DE4025916A1

DE4025916A1 - Reaktor zur flugstromvergasung

Info

Publication number: DE4025916A1
Application number: DE19904025916
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Peise; Peter Dr Ing Goehler; Wolfgang Dipl Ing Heinrich; Juergen Dr Rer Nat Goerz; Manfred Dr Ing Schingnitz; Wolfgang Dipl Ing Seidel; Anton Dr Ing Althapp; Peter Dipl Ing Franke
Original assignee: Deutsches Brennstoffinstitut Ig O-9200 Freiberg De GmbH; Deutsches Brennstoffinstitut GmbH
Current assignee: Noell-Dbi Energie- und Entsorgungstechnik O- GmbH
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 1991-01-10
Also published as: DD288614B3; DD288614A5

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Flugstromvergasung von Brennstoffen, insbesondere von staubförmigen Brennstoffen, unter Temperaturbedingungen, die zum Schmelzfluß der Aschebestandteile des Brennstoffes führen. Anwendungsgebiet ist die Erzeugung von H₂- und CO-reichen Gasen, die als Synthesegas, Reduktionsgas, Stadtgas oder Gas für energetische Zwecke Verwendung finden bzw. zu Wasserstoff aufgearbeitet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Bei der Vergasung von Brennstoffen, die mit mineralischen Bei mengungen belastet sind, durch Partialoxydation im Flugstrom sind in der Regel Reaktionstemperaturen notwendig, bei denen die mine ralischen Bestandteile, also die Asche, in eine schmelzflüssige Schlacke überführt wird. Ein typisches Beispiel dafür ist die Druckvergasung von Kohlenstaub durch Umsatz mit technischem Sauerstoff.

Es sind z. B. durch DD 1 50 313 Reaktoren zur Flugstromvergasung nach diesem Prinzip bekannt, die aus einem oberen, durch einen Kühlschirm begrenzten Reaktionsraum und einem unteren Abkühlungs raum zur Abkühlung des erzeugten Gases bestehen. Reaktionsraum und Abkühlungsraum sind in einem druckfesten äußeren Gehäuse untergebracht.

Der Kühlschirm des Reaktionsraumes besteht aus Rohren, die durch Stege zu einer gasdichten Membranwand verbunden sind und mit einem Kühlmittel, in der Regel Druckwasser oder siedendes Wasser, beaufschlagt werden. Im Reaktionsraum erfolgt der Umsatz des fein verteilten Brennstoffes, beispielsweise Kohlenstaub, mit dem Sauerstoff in einer Flammenreaktion bei Temperaturen zwischen etwa 2000 und 1400°C. Unter diesen Bedingungen bilden die mine ralischen Bestandteile einen Schmelzfluß. Die flüssige Schlacke wird zum großen Teil an den Kühlschirm des Reaktionsraumes gewor fen und bildet dort einen nach unten fließenden Film, der Rest bleibt in Tropfenform im heißen Gas suspendiert.

Das erzeugte heiße Rohgas wird mit einer Temperatur von z. B. 1400°C gemeinsam mit der an der Wand ablaufenden und der im Gas suspendierten Flüssigschlacke in den Abkühlungsraum überführt. Dort wird entweder durch direkten Kontakt mit einem Kühlmedium, in der Regel Wasser, oder durch Strahlungs- und Konvektionswärme austausch mit im Abkühlungsraum installierten Kühlflächen das heiße Rohgas abgekühlt und die schmelzflüssige Schlacke granu liert. Die Verbindung zwischen Reaktionsraum und Abkühlungsraum wird durch eine, im Vergleich mit dem Durchmesser des Reaktions raumes enge Öffnung hergestellt.

Die Kontur dieser Schlackenablauföffnung ist thermisch, chemisch und mechanisch hoch belastet. Es hat sich deshalb bewährt, auch die Kontur dieser Öffnung zu kühlen. Bei Störungen in der Führung des Vergasungsprozesses kann es zu Verengungen der Öffnung durch erstarrende, sich an der Wand der Schlackenablauföffnung anset zende Schlacke kommen, was zur Ausbildung eines erhöhten Diffe renzdruckes zwischen Reaktionsraum und Kühlschirm führt, der von der Schlackenablauföffnung aufgenommen werden muß.

Wie DE-OS 31 20 238 zeigt, kann die Kontur der Schlackenablauf öffnung aus gasdicht verbundenen Kühlrohren bestehen, die in den Kühlschirm des Reaktionsraumes integriert sind. Die Schlackeab lauföffnung ist also ein untrennbarer Bestandteil des Kühlschir mes.

Nach der genannten Schrift sind die die Schlackenablauföffnung begrenzenden Rohre bestiftet und mit einer feuerfesten Stampf masse belegt. Im praktischen Betrieb zeigt es sich, daß der Ver schleiß an der Schlackenablauföffnung deutlich höher ist als am übrigen Kühlschirm. Die Integration in den Kühlschirm erschwert Reparaturarbeiten an der Schlackenauslauföffnung oder erzwingt, bezogen auf den Zustand der Kühlwand im Bereich des Reaktionsrau mes, einen vorzeitigen Wechsel des kompletten Kühlschirmes mit der Schlackenauslauföffnung.

Mit DD-1 50 313 ist eine Vorrichtung zur Vergasung aschehaltiger Brennstoffe in der Flugwolke bekannt, die mit einem separat aus wechselbaren, die Schlackenabflußöffnung bildenden, ringförmigen Körper versehen ist. Dieser Körper besteht aus einem in mehreren Windungen gelegten und in Gußeisen eingegossenen Stahlrohr, das mit Kühlwasser beaufschlagt wird. Der gußeiserne Körper der Schlackenablauföffnung ist in den Boden des Reaktionsraumes ein gelassen und gasdicht auf einem Tragring befestigt, der gleich zeitig die Trennwand zwischen dem Reaktionsraum und dem Kühlraum bildet. Der Tragring ist reaktionsraumseitig durch aufliegende, spiralförmig gewickelte Kühlrohre, die zugleich den Boden des Kühlschirmes bilden und mit einer Stampfmasse versehen sind, abgedeckt. Damit soll der Schutz des Tragringes vor thermischer Überlastung durch Einwirkung der Strahlung aus dem Reaktionsraum und der schmelzflüssigen Schlacke gewährleistet werden. Dabei hat sich als kritische Stelle hinsichtlich der Gefahr einer übermäßi gen Erhitzung die Grenze zwischen dem Schlackeablaufkörper und den spiralförmig gewickelten Kühlrohren erwiesen.

In diesem Bereich bilden sich Risse in der Stampfmasse zwischen dem gußeisernen Schlackeablaufkörper und der Rohrspirale, die zum Eindringen schmelzflüssiger Schlacke bis an den Tragring heran führen. Die Gefahr einer Schädigung des Tragringes an dieser Stelle ist besonders groß, wenn schmelzflüssiges Eisen, das unter bestimmten Betriebsbedingungen sich von der flüssigen Schlacke separiert, in solche Risse eindringt.

Zur Abwendung von Gefahren durch Überhitzung des Tragringes sind deshalb aufwendige Überwachungseinrichtungen und häufige Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein Reaktor zur Flugstromvergasung, bestehend aus einem Reaktionsraum und einem darunter befindlichen Abkühlungsraum, der hinsichtlich der Gestaltung der Schlackeab lauföffnung zwischen Reaktionsraum und Abkühlungsraum höhere technische Sicherheit bietet und instandhaltungsfreundlich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zur Flug stromvergasung von Brennstoffen unter Bedingungen der Bildung von schmelzflüssiger Schlacke zu schaffen, der aus einem aufrecht stehenden Druckgehäuse mit einem oberen Reaktionsraum und einem unteren Abkühlungsraum besteht, die durch eine zentrale Schlac kenablauföffnung mit einem leicht auswechselbaren, gekühlten Schlackeablaufkörper verbunden sind, wobei der Schlackeablaufkör per und seine Tragkonstruktion auch in Störungsfällen den auftre tenden Differenzdruck zwichen Reaktionsraum und Abkühlungsraum abzufangen imstande ist und eine Schädigung der Tragkonstruktion durch Eindringen von schmelzflüssiger Schlacke ausgeschlossen ist. Die Erfindung ist bestimmt für einen Reaktor der genannten Gattung, bei dem die Kontur des Reaktionsraumes durch einen Kühl schirm aus Rohren gebildet wird, die durch Stege zu einer gas dichten Wand verbunden und mit Einrichtungen zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels versehen sind.

Erfindungsgemäß wird eine Lösung der gestellten Aufgabe dadurch erreicht, daß der die Kontur des Reaktionsraumes bildende Kühl schirm in seinem Boden in einen vertikalen zylindrischen Ab schnitt übergeht, der mit einem umlaufenden Spalt einen Schlacke ablaufkörper umhüllt, der eine gekühlte zylindrische Außenwand aufweist. Diese zylindrische Außenwand des Schlackeablaufkörpers stützt sich auf einem Tragring ab, der wiederum mit dem Kühl schirm verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist der umlaufende Spalt zwischen dem genannten zylindrischen Abschnitt im Boden des Kühlschirmes und der zylin drischen Außenwand des Schlackeablaufkörpers mit einer feuerfesten Masse gefüllt. In der Regel ist der Tragring gasdicht mit dem Druckgehäuse verbunden und unterteilt dieses in den Reaktionsraum und den Abkühlungsraum. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Breite des genannten umlaufenden Spaltes 25 bis 45 mm. Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn der genannte umlaufende Spalt wenigstens eine Höhe der 4fachen Spaltbreite aufweist.

Die gekühlte zylindrische Außenwand des Schlackeablaufkörpers kann als gasdichte Rohrwand mit entsprechenden Einrichtungen zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels ausgeführt sein. Diese Ausführungsform bietet sich vor allem dann an, wenn der Schlacke ablaufkörper als Ganzes in den mit heißem Gas und schmelzflüssi ger Schlacke in Berührung kommenden Flächen als bestiftete und mit einer Stampfmasse versehenen Rohrwandkonstruktion, beispiels weise aus Rohrwendeln aufgebaut ausgeführt ist.

Es hat sich gezeigt, daß gemäß der Erfindung ausgeführte Reaktio nen eine rasche Montage des Schlackeablaufkörpers ermöglichen, wobei der umlaufende Spalt erst nach der Montage mit der feuer festen Masse verfüllt wird. Durch thermische Spannungen, insbe sondere bei Anfahr- und Abfahrvorgängen, unvermeidlich entstehen de Risse im Feuerfestmaterial des Spaltes füllen sich zwar mit schmelzflüssiger Schlacke, unter der Wirkung der intensiven Küh lung zu beiden Seiten des umlaufenden Spaltes erstarrt aber auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei Auf treten von schmelzflüssigem Eisen, der eingedrungene Schmelzfluß so rasch, daß ein Durchtritt durch den genannten Spalt hindurch bis zum Tragring und dessen thermische Überlastung ausgeschlossen ist.

Es hat sich weiter gezeigt, daß auch eine Demontage des Schlacke ablaufkörpers ohne Schwierigkeiten möglich ist, weil die bei der Außerbetriebnahme gebildeten Risse in Umfangsrichtung der Füllung des Spaltes ein leichtes Lösen des Schlackeablaufkörpers aus dem genannten zylindrischen Abschnitt im Boden des Kühlschirmes er möglichen.

Ausführungsbeispiel

Anhand einer Figur, die als Schnittbild den für die Erfindung wesentlichen Teil eines Reaktors zur Flugstromvergasung zeigt, sei die Erfindung näher erläutert.

Der Reaktor besteht aus einem aufrecht stehenden zylindrischen äußeren Druckgehäuse 1, das in seinem oberen Teil einen Reak tionsraum 2 und in seinem unteren Teil einen Abkühlungsraum 3 umschließt. Die Kontur des Reaktionsraumes 2 wird durch einen Kühlschirm 4 gebildet, bestehend aus bestifteten und mit Druck wasser beaufschlagten Rohren, die durch eingeschweißte Stege gasdicht miteinander verbunden sind. Der Kühlschirm ist reak tionsraumseitig mit einer Stampfmasse 5 versehen, die (in der Figur nicht dargestellt) von den Stiften der Rohre gehalten wird. Am Kopf des Reaktionsraumes 2, ebenfalls in der Figur nicht dar gestellt, befindet sich ein axial ausgerichteter Brenner für die Zuführung von Kohlenstaub und Sauerstoff.

Die Verbindung zwischen dem Reaktionsraum 2 und dem Abkühlungs raum 3 wird durch eine zentrale Schlackeablauföffnung 6 in einem Schlackenablaufkörper 7 herbeigeführt, der im Boden des Reak tionsraumes 2 angeordnet ist.

Im Abkühlungsraum 3 sind Düsen 8 mit einem Anschluß zur Zuführung von Quenchwasser angeordnet. Im Bereich des Abkühlungsraumes 3 sind weiter in der Figur nicht dargestellte Öffnungen im Druckge häuse 1 zur Abführung von gekühltem Gas, von überschüssigem, nicht verdampftem Quenchwasser und von granulierter Schlacke vorhanden.

Der Kühlschirm 4 geht an seinem Boden in einen vertikalen zylind rischen Abschnitt 9 über, der wie der übrige Kühlschirm aus wen delartig gewickelten und durch Stege gasdicht verbundenen Rohren besteht. Dieser zylindrische Abschnitt 9 stützt sich auf einen Tragring 10 ab, der gasdicht mit dem Druckgehäuse 1 verbunden ist.

Der Schlackeablaufkörper 7 ist, wie der Kühlschirm 4, als Rohr wendelkonstruktion ausgeführt, wobei die Rohre durch zwischenge schweißte Stege zu einer gasdichten Rohrwand verbunden sind. Er besteht aus einer inneren zylindrischen Rohrwand 11, welche die zentrale Schlackenablauföffnung 6 bildet, einer zylindrischen Außenwand 12 sowie einem beide zylindrischen Wände verbindenden konischen Abschnitt 13. Die ca. 250 mm hohe zylindrische Außenwand 12 stützt sich gasdicht auf den Tragring 10 ab. Zwischen ihr und dem zylindrischen Abschnitt 9 des Kühlschirmes 4 verbleibt ein umlaufender, 30 mm breiter Spalt 14, der mit einer feuerfesten Masse in Form von Schamottemörtel gefüllt ist. Die den Schlackeablaufkörper 7 bildenden Rohre sind mit Einrichtungen zur Zuführung und zur Abführung 15, 16 eines Kühlmittels in Form von Druckwasser versehen, die in das Druckwassersystem des Kühl schirms eingebunden sind. Das Druckwasser durchläuft nacheinander die innere zylindrische Rohrwand 11, den konischen Abschnitt 13 und die zylindrische Außenwand 12. Die die innere zylindrische Rohrwand 11 und den konischen Abschnitt 13 bildenden Rohrwendel sind bestiftet und wie der Kühlschirm 4 mit Stampfmasse belegt.

Im Reaktionsraum 2 setzen sich Kohlenstaub und Sauerstoff in einer Flammenreaktion zu CO- und H₂-reichem Gas um. Die sich aus den mineralischen Bestandteilen des Kohlenstaubes bildende schmelzflüssige Schlacke läuft über den konischen Abschnitt 13 der zentralen Schlackenablauföffnung 6 zu, durch die sie gemein sam mit dem etwa 1400°C heißen Gas in den Abkühlungsraum 3 ge langt. Dort wird die Schlacke durch Kontakt mit Quenchwasser aus den Düsen 8 granuliert und das heiße Gas gekühlt und mit Wasser dampf gesättigt.

Die gasdichte Abstützung der zylindrischen Außenwand 12 des Schlackeablaufkörpers 7 auf dem Tragring 10 schließt Kriechströme von heißem Gas auf anderen Wegen als über die zentrale Schlacken ablauföffnung 6 und damit die Gefahr einer gefährlichen un kontrollierten Erhitzung von Bauteilen des Reaktors auch bei extremen Betriebsbedingungen mit größerem Differenzdruck zwischen Reaktionsraum 2 und Abkühlungsraum 3 aus. Im praktischen Betrieb hat sich gezeigt, daß ein Durchtritt von schmelzflüssiger Schlac ke bis zum Tragring 10 sicher verhindert wird. Die gemessene Eindringtiefe von Schlacke und von aus der Schlacke separiertem metallischem Eisen in den Spalt 14 betrug insgesamt etwa 100 mm. Damit ist auch aus der Sicht der Einwirkung von Schlacke bzw. flüssigem Eisen eine Überhitzung des Tragringes 10 ausgeschlos sen. Die Montage und Demontage des kompletten Schlackeablaufkör pers 7 über eine in der Figur nicht enthaltene zentrale Öffnung am Kopf von Druckgehäuse 1 und Kühlschirm 4, in der sich während des Betriebes der Brenner befindet, war in jedem Falle problemlos möglich.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 äußeres Druckgehäuse
2 Reaktionsraum
3 Abkühlungsraum
4 Kühlschirm
5 Stampfmasse
6 Schlackenablauföffnung
7 Schlackenablaufkörper
8 Düse
9 zylindrischer Abschnitt des Kühlschirmes
10 Tragring
11 innere zylindrische Rohrwand
12 zylindrische Außenwand
13 konischer Abschnitt
14 umlaufender Spalt
15 Einrichtung zur Zuführung von Kühlmittel
16 Einrichtung zur Abführung von Kühlmittel

Claims

1. Reaktor zur Flugstromvergasung von Brennstoffen unter Tempera turbedingungen, die zum Schmelzfluß der Aschebestandteile des Brennstoffes führen, bestehend aus einem aufrecht stehenden Druckgehäuse mit einem oberen Reaktionsraum und einem unteren Abkühlungsraum, die durch eine zentrale Schlackenablauföffnung mit einem Schlackeablaufkörper, der im Boden des Reaktionsraumes angeordnet ist, miteinander verbunden sind, wobei die Kontur des Reaktionsraumes durch einen Kühlschirm aus Rohren, die durch Stege zu einer gasdichten Wand verbunden und mit Einrichtungen zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels versehen sind, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kontur des Reaktionsraumes bildende Kühlschirm (4) in seinem Boden in einen vertikalen zylindrischen Abschnitt (9) übergeht, der mit einem umlaufenden Spalt (14) den Schlackeablaufkörper (6) umhüllt, wobei dieser mit einer gekühlten zylindrischen Außenwand (12) versehen ist, die sich auf einem mit dem Kühlschirm (4) verbundenen Tragring (10) abstützt, und wobei der umlaufende Spalt (14) zwischen dem genannten zylindrischen Abschnitt (9) im Boden des Kühlschirmes und der zylindrischen Außenwand (12) des Schlackeablaufkörpers oberhalb des Tragringes (10) mit einer feuerfesten Masse gefüllt ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trag ring (10) gasdicht mit dem Druckgehäuse verbunden ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ge kühlte zylindrische Außenwand (12) des Schlackeablaufkörpers (6) als gasdichte Rohrwendel mit Einrichtungen zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels (15), (16) ausgeführt ist.

4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ge nannte umlaufende Spalt (14) eine Breite von 25 bis 45 mm auf weist.

5. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ge nannte umlaufende Spalt (14) eine Höhe von mindestens der 4fachen Spaltbreite aufweist.