DE2102370B2

DE2102370B2 - Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasgemisches

Info

Publication number: DE2102370B2
Application number: DE19712102370
Authority: DE
Inventors: Leonard Willem Den Haag Ter Haar (Niederlande)
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1970-01-21
Filing date: 1971-01-19
Publication date: 1979-03-29
Also published as: JPS5337316B1; BE761461A; DE2102370A1; NO133488C; NL7000813A; SE372926B; DE2102370C3; NO133488B; NL166906C; FR2075715A5; CS171224B2; NL166906B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasgemisches, bestehend aus einem Reaktor für die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder mit mit Sauerstoff angereicherter Luft und einem Abhitzekessel, der mit dem Gasauslaß des Reaktors über ein Verbindungsstück verbunden ist.

Bei der Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen ist nich· zu vermeiden, daß Ruß in Form von Feststoffteilchen vorhanden ist. Die Rußmenge in dem Gasgemisch kann bis zu 5 Gew.-% betragen. Die teilweise Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erfolgt in einem Reaktor, in welchem die Kohlenwasserstoffe in einem Brennerteil mit Sauerstoff oder mit mit Sauerstoff angereicherter Luft bei wahlweiser Zuführung von Dampf teilweise bzw. unvollkommen verbrannt werden. Das Ruß enthaltende Gasgemisch, welches eine hohe Temperatur, beispielsweise 1300⁰C bis 1500⁰C, hat und einen Druck von beispielsweise 5 bis 150 atm haben kann, wird nach Verlassen des Reaktors in einem Abhitzekessel gekühlt. Die Kühlung erfolgt üblicherweise in einem oder mehreren schraubenförmig gewundenen Rohren, um welche ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, strömt. Um einen über der Zeit konstant bleibenden Wärmeübergang vom heißen Gasgemisch durch die Rohrwand an das Kühlmittel zu gewährleisten, wählt man die Gasgeschwindigkeit so, daß die Abscheidung einer aus Ruß bestehenden Isolationsschicht an der Rohrwand vermieden wird. Bei der Verbindung des bzw. der schraubenförmig gewundenen Rohres bzw. Rohre mit dem Gasauslaß des Reaktors und beim Kühlen dieser Rohre ergeben sich Schwierigkeiten, da diese Verbindung bei der gewählten Gasgeschwindigkeit und der sehr hohen Temperatur des Gasgemisches am Gasauslaß des Reaktors leicht überhitzt werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der diese bei der Verbindung des bzw. der" schraubenförmig gewundenen Rohres bzw. Rohre mit dem Gasauslaß des Reaktors und bei der Kühlung dieser Verbindung auftretenden Probleme beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Abhitzekessel mit einem oder mehreren schraubenförmig gewundenen Rohren versehen ist, durch welche die zu kühlenden Gase geführt werden und um die ein

ίο Kühlmittel strömen kann. Das schraubenförmig gewundene Rohr bzw. jedes dieser Rohre ist mit einem in dem Verbindungsstück angeordneten geraden Rohr verbunden. Das gerade Rohr bzw. die geraden Rohre stehen in dem Gaseinlaß des Verbindungsstückes vor. Bei der Vorrichtung ist wenigstens ein Kühlmittelstrahlsauger vorhanden, der mit einem Arm zusammenwirkt, der sich in das Verbindungsstück so erstreckt, daß das Kühlmittel den Gaseinlaß des geraden Rohres bzw. der geraden Rohre erreicht Der Strahlsauger und der Arm sind so ausgelegt, daß in dem Wärmetauscher vorhandenes nicht verdampftes Kühlmittel vom Strahlsauger angesaugt wird und mit umläuft

Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden auf schraubenförmig gewundene Rohre sowie gerade Rohre Bezug genommen, obwohl, wie oben erwähnt auch nur ein schraubenförmig gewundenes Rohr bzw. ein gerades Rohr verwendet werden kann.
Der Reaktor ist vorzugsweise mit einer feuerfesten Auskleidung versehen. Die geraden Rohre, mit welchen die schraubenförmig gewundenen Rohre verbunden sind, kommen an dem GaseinlaB des Verbindungsstükkes heraus. Der Gaseinlaß des Verbindungsstückes erstreckt sich vorzugsweise in die feuerfeste Auskleidung des Reaktors, die dafür unterbrochen ist, jedoch vorzugsweise nicht über die Stärke der Auskleidung hinaus. Das Verbindungsstück weist beispielsweise ein im wesentlichen zylindrisches Rohr auf, das am Gaseinlaß mit einer Platte verschlossen ist, mit welcher die geraden Rohre verbunden sind. Das Verbindungsstück erstreckt sich in die feuerfeste Auskleidung so weit, daß die Platte in dem von der Auskleidung gebildeten Körper gelegen ist.

Das Kühlmittel wird in den Strahlsauger bzw. Ejektor durch einen Einlaß bevorzugt unter Druck eingeführt. Das Kühlmittel, welches aus dem Auslaßende des Armes strömt, kühlt die geraden Rohre sowie das Verbindungsstück und strömt dann durch den Abhitzekessel, wo es die schraubenförmig gewundenen Rohre kühlt.

Die Vorrichtung weist vorzugsweise einen Abhitzekessel auf, der zwei Strahlsauger hat, wovon jeder mit seinem eigenen Arm zusammenwirkt, der sich in das Verbindungsstück derart erstreckt, daß das Kühlmittel den Gaseinlaß der geraden Rohre erreicht. Einer der Arme ist am Auslaß gekrümmt. Der Auslaß des den anderen Arm bildenden Rohres ist so abgeschrägt (abgesägt), daß sein Endteil rinnenförmig ist, wobei die offene Seite der Rinne von dem ersten Arm abgewendet ist. Das führt dazu, daß das Kühlmittel eine tangentiale Bewegungskomponente infolge des beschriebenen Zusammenwirkens der Auslässe erhält.

Die schraubenförmig gewickelten bzw. gewundenen Rohre können gewünschtenfalls aus zwei Teilen bestehen, die so angeordnet sind, daß der erste Teil an den zweiten Teil angeschlossen ist, wobei die Windungen die gleiche Längsachse, jedoch bezogen auf diese Längsachse einen unterschiedlichen Radius haben. Der

zweite Teil ist außerhalb oder innerhalb, vorzugsweise innerhalb, des ersteh Teiles angeordnet Auf diese Weise werden zwei »konzentrische« schraubenförmig gewundene Rohre gebildet Es können beispielsweise zwei Sätze dieser konzentrischen bzw. koaxialen schraubenförmig gewundenen Rohre verwendet werden, wovon jeder mit einem geraden Rohr verbunden ist, das in dem Verbindungsstück angeordnet ist Die Gasauslässe der Sätze von konzentrischen schraubenförmig gewundenen Rohren sind zusammengefaßt und stehen gemeinsam in einen Gasauslaß des Abhitzekessels vor.

Der Abhitzekessel ist üblicherweise als vertikaler zylindrischer Kessel bzw. Behälter mit einem Innenrohr ausgebildet In diesem Fall sind die schraubenförmig gewundenen Rohre in dem Raum angeordnet, der durch die Wand des zylindrischen Behälters und das Innenrohr gebildet wird. Wenn, wie oben beschrieben, zwei Sätze vun konzentrischen schraubenförmig gewundenen Rohren verwendet werden, deren Gasausiässe zusammengefaßt sind und gemeinsam in den Gasauslaß des Wärmetauschers vorstehen, kann der erforderliche Raum dadurch erzielt werden, daß die Wand des Innenrohres an dieser Stelle, wie nachstehend ausgeführt wird, angepaßt ist

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die teilweise Verbrennung vorzugsweise bei einem über Atmosphärendruck liegenden Druck, beispielsweise bei 5 bis 150 atm ausgeführt, während eine Massenstromdichte von vorzugsweise wenigstens !00kg/m²sek. und nicht höher als 500 kg/m²sek. gewählt wird, welcher das Gasgemisch in die geraden Rohre geführt wird. Eine Massenstromdichte von 200 bis 350 kg/m²sek. ist für das in dem Reaktor erzeugte Gasgemisch besonders geeignet.

Das Kühlmittel, welches parallel zu den Gasen und darauf um die schraubenförmig gewundenen Rohre strömt, verdampft wenigstens teilweise. Bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel erhält man Dampf. Wird das Gasgemisch auf eine Endtemperatur von 260° C bis 340° C abgekühlt, so kann der Dampfdruck auf 50 bis 150 atm eingestellt werden.

Aus dem abgekühlten Gasgemisch separierter Ruß kann gewünschtenfalls wenigstens teilweise der Kohlenwasserstoffbeschickung des Reaktors zugesetzt werden.

Anhand der Zeichnung werden beispielsweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher veranschaulicht.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig.2 zeigt schematisch in einem Schnitt längs H-II von F i g. 3 einen Teil der Vorrichtung mit gegenüber F i g. 1 modifiziertem Abhitzekessel und Verbindungsstück.

Fig.3 ist ein Querschnitt längs der Linie III-1II von Fig. 2.

Der in F i g. 1 gezeigte Reaktor 1 ist mit einer Leitung 2 für die Brennstoffzufuhr zu einem Brennerteil 3 des Reaktors und einer Sauerstoffzuführungsleitung 4 versehen, während Dampf, falls er verwendet wird, co sowohl durch die Leitung 2 als auch die Leitung 4 zugeführt werden kann. Ein Verbindungsstück 5 erstreckt sich in die feuerfeste Auskleidung 20 des Reaktors 1 und stellt die durchgehende Verbindung zwischen dem Reaktor und einem Abhitzekessel 7 her. Das Verbindungsstück 5 ist an den Reaktor über einen Flansch 6 angeschlossen. Die Gase werden durch in dem Verbindungsstück 5 angeordnete gerade Rohre 8 und 9 in den Abhitzekessel 7 geführt, der mit zwei schraubenförmig gewundenen Rohren 10 und 11 versehen ist Der Abhitzekessel 7 hat weiterhin Auslässe 12 und 13 für die abgekühlten Gase sowie einen Einlaß 14 und Auslaß 15 für das Kühlmittel, das beispielsweise Wasser sein kann. Die schraubenförmig gewundenen Rohre 10 und 11 sind mit den geraden Rohren 8 bzw. 9 und mit den Auslassen 12 bzw. 13 für Uie abgekühlten Gase verbunden. Die schraubenförmig gewundenen Rohre sind in dem Raum angeordnet, der von der Wand des Abhitzekessels und einem inneren Rohr 16 gebildet wird, das in den oberen Teil des Wärmetauschers vorsteht und mit seinem unteren Ende mit dem Boden des Wärmetauschers verbunden ist Jegliches im unteren Teil des Wärmetauschers vorhandene flüssige Kühlmittel kann gewünschtenfalls durch einen Auslaß 17 abgelassen werden. Ein Strahlsauger bzw. Ejektor 18 ist mit dem Kühlmitteleinlaß 14 verbunden, durch welchen das Kühlmittel unter Druck eingeführt werden kann. Der Strahisauger 18 wirkt mit einem Arm 19 zum Kühlen der Gaseinlaßenden der geraden Rohre 8 und 9 und des Verbindungsstückes 5 zusammen.

Fig.2, die teilweise einen Längsschnitt längs der Linie H-II von Fig.3 darstellt, zeigt den Abhitzekessel als zylindrischen Behälter 30, der mit einem Verbindungsstück 31 versehen ist, welches die geraden Rohre 21 und 22 enthält. Der Wärmetauscher weist weiterhin schraubenförmig gewundene Rohre 23 und 24 auf, die mit den geraden Rohren 21 bzw. 22 verbunden sind. Die schraubenförmig gewundenen Rohre sind in dem Raum angeordnet, der von der Wand des zylindrischen Behälters 30 und einem inneren Rohr 35 gebildet wird, das an seiner Oberseite offen ist und dessen Boden an den Boden des zylindrischen Behälters angrenzt. Jedes schraubenförmig gewundene Rohr besteht aus zwei Teilen, die so angeordnet sind, daß der erste Teil mit dem zweiten verbunden ist, wobei die Windungen die gleiche Längsachse haben, jedoch bezogen auf diese Längsachse einen unterschiedlichen Radius. Der zweite Teil ist innerhalb des ersten Teils angeordnet. Die beiden schraubenförmig gewundenen Rohre haben einen gemeinsamen Auslaßkanal 26, in den sie bei 25 münden. De^r gemeinsame Auslaßkanal 26 steht mit einem Auslaß in Verbindung. Um Raum für das Zusammenführen der schraubenförmig gewundenen Rohre bei 25 zu schaffen, ist die Wand des inneren Rohres 35 an dieser Stelle, wie bei 34 gezeigt, entsprechend angepaßt.

Durch die Einlasse 27 und 27a, von denen in Fi g. 2 nur der Einlaß 27a zu sehen ist, wird Kühlmittel zugeführt. Nach der Wärmeaufnahme verläßt das Kühlmittel den Abhitzekessel durch einen Kühlmittelauslaß 32. Das Kühlmittel wird durch die Einlasse 27 und 27a in zwei Strahisauger 28 und 28a eingeführt, die mit zwei Armen 29 und 29a zusammenwirken (in F i g. 2 ist nur der Strahlsauger 28 und der Arm 29 zu sehen), über weiche das Kühlmittel das Gaseinlaßende der geraden Rohre 21 und 22 erreichen kann. Das Kühlmittel strömt dann durch das Verbindungsstück 31 zu dem Abhitzekessel, wodurch die Wand des Verbindungsstückes gekühlt wird. Im unteren Teil des Abhitzekessels vorhandenes Kühlmittel kann gewünschtenfalls durch einen Auslaß 33 abgezogen werden.

In Fig.3 sind auch der Kühlmitteleinlaß 27a, der Strahlsauger 28a und der Arm 29a zu sehen. Die Kühlmittelauslaßenden der Arme 29 und 29a sind so gebaut, daß sie dem ausströmenden Wasser eine Bewegung in tangentialer Richtung erteilen. Zu diesem

Zweck hat der Arm 29 ein gekrümmtes Auslaßende 37, während das Auslaßende des Armes 29a abgeschrägt und mit einer Rinne 38 versehen ist. In der Figur ist auch der Gasauslaß 36 gezeigt, der mit dem gemeinsamen Auslaßkanal der beiden schraubenförmig gewundenen Rohre 23 und 24 verbunden ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasgemisches, bestehend aus einem Reaktor für die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder mit mit Sauerstoff angereicherter Luft und einem Abhitzekessel, der mit dem Gasauslaß des Reaktors über ein Verbindungsstück verbunden ist, gekennzeichnet durch einen Abhitzekessel (7) mit einem oder mehreren schraubenförmig gewundenen Rohren (10, 11, 23, 24), die jeweils einem geraden Rohr (8, 9, 21, 22) in dem Verbindungsstück (5,31) verbunden sind und in den Gaseinlaß des Verbindungsstückes (5,31) vorstehen, und einen Kühlmittelstrahlsauger (18, 28, 21Sa; mit Ar.n (19, 29, 29ajl der sich in das Verbindungsstück (5,31) erstreckt

2. Vorrichtung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch zwei Strahlsauger (28, 28a; mit zwei Armen (29,29ajl von denen einer einen gekrümmten Auslaß (37) und der andere einen abgeschrägten Auslaß (38) aufweist, der zum ersten Arm abgewendet liegt.