DE102009005857A1

DE102009005857A1 - Flugstromvergaser mit Entspannungssicherung

Info

Publication number: DE102009005857A1
Application number: DE200910005857
Authority: DE
Inventors: Norbert Fischer; Tino Dr. Just; Christian Reuther; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Ein Reaktor zur Vergasung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen im Flugstrom weist einen gasdicht in einem Druckmantel eingeschweißten Kühlschirm auf. Zum Druckausgleich zwischen Reaktionsraum und Kühlschirmspalt ist eine Verbindung zwischen dem Stickstoff-gespülten Überwachungskanal im Brenner und dem Kühlschirmspalt vorgesehen. Für eine Notentspannung ist zwischen Kühlschirmspalt und Quenchraum eine eigensichere Überdrucksicherung angeordnet. Eine Beschädigung des Kühlschirmes durch allzu großen Druckunterschied zwischen Reaktionsraum und Kühlschirmspalt wird vermieden, durch Vergasungsgas im Kühlschirmspalt verursachte Korrosion wird ausgeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reaktor zur Vergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1200 und 1900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar).
Feste und flüssige Brennstoffe können durch Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades sowie Kokse unterschiedlichen Herkommens, aber auch brennbare Flüssigkeiten mit bestimmten Feststoff- und Aschegehalten aber auch Wasser-, Kohle- oder Öl-Kohle-Suspensionen, sogenannte Slurries gegeben sein. Gasförmige Brennstoffe können durch gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Erdgas, gegeben sein.
Bekannt ist ein Reaktor zur Flugstromvergasung unterschiedlicher fester und flüssiger Brennstoffe mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel unter normalem oder erhöhtem Druck.
Eine solche Vorrichtung geht aus DE 197 181 31 A1 hervor. Eine ausführliche Beschreibung eines solchen mit Kühlschirm ausgerüsteten Vergasungsreaktors findet sich in J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, Seiten 32–33.
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 können, die ggf. zu einer Zerstörung führen könnten. Um dies zu erreichen, befindet sich am oberen Ende des Kühlschirmes keine feste Verbindung, sondern ein Spalt zwischen dem Kühlschirmkragen und dem Brennerhalterungsflansch, der eine freie Beweglichkeit sichert. Um ein Hinterströmen des Kühlschirmspaltes bei Druckschwankungen im System von Vergasungsgas zu verhindern, wird der Kühlschirmspalt mit ei nem trockenen, kondensat- und sauerstofffreien Gas gespült. Trotz der Spülung kommt es, wie die Praxis zeigt, zur Hinterströmung mit Vergasungsgas, was zu Korrosion an der Rückseite des Kühlschirmes oder am Druckmantel führt. Dies kann zu Betriebsausfällen bis zur Zerstörung des Kühlschirmes oder des Druckmantels führen.
Nachteil dieser Ausführung ist, dass zum Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt und Reaktionsraum innerhalb des Reaktors eine Verbindung bestehen muss, die unter allen Bedingungen (Reaktorbespannung und -entspannung) einen Druckausgleich ermöglicht. Um diese Bedingung zu sichern, muss die Verbindung auch einen entsprechend großen Querschnitt aufweisen, damit insbesondere bei der Notentspannung ein schneller Gasaustausch erfolgen kann und bezüglich des Innendrucks kein zu großer Überdruck von Außen auf den Kühlschirm einwirkt. Ein großer Verbindungsquerschnitt führt aber zu den oben genannten Problemen bezüglich Korrosion.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfache, zuverlässige und eigensichere Ausgestaltung für einen Vergasungsreaktor anzugeben, die einen Druckausgleich zwischen dem innerhalb des Kühlschirms befindlichen Reaktionsraum und dem außerhalb des Kühlschirms befindlichen Kühlschirmspalt bewirkt und die dabei ein Überströmen von Vergasungsgas in den Kühlschirmspalt mit der Folge von dort einsetzender Korrosion vermeidet.
Das Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird generell eine feste Verbindung des Kühlschirmes mit dem Druckmantel bzw. dem oberen Reaktorflansch vorgeschlagen, wodurch der Kühlschirmspalt und der Vergasungsraum als getrennte Räume ausgeführt sind. Hierdurch entfällt eine dauernde Gasspülung und ein Hinterströmen durch Vergasungsgas wird verhindert. Beachtet werden muss allerdings, dass beim Betrieb des Reaktors der Reaktionsraum mit Drücken bis 8 MPa (80 bar) bespannt wird und damit auch der Kühlschirm mit Innendruck belastet wird, was zur Zerstörung des Kühlschirmes führen würde. Aus diesem Grund wird auch der Spalt hinter dem Kühlschirm druckgleich mit bespannt, um den Differenzdruck zwischen beiden Räumen gering zu halten.
Der Betrieb des Reaktors wird mittels eines Pilotbrenners ermöglicht und überwacht. Hierzu beinhaltet dieser Pilotbrenner einen Kanal, der mit Stickstoff gespült wird und der die gesamte Betriebsphase zwischen Pilotbrennerzündung bei 0,3 MPa (3 bar) und Dauerbetrieb des Hauptbrenners bis 8 MPa (80 bar) ständig in Betrieb ist. Dieser Stickstoffzuführungskanal ist immer mit dem Druck im Reaktionsraum auf einem Druckniveau.
Erfindungsgemäß wird von dieser Stickstoffzuführung eine zusätzliche Verbindungsleitung zum Spalt hinter dem Kühlschirm geschaffen. Wird jetzt der Reaktionsraum bespannt, so steigt gleichzeitig auch der Druck im Spalt hinter dem Kühlschirm mit an. Hierdurch herrscht zwischen dem Reaktionsraum und dem Spalt hinter dem Kühlschirm nur eine sehr geringe Druckdifferenz. Druckschwankungen im Reaktionsraum haben damit keine Auswirkung auf den Druck im Kühlschirmspalt. Bei normaler Entspannung des Reaktors erfolgt über die Verbindungsleitung eine Strömungsumkehr, wobei Reaktionsraum wie Kühlschirmspalt gleichmäßig entspannt werden, so dass zwischen Kühlschirmspalt und Reaktionsraum keine belastende Druckdifferenz auftritt.
Der verwendete Stickstoff erweist sich als besonders geeignetes Medium zur Bespannung des Spaltes hinter dem Kühlschirm, da hierdurch jegliche Korrosion hinter dem Kühlschirm ausgeschlossen werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist eine gleichmäßige Be- und Entspannung des Reaktionsraumes sowie des Spaltes zwischen Kühlschirm und Druckmantel geschaffen.
Für schnelle Entspannungsvorgänge des Reaktionsraumes 3 zwischen dem Reaktionsraum 3 und Kühlschirmspalt 5 ist eine Entspannungssicherung 23 zwischen Kühlschirmspalt 5 und Quench raum 18 derart installiert, dass beim Überschreiten eines durch die Höhe der Sperrflüssigkeit/Wasservorlage 24 eingestellten Differenzdruckes die Sperrflüssigkeit über die untere Überströmleitung 25 in den Quenchraum 18 gedrückt wird.
Danach ist über den Quenchraum 18 und den Gasübergang 16 ein Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt 5 und Reaktionsraum 3 hergestellt, womit eine Drucküberlastung des Kühlschirmes 4 verhindert wird.
Die erfindungsgemäße Überdrucksicherung weist keine zu steuernde Elemente auf und ist somit inhärent eigensicher.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor mit einem Druckausgleich zwischen Reaktionsraum und Kühlschirmspalt durch Stickstoffspülung sowie einer Entspannungssicherung mittels Tauchrohr.
Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor besteht eine gasdichte, feste Verbindung des Kühlschirmes 4 mit dem Druckmantel 6 bzw. dem oberen Reaktorflansch, wodurch der Kühlschirmspalt 5 und der Vergasungsraum 3 getrennte Räume bilden.
Am Kopf des Reaktors ist ein Kombibrenner angeordnet, der aus einem zentralen Pilotbrenner 1 und einem um diesen angeordneten Hauptbrenner 2 besteht. Zur Inbetriebnahme wird der Pilotbrenner 1 gezündet und anschließend der Druck im Reaktionsraum langsam auf den Betriebsdruck bis ca. 80 bar erhöht. Durch die erfindungsgemäße Trennung des Reaktionsraumes 3 und des Kühlschirmspaltes 5, um eine Hinterströmung bzw. einen Gasaustausch zu vermeiden, würde hierbei nur der Reaktionsraum 3 bespannt und der Kühlschirmspalt 5 bleibt drucklos. Durch den hohen Reaktionsraumdruck bis 80 bar wird der Kühlschirm 4 nur mit Innendruck belastet, was zur Zerstörung führen würde.
Aus diesem Grund wird auch der Kühlschirmspalt 5 hinter dem Kühlschirm 4 druckgleich mit bespannt, um den Differenzdruck zwischen beiden Räumen gering zu halten.
Als Medium zur gleichzeitigen Bespannung des Kühlschirmspaltes 5 hinter dem Kühlschirm 4 wird Stickstoff verwendet, wodurch jegliche Korrosion hinter dem Kühlschirm ausgeschlossen wird.
Zur Inbetriebnahme des Reaktors wird der Pilotbrenners 1 gezündet. Dieser Pilotbrenner 1 beinhaltet einen freien Kanal, der dauerhaft mit Stickstoff über die Zuführungsleitung 9 gespült und durch den der Pilotbrenner 1 mit einer optischen Flammenüberwachung überwacht wird.
Während der gesamte Betriebsphase zwischen Pilotbrennerzündung bei ca. 3 bar und Dauerbetrieb des Hauptbrenners 2 bis 80 bar ist diese Stickstoffzuführung 9 immer mit dem Druck im Reaktionsraum 3 auf einem Druckniveau.
Erfindungsgemäß wird von dieser Stickstoffzuführung 9 eine zusätzliche Verbindungsleitung 8 zum Stutzen 7 in den Kühlschirmspalt 5 geschaffen. Wird jetzt der Reaktionsraum 3 bespannt, so steigt gleichzeitig auch der Druck im Kühlschirmspalt 5 hinter dem Kühlschirm 4 mit an. Hierdurch herrscht zwischen dem Reaktionsraum 3 und dem Kühlschirmspalt 5 nur eine sehr geringe Druckdifferenz. Druckschwankungen im Reaktionsraum 3 haben damit keine Auswirkung auf den Druck im Kühlschirmspalt 5.
Bei normaler Entspannung des Reaktors erfolgt über die Verbindungsleitung 8 eine Strömungsumkehr und Reaktionsraum 3 und Kühlschirmspalt 5 werden gleichmäßig entspannt, so dass zwischen Kühlschirmspalt 5 und Reaktionsraum 3 keine belastende Druckdifferenz auftritt.
Der Rohgasabgang 19 ist zum einen mit einer Gasabgangsarmatur 20 verbunden, über das das Rohgas aus dem Quenchraum 18 einer weiteren Verwertung regelmäßig zugeführt wird und zum anderen mit einer Entspannungsarmatur 21 verbunden, über das eine Notentspannung des Vergasungsreaktors in einen Auffangbehälter oder in die Atmosphäre möglich ist. Überschreitet der Druck in dem Vergasungsreaktor einen vorgegebenen Grenzwert wird die Gasabgangsarmatur 20 geschlossen und die Entspannungsarmatur 21 geöffnet.
Im Falle einer schnellen Notentspannung des Reaktionsraumes 3 würde die Verbindung über die Leitungen 8 und 9 für einen Druckausgleich allein nicht ausreichen.
Für diesen Notfall ist erfindungsgemäß zusätzlich eine mit einem Tauchrohr ausgebildete Entspannungssicherung 23 angeordnet, die über eine obere Verbindungsleitung 22 druckdicht mit dem Kühlschirmspalt 5 verbunden ist und die über eine untere Überströmleitung 25 druckdicht mit dem Quenchraum 18 verbunden ist. Getrennt werden beide Verbindungsleitungen – obere und untere Überströmleitung 22 und 25 – durch eine Sperrflüssigkeit, ausgeführt als Wasservorlage 24.
In der Entspannungssicherung 23 ist ein mit der Sperrflüssigkeit gefülltes becherförmiges Gefäß 26 angeordnet, in das die obere Überströmleitung 22 eintaucht. Mit steigendem Druck in der oberen Überströmleitung 22 gegenüber der unteren Überströmleitung 25 wird die Sperrflüssigkeit 24 in der oberen Überströmleitung nach unten gedrückt, bis die in dem becherförmigen Gefäß ansteigende Sperrflüssigkeit über den Becherrand in die untere Überströmleitung 25 überläuft. In der Figur ist mittels der Höhen der Sperrflüssigkeit in der oberen Überströmleitung und dem becherförmigen Gefäß dargestellt, dass in dem Kühlschirmspalt 5 ein geringer Überdruck gegenüber dem Druck im Quenchraum 18 anliegt.
Bei einer Notentspannung, d. h. in Fällen in denen der Druckausgleich über die Leitung 8 nicht mehr gewährleistet werden kann, steigt der Druck im Kühlschirmspalt 5 gegenüber dem Reaktionsraum 3 und wegen der Verbindung 16 zwischen dem Reaktionsraum 3 und dem Quenchraum 18 auch gegenüber dem Quechraum 18. Dadurch wird die Wassersäule durch die obere Über strömleitung 22 in der Entspannungssicherung 23 nach unten gedrückt. Wird der über die Höhe der vorgelegten Wassersäule 24 eingestellte Differenzdruck überschritten, wird das Wasser über die untere Überströmleitung 25 in den Quenchraum 18 gedrückt. Dadurch erfolgt via Quenchraum 18 und Gasübergang 16 ein sofortiger Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt 5 und Reaktionsraum 3 und eine Drucküberlastung des Kühlschirmes 4 wird verhindert.

1: Pilotbrenner
2: Hauptbrenner
3: Reaktionsraum
4: Kühlschirm
5: Kühlschirmspalt
6: Druckmantel
7: N2-Zuführungsstutzen in Kühlschirmspalt
8: N2-Verbindungsleitung zwischen Pilotbrenner und Stutzen 7
9: N2-Zuführung zum Pilotbrenner
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16: Gasübergang vom Reaktions- zum Quenchraum
17: Quenchwasserdüsen
18: Quenchraum
19: Rohgasabgang
20: Gasabgangsarmatur
21: Entspannungsarmatur
22: Obere Überströmleitung zur Entspannungssicherung
23: Entspannungssicherung
24: Sperrflüssigkeit/Wasservorlage
25: Untere Überströmleitung zur Entspannungssicherung
26: Becherförmiges Gefäß in der Entspannungssicherung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19718131 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Carl u. a., NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, Seiten 32–33 [0004]

Claims

Reaktor zur Vergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1200 und 1900°C und Drücken zwischen Umgebungsdruck und 10 MPa (100 bar), bei dem – ein Kühlschirm (4) gasdicht in einen Druckmantel (6) eingebaut ist, – zwischen Kühlschirm und Druckmantel ein Kühlschirmspalt (5) besteht, – ein Brenner (1) mit einem Stickstoff-gespülten Überwachungskanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Überwachungskanal und Kühlschirmspalt eine Verbindung (8) angeordnet ist.
Reaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Entspannungssicherung (23) zwischen Kühlschirmspalt (5) und Quenchraum (18) druckdicht verbunden ist.
Reaktor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Entspannungssicherung (23) zwischen Kühlschirmspalt (5) und Quenchraum (18) derart installiert ist, dass beim Überschreiten eines durch die Höhe der Sperrflüssigkeit/Wasservorlage (24) eingestellten Differenzdruckes die Sperrflüssigkeit über die untere Überströmleitung (25) in den Quenchraum (18) gedrückt wird.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungssicherung (23) ein mit der Sperrflüssigkeit/Wasservorlage (24) füllbares becherförmiges Gefäß (26) aufweist, in das eine mit dem Kühlschirmspalt druckdicht verbundene obere Überströmleitung (22) eintaucht.
Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Herausdrücken der Sperrflüssigkeit 24 über den Quenchraum (18) und den Gasübergang (16) ein Druckausgleich zwischen Kühlschirmspalt 5 und Reaktionsraum 3 hergestellt ist.