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DE2549784C2 - Wirbelschicht-Gasgenerator mit Wärmezufuhr, insbesondere Kernreaktorwärme, von außen - Google Patents

Wirbelschicht-Gasgenerator mit Wärmezufuhr, insbesondere Kernreaktorwärme, von außen

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DE2549784C2
DE2549784C2 DE2549784A DE2549784A DE2549784C2 DE 2549784 C2 DE2549784 C2 DE 2549784C2 DE 2549784 A DE2549784 A DE 2549784A DE 2549784 A DE2549784 A DE 2549784A DE 2549784 C2 DE2549784 C2 DE 2549784C2
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gas generator
heat exchanger
heat
fluidized bed
coal
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Paul Peter Dr. 4300 Essen Feistel
Karl-Heinrich Van Dr. Heek
Harald Prof. Dipl.-Chem. Dr. Jüntgen
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Bergwerksverband GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen einteiligen oder aus mehreren miteinander verflanschten Sch ssen bestehenden Gasgenerator zur Erzeugung von Gas aus festen Brennstoffen, vornehmlich Kohle, und Wasserdampf bei erh!htem Druck und W rmezufuhr von aussen, insbesondere Kernreaktorw rme, dessen zylindrisch ausgebildeter Innenraum zur Aufnahme der Kohle einen wannenartigen perforierten Behaelter mit in die Kohle-Wasserdampf-Wirbelschicht hineinragenden ueber die Laenge und Hoehe der Wirbelschicht verteilten, haengend angeordneten tauchsiederartigen Waermetauschern aufweist. Die im Querschnitt roehrenartig ausgebildeten Waermetauscher sind ueber die Laenge, Breite und Hoehe des Innenraumes des des wannenartigen Behaelters derart angeordnet, dass von der Kohleeinfuelloeffnung in Richtung auf den Ascheaustrag und vom Boden des wannenartigen Behaelters in vertikaler Richtung eine Abnahme der Heizflaechendichte vorgesehen ist. Der technische Fortschritt der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Konstanthaltung der Temperatur im Wirbelbett ueber die Laenge und Hoehe des Gasgenerators Heizflaeche und damit kostspielieger Waermeaustauscherwerkstoff eingespart wird, und das Tauchsieder- bzw. Waermetauschermaterial durch die niedrige Temperatur weniger beansprucht wird und sich somit die Moeglchkeit eroeffnet, geringerwertige Materialien einzusetzen. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen einteiligen oder aus mehreren miteinander verflanschten Schüssen bestehenden Wirbelschicht-Gasgenerator zur Erzeugung von Gas aus festen Brennstoffen und Wasserdampf unter erhöhtem Druck und Wärmezufuhr von außen, insbesondere Kernreaktorwärme, dessen zylindrischer Innenraum zur Aufnahme des Brennstoffes einen wannenartigen perforierten Behälter sowie in die Brennstoff-Wasserdampf-Wirbelschicht hineinragende, über die Länge und Höhe des Innenraumes hängend angeordnete tauchsiederartige Wärmetauscher aufweist, die aus mehrfach haarnadelförmig gebogenen Wärmetauscherrohren bestehen, weiche in zur Längsrichtung des Generators senkrechten Ebenen angeordnet und an Sammelrohre angeschlossen sind. Ein gattungsgemäßer Wirbelschicht-Gasgenerator ist in der DE-AS 24 23 951 beschrieben. Bei dieser Anordnung ist zunächst eine konstante Wärmetauscherdichte in vertikaler und horizontaler Richtung vorgesehen und es besteht ein konstantes Wärmeangebot in allen Teilen des großtechni
schen Gasgenerators.
Das konstante Wärmeangebot kann aber nicht voll genutzt werden, weil in vertikaler Richtung infolge Vergasung eine Anreicherung der Gasphase mit Wassers stoff stattfindet, und entsprechende Experimente gezeigt haben, daß die Vergasungsgeschwindigkeit bei Anwesenheit von Wasserstoff erniedrigt wird und deshalb in vertikaler Richtung weniger Reaktionswärme erforderlich ist. Darüber hinaus Findet bei Beschickung
ίο des großtechnischen Gasgenerators auf der einen Seite und Entnahme aschereicher Rückstände auf der anderen Seite in horizontaler Richtung eine Ascheanreicherung statt, so daß auch hier mit zunehmendet horizontaler Länge pro Wirbelbett-Volumeneinheit weniger ver-
IS gast und deshalb auch weniger Reaktionswärme benötigt wird.
Aus Vorstehendem geht hervor, daß bei konstanter Wärmetaiisoherdichte im großtechnischen Gasgenerator zwei wesentliche Nachteile auftreten.
Es verringert sich pro Wärmetauscherflächeneinheit der WärmefiuB in vertikaler und horizontaler Richtung. Die verringerte Wärmeabnahme führt zu einer Temperaturerhöhung in vertikaler und horizontaler Richtung, was insbesondere eine ungleichmäßige Belastung des
Wärmetauschers bedeutet
Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, konstante Wirbelbettemperaturen entlang der horizontalen und vertikalen Ausdehnung eines Gasgenerators zu erzielen, und damit die Vergasungsleistung pro Fläclien- einheit des eingesetzten Wärmetauschers zu steigern und durch Material- und Montageersparnis sowie bei
Einsatz geringcrwertigen Materials einen Gasgenerator
kostengünstiger bzw. langlebiger herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kenn-
zeichens des Anspruches 1 gelöst.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die parallelen Reihen der Wärmetauscher von der Kohieeinfüiiöffnung in Richtung auf den Ascheaustrag von Reihe zu Reihe e>;U-n größeren Ab stand auf.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind jeweils zwei Wärmetauscher als Rohrregister übereinander angeordnet, wobei der Abstand der Wärmetauscherrohre im oberen Rohrregister größer ist als der Abstand im unteren Rohrregister.
Der technische Fortschritt der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß durch die Konstanthaltung der Temperatur im Wirheibett über die Länge und Höhe des Gasgenerators Heizfläche und damit kostspieliger
so Wärmetauscherwerkstoff eingespart wird und daß Tauchsieder- bzw. Wärmetauschermatieral durch die niedrigere Temperatur weniger beansprucht wird und sich somit die Möglichkeit eröffnet, geringerwertige Materialien einzusetzen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasgenerators mit einer Abnahme der Heizflä- chendichte in Richtung auf den Ascheaustrag, ·(
Fig.2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Abstände der einzelnen Wärmetauscherrohre von Reihe zu Reihe größer werden,
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem die Zahl der Wärmetauscherrohre über die Breite des Gasgenerators und in Richtung auf den Ascheaustrag abnimmt, Fig.4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä-
Ben Gasgenerators im Querschnitt mit einer in vertikaler Richtung abnehmenden Heizflächendichte und
F i g. 5 ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie F i g. 4 mit zwei übereinander angeordneten Heizflächenregistern.
Der in F i g. 1 in einem Ausführungsbeispiel dargestellte Gasgenerator, der aus einem langgestreckten zylindrischen Körper besteht, weist im Innenraum 1 einen wannenartigen, perforierten Behälter 2 auf. Innerhalb des Gasgenerators wird in dem wannenartigen Behälter ι ο 2 ein aus Kohle und Wasserdampf bestehendes Wirbelbett aufrechterhalten, wobei der Wasserdampf durch eine nicht dargestellte Öffnung im Boden des Gasgenerators und die Kohle unter Druck durch die Kohleeinfüliöffnung4 in den Boden des wannenartigen Behälters is 2 eingeführt wird. Um eine gleichmäßige Temperatur über die Länge des Wirbelbettes von der Kohleeinfüllöffnung 4 bis zum Ascheaustrag 5 zu erzielen, sind in der Wirbelschicht im Bereich des wannenartigen Behälters 2 tauchsiederartige Wärmetauscherrohre 3 mäanderartig angeordnet Bei einer gleichmäßigen Anordnung der Wärmetauscherrohre 3 im Innenraum 1 eines t}asgenerators ist zu erwarten, daß bei Eingabe der Kohle an einem Ende in den Gasgenerator die Vergasungsleistung, d. h. der pro Volumeneinheit umgesetzte Brennstoff, im Laufe des Durchwanderns aufgrund des erhöhten Abbrandes und des damit einhergehenden hohen Aschegehaltes gegen Ende des Gasgenerators mehr und mehr abnimmt Hieraus folgt, daß bei örtlich unterschiedlicher Vergasungsleistung im Gasgenerator unterschiedliche Temperaturen herrschen. Die in F i g. 1 im Längsschnitt angedeutete mäanderartige oder registerartige Anordnung der Wärmetauscherrohre 3 ergibt durch den immer größer werdenden Abstand zwischen den Wärmetauscherrohren 3 in Längsrichtung zum Ascheaustrag 5 hin eine Vereinheitlichung der Temperaturen bzw. eine Verringerung der Heizflächendichte. Durch die günstigere Verteilung der Heizflächendichte werden die aus hochwertigem Material hergestellten Tauchsieder, öhre 3 weniger belastet und erhalten somit eine längere Lebensdauer.
Um innerhalb des Gasgenerators eine Rückvermischung des Feststoffes so gering wie möglich zu halten und um das Verweilzeitspektrum zu verbessern, sind im Wirbelbett des Gasgenerators, wie aus F i g. 1 hervorgeht, in bestimmten Abständen Einbauten 6 vorgesehen. Im Falle des Zusammensetzens eines großtechnischen Gasgenerators aus einer Anzahl von Schüssen ergibt es sich als zweckmäßig, die einzelnen Schüsse durch Einbauten 6 voneinander zu trennen.
Ebenso ist es vorstellbar, daß man den Gasgenerator als zusammenhängendes Wirbelbett ohne Einbauten 6 betreibt und dabei den Abstand der Wärmetauscherrohre 3 kontinuierlich vom größten Wert bei der Kohleeinfüilöffnung 4 in Richtung auf den Ascheaustrag 5 verkleinert
Ausführungsbeispiele dieser Art, bei denen die Einbauten 6 nicht vorgesehen sind, sind in den F i g. 2 und 3 dargestellt. In einer skizzierten Draufsicht auf einen Schnitt durch einen großtechnischen Gasgenerator ergibt sich eine Anordnung von Wärmetauscherrohren 3. die in Reihen 7 parallel zur Breite des Gasgenerators angeordnet sind und bei denen der Abstand zwischen den parallelen Reihen 8 in Richtung des Pfeiles A von der Kohleeinfüllöffnung zum Ascheaustrag 5 immer größer wird. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zah! der Wärmetauscherrohre pro Reihe 7 konstant. Demgegenüber sind die in Fig. 3 ebenfalls parallel zur Breite des Gasgenerators angeordneten Wärmetauscherrohre 3 in ihrem Abstand von der Kohleeinfüllöffnung 4 in Richtung auf den Ascheaustrag, also über die Länge des Gasgenerators, konstant während die Zahl der Wärmetauscherrohre 3 pro Reihe 7 in Richtung auf den Ascheaustrag 5 abnimmt
Um die Fertigungskosten für den Gasgenerator gering zu halten, ist es denkbar, daß man nicht mit kontinuierlich veränderter Heizflächendichte arbeitet sondern bei einem aus Schüssen zusammengesetzten Gasgenerator in jedem Schuß eine konstante Heizflächendichte vorsieht Dabei ergibt sich vergleichsweise mit den bisher genannten Ausführungsbeispielen, daß die Heizflächendichte im Bereich der Kohleeinschleusung am größten ist und den geringsten Wert im Bereich des Ascheaustrags aufweist.
In den in F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen, die schematisiert einen Schnitt durch den zylinderförmigen Gasgenerator wiedergeben, ist im Gegensatz zu den bisher genannten Ausfi:hrungsbeispielen der Erfindung die Verteilung der ■Heizflächendichte über die Höhe des Gasgenerators bzw. vom Anströmboden in Richtung Gasberuhigungsraum angesprochen. Dabei ist davon auszugehen, daß über der Wirbeibetthöhe der H2-Anteil im Gas zunimmt und deshalb eine Hemmung der wärmeverbrauchenden Wasserdampfvergasung und eine Begünstigung der wärmeerzeugenden Wasserstoffvergasung herbeigeführt wird. Daraus ergibt sich aber ein verminderter Wärmebedarf. Dieser Verminderung des Wärmebedarfs kann durch eine Verminderung der Heizflächendichte Rechnung getragen werden.
Die an Sammelrohre angeschlossenen Wärmetauscherrohre 3 sind im Bodenbereich 9 bzw. im gesamten Bereich des wannenartigen Behälters im Querschnitt gesehen zu diesem parallel registerartig gebogen angeordnet Ein derartiges Rohrregister besteht aus abwechselnden Rohrausbiegungen 10 und 10a, wobei die Rohrausbiegungen 10a bis zur Oberkante 12 des Wirbelbettes 2 ausgeführt sind. Durch diese Rohrausbiegungen 10 und 10a sowie durch die Zuleitung der Wärmetauscherrohre 3 bis zu den Sammelrohren 15 ergibt sich vom Bodenbereich 9 des wannenartigen Behälters 2 bis in den Beruhigungsraum hinein eine Abnahme der Heizflächendichte.
Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind, um eine Abnahme der Heizflächendichte vom Bodenbereich 9. in Richtung auf den Beruhigungsraum zu erzielen, zwei übereinander angeordnete Rohrregister 13,14 vorgesehen. Die Rohrregister 13,14 unterscheiden sich tiur durch einen größeren Rohrabstand b im oberen Rohrregister 13 gegenüber einem kleineren Rohrabstand c im unteren Rohrregister 14. Durch den geringeren bzw. durch den größeren Abstand der Wärmetauscherrohre 3 innerhalb der Register 13, 14 wird in senkrechter Richtung des !nnenraumes 1 eine Abnahme der Heizflächendichte erzielt.
Es ist im Rahmen der Erfindung, die in den Fi g. 1, 2 und 3 dargestellter Ausführungsbeispiele mit den in den Fig.4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen zu kombinieren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Einteiliger oder aus mehreren miteinander verflanschten Schüssen bestehender Wirbelschicht-Gasgenerator zur Erzeugung von Gas aus festen Brennstoffen und Wasserdampf unter erhöhtem Druck und Wärmezufuhr von außen, insbesondere Kernreaktorwärme, dessen zylindrischer Innenraum zur Aufnahme des Brennstoffes einen wannenartigen, perforierten Behälter sowie in die Brennstoff-Wasserdampf-Wirbelschicht hineinragende, über die Länge und Höhe des Innenraumes hängend angeordnete tauchsiederartige Wärmetauscher aufweist, die aus mehrfach haarnadelförmig gebogenen Wärmetauscherrohren bestehen, welche in zur Längsrichtung des Generators senkrechten Ebenen angeordnet und an Sammelrohre angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (3} aerart ausgebildet oder angeordnet sind, daß von der Kohieeinfüiiöffnung (4) in Richtung auf den Ascheaustrag (5) hin und/oder vom Boden des wannenartigen Behälters (2) aus in vertikaler Richtung die Heizflächendichte abnimmt
2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die paralleler-Reihen (7) der Wärmetauscher (3) von der Kohieeinfüiiöffnung (4) in Richtung auf den Ascheaustrag (5) von Reihe zu Reihe einen größeren Abstand (8) aufweisen.
3. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wärmetauscherrohre (3) je Wärmetauscher vorder Kohieeinfüiiöffnung (4) in Richtung auf den Ascheaustrag (5) hin abnimmt.
4. Gasgenerator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß von den Wärmetauscherrohren (3) nur einige der oberen Rohrumbiegungen {iOa) bis zur Wirbelschichtoberfläche (12) reichen.
5. Gasgenerator nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Wärmetauscher (3) als Rohrregister (13, 14) übereinander angeordnet sind, wobei der Abstand (b)der Wärmetauscher rohre im oberen Rohrregister (13) größer ist als der Abstand (c)\m unteren Rohrregister(14).
DE2549784A 1975-11-06 1975-11-06 Wirbelschicht-Gasgenerator mit Wärmezufuhr, insbesondere Kernreaktorwärme, von außen Expired DE2549784C2 (de)

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