DE69605825T2

DE69605825T2 - Vorrichtung zum Kühlen von mit Feststoffen beladenen Gasen

Info

Publication number: DE69605825T2
Application number: DE69605825T
Authority: DE
Inventors: Albert Postuma; Franciscus G. Van Dongen; Pieter L. Zuideveld
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: JPH08231966A; CA2167564A1; CN1153286A; CA2167564C; KR960028962A; ES2142011T3; ZA96390B; EP0722999A1; DE69605825D1; EP0722999B1; KR100390380B1; JP3986101B2; CN1104625C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen von mit Feststoffen beladenen heißen Gasen.
Ein feststoffbeladenes Gas ist beispielsweise Synthesegas, das aus einem Kohlenvergasungsprozeß erhältlich ist. Der Kohlenvergasungsprozeß ist ein bekanntes Verfahren zur teilweisen Oxidation eines fein verteilten festen kohlenstoffhältigen Kraftstoffes, wobei ein sauerstoffhältiges Gas, das als Oxidationsmittel angewandt wird, und ein fein verteilter fester kohlenstoffhältiger Kraftstoff einer Vergasungszone zugeführt werden, in der im wesentlichen autothermisch unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen ein Gasstrom erzeugt wird, welcher das Synthesegas enthält (das im wesentlichen eine gasförmige Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist). Darüber hinaus sind im Synthesegas üblicherweise auch feste Verunreinigungen wie Flugaschepartikel vorhanden. Diese Partikel können klebrig sein. Das sauerstoffhältige Gas, das als Oxidationsmittel angewandt wird, ist üblicherweise Luft, (reiner) Sauerstoff, Dampf oder eine Mischung daraus.
Die obige Teiloxidationsreaktion erfolgt üblicherweise in einem Vergasungsreaktor. Um die Temperatur im Reaktor zu steuern, kann ein Moderatorgas (z. B. Dampf, Wasser, Kohlendioxid oder eine Mischung daraus) dem Reaktor zugeführt werden.
Fachleuten sind die Bedingungen der Zufuhr eines Oxidationsmittels und Moderators zum Reaktor bekannt.
Vorteilhafterweise werden der genannte kohlenstoffhältige Kraftstoff (optional mit einem Moderatorgas) und das genannte sauerstoffhältige Gas, angewandt als Oxidationsmittel, (optional mit einem Moderatorgas) dem Reaktor über zumindest einen Brenner zugeführt. Der heiße Rohabgasstrom, welcher den Reaktor üblicherweise an oder nahe seinem oberen Ende verläßt, wird optional abgeschreckt und üblicherweise in einem indirekten Wärmetauscher, z. B. einem Konvektionskühler, gekühlt.
Herkömmlicherweise wird der Rohgasstrom mit Hilfe von Konvektionswärmeübertragungsoberflächen abgekühlt, die in einem Gaskühler angeordnet sind, welcher in der Nähe des Vergasungsreaktors liegt und über eine Leitung an den Reaktor angeschlossen ist.
Die Gase sind mit Feststoffen beladen, und daher können Probleme im Hinblick auf eine Erosion der Wärmeübertragungsoberflächen (wenn die Gasgeschwindigkeit zu groß ist) oder ein Zuwachsen/Blockieren der Gasdurchlässe zwischen den Wärmeübertragungsoberflächen (wenn die Gasgeschwindigkeit zu gering ist) auftreten.
Im allgemeinen nimmt bei Kühlprozessen die Gasgeschwindigkeit ab, wenn bei konstantem Durchsatz und Druck gearbeitet wird, u.zw. in einem solchen Ausmaß, daß ein Bewuchs/Blockieren der Anlage auftreten kann (z. B. durch klebrige Partikel), und kostspielige Abklopfvorrichtungen sind erforderlich, um den Bewuchs bzw. das Blockieren zu verhindern.
Daher besteht ein Bedarf nach selbstreinigenden Kühlern, welche auf dem selbstreinigenden Effekt des mit Feststoffen beladenen Gases beruhen, bewuchs- bzw. blockierungsfrei sowie erosionsbeständig sind und unter normalen Betriebsbedingungen ohne die Verwendung (komplizierter) Abklopfvorrichtungen betrieben werden können.
Die Erfindung schafft daher eine selbstreinigende Vorrichtung zum Kühlen eines feststoffbeladenen heißen Gases, welche Vorrichtung ein Gefäß mit einem Gaseinlaß, einem Gasauslaß und einer Wärmeübertragungsstruktur aufweist, die eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsoberflächen umfaßt, die im Gefäß zwischen dem genannten Einlaß und dem genannten Auslaß in einer Längsrichtung verlaufen und eine Mehrzahl von Gasdurchlässen in der genannten Struktur bilden, wobei die genannte Mehrzahl von Wärmeübertragungsoberflächen so angeordnet ist, daß die gesamte Einlaßquerschnittfläche der genannten Gasdurchlässe in der Struktur größer ist als die gesamte Auslaßquerschnittsfläche zwischen den Gasdurchlässen, und wobei die Gasdurchlässe so angeordnet sind, daß im Betrieb die Geschwindigkeit des durch die Gasdurchlässe strömenden Gases zwischen der Einlaßquerschnittsfläche der Gasdurchlässe und der Auslaßquerschnittsfläche der Gasdurchlässe im wesentlichen konstant gehalten wird.
Die Erfindung wird nun ausführlicher an Hand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt eines Gaskühlers der Erfindung veranschaulicht;
die Fig. 2a und 2b schematisch teilweise Seitenansichten der Kopfanordnungen zeigen, die bei dem Gaskühler von Fig. 1 angewandt werden;
die Fig. 3a und 3b schematisch querschnittliche Ansichten der bei dem Gaskühler angewandten Wärmeübertragungsstruktur entlang der Linien I-I bzw. II-II von Fig. 1 zeigen; und
Fig. 4 eine teilweise Seitenansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Details der Fig. 3a und 3b zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Gefäß 1 gezeigt, das aus einem beliebigen für den Zweck geeigneten Material gefertigt ist. Das Gefäß 1 besitzt eine Gefäßwand 1a und ist an seiner stromaufwärtigen Seite mit seinem Einlaß 2 für ein mit Feststoffen beladenes Gas A aus einem Reaktor (zwecks Klarheit nicht gezeigt) und an seiner stromabwärtigen Seite mit einem Auslaß 3 für gekühltes Gas B versehen, das auf jede beliebige geeignete Weise jeder beliebigen geeigneten Gasbehandlungs- und -verarbeitungsanlage zugeführt wird (zwecks Klarheit nicht gezeigt). Vorteilhafterweise liegt der Einlaß 2 an oder nahe der Oberseite des Gefäßes 1, und der Auslaß 3 an oder nahe dem Boden des Gefäßes 1.
Im allgemeinen ist der Gaskühler im wesentlichen zylindrisch und im wesentlichen vertikal angeordnet, aber Fachleuten ist klar, daß jede für den Zweck geeignete Anordnung verwendet werden kann. Der Kühler 1 ist im Inneren auf jede beliebige geeignete Weise mit einer Wärmeübertragungsstruktur ausgestattet, die eine Mehrzahl von Panelen 4 mit (Konvektions-)Wärmeübertragungsoberflächen aufweist, die so angeordnet sind, daß eine Mehrzahl von Gasdurchlässen 13 vom genannten Einlaß zum genannten Auslaß in stromabwärtiger Richtung verlaufend geschaffen werden (d. h. in Richtung abnehmender Prozeßtemperatur). Im speziellen ist die Anordnung der Wärmeübertragungsoberflächen so, daß der gesamte Einlaßquerschnittsbereich der Gasdurchlässe 13 größer als der gesamte Auslaßquerschnittsbereich der Gasdurchlässe 13 ist. Zwecks Klarheit sind in Fig. I nur neun Panele 4 gezeigt, aber es versteht sich, daß jede beliebige Anzahl von Panelen, die für den Zweck geeignet ist, verwendet werden kann. Die Höhe der Wärmeübertragungsstruktur ist M, während die Abstände zwischen den äußeren Wärmeübertragungsoberflächen der Struktur W1 (Einlaß) bzw. W2 (Auslaß) sind.
Vorteilhafterweise umfaßt jedes Panel 4 der im Gaskühler angeordneten Wärmeübertragungsoberflächen eine Mehrzahl von Kühlrohren (in Fig. 1 der Klarheit nicht gezeigt), die durch beliebige geeignete Mittel, z. B. Gurte, in gegenseitiger mechanischer Verbindung stehen und durch welche Rohre ein beliebiges geeignetes Kühlfluid fließt (z. B. Wasser oder Dampf, vorteilhafterweise im Gegenstrom zum Gas), und diese Panele sind so ausgelegt, daß die Querschnittsflächen der Durchlässe zwischen den Wärmeübertragungsoberflächen verjüngt sind, mit dem Ziel, die Gasgeschwindigkeit im wesentlichen konstant zu halten, vorteilhafterweise im Geschwindigkeitsbereich 6-12 m/s. Vorteilhafterweise sind die Rohre mit Rippen versehen.
Die Abnahme der Gesamtquerschnittsfläche der Gasdurchlässe zwischen den Wärmeübertragungsoberflächen ist so, daß die Gasströmung A sanft auf die genannten Oberflächen gerichtet ist, und der durch den Pfeil C dargestellte Aufprall der Gasströmung auf die Wärmeübertragungsoberflächen erfolgt unter kleinen Winkeln α, so daß das Gas unter dem Gesichtspunkt der Erosion im wesentlichen parallel zu den Oberflächen strömt. Der Winkel α wird definiert wie folgt:
Ein vorteilhafter Auftreffwinkel α der Gasströmung ist 2,5º.
Der Gaskühler ist an seinem einen Ende mit einer Mehrzahl von Einlaßköpfen versehen, welche die Panele aus Kühlrohren mit einem beliebigen geeigneten Kühlmedium speisen.
Der Gaskühler ist an seinem anderen Ende mit einer Mehrzahl von Auslaßköpfen versehen. Zwecks Klarheit wurden die Einlaßköpfe, Auslaßköpfe und die mechanischen Verbindungen der Rohre mit diesen Köpfen in Fig. 1 nicht zeigt.
Jedes Ende eines Kühlrohres eines Panels ist an einen Auslaßkopf 6 bzw. Einlaßkopf 5 angeschlossen, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2a und 2b ausführlicher erläutert wird.
Darüber hinaus ist in der Praxis die Anordnung der Panele und Rohre so, daß eine sogenannte Membranrohrwand gebildet wird, deren (ringförmiger) Einlaß und (ringförmiger) Auslaß schematisch in Fig. 1 durch die Bezugszeichen 8 bzw. 9 dargestellt sind. Die Membranrohrwand bildet im Gefäß 1a einen "Käfig", welcher die genannten Panele umgibt und nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3a und 3b detaillierter gezeigt ist.
Fig. 2a stellt eine teilweise Seitenansicht der Einlaßkopfanordnung dar, die bei dem Gaskühler der Erfindung wie in Fig. 1 gezeigt angewandt wird. Zwecks Klarheit sind nur sieben Rohre gezeigt. Der Einlaßkopf 5 ist auf jede beliebige geeignete Art und Weise an jedes Kühlrohr 10 eines Panels 4 angeschlossen. Das Bezugszeichen 1a stellt die Gefäßwand dar.
Die Rohre 10 des Panels 4 sind mechanisch über Gurte 10a verbunden (z. B. durch Schweißen).
Darüber hinaus ist das End- oder Außenrohr 10' eines Panels 4 Teil des "Käfigs", der von der Membranrohrwand gebildet wird, und steht in Fluidverbindung mit dem Einlaß 8 (Fig. 1). Die Membranrohrwand ist an den Einlaßkopf 5 nicht angeschlossen. Es versteht sich, daß erforderlichenfalls die Rohre der Membranrohrwand in geeigneter Weise gebogen sind, um Platz für die Verbindungsrohre zwischen dem Panel 4 und dem Einlaßkopf 5 zu schaffen.
Fig. 2b stellt eine teilweise Seitenansicht einer ähnlichen Anordnung für einen Auslaßkopf 6 dar, der bei dem in Fig. 1 gezeigten Gaskühler der Erfindung angewandt wird. Zwecks Klarheit sind nur sieben Rohre gezeigt. Es werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2a verwendet, und erforderlichenfalls sind die Rohre der Membranrohrwand geeignet gebogen. Das End- oder Außenrohr 10' ist Teil des "Käfigs" und steht in Fluidverbindung mit dem Auslaß 9 (Fig. 1).
Fig. 3a zeigt eine querschnittliche Ansicht der Anordnung der Wärmeübertragungsoberflächen entlang der Linie I-I von Fig. 1. In diesem Fall sind dreizehn Panele 4 gezeigt, wobei jedes Panel 4 eine Mehrzahl von Kühlrohren 10 und End- oder Außenrohren umfaßt.
Die Rohre 10 jedes Panels sind über Gurte 10a verbunden.
Die End- oder Außenrohre 10' jedes Panels 4 sind an die End- oder Außenrohre 10' des benachbarten Panels 4 über Rohre 7 angeschlossen. Die Außenrohre 7 und 10' bilden den "Käfig" 11.
Die Rohre 7 (abgesehen von zwei, die in einer Symmetrieebene der Anordnung angeordnet sind) verjüngen sich im Durchmesser von oben nach unten, so daß eine verjüngte Anordnung und eine schiefe Lage der Panele 4 auf beiden Seiten einer Symmetrieebene erhalten wird. Zwecks Klarheit ist nur eine begrenzte Anzahl von Rohren 10 jedes Panels 4 dargestellt.
Das Bezugszeichen 13 bezeichnet die Gasdurchlässe zwischen den Wärmeübertragungsoberflächen.
Der Panelabstand C&sub1; an der Einlaßseite der Panele ist kürzer als der Panelabstand an der Auslaßseite (C&sub2;), u.zw. auf Grund der Anordnung der verjüngten Rohre 7, die zwischen den Außenrohren 10' jedes Panels 4 liegen.
Somit sind die Gesamtabmessungen des Käfigs V · W1 (Einlaß) und V · W2 (Auslaß), wobei W1 > W2 ist und V konstant bleibt.
Fig. 3b zeigt eine Draufsicht der Auslaßkopfanordnung von Fig. 1. Es wurden dieselben Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren verwendet.
Fig. 4 stellt eine vorteilhafte Ausführungsform (teilweise dargestellt) eines sich verjüngenden Rohres 7 des "Käfigs" dar, das zwischen den Außenrohren 10' jedes Panels 4 liegt (siehe Fig. 3a und 3b). Z stellt einen sich verjüngenden Gurt dar.
Der Durchmesser des Rohres 7 nimmt allmählich vom Einlaßende zum Auslaßende hin ab, mit einem geeigneten Verjüngungswinkel β (z. B. 2,5º) für die Mehrzahl von verjüngten Teilen des Rohres. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt der Durchmesser des Rohres allmählich in stromabwärtiger Richtung von 60 auf 30 mm ab und die Länge M ist 25-35 m.
Fachleuten ist klar, daß jede beliebige Anzahl von Köpfen verwendet werden kann, die für den Zweck geeignet ist. Beispielsweise können zwei Köpfe pro Panel von Rohren verwendet werden.
Fachleuten wird auch klar sein, daß die Erfindung nicht auf einen Gegenstrom des Kühlfluids zum Prozeßgas beschränkt ist. Vorteilhafterweise kann auch eine Strömung in gleicher Richtung angewandt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Gurte zwischen den Rohren mit Öffnungen versehen. Noch vorteilhafter sind die Gurte zu 25-90% offen.

Claims

1. Selbstreinigende Vorrichtung zum Kühlen eines mit Feststoffen beladenen heißen Gases, welche Vorrichtung ein Gefäß (1) mit einem Gaseinlaß (2) und einem Gasauslaß (3) sowie einer Wärmeübertragungsstruktur (7, 10') aufweist, die eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsoberflächen (4) umfaßt, welche sich im Gefäß (1) zwischen dem Einlaß (2) und dem Auslaß (3) in einer Längsrichtung erstrecken und eine Mehrzahl von Gasdurchlässen (13) in der genannten Struktur bilden, wobei die Mehrzahl von Wärmeübertragungsoberflächen so angeordnet ist, daß die gesamte Einlaßquerschnittfläche der Gasdurchlässe (13) in der Struktur größer ist als die gesamte Auslaßquerschnittsfläche zwischen den Gasdurchlässen (13), und die Gasdurchlässe so angeordnet sind, daß sie im Betrieb die Geschwindigkeit des durch die Gasdurchlässe strömenden Gases zwischen der Einlaßquerschnittsfläche und der Auslaßquerschnittsfläche der Gasdurchlässe im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Gefäß (1) im wesentlichen zylindrisch geformt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Gefäß (1) im wesentlichen vertikal angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, bei welcher der Gasauslaß (2) an oder nahe der Oberseite des Gefäßes (1) und der Gasauslaß (3) an oder nahe dem Boden des Gefäßes (1) liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, bei welcher die Wärmeübertragungsstruktur (7, 10') eine Membranrohrwand oder ein "Käfig" ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, bei welcher die Wärmeübertragungsoberflächen (4) Konvektions-Wärmeübertragungsoberflächen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, bei welcher jede Wärmeübertragungsoberfläche (4) Panele aus Kühlrohren (10) umfaßt, durch welche im Betrieb ein Kühlmedium strömt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher das Kühlmedium im Gegenstrom zum Gas ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, bei welcher das Kühlmedium Wasser oder Dampf ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, bei welcher die gesamte Einlaßquerschnittsfläche der Gasdurchlässe (13) zwischen den Wärmeübertragungsoberflächen (4) in stromabwärtiger Richtung allmählich abnimmt, wodurch eine sich verjüngende Anordnung der Wärmeübertragungsoberflächen gebildet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, bei welcher die Gasgeschwindigkeit im Bereich von 6 bis 12 m/s liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher die Wärmeübertragungsoberflächen (4) unter einem Winkel α angeordnet sind, wobei α = tan ¹/&sub2;(W1-W2)/M ist; M die Höhe der Wärmeübertragungsstruktur ist; und W1 und W2 die Abstände zwischen den äußeren Wärmeübertragungsoberflächen der Struktur an ihrem Einlaß bzw. ihrem Auslaß sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher α nicht größer als 2,5º ist.