DE102021003815A1

DE102021003815A1 - Vorrichtung zur Abkühlung eines heißen Gasstroms

Info

Publication number: DE102021003815A1
Application number: DE102021003815.0A
Authority: DE
Inventors: Dieter Mihailowitsch
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2021-07-24
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abkühlung eines heißen Gasstroms, mit einem Wasserbad sowie einem senkrechten, an beiden Enden offenen, als Tauchrohr bezeichneten Rohr (T), das mit seinem unteren Ende in das Wasserbad eintaucht und durch das der abzukühlende heiße Gasstrom in das Wasserbad einleitbar ist, sowie einer am oberen Ende des Tauchrohrs (T) angeordneten Verteileinrichtung (V) mit einem Ringspalt (S), über den Wasser zugeführt werden kann, um einen geschlossenen Wasserfilm auf der Innenfläche des Tauchrohrs (T) zu erzeugen. Kennzeichnend für die Vorrichtung ist, dass die Verteileinrichtung (V) mit einem Leitapparat (L) ausgeführt ist, der dem aus dem Ringspalt (S) strömenden Wasser eine tangential zum Umfang des Tauchrohrs (T) gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufprägen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abkühlung eines heißen Gasstroms, mit einem Wasserbad sowie einem senkrechten, an beiden Enden offenen, als Tauchrohr bezeichneten Rohr, das mit seinem unteren Ende in das Wasserbad eintaucht und durch das der abzukühlende heiße Gasstrom in das Wasserbad einleitbar ist, sowie einer am oberen Ende des Tauchrohrs angeordneten Verteileinrichtung mit einem Ringspalt, über den Wasser zugeführt werden kann, um einen geschlossenen Wasserfilm auf der Innenfläche des Tauchrohrs zu erzeugen.
Derartige Vorrichtungen, wie sie etwa aus der Patentschrift US4828580 bekannt sind, werden beispielsweise zur Abkühlung von Syntheserohgasen eingesetzt, die in einem mit Feuerfestmaterial ausgekleideten Reaktor durch Partielle Oxidation aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Einsatz erzeugt werden. Die Abkühlvorrichtung ist hierbei unmittelbar unterhalb der Gasaustrittsöffnung des Reaktors angeordnet, so dass das Syntheserohgas mit einer Temperatur von bis ca. 1400°C in das Tauchrohr eintritt, das das heiße Syntheserohgas in das Wasserbad leitet. In direktem Kontakt mit dem Wasserfilm auf dem Tauchrohr sowie dem Wasser des Bades wird das Syntheserohgas abgekühlt, bevor es die Abkühlvorrichtung zur weiteren Behandlung mit einer nahe dem Wassertaupunkt liegenden Temperatur verlässt.
Neben der Syntheserohgaskühlung hat der über die als Quenchring bezeichnete Verteileinrichtung auf der Innenfläche des Tauchrohrs erzeugbare Wasserfilm vor allem die Aufgabe, das gewöhnlich metallische Tauchrohr vor den hohen Temperaturen des Syntheserohgases zu schützen. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei, dass das Wasser einen geschlossenen Film bildet, da an trockenen Stellen Überhitzungen auftreten würden, die zur Zerstörung des Tauchrohrs führen.
Nach dem Stand der Technik weist der Quenchring einen nach unten öffnenden, in einer horizontalen Ebene verlaufende Ringspalt auf, der sich über den gesamten Umfang des Tauchrohrs erstreckt. Das den Film bildende Wasser tritt aus dem Ringspalt mit einer Geschwindigkeit aus, die im Wesentlichen senkrecht nach unten gerichtet ist und allenfalls eine zum Tauchrohr radial gerichtete Komponente aufweist, so dass der Wasserfilm am Tauchrohr senkrecht nach unten strömt. Im Quenchring wird Wasser eingesetzt, das beispielsweise an anderer Stelle des Gesamtprozesses mit Feststoffpartikeln beladen anfällt und aus Kostengründen nicht vollständig gereinigt werden kann. Aufgrund der geringen Breite des Ringspalts, die austrittseitig gewöhnlich nur wenige Millimeter beträgt, können die im Wasser enthaltenen Partikel zu einer Teilverlegung führen, unterhalb der eine Wassermangelzone entsteht. Da der Wasserfilm senkrecht nach unten strömt, wirkt bis auf die Oberflächenspannung kein Mechanismus, der in der Lage ist, der Wassermangelzone Wasser zuzuführen, so dass sich lokal eine trockene Stelle bildet kann, an der die Gefahr einer Beschädigung des Tauchrohrs durch Überhitzung besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abkühlvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik weniger anfällig für Beschädigungen ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Verteileinrichtung mit einem Leitapparat ausgeführt ist, der dem aus dem Ringspalt strömenden Wasser eine tangential zum Umfang des Tauchrohrs gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufprägen kann.
Aufgrund der tangentialen Geschwindigkeitskomponente des aus dem Ringspalt austretenden Wasser, bewegt sich der Wasserfilm auf der Innerseite des Tauchrohrs in einer Drallströmung, so dass zumindest im oberen Bereich des Tauchrohrs der Geschwindigkeitsvektor des Wasserfilms mit der Senkrechten einen von Null verschiedenen Winkel einschließt. Eine Wassermangelzone, die sich infolge einer Teilverlegung des Ringspalts bildet, verläuft im Wesentlichen ebenfalls in Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Wasserfilms, so dass Wasser unter Wirkung der Schwerkraft von oben in sie einströmen kann. Der Wasserfilm bleibt daher entweder auch in der Wassermangelzone geschlossen oder er bildet sich rasch zurück, falls die Teilverlegung des Ringspalts eine trockene Stelle auf dem Tauchrohr verursacht.
Zweckmäßigerweise ist der Leitapparat mit Leitelementen in Form von Stegen bzw. Rippen mit ebenen Oberflächen oder mit gekrümmten Schaufeln ausgeführt, die im Ringspalt angeordnet sind und die vorzugsweise einen Drei- oder Rechteckquerschnitt besitzen. Die Leitelemente erstrecken sich über nicht mehr als 80% der austrittseitigen Ringspaltbreite, so dass sie die Richtung des ausströmenden Wassers zwar deutlich beeinflussen, den Druckverlust über den Ringspalt und die Neigung zur Ausbilddung von Teilverlegungen aber nur unwesentlich erhöhen. Sinnvollerweise sind die Leitelemente über den gesamten Umfang des Ringspalts zueinander parallel ausgerichtet und mit gleichen Abständen verteilt, wobei jedes Leitelemente sich bis zum unteren, tauchrohrseitigen Ende des Ringspats erstreckt, wo es mit der Waagrechten einen Winkel einschließt, der zwischen 30° und 60° liegt.
Vorzugsweise formen die Leitelemente ein mehrgängiges Gewinde, das als Außengewinde auf der inneren oder als Innengewinde auf der äußeren Begrenzungswand des Ringspalts verläuft. Die Anzahl der Gewindegänge, die bevorzugt Dreieck- oder Trapezquerschnitt aufweisen, entspricht dabei der Anzahl der Leitelemente.
Eine besonders bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Ringspalt mit einer austrittseitigen Breite von fünf Millimetern vor, in dem vier Millimeter breite Leitelemente mit über den Umfang gemessenen Abständen von ca. zehn Millimetern gleichmäßig verteilt sind, wobei jedes Leitelement in einem Winkel von 45° zur Waagrechten verläuft.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die 1 zeigt die Verteileinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt sowie zwei Ansichten F und G von Details der Vorrichtung.
Die unmittelbar unterhalb eines nicht dargestellten POX-Reaktors angeordnete Verteileinrichtung V weist eine Ringkammer K auf, die mit einer Kühlwasserzuführung W verbunden ist. Die Ringkammer K mündet in einen nach unten öffnenden, sich über den gesamten Umfang der Gasaustrittsöffnung des POX-Reaktors erstreckenden Ringspalt S, der von einer senkrechten äußere Wand A und einer leicht gegen die Senkrechte geneigten innere Wand I begrenzt wird, die zusammen einen Leitapparat L bilden.
Die innere Wand I des Leitapparats L ist wie in der Ansicht F dargestellt mit Leitelementen E ausgeführt, während die äußere Wand A eine glatte Oberfläche aufweist. Die Anordnung von Leitelementen auf der äußeren Wand A und die Ausführung der inneren Wand I mit einer glatten Oberfläche, soll jedoch nicht ausgeschlossen sein. Bei den Leitelementen E handelt es sich um Stege mit ebenen Seitenflächen, die hier unter einem Winkel von 45° zur Waagrechten verlaufen.
Die Ansicht G zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des tauchrohrseitigen unteren Endes des Ringspalts S. Die als Stege mit Dreiecksquerschnitt ausgeführten Leitelemente E erstrecken sich über ca. 80% der Ringspaltbreite, so dass sie die äußere Wand A des Leiapparats L nicht berühren.
Über den Leitapparat L kann Kühlwasser aus der Ringkammer K austreten und auf der Innenseite des Tauchrohrs T als Wasserfilm nach unten in das Wasserbad (nicht dargestellt) strömen. Die Leitelemente E prägen dem Wasserfilm eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente auf, so dass er sich - zumindest in oberen Bereich des Tauchrohrs T - in einer Drallströmung bewegt. Durch Verunreinigungen im Kühlwasser kann es zu Verlegungen der Ringspalts S kommen, die einen örtlich begrenzte Wassermangelzonen zur Folge haben, die sich auf dem Tauchrohr in Richtung der Drallströmung erstrecken. Kühlwasser, das mit Unterstützung der Schwerkraft von oben zuströmt, bewirkt, dass sich die Wassermangelzonen nicht zu Trockenstellen entwickeln, an denen das heiß aus dem Reaktionsraum des POX-Reaktors austretende Syntheserohgas zu Beschädigungen des Tauchrohrs führen würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4828580 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Abkühlung eines heißen Gasstroms, mit einem Wasserbad sowie einem senkrechten, an beiden Enden offenen, als Tauchrohr bezeichneten Rohr (T), das mit seinem unteren Ende in das Wasserbad eintaucht und durch das der abzukühlende heiße Gasstrom in das Wasserbad einleitbar ist, sowie einer am oberen Ende des Tauchrohrs (T) angeordneten Verteileinrichtung (V) mit einem Ringspalt (S), über den Wasser zugeführt werden kann, um einen geschlossenen Wasserfilm auf der Innenfläche des Tauchrohrs (T) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (V) mit einem Leitapparat (L) ausgeführt ist, der dem aus dem Ringspalt (S) strömenden Wasser eine tangential zum Umfang des Tauchrohrs (T) gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufprägen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (L) mit Leitelementen (E) in Form von Stegen bzw. Rippen mit ebenen Oberflächen oder mit gekrümmten Schaufeln ausgeführt ist, die im Ringspalt (S) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (L) sich bis zum unteren Ende des Ringspalts (S) erstrecken, wo sie unter einem Winkel zwischen 30° und 60° zur Senkrechten enden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (E) mit gleichem Abstand und parallel zueinander über den gesamten Umfang des Ringspalts (S) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (L) ein mehrgängiges Gewinde formen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente sich über nicht mehr als 80% der Ringspaltbreite erstecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (L) eine Dreicks- oder Trapezquerschnitt aufweisen.