DE4025955A1

DE4025955A1 - Vorrichtung zum austrag von heissgas und schlacke

Info

Publication number: DE4025955A1
Application number: DE19904025955
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Brausse; Peter Dr Ing Goehler; Helmut Dipl Ing Peise; Wolfgang Dipl Ing Heinrich; Rainer Dr Ing Wernecke; 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: 1990-08-16
Publication date: 1991-01-17
Also published as: DD299893A7

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austrag von Heißgas und Schlacke aus einem Reaktionsraum und zur Überführung in einen darunter befindlichen Kühlraum. Sie ist insbesondere bestimmt für den Einsatz in Reaktoren zur Erzeugung von CO- und H₂-haltigen Gasen durch Partialoxydation von staubförmigen Brennstoffen im Flugstrom.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Für die Vergasung von festen Brennstoffen und von hochsiedenden, aschehaltigen flüssigen Brennstoffen, wie Teeren und Rückstands ölen, hat sich die Partialoxydation mit technischem Sauerstoff nach dem Flugstromprinzip bewährt. Die Vergasung erfolgt in der Regel unter höherem Druck. Bekannte Reaktoren zur Durchführung eines solchen Vergasungsprozesses bestehen aus einem Reaktions raum, in dem der zu vergasende Brennstoff, beispielsweise Kohlen staub, mit technischem Sauerstoff im Flugstrom, in der Form einer Flammenreaktion zu einem CO- und H₂-reichen Rohgas umgesetzt wird, und aus einem Kühlraum, in dem das 1300 bis 1500°C heiße Rohgas und schmelzflüssige Schlacke abgekühlt bzw. granuliert werden. Der Kühlraum ist unmittelbar unter dem Reaktionsraum angeordnet und mit diesem zusammen in einem äußeren Druckgehäuse untergebracht, wie beispielsweise DD-WP 1 50 313 zeigt. Vielfach erfolgt die Kühlung des Gases und die Granulierung der Schlacke, wie in DD-WP 1 50 313, DE-OS 29 40 933 und US-PS 28 96 927 beschrie ben, durch direkten Kontakt mit Wasser.

Der Kühlraum kann jedoch auch als Abhitzekessel, insbesondere mit Strahlungsheizflächen, gestaltet sein, wie beispielsweise DE-OS 26 50 512 belegt.

Für die Funktionstüchtigkeit solcher Reaktoren ist die Gestaltung der Vorrichtung zum gemeinsamen Austrag von heißem Rohgas und schmelzflüssiger Schlacke aus dem Reaktionsraum und zur Überfüh rung in den Kühlraum von entscheidender Bedeutung.

Mit DD-WP 1 50 313 ist eine solche Vorrichtung in Form eines ring förmigen Schlackenablaufkörpers aus Gußeisen bekannt, in dem axial die Verbindungsöffnung zwischen Reaktionsraum und Kühlraum, also die Schlacken- und Heißgasablauföffnung aus dem Reaktions raum angeordnet ist.

In dem Gußeisenkörper ist eine Kühlrohrschlange mit entsprechen dem Anschluß für Zuführung und Abführung von Kühlwasser eingegos sen. Der Gußeisenkörper ist zentral im Boden des Reaktionsraumes angeordnet. Seine Oberkante ragt dammartig über den umgebenden Boden hervor und soll zu einem gewissen Anstauen der flüssigen Schlacke vor dem Überlauf in den Kühlraum führen. Die Haltbarkeit eines solchen Körpers ist jedoch begrenzt, weil im Laufe des Betriebes Risse zwischen Stahlrohr und Gußeisen entstehen, die verhältnismäßig schnell zur Zerstörung und zum Ausbröckeln der gußeisernen Umhüllung führen.

Wie DE-OS 31 20 238 zeigt, kann die Kontur der Schlackenablauföff nung durch Kühlrohre gebildet werden, die durch zwischenge schweißte Stege zu einer gasdichten gekühlten Rohrwand verbunden sind und einen Teil des den Reaktionsraum umgebenden Kühlschirms bilden. In DD-WP 2 24 045 ist gezeigt, eine Vorrichtung zur Abfüh rung von flüssiger Schlacke als separaten Körper aus spiralig gewickelten Kühlrohren zu gestalten, die ebenfalls zu einer gas dichten Rohrwand verbunden sowie bestiftet und mit einer feuer festen Stampfmasse versehen sind.

Diese Vorrichtung ist trichterförmig ausgeführt, so daß die aus dem Reaktionsraum zulaufende Schlacke sofort ablaufen kann, was bei Schlacken bestimmter Zusammensetzung Vorteile bringen kann.

Die Betriebserfahrungen belegen, daß solche mit Stampfmasse ver sehenen Rohrwandkonstruktionen den thermischen Belastungen in der Schlackenauslauföffnung gut widerstehen und lange Reisezeiten erreichen können. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sie Störungs häufigkeit durch Schlackenansätze im nachgeschalteten Kühlraum bei Einsatz eines Schlackenauslaufes in Rohrwandkonstruktion größer ist als bei Einsatz eines Schlackenablaufkörpers nach beispielsweise DD-WP 1 50 313. Offensichtlich ist das dadurch bedingt, daß in größerem Umfange aus der Schlackenablauföffnung abgetragene Schlacke nach der Seite abspritzt, an kalten Wänden und Bauteilen anhaftet und damit den Keim für eine progressive Schlackenansatzbildung liefert.

Es ist aus dieser Sicht bezeichnend, daß diese Schwierigkeiten dann besonders groß sind, wenn der Schlackenauslauf-Vorrichtung ein Tauchrohr, wie z. B. nach DD-WP 1 45 025, nachgeschaltet ist, befindliches Wasserbad eingeleitet werden. Nicht zuletzt zur Vermeidung dieser dargestellten Schwierigkeiten ist deshalb nach der Lehre von DD-WP 2 24 045 unterhalb des eigentlichen Schlacken auslaufes eine Zyklonkammer angeordnet, mit der durch zusätzliche Beheizung und durch die Strömungsführung Schlackenansätze in der folgenden Kühleinrichtung verhindert werden sollen. Die Zusatzbe heizung ist jedoch mit beachtlichem Mehraufwand verbunden.

Titel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Vorrichtung zum Austrag von Heißgas und Schlacke aus einem Reaktionsraum und zur Überführung in einen darunter befindlichen Kühlraum zu schaffen, die hohe Standzeiten, ein Minimum an Störungen durch Verschlackung der nachgeschalteten Kühleinrichtung, insbesondere auch für den Fall der Verwendung eines Tauchrohres, und den Verzicht auf Zusatzbe heizung ermöglicht.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Abführung von flüssiger Schlacke und Heißgas aus dem Reaktions raum eines Reaktors zu entwickeln, die aus einem spiralförmig gewickelten Rohr gestaltet ist, dessen benachbarte Windungen gasdicht miteinander verbunden sind und das mit Zu- und Ablei tungen für ein Kühlmittel versehen ist, die einen einwandfreien Ablauf der Schlacke gewährleistet und auch in Verbindung mit einem Tauchrohr einsetzbar ist und die als selbständiger Baukör per montiert und demontiert werden kann.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, bestehend aus einem spiralförmig gewickelten Rohr, dessen benachbarte Windungen zu einer gasdichten Wand verbunden sind, das mit Zuführungs- und Abführungsanschlüssen für ein Kühlmittel versehen ist und das zu einem Körper aus einem ringförmigen Oberteil und einem sich an dieses zentral nach unten anschließenden zylindrischen Abschnitt geformt ist.

Erfindungsgemäß wird die Unterkante des zylindrischen Abschnittes durch mindestens eine horizontale Windung des spiralförmig ge wickelten Rohres umhüllt und durch einen Kranz von Segmenten gebildet, die an den unteren Windungen wärmeleitend befestigt sind, wobei der zylindrische Abschnitt in an sich bekannter Weise mit einer feuerfesten Schutzschicht belegt ist, welche bis an den Kranz von Segmenten heranreicht.

Die wärmeleitende Befestigung kann in bekannter Weise durch Schweißnähte sowie zur Überbrückung einer Distanz durch zwischen geschweißte Bolzen bzw. Stege erreicht werden.

Während bei der bisherigen Ausführung einer Konstruktion nach dem Prinzip des spiralförmig gewickelten Rohres der untere Rand des die Schlackenablauföffnung begrenzenden zylindrischen Abschnittes im Querschnitt gerundet und wegen der unvermeidlichen Zwickel auch nicht horizontal und eben war, wird mit der erfindungsge mäßen Lösung ein horizontaler, ebener Abschluß mit einer defi nierten Innenkante erreicht. Dieser Unterschied ist, wie sich gezeigt hat, maßgebend dafür, daß die an der Wand des zylindri schen Abschnittes herabfließende Schlacke weitgehend an der Kante senkrecht abtropft und nicht seitwärts nach außen abgelenkt wird. Es wurde weiter gefunden, daß dieser positive Effekt der erfin dungsgemäßen Ausführung auch nach längerem Einsatz und nach ge wissem Abbrand der Segmente an der die Abtropfkante bildenden Innenkante erhalten bleiben.

Erfindungsgemäß kann der aus einem spiralförmig gewickelten Rohr geformte Körper an der Außenseite des genannten ringförmigen Oberteiles einen nach unten ragenden gasdichten äußeren zylindri schen Abschnitt aufweisen, der wie der übrige Teil des Körpers aus Windungen des genannten Rohres besteht, die z. B. durch Stege gasdicht miteinander verbunden sind. Der äußere zylindrische Abschnitt ist gasdicht auf einer spiralförmigen Trennwand zwischen dem Reaktionsraum und dem Kühlraum abgestützt, während der die Schlackenablauföffnung bildende innere zylindrische Ab schnitt von oben in die Öffnung der genannten ringförmigen Trenn wand hineinragt bzw. hindurchgeführt ist. Mit dieser Ausführungs form ist eine vorteilhafte Lösung für die Montage der Vorrichtung gegeben, die eine spannungsfreie thermische Dehnung ermöglicht und gleichzeitig unkontrollierte Kriechströme von heißen Gasen vom Reaktionsraum in den Kühlraum an anderen Stellen als durch die vorgesehene Schlackenablauföffnung ausschließt.

Abhängig von der Gestaltung und Betriebsweise des Reaktionsraumes und von den Eigenschaften der schmelzflüssigen Schlacke kann das ringförmige Oberteil der Vorrichtung unter Bildung eines Über laufdammes konvex nach oben gekrümmt sein. In diesem Falle bildet sich am Boden des Reaktionsraumes, rings um den Überlaufdamm, ein Schlackenbad, das eine gewisse Homogenisierung der Schlackenzu sammensetzung und des Schlackenschmelzverhaltens ermöglicht.

Es hat sich bei dieser Ausführungsform als vorteilhaft erwiesen, wenn der Überlaufdamm einen halbkreisförmigen Querschnitt auf weist. Der halbkreisförmige Querschnitt sollte mit einem Radius zwischen 120 und 200 mm ausgeführt sein.

Es entspricht jedoch auch der Erfindung, das ringförmige Oberteil trichterförmig zu gestalten. Der mit dieser Ausführungsform er reichte unverzügliche Ablauf der anfallenden Schlacke in den Kühlraum ist besonders dann günstig, wenn eine Schlacke mit meh reren miteinander nicht mischbaren Phasen zu erwarten ist, die sich in einem stehenden Schlackenbad voneinander separieren wür den.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt sich be sonders in Verbindung mit einem Tauchrohr zur Einführung des Heißgas- und Flüssigschlackestromes in ein Wasserbad im unteren Teil des Kühlraumes. Das Tauchrohr ist dabei in bekannter Weise mit einem oberen Öffnungskranz zur Erzeugung eines an der Innen seite des Tauchrohres herabrieselnden Wasserfilms ausgerüstet. Bei dieser Kombination ragt der innere zylindrische Abschnitt der Vorrichtung erfindungsgemäß mit seiner Unterkante in das Tauch rohr hinein, wobei das Verhältnis des lichten Durchmessers des inneren zylindrischen Abschnittes der Vorrichtung zum lichten Durchmesser des Tauchrohres in einem Bereich zwischen 0,5 : 1 und 0,8 : 1 liegt.

Ausführungsbeispiel

Mit den Fig. 1 bis 3 sei die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch die in einem Vergasungsreaktor in Verbindung mit einem Tauchrohr in stallierte Vorrichtung,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der Unter kante des die Schlackenablauföffnung bildenden inneren zylindri schen Abschnitts und

Fig. 3 die Ansicht auf diese Unterkante von unten her.

Ein Reaktor zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen durch Partialoxydation mit technischem Sauerstoff mit dem äußeren Druckgefäß 1 ist durch eine ringförmige Trennwand 2 in einen Reaktionsraum 3 und einen darunter angeordneten Kühlraum 4 ge teilt.

Die Verbindung zwischen Reaktionsraum 3 und Kühlraum 4 wird durch eine Schlackenablauföffnung 5 in der Achse eines aus einem spiralförmig gewickelten Rohr 6 geformten Körpers gebildet. Gas dicht mit der Trennwand 2 verbunden ragt ein Tauchrohr 7 in ein am Boden des Kühlraumes 4 aufrecht erhaltenes Wasserbad 8.

Der aus dem spiralförmig gewickelten Rohr 6 geformte Körper der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem inneren zylindri schen Abschnitt 9, der die Schlackenablauföffnung 5 begrenzt, einem ringförmigen Oberteil 10, das als Überlaufdamm mit halb kreisförmigem Querschnitt gestaltet ist und einem äußeren zylindrischen Abschnitt 11, der sich gasdicht auf die ringförmige Trennwand 2 abstützt. Die Windungen des Rohres 6 sind durch zwischengesetzte Stege 12 zu einer gasdichten Rohrwand verbunden. Das Rohr ist weiter nach der Schlackenablauföffnung 5 und nach dem Reaktionsraum 3 hin bestiftet und mit einer Schutzschicht 13 aus feuerfester Stampfmasse belegt. Der Zuführung und Abführung von Kühlwasser für den Schlackenablaufkörper dienen die Anschlüs se 14 und 15. Der zylindrische Abschnitt 9 ragt in das Tauchrohr 7 hinein. Seine Unterkante wird durch mindestens eine horizontale Windung 25 des spiralförmig gewickelten Rohres 6 umhüllt und durch einen Kranz von Segmenten 16 gebildet, die an den unteren Windungen wärmeleitend durch Schweißnähte befestigt sind. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, zusätzlich die Segmente über Stege 17 mit dem spiralförmig gewickelten Rohr 6 wärmeleitend zu verbinden.

Dabei reicht die Schutzschicht 13 aus feuerfester Stampfmasse bis an die Innenkante der Segmente 16 heran. Das Tauchrohr 7 besitzt einen Wasseranschluß 18 und einen oberen Öffnungskranz 19, durch den ein an der Innenwand des Tauchrohres 7 herabrieselnder Was serfilm 20 erzeugt wird, der das Tauchrohr vor der thermischen Einwirkung des Heißgases und dem Anhaften von Schlacke schützt. Der Kühlraum 4 ist weiter mit einem Stutzen 21 zur Abführung des gekühlten Gases und einem Stutzen 22 zum Austrag der im Sumpf des Wasserbades anfallenden granulierten Schlacke versehen.

Durch Umsatz von Kohlenstaub mit technischem Sauerstoff wird im Reaktionsraum 2 unter einem Druck von ca. 3 MPa ein ca. 1500°C heißes, CO- und H₂-reiches Rohgas erzeugt, das mit dieser Tempe ratur über die Schlackenablauföffnung 5 und das Tauchrohr 7 in das Wasserbad 8 geleitet wird, beim Durchgang durch das Wasserbad auf ca. 200°C gekühlt und dabei mit Wasserdampf gesättigt wird und über Stutzen 21 den Kühlraum zu weiterer Aufbereitung ver läßt.

Bei der Rohgaserzeugung im Reaktionsraum 3 fällt schmelzflüssige Schlacke an, die zu einem Teil an der Wand 23 des Reaktionsraumes herabläuft, sich in einem Schlackebad 24 sammelt und anschließend über das in Form eines Überlaufdammes gestaltete ringförmige Oberteil 10 überläuft. Der andere Teil der Schlacke bleibt in Tropfenform im Rohgas suspendiert und wird mit dem heißen Gas in den Kühlraum gebracht. In beiden Fällen gelangt die Schlacke über das Tauchrohr 7 in das Wasserbad 8, wird dort granuliert und über Stutzen 22 ausgetragen. Das über den Wasseranschluß 18 zugeführte Kühlwasser bildet zunächst den auf der Innenseite des Tauchrohres 7 herabrieselnden, geschlossenen Wasserfilm 20, der die Wandung des Tauchrohres 7 vor Überhitzung und Ansetzen von Schlacke schützt und deckt dann das durch Verdampfung von Wasser und durch Verluste verbunden mit dem Austrag von Schlacke über Stutzen 22 entstehende Defizit im Wasserbad 8.

Der Überlaufdamm weist einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Radius von 150 mm auf. Das Tauchrohr 7 hat einen lichten Durchmesser von 900 mm, der zylindrische Abschnitt 11 von 500 mm, so daß sich ein Durchmesserverhältnis von zylindrischem Abschnitt zu Tauchrohr von 0,56 : 1 ergibt.

Unter den durch das Ausführungsbeispiel gegebenen Bedingungen werden befriedigende Reisezeiten bis zur Auswechslung der Vor richtung zum Austrag von Heißgas und Schlacke erreicht und Störungen durch Schlackenansätze an der Wand des Tauchrohres praktisch voll vermieden. Dagegen waren mit einer vergleichbaren früheren, als Rohrkonstruktion, aber ohne die erfindungsgemäßen Merkmale ausgeführten Vorrichtung in unregelmäßigen, aber unbe friedigend kurzen Abschnitten Reinigungsarbeiten am Tauchrohr zur Beseitigung von Schlackenansätzen nötig, die durch seitliches Abspritzen von Schlacke an der unteren Kante der Schlackenablauf öffnung und durch Zerstörung des Wasserfilms an der Aufprallstel le der Schlacke auf die Wand des Tauchrohres verursacht waren.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 äußeres Druckgefäß des Reaktors
2 ringförmige Trennwand
3 Reaktionsraum
4 Kühlraum
5 Schlackenablauföffnung
6 spiralförmig gewickeltes Rohr
7 Tauchrohr
8 Wasserbad
9 innerer zylindrischer Abschnitt
10 ringförmiges Oberteil
11 äußerer zylindrischer Abschnitt
12 Stege
13 Schutzschicht aus feuerfester Stampfmasse
14 Zuführungsanschluß für Kühlwasser
15 Abführungsanschluß für Kühlwasser
16 Segment
17 Stege
18 Öffnungskranz
20 Wasserfilm
21 Stutzen zur Abführung des Gases
22 Stutzen zum Austrag von Schlacke
23 Wand des Reaktionsraumes
24 Schlackenbad
25 horizontale Windung

Claims

1. Vorrichtung zum Austrag von Heißgas und Schlacke aus einem Reaktionsraum in einen Kühlraum, bestehend aus einem spiralförmig gewickelten Rohr, dessen benachbarte Windungen gasdicht mit einander verbunden sind, das mit Zuführungs- und Abführungsan schlüssen für ein Kühlmittel versehen ist und das zu einem Körper aus einem ringförmigen Oberteil und einem sich an dieses zentral nach unten anschließenden zylindrischen Abschnitt geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (9) an seiner Unterkante von dem spiralförmig gewickelten Rohr (6) durch mindestens eine horizontale Windung (25) umhüllt und der untere Abschluß der Schlackenauslauföffnung (5) durch einen horizontalen Kranz von Segmenten (16) gebildet, die an dem spiralförmig ge wickelten Rohr (6) wärmeleitend befestigt sind, wobei der zylind rische Abschnitt (9) in an sich bekannter Weise mit einer feuer festen Schutzschicht (13) belegt ist, welche bis zu dem Kranz von Segmenten heranreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Körper zusätzlich einen aus dem spiralförmig gewickelten Rohr gebildeten, an der äußeren Kante des ringförmigen Oberteils nach unten ragenden, gasdichten äußeren zylindrischen Abschnitt (11) aufweist, der gasdicht auf einer ringförmigen Trennwand (2) zwischen dem Reaktionsraum (3) und dem Kühlraum (4) abgestützt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Oberteil (10) unter Bildung eines Überlaufdammes konvex nach oben gekrümmt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufdamm einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbkreisförmige Querschnitt des Überlaufdammes mit einem Radius zwischen 120 und 200 mm aufgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Oberteil (11) trichterförmig gestaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Verbindung mit einem Tauchrohr, das mit einem oberen Öffnungskranz zur Erzeugung eines an der Innenseite des Tauchrohres herabrieselnden Wasser filmes ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere zylindrische Abschnitt (9) mit seiner Unterkante in das Tauchrohr (7) ragt und das Verhältnis des lichten Durchmessers des inneren zylindrischen Abschnittes (9) zum lichten Durchmesser des Tauch rohres in einem Bereich zwischen 0,5 : 1 und 0,8 : 1 liegt.