Opis patentowy opublikowano: 15.03.1983 117620 Int.Cl.3C10J 3/74 B01J19/00 CZYTELNIA Urzedu Patentowego hlskuj lzeczvpuiiiii..ej Lo*»»e| Twórcy patentu: Helmut Peise, Wolfgang Heinrich, Peter Góhler, Friedrich Berger, Klaus Lucas, Manfred Schingnitz, Dieter Koinig, Aleksandr Ivanovic Jegorov, Va- silij Georgievic Fedotov, Vladimir Petrovic Gavrilin, Ernest Andreevic Gu- dyniov, VJadimir Petrovic Semenov, Igor Grigorevic Achmatov, Nikolaj .Petrovi5 Majdurov, Evgenij Vladimirovic Avraamov I Uprawniany z patentu: Brennstoffinstitut Freiberg, Freiberg (Niemiecka Republika Demokra¬ tyczna); Gosudarstwennyj Naucno-IssledovatePskij i proektnyj Insti- tut Azotnoj promyslennosti i produktov organiceskogo sinteza, Moskwa (Zwiazek Socjalistycznych Republik Radzieckich) Reaktor do wytwarzania gazów zawierajacych CO i H2 za pomoca czesciowego utleniania paliw Wynalazek dotyczy reaktora do wytwarzania gazów za¬ wierajacych CO i H2 za pomoca czesciowego utleniania paliw w formie pylów lub cieczy, w szczególnosci zawieraja¬ cych popiól, w obecnosci czynnika zgazowujacega zawie¬ rajacego wolny tlen, w wysokich temperaturach i przy podwyzszonym cisnieniu.' Przy wytwarzaniu gazu z paliw pylistych lub cieklych za pomoca czesciowego utleniania, paliwo reaguje ze srod¬ kiem zgazowujacym zawierajacym tlen w reakcji plomie¬ niowej. W zaleznosci od paliwa i zastosowania gazu wy¬ stepuja temperatury koncowe reakcji miedzy 1200 a 1600 °C podczas gdy w samym plomieniu osiagane sa temperatury ponad 2000°C. Przy zastosowaniu paliw zawierajacych popiól, mineralne pozostalosci procesu czesciowego utle¬ niania gromadza sie w formie plynnego stopu.Reakcja plomieniowa przebiega w ognioodpornym, z reguly . obrotowosymetrycznym obszarze reakcji, przy czym znane urzadzenia róznia sie ustawieniem palników i odprowadzeniem wytworzonego goracego surowego gazu i zuzla.Procesy wytwarzania gazów zawierajacych CO i H2 przeprowadza sie czesto pod zwiekszonym cisnieniem, na przyklad przy cisnieniu 3 MPa. Reaktory dla takiego procesu cisnieniowego skladaja sie na przyklad z zewnetrz¬ nego naczynia cisnieniowego, w którego wnetrzu znajduje sie wlasciwa przestrzen reakcyjna, której profil tworza sciany z rur chlodzonych woda. Rurowe sciany sa pokryte od strony skierowanej ku plomieniowi warstwa ubitej masy ognioodpornej, na przyklad na bazie weglika krzemu.Ubita mase zamocowuje sie do rur za pomoca kolków 10 15 20 25 30 metalowych o srednicy na przyklad 10 mm i wysokosci 10 mm przyspawanych do powierzchni rur i wchodzacych do warstwy ubitej masy. Grubosc warstwy ubitej masy jest tak wymierzona, ze temperatura powierzchni jest nizsza niz temperatura krzepniecia zuzla powstajacego w procesie czesciowego utleniania.W czasie pracy reaktora tworzy sie na powierzchni ubitej masy dalsza warstwa skrzepnietego zuzla, która przechodzi w ciastowata strefe a w koncu w splywajacy" ciekly film zuzla. Chlodzenie rurowej sciany nastepuje za pomoca wody pod cisnieniem o temperaturze ponizej puaktu wrzenia, lub wrzaca woda.Sciana rurowa musi chronic w sposób pewny zewnetrzny plaszcz cisniemowy przed przegrzaniem przez promienio¬ wanie i prady konwencyjne. Dlatego miedzy rurowa sciana i zewnetrznym plaszczem cisnieniowym przewidziana jest w wielu wypadkach termiczna warstwa izolacyjna z ma¬ terialu ognioodpornego. Ta warstwa izolacyjni wykazuje nieunikniona znaczna i niemozliwa do miejscowej lokali¬ zacji przepuszczalnosc gazu, spowodowana porowatoscia ognioodpornego materialu, oraz nieuniknionymi rysami, spoinami i dylatacyjnymi szczelinami.Jesli reaktor, jak zwykle, zapala sie przy w przyblizeniu atmosferycznym cisnieniu i doprowadza do pelnego cis¬ nienia roboczego w stanie goracym, to przy szybkim wzroscie cisnienia moga wystapic tak wielkie bladzace strumienie gazu, ze plaszcz cisnieniowy bedzie miejscowo przegrzany.Podobnych niebezpieczenstw nalezy oczekiwac gdy ze wzgledu na wysokie sprawnosci i czesciowe zzuzlowanie wystepuja wieksze róznice cisnien wewnatrz przestrzeni 117 620117 620 reakcyjnej lub w kanale, którym uchodzi surowy gaz.Chociaz z reguly reakcje mozna prowadzic przy chlodzonej scianie rurowej w temperaturach powyzej punktu rosy, pary wodnej, to jednak temperatura plaszcza cisnieniowego pozostaje ponizej tego punktu rosy. Przepuszczanie gazu przez warstwe izolacyjna pozwala na kondensacje pary na plaszczu cisnieniowym" i sprzyja korozji.Zaproponowano przemycie muru wzglednie okreslonych spoin w murze obojetnymi gazami. Jednak niemozliwa, do zdefiniowania co do miejsca, przepuszczalnosc gazu po¬ przez mur, ogranicza wynik takiego dzialania do minimum nawet przy duzych ilosciach gazu przeplukujacego.Znane sa takie reaktory z chlodzonymi konstrukcjami scian rurowych, w których pojedyncze, polozone obok siebie rury sa polaczone przyspawana, przebiegajaca przez cala dlugosc rur, listwa." W ten sposób sciana rurowa staje sie nieprzepuszczalna dla gazu. Polaczenie potrzebne do wyrównania cisnienia miedzy przestrzenia reakcyjna a plasz¬ czem cisnieniowym ograniczone zostaje do kilku kontrolo¬ wanych otworów, nad którymi latwo zapanowac przy prze¬ plukiwaniu gazem obojetnym.Takie rozwiazanie prowadzi do bardzo sztywnej kon¬ strukcji sciany rurowej, której dalsza zaleta lezy w prostszej konstrukcji podtrzymujacej i latwiejszym montazu. Sztyw¬ nosc sciany rurowej jest jednak obarczona znaczna wada, a mianowicie jest nie do unikniecia przy rozpoczynaniu i zakonczeniu procesu oraz przy zmianie ladunku, aby ubita masa i zestalony zuzel nie ulegaly rozszerzaniu lub kurczeniu sie. Sztywna, zespawana konstrukcja sciany rurowej nie moze poddac sie tym zmianom dlugosci. Wielo¬ krotnie wieksze termiczne obciazenie obnazonych czesci sciany rurowej moze poprzez miejscowe przegrzanie po¬ wodowac zagrozenie.Celem wynalazku jest skonstruowanie reaktora do wy¬ twarzania gazu za pomoca czesciowego utleniania pod cisnieniem paliw w formie pylu lub cieklych zawierajacych popiól, którego plaszcz cisnieniowy jest niezawodnie za¬ bezpieczony przeciw przegrzaniu i dzialaniu surowego gazu i który pozwala na dlugie okresy pracy.W reaktorze wedlug wynalazku przestrzen reakcyjna utworzona jest ze sciany rurowej chlodzonej woda i pokry¬ tej od strony przestrzeni reakcyjnej ubita masa, a której zewnetrzny plaszcz cisnieniowy jest niezawodnie i we wszystkich fazach pracy chroniony przeciw przegrzaniu i dzialaniu atmosfery surowego gazu. Jego wbudowane czesci, w szczególnosci konstrukcja sciany rurowej, sa latwe do montowania i demontazu, przy czym reaktor ten zwlaszcza ze wzgledu na trwalosc wykladziny ubitej masy w przestrzeni reakcyjnej gwarantuje dlugie okresy pracy." Rozwiazanie wedlug wynalazku wyróznia sie nastepuja¬ cymi cechami: sciana rurowa, tworzaca przestrzen reak¬ cyjna i pokryta metalowymi kolkami od strony zwróconej ku przestrzeni reakcyjnej oraz pokryta ognioodporna ubita masa, jest otoczona w pewnej odleglosci, z reguly 1 do 5 cm, obudowa szczelna w stosunku do gazu, przy czym prze¬ strzen miedzy poszczególnymi rurami sciany rurowej i obudowa jest takze wypelniona ognioodporna ubita masa.Na wewnetrznej stronie obudowy umocowane sa listwy, które dziela te wewnetrzna przestrzen na wiele odcinków, a które wchodza do ubitej masy.Celem zastosowania tych listew bylo to, aby mimo nie¬ uniknionego tworzenia sie rys miedzy ubita masa a we¬ wnetrzna strona obudowy, uniknac powstawania wielko- 20 30 plaszczyznowych, bladzacych pradów goracego gazu na. scianie obudowy.Zgodnie z wynalazkiem listwy moga sluzyc równiez do utrwalenia dlugosci sciany rurowej bez tworzenia sztywnego 5 polaczenia miedzy tymi listwami a rurami sciany rurowej.Obudowa jest umieszczona wewnatrz zewnetrznego na¬ czynia cisnieniowego. Przestrzen miedzy plaszczem ze¬ wnetrznego naczynia cisnieniowego i obudowa jest pola¬ czona jednym lub. wieloma otworami z przestrzenia reak- 10 cyjna wewnatrz obudowy. Na zewnetrznym naczyniu cisnieniowym znajduje sie jeden lub wiele krócców do wprowadzania obojetnego gazu, którym mozna przemywac przestrzen miedzy zewnetrznym naczyniem cisnieniowym a obudowa.W korzystnej formie wykonania wynalazku w stosunku do reaktorów ze stojaca, cylindryczna przestrzenia reak¬ cyjna, której strony czolowe zaopatrzone sa w aksjalne otwory dla zamocowania palników, wzglednie odprowa¬ dzania surowego gazu i zuzla, w reaktorach tych cylin- . dryczna czesc sciany rurowej sklada sie z jednej lub wielu równoleglych rur zwinietych w jedno- lub wielokrotna spirale, a których krany wlotowe i wylotowe dla srodka chlodzacego sa prowadzone poprzez obudowe i poprzez ' latwo rozlaczalne, szczelne w stosunku do cisnienia prze- 25 pusty znanej konstrukcji przez zewnetrzne naczynie cis¬ nieniowe. Rury wyposazone sa w kolki metalowe na scianie^ skierowanej ku osi spirali.Zgodnie z wynalazkiem na zewnetrznej stronie obudowy otaczajacej spirale rurowa w co najmniej jednej plaszczyznie horyzontalnej umieszczone sa jedna lub wiele listew, które siegaja do wnetrza przestrzeni miedzy dwoma sasiednimi zwojami rur.Wedlug wynalazku dlugosc jednej listwy odpowiada g5 jednemu pelnemu zwojowi. Konce listwy sa polaczona dalsza, równolegla do osi listwa, której zewnetrzne brzegi sa dopasowane do zewnetrznego profilu zwoju rurowego*, a wiec zaleznie od ilosci zyl spirali zaopatrzonych w jeden lub wiele pólkolistych wycinków których promien i odstep 40 dopasowany jest do srednicy rury wzglednie do odleglosci skretów zwoju. Przestrzen posrednia miedzy zwojem rur a wewnetrzna strona obudowy i tworzaca kontur prze¬ strzeni reakcyjnej, zaopatrzona w kolki strona sciany ru¬ rowej,*sa wylozone ognioodporna ubita masa. 45 Wedlug wynalazku, sciana rurowa pokryta ubita masa wraz z obudowa, przede wszystkim poprzez spawane zlacze miedzy obudowa a wlotowymi i wylotowymi koncami rur i poprzez odpowiednie polaczenie, tworzy jednostke konstrukcyjna i moze byc jako calosc wprowadzona i wmon- 50 towana do zewnetrznego naczynia cisnieniowego wzglednie^ po uwolnieniu przepustów gazoszczelnych na koncach rur usunieta z niego poprzez zewnetrzne naczynie cisnieniowe.- Zgodnie z rozwiazaniem wedlug wynalazku przy odpo¬ wiednim wyskalowaniu otworów laczacych miedzy prze- 55 strzenia reakcyjna wewnatrz obudowy, a przestrzenia posrednia miedzy zewnetrznym naczyniem cisnieniowym a obudowa jest mozliwe takie ustalenie ilosci obojetnega gazu przeplukujacego, ze przy najmniejszym zapotrzebo¬ waniu na gaz przeplukujacy uniemozliwia sie surowemu 60 gazowi dostep do tej przestrzeni posredniej. Jedynie w fazifr wzrostu cisnienia w przestrzeni reakcyjnej podczas procesu rozpalania trzeba w zaleznosci od wielkosci objetosci swo¬ bodnej wspomnianej przestrzeni posredniej i od gradientu wzrostu cisnienia w przestrzeni reakcyjnej tak dalece wy- 65 regulowac ilosc gazu obojetnego, zeby szybkosc przeplywu5 gazu obojetnego z przestrzeni posredniej do wnetrza obu¬ dowy byla stale wyzsza od zera.W rozwiazaniu wedlug wynalazku, ze wzgledu na rezyg¬ nacje ze sztywnego polaczenia miedzy poszczególnymi rurami lub zwojami rur, zostaje zachowana wystarczajaco elastyczna moznosc ksztaltowania sciany rurowej, tak ze poszczególne rury moga poddawac sie termicznym wy¬ dluzeniom i kurczeniom warstwy z ubitej masy pokrytej w czaste dzialania warstwy zestalonego zuzla, a tym samym zmniejsza sie niebezpieczenstwo odpadania ubitej masy.Rozwiazanie wedlug wynalazku umozliwia poza tym dokladne przeplukanie sciany wewnetrznej zewnetrznego naczynia cisnieniowego, tak ze mofcna uniknac termicznych i korozyjnych dzialan na plaszcz naczynia cisnieniowego ze strony surowego gazu. Wynalazek objasniono na pod¬ stawie podanych fig. 1—3.Fig. 1 ilustruje schematyczne ujecie reaktora do czescio- " wego utleniania paliw pylistych pod zwiekszonym cisnie¬ niem. Fig; 2 przedstawia wycinek 4-pasmowego zwoju rur.Fig. 3 — podaje szczególowy przekrój przez obudowe, zwój rur jak równiez warstwe ubitej masy i warstwy zuzlu wzdluz zaznaczonej na rys. 1 liriij przeciecia AB.Opracowany dla cisnienia 3,0 MPa i przeznaczony do zgazowania pylu wegla brunatnego o zawartosci okolo 10% popiolu za pomocajczesciowego utleniania tlenem technicz¬ nym, reaktor, fig. 1, posiada cylindryczna przestrzen reak¬ cyjna, którego obie strony czolowe sa zaopatrzona w aksjalne otwory dla umocowania-palnika wzglednie usuwania su¬ rowego gazu, i z dwuczesciowego zewnetrznego naczynia cisnieniowego 1, skladajacego sie z korpusu naczynia cisnie¬ niowego 3 i polaczonej flansza pokrywy 2. W jego wnetrzu znajduje sie wlasciwa przestrzen reakcyjna 4, w której w temperaturze koncowej okolo 140O°C i pod wyzej po¬ danym cisnieniem reaguja ze soba tlen techniczny i pyl wegla brunatnego w plomieniu dajac gaz zawierajacy CO i H2. ' Doprowadzenie skladników reakcji nastepuje przez wkladke palnikowa 5, w której znajduja sie takze urzadzenia 0 zaplonowe i do mierzenia temperatury w przestrzeni reak¬ cyjnej. Wytworzony surowy gaz o temperaturze okolo 1400 °C wchodzi wspólnie z cieklym zuzlem do urzadzenia usuwajacego i chlodzacego 6, przez które opuszcza on reaktor i po oddzieleniu zwiru doprowadzany jest do dalszej przeróbki. Przestrzen reakcyjna jest otoczona przez utwo¬ rzony z 4 rur czteropasmowy zwój rur 7.Ze wzgledu na .przejrzystosc na fig. 1 pokazano jedynie jeden krag tego zwoju, podczas gdy na fig. 2 przedstawiono w perspektywie wycinek zwoju wytworzony z czterech rur. Rury zwoju sa zaopatrzone na stronie zwróconej w kie¬ runku przestrzeni reakcyjnej w przyspawane kolki 23, jak to dokladnie pokazano na fig. 3.Zwój rur 7 otoczony jest-gazoszczelna oslona 8, która w porównaniu z plaszczem zewnetrznym naczynia cisnie¬ niowego wykonana jest ze stosunkowo cienkiej blachy.Odstep miedzy zewnetrzna strona rur tworzacych zwój a oslona wynosi okolo 2 cm. Oslona wraz ze zwojem rur opiera sie na podpórkach nosnych 9, które zmniejszaja nacisk na nizsze dno naczynia cisnieniowego 1.Ze wzgledu na wygodny montaz oslona zaopatrzona jest u góry w ucha nosne 10 dla przymocowania podnosników.Przestrzen posrednia 11 miedzy oslona 8 a plaszczem ze¬ wnetrznego naczynia cisnieniowego 1 jest polaczona po¬ przez /okragla szpare 12 miedzy wkladka palnikowa 5 a górnym otworem w oslonie z przestrzenia reakcyjna 4.Drugie polaczenie tych przestrzeni nastepuje przez dolna 7 620 szpare okragla 13 miedzy dolnym otworem oslony 8 i urza¬ dzeniem usuwajacym i chlodzacym 6 dla surowego gazu, fyóra to szpara jest w czasie pracy reaktora prawie calko^ wicie zasklepiona zuzlem. 5 Za pomoca krócca 22, który przechodzi przez otwory 12 i 13 w formie okraglej szpary do przestrzeni reakcyjnej istnieje mozliwosc przeplukania azotem przestrzeni po¬ sredniej 11. Górne i dolne konce 15 rur tworzacych zwój rur 7 sa polaczone, poprzez latwo umieszczanie dospawane • io przewody 14 przez dno korpusu naczynia cisnieniowego 3 wzglednie pokrywy 2, wyprowadzone na zewnatrz — czego nie przedstawiono na fig. 1, z przewodami doprowadzaja¬ cymi i odprowadzajacymi wode chlodzaca. Cisnienie wody w rurach chlodzacych wynosi 4,0 MPa, i jest wyzsze anizeli 15 cisnienie w przestrzeni reakcyjnej. Temperatura doprowa¬ dzanej wody wynosi 160 °C i jest wyzsza anizeli punkt rosy surowego gazu, który lezy okolo 150°C.Wewnetrzna strona oslony 8 wyposazona jest-na calej swej wysokosci w szereg listw 16, uformowanych srubowo 20 z takim samym skokiem jak helikoidalne rury 7, wnikaja¬ cych do przestrzeni posredniej miedzy dwoma sasiednimi nitkami zwoju mniej wiecej do wysokosci osi rur. Dlugosc jednej listwy 16 odpowiada; jednemu pelnemu skokowi sruby. Ukosnie, jeden ponad drugim lezace konce kazdej 25 listwy 16 sa, jak to widac na fig., 3, polaczone z dalsza, pionowo ustawiona listwa 17, której zewnetrzny brzeg zaopatrzony jest w cztery pólkoliste wycinki 18, których promien i odleglosc odpowiadaja przekrojowi rur i od¬ sunieciu zwoju w pasmie skreconych rur skladajacym sie 30 z czterech rur 7. Pionowa listwa 17 wchodzi w formie grzebienia w zwój rur 7.Zwój rur 7 umieszcza sie w ognioodpornej ubite/ masie 19 na bazie wegliku krzemu, która wypelnia przestrzen posrednia 24 miedzy zwojem rur 7 a sciana obudowy 8Jak 35 tez pokrywa powierzchnie rur skierowana ku przestrzeni reakcyjnej 4, przy czym grubosc warstwy pokrywajacej rury, wynoszaca okolo 20 mm do wnetrza przestrzeni reakcyjnej, jest tak wybranp, ze temperatura.na powierzchni masy ubitej 19 jest nizsza anizeli temperatura krzepniecia 40 cieklego zuzla wynoszaca okolo 1100°C. Przy natrafianiu cieklego zuzla na sciane wytwarza sie na ognioodpornej ubitej masie 19 zakrzepla warstwa zuzla 20, który w koncu przechodzi w film plynnego sciekajacego zuzla 21, jak pokazuje to fig. 3. 45 Odnosnie grubosci stalej i plynnej warstwy zuzla ustala sie w czasie pracy reaktora stan równowagi, uzalezniony od temperatury, warunków przechodzenia ciepla i wydaj¬ nosci reakcji plomieniowej w przestrzeni reakcyjnej 4 z jednej strony a od intensywnosci chlodzenia i przewo- 50 dzenia ciepla w ubitej masie 19 i rurach chlodzacych z dru¬ giej strony. Ubita masa 19 i zakrzepla warstwa zuzla 20 tworza stosunkowo stala i sztywna opaske i sa, w szcze¬ gólnosci przy procesach rozruchu i oprózniania jak równiez zmianach stanu dzialania w ruchu, poddane rozciaganiu 55 i sciskaniu.Wybrane rozwiazanie daje jednak wystarczajaco duza elastycznosc zwoju rur 7 tak, ze.moze on poddawac sie ruchom termicznym ubitej masy i zuzla. W ten sposóbe zredukowano znacznie niebezpieczenstwo odpadania ubi- co tej masy. Mimo to jest nie do unikniecia wystepowania w czasie pracy pekniec miedzy ubita masa 19 i sciana oslo¬ ny 8.Jednak wchodzac w ubita mase 19 listwy 16 oraz pionowo listwy 17 zapobiegaja wieloplaszczyznowym tylnym oply- 65 wom ubitej masy 19 przez gorace gazy, tak ze nie moze117 620 7 nastapic przegrzanie oslony 8. Oslona 8 osiaga mniej wiecej temperature odpowiadajaca sredniej temperaturze srodka chlodzacego w zwoju rur 7 (okolo 18Ó°C). W ten sposób zapobiega sie kondensacji pary wodnej. Doprowadzana do przestrzeni posredniej 11 miedzy zewnetrznym na¬ czyniem cisnieniowym 1 i oslona 8 przez króciec 22 ilosc azotu jest przy normalnej pracy tak odmierzana, ze szyb¬ kosc w. górnym otworze pierscieniowym 12 i dolnym otworze pierscieniowym 13 wynosi okolo 2,0 m/s. Jedynie w tych okresach pracy, w których wzrasta cisnienie w przestrzeni reakcyjnej 4, zredukowany do normalnego cisnienia prze¬ plyw azotu podwyzsza sie do wartosci, która jest troche Ap i wyzsza od wartosci Vzw • "^T * ~^1 przy czym Vzw. oznacza objetosc przestrzeni* posredniej 11, AF/Ar oznacza wzrost cisnienia w jednostce czasu a Po jest cisnieniem normalnym.Na plaszczu zewnetrznego naczynia cisnieniowego 1 utrzymuje sie od wewnatrz atmosfere azotu, co zapobiega skraplaniu pary wodnej z surowego gazu. Dla ograniczenia temperatury zewnetrznego naczynia cisnieniowego 1 do wartosci wykluczajacych obciazenie personelu obsluguja¬ cego, wewnetrzna strona zewnetrznego naczynia cisnie¬ niowego 1 jest zaopatrzona w riieprzedstawiona fig. 1 cienka izolacje. PL