WO2018041791A1 - Cooling screen with variable pipe diameter for high gasifier power - Google Patents

Cooling screen with variable pipe diameter for high gasifier power Download PDF

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WO2018041791A1
WO2018041791A1 PCT/EP2017/071574 EP2017071574W WO2018041791A1 WO 2018041791 A1 WO2018041791 A1 WO 2018041791A1 EP 2017071574 W EP2017071574 W EP 2017071574W WO 2018041791 A1 WO2018041791 A1 WO 2018041791A1
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cooling screen
cooling
screen
walled
tube
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PCT/EP2017/071574
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Frank Hannemann
Tino Just
Norbert Fischer
André Herklotz
Heidrun Toth
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C10J3/485—Entrained flow gasifiers
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    • 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), wherein solid fuels dusty ground coal coals different degrees of coalification, Pet- coke or other solid carbonaceous materials and liquid fuels, oils or oil-solid or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidant, in which a cooling jacket 8 arranged in a pressure jacket 15 delimits a reaction space 9.
  • the thermally highly loaded reaction space 9 is formed by a cooled pipe construction. This construction, the so-called cooling screen 8, as
  • the cooling screen 8 is positioned in a pressure vessel 15. For reasons of thermal stability of the pressure vessel, a certain distance between the pressure vessel and the cooling screen is necessary.
  • the thus resulting back space 10 (also referred to as a cooling screen gap) is purged with an inert gas and has to the reaction space on a pressure equalization, which in normal operation in the reaction chamber and in the back chamber equal pressure prevails.
  • the cooling screen as a whole must have a certain minimum resistance to pressure differences across its wall. This minimum resistance to pressure differences increases With increasing cooling screen diameter and cooling screen height, so that increases with increasing carburetor this problem.
  • the cooling screen is exposed to a high thermal load and to avoid damage, a good heat transfer from the reaction space in the cooling water is required. This requirement can be achieved by low pipe wall thicknesses, which in turn counteracts the differential pressure resistance of the cooling screen.
  • Prior art are carburetor sizes of 500 MW, as described for example in DE 197 181 31 AI.
  • a cooling screen consisting of gastight welded cooling tubes within a pressure vessel.
  • This cooling screen is supported on an intermediate floor and can expand freely upwards. This ensures that when various temperatures occur due to startup and shutdown processes and the resulting change in length no mechanical stresses occur, which could possibly lead to destruction.
  • 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 mounting flange, which ensures free mobility and is filled with elastic, thermally resistant fiber mats.
  • mats are not gas-tight and thus allow a backflow of the cooling screen gap with a dry, condensate-free and oxygen-free gas. This flushing is intended to prevent a backflow of hot gasification gas in the event of pressure fluctuations in the cooling screen gap.
  • a disadvantage of this design is that these mats are only positively positioned in the annular gap and can be pushed out of the guide at greater differential pressures. In this way, the mats no longer fulfill their function of limiting the transfer of dust from the reaction space into the rear space, which ultimately leads to reaction gas and dust entering the cooling screen gap 10, despite opposing flushing.
  • the gap as described in DE10 2007 045 321 and DE10 2009 005 856, can be closed by means of a corrugated tube compensator.
  • the purge gas is passed from the cooling screen gap 10 via an additional pressure equalization line connected to the combination burner into the reaction space so as to ensure the necessary pressure equalization between the cooling screen gap and the reaction space. Disadvantages of this solution are the high price of compensators with a larger diameter and the additional piping effort for the pressure compensation line.
  • the cooling screen concept described in DE 197 181 31 requires a sufficient layer of liquid and solid slag on the cooling screen.
  • this slag layer can form a different thickness depending on the coal used or its ash.
  • the heat input and the amount of heat to be dissipated in the cooling screen can rise sharply and lead to wall temperatures above the permissible material values and greater thermal wear.
  • the range of application and the performance of the cooling screen are limited due to the opposite effect of a changed pipe wall thickness on strength of the cooling screen versus dissipated amount of heat.
  • the invention is based on the problem to provide a technical solution to the mentioned, conflicting requirements.
  • the invention makes use of the knowledge that the temperature release can be adjusted by a corresponding burner design so that a lower thermal load in the conical regions of the cooling screen can be realized.
  • the solution to the problem of the invention lies in a cooling screen design with sufficient strength at high pressure difference across the cooling screen wall and a tube wall thickness, which ensures safe operation of the cooling screen and a high heat transfer;
  • a pressure equalization between the cooling screen gap 10 and the reaction chamber 9 is given in all operating conditions.
  • Figure 1 shows an inventive 8-speed cooling screen with 4 evenly distributed over the circumference claws and
  • Figure 2 shows an embodiment of the invention with 8 support plates and 32 distributed to this rinsing and pressure equalization tubes.
  • like names denote like elements.
  • thin-walled tubes 5 are used in the region of the highest temperature load, that is to say in the cylindrical part of the cooling screen, and ensure mechanical strength in the conical regions of the cooling screen (top and bottom), in particular for absorbing the bending moments due to dead load and differential pressures occurring.
  • thick-walled tubes 3 used.
  • the tubes are further selected so that the pipe outside diameter is kept constant over the entire cooling screen height 8 and the pipe wall thickness is varied only over the pipe inner diameter.
  • the transition from the smaller inner diameter to the larger inner diameter of the pipe is thereby made slidably over a gradual increase in diameter 4 in order to avoid the formation of "dead water zones" in which sufficient cooling can not be ensured due to discontinuous flow conditions.
  • manufacturing advantages for example, automatic welding
  • the thus ensured uniform Bestampfampfiana with refractory material is advantageous.
  • the mechanical load of the cooling screen is increased by zen 1 in the enclosing pressure jacket 15 derived, which further reduces the bending moments and thus increases the permissible pressure difference in principle.
  • the provided claws 1 simultaneously cause local voltage peaks.
  • the described wall thickness transitions 4 are positioned as far as possible far outside the interference region of the claws (area in which local stress peaks may occur due to the claws in the presence of mechanical stress).
  • the wall thickness transitions 4 While maintaining a possible large area of thinner wall thicknesses 5, the wall thickness transitions 4 are arranged vertically above the claws and tangentially viewed centrally between the claws 1. With a symmetrical number of claws, the following formula for the horizontal arrangement of the wall thickness transitions can be used to position the wall thickness transitions 4 in the lower cylindrical area:
  • Symmetric design means that between the claws always the same number of wall thickness transitions is arranged, that is, k is an integer number.
  • the vertical distance x between the claw and the first wall thickness transition is chosen such that between the upper tube connected to the claw and the tube with wall cladding Strength transition is at least one other pipe with a large wall thickness.
  • the claw is advantageously designed such that at least three tubes in the conical region 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 made particularly advantageous.
  • a further increase in the cooling screen resistance is possible by optimizing the upper and lower conical cooling screen part associated with an increase in the angle of attack 16.
  • this increase in the angle of attack leads to an enlargement of the cooling screen gap 10
  • the amount of gas to be removed increases at the instantaneous voltage of the reactor 9.
  • An increased amount of gas in turn increases at constant
  • Purge and pressure equalization lines 13 the differential pressure across the cooling screen and counteracts an increase in strength by a larger angle of attack. Therefore, in an advantageous embodiment, an angle 16 is selected between 35 ° and 60 °. In the embodiment of FIG. 2, this angle 16 is selected at 45 °.
  • Figure 1 shows an embodiment with eight cooling screen tubes (8-speed cooling screen) and 4 evenly distributed over the circumference claws.
  • the vertical distance was selected with four pipe diameters and the horizontal distance of 22.5 °.
  • the allowable differential pressure for carburettors of greater power is less than for smaller carburetor powers up to, for example, 500 MW, so further action is necessary be to ensure safe operation without accumulation of coal dust in the cooling screen gap or corrosion of the pressure vessel 15 and the back of the cooling screen 8.
  • metal rinsing and pressure equalization tubes 12 are positioned in the expansion gap of the cooling screen so that on the one hand, the allowable pressure difference across the cooling screen is not exceeded and on the other hand, the vertical thermal expansion of the cooling screen is guaranteed.
  • the necessary gap remaining for expansion is filled with flexible, thermally stable ceramic fiber mats 11 in order to prevent the passage of dust.
  • support plates 13 are positioned at the upper end of the cooling screen, the number of these support plates being selected to correspond to the number of the cooling screen tubes.
  • the metallic tubes 12 are evenly distributed and sealed the remaining annular space between thedepressab gleich and pressure vessel by means of fiber mats 11, which are advantageously arranged above the tubes.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment with eight support plates and 32 rinsing and pressure equalizing tubes distributed on these.
  • the invention is also provided by a reactor for the metering of solid and liquid fuels in the air stream at temperatures between 1200 and 1900 ° C and pressures between ambient pressure and 10 MPa (100 bar), with solid fuels dusty milled coal different Kohlohlungs- grades, petroleum cokes or other solid carbonaceous substances and may be liquid fuels, oils or oil solids or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidant, the reactor having a cooling screen 8 and a pressure jacket 15, wherein in a pressure jacket 15th a cooling screen 8 delimits a reaction space 9, the cooling screen is embodied with several parallel wound pipes through which a cooling liquid flows, the cooling screen pipes 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 incidence of conicaldecan Schemees an angle 16 of 35 ° to 60 °.

Abstract

For an entrained-flow gasifier for gasification of fuels in dust or liquid form using a gasifier agent containing free oxygen, at pressures between atmospheric pressure and 8 MPa and gasification temperatures between 1200 and 1900°C, there is proposed a liquid-cooled cooling screen of which the cooling pipes in the central cylindrical section have thinner walls than the cooling pipes in the lower and upper conical sections. The invention provides a cooling screen design having sufficient strength under high pressure difference over the cooling screen wall, a pipe wall thickness which ensures reliable operation of the cooling screen and high heat throughput, and pressure equalization between the cooling screen gap and the reaction chamber under all operating circumstances.

Description

Beschreibung description
Kühlschirm mit variablem Rohrdurchmesser für hohe Vergaserleistung Cooling screen with variable tube diameter for high carburetor performance
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, Pet- rolkokse 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. 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), wherein solid fuels dusty ground coal coals different degrees of coalification, Pet- coke or other solid carbonaceous materials and liquid fuels, oils or oil-solid or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidant, in which a cooling jacket 8 arranged in a pressure jacket 15 delimits a reaction space 9.
Bei Flugstromvergasern wird der thermisch hoch belastete Reaktionsraum 9 durch eine gekühlte Rohrkonstruktion gebil- det . Diese Konstruktion, der sogenannte Kühlschirm 8, alsIn entrained flow gasifiers, the thermally highly loaded reaction space 9 is formed by a cooled pipe construction. This construction, the so-called cooling screen 8, as
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. Whole is only limited pressure stability, the pipes are designed to be pressure resistant. The cooling screen 8 is positioned in a pressure vessel 15. For reasons of thermal stability of the pressure vessel, a certain distance between the pressure vessel and the cooling screen is necessary. The thus resulting back space 10 (also referred to as a cooling screen gap) is purged with an inert gas and has to the reaction space on a pressure equalization, which in normal operation in the reaction chamber and in the back chamber equal pressure prevails.
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 Reakti- onsgas 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 AI. 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 Mat- ten 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. Nach- teil 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 Reakti- onsraum geleitet, um somit den notwendigen Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt und Reaktionsraum sicherzustellen. Nachteilig an dieser Lösung sind der hohe Preis von Kompensa- toren mit größerem Durchmesser und der zusätzliche Verrohrungsaufwand für die Druckausgleichsleitung. Since pressure changes are sometimes highly dynamic processes, it must be ensured that pressure equalization can take place in any operating state and that the penetration of reaction gas and dust into the cooling screen gap 10 is limited by a flow directed into the reaction space. In addition, the cooling screen as a whole must have a certain minimum resistance to pressure differences across its wall. This minimum resistance to pressure differences increases With increasing cooling screen diameter and cooling screen height, so that increases with increasing carburetor this problem. Furthermore, the cooling screen is exposed to a high thermal load and to avoid damage, a good heat transfer from the reaction space in the cooling water is required. This requirement can be achieved by low pipe wall thicknesses, which in turn counteracts the differential pressure resistance of the cooling screen. Prior art are carburetor sizes of 500 MW, as described for example in DE 197 181 31 AI. In the conception described therein, there is a cooling screen consisting of gastight welded cooling tubes within a pressure vessel. This cooling screen is supported on an intermediate floor and can expand freely upwards. This ensures that when various temperatures occur due to startup and shutdown processes and the resulting change in length no mechanical stresses occur, which could possibly lead to destruction. 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 mounting flange, which ensures free mobility and is filled with elastic, thermally resistant fiber mats. These mats are not gas-tight and thus allow a backflow of the cooling screen gap with a dry, condensate-free and oxygen-free gas. This flushing is intended to prevent a backflow of hot gasification gas in the event of pressure fluctuations in the cooling screen gap. A disadvantage of this design is that these mats are only positively positioned in the annular gap and can be pushed out of the guide at greater differential pressures. In this way, the mats no longer fulfill their function of limiting the transfer of dust from the reaction space into the rear space, which ultimately leads to reaction gas and dust entering the cooling screen gap 10, despite opposing flushing. By the dust and Vergasungsgasübetritt in the back space finds on the one hand corrosion at the On the other hand, the dust entry into the cooling screen gap 10 also causes an increased CO concentration after switching off the carburettor within the reaction space and the gas-carrying downstream systems. An inspection and possible repair is thereby greatly delayed for safety reasons. Alternatively, the gap, as described in DE10 2007 045 321 and DE10 2009 005 856, can be closed by means of a corrugated tube compensator. In this embodiment, the purge gas is passed from the cooling screen gap 10 via an additional pressure equalization line connected to the combination burner into the reaction space so as to ensure the necessary pressure equalization between the cooling screen gap and the reaction space. Disadvantages of this solution are the high price of compensators with a larger diameter and the additional piping effort for the pressure compensation line.
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. In order to protect the cooling screen at high gasification temperatures and to limit the thermal load, the cooling screen concept described in DE 197 181 31 requires a sufficient layer of liquid and solid slag on the cooling screen. In practice, it has been found that this slag layer can form a different thickness depending on the coal used or its ash. As a result, the heat input and the amount of heat to be dissipated in the cooling screen can rise sharply and lead to wall temperatures above the permissible material values and greater thermal wear.
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 Kühlschirm- flächen 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 verrin- gert . 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. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine technische Lösung für die angesprochenen, einander widerstrebenden Anforderungen anzugeben . In order to avoid a cooling screen damage in these cases, a smaller pipe wall thickness is necessary, but on the other hand leads to smaller permissible pressure differences across the cooling screen wall. This permissible pressure difference is further reduced with increasing carburetor output, since in this case also the reaction space diameter and, associated therewith, the cooling screen increase surfaces and cause lower strength values. This is remedied by a larger pipe wall thickness, which, however, counteracts the goal of a lower wall thickness, reduces heat transmission and reduces the amount of heat that can be removed. An increased pipe wall thickness causes larger temperature differences between the pipe inside and pipe outside, whereby additional stresses in the pipe wall are induced. Both aspects, higher voltages and higher thermal wear lead to potentially shorter life of the cooling screen. Thus, the range of application and the performance of the cooling screen are limited due to the opposite effect of a changed pipe wall thickness on strength of the cooling screen versus dissipated amount of heat. The invention is based on the problem to provide a technical solution to the mentioned, conflicting requirements.
Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The problem is solved by an article having the features of claim 1.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch eine entsprechende Brennergestaltung die Temperaturfreisetzung so eingestellt werden kann, dass eine geringere thermi- sehe Belastung in den konischen Bereichen des Kühlschirms realisierbar ist. The invention makes use of the knowledge that the temperature release can be adjusted by a corresponding burner design so that a lower thermal load in the conical regions of the cooling screen can be realized.
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. The solution to the problem of the invention lies in a cooling screen design with sufficient strength at high pressure difference across the cooling screen wall and a tube wall thickness, which ensures safe operation of the cooling screen and a high heat transfer; In addition, a pressure equalization between the cooling screen gap 10 and the reaction chamber 9 is given in all operating conditions.
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: Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment in a scope necessary for understanding with reference to figures. Showing:
Fig 1 einen erfindungsgemäßen 8-gängigen Kühlschirm mit 4 gleichmäßig über den Umfang verteilten Pratzen und Figure 1 shows an inventive 8-speed cooling screen with 4 evenly distributed over the circumference claws and
Fig 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit 8 Auflageplatten und 32 auf diese verteilte Spül- und Druckausgleichsrohren . In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente . Figure 2 shows an embodiment of the invention with 8 support plates and 32 distributed to this rinsing and pressure equalization tubes. In the figures, like names denote like elements.
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. According to the invention, thin-walled tubes 5 are used in the region of the highest temperature load, that is to say in the cylindrical part of the cooling screen, and ensure mechanical strength in the conical regions of the cooling screen (top and bottom), in particular for absorbing the bending moments due to dead load and differential pressures occurring. thick-walled tubes 3 used.
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 grö- ßeren 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 Beibe- haltung 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 vorteil- haft. The tubes are further selected so that the pipe outside diameter is kept constant over the entire cooling screen height 8 and the pipe wall thickness is varied only over the pipe inner diameter. The transition from the smaller inner diameter to the larger inner diameter of the pipe is thereby made slidably over a gradual increase in diameter 4 in order to avoid the formation of "dead water zones" in which sufficient cooling can not be ensured due to discontinuous flow conditions In addition to manufacturing advantages (for example, automatic welding), in particular the thus ensured uniform Bestampfampfbarkeit with refractory material is advantageous.
Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Kühlschirms wird die mechanische Last des Kühlschirms über Prat- zen 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 Spannungs- spitzen 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 Beibe- haltung 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: To further increase the mechanical strength of the cooling screen, the mechanical load of the cooling screen is increased by zen 1 in the enclosing pressure jacket 15 derived, which further reduces the bending moments and thus increases the permissible pressure difference in principle. The provided claws 1, however, simultaneously cause local voltage peaks. For this reason, the described wall thickness transitions 4 are positioned as far as possible far outside the interference region of the claws (area in which local stress peaks may occur due to the claws in the presence of mechanical stress). While maintaining a possible large area of thinner wall thicknesses 5, the wall thickness transitions 4 are arranged vertically above the claws and tangentially viewed centrally between the claws 1. With a symmetrical number of claws, the following formula for the horizontal arrangement of the wall thickness transitions can be used to position the wall thickness transitions 4 in the lower cylindrical area:
wobei in which
Y = Winkel zwischen der Mitte der Pratze und dem Wandstärkenübergang (7),  Y = angle between the center of the claw and the wall thickness transition (7),
H# = Anzahl der Pratzen und k = e# mit UR = 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. H # = number of claws and k = e # with U R = number of cooling screen tubes are. Symmetric design means that between the claws always the same number of wall thickness transitions is arranged, that is, k is an integer number.
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 Wand- Stärkenübergang 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 ver- bunden 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 dickwandigenThe vertical distance x between the claw and the first wall thickness transition is chosen such that between the upper tube connected to the claw and the tube with wall cladding Strength transition is at least one other pipe with a large wall thickness. The claw is advantageously designed such that at least three tubes in the conical region 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 made particularly advantageous. In the upper part of the cooling screen are the thick-walled
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 gleichbleibendenTubes used in the conical part and continued so far into the cylindrical part, that at least one cooling shield tube reaches half a revolution in the cylinder. A further increase in the cooling screen resistance is possible by optimizing the upper and lower conical cooling screen part associated with an increase in the angle of attack 16. On the other hand, since this increase in the angle of attack leads to an enlargement of the cooling screen gap 10, the amount of gas to be removed increases at the instantaneous voltage of the reactor 9. An increased amount of gas in turn increases at constant
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° ge- wählt. Im Ausführungsbeispiel Fig. 2 ist dieser Winkel 16 mit 45° gewählt. Purge and pressure equalization lines 13 the differential pressure across the cooling screen and counteracts an increase in strength by a larger angle of attack. Therefore, in an advantageous embodiment, an angle 16 is selected between 35 ° and 60 °. In the embodiment of FIG. 2, this angle 16 is selected at 45 °.
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 . Figure 1 shows an embodiment with eight cooling screen tubes (8-speed cooling screen) and 4 evenly distributed over the circumference claws. The vertical distance was selected with four pipe diameters and the horizontal distance of 22.5 °.
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 Be- triebszustand 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 flexib- len, 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 ge- richteten Strömung beziehungsweise Vermeidung von Rückströ- mungen 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 . Despite the described effective measure to increase the allowable differential pressure across the cooling screen wall, the allowable differential pressure for carburettors of greater power (and thus volume) is less than for smaller carburetor powers up to, for example, 500 MW, so further action is necessary be to ensure safe operation without accumulation of coal dust in the cooling screen gap or corrosion of the pressure vessel 15 and the back of the cooling screen 8. In terms of design, it is ensured that in each operating state, a sufficiently large flow area is available for pressure equalization, but without allowing unimpeded dust and reaction gas entry into the rear space of the cooling screen. For this purpose, metal rinsing and pressure equalization tubes 12 are positioned in the expansion gap of the cooling screen so that on the one hand, the allowable pressure difference across the cooling screen is not exceeded and on the other hand, the vertical thermal expansion of the cooling screen is guaranteed. The necessary gap remaining for expansion is filled with flexible, thermally stable ceramic fiber mats 11 in order to prevent the passage of dust. For the arrangement of the metallic tubes over the circumference, support plates 13 are positioned at the upper end of the cooling screen, the number of these support plates being selected to correspond to the number of the cooling screen tubes. On these support plates, the metallic tubes 12 are evenly distributed and sealed the remaining annular space between the Kühlschirmabschluss and pressure vessel by means of fiber mats 11, which are advantageously arranged above the tubes. To ensure a directed flow or avoid return flows, a dry, condensate- and oxygen-free gas is introduced as purge gas via the pipe 14 and the flushing and pressure equalizing pipes 12 into the reaction chamber 9. FIG. 2 shows an exemplary embodiment with eight support plates and 32 rinsing and pressure equalizing tubes distributed on these.
Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Reaktor zur Verga- sung 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 Inkohlungs- grades, Petrolkokse oder andere feste kohlenstoffhaltige Stoffe sind und flüssige Brennstoffe, Öle oder Öl-Feststoffoder 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. The invention is also provided by a reactor for the metering of solid and liquid fuels in the air stream at temperatures between 1200 and 1900 ° C and pressures between ambient pressure and 10 MPa (100 bar), with solid fuels dusty milled coal different Kohlohlungs- grades, petroleum cokes or other solid carbonaceous substances and may be liquid fuels, oils or oil solids or water-solid suspensions, with a free oxygen-containing oxidant, the reactor having a cooling screen 8 and a pressure jacket 15, wherein in a pressure jacket 15th a cooling screen 8 delimits a reaction space 9, the cooling screen is embodied with several parallel wound pipes through which a cooling liquid flows, the cooling screen pipes 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 incidence of conical Kühlschirmbereiches an angle 16 of 35 ° to 60 °.
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 . The present invention has been explained in detail for illustrative purposes with reference to specific embodiments. In this case, elements of the individual embodiments can also be combined with each other. The invention is therefore not intended to be limited to individual embodiments, but merely to be limited by the appended claims.
Bezugszeichenliste Legende : List of Reference Legend:
I Pratze  I pratze
2 dickwandiges Kühlschirmrohr mit Pratze verbunden 2 thick-walled cooling screen tube connected with claw
3 dickwandiges Kühlschirmrohr 3 thick-walled cooling screen tube
4 Wandstärkenübergang des Kühlschirmrohres  4 wall thickness transition of the cooling screen tube
5 dünnwandiges Kühlschirmrohr  5 thin-walled cooling screen tube
6 vertikaler Abstand zwischen Pratze und Wandstärken- Übergang  6 vertical distance between claw and wall thickness transition
7 horizontaler Abstand zwischen Pratze und Wandstärkenübergang  7 Horizontal distance between claw and wall thickness transition
8 Kühlschirm  8 cooling screen
9 Reaktionsraum  9 reaction space
10 Kühlschirmspalt,  10 cooling screen gap,
II Fasermatten  II fiber mats
12 Spül- und Druckausgleichsleitungen  12 flushing and pressure compensation lines
13 Auflageplatte für Spül- und Druckausgleichsleitungen  13 Platen for flushing and pressure compensation lines
14 Spülanschluss im Druckbehälter  14 Flushing connection in pressure vessel
15 Druckbehälter  15 pressure vessels
16 Anstellwinkel des konischen Kühlschirmteiles  16 angle of attack of the conical cooling screen part
17 konischer Kühlschirmabschnitt am unteren Ende des  17 conical cooling screen section at the bottom of the
Kühlschirms  cool screen
18 zylinderförmiger Kühlschirmabschnitt  18 cylindrical cooling screen section

Claims

Patentansprüche claims
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 1. entrained flow gasifier for the gasification of dusty or liquid fuels with a free oxygen-containing gasification agent at pressures between ambient pressure and 8 MPa and gasification temperatures between 1,200 and 1,900 ° C, in which
- in einem Druckmantel (15) ein Reaktionsraum (9) über ein Leitrohr mit einem darunter angeordneten Quenchraum verbunden ist,  a reaction space (9) is connected in a pressure jacket (15) via a guide tube to a quench space arranged underneath,
- der Reaktionsraum durch einen Kühlschirm (8) begrenzt ist,  the reaction space is delimited by a cooling screen (8),
- einen am oben Ende des Reaktionsraumes anordenbaren Vergasungsbrenner,  a gasification burner which can be arranged at the top of the reaction space,
- der Kühlschirmspalt (10) zwischen Kühlschirm und Druckmantel mit einem Inertgas gespült ist,  the cooling screen gap (10) between the cooling screen and the pressure jacket is flushed with an inert gas,
- der Kühlschirm mit der Wicklung einer Anzahl von Kühlschirmrohren ausgeführt ist, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmt sind,  the cooling screen is designed with the winding of a number of cooling screen pipes through which a cooling liquid flows,
- der Kühlschirm am oben Ende einen sich verjüngenden konischen Kühlschirmabschnitt, am unteren Ende einen sich verjüngenden konischen Kühlschirmabschnitt (17) und dazwischen einen mittleren zylinderförmigen Kühlschirmabschnitt (18) aufweist,  the cooling screen has at the top end a tapered conical cooling screen section, at the lower end a tapered conical cooling screen section (17) and in between a central cylindrical cooling screen section (18),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
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. the cooling screen tubes are designed as a thick-walled cooling screen tube (3) in the region of the lower and the upper cooling screen section and as a thin-walled cooling screen tube (5) in the region of the central cooling screen section.
2. Flugstromvergaser nach Anspruch 1 2. entrained-flow gasifier according to claim 1
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Anstellwinkel des konischen Kühlschirmabschnittes einen Winkel (16) von 35° bis 60° aufweist. the angle of incidence of the conical cooling screen portion has an angle (16) of 35 ° to 60 °.
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. 3. entrained flow gasifier according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling screen with claws (1) is supported, which in each case with at least three pipe turns of the conical cooling screen portion (17) at the lower end and three pipe turns in the overlying cylindrical cooling screen portion (18) are firmly connected.
4. Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 4. entrained flow gasifier according to one of the preceding claims, characterized in that
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. the outer diameter of the cooling screen tube is constant and the transition (7) from a thick-walled Kühlschirmrohr (3) to a thin-walled Kühlschirmrohr (5) sliding (4) in the inner part of the Kühlschirmrohres is executed.
5. Flugstromvergaser nach Anspruch 3 und 4 5. entrained-flow gasifier according to claim 3 and 4
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
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. the transition (7) from a thick-walled cooling screen tube (3) to a thin-walled cooling screen tube (5) is arranged in the horizontal direction between the claws (1) and in the vertical direction at least one thick-walled cooling screen tube above the claw.
6. Flugstromvergaser einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 6. entrained-flow gasifier one of the preceding claims, characterized in that
das dickwandige Kühlschirmrohr (3) so weit in den zylinder- förmigen Kühlschirmabschnitt weitergeführt ist, dass mindestens ein Kühlschirmrohr einen halben Umlauf im zylinderförmigen Kühlschirmabschnitt erreicht. the thick-walled cooling screen tube (3) is continued so far into the cylindrical cooling-screen section that at least one cooling-shield tube reaches half a revolution in the cylindrical cooling-screen section.
7. Flugstromvergaser nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 7. entrained flow gasifier according to one of the preceding claims, characterized in that
der Kühlschirm mit mehreren, insbesondere acht, parallel gewickelten Rohren ausgeführt ist. the cooling screen with several, in particular eight, parallel wound tubes is executed.
8. Flugstromvergaser einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 8. entrained flow gasifier one of the preceding claims, characterized in that
Spül- und Druckausgleichsrohre (12) am oberen Ende des Kühlschirms angeordnet sind. Rinse and pressure equalization tubes (12) are arranged at the upper end of the cooling screen.
9. Flugstromvergaser nach Anspruch 8 9. entrained flow gasifier according to claim 8
dadurch gekennzeichnet , dass characterized in that
die Spül- und Druckausgleichsrohre (12) auf Auflageplatten (13) aufliegen und der verbleibende Spalt mit Fasermatten (11) abgedichtet ist. the flushing and pressure equalizing tubes (12) rest on support plates (13) and the remaining gap is sealed with fiber mats (11).
10. Flugstromvergaser nach Anspruch 9 10. entrained flow gasifier according to claim 9
dadurch gekennzeichnet , dass characterized in that
jede Auflageplatte (13) mit einem Kühlschirmrohr verbunden ist. each support plate (13) is connected to a cooling screen tube.
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