Kühlschirm mit variablem Rohrdurchmesser für hohe Vergaserleistung

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.

Bei Flugstromvergasern wird der thermisch hoch belastete Reaktionsraum 9 durch eine gekühlte Rohrkonstruktion gebil- det . 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 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.

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 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 .

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 thermi- sehe 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 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.

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:

wobei

Y = Winkel zwischen der Mitte der Pratze und dem Wandstärkenübergang (7),

H# = Anzahl der Pratzen und k = ^e # mit ^U R = 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 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 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° ge- wählt. 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 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 .

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.

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 .

Bezugszeichenliste Legende :

I Pratze

2 dickwandiges Kühlschirmrohr mit Pratze verbunden

3 dickwandiges Kühlschirmrohr

4 Wandstärkenübergang des Kühlschirmrohres

5 dünnwandiges Kühlschirmrohr

6 vertikaler Abstand zwischen Pratze und Wandstärken- Übergang

7 horizontaler Abstand zwischen Pratze und Wandstärkenübergang

8 Kühlschirm

9 Reaktionsraum

10 Kühlschirmspalt,

II Fasermatten

12 Spül- und Druckausgleichsleitungen

13 Auflageplatte für Spül- und Druckausgleichsleitungen

14 Spülanschluss im Druckbehälter

15 Druckbehälter

16 Anstellwinkel des konischen Kühlschirmteiles

17 konischer Kühlschirmabschnitt am unteren Ende des

Kühlschirms

18 zylinderförmiger Kühlschirmabschnitt