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Röhrenspaltofen zur Erzeugung von Wasserstoff Die Erfindung betrifft
einen Röhrenspaltofen zur Erzeugung von Wasserstoff, vorzugsweise für die hydrierende
Kohlevergasung, unter Ausnutzung der in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor
gewonnenen
Wärmeenergie, die dem Röhrenspaltofen sowie einem diesem nachgeschalteten Dampferzeuger
durch das Kühlgas zugeführt wird.Dabei ist der Röhrenspaltofen gemeinsam mit dem
Hochtemperaturreaktor und dem Dampferzeuger in einem Spannbetondruckbehälter untergebracht,
und die einzelnen Spaltrohre sind mit ihren oberen Enden an einer den Ofenraum nach
oben abschließenden Tragkonstruktion aufgehängt.
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Um die in einem Kernreaktor erzeugte Wärme bei wärmeverbrauchenden
Prozessen auszunutzen, ist es bekannt, die Wärme des heißen Reaktor-Kühlmittels
über einen Wärmetauscher zunächst auf einen Zwischenkreislauf zu übertragen und
sie dann ihrer weiteren Ver wendung zuzuführen. Das in dem Zwischen- oder Sekundärkreislauf
umlaufende Medium kann ein Gas, z.B. Helium, sein; es kann aber auch ein flüssiges
Wärmeübertragungsmittel verwendet werden. So ist aus der deutschen Auslegeschrift
1 933 695 eine Anlage bekannt, bei der die Wärme eines Kernreaktor-Kühlmittels in
einem Wärmeaustauscher an flüssiges Blei abgegeben wird, das sie seinerseits an
ein Reaktionssystem überträgt. Wärmetauscher und Reaktionssystem sind in einem gemeinsamen
Behälter untergebracht, der wiederum mit dem Reaktorkern zusammen in einem gemeinsamen
Druckbehälter installiert ist.
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Aus der deutschen Patentschrift 1 298 233 ist es-ferner bekannt, die
Wärme des Reaktor-Kühlmittelkreislaufs direkt - d.h. unter Umgehung eines Zwischenkreislaufs
- einer Prozeßwärmeanlage zuzugühren. Hierbei wird das heiße Helium so geleitet,
daß es unmittelbar die mit einem Katalysator gefüllten Rohre einer Methan-Spaltanlage
umströmt. Das durch die Rohre geführte CH4 / H20 - Gemisch wird dabei durch die
Wärmezufuhr und unter Einwirkung des Katalysators in H2, CO und CO2 gespalten. Eine
derartige Anlage ist als Röhrenspaltofen bekannt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, mehrere Röhrenspaltöfen an einen
Hochtemperaturreaktor
zu koppeln und alle zu dem Gaskühlkreislauf (Primärkreislauf) gehörenden Komponenten,
zu denen neben den Röhrenspaltöfen auch Dampferzeuger und Gebläse gehören, in einem
Spannbetondruckbehälter unterzubringen. Dabei ist zu berücksichteigen, daß der Spannbetondruckbehälter
in seinen äußeren Abmessungen möglichst klein gehalten sein soll. Dies erfordert
eine sehr kompakte Bauweise, die voraussetzt, daß der Durchmesser der Rohrenspaltöfen
und damit auch der Abstand zwischen den einzelnen Spaltrohren jedes Röhrenspaltofens
so klein wie möglich bemessen ist.
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Bei den bekannten Röhrenspaltöfen sind die einzelnen Spaltrohre in
einer Tragkonstruktion befestigt und hängen frei nach unten, wie beispielsweise
in der deutschen Offenlegungsschrift 1 934 142 dargestellt. Das erfordert für den
Transport vom Ort der Herstellung der Röhrenspaltöfen bis zum Ort ihres Einsatzes
in der Prozeßwärmeanlage die Anbringung von Hilfsarretierungen. Zudem ist während
des Betriebs der Anlage durch das Auftreten radialer Kräfte (z.B. infolge der Gasströmung
oder eines Erdbebens) ein Auslenken der Spaltrohre in radialer Richtung nicht auszuschließen.
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Bei konventionellen Anlagen lassen sich derartige Auslenkungen leicht
durch den Einbau von Abstandshaltern verhindern. Bei der geforderten kompakten Bahweise
der mit einem Hochtemperaturreaktor gekoppelten Prozeßwärmeanlage ist jedoch die
Anordnung von Abstandshaltern zwischen den einzelnen Spaltrohren kaum möglich.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu erblikken,
einen Röhrenspaltofen der eingangs geschilderten Bau- und Einsatzart anzugeben,
bei dem durch eine spezielle Konstruktion radiale Auslenkungen der einzelnen Spaltrohre
verhindert, werden, ohne daß zusätzliche, durch Wärmedehungen verursachte Probleme
auftreten.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, däß die unteren
Enden der Spaltrohre als Dorne ausgebildet sind, die
in Bohrungen
einer den Ofenraum nach unten abschließenden Platte axial verschiebbar eingesetzt
sind, daß die Platte eine weitere Anzahl von Bohrungen für den Kühlgasdurchtritt
aufweist und daß die Platte an einem den Röhrenspaltofen seitlich umgebenden Tragmantel
derart befestigt ist, daß sie in axialer Richtung fixiert ist, aber durch einen
im kalten Zustand des Röhrenspaltofens vorhandenen Zwischenraum zwischen dem Tragmantel
und der Platte in radialer Richtung Wärmebewegungen ausführen kann.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 770 309 ist zwar ein Gasspaltofen
für die Spaltvergasung von Kohlenwasserstoff bekannt, bei dem die Spaltrohre in
eine den Ofenraum nach unten abschließende Wand eingesetzt sind; die Spaltrohre
sind jedoch in dieser Wand festgelegt, d.h. sie sind gestellfest gelagert und können
keine Wärmebewegungen ausführen. Eine Dehnungsmöglichkeit besteht bei diesem Gasspaltofen
nur auf der Zuführungsseite der Spaltrohre.
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Bei dem Röhrenspaltofen gemäß der Erfindung können sich keine infolge
von Wärmedehnungen auftretenden Kompensationsprobleme einstellen, da sich die die
Spaltrohrdorne aufnehmende Platte beim Aufheizen während der Inbetriebnahme in radialer
Richtung frei dehnen kann und somit ein Verspannen zwischen der Platte und den einzelnen
Spaltrohrdornen nicht möglich ist. In axialer Richtung können ebenfalls keine Wärmespannungen
auftreten, da sich die Spaltrohiewährend des Anfahrens der Anlage frei nach unten
dehnen können. Im heißen Betriebszustand befinden sich die Spaltrohrenden dann direkt
oberhalb der Platte.
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Insgesamt ist der erfindungsgemäße Röhrenspaltofen durch die ge wählte
Konstruktion einerseits frei von Kompensationsproblemen, während andererseits beim
Transport und Einbau des Röhrenspaltofens und während seines Betriebs ein Auslenken
der einzelnen Spaltrohre in radialer Richtung unterbunden wird.
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Das von dem Hochtemperaturreaktor kommende erhitzte Kühlgas tritt
von unten in den Röhrenspaltofen ein und gelangt durch die in der Platte befindlichen
freien (d.h. nicht für die Spaltrohrdorne benutzten) Bohrungen in den eigentlichen
Ofenraum. Hier strömt es zwischen den einzelnen Spaltrohren nach oben, wobei es
seine Wärme an die Spaltrohre abgibt. Aus fertigungstechnischen Gründen besitzen
die Bohrungen für den Kühlgasdurchtritt den gleichen Durchmesser wie die Bohrungen,
die zur Aufnahme der Spaltrohrdorne bestimmt sind. Beim Durchströmen der Platte
tritt eine Vergleichmäßigung des Strömungs- und Temperaturprofils des Kühlgases
auf. Durch eine unterhalb der Tragkonstruktion befindliche Öffnung verläßt das Kühlgas
den Röhrenspaltofen und wird - nach Durchströmen eines Dampferzeugers - zum Kern
des Hochtemperaturreaktors zurückgeführt.
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Neben der Erzielung einer gleichmäßigen Kühlgasströmung bietet der
erfindungsgemäße Röhrenspaltofen den weiteren Vorteil, daß ein großer Teil der durch
die Kühlgasleitung von dem Reaktorkern kommenden radioaktiven Strahlung von der
den Ofenraum nach unten abschließenden Platte absorbiert wird; d.h. sie wirkt nicht
nur als Abstandshslter, sondern auch als Strahlungsschutz. Damit wird die Aktivierung
der Spaltrohre und des Katalysators erheblich reduziert.
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Bei der Dimensionierung der Platte, d.h. bei der Festlegung ihres
Durchmessers, wird davon ausgegangen, daß sich die Platte im Betriebszustand nach
erfolgter Wäxmedehnung an den Tragmantel anlegen soll. Im heißen Zustand ist sie
damit sowohl in axialer als auch in radialer Richtung fixiert.
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Um an den Übergangsstellen von den Spaltrohren zu den Spaltrohrdornen
das Auftreten von Wärmespannungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Durchmesser
der Spaltrohrdorne der Wandstärke der einzelnen Spaltrohre anzugleichen.
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Zweckmäßigerweise sind in den Bohrungen zur Aufnahme der Spaltrohrdorne
Buchsen angeordnet, die aus einem Werkstoff bestehen, der nicht mit dem Werkstoff
der Spaltrohrdorne verschweißt.
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Durch diese Maßnahme wird bei der axialen Wärmedehnung der Spaltrohre
ein Verschweißen zwischen den Spaltdornen und der Platte verhindert. Die Buchsen
sorgen außerdem für eine gute Führung der Spaltrohrdorne in den Bohrungen während
des Aufheizvorganges, bei dem sich die Spaltrohre nach unten dehnen.
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Durch-zwei Ringe, die jeweils oben und unten in die Bohrungen eingesetzt
sind, wird jede Buchse in ihrer Bohrung gehalten.
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Die Ringe sind mit der Platte verschweißt.
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In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das in jedem
Spaltrohr vorhandene Rohr zur Rückführung des entstandenen Spaltgases zentral in
dem Spaltrohr verlegt und wird mit seinem unteren Ende frei in einer Lochplatte
geführt, die die Katalysatorschüttung trägt. Auf diese Weise wird dieRelativdehnung
zwischen dem Spaltrohr und dem Rückführungsrohr nicht beeinträchtigt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Röhrenspaltofens schematisch dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 den gesamten Röhrenspaltofen
im Längsschnitt, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3 die Draufsicht auf die Fig. 2 unter Weglassung des Spaltrohres, Fig. 4 die
mit "x" bezeichnete Einzelheit aus der Fig. 3 in größerem Maßstab und
Fig.
5 einen Längsschnitt durch den unteren Teil eines einzelnen Spaltrohres.
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Die Fig. 1 läßt einen Röhrenspaltofen 1 erkennen, der im wesentlichen
aus einer Vielzahl von Spaltrohren 2, einer Tragplatte 3 und einem mit einer Wärmeisolierung
versehenen Tragmantel 4 besteht. An letzteren schließt sich unten seitlich eine
Heißgasleitung 5 an, die den Röhrenspaltofen 1 mit einem (nicht dargestellten) Hochtemperaturreaktor
verbindet. Dieser kann z.B. als heliumgekühlter Reaktor mit kugelförmigen Brennstoffelementen
ausgeführt sein, der zusammen mit dem Röhrenspaltofen 1 und einem dem Röhrenspaltofen
nachgeschalteten Dampferzeuger in einen Spannbetondruckbehälter untergebracht ist.
Mit dem Dampferzeuger ist der Röhrenspaltofen 1 durch eine (nicht dargestellte)
Leitung verbunden, die sich an eine unterhalb der Tragplatte 3 vorgesehene Austrittsöffnung
6 anschließt.
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Der'Röhrenspaltofen 1 umfaßt etwa 499 Spaltrohre 2, die einen Außendurchmesser
von ca. 150 mm und eine Wandstärke von ca.
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15 mm besitzen. In ihrem oberen Bereich verjüngt sich der Durchmesser
der Spaltrohre 2 auf etwa 100 mm. Mit diesem verjüngten Ende sind die Spaltrohre
2 in die Tragplatte 3 eingeschweißt.
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Die Länge der Spaltrohre 2 beträgt ca. 12 bis 15.m.
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Um ein Auslenken der Spaltrohre 2 in radialer Richtung zu unterbinden,
sind die unteren Enden der Spaltrohre 2 als Dorne 7 ausgebildet und in Bohrungen
9 einer Platte 8 eingesetzt, die oberhalb der Heißgasleitung 5 in dem Tragmantel
4 angeordnet ist. Die Dorne 7 können dabei Bewegungen in axialer Richtung ausführen.
Der Durchmesser der Spaltrohrdorne 7 entspricht der Wandstärke der Spaltrohre 2,
beträgt also ca. 15 mm. Damit kommt es am Übergang zu keinen nennenswerten Wärmespannungen.
Die Befestigung der Platte 8 in dem Tragmantel 4 ist so vorgenommen, daß die'Platte
8
in axialer Richtung fixiert ist, während sie sich in radialer
Richtung frei dehnen kann. Ihre Wärmedehnung während des Aufheizvorganges wird also
nicht beeinträchtigt. Der Durchmesser der Platte 8 ist so dimensioniert, daß die
Platte im heißen Betriebszustand an dem Tragmantel 4 anliegt. Da sich die Platte
8 beim Aufheizen frei dehnen kann, kommt es zwischen ihr und den Spaltrohrdornen
7 nicht zum Verspannen.
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Wie aus den Figuren 3,4 und 5 zu ersehen, befindet sich in der Platte
8 eine Anzahl von zusätzlichen Bohrungen 10, die den gleichen Durchmesser besitzen
wie die Bohrungen 9. Sie ermöglichen den Eintritt des aus der Heißgasleitung 5 kommenden
Heliums in den eigentlichen Ofenraum, in dem der Wärmeaustausch zwischen dem heißen
Gas und den Spaltrohren 2 stattfindet. Der Durchtritt des Heliums durch die Platte
8 bewirkt, daß sich eine gleichmäßige Temperatur- und Strömungsverteilung einstellt.
Neben dieser Funktion übernimmt die Platte 8 noch die Aufgabe des Strahlungsschutzes;
d.h. sie absorbiert einen beträchtlichen Anteil der durch die Heißgasleitung 5 in
den unteren Teil des Röhrenspaltofens 1 gelangenden Strahlung, so daß die Spaltrohre
2 und der in ihnen befindliche Katalysator 11 weitgehend vor einer Aktivierung geschützt
sind.
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Um bei der axialen Wärmedehnung der Spaltrohre 2 während des Anfahrens
der Anlage ein Verschweißen zwischen den Spaltrohrdornen 7 und der Platte 8 zu vermeiden,
sind in den Bohrungen 9 Buchsen 12 angeordnet, die aus einem Werkstoff bestehen,
der nicht mit dem Werkstoff der Spaltrohrdorne 7 verschweißt. In den Buchsen 12
werden die Spaltrohrdorne 7 bei der axialen Dehnung der Spaltrohre 2 nach unten
geführt. Im heißen Betriebszustand befinden sich die Spaltrohrenden direkt oberhalb
der Platte 8. Wie aus der Figur 5 ersichtlich, werden die Buchsen 12 durch Ringe
13 in ihrer Lage gehalten, die jeweils oben und unten in die Bohrungen 9 eingesetzt
sind. Die Ringe 13 sind mit der Platte 8 verschweißt.
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Der innere Aufbau eines der Spaltrohre 2 ist in der Figur 5 zu erkennen.
Im unteren Teil des Spaltrohres 2 befindet sich eine mit der Spaltrohrwandung verschweißte
Lochplatte 14, auf der der Katalysator 11 aufgeschüttet ist. Durch die Bohrungen
15 dieser Lochplatte tritt das in dem Spaltrohr 2 aus dem CH4 / H20-Gemisch entstandene
Spaltgas in einen Sammelraum 17 ein, in den ein der Rückführung des Spaltgases dienendes
Rohr 16 ragt. Um die Relativdehnung zwischen dem Rohr 16 und dem Spaltrohr 2 aufnehmen
zu können, ist das Rohr 16 frei in der Lochplatte 14 geführt.
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Eine Anschlußleitung 18 dient der Zufuhr des CH4 / H20 -Gemisches
zu dem Spaltrohr 2, und durch eine weitere Anschlußleitung 19 wird das gewonnene
Spaltgas wieder aus dem Spaltrohr 2 herausgeführt.
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Mit 930 C und 39,2 bar gelangt das vom Hochtemperaturreaktor kommende
Helium in die Heißgasleitung 5 und tritt durch die Bohrungen 10 der Platte 8 von
unten in den Ofenraum des Röhrenspaltofens 1 ein. Hier kühlt es sich durch das in
den Spaltrohren 2 entgegenströmende CH4 / H20 -Gemisch auf eine mittlere Temperatur
ab und verläßt den Röhrenspaltofen wieder durch die Austrittsöffnung 6. Das CH4
/ H20 -Gemisch wird mit 6500C und 43 bar durch die Anschlußleitungen 18 in die Spaltrohre
2 eingeleitet, in denen es nach unten strömt. Durch die Wärmezufuhr und unter der
Wirkung des Katalysators 11 wird das Gasgemisch in H2, CO und CO gespalten und enthält
noch Reste von CH4 und H20. Mit einer Temperatur von ca. 8200C und einem Druck von
40 bar strömt das gespaltene Gas durch die Bohrungen 15 in den Lochplatten 14 der
einzelnen Spaltrohre in den jeweiligen Sammelraum 17 und tritt von dort in die Rückführungsrohre
16 ein. In diesen Rohren strömt es nach oben und wird durch die Anschlußleitungen
19 wieder aus den Spaltrohren 2 herausgeführt, um einer (nicht dargestellten) Prozeßanlage
zugeleitet zu werden.