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1. (WO2010083897) DEVICE FOR EQUALIZING PRESSURE BETWEEN A REACTION CHAMBER AND COOLING SCREEN GAP IN AN ENTRAINED-FLOW GASIFIER HAVING A FIXED WELDED COOLING SCREEN
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Beschreibung

Vorrichtung zum Druckausgleich zwischen Reaktionsraum und Kühlschirmspalt bei einem Flugstromvergaser mit fest einge-schweißtem Kühlschirm

Die Erfindung betrifft ein Reaktor zur Vergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen im Flugstrom bei Temperaturen zwischen 1200 und 1900 0C und Drücken zwischen Um-gebungsdruck 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 Al 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 zwi- sehen 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 und zuverlässige Ausgestaltung für einen Vergasungsreaktor an-zugeben, 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 aller- dings, 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.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine zusätzliche Verbindung zwischen Kühlschirmspalt und SauerstoffZuführung gegeben .

In Weiterbildung der Erfindung ist eine zusätzliche Verbindung zwischen Kühlschirmspalt und einer Brennstoffzuführungs-leitung gegeben.

In Weiterbildung der Erfindung sind zusätzliche Verbindungen zwischen Kühlschirmspalt und mehreren BrennstoffZuführungsleitungen gegeben.

In Weiterbildung der Erfindung sind zusätzliche Verbindungen zwischen Kühlschirmspalt und SauerstoffZuführung sowie zwi-sehen Kühlschirmspalt und einer Anzahl von Brennstoffzufüh-rungsleitungen gegeben.

Durch die genannten Maßnahmen wird bei einer schnellen Notentspannung des Reaktionsraumes ein ausreichender Querschnitt für den Druckausgleich geschaffen, wenn der Kanal des Pilotbrenners alleine nicht ausreicht.

Alle Verbindungsleitungen können mit Absperrventilen ausgerüstet sein, die eine Medienströmung nur in Richtung Haupt-brenner zulassen. Bei Notentspannung öffnen die Ventile zusätzlich und es kann eine schnelle Entspannung des Kühlschirmspaltes erfolgen. Durch die Sperrung der Strömung in Richtung Kühlschirmspalt kann auch bei undichten Ventilen keine Strömungsumkehr in Richtung Kühlschirmspalt erfolgen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Rückschlagventil durch eine Kombination eines Absperrventils mit einer Rückschlagsicherung gegeben. Hierdurch wird eine Steuerbarkeit der Verbindungsleitung, in der das Absperrventil angeordnet ist, mit einem Schutz vor Eindringen von Vergasungsgas in den Kühlschirmspalt erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Einzelleitungen im Querschnitt so bemessen, dass selbst bei Nicht-Öffnen eines Rückschlagventils im Notentspannungsfall der Druckausgleich über die restlichen Leitungen ausreicht.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Vergasungsreaktor mit einem Druckausgleich zwischen Reaktionsraum und Kühlschirmspalt durch StickstoffSpülung.

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 angeordne-ten 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, wo-durch 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 Kühlschirm-spalt 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 belas-tende 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 Entspan-nungsarmatur 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 existieren zusätzlich 3 Verbindungsleitun-gen 13 zu den 3 Stück Kohlenstaubzuführungsleitungen 10 und eine Verbindungsleitung 14 zur SauerstoffZuführung 11. Alle Leitungen sind mit Absperrventilen 12 ausgerüstet, die eine Medienströmung nur in Richtung Hauptbrenner 2 zulassen. Bei Notentspannung öffnen die Ventile 12 zusätzlich und es kann eine schnelle Entspannung des Kühlschirmspaltes 5 erfolgen. Die Einzelleitungen 13 und 14 sind im Querschnitt so bemessen, dass selbst bei Versagen eines Ventils 12 der Druckausgleich über die restlichen Leitungen ausreicht. Durch die Sperrung der Strömung in Richtung Kühlschirmspalt 5 kann auch bei undichten Ventilen 12 keine Strömungsumkehr in Richtung Kühlschirmspalt 5 erfolgen.

Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Druckausgleich zwischen Reaktionsraum (3) und Kühlschirmspalt (5) bei einem Flugstromvergaser zur Vergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen zur Erzeugung eines CO- und wasserstoffreichen Rohgases bei Reaktionsraumdrücken bis 80 bar wobei zum Druckausgleich zwischen dem Reaktionsraum (3) und Kühlschirmspalt (5) zwischen Kühlschirm (4) und Druckmantel (6) eine Verbindungsleitung (8) besteht, die von der StickstoffZuführungsleitung (9) am Pilotbrenner (1) abzweigt und zum Stutzen (7) am Kühlschirmspalt (5) führt.

In weiterer Ausgestaltung umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung, bei der für schnelle Entspannungsvorgänge des Reaktionsraumes noch zusätzliche Verbindungsleitungen (13) und (14) vorhanden sind, die mit Absperrventilen (12) mit Rückschlagsicherung ausgerüstet sind, von der Verbindungsleitung (8) abzweigen und mit den Kohlenstaubzuführungsrohren (10) beziehungsweise der SauerstoffZuführung (11) verbunden sind.

In weiterer Ausgestaltung umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung, bei der die zusätzlichen Verbindungsleitungen

(13) und (14) mit einer Strömungssicherung ausgerüstet sind, die nur eine Medienströmung aus dem Kühlschirmspalt (5) über Stutzen (7) und der Verbindungsleitung (8) zum Hauptbrenner

(2) in den Reaktor zulassen.

Bezugszeichenliste

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

10 3 x Kohlenstaubzuführungsrohre zum Hauptbrenner

11 SauerstoffZuführung zum Hauptbrenner 12 4 x Absperrventile mit Rückströmsicherung

13 N2-Verbindungsleitung zu den Kohlenstaubleitungen

14 N2-Verbindungsleitung zur O2-Zuführung zum Hauptbrenner

15 Schlackeablaufkörper 16 Gasübergang zum Quenchraum

17 Quenchdüse

18 Quenchraum

19 Rohgasabgang

20 Gasabgangsarmatur 21 Entspannungsarmatur