DE2554666C3 - Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Vergasers - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Vergasers

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Vergasers für Kohle und sonstige fossile Brennstoffe, insbesondere eines Kohle-Schlackenbadgenerators mit einem Vergasungsraum, dem durch die Wandungen der staubförmige Brennstoff und das Vergasungsmittel zugeführt werden und der mit einem Kühlmantel aus parallelen, senkrechten Rohren umgeben ist.
Bei der Vergasung derartiger Einsatzbrennstoffe wird mit Hilfe von Sauerstoff und Wasserdampf ein Rohgas gewonnen. Dabei hängt die Zusammensetzung des Rohgases von der des Einsatzbrennstoffes, den Be- 6(> triebsbedingungen des gewählten Verfahrens und dem verwendeten Vergasungsmittel, z. B. Luft für die Zuführung von Sauerstoff, ab. Das Rohgas enthält in unterschiedlichen Anteilen Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan, Kohlendioxid und unzersetzten Wasser- 6^ dampf sowie unter anderem je nach Vergasungsmittel höhere Anteile Stickstoff. Der in dem Einsatzbrennstoff meist enthaltene Schwefel findet sich zum größeren Teil im Gas als Schwefelwasserstoff und auch als organische Schwefelverbindungen. Häufig läßt sich der Einsatzbrennstoff nur dadurch in befriedigendem Maße vergasen, daß seine Beimengungen gleichfalls vergast bzw. zu einer bestimmten chemischen Reaktion gebracht werden. Deshalb müssen manche Einsatzbrennstoffe in Hochtemperatur-Vergasern vergast, d. h. bei hoher Betriebstemperatur vergast werden. Überdies kann die hohe Betriebstemperatur zum Austragen flüssiger Schlacke und zur thermischen Spaltung schwerer Kohlen-Wasserstoffe notwendig sein.
Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Vergaser, bei dem Temperaturen von 1500 bis 2200° benutzt werden. Nur bei solchen Temperaturen und erhöhten Drücken von 20 bar und mehr ist ein wirtschaftlicher Betrieb möglich. Um den hohen Betriebstemperaturen Rechnung zu tragen, bedarf es einer besonders intensiven Kühlung. Wenn die Kühlrohre anfangs mit Stampfmasse verkleidet werden und beim Anfahren die gebildete Schlacke sich auf der Stampfmasse niederschlägt und dadurch die Wärmeisolierung verstärkt wird, so muß doch damit gerechnet werden, daß die Schlacke abplatzt, die Stampfmasse abgebaut wird und die Kühlrohre freiliegen. Bei den hohen Temperaturen kann sich dann eine Wärmestromdichte von etwa 1 000 000 kcal/hm2 ergeben.
Das Ziel der Erfindung ist, bei einer Steigerung der Temperatur des Vergasungsraumes auf Beträge von 22OO°C mittels parallel geschalteter Kühlrohre eine zuverlässige, hinreichende Kühlung zu erreichen.
In neueren Druckvergasern findet fast ausschließlich die sogenannte Siedekühlung Anwendung, die sich gegenüber der reinen Wasserkühlung durch viel höhere Wärmeübergangswerte, also eine sehr viel intensivere Kühlung auszeichnet. Allerdings ist damit ein Filmsieden in den Kühlrohren noch nicht ausgeschlossen. Durch den höheren Wärmeübergangswert wird die Gefahr des Filmsiedens nur verringert. Solange sich an der Kühlrohrinnenwand nur Dampfblasen bilden, die mehr oder weniger Punktberührung mit der Kühlrohrinnenwand haben, reißen die Dampfblasen in der vor allem durch das Sieden turbulenten Wasserströmung ab und bilden neben dem Wasser die zweite Phase der Strömung. Das kann sich bei Überhitzung der Kühlrohrwand ändern, denn dann besteht die Gefahr, daß sich wr derum ein geschlossener Film bildet.
Bei Generatoren, bei denen der feste, im allgemeinen stückige Brennstoff allmählich absinkt und das Vergasungsmittel unten eingeführt wird, hat man schon auf die Gefahr hingewiesen, daß bei parallel geschalteten, den Vergasungsraum umgebenden, von Kühlwasser durchflossenen Rohren, in einem einzelnen Rohr eine übermäßige lokale Überhitzung auftreten kann. Diese kann eine stärkere Bildung von Dampfblasen zur Folge haben, wodurch der Widerstand dieses einzelnen Rohres wesentlich erhöht wird, so daß wegen des erhöhten Widerstandes nur noch eine geringere Kühlwassermenge durch das betreffende Rohr fließt und es zu einer schädlichen Überhitzung und damit zu einer Zerstörung des einzelnen Rohres kommen kann. Man hat vorgeschlagen, dieser Gefahr dadurch zu begegnen, daß der Generatorschacht r.iit Rohrschlangen umgeben wird, die aus zahlreichen hin- und hergeführten lotrechten Windungen bestehen (AT-PS 1 63 810).
Bei den genannten Generatoren, die stückige Brennstoffe verarbeiten, wurde auch darauf hingewiesen, eine gute Wasserzirkulation zu ermöglichen, damit
sich nirgends Dampfblasen festsetzen können (Zeitschrift des österr. Vereins von Gas- und Wasserfachitiännern, 1931, Heft 6, Seite 122 bis 131).
Bei Vergasern, bei denen das Vergasungsmitte! und der staubförmige Brennstoff durch die Wandungen dem Vergasungsraum zugeführt werden, sind infolge der turbulenten Gasbewegung innerhalb des Vergasungsraumes derartige lokale Überhitzungen nicht zu befürchten; es liegen deshalb völlig andere Betriebsbedingungen vor.
Gemäß der Erfindung wird von einer Anwendung einer Siedekühlung abgesehen und eine reine Wasserkühlung angewendet, bei der die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in den Kühlrohren bei einem maximalen Innendurchmesser von 51 mm 5 bis 7 m/sec '5 beträgt und die Austrittstemperatur des Wassers mindestens 10° unterhalb seiner Siedetemperatur bei dem jeweiligen Druck des Kühlsystems liegt. Das heißt, die vergleichsweise gegenüber der Siedekühlung niedrigeren Wärmeübergangswerte einer zunächst reinen Wasserkühlung werden durch einen höheren Massenfluß kompensiert Gleichzeitig wird dem Sicherheitsverlangen, unter allen Umständen ein Filmsieden zu verhindern, durch eine Kühlwassertemperatur nachgekommen, die mindestens 10° C und vorzugsweise 25° C bis 100°C unterhalb der Kühlwassersiedetemperatur bei dem jeweiligen Druck im Kühlsystem liegt.
Steigt nun die eingangs beschriebene Wärmestromdichte des Kühlsystems durch Abplatzen der Stampfmasse bzw. der isolierenden Schlackenschicht aus dem Bereich 50 000 bis 100 000 kcal/hm2 auf den Extremwe; t von ca. 1 000 000 kcal/hm2, so wird der sich bildende Siedefilm schon im Entstehen infolge der hohen Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit zu Dampfblasen zerrissen und aufgelöst. Obwohl die erfindungsgemäße Kühlwassergeschwindigkeit geringer als die Austrittsgeschwindigkeit des Kühlwassers bei der bekannten Siedekühlung ist, hat das Kühlwasser mangels eines Dampfanteils eine ganz andere Wirkung auf einen sich bildenden Siedefilm als der Kühlwasserstrom einer ίο Siedekühlung.
Die Dampfblasen lösen sich dann — wie bei der Siedekühlung — von der Kühlrohrinnenwand, jedoch mit dem Unterschied, daß sie im Kernstrom des Kühlwassers kondensieren, d. h. in sich zusammenfallen, und nicht als zweite Phase erhalten bleiben. Dieser Vorgang wird von heftiger, hochfrequenter Pulsation, ähnlich den Kavitationserscheinungen in Pumpen, begleitet, welche die Wärmeübergangswerte beträchtlich erhöhen und damit einem weiteren Filmsieden entgegenwirken.
Wollte man bei der Siedekühlung durch Erhöhung der Kaltwassergeschwindigkeit, d. h. durch Erhöhung der Massenflußzahlen, gegebenenfalls entstehende Siedefilme zerreißen, so müßte die Kaltwassergeschwindigkeit S5 von 1 bis 2,5 m/sec im Normalfall auf ein Mehrfaches gesteigert werden. Dadurch würden sich bei der aus der Wasserverdampfung resultierenden Volumensvergrößerung Austrittsgeschwindigkeiter ergeben, welche gegenüber den Normalwerten von. 6 bis 25 m/sec auf 55 ω bis 100 m/sec ansteigen. Dies*, buumungsgeschwindigkeiten des Wasser-Dampf-Gemisches verursachen Erosionen in den nachgeschalteten Sammlern und Überströmleitungen und führen zu deren Zerstörung. Deshalb lassen sich solche Geschwindigkeiten in der Praxis nicht realisieren und läßt sich mit einer Siedekühlung das Filmsieden nicht durch Erhöhung der Kaltwassergeschwindigkeit auf den erfindungsgemäßen Wert ausschließen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung beträgt die Kühlwassertemperatur am Generatoreintritt insbesondere 200 bis 210°C. Sie liegt damit über dem Taupunkt des Rohgases. Bei einer Aufwärmspanne von 10 bis 25° C hat das Kühlwasser am Generatoraustritt eine Temperatur von 210 bis 235°C. Der Kühlwasserdruck beträgt mindestens 40 bar. Das bedeutet gegenüber herkömmlichen Kühlwasserdriicken eine erhebliche Erhöhung und hat neben der erfindungsgemäßen Beseitigung entstandener Siedefilme zur Folge, daß die Volumenvergrößerung bei örtlicher Dampfbildung minimal ist und nicht zur Instabilität im Kühlsystem führt. Der Kühlwasserdruck von mindestens 40 bar ermöglicht außerdem eine wesentliche Verringerung der Heizflächen von Wärmetauschern, die dem Kühlwasser die im Generator aufgenommene Wärme wieder entziehen. Das erhöht die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Zu einer höheren Wirtschaftlichkeit trägt ferner das hohe Temperaturniveau des Kühlwassers bei.
Bei 40 bar Kühlwasserdruck beträgt der Temperaturabstand zur Siedelinie ca. 25° C, bei vorzugsweisen 50 bis 100 bar ca. 40 bis 80° C.
Wenn dem Generator ein Abhitzekessel nachgeschaltet ist, um das gewonnene Rohgas auf eine vorgegebene Temperatur für die Weiterverarbeitung abzukühlen bzw. die dem Rohgas innewohnende Wärmeenergie zu nutzen, so ist das Kühlsystem des erfindungsgemäßen Generators in das des Abhitzekessels eingebunden. Das hat verschiedene Vorteile. Das Speise- und Umlaufwasser des Abhitzekessels entzieht dem Generatorkühlwasser ein Großteil der aufgenommenen Wärme. Gegenüber einer Dampferzeugung an bekannten Generatoren entsteht Dampf mit höherer Temperatur und höherem Druck, der bei gleicher Wärmemenge sehr viel besser nutzbar ist als ein Dampf mit geringerer Temperatur und geringerem Druck. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Abhitzkessels bzw. der der Gesamtanlage gesteigert.
Die Einbindung in das Abhitzekescelsystem kann wahlweise durch einen wasser- und druckseitigen Anschluß des Generarorkühlsystems an die Ausdampftrommel des Abhitzekessels erfolgen. Dabei ist es bei einer gegenüber der Generatorkühlwassertemperatur höheren Wassertemperatur in der Ausdampftrommel vorteilhaft, wenn die Wasser abführende Leitung des Generatorkühlsystems an die zu der Ausdampftrommel gehörige Saugleitung unmittelbar, und zwar unterhalb der Ausdampftrommel angeschlossen ist. Das Generatorkühlwasser kann dann bei entsprechendem Abstand seiner Einmündung in die Saugleitung von der Ausdampftrommel keine Wärme aus der Ausdampftrommel aufnehmen.
Desgleichen kann eine Einbindung in ein Abhitzkesselsystem über ein sogenanntes Zweidrucksystem erfolgen, indem das Generatorkühlsystem den Primärkreis des Zweidrucksystems bildet.
Zusätzlich zur Einbindung an einen Abhitzekessel ist regelmäßig eine weitere Kühlung des Generatorkühlwassers durch nachgeschaltete Wärmetauscher vorgesehen, welche die dem Kühlwasser entzogene Wärme beliebigen Verwendungszwecken, insbesondere der Speisewasservorwärmung und der Dampferzeugung zuführen.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 und 2 verschiedene erfindungsgemäße Schlakkenbadgeneratorkühlsysteme.
In Fig. 1 sind mit 1 die Kühlwände eines Schlackenbadgenerator bezeichnet. Die Kühlwände umschließen den Vergasungsraum 2 des Generators, dem an den mit 3 bezeichneten Stellen Kohlenstaub, Sauerstoff und Wasserdampf / geführt wird. Dabei kommt es nicht darauf an, welche Beimengungen die Kohle hat, d. h. welcher Brennstoff vergast wird. Die Art der Beimengung hat nur Einfluß auf die Menge der zugeführten Vergasungsmittel. Das Schlackenbad und der gegen das Bad gerichtete Flammenstrahl des Generators erlauben beliebig hohe Betriebstemperaturen bis zu 25000C. Bei jeder Betriebstemperatur kann mit gleicher, entsprechend hoch ausgelegter Kühlung gearbeitet werden.
Die Kühlwändc J bestehen aus einer Vielzahl senkrechter oder horizontaler Kühlrohre, die dem von den Kühlwänden t umschlossenen Raum die in Fig. 1 schematisch dargestellte Längsschnittform geben und am oberen Ende in eine Ringleitung 4 und am unteren Ende in eine Ringleitung 5 münden. In die unteren Ringleitung 5 wird im Betriebsfall durch eine Umwälzpumpe 6 so viel Kühlwasser gedrückt, daß das 200grädige Kühlwasser aus der Ringleitung 5 mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 7 m/sec durch die Kühlrohre in die obere Ringleitung 4 strömt. Bei einer Betriebstemperatur von 1700 bis 2500°C im Generator erwärmt sich das Kühlwasser auf dem Weg durch die Kühlrohre bei einem Kühlwasserdruck von 40 bar um 25° C. Kühlwasserdruck und Geschwindigkeit verhindern ein Sieden des Kühlwassers.
Aus der oberen Ringleitung 4 wird das erwärmte Kühlwasser durch eine Umwälzleitung 7 mehreren hintereinandergeschaltcten Wärmetauschern 8, 9 und 10 zugeführt. Nach Verlassen des letzten Wärmetauschers 10 wird das Kühlwasser den Kühlrohren wieder mit einer Temperatur von 200° C zugeführt. Zwischen der oberen Ringleitung 4 und dem ersten Wärmetauscher 8 ist ein Ausgleichsgefäß 11, ein Druckspeicher, an die Umwälzleitung 7 angeschlossen. Das Ausgleichsgefäß 11 dient dem Ausgleich der Wasservolumensänderung bei Erwärmung.
Die Kühlrohre bilden mit den Ringleitungen 4 und 5, der Umwälzleitung 7, den Wärmetauschern 8, 9 und 10 und der Umwälzpumpe 6 einen geschlossenen Kühlwasserkreis, nach F i g. 1 den Primärkreis eines Zweidrucksystems. Dieser Kühlwasserkreis ist in dem Wärmetauscher 8 an einen zweiten Kreis, den Sekundärkreis des Zweidrucksystems, angeschlossen.
Zu dem Sekundärkreis gehören eine Steigleitung 12 und eine Fall-Leitung 13. Die Steigleitung 12 und die Fa!! Leitung 13 verbinden die Heizflächen des Wärmetauschers 8 mit einer Ausdampftrommel 14. Dabei mündet die Steigleitung 12 in den über dem Wasserspiegel der Ausdampftrommel liegenden Trommelinnenraum, während die Fall-Leitung unterhalb des Wasserspiegels in den Trommelinnenraum mündet. Dadurch wird dem Wärmetauscher aus der Ausdampftrommel im Naturumlauf, also aufgrund spezifischer Gewichtsunterschiede, Wasser zugeführt, das bei einem Wasserdruck von in diesem Falle 25 bar in dem Wärmetauscher 8 zu sieden beginnt und als Wasser-Dampf-Gemisch durch die Steigleitung in die Ausdampftrommel 14 zurückgelangt.
Die Ausdampftrommel ist Bestandteil des dem Vergaser nachgeschalteten Abhitzekessels 15. Der in der Ausdampftrommel gesammelte Dampf wird durch eine Leitung 16 einem Überhitzer 17 im Abhitzekessel 15 zugeführt. Gleichzeitig wird Kühlwasser durch eine
ίο Fall-Leitung 18 einem dem Überhitzer 17 im Abhitzekessel 15 nachgeschalteten Kühlsystem zugeführt, aus dem es durch eine Steigleitung 19 in die Ausdampftrommel 14 zurückgelangt. Die Steigleitung 19 und die Faü-Leitung 18 münden beide in die Ausdampftrommel 14, wobei die Mündungsstelle der Fall-Leitung 18 erheblich unter der der Steigleitung 19 liegt.
Der Abhitzekessel 15 wird mit nach Zwischenkühlung auf 850/900° C heißem Rohgas aus dem Schlackenbadgenerator gespeist. Der aus dem Überhitzer 17 austretende Heißdampf kann beliebigen Verwendungszwecken zugeführt werden. Bei einem Dampftrommeldruck von 25 bar ist der Abhitzekessel 15 ein Mitteldruckkessel.
Der dem Wärmetauscher 8 kühlwasserseitig nachgeschaltete Wärmetauscher 9 dient der Speisewasservorwärmung. Er ist mit einem weiteren Speisewasservorwärmer 20 im Abhitzekessel 15 hintereinandergeschaltet. Das so vorgewärmte Speisewasser wird der Ausdampftrommel 14 durch eine Leitung 30 zugeführt.
Der Wärmetauscher 10 ist wahlweise an einen Niederdruckkessel angebunden oder besteht aus einem solchen.
Das Schlackenbadgenerator-Kühlsystem nach F i g. 2 unterscheidet sich von dem nach F i g. 1 dadurch, daß statt der Steigleitung 12 und der Fall-Leitung 13 lediglich eine Saugleitung 31 bei sonst gleichen Anschlüssen an die Ausdampftrommel 14 angeschlossen ist. In der Saugleitung 31 befinden sich mehrere hintereinandergeschaltete Wärmetauscher 32, 33 und 34, von denen der mit 32 bezeichnete dem Wärmetauscher 9, der mit 33 bezeichnete dem Wärmetauscher 10 entspricht und es sich bei dem Wärmetauscher 34 um einen sonstigen Wärmetauscher handelt. Die Saugleitung 31 ist an die Umwälzpumpe 6 angeschlossen, die das angesaugte Kühlwasser wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 in die untere Ringleitung 5 drückt. Das aus der oberen Ringleitung 4 austretende erwärmte Kühlwasser wird durch eine Leitung 35 unmittelbar der Saugleitung 31 wieder zugeführt, und zwar 2 bis 3 m
so unterhalb der Ausdampftrommel.
Andererseits kann das aus der Ringleitung 4 austretende Kühlwasser auch der Ausdampftrommel 14 durch eine gestrichelt dargestellte Leitung 36 zugeführt werden. In beiden Fällen bewirkt der wasser- und druckseitige Anschluß des Generatorkühlkreises an die Ausdampftrommel, daß Generator-Kühlkreislauf und Abhitzekessel mit gleichem Druck betrieben werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Vergasers für Kohle und sonstige fossile Brennstoffe, insbesondere eines Kohle-Schlackenbadgenerators mit einem Vergasungsraum, dem durch die Wandungen der staubförmige Brennstoff und das Vergasungsmittel zugeführt werden und der mit einem Kühlmantel aus parallelen, senkrechten Rohren umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in den Kühlrohren bei einem maximalen Innendurchmesser von 51 mm 5 bis 7 m/sec beträgt und die Austrittstemperatur des Wassers mindestens 10° unterhalb seiner Siedetemperatur bei dem jeweiligen Druck des Kühlsystems liegt
2. Verfahret nach Anspruch 1, öadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Kühlsystem mindestens 40 bar beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwassertemperatur am Generatoreintritt 200 bis 210° beträgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kühlsystems oberhalb des Druckes eines nachgeschalteten Abhitzekessels (15) liegt und das Kühlsystem den Primärkreis eines Zweidrucksystems bildet, dessen Sekundärkreis der Abhitzekessel (15) bildet.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem wasser- und druckseitig an die Ausdampftrommel (14) eines Abhitzekessels (15) angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser abführende Leitung (35) des Kühlsystems an die zu der Ausdampftrommel (14) gehörige Saugleitung (31) unmittelbar angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 oder zur *o Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch nachgeschaltete Wärmetauscher (9, 32), welche gleichfalls in das Zweidrucksystem eingebunden sind.
45
DE2554666A 1975-05-12 1975-12-05 Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Vergasers Expired DE2554666C3 (de)

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