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DE20317461U1 - Reactor wall, for gasifier for organic fuels and waste, comprises pressure-resistant outer shell, annular water channel, cooling wall, heat-conducting refractory tamping, solid slag layer and liquid slag layer - Google Patents

Reactor wall, for gasifier for organic fuels and waste, comprises pressure-resistant outer shell, annular water channel, cooling wall, heat-conducting refractory tamping, solid slag layer and liquid slag layer Download PDF

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DE20317461U1 DE20317461U DE20317461U DE20317461U1 DE 20317461 U1 DE20317461 U1 DE 20317461U1 DE 20317461 U DE20317461 U DE 20317461U DE 20317461 U DE20317461 U DE 20317461U DE 20317461 U1 DE20317461 U1 DE 20317461U1
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Abstract

Reactor wall, for a gasifier for organic fuels and waste which uses oxygen or an oxygen-containing oxidizer and operates at pressures up to 100 bar and temperatures of 400 - 1700[deg]C, incorporates a cooling system. The wall comprises an outer shell (2) which can withstand pressure; an annular channel (3), through which water flows; a cooling wall (4); a heat-conducting refractory tamping (5); a solid slag layer (6) and a liquid slag layer (7).

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.The innovation concerns a reactor wall according to the preamble of the first claim. The innovation is can be used for Traction current gasifier for the gasification of conventional fuels as well as residues and waste materials.

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.Among fuels, residues and waste materials are those with an ash content> 0.3 Ma% such as brown or hard coal, oils, tars and sludges as well as residues or waste chemical processes as well as the pulp and paper industry, such as black liquor from the power process, as well solid and liquid Fractions from the waste and recycling industry, such as waste oils, PCB-containing oils, plastics and household waste fractions or their processing products and petroleum processing products like heavy oils or To understand petroleum coke.

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).In the technology of gas generation is the autothermal entrained-flow gasification of solid, liquid and gaseous combustible Long-lasting fabrics known. The relationship from fuel to oxygen-containing gasification agents chosen so that for the sake of Synthesis gas quality higher bare metal compounds split into synthesis gas components such as CO and H2 and the inorganic constituents are discharged as molten slag (Ch. Higman, "Gasification", Elsevier 2003, Page 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.After various in engineering introduced Systems can thereby gasification gas and the molten inorganic portion as Slag, separately or together from the reaction chamber of the gasification device are carried out, see DE 19718131A1.

Für die innere Begrenzung der Reaktionsraumkontur des Vergasungsreaktors werden sowohl mit feuerfester Auskleidung versehene oder gekühlte Systeme eingeführt ( US 4.343.626 ).For the internal limitation of the reaction chamber contour of the gasification reactor, both systems provided with a refractory lining or cooled systems are introduced ( 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.Provided with fireproof lining Gasification systems have the advantage of low heat loss and therefore offer an energetic effective implementation of the supplied fuels. However, you are only for Ash-free fuels can be used, since they are used in entrained-flow gasification on the inner surface of the reactor space flowing out liquid slag the refractory lining dissolves and therefore only very limited travel times to an expensive one Redelivery allowed.

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.In order to remedy this disadvantage in the case of ash-containing fuels, cooled systems were therefore created on the principle of a membrane wall, as is the case US 4,343,626 shows. The cooling initially forms a solid slag layer on the surface assigned to the reaction chamber, the thickness of which increases until the slag which is further discharged from the gasification chamber runs off liquid on this wall and flows out of the reaction chamber together with the gasification gas, for example. Such systems are very stable and ensure long travel times.

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.One disadvantage, however, is the complicated structure of the reactor wall, which can lead to considerable problems during manufacture and operation. For example, the reactor wall consists of a pressureless water jacket, the pressure jacket, which is protected against corrosion on the inside, and the cooling screen, which, like a membrane wall common in boiler construction, consists of gas-tight welded, water-flowed cooling tubes, which are pinned and coated with a thin SiC layer ( US 4,343,626 ). There is a cooling screen gap between the cooling screen and the pressure jacket, which must be flushed with a dry oxygen-rich gas to avoid back currents and condensate formation. Based on the disadvantages of the prior art, it is the object of the innovation to create a reactor wall which, with simple and reliable operation, permits a simpler and cheaper design solution and simplified operation with the omission of the cooling screen gap mentioned.

Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach den Merkmalen des ersten Anspruches gelöst. Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausführungen der Neuerung wieder.This task is accomplished by devices solved the features of the first claim. Give subclaims further advantageous designs the innovation again.

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.The reactor wall for an entrained flow gasifier for carbonaceous Fuels, residues and waste materials with an oxygen-containing oxidizing agent and a gasification room for pressures between ambient pressure and 100 bar at which the reaction chamber contour through a cooling system is limited, the pressure in the cooling system being kept higher and higher is characterized as the pressure in the reaction space that cooling channels on the inside of the pressure jacket welded on are or a profiled cooling wall forms an annular gap with the pressure jacket. Both the cooling channels as well water flows through the annular gap. The design is such that the pressure difference between cooling channels or annular gap to the gasification chamber through the cooling channels welded onto the pressure jacket or the profiled cooling wall be included. The pressure in the cooling channels or the annular gap is 1 to 2 bar above the pressure in the gasification room. This pressure difference should that in In the event of a leak, in no case gasification gas from the gasification room into the cooling channels or can penetrate the annular gap, but that in such a case always cooling water enters the gasification room.

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.The devices are from the outside internally constructed as follows: pressure jacket, cooling channels or cooling gap, fire-proof protective layer from, for example, SiC ramming mass, slag fur from solidified Slag, film more fluid Slag.

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.The advantage of the innovation is that pressure and Temperature in the cooling channels or the annular gap should be regulated so that the state above or below the boiling point of the cooling water.

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.It is essential for innovation that the refractory Protective layer on the cooling channels or the perforated cooling wall through welded on pen-like or spread anchor is attached. The devices are suitable for the Gasification of fuels, residues and waste materials with different ash contents also for the simultaneous gasification of hydrocarbon-containing gases, liquids, and carbonaceous solids. It is contemplated the reaction space contour for the Gasification process through to delimit a layer of solidified slag. Because of the intense cooling will the in the gasification process Temperatures between 900 and 1600 ° C liquefied slag for solidification brought so that forms a solid slag layer as a thermal insulation layer.

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.One variant is the cooling wall as half-pipes through which cooling water flows and welded onto the pressure jacket train. For special attachment of the refractory ramming compound it is advantageous to apply anchors to the half-tubes. Form the half pipe must also not semi-circular his. Advantageously, the Pipes also have an elliptical shape.

Am Folgenden wird die Neuerung an drei Figuren erläutert.The following is the innovation three figures explained.

Die Figuren zeigen:The figures show:

1: Reaktionsraumkontur mit Druckmantel, Ringspalt, Kühlwand, Schlackeschicht und Schlackefilm in Schnittdarstellung. 1 : Reaction chamber contour with pressure jacket, annular gap, cooling wall, slag layer and slag film in a sectional view.

2: Darstellung mit der Kühlwand, auf der die Anker aufgebaut sind. 2 : Representation with the cooling wall on which the anchors are built.

3: Darstellung mit den wasserdurchströmten Halbrohren, die die Kühlwand bilden. 3 : Representation with the water-flowed half-tubes that form the cooling wall.

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.The 1 shows the reaction chamber contour of a reactor for the gasification of fuels, residues and waste materials with oxygen or an oxygen-containing oxidizing agent at temperatures between 900 ° C and 1700 ° C and at pressures up to 100 bar. The high gasification pressure is due to a pressure jacket 2 added. Inside the pressure jacket 2 there is an annular gap through which water flows 3 by a cooling wall 4 is limited. The cooling wall 4 is wavy in the example. The temperature in the annular gap through which water flows 3 is below 600 ° C, preferably below 300 ° C. The cooling wall 4 is with a good heat-conducting refractory ramming compound 5 made of silicon carbide. Due to the low temperatures in the annular gap 3 is the temperature on the inner surface of the ramming mass 5 far below the melting point of the ash brought in with the fuel, residual or waste material, which therefore solidifies when it hits the surface and forms a solid layer of slag 6 forms after the ashes in the gasification room, which is at 900 ° C –1700 ° C 1 was melted. The solid slag layer 6 grows until their temperature on the gasification room 1 facing side is above the melting point of the ash. Then the liquid slag, which has been thrown out of the ash, runs as a liquid slag film 7 on the solid slag layer and together with the gasification gas from the gasification room 1 discharged. For special attachment of the refractory ramming compound 5 can on the cooling wall 4 anchor 8th be applied like it 2 shows.

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.The 3 shows an embodiment of the reaction chamber contour for a gasifier of fuels, residues and waste materials with oxygen or an oxygen-containing oxidizing agent at temperatures between 900 ° C to 1700 ° C and at pressures up to 100 bar, at which within the pressure jacket 2 the cooling wall 9 out on the pressure jacket 2 welded-on half-pipes through which cooling water flows 3 consists. The cooling wall 9 In addition to the design as half-tubes, other shapes, e.g. B. adopt elliptical design. In the 3 An example of half tubes can also be anchors 8th for the special fastening of the refractory ramming compound 5 serve. As in the example 1 at the annular gap 3 the temperatures also lie in the cooling wall made up of half-tubes 9 below 600 ° C, preferably below 300 C, so that a comparable mode of action occurs.

Claims (5)

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)Reactor wall for an entrained-flow gasifier for the gasification of carbon-containing fuels, residues and waste materials with oxygen or an oxygen-containing oxidizing agent with a reaction space for pressures between ambient pressure and 100 bar and temperatures above the melting point of the inorganic constituents of the fuels, residues and waste materials, preferably in Range of 400 - 1,700 ° C, whereby the reactor wall is limited by a cooling system, which is constructed from the outside in as follows: 2 ) Annular gap through which water flows ( 3 ) Cooling wall ( 4 ) Heat-conductive, fireproof ramming compound ( 5 ) Solid slag layer ( 6 ) Liquid slag film ( 7 ) Gasification room ( 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.Device according to claim 1, characterized in that on the cooling wall ( 4 ) for special attachment of the refractory ramming compound ( 5 ) Pins or anchors ( 8th ) are applied. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Druckmantel (2) aufgeschweißte, kühlwasserdurchströmte Halbrohre (9) die Kühlwand (4) bilden.Device according to claim 1, characterized in that on the pressure jacket ( 2 ) welded-on, half-pipes through which cooling water flows ( 9 ) the cooling wall ( 4 ) form. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kühlwasserdurchströmten Halbrohre (9) zur besonderen Befestigung der wärmeleitenden feuerfesten Stampfmasse (5) Anker (8) tragen.Device according to claim 3, characterized in that the half-pipes through which cooling water flows ( 9 ) for special attachment of the conductive refractory ramming compound ( 5 ) Anchor ( 8th ) wear. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kühlwasserdurchströmten Halbrohre (9) eine elliptische Form aufweisen.Apparatus according to claims 3 and 4, characterized in that the half-pipes through which cooling water flows ( 9 ) have an elliptical shape.
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