DE2940257A1 - Strahlungskessel - Google Patents
StrahlungskesselInfo
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Description
Oberhäuser- l?t 03.10.79
J PLD rcht-Mn-TS/kzv/
- 8I88O -
AKmIRMf!ESELLSCnAFT, Oberhausen 13
StrahlunRskessel
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlun^skeesel,
der Insbesondere zur Gewinnung der bei der Vergasung von
ascheblldenden, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen entstehenden
ProzeßwMrne dient. Die Nutzung dieser Energie ist In
allen den Füllen aus Gründen der V/irtschaftlichkelt unerläßlich,
in denen das Has ohne anderweitige Nutzung der fühlbaren WSrne eingesetzt werden kann.
Die FrzeuP^unp; von Dampf nit Hilfe von Im Prozeß erzeugter
WSrne ist Jedoch in der Re^eI besonders dann schwierig,
wenn flüssige Aschepartikel in der Gasphase mite;eführt werden,
wie sie bei bestimmten unter Druck durchgeführten Verp;a3un.cr;sverfahren, z.R. für Steinkohle oder aschebildenden
Rrdöl typisch ist. Zusätzliche Problerne treten dadurch
auf, daß die Asche abhiing;i^ vom Rinsatzrnaterial unterschiedliche
Zusanniensetzung und damit unterschiedliches
physikalisches Verhalten aufweist, was an die Konstruktion einer Abhltzerück^ewinnun^sanlacje besondere Anforderungen
stellt.
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In der DF.-OS 27 05 558 ist ein Verfahren zum Vergasen von festen Brennstoffen beschrieben, bei dem das Reaktionsgas
gemeinsam mit den Verbrennungsrückständen in einen unnittelbar unterhalb des Reaktors angeordneten Strahlungskessel
soweit abgekühlt wird, daß die flüssigen Verbrennungsrückstände, die als feine Tropfen von Gas getragen werden,
erstarren, bevor sie in einen nachgeschalteten Konvektionskessel
gelangen. Die in Form gröberer Agglomerate anfallenden Verbrennungsrückstände werden bei der Umlenkung
des Gasstromes im Strahlungskessel an der Oberfläche eines Waseerbades, das im unteren Teil des Strahlungskessels
angeordnet ist, in das Wasser abgeschieden. Bei diesen bekannten Verfahren wird die Asche unter Vorkühlung des
Reaktionsgemisches weitgehend ausgeschieden. Die Temperatur der im Gas verbleibenden Partikel wird soweit abgesenkt,
daß Versinterungen an den Wärmeaustauscherflächen ausgeschlossen sind. Die Wärmeübertragung erfolgt überwiegend
durch Strahlung. Ein unmittelbarer Kontakt der flüssigen Asche mit der Wärneaustauscherwand ist ausgeschlossen, da
der Durchmesser de3 zentralen Raumes in Verhältnis zur Eintrittsöffnung des Gases und der Länge der Wärneaustauscher-Flemente
genügend groß gewählt ist. In einer zweiten Kühlstufe, die dem Strahlungskessel nachgeschaltet
ist, geht der Wärmeübergang.im wesentlichen durch Konvektion
vor sich. Obgleich das bekannte Verfahren zur Wärmerückgewinnung sich praktisch bewährt hat, ist es in
einigen Punkton noch verbesserungsfähig. So betrügt der
Abscheidungsgrad der Asche zwar mehr als 90 % und ist damit
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s ιβδο
überraschend hoch. Dennoch muß eine weitere Verbesserung der Ascheabscheidung angestrebt werden. Darüber hinaus wird
der Wärmeübergang durch eine sehr lockere, in Porn einer
durchgehenden Ascheschicht von wenigen Millimetern Starke
auf den Warne-Austauscherflachen auch dann behindert, wenn
flüssige Asche nicht an die Wand gelangt. Obgleich diese Ascheschicht sich von den Wameaustauscherflächen lokal
wieder löst, sobald sie eine bestimmte Stärke erreicht hat, hat sie eine erhebliche Minderung des Wärmeübergangs zur
Folge.
Bein unmittelbaren eintauchen der flüssigen Aschetropfen
in das Wasserbad entsteht bevorzugt feste Asche mit einen
relativ niedrigen Schüttgewicht. Un die Dimension der Austragsschleusen aus dem Drucksystem möglichst klein zu
lr> bemessen, wird angestrebt, grobkörnige und dichtere Asche
zu erhalten. Die Bildung grobkörnigerer Asche ist auch für die Aufteilung der gesanten Asche In kohlenstoff ame
Drobasche und kohlenstoffhaltige Feinasche vorteilhaft, da die Feinasche in den Vergasungsprozeß zurückgeführt wird.
Schließlich ist noch zu beachten, daß nach den bekannten Verfahren die fühlbare Wärme der flüssigen Asche, fast
vollständig verloren geht. Die vorliegende Erfindung behebt die geschilderten Nachteile. Sie besteht in einen
Strahlungskeseel für die Abkühlung eines am Kopf des
Strahlungskessels senkrecht eingeführten Gasstromes, der feste und schnelzflüssige Partikel enthält, die nach Abkühlen
erstarren, über ein in unteren Toll des Strahlungskessels befindliches Wasserbad abgezogen werden. Der er-
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8 l88O
findungsnem.iße Strahlungskessel ist dadurch gekennzeichnet,
daß er zwei oder mehrere konzentrisch angeordnete, zylindrische Warmeaustauacher-Rlemente enthält, von denen
das innerste von oben nach unten und die Rlηςraune, die
aus der Außenfläche des Jeweils innen liegenden und der Innenfläche des jeweils außen liegenden WSrmeauntauscher-Elenentes
t-ebildet sind, nach ein- oder nehmallfjer
Umlenkung des Gasstromes durchströmt werden, die Reinie;unR
der Oberflächen der einzelnen Wärmeaustauscher-Elemente
mit Hilfe von Prozeßp;as erfolgt, das durch Düsen unter erhöhtem Druck eingeführt wird und oberhalb des Wasr.erbadea
einen als Wärrceauatauscher-Fllement ausgebildeten,
zentrisch angeordneten Aufprallkegel, der ein Düsensysten
zur ReInIr1Un^ mit Wasser besitzt, enthalt.
Der erf Indunpjo^enäße Strahlun^skessol enthält zwei oder
mehrere konzentrisch angeordnete, zylindrische Wärneaustauecher-Elemente.
Die Anordnung mehrerer Würneaustauncher-Flemente
sichert eine verbesserte Hiickrjewinnun^
der Prozeßwärme infolge der vergrößerten Wärmeaustausch-
.70 flftche.
Bei VerweruiunR von nur einem Wärmoaustauscher-Elenent kann
nur die Innenseite dieses V/Srmeaustauscher-Elementes zur
Wflrneabfyhruner genutzt werden, da das Wärmeaustauncher-F.lement
auch die Aufgabe hat, die drucktragende Außenwand des >^trahlun^skessels vor thermincher Belastung zu schützen.
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Bei Einbau von zwei oder mehreren konzentrisch angeordneten,
zylinderiachen Wärmeaustauscher-Elementen wird nach ein- odor mehrnallerer Umlenkung des abzukühlenden Gasstromes sowohl die
Außenseite des Jeweils innen ließenden als auch die Innenseite des jeweils außen liegenden Wärmoaustauacher-F.lemontes zur
Abkühlung des Gasstromes genutzt und dadurch im Vergleich zum Einbau von nur einem Wärmeaustauscher-Element die zur
Wärmeabfuhr angebotene Oberfläche mehr als verdoppelt.
Als Wärmeaustauscher-Element können die üblichen In der
Fachwelt bekannten Einrichtungen, z.B. Plattenkühler, verwendet werden. Besonders bewährt haben sich Warneaustauschor-Klemente,
dIe durch ZusanmenSetzung von Plossenrohren zu
einer Flossenwand aufgebaut sind und im Kesselbau für Kraftwerke
Verwendung finden. Das Rohrleitungssystem der Flossenwand kann mit beliebigen Kühlungtsnitteln beschickt werden,
vorzugsweise mit Wasser oder Sattdanpf. Bei Einspeisung von Sattdampf ist es zur Verhinderung von Korrosion, die bei
höheren Temperaturen auftritt, notwendig, die Ploasenrohre
aus schwefelwasserntoffbestand igen Werkstoff herzustellen.
Das Gas strömt durch das Innerste Wärmeaustauscher-Element
nach unten und führt seine Wiirne auf die Innenfläche dieses Würmeaustauscher-Elenentes ab. Mach
umlenken strömt es dann wieder nach oben und übertragt
seine W.:lrme durch Strahlung auf die Außenfläche dea
inneren Wärmetauscher-Elementes und die Innenfläche des un dieses innere Wärmeaustauscher-Element kon-
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_ Q - . R lS8o
zentrisch angeordneten äußeren Wörneaustauscher-Elementes.
Je nach Zahl der verwendeten Wärmeaustauscher-Elemente wird das Gas In dem System ein- oder mehrfach
umgelenkt.
Die Umlenkung des Oasstromes erfolgt durch das im unteren
Teil des Strahlungskessels angeordnete Wasserbad in Verbindung mit dem zentrisch eingebauten Aufprallkegel und
durch Umlenkbleche, die an dem Jeweiligen Wärmeaustauscher-Element befestigt sind und in das Wasserbad eintauchen.
Das von unten nach oben strömende Gas wird am oberen Ende des Wärmeaustauscher-Elements mit Hilfe eines gekühlten
Umlenkbleches, das Jeweils zwei Wärenaustauscher-Elemente verbindet, erneut umgelenkt. Das von oben nach
unten strömende Gas wird erneut durch das im unteren Teil des Strahlungskessels angeordnete Wasserbad und durch
Umlenkbleche, die an dem Jeweiligen Wärmeaustauscher-Element befestigt sind und in das Wasserbad eintauchen,
umgelenkt.
Der zentrisch angeordnete Aufprallkegel ist als Wärmeaustauecher-Flement
auf Basis einer Flössenwand ausgelegt und fängt bevorzugt die herabfallende gröbere flüssige
Asche ab und liefert so zusätzlich Prozeßdanpf. Die auf dom gekühlten Aufprallkegel sich ablagernde Asche erstarrt in dünnen Schollen, die infolge von Schrumpfungsspannungen
weitgehend von selbst abplatzen und in das Wasserbad abgleiten.
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K Ι8.6θ
Dieser Vorgang wird durch periodisches Einspritzen von
Wasser (iber ein über dem Aufprallkegel angeordnetes
D(isensysten unterstützt. Die Reinigung der Oberfläche des
Aufprallkegels erfolgt durch zusätzliche Druckwasserri
Zufuhr in den Aufprallkegel, wobei das Druckwasser durch eine entsprechende Anzahl von Austrittsöffnungen an die
zu reinigende Oberfläche des Aufprallkegels gelangt. Zur
Bildung dickerer, unerwünschter Schlackeschichten kommt
es somit nicht mehr.
Auf diese Weise wird eine kohlenstoffarme kompakte Asche
erzeugt, die sich leicht von der kohlenstoffhaltigen Feinasche, die in den Vergasungsprozeß rezirkuliert wird,
abtrennen läßt. Zuden wird die der flüssigen Asche innewohnende Warne zur "ewinnunf? von Prozeftdampf-genutzt.
lri Dies 1st gerade bei Verwendung von aschereicher
nallastkohle von Vorteil. Da die Ascheschollen die Absperrorgane der Schleuse, die sich im unteren Teil den
Wasserbades befindet, passieren nüssen, werden sie ζ we c km Ji Pi Ig durch einen vorgeschalteten Brecher zerklelnert,
um die Absperrorgane der Schleuse gegen zu große ^inzelstilcke zu schützen.
Tn technischen Retrieb des Strahlungskessels stellt sich
wegen Belegung dor WJlrneaustauscherflfichen durch im
Gasstrom mitgeführte Asche rasch eine erhebliche MInderung
des W/l rneHbergangs ein, dio eine Verschlechterung
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-ZfK -
n 16&0
der Warnoabfuhr über die Wilrmcaustauscher-Elenente zur
Folge hat. Man verhindert erfindungagenäß diese Beeinträchtigung
des Wärmeüberganges durch ein spezielles Re inigungssystem.
r) Hierbei worden durch periodisches Elndüsen von mechanisch
sauberen, abgekühlten Prozeftgas die Wämeaustauscherflachen
freigeblasen. Voraussetzung für diese überraschend starke Wirkung in der relativ schweren
Oaefüllung des Strahlungskessels ist ein hoher Anfangsirnpul8
dos na3strahls, dor durch Rekonpression von ca. 1 %
des ProzeSgases auf Drücke von 50 bis 300 bar oberhalb
des Arbeitsdruckes des Strahlungskessels erzeugt wird.
Zur Verbesserung dieser Reinigungsnethodo und Vermeidung
von starken Druckechwankungen in Strahlungskessel und
Reaktor wird das Sprühsystem in eine ausreichende Anzahl
von Abschnitten geteilt, die jeweils für sich gereinigt werden.
Fine zueiitzl iche, weitere Rückgewinnung von Prozeßwttrme
aus den vor^ekühlten, nur noch geringe Mengen Peinasche
enthaltenden Prozeßgasstrom erfolgt an nachgeschalteten
Konvektioηs-Kühlelementen.
Der Oacstron nlmnt In dom erfindungsgern'iften Gtrahlungskeseol
folgenden Weg:
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ß l
Der zu kehlende Gasstrom tritt durch den zentralem Stutzen
achsparallel In den Strahlungskessel ein und strömt
senkrecht mit nur geringer Radialkomponente nach unten. Gröbere, flüssige Aschepartikel werden hierbei nicht
erfaßt und an die Wände der Wärmeaustauscher-Elemente geschleudert, sondern gelangen bevorzugt auf den
gekühlten Aufprallkegel. Im Oberteil des Strahlungskeseels
tritt unter teilweiser RUckvermischung des Gasstromes bereits ein intensiver Wärmeaustausch an der
Innenwand des inneren Wärmeaustauscher-Elementes auf, der eine starke Abkühlung deo Gasstromes zur Folge hat. Im
unteren Bereich des inneren Wärmeaustauscher-Elementes befindet sich der zentrisch angeordnete Aufprallkegel,
der in Verbindung mit dem unter ihm befindlichen Wasserbad und den an nächst folgenden Wärmeaustauscher-Clement
angebrachten, in das Wasserbad eintauchenden Umlenkblech eine Umlenkung des Gasstromes bewirkt, wobei die im
Gasstron mitgeführten Aschepartlkel in das Wasserbad
geschleudert werden. Infolge des Einbaus des Aufprallke-
«?0 gels ergibt sich eine Verengung des Strömungsquerschnittes,
die eine entsprechende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
des Gasstromes nach sich zieht. Durch eine ausreichende Bemessung des Ringraumes zwischen den
konzentrisch zylindrischen Wärmeaustauscher-Elementen
?ri wird in Sinne einer weiteren Senkung des Aschegehaltes
die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes in
aufsteigender Richtung deutlich gesenkt. Der Gasstrom
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R i860
kann durch zusätzlichen Einbau weiterer konzentrisch zylindrischer Wärmeaustauscher-Elenente zusätzlich
abgekühlt und hierbei noch mehrfach umgelenkt werden.
Die Summe dieser Maßnahmen führt zu einer Verbesserung
S des Abscheidungsgrades für Asche auf Werte von >
95 % bei Einsatz einer Kohle, die ca. 6 % Asche enthält.
Im folgenden wird eine für die Erfindung charakteristische Bauausführung des Strahlungskessels, wie sie in
der beigefügten Skizze dargestellt ist, in einzelnen
beschrieben. 1 stellt eine drucktragende rotationssymmetrisch zur Mittelachse des Strahlungskessels zu
denkende Außenwand dar. Ein zu kühlender Oaastrom tritt
durch einen feuerfest ausgekleideten Eintrittstutzen 2 in den Strahlungskessel ein. Das Oäs wird zunächst an der
inneren Fläche eines inneren Wärmeaustauscher-Elementes abgekühlt. Es gelangt dann auf einen zentrisch angeordneten Aufprallkegel 11 auf dem die gröbere flüssige Asche
abgeschieden und abgekühlt wird. Zur Unterstützung des Reinigungsvorganges auf dem Aufprallkegel 11 ist oberhalb
des Aufprallkegels ein Düsensystem 14, das mit Wasser
betrieben wird, angeordnet. Ein Wasserbad 9 im Unterteil des Strahlungekessels nimmt die Aschepartikel sowohl des
nasetromes, die durch Schwenkkraft abgeschleudert werden,
als auch die vom Aufprallkegel herstammende kompakte
einen Abzugsstutzen 3 abgeführt, der über einen Schlacken-
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"43 * ■ * l38°
brecher zur Ascheschleuse führt.. In Wasserbad 9 ist ein
Trichter 10 angeordnet, nlt dessen Hilfe die Feststoffe
dem zentralen Abzugsstutzen 3 zugeführt werden. Der zentrisch angeordnete Aufprallkegel 11 wird mit
S Kühlwasser über eine Leitung 12 versorgt und der gewonnene
Prozeßdampf über eine Leitung 13 abgeführt. Das zur
Reinigung des Aufprallkegels 11 eingebaute Dfisensystem m
wird über eine Leitung 15 nlt Wasser versorgt. Konzentrisch
angeordnete zylindrische Wärmeaustauscher-Kiemente 5 und 6 erhalten ihr Kühlmedium über eine oder
mehrere Zuführungsleitungen 7. Der aus den Wärmeaustauscher-Elementen
herrührende Prozeßdampf wird über eine
oder mehrere Leitungen 8 abgeleitet. Der Oasstron wird an
der Oberfläche des Wasserbades 9 umgelenkt. Fr tritt
IS danach In den Ringraum der beiden konzentrisch angeordneten
zylindrischen Wftrmeaustauscher-Flemente 5 und 6
ein. Die Abkühlung erfolgt hierbei in aufsteigender Richtung sowohl an der Außenseite des inneren
Würnieaustauscher-Flementes 5 als auch an der inneren
Seite des Süßeren Wärmeaustauscher-Elementes 6. Das so
gekühlte und mechanisch vorgereinigte Gas tritt über einen oder mehrere gekühlte Austrittsstutzen und gekühlte;
Leitungen >i aus dem Strahlungskessel aus. Die ReInIgUnS1;
der Wärneaustauscherflachen von anhaftender Asche erfolgt,
Pc) durch Findüsen von Prozeßgas über ein Düsensystem 17, da«
nach Art einea RußblSsers mit einem Vorratsbehälter 20
für prozeßeigenes las und einen Kompressor 21 in Verbindung
steht. Das für die Reinigung eingesetzte Prozeßgac
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it
wird den Df] sonsysten über eine oder nehrere Leitungen
zugeführt. PfIr die Kühlung des nfJsensystema 17 winl fiber
einen Rypass 18 dan Düsensystem kontinuierlich nit
kleinen r!asmenp;en versorgt. Ober ein Ventil 19 wird das
■> Dflsennysten 17 periodisch nit größeren Oasmen^en, wie sie
für die Reinigung der einzelnen WSrmeaustauscheraeppnente
benötigt werden, ^eepeist. Der n\r die Reinir.unp; der einzelnen
W*irmeauötauschersef;inente erforderliche hohe
An fangs impuls des flasstrornes wird durch einen un 50 bis
?00 bar fiber dem Arbeitsdruck des Stahlungskessels
liegenden Oberdruck des Vorratsbehälters 20 gewährleistet.
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Claims (1)
- RUHRCHf.MTF: Oberhaust-.r 13, θ;.XO. 1979PLD-bin/TS-kzw - R l88O -R(JHRCHTiMIE AKTIENGESELLSCHAFT, Oberhausen 13PatentanspruchStrahlungskessel für die Abkühlung eines am Kopf des Strahlungskessels senkrecht eingeführten Gasstromes, der feste und schmelzflüssige Partikel enthält, die nach Abkühlen und Erstarren über ein irr, unteren Teil des Strahlungskessels befindliches Wasserbad abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungskessel- 2 oder mehrere konzentrisch angeordnete, /,yl indrische Wärneaustauschor-Elemente (5), (6), enth'ilt, von denen das innerste von oben nach unten und die RiriK-raune, die aus der Außenfläche des jeweils innen liegenden und der Innenfläche des Jeweils aiiften liegenden Wärneaustauscher-Elementes gebildet sind, nach ein- oder mehrmaliger Unlenkung des Oasstrones durchströmt werden,130016/040629A0257κ ;88ο-ρ-- oberhalb des Wassepbades einen als Wäpneaustauschep-Rlement ausgebildeten, zentPlsch angeordneten Aufppallkegel (11) enthält, dep ein Düsensystem (14) zup Reinigung mit Wassep besitzt und den ein Schlackebpechep nachgeschaltet ist, ,-die Reinigung dep Obepf lachen dep WäPtneaustauschep-Elemente nit Hilfe von Ppozeßgas epfolgt, das durch Düsen (17) untep ephöhtem Dpuck eingefiihpt wipd.130016/0406
Priority Applications (14)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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