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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vergasungseinrichtungen zur partiellen Oxidation und auf Gaskühler und im Einzelnen auf die Verringerung der Abnutzung an inneren Komponenten einer Kombination aus integriertem Vergaser und Gaskühler.
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Wenigstens einige bekannte Vergasungskessel weisen Bereiche auf, die infolge der Strömungseigenschaften des ausströmenden Rohgases, das durch diese Bereiche hindurch strömt, und der ungünstigen Bedingungen von Temperatur, Druck und Chemie, denen diese Bereiche ausgesetzt sind, einem erhöhten Maß an Abnutzung ausgesetzt sind. Ein Vergaserbodenübergang, eine Vergaserverengung und eine Synthesegaskühlerverengung sind z. B., aber ohne eine Beschränkung auf diese, Zonen eines starken Verschleißes für hitzebeständige Auskleidungen, weil der enge Strömungspfad die Massendurchflussgeschwindigkeiten von geschmolzener Schlacke entlang der Auskleidungswand erhöht. Obwohl verschiedene Versuche zum Abmildern dieser Wirkungen der ungünstigen Bedingungen, die die Hitzebeständigkeit beeinträchtigen, unternommen worden sind, führten diese Versuche dazu, andere Probleme zu schaffen. Ein bekannter Ansatz zum aktiven Kühlen der betroffenen Bereiche führte z. B. zu einem vertikalen Expansionsspalt in der Auskleidung der Verengung zwischen dem aktiv gekühlten und dem passiv gekühlten Abschnitt. Dieser Spalt schafft einen möglichen Leckpfad für Synthesegas in den ringförmigen Raum hinter dem vertikalen Röhrengefäß. Ein anderer Ansatz verwendete eine vertikale zylindrische Stahlgassperre mit einer mit einem Flansch versehenen Unterseite hinter dem hitzebeständigen Bereich der Verengung, um Gas am Entweichen in die unbewegte ringförmige Zone hinein zu hindern. Der Stahlzylinder ist jedoch nicht gekühlt, was entweder zu einer Überhitzung des Metalls oder einer kürzeren hitzebeständigen Lebensdauer führt. Weiterhin ist der innere Durchmesser des Strömungspfades bei den bekannten Vergasungskesseln in der Verengung durch die Innendurchmessen der Flansche sowohl des Vergasers als auch des Synthesegaskühlers beschränkt. Der Strömungspfaddurchmeser kann nicht geändert werden, ohne die Stahlkessel erheblich zu verändern.
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Die Schaffung eines Vergasers mit einem integrierten Kühler, der einstückig mit dem Vergaser ausgebildet ist, erspart einen geschmiedeten Flansch an dem Vergaserkessel und einen geschmiedeten Flansch an dem Kühlerkessel. Der Verzicht auf diese zwei großen Flansche in dem integrierten Vergaser/Kühler verringert die Kosten des Vergasers/Kühlers gegenüber einer Anordnung mit getrenntem Vergaser und Kühler erheblich. Die Beseitigung der Verbindung von Flansch zu Flansch zwischen dem Vergaser und dem Synthesegaskühler ermöglicht es, dass die kombinierte axiale Länge der zwei Kessel erheblich verringert wird. Die verringerte Länge verringert die thermische Ausdehnung des kombinierten Kessels, wodurch der Versatz zu den Verbindungsröhren (Injektoren, Dampftrommel, Dampfröhren, Instrumente) verringert wird, die an der Trägerstruktur befestigt sind, die sich auf Umgebungstemperatur mit nur minimaler Wärmedehnung befindet. Der Verzicht auf die Verbindung von Flansch zu Flansch verbessert auch die Widerstandsfähigkeit des Kessels und ermöglicht einen Verzicht auf Komponenten (Flansche, Halterungen etc.) und eine Verringerung von Errichtungshandlungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform enthält ein integrierter Vergaser und Synthesegaskühler einen Vergaser mit einer Reaktionskammer, einem mit dem Vergaser einstückig ausgebildeten Synthesegaskühler, der wenigstens ein Wärmetauscherelement enthält, und einem Übergangsabschnitt, der einstückig mit der Reaktionskammer und dem Synthesegaskühler ausgebildet ist und sich zwischen diesen erstreckt, wobei der Übergangsabschnitt weiterhin eine Verengung aufweist, die sich zwischen der Reaktionskammer und dem Synthesegaskühler erstreckt, und der Übergangsabschnitt weiterhin einen Wärmetauscher aufweist, der die Verengung umgibt.
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In einer anderen Ausführungsform enthält ein integriertes Vergaser- und Synthesegaskühlersystem einen ersten Druckkesselabschnitt, der eine Vergaserreaktionskammer umgibt, wobei der erste Abschnitt sich von einem Kesselkopf zu einem unteren Ende erstreckt. Das System enthält auch einen zweiten Druckkesselabschnitt, der einen Gaskühler umgibt und zum Kühlen eines heißen ausströmenden Rohgasstroms aus der Reaktionskammer des Vergasers eingerichtet ist. Der zweite Abschnitt erstreckt sich von einem oberen Ende vertikal nach unten zu einem Feststoffentnahmeende. Das System enthält weiterhin einen Übergangsabschnitt, der sich zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende erstreckt, wobei der erste Abschnitt, der zweite Abschnitt und der Übergangsabschnitt jeweils in einer im wesentlichen vertikalen koaxialen Ausrichtung entlang einer zentralen Längsachse aller Abschnitte angeordnet sind. Das System weist auch eine Verengung auf, die zu jedem Abschnitt koaxial angeordnet ist und sich für den freien Durchtritt des heißen ausströmenden Rohgasstroms von der Vergaserreaktionskammer zu dem Gaskühler zwischen den Abschnitten erstreckt, wobei die Verengung um eine radial innere Oberfläche mit einem hitzebeständigen Material ausgekleidet ist. Das System enthält weiterhin ein konzentrisches koaxiales vertikales Röhrengehäuse, das die Verengung entlang wenigstens eines Abschnitts einer Länge der Verengung umgibt, und eine Anzahl von ringförmigen Ankerringen, die mit dem ersten Abschnitt und/oder dem Röhrengehäuse verbunden sind, wobei sich die Ankerringe radial innerhalb strecken und zum Haltern des hitzebeständigen Materials der Verengung eingerichtet sind.
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In noch einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Montage eines integrierten Vergasers und Synthesegaskühlers das Bereitstellen eines Synthesegaskühlerkessels, der mit einem Vergasungskessel einstückig ausgebildet ist, wobei der Vergasungskessel eine Reaktionskammer aufweist und der Synthesegaskühlerkessel einen Wärmetauscher aufweist. Das Verfahren enthält auch das Verbinden der Reaktionskammer und des Synthesegaskühlerkessels in Strömungsbeziehung unter Verwendung einer Verengung, die mit einem hitzebeständigen Material ausgekleidet ist, wobei das hitzebeständige Material in der Verengung unter Verwendung eines oder mehrerer ringförmiger Halteringe angebracht ist. Das Verfahren enthält weiterhin das Anordnen eines Kühlungsröhrengehäuses, das die Verengung umgibt, so dass das hitzebeständige Material während des Betriebs unter Verwendung des Kühlungsröhrengehäuses gekühlt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 bis 5 zeigen beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens und des Systems, die hierin beschrieben sind.
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1 ist eine schematische Darstellung eines vertikalen länglichen Hochtemperaturstahldruckkessels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf eine Kombination aus einem integrierten Vergaser und Synthesegaskühlers beschrieben sind, sollte erkannt werden, dass ein Fachmann verstehen sollte, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt sind, nur mit integrierten Vergaser- und Synthesegaskühlerkombinationen verwendet zu werden. Vielmehr können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit beliebigen integrierten Kesseln verwendet werden.
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Die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht Ausführungsformen der Erfindung im Wege eines Beispiels und nicht zum Zwecke der Beschränkung. Es wird erkannt, dass die Erfindung allgemeine Anwendung auf die Kühlung innerer Komponenten von Kesseln zur Verlängerung ihrer Lebensdauer in industriellen, gewerblichen und Haushaltsanwendungen findet.
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Wenn hierin ein Element oder ein Schritt in der Singularform oder mit dem vorgestellten Wort „ein” oder „eine” genannt wird, sollte erkannt werden, dass dies mehrere Elemente oder Schritte nicht ausschließt, sofern ein solcher Ausschluss nicht ausdrücklich genannt ist. Weiterhin ist nicht beabsichtigt, dass Bezugnahmen auf „ein Ausführungsbeispiel” der vorliegenden Erfindung so verstanden werden, dass sie die Existenz weiterer Ausführungsbeispiele ausschließen, die die genannten Merkmale ebenfalls enthalten.
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1 ist eine schematische Darstellung eines vertikalen verlängerten Hochtemperaturstahldruckkessels 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Kessel 100 eine einstückig ausgebildete Hülle 102. Die Hülle 102 enthält eine obere Hülle 104, die eine Vergasungsreaktionszone 106 eines Teiloxidationsvergasers umgibt, der zur Herstellung von Synthesegas, Reduktionsgas oder Brenngas verwendet wird, eine untere Hülle 108, die einen Gaskühlerabschnitt 110 umgibt, und einen Übergangsabschnitt 112, der eine Verengung 114 umgibt, die sich zwischen der Reaktionszone 106 und dem Gaskühlerabschnitt 110 erstreckt. Die obere Hülle 104 enthält einen Bodenaustrittskanal 116 entlang einer zentralen Längsachse 118 des Kessels 100 und einen oberen Kopf 120, der eine koaxiale Einlassöffnung 122 zum Einführen eines (nicht gezeigten) nach unten ausstoßenden Vergasungsbrenners aufweist. Die Verengung 114 weist einen zusammenlaufenden Einlass auf. Die obere Hülle 104 weist eine hitzebeständige Auskleidung 124 auf, die die Vergasungsreaktionszone 106 umgibt und sich radial zwischen der oberen Verkleidung 104 und der Reaktionszone 106 erstreckt. Die Verengung 114 ist ein vertikaler zylindrischer, ringförmig geformter länglicher Kanal, der mit einer thermischen hitzebeständigen Ausmauerung 126 ausgekleidet ist. Die Verengung 114 ist allgemein mit der oberen Hülle 104 und der unteren Hülle 108 koaxial und erstreckt sich zwischen diesen für den freien Durchtritt des heißen ausströmenden Rohgasstroms, der von der Reaktionszone 106 nach unten zu dem Gaskühler 110 in der unteren Hülle 108 strömt. Wenn hierin auf eine „axiale” Richtung Bezug genommen wird, so ist dies eine Richtung, die im wesentlichen zu der Achse 118 parallel verläuft, wobei „oben” und eine „Aufwärts”-Richtung eine Richtung bezeichnen, die allgemein zu der Einlassöffnung 122 gerichtet ist, und „unten” und eine „Abwärts”-Richtung eine Richtung bezeichnen, die allgemein von der Einlassöffnung 122 weg gerichtet ist.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsabschnitts eines Kessels 200 gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die obere Hülle 104 eine erste Schicht 202 aus hitzebeständigem Mauerwerk, das in Umfangsrichtung um einen äußeren Umfang der Reaktionszone 106 herum aufgeschichtet ist, und eine zweite Schicht 204 aus hitzebeständigem Mauerwerk, das radial außerhalb der ersten Schicht 202 aufgeschichtet ist. Die erste Schicht 202 ist an einem unteren Ende 206 durch einen ersten ringförmigen Ankerring 208 gehaltert, der sich radial innerhalb der oberen Hülle 104 erstreckt. Ein zweiter ringförmiger Ankerring 210 schafft eine Halterung für die zweite Schicht 204 und erstreckt sich auch radial innerhalb der oberen Hülle 104 an einer Stelle, die von dem ersten ringförmigen Ankerring 208 axial beabstandet ist. Die erste Schicht 202 und die zweite Schicht 204 sind so geschichtet, dass Fugen zwischen benachbarten Steinen in der ersten Schicht 202 nicht auf Fugen zwischen benachbarten Steinen in der zweiten Schicht 204 ausgerichtet sind. Ein solcher Versatz schafft einen Labyrinthpfad zwischen der Reaktionszone 106 und der äußeren Hülle 104, der es ermöglicht, zu verhindern, dass heißes ausströmendes Rohgas der Reaktionszone 106 aus der Reaktionszone 106 entweicht und in einen Raum 212 neben der oberen Hülle 104 eindringt, wo korrosive Bestandteile des heißen ausströmenden Rohgases die obere Hülle 104 angreifen könnten.
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Der Übergangsabschnitt 112 enthält ein Röhrengehäuse, das eine Membranwand von Kühlröhren 214 enthält, die sich in Umfangsrichtung um die Verengung 114 herum erstrecken. Ein ringförmiger stillstehender bzw. toter Raum 216, der sich radial außerhalb von den Kühlröhren 214 zu dem Übergangsabschnitt 112 erstreckt, schafft einen Bereich für Steig- und Fallrohre (, die beide nicht gezeigt sind), die dem Kühler 110 Wasser zuführen und Wasser und Dampf von diesem abführen. Die Verengung 114 ist mit einer Verengungsschicht 218 aus hitzebeständigem Mauerwerk ausgekleidet, das sich von einem dritten ringförmigen Ankerring 220, der mit Kühlröhren 214 verbunden ist, nach oben zu dem Bodenauslasskanal 116 erstreckt. Der Ankerring 220 erstreckt sich radial innerhalb der Kühlröhren 214 und trägt die Verengungsschicht 218. Zwischen der Verengungsschicht 218 und der ersten Schicht 202 ist eine geneigte Schicht 222 aus hitzebeständigem Mauerwerk durch einen vierten ringförmigen Ankerring 224 gehaltert, der mit den Kühlröhren 214 verbunden ist und sich radial innerhalb von diesen erstreckt. Weil die erste Schicht 202 durch den ersten ringförmigen Ankerring 208 gehaltert ist, der mit der oberen Hülle 104 verbunden ist, und die geneigte Schicht 222 durch den dritten Ankerring 220 gehaltert ist, der während bestimmten Betriebszuständen des Kessels 200 mit den Kühlröhren 214 verbunden ist, können sich die erste Schicht 202 und die geneigte Schicht 222 infolge der unterschiedlichen Expansion axial relativ zueinander zwischen der oberen Schicht 104 und den Kühlröhren 214 bewegen. Dementsprechend ist eine anschließende Verbindung zwischen der ersten Schicht 202 und der geneigten Schicht 222 vertikal so ausgerichtet, dass die erste Schicht 202 und die geneigte Schicht 222 in Zeitabschnitten mit unterschiedlicher Expansion und Kontraktion relativ frei aneinander vorbei gleiten können. Ein derartiger gleitender Eingriff ermöglicht es, eine Kompression der ersten Schicht 202 und der geneigten Schicht 222 zu vermeiden, die einen Bruch der ersten Schicht 202 und/oder der geneigten Schicht 222 verursachen könnte, und ermöglicht es, die Ausbildung von Spalten zwischen der ersten Schicht 202 und der geneigten Schicht 222 zu vermeiden.
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Der ringförmige tote Raum 216 ist außerhalb des hitzebeständig ausgekleideten Übergangsverengungszylinders 114 und innerhalb des Übergangsabschnitts 112 angeordnet und weist ein vergrößertes Volumen verglichen mit einer Anordnung mit Flanschverbindung auf. Dieses vergrößerte Volumen ermöglicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Kesselspeisewasserröhren und einer Halterungsstruktur innerhalb des ringförmigen Raumes 216. Die Ausführungsform verringert thermische Spannungen der Röhrenkomponenten und Verbindungen mit dem Kessel infolge ungleicher thermischer Expansion, indem eine flexiblere Röhrenführung ermöglicht wird. Die Ausführungsform schafft auch ausreichenden Raum zur Führung eines (nicht gezeigten) oberen Kopfteils in den ringförmigen Raum 216 oberhalb einer (nicht gezeigten) horizontalen Röhrenwand. Das Ausführungsbeispiel fügt zusätzliche Röhrenelementoberfläche innerhalb des Heißgaspfades unter der horizontalen Röhrenwand hinzu, wobei diese Fläche die Wärmegewinnungseffizienz erhöht oder die gesamte axiale Länge der Synthesegaskühleranordnung verringert. Außerdem vereinfacht die Ausführungsform die Trägerstruktur für die vertikalen Röhrenelemente, indem sie eine direkte Verbindung mit der Kesselwand zulässt, was mehr ringförmigen Raum für einen besseren Zugang und für eine größere Flexibilität bei der Konstruktion frei lässt.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kessel 300 ist im Wesentlichen dem (in 2 gezeigten) Kessel 200 ähnlich, und die Komponenten des Kessels 300, die mit Komponenten des Kessels 200 identisch sind, sind in 3 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, die in 2 verwendet worden sind. In der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Kühlröhren 214 nicht in den Bereich des Bodenaustrittskanals 116 hinein. Demnach ist der ringförmige tote Raum 216 kleiner als der in 2 gezeigte. Ein Trägerring 301 erstreckt sich von der oberen Hülle 104 schräg nach innen.
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Eine erste Schicht 302 aus hitzebeständigem Mauerwerk ist in Umfangsrichtung um einen Außenumfang der Reaktionszone 106 herum aufgeschichtet, und eine zweite Schicht 304 aus hitzebeständigem Mauerwerk ist radial außerhalb von der ersten Schicht 302 aufgeschichtet. Die erste Schicht 302 ist an einem unteren Ende 306 durch einen ersten ringförmigen Ankerring 308 gehaltert, der sich von dem Trägerring 301 radial nach innen erstreckt. Ein zweiter ringförmiger Ankerring 310 schafft eine Halterung für die zweite Schicht 304 und erstreckt sich auch von dem Trägerring 310 an einer Stelle, die von dem erstem ringförmigen Ankerring 308 axial beabstandet ist, radial nach innen. Die erste Schicht 302 und die zweite Schicht 304 sind so geschichtet, dass die Fugen zwischen benachbarten Steinen in der ersten Schicht 302 nicht auf Fugen zwischen benachbarten Steinen in der zweiten Schicht 304 ausgerichtet sind. Ein derartiger Versatz schafft einen Labyrinthpfad zwischen der Reaktionszone 106 und der oberen Hülle 104, der es ermöglicht, zu verhindern, dass heißes ausströmendes Rohgas der Reaktionszone 106 aus der Reaktionszone 106 entweicht und in den Raum 212 eindringt, wo korrosive Bestandteile des heißen ausströmenden Rohgases die obere Hülle 104 angreifen könnten.
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Der Übergangsabschnitt 112 weist ein Röhrengehäuse auf, das eine Membranwand von Kühlröhren 214 enthält, die sich in Umfangsrichtung um die Verengung 114 herum erstrecken. Ein ringförmiger toter Raum 216 erstreckt sich radial außerhalb der Kühlröhren 214 zu dem Übergangsabschnitt 112 hin, um einen Bereich für Steig- und Fallrohre (, die beide nicht gezeigt sind,) zu schaffen, die dem Gaskühler 110 Wasser zuführen und Wasser und Dampf von diesem abführen. Die Verengung 114 ist mit einer Verengungsschicht 218 aus hitzebeständigem Mauerwerk ausgekleidet, das sich von einem dritten ringförmigen Ankerring 220, der mit den Kühlröhren 214 verbunden ist, nach oben zu dem Bodenaustrittskanal 116 hin erstreckt. Der Ankerring 220 erstreckt sich radial innerhalb von den Kühlröhren 214 und trägt die Verengungsschicht 218.
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Ein vierter Ankerring 312 erstreckt sich radial innerhalb von dem Trägerring 301 zu einem radial äußeren Umfang der Verengungsschicht 218. Der Ankerring 312 trägt eine Übergangsschicht 314 aus hitzebeständigem Mauerwerk und/oder einem gießbaren hitzebeständigen Material. Die Übergangsschicht 314 ermöglicht einen gleitenden Eingriff zwischen der ersten Schicht 302 und der Übergangsschicht 314 und zwischen der Verengungsschicht 218 und der Übergangsschicht 314, um eine unterschiedliche Expansion und Kontraktion zwischen den Kühlröhren 214 und der oberen Hülle 104 zu berücksichtigen.
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4 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kessel 400 ist im Wesentlichen dem (in 3 gezeigten) Kessel 300 ähnlich, und die Komponenten des Kessels 400, die mit Komponenten des Kessels 300 identisch sind, sind in 4 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, die in 3 verwendet worden sind. In der beispielhaften Ausführungsform weist eine Verengungsschicht 218 einen konvergierend/divergierenden Querschnitt auf, der eine Entfernung von mitgerissenen Partikeln und Schlacke aus der Reaktionszone 106 ermöglicht. Der konvergierende Querschnitt am Verengungseingang 123 führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des heißen ausströmenden Rohgasstroms, der aus der Reaktionszone 106 austritt, und zu einer Erhöhung des Gegendrucks innerhalb der Reaktionszone 106, der auch den Rückstrom von Gas in die Reaktionszone 106 verringert. Der divergierende Querschnitt schafft einen Überhang oder eine Auskragung für Schlacke zum Abtropfen durch die Verengung 114 hindurch anstelle eines Herunterströmens an dem hitzebeständigen Mauerwerk des unteren Abschnitts der Verengungsschicht 218.
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5 ist eine schematische Darstellung eines Verengungsbereiches eines Kessels 500 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Kessel 500 ist im Wesentlichen dem (in 3 gezeigten) Kessel 300 ähnlich, und Komponenten des Kessels 500, die mit Komponenten des Kessels 300 identisch sind, sind in 5 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, die in 3 verwendet worden sind. In der beispielhaften Ausführungsform weist die Verengungsschicht 502 eine erste Schicht 504 und eine zweite Schicht 506 auf, die eine Stufe 508 an einer Verbindung 510 zwischen der ersten Schicht 504 und der zweiten Schicht 506 aufweist. Ein Spalt 512 ist vorhanden, um bei einer unterschiedlichen Expansion und Kontraktion der Kühlröhren 214 und der oberen Hülle 104 eine axiale Bewegung zwischen der ersten Schicht 504 und der zweiten Schicht 506 zuzulassen. Der Spalt 512 verhindert, dass ein Vorsprung 514 der Schicht 506 an einem Vorsprung 516 der Schicht 504 anliegt und einen Bruch und/oder eine Verschiebung des hitzebeständigen Mauerwerkes bewirkt, das die erste Schicht 504 und die zweite Schicht 506 enthält. Die Stufe 508 schafft auch einen zusätzlichen gewundenen Pfad für den heißen ausströmenden Rohgasstrom zum Vorbeiströmen, bevor er die obere Hülle 104, die Kühlröhren 214 oder andere Metallbereiche des Kessels 500 erreichen kann.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Systeme und Verfahren für eine integrierte Vergaser- und Synthesegaskühlerkombination sind oben im Einzelnen beschrieben. Die dargestellten Systeme und Verfahren sind jedoch nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern die Komponenten der Systeme können vielmehr unabhängig und getrennt von den anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Weiterhin können die in dem Verfahren beschriebenen Schritte unabhängig und getrennt von den anderen hierin beschriebenen Schritten angewandt werden. Die in 5 gezeigte Stufe 508 kann z. B. mit der Verengungsschicht 218 mit einem konvergierend/divergierenden Querschnitt, wie sie in 4 gezeigt ist, kombiniert werden. Andere Kombinationen der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls in Betracht gezogen.
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Ausführungsbeispiele des integrierten Kessels, die den Reaktor, den Synthesegaskühler und den Übergang dazwischen einschließen, ersparen eine Flanschverbindung zwischen dem Reaktor, dem Synthesegaskühler und dem Übergang, wodurch der Gaspfadübergang (Verengung) 114 von dem äußeren Kesselübergang 112 getrennt wird. Eine derartige Anordnung lässt eine geringere Länge der Verengung zu als Kesselanordnungen, die getrennte Kessel mit einem Flanschübergang zwischen ihnen enthalten, während der gleiche oder ein größerer ringförmiger Raum 216 beibehalten wird. Die einstückige Anordnung ermöglicht auch eine Kühlung der hitzebeständigen Auskleidung 218 der Verengung entlang ihrer gesamten Länge und/oder eine Kühlung der hitzebeständigen Übergangsschicht 314.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bewirken eine Verringerung der Kesselgesamtlänge, eine Verringerung der Röhrenlänge und der Röhrenbeanspruchung, eine Verringerung der Material- und Herstellungskosten und die folgenden Verbesserungskonzepte und Vorteile, eine dampfgekühlte hitzebeständige Verengungsauskleidung, einen dampfgekühlten Übergangsbereich und eine hitzebeständige Verengungsauskleidung; „Tropfpunkte” in dem Verengungsströmungspfad, die nur unter Nutzung der Verengung mit verringerter Länge wirksam sind, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen auch eine Gasstromdämpfung und einen Übergangspunkt mit längerer Lebensdauer, eine Ausdehnungseigenschaft des Mauerwerks vom Vergasungsabschnitt zum Verengungsübergang, die ein dickeres Mauerwerk für eine längere Lebensdauer an einer Stelle mit hoher Abnutzung ermöglicht, eine Expansionsverbindung mit Überwälzung, eine dampfgekühlte hitzebeständige Ausmauerung, abgewandelte Halterungsmerkmale der Vergaserseitenwand, des Vergaserübergangs, der Vergaserverengung und der Synthesegaskühlerverengungsauskleidungen, einen integrierten Vergaser- und Synthesegaskühlerkessel und einen flexiblen Strömungspfaddurchmesser und eine flexible Strömungspfadform in der hitzebeständig ausgekleideten Verengung, wobei der variable Durchmesser unter Verwendung einer schrittweise ansteigenden Dicke der Auskleidung realisiert werden kann.
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Die dampfgekühlte hitzebeständige Auskleidung in dem Übergang und/oder der Verengung ermöglicht eine längere Betriebslebensdauer und geringere Stillstandszeiten zum Austausch von hitzebeständigem Material, was die Verfügbarkeit des Vergasungsprozesses erhöht und die Betriebskosten senkt, Die dampfgekühlte hitzebeständige Auskleidung schafft auch Flexibilität bei der Einstellung der Synthesegasgeschwindigkeit und/oder -masse und des Momentenstroms, der aus der Verengung austritt, mittels eines variablen Durchmessers in der hitzebeständig ausgekleideten Verengung. Eine aktive Kühlung der hitzebeständigen Auskleidung wird durch das Führen der dampfgekühlten Röhren von dem Synthesegaskühler in den Vergaser und/oder das Röhrengehäuse erreicht. Der integrierte Kessel und die hitzebeständige Auskleidung schaffen die Flexibilität, den Durchmesser und die Form des hitzebeständig ausgekleideten Verengungsströmungspfades zu variieren, ohne die Stahlkesselflansche zu verändern. Die Verengungsform könnte zylindrisch, konisch oder sich aufweitend sein, wobei der Durchmesser zunimmt, wenn die Strömung sich dem stromabwärtigen Ausgang der Verengung nähert.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Verfahrens und eines Systems für ein integriertes Vergaser- und Synthesegaskühlersystem schaffen eine kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung, um horizontale Verbindung von Flansch zu Flansch zwischen dem Vergaser und dem Synthesengaskühler entbehrlich zu machen, indem stattdessen ein nicht zusammenhängender und integrierter Kessel verwendet wird, der die hitzebeständig ausgekleidete Vergasungsreaktionskammer und das Innere des Synthesegaskühlerwärmetauschers gemeinsam in dem einzigen Kessel einschließt. Außerdem schaffen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein ausreichendes inneres Volumen in dem Übergangsbereich von dem Vergaser zu dem Synthesegaskühler, um das Verengungsröhrengehäuse zu dem unteren Übergang des Vergasers hin auszudehnen, was eine Dampfkühlung der hitzebeständigen Auskleidung der gesamten Länge der Verengung und/oder der gesamten Verengung zuzüglich dem Übergang unter 45 Grad am Boden in dem Vergaser ermöglicht. Die dampfgekühlte hitzebeständige Auskleidung weist eine längere Lebensdauer als ohne aktive Dampfkühlung in der Verengung auf. Weiterhin gleichen die Halterungen der hitzebeständigen Auskleidungen in dem Vergaserseitenwand-, dem Übergangs- und dem Verengungsabschnitt die Expansion und Kontraktion des Vergaserseitenwand-, des Übergangs- und des Verengungsabschnitts in Zeitenabschnitten mit Temperaturänderungen aus. Dementsprechend werden direkte Leckpfade für Synthesegas in der hitzebeständigen Auskleidung zum Strömen in den Übergangsbereich im Wesentlichen beseitigt. Als Ergebnis ermöglichen die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme eine Vergasung und Kühlung eines Brennstoffs auf eine kostengünstige und zuverlässige Art.
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Während die Offenbarung mit den Begriffen verschiedener spezieller Ausführungsbeispiele dargelegt worden ist, wird erkannt, dass die Offenbarung innerhalb des Geistes und Bereiches der Ansprüche auch mit Abwandlungen in die Praxis umgesetzt werden kann.
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Zusammenfassung
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Ein Verfahren und ein System für einen integrierten Vergaser und Synthesegaskühler werden geschaffen. Das System enthält einen Vergaser, der eine Reaktionskammer aufweist, einen Synthesegaskühler, der mit dem Vergaser einstückig ausgebildet ist und wenigstens ein Wärmetauscherelement aufweist, und einen Übergangsabschnitt, der mit der Reaktionskammer und dem Synthesegaskühler einstückig ausgebildet ist und sich zwischen diesen erstreckt, wobei der Übergangsabschnitt weiterhin eine Verengung aufweist, die sich zwischen der Reaktionskammer und dem Synthesegaskühler erstreckt, und der Übergangsabschnitt weiterhin einen Wärmetauscher aufweist, der die Verengung umgibt.
