DE2935771C2

DE2935771C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Hochtemperatur-Vergasungsprozessen

Info

Publication number: DE2935771C2
Application number: DE19792935771
Authority: DE
Inventors: Igor Moskva Achmatov; Evgenij Moskva Avraamov; Friedrich Dr. DDR 9230 Brand-Erbisdorf Berger; Vasilij Fedotov; Vladimir Gavrilin; Ernest Dr. Gudymov; Peter Dr. DDR 9200 Freiberg Göhler; Wolfgang Heinrich; Aleksander Jegorov; Dieter Dr. DDR 9200 Freiberg König; Klaus Lucas; Nikolaj Moskowsk Majdurov; Helmut Peise; Manfred Dr. Schingnitz; Vladimir Dr. Semenov
Original assignee: Brennstoffinstitut Freiberg
Current assignee: Brennstoffinstitut Freiberg
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1985-02-14
Also published as: ATA619679A; DE2935771A1; AT375671B; DD145024A3; CS220583B1

Description

sind aber für einen wirtschaftlichen Dauerbetrieb völlig unzureichend, zumal bei Anlagen mit höherem Betriebsdruck der Wechsel eines Thermoelements mit einem Stillstand der Anlage verbunden ist

Sollen optische Strahlungsmeßverfahren zur Temperaturmessung eingesetzt werden, so besteht die Gefahr der Verschlackung der erforderlichen Beobachtungsöffnung in der Wand des Reaktionsraumes und der Verschmutzung und Trübung des optischen Fensters, so daß ebenfalls !.eine ausreichenden Standzeiten erreicht werden.

Für die Partialoxidation von festen Brennstoffen unter höherem Druck ist nach US-PS 28 79 148 ein Reaktor bekannt, bei dem der äußere Druckmantel durch eine gekühlte Rohrschlange vor der Einwirkung der aus dem Reaktionsraum übertragenen Wärme geschützt wird. Allerdings wird durch eine relativ dickwandige feuerfeste Ausmauerung der Wärmeübergang aus dem Reaktionsraum an die Kühlschlange eingeschränkt.

Es sind weiter z. B. mit DE-AS 24 25 962 Reaktoren bekannt, deren Reaktionsraum durch einen Kühlschirm, beispielsweise in Form einer von Druckwasser durchflossenen Rohrwandkonstruktion, begrenzt wird. Die in der Regel aus bestifteten Rohren bestehenden Rohrwände sind nach dem Reaktionsraum zu mit einer dünnen Schicht feuerfester Stampfmasse versehen. Auf dieser Stampfmasse bildet sich im Laufe des Betriebes entsprechend dem Gleichgewicht von Kühlung und Wärmezufuhr aus dem Reaktionsraum eine dünne Schicht erstarrter Schlacke und ein Film nach unten ablaufender flüssiger Schlacke. Bei Reaktoren für höhere Betriebsdrücke ist die den eigentlichen Reaktionsraum begrenzende Rohrwandkonstruktion in einem äußeren Druckgefäß untergebracht.

Es sind technische Lösungen bekannt, nach denen als Kühlmittel Druckwasser verwendet wird, wobei der Druckwasserdurchfluß bzw. die Vorlauftemperatur so eingestellt werden, daß die Siedetemperatur bei dem jeweils herrschenden Druck nicht erreicht wird.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung sei durch die folgenden Ausführungsbeispiele erläutert und durch die Fig. 1 bis 5 illustriert. Dabei zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung der Meßanordnung bei einem Reaktor, dessen Kühlschirm aus mehreren, parallel geschalteten und übereinanderPegenden Rohrschlangen besteht,

Fig. 2 die Verkleidung der Rohrwand mit Stampfmasse und Schlacke,

F i g. 3 den Zusammenhang zwischen der Temperatur im Reaktionsraum und dem Relativwert für das Produkt aus Druckwassermenge in der Zeiteinheit und Temperaturdifferenz des Druckwassers über die Meßlänge,

Fig.4 die schematische Darstellung der Meßanordnung bei einem Reaktor, dessen Kühlschirm die Form einer mehrgängigen Wendel aus mehreren parallelen Rohren hat,

F i g. 5 ein Detail der Thermoelementanordnung gemäß F i g. 4.

Ausführungsbeispiel 1

Der Reaktor einer Anlage zur Partialoxydation von Braunkohlenstaub mit technischem Sauerstoff bei einem Druck von 4 MPa besteht nach F i g. 1 aus einem äußeren Druckgefäß 1, in dem mehrere zylindrisch gewickelte Rohrschlangen 2 übereinander angeordnet sind, wobei, wie F i g. 2 zeigt, die Rohre auf der nach der Asche des Reaktors gerichteten Seite mit siner feuerfesten Stampfmasse 3 versehen sind. Die Stahlstifte 4 auf

der Rohroberfläche geben der Stampfmasse Halt. Die mit Stampfmasse versehenen Rohrschlangen umgeben den eigentlichen Reaktionsraum 5, in dem bei hoher Temperatur der Umsatz der über den Brenner 6 zugeführten Reaktionspartner Braunkohlenstaub, technischer Sauerstoff und (in geringer Menge) Wasserdampf erfolgt Die Brennstoffasche wird im Reaktionsrauni schmelzflüssig. Ein Teil der flüssigen Asche verfestigt sich an der durch die beschichteten Rohrschlangen 2 gebildeten Wand des Reaktionsraumes und bildet eine Schlackenkruste 7, ein anderer Teil bildet einen schmei2fhissigen Schlackenfilm 8 auf der Kruste 7, der nach unten abläuft und zusammen mit dem erzeugten Rohgas über die Abzugsöffnung 9 aus dem Reaktor in nachgeschaltete Kühl- und Abscheideeinrichtungen gelangt Die Rohrschlangen werden zur Kühlung mit Wasser beaufschlagt, dessen Menge so eingestellt wird, daß die Maximaltemperatur des Wassers unterhalb seines Siedepunktes bei dem im Rohr herrschenden Druck bleibt Mit der Durchflußmeßeinrichtung 10 wird — in F i g. 1 für eine Kühlschlange dargestellt — die in der Zeiteinheit durchfließende Wassermenge gemessen. Gleichzeitig sind im Zulauf 11 und im Ablauf 12 der betreffenden Rohrschlange Thermoelemente 13 und 14 zur Messung der Wassertemperatur an diesen Seiten installiert

Die beiden Thermoelemente sind so gegeneinander geschaltet, daß nur eine, der Temperaturdifferenz zwischen beiden Meßstellen entsprechende Thermospannung abgegeben wird. Mit Hilfe logischer Bausteine werden in der Meßwert-Umformungseinrichtung 15 die Signale von Durchflußmessung und Temperaturmessung so miteinander verknüpft, daß ein Signal entsteht, das dem Produkt aus Wassermenge in der Zeiteinheit und Temperaturdifferenz proportional ist. Dieses Signal wird als Maß für die mittlere Temperatur im Reaktionsraum in der Höhe der betreffenden Rohrschlange am Schreiber 16 angezeigt und registriert. Es wird weiter dem Regler 17 aufgegeben, der über das als Stellglied dienende Ventil 18 in der Sauerstoffzuleitung das Verhältnis von Sauerstoffmenge in der Zeiteinheit zu Kohlenstaubmenge in der Zeiteinheit korrigiert, während mit der Dosiervorrichtung 19 ein vorgegebener Kohlenstaub-Mengenfluß konstant gehalten wird.
Schließlich wird das Signal der Meßwert-Umformungseinrichtung 15 dem automatischen Notabschaltsystem (Notaus-System) 20 aufgegeben, das bei Überschreitung eines oberen und Unterschreitung eines unteren Grenzwertes die Abschaltung der Anlage und die Oberführung in einen ungefährlichen Zustand vornimmt. Neben anderen Schalthandlungen wird dabei insbesondere durch das Schnellschlußventil 21 unverzüglich die Sauerstoffzufuhr zum Reaktor gesperrt.

Für den im Beispiel behandelten Reaktor ergab sich bei Einsatz eines Braunkohlenstaubes mit einer Schmelztemperatur der Asche von 125O°C der in F i g. 3 — Kurve a — dargestellte Zusammenhang zwischen dem von der Meßwert-Umformungseinrichtung 15 erzeugten Signal und der mittleren Temperatur im Reaktionsraum in Höhe der betreffenden Rohrschlange. Ein

b5 hinsichtlich des Schlackenabflusses einwandfreier Betrieb der Anlage wird bei einer Reaktionsraumtemperatur an dieser Stelle von 1450°C erreicht. Das entspricht nach Fig. 3 einem Signal von 20%. Bei Einsatz eines

Braunkohlenstaubes mit einer um 200 K höheren Schmelztemperatur ergab sich die in F i g. 3 — Kurve b — dargestellte Charakteristik. Die Kurve ist praktisch um 200 K nach rechts verschoben. Einwandfreier Betrieb mit dieser Kohle wird ebenfalls bei einem Signal 5 von 20%, also bei gleicher spezifischer Wärmeabgabe an die Rohrschlange des Kühlschirmes, erreicht.

Ausführungsbeispiel 2

10

Bei einer anderen in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform des druckwassergekühlten Reaktors sind mehrere, parallel beaufschlagte Rohre 22 zu einer mehrgängigen, zylindrischen Wendel gewickelt, die im äußeren Druckgefäß 1 untergebracht ist, die auf der der Ach- is se des Reaktors zugekehrten Seite mit feuerfester Stampfmasse versehen ist und die die Umhüllung des Reaktionsraumes 5 bildet. Die unteren und oberen Enden der einzelnen Rohre werden über die Stutzen 23 druckdicht durch Boden und Deckel des Druckgefäßes 1 herausgeführt und bilden den Zulauf 11 und den Ablauf 12 des betreffenden Rohres.

In F i g. 4 für ein Rohr dargestellt, ist im Zulauf 11 eine DurchfluBmeßeinrichtung 10 für das Druckwasser iniiailiert. Über die druckdichte Durchführung 24 an einem Krümmer des Wasserzulaufes in unmittelbarer Nähe des Stutzens 23 sind 5 dünne Mantelthermoelemente 25 unterschiedlicher Länge in das Rohr eingeführt. Die Lötstellen 26 dieser Elemente sind in gleichmäßigen Abständen über die ganze, innerhalb des Reaktors liegende Länge des betreffenden Rohres verteilt. Die Differenz der Thermospannungen von jeweils zwei benachbarten Thermoelementen wird auf die Meßwert-Umformungseinrichtung 15 geschaltet. Die übrige Anordnung entspricht dem Ausführungsbeispiel 1. Das gleiche gilt für den Zusammenhang zwischen der Temperatur im Reaktionsraum und dem Relativwert des in der Meßwert-Umformungseinrichtung 15 gewonnenen Signals als Produkt von Druckwassermenge in der Zeiteinheit und Temperaturdifferenz.

Wie Fig.5 weiter zeigt, sind die Mantelthermoelemente 25 mit einem dünnen Stahlseil 27 durch Schellen 31 zu einem Bündel zusammengefaßt. Das Stahlseil ist über die gesamte Länge des Rohres geführt und in einem Stutzen 28 am oberen Ende des Rohres 22, außerhalb des Reaktor-Druckgefäßes 1, in gut zugänglicher Stelle an einer Halterung 29 befestigt Der Stutzen 28 mit der Halterung ist durch die Deckelklappe 30 verschlossen. Mit der Bündelung der dünnen, ca. 1 mm starken Mantelthermoelemente und dem Stahlseil wird ausreichende mechanische Stabilität der Anordnung gegenüber den durch die Druckwasserströmung im Rohr verursachten Beanspruchungen erreicht. Die Standzeit der Thermoelementanordnung ist befriedigend. Zugleich dient das Stahlseil als Hilfsmittel bei der Montage bzw. bei der Auswechslung des Thermoelementbündels.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung und Steuerung von Hochtemperatur-Vergasungsprozessen in Reaktoren zur Partialoxidation aschehaltiger Brennstoffe, bei denen der Reaktionsraum von einem Kühlschirm in Form einer von Kühlwasser durchflossenen Rohrwandkonstruktion umgeben ist, wobei Temperaturmessungen an verschiedenen Stellen erfolgen und diese zur Prozeßsteuerur.g des Prozesses durch Beeinflussung des Verhältnisses der in der Zeiteinheit zugeführten Mengen an freiem Sauerstoff und Brennstoff und/oder zur Einschaltung des Notaus-Systems herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet,

daß die mindestens einem Rohrstrang in der Zeiteinheit zugeführte Wasermenge gemessen wird,
daß die Temperatur des Wassers an mindestens zwei über die Länge dieses Rohrstranges verteilten Temperaturmeßstellen gemessen wird,
daß das Produkt aus der in der Zeiteinheit zugeführten Wassermenge und der Differenz der an zwei Temperaturmeßstellen gemessenen Wassertemperaturen gebildet wird und

daß dieses Produkt als Maß für die mittlere Temperatur des dem zwischen den Temperaturmeßstellen liegenden Abschnittes des Reaktionsraumes dient

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für Reaktoren, deren Reaktionsraum von einem Kühlschirm in Form einer von vorzugsweise Druckwasser durchströmten Rohrwandkonstruktion umgeben ist, wobei Thermoelemente mit Anzeigevorrichtungen bzw. mit Stellgliedern für Reaktionsmittel-Zuleitungen angeordnete Dosieroder Schaltvorrichtungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rohrwandkonstruktion aus mindestens einem zu einer ein- bzw. mehrgängigen Wendel gewickelten Rohrstrang (2,22) gebildet isi,
daß in mindestens einem Rohrstrang (2, 22) eine Mengenmeßeinrichtung (10) für das in der Zeiteinheit durchfließende Wasser vorgesehen ist,
daß in mindestens einem Rohrstrang (2,22) mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete Thermoelemente (13,14; 25) zur Messung der Wassertemperaturen vorgesehen sind und

daß die Mengen-Meßeinrichtung (10) und die Thermoelemente (13,14; 25) an eine Meßwert-Umformeinrichtung (15) angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Thermoelement (13; 14) am Zulauf (11) und am Ablauf (12) einer Rohrschlange (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (25) über eine druckdichte Durchführung (24) von außerhalb des Reaktorgehäuses (1) in den Rohrstrang (22) eingeführt sind und ihre die Meßspannung liefernden Lötstellen (26) jeweils über eine Strecke des betreffenden Rohrstranges (22) verteilt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (25) an einem flexiblen Zugmittel (27) befestigt sind, das sich im Rohrstrang (22) über seine gesamte Länge erstreckt und in verschlossenen Stutzen (28) im Ein- und Auslauf (H, 12)des Rohrstranges(22)befestigt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Hochtemperatur-Vergasungsprozessen in Reaktoren zur Partialoxidation aschehaltiger Brennstoffe der im 5 Oberbegriff der Ansprüche 1 (Verfahren bzw. 2 (Vorrichtung) angegebenen Gattung.

Es ist beispielsweise durch CH-PS 2 26 198 und durch DE-AS 11 25 108 bekannt, den Betrieb von Gasgeneratoren über die in dessen Reaktionsraum herrschenden

to Temperaturen zu regeln. Dazu werden die Vergasungsmittelmenge, das Verhältnis von Vergasungsmittelmenge zu Brennstoffmenge oder die Zusammensetzung des Vergasungsmittels von Hand oder automatisch so eingestellt, daß die im Reaktionsraum gemessenen Tempeis raturen in einem vorbestimmten Bereich bleiben. Für die Temperaturmessung im Reaktionsraum des Gasgenerators werden optische Pyrometer oder Thermoelemente vorgeschlagen.
Mit US-PS 18 66 399 wird eine solche, von der Temperatur im Reaktionsraum ausgehende Regelung für einen in der Schwebe ablaufenden Vergasungsprozeß für fein verteilte feste Brennstoffe beschrieben. Dabei sind in zwei verschiedenen Höhenlagen Pt/PtRh-Thermoelemente durch die Wand des Reaktionsraumes eingeführt, über die mittels geeigneter Regelvorrichtungen bzw. von Hand die Zufuhr von Dampf und Sauerstoff zum Reaktionsraum so geregelt wird, daß die Temperatur und die Höhenlage der heißen Zone des Vergasungsprozesses in vorbestimmten Grenzen bleibt. Die Temperaturmeßstellen sind außerdem mit einem Notaus-System so verbunden, daß der Prozeß abgeschaltet wird, wenn ein unterer oder ein oberer Grenzwert für die Temperatur überschritten wird. Der Brennstoff rieselt von oben durch den Reaktionsraum, während Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel im Gegenstrom von unten eingeblasen werden und das erzeugte Gas nach oben austritt.

Zur Erzeugung von CO- und H₂-haltigcn Gasen hat sich die Partialoxidalion von Brennstoffen mit technischem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Vergasungsmittelgemischen als Flammenreaktion nach dem Gleichstromprinzip eingeführt. Die Temperaturen im Reaktionsraum, die insbesondere vom Verhältnis der zugeführten Mengen von Brennstoff und Sauerstoff abhängig sind, betragen dabei 1200 bis 1500⁰C. Werden aschehaltige Brennstoffe, also vor allem staubförmige feste Brennstoffe eingesetzt, so sind die Temperaturen im Reaktionsraum so hoch einzustellen, daß die Asche schmelzflüssig anfällt.

Die Messung der im Reaktionsraum herrschenden Temperatur als Grundlage für die Überwachung und Steuerung dieses Prozesses ist vor allem dann schwierig, wenn die Partialoxidation unter höherem Druck, beispielsweise bei einem Druck von 2—4 MPa, erfolgt. Für Anlagen, die für den Einsatz von gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen bestimmt sind, sind trotz dieser Schwierigkeiten brauchbare Temperaturmeßeinrichtungen entwickelt worden.
Dagegen sind bisher keine befriedigenden Lösungen für die Temperaturmessung in Reaktoren für den Einsatz aschehaltiger Brennstoffe bekannt. Die verfügbaren Werkstoffe für Thermoelement-Schutzrohre werden von der schmelzflüssigcn Asche gelöst oder durch die Infiltration schmelzflüssiger Asche in ihrer ßcstän-

h5 digkeit gegen unvermeidliche thermische Wcchsclbcanspruchung stark beeinträchtigt. So sind allenfalls über relativ kurze 7.cit Messungen mit Thermoelementen im Reaktionsraum möglich. Die erreichbaren Standzeiten