Reaktor zum Vergasen fester Brennstoffe

Abstract

 Der Reaktor, der bei einem Druck von 10 bis 150 bar arbeitet, weist einen den Vergasungsbereich umgebenden Innenmantel aus Stahl und einen den Innenmantel umgebenden Außenmantel auf. Zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel ist ein Stützmantel angeordnet, der mit dem Innenmantel stellenweise verschweißt ist. Innen- und Stützmantel sind wassergekühlt. Vorzugsweise ist der Stützmantel mit dem Innenmantel entlang vertikaler Rippen verschweißt, wodurch Kanäle entstehen, durch die das Kühlwasser zirkuliert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Reaktor zum Vergasen fester Brennstoffe mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid unter einem Druck von 10 bis 150 Lar, wobei der Reaktor einen den Vergasungsbereich umgebenden Innenmantel aus Stahl und einen den Innenmantel umgebenden Außenmantel aufweist und sich zwischen Innenund Außenmantel unter Druck siedendes Kühlwasser befindet.

[0002] Die Vergasung körniger Kohle im Festbett ist bekannt und z.B. in Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage (1977), Ed. 14, Seiten 383 bis 386, dargestellt. Dinzelheiten der Vergasung mit festbleibender Asche sind den US-Patentschriften 3 540 867 und 3 854 895 sowie der deutschen Offenlegungsschrift 22 01 278 zu entnehmen. Vergasungsreaktoren, bei denen die Asche flüssig abgezogen wird, sind in den Lritischen Patentschriften 1 507 905, 1 508 671 und 1 512 677 erläutert. Die Vergasung fester Brennstoffe im Wirbelbett wird im US-Patent 4 347 064 und im dazu korrespondierenden Europa-Patent 8469 beschrieben.

[0003] Bei den bekannten Reaktoren befindet sich der heiße Vergasungsbereich an der Innenseite des Innenmantels, wobei die Außenseite des Innenmantels mit Kühlwasser in Kontakt steht, damit die durchschnittliche Temperatur des Innenmantels nicht zu hoch wird. Dabei treten im Innenmantel zwangsläufig Thermospan- nungen auf, die bei bekannten Reaktoren beherrschbar sind, wenn nicht zu große Wanddicken des Innenmantels nötig sind. Erfordern die Verfahrensbedingungen jedoch größere Wanddicken des aus Stahl gefertigten Innenmantels, so können die unvermeidlichen Thermospannungen zur Rißbildung im Innenmantel führen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Innenmantel bei hoher bis extremer Belastung so ausbilden zu können, daß Rißbildung auch bei langem Vergasungsbetrieb vermieden wird. Beim eingangs genannten Reaktor geschieht dies erfindungsgemäß dadurch, daß sich zwischen dem Innenmantel, der wassergekühlt ist, und dem Außenmantel ein Stützmantel befindet, der mit dem Innenmantel stellenweise verschweißt ist. Dieser Stützmantel nimmt einen beträchtlichen Teil der auf dem Innenmantel lastenden, vom Vergasungsbereich kommenden mechanischen Belastung auf und sorgt dafür, daß man mit einer relativ geringen Wandstärke des Innenmantels auskommt. Der Stützmantel ist völlig von Kühlwasser umgeben und nicht thermisch belastet, so daß er leicht ausreichend stabil ausgebildet werden kann.

[0005] Es ist zweckmäßig, daß der Stützmantel mit dem Innenmantel entlang vertikaler Rippen verschweißt ist. Diese Rippen sind leicht herzustellen, sie Lilden die Zirkulation des Kühlwassers fördernde Kanäle aus, wodurch der Wärmeübergang zum Kühlwasser verbessert wird. In dem dabei intensiv gekühlten Innenmantel können nur geringe thermische Spannungen entstehen.

[0006] Zwischen den Rippen kann der Stützmantel als ebene Fläche ausgebildet sein, was einerseits die Herstellung des Stützmantels verbilligt und andererseits auch die Stabilität des Stützmantels gegenüber gebogenen Flächen zwischen den Rippen verbessert.

[0007] Durch die Verwendung eines Stützmantels können nunmehr auch große Reaktoren mit einem Durchmesser aes Innenmantels von mindestens 2 m und mehr, vorzugsweise im Bereich von 2,5 bis 6 m, mit hoher Stabilität und Betriebssicherheit gebaut werden.

[0008] Der Reaktor ist sowohl für die Vergasung körniger Brennstoffe, insbesondere Kohle oder Braunkohle, im Festbett oder für die Vergasung staubförmiger Brennstoffe im Wirbelbett geeignet. Die Vergasung im Festbett kann dabei in bekannter Weise so erfolgen, daß einerseits die Asche festbleibt, wenn sie aus dem Vergasungsraum abgezogen wird, andererseits könnnen höhere Vergasungstemperaturen zur Anwendung kommen, wobei die mineralischen Bestandteile zu flüssiger Schlacke werden und diese Schlacke kontinuierlich oder periodisch aus dem Reaktor abfließt.

[0009] Ausgestaltungen des vergasungsreaktors werden mit hilfe der Zeichnung erläutert.

[0010] Es zeigt:

Fig. 1 in stark schematisierter Darstellung einen Längsschnitt durch den Mantelbereich eines Reaktors zum Vergasen fester Brennstoffe im festbett,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II - II durch den Mantelbereich in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 die Sicht auf den Stützmantel der Fig. 2, in Richtung des Pfeils III gesehen.

[0011] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Mantel eines Vergasungsreaktors l, der der Vergasung fester Brennstoffe im Festbett dient, wird der Brennstoff durch eine nicht dargestellte Schleuse von oben durch einen Einlaß 2 dem Reaktor aufgegeben. Der Reaktor weist einen Innenmantel 3 aus Stahl auf, der den Vergasungsbereich 4 umgibt. Unvergasbare Bestandteile verlassen den Vergasungsbereich 4 am unteren Ende 15; der Produktgasabzug, der sich über dem Vergasungsbereich 4 in der Nähe des Einlasses 2 befindet, ist ebenfalls nicht dargestellt.

[0012] Im Vergasungsbereich 4 herrschen Drücke im Bereich von 10 bis 150 bar und vorzugsweise von 20 bis 100 bar. Diese hohen Drücke werden jedoch nicht vom Innenmantel 3 sondern vom Außenmantel 5 aufgenommen. Zwischen dem Innenmantel 3 und Außenmantel 5 befindet sich Kühlwasser aus der Leitung 6, wobei gebildeter Wasserdampf durch eine Leitung 16 in den VergasungsLereich 4 strömen kann. Der Druck, unter dem das Kühlwasser steht, ist nur geringfügig höher als der Druck im Vergasungsbereich 4, deshalb ist der Innenmantel 3 weitgehend druckentlastet, er muß jedoch so ausgelegt werden, daß er Druckdifferenzen von etwa 2 bis 3 bar aufnehmen kann. Gleichzeitig muß der Innenmantel 3 in der Lage sein, die hohen Temperaturen im Bereich von 1 000 bis 1 600 °C, die während der Vergasung an seiner Innenseite auftreten, auszuhalten.

[0013] Einen Teil der auf den Innenmantel 3 einwirkenden mechanischen Belastung nimmt ein Stützmantel 7 auf, der den am meisten beanspruchten zylindrischen Teil des Innenmantels 3 umgibt. Die Ausgestaltung dieses Stützmantels 7 ist den Fig. 2 und 3 zu entnehmen.

[0014] Der Stützmantel weist im Abstand angeordnete vertikale Rippen 8 _ auf, die mit der Außenseite des Innenmantels 3 verschweißt sind. Benachbarte Rippen biluen, von der vertikalen Symmetrieachse A des Innenmantels aus gesehen, einen Winkel von etwa 10 bis 20 °, vgl. Fig. 2. Die Flachen 9 zwischen benachbarten Rippen sind eben, wie man das Fig. 2 entnehmen kann.

[0015] Der Stützmantel 7 ist praktisch vollständig von Kühlwasser umgeben, wobei sich aufgrund der höheren Temperaturen in der Nähe des Innenmantels 3 eine zirkulation des Kühlwassers ergibt, die in Fig. 1 durch die punktierten Pfeile 10a und 10b angedeutet ist. Demnach strömt die Kühlflüssigkeit in den Kanälen 11, die sich zwischen den Rippen 8, den Flächen 9 und der Außenseite des Innenmantels 3 ergeben, nach oben und im Bereich zwischen der Außenseits des Stützmantels 7 und der Innenseite des Außenmantels 5 bildet sich eine Abwärtsströmung aus. Die Rippen können auch noch mit einzelnen Aussparungen 12 versehen sein, wie das der Fig. 3 zu entnehmen ist. Diese Aussparungen 12 bilden Öffnungen zwischen dem Innenmantel 3 und dem Stützmantel 7, üurch die die Kühlflüssigkeit auch vom einen zum benachbarten Kanal 11 fließen kann, doch sind diese Aussparungen nicht unbedingt erforderlich.

[0016] Die Wandstärke des Innenmantels liegt im Bereich von 7 bis 25 mm, der Stützmantel 7 und seine Rippen 8, die üblicherweise auch aus Stahl gefertigt werden, können Materialstärken von etwa 5 bis 25 mm aufweisen. Durch die Anordnung des Stützmantels läDt sich die Wandstärke des Innenmantels auf 30 bis 60% der Wandstärke verringern, die ohne Stützmantel nötig wäre.

Ansprüche

1. Reaktor zum Vergasen fester Brennstoffe mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid unter einem Druck von 10 bis 150 bar, wobei der Reaktor einen den Vergasungsbereich umgebenden Innenmantel aus Stahl und einen den Innenmantel umgebenden Außenmantel aufweist und sich zwischen Innen- und Außenmantel unter Druck siedendes Kühlwasser befindet, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Innenmantel, der wassergekühlt ist, und dem Außenmantel ein Stützmantel befindet, der mit dem Innenmantel stellenweise verscheißt ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützmantel mit dem Innenmantel entlang vertikaler Rippen verschweißt ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützmantel zwischen den Rippen als ebene Fläche ausgebildet ist.

4. Reaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen Aussparungen aufweisen.

5. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Innenmantels 7 bis 25 mm beträgt.

6. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützmantel aus Stahl mit einer Materialstärke von 5 bis 25 mm besteht.

7. Reaktor nach Anspruch 1 oder einnem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel einen Durchmesser von mindestens 2 m und vorzugsweise von 2,5 bis 6 m aufweist.

Zeichnung