DE2102370C3

DE2102370C3 - Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasgemisches

Info

Publication number: DE2102370C3
Application number: DE19712102370
Authority: DE
Inventors: Leonard Willem Den Haag Ter Haar
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: 1981-06-19
Also published as: JPS5337316B1; SE372926B; CS171224B2; FR2075715A5; NL7000813A; DE2102370B2; NL166906B; DE2102370A1; NO133488B; NL166906C; NO133488C; BE761461A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vomfihtung 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, wobei der Abhitzekessel ein oder mehrere spiralförmige Kühlrohre zur Durchleitung der heißen Gase aufweist, die von einem Kühlmittel umströmt werden.

Bei der Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen ist nicht 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, weiches eine hohe Temperatur, beispielsweise 1300"C bis 1500⁰C, hat und einen Druck von beispielsweise 5 bis 150 atm haben kann, wird nach Verlasseti des Reaktors in einem Abhitzekessel gekohlt.

Bei der aus der DE-PS 10 83 235 bekannten Vorrichtung der vorstehend genannten Art dient die spiralförmige Ausbildung der Kühlrohre, welche außerdem nach einer Ausführungsform dauernd in einem Zustand schwacher Vibration gehalten werden, dazu, eine RuB-abscheidung in den Kühlrohren nach Möglichkeit zu unterbinden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der DE-PS 10 83 235 wird das frische Kühlmittel, meist Wasser, am oberen Ende des Abhitzekessels eingespeist, über eine Düse am unteren Ende eines Innenrohres gegen den Boden des Abhitzekessels gespritzt und bewegt sich dann im Ringraum zwischen Innenrohr und äußerer Begrenzungswand des Abhitzekessels nach oben, wo es nach außen abgeleitet wird
Wegen der hohen Gasaustrittstemperaturen hat es

ίο sich jedoch in der Praxis als erforderlich erwiesen, gerade diejenige Stelle besonders effizient zu kühlen, wo das Verbindungsstück in den Reaktor mündet und daher die sehr heißen, rußhaltigen Gase in das bzw. die Rohre eintreten, die zum Abhitzekessel führen, da sonst leicht, eine Überhitzung an dieser kritischen Stelle eintreten 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 erfindungsgemäß durch eine be-

sondere Ausgestaltung des Oberganges der schraubenförmigen Kühlrohre in die geraden Verbindungsrohre gelöst, die direkt mit dem Gaseinlaß für die heißen Verbrennungsgase in Verbindung stehen, wobei gleichzeitig durch das Zusammenwirken mit einem Arm eines Kühlmittelstrahlsaugers, der sich durch das Verbindungsstück bis zum Gaseinlaß erstreckt, erreicht wird, daß das frische Kühlmittel bis zum Gaseinlaß transportiert und dort wirksam wird. Außerdem wird durch entsprechende Auslegung von Strahlsauger und Arm dafür Sorge getragen, daß nicht verdampftes Kühlmittel, das im Wärmeaustauscher vorhanden ist, vom Strahlsauger angesaugt wird und daher mit dem zugeführten frischen Kühlmittel zusammen umläuft
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist demgemäß dadurch gekennzeichnet daß das .bzw. die schraubenförmig gewundenen Rohr(e) (10,11,23, 24) jeweils mit einem geraden Rohr (8,9,21,22) in dem Verbindungsstück (5, 31) verbunden sind und bis in den Gaseinlaß des Verbindungsstückes (5, 31) auf der Reaktorseite vorstehen, daß ein Kühlmittelstrahlsauger (18, 28, 7Sa) sich mit einem Arm (19, 29, ISa) in das Verbindungsstück (5, 31) hinein erstreckt und daß der Auslaß des Arms (19,29,29a; so angeordnet ist, daß das Kühlmittel den Gaseinlaß des geraden Rohrs (8,9,21,22) erreicht

so 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

ss kann.

Der Reaktor ist vorzugsweise mit einer feuerfesten Auskleidung versehen. Die geraden Rohre, mit welchen die schraubenförmig gewundenen Rohre verbunden sind, kommen an dem Gaseinlaß des Verbindungsstükkes heraus. Der Gaseintaß 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 Abhitze- ι ο kessel 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 zwer 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 ersten 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 von konzentrischen schraubenförmig gewundenen Rohren verwendet werden, deren Gasauslässe 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 ausge- so führt 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 100kg/m^zsek. 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 260⁰C bis 340⁰C 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.

Fig. 1 zeigt schema tisch eine Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung.

Fig.2 zeigt schematisch in einem Schnitt längs H-H 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 HI-III 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, sowohl durch die Leitung 2 als auch die Leitung 4 zugeführt werden kann. Ein Verbindungsstück 5 erstreckt sich in die feuerfeste Aviekleidung 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 die 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 3oden 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 Strahlsauger 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 Rühre 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. Der 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 F i g. 2 nur der Einlaß 27 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 Strahlsauger 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 welche 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

ίο 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

Ii Auslaßkanal der beiden schraubenförmig gewundenen Rohre 23 und 24 verbunden ist.

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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, wobei der Abhitzekessel ein oder mehrere spiralförmige Kühlrohre zur Durchleitung der hei-Ben Gase aufweist, die von einem Kühlmittel umströmt werden,dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die schraubenförmig gewundenen Rohr(e) (10, 11, 23, 24) jeweils mit einem geraden Rohr (8, 9, 21, 22) in dem Verbindungsstück (5, 31) verbunden sind und bis in den Gaseinlaß des Verbindungsstückes (5, 31) auf der Reaktorseite vorstehen, daß ein Kühlmittelstrahlsauger (18, 28, 2Sa) sich mit einem Arm (19,29, Ida) in das Verbindungsstück (5, 3«) hinein erstreckt und daß der Auslaß des Arms (19, 29, 29a) so angeordnet ist, daß das Kühlmittel den Gaseinlaß des geraden Rohrs (8, 9, 21, 22) erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Strahlsauger (28, 2Sa) mit zwei Armen (29,7Ba), von denen einer einen gekrümmten Auslaß (37) und der andere einen abgeschrägten Auslaß (38) aufweist, der zum ersten Arm abgewendet liegt