DE102017219777A1

DE102017219777A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Vergasen von Einsatzstoffen und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt und Synthesegas sowie Verwendung

Info

Publication number: DE102017219777A1
Application number: DE102017219777.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Abraham; Domenico Pavone; Thomas Werner
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: Gidara Energy BV
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine HTW-Vergaservorrichtung (10) eingerichtet zum Vergasen von Einsatzstoffen und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt (BP) und Synthesegas, mit einem HTW-Reaktionsraum (11) und einem daran gekoppelten Rückführsystem (16) eingerichtet zum Rückführen von Medien aus dem HTW-Reaktionsraum, wobei die HTW-Vergaservorrichtung eine zumindest den HTW-Reaktionsraum umhüllende Kühleinrichtung (18) mit wenigstens einem Kühlmantel (18.1) aufweist, wobei die Kühleinrichtung als eine zumindest den HTW-Reaktionsraum und zumindest teilweise das Rückführsystem gemeinsam umhüllende, integrale Kühleinrichtung (18) ausgestaltet ist, mit dem wenigstens einen Kühlmantel ausgebildet als integralem Kühlmantel umgrenzend zumindest die folgenden Komponenten: den HTW-Reaktionsraum (11), zumindest teilweise das Rückführsystem (16), wahlweise auch wenigstens eine Rückführleitung (16.2) des Rückführsystems, wahlweise zumindest teilweise einen Rückführzyklon (16.1) des Rückführsystems. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren sowie die Verwendung von Anlagenkomponenten zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vergasen von Einsatzstoffen und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt und Synthesegas, mit optimierter Kühlung des HTW-Reaktionsraumes. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs.
HINTERGRUND
Durch die Weiterentwicklung des Hochtemperatur-Winkler (HTW)-Kohlevergasungsverfahrens, welches auf der ursprünglich unter Umgebungsdruck betriebenen Winkler-Wirbelschichtvergasung basiert, ergeben sich Möglichkeiten, das HTW-Verfahren zur Erzeugung von Synthesegasen (insbesondere für Produkte der petrochemischen Industrie) oder auch in Kombi-Kraftwerken zur effizienten und kostengünstigen Stromerzeugung zu nutzen. Ferner wurde die Weiterentwicklung von HTW-Verfahren bereits in Hinblick auf die Vergasung von Biomasse, Hausmüll oder Steinkohle mit hohem Aschegehalt weiter vorangetrieben.
Die HTW-Vergasung erfolgt bei Zuführung der einzelnen Vergasungs- und Fluidisiermedien über getrennte Düsen (insbesondere Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff und Luft). Die Düsen sind in verschiedenen Ebenen angeordnet, insbesondere sowohl in die Wirbelbettzone (WB) als auch in der Freibordzone (FB), in welchen Zonen jeweils individuelle Temperaturen herrschen. In der Freibordzone wird eine hohe Material- und Energieübertragungsrate erreicht. Über einen Rückführzylon und entsprechende Rückführleitungen wird das nicht umgesetzte Material bzw. Medium in den unteren Bereich des Vergasers (Wirbelbettzone WB) rückgeführt.
In der Wirbelschichtzone (WB) herrscht beispielsweise eine Temperatur von ca. 800 °C und in der Nachvergasungszone (FB) ca. 1000 °C.
Auch bei der HTW-Vergasung steht bei der verfahrenstechnischen Weiterentwicklung die Effizienz bzw. der Output des Verfahrens im Vordergrund. Druckaufgeladene HTW-Vergaser wie z.B. der so genannte TRIGG-Vergaser oder der so genannte SES-Vergaser können vergleichsweise hohe Effizienz versprechen.
HTW-Vergaser für hohe Leistungen werden mit einem Innendurchmesser von bis ca. 3.7m und einer Höhe von bis ca. 40m konstruiert. Zur thermischen Isolierung wird oftmals eine zwei- bis drei-schalige Ausmauerung bzw. Wandung vorgesehen, welche in der Regel eine Dicke von ca. 400mm aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen (Temperaturdifferenzen in den einzelnen Zonen) im HTW-Vergaser kann es zu hohen, thermisch induzierten Spannungen sowie dadurch bedingten Beanspruchungen oder sogar zu beträchtlichen Beschädigungen des Mauerwerks kommen. Abgesehen von internen Materialspannungen besteht auch das Risiko von örtlichen Verschiebungen bzw. relativen Verlagerungen der einzelnen Anlagenkomponenten, mit der Folge nachteiliger Schieflagen beispielsweise der drucktragenden Stahlbehälter und Rohre. Dies hat hohe Spannungen an Stutzen und in Schweißnähten zur Folge, mit großen Nachteilen hinsichtlich Dichtigkeit und Betriebssicherheit. Letztendlich muss die Konstruktion mit großem Sicherheitsfaktor erfolgen und wird dadurch aufwändig und kostspielig.
Thermisch oder mechanisch bedingte Spannungen und Verschiebungen haben möglicherweise Hinterströmungen im Mauerwerk und/oder unzulässige Überhitzungen bzw. thermische Dehnungen und Undichtigkeiten der Druckbehälter oder druckbeaufschlagten Armaturen zur Folge. Dieser Mangel ist insbesondere bei Verwendung reaktiver Medien (Betrieb unter Sauerstoff) als besonders kritisch anzusehen.
Eine behelfsmäßige Absicherung vor Leckagen, indem versiegelnde Beschichtungen bzw. Umschlagsfarben auf die Armaturen und auf den drucktragenden Stahlmantel und die Rohre aufgebracht werden, kann nicht als zielführende Maßnahme betrachtet werden, insbesondere da dadurch keine ausreichende Betriebssicherheit erzielt werden kann. Zudem müssten auch alle schwer zugänglichen Stellen des Vergasers regelmäßig kontrolliert werden, denn die bekannten und bisher verwendeten Umschlagsfarben sind extrem temperaturabhängig bzw. nur temperaturbeständig über einen gewissen Zeitraum, z.B. nur 16h bei 250°C, oder nur 10min. bei 300°C. Es müsste also eine exakte Temperaturerfassung und -kontrolle an diversen Armaturen, an Stahlmantel und Rohren erfolgen, um beurteilen zu können, ob die Umschlagsfarben noch die gewünschte Wirkung erzielen. Insbesondere müsste das Gesamtsystem mindestens bestehend aus HTW-Vergaser, Zyklon und Rückführleitung mit einem engmaschigen Temperaturerfassungssystem ausstattet werden, was selbstredend sehr kostenintensiv wäre. Zusätzlich müsste das Gesamtsystem mit einer Vielzahl von Kompensatoren versehen werden, was insbesondere bei HTW-Vergasern im oberen Leistungsbereich aufgrund der großen Dimensionen (große Durchmesser) zu Beschaffungs- und Kostenproblemen führen würde.
Die DE 20 2008 009 249 U1 beschreibt einen Vergasungsreaktor mit einem Zwischenboden zur Trennung zweier Reaktionsräume. Im Bereich des Zwischenbodens ist eine Wasserkühlung vorgesehen, mittels welcher die Bodenwand vor zu hoher thermischer Beanspruchung geschützt werden kann. Der in dieser Veröffentlichung beschriebene Zwischenboden weist eine geringe Wanddicke auf und liefert dadurch insbesondere konstruktive und montagetechnische Vorteile für den gesamten Vergasungsreaktor.
Die EP 0 452 653 B1 beschreibt ein Vergasungsverfahren mit nachgeschaltetem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, wobei ein Vergaser als Rohrkorb ausgebildet sein kann, oder mittels eines Wassermantels gekühlt werden kann.
Mittels bisher verwendeter Anordnungen kann eine Temperierung des HTW-Vergasers noch nicht auf zufriedenstellende Weise realisiert werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen zur betriebssicheren Ausgestaltung des HTW-Vergasungsverfahrens in einem breiten Last-Spektrum oder auch hinsichtlich Betriebsstörungen bereit zu stellen, womit eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Gesamtsystem Vergaser, Zyklon und Rückführleitungs-System erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine HTW-Vergaservorrichtung eingerichtet zum Vergasen von Einsatzstoffen und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt BP und Synthesegas, mit einem HTW-Reaktionsraum und einem daran gekoppelten Rückführsystem eingerichtet zum Rückführen von Medien aus dem HTW-Reaktionsraum, insbesondere aus einer Freibordzone FB, zurück in eine Wirbelbettzone WB des HTW-Reaktionsraums, wobei die HTW-Vergaservorrichtung eine zumindest den HTW-Reaktionsraum umhüllende Kühleinrichtung mit wenigstens einem Kühlmantel aufweist, wobei die Kühleinrichtung als eine zumindest den HTW-Reaktionsraum und zumindest teilweise das Rückführsystem gemeinsam umhüllende, integrale Kühleinrichtung ausgestaltet ist, mit dem wenigstens einen Kühlmantel ausgebildet als integralem Kühlmantel umgrenzend zumindest die folgenden Komponenten: den HTW-Reaktionsraum, zumindest teilweise das Rückführsystem, wahlweise auch wenigstens eine Rückführleitung des Rückführsystems, wahlweise zumindest teilweise einen Rückführzyklon des Rückführsystems. Dies ermöglicht eine Minimierung anlagentechnischen Aufwands und eine Optimierung der Temperaturverteilung im HTW-Reaktionsraum bzw. in der Ausmauerung sowie im drucktragenden Stahlmantel.
Ein Stahlmantel des HTW-Reaktionsraumes kann dabei für eine niedrigere (Design-)Temperatur als ohne Kühlmantel ausgelegt werden. Dies ermöglicht auch die Einsparung von Wandstärke, also eine geringere Wandstärke. Dank homogener Temperierung müssen nur geringere Temperaturschwankungen für die Behälterdehnung berücksichtigt werden. Die Ausmauerung kommt dabei nicht in Kontakt mit dem Kühlmedium.
Durch freie Konvektion des Kühlmediums kann insbesondere auch über die Höhe eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung sichergestellt werden. Nach unten hin nehmen die Temperaturen entsprechend der vom Dampfdruck abhängigen Siedetemperatur zu. Das Kühlsystem kann dabei derart ausgelegt werden, dass auf dem Druckmantel außen um den Reaktionsraum eine zumindest annähernd einheitliche Temperatur eingestellt werden kann.
Insbesondere kann ein gemeinsamer Kühlmantel, insbesondere Wassermantel für alle ausgemauerten Komponenten des HTW-Vergasers, Zyklons und Rückführleitung-Systems vorgesehen sein. Der Kühlmantel, insbesondere Wassermantel ist insbesondere mit vollentsalztem und entgastem Kesselspeisewasser befüllt. Der Kühlmantel, insbesondere Wassermantel weist bevorzugt eine direkte Verbindung zur Atmosphäre auf und wird bevorzugt drucklos betrieben, bzw. auf dem entsprechenden hydrostatischen Druck der sich bildenden Wassersäule. Die Temperierung/Kühlung des Vergaserdruckmantels erfolgt bevorzugt aufgrund natürlicher Konvektion im Kühlmantel. Der Kühlmantel ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass im System keine Zwangsdurchströmung eingestellt werden muss. Eine Vorrichtung für einen Kühlkreislauf (z.B. eine Pumpe) ist nicht erforderlich. Die Stärke des Stahlmantels kann derart ausgelegt werden, dass eine freie Konvektion stattfinden kann.
Über die Menge des nachgespeisten Kühlmediums, insbesondere Wassers pro Zeiteinheit in den Kühlmantel, insbesondere Wassermantel kann eine Kontrolle bzw. Regelung des Temperaturprofils im Stahlmantel erfolgen. Die damit einhergehenden Beanspruchungen können erkannt und in einem gewünschten Toleranzbereich gehalten werden.
Der Kühlmediumstand, insbesondere Wasserstand im Kühlmantel kann mittels einer geregelten Nachspeisung in einem gewünschten Toleranzbereich oder konstant gehalten werden.
Im unteren Bereich des Kühlmantels, insbesondere Wassermantels kann über einen Verteiler Dampf eingebracht werden, insbesondere als Frostschutz.
Der Kühlmantel, insbesondere Wassermantel kann mit Dehnungskompensatoren ausgerüstet sein, insbesondere an wenigstens einer Höhenposition, bevorzugt in der Höhe der größten Längendehnung.
Der HTW-Reaktionsraum ist insbesondere ausschließlich gebildet durch die Wirbelbettzone und die Freibordzone.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der integrale Kühlmantel ferner umgrenzend wenigstens eine der folgenden Komponenten ausgestaltet: wenigstens eine Rückführleitung des Rückführsystems, komplett den Rückführzyklon des Rückführsystems; und/oder wobei der integrale Kühlmantel integral umgrenzend zumindest bezüglich der folgenden Komponenten ausgestaltet: eine/die Rückführleitung/en des Rückführsystems, und komplett den Rückführzyklon des Rückführsystems. Hierdurch kann die Temperierung jeweils weiter verbessert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der integrale Kühlmantel integral umgrenzend bezüglich des kompletten Rückführsystems ausgestaltet und weist einen einzigen integralen Kühlmedium-Haushalt auf, insbesondere offen zur Umgebung, insbesondere beschickt mit drucklosem Wasser als Kühlmedium, bevorzugt frei von korrosiven Bestanteilen. Dies liefert auch anlagen- und regelungstechnische Vorteile. Das Kühlmedium wird bevorzugt bei etwas höherem Druck als der maximale hydrostatische Druck im Kühlmantel zugeführt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die integrale Kühleinrichtung eine Speiseeinheit für Kühlmedium und eine Dampfgeneratoreinheit und ist an eine Steuerungseinrichtung in Kommunikation mit wenigstens einer Sensoreinheit gekoppelt, insbesondere zur Erfassung von Temperatur und/oder Füllstand des Kühlmediums; und/oder wobei die Kühleinrichtung eine/die Dampfgeneratoreinheit aufweist, welche an einen Einlass im unteren Bereich der Kühleinrichtung gekuppelt ist. Dies ermöglicht auch eine Temperierung des Kühlmediums. Die Dampfgeneratoreinheit kann auch als Einspeiseeinheit für Dampf beschrieben werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die integrale Kühleinrichtung mit einem einzigen Kühlmedium-Haushalt für die HTW-Vergaservorrichtung ausgestaltet, wobei die integrale Kühleinrichtung offen zur Umgebung U ist und druckbeständig hinsichtlich der hydrostatischen Höhe der HTW-Vergaservorrichtung ist und passiv kühlend ist, indem das Kühlmedium zur autonomen konvektiven Zirkulation unter hydrostatischem Druck vorgehalten ist, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 2 bis 4bar. Dies ermöglicht neben hoher Betriebssicherheit auch die Verwendung vorteilhafter Anlagentechnik.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der HTW-Reaktionsraum eine/die Freibordzone FB auf, welche mindestens um den Faktor 1.5 bis 4 größer ist als die Wirbelbettzone WB; und/oder wobei der durch die Wirbelbettzone und die Freibordzone gebildete HTW-Reaktionsraum sich über eine Höhe von mindestens 10m oder 20m oder mindestens 30m oder bis zu 40m erstreckt, wobei die Freibordzone in Höhenrichtung länger ist als die Wirbelbettzone, und wobei das Rückführsystem in die Wirbelbettzone mündet; und/oder wobei die HTW-Vergaservorrichtung druckaufgeladen ist, insbesondere im Bereich 2 bis 30bar. Bei dieser jeweiligen Konfiguration ergeben sich die zuvor beschriebenen Vorteile auf besonders spürbare Weise.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kühlmantel aus einzelnen miteinander stoffschlüssig verbundenen Schalen aufgebaut, welche eine Außenwandung des Kühlmantels bilden, insbesondere aus miteinander verschweißten Stahlelementen; und/oder wobei der Kühlmantel aus die HTW-Vergaservorrichtung jeweils ringförmig umgrenzenden Segmenten aufgebaut ist, welche in Höhenrichtung und/oder Längsrichtung aneinander angrenzend miteinander verschweißt sind. Dies liefert einen stabilen, einfachen Aufbau.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Kühleinrichtung für eine Design-Temperatur im Bereich von 200°C, insbesondere max. 200°C ausgelegt. Dies kann anlagentechnische Vorteile liefern.
Die Kühleinrichtung kann wenigstens einen Kompensator eingerichtet zum Ausgleich von Lagetoleranzen in wenigstens einer Raumachse, insbesondere in Höhenrichtung z aufweisen, insbesondere in Ausgestaltung eines gewellten Abschnittes in einer Außenwandung des Kühlmantels. Die Kühleinrichtung kann eine Mehrzahl von Kompensatoren aufweisen und eingerichtet sein zum Ausgleich von Lagetoleranzen in wenigstens zwei Raumachsen (x, y, z), insbesondere an wenigstens zwei der zuvor beschriebenen Komponenten.
ITEM Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine HTW-Vergaservorrichtung eingerichtet zum Vergasen von Einsatzstoffen und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt BP und Synthesegas, mit einem HTW-Reaktionsraum und einem daran gekoppelten Rückführsystem eingerichtet zum Rückführen von Medien aus dem HTW-Reaktionsraum, insbesondere aus einer Freibordzone FB, zurück in eine Wirbelbettzone WB des HTW-Reaktionsraums, wobei die HTW-Vergaservorrichtung eine zumindest den HTW-Reaktionsraum umhüllende Kühleinrichtung mit wenigstens einem Kühlmantel aufweist, wobei die Kühleinrichtung als eine zumindest den HTW-Reaktionsraum und zumindest teilweise das Rückführsystem gemeinsam umhüllende, integrale Kühleinrichtung ausgestaltet ist, mit dem wenigstens einen Kühlmantel ausgebildet als integralem Kühlmantel umgrenzend zumindest die folgenden Komponenten: den HTW-Reaktionsraum, zumindest teilweise das Rückführsystem, wahlweise auch wenigstens eine Rückführleitung des Rückführsystems, wahlweise zumindest teilweise einen Rückführzyklon des Rückführsystems, ferner umfassend wenigstens eine gemeinsame Ringleitung, welche durch den Kühlmantel hindurch geführt ist, mit daran angeordneten Düsen bzw. Brennern, sowie umfassend eine Mehrzahl getakteter Düsen an der Rückführleitung, ebenfalls integriert in den Kühlmantel. Dabei weist der Kühlmantel wenigstens eine Durchführung für die Düsen auf und umschließt die Rückführleitung. Ein entsprechendes Verfahren kann durch getaktete Eindüsung von Fluidisier-Medium sowie durch zentrales Zuführen von Verbrennungsmedien jeweils über die gemeinsame Ringleitung erweitert werden.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum Vergasen von Einsatzstoffen in einem HTW-Reaktionsraum und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt, insbesondere mittels einer zuvor beschriebenen HTW-Vergaservorrichtung, wobei Medien aus dem HTW-Reaktionsraum, insbesondere aus einer Freibordzone FB, zurück in eine Wirbelbettzone WB des HTW-Reaktionsraums rückgeführt werden, wobei der HTW-Reaktionsraum zum Abführen von Wärmeenergie aus der HTW-Reaktion gekühlt wird, wobei das Kühlen auf integrale Weise zumindest bezüglich des HTW-Reaktionsraumes und zumindest teilweise bezüglich des Rückführsystems gemeinsam erfolgt mittels einer integralen Kühleinrichtung mit integralem Kühlmittel-Haushalt, wobei die Kühlenergie von außen auf eine Ausmauerung in die HTW-Vergaservorrichtung eingebracht wird. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile. Hierdurch kann auch eine gleichmäßige Temperierung der Anlagenkomponenten für den Reaktionsraum und die Rückführung erfolgen, um thermische Spannungen zu vermindern. Das Kühlen kann daher auch als ein Temperieren beschrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Kühlen integral zumindest bezüglich eines Rückführzyklons und bezüglich der Rückführleitungen zwischen dem HTW-Reaktionsraum und dem Rückführzyklon erfolgt, insbesondere mittels drucklos eingebrachtem Kühlmedium unter hydrostatischem Druck in einem zur Umgebung U hin offenen Kühlmedium-Haushalt, insbesondere mittels Wasser als Kühlmedium. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ein Nachspeisen von Kühlmedium, wobei die Menge nachgespeisten Kühlmediums erfasst wird, insbesondere zur Erfassung von erhöhtem Wärmeverlust über die Ausmauerung und/oder zur Überwachung der Dichtheit der Kühleinrichtung im Rahmen einer Sicherheitsüberprüfung umfassend das zeitbezogene Abspeichern der nachgespeisten Menge. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile. Dies ermöglicht auch eine Überwachung von Hot Spots, die zu erhöhtem Wärmeverlust insbesondere aufgrund von Defekten in der Ausmauerung führen, und erhöhten Wasser- bzw. Kühlmediumverbrauch zur Folge haben.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die HTW-Reaktion druckaufgeladen, insbesondere im Bereich 2 bis 40bar. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Kühlen passiv betrieben, indem das Kühlmedium konvektiv ohne Zwangsführung autonom zirkulierend in der integralen Kühleinrichtung vorgehalten wird; und/oder wobei das flüssige Kühlmedium maximal auf eine in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck vorgegebene Siedetemperatur erhitzt wird, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 2 bis 4bar; und/oder wobei das Kühlen unterhalb vom Siedepunkt des Kühlmediums erfolgt, insbesondere unterhalb von 100°C, bevorzugt geregelt auf einem Temperaturniveau im Bereich von oder bei 80°C. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Steuerungseinrichtung eingerichtet zum Ausführen eines zuvor beschriebenen Verfahrens, wobei mittels einer Speiseeinheit ein Füllstands-geregeltes Nachspeisen von Kühlmedium erfolgt, wobei die Menge nachgespeisten Kühlmediums erfasst wird. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung einer integralen, zur Umgebung hin offenen Kühleinrichtung mit Kühlmedium in flüssiger Form zum Kühlen eines Druckmantels einer HTW-Vergaservorrichtung mittels eines einzigen integralen Kühlmedium-Haushaltes, wobei die Kühleinrichtung zum Kühlen zumindest der folgenden Komponenten verwendet wird: einen/den HTW-Reaktionsraum, zumindest teilweise ein daran gekoppeltes Rückführsystem, insbesondere einen Rückführzyklon; insbesondere Verwendung einer integralen Kühleinrichtung mit einer Außenwandung bestehend aus metallischen, aneinander geschweißten Schalen in einer zuvor beschriebenen HTW-Vergaservorrichtung. Das Temperieren kann bezüglich des Druckmantels erfolgen. Der Druckmantel kann die Ausmauerung vollständig umgrenzen.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung wenigstens eines Ausführungsbeispiels basierend auf den folgenden Figuren. Dabei zeigt

1 in schematischer Darstellung einen HTW-Vergaser für die erfindungsgemäße Anwendung, zur Veranschaulichung der Volumenverhältnisse des Reaktionsraumes bestehend aus Freibordzone und Wirbelbettzone;
2, 3 Details einer HTW-Vergaservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
4 Details einer HTW-Vergaservorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Bei Bezugszeichen, die nicht explizit in Bezug auf eine einzelne Figur beschrieben werden, wird auf die anderen Figuren verwiesen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die 1, 2 und 3 zeigen einen HTW-Vergaser 1 mit mehreren Düsen bzw. Brennern 5, einem Rückführzylon 6.1 und einer Rückführleitung 6.2. Ein HTW-Reaktionsraum 11, insbesondere Druckbehälter ist in konische Abschnitte 11.1 und einen zylindrischen Abschnitt 11.2 unterteilt. Im unteren Bereich bildet sich eine Wirbelbettzone WB aus, darüber eine Freibordzone FB. Ein Vergaserinnenraum Vi wird durch diese beiden Zonen definiert und ist über eine Wandung 12 von der Umgebung/Atmosphäre U abgeschottet. Die absolute Höhe z11 des HTW-Reaktionsraumes bzw. Druckbehälters beträgt z.B. zwischen 10 und 40m.
Ausgehend von dieser Konfiguration wird eine HTW-Vergaservorrichtung 10 konzipiert, welche aufweist: einen Auslass 10.1 in die Umgebung U, einen Überlauf 10.2, einen Einlass 10.3 für eine Nachspeisung von Kühlmedium, einen Einlass oder Verteiler 10.4 für eine Einspeisung von Dampf, einen Anschluss 10.5 für einen Füllstandsmessung für Kühlmedium, eine Ausmauerung 12 mit Ankern 14, umgrenzt von einem Vergasermantel 12.1, mit daran montierten Stutzen 13. Weitere Komponenten sind: ein Rückführ-System 16 mit einem Rückführ-Zylon 16.1, einer Rückführleitung 16.2, und einer Mehrzahl von Düsen bzw. Brennern 15.1.
Die HTW-Vergaservorrichtung 10 weist eine integrale Kühleinrichtung 18 auf, welche die gesamte Ausmauerung auch des Rückführsystems 16 umschließt, insbesondere mittels eines integralen Kühlmantels, insbesondere Wassermantels 18.1, an welchen eine Speiseeinheit 18.2 für Kühlmedium und eine Dampfgeneratoreinheit 18.3 gekuppelt sein können. In den Kühlmantel können Kompensatoren 17 integriert sein. Die Wandstärke x12 der Ausmauerung und die Wandstärke x18 des Kühlmantels sind in 3 angedeutet.
Mittels einer Steuerungseinrichtung 20, insbesondere umfassend eine Logikeinheit, und mehreren Sensoreinheiten 21, insbesondere Temperatursensor und wenigstens einem Kühlmedium-/Wasserstandssensor 23 kann eine Regelung oder zumindest eine Überwachung erfolgen. Die mit Strichlinie angedeuteten Komponenten 20, 21, 23, 18.2, 18.3 können jeweils drahtlos oder drahtgebunden aneinander gekoppelt sein.
In 4 ist eine HTW-Vergaservorrichtung 110 gezeigt, welche zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Komponenten eine Mehrzahl gemeinsamer Ringleitungen 15.3 jeweils mit zentraler Vergasungsmedien-Zuführung 15.5 aufweist, an welchen gemeinsamen Ringleitungen 15.3 jeweils eine Mehrzahl von Brennern 15.1 angeordnet ist. Ferner sind an der Rückführleitung 16.2 eine Mehrzahl von Fluidisier-Düsen 15.1 angeordnet, mittels welchen Medium zurück in den HTW-Reaktionsraum gedüst/gefördert werden kann, insbesondere auf getaktete Weise. Diese Variante des HTW-Reaktors liefert eine Vielzahl weiterer Vorteile, insbesondere hinsichtlich Medienzuführung und optimiertem Betriebszustand in Wirbelbett- und Freibordzone FB, WB. Die Düsen werden bevorzugt getaktet mit Fluidiser-Medium beaufschlagt, insbesondere mit der vordersten Düse in kontinuierlicher Betriebsart.
Bezugszeichenliste

1: HTW-Vergaser
5: Düse
6.1: Rückführzylon
6.2: Rückführleitung
10, 110: HTW-Vergaservorrichtung
10.1: Auslass in die Umgebung
10.2: Überlauf
10.3: Einlass für Nachspeisung von Kühlmedium
10.4: Einlass oder Verteiler für Einspeisung von Dampf
10.5: Anschluss für Füllstandsmessung Kühlmedium
11: HTW-Reaktionsraum, insbesondere Druckbehälter
11.1: konischer Abschnitt
11.2: zylindrischer Abschnitt
12: Ausmauerung
12.1: Vergasermantel bzw. Vergaseraußenwandung (insbesondere aus Stahl)
13: Stutzen
14: Anker
15.1: Düse oder Brenner
15.3: gemeinsame Ringleitung
15.5: zentrale Vergasungsmedien-Zuführung
16: Rückführ-System
16.1: Rückführ-Zylon
16.2: Rückführleitung(en)
17: Kompensator, insbesondere in Kühlmantel integriert
18: integrale Kühleinrichtung
18.1: Kühlmantel, insbesondere Wassermantel
18.2: Speiseeinheit
18.3: Dampfgeneratoreinheit
20: Steuerungseinrichtung, insbesondere umfassend eine Logikeinheit
21: Sensoreinheit, insbesondere Temperatursensor
23: Kühlmedium-/Wasserstandssensor
FB: Freibordzone
WB: Wirbelbettzone
U: Umgebung/Atmosphäre
Vi: Vergaserinnenraum
x: Breitenrichtung bzw. Querachse
x12: Wandstärke der Ausmauerung
x18: Wandstärke des Kühlmantels
y: Tiefenrichtung bzw. Querachse
z: vertikale Richtung bzw. Hochachse
z11: Höhe HTW-Reaktionsraum/Druckbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202008009249 U1 [0009]
EP 0452653 B1 [0010]

Claims

HTW-Vergaservorrichtung (10) eingerichtet zum Vergasen von Einsatzstoffen und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt (BP) und Synthesegas, mit einem HTW-Reaktionsraum (11) und einem daran gekoppelten Rückführsystem (16) eingerichtet zum Rückführen von Medien aus dem HTW-Reaktionsraum, insbesondere aus einer Freibordzone (FB), zurück in eine Wirbelbettzone (WB) des HTW-Reaktionsraums, wobei die HTW-Vergaservorrichtung eine zumindest den HTW-Reaktionsraum umhüllende Kühleinrichtung (18) mit wenigstens einem Kühlmantel (18.1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung als eine zumindest den HTW-Reaktionsraum und zumindest teilweise das Rückführsystem gemeinsam umhüllende, integrale Kühleinrichtung (18) ausgestaltet ist, mit dem wenigstens einen Kühlmantel ausgebildet als integralem Kühlmantel umgrenzend zumindest die folgenden Komponenten: den HTW-Reaktionsraum (11), zumindest teilweise das Rückführsystem (16), wahlweise auch wenigstens eine Rückführleitung (16.2) des Rückführsystems, wahlweise zumindest teilweise einen Rückführzyklon (16.1) des Rückführsystems.
HTW-Vergaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der integrale Kühlmantel ferner umgrenzend wenigstens eine der folgenden Komponenten ausgestaltet ist: wenigstens eine Rückführleitung des Rückführsystems, komplett den Rückführzyklon des Rückführsystems; und/oder wobei der integrale Kühlmantel integral umgrenzend zumindest bezüglich der folgenden Komponenten ausgestaltet ist: eine/die Rückführleitung/en des Rückführsystems, und komplett den Rückführzyklon des Rückführsystems.
HTW-Vergaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der integrale Kühlmantel integral umgrenzend bezüglich des kompletten Rückführsystems (16, 16.1, 16.2) ausgestaltet ist und einen einzigen integralen Kühlmedium-Haushalt aufweist, insbesondere offen zur Umgebung (U), insbesondere beschickt mit drucklosem Wasser als Kühlmedium, bevorzugt frei von korrosiven Bestanteilen.
HTW-Vergaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrale Kühleinrichtung eine Speiseeinheit (18.2) für Kühlmedium und eine Dampfgeneratoreinheit (18.3) umfasst und an eine Steuerungseinrichtung (20) in Kommunikation mit wenigstens einer Sensoreinheit (21, 23) gekoppelt ist, insbesondere zur Erfassung von Temperatur und/oder Füllstand des Kühlmediums; und/oder wobei die Kühleinrichtung eine/die Dampfgeneratoreinheit (18.3) aufweist, welche an einen Einlass (10.4) im unteren Bereich der Kühleinrichtung gekuppelt ist.
HTW-Vergaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrale Kühleinrichtung mit einem einzigen Kühlmedium-Haushalt für die HTW-Vergaservorrichtung ausgestaltet ist, wobei die integrale Kühleinrichtung offen zur Umgebung (U) ist und druckbeständig hinsichtlich der hydrostatischen Höhe der HTW-Vergaservorrichtung ist und passiv kühlend ist, indem das Kühlmedium zur autonomen konvektiven Zirkulation unter hydrostatischem Druck vorgehalten ist, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 2 bis 4bar.
HTW-Vergaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der HTW-Reaktionsraum eine/die Freibordzone (FB) aufweist, welche mindestens um den Faktor 1.5 bis 4 größer ist als die Wirbelbettzone (WB); und/oder wobei der durch die Wirbelbettzone und die Freibordzone gebildete HTW-Reaktionsraum sich über eine Höhe von mindestens 10m oder 20m oder mindestens 30m oder bis zu 40m erstreckt, wobei die Freibordzone in Höhenrichtung länger ist als die Wirbelbettzone, und wobei das Rückführsystem (16, 16.2) in die Wirbelbettzone mündet; und/oder wobei die HTW-Vergaservorrichtung druckaufgeladen ist, insbesondere im Bereich 2 bis 30bar.
HTW-Vergaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlmantel (18.1) aus einzelnen miteinander stoffschlüssig verbundenen Schalen aufgebaut ist, welche eine Außenwandung des Kühlmantels bilden, insbesondere aus miteinander verschweißten Stahlelementen; und/oder wobei der Kühlmantel aus die HTW-Vergaservorrichtung jeweils ringförmig umgrenzenden Segmenten aufgebaut ist, welche in Höhenrichtung und/oder Längsrichtung aneinander angrenzend miteinander verschweißt sind.
HTW-Vergaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung für eine Design-Temperatur im Bereich von 200°C, insbesondere max. 200°C ausgelegt ist; und/oder wobei die Kühleinrichtung wenigstens einen Kompensator (17) eingerichtet zum Ausgleich von Lagetoleranzen in wenigstens einer Raumachse, insbesondere in Höhenrichtung (z) aufweist, insbesondere in Ausgestaltung eines gewellten Abschnittes in einer Außenwandung des Kühlmantels (18.1); und/oder wobei die Kühleinrichtung eine Mehrzahl von Kompensatoren (17) aufweist und eingerichtet ist zum Ausgleich von Lagetoleranzen in wenigstens zwei Raumachsen (x, y, z), insbesondere an wenigstens zwei der in einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Komponenten.
Verfahren zum Vergasen von Einsatzstoffen in einem HTW-Reaktionsraum (11) und zum Bereitstellen der vergasten Einsatzstoffe als Bodenprodukt (BP), insbesondere mittels einer HTW-Vergaservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Medien aus dem HTW-Reaktionsraum, insbesondere aus einer Freibordzone (FB), zurück in eine Wirbelbettzone (WB) des HTW-Reaktionsraums rückgeführt werden, wobei der HTW-Reaktionsraum zum Abführen von Wärmeenergie aus der HTW-Reaktion gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlen auf integrale Weise zumindest bezüglich des HTW-Reaktionsraumes (11) und zumindest teilweise bezüglich des Rückführsystems (16) gemeinsam erfolgt mittels einer integralen Kühleinrichtung (18) mit integralem Kühlmittel-Haushalt, wobei die Kühlenergie von außen auf eine Ausmauerung (12) in die HTW-Vergaservorrichtung eingebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, wobei das Kühlen integral zumindest bezüglich eines Rückführzyklons (16.1) und bezüglich der Rückführleitungen (16.2) zwischen dem HTW-Reaktionsraum und dem Rückführzyklon erfolgt, insbesondere mittels drucklos eingebrachtem Kühlmedium unter hydrostatischem Druck in einem zur Umgebung (U) hin offenen Kühlmedium-Haushalt, insbesondere mittels Wasser als Kühlmedium.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei ein Nachspeisen von Kühlmedium erfolgt, wobei die Menge nachgespeisten Kühlmediums erfasst wird, insbesondere zur Erfassung von erhöhtem Wärmeverlust über die Ausmauerung und/oder zur Überwachung der Dichtheit der Kühleinrichtung im Rahmen einer Sicherheitsüberprüfung umfassend das zeitbezogene Abspeichern der nachgespeisten Menge.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei die HTW-Reaktion druckaufgeladen erfolgt, insbesondere im Bereich 2 bis 40bar.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei das Kühlen passiv betrieben wird, indem das Kühlmedium konvektiv ohne Zwangsführung autonom zirkulierend in der integralen Kühleinrichtung vorgehalten wird; und/oder wobei das flüssige Kühlmedium maximal auf eine in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck vorgegebene Siedetemperatur erhitzt wird, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 2 bis 4bar; und/oder wobei das Kühlen unterhalb vom Siedepunkt des Kühlmediums erfolgt, insbesondere unterhalb von 100°C, bevorzugt geregelt auf einem Temperaturniveau im Bereich von oder bei 80°C.
Steuerungseinrichtung (20) eingerichtet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei mittels einer Speiseeinheit (18.2) ein Füllstands-geregeltes Nachspeisen von Kühlmedium erfolgt, wobei die Menge nachgespeisten Kühlmediums erfasst wird.
Verwendung einer integralen, zur Umgebung hin offenen Kühleinrichtung (18) mit Kühlmedium in flüssiger Form zum Kühlen eines Druckmantels einer HTW-Vergaservorrichtung (10) mittels eines einzigen integralen Kühlmedium-Haushaltes, wobei die Kühleinrichtung zum Kühlen zumindest der folgenden Komponenten verwendet wird: einen/den HTW-Reaktionsraum (11), zumindest teilweise ein daran gekoppeltes Rückführsystem (16, 16.1, 16.2), insbesondere einen Rückführzyklon; insbesondere Verwendung einer integralen Kühleinrichtung mit einer Außenwandung bestehend aus metallischen, aneinander geschweißten Schalen in einer HTW-Vergaservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.