DK164245B

DK164245B - Gaskoeler for varmeovergang ved straaling

Info

Publication number: DK164245B
Application number: DK2290A
Authority: DK
Inventors: Knud Erik Bendixen
Original assignee: Burmeister & Wains Energi
Priority date: 1990-01-05
Filing date: 1990-01-05
Publication date: 1992-05-25
Also published as: DK2290D0; EP0536134A1; EP0536134B1; ES2057858T3; DK2290A; WO1991010106A1; DE69102878D1; DK164245C; DE69102878T2

Description

DK 164245B

i

Opfindelsen vedrører en gaskøler til køling af en strøm af gas, hovedsagelig ved stråling, især til køling af gas direkte nedstrøms for en forgasningsreaktor til forgasning af faste stoffer, hvilken gaskøler 5 omfatter en aflang, lodret placeret cirkulærcylindrisk trykbeholder med en tilgang for gas og slagge foroven, en afgang for kølet gas nær beholderens top, en afgang for slagge forneden, og i beholderen et varmevekslingselement med varmevekslingsflader, der strækker sig 10 over størstedelen af beholderens længde, og er sammensat af rør indrettet til at føre vand og vanddamp under højt tryk, hvilket varmevekslingselement omfatter en første ved enderne åben, hul, lodret cirkulærcylindrisk sektion, der er koaksial med trykbeholderen og en anden 15 lignende sektion, der er placeret inde i den første sektion koaksialt med denne, så der afgrænses en første central gaspassage, gennem hvilken gassen fra gastilgangen tillades at strømme lodret nedad, en anden gaspassage mellem de nederste mundinger af den anden og 20 den første sektion, og i hvilken gasstrømmens retning vendes 180°, og en tredje gaspassage dannet af mellemrummet mellem den første og anden sektion gennem hvilken gassen strømmer lodret opad til gasafgangen nær beholderens top.

25 Gassen, der afgår fra en sådan gasreaktor kan have et tryk på ca. 30 bar og en temperatur på 1400°C eller derover, og gassen vil almindeligvis medføre smeltet slagge. Af hensyn til en efterfølgende vaskning af gassen afkøles denne til ca. 200eC i flere trin. Den 30 indledende afkøling foretages ved hjælp af en strålingskøler af den indledningsvis angivne art.

For at opnå den bedst mulige virkningsgrad af det anlæg, hvori gassen frembringes og eventuelt senere udnyttes, er det nødvendigt at genanvende den varme, 35 der udtages fra gassen ved afkølingen i strålingskøleren. Dette gøres ved, at varmevekslingselementerne i 2

DK 164245 B

køleren gennemstrømmes af vand og vanddamp i en tofase-strøm under højt tryk, hvorefter dampen udskilles i et tilknyttet anlæg og udnyttes i et dampturbineanlæg.

Ved gaskølere af denne art tilstræbes det, at 5 den medrevne smeltede slagge afkøles så meget at den størkner inden gassen forlader køleren, og om muligt inden gassen når beholderens bund. Gaspassagen har lodrette vægge, så slaggen ikke sætter sig fast på disse vægge, men ved tyngdens kraft føres mod beholderens 10 bund, hvor der almindeligvis er indrettet et vandbad til afkøling af eventuel ikke størknet slagge. Ved beholderbunden findes også en udtagnings ind retning til portionsvis udtagning af slaggen under bibeholdelse af trykket i beholderen.

15 Da gassen, der strømmer ind i køleren foroven har en høj temperatur, er varmeovergangen i dette område meget stor og varmeovergangen foregår hovedsagelig ved stråling. Efterhånden som temperaturen af gassen falder, kræves der et forholdsvis større varmeoverfø-20 ringsareal for at afkøle gassen og slaggen tilstrækkeligt inden beholderbunden nås, og dette areal fås i kendte gaskølere ved at øge varmevekslingselementets længde og dermed beholderlængden indtil det nødvendige varmevekslingsareal er opnået. Sådanne lange beholdere 25 har den ulempe, at de er dyre og vanskelige at opbygge og transportere i vandret stilling, delvis på grund af selve beholderens længde, men også fordi afstivninger og understøtninger, der er bestemt til at bære varmevekslingselementet, når beholderen er placeret i lod-30 ret stilling, ikke har nogen virkning, når beholderen ligger vandret og der må derfor installeres ekstra afstivninger for at bære varmevekslingselementet i sidstnævnte stilling.

En gaskøler af den ovenfor beskrevne art kendes 35 f.eks. fra US patentskrift nr. 4 493 291.

Det er hensigten med opfindelsen at angive en strålingskøler, der ikke har de ovenfor beskrevne u-lemper.

3

DK 164245 B

Gaskøleren ifølge opfindelsen adskiller sig fra den kendte gaskøler ved, at den omfatter et i den første passages nederste del centralt beliggende andet varmevekslingselement og et i den tredje passages øver-5 ste del beliggende tredje varmevekslingselement, at det andet og det tredje varmevekslingselement er opdelt i flere separate, lodrette, plane paneler, og at rørene, der danner det andet varmevekslingselement går direkte over i rørene, der danner det tredje varmevekslingsele-10 ment.

Med det centralt beliggende andet varmevekslingselement opnås, at slaggen kan afkøles så kraftigt, at den er størknet før den udskilles fra gasstrømmen, og med det tredje varmevekslingselement opnås en kraf-15 tig forøgelse af varmeovergangsarealet i det område af køleren, hvor gastemperaturen er lavest, og hvor var-meovergangen delvis sker ved konvektion, ved at udføre det tredje varmevekslingselement som separate plane, lodrette paneler opnås varmevekslingsflader, der er 20 glatte og forhindrer opsamling af slaggeparatikler, og som også frembyder en forholdsvis lille modstand mod gassens passage.

Ved at lade rørene, der danner det andet varmevekslingselement gå direkte over i rørene, der danner 25 det tredje varmevekslingselement, opnås yderligere, at tofasestrømmen af vand og vanddamp gennem rørene kan fortsætte direkte fra det ene varmevekslerelement til det næste, uden at den forstyrres ved gennemløb af konventionelle samle- og fordelingskasser ved henholdsvis 30 afgangen fra det ene varmevekslerelement og tilgangen for det næste varmevekslerelement. Tofasestrømmen er meget følsom overfor modstands-og retningsændringer i rørsystemet, idet der under sådanne ændringer let forekommer en separering af strømmen i dennes to faser, 35 hvilket giver en væsentlig forringet varmeovergang, og når de separerede faser føres sammen i en samlekasse, 4

DK 164245 B

kan-der opstå vandslag og kavitation i rørsystemet, ved rørføringen ifølge opfindelsen opnås desuden, at strømningsmodstanden på både gas-og kølemediesiden kan reduceres .

5 Ifølge en foretrukket udførelsesform af opfin delsen passerer rørene, der forbinder det andet varmevekslingselement med det tredj e varmevekslingselement mellem rørene i den anden sektion og er fast forbundet med disse. De gennemgående rør virker på denne måde som 10 ophæng for det andet varmevekslingselement og tilvejebringer derved en yderligere afstivning.

En anden udførelsesform er ejendommelig ved, at rørene, der danner varmevekslingsfladerne forløber i hovedsagen lodret, og fortrinsvist er sammensvejst til 15 membranrørvægge. Ved disse foranstaltninger opnås varmevekslingsflader, på hvilke slaggepartikler ikke samler sig.

En yderligere udførelsesform er ejendommelig ved, at den første og/eller den anden sektion forneden 20 har tilgangsrør, der i den anden gaspassage danner en fangrist for slaggepartikler. Ved denne udformning af vandtilgangsrørene til varmevekslingselementet opnås, at større slaggepartikler, der medrives af gassen hindres i at trænge op i den tredje gaspassage.

25 I endnu nogle foretrukne udførelses former kan det andet varmevekslingselements paneler have en radial ydre kant, der er fast forbundet med den anden sektions varmevekslingsflade, og det tredje varmevekslingselements paneler kan hver være fast forbundet med varme-30 vekslingsflader i den første og den anden sektion. Herved opnås en fordelagtig indbyrdes afstivning mellem varmevekslingselementerne, der er virksom både i vandret og i lodret stilling af beholderen.

I en udførelsesform kan den første sektion, den 35 anden sektion og det tredje varmevekslingselement foroven være forbundet til en fælles afgangskasse for vand 5

DK 164245 B

og ..vanddamp, og den fælles afgangskasse kan være båret i beholderens øverste del og selv bære den fulde vægt af alle tre varmevekslingselementer. Den fælles afgangskasse kan være ophængt i endebunden eller kan fx.

5 være båret af konsoller fastsvejst foroven i svøbet. Da hele vægten af alle varmevekslingselementerne i lodret stiling af beholderen bæres af den fælles afgangskasse, er det blot nødvendigt at styre varmevekslingselementerne forneden på kendt måde, så de er bevægelige i 10 længderetningen af hensyn til varmeudvidelsen. Derved undgås de ofte komplicerede og pladskrævende afstivninger, som anvendes i kendte kølere. Som følge af varmevekslingselementernes cylindriske udformning er de tilstrækkelig stive til, at køleren kan transporteres i 15 vandret stilling, uden at der er behov for ekstra afstivninger. Denne udførelsesform har den yderligere fordel, at vedligeholdelsen af varmevekslingselementerne lettes, idet elementerne som en enhed kan løftes ovenud af den lodretstående beholder, efter at dennes 20 top er demonteret.

Opfindelsen vil nu blive forklaret nærmere ved hjælp af nogle udførelsesformer og med henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et noget skematisk længdesnit langs 25 linien I-I i fig. 2 i en strålingskøler ifølge opfindelsen , fig. 2 et snit langs linien II-II i fig. 1 fig. 3 et tværsnit i den øvre del af en anden udførelsesform af strålingskøleren og 30 fig· 4 et tværsnit som i fig. 3 i en tredje ud førelsesform af strålingskøleren.

Den i fig. 1 viste strålingskøler består af en aflang, cirkulærcylindrisk trykbeholder 1 med et svøb 2, og har foroven og forneden endebunde henholdsvis 3 35 og 4. Den øverste endebund 3 har en studs 5 for tilslutning til en ikke vist ledning for tilførsel af varm 6

DK 164245 B

gas- til strålingskøleren. Endebunden 3 har en indvendig varmeisolering 6 til beskyttelse mod varmepåvirkningen fra gassen og den korrosive virkning af smeltede slagge, der medføres af gassen. Til afkøling af isole-5 ringen 6 er der i denne indlagt en kølespiral 7.

I svøbet tæt under endebunden 3 er placeret en studs 8 for afgang af afkølet gas fra strålingskøleren. Den nederste endebund 4 har en studs 9 til forbindelse med en ikke vist indretning til udtagning 10 af afkølet slagge fra beholderbunden 4, medens beholderen 1 står under tryk.

Inde i beholderen og koaksialt med denne er placeret et første varmevekslingselement med en første sektion 10, der er udformet som et ved begge ender 15 åbent, cirkulærcylindrisk rør, hvis rørvæg er en mem-branrørvæg med lodretgående rør. Sektionen 10 er indbyrdes adskilt fra svøbet 2, men ligger tæt ved dette.

En anden sektion 11 af varmevekslingselementet er opbygget på samme måde som sektionen 10, men har en min-20 dre diameter end denne og er placeret inde i sektionen 10 koaksialt med beholderen. Sektionen 11 strækker sig fra samme niveau ved toppen af beholderen som sektionen 10, men er noget kortere end denne. Mellem sektionerne 10 og 11 er der yderligere i den tredje 25 gaspassage 14 lodrette paneler 10a, placeret med indbyrdes lige store afstande og beliggende i planer, der indeholder beholderaksen.

Som følge af denne udformning og beliggenhed af sektionerne 10 og 11 fremkommer en første central 30 gaspassage 12, der afgrænses af indersiden af sektionen 11, en anden gaspassage 13, der dannes af beholderrummet mellem de nederste mundinger af sektionerne 10 og 11 samt en tredje gaspassage 14, der udgøres af mellemrummet mellem sektionerne 10 og 11. I det neder-35 ste parti af den første gaspassage 12 og koncentrisk med beholderen er placeret et andet varmevekslingsele- 7

DK 164245 B

ment 15, der hovedsagelig er opbygget som paneler 15a af lodrette membranrørvægge, der ligger i planer, der indeholder beholderaksen og hvis radiale yderkanter er fast forbundet med sektionen 11's membranrørvæg. Den 5 nederste ende af varmevekslingselementet 15 er beliggende i et niveau, der ligger på højde med sektionen 11's nederste munding.

Ved varmevekslingselementet 15's øverste ende er de rør, der danner membranrørvæggene ført skråt opad 10 og ud gennem sektionen 11's membranrørvæg, hvorefter de fortsætter op gennem gaspassagen 14, hvor de danner et tredje varmevekslingselement 16, der afsluttes i et niveau, der ligger under gasafgangsstudsen 8. Som vist i fig. 2 er varmevekslingselementet 16 udformet som 15 flere lodrette paneler 16a, der hver er opbygget som rørmembranvægge med lodretgående rør.

I den i fig. 1 viste udførelsesform har det første og det andet varmevekslingselement 15 forneden en tilgangskasse for kølemedium. Kølemediet passerer di-20 rekte fra varmevekslingselementet 15 til varmevekslingselementet 16 uden først at gå igennem en afgangskasse og en tilgangskasse for varmevekslingselementerne henholdsvis 15 og 16. Varmevekslingselementerne har foroven en fælles afgangskasse 20 for køle-25 medium. Afgangskassen 20 er ved hjælp af afgangsrørene ophængt i endebunden 3 og hele vægten af alle varmevekslingselementerne bæres således af afgangskassen. Tilgangskassen har ikke-viste styr, der begrænser varmevekslingselementernes radiale bevægelse, men tillader 30 varmevekslingselementerne at bevæge sig frit i beholderens længderetning under påvirkning af de herskende temperatur- og trykforhold.

Som ovenfor nævnt fortsætter rørene fra det andet varmevekslingselement 15's membranrørvægge gen-35 nem den anden sektion 11's membranrørvægge. Dette sker ved, at rørene fra de to varmevekslings flad er

DK 164245 B

δ flettes mellem hinanden på kendt måde. I selve overgangsområdet er rørene fra de to varmevekslingsflader yderligere sammensvejst, således at der sikres en god understøtning og afstivning af såvel den øverste ende 5 af det andet varmevekslingselement 15 som den nederste ende af det tredje varmevekslingselement 16. Ved på denne måde at udnytte de enkelte varmevekslingselementers til- og afgangskasser og deres membranrørvægge som afstivende og bærende elementer, undgås den ved kendte 10 strålingskølere anvendte komplekse afstivning, der dels kræver plads og dels medfører risiko for ophobning af slaggepartikler. Den ovenfor beskrevne afstivning i køleren ifølge opfindelsen er yderligere tilstrækkelig i de situationer, hvor køleren transporteres i hovedsage-15 lig vandret stilling.

I den i fig. 3, viste udførelsesform er den første varmeveksler opbygget hovedsagelig som omtalt under beskrivelsen af fig. 1, men det tredje varmevekslingselement 16 er her vist som paneler af lodrette membran-20 vægge, der er tangentielt beliggende i den tredje gaspassage 14.

I den i fig. 4 viste udførelsesform er det tredje varmevekslingselement 16’s lodret forløbne membran-vægge fast forbundet med det første og det andet varme-25 vekslingselements membranvægge. Dette giver en yderligere indbyrdes afstivning af det første, det andet og det tredje varmevekslingselement i det øverste afsnit af beholderen.

Strålingskøleren ifølge opfindelsen virker på 30 følgende måde. Varm gas fra en forgasnings reaktor strømmer ind gennem studsen 5 med en temperatur på ca. 1400°C eller derover og videre ned gennem den første centrale gaspassage 12. I dette første område sker der en meget kraftig varmeovergang hovedsagelig som 35 følge af stråling. I den følgende del af gaspassagen 12 afkøles gassen yderligere, idet den stryger ned

DK 164245 B

9 langs det andet varmevekslingselement. Herved sænkes temperaturen af gassen og den medrevne smeltede slagge så meget, at i hvert fald de finere slaggepartiker er helt størknet, når den anden gaspassage 13 nås. Større 5 smeltede slaggepartier fortsætter på grund af inertien og tyngdekraften direkte ned mod beholderens bund 4, hvor der er indrettet et vandbad til afkøling af slaggestykkerne. Denne opsamlede slagge kan lukkes ud via studsen 9 ved hjælp af et ikke vist slusearrangement, 10 medens beholderen står under tryk. Under gennemløbet af gaspassagen 13 vendes gasstrømmens retning 180' og gassen strømmer nu opad i gaspassagen 14 under stadig afkøling. Gastemperaturen bliver efterhånden så lav, at varmeoverføringen til varmevekslingselementerne, især 15 ved gennemstrømningen af det tredje varmevekslingselement hovedsagelig sker ved konvektion. Gassen forlader køleren gennem studsen 8 ved den øverste del af det tredje varmevekslingselement.

Da alle varmevekslingselementer er udformet som 20 membranrørvægge med lodrette rør, vil vedhæftende slagge på væggene i den første gaspassage blive fejet mod beholderbunden af gasstrømmen under assistance af tyngdekraften. Retningsændringen af gasstrømmen i den anden gaspassage medvirker yderligere til at udskille tungere 25 slaggepartikler, som falder ned i beholderbunden og de lodrette flader i den tredje gaspassage virker også hindrende på eventuelle ophobninger af partikler.

I den udførelsesform der er vist i fig. l, har den første 10 og den anden sektion 11 forneden en 30 fælles tilgangskasse 23 og rørene 21 fra denne fælles kasse til den anden sektion 11 er ført således, at de danner en fangrist for slaggepartikler i den anden gas-passage 13. Dette medvirker yderligere til at forhindre at større partikler føres videre op igennem den 35 tredje gaspassage 14.

For yderligere at hindre ophobning af slaggepartikler på varmevekslingsfladerne kan der fx i den i

Claims

10 DK 164245 B I den udførelsesform der er vist i fig. 1, har den første 10 og den anden sektion 11 forneden en fælles tilgangskasse 23 og rørene 21 fra denne fælles kasse til den anden sektion 11 er ført således, at 5 de danner en fangrist for slaggepartikler i den anden gas-passage 13. Dette medvirker yderligere til at forhindre at større partikler føres videre op igennem den tredje gaspassage 14. For yderligere at hindre ophobning af slaggepar-10 tikler på varmevekslingsfladerne kan der fx i den i fig. 1 viste udførelsesform være anbragt mekaniske vibrationsorganer ved tilgangskassen 23, idet sidestyrene for varmevekslingselementerne her tillader en vis bevægelighed af disse, hvorved vibrationsorganerne kan 15 udøve en særlig stor effekt. I den øverste del af beholderen, især i den øverste del af den tredje gaspassage 14, kan det være fordelagtigt at indsætte sodblæsere til rensning af de lodrette kanaler mellem det fjerde varmevekslingselements lodretstående membranrør-20 vægge, idet vibrationsorganernes virkning i dette område vil være mindre på grund af den stivere konstruktion i området. 25

1. Gaskøler til køling af en strøm af gas, hovedsagelig ved stråling, især til køling af gas direkte nedstrøms for en forgasningsreaktor til forgasning af faste stoffer, hvilken gaskøler omfatter en aflang, 30 lodret placeret cirkulærcylindrisk trykbeholder (1) med en tilgang (5) for gas og slagge foroven, en afgang for kølet gas (8) nær beholderens top, en afgang (9) for slagge forneden, og i beholderen (1) et varmevekslingselement med varmevekslingsflader, der strækker sig 35 over størstedelen af beholderens længde, og er sammensat af rør indrettet til at føre vand og vanddamp under højt tryk, hvilket varmevekslingselement omfatter en DK 164245 B 11 første ved enderne åben, hul, lodret cirkulærcylindrisk sektion (10), der er koaksial med trykbeholderen (1) og en anden lignende sektion (11), der er placeret inde i den første sektion (10) koaksialt med denne, så der af-5 greenses en første central gaspassage (12) gennem hvilken gassen fra gastilgangen (5) tillades at strømme lodret nedad, en anden gaspassage (13) mellem de neder-ste mundinger af den anden (11) og den første (10) sektion, og i hvilken gasstrømmens retning vendes 180*, og 10 en tredje gaspassage (14) dannet af mellemrummet mellem den første (10) og anden (11) sektion gennem hvilken gassen strømmer lodret opad til gasafgangen (8) kendetegnet ved, at den omfatter et i den første passages (12) nederste del centralt beliggende andet 15 varmevekslingselement (15) og et i den tredje passages (14) øverste del beliggende tredje varmevekslingselement (16), at det andet og det tredje varmevekslingselement er opdelt i flere separate, lodrette, plane paneler (15a, 16a), og at rørene, der danner det andet 20 varmevekslingselement (15) går direkte over i rørene, der danner det tredje varmevekslings element (16).

2. Gaskøler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rørene, der forbinder det andet varmevekslingselement (15) med det tredje varmevekslingsele- 25 ment (16) passerer mellem og er fast forbundet med rørene i den anden sektion (11), som således bærer det andet varmevekslingselement (15).

3. Gaskøler ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at rørene, der danner varmevekslings- 30 fladerne forløber i hovedsagen lodret, og fortrinsvist er sammensvejst til membranrørvægge.

4. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den første (10) og/eller den anden (11) sektion forneden har tilgangs- 35 rør (21), der i den anden gaspassage (13) danner en fangrist for slaggepartikler. 12 DK 164245 B

5. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at det andet varmevekslingselements (15) paneler (15a) har en radialt ydre kant, der er fast forbundet med den anden sektions 5 (11) varmevekslingsflade.

6. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at det tredje varmevekslingselements (16) paneler (16a) hver er fast forbundet med varmevekslingsflader i den første (10) og 10 den anden (11) sektion.

7. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den første sektion (10), den anden sektion (11) og det tredje varmevekslingselement (16) foroven er forbundet til en fælles 15 afgangskasse (20) for vand og vanddamp, og at den fælles afgangskasse (20) er båret i beholderens (1) øverste del og selv bærer den fulde vægt af alle tre varmevekslingselementer .

8. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående 20 krav, kendetegnet ved, at den har sodblæsere fortrinsvis ved overparten af det andet varmevekslingselement og mekaniske vibrationsorganer fortrinsvis i områderne ved varmevekslingselementernes til-og/eller afgange til rensning af varmevekslingsfladerne under 25 drift.