststoffaustrag mit dem Rohgas aus dem Quencher und einer möglichen Überschreitung der zulässigen Temperatur des den Quencher verlassenden Rohgases durch die schlechter werdende Vermischung mit dem Quenchwasser.
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Der Übergang vom Reaktionsraum zum Quenchraum wird von einer aus Kühlrohren spiralförmig gewickelten Rohgas-/Schlackeöffnung und einem daran befestigten Leitrohr, beide mit separater Wasserversorgung, gebildet. Für die Versorgung mit Kühlwasser sind jeweils entsprechende Stutzen am Druckmantel und externe Zuführ- und Überwachungssysteme erforderlich.
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Hinsichtlich der betriebssicheren Standfestigkeit hat sich die Verbindungsstelle beider Baugruppen Rohgas-/Schlackeöffnung einerseits und Leitrohr andererseits im Quencherbereich, insbesondere wegen der unzureichenden Kühlung, als Schwachpunkt herausgestellt.
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Es wird versucht, den Ringspalt zwischen Druckmantel und Kühlschirm (Kühlschirmspalt) zum Schutz vor Verschmutzung und Korrosion mit einer, allerdings betriebsbedingt begrenzten, Menge von inertem Spülgas zu beaufschlagen, welches an der Kühlschirm-Oberkante in den Reaktionsraum übertritt. Auf diese Weise verhindert bei stabilen Druckverhältnissen eine zum Reaktionsraum gerichtete Gasströmung das Eindringen schädlicher Partikel. Der Bereich zwischen Kühlschirm-Oberkante und Druckbehälter kann zur weiteren Minimierung der Verschmutzung mit keramischem Fasermaterial mehr oder weniger dicht verschlossen werden.
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Durch betriebsbedingte Druckschwankungen im Reaktionsraum kann es allerdings zu einer Außen- oder Innendruckbelastung des nur sehr bedingt als drucktragend ausführbaren Kühlschirms kommen. Ein Weglassen der Fasermatten kann das Druckproblem zwar verringern aber wegen der geringen Spülgasmenge nicht beseitigen. Des Weiteren kommt es zur Vergrößerung von Korrosionsproblemen im Kühlschirmspalt und zu erhöhter Brand-/Explosionsgefahr durch Staubablagerungen.
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Die Quenchqualität (Rohgaskühlung und Reinigung von Schlackepartikeln) bei zunehmenden Vergaserleistungen und damit Behälterdurchmessern wird bisher erreicht, indem mehr Quenchdüsen räumlich im Quenchraum inklusive ihrer Wasserzuführungen angeordnet werden. Dies erhöht das Risiko von funktionsstörenden Schlacke-Ablagerungen auf diesen Einbauten zunehmend.
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Beide Baugruppen werden, wie der Kühlschirm, von einer fest mit dem Druckmantel verbundenen Tragplatte getragen. Das Leitrohr dient dem Schutz der Schlacke-Abtropfkante im Sinne eines störungsfreien Schlacke-Abflusses vor betriebsschädigenden Einflüssen aus dem Quencher. Die konstruktiv bedingte nicht optimale Kühlung der Verbindungsstelle beider Baugruppen führte wiederholt im Zusammenhang mit möglichen Schlacke-Anbackungen zur thermischen Schädigung der Leitrohrbefestigung. Es wird eine Überlappung der gekühlten Bereiche beider Baugruppen ausgeführt, die aber wegen unterschiedlicher thermischer Dehnungen nicht gasdicht und damit frei von heißen Bypass-Strömungen ausgeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Flugstromvergaser zu schaffen, bei dem eine Erhöhung der thermischen Leistung auf die Klasse von beispielsweise 1000 MW ohne Verschlechterung der Quenchqualität (Kühl- und Waschwirkung) aber auch zunehmender Neigung zu Schlackeanbackungen einhergeht.
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Das Problem wird durch einen Flugstromvergaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Einführung eines gegenüber dem Reaktordurchmesser verkleinerten Quencherdurchmessers kann die herkömmlich bei steigender Vergaserleistung zur Erhaltung der Quenchqualität (Kühl- und Waschwirkung) erforderliche räumliche Anordnung von weiteren Quenchdüsen mit ihren Anschlüssen vermieden werden.
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Durch die Minimierung von Quenchereinbauten werden betriebsbehindernde Störquellen für Schlackeanbackungen reduziert.
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Der erfindungsgemäße Flugstromvergaser weist – bezogen auf den Reaktordurchmesser – einen Quencher mit reduziertem Innendurchmesser auf, wobei eine in Relation zu der Kühlleistung des Quenchers geringe Anzahl von Quenchlanzen zum Eindüsen von Quenchwasser in den Quencher angeordnet ist und wobei die Quenchlanzen für das Eindüsen der für die Kühlleistung erforderlichen hohen Wassermenge ausgelegt und versorgt sind.
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Die Kühlschirmoberkante mit dem Vergaseroberteil ist gas- und staubdicht verbunden, wodurch Verschmutzung und Korrosion im Kühlschirmspalt vermieden wird. Die konstruktive Abdichtung ist flexibel hinsichtlich der Aufnahme axialer thermischer Dehnungen des Kühlschirms durch die Anordnung einer Stopfbuchse 6 nach Option 1 oder eines Kompensators 7 nach Option 2.
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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 einen erfindungsgemäßen Flugstromvergaser mit einem gegenüber dem Reaktordurchmesser verkleinerten Quencherdurchmesser und
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2 einen erfindungsgemäßen Flugstromvergaser mit fest eingeschweißter Tragplatte (14).
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
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In 1 und 2 ist für zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, wie mittels einer Stopfbuchse 6 (Option 1) oder eines Kompensators 7 (Option 2) zwischen Kühlschirmoberkante und Druckmantel das Eindringen von Staub und Rohgas in den Kühlschirmspalt verhindert werden kann. Der Kühlschirmspalt ist dabei weiterhin über die Zuführung (8.1) mit Inertgas, nunmehr in Richtung Quenchraum, gespült. Die Abdichtungen (6) und (7) sind in der Lage, die thermischen Dehnungen des Kühlschirms (3) zwischen den Pratzen (12) in 1 beziehungsweise dem Fußring des Kühlschirms in 2 und dem oberen Boden des Druckmantels (1) aufzunehmen. Im Ausführungsbeispiel nach 1 kann der Kühlschirm (3) und die damit verbundenen Baugruppen (4), (13) und (14) von der Pratzenbefestigung (12) aus frei nach unten dehnen.
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Die dichten Verbindungen (6) und (7) erfordern neue konstruktive Maßnahmen zur Absicherung des Kühlschirms als Membranwand gegen hohen Außen- oder Innendruck. In 1 geschieht dies durch die Anordnung eines Wasserschlosses das heisst die Abtauchung eines Blechmantels 13 in den wassergefüllten Quencherdoppelmantel 17 begrenzt die Druckbelastung des Kühlschirms. Wird die Druckbelastung höher als die Absicherung durch die Abtauchung, erfolgt der Ausgleich durch den Gasaustausch zwischen Kühlschirmspalt und Quenchraum über die Unterkante von 13. Bei erhöhter Außendruckbelastung des Kühlschirms 3 erfolgt ein Überströmen über die Überlaufkante des Quencherinnenmantels 2 in den Quenchraum und bei Innendruckbelastung erfolgt der Ausgleich in entgegengesetzter Richtung. Mitgerissenes Wasser aus dem Quencherdoppelmantel kann vorübergehend in den Sammelraum (15) eindringen und später in den Quencherdoppelmantel zurückfließen. Im Normalbetrieb ohne wesentliche Druckdifferenzen strömt das Spülgas aus dem Kühlschirmspalt über den Austritt (11) in den Quenchraum. Am Kühlschirm ist unten eine Tragplatte (14) angeordnet, die die Positionen/Baugruppen (4) und (13) trägt. Eine fest mit dem Druckmantel (1) verbundene Tragplatte ist nicht notwendig.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist eine fest eingeschweißte Tragplatte (14) angeordnet. Die Druckabsicherung für den Kühlschirm (3) erfolgt hier mittels der Anordnung einer ausreichenden Anzahl von Druckausgleichsleitungen (16) über die unter normalen Bedingungen auch das Überströmen des Spülgases aus dem Kühlschirmspalt in den Quenchraum erfolgt. Die Querschnitte der Druckausgleichsleitungen (16) sind so bemessen, dass es in keinem Betriebszustand zu einer Überlastung des Kühlschirms durch Differenzdruck kommen kann. Von Vorteil hinsichtlich der Korrosion im Kühlschirmspalt ist der Eintrag von Inertgas, welches an den mit den Druckausgleichsleitungen verbundenen Quenchlanzenstutzen durch den seitlichen Eintritt (8.2) zugeführt wird.
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1 zeigt einen gegenüber dem Reaktordurchmesser verkleinerten Quencherdurchmesser (2). Durch diese von bisherigen Ausführungen besonders für Vergaser großer Leistung mit notwendigen großen Reaktordurchmessern abweichende Gestaltung ist die Beibehaltung der prinzipiellen Quenchdüsenanordnung (9) von Vergasern kleinerer Leistung möglich. Zusätzlich eingebaute Düsen und Versorgungsleitungen können als Quelle für funktionsbeeinträchtigende Schlackeanbackungen so vermieden werden. Eine Anpassung der Quenchleistung insgesamt an die Vergaserleistung kann durch eine höhere Leistung je Düse erfolgen. Dem Effekt der begrenzten Quenchwirkung beim Eindüsen von feintropfigen Wasser in verdichtete Gase (2 bis 6 MPa Überdruck) und der damit verbundenen Verschlechterung der Quenchqualtät (Kühlung und Waschung des Rohgases) kann so entgegengewirkt werden.
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1 und 2 zeigen beide die Vereinigung von Rohgas-/Schlackeöffnung und Leitrohr zu einer kombinierten Baugruppe (4) mit gemeinsamer Kühlwasserversorgung und damit verbunden der Reduzierung der Behälterstutzenzahl und äußerer Versorgungssysteme. Die ein- oder mehrgängige Rohrbiegekonstruktion ist insgesamt gasdicht verschweißt. Schädigende Bypass-Strömungen und Überhitzung von Halterungskonstruktionen können somit nicht auftreten. Die Schlackeabtropfkante (10) wird durch die entsprechende Gestaltung der Rohrspiralen ausgebildet. Das durch die Rohrschlangen nachgebildete Leitrohr schützt die Abtropfkante vor betriebsstörenden Einflüssen aus dem Quencher, die das geradlinige Ausströmen von heißem Rohgas und schmelzflüssiger Schlacke beeinträchtigen können. Neben der Erhöhung der Betriebssicherheit ist mit dieser Gestaltung eine Reduzierung von Fertigungs- und Montageaufwand verbunden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckbehältermantel
- 2
- Innenmantel Quencher mit Wasserüberlauf, Skirt
- 3
- Kühlschirm, mehrgängig
- 4
- Kombination Rohgas-/Schlackeöffnung mit Leitrohr, ein- oder mehrgängig
- 5
- Brennereinheit
- 6
- Stopfbuchse – Option 1
- 7
- Kompensator – Option 2
- 8.1 und 8.2
- Spülgaseintritt
- 9
- Quenchlanze, Quenchwasserverdüsung
- 10
- Schlackeabtropfkante
- 11
- Spülgasaustritt
- 12
- Pratzen
- 13
- Druckabsicherung Kühlschirmspalt („Wasserschloss“)
- 14
- Tragplatte, gekühlt oder ungekühlt
- 15
- Sammelraum für mitgerissenes Wasser aus dem Quencher-Doppelmantel
- 16
- Druckausgleichsleitungen für beidseitigen Kühlschirm-Differenzdruckausgleich
- 17
- Wassermantel
- 18
- Kühlschirmspalt, gasgesült, Zwischenraum
- 19
- Reaktor
- 20
- Quencher
- 21
- Kühlwasserzuführung
- 22
- Kühlwasserabführung
- 23
- Quenchlanzenstutzen
