DE3872525T2 - Quenchring fuer gaserzeuger. - Google Patents

Description

• Bei der Herstellung eines brauchbaren synthetischen Gases duch die Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffgemisches wird der Vorgang besonders wirksam bei einer hohen Temperatur und hohen Druckbedingungen durchgeführt. Beispielsweise wird für die Herstellung eines Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff, wie aus Partikeln bestehende Kohle, Koks oder auch Öl, ein bevorzugter Betriebstemperaturbereich von ca. 2.000 bis 3.000ºF bei einem Druck von etwa 5 bis 250 atm beibehalten. Die strengen Betriebsbedingungen, die bei diesem Vorgang auftreten, und insbesondere die entstehenden großen Temperaturschwankungen, verursachen eine starke Inanspruchnahme vieler Teile des Gaserzeugers oder Reaktors und der angeschlossenen Ausrüstung.
• Die Erfindung zielt auf eine Verbesserung in der Struktur eines Gaserzeugers und im besonderen in der Anordnung des Quenchrings und des Tauchrohrs. Letztere sind durch ihre Funktionen den strengsten Temperaturbedingungen des Gaserzeugers durch das heiße produzierte Gas oder den Abfluß ausgesetzt, das diese Teile trifft, wenn das Gas aus der Reaktionskammer austritt.
• Hinsichtlich des Standes der Technik erläutert die US-A 4,218,423, herausgegeben am 19. August 1980 im Namen von Robin et al., eine Form von Quenchring und Tauchrohr, die durch Gebrauch der vorliegenden Anordnung verbessert werden kann. Die US-A 4,444,726, herausgegeben am 24. April 1984 im Namen von Crotty et al., stellt ebenso ein Tauchrohr und einen Quenchring für einen Reaktorkessel dar. In letzterem ist ein Teil des Kühlsystems des Gaserzeugers isoliert, aber dies bietet kein wirksames Mittel, um die schädigenden Auswirkungen zu vermeiden oder minimieren, die durch den engen Kontakt zwischen dem heißen ausströmenden Gas und dem Quenchring entstehen können.
• Unter den durch die hohen Temperaturen im Gaserzeuger vorkommenden Problemen ist das Auftreten von Wärmespannungen, die sich häufig im Quenchring, der Kühlwasser führt, entwickeln. Diese Spannungen entstehen aufgrund der engen Nähe des Rings zu dem heißen abgehenden Strom, eine Position, die Kühlung erfordert.
• Die üblichen Probleme werden offenbar in Form von Sprüngen und Rissen, die in Teilen des Quenchrings auftreten, vorwiegend in Bereichen, wo plötzliche Übergänge vorkommen. In letzterem Fall würden physikalische und wärmebedingte Spannungen vergrößert und letztlich das unerwünschte Aussickern von flüssigem Kühlmittel zur Folge haben.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gaserzeuger zur Herstellung eines brauchbaren synthetischen Gases zu liefern, in dem ein Gaserzeuger-Tauchrohr durch einen Quenchring befeuchtet wird, der ein inneres Wasserkreislaufsystem umfaßt.
• Eine weitere Aufgabe ist es, einen flüssigkeitstransportierenden Quenchring für einen Gaserzeuger zur Verfügung zu stellen, wobei der Ring vor dem Ausgesetztsein durch den heißen Abfluß, welcher bei dem Vergasungsvorgang entsteht, mittels eines inneren Wasserkreislaufkanals geschützt wird.
• Noch eine weitere Aufgabe ist es, einen Quenchring des beabsichtigten Typs zur Verfügung zu stellen, der ein wirksames inneres Kühlsystem umfaßt, das die Entwicklung von durch Wärme verursachten Spannungen in der metallischen Struktur des Ringes vermindert.
• Zur Überwindung der dargelegten Unzulänglichkeiten bei Gaserzeugern des besagten Typs sieht die Erfindung einen Gaserzeuger-Quenchring vor, der einen inneren Wasserkreislaufkanal hat. Der letztere wird in einer Ausführungsform durch einen Fortsatz definiert, der sich von der inneren Seite des Quenchringkörpers erstreckt und der von einem äußeren Deckel oder einer Verschlußplatte abgeschlossen wird und dabei einen Wasserverteilungsring oder -verteiler bildet. Der Kühlmittel führende Kanal bedeckt die gesamte Innenwand des Verteilerrings, dessen äußere Oberfläche dem heißen Abfluß ausgesetzt ist, und wird in vollem Zustand gehalten. Besagter Kanal führt einen schnellen Fluß des Wassers, der sich nachfolgend gegen die Leitfläche des Tauchrohrs entlädt. Der letztgenannte Schritt erleichtert den Ausströmungsfluß zwischen der Reaktionskammer des Gaserzeugers und dem Flüssigkeitsbad.
• Die Erfindung stellt daher einen Reaktor zur Vergasung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffgemisches zur Verfügung, um einen heißen Abfluß zu produzieren, der übrigbleibende Schlacke und wenigstens ein brauchbares synthetisches Gas enthält. Der Reaktor enthält eine Reaktionskammer, in der ein Brennstoffgemisch vergast wird, wobei der Boden der besagten Kammer so geformt ist, daß er den Ausfluß von verflüssigter Schlacke zuläßt.
• Eine Quenchkammer, die ein Wasserbad enthält, ist im unteren Bereich des Reaktors angeordnet, um den heißen Abfluß aufzunehmen und zu kühlen. Ein Durchgang, der die Reaktionskammer mit der Quenchkammer verbindet, leitet einen Strom des Abfluß in ein Tauchrohr. Besagtes Rohr, in der üblichen Art, definiert einen Leitungsdurchgang, um den Abfluß in das Wasserbad zu führen.
• Ein ringförmig ausgebildeter Quenchring im Gaserzeuger umfaßt einen Verteilerring, der über dem Tauchrohr angebracht ist, um Ströme des Kühlwassers gegen die Leitungsoberfläche des Tauchrohrs zu führen.
• Der Quenchring schließt einen Körper ein, der eine Kammer oder einen Verteiler definiert, welcher mit einer Wasserdruckquelle verbunden ist. Der Verteiler wiederum ist verbunden mit einem in der Nähe angebrachten Verteilerring, der das Wasser durch einen ringförmigen Kühlmittelkanal empfängt und in Umlauf setzt. Der schnelle Fluß des Wassers durch besagten Kanal dient, aufgrund seines eingeengten Durchgangs, zur Stabilisierung und Kühlung der Außenwand des Quenchrings, der dem Hochtemperatur-Abfluß ausgesetzt ist.
• Das zirkulierende Wasser wird dann gegen die Leitungsoberflächen des Tauchrohrs verteilt, die mit dem heißen Abstromfluß in Kontakt sind.
• Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben anhand von Beispielen und bezugnehmend auf die beigelegten Zeichnungen, in welchen :
• Figur 1 eine senkrechte Aufrißansicht im Querschnitt eines Gaserzeugers des betrachteten Typs ist,
• Figur 2 eine ausschnitsweise vergrößerte Ansicht des inwendig kanalisierten Quenchrings aus Figur 1 ist.
• Figur 3 stellt eine ausschnittweise vergrößerte Ansicht entlang der Linie 3-3 von Figur 2 dar.
• Kurz gesagt, um vorgenannte Aufgaben zu erfüllen und bezugnehmend auf Figur 1, ist ein Gaserzeuger oder Reaktorkessel zur Vergasung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffgemisches - entweder fest, flüssig oder gasförmig - vorgesehen. Der Vergasungsvorgang, durch teilweise Oxidation, produziert einen heißen Abfluß, der wenigstens ein brauchbares synthetisches Gas enthält und einen Rückstand, normalerweise in Form von teilchenförmiger Asche, wenn der Brennstoff ein fester ist, wie Kohle oder Koks. Der Gaserzeuger ist umschlossen von einem starkwandigen, senkrechten Stahlmantel, der so aufgestellt ist, daß ein abfließender Strom des heißen Abflusses gebildet wird, der das hergestellte synthetische Gas enthält.
• Eine Reaktionskammer innerhalb des Mantels empfängt einen unter Druck gesetzten Strom eines Brennstoffgemisches mittels eines Brennstoffeinspritzbrenners. Letzterer ist verbunden mit einer Quelle des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffgemisches sowie mit einer Quelle des die Vergasung unterstützenden Mediums, wie Sauerstoff oder Luft, um eine brennbare Mischung zu bilden.
• Die Produkte der Vergasung oder der heiße Abfluß, die/der in der Reaktionskammer erzeugt wird, werden durch den Boden der Reaktionskammer abgelassen, um in einer Flüssigkeit enthaltenden Quenchkammer gekühlt zu werden.
• Um den Durchgang des heißen Abflusses beim Verlassen der Reaktionskammer zu erleichtern, ist ein Tauchrohr angeordnet, um den heißen Strom in das Flüssigkeitsbad zu führen. Das Tauchrohr, das im allgemeinen in einer aufrechten Position ausgerichtet ist, wird von einem Flüssigkeit führenden Quenchring getragen, der einen Strom oder Ströme von Wasser entlang der ausgesetzten Leitungsfläche des Tauchrohrs oder der den Abfluß berührenden Wand leitet.
• Bezugnehmend auf Figur 1, verkörpert der Gaserzeuger oder Reaktorkessel 10 des betrachteten Typs einen verlängerten metallischen Stahlwandmantel 11. Der Gaserzeugerreaktor wird normalerweise in einer aufrechten Position betrieben, um einen abwärts fließenden Strom des hergestellten Produkts zu bilden. Der Mantel 11 enthält eine Reaktionskammer 12 am oberen Ende, um den zu erwartenden hohen Betriebstemperaturen von ca. 2.000 - 3.000ºF standzuhalten. Die Kammer 12 ist ausgestattet mit einer mehrschichtig ausgekleideten Innenwand, vorzugsweise gebildet aus einem brauchbaren hitzebeständigen Material.
• Ein Brenner 14 ist abnehmbar an der oberen Wand oder Decke des Mantels 11 angeordnet, um das kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffgemisch, wie teilchenförmige Kohle oder Koks, von einer Quelle 16 in die Reaktionskammer 12 einzuspritzen. Eine Menge des die Vergasung unterstützenden Mediums aus einer unter Druck stehenden Quelle wird gleichzeitig in den Brenner 14 geleitet als Teil der Brennstoffmischung.
• Die Erfindung kann ebensogut für Gaserzeuger angewendet werden, die eine Vielzahl von kohlenwasserstoffhaltigen festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen verbrennen. Um die momentane Ausbildungsform zu veranschaulichen, wird vorausgesetzt, daß der Brenner 14 mit einer Quelle 16 für Koks verbunden ist. Letzterer ist vorzugsweise vorgemahlen und wird zu einer Schlämme von gewünschter Konsistenz durch Zugabe einer ausreichenden Menge Wasser gemacht. Das unter Druck gesetzte Gas in Quelle 17 ist normalerweise Sauerstoff, Luft oder eine Mischung davon.
• Das untere Ende der Reaktionskammer 12 wird definiert durch einen sich abwärts neigenden, hitzebeständigen Boden. Diese Anordnung steigert den Austritt des heißen Gases und besonders des heißen Abflusses aus der Reaktionskammer 12.
• Das untere Ende des Mantels 11 umfaßt eine Quenchkammer 19, in die die Produkte der Vergasung geleitet werden. Hier treffen beide Produkte, fest und gasförmig, aufeinander und werden in ein Flüssigkeitsbad geleitet, das höchst vorzugsweise aus Wasser besteht. Das gekühlte Gas tritt dann aus der Quenchkammer 21 in einen Auslösungsbereich 26, bevor es den Gaserzeuger durch eine Leitung 22 verläßt. Das gekühlte Gas kann nun in stromabwärts liegender Ausrüstung und Arbeitsgängen zu einer brauchbaren Form bearbeitet werden. Der feste oder schlackenartige Bestandteil des Abflusses sinkt durch das Bad 21, wo es mittels Auslaßöffnung 23 in einen Einfülltrichter 24 entfernt werden kann.
• Reaktionskammer 12 und Quenchkammer 19 sind miteinander verbunden durch einen eingeengten Durchgang 27, eingearbeitet in den Boden der Reaktionskammer 18. Um ausreichenden Kontakt des heißen Abflusses, wenn er die Reaktionskammer 12 verläßt, mit der Flüssigkeit im Bad 21 zu erreichen, ist die Quenchkammer 19, wie erwähnt, mit einem Tauchrohr 29 ausgestattet. Letzteres enthält eine Oberkante 31, die angrenzend an die Abwärtsstromseite des eingeengten Durchgangs 27 angebracht ist. Das Tauchrohr 29 enthält weiterhin eine Unterkante 32, die im Kühlmittelbad 21 endet.
• Bezugnehmend auf Figur 2, stellt der eingeengte Durchgang 27 den Führungsdurchgang dar, durch den der hochtemperierte, unter hohem Druck stehende Abfluß anfangs läuft. Kühlung der Schlacke sowie des produzierten Gases wird erzielt durch Eintauchen in die Quenchkammer 19 (Figur 1), um die leichte Handhabung des Gases zu erlauben. Wie auch immer, wenn der heiße Abfluß die Abwärtsstromseite des Durchgangs 27 verläßt, wir er sich außerhalb ausbreiten und an die ausgesetzte Außenfläche des Quenchrings 33 geführt, die als Wasserverteilungsring dient.
• Praktisch stellt die Innenwand des Tauchrohrs 29 eine zylindrische Führungsoberfläche für den heißen, abwärts fließenden Abfluß dar, der sowohl die gasförmigen als auch die festen Bestandteile enthält, welche den Durchgang 27 in einem Hochgeschwindigkeitsstrom verlassen. Begünstigend und um den Strom des Abflusses zu erleichtern, wird die Innenwand oder Führungsoberfläche des zylindrischen Tauchrohrs 29 befeuchtet, wie erwähnt, indem ein oder mehrere unter Druck gesetzte Wasserströme dagegen geleitet werden.
• In einer Ausführungsform des Quenchrings 33 besteht letzterer aus einem ringförmigen Metallrumpf 34, der durch eine Reihe von Schraubenbolzen 36 am unteren Stützboden 15 der Verbrennungskammer 12 befestigt ist. Wie gezeigt, dehnt sich innen über eine ausreichende Distanz ein feuerfester Baustoff 18 aus, um den Quenchring zu überlappen und denselben wenigstens teilweise vor dem Auftreffen der heißen Gase zu schützen.
• Besagter ringförmiger Rumpf 34 ist so geformt, daß er einen internen ringförmigen Verteiler oder eine Kammer 37 zum Führen des Kühlwassers bildet. Die Unterseite des ringförmigen Rumpfes 34 ist ausgestattet mit einer Platte 38, die abnehmbar oder angeschweißt sein kann, und die Platz bietet für wenigstens einen, vorzugsweise für eine Mehrzahl von Steigern 39. Letztere sind, wie in Figur 1 gezeigt, mit einer unter Druck stehenden Wasserquelle 41 mittels einer Leitung 42 verbunden.
• Eine Innen- oder Zwischenwand 43 des Rumpfes 34 ist mit einer umlaufenden Befestigungsnabe ausgestattet, an der das obere Ende 31 des zylindrischen Tauchrohrs 29 unterstützend befestigt wird. Besagte Wand 43 ist weiterhin an ihrer Außenoberfläche mit einem ringförmigen Fortsatz ausgestattet, der aus einer üblicherweise horizontalen Aushalsung 44 besteht. Ein aufrechter Rand 46 erstreckt sich von der Aushalsung 44, um einen ringförmigen, Kühlmittel zirkulierenden Kanal 47 zu bilden. Besagter Kanal 47 bedeckt und kühlt dabei die gesamte Kontaktfläche 49 der ausgesetzten Wand des Quenchrings.
• Die ausgesetzte Außen- oder Deckoberfläche 51 des ringförmigen Rumpfes 34 ist versehen mit einer Ausströmungsführungsplatte oder -decke 48, welche davon abhängt und deren innere Oberfläche 49 Abstand zu besagtem Anhang 44-46 hat, um den schmalen und eingeengten, ringförmigen Kühlmittelkanal 47 zu bilden.
• Die äußere ausgesetzte Oberfläche 51 der Ausströmungsführungsplatte 48 ist passenderweise gebogen, zur Erleichterung des Durchlaufs und zur Minimierung der Störung des schnellen Abwärtsflusses des heißen Abflusses, der die besagte Oberfläche berührt. In einer Ausführungsform bildet die äußere konvexe Oberfläche 51 einen oberen Teil des Abflußführungsstroms. Ein unterer, üblicherweise kreisförmiger Teil besagter ausgesetzter Oberfläche leitet den Abfluß abwärts in Berührung mit der Kontaktoberfläche des Tauchrohrs. Wie vorliegend gezeigt, kann die Oberfläche 51 die Gestalt einer kreisbogen- oder halbkreisförmigen Krümmung haben, um den Durchgang des Abflußstromes zu erleichtern.
• Der enge Kühlmittelkanal 47 ist an seiner Unterseite mit einem Ausgang oder einem erweiterten Reservoir 52 ausgestattet, in das das Kühlwasser geleitet wird, bevor es den Kühlmittelkanal durch einen oder mehrere eingeengte Auslaßöffnungen 53 verläßt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Dauerauslaßöffnung 53 einen schmalen Durchgang, der zwischen der sich abwärts erstreckenden Kante 54 der Platte 48 und dem entgegengesetzten Teil der Tauchrohroberfläche gebildet wird. Zur Unterstützung der eingeengten Öffnung 53 können Abstandshalter in der Weise angebracht werden, daß sich die Öffnung für eine gewisse Zeit nicht schließen wird.
• Bezugnehmend auf die Zeichnungen 2 und 3, werden zur Einleitung des Wassers vom Kühlmittel führenden Verteiler 37 in den eingeengten Kanal 47 ein oder mehrere Quergänge 56 in der Zwischenwand 43 gebildet. Quergänge 56 erstrecken sich vorzugsweise vom oberen Teil der Verteilerkammer 37 in den unteren Teil des Kühlmittelkanals 47. Die Reihe von Querverbindungen 56 ist vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen über die gesamte Fläche der Zwischenwand 43 verteilt. Noch vorteilhafter werden sie im wesentlichen tangential zu den Kanalwänden angebracht, um eine Reihe von Durchflußströmen zu bilden, die in den Kühlmittelkanal 47 eintreten, wobei eine schnelle Wirbelwirkung oder - fluß des Kühlmittels verursacht wird, bevor es abwärts in die Auslaßöffnung 53 läuft.
• Die Anordnung des Kühlwasserflusses vom Verteiler 37 zur Auslaßöffnung 53 hat mehrere Vorteile. Vor allen Dingen stellt die Positionierung der Durchgänge 56 sicher, daß der Kanal 47 immer voll Wasser ist. Daraus folgend und aufgrund seines Kreislaufs, wird das Wasser den Rand 46 überfließen und die Innenfläche oder -oberfläche 48 berühren.
• Dieser einheitlichere, wirkungsvolle Kühlungsvorgang wird sicherstellen, daß die äußere ausgesetzte Fläche 51 ebenso der Kühlung unterliegt. Der Gesamteffekt ist die Beseitigung jeglicher Teile der äußeren ausgesetzten Fläche 51 oder Platte 48, die zur Entwicklung von Belastungssprüngen neigen.
• Selbstverständlich können sowohl Veränderungen, als auch Abweichungen von der Erfindung gemacht werden, ohne daß von ihrem Schutzumfang abgewichen wird, lediglich solche Beschränkungen sollten auferlegt werden, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen angegeben sind.

Claims (8)

1. Gaserzeuger (10) für die Hochtemperatur-Vergasung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffgemisches, um einen heißen abgehenden Strom zu produzieren, der wenigstens ein nutzbares synthetisches Gas umfaßt, wobei der Gaserzeuger einen Mantel (11) umfaßt, der eine Reaktionskammer (12), in der das Brennstoffgemisch zumindest teilweise bei einer erhöhten Temperatur und Druck umgesetzt wird, eine Quenchkammer (19) in besagtem Mantel (11) ein Flüssigkeitsbad (21) zum Abkühlen besagten heißen abgehenden Stromes enthält, Mittel einen Durchgang (27) bilden, der die entsprechende Reaktionskammer (12) und die Quenchkammer (19) verbindet, wobei der Gaserzeuger folgendes einschließt

ein längliches Tauchrohr (29), angrenzend an besagte Mittel, die besagten Durchgang (27) bilden, angeordnet, mit einer Kontaktfläche, die einen Ausströmführungsdurchgang zum Leiten besagten heißen abgehenden Stromes zu besagtem Bad hin festlegt, und

einen Quenchring (33), der stromabwärts von besagtem Durchgang (27) angeordnet ist und folgendes umfaßt

einen ringförmig ausgebildeten Rumpf (34), einschließlich Mitteln, die einen ringförmigen, flüssigkeitsführenden Verteiler (37) bilden, der einer Innenwand (43) mit einem Fortsatz (44, 46) aufweist, der sich von dort nach außen in einer Richtung auf den besagten Ausströmführungsdurchgang hin erstreckt,

einen von besagtem ringförmig ausgebildeten Rumpf (34) abhängenden Flüssigkeitsverteilungsring (48), der zu besagtem Fortsatz (44, 46) mit Abstand angeordnet ist, um einen eingeengten, ringförmigen Flüssigkeitszirkulationskanal (47) dazwischen festzulegen,

Querverbindungsmittel (56), die besagten Flüssigkeitszirkulationskanal (47) mit besagtem flüssigkeitsführenden Verteiler (37) verbinden, und

Mittel, die wenigstens eine Auslaßöffnung (53) in besagtem Flüssigkeitsverteilungsring (48) bilden und mit besagter Tauchrohrkontaktfläche fluchten, um einen Strom aus flüssigem Kühlmittel dagegen zu lenken.

2. Gaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Verteilungsring eine Führungsplatte (48) für den abgehenden Strom einschließt, die von besagtem Rumpf (34) abhängt und eine gebogene äußere Oberfläche (51) aufweist, die besagte zentrale Öffnung festlegt.

3. Gaserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Verteilungsringströmungsführungsplatte (48) mit einer konvexen äußeren Oberfläche (51) versehen ist, die besagte zentrale Öffnung festlegt.

4. Gaserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführungsplatte (48) mit einer bogenförmigen äußeren Oberfläche (51) versehen ist, die ein oberes Segment aufweist, das im wesentlichen konzentrisch mit dem heißen abgehenden Strom ist.

5. Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Kühlmittelkanal (47) einen engen, stromaufwärts angeordneten Abschnitt und einen erweiterten Ausgangskanal (52) einschließt, der sich in besagte wenigstens eine Auslaßöffnung (52) hinein öffnet.

6. Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Außenfläche der Strömungsführungsplatte eine darauf angeordnete und aus einem korrosionsbeständigen Metall gebildete metallische Deckschicht einschließt.

7. Gaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Querverbindungsmittel eine Mehrzahl flüssigkeitsführender, in gleichen Abstand angeordnete Querverbindungen (56) einschließen.

8. Gaserzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Querverbindungen (56) sich in besagten Kühlmittelkanal (47) hinein im wesentlichen tangential zur Wand des Kühlmittelkanals öffnen.