EP1674815A1

EP1674815A1 - Wärmetauscher zum Kühlen eines Feststoffpartikel enthaltenden heissen Gases

Info

Publication number: EP1674815A1
Application number: EP04030220A
Authority: EP
Inventors: Dieter Bormann; Carsten Birk
Original assignee: Borsig GmbH
Current assignee: Borsig GmbH
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: ES2281744T3; EP1674815B1; DK1674815T3; ATE356330T1; US7237601B2; US20060131005A1; DE502004003178D1

Abstract

Ein Wärmetauscher zum Kühlen eines Feststoffpartikel enthaltenden heißen Gases besteht aus Wärmetauscherrohren (1), die von dem zu kühlenden Gas durchströmt, von einem Mantel (3) umgeben und an den Enden über eine Schweißnaht (7) in Bohrungen (6) von jeweils einer Rohrplatte (2) eingeschweißt sind. Die Stirnseite der gaseintrittsseitigen Rohrplatte (2), die Innenwand der Bohrungen (6), die Schweißnaht (7) und der Einlaufbereich der Wärmetauscherrohre (1) sind mit einer Schutzschicht (8) beschichtet, die aus einer metallischen Haftschicht (9), einer hochtemperatur- und erosionsbeständigen Metallschicht (10) und einer hochtemperatur- und erosionsbeständigen Keramikschicht (11) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen eines Feststoffpartikel enthaltenden heißen Gases mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Ein gattungsgemäßer Wärmetauscher ist aus der EP 0 567 674 B1 bekannt, der zur Kühlung von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas dient. Bei dem bekannten Wärmetauscher ist die gaseintrittsseitige Rohrplatte zum Schutz gegen Erosion und Hochtemperaturkorrosion mit einer keramischen Schicht bedeckt. Die keramische Schicht besteht aus einzelnen nebeneinander angeordneten keramischen Tüllen, die im oberen Teil quaderförmige aneinander stoßende Außenkanten und im unteren Teil eine Öffnung aufweisen, die in die Wärmetauscherrohre hineinragt. Unter den Tüllen befindet sich auf der Rohrplatte, der Schweißnaht und den Rohreinläufen eine Schutzschicht aus metallischer Haftschicht und Keramikschicht. Diese Schutzschicht wird wirksam, wenn eine oder mehrere der Tüllen zerstört sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Wärmetaucher einfacher und wirksamer gegen Erosion zu schützen.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die kombinierte Schutzschicht lässt sich im Verlauf eines Beschichtungsvorganges auf alle gefährdeten Bereiche aufbringen und bietet sowohl bei senkrechtem als auch bei schrägem Aufprall der Feststoffpartikel einen optimalen Erosionsschutz. Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine metallische Schutzschicht bei Aufprallwinkeln der Feststoffpartikel von 90 Grad zur Rohrplatte erosionsbeständiger ist als eine keramische Schutzschicht. Jedoch zeigt eine keramische Schicht bei Aufprallwinkeln um 45 Grad zur Rohrplatte - also bei schrägem Aufprall z. B. auf die Schweißnaht - eine bessere Erosionsbeständigkeit als die metallische Schicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in Folgendem näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: den Längsschnitt durch den unteren Teil eines Wärmetauschers,
Fig. 2: die Einzelheit Z nach Fig. 1,
Fig. 3: eine Schutzschicht und
Fig. 4: die Draufsicht auf eine Rohrplatte eines Wärmetauschers nach Fig. 1.

Von einem Wärmetauscher zur Kühlung von Spaltgas ist in Fig. 1 nur der eintrittsseitige Teil gezeigt. Der Wärmetauscher besteht aus einem Rohrbündel aus geraden Wärmetauscherrohren 1, die in jeweils einer Rohrplatte 2 zu beiden Seiten des Rohrbündels gehalten sind. Das Rohrbündel ist von einem äußeren Mantel 3 umschlossen, der zusammen mit den jeweiligen Rohrplatten 2 einen von siedendem und unter hohem Druck stehendem Wasser durchflossenen Innenraum begrenzt. An die Rohrplatte 2 schließt sich auf der gezeigten Gaseintrittsseite und auf der nicht gezeigten Gasaustrittsseite jeweils eine Endkammer 4 an, die mit einem Stutzen 5 zur Zuführung oder Abführung des Gases versehen ist. Die Endkammer 4 erweitert sich konisch ausgehend von dem Stutzen 5 auf den Durchmesser der Rohrplatte 2. Alle Teile des Wärmetauschers sind aus einem warmfesten Stahl gefertigt.
Die Rohrplatte 2 ist von Bohrungen 6 durchdrungen, in die jeweils konzentrisch eines der Wärmetauscherrohre 1 eingesetzt und durch eine Schweißnaht 7 mit der Rohrplatte 2 verschweißt ist (Fig. 2). Die Schweißnaht 7 setzt an der Innenkante des Wärmestauscherrohres an und ist als konkav gewölbte Kehlnaht ausgebildet. Das durch die Endkammer herangeführte, heiße Gas trifft auf die Rohrplatte 2 und strömt durch die Bohrungen 6 der Rohrplatte 2 entlang der Schweißnaht 7 in die Wärmetauscherrohre 1. Die von dem Gas mitgeführten Feststoffpartikel treffen senkrecht auf die Stirnseite der Rohrplatte 2 und schräg auf die Schweißnaht 7 und führen dort zu Erosion. Erosion tritt auch infolge von Verwirbelung in dem Einlaufbereich der Wärmetauscherrohre 1 auf. Zum Schutz gegen Erosion sind die Stirnseite der Rohrplatte 2, die Schweißnaht 7 an der Innenkante jedes Wärmetauscherrohres 1 und der Einlaufbereich 1a der Wärmetauscherrohre 1 mit einer dreilagigen Schutzschicht 8 überzogen.
Gemäß Fig. 3 besteht die Schutzschicht 8 aus einer auf die Oberfläche der Rohrplatte 2, der Schweißnaht 7 an der Innenkante jedes Wärmetauscherrohres 1 und der Innenseite jedes Wärmetauscherohres 1 im Einlaufbereich 1a aufgebrachten Haftschicht 9. Die Haftschicht 9 dient als Haftvermittler für die folgenden Schichten, die den eigentlichen Erosionsschutz bilden. Auf die Haftschicht 9 ist eine hochtemperatur- und erosionsbeständige Metallschicht 10 und auf die Metallschicht 10 ist eine hochtemperatur- und erosionsbeständige Keramikschicht 11 aufgebracht.
Die einzelnen Schichten werden durch Flammspritzen aufgetragen. Die Metallschicht 10 und die Haftschicht 9 bestehen jeweils aus einer Nickel-Basislegierung, die mit einem oder mehreren der Elemente Aluminium, Cer, Eisen, Molybdän und Silizium legiert ist. Die Keramikschicht 11 besteht aus mit Calcium stabilisiertem Zirkonoxid.
Die gesamte Schutzschicht 8 ist 0,5 bis 1,5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm dick. Beispielsweise weist die Haftschicht 9 eine Dicke von etwa 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,2 mm, die Metallschicht 10 eine Dicke von etwa 0,2 bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,4 mm, und die Keramikschicht 11 eine Dicke von etwa 0,1 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,3 mm, auf.

Claims

Wärmetauscher zum Kühlen eines Feststoffpartikel enthaltenden heißen Gases bestehend aus Wärmetauscherrohren (1), die von dem zu kühlenden Gas durchströmt, von einem Mantel (3) umgeben und an den Enden über eine Schweißnaht (7) in Bohrungen (6) von jeweils einer Rohrplatte (2) eingeschweißt sind, wobei die Stirnseite der gaseintrittsseitigen Rohrplatte (2), die Innenwand der Bohrungen (6), die Schweißnaht (7) und der Einlaufbereich (1a) der Wärmetauscherrohre (1) mit einer Schutzschicht (8) beschichtet sind, die aus einer metallischen Haftschicht (9) und einer hochtemperatur- und erosionsbeständigen Keramikschicht (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der metallischen Haftschicht (9) und der hochtemperatur- und erosionsbeständigen Keramikschicht (11) eine hochtemperatur- und erosionsbeständige Metallschicht (10) aufgebracht ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (10) und die Haftschicht (9) jeweils aus einer Nickel-Basislegierung besteht, die mit Aluminium, Cer, Eisen, Molybdän und Silizium legiert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (11) aus mit Calcium stabilisiertem Zirkonoxid besteht.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (8) eine Gesamtdicke von 0,5 bis 1,5 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (9) eine Dicke von etwa 0,2 mm, die Metallschicht (10) eine Dicke von etwa 0,4 mm und die Keramikschicht (11) eine Dicke von etwa 0,3 mm aufweist.