DE2940257A1 - Strahlungskessel - Google Patents

Strahlungskessel

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DE2940257A1 DE19792940257 DE2940257A DE2940257A1 DE 2940257 A1 DE2940257 A1 DE 2940257A1 DE 19792940257 DE19792940257 DE 19792940257 DE 2940257 A DE2940257 A DE 2940257A DE 2940257 A1 DE2940257 A1 DE 2940257A1
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Description

Oberhäuser- l?t 03.10.79 J PLD rcht-Mn-TS/kzv/
- 8I88O -
AKmIRMf!ESELLSCnAFT, Oberhausen 13
StrahlunRskessel
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlun^skeesel, der Insbesondere zur Gewinnung der bei der Vergasung von ascheblldenden, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen entstehenden ProzeßwMrne dient. Die Nutzung dieser Energie ist In allen den Füllen aus Gründen der V/irtschaftlichkelt unerläßlich, in denen das Has ohne anderweitige Nutzung der fühlbaren WSrne eingesetzt werden kann.
Die FrzeuP^unp; von Dampf nit Hilfe von Im Prozeß erzeugter WSrne ist Jedoch in der Re^eI besonders dann schwierig, wenn flüssige Aschepartikel in der Gasphase mite;eführt werden, wie sie bei bestimmten unter Druck durchgeführten Verp;a3un.cr;sverfahren, z.R. für Steinkohle oder aschebildenden Rrdöl typisch ist. Zusätzliche Problerne treten dadurch auf, daß die Asche abhiing;i^ vom Rinsatzrnaterial unterschiedliche Zusanniensetzung und damit unterschiedliches physikalisches Verhalten aufweist, was an die Konstruktion einer Abhltzerück^ewinnun^sanlacje besondere Anforderungen stellt.
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In der DF.-OS 27 05 558 ist ein Verfahren zum Vergasen von festen Brennstoffen beschrieben, bei dem das Reaktionsgas gemeinsam mit den Verbrennungsrückständen in einen unnittelbar unterhalb des Reaktors angeordneten Strahlungskessel soweit abgekühlt wird, daß die flüssigen Verbrennungsrückstände, die als feine Tropfen von Gas getragen werden, erstarren, bevor sie in einen nachgeschalteten Konvektionskessel gelangen. Die in Form gröberer Agglomerate anfallenden Verbrennungsrückstände werden bei der Umlenkung des Gasstromes im Strahlungskessel an der Oberfläche eines Waseerbades, das im unteren Teil des Strahlungskessels angeordnet ist, in das Wasser abgeschieden. Bei diesen bekannten Verfahren wird die Asche unter Vorkühlung des Reaktionsgemisches weitgehend ausgeschieden. Die Temperatur der im Gas verbleibenden Partikel wird soweit abgesenkt, daß Versinterungen an den Wärmeaustauscherflächen ausgeschlossen sind. Die Wärmeübertragung erfolgt überwiegend durch Strahlung. Ein unmittelbarer Kontakt der flüssigen Asche mit der Wärneaustauscherwand ist ausgeschlossen, da der Durchmesser de3 zentralen Raumes in Verhältnis zur Eintrittsöffnung des Gases und der Länge der Wärneaustauscher-Flemente genügend groß gewählt ist. In einer zweiten Kühlstufe, die dem Strahlungskessel nachgeschaltet ist, geht der Wärmeübergang.im wesentlichen durch Konvektion vor sich. Obgleich das bekannte Verfahren zur Wärmerückgewinnung sich praktisch bewährt hat, ist es in einigen Punkton noch verbesserungsfähig. So betrügt der Abscheidungsgrad der Asche zwar mehr als 90 % und ist damit
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s ιβδο
überraschend hoch. Dennoch muß eine weitere Verbesserung der Ascheabscheidung angestrebt werden. Darüber hinaus wird der Wärmeübergang durch eine sehr lockere, in Porn einer durchgehenden Ascheschicht von wenigen Millimetern Starke auf den Warne-Austauscherflachen auch dann behindert, wenn flüssige Asche nicht an die Wand gelangt. Obgleich diese Ascheschicht sich von den Wameaustauscherflächen lokal wieder löst, sobald sie eine bestimmte Stärke erreicht hat, hat sie eine erhebliche Minderung des Wärmeübergangs zur Folge.
Bein unmittelbaren eintauchen der flüssigen Aschetropfen in das Wasserbad entsteht bevorzugt feste Asche mit einen relativ niedrigen Schüttgewicht. Un die Dimension der Austragsschleusen aus dem Drucksystem möglichst klein zu
lr> bemessen, wird angestrebt, grobkörnige und dichtere Asche zu erhalten. Die Bildung grobkörnigerer Asche ist auch für die Aufteilung der gesanten Asche In kohlenstoff ame Drobasche und kohlenstoffhaltige Feinasche vorteilhaft, da die Feinasche in den Vergasungsprozeß zurückgeführt wird.
Schließlich ist noch zu beachten, daß nach den bekannten Verfahren die fühlbare Wärme der flüssigen Asche, fast vollständig verloren geht. Die vorliegende Erfindung behebt die geschilderten Nachteile. Sie besteht in einen Strahlungskeseel für die Abkühlung eines am Kopf des Strahlungskessels senkrecht eingeführten Gasstromes, der feste und schnelzflüssige Partikel enthält, die nach Abkühlen erstarren, über ein in unteren Toll des Strahlungskessels befindliches Wasserbad abgezogen werden. Der er-
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findungsnem.iße Strahlungskessel ist dadurch gekennzeichnet, daß er zwei oder mehrere konzentrisch angeordnete, zylindrische Warmeaustauacher-Rlemente enthält, von denen das innerste von oben nach unten und die Rlηςraune, die aus der Außenfläche des Jeweils innen liegenden und der Innenfläche des jeweils außen liegenden WSrmeauntauscher-Elenentes t-ebildet sind, nach ein- oder nehmallfjer Umlenkung des Gasstromes durchströmt werden, die Reinie;unR der Oberflächen der einzelnen Wärmeaustauscher-Elemente mit Hilfe von Prozeßp;as erfolgt, das durch Düsen unter erhöhtem Druck eingeführt wird und oberhalb des Wasr.erbadea einen als Wärrceauatauscher-Fllement ausgebildeten, zentrisch angeordneten Aufprallkegel, der ein Düsensysten zur ReInIr1Un^ mit Wasser besitzt, enthalt.
Der erf Indunpjo^enäße Strahlun^skessol enthält zwei oder mehrere konzentrisch angeordnete, zylindrische Wärneaustauecher-Elemente. Die Anordnung mehrerer Würneaustauncher-Flemente sichert eine verbesserte Hiickrjewinnun^ der Prozeßwärme infolge der vergrößerten Wärmeaustausch-
.70 flftche.
Bei VerweruiunR von nur einem Wärmoaustauscher-Elenent kann nur die Innenseite dieses V/Srmeaustauscher-Elementes zur Wflrneabfyhruner genutzt werden, da das Wärmeaustauncher-F.lement auch die Aufgabe hat, die drucktragende Außenwand des >^trahlun^skessels vor thermincher Belastung zu schützen.
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Bei Einbau von zwei oder mehreren konzentrisch angeordneten, zylinderiachen Wärmeaustauscher-Elementen wird nach ein- odor mehrnallerer Umlenkung des abzukühlenden Gasstromes sowohl die Außenseite des Jeweils innen ließenden als auch die Innenseite des jeweils außen liegenden Wärmoaustauacher-F.lemontes zur Abkühlung des Gasstromes genutzt und dadurch im Vergleich zum Einbau von nur einem Wärmeaustauscher-Element die zur Wärmeabfuhr angebotene Oberfläche mehr als verdoppelt.
Als Wärmeaustauscher-Element können die üblichen In der Fachwelt bekannten Einrichtungen, z.B. Plattenkühler, verwendet werden. Besonders bewährt haben sich Warneaustauschor-Klemente, dIe durch ZusanmenSetzung von Plossenrohren zu einer Flossenwand aufgebaut sind und im Kesselbau für Kraftwerke Verwendung finden. Das Rohrleitungssystem der Flossenwand kann mit beliebigen Kühlungtsnitteln beschickt werden, vorzugsweise mit Wasser oder Sattdanpf. Bei Einspeisung von Sattdampf ist es zur Verhinderung von Korrosion, die bei höheren Temperaturen auftritt, notwendig, die Ploasenrohre aus schwefelwasserntoffbestand igen Werkstoff herzustellen.
Das Gas strömt durch das Innerste Wärmeaustauscher-Element nach unten und führt seine Wiirne auf die Innenfläche dieses Würmeaustauscher-Elenentes ab. Mach umlenken strömt es dann wieder nach oben und übertragt seine W.:lrme durch Strahlung auf die Außenfläche dea inneren Wärmetauscher-Elementes und die Innenfläche des un dieses innere Wärmeaustauscher-Element kon-
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zentrisch angeordneten äußeren Wörneaustauscher-Elementes. Je nach Zahl der verwendeten Wärmeaustauscher-Elemente wird das Gas In dem System ein- oder mehrfach umgelenkt.
Die Umlenkung des Oasstromes erfolgt durch das im unteren Teil des Strahlungskessels angeordnete Wasserbad in Verbindung mit dem zentrisch eingebauten Aufprallkegel und durch Umlenkbleche, die an dem Jeweiligen Wärmeaustauscher-Element befestigt sind und in das Wasserbad eintauchen. Das von unten nach oben strömende Gas wird am oberen Ende des Wärmeaustauscher-Elements mit Hilfe eines gekühlten Umlenkbleches, das Jeweils zwei Wärenaustauscher-Elemente verbindet, erneut umgelenkt. Das von oben nach unten strömende Gas wird erneut durch das im unteren Teil des Strahlungskessels angeordnete Wasserbad und durch Umlenkbleche, die an dem Jeweiligen Wärmeaustauscher-Element befestigt sind und in das Wasserbad eintauchen, umgelenkt.
Der zentrisch angeordnete Aufprallkegel ist als Wärmeaustauecher-Flement auf Basis einer Flössenwand ausgelegt und fängt bevorzugt die herabfallende gröbere flüssige Asche ab und liefert so zusätzlich Prozeßdanpf. Die auf dom gekühlten Aufprallkegel sich ablagernde Asche erstarrt in dünnen Schollen, die infolge von Schrumpfungsspannungen weitgehend von selbst abplatzen und in das Wasserbad abgleiten.
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Dieser Vorgang wird durch periodisches Einspritzen von Wasser (iber ein über dem Aufprallkegel angeordnetes D(isensysten unterstützt. Die Reinigung der Oberfläche des Aufprallkegels erfolgt durch zusätzliche Druckwasserri Zufuhr in den Aufprallkegel, wobei das Druckwasser durch eine entsprechende Anzahl von Austrittsöffnungen an die zu reinigende Oberfläche des Aufprallkegels gelangt. Zur Bildung dickerer, unerwünschter Schlackeschichten kommt es somit nicht mehr.
Auf diese Weise wird eine kohlenstoffarme kompakte Asche erzeugt, die sich leicht von der kohlenstoffhaltigen Feinasche, die in den Vergasungsprozeß rezirkuliert wird, abtrennen läßt. Zuden wird die der flüssigen Asche innewohnende Warne zur "ewinnunf? von Prozeftdampf-genutzt.
lri Dies 1st gerade bei Verwendung von aschereicher nallastkohle von Vorteil. Da die Ascheschollen die Absperrorgane der Schleuse, die sich im unteren Teil den Wasserbades befindet, passieren nüssen, werden sie ζ we c km Ji Pi Ig durch einen vorgeschalteten Brecher zerklelnert, um die Absperrorgane der Schleuse gegen zu große ^inzelstilcke zu schützen.
Tn technischen Retrieb des Strahlungskessels stellt sich wegen Belegung dor WJlrneaustauscherflfichen durch im Gasstrom mitgeführte Asche rasch eine erhebliche MInderung des W/l rneHbergangs ein, dio eine Verschlechterung
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der Warnoabfuhr über die Wilrmcaustauscher-Elenente zur Folge hat. Man verhindert erfindungagenäß diese Beeinträchtigung des Wärmeüberganges durch ein spezielles Re inigungssystem.
r) Hierbei worden durch periodisches Elndüsen von mechanisch sauberen, abgekühlten Prozeftgas die Wämeaustauscherflachen freigeblasen. Voraussetzung für diese überraschend starke Wirkung in der relativ schweren Oaefüllung des Strahlungskessels ist ein hoher Anfangsirnpul8 dos na3strahls, dor durch Rekonpression von ca. 1 % des ProzeSgases auf Drücke von 50 bis 300 bar oberhalb des Arbeitsdruckes des Strahlungskessels erzeugt wird. Zur Verbesserung dieser Reinigungsnethodo und Vermeidung von starken Druckechwankungen in Strahlungskessel und Reaktor wird das Sprühsystem in eine ausreichende Anzahl von Abschnitten geteilt, die jeweils für sich gereinigt werden.
Fine zueiitzl iche, weitere Rückgewinnung von Prozeßwttrme aus den vor^ekühlten, nur noch geringe Mengen Peinasche enthaltenden Prozeßgasstrom erfolgt an nachgeschalteten Konvektioηs-Kühlelementen.
Der Oacstron nlmnt In dom erfindungsgern'iften Gtrahlungskeseol folgenden Weg:
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ß l
Der zu kehlende Gasstrom tritt durch den zentralem Stutzen achsparallel In den Strahlungskessel ein und strömt senkrecht mit nur geringer Radialkomponente nach unten. Gröbere, flüssige Aschepartikel werden hierbei nicht erfaßt und an die Wände der Wärmeaustauscher-Elemente geschleudert, sondern gelangen bevorzugt auf den gekühlten Aufprallkegel. Im Oberteil des Strahlungskeseels tritt unter teilweiser RUckvermischung des Gasstromes bereits ein intensiver Wärmeaustausch an der Innenwand des inneren Wärmeaustauscher-Elementes auf, der eine starke Abkühlung deo Gasstromes zur Folge hat. Im unteren Bereich des inneren Wärmeaustauscher-Elementes befindet sich der zentrisch angeordnete Aufprallkegel, der in Verbindung mit dem unter ihm befindlichen Wasserbad und den an nächst folgenden Wärmeaustauscher-Clement angebrachten, in das Wasserbad eintauchenden Umlenkblech eine Umlenkung des Gasstromes bewirkt, wobei die im Gasstron mitgeführten Aschepartlkel in das Wasserbad geschleudert werden. Infolge des Einbaus des Aufprallke-
«?0 gels ergibt sich eine Verengung des Strömungsquerschnittes, die eine entsprechende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes nach sich zieht. Durch eine ausreichende Bemessung des Ringraumes zwischen den konzentrisch zylindrischen Wärmeaustauscher-Elementen
?ri wird in Sinne einer weiteren Senkung des Aschegehaltes die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes in aufsteigender Richtung deutlich gesenkt. Der Gasstrom
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kann durch zusätzlichen Einbau weiterer konzentrisch zylindrischer Wärmeaustauscher-Elenente zusätzlich abgekühlt und hierbei noch mehrfach umgelenkt werden.
Die Summe dieser Maßnahmen führt zu einer Verbesserung S des Abscheidungsgrades für Asche auf Werte von > 95 % bei Einsatz einer Kohle, die ca. 6 % Asche enthält.
Im folgenden wird eine für die Erfindung charakteristische Bauausführung des Strahlungskessels, wie sie in der beigefügten Skizze dargestellt ist, in einzelnen beschrieben. 1 stellt eine drucktragende rotationssymmetrisch zur Mittelachse des Strahlungskessels zu denkende Außenwand dar. Ein zu kühlender Oaastrom tritt durch einen feuerfest ausgekleideten Eintrittstutzen 2 in den Strahlungskessel ein. Das Oäs wird zunächst an der inneren Fläche eines inneren Wärmeaustauscher-Elementes abgekühlt. Es gelangt dann auf einen zentrisch angeordneten Aufprallkegel 11 auf dem die gröbere flüssige Asche abgeschieden und abgekühlt wird. Zur Unterstützung des Reinigungsvorganges auf dem Aufprallkegel 11 ist oberhalb des Aufprallkegels ein Düsensystem 14, das mit Wasser betrieben wird, angeordnet. Ein Wasserbad 9 im Unterteil des Strahlungekessels nimmt die Aschepartikel sowohl des nasetromes, die durch Schwenkkraft abgeschleudert werden, als auch die vom Aufprallkegel herstammende kompakte
Asche auf. Die im Wasserbad suspendierte Asche wird über
einen Abzugsstutzen 3 abgeführt, der über einen Schlacken-
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"43 * ■ * l38°
brecher zur Ascheschleuse führt.. In Wasserbad 9 ist ein Trichter 10 angeordnet, nlt dessen Hilfe die Feststoffe dem zentralen Abzugsstutzen 3 zugeführt werden. Der zentrisch angeordnete Aufprallkegel 11 wird mit S Kühlwasser über eine Leitung 12 versorgt und der gewonnene Prozeßdampf über eine Leitung 13 abgeführt. Das zur Reinigung des Aufprallkegels 11 eingebaute Dfisensystem m wird über eine Leitung 15 nlt Wasser versorgt. Konzentrisch angeordnete zylindrische Wärmeaustauscher-Kiemente 5 und 6 erhalten ihr Kühlmedium über eine oder mehrere Zuführungsleitungen 7. Der aus den Wärmeaustauscher-Elementen herrührende Prozeßdampf wird über eine oder mehrere Leitungen 8 abgeleitet. Der Oasstron wird an der Oberfläche des Wasserbades 9 umgelenkt. Fr tritt
IS danach In den Ringraum der beiden konzentrisch angeordneten zylindrischen Wftrmeaustauscher-Flemente 5 und 6 ein. Die Abkühlung erfolgt hierbei in aufsteigender Richtung sowohl an der Außenseite des inneren Würnieaustauscher-Flementes 5 als auch an der inneren Seite des Süßeren Wärmeaustauscher-Elementes 6. Das so gekühlte und mechanisch vorgereinigte Gas tritt über einen oder mehrere gekühlte Austrittsstutzen und gekühlte; Leitungen >i aus dem Strahlungskessel aus. Die ReInIgUnS1; der Wärneaustauscherflachen von anhaftender Asche erfolgt,
Pc) durch Findüsen von Prozeßgas über ein Düsensystem 17, da« nach Art einea RußblSsers mit einem Vorratsbehälter 20 für prozeßeigenes las und einen Kompressor 21 in Verbindung steht. Das für die Reinigung eingesetzte Prozeßgac
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it
wird den Df] sonsysten über eine oder nehrere Leitungen zugeführt. PfIr die Kühlung des nfJsensystema 17 winl fiber einen Rypass 18 dan Düsensystem kontinuierlich nit kleinen r!asmenp;en versorgt. Ober ein Ventil 19 wird das ■> Dflsennysten 17 periodisch nit größeren Oasmen^en, wie sie für die Reinigung der einzelnen WSrmeaustauscheraeppnente benötigt werden, ^eepeist. Der n\r die Reinir.unp; der einzelnen W*irmeauötauschersef;inente erforderliche hohe An fangs impuls des flasstrornes wird durch einen un 50 bis ?00 bar fiber dem Arbeitsdruck des Stahlungskessels liegenden Oberdruck des Vorratsbehälters 20 gewährleistet.
130016/0406

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  1. RUHRCHf.MTF: Oberhaust-.r 13, θ;.XO. 1979
    PLD-bin/TS-kzw - R l88O -
    R(JHRCHTiMIE AKTIENGESELLSCHAFT, Oberhausen 13
    Patentanspruch
    Strahlungskessel für die Abkühlung eines am Kopf des Strahlungskessels senkrecht eingeführten Gasstromes, der feste und schmelzflüssige Partikel enthält, die nach Abkühlen und Erstarren über ein irr, unteren Teil des Strahlungskessels befindliches Wasserbad abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungskessel
    - 2 oder mehrere konzentrisch angeordnete, /,yl indrische Wärneaustauschor-Elemente (5), (6), enth'ilt, von denen das innerste von oben nach unten und die RiriK-raune, die aus der Außenfläche des jeweils innen liegenden und der Innenfläche des Jeweils aiiften liegenden Wärneaustauscher-Elementes gebildet sind, nach ein- oder mehrmaliger Unlenkung des Oasstrones durchströmt werden,
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    29A0257
    κ ;88ο
    -ρ-
    - oberhalb des Wassepbades einen als Wäpneaustauschep-Rlement ausgebildeten, zentPlsch angeordneten Aufppallkegel (11) enthält, dep ein Düsensystem (14) zup Reinigung mit Wassep besitzt und den ein Schlackebpechep nachgeschaltet ist, ,
    -die Reinigung dep Obepf lachen dep WäPtneaustauschep-Elemente nit Hilfe von Ppozeßgas epfolgt, das durch Düsen (17) untep ephöhtem Dpuck eingefiihpt wipd.
    130016/0406
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