EP3491107B1 - Kühlschirm mit variablem rohrdurchmesser für hohe vergaserleistung - Google Patents

Kühlschirm mit variablem rohrdurchmesser für hohe vergaserleistung Download PDF

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EP3491107B1
EP3491107B1 EP17761062.3A EP17761062A EP3491107B1 EP 3491107 B1 EP3491107 B1 EP 3491107B1 EP 17761062 A EP17761062 A EP 17761062A EP 3491107 B1 EP3491107 B1 EP 3491107B1
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EP
European Patent Office
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cooling screen
tube
entrained
cooling
flow gasifier
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EP17761062.3A
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EP3491107A1 (de
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Frank Hannemann
Tino Just
Norbert Fischer
André Herklotz
Heidrun Toth
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/74—Construction of shells or jackets
    • C10J3/76—Water jackets; Steam boiler-jackets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/485—Entrained flow gasifiers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J3/84—Gas withdrawal means with means for removing dust or tar from the gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00—Details of gasification apparatus
    • C10J2200/09—Mechanical details of gasifiers not otherwise provided for, e.g. sealing means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0959—Oxygen

Definitions

  • the invention relates to an entrained-flow gasifier for the gasification of solid and liquid fuels at temperatures between 1,200 and 1,900 ° C and pressures between ambient pressure and 10 MPa (100 bar), solid fuels being finely ground coals of different degrees of carbonization, petroleum coke or other solid carbonaceous substances and liquids
  • Solid fuels being finely ground coals of different degrees of carbonization, petroleum coke or other solid carbonaceous substances and liquids
  • Fuels, oils or oil-solid or water-solid suspensions can be with a free oxygen-containing oxidizing agent, in which a cooling screen 8 arranged in a pressure jacket 15 delimits a reaction space 9.
  • the thermally highly stressed reaction chamber 9 is formed by a cooled pipe construction.
  • This construction, the so-called cooling screen 8, as a whole is only pressure-stable to a limited extent, the tubes themselves being designed to be pressure-resistant.
  • the cooling screen 8 is positioned in a pressure vessel 15. For reasons of thermal resistance of the pressure vessel, a certain distance between the pressure vessel and the cooling screen is necessary.
  • the resulting rear space 10 (also referred to as a cooling screen gap) is flushed with an inert gas and has a pressure equalization to the reaction space, which means that the pressure in the reaction space and in the rear space is the same in normal operation.
  • the cooling screen as a whole must have a certain minimum resistance to pressure differences across its wall. This minimum resistance to pressure differences decreases with increasing cooling screen diameter and cooling screen height, so that with increasing carburetor output this problem is intensified. Furthermore, the cooling screen is exposed to high thermal loads and good heat transfer from the reaction space into the cooling water is required to avoid damage. This requirement can be achieved by using thin tube walls, which in turn counteracts the differential pressure resistance of the cooling screen.
  • a cooling screen consisting of gas-tight welded cooling tubes is located within a pressure vessel. This cooling screen is supported on an intermediate floor and can freely expand upwards. This ensures that when different temperatures occur due to start-up and shutdown processes and the resulting change in length, there are no mechanical stresses that could possibly lead to destruction. In order to achieve this, there is no fixed connection at the upper end of the cooling screen, but an annular gap between the cooling screen collar and the burner holder flange, which ensures free mobility and is filled with elastic, thermally resistant fiber mats.
  • the dust input into the cooling screen gap 10 also causes an increased CO concentration after the carburetor within the reaction space and the gas-carrying downstream systems have been switched off. An inspection and possible repair will be delayed for safety reasons.
  • the gap as in DE10 2007 045 321 and DE10 2009 005 856 described, are closed using a corrugated tube compensator.
  • the purge gas is passed from the cooling screen gap 10 via an additional pressure compensation line connected to the combination burner into the reaction space, in order to ensure the necessary pressure compensation between the cooling screen gap and the reaction space.
  • Disadvantages of this solution are the high price of expansion joints with a larger diameter and the additional piping work for the pressure compensation line.
  • a gasification reactor for the gasification of carbon-containing materials under pressure in which a tube wall through which a coolant flows is arranged in a pressure vessel.
  • an inert gas preferably nitrogen
  • the invention is based on the problem of specifying a technical solution for the contradictory requirements mentioned.
  • the invention makes use of the knowledge that the temperature release can be adjusted by a suitable burner design so that a lower thermal load in the conical areas of the cooling screen can be realized.
  • the solution to the problem according to the invention lies in a cooling screen design with sufficient strength at a high pressure difference over the cooling screen wall and a tube wall thickness which ensures safe operation of the cooling screen and high heat transfer; in addition, there is pressure equalization between the cooling screen gap 10 and the reaction space 9 in all operating states.
  • thin-walled tubes 5 are used in the area of the highest temperature load, that is to say in the cylindrical part of the cooling screen, and to ensure the mechanical strength in the conical areas of the cooling screen (above and below), in particular in order to absorb the bending moments due to their own load and when differential pressures occur, thick-walled tubes 3 used.
  • the tubes are also selected so that the tube outer diameter is kept constant over the entire cooling screen height 8 and the tube wall thickness is varied only over the tube inner diameter.
  • the transition from the smaller to the larger pipe inner diameters is designed to slide smoothly over a gradual increase in diameter 4 in order to avoid the formation of "dead water areas" in which insufficient cooling cannot be ensured due to discontinuous flow conditions. Maintaining a uniform outer diameter of the cooling screen tubes leads to a homogeneous design of the cooling screen.
  • the uniform sprayability with refractory material that is guaranteed as a result is particularly advantageous.
  • the mechanical load of the cooling screen is derived via claws 1 into the surrounding pressure jacket 15, which further reduces the bending moments overall and thus increases the permissible pressure difference in principle.
  • the described wall thickness transitions 4 are positioned as far as possible far outside the interference area of the claws (area in which local tension peaks can occur due to the claws in the presence of mechanical stress). While maintaining a large area of thinner wall thicknesses 5 where possible, the wall thickness transitions 4 are arranged vertically above the claws and, viewed tangentially, centrally between the claws 1.
  • Symmetrical design means that the same number of wall thickness transitions is always arranged between the claws, i.e. k is an integer number.
  • the vertical distance x between the claw and the first wall thickness transition is selected such that at least one further pipe with large wall thickness lies between the uppermost pipe connected to the claw and the pipe with wall thickness transition.
  • the claw is advantageously designed such that at least three tubes in the conical area and three tubes in the cylindrical part are firmly connected to each claw. With an additional attachment of the claw to the upper tubes of the lower conical cooling screen part, the load bearing of the cooling screen can be designed particularly advantageously.
  • the thick-walled tubes are used in the conical part and continued so far into the cylindrical part that at least one cooling tube reaches half a revolution in the cylinder.
  • a further increase in the cooling screen strength is possible by optimizing the upper and lower conical cooling screen part in conjunction with an increase in the angle of attack 16. Since this increase in the angle of attack, on the other hand, leads to an enlargement of the cooling screen gap 10, the amount of gas to be removed increases in the event of an emergency relaxation of the reactor 9. A increased amount of gas in turn increases the pressure difference across the cooling screen with constant flushing and pressure compensation lines 13 and counteracts an increase in strength by a larger angle of attack. Therefore, in an advantageous embodiment, an angle 16 between 35 ° and 60 ° is selected. In the embodiment Fig. 2 this angle 16 is selected at 45 °.
  • Fig. 1 represents an embodiment with eight cooling tube (8-way cooling screen) and 4 claws evenly distributed over the circumference.
  • the vertical distance was chosen with four tube diameters and the horizontal distance with 22.5 °.
  • the permissible differential pressure for carburettors with higher power (and therefore volume) is lower than with smaller carburettor powers up to 500 MW, for example, so that further measures are necessary to ensure safe operation without enrichment to ensure coal dust in the cooling screen gap or corrosion of the pressure vessel 15 or the rear of the cooling screen 8.
  • the design ensures that a sufficiently large flow area for pressure equalization is available in every operating state, but without allowing unimpeded dust and reaction gas to enter the rear of the cooling screen.
  • metallic flushing and pressure compensation tubes 12 are positioned in the expansion gap of the cooling screen in such a way that on the one hand the permissible pressure difference over the cooling screen wall is not exceeded and on the other hand the vertical thermal expansion of the cooling screen remains guaranteed.
  • the gap required for expansion is filled with flexible, thermally stable ceramic fiber mats 11 in order to prevent dust from spreading.
  • support plates 13 are positioned at the upper end of the cooling screen, the number of these support plates being selected such that they correspond to the number of cooling screen tubes correspond.
  • the metallic tubes 12 are evenly distributed on these support plates and the remaining annular space between the cooling screen closure and the pressure vessel is sealed by means of fiber mats 11, which are advantageously arranged above the tubes.
  • a dry, condensate and oxygen-free gas is introduced into the reaction space 9 as the purge gas via the nozzle 14 and the purge and pressure compensation tubes 12.
  • Fig. 2 represents an embodiment with eight support plates and 32 distributed on this flushing and pressure compensation tubes.
  • the invention is also given by a reactor for the gasification of solid and liquid fuels in the entrained flow at temperatures between 1,200 and 1,900 ° C and pressures between ambient pressure and 10 MPa (100 bar), solid fuels being finely ground coal of different degrees of carbonization, petroleum coke or other solid are carbonaceous substances and can be liquid fuels, oils or oil-solid or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidizing agent, the reactor having a cooling screen 8 and a pressure jacket 15, a cooling screen 8 in a pressure jacket 15 Reaction space 9 limited, the cooling screen is designed with several parallel-wound tubes through which a cooling liquid flows, the cooling tube tubes have wall thickness changes with a thicker wall thickness in the lower and upper area and a thinner wall thickness in the central cylindrical area and the angle of attack of the conical cooling screen area has an angle 16 of 35 ° to 60 °.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Flugstromvergaser zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, bei dem ein in einem Druckmantel 15 angeordneter Kühlschirm 8 einen Reaktionsraum 9 begrenzt.
  • Bei Flugstromvergasern wird der thermisch hoch belastete Reaktionsraum 9 durch eine gekühlte Rohrkonstruktion gebildet. Diese Konstruktion, der sogenannte Kühlschirm 8, als Ganzes ist nur begrenzt druckstabil, wobei die Rohre an sich druckbeständig ausgeführt sind. Der Kühlschirm 8 ist in einem Druckgefäß 15 positioniert. Aus Gründen der thermischen Beständigkeit des Druckbehälters ist ein bestimmter Abstand zwischen Druckbehälter und Kühlschirm notwendig. Der somit entstehende Rückraum 10 (auch als Kühlschirmspalt bezeichnet) ist mit einem Inertgas gespült und weist zu dem Reaktionsraum einen Druckausgleich auf, womit im Normalbetrieb in dem Reaktionsraum und in dem Rückraum gleicher Druck herrscht.
  • Da Druckwechsel zum Teil hochdynamische Vorgänge darstellen, muss sichergestellt werden, dass ein Druckausgleich in jedem Betriebszustand erfolgen kann und dass durch eine in den Reaktionsraum gerichtete Strömung das Eindringen von Reaktionsgas und Staub in den Kühlschirmspalt 10 begrenzt wird. Zusätzlich muss der Kühlschirm als Ganzes eine gewisse Mindestresistenz gegen Druckdifferenzen über seine Wandung aufweisen. Diese Mindestbeständigkeit gegen Druckdifferenzen nimmt mit größer werdenden Kühlschirmdurchmesser und Kühlschirmhöhe ab, so dass sich mit größer werdender Vergaserleistung diese Problematik verstärkt. Des Weiteren ist der Kühlschirm einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt und zur Vermeidung von Schäden ist ein guter Wärmedurchgang vom Reaktionsraum in das Kühlwasser erforderlich. Diese Anforderung lässt sich durch geringe Rohrwandstärken erreichen, was wiederum der Differenzdruckfestigkeit des Kühlschirms entgegenwirkt.
  • Stand der Technik sind Vergasergrößen von 500 MW, wie zum Beispiel beschrieben in DE 197 181 31 A1 . In der darin beschriebenen Konzeption befindet sich ein aus gasdicht verschweißten Kühlrohren bestehender Kühlschirm innerhalb eines Druckgefäßes. Dieser Kühlschirm ist auf einem Zwischenboden abgestützt und kann sich nach oben frei ausdehnen. Damit wird sichergestellt, dass beim Auftreten verschiedener Temperaturen auf Grund von An- und Abfahrvorgängen und daraus bedingter Längenänderung keine mechanischen Spannungen auftreten, die gegebenenfalls zu einer Zerstörung führen könnten. Um dies zu erreichen, befindet sich am oberen Ende des Kühlschirmes keine feste Verbindung, sondern ein Ringspalt zwischen dem Kühlschirmkragen und dem Brennerhalterungsflansch, der eine freie Beweglichkeit sichert und mit elastischen, thermisch beständigen Fasermatten ausgefüllt ist. Diese Matten sind nicht gasdicht ausgeführt und ermöglichen somit ein Hinterströmen des Kühlschirmspaltes mit einem trockenen, kondensatfreien und sauerstofffreien Gas. Durch diese Spülung soll ein Rückströmen von heißem Vergasungsgas bei Druckschwankungen in den Kühlschirmspalt verhindert werden. Nachteil dieser Ausführung ist, dass diese Matten lediglich formschlüssig im Ringspalt positioniert sind und bei größeren Differenzdrücken aus der Führung herausgedrückt werden können. Damit erfüllen die Matten ihre Funktion, den Staubübertritt aus dem Reaktionsraum in den Rückraum zu begrenzen, nicht mehr, was letztendlich dazu führt, dass trotz entgegen gerichteter Spülung Reaktionsgas und Staub in den Kühlschirmspalt 10 gelangen. Durch den Staub- und Vergasungsgasübertritt in den Rückraum findet einerseits Korrosion an der Rückseite des Kühlschirmes oder des Druckmantels statt, welche langfristig zu einer Zerstörung führen kann, andererseits verursacht der Staubeintrag in den Kühlschirmspalt 10 auch eine erhöhte CO Konzentration nach Abschaltung des Vergasers innerhalb des Reaktionsraumes und der gasführenden nachgeschalteten Systeme. Eine Inspektion und mögliche Reparatur wird dadurch aus sicherheitstechnischen Gründen stark verzögert.
  • Alternativ kann der Spalt, wie in DE10 2007 045 321 und DE10 2009 005 856 beschrieben, über einen Wellrohrkompensator verschlossen werden. Bei dieser Ausführung wird das Spülgas vom Kühlschirmspalt 10 über eine zusätzliche mit dem Kombinationsbrenner verbundene Druckausgleichsleitung in den Reaktionsraum geleitet, um somit den notwendigen Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt und Reaktionsraum sicherzustellen. Nachteilig an dieser Lösung sind der hohe Preis von Kompensatoren mit größerem Durchmesser und der zusätzliche Verrohrungsaufwand für die Druckausgleichsleitung.
  • Um den Kühlschirm bei hohen Vergasungstemperaturen zu schützen und die thermische Belastung zu begrenzen, erfordert das in DE 197 181 31 beschriebene Kühlschirmkonzept eine ausreichende und aus flüssiger und fester Schlacke bestehende Schicht auf dem Kühlschirm. In der Praxis zeigte sich, dass diese Schlackeschicht abhängig von der eingesetzten Kohle beziehungsweise deren Asche eine unterschiedliche Dicke ausbilden kann. In deren Folge kann der Wärmeeintrag und die abzuführende Wärmemenge in den Kühlschirm stark ansteigen und zu Wandtemperaturen oberhalb der zulässigen Materialwerte und stärkerem thermischen Verschleiß führen.
  • Um in diesen Fällen einen Kühlschirmschaden zu vermeiden, ist eine geringere Rohrwandstärke nötig, was aber andererseits zu kleineren zulässigen Druckdifferenzen über die Kühlschirmwand führt. Diese zulässige Druckdifferenz verkleinert sich weiter mit größer werdender Vergaserleistung, da sich dabei auch der Reaktionsraumdurchmesser und damit verbunden die Kühlschirmflächen vergrößern und geringere Festigkeitswerte verursachen. Abhilfe schafft eine größere Rohrwandstärke, was aber dem Ziel einer geringeren Wandstärke entgegenwirkt, den Wärmedurchgang reduziert und die abführbare Wärmemenge verringert. Eine erhöhte Rohrwandstärke verursacht größere Temperaturunterschiede zwischen Rohrinnenseite und Rohraußenseite, wodurch zusätzliche Spannungen in der Rohrwandung induziert werden. Beide Aspekte, höhere Spannungen und höherer thermischer Verschleiß führen zu potentiell kürzeren Standzeiten des Kühlschirms. Damit sind der Einsatzbereich und die Leistungsgröße des Kühlschirmes aufgrund der gegenläufigen Wirkung einer veränderten Rohrwandstärke auf Festigkeit des Kühlschirms versus abführbarer Wärmemenge begrenzt.
  • Aus der CN 202 730 087 U ist ein Flugstromvergaser mit einem Kühlschirm in einem Druckmantel sowie mit einem Einlass für den Brenner und einem konischen Bereich hin zum Auslass des Reaktors bekannt, bei dem der Kühlschirm des Reaktors durch drei voneinander getrennte Rohrwände aufgebaut ist.
  • Aus der EP 0 459 023 A1 ist ein Vergasungsreaktor zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Materialien unter Druck bekannt, bei dem eine von einem Kühlmittel durchströmte Rohrwand in einem Druckgefäß angeordnet ist. In dem Raum zwischen der Außenseite der Rohrwand und dem Druckgefäß ist ein steter Strom eines Inertgases, vorzugsweise Stickstoff, zum Schutz der Außenseite der Rohrwand des Vergasungsreaktors gegen Korrosion durch Kondenswasser gegeben.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine technische Lösung für die angesprochenen, einander widerstrebenden Anforderungen anzugeben.
  • Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch eine entsprechende Brennergestaltung die Temperaturfreisetzung so eingestellt werden kann, dass eine geringere thermische Belastung in den konischen Bereichen des Kühlschirms realisierbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung des Problems liegt in einer Kühlschirmgestaltung mit ausreichenden Festigkeiten bei hoher Druckdifferenz über der Kühlschirmwand und einer Rohrwandstärke, welche einen sicheren Betrieb des Kühlschirmes und einen hohen Wärmedurchgang gewährleistet; zudem ist ein Druckausgleiches zwischen Kühlschirmspalt 10 und Reaktionsraum 9 in allen Betriebszuständen gegeben.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig 1
    einen erfindungsgemäßen 8-gängigen Kühlschirm mit 4 gleichmäßig über den Umfang verteilten Pratzen und
    Fig 2
    eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit 8 Auflageplatten und 32 auf diese verteilte Spül- und Druckausgleichsrohren.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
  • Erfindungsgemäß werden im Bereich der höchsten Temperaturbelastung, das heißt im zylindrischen Teil des Kühlschirms, dünnwandige Rohre 5 verwendet und zur Gewährleistung der mechanischen Festigkeit in den konischen Bereichen des Kühlschirms (oben und unten), insbesondere zwecks Aufnahme der Biegemomente durch Eigenlast und bei auftretenden Differenzdrücken, dickwandige Rohre 3 eingesetzt.
  • Die Rohre werden weiterhin so gewählt, dass der Rohraußendurchmesser über die gesamte Kühlschirmhöhe 8 konstant gehalten wird und die Rohrwandstärke nur über den Rohrinnendurchmesser variiert wird. Der Übergang vom kleineren auf den größeren Rohrinnendurchmessern ist dabei gleitend über einen allmählichen Durchmesseranstieg 4 ausgestaltet, um damit das Entstehen von "Totwassergebieten" zu vermeiden, in welchen auf Grund diskontinuierlicher Strömungsverhältnisse keine ausreichende Kühlung sichergestellt werden kann. Die Beibehaltung eines einheitlichen Außendurchmessers der Kühlschirmrohre führt zu einer homogenen Ausführung des Kühlschirms. Neben fertigungstechnischen Vorteilen (zum Beispiel automatische Schweißung) ist insbesondere die dadurch gewährleistete gleichmäßige Bestampfbarkeit mit Feuerfestmaterial vorteilhaft.
  • Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Kühlschirms wird die mechanische Last des Kühlschirms über Pratzen 1 in den umschließenden Druckmantel 15 abgeleitet, was die Biegemomente insgesamt weiter reduziert und damit die zulässige Druckdifferenz prinzipiell erhöht. Durch die vorgesehenen Pratzen 1 werden aber gleichzeitig lokale Spannungsspitzen hervorgerufen. Aus diesem Grund werden die beschriebenen Wandstärkeübergänge 4 nach Möglichkeit weit außerhalb des Störbereichs der Pratzen (Bereich in welchem durch die Pratzen beim Vorhandensein mechanischer Belastung lokale Spannungsspitzen auftreten können) positioniert. Unter Beibehaltung eines nach Möglichkeit großen Bereiches dünnerer Wandstärken 5 werden die Wandstärkenübergänge 4 vertikal oberhalb der Pratzen und tangential betrachtet mittig zwischen den Pratzen 1 angeordnet.
  • Bei symmetrischer Anzahl der Pratzen kann zur Positionierung der Wandstärkenübergänge 4 im unteren zylindrischen Bereich folgende Formel für die horizontale Anordnung der Wandstärkenübergänge angewendet werden: γ = 360 ° n p ∗ k ∗ 2
    Figure imgb0001
     wobei
    • γ = Winkel zwischen der Mitte der Pratze und dem Wandstärkenübergang (7),
    • np = Anzahl der Pratzen und
    • k = n R n P
      Figure imgb0002
       mit nR = Anzahl der Kühlschirmrohre sind.
  • Symmetrische Ausführung bedeutet, dass zwischen den Pratzen immer die gleiche Anzahl an Wandstärkenübergängen angeordnet ist, das heißt k ist eine ganzzahlige Zahl.
  • Der vertikale Abstand x zwischen der Pratze und dem ersten Wandstärkenübergang ist so gewählt, dass zwischen dem obersten mit der Pratze verbundenen Rohr und dem Rohr mit Wandstärkenübergang mindestens ein weiteres Rohr mit großer Wandstärke liegt. Dabei ist die Pratze vorteilhafterweise so ausgeführt, dass mindestens drei Rohre im konischen Bereich und drei Rohre im zylindrischen Teil fest mit jeder Pratze verbunden sind. Mit einer zusätzlichen Befestigung der Pratze an den oberen Rohren des unteren konisch ausgeführten Kühlschirmteils kann die Lastaufnahme des Kühlschirmes besonders vorteilhaft gestaltet werden.
  • Im oberen Bereich des Kühlschirmes werden die dickwandigen Rohre im konischen Teil verwendet und so weit in den zylindrischen Teil weitergeführt, dass mindestens ein Kühlschirmrohr einen halben Umlauf im Zylinder erreicht. Eine weitere Erhöhung der Kühlschirmfestigkeit ist durch eine Optimierung des oberen und unteren konischen Kühlschirmteiles verbunden mit einer Vergrößerung des Anstellwinkels 16 möglich. Da diese Erhöhung des Anstellwinkels aber andererseits zu einer Vergrößerung des Kühlschirmspaltes 10 führt, steigt die abzuführende Gasmenge bei Notentspannung des Reaktors 9 an. Eine erhöhte Gasmenge wiederum vergrößert bei gleichbleibenden Spül- und Druckausgleichsleitungen 13 den Differenzdruck über den Kühlschirm und wirkt einer Erhöhung der Festigkeit durch einen größeren Anstellwinkel entgegen. Daher ist in vorteilhafter Ausgestaltung ein Winkel 16 zwischen 35° und 60° gewählt. Im Ausführungsbeispiel Fig. 2 ist dieser Winkel 16 mit 45° gewählt.
  • Fig 1 stellt ein Ausführungsbeispiel mit acht Kühlschirmrohren (8-gängiger Kühlschirm) und 4 gleichmäßig über den Umfang verteilten Pratzen dar. Der vertikale Abstand wurde mit vier Rohrdurchmessern und der horizontale Abstand mit 22,5° gewählt.
  • Trotz der beschriebenen wirksamen Maßnahme zur Erhöhung des zulässigen Differenzdruckes über die Kühlschirmwand ist der zulässige Differenzdruck bei Vergasern größerer Leistung (und damit Volumen) geringer als bei kleineren Vergaserleistungen bis zum Beispiel 500 MW, so dass weitere Maßnahmen notwendig werden, um einen sicheren Betrieb ohne Anreicherung von Kohlenstaub im Kühlschirmspalt oder Korrosion des Druckbehälters 15 beziehungsweise der Rückseite des Kühlschirms 8 zu gewährleisten. Konstruktiv wird sichergestellt, dass in jedem Betriebszustand eine ausreichend große durchströmte Fläche zum Druckausgleich zur Verfügung steht, ohne aber einen ungehinderten Staub und Reaktionsgaseintrag in den Rückraum des Kühlschirms zu ermöglichen. Hierzu werden im Dehnungsspalt des Kühlschirms metallische Spül- und Druckausgleichsrohre 12 so positioniert, dass einerseits die zulässige Druckdifferenz über die Kühlschirmwand nicht überschritten wird und dass andererseits die vertikale thermische Dehnung des Kühlschirms gewährleistet bleibt. Der für Dehnung verbleibende notwendige Spalt wird zwecks Verhinderung von Staubübertritt mit flexiblen, thermisch stabilen keramischen Fasermatten 11 ausgefüllt. Für die Anordnung der metallischen Rohre über den Umfang werden am oberen Abschluss des Kühlschirms Auflageplatten 13 positioniert, wobei die Anzahl dieser Auflageplatten so gewählt werden, dass sie der Anzahl der Kühlschirmrohre entsprechen. Auf diesen Auflageplatten werden die metallischen Rohre 12 gleichmäßig verteilt und der verbleibende Ringraum zwischen Kühlschirmabschluss und Druckbehälter mittels Fasermatten 11 abgedichtet, die vorteilhafterweise oberhalb der Rohre angeordnet sind. Zur Sicherstellung einer gerichteten Strömung beziehungsweise Vermeidung von Rückströmungen wird ein trockenes, kondensat- und sauerstofffreies Gas als Spülgas über den Stutzen 14 und die Spül- und Druckausgleichsrohre 12 in den Reaktionsraum 9 eingetragen.
  • Fig 2 stellt ein Ausführungsbeispiel mit acht Auflageplatten und 32 auf diesen verteilten Spül- und Druckausgleichsrohren dar.
  • Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Reaktor zur Vergasung von festen und flüssigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), wobei feste Brennstoffe staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoff- oder Wasser-Feststoff-Suspensionen sein können, mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel, wobei der Reaktor einen Kühlschirm 8 und einen Druckmantel 15 aufweist, wobei in einem Druckmantel 15 ein Kühlschirm 8 einen Reaktionsraum 9 begrenzt, der Kühlschirm mit mehreren parallel gewickelten Rohren ausgeführt ist, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, die Kühlschirmrohre Wandstärkenänderungen aufweisen mit einer dickeren Wandstärke im unteren und oberen Bereich und einer dünneren Wandstärke im mittleren zylindrischen Bereich und der Anstellwinkel des konischen Kühlschirmbereiches einen Winkel 16 von 35° bis 60° aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.

Claims (10)

  1. Flugstromvergaser zur Vergasung von staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa sowie Vergasungstemperaturen zwischen 1.200 und 1.900°C, bei dem
    - in einem Druckmantel (15) ein Reaktionsraum (9) über ein Leitrohr mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden ist,
    - der Reaktionsraum durch einen Kühlschirm (8) begrenzt ist,
    - einen am oberen Ende des Reaktionsraumes anordenbaren Vergasungsbrenner,
    - der Kühlschirmspalt (10) zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem Inertgas gespült ist,
    - der Kühlschirm mit der Wicklung einer Anzahl von Kühlschirmrohren ausgeführt ist, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt sind,
    - der Kühlschirm am oberen Ende einen sich verjüngenden konischen Kühlschirmabschnitt, am unteren Ende einen sich verjüngenden konischen Kühlschirmabschnitt (17) und dazwischen einen mittleren zylinderförmigen Kühlschirmabschnitt (18) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschirmrohre als dickwandiges Kühlschirmrohr (3) im Bereich des unteren und des oberen Kühlschirmabschnitts sowie als dünnwandiges Kühlschirmrohr (5) im Bereich des mittleren Kühlschirmabschnitts ausgeführt sind.
  2. Flugstromvergaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel des konischen Kühlschirmabschnittes einen Winkel (16) von 35° bis 60° aufweist.
  3. Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kühlschirm mit Pratzen (1) abgestützt ist, welche jeweils mit mindestens drei Rohrwindungen des konischen Kühlschirmabschnitts (17) am unteren Ende und drei Rohrwindungen im darüber liegenden zylinderförmigen Kühlschirmabschnitt (18) fest verbunden sind.
  4. Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    der Außendurchmesser des Kühlschirmrohres konstant ist und der Übergang (7) von einem dickwandigen Kühlschirmrohr (3) zu einem dünnwandigen Kühlschirmrohr (5) gleitend (4) im Innenteil des Kühlschirmrohres ausgeführt ist.
  5. Flugstromvergaser nach Anspruch 3 und 4
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Übergang (7) von einem dickwandigen Kühlschirmrohr (3) zu einem dünnwandigen Kühlschirmrohr (5) in horizontaler Richtung zwischen den Pratzen (1) und in vertikaler Richtung mindestens ein dickwandiges Kühlschirmrohr oberhalb der Pratze angeordnet ist.
  6. Flugstromvergaser einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das dickwandige Kühlschirmrohr (3) so weit in den zylinderförmigen Kühlschirmabschnitt weitergeführt ist, dass mindestens ein Kühlschirmrohr einen halben Umlauf im zylinderförmigen Kühlschirmabschnitt erreicht.
  7. Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kühlschirm mit mehreren, insbesondere acht, parallel gewickelten Rohren ausgeführt ist.
  8. Flugstromvergaser einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Spül- und Druckausgleichsrohre (12) am oberen Ende des Kühlschirms angeordnet sind.
  9. Flugstromvergaser nach Anspruch 8
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Spül- und Druckausgleichsrohre (12) auf Auflageplatten (13) aufliegen und der verbleibende Spalt mit Fasermatten (11) abgedichtet ist.
  10. Flugstromvergaser nach Anspruch 9
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Auflageplatte (13) mit einem Kühlschirmrohr verbunden ist.
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