NO139455B - Spillvarmekjele for avkjoeling av sotholdig gass erholdt ved ufullstendig forbrenning av brensel - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en spillvarmekjele for

avkjøling av sotholdig gass erholdt ved ufullstendig forbrenning av brensel inneholdende fritt og/eller bundet carbon.

Ovenstående brensel kan omfatte f.eks. kullstøy i vann (oppslemning), tungolje (eventuelt inneholdende resirkulert sot fra prosessen) eller en lettere hydrocarbonfraksjon. Syntesegassen erholdt fra dette ved ufullstendig forbrenning, inneholder i alminnelighet høye prosent innhold av hydrogen og carbonmonoxyd, og opp-arbeides f.eks. til methanol , rent hydrogen, ammoniakk eller en oxo-alkohol.

Spillvarmekjeler for avkjøling av rå syntesegass som kommer

fra en reaktor for ufullstendig forbrenning, . er kjent. Den rå gass har en temperatur på over 1000°C og inneholder for det meste en mengde suspenderte sotpartikler. I alminnelighetdrives.reaktoren,

ved forhøyet trykk, ofte ved gasst rykk fra 25 til 60 atm. Høyere trykk opptil minst 150 atm er imidlertid mulige.

Standardkravene under slike forhold til materialene som anvendes i spi*llvarmekjelen, er høye, da både trykk og temperatur er høye. Hittil har vann i alminnelighet vært anvendt som kjølemedium. Valget av skrueformet <y>iklede rør for spillvarmekjelen skyldes det forhold at sotet suspendert i gassene, avsettes ikke så lett på veggene av disse rør som på vegger av rette rør. Dessuten er utvid-elsesproblemer på grunn av temperatursvingninger mindre alvorlige på grunn av sviktbarheten av den skrueformede form. ;Av økonomiske grunner forhindres produksjonen av store volum av lavtrykksdamp med spillvarmekjelen. Produksjonen av høytrykks-damp foretrekkes. Trykket (damptrykket) utenfor gassrørene er følge-lig mellom 50 og 150 atm, mens trykket (gasstrykket) inne i gass-rørene er som ovenfor angitt, i alminnelighet mellom 25 og 6o atm. Foruten denne store trykkforskjell er der også betraktelige tempera-turdifferanser mellom syntesegassen som går inn i spillvarmekjelen ved ;en temperatur på over 1000°C og dampen som forlater spillvarmekjelen med en temperatur på vanligvis 250 - 400°C. Den således erholdte ;damp er nesten alltid i alle tilfelle mettet damp. ;Av det ovenstående er det klart at i tillegg til en stor trykkforskjell, vil der også foreligge en stor temperaturforskjell over veggene av gassrøret. ;Under fremstillingen av skrueformet viklede rør oppstår der urundheter på grunn av viklingen av det opprinnelig rette rør. Dette bevirker en reduksjon i styrken av røret. Styrken av røret nedsettes også som følge av en økning i temperatur. Det er derfor mulig at røret kan svikte ved en høy temperatur hvis damptrykket skulle bli utilstrekkelig høyere enn trykket av gassen i røret. Som begynnende rørsvikt økes senere urundheten med en kontinuerlig progressiv hast ighet. ;Målet ved foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en spillvarmekjele som muliggjør en fremgangsmåte som angitt ovenfor, ;ved hvilken, bl.a., de beskrevne ulemper ikke forekommer, og de sterkt oppvarmede rør ikke utsettes for for høye trykkdifferanser, mens der allikevel erholdes høytrykksdamp. Et videre mål med oppfinnelsen er å fremskaffe en spillvarmekjele for å utføre den ovenfor angitte fremgangsmåte på en slik måte at overhetet damp fremstilles. Det har -vist seg at avgjorte fordeler erholdes ved å anvende et kjølemedium for avkjøling av gassrørene som er flytende ved de høye temperaturer som hersker under drift. Av-kjølingsmediet overfører i sin tur varmen til rør hvori vann for-dampes til damp og/eller damp overhetes ytterligere. ;Foreliggende oppfinnelse angår en spillvarmekjele for avkjøling av sotholdig gass erholdt ved ufullstendig forbrenning av brensel, omfattende et langstrakt og sylindrisk kar egnet til å inneholde et kjølemedium som er flytende ved driftsbeting-eisene, gjennom hvilket kar der strekker seg ett eller flere skrueformet vikléde gassrør, hvilken kjele kjennetegnes ved at"v også ett eller flere skrueformet viklede vanndamprør strekker seg gjennom karet og at foruten gassrørene og damprørene' er ett eller • flere skrueformet viklede vannrør anbragt i rommet i karet rundt det sentrale rør-, idet gassrørene og damprørene er anordnet i en relativt vid øvre del av karet , og at vannrøret eller -rørene er anordnet i en relativt snever nedre del av karet. ;I praksis vil temperaturen på kjølemediet stige og falle i et område som i alminnelighet er mellom 300°C og 850°C. Mange stoffer er kjent som er flytende og stabile mellom disse temperaturer. Uttrykket "flytende" er her brukt for å betegne alle de stoffer hvis kokepunkt eller kokeområde under de herskende betingelser er høyere enn temperaturene som hersker i spillvarmekjelen. ;Foreliggende spillvarmekjele er utmerket egnet for avkjøling av. syntesegass med et trykk fra 1 til 150 atm. Gasstrykk på 25 - 6o atm vil ofte forekomme. ;En viktig virkning av trekkene i henhold til oppfinnelsen er at der ikke kan oppstå noen trykkoppbygning bevirket av fordampning av kjølemedium i det område hvor gassrøret eller -rørene er beliggende og hvori kjølemediet avkjøler røret eller rørene. Ved det utvendige av gassrørene hersker der nu ikke lengre et høyere trykk.enn. i det indre. Som det vil fremgå klarere av det følgende, er' det endog mulig å holde trykket på begge sider av gassrørveggen praktisk talt like stort.. ;For å nedsette temperaturområdet gjennom hvilket kjølemediet passerer, og gjøre uttagning av varme så effektiv som mulig, avkjøles-' i sin tur kjølemediet ytterligere ved indirekte varmeutveksling med vanndampen i vanndamprøret eller -rørene, under dannelse av høy-trykks vanndamp . ;Det forhold at det høye trykk av den dannede vanndamp ikke lengre påvirker gassrørene,. er desto viktigere fordi det er temperaturen av disse rør som er høyest, særlig nær innløpssiden av gass-rørene hvor gassen ankommer med en temperatur på over 1000°C. Vann-damprørene på den. annen side, som det (høye) vanndamptrykk virker ;på, har en meget lavere temperatur som i alminnelighet vil være under 600°C. Ved slike temperaturer er styrken av konstruksjonsmaterialene meget høyere. Foreliggende oppfinnelse gjør det derfor mulig å fremstille vanndamp med høyere trykk enn hittil, og som dessuten er overhetet. ;God kjøling av gassrørene og god varmeuttrekning oppnåes ved å sirkulere kjølemediet mellom en første sone i hvilken det kommer i kontakt med gassrøret eller -rørene som skal avkjøles, og i en annen sone i hvilken det ikke er i kontakt med gassrøret eller -rørene. ;For å få optimal beskyttelse av gassrøret eller -rørene ved å avkjøle dem mest intenst nær innløpssiden hvor temperaturen på gassen er høyest og endog kan stige til l4O0°C, bør ifølge oppfinnelsen kjølemediet, når det er i kontakt i den første sone med gassrøret eller -rørene,, stort sett fortrinnsvis strømme i samme retning som gassen i gassrøret eller -rørene. ;Ytterligere avkjøling av kjølemediet i den ovennevnte annen sone kan utføres i henhold til oppfinnelsen ved varmeutvekslingskontakt med ett eller flere vannrør som tilføres vann. I alminnelighet vil vanndamp dannes i dette eller disse rør. ;Det er klart at skrueformet viklede rør også kan anvendes til damprøret eller -rørene. Viklingene av gass- og vanndamprørene kan så anordnes koaksialt mellom og/eller inne i. hverandre. ;Kjølemediet strømmer fortrinnsvis fra den første til den annen sone i de tilfelle hvor.kjøling av kjølemediet finner sted både i den første og den annen sone, via et sentralt, vertikalt rør som er anordnet koaksialt inne i viklingene av de skrueformet viklede rør for gass, vanndamp og vann. På denne måte fåes en naturlig sirkulasjon av kjølemediet, idet kjølemediet strømmer ned gjennom det sentrale rør ved avkjøling.. i dette ligger det også at kjølemediet stiger opp i området omkring det sentrale rør hvor de andre rør er anbrakt i forskjellige soner. ;Hvis der anvendes en direkte forbindelse mellom vanndamp- og vannrørene for å kunne utnytte dampen som dannes.i vannrørene som kjølemiddel i vanndamprørene, vil trykket av vanndampen i vannrørene og trykket av vanndampen.i vanndamprørene være det samme. Temperaturen av vanndampen vil'selvsagt være meget lavere i vannrørene. Mens dampen i vanndamprørene i ai lm inne 1 i gh et er overhetet, vil den i vannrørene være mettet. Det kan være fordelaktig å ha overhetet vanndamp tilgjengelig, og på den ovenfor nevnte måte fåes dette fra den mettede vanndamp som overføres til overhetet vanndamp i damp-rørene . ;Dampen i vanndamprøret eller -rørene i den første.sone bringes fortrinnsvis til å strømme i motstrøm til gassen i gassrøret eller -rørene. På denne måte er vanndampe^, straks før den forlater spillvarmekjelen, i varmeutvekslingskontakt med gassen mens den sistnevnte fremdeles er varm. ;For å nedsette trykkforskjellen over veggene av gassrørene ;. kan området utenfor disse rør settes under trykk ved å boble en gass direkte gjennom kjølemediet ved forhøyet trykk. Det er dessuten klart at av sikkerhetsgrunner vil en lukket spillvarmekjele aldri være helt fylt med kjølemedium da trykket i en innelukket væske heves for sterkt ved oppvarmning. I alminnelighet vil der være anbrakt en inert gass over kjølemediet i hvilket tilfelle det er mulig i henhold til oppfinnelsen å. holde trykket av denne inerte gass ved eller nær verdien for trykket av syntesegassen i gassrørene. Det foretrekkes å tillate en del av denne syntesegass erholdt ved ufullstendig forbrenning, eventuelt efter rensning, å boble gjennom kjølemediet ved.i det vesentlige det trykk ved hvilket gassen også. strømmer gjennom gassrøret ..eller .-rørene. I et slikt tilfelle er trykkforskjellen. oveir disse rør endog null. Selv om. der opptrer trykkvariasjoner i syntesegassen, vil trykket i området for kjøle-medium da lett følge disse variasjoner da denne gass'også stammer fra .reaktoren hvori trykkforskjellene forekommer. ;Skjønt andre smeltede stoffer som andre metaller eller endog salter også er egnet, er flytende bly og flytende blylegefinger utmerket egnet ved foreliggende fremgangsmåte. Som kjent, har ikke. legeringer et størknepunkt, men et størkneområde. Segregerings-, fenomener, som kan forekomme i smeltede legeringer, unngåes ved den beskrevne sirkulasjon. ;I prinsippet er de metaller og legeringer utmerket egnet som kjølemedium, som .har et .smeltepunkt eller smelteområde under ca. 420°C og et relativt høye kokepunkt eller kokedmråde. Egnede metallei er først og fremst bly, vismut, kadmium, gallium, indium, kvikksølv, selen, thallium, tellur og zink. Legeringer av disse elementer seg imellom og/eller med andre elementer kan også ha de riktige egen-skaper for det søkte kjølemedium. Vismut, indium, thallium, bly, gallium og tellur har fordelen av et høyt kokepunkt (i tilfelle av tellur 1390°C og i andre tilfelle over dette) slik at damptrykket ved arbeidstemperaturen i spillvarmekjelen vil være lav. ;Spesielt legeringer hvori elementkomponentene er tilstede i visse (eutektiske) prosentmengder på en slik måte at der dannes det som er kjent som intermetalliske forbindelser, kan ha et lavere smeltepunkt eller smelteområde enn metallkomponentene. Helt blandbare legeringer foretrekkes. ;Foreliggende oppfinnelse muliggjør fremstilling av ;spesielt overhetet vanndamp med en temperatur over ifOO°C og fortrinnsvis over 500°C. Denne vanndamp, som stammer fra vanndamprøret eller -rørene, har et relativt høyt energiinnhold. ;Kaiet av foreliggende spillvarmekjele er fortrinnsvis langstrakt , idet et sentralt rør er anbrakt koaksialt inne i karet innenfor viklingene av de skrueformet viklede rør for gass og vanndamp. Hvis "en spillvarmekjele konstruert på denne måte anbringes vertikalt, fåes en naturlig strøm av kjølemedium via det sentrale rør når spillvarmekjelen er i bruk. Dette sikrer god avkjøling av gassen i gassrøret eller -rørene og god varmeoverføring tii vanndampen 1 vanndamprøret eller -rørene. ;I rommet i beholderen rundt det sentrale rør kan der være anordnet ett eller flere skrueformet viklede vanndamprør i tillegg til gass- o.g vanndamprørene, idet gass- og vanndamprørene er anbrakt i en relativt vid øvre del av karet og vannrøret eller -rørene er anbrakt i en relativt smal nedre del av karet. Kjølemediet kjøles nu ytterligere ved sirkulasjon før det kommer i kontakt med gassrøret eller -rørene. Det er også mulig å forbinde gassrøret eller -rørene . med reaktoren for ufullstendig forbrenning med tilknyttende rette rør som fører gjennom spillvarmekjelekaret. Disse rette rør kan så føres gjennom den smale nedre del av karet slik at gassen i rørene foravkjøles. Det vil være klart at temperaturen av kjølemediet i denne smale del av karet da allerede kan stige. Foravkjøling av syntesegassen i rette rørdeler kan under visse forhold være fordelaktig .. ;For å utjevne trykket på begge sider av gassrørveggene så meget som mulig, omfatter spillvarmekjelen fortrinnsvis anordning ved den nedre del av karet for å føre en gass under trykk i kåret i rommet mellom rørene. Oppfinnelsen angår også en spillvarmekjele som angitt ovenfor hvori en mengde kjølemedium er tilstede i karet rundt gass-rørene og vanndamprørene. ;Oppfinnelsen vil nu bli beskrevet under henvisning til tegn-ingene. Fig. 1 og 2 er skjematiske vertikalsnitt. av spillvarmekjeler i henhold til to utførelsesformer av oppfinnelsen. ;Spillvarmekjelen i fig. 1 omfatter et kar bestående av en relativt vid øvre del 1 og en relativt snever nedre del 2. Karet inneholder langs størstedelen av sin lengde et sentralt vertikalrør 3 anordnet koaksialt.-. Dette sentrale.rør 3 er anbrakt i en avstand fra karveggen og fritt f ra en bunn Zj. og et lokk 5. ;Anordnet koaksialt rundt røret 3 i den øvre del 1 av karet er et skrueformet viklet gassrør 6 for syntesegass og et skrueformet viklet vanndamprør 7 for vanndamp. Likeledes anordnet koaksialt rundt røret 3 i del 2 av karet er et skrueformet viklet vannrør 8 for kjølevann. ;Ved overgangen 9 mellom del 1 og 2 av karet og rundt det sentrale rør 3 er et ringformig rør 10 hvorigjennom syntesegass eller annen inert gass kan føres inn i karet under overtrykk via eh forbindelse 11. Den således innførte gass tjener til å holde kjøle-mediet 12 under en gasshette 13 under trykk. Syntesegassen som bobles igjennom, kan slippes ut gjennom et utløp 14 i lokket 5 ved hjelp av et rør (ikke vist) for å opprettholde overtrykket i karet 1. ;Syntesegassen som skal avkjøles, og som stammer fra en reaktor (ikke vist) for ufullstendig forbrenning av brensel, innføres i gassrøret 6 gjennom et innløp 15 anbrakt i overgangen 9 og efter å være avkjølt føres den ut fra spillvarmekjelen gjennom et utløp 16. ;Det nødvendige kjølevann innføres i det skrueformige rør 8 gjennom et innløp 17 og efter å ha passert dette rør som lavtrykks - damp, innføres det via ringen 18 og stigeledningene 19 til den ringformige øvre ende 20 av vanndamprøret 7- I dette vanndamprør 7 bg i stigeledningene 19 kommer vanndampen i indirekte varmeutvekslingskontakt med kjølemediet 12 som avkjøler gassrøret 6 på disse punkter og slippes ut gjennom 21 som høytrykksvanndamp. ;Vanndampen som strømmer ned gjennom vanndamprøret 7 til ut-, løpet 21 for denne, beveger seg i motstrøm til syntesegassen som strømmer i gassrøret 6. ;Syntesegass tilført gjennom det ringformige rør 10 og som så stiger i kjølemediet i karet 1, og den gradvise oppvarmning av kjøle-mediet bringer sistnevnte til å strømme opp langs rørene 6, 7 og 19 ;i det ringformige område mellom det sentrale rør 3 og karveggen 1. Dette ringformige rom er den ovennevnte første sone, hvori kjøle-mediet kommer i kontakt med et gassrør og med et vanndamprør. ;Kjølemediet.strømmer ned gjennom det sentrale rør 3 under grad-vis avkjøling. Dette er vist med pilen 22. Det innvendige av røret 3 utgjør én del av ovennevnte annen sone, hvori kjølemediet ikke ér i direkte kontakt med gassrøret. ;Pilene 23 indikerer den videre sirkulasjon av kjølemediet som nu kommer i varmeutvekslingskdntakt méd vannrøret , &"l-_ deléh 2 av. karet. Her er kjølemediet i en annen del_ av ovennevnte annen sone, ;i hvilken det er i kontakt med'et vannrør,, skjønt.det ikke er i kon - takt med gassrøret. ' ';} ;I spillvarmekjelen vist i fig..2, er de funksjonelt, identiske . komponenter betegnet med dé samme henvisningstall som i fig. 1. ;Denne spillvarmekjele omfatter to skrueformig viklede gassrør 6, 6', som er anordnet rundt et sentralt rør 3 -i delen 1 av karet, "og som strekker seg mellom den nedre ring 24 som ér forbundet med innløpét 15 for gass og den øvre ring 25 som er forbundet med det vertikale rør 16 for utslipping av gass. I.del 2 avkaret er der to skrueformet viklede vannrør 8> 8"> for kjølevann.. Disse er forbundet mellom en nedre ringformig ledning.26 og en øvre ringformig ledning lg som er forbundet med stigerøret 19 for å føre kjølevannet og/eller dannet vanndamp til den øvre ring 20 av to skrueformig viklede vann-damprør 7v 7'> som er anordnet i den øvre del 1 av karet. Disse to vanndamprør 7, 7' munner i sine nedre ender ut i ringen 27, som er forbundet med utløpet 21 for høytrykksvanndamp. ;Gasshetten 13' over blylegerings-kjølemediet 12 består av inert gass . ;I en spillvarmekjele av typen vist i fig. 2, kan eksempelvis følgende temperaturer forekomme: I røret 15 går syntesegassen til bunnen 4;av karet ved'l400°C, og i ringen 24 har den en temperatur på 1100°C.. ;Halvveis gjennom dél 1 av karet, i gassrørene. 6,6', har; den en temperatur på 750°C, og i ringen 25 er temperaturen av gassen falt til 400°C. Den avkjølte syntesegass slippes ut av. spillvarmekjelen gjennom et vertikalt rør 16... ;Ved den nedre ende av det sent rale rør 3, dvs. nær bunnén 4» har blyet en temperatur på 330°C. Ved de. høyeste viklinger av vann-rørene 8, 8' er temperaturen på blyet,6O0°C, og ved de laveste viklinger av gassrørene 6., 6' er : temperaturen allerede 825°C. Halvveis opp i del 1 av karet har blyet en temperatur på. 530°C, og like under gasshetten 13 * er temperaturen på blyet 34o°C. Dette viser de kom-binerte kjølefunksjoner av blyet,og vanndampen.

Vanndamp føres ved en temperatur på 270 280PC via røret 17 til den nedre ring 26.: på det tidspunkt da vanndampen har nådd den øvre. ring 18, er temperaturen steget til 310°C, mens. vanndampen har i det vesentlige den .sistnevnte temperatur efter at den er.blitt ført opp gjennom stigerøret 19 til den øvre ring 20. Efter å ha passert Vanndamprørene 7, 7', har vanndampen, i"ringen 27 og i utløpsrøret 21 eh 'temperatur på 550°C . Trykket av. denne overhetede vanndamp er 120. atm, som er attraktivt,for generering av energi.

Claims (3)

1... Spillvarmekjele for avkjoling av sotholdig gass erholdt ved ufullstendig forbrenning av brensel, omfattende et langstrakt og sylindrisk kar egnet til å inneholde et kjolemedium (12) som er flytende ved driftsbetingelsene, gjennom hvilket kar der strekker seg ett eller flere skrueformet viklede gassror (6),"

.karakterisert ved at også ett eller flere skrueformet viklede vanndampror (7) strekker seg gjennom karet ■og at. foruten gassrorene (6) og damprorene (7) er ett eller flere skrueformet viklede,vannror (8) anbragt i rommet i karet rundt det •sentrale ror (3), idet gassrorene (6) og■damprorene (7) er anordnet i-en relativt vid ovre del (l).av karet, og at vannroret eller -rorene (8) er anordnet i en relativt snever nedre del (2) av karet....

2. /Spillvarmekjele ifolge krav 1, karakterisert ved at den nedre del (2) av karet er forsynt med et perforert ringformig ror (10) for å inn-fore, en trykkgass i karet i området mellom de forskjellige ror.

3. Spillvarmekjele ifolge krav 1 eller 2, karakterisert ved at smeltet metall eller metallsalt er tilstede i karet rundt gassrorene (6) og vanndamp-rorene(7).