DK163896B - Gaskoeler for varmeovergang ved konvektion - Google Patents

Description

DK 163896 B

Opfindelsen vedrører en gaskøler til køling af en strøm af gas, hovedsagelig ved konvektion, f.eks. til køling af gas direkte nedstrøms for en strålingskøler, der modtager gas fra en forgasningsreaktor til 5 forgasning af faste stoffer, hvilken gaskøler omfatter en aflang, lodret placeret trykbeholder med en gastil-gang foroven, en gasafgang forneden, og i beholderen et varmevekslingselement med varmevekslingsflader indrettet til gennemstrømning af vand og vanddamp under højt 10 tryk, hvilke varmevekslingsflader mellem sig danner i det væsentlige lodretgående gaskanaler, der strækker sig over størstedelen af beholderens længde.

Gassen der afgår fra en sådan gasreaktor kan have et tryk ca. 30 bar og en temperatur på 1400°C eller 15 derover, og gassen vil almindeligvis medføre smeltet slagge. Af hensyn til en efterfølgende vaskning af gassen afkøles denne til ca. 200°C i flere trin. Den indledende afkøling kan f.eks. foretages ved hjælp af en strålingskøler, og i det følgende trin sker afkølingen 20 ved hjælp af en konvektionskøler af den indledningsvis angivne art.

For at opnå den bedst mulige virkningsgrad af det anlæg, hvori gassen frembringes og eventuelt senere udnyttes, er det nødvendigt at genanvende den varme, 25 der udtages fra gassen ved afkølingen i konvektionskøleren. Dette gøres ved at varmevekslingselementet i køleren gennemstrømmes af vand og vanddamp i en tofase-strøm under højt tryk, hvorefter dampen udskilles og udnyttes i et tilknyttet dampturbineanlæg.

30 Gassen der strømmer ind i køleren indeholder faste slaggepartikler, der som følge af godstemperatu-ren ved indløbet opfører sig som "bløde" eller "fugtige" partikler, der har tendens til at hæfte sig til varmevekslingsvæggene og hobe sig op i gaskanalerne.

35 Derfor udføres kendte kølere med lodretgående gaskanaler, så slaggepartiklerne under påvirkning af gasstrøm-

DK 163896 B

2 men og tyngdekraften kan falde direkte ned mod beholderens bund. Gastemperaturen er her væsentlig lavere, og slaggepartiklerne opfører sig her som "hårde" og "tørre" partikler, der af gasstrømmen rives med ud gennem 5 gasudløbet. Som følge af denne udformning af gaskanalerne er gasstrømmen i hver kanal en parallelstrøm.

Dette vil sige at gassen kun har en ubetydelig hastig-hedskomposant i retning på tværs af kanalen og dette medfører at den gas, der strømmer ned langs varmeveks-10 lingsfladerne, dvs. langs kanalens sider, afkøles hurtigere end den gas, der strømmer ned i kanalens midte.

Derved opstår en temperaturgradient i gasstrømmen på tværs af dennes retning, hvilket giver en mindre effektiv varmeoverføring end hvis gasstrømmen havde samme 15 temperatur over hele gaskanalens tværsnit.

Det er hensigten med opfindelsen at tilvejebringe en gaskøler af den i indledningen angivne art, med gaskanaler og varmevekslingsvægge, som er således udformet, at der sikres en jævn fordeling af gastempera-20 turen over kanaltværsnittet i størstedelen af gaskanalerne, medens det undgås, at slaggepartikler ophobes i kanalerne eller hæfter til varmevekslingsvæggene.

Gaskøleren ifølge opfindelsen adskiller sig fra den kendte ved, at størstedelen af gaskanalerne hver er 25 opdelt i flere indbyrdes adskilte, retlinede afsnit, at overgangen mellem to efter hinanden følgende, retlinede afsnit udgøres af mindst ét kort, retlinet kanalafsnit, der set i gasstrømmens retning skråner mod beholderens nedre ende, og at kanalen ved den nederste ende af det 30 skrånende kanalafsnit er forsat i sideretningen i en afstand svarende til kanalbredden.

Herved opnås at gasstrømmen udsættes for en brat retningsændring, der fremtvinger en opblanding af gasstrømmen, hvorved gastemperaturen udjævnes over kanal-3 5 tværsnittet.

Ved at opdele hver kanal i flere retlinede afsnit, der er adskilt af korte partier, hvor kanalen

DK 163896 B

3 brat ændrer retning, sikres det, at gasstrømmen opblan-des inden den når at udvikle sig til en parallelstrøm.

Da overgangen mellem to retlinede kanalafsnit udgøres af mindst ét kort, retlinet kanalafsnit, der 5 set i gasstrømmens retning skråner mod beholderens nedre ende, vil eventuelt aflejrede partikler let blive fejet bort af gasstrømmen, som følge af lokal stigende gashastighed i kanalen. Ved at sideforskyde kanalen med et stykke, der svarer til en kanalbredde, opnås en 10 yderligere sikring mod ophobning af gasbårne, faste partikler i det skrå afsnit af kanalen, fordi gassen, der strømmer langs kanalens, set i forhold til retningsændringen, inderste væg, fortsætter lige ud ved overgangsstedet og rammer den modsatte kanalvæg, såle-15 des at eventuelt ophobede faste partikler bortfejes.

Denne udformning af gaskanalen, ved hvilken det gaslag, der strømmer ned langs den ene kanalvæg, ledes direkte ind i det gaslag, der strømmer langs den anden kanalvæg, resulterer i en meget kraftig opblanding af gas-20 strømmen over hele kanaltværsnittet og fører derved til den ovenfor omtalte udjævning af temperaturen over tværsnittet.

En udførelsesform af gaskøleren er ejendommelig ved, at den ved den nedadvendende ende af nogle af de 25 korte, retlinede kanalafsnit har et andet kort, retlinet kanalafsnit, der set i gasstrømmens retning skråner mod beholderens bund, og at kanalen ved den nederste ende af det andet, skrånende kanalafsnit flugter med det lodretgående kanalafsnit umiddelbart opstrøms for 30 det første, skrånende kanalafsnit.

Ved denne udformning af gaskanalerne opnås at alle retlinede kanalafsnit i de enkelte kanaler kan bringes til at flugte med hinanden. Herved opnås en bedre udnyttelse af beholdervolumenet, idet det undgås 35 at der ved gentagne forskydninger af kanalerne til samme side opstår uudnyttede rum i beholderen.

DK 163896 B

4

En foretrukket udførelsesform er ejendommelig ved, at varmevekslingsfladerne er udført som svejste membranrørvægge, og at membranrørvæggene i overgangsområderne mellem efter hinanden følgende lodretgående ka-5 nalafsnit er bukket i facon efter færdigsvejsningen.

Da sideforskydningen af kanalerne kun svarer til én kanalbredde er det muligt at udføre varmevekslingsfladerne som membranrørvægge, der efter færdigsvejsningen bukkes i facon, hvilket medfører den fordel, at 10 produktions- og montageomkostningerne kan reduceres.

En tredje udførelsesform af gaskøleren er ejendommelig ved, at varmevekslingsfladerne ved den ene ende er forbundet til en fælles tilgangskasse for vand og vanddamp og ved den anden ende til en fælles af-15 gangskasse, og at enten tilgangskassen eller afgangskassen er båret i beholderen og derved bærer varmevekslingselementets fulde vægt, medens der ved den ende af varmevekslingselementet, der er modsat den ende i hvilken det er båret, er styr, der begrænser varmeveks-20 lingselementets bevægelse i radialretningen. F.eks. kan den fælles afgangskasse være ophængt i den øverste endebund eller være båret af konsoller fastsvejst foroven i svøbet. Da hele vægten af varmevekslingselementet i lodret stilling af beholderen bæres af den fælles af-25 gangskasse, er det blot nødvendigt at styre varmevekslingselementet forneden, så det er bevægeligt i længderetningen af hensyn til varmeudvidelsen. Derved undgås de ofte komplicerede og pladskrævende afstivninger, som anvendes i kendte kølere. Denne udførelsesform har den 30 yderligere fordel, at vedligeholdelsen af varmevekslingselementet lettes, idet det som en enhed kan løftes ud af den lodretstående beholder efter at dennes top er demonteret.

En yderligere udførelsesform er ejendommelig 35 ved, at der i en af de lodretgående kanaler er indbygget en selvstændig varmeveksler med separate til- og afgange for kølemedium.

DK 163896 B

5

Da varmevekslingselementet i gaskøleren virker som en kompakt dampkedel, er det fordelagtigt at kunne indbygge en eller flere af de øvrige varmevekslere, der sædvanligvis indgår i et dampkedelanlæg i trykbeholde-5 ren, f.eks. en overheder eller en economiser, for at udnytte beholderens volumen fuldstændigt, og samtidig opnå en bedre virkningsgrad af hele det anlæg, hvori gaskøleren indgår.

Opfindelsen vil nu blive forklaret nærmere ved 10 hjælp af nogle udførelsesformer og med henvisning til tegningen, på hvilken fig. l viser et noget skematisk længdesnit i en konvektionskøler ifølge opfindelsen, fig. 2 et snit langs linien II-II i fig. 1, 15 fig. 3 et noget skematisk delsnit i en anden ud førelsesform af køleren, fig. 4 et delsnit som fig. 3 i en tredie udførelsesform af køleren, fig. 5 et delsnit som fig. 3 i en fjerde udfø-20 relsesform af køleren, og fig. 6-7 delsnit som fig. 3 i andre udførelsesformer af køleren visende indsatte, separate varmevekslere.

Den på tegningen viste konvektionskøler består 25 af en aflang, cirkulærcylindrisk trykbeholder 1, med et svøb 2, og har foroven og forneden endebunde, henholdsvis 3 og 4. Den øverste endebund 3 har en studs 5 for tilslutning til en ikke-vist ledning for tilførsel af varm gas til konvektionskøleren. Den øverste del 30 af svøbet 2 og endebunden 3 har på indersiden en varmeisolering 6, til beskyttelse mod varmepåvirkningen fra gassen. I svøbet tæt over den nederste endebund 4 er placeret en studs 8 for afgang af afkølet gas fra konvektionskøleren.

35 Som vist i fig. 1 og 2 er der inde i beholderen placeret et varmevekslingselement 10, der er opdelt i

DK 163896 B

6 flere lodretgående varmevekslingsflader 11. Herved dannes der mellem varmevekslingsfladerne hovedsagelig lodretgående gaskanaler 12. Af hensyn til tydeligheden er varmevekslingsfladerne kun vist med en enkelt streg, 5 og dele af varmevekslings fladerne, der i fig. 1 ligger bagved snittets plan, og i fig. 2 under snittets plan, er ikke vist.

Som det fremgår af fig. 1 er størstedelen af gaskanalerne hver opdelt i flere indbyrdes adskilte, 10 retlinede afsnit, og overgangen mellem to efter hinanden følgende, retlinede afsnit 13 udgøres af mindst ét kort, retlinet kanalafsnit 14, der set i gasstrømmens retning skråner mod beholderens nedre ende. Kanalafsnittet 13 ved den nederste ende af det skrånende 15 kanalafsnit 14 er i størstedelen af kanalerne forsat i sideretningen i en afstand, svarende til kanalbredden i det umiddelbart ovenfor beliggende retlinede kanalafsnit 13.

I den i fig. 1 viste udførelsesform er alle var-20 mevekslingsflader på nær den midterste udført med tre lodretgående retlinede afsnit, medens den midterste omfatter fire lodretgående retlinede afsnit for at opnå en jævnere og mere symmetrisk gasstrømning. Kanalbredden i størstedelen af kanalerne er hovedsagelig kon-25 stant, medens der ved denne udførelsesform fremkommer to kanalafsnit ved midten af varmeveksleren, hvor kanalbredden er noget større end i det øvrige kanaler.

Som vist i fig. 2 indeholder varmevekslingselementet også varmevekslingsflader 15, der aflukker ka-30 nalerne 13 mod beholdersvøbet, og de herved fremkomne rum mellem varmevekslingsfladerne og svøbet kan eventuelt være udfyldt med isoleringsmateriale, dels for at mindske varmetabet til omgivelserne og dels for at undgå at der i disse i nogen tilfælde snævre passager, kan 35 ophobes slaggepartikler.

Varmevekslingsfladerne 11 og 15 er forneden forbundet til en fælles tilgangskasse 17 for vand og

DK 163896 B

7 vanddamp og foroven til en fælles afgangskasse 18. Den fælles afgangskasse 18 er båret i beholderens øverste del, f.eks. ved hjælp af en skitsemæssig vist ophængning 19, således at den fælles afgangskasse 18 bærer 5 den fulde vægt af varmevekslingselementet 10. Tilgangskassen 17 kan på ikke vist måde være støttet mod beslag på beholdersvøbet 2 eller endebunden 4 således at dens bevægelse i radialretning er begrænset medens bevægelsen i beholderens længderetning kan foregå 10 uhindret af hensyn til varmeekspansionen af varmevekslingselementet. I en anden udførelsesform kan den ne-derste fordelingskasse 17 være båret på konsoller fastgjort til svøbet eller endebunden, og afgangskassen 18 skal i dette tilfælde styres således, at den kun 15 kan bevæge sig i beholderens længderetning af hensyn til den nødvendige varmeekspansion. Vægten af varmevekslingselementet 10 vil i dette tilfælde blive båret af konsollerne forneden i beholderen.

Fig. 3 og 4 viser i skematisk form forløbet af 20 gaskanalerne i andre udførelsesformer af konvektionskøleren ifølge opfindelsen. I fig. 3 er gaskanalerne alle ved overgangen mellem retlinede afsnit 13 forsat til samme side, og det ses, at der på den måde opstår områder i beholderen, der ikke er fuld udnyttet som gaspas-25 sager. Områderne giver en usymmetrisk fordeling af var-mebelastningen i køleren og dette er der søgt rådet bod på ved udførelsesformen i fig. 4, hvor varmevekslingselementet som helhed er en smule skråtstillet i forhold til beholderens længdeakse.

30 Fig. 5 viser en foretrukket udførelsesform af gaskøleren, hvor der ved den nedad vendende ende af nogle af de korte, retlinede kanalafsnit 14 er et andet kort, retlinet kanalafsnit 20, der set i gasstrømmens retning skråner mod beholderens bund. Det skrå ka-35 nalafsnit 20 har en sådan længde, at kanalafsnittet 13 ved den nederste ende af kanalafsnittet 20 flug-

Claims (6)

1. Gaskøler til køling af en strøm af gas, ho-30 vedsagelig ved konvektion, f.eks. til køling af gas, direkte nedstrøms for en strålingskøler, der modtager gas fra en forgasningsreaktor til forgasning af faste stoffer, hvilken gaskøler omfatter en aflang, lodret placeret trykbeholder (1) med en gastilgang (5) for-35 oven, en gasafgang (8) forneden, og i beholderen (1) et varmevekslingselement (10) med varmevekslingsflader DK 163896 B 9 (11) indrettet til gennemstrømning af vand og vanddamp under højt tryk, hvilke varmevekslingsflader (11) mellem sig danner i det væsentlige lodretgående gaskanaler (12) , der strækker sig over størstedelen af beholderens 5 (1) længde, kendetegnet ved, at størstedelen af gaskanalerne (12) hver er opdelt i flere indbyrdes adskilte, retlinede afsnit (13), at overgangen mellem to efter hinanden følgende, retlinede afsnit udgøres af mindst ét kort, retlinet kanalafsnit (14), der set i 10 gasstrømmens retning skråner mod beholderens (1) nedre ende, og at kanalen (12) ved den nederste ende af det skrånende kanalafsnit (14) er forsat i sideretningen i en afstand svarende til kanalbredden.

2. Gaskøler ifølge krav 1, kendetegnet 15 ved, at den ved den nedadvendende ende af nogle af de korte, retlinede kanalafsnit (14) har et andet kort, retlinet kanalafsnit (20), der set i gasstrømmens retning skråner mod beholderens nedre ende, og at kanalen (12) ved den nederste ende af det andet, skrånende ka-20 nalafsnit (20) flugter med det lodretgående kanalafsnit (13) umiddelbart opstrøms for det første, skrånende kanalafsnit (14).

3. Gaskøler ifølge krav l eller 2, kendetegnet ved, at varmevekslingsfladerne (11) er ud- 25 ført som svejste membranrørvægge, og at membranrørvæg-gene i overgangsområderne (14, 20) mellem efter hinanden følgende, lodretgående kanalafsnit (13) er bukket i facon efter færdigsvejsningen.

4. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående 30 krav, kendetegnet ved, at varmevekslingsfladerne (11) ved den ene ende er forbundet til en fælles tilgangskasse (17) for vand og vanddamp og ved den anden ende til en fælles afgangskasse (18), og at enten tilgangskassen (17) eller afgangskassen (18) er båret i 35 beholderen (1) og derved bærer varmevekslingselementets (10) fulde vægt, medens der ved den ende af varmeveks- DK 163896 B 10 lingselementet (10), der er modsat den ende i hvilken det er båret, er styr, der begrænser varmevekslingselementets (10) bevægelse i radialretningen.

5. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående krav 5 kendetegnet ved, at der i en af de lodretgående kanaler (12) er indbygget en selvstændig varmeveksler (21, 22) med separate til- og afgange for kølemedium.

6. Gaskøler ifølge ethvert af de foregående 10 krav, kendetegnet ved, at den har sodblæsere fortrinsvis ved den øverste ende af varmevekslingselementet (10), og mekaniske vibrationsorganer, fortrinsvis ved den ende af varmevekslingselementet (10), der er modsat den ende i hvilket det er båret.