DE20317461U1

DE20317461U1 - Reaktorwand für einen Flugstromvergaser

Info

Publication number: DE20317461U1
Application number: DE20317461U
Authority: DE
Original assignee: FRIESS DIETMAR J; Future Energy GmbH
Current assignee: FRIESS, DIETMAR J., DE; SCHINGNITZ, MANFRED, DR.-ING., DE; Siemens Fuel Gasification Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: CN1624085A; CN103102991A

Abstract

Reaktorwand für einen Flugstromvergaser zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel mit einem Reaktionsraum für Drücke zwischen Umgebungsdruck und 100 bar und Temperaturen die oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Bestandteile der Brenn-, Rest- und Abfallstoffe, vorzugsweise im Bereich von 400 – 1.700°C liegen, wobei die Reaktorwand durch ein Kühlsystem begrenzt wird, das von außen nach innen wie folgt aufgebaut ist:
Druckmantel (2)
Wasserdurchströmter Ringspalt (3)
Kühlwand (4)
Wärmeleitende feuerfeste Stampfmasse (5)
Feste Schlackeschicht (6)
Flüssiger Schlackefilm (7)
Vergasungsraum (1)

Description

Die Neuerung betrifft eine Reaktorwand nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches. Die Neuerung ist einsetzbar für Flugstromvergaser zur Vergasung von konventionellen Brennstoffen sowie von Rest- und Abfallstoffen.
Unter Brenn-, Rest- und Abfallstoffen sind solche mit einem Aschegehalt > 0,3 Ma% wie Braun- oder Steinkohlen, Öle, Teere und Schlämme sowie Reste oder Abfälle von chemischen Prozessen sowie der Papier- und Zellstoffindustrie, wie beispielsweise Schwarzlauge aus dem Kraftprozeß, sowie feste und flüssige Fraktionen aus der Abfall- und Recyclingwirtschaft, wie Altöle, PCB-haltige Öle, Plaste- und Hausmüllfraktionen oder ihre Aufbereitungsprodukte sowie Produkte der Erdölverarbeitung wie Schweröle oder Petrolkokse zu verstehen.
In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung von festen, flüssigen und gasförmigen brennbaren Stoffen langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, daß aus Gründen der Synthesegasqualität höhere Kahlenstoffverbindungen zu Synthesegaskomponenten wie CO und H2 aufgespalten werden und die anorganischen Bestandteile als schmelzflüssige Schlacke ausgetragen werden (Ch. Higman, "Gasification", Elsevier 2003, Seite 109).
Nach verschiedenen in der Technik eingeführten Systemen können dabei Vergasungsgas und der schmelzflüssige anorganische Anteil als Schlacke, getrennt oder gemeinsam aus dem Reaktionsraum der Vergasungsvorrichtung ausgetragen werden, siehe DE 19718131A1.
Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumkontur des Vergasungsreaktors werden sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt ( US 4.343.626 ).
Mit feuerfester Auskleidung versehene Vergasungssysteme haben den Vorteil geringer Wärmeverluste und bieten deshalb eine energetische effektive Umsetzung der zugeführten Brennstoffe. Sie sind allerdings nur für aschefreie Brennstoffe einsetzbar, da die bei der Flugstromvergasung an der inneren Oberfläche des Reaktorraumes abfließende flüssige Schlacke die feuerfeste Auskleidung auflöst und deshalb nur sehr begrenzte Reisezeiten bis zu einer kostenintensiven Neuzustellung erlaubt.
Um diesen Nachteil bei aschehaltigen Brennstoffen zu beheben, wurden deshalb gekühlte Systeme nach dem Prinzip ein Membranwand geschaffen, wie es US 4.343.626 zeigt. Durch die Kühlung bildet sich auf der dem Reaktionsraum zugeordneten Oberfläche zunächst eine feste Schlackeschicht, deren Stärke soweit zunimmt bis die aus dem Vergasungsraum weiter abgeworfene Schlacke flüssig an dieser Wand abläuft und zum Beispiel gemeinsam mit dem Vergasungsgas aus dem Reaktionsraum abströmt. Solche Systeme sind sehr beständig und sichern lange Reisezeiten.
Ein Nachteil besteht allerdings im komplizierten Aufbau der Reaktorwand, was zu erheblichen Problemen bei der Herstellung und im Betrieb führen kann. So besteht beispielsweise die Reaktorwand aus einem drucklosen Wassermantel, dem Druckmantel, der auf der Innenseite korrosionsgeschützt ist sowie dem Kühlschirm, der wie eine im Kesselbau übliche Membranwand aus gasdicht verschweißten, wasserdurchströmten Kühlrohren besteht, die bestiftet und mit einer dünnen SiC-Schicht belegt sind ( US 4.343.626 ). Zwischen Kühlschirm und Druckmantel existiert ein Kühlschirmspalt, der zur Vermeidung von Hinterströmungen und Kondensatbildung mit einem trockenen sauerstoffreichen Gas gespült werden muß. Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik ist es Aufgabe der Neuerung, eine Reaktorwand zu schaffen, die bei einfacher und zuverlässiger Betriebsweise eine einfachere und billigere konstruktive Lösung sowie vereinfachte Betriebsweise unter Wegfall des genannten Kühlschirmspaltes zuläßt.
Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach den Merkmalen des ersten Anspruches gelöst. Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausführungen der Neuerung wieder.
Die Reaktorwand für einen Flugstromvergaser für kohlenstoffhaltige Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel und einem Vergasungsraum für Drücke zwischen Umgebungsdruck und 100 bar, bei dem die Reaktionsraumkontur durch ein Kühlsystem begrenzt wird, wobei der Druck im Kühlsystem immer höher gehalten wird, als der Druck im Reaktionsraum zeichnet sich dadurch aus, daß Kühlkanäle auf Innenseite des Druckmantels aufgeschweißt sind oder eine profilierte Kühlwand mit dem Druckmantel einen Ringspalt bildet. Sowohl die Kühlkanäle als auch der Ringspalt sind wasserdurchströmt. Die Auslegung erfolgt so, daß die Druckdifferenz zwischen Kühlkanälen oder Ringspalt zum Vergasungsraum durch die auf den Druckmantel aufgeschweißten Kühlkanäle oder der profilierten Kühlwand aufgenommen werden. Der Druck in den Kühlkanälen oder dem Ringspalt liegt 1 bis 2 bar über dem Druck im Vergasungsraum. Diese Druckdifferenz soll bewirken, daß im Falle eines Lecks in keinem Fall Vergasungsgas aus dem Vergasungsraum in die Kühlkanäle oder den Ringspalt eindringen kann, sondern daß in einem solchen Fall immer Kühlwasser in den Vergasungsraum übertritt.
Die Vorrichtungen sind von außen nach innen wie folgt aufgebaut: Druckmantel, Kühlkanäle oder Kühlspalt, feuerfeste Schutzschicht aus beispielsweise SiC-Stampfmasse, Schlackepelz aus erstarrter Schlacke, Film flüssiger Schlacke.
Vorteilhaft für die Neuerung ist, daß Druck und Temperatur in den Kühlkanälen oder dem Ringspalt so geregelt werden, daß sich der Zustand oberhalb oder unterhalb des Siedepunktes des Kühlwassers befinden kann.
Neuerungswesentlich ist es, daß die feuerfeste Schutzschicht auf den Kühlkanälen oder der perforierten Kühlwand durch aufgeschweißte stiftähnliche oder gespreizte Anker befestigt wird. Die Vorrichtungen eignen sich für die Vergasung von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen unterschiedlichen Aschegehaltes sowie für die simultane Vergasung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, Flüssigkeiten, und kohlenstoffhaltigen Feststoffen. Es ist vorgesehen, die Reaktionsraumkontur für den Vergasungsprozeß durch eine Schicht aus erstarrter Schlacke zu begrenzen. Durch die intensive Kühlung wird die im Vergasungsprozeß bei Temperaturen zwischen 900 und 1600°C verflüssigte Schlacke zur Erstarrung gebracht, so daß sich eine feste Schlackeschicht als thermische Isolierschicht bildet.
Eine Ausführungsvariante besteht darin, die Kühlwand als auf den Druckmantel aufgeschweißte kühlwasserdurchströmte Halbrohre auszubilden. Zur besonderen Befestigung der feuerfesten Stampfmasse ist es vorteilhaft, auf die Halbrohre Anker aufzubringen. Die Form der Halbrohre muß auch nicht halbrund ausgeführt sein. Vorteilhafterweise können die Rohre auch eine elliptische Form aufweisen.
Am Folgenden wird die Neuerung an drei Figuren erläutert.
Die Figuren zeigen:
1: Reaktionsraumkontur mit Druckmantel, Ringspalt, Kühlwand, Schlackeschicht und Schlackefilm in Schnittdarstellung.
2: Darstellung mit der Kühlwand, auf der die Anker aufgebaut sind.
3: Darstellung mit den wasserdurchströmten Halbrohren, die die Kühlwand bilden.
Die 1 zeigt die Reaktionsraumkontur eines Reaktors zur Vergasung von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1700 °C und bei Drücken bis 100 bar. Der hohe Vergasungsdruck wird durch einen Druckmantel 2 aufgenommen. Innerhalb des Druckmantels 2 befindet sich ein wasserdurchströmter Ringspalt 3, der durch eine Kühlwand 4 begrenzt wird. Die Kühlwand 4 ist im Beispiel gewellt ausgeführt. Die Temperatur im wasserdurchströmten Ringspalt 3 liegt unter 600 °C, vorzugsweise unter 300 °C. Die Kühlwand 4 ist mit einer gut wärmeleitenden feuerfesten Stampfmasse 5 aus Siliziumkarbid belegt. Durch die niedrigen Temperaturen im Ringspalt 3 liegt die Temperatur an der inneren Oberfläche der Stampfmasse 5 weit unter dem Schmelzpunkt der mit dem Brenn-, Rest- oder Abfallstoff eingebrachten Asche, die sich deshalb bei ihrem Auftreffen auf die Oberfläche verfestigt und eine feste Schlackeschicht 6 bildet, nachdem die Asche im 900 °C –1700 °C heißen Vergasungsraum 1 aufgeschmolzen wurde. Die feste Schlackeschicht 6 wächst so lange auf, bis ihre Temperatur auf der dem Vergasungsraum 1 zugewandten Seite über dem Schmelzpunkt der Asche liegt. Dann läuft die weiter aufgeworfene aus der Asche entstandene flüssige Schlacke als flüssiger Schlackefilm 7 an der festen Schlackeschicht ab und wird gemeinsam mit dem Vergasungsgas aus dem Vergasungsraum 1 ausgetragen. Zur besonderen Befestigung der feuerfesten Stampfmasse 5 können auf die Kühlwand 4 Anker 8 aufgebracht werden, wie es 2 zeigt.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Reaktionsraumkontur für einen Vergaser von Brenn-, Rest- und Abfallstoffen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel bei Temperaturen zwischen 900 °C bis 1700 °C und bei Drücken bis 100 bar, bei dem innerhalb des Druckmantels 2 die Kühlwand 9 aus auf den Druckmantel 2 aufgeschweißten kühlwasserdurchströmten Halbrohren 3 besteht. Die Kühlwand 9 kann neben der Ausführung als Halbrohre auch andere Formen, z. B. elliptische Gestaltung annehmen. Die in 3 beispielhaft dargestellten Halbrohre können gleichfalls Anker 8 zur besonderen Befestigung der feuerfesten Stampfmasse 5 dienen. Wie im Beispiel 1 am Ringspalt 3 dargelegt, liegen auch die Temperaturen in der aus Halbrohren aufgebauten Kühlwand 9 unter 600°C, vorzugsweise unter 300 C, so daß eine vergleichbare Wirkungsweise auftritt.

Claims

Reaktorwand für einen Flugstromvergaser zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brenn-, Rest- und Abfallstoffe mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel mit einem Reaktionsraum für Drücke zwischen Umgebungsdruck und 100 bar und Temperaturen die oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Bestandteile der Brenn-, Rest- und Abfallstoffe, vorzugsweise im Bereich von 400 – 1.700°C liegen, wobei die Reaktorwand durch ein Kühlsystem begrenzt wird, das von außen nach innen wie folgt aufgebaut ist: Druckmantel (2) Wasserdurchströmter Ringspalt (3) Kühlwand (4) Wärmeleitende feuerfeste Stampfmasse (5) Feste Schlackeschicht (6) Flüssiger Schlackefilm (7) Vergasungsraum (1)
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kühlwand (4) zur besonderen Befestigung der feuerfesten Stampfmasse (5) Stifte oder Anker (8) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Druckmantel (2) aufgeschweißte, kühlwasserdurchströmte Halbrohre (9) die Kühlwand (4) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kühlwasserdurchströmten Halbrohre (9) zur besonderen Befestigung der wärmeleitenden feuerfesten Stampfmasse (5) Anker (8) tragen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kühlwasserdurchströmten Halbrohre (9) eine elliptische Form aufweisen.