EP0567674A1 - Wärmetauscher zum Kühlen von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas - Google Patents

Wärmetauscher zum Kühlen von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas Download PDF

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EP0567674A1
EP0567674A1 EP92107283A EP92107283A EP0567674A1 EP 0567674 A1 EP0567674 A1 EP 0567674A1 EP 92107283 A EP92107283 A EP 92107283A EP 92107283 A EP92107283 A EP 92107283A EP 0567674 A1 EP0567674 A1 EP 0567674A1
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pipe
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Konrad Nassauer
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    • F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for cooling synthesis gas generated in a coal gasification plant with the features of the preamble of patent claim 1.
  • Synthesis gas which is produced by gasification of coal, contains constituents which, like ash particles, lead to erosion or, like sulfur compounds, to high-temperature corrosion on the pipe plate and in the pipe inlet.
  • waste heat exchangers for gases from ammonia synthesis (Chem.-Ing.-Tech. 56 (1984), pages 356 to 358) it is known to protect the gas inlet-side tube plate by a cover with a ceramic ramming compound and by the ramming compound into the pipe inlet Guide the inlet tube.
  • the invention has for its object to effectively protect the generic heat exchanger by measures which are matched to the synthesis gas to be cooled, which comes from a coal gasification plant, on the gas inlet side against high-temperature corrosion and erosion.
  • the grommets used can be made from a ceramic material which is characterized by high resistance to temperature changes and high erosion resistance.
  • the grommets serve as a conically elongated pipe inlet and, when installed, form a closed assembly that covers the entire pipe plate including the pipe inlet of the heat exchanger pipes and thus protects them.
  • the special conical inlet shape of the spouts prevents the synthesis gas contained in it from caking Solid particles that would lead to a blockage of the pipe inlet through bridging. Due to the conical inlet shape of the spout according to the invention, a constant increase in speed is achieved, as a result of which possible deposits are removed by the acceleration of the synthesis gas and the solid particles contained in the synthesis gas.
  • the two-layer coating on the tube plate, the pipe welding and in the pipe inlet gives these parts a high resistance to high-temperature corrosion and erosion. This protection is effective when a spout is destroyed.
  • the heat exchanger has a bundle of heat exchanger tubes 1, two of which are shown.
  • the heat exchanger tubes 1 are each held in a tube plate 2, 3 at both ends.
  • the tube plates 2, 3 are fastened in a jacket 4 which encloses the heat exchanger tubes 1.
  • a gas inlet chamber 5 is connected to the upper tube plate 2 in the drawing and a gas outlet chamber 6 to the lower tube plate 3.
  • the gas inlet chamber 5 is connected via a pipe, not shown, to a reactor, also not shown, in which coal is gasified.
  • the synthesis gas generated by the gasification enters the gas inlet chamber 5, flows through the heat exchanger tubes 1 while releasing heat, and exits the gas outlet chamber 6 in a cooled state.
  • the jacket 4 of the heat exchanger is provided with an inlet nozzle 7 and an outlet nozzle 8.
  • water is fed into the interior of the jacket 4 as a coolant, which evaporates through the heat exchange with the hot synthesis gas flowing through the heat exchanger tubes 1 and is discharged as a water vapor mixture through the outlet connector 8.
  • the water vapor mixture is fed to the steam drum of a steam generation system, not shown.
  • the heat exchanger tubes 1 are designed as composite tubes and contain an austenitic inner tube 9 in order to counteract high-temperature corrosion of the heat exchanger tubes 1 by the hot synthesis gas.
  • the inner tube 9 is closely enclosed by an outer tube 10, which is fastened in the tube plate 2 via a tube weld 11.
  • the tube plate 2 on the gas inlet side is provided with a ceramic layer on the side facing the gas inlet chamber 5, which layer consists of individual ceramic nozzles 12.
  • the spout 12 has a cuboid outer contour 13 in the upper part, which tapers downwards and ends in a tube section 14.
  • Each grommet 12 has an opening 15 which starts from the rectangular outer contour 13, narrows conically and merges into the inner cross section of the pipe section 14.
  • the outside diameter of the pipe section 14 of the grommet 12 is slightly smaller than the inside diameter of the heat exchanger pipe 1, so that the pipe section 14 can be inserted into the inlet of the heat exchanger pipe 1.
  • the pipe section 14 extends into the inlet of a heat exchanger pipe 1 so that the lower edge of the pipe section 14 engages over the inner pipe 9.
  • the grommets 12 are placed on the tube plate 2 so that the pipe section 14 of a grommet 12 is inserted into one of the heat exchanger tubes 1 and that the outer contour 13th abut adjacent spouts 12 at a distance above the tube plate 2. In this way, a closed bandage is formed, which covers and protects the entire tube plate 2 on the gas inlet side.
  • the grommet 12 is provided with an edge recess 16 which extends over a quarter-circular arc.
  • a bolt 17 is guided through the edge recesses 16 of the abutting spouts 12 and is fastened on the tube plate 2.
  • the spouts 12 are fixed on the tube plate 2 by means of a nut 18 screwed onto the bolt 17.
  • the tube plate 2 and the tube weld 11 of the heat exchanger tubes 1 are provided with a two-layer coating 20.
  • the first layer which is applied to the metallic material of the tube plate 2, is an atmospheric plasma-sprayed metallic layer which serves as protection against oxidation and high-temperature corrosion of the base material and as an adhesion promoter for the second layer.
  • the second layer is an atmospheric plasma-sprayed ceramic layer, which is resistant to high temperatures and erosion.
  • the coating 20 is also applied in the tube inlets of the heat exchanger tubes 1 in order to counteract the increased risk of erosion and the introduction of heat, which is caused by eddy formation in the turbulent area of the tube inlet section, in particular at the end of the spout 12.

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Abstract

Ein Wärmetauscher zum Kühlen von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas, besteht aus Wärmetauscherrohren (1), die von dem zu kühlenden Synthesegas durchströmt, in zwei Rohrplatten (2, 3) gehalten und von einem Mantel (4) umgeben sind. Die gaseintrittsseitige Rohrplatte (2) ist von einer Schicht aus einzelnen, nebeneinander angeordneten, an den Außenkanten aneinanderstoßenden quaderförmigen Tüllen (12) bedeckt. Jede Tülle (12) weist eine konische Öffnung (15) auf, die sich in einen Rohrabschnitt (14) verengt, der in ein Wärmetauscherrohr (1) hineinragt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Synthesegas, das durch Vergasung von Kohle entstanden ist, enthält Bestandteile, die wie Aschepartikel zu einer Erosion oder wie Schwefelverbindungen zu einer Hochtemperaturkorrosion an der Rohrplatte und in dem Rohreinlauf führen. Es ist bei Abhitzewärmetauschern für Gase aus der Ammoniaksynthese bekannt (Chem.-Ing.-Tech. 56 (1984), Seiten 356 bis 358), die gaseintrittsseitige Rohrplatte durch eine Abdeckung mit einer keramischen Stampfmasse zu schützen und durch die Stampfmasse bis in den Rohreinlauf Einlaufröhrchen zu führen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattunsgemäßen Wärmetauscher durch Maßnahmen, die auf das zu kühlende, aus einer Kohlevergasungsanlage stammende Synthesegas abgestimmt sind, auf der Gaseintrittsseite wirksam gegen Hochtemperaturkorrosion und Erosion zu schützen.
  • Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die verwendeten Tüllen lassen sich aus einem keramischen Werkstoff fertigen, der sich durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und eine hohe Erosionsfestigkeit auszeichnet. Die Tüllen dienen als konisch verlängerter Rohreinlauf und bilden im eingebauten Zustand einen geschlossenen Verband, der die gesamte Rohrplatte einschließlich des Rohreinlaufes der Wärmetauscherrohre abdeckt und somit schützt. Die besondere konische Einlaufform der Tüllen vermeidet ein Anbacken der in dem Synthesegas enthaltenen Feststoffpartikel, das über eine Brückenbildung zu einem Verstopfen des Rohreinlaufes führen würde. Bedingt durch die konische Einlaufform der erfindungsgemäßen Tülle, wird ein stetiger Geschwindigkeitszuwachs erzielt, wodurch mögliche Ablagerungen durch die Beschleunigung des Synthesegases und der im Synthesegas enthaltenen Feststoffpartikel entfernt werden. Die zweilagige Beschichtung an der Rohrplatte, der Rohreinschweißung und im Rohreinlauf verleiht diesen Teilen eine hohe Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion und Erosion. Dieser Schutz wird wirksam, wenn eine Tülle zerstört wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
    Fig. 2
    die Draufsicht auf einen Teil der gaseintrittsseitigen Rohrplatte,
    Fig. 3
    die Einzelheit Z nach Fig. 1 und
    Fig. 4
    eine einzelne Tülle in perspektivischer Darstellung.
  • Der Wärmetauscher weist ein Bündel von Wärmetauscherrohren 1 auf, von denen zwei gezeigt sind. Die Wärmetauscherrohre 1 sind an beiden Enden jeweils in einer Rohrplatte 2, 3 gehalten. Die Rohrplatten 2, 3 sind in einem Mantel 4 befestigt, der die Wärmetauscherrohre 1 umschließt. Innerhalb des Mantels 4 schließt sich an die in der Zeichnung obere Rohrplatte 2 eine Gaseintrittskammer 5 und an die untere Rohrplatte 3 eine Gasaustrittskammer 6 an. Die Gaseintrittskammer 5 ist über eine nicht gezeigte Rohrleitung mit einem ebenfalls nicht gezeigten Reaktor verbunden, in dem Kohle vergast wird. Das durch die Vergasung erzeugte Synthesegas tritt in die Gaseintrittskammer 5 ein, durchströmt unter Wärmeabgabe die Wärmetauscherrohre 1 und tritt gekühlt aus der Gasaustrittskammer 6 aus.
  • Der Mantel 4 des Wärmetauschers ist mit einem Eintrittsstutzen 7 und einem Austrittsstutzen 8 versehen. Durch den Eintrittsstutzen 7 wird in den Innenraum des Mantels 4 als Kühlmittel Wasser eingespeist, das durch den Wärmetausch mit dem heißen, die Wärmetauscherrohre 1 durchströmenden Synthesegas verdampft und als Wasserdampfgemisch durch den Austrittsstutzen 8 abgeführt wird. Das Wasserdampfgemisch wird der Dampftrommel eines nicht gezeigten Dampferzeugungssystems zugeführt.
  • Die Wärmetauscherrohre 1 sind als Verbundrohre ausgebildet und enthalten ein austenitisches Innenrohr 9, um einer Hochtemperaturkorrosion der Wärmetauscherrohre 1 durch das heiße Synthesegas entgegenzuwirken. Das Innenrohr 9 ist von einem Außenrohr 10 eng umschlossen, das über eine Rohreinschweißung 11 in der Rohrplatte 2 befestigt ist.
  • Die gaseintrittsseitige Rohrplatte 2 ist zum Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion und Erosion auf der der Gaseintrittskammer 5 zugewandten Seite mit einer keramischen Schicht versehen, die aus einzelnen keramischen Tüllen 12 besteht. Die Tülle 12 weist im oberen Teil eine quaderförmige Außenkontur 13 auf, die sich nach unten verjüngt und in einem Rohrabschnitt 14 endet. Jede Tülle 12 weist eine Öffnung 15 auf, die von der quaderförmigen Außenkontur 13 ausgeht, sich konisch verengt und in den Innenquerschnitt des Rohrabschnittes 14 übergeht. Der Außendurchmesser des Rohrabschnittes 14 der Tülle 12 ist etwas geringer als der Innendurchmesser des Wärmetauscherrohres 1, so daß der Rohrabschnitt 14 in den Einlauf des Wärmetauscherrohres 1 eingesetzt werden kann. Der Rohrabschnitt 14 ragt soweit in den Einlauf eines Wärmetauscherrohres 1 hinein, daß die Unterkante des Rohrabschnittes 14 das Innenrohr 9 übergreift.
  • Die Tüllen 12 sind so auf die Rohrplatte 2 gelegt, daß jeweils der Rohrabschnitt 14 einer Tülle 12 in eines der Wärmetauscherrohre 1 eingesetzt ist und daß die Außenkontur 13 benachbarter Tüllen 12 in einem Abstand oberhalb der Rohrplatte 2 aneinanderstoßen. Auf diese Weise wird ein geschlossener Verband gebildet, der auf der Gaseintrittsseite die gesamte Rohrplatte 2 bedeckt und schützt.
  • An jeder Ecke der quaderförmigen Außenkontur 13 ist die Tülle 12 mit einer sich über einen Viertelkreisbogen erstreckenden Randausnehmung 16 versehen. Durch die Randausnehmungen 16 der aneinanderstoßenden Tüllen 12 ist ein Bolzen 17 geführt, der auf der Rohrplatte 2 befestigt ist. Über eine auf den Bolzen 17 geschraubte Mutter 18 werden die Tüllen 12 auf der Rohrplatte 2 fixiert.
  • Die Rohrplatte 2 und die Rohreinschweißung 11 der Wärmetauscherrohre 1 sind mit einer zweilagigen Beschichtung 20 versehen. Die erste Lage, die auf den metallischen Werkstoff der Rohrplatte 2 aufgebracht wird, ist eine atmosphärisch plasmagespritzte metallische Auflageschicht, die als Oxidations- und Hochtemperaturkorrosionsschutz des Grundwerkstoffes sowie als Haftvermittler für die zweite Lage dient. Die zweite Lage ist eine atmosphärisch plasmagespritzte Keramikschicht, welche hochtemperatur- und erosionsbeständig ist. Die Beschichtung 20 wird ebenfalls in den Rohreinläufen der Wärmetauscherrohre 1 aufgebracht, um der erhöhten Erosionsgefahr und der Wärmeeinbringung entgegenzuwirken, die durch eine Wirbelbildung in dem turbulenten Bereich der Rohreinlaufstrecke, insbesondere am Ende der Tülle 12, hervorgerufen wird.

Claims (6)

  1. Wärmetauscher zum Kühlen von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas, bestehend aus Wärmetauscherrohren (1), die von dem zu kühlenden Synthesegas durchströmt, in zwei Rohrplatten (2, 3) gehalten, und von einem Mantel (4) umgeben sind, wobei die gaseintrittsseitige Rohrplatte (2) mit einer keramischen Schicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einzelnen, nebeneinander angeordneten, an den Außenkanten aneinanderstoßenden quaderförmigen Tüllen (12) besteht, und daß jede Tülle (12) eine konische Öffnung (15) aufweist, die sich in einen Rohrabschnitt (14) verengt, der in ein Wärmetauscherrohr (1) hineinragt.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinanderstoßenden Kanten der Tülle (12) in einem Abstand von der Rohrplatte (2) angeordnet sind und daß der freie Raum zwischen der Unterseite der Tülle (12) und der Rohrplatte (2) mit Keramikmatten (19) ausgefüllt ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ecken der quaderförmigen Außenkontur (13) der Tüllen (12) Randausnehmungen (16) gebildet sind und daß durch die Randausnehmungen (16) aneinanderstoßender Tüllen (12) ein Bolzen (17) geführt ist, der an der Rohrplatte (2) befestigt ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (2) und der Rohreinlauf der Wärmetauscherrohre (1) auf der den Tüllen (12) zugewandten Seite mit einer zweilagigen, metallischen und keramischen Beschichtung (20) beschichtet ist.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweilagige Beschichtung (20) in dem Rohreinlauf bis über das Ende des Rohrabschnittes (14) der in das Wärmetauscherrohr (1) eingesetzten Tülle (12) hinausreicht.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (1) als Verbundrohre ausgebildet sind und jeweils aus einem gegen Hochtemperaturkorrosion beständigen Innenrohr (9) bestehen, das eng von einem Außenrohr (10) umgeben ist.
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