DK167126B1 - Varmeveksler og fremgangsmaade til overvaagning af tryk i varmeveksler - Google Patents

Description

i DK 167126 B1

Den foreliggende opfindelse angår et varmevekslerapparat til behandling af en strøm af varm, parti kelmedførende gas, omfattende en aflang kappe med en indløbsport for at modtage den varme parti kelmedførende gas og en udløbsport for udskilning af afkølet, i det 5 væsentlige parti kel fri gas, en vandkappe arrangeret i den aflange kappe og dannende et varmevekslingskammer med en nedstrøms ende og arrangeret i afstand fra kappen, så der dannes en ringformet passage, et passageorgan, som forbinder indløbsporten med varmevekslerkammeret til indføring af varm, parti kel medførende gas deri, og et tværpassageorgan, 10 som forbinder varmevekslerkammerets nedstrøms ende med udløbsporten hhv. med den ringformede passage.

Opfindelsen angår endvidere.en fremgangsmåde til overvågning af trykforholdene i højtryksvarmevekslere med en yderkappe, en indre vand-panel væg i afstand fra kappen, så der dannes en ringformet passage, og 15 så der dannes et varmevekslerkammer, hvori der indføres en højtrykspartikelmedførende gasstrøm, samt et passageorgan, som forbinder varmevekslerkammeret med den ringformede passage.

Ved fremstilling af syntetisk gas anvendes et brændstof omfattende fint, formalet kul, koks eller et flydende brændstof, som forbrændes i 20 en kontrolleret atmosfære. Det frembragte, afstrømmende medium omfatter således ikke alene syntetisk gas, men også en vis mængde af støv eller flyveaske. Køling af varm, syntetisk gas fra en gasfrembringer og af fint, fordelt faststof som pulveriseret flyveaske eller slagge er hidtil sket ved strålekedler, som genererer damp i rør i vandpanel vægge. Ved en 25 sådan kedel eller varmeveksler udtages størknede slagger og afkølet, syntetisk gas forneden i en nedstrømsstrålekedel. I anlæg af kommerciel størrelse kan strålekedeldimensionerne imidlertid blive til en begrænsende faktor, hvis der anvendes en enkelt fremdrevet strømning af varm, syntetisk gas.

30 Der kendes forskellige konstruktioner af varmevekslere såsom strå lespi ldvarmekedl er til overføring af varme fra en strøm af varm gas, som skal køles. Mange af disse konstruktioner kan ikke let tilpasses til strøm af syntetisk gas i stor skala. Andre kendte spildvarmekedler udviser meget kompliceret konstruktion, f.eks. den, der kendes fra US pa-35 tentskrift nr. 4 377 132.

På grund af de ekstreme varmeomstændigheder, hvorunder sådanne konstruktioner skal drives, er de udsat for beskadigelse i tilfælde af mindre driftsforstyrrelser af udstyret. Processen kan endvidere tage en DK 167126 B1 2 ikke-forudset retning som resultat af tilstedeværelsen af det faste segment i den varme fremstillede gas eller som resultat af ophobning af faststoffer på kritiske steder.

Vandpanelvægge konstrueres typisk til at modstå et differential -5 tryk ved en dimensioneringsværdi omkring 10 psi (0,69 Bar) under normale omstændigheder ved processen og på dampsiden. Differenti altryk, som o-verstiger dimensioneringsværdien kan føre til ødelæggende skader på beholderkappen ved, at den bliver udsat for de varme gasser.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes et apparat af den indledningsvis 10 angivne art, som er ejendommeligt ved, at et trykovervågningssystem er tilknyttet varmevekslerapparatet, hvilket system omfatter et organ, der udgør en gastrykdifferential indikator, at et første føringsorgan forbinder varmevekslerkammeret med gastrykdifferential indikatoren, og at et andet føringsorgan forbinder den ringformede passage med gastrykdiffe-15 rent i al i nd i katoren.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes endvidere en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art, som er ejendommelig ved overvågning af en første trykværdi i varmevekslerkammeret, overvågning af en anden trykværdi i den ringformede passage, bestemmelse af trykdifferentialet 20 mellem den første og den anden trykværdi, og tilpasning af driften af varmeveksleren som reaktion på et detekteret trykdifferentiale, som overstiger et forud fastlagt trykdifferentialniveau. Herved opnås en konstruktion hhv. en fremgangsmåde til køling af syntetisk gas, som er egnet til sikker føring af en partikelfyldt gasstrøm ved høj temperatur, 25 og som kan fungere uden risiko for skader under arbejdsomstændigheder omfattende et højtemperaturmiljø, selv hvor der i den varme gasstrøm medføres en stor mængde af faststoffer.

Endvidere opnås en varmeveksler, som kræver relativt kort nedlukningsperiode for at udføre indvendig udskiftning af dele.

30 Med opfindelsen bliver det muligt at opdage begyndelsen af en ska delig ophobning af slaggepartikler, inden den har ført til en farlig situation.

Advarsels- eller overvågningssystemet omfatter et føleorgan, som overfører trykkene i den centrale gaspassage og i ringkammeret til en 35 different!al trykanalysator, der omfatter midler til at advare en operatør om opbygning af for stort differential tryk hen over vandpanelvæg-gen.

Opfindelsen vil fremgå nærmere af den følgende detaljerede beskri- DK 167126 B1 3 velse under henvisning til tegningen, hvorpå fig. 1 er et gennemskåret sidebillede af en varmeveksler af den angivne type med skematisk fremstilling af differenti al-5 tryk-advarselssystemet, fig. 2 er et tværsnit langs linien 2-2 i fig. 1, fig. 3 er et forstørret tværsnit langs linien 3-3 i fig. 1, og fig. 4 er et forstørret tværsnit langs linien 4-4 i fig. 3.

10 Ved fremstilling af syntetisk gas fra pulveriseret kul, koks o.- lign. er det altid nødvendigt at køle den varme fremstillede gas. Denne operationsfase sker normalt i en gaskøler af en eller anden form. For at ... opnå. bedst mulig økonomi udtages varmen i en strålekedel, så der frembringes damp i vandpanel rørsvægge i kedel konstruktionen. Størknede slag-15 ger fra de med den varme syntesegas medførte faststoffer udtages normalt ved bunden af kedlen. Ved anlæg i kommerciel størrelse er mængden af syntesegasstrøm således, at dimensionerne af en strålekedel af denne type kan blive en begrænsende faktor. Under hensyn til de forskellige størrelser og vægte af det faste parti kel formige segment i den syn-20 tetiske gas bliver faststofferne overhovedet ikke fjernet i køleren. Der må derfor træffes foranstaltninger til at hindre faststofferne i at blive ophobet i apparaturet på kritiske steder. Hvis sådanne ophobninger ikke hindres, kan de ske i en udstrækning, så der sker termisk beskadigelse eller anden funktionsforstyrrelse.

25 Betegnelsen vandpanelvæg som anvendt heri er kendt for fagmanden.

En vandpanelvægkonstruktion kan mere konkret beskrives således, at der er arrangeret en flerhed af rørformige passager til rumning eller cirkulering af et fluidum, som modtager udvekslet varme. Den sædvanlige vandpanel vægkonstruktion anvendes i den cylindriske varmevekslerenhed ifølge 30 opfindelsen. Som vist i fig. 2 er vandpanel væggen konstrueret med parallelle vandrør 22 og 23, som har mellemliggende finner 24 og 26 eller andre midler, som forener rørenes vægge, så der dannes en samlet, cylindrisk, gastæt overflade.

Rørene er som nævnt ovenfor normalt arrangeret parallelt og for-35 bundet ved de respektive ender med cirkulære grenrør, så der er en fælles passage for fluidum ind i og en fælles passage for damp ud fra de respektive rør.

Idet der henvises til fig. 1 og 2, omfatter en strålevarme-gaskø- DK 167126 B1 4 ler eller varmeveksler 10 ifølge opfindelsen en aflang, opretstående tank eller kappe’ 11 med et indløb 12 arrangeret aksialt. ved kappens øvre ende. En vandpanelvæg 13 i afstand inden for kappen 11 varetager strålevarmeveksling fra den varme syntesegas med medførte faststoffer, som 5 strømmer ned gennem den centrale passage 14.

Vandpanelvæggen 16 er konstrueret med grenrør 16 og 17 ved hhv. toppen og bunden af rørene 22 og 23, som danner væggen, og som danner den centrale kølepassage 14. Denne sædvanlige rørkonstruktion anvendes, så det cirkulerende fluidum, i dette tilfælde vand, kan cirkuleres og 10 udtages som brugbar damp. Vandvæggen 13, der er arrangeret koaksialt med kappen 11, danner en ring eller et aflangt, ringformigt kammer 27 mellem de to nær ved hinanden beliggende overflader.

Ved den nederste ende af kappen 11 er der et bad 18 eller en vis mængde vand, der virker til at modtage og svale faststoffer, som medfø-15 res i den varme syntesegas, når den strømmer aksialt ned igennem den centrale passage 14. Det forstås, at vandet holdes inden i kappens nedre ende eller i badet ved en slusebeholder, niveautank eller tilsvarende tilsluttet konstruktion. En vis cirkulation af vand ind i og ud fra badet 18 opretholdes gennem indløbet 19 og udløbet 21, som er antydet ske-20 matisk.

Den nederste ende af vandpanel væggen 13 er forsynet med mindst ét og fortrinsvis med en flerhed af nedad tilspidsede segmenter 31 og 32, som virker til gradvis indsnævring af den varme gasstrøm til en hurtigt forløbende strøm.

25 Efter den parti kel medførende, syntetiske gas er tilstrækkeligt kø let ved kontakt med vandpanel vægsoverfladen, går gassen ind i den indsnævrede åbning 33 og presses til en modsat strømning. Den rettes der opad mod afgangsporten 34 indrettet i en side af kappen 11. Den første eller den indledende, nedad tilspidsede sektion 31 i den centrale passa-30 ge 14 er placeret ved den nedre ende af vandpanel væggen 13 og omfatter et i hovedsagen keglestubformet element, som afsluttes i en forsnævret hals eller åbning 33. Idet den hurtigtstrømmende gas passerer gennem den forsnævrede hals, stiger dens hastighed betydeligt. De tungere, faste partikler føres således ved deres bevægelsesmoment mod vandbadet 18. Den 35 gasformige kompo$ant af strømmen fortsætter derimod under omvending af sin strøm og føres mod afgangsporten 34 gennem en ringformet passage 29.

I det andet forsnævrede segment 32 rettes de større faststoffer og partikler ned i vandbadet 18. Faststofferne falder ned i slusebeholderen DK 167126 B1 5 gennem drænporten 36.

Hvad angår den afkølede og i det væsentlige parti kel frie gas, forstås det, at en del af de faste partikler vil have en størrelse og vægt, så de ikke påvirkes ved den omvendte strømning af gassen. Det angår par-5 tikler, som generelt har mindre end 5 μ-diameter. De passerer derfor ind i afgangsporten 34 og den tilsluttede tværføring 37. Over en vis tidsperiode vil disse partikler, hvoraf nogle kommer i kontakt med tværføringens vægge, have tendens til at hænge ved der. Under visse omstændigheder kan partiklerne blive ophobet og eventuelt bygges op til at frembyde 10 en betydelig blokering i føringens hovedpassage 38.

For at undgå eventuel, fuldstændig tilstopning af gasstrømmen gennem tværføringen 37 er denne forsynet med en forbi strømskanal 39. Når gasstrømmen ikke kan passere, eller den er blokeret i den centrale passage 38, afledes den, så den strømmer gennem den sekundære åbning eller 15 forbi strømsåbning 39, hvorved den kan fortsætte til nedstrømsudstyr for videre behandling af gassen.

For at opretholde en ligevægtstilstand eller en tilstand med trykbalance hen over vandpanel væggen 13 står ringkammeret 27 mellem vandpa-nelvæggen og den indvendige overflade af kappen 11 funktionsmæssigt i 20 forbindelse med trykket i den centrale passage 14. Dette arrangement sikrer normalt, at der ikke opstår nogen nævneværdig trykforskel hen o-ver vandpanel væggen 13.

I det tilfælde, der udvikler sig en trykforskel, således at trykket i ringkammeret 27 enten falder eller stiger, kunne vandpanelvæggen 25 13 blive beskadiget, så der kunne opstå lækagesteder. Dette ville normalt være resultatet, hvis væggen blev ekspanderet eller deformeret. Forbindelsesfinnerne 26 eller forbindelsessømmene imellem dem kunne også blive så meget beskadiget, at varm gas kunne komme ind i ringkammeret 27 og derefter stige til mellemkammeret 41 under enhedens top 42.

30 Idet der henvises til fig. 3, kan sikkerheds- eller overvågnings systemet, som er indbygget i den beskrevne varmeveksler eller strålekøler, bedst være indskudt ved en flerhed af steder og fortrinsvis ved tre eller flere steder. Eventuelt trykdifferentiale, som måtte udvikle sig mellem den centrale passage 14 og ringkammeret 27, kan derved hurtigt 35 bestemmes, så der kan reageres på det samtidigt.

På et sådant sted, og som vist i fig. 3, er en indkapsling eller et hus 46 tilsluttet ringkammeret 27 og omfatter en til koblingsflange 47 ved sin yderste ekstremitet. En trykføler-tilslutningsstuds udformet i DK 167126 B1 6 vandpanel væggen 13 omfatter en cylindrisk fitting 48 med en åben ende i forbindelse med den centrale passage 14. Den anden eller den indvendige ende af fittingen 48 har gevind, så den aftageligt kan fastholde en gastæt fitting 49. Den cylindriske fitting 48 er placeret mellem to ved si-5 den af hinanden beliggende kedel rør 22 og 23 på en sådan måde, at den ikke bliver termisk beskadiget ved sin udsætning for varme gasser i det centrale varmevekslerkammer 14.

En første trykføl erstuds omfatter en længde af rør eller rørledning eller fortrinsvis et fleksibelt, metallisk rør 51. Røret er tilpas-10 set og har en vis overlængde, så der er plads til termisk induceret differential bevægelse mellem kappen 11 og vandpanelvæggen 13.

En trykovervågningsenhed 52 omfatter et basiselement 53 i form af en monteringsflange med gennemgående åbninger, der holder rørelementer 54 og 56. Tilslutningsbolte 57 tillader ved siden af hinanden beliggende 15 flanger at spændes til gastæt kontakt med en termisk modstandsdygtig tætningspakning 58 sammenpresset derimellem, så der sikres gastæt be-standighed af samlingen. En anden rørleder eller rørføring 56 er placeret i basisen 53 og åben direkte ind i husets 46 indre passage 59. Første rørføringer 54 står i forbindelse med en gastæt konnektor 61 ved den 20 distale ende af føleledningen 51 og er åben ind imod varmevekslerkamme-ret 14.

En første rørledning 54 med afspærringsventil 43 har sammen med en anden rørføring 56 forbindelse til en trykdifferenti al analysator 62 gennem ledninger hhv. 63 og 64. En anden rørføring 56 omfatter også en af-25 spærringsventil 66.

Det beskrevne sikkerhedssystem er konstrueret til og virker til at overvåge differential tryk hen over vandpanel væggen 13 i varmevekslerenheden 10 som faktor til at hindre beskadigelser af den. Ved overvågning af differential trykkene ved bestemte punkter i enheden vil ethvert de-30 tekteret differentiale udløse advarsel om et truende problem. Omend der kun er vist én, er hver blandt en flerhed af trykføl estudse derfor forbundet til en fælles differentialtrykanalysator 62. Denne omfatter en passende advarselsindretning enten tilgængelig eller synlig til at give nødvendig indikering om stigning i et trykdifferenti al over et forud 35 fastlagt interval eller niveau.

Differential trykanalysatorer af den her påtænkte type anvendes kommercielt til mange formål. Et sådant instrument er i stand til funktionsmæssigt at modtage trykværdier fra mindst to forskellige kilder.

DK 167126 B1 7 Når disse tryk føres til en membran eller lignende funktionsmekanisme, udløser de en ønsket indikering af trykdifferentialet, som eksisterer mellem de to kilder. Idet den varme syntetiske gas altid vil indeholde en vis mængde medført partikelstof afhængigt af brændstofsammensætnin-5 gen, vil dette altid være en mulig kilde til funktionsvanskeligheder. Syntesegassen medfører også korroderende ingredienser eller korrosive elementer, der kan kondensere på udsatte overflader i instrumenteringen og i differential tryk-overvågningssystemet.

Hvis kondenseringen ikke holdes under kontrol, vil den udløse kor-10 rosion af disse dele og i sidste ende føre til fejlagtige aflæsninger.

Det er derfor nødvendigt, at det faste medium, som medføres i den varme gasstrøm kan fjernes, før det kan ophobes til blokering i en eller flere af de mindre føringer.

En første rørføring 54 er således gennem ventilen 43 og føringen 15 63 forbundet med en trykkilde 67 med rensegas såsom nitrogen gennem en ledning 68 med ventil. Nitrogen føres gennem et tidssynkroniseringsapparat 44, som, når det er dimensioneret passende i sikkerhedssystemet, giver et periodisk højtryksrensetrin. Rensetrinnet virker til at holde de forskellige ledninger og apparater frie for hindringer på kontinuert så-20 vel som på periodisk basis.

For at undgå korrosionsskader på de ydre overflader af føringen 51, indføres en langsom, kontinuerlig strøm af rensegas fra kilden 67 gennem ledningen 64, ventilen 66 og ledningen 56 til at komme ind i og udfylde passagen 59 med en ikke-korrosiv atmosfære. Hastigheden af den 25 langsomme, kontinuerlige nitrogenrensning tilpasses med ventilen 72, så den ikke mærkbart påvirker differential trykværdierne ved 62. Den hurtige, periodiske rensning af enhver blandt flerheden af trykfølerindkap-slinger 46 synkroniseres ved tidssynkroniseringsenheden 44 og ved indstilling af ventilen 72, så de indkapslinger eller huse, som ikke renses 30 under den hurtige, periodiske rensning, er i trykindikeringsfunktionsmå-den.

For automatisering af processen anvendes apparaturer såsom en programmerbar, logisk styreenhed el. lign. til at regulere rækkefølgen af de hurtige gasrensninger. Apparatet vil endvidere virke til at afbryde 35 signalet fra ethvert enkelt hus under en hurtig, periodisk rensning.

Den indgående rensegas opvarmes fortrinsvis i en ekstern varmeveksler, før den injiceres. Overfladerne i følerøret 51 holdes således kontinuert over dugpunktet for gassen i ringkammeret 27. Denne foranstalt-

Claims (10)

1. Varmevekslerapparat til behandling af en strøm af varm, partikelmedførende gas omfattende: 15 en aflang kappe med en indløbsport for at modtage den varme parti kelmedførende gas og en udløbsport for udskilning af afkølet, i det væsentlige parti kel fri gas, en vandkappe arrangeret i den aflange kappe og dannende et varmevekslingskammer med en nedstrøms ende og arrangeret i afstand fra kap- 20 pen, så der dannes en ringformet passage, et passageorgan, som forbinder indløbsporten med varmevekslerkammeret til indføring af varm, part i kel medførende gas deri, og et tværpassageorgan, som forbinder varmevekslerkammerets nedstrøms ende med udløbsporten hhv. med den ringformede passage, KENDETEGNET ved, 25 at et trykovervågningssystem er tilknyttet varmevekslerapparatet, hvilket system omfatter et organ, der udgør en gastrykdifferential indikator, at et første føringsorgan forbinder varmevekslerkammeret med gastrykdi fferenti al indikatoren, og 30 at et andet føringsorgan forbinder den ringformede passage med gastrykdi fferenti al i ndi katoren.

2. Apparat ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at det omfatter en trykkilde, som rummer en rensegas, samt midler, der forbinder kilden med 35 tryksat rensegas med det første føringsorgan.

3. Apparat ifølge krav 2, KENDETEGNET ved, at det omfatter midler, som forbinder kilden med tryksat rensegas med det andet føringsorgan. DK 167126 B1

4. Apparat ifølge krav 3, KENDETEGNET ved, at det omfatter midler til at regulere indstrømningen af rensegas til den anden føring.

5. Apparat ifølge krav 2-4, KENDETEGNET ved, at det omfatter midler til regulering af indstrømningen af rensegas i den første føring.

6. Apparat ifølge krav 5, KENDETEGNET ved, at midlerne til regulering af rensegasindstrømningen kan betjenes automatisk til periodisk in- 10 troduktion af en tryksat strøm af rensegas i den første føring.

7. Apparat ifølge krav 2-6, KENDETEGNET ved, at kilden med tryksat rensegas holdes ved et tryk over trykket i varmevekslerkammeret.

8. Fremgangsmåde til overvågning af trykforholdene i højtryksvar mevekslere med en yderkappe, en indre vandpanelvæg i afstand fra kappen, så der dannes en ringformet passage, og så der dannes et varmevekslerkammer, hvori der indføres en højtrykspartikelmedførende gasstrøm, samt et passageorgan, som forbinder varmevekslerkammeret med den ringformede 20 passage, KENDETEGNET ved overvågning af en første trykværdi i varmevekslerkammeret, overvågning af en anden trykværdi i den ringformede passage, bestemmelse af trykdifferentialet mellem den første og den anden trykværdi, og 25 tilpasning af driften af varmeveksleren som reaktion på et detek- teret trykdifferentiale, som overstiger et forud fastlagt trykdifferen-tialniveau.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, KENDETEGNET ved, at den omfatter 30 periodisk indføring af en strøm af rensegas i varmevekslerkammeret.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 8 eller 9, KENDETEGNET ved, at der opretholdes en kontinuerlig strøm af rensegas ind i den ringformede passage. 35