DE2338820C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung und Kühlung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen

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Description

Die wirksame Kühlung von Heißgasen aus der Teilverbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in Abhitzekesseln zur Herstellung von Hochdruckdampf ist aus verschiedenen Gründen schwierig.
Es ist nicht wünschenswert, die Gase in üblichen Abhitzekesseln mit geraden Rohren zu kühlen, wobei die Gase durch diese Rohre strömen und die Rohre außen mit Wasser gekühlt werden. Die Gase enthalten Rußteilchen, die sich afi den Röhfwänden absetzen und die Rohre zusetzen können- Es wird daher vorgezogen, die Gase in einem Spiral- oder Schlangenrohr-Abhitzekessel herunterzukühlen, wobei die Gase durch die Rohre strömen, die ihrerseits von außen mit kaltem Wasser gekühlt werden. Es findet nämlich keine Rußabscheidung in den Spiral- oder Schlangenrohren ■statt
Um aber Abhitzekessel mit Schlangenkühlrohren möglichst wirtschaftlich zu betreiben, ist es wünschenswert, hochgespannten Dampf zu erzeugen. Folglich besteht ein sehr großer Druckunterschied zwischen dem Wasserdampf außerhalb der Schlangenrohre und dem Gas innerhalb der Schlangenrohre. Darüber hinaus ist die Temperatur der Schlangenrohre durch Berührung mit den extrem heißen Verbrennungsgasen sehr hoch. Unter diesen erschwerten Bedingungen kommt es leicht zu einem Zusammenbruch der Rohre infolge von schwachen Stellen durch unrunde Querschnitte.
Unrunde Rohrquerschnitte äußern sich in einer Abweichung von der idealen, radialen und axialen Symmetrie und stammen aus der Herstellung der Schlangenrohre durch Aufwickeln eines geraden Rohres. Die Möglichkeit eines Rohrbruchs beschränkt somit das Ausmaß des Druckunterschieds zwischen Innen- und Außenseite unter den herrschenden Temperaturen, so daß die Vorteile einer außerordentlich hohen Dampfleistung nicht realisierbar sind.
Zu einem gewissen Ausmaß kann dieses Problem überwunden werden durch Herstellung von Schlangenoder Spiralrohren mit geringem Unrundgrad, jedoch sind derartige Rohre schwer und aufwendig herzustellen.
Aus der DE-OS 21 04 051 ist die indirekte Kühlung der Heißgase aus der teilweisen Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe im Rahmen der Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen (Synthesegas) von 1300 bis 14000C auf eine relativ hohe Temperatur, nämlich 900 bis 10000C, angestrebt. Ein Herunterkühlen auf tiefere Temperaturen ist nicht beabsichtigt, da die so erhaltenen Heißgase direkt weiterverwendet werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist eine Verbessenmg des gattungsmäßig im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrens zur Herstellu"'ig und Kühlung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen, die durch teilweise Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe hergestellt worden sind und in einem mit hohem Druckunterschied wirtschaftlich und wirksam arbeitenden Schlangenrohr-Abhitzekessel gekühlt werden. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Zweckmäßigerweise wird durch die Kühlrohre Hochdruck-Sattdampf geführt, der insbesondere aus dem Abhitzekessel stammt.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthaltend eine Verbrennungskammer mit Zuführungen für Brennstoff, sauerstoffhaltigem Gas und Dampf sowie einer Abführung der Verbrennungsgase und einen Schlangenrohr-Abhitzekessel, wobei erfindungsgemäß vor dem Abhitzekessel ein Vorkühler vorgesehen ist. der mit feuerfestem Material isolierte Kühlrohre und Gaskanäle aufweist.
Die Temperatur der die Verbrennungskammer verlassenden Abgase liegt zwischen IJOO und 15000C. Wie oben bereits erwähnt, kann die unmittelbare Abkühlung dieser heißen Abgase in Abhitzekesseln bei hohen Druckdifferenzen zu Rohrbeschädigungen wees gen mangelnder Rundheit führen. Nach der Erfindung Werden daher die Gase zuerst auf eine Temperatur von nicht mehr als 12000C vorgekühlt und anschließend erst dem Abhitzekessel zur Erzeugung von Hochdruck-Satt-
dampf zugeführt Bei Gastemperaturen von nicht mehr als 1200° C ist das Risiko des Rohrbruchs in den Abhitzekesseln eliminiert Bevorzugt wird in der Vorkühlstufe auf 900 bis 11000C heruntergekühlt, so daß aufgrund er tieferen Temperaturen das Risiko des Rohrbruchs in den nachgeschalteten Abhitzekesseln vernachlässigbar ist
Ein wichtiger Vorteil in der Verringerung der Temperatur der Gase durch die Vorkühlzone auf maximal 1200° C liegt in der Tatsache, daß man nun große Abhitzekessel anwenden und die Vorteile dieser großen Anlagen nutzen kann.
D;e Kühlrohre in der Vorkühlzone sind erfindungsgemäß von den heißen Gasen durch ein feuerfestes Material isoliert, um sie vor Überhitzen und möglichem Bruch zu schützen. Die Stärke des feuerfesten Materials zur Isolation der Kühlrohre schwankt je nach dem feuerfesten Material und der gewünschten Isolation, liegt jedoch vorzugsweise bei zumindest 1 cm. Der Rohrdurchmesser beträgt vorzugsweise 2 bis 20 cm und der der isolierten Rohre vorzugsweise 4 bis 40 cm.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werde ι die heißen Gase in Kanälen heruntergekühlt, die von den die Kühlrohre enthaltenden parallelen Schichten oder Platten aus feuerfestem Material gebildet werden. Vorzugsweise sind die Kühlrohre im wesentlichen gerade und in der Strömungsrichtung der Gase ausgerichtet, obzwar dies nicht wesentlich ist Die Kühlung der heißen Gase in dieser Weise hat den Vorteil, daß ein geringer Druckabfall quer durch die Gaskanäle auftritt und daß Feststoffteilchen, wie Ruß und Asche, durch die Kanäle gelangen, so daß es zj keinen Verstopfungen kommt Der Durchgang dieser Teilchen kann zeitlich durch Anhaften an den Wänden der Gaskanäle verzögert werden, jedoch wird dadurch die Wirksamkeit des Verfahrens vergrößert, da die Rußteilchen ausreichend Zeit haben, mit weiterem Dampf und/oder Kohlendioxid in den heißen Gasen unter Bildung von Kohlenmonoxid zu reagieren.
Vorzugr veise zumindest eine der parallelen Lagen aus Feuerfestmaterial besteht aus zwei vorgeformten Platten, die um die Kühlrohre fixiert sind. Eine solche Konstruktion hat Vorteile, da die beiden Hälften der Lage, also die beiden Platten, auf exakten Sitz um die Kühlrohre einfach und wirksam geformt werden können jnd so die Montage u.id Demontage der Isolierung erleichtert ist. Ist also beispielsweise die Erneuerung einer Feuerfestlage oder eines Rohrs erforderlich, so kann die in Rede stehende Lage leicht demontiert und durch eine neue ersetzt werden. Die Kühlrohre können Rippen oder andere Vorsprünge aufweise), um eine bessere Verankerung und einen besseren Wärmeübergang zwischen Rohr und Feuerfestmaterial zu ergeben.
Die Breite der Gaskanäle zwischen den parallelen Platten aus Feuerfestmaterial kann über große Bereiche variieren und hängt unter anderem ab von der Breite der parallelen Feuerfestplatten, der gesamten spezifischen Oberfläche des Feuerfestmaterials für das Herunterkühlen in einer gegebenen Kühlzone und dem zulässigen Druckabfall quer durch diese Zone. Sie beträgt vorzugsweise 4 bis 20 mm. Die Stärke der parallelen Feuerfestplatten kann ebenfalls weitgehend schwanken und liegt im allgemeinen zwischen 4 und 40 cm.
Grundsätzlich kann jedes beliebige Feuerfestmaterial angewandt werden, be forzugt wird jedoch Tonerde und Schmelzmullit.
Jedes beliebige Kühlmedium kann für die Vorkühlzone dienen. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, Hochdruckdampf anzuwenden, wodurch man die wirtschaftlichen Vorteile von überhitztem Hochdruckdampf nutzen kann. Der Hochdruckdampf, der als Kühlmittel für die Vorkühlzone dient, kann beliebiger Herkunft sein, wird jedoch vorzugsweise aus dem Abhitzekessel bezogen. In diesem Fall ist ein integriertes System für die Erzeugung von überhiutem Dampf möglich.
Da die dem Abhitzekessel zugeführten Gase geringe Anteile von Feststoff in Form von Ruß und Asche aufweisen, ist ein Abhitzekessel für einen kontinuierlichen Betrieb ohne eventuelles Verstopfen durch Ansatzbildung wünschenswert Demzufolge sind Abhitzekessel mit einer oder mehreren Schlangen- oder Spiralrohren, durch die die heißen Gase aus der Vorkühlzone strömen und die von außen mit Wasser oder Dampf gekühlt werden, besonders geeignet
Beliebige kohlenstoffhaltige Brennstoffe sind für die Teilverbrennung zur Gaserzeugung brauchbar. Im allgemeinen handelt es sich um flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe. Es können jedoch auch Gase und Feststoffe dienen, wobei letztere insbesondere als Pulver oder aufgeschlämmt in einer Flüssigkeit der Verbrennung zugeführt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche aus drei Baugruppen besteht, nämlich
a) einer Kammer zur teilweisen Verbrennung mit einer oder mehreren Zuführungen für Brennstoff, sauerstoffhaltigem Gas und Dampf sowie einer Ableitung für die Verbrennungsgase;
b) einem Vorkühler nach der Erfindung mit mit feuerfestem Material isolierten Kühlrohren und
c) einem Abhitzekessel.
Die Stärke des die Kühlrohre isolierenden Feuerfestmaterials schwankt mit der Art des Feuerfestmaterials und dem erforderlichen Isolationsgrad und liegt vorzugsweise bei zumindest 1 cm.
Die Erfindung wird an den Figuren weiter erläutert.
Zubehörteile wie Ventile, Pumpen, Regelgeräte und dergleichen sind der Einfachheit halber in den Zeichnungen nicht enthalten.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur teilweisen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen und Herunterkühlen der heißen Gase;
F i g. 2 zeigt schematisch vergrößert zwei parallele Feuerfestplattenpaare mit einem dazwischen liegenden Gaskanal.
Der kohlenstoffhaltige Brennstoff wird über eine Leitung 1 (Fig. 1) und der Sauerstoff üb?r eine Leitung 2 in einen Brennerteil 3 einer Verbrennungskammer 4 geleitet. Wemn Dampf benötigt wird, so wird er über Leitungen 2 und 1 eingebracht. Die heißen Verbrennungsgase geIngen über eine Leitung 5 in einen Vorkühler 6. Letzterer enthält eine Anzahl von parallelen Feuerfestplattenpaaren ?, die Kühlrohre la umschließen.
Die heißem Gase strömen aufwärts durch von den parallelen Fuuerfestplattenpaaren gebildete Kanäle 8. Über eine Leitui.g 9 wird Hochdruckdampf, der aus einem Abhtaekessel 12 stammen kann, in die Kühlrohre eingeführt; er strömt abwärts durch die Kühlrohre und
verläßt den Vorkühler über eine Leitung 10 als überhitzter Hochdruckdampf.
Die den Vorkühler verlassenden Gase gelangen durch eine Kühlschlange Ii in einem Abhitzekessel 12 und verlassen diesen über eine Leitung 13. Die Kühlung im Abhitzekessel erfolgt durch einen Wasserumlauf 14,15; der dabei anfallende Hochdruck-Sattdampf wird als Kühlmittel für den Vorkühler 6 angewandt.
F i g. 2 zeigt einen Teil von zwei parallelen Feuerfestplattenpaaren 20 und 21 mit dazwischen einem Gaskanal 22. Die heißen Verbrennungsgase strömen aufwärts durch den Gaskanal, und Dampf strömt abwärts durch die Kühlrohre 23. Jedes PlaUenpaar ist aufgebaut aus zwei vorgeformten Platten 24, um die Kühlrohre zu umschließen.
Nach einer Auüführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der Vorkühler aus neun Tonerde-Plattenpaaren, die zwölf Kühlrohre umschließen, Die Höhe der Platteripaare beträgt 4,2 m, die Breite 28 cm, die Gaskanalbreite ist 8 cm und der Rohrdufchmesser 10 cm.
Um in der Kühlzone 15,4 t/h Verbrennungsgase von 14000C auf 10250C bei einem Druck von 60 bar herunterzukühlen, benötigt man 38,8 t/h Sattdampf von 31O0C und 100 bar. Die Austriltstemperatur des überhitzten Dampfes ist dann 5500C. Die Verbrennungsgase mit inunmehr 10250C können nun ohne Gefährdung de« Abhitzekessels diesem zugeleitet werden,
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gasen durch teilweise Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe und Abkühlen der Heißgase in einen-, Schlangenrohr-Abhitzekessel, dadurch gekennzeichnet, daß man die heißen Verbrennungsgase in einer vorgeschalteten Kühlzone durch mit feuerfestem Material isolierte Kühlrohre auf eine Temperatur von nicht über 1200° C kühlt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die heißen Verbrennungsgase auf 900 bis 11000CkUhIt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Hochdruck-Sattdampf durch die Kühlrohre führt
4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß man Hochdruck-Sattdampf aus dem Abhitzekessel verwendet
5. Von ehtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4. enthaltend eine Verbrennungskammer mit Zuführungen für Brennstoff, sauerstoffhaltigem Gas und Dampf sowie Abführung der Verbrennungsgase und einen Schlangenrohr-Abhitzekessel, gekennzeichnet durch einen Vorkühler (6) vor dem Abhitzekessel (12), der mit feuerfestem Material (7, 20, 21) isolierte Kühlrohre (7a, 23) und Gaskanäle (8,22) aufweist
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (7a, 23) von feuerfesten Isolierplat'en (7, 20, 21) umschlossen sind, zwischen denen sich üaskanäle (8,22) befinden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (7a. 23) im wesentlichen gerade und in i. .römungsrichtung des Gases angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kühlrohre (7a, 23) umschließende feuerfeste Material aus zwei vorgeformten parallelen Platten gebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Gaskanäle (8,22) zwischen parallelen feuerfesten Isolierplatten (7, 20, 21)4 bis 20 cm beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuerfestmaterial Tonerde oder Schmelzmullit ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (7a, 23) zumindest mit 1 cm Feuerfestmaterial isoliert sind.
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