DE3809265C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator zur Wasserdampf-Kohle- Vergasung, bestehend aus einem mit seiner Längsachse vertikal angeordneten Druckbehälter, der vier untereinander angeordnete Zonen aufweist. Diese bilden in der Reihenfolge von oben nach unten eine Gassammelzone, eine Pyrolysezone, eine Vergasungszone und eine Kühlzone. Die Pyrolysezone weist gegenüber der Vergasungszone einen erweiterten Querschnitt auf und ist mit Strahlaufgabeeinrichtungen für Kohlestaub und Dampf versehen, womit in der Pyrolysezone ein Wirbelbett beaufschlagt wird. Zwischen der Pyrolysezone und der Vergasungszone sind Strömungsschikanen angeordnet. Innerhalb des Wirbelbetts ist zur Zuführung der Reaktionswärme mindestens ein mit einem Wärmeträger durchströmbares Wärmetauscherbündel aus Rohrschlangenpaketen angeordnet.

Ein derartiger Gasgenerator ist aus der Druckschrift "Untersuchungen zur Wasserdampf-Kohle-Teilvergasung in einem primärheliumbeheizten, stehenden Gasgenerator", Kernforschungsanlage Jülich GmbH, Juli 1987, bekannt. Dabei erfolgt die Vergasung der Kohle in einem Wirbelbett, in dem zur Zuführung der Reaktionswärme ein Wärmetauscherbündel vorgesehen ist. Das Wärmetauscherbündel besteht aus mäanderförmig gebogenen Rohren, die tauchsiederförmig hängend angeordnet sind. Durch die Rohre strömt heißes Primärgas (Helium) und gibt einen Teil des Wärmepotentials an das Wirbelbett ab.

Bei dem bekannten Gasgenerator ergeben sich aufgrund der mäanderförmig gebogenen Rohre des Wärmetauscherbündels verschiedene Nachteile:

Der enge Biegeradius der Umlenkbögen des Wärmetauscherbündels verhindert die sogenannte Wiederholungsprüfung, da eine dazu in die Rohre einzuführende Meßsonde trotz eines an sich bekannten gegliederten gelenkigen Aufbaus Umlenkbögen mit einem sich aus der Mäanderform ergebenden engen Biegeradius nicht passieren kann. Die Mäanderform führt auch zu einer ungleichmäßigen Verteilung der aus den Rohren und einem Sammler bestehenden Wärmetauscherelemente, wobei zudem der Sammler im Bündelquerschnitt- oder Zentralbereich anzuordnen ist. Ungünstig ist auch das Dehnungsverhalten einer mäanderförmigen Rohrführung, wobei eine erhebliche Auslenkung der Bündelunterkante auftritt und somit eine ausreichende Randverschiebungskompensation erfolgen muß. Weiterhin ergeben sich verhältnismäßig lange Rohrstränge, woraus entsprechend große Druckverluste resultieren. Diese lassen sich zwar durch größere Rohrdurchmesser reduzieren. Größere Rohrdurchmesser erfordern aber in der Regel eine größere Wandstärke. Daraus erfolgt bei konstanter Heizfläche ein höheres Bündelgewicht. Schließlich ist auch noch ein Nachteil darin zu sehen, daß bei der bekannten Rohrführung zwangsweise Wärmetauscherrohre mit unterschiedlichen Temperaturen nebeneinander angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasgenerator der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß dem Wärmetauscherbündel die zuvor angegebenen Nachteile nicht anhaften und insbesondere eine Wiederholungsprüfung partiell ohne Bündelausbau möglich ist. Weiterhin sollen Rohre mit einem verhältnismäßig geringen Rohrdurchmesser eingesetzt werden, ohne dadurch erhebliche Druckverluste hervorzurufen. Weitere der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgaben sind:

• - möglichst geringe Rohrwandstärken und damit ein entsprechend geringes Bündelgewicht,
• - ein großer Kohlenumsatz pro Bündelgewicht,
• - eine gleichmäßige Verteilung der Wärmetauscherrohre,
• - keine Sammler im Bündelquerschnitt- oder Zentralbereich,
• - ein günstiges Dehnungsverhalten,
• - keine Rohre unterschiedlicher Temperatur im gleichen Höhenquerschnitt und dadurch keine Wärmeübertragung vom Heizmedium zum Heizmedium.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem Gasgenerator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten gattungsgemäßen Art ausgegangen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil desselben angegebenen Merkmale aufweist.

Durch die erfindungsgemäßen Rohrwindungen erfordert das daraus gebildete Wärmetauscherrohrbündel keine Umlenkbögen mit einem engen Biegeradius wie bei einer mäanderförmigen Rohrführung, so daß sich ohne weiteres mit konventionellen Sonden eine Wiederholungsprüfung durchführen läßt. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Rohrwindungen gegenüber einer mäanderförmigen Rohrführung sind insbesondere:

• - eine homogene Wirbelschicht infolge einer großen Gleichmäßigkeit der Einbauten,
• - Möglichkeit der Wiederholungsprüfung der einzelnen Rohrwindungen im Bündel,
• - ein geringeres Bündelgewicht,
• - eine einfache Dehnungskompensation der Rohre,
• - eine Primärgassammlung und -verteilung außerhalb des Bündelquerschnitt- oder Zentralbereichs,
• - geringere Druckverluste in den Rohren,
• - eine verbesserte Wärmeübertragung.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohrwindungen jedes Zylinders zu den Rohrwindungen des benachbarten Zylinders gegenläufig ausgerichtet.

Durch die Gegenläufigkeit benachbarter Rohrwindungen ergibt sich eine Verstärkung des Effektes, wonach infolge einer ständigen Querschnittsveränderung der Fluidströmung das Verhältnis "Gasblasenwachstum/Gasblasenverteilung" reduziert wird. Daraus erfolgt eine Verbesserung des Wärmeübergangs.

Obschon es prinzipiell möglich ist, in der Pyrolysezone ein einziges Bündel von Windungen mit einem bestimmten Kerndurchmesser einzubauen, in welches das aus Kohlenstaub und Dampf gebildete Gemisch mit mehreren Strahlaufgabeeinrichtungen eingeblasen wird, sind nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung in der Pyrolysezone mehrere Einheiten aus jeweils einer Anzahl ineinandersitzender Zylinder nebeneinander angeordnet, während in der Vergasungszone konzentrisch zur Druckbehälterachse eine Einheit aus einer Anzahl ineinandersitzender Zylinder angeordnet ist.

Um die Rohrlängen kurz und somit den Druckverlust selbst bei kleinem Rohrdurchmesser gering zu halten und um störende Feststoffansammlungen zwischen den Rohren zu vermeiden, soll die Windungsführung einen hohen Steigungswinkel aufweisen, der erfindungsgemäß vorzugsweise größer als 45° ist. Weiterhin sollen benachbarte Rohrwindungen vorzugsweise in einem Abstand voneinander angeordnet, der mindestens dem 2fachen Durchmesser der Rohrwindungen entspricht. Ferner sollen zwei ineinandergesteckte benachbarte Zylinder einen radialen Mindestabstand von 70 mm aufweisen.

Schließlich sieht eine Ausgestaltung der Erfindung noch vor, daß der Biegeradius der Rohrwindungen mindestens dem 5fachen Durchmesser der Rohre entspricht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasgenerators dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 den Generator in einem vertikalen Schnitt;

Fig. 2 die Pyrolysezone des Generators in einem horizontalen Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 1;

Fig. 3 die Vergasungszone des Generators in einem horizontalen Schnitt nach der Linie C-D der Fig. 1;

Fig. 4 einen Ausschnitt einer Abwicklung eines Zylinders aus Rohrwindungen in gegenüber den vorausgehenden Figuren größerem Maßstab;

Fig. 5 einen vereinfachten Ausschnitt aus der Draufsicht eines Rohrbündels im Maßstab der Fig. 4.

Der Gasgenerator umfaßt einen mit seiner Längsachse vertikal angeordneten isolierten Druckbehälter 1, der über seine Höhe im wesentlichen in eine Gassammelzone 2, eine Pyrolysezone 3, eine Vergasungszone 4 und eine Kühlzone 5 unterteilt ist.

Die Gassammelzone 2 ist durch einen Behälterdeckel 6 abgeschlossen, der mit einem Stutzen 7 für den Rohgasaustritt sowie einem Stutzen 8 und 9 für den Primärgasein- bzw. -austritt versehen ist. Vom Stutzen 8 aus gelangt das zugeführte Primärgas über einen Leitungskrümmer 10 in eine obere Ringverteilerleitung 11 und von dort aus über Standrohre 12 in eine in der Vergasungszone 4 angeordnete untere Ringverteilungs­ leitung 13.

Die Pyrolysezone, welche die Gassammelzone 2 nach unten begrenzt, enthält, wie insbesondere Fig. 2 erkennen läßt, vier Rohrschlangenpakete 14, die eine Höhe von ca. 4 m aufweisen. Jedes Rohrschlangenpaket 14 besteht aus 329 parallel geführten, gewundenen Rohrsträngen 15, die zu acht im Durchmesser unterschiedlich großen, zylinderförmigen Käfigen zusammengesetzt und ihrerseits ineinandergeschachtelt sind, so daß beispielsweise der äußere Zylinderdurchmesser 2,2 m und der innere 0,8 m beträgt. Über Strahlaufgabeeinrichtungen 16 wird in das freie Kernvolumen der vier Rohrschlangenpakete 14 ein Kohlenstaub-Dampf-Gemisch zentral und senkrecht nach oben in die Pyrolysezone 3 eingestrahlt und vermischt sich mit dem darin vorhandenen Wirbelbett.

Die Vergasungszone 4, in welche die Kohlepartikel nach einer von verschiedenen Faktoren abhängigen Verweilzeit gelangen und die von der Pyrolysezone 3 mit Strömungsschikanen 17 abgegrenzt ist, erhält durch schalenförmige Begrenzungsbleche 18 einen kleineren Querschnitt im Vergleich zur Pyrolysezone 3. Wie insbesondere Fig. 3 erkennen läßt, enthält die Vergasungszone 4 ein Rohrschlangenpaket 19, das ebenfalls eine Höhe von ca. 4 m aufweist. Das Rohrschlangenpaket 19 besteht aus 1,316 parallel geführten, gewundenen Rohrsträngen 15, aus denen wiederum zylinderförmige Käfige gebildet sind, die ihrerseits ineinandergeschachtelt sind, so daß beispielsweise der äußere Durchmesser des aus 103 Rohrsträngen 15 zusammengesetzten Zylinders 4,8 m und der innere, aus 18 Rohrsträngen 15 zusammengesetzte Zylinder 0,8 m beträgt.

Die Kühlzone 5, die sich unmittelbar an die Vergasungszone 3 anschließt, enthält Düsenvorrichtungen 20, über die Dampf mit niedriger Temperatur eingeblasen wird, so daß je nach dem Vergasungsgrad Restkoks bzw. Asche gekühlt und schließlich über eine nicht dargestellte Druckschleuse durch einen Abzugs­ stutzen 21 im Boden des Druckbehälters 1 abgezogen werden kann.

In der folgenden Tabelle sind u.a. die in den Fig. 4 und 5 eingetragenen Kurzbezeichnungen einiger geometrischer Größen erläutert. Die in der Tabelle angegebenen Zahlenwerte sind nur als Angaben für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasgenerators zu verstehen.

Claims (8)

1. Gasgenerator zur Wasserdampf-Kohle-Vergasung, bestehend aus einem mit seiner Längsachse vertikal angeordneten Druckbehälter, der vier untereinander angeordnete Zonen aufweist, die in der Reihenfolge von oben nach unten eine Gassammelzone, eine Pyrolysezone, eine Vergasungszone und eine Kühlzone bilden, wobei die Pyrolysezone gegenüber der Vergasungszone einen erweiterten Querschnitt aufweist und mit Strahlaufgabeeinrichtungen für Kohlestaub und Dampf versehen ist, womit in der Pyrolysezone und in der Vergasungszone, zwischen denen Strömungsschikanen angeordnet sind, ein Wirbelbett beaufschlagt wird, in das zur Zuführung der Reaktionswärme mindestens ein mit einem Wärmeträger durchströmbares Wärmetauscherbündel aus Rohrschlangenpaketen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrschlangenpaket (14, 19) aus einer Vielzahl von Rohrwindungen (15) besteht, woraus im Durchmesser unterschiedlich große zylinderförmige Käfige zusammengesetzt sind, die koaxial ineinander sitzen.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwindungen (15) jedes Zylinders zu den Rohrwindungen (15) des benachbarten Zylinders gegenläufig ausgerichtet sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pyrolysezone (3) mehrere Einheiten (14) aus jeweils einer Anzahl ineinandersitzender Zylinder nebeneinander angeordnet sind.

4. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vergasungszone (4) konzentrisch zur Druckbehälterachse eine Einheit (19) aus einer Anzahl ineinandersitzender Zylinder angeordnet ist.

5. Generator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsführung einen Steigungswinkel β < 45° aufweist.

6. Generator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Rohrwindungen (15) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der mindestens dem 2fachen Durchmesser der Rohrwindungen (15) entspricht.

7. Generator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei ineinander­ gesteckten benachbarten Zylindern ein radialer Mindestabstand von 70 mm vorgesehen ist.

8. Generator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeradius der Rohr­ windungen (15) mindestens dem 5fachen Durchmesser der Rohre entspricht.