DE102016217412A1

DE102016217412A1 - Flugstromvergaser mit einer reduzierten Anzahl von Kühlwasserdurchführungen durch den Druckmantel für die Baugruppen Rohgas- und Schlackeabgang sowie Leitrohr

Info

Publication number: DE102016217412A1
Application number: DE102016217412.6A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Degenkolb; Thomas Fleischer; André HERKLOTZ; Andreas Meissner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-15

Abstract

Bei einem 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 sind in einem Druckmantel (1) ein durch einen Kühlschirm (3) begrenzter Reaktionsraum über die Baugruppen Rohgas-/Schlackeöffnung einerseits und daran befestigtes Leitrohr andererseits mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden. Die Erfindung löst das an der Verbindungsstelle der beiden Baugruppen auftretende Überhitzungsproblem dadurch, dass eine integrale Baueinheit geschaffen wird, die in vorteilhafter Weise nur eine Kühlwasserzuführung und / oder nur eine Kühlwasserabführung durch den Druckmantel aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft 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, bei dem in einem Druckmantel ein durch einen Kühlschirm begrenzter Reaktionsraum über einen Rohgas- und Schlackeabgang mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden ist.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für einen Flugstromvergaser, bei dem der Reaktionsraum über die Baugruppen Rohgas-/ Schlackeöffnung einerseits und daran befestigtes Leitrohr andererseits mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden ist, eine konstruktive Lösung für die Verbindungsstelle beider Baugruppen zu schaffen, die die herkömmlich aufgetretenen Schwachpunkte beseitigt.
Das Problem wird durch einen Flugstromvergaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind die Rohgas-/ Schlackeöffnung und das Leitrohr zu einer Baueinheit vereinigt. Dies reduziert Aufwand und beseitigt die Ursachen bisheriger Funktionsstörungen und verminderter Standzeit. In vorteilhafter Weise sind für die beiden Baugruppen nur eine Kühlwasserzuführung und/nur eine Kühlwasserabführung durch den Druckmantel erforderlich.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Baugruppen Rohgas-/ Schlackeöffnung einerseits und das Leitrohr andererseits eine gemeinsame Kühlwasserzuführung oder eine gemeinsame Kühlwasserabführung durch den Druckmantel 1 auf. Bei dieser Ausgestaltung ist die Anzahl von Kühlwasserdurchführungen durch den Druckmantel gegenüber der herkömmlichen Ausgestaltung von vier auf drei reduziert und zudem eine Möglichkeit zur individuellen Regelung der Kühlwassermenge durch die Rohgas-/ Schlackeöffnung einerseits und das Leitrohr andererseits gegeben.
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.
Die Anordnung einer aufwändigen Tragplatte als Bestandteil des Druckmantels zur Lastaufnahme der Reaktoreinbauten kann vermieden werden (1).
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Flugstromvergaser mit einem gegenüber dem Reaktordurchmesser verkleinerten Quencherdurchmesser und
2 einen erfindungsgemäßen Flugstromvergaser mit fest eingeschweißter Tragplatte (14).
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bezugszeichenliste

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

Claims

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 (1) ein Reaktionsraum über einen Kühlwasser-gekühlten Rohgas- und Schlackeabgang sowie ein Kühlwasser-gekühltes Leitrohr (4) mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden ist, – der Reaktionsraum durch einen Kühlschirm (3) begrenzt ist, – einen im oberen Bereich des Reaktionsraumes anordenbaren Vergasungsbrenner (5), – der Kühlschirmspalt (18) zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem Inertgas (8.1) gespült/beaufschlagt ist, – der Rohgas- und Schlackeabgang einerseits sowie das Leitrohr (4) andererseits nur eine Kühlwasserzuführung (21) und/oder nur eine Kühlwasserabführung (22) durch den Druckmantel (1) aufweisen.
Flugstromvergaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser zunächst das Leitrohr und dann den Rohgas- und Schlackeabgang (4) durchströmt.
Flugstromvergaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgas- und Schlackeabgang (4) einerseits sowie das Leitrohr andererseits eine gemeinsame Kühlwasserzuführung (21) durch den Druckmantel und eine gemeinsame Kühlwasserabführung (22) durch den Druckmantel aufweisen und parallel von Kühlwasser durchströmbar sind.
Flugstromvergaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgas- und Schlackeabgang (4) einerseits sowie das Leitrohr andererseits eine gemeinsame Kühlwasserzuführung (21) durch den Druckmantel oder eine gemeinsame Kühlwasserabführung (22) durch den Druckmantel aufweisen und parallel von Kühlwasser durchströmbar sind.
Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgas- und Schlackeabgang einerseits sowie das Leitrohr (4) andererseits als Rohrbiegekonstruktion ausgeführt und gasdicht verschweißt sind.