DE3530918C2

DE3530918C2 - Flugstrom-Kohlenstaub-Vergaser

Info

Publication number: DE3530918C2
Application number: DE3530918A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr.-Ing. Ddr 9230 Brand-Erbisdorf Berger; Vasilij Fedotov; Ernest Dr.-Ing. Gudymov; Helmut Dipl.-Ing. DDR 9200 Freiberg Peise; Boris Moskau/Moskva Rodinov; Manfred Dr.-Ing. Ddr 9200 Freiberg Schingnitz; Vladimir Dr.-Ing. Semenov; Winfried Dr.-Ing. Wenzel
Original assignee: Brennstoffinstitut Freiberg
Current assignee: Brennstoffinstitut Freiberg
Priority date: 1984-10-29
Filing date: 1985-08-29
Publication date: 1987-03-19
Also published as: CS266234B1; JPS61108694A; GB2166155A; DE3530918A1; CS545285A1; US4707163A; GB8525902D0; JPH0149440B2; FR2572418A1; DD227980A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Vergasung von Kohlenstaub, bestehend aus einem innen wärmeisolierten Gehäuse (1) mit einem Abzugsstutzen (2) für das Generatorgas und einem Stutzen (4) für die granulierte Schlacke, einem zentralen Kohlenstaubbrenner (5), einem Wasserbad in einer im Schlackestutzen ausmündenden Wanne (7), einem gasdichten Kühlrohrschirm (8), der längs der Gehäusewand im Abstand zur Isolierung angeordnet und an einen Eingangs- sowie an einen Ausgangssammler für ein Kühlmedium angeschlossen ist, wobei ein unterer Kranz von Rohrbögen über dem Überlaufrohr angeordnet ist. Zur Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit, zur Verbesserung der Qualität des Generatorgases und zur Senkung des Energieaufwandes ist gemäß der Erfindung ein Kranz von Rohrbögen (10) im oberen Gehäuseteil vorgesehen, welcher von zumindest einem Teil der Kühlrohre des Rohrschirmes (8) gebildet wird, welche die Form einer mit ihrem konvexen Teil zum Brenner (5) hin gerichteten Schlaufe haben. Der sich unmittelbar an den Rohrbogenkranz anschließende Teil (9) des Rohrschirms (8) hat eine konische Form. In dem zwischen dem Rohrschirm (8) und der Isolierung (2) vorhandenen Ringraum sind mit Dampf beaufschlagbare Rohre (17) angeordnet, deren Mündungen über dem unteren Rohrbogenkranz (11) liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugstrom-Kohlenstaub-Vergaser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Aus der DE-OS 31 07 156 ist ein Flugstrom-Reaktor zur Vergasung von aschehaltigen festen und flüssigen Brennstoffen bekannt, bei dem die Brennstoffe im Gemisch mit einem Oxidationsmittel durch einen zentral im Behältergewölbe angeordneten Brenner in die obere Vergasungszone eingeführt und teiloxidiert werden. Im Reaktorbehälter befinden sich ein innerer und ein äußerer Rohrschirm aus in Umfangsrichtung verlaufenden Rohrwindungen, die gasdicht miteinander verbunden sind. Bei einer Ausführung endet der innere Rohrschirm unmittelbar oberhalb eines Wasserbades und begrenzt mit dem äußeren Rohrschirm einen ringförmigen Gasraum, der von dem erzeugten Brenngas aufsteigend durchströmt wird. Er kann Strahlungs- und/oder Berührungs-Wärmetauscher enthalten. Durch die einmalige oder bei Verwendung eines doppelwandigen Schirms mehrmalige Umlenkung der erzeugten Brenngase sollen die darin enthaltenen Ascheteilchen besser abgeschieden und im Schlackebad aufgefangen werden.
Aus der DE-OS 29 33 716 ist ein anderer Vergasungsreaktor für feinkörnige Kohle bekannt, die in einem Druckbehälter ein Rohrschirmsystem mit Einlaß- und Auslaßsammlern für das Kühlmedium aufweist. Eine Einziehung im Rohrschirm unterteilt den Innenraum in eine obere Vergasungszone und in eine Strahlungszone, in der das heiße und mit flüssiger Asche beladene Generatorgas durch Strahlungs-Wärmetausch gekühlt wird. In der Vergasungszone sind die den gasdichten Rohrschirm bildenden Kühlrohre bestiftet und von einer feuerfesten Stampfmasse umgeben. Im Bereich der Strahlungszone ist an das Druckgefäß gasseitig ein weiterer Druckbehälter angeschlossen, in dem vom Gas umströmte Konvektions-Wärmetauscherbündel zur Gaskühlung angeordnet sind. Das doppelwandige Rohrschirmsystem begrenzt einen zentralen, abwärtsgerichteten und einen ringförmigen aufwärtsgerichteten Gaszug, in dem die Gastemperatur auf unterhalb der Schlacke-Sintertemperatur gekühlt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flugstrom-Kohlenstaub- Vergaser zu schaffen, bei dem Ansetzungen von Flüssigschlacke an den Innenflächen des Rohrschirms vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die von den radial nach einwärts bis in den Brennerbereich gebogenen Rohrabschnitten gebildeten Durchströmöffnungen strömt ein Gasgemisch, das aus einem Teil des erzeugten Generatorgases und aus dem über die Dampfzuleitungsrohre eingeführten Dampf besteht. Dieses Gasgemisch strömt längs der Innenwand des Rohrschirms sowohl in der Strahlungszone als auch in der Reaktionszone und verhindert nicht nur die Ausbildung eines Rezirkulationsstromes am Brennermund, sondern schirmt auch die Innenwände des Rohrschirms gegen die heißen mit flüssigen Schlackepartikeln beladenen Reaktionsgase ab. Der sich direkt an die nach einwärts gebogenen Rohrabschnitte anschließende konische Abschnitt des Rohrschirms ergibt eine Diffusorwirkung zwischen dem Rohrschirm und der Wärmeisolierung für den zirkulierenden Gasstrom, wodurch bei ansteigendem Druck die Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird und die Umlenkung der Reaktionsgase oberhalb des Schlackenbades mit geringen Geschwindigkeiten und Druckverlusten erfolgt. Der aus den Mündungen der koaxial angeordneten Dampfzuleitungsrohre ausströmende Dampf erzeugt die angestrebte Rezirkulationswirkung des sich bildenden Gas-Dampf-Gemisches in den vom Kühlrohrschirm begrenzten Ringraum, welcher über die oberen Durchströmöffnungen in den Reaktionsraum gelangt.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgebildeten Flugstrom-Kohlenstaub-Vergasern anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Flugstrom-Vergaser mit einem einfachen Kühlrohrschirm und unterem Gasabzug;
Fig. 2 einen Flugstrom-Vergaser mit einem doppelwandigen Kühlrohrschirm und oberem Gasabzug;
Fig. 3 den Querschnitt A-A in Fig. 1;
Fig. 4 den Querschnitt B-B in Fig. 2.
Die dargestellten Flugstrom-Vergaser zur Kohlenstaubvergasung enthalten ein langgestrecktes, geschlossenes Druckgehäuse 1 mit einer inneren Wärmeisolierung 2 und einem seitlichen Abzugsstutzen 3 für das Generatorgas sowie einem Schlackestutzen 4 in der Bodenwandung. In einer Dachöffnung des Gehäuses 1 und der - dort verdickten - Wärmeisolierung 2 ist ein Kohlenstaubbrenner 5 mit integrierter Sauerstoff- und ggf. Dampfzufuhr zentral angeordnet. Im unteren Teil des Gehäuses 1 im Anschluß an die Isolierung 2 befindet sich ein mit Wasser gefüllter Trichter 7, dessen oberes breites Ende sich über den gesamten Innenquerschnitt des Behälters erstreckt und dessen unteres schmales Ende in den Schlackestutzen 4 mündet. Der Wasserstand im Trichter 7 wird durch ein aus dem Behälter 1 herausgeführtes Überlaufrohr 6 auf einem gewünschten Pegel gehalten. Ein aus nebeneinander verlaufenden Kühlrohren gebildeter gasdichter Rohrschirm 8 ist mit freiem Zwischenabstand zur Isolierung 2 im Gehäuseinnenraum angeordnet und mit einem Ende an einen Einlaufsammler 12 mit Anschlußstutzen 14 sowie mit dem anderen Ende an einen Ablaufsammler 13 mit Abzugsrohren 15 für ein zirkulierendes Kühlmittel verbunden.
Beim Vergaser nach Fig. 1 besteht der Rohrschirm 8 aus kranzförmig zur Mittelachse mit Zwischenabstand zur Isolierung 2 angeordneten Kühlrohren 19, wobei der untere Sammler 12 als Ringkanal im Freiraum zwischen der Behälterwand und dem Trichter 7 und der obere Sammler 13 als Ringkanal in der verdickten Isolierung 2 angeordnet sind. In einem oberen Abschnitt unterhalb der Brennermündung sind die Kühlrohre des Rohrschirms 8 nach innen eingebogen, so daß der Kühlschirm in diesem Abschnitt 9 eine sich zum Brenner 5 hin verjüngende konische Form hat. Neben dem in den Reaktorinnenraum hineinragenden Endabschnitt des Brenners 5 sind einige Rohrabschnitte 10 schlaufenförmig nach innen gebogen und bilden einen "Zackenkranz", der das Brennerende umgibt (vgl. Fig. 3). - Die Kühlrohre sind miteinander ggf. unter Verwendung von längslaufenden Distanzstreben 19 zu dem gasdichten Rohrschirm 8 verschweißt. Gemäß Fig. 1 weisen zumindest ein Teil der Rohre 19 des Rohrschirms 8 oberhalb des kurz über dem Wasserbad angeordneten Gasstutzens 3 einen weiteren Kranz 11 von nach außen gerichteten Rohrbögen auf, der bis an die Isolierung heranreicht.
Ein als Ringkanal ausgeführter Verteiler 16 ist im Freiraum außen neben dem Trichter 7 angeordnet und mit einem Dampfstutzen 18 sowie mit einem Kranz von Dampfzuleitungsrohren 17 verbunden, die achsparallel in dem Ringraum zwischen dem Rohrschirm 8 und der Isolierung 2 angeordnet sind und oberhalb des Zackenkranzes 11 ausmünden.
Der Flugstrom-Vergaser nach Fig. 2 entspricht im Grundaufbau dem oben erläuterten Reaktortyp. Statt des einreihigen Rohrschirms mit dem nach außen gerichteten Bogenkranz 11 wird jedoch ein als Doppelmantel ausgebildeter Rohrschirm 8 verwendet, dessen kranzförmig angeordnete Kühlrohre und Distanzstreben 19 U-förmig gebogen sind, wobei die U-Bögen oberhalb des Wasserbades in unterschiedlichen Höhen liegen und den unteren Zackenkranz 11 bilden. Die Innenrohre bilden den eingezogenen konischen Abschnitt 9 und die Außenrohre verlaufen parallel und mit Zwischenabstand zur Isolierung 2 und zu den Innenrohren bis zum Ringsammler 12. Beide Sammler 12, 13 mit ihren Stutzen 14, 15 zum Anschluß an ein Kühlmittelsystem sind in der oberen, verdickten Isolierschicht 2 im Gehäuse 1 angeordnet. Der Auslaßstutzen 3 für das Generatorgas befindet sich im oberen Gehäuseteil etwa in Höhe des konischen Schirmabschnitts 9.
Der erfindungsgemäße Reaktor z. B. gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt:
Durch den Brenner 5 erfolgt die Zufuhr von Kohlenstaub, sauerstoffhaltigem Gas und Wasserdampf. In unmittelbarer Nähe des Brenners stabilisiert sich die Flamme und es beginnt die Vergasung des Kohlenstaubes. Der Strom der Vergasungsprodukte bewegt sich etwa in der Behälterachse, wobei er das aus den oberen Durchströmöffnungen austretende Gasgemisch zum gasdichten Rohrschirm 8 hin abdrängt. Die Vergasungsprodukte werden durch Strahlungswärmeaustausch mit dem Rohrschirm 8 durch die ringförmige Schicht des Gasgemisches hindurch, die sich entlang dem Rohrschirm 8 bewegt und in größeren Abständen vom Brenner durch Vermischung mit diesem Gasgemisch gekühlt. Die Länge des gasdichten Rohrschirms 8 wird so gewählt, daß die Temperatur der Vergasungsgase vor dem unteren Zackenkranz 11 etwas unter der Schlackeerweichungstemperatur, also etwa bei 800 bis 900°C, liegt. Bei Umkehr der Vergasungsprodukte vor dem Eintritt in den unteren Zackenkranz 11 fällt der Hauptteil der Schlacketeilchen aus dem Strom in das Wasserbad, wo er sich unter Abkühlung auf tiefe Temperaturen im Trichter 7 absetzt und als Granulat durch den Schlackeabführungsstutzen 4 abgezogen wird. Der Strom des mit dem rezirkulierenden Gas gemischten Generatorgases wird beim Durchgang durch den unteren Zackenkranz 11 in zwei Ströme geteilt, von denen einer über den Stutzen 3 abgeführt und der andere mittels der Dampfzuleitungsrohre 17 in den Ringraum zwischen der Wärmeisolierung 2 und dem gasdichten Rohrschirm 8 gesaugt wird.
Das in den Ringraum zwischen der Wärmeisolierung 2 und dem gasdichten Rohrschirm 8 eingesaugte Generatorgas wird zusätzlich sowohl durch Vermischung mit dem Dampfstrom aus den Austrittsrohren 17 als auch durch konvektiven und Strahlungswärmeaustausch mit dem Rohrschirm 8 gekühlt. Damit hat die Mischung von Generatorgas und Wasserdampf, die aus dem oberen Zackenkranz 10 austritt, eine Temperatur, die etwas unter der Temperatur des Erweichungsbeginns der Schlacke liegt. Das bedeutet, daß die feinen Schlacketeilchen, die mit dem Generatorgas mitgeführt werden, nicht an dem gasdichten Rohrschirm 8 ankleben. Damit existiert zwischen dem sich durch das Zentrum bewegenden Strom des Generatorgases, in dem sich die Schlacketeilchen in einem pastenartigen oder sogar in einem flüssigen Zustand befinden, ein abschirmender relativ kalter Ringstrom aus einer Mischung von Generatorgas und Wasserdampf, in dem sich die Schlacketeilchen in einem festen Zustand befinden, der weit vom Deformationsbeginn entfernt liegt, und es kann nicht die Gefahr der Verschlackung des gasdichten Rohrschirmes 8 und des Ringraums entstehen. Wenn als Kühlmedium Speisewasser Verwendung findet, kann am Ausgang aus dem Austrittsstutzen 15 ein Dampf-Wasser-Gemisch vorliegen, aus der Dampf erzeugt werden kann.
Der Betrieb des Reaktors nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Betrieb des Reaktors nach Fig. 1 dadurch, daß das Gas in den Innenraum des U-förmigen Rohrschirmes 8 gesaugt und dabei effektiver gekühlt wird, bevor es aus dem Stutzen 3 austritt, der im oberen Reaktorteil in den Ringraum angeschlossen ist. Das abgehende Generatorgas wird zusätzlich durch Strahlungswärmeaustausch und konvektiven Wärmeaustausch mit dem gasdichten Rohrschirm 8 gekühlt.
Der Vergasungsreaktor für Kohlenstaub gemäß der Erfindung hat große Vorteile gegenüber bekannten Reaktoren. Die sich bildende schmelzflüssige Schlacke kommt nirgendwo mit den Reaktorwänden in Berührung und es sind keine Probleme vorhanden, die das hervorrufen. Darüber hinaus muß der Prozeß nicht so geführt werden, daß eine Schlackeschmelze entsteht. Vielmehr kann die Schlacke einen pastenförmigen Zustand haben, ohne daß die Gefahr einer Verschlackung des Rohrschirmes besteht.
Bei dem Reaktor gemäß der Erfindung können die mit der feuerfesten Auskleidung verbundenen Nachteile bekannter Reaktorausführungen nicht auftreten, weil eine solche Auskleidung nicht vorhanden ist. Durch die Schaffung eines abschirmenden relativ kalten Ringstromes längs des gasdichten Rohrschirmes sowohl in der Reaktionszone als auch in der Strahlungszone können sich die flüssigen Schlacketeilchen nicht auf den Wänden absetzen, weshalb sich auch kein flüssiger Schlackestrom ausbildet und Verschlackungen durch Schlacketröpfchen nicht auftreten.

Claims

1. Flugstrom-Kohlenstaub-Vergaser, bestehend
aus einem innen wärmeisolierten Druckgehäuse mit einem seitlichen Abzugsstutzen für das Generatorgas und einem Bodenaustrag für die granulierte Schlacke,
aus einem oben zentral im Behältergewölbe angeordneten Kohlenstaubbrenner,
aus einem Wasserbad in einer in den Schlackenaustrag ausmündenden Wanne und
aus einem längs der Gehäusewand im Abstand zur Isolierung angeordneten gasdichten Kühlrohrschirm, der mit der Gehäusewand einen ringförmigen, an den Abzugsstutzen angeschlossenen Gasraum begrenzt und der oberhalb des Wasserbades Auslässe für ein Kühlmittel sowie untere Durchströmöffnungen für das Gas aufweist, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Kühlrohrschirm (8) im oberen Teil durch einen Kranz von einigen radial einwärts bis zum Brenner (5) hin gebogenen Rohrabschnitten (10) obere Durchströmöffnungen bildet,
- daß der sich an den oberen Teil anschließende Abschnitt (9) des Kühlrohrschirms (8) eine konische Form hat und - daß die Kühlmittelauslässe Mündungen von koaxial angeordneten Dampfzuleitungsrohren (17) sind, die sich oberhalb der unteren Durchströmöffnungen (11) des Rohrschirms (8) befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Rohrschirms (8) ein Teil der Kühlrohre bis zur Behälterwand (2) ausgebogen sind und dadurch die unteren Durchströmöffnungen (11) bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzugsstutzen (3) für das Generatorgas in der Höhe zwischen den unteren Durchströmöffnungen (11) und dem Wasserbad angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Druckgehäuses (1) neben einer trichterförmigen Wand (7) für das Wasserbad und oben im Behältergewölbe innerhalb der Isolierung je ein Ringsammler (12, 13) für die Kühlrohre angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der gasdichte Kühlrohrschirm als Doppelmantel ausgebildet ist und der Abzugsstutzen für das Generatorgas im oberen Teil des Gehäuses angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (19) unten durch U-förmige Übergangsstücke verbunden sind, die in unterschiedlicher Höhe liegen und den unteren Kranz von Durchströmöffnungen begrenzen und daß die Dampfzuleitungsrohre (17) in den vom Innen- und vom Außenmantel des Rohrschirms (8) begrenzten Ringraum ausmünden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des konischen Abschnitts (9) des Rohrschirms (8) etwa 6 bis 15° beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfzuleitungsrohre (18) achsparallel und in Form eines Kranzes an einen außen neben der Wasserbad-Wanne (7) angeordneten Ringverteiler (16) mit Dampfstutzen (18) angeschlossen sind.