DE3602935A1 - Verfahren zum abkuehlen von aus einem vergasungsreaktor kommenden prozessgasen und waermetauscher zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von aus einem Vergasungsreaktor kommenden und unter Druck stehenden heißen Prozeßgasen, insbesondere von partiell oxidierten Kohlenwasserstoffen, unter Erzeugung von Sattdampf durch Abkühlung der Prozeßgase durch Wärme tausch mit einem Wasservorrat und zur Erzeugung von für die Vergasung benötigtem überhitztem Dampf.

Aus dem Prospekt "Verfahrenstechnischer Apparatebau", Seite 13 der Firma L. & C. Steinmüller GmbH ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen unter Drücken bis etwa 100 bar und Temperaturen bis 1500°C als Prozeßgase einem dem Vergasungsreaktor als Dampferzeuger nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführt werden.

In dem Dampferzeuger wird nur Sattdampf erzeugt. In Gaserzeugungsanlagen, in denen Wasserstoff durch nichtkatalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen basierend auf der partiellen Oxidation von Öl erzeugt wird, ist es bekannt, den für den Vergasungsprozeß benötigten überhitzten Dampf in einem direkt befeuerten gesonderten Überhitzer zu erzeugen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem der überhitzte Dampf mit Hilfe der heißen Prozeßgase selbst erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens der überwiegende durch die Teilabkühlung der Prozeßgase erzeugte Sattdampf nach einer Wasserabscheidung durch Wärmetausch mit den im Gegenstrom zum Sattdampf geführten teilabgekühlten Prozeßgas überhitzt wird, wobei Teilabkühlung und Gegenstromwärmetausch in einem Druckbehälter durchgeführt werden.

Durch die Integration der Überhitzung in die Abkühlung des Prozeßgases kann die Überhitzung des Sattdampfes durch direkte Befeuerung in Fortfall kommen; ein zweiter Druckbehälter ist nicht erforderlich.

Um möglichst viel Wärme aus dem Prozeßgas zur Dampferzeugung zu entnehmen, ist es von Vorteil, wenn das Prozeßgas nach dem Wärmetausch mit dem Dampf einem erneuten Wärmetausch mit dem Wasservorrat unterzogen wird, da nach Abkühlung des Prozeßgases üblicherweise noch eine nasse Entfernung der im Prozeßgas vorhandenen Ruß- und Ascheanteile erfolgt.

Schließlich ist es zweckmäßig, wenn der ein Teil oder der gesamte Sattdampf im Bereich der Überhitzung als ein diesen Bereich umhüllender Mantelstrom geführt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der für die Durchführung des Verfahrens verwendete Druckbehälter im Überhitzungsbereich vor Überhitzung geschützt wird, und zugleich eine Temperaturregelung des überhitzten Dampfes durch Mischen der Teilströme möglich ist.

Die Erfindung richtet sich auch auf einen Wärmetauscher mit einem stehenden Druckbehälter einschließlich eines Wasserraumes, mindestens einem in dem Wasserraum angeordneten und von unter Druck stehenden heißen Prozeßgasen durchströmten Heizflächenpaket und einem Sattdampfraum oberhalb des Wasserraumes, sowie mindestens ein Gaseinlaß, ein Gasauslaß, ein Wassereinlaß und ein Dampfauslaß, der insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist.

Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sattdampfraum ein Wasserabscheider und mindestens ein vom vorzugsweise entwässerten Sattdampf durchströmtes Überhitzerheizflächenpaket angeordnet ist, das gasseitig über Prozeßgasrohre mit dem Heizflächenpaket und mit dem Gasauslaß verbunden ist derart, daß das Prozeßgas das Überhitzerheizflächenpaket im Gegenstrom zum Sattdampf durchströmt. Somit ist auf einfache Weise der Überhitzer in den Druckbehälter des bisher üblichen Abhitzesystems nach der Vergasung integriert.

Da das Prozeßgas über Prozeßgasrohre aus dem Wasserraum in den Sattdampfraum und geführt werden muß, und der Überhitzungsbereich vom Wasserraum und vom Sattdampfraum getrennt werden muß, ist es von Vorteil, wenn das Überhitzerheizflächenpaket in einem an einem Ende mit dem Sattdampfraum in Verbindung stehenden Ringraum zwischen einem Zentralrohr und einem zumindest an seinem unteren Ende durch einen Boden geschlossenes Führungshemd angeordnet ist, vorzugsweise als Wicklung, das Führungshemd mit seinem geschlossenen Ende bis unter den Niedrigwasserstand im Wasserraum in diesen hineinragt, und zumindest die das Prozeßgas vom Heizflächenpaket heranführenden Prozeßgasrohre durch den Boden des Führungshemdes geführt sind derart, daß diese Prozeßgasrohre in ihrem Durchtrittsbereich auf einer Seite stets von Dampf und auf der anderen Seite von Wasser beaufschlagt sind.

Hierbei werden zwei Ausführungsformen bevorzugt.

Bei der einen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Sattdampf am oberen Ende in den Ringraum eintritt, daß das Zentralrohr unverschlossen mit Abstand von dem Boden des Führungshemdes endet und der Auslaß für den überhitzten Dampf am oberen Ende des Zentralrohres vorgesehen ist, daß die das Prozeßgas heranführenden Prozeßgasrohre mit dem unteren Ende des Überhitzerheizflächenpaketes verbunden sind, und daß die das Prozeßgas aus dem Überhitzerheizflächenpaket abführenden Prozeßgasrohre mit dem oberhalb des Wasserraumes liegenden Gasauslaß verbunden sind.

Bei der anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Sattdampf am unteren Ende in den Ringraum eintritt, daß das Zentralrohr am unteren Ende ebenfalls verschlossen ist, und die das Prozeßgas heranführenden Prozeßgasrohre durch das oben offene Zentralrohr zum oberen Ende des Überhitzerheizflächenpaketes geführt sind, daß die das Prozeßgas von dem Überhitzerheizflächenpaket abführenden Prozeßgasrohre durch den Boden des Führungshemdes in den Wasserraum geführt sind, und daß der Auslaß für den überhitzten Dampf am oberen geschlossenen Ende des Führungshemdes vorgesehen ist.

Um ein Überhitzen der Druckbehälterwandung zu vermeiden und insbesondere bei einem mehrteiligen Aufbau des Druckbehälters und Verwendung von Flanschverbindungen die Berechnungstemperatur für diese großen Flanschverbindungen entsprechend zu reduzieren, ist weiterhin in bevorzugter Weise vorgesehen, daß das Führungshemd zumindest über einen vorgegebenen Abschnitt seiner Länge mit Abstand von der Innenwandung des Druckbehälters angeordnet ist und der zwischen Führungshemd und Innenwandung des Druckbehälters aufgespannte Ringraum mit Sattdampf beaufschlagt ist. Dabei ist wiederum bevorzugt, daß bei der anderen Ausführungsform der Sattdampf über mindestens ein Regelventil in den Dampfauslaß abführbar ist.

Damit dem aus dem Überhitzerheizflächenpaket austretenden Prozeßgas noch möglichst viel Wärme zur Dampferzeugung genommen werden kann, ist es weiterhin von Vorteil, wenn dem Gasauslaß eine in den Wasserraum abhängende Austrittsschleife vorgeschaltet ist.

Schließlich wird bevorzugt, daß der Durchmesser des Druckbehälters im Bereich des Überhitzerheizflächenpaketes kleiner ist als im Bereich des Heizflächenpaketes.

Die Erfindung soll anhand der beigefügten Figuren genauer erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Wärmetauschers, bei der der Sattdampf des Überhitzerheizflächenpaketes von von unten nach oben durchströmt und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Wärmetauschers, bei der der Sattdampf des Überhitzerheizflächenpaketes von oben nach unten durchströmt.

Der Wärmetauscher weist einen stehenden Druckbehälter (1) auf, der aus einem im Durchmesser größeren Abschnitt (1 a) und einem im Durchmesser kleineren Abschnitt (1 b) besteht, wobei der Abschnitt (1 b) mittels einer Flanschverbindung (1 c) lösbar unterteilt ist.

Im Abschnitt (1 a) befindet sich ein Wasserraum (WR), wobei der Wasserstand (WS) in den gezeigten Grenzen schwanken kann. Im Wasserraum ist ein mehrteiliges Heizflächenpaket (2) angeordnet, dessen Teile über Prozeßrohrleitungen (3) mit heißem unter Druck stehendem Prozeßgas beaufschlagbar sind. Die Prozeßgase verlassen die vorzugsweise gewickelten Heizflächen des Heizflächenpaketes (2) im Bereich des Wasserraumes mit einer Temperatur, die ca. 100 bis 200°C über TS liegt und treten über Prozeßrohrleitungen (4) in ein an seinem unteren Ende geschlossenes und an seinem oberen Ende offenes Zentralrohr (5) ein. Das untere Ende des Prozeßrohres liegt unterhalb des minimalen Wasserstandes (WS), und das Rohr erstreckt sich aus dem Abschnitt (1 a) in den Abschnitt (1 b) hinein.

Konzentrisch zum Zentralrohr (5) ist ein das obere Ende des Zentralrohrs überragendes Führungshemd (6) angeordnet, dessen unteres Ende genauso weit in den Wasserraum (WR) heinragt wie das Zentralrohr und ebenfalls am unteren Ende geschlossen ist. (Es ist möglich, daß Zentralrohr (5) und Führungshemd (6) durch ein und dieselbe Platte (7) verschlossen sind.)

Das Führungshemd (6) ist an seinem oberen Ende durch einen Deckel (8) mit mittiger Öffnung (8 a) verschlossen, und diese Öffnung (8 a) ist mittels einer eine Wärmeausdehnung aufnehmenden Verbindungseinrichtung (9) mit einem zum angeflanschten Dampfauslaß (10) führenden Anschlußrohr (11) verbunden.

Der Durchmesser des Führungshemdes (6) und des Anschlußrohres (11) ist im Vergleich zum Innendurchmesser des Abschnittes (1 b) des Druckbehälters so gewählt, daß zwischen diesen ein Ringraum (12) verbleibt.

Um das Zentralrohr (5) ist ein Überhitzerheizflächenpaket (13) mit mehreren Strängen gewickelt. Den oberen Enden dieser Stränge wird über die Prozeßgasrohrleitungen (4) das Prozeßgas zugeführt und an den unteren Enden über durch die Verschlußplatte (7) geführte Prozeßrohrleitungen (14) abgeführt, die ihrerseits zu in der Behälterwandung vorgesehenen Gasauslässen (15) führen. In den Prozeßgasrohrleitungen (14) sind in den Wasserraum (WR) und zwischen die Teile des Heizflächenpaketes abhändende Austrittsschleifen (14 a) ausgebildet. Die Durchführung der Prozeßgasleitungen (4) und (14) durch die Verschlußplatte (7) erfolgt über Wärmeausdehnungskompensatoren (16). An Stelle der Kompensatoren kann die Durchführung auch über verstärkte Scheiben erfolgen.

Der sich oberhalb des Wasserspiegels (WS) in einem Sattdampfraum (SR) zwischen der Innenwandung des Sattdampfbehälters einerseits und dem Führungshemd (5) und einem Dampfleitblech (17) ansammelnde Sattdampf tritt über gleichmäßig auf den Umfang verteilte Wasserabscheider (18), insbesondere Fangrinnenabscheider in den Ringraum zwischen Zentralrohr (5) und Führungshemd (6) ein und strömt im Gegenstrom zu den im Überhitzerheizflächenpaket (13) geführten Prozeßgas in Richtung auf die Öffnung (8 a), wodurch er überhitzt wird. Durch in den Wasserabscheidern vorgesehene Öffnungen (18 a) tritt ein Teilstrom des Sattdampfes nach Wasserabscheidung in den Ringraum (12) ein und strömt einer Mantelstromauslaßöffnung (19) am oberen Ende des oberen Druckbehälterabschnittes (1 b) zu. Der Auslaßöffnung (19) ist eine Rohrleitung (20) mit einem Heißdampfregelventil (21) nachgeschaltet, die mit dem Dampfauslaß (10) verbunden ist. Das Heißdampfregelventil (21) wird in Abhängigkeit von einem die Temperatur des überhitzten Dampfes im Dampfauslaß (10) erfassenden Meßfühler angesteuert. Damit kann die Innenwandung des Behälters im Bereich des Abschnittes (1 b) gegen Überhitzung geschützt werden. Weiterhin kann abhängig vom Fouling- Faktor auf der Rohrseite durch die Prozeßgase die Heißgastemperatur geregelt werden, indem der Mantelstrom im Ringspalt (12) über das Heißdampfregelventil (21) geregelt werden kann. Um die Füllung des Zentralrohres (5) mit Sattdampf zu erleichtern, sind im Bereich des unteren Endes mehrere Bohrungen (5 a) vorgesehen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, erfolgen Änderungen des Wasserstandes (WS) nur in solchen Bereichen, daß keine prozeßgasführenden Rohrleitungen abwechselnd beaufschlagt oder freigelegt werden. Die aus dem Wasserraum (WR) austretenden Prozeßgasrohre (4) und die in den Wasserraum eintretenden Prozeßgasrohre (14) werden auf der einen Seite (oberhalb der Verschlußplatte 7) nur vom Sattdampf und auf der anderen Seite (unterhalb der Verschlußplatte 7) nur von Wasser beaufschlagt. Somit führt ein schwankender Wasserstand nicht zu einer Verschiebung der Trennung zwischen Sattdampf und Wasser am Prozeßgasrohr. Hierdurch sind Probleme hinsichtlich Korrosion unwahrscheinlich.

Zusammengefaßt bietet die anhand der Fig. 1 beschriebene Verfahrensführung und der erfindungsgemäße Wärmetauscher folgende Vorteile:

Das Prinzip des Abhitzekessels sowie die erprobte Konstruktion des Heizflächenpaketes (2) des Dampferzeugers können beibehalten werden. Die gasführenden Rohre (4) und (16) können durch während des Betriebes zwangsläufig schwankenden Wasserstandes hinsichtlich Korrosion und Spannungen nicht gefährdet werden. Durch Abtrennung des Mantelstromes in den Ringraum (12) wird sichergestellt, daß sich ein verändernder Fouling-Faktor auf der Innenseite der Prozeßgasrohre der Heizflächenpakete (2) und des Überhitzerheizflächenpaketes (13) nicht zu einer Veränderung der Austrittstemperatur des überhitzten Dampfes am Auslaß (10) führt. Weiterhin sorgt der Mantelstrom aus Sattdampf dafür, daß der Druckbehälter, insbesondere Abschnitt (1 b) vor Überhitzung geschützt wird und daß die Berechnungstemperatur für die Flanschverbindung (1 c) entsprechend reduziert werden kann. Schließlich erlaubt der erfindungsgemäße Wärmetauscher ein Abschalten einiger der Prozeßgaswege über das mehrteilige Heizflächenpaket (2) und das mehrteilige Überhitzerheizflächenpaket (13) ohne negativen Einfluß auf Umlauf und Heizdampferzeugung.

Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß der im Ringspalt (12) aufsteigende Dampf überhitzt wird, wenn auch in geringerem Maße als der im Ringraum zwischen Führungshemd und Zertralrohr nach oben strömende Dampf.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind so weit als möglich Bezugszeichen übernommen worden.

Bei dieser Ausführungsform ist der Druckbehälter (1) ein geradzylindrischer Behälter. Die Prozeßgasrohrleitungen (4) sind mit dem unteren Ende des Überhitzerheizflächenpaketes (13) verbunden. Die Wasserabscheider (18) sind am oberen Ende des Führungshemdes (6) angeordnet, wobei zum Druckbehälter (1) hin ein Leitblech (18 b) vorgesehen ist. Es ist aber auch möglich, daß sich das Führungshemd (6) bis zum Behälterdeckel in erstreckt. Das abgeschiedene Wasser wird über Fallrohre (18 b) in den Wasserraum (18 c) abgeleitet.

Die das obere Ende des Überhitzerheizflächenpaketes (13) verlassenen Prozeßgase werden über Prozeßgasrohrleitungen (24) zu oberhalb des Wasserraumes (WR) liegenden Gasauslässen (25) geführt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ein Zentralrohr (26) vorgesehen, dessen oberes Ende oberhalb des Bodens (7) endet und dessen unteres Ende mit dem Dampfauslaß (27) des Druckbehälters verbunden ist. Der Sattdampf aus dem Sattdampfraum (SR) wird in den oben offenen Ringraum zwischen Führungshemd (6) und Zentralrohr (26) ein und durchströmt die Wasserabscheider (18) und durch das Überhitzerheizflächenpaket (13) im Gegenstrom zu dem heißen Prozeßgas.

Auch bei dieser Ausführungsform kann die erprobte Konstruktion des Verdampfers mit dem Heizflächenpaket (2) beibehalten werden. Die alleine den Boden (7) des Führungshemdes (6) durchsetzenden gasführenden Rohre (4) sind durch schwankenden Wasserstand ebenfalls nicht hinsichtlich Korrosion und Spannung gefährdet. Der Druckbehälter ist im Überhitzungsbereich ebenfalls gegen Überhitzung geschützt, weil der Sattdampf in einem Mantelstrom nach oben strömt, dort umgelenkt und von oben in den Ringraum zwischen Zentralrohr (26) und Führungshemd (6) eintritt. Auch bei dieser Ausführungsform können einige Prozeßgaswege abgeschaltet werden, ohne daß der Umlauf und die Heizdampferzeugung negativ beeinflußt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Abkühlen von aus einem Vergasungsreaktor kommenden und unter Druck stehenden heißen Prozeßgasen, insbesondere von partiell oxidierten Kohlenwasserstoffen, unter Erzeugung von Sattdampf durch Abkühlung der Prozeßgase durch Wärmetausch mit einem Wasservorrat und zur Erzeugung von für die Vergasung benötigtem überhitztem Dampf, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der überwiegende durch die Teilabkühlung der Prozeßgase erzeugte Sattdampf nach einer Wasserabscheidung durch Wärmetausch mit den im Gegenstrom zum Sattdampf geführten teilabgekühlten Prozeßgas überhitzt wird, wobei Teilabkühlung und Gegenstromwärmetausch in einem Druckbehälter durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas nach dem Wärmetausch mit dem teilabgekühlten Prozeßgas einem erneuten Wärmetausch mit dem Wasservorrat unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil oder der gesamte Sattdampf im Bereich der Überhitzung als ein diesen Bereich umhüllender Mantelstrom geführt wird.

4. Wärmetauscher mit einem stehenden Druckbehälter einschließlich eines Wasserraumes, mindestens einem in dem Wasserraum angeordneten und von unter Druck stehenden heißen Prozeßgasen durchströmten Heizflächenpaket und einem Sattdampfraum oberhalb des Wasserraumes, sowie mindestens ein Gaseinlaß, ein Gasauslaß, ein Wassereinlaß und ein Dampfauslaß, der insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sattdampfraum (SR) ein Wasserabscheider (18) und mindestens ein von dem entwässerten Sattdampf durchströmtes Überhitzerheizflächenpaket (13) angeordnet ist, das gasseitig über Prozeßgasrohre (4, 14; 4, 24) mit dem Heizflächenpaket (2) und mit dem Gasauslaß (15; 25) verbunden ist derart, daß das Prozeßgas das Überhitzerheizflächenpaket (13) im Gegenstrom zum Sattdampf durchströmt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überhitzerheizflächenpaket (13) in einem an einem Ende mit dem Sattdampfraum (SR) in Verbindung stehenden Ringraum zwischen einem Zentralrohr (5; 26) und einem zumindest an seinem unteren Ende durch einen Boden (7) geschlossenes Führungshemd (6) angeordnet ist, vorzugsweise als Wicklung, daß das Führungshemd (6) mit seinem geschlossenen Ende bis unter den Niedrigwasserstand im Wasserraum (WR) in diesen hineinragt, und daß zumindest die das Prozeßgas vom Heizflächenpaket heranführenden Prozeßgasrohre (4) durch den Boden (7) des Führungshemdes geführt sind derart, daß diese Prozeßgasrohre in ihrem Durchtrittsbereich auf einer Seite stets von Dampf und auf der anderen Seite von Wasser beaufschlagt sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf am oberen Ende in den Ringraum eintritt, daß das Zentralrohr (26) unverschlossen mit Abstand von dem Boden (7) des Führungshemdes (6) endet und der Auslaß (27) für den überhitzten Dampf am oberen Ende des Zentralrohres (26) vorgesehen ist, daß die das Prozeßgas heranführenden Prozeßgasrohre (4) mit dem unteren Ende des Überhitzerheizflächenpaketes (13) verbunden sind, und daß die das Prozeßgas aus dem Überhitzerheizflächenpaket (13) abführenden Prozeßgasrohre (24) mit dem oberhalb des Wasserraumes (WR) liegenden Gasauslaß (25) verbunden sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf am unteren Ende in den Ringraum eintritt, daß das Zentralrohr (5) am unteren Ende ebenfalls verschlossen (7) ist, und die das Prozeßgas heranführenden Prozeßgasrohre (4) durch das oben offene Zentralrohr zum oberen Ende des Überhitzerheizflächenpaketes (13) geführt sind, daß die das Prozeßgas von dem Überhitzerheizflächenpaket (13) abführenden Prozeßgasrohre (14) durch den Boden (7) des Führungshemdes (6) in den Wasserraum (WR) geführt sind, und daß der Auslaß für den überhitzten Dampf am oberen geschlossenen Ende (8 a) des Führungshemdes (6) vorgesehen ist.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungshemd (6) zumindest über einen vorgegebenen Abschnitt seiner Länge mit Abstand von der Innenwandung des Druckbehälters (1) angeordnet ist und der zwischen Führungshemd und Innenwandung des Druckbehälters aufgespannte Ringraum mit Sattdampf beaufschlagt ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf über mindestens ein Regelventil aus dem zwischen Führungshemd und Innenwandung des Druckbehälters aufgespannten Ringraum (12) in den Dampfauslaß (22) überführbar ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasauslaß (15) eine in den Wasserraum (WR) abhängende Austrittschleife (14 a) vorgeschaltet ist.