УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ГОРЕЛОК С СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ С ГОРЕЛКАМИ В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ С ГАЗИФИКАЦИЕЙ В ПОТОКЕ
BURNER ATTACHMENT DEVICE WITH COOLING SYSTEM FOR BURNER PLANT IN GAS GENERATOR WITH FLOW GASIFICATION

Изобретение относится к устройству крепления горелок с системой охлаждения для горелок, в частности для горелок, соединенных в рабочем порядке с газовым реактором с воздушным потоком.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные устройства для охлаждения горелок реакторов.
В известных до сих пор конструкциях в области устройств для крепления горелок в системах с пилотными, главными и пусковыми горелками, которые соединены в рабочем порядке с реакторами для газообразования с воздушным потоком, система охлаждения горелок выполнена большей частью в виде змеевиковой системы и включает в себя подачу и отвод воды. Формирование устройства охлаждения ставит еще много вопросов с конструктивной точки зрения, чтобы при оптимальном расположении установки и правильном размещении горелок над самим реактором было обеспечено такое охлаждение в месте соединения горелок с реактором, чтобы это не влекло за собой перегрев элементов, приводящий к потере надежности системы. Риск потери надежности за недостатком охлаждения возникает тогда, когда перегрев может привести к нарушению герметичности частей устройства и тем самым к выходу газов из системы. Поэтому к известным системам имеются вопросы, относящиеся к безопасности и исправности; улучшение безопасности требует зачастую больших инвестиций.
Устройство крепления горелок со встроенной системой охлаждения описано, например, в патенте DE 269065. Выбранный упругий элемент для крепления охлаждающей трубки, размещения охлаждающих трубок и возможность установки только одной горелки вызывают опасность зашлаковки в области внешнего края реактора, и большие реакторы обладают слишком малым потенциалом мощности, что является недостатком.
В патенте DE 4416037 описано устройство для запирания отверстия, доступного для осмотра, и для крепления горелок для газогенераторов с наддувом, которое содержит охлаждающий диск для специального подвода и отвода охлаждающей воды, а также специальную подвесную опору для трубопровода для отвода тепла. Это решение так же не отвечает требованиям безопасности, благоприятного поддержания в исправном состоянии и расходов средств, предъявляемым к системе с несколькими горелками и большой мощностью таких реакторов.
Поэтому необходимо улучшить надежность и безопасность установки в отношении неконтролируемого перегрева затвора реактора.
Раскрытие
Исходя из имеющегося уровня техники, в основе представленного изобретения лежит задача создания улучшенного устройства крепления горелок с системой охлаждения для установки с горелками в газогенераторе с воздушным потоком. Эта задача решается с помощью устройства, имеющего признаки п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны в зависимых пунктах формулы.
Пример выполнения изобретения относится к устройству крепления горелок, установленному на газовом реакторе с воздушным потоком. Устройство крепления горелок содержит, по меньшей мере, две горелки, направленные в газовый генератор с воздушным потоком. Сверху устройство для крепления горелок герметично закрыто фланцем, через который проходят горелки и необходимые подводящие и отводящие трубопроводы. Устройство охлаждения находится в устройстве для крепления горелок, оно имеет выгодным образом, по меньшей мере, два независимых друг от друга охлаждающих контура. Таким образом, выход из строя одного охлаждающего контура можно компенсировать другим. Кроме того, каждый охлаждающий контур можно заменить другим. К тому же каждый охлаждающий контур относится только к одной горелке, выгодным образом его можно поделить на участки, так чтобы следующий участок был готов к охлаждению поверхности, находящейся на торцевой стороне воздухопоточного газового реактора. Так можно обеспечить равномерное охлаждение во всей области соединения реактора с горелками. Благодаря такой конструкции охлаждающие змеевики, образующие охлаждающие контуры, устойчиво устанавливают без дополнительного крепления. Целесообразным является, кроме прочего, состав слоя внутренней камеры устройства для крепления горелок, который формируется снизу вверх и начинается с теплопроводящего материала, а заканчивается теплоизолирующим материалом, так что желаемый отвод тепла происходит только в желаемых областях, в то время как через верхнюю часть не произойдет ненужной потери температуры системы.
Устройство охлаждения может быть выполнено целесообразно из охлаждающих змеевиков, которые можно умело навить без перерыва охлаждения.
Другой пример выполнения относится к тому, что, по меньшей мере, 20% общей высоты горелки окружены без перерыва охлаждения соответствующим участком охлаждающего змеевика, так что, по меньшей мере, горячая зона горелки, имеющая температуру от 1600°C до 1800°C, надежно охлаждается.
Еще один пример выполнения изобретения предлагает целесообразно независимую одновременную подачу охлаждающей жидкости в независимые охлаждающие контуры.
Наконец, примеры выполнения относятся к тому, что упомянутый слой из изолирующего материала представляет собой огнеупорную заливочную массу толщиной 2,0 кг/л, предпочтительно 1,5 кг/л. Это может быть огнеупорный легкий бетон.
Другие примеры выполнения показывают, что слой устойчивого, по меньшей мере, к температуре 800°C насыпного материала состоит из гранулированного шамотного кирпича или другого легкого кирпича.
Кроме того, теплопроводящий слой может состоять из огнеупорного бетона, в частности плотного огнеупорного тяжелого бетона, тогда как изолирующий слой целесообразно не является плотным огнеупорным бетоном.
Эти и другие преимущества раскрыты в нижеследующем описании изобретения.
Краткое описание чертежей
Описание опирается на фигуры чертежей. Объекты или элементы объектов, которые по существу одинаковы или подобны, обозначены одинаковыми позициями. Фигуры являются лишь схематичными изображениями примеров выполнения изобретения.
Фиг.1 - продольное сечение заявленного устройства для крепления горелок с установкой системы охлаждения для горелок, главными горелками, пусковой горелкой, отдельными охлаждающими трубками и устройством охлаждающих змеевиков, а также материалами, из которых состоит слой.
Фиг.2 - вид сверху на реактор (частичное сечение).
Описание
Устройство в соответствии с предложенным изобретением служит для улучшенного охлаждения и тем самым для улучшенной безопасности устройства, пригодного для производства синтез-газа и содержащего одну или несколько горелок, которые в рабочем порядке соединены с газогенератором с воздушным потоком. В принципе заявленное устройство крепления горелок с системой охлаждения для горелок служит для охлаждения камеры, окружающей горелку или горелки и проходящей от стороны устройства для крепления горелок, обращенных к реактору (обозначенной далее как «торцевая поверхность реактора»), до устройства для крепления газовой горелки или горелок, которое целесообразно представляет собой фланец. Благодаря подведенному охлаждению можно избежать термического перегрева подвергающихся нагрузке элементов, в частности уплотнения, например уплотнение фланца и отдельных фланцев, находящиеся на трубах, удерживающих горелки, защищают путем снижения температуры, не допуская перегрева, и тем самым предотвращается повреждение фланца, уплотнений и других элементов, которое могло бы наступить в результате такого перегрева и которое могло бы привести к выходу газов, участвующих в проводимых реакциях. Специалисту известно, что такой выход газа таит в себе огромную опасность. Кроме того, снижение температуры способствует сбережению материала, из которого изготовлены элементы, благодаря чему сокращаются расходы на поддержание устройства в исправном состоянии.
Поэтому для создания улучшенной системы охлаждения, для таких горелок, которые соединены с газогенератором и поэтому расположены на его торцевой стороне и которые удерживаются там соответственно с помощью устройства для укрепления согласно изобретению, имеются несколько независимых друг от друга устройств охлаждения, которые охлаждают и эту торцевую сторону, и самые горячие участки горелок. Здесь удерживающее устройство для газовых горелок, внутри которого находится устройство охлаждения, названо «устройством для крепления горелок». Несколько самостоятельно работающих змеевиковых систем охлаждения выполнены как устройства охлаждения. Установки для производства синтез-газа, имеющие в центре устройства для крепления горелку в качестве пусковой горелки, и множество горелок, рассредоточенных в виде так называемых главных горелок, так что они при необходимости находятся на равном расстоянии от центральной горелки, могут быть поэтому оснащены так называемым «внутренним охлаждающим контуром» для охлаждения центральной горелки и «внешним охлаждающим контуром» для охлаждения горелок, рассредоточенных вне центра. Таким образом, с помощью охлаждающих змеевиков самостоятельные внешние и внутренние охлаждающие контуры можно расположить в виде части устройства для крепления горелок, обозначенной как «секция».
При этом имеет значение то, что разные горелки, например пусковая и главная горелки, выполняющие разные функции, а потому имеющие и разную мощность, охлаждаются отдельно друг от друга охлаждающими контурами, чтобы в случае выхода из строя охлаждающего контура не вызвать перегрева всего устройства для крепления горелок. Охлаждающий контур может быть, однако, предназначен для охлаждения одновременно горелки и части торцевой поверхности; он имеет в известной степени разные участки, горизонтальный и вертикальный, который образует, так сказать, «воротник» вокруг горелки, т.е. краевой выступ.
Таким образом, охлаждение происходит, во-первых в плоскости, образующей место соединения реактора с устройством для крепления горелок (торцевой поверхности), а во-вторых, горелки, например пусковая горелка и главная горелка, дополнительно охлаждаются в своей нижней области. Обычные горелки выполнены в основном в виде трубок, в достаточной степени их можно уже охладить, охладив, по меньшей мере, их часть; такое частичное охлаждение происходит вокруг их самой горячей области, т.е. вокруг концевой части трубки горелки, указывающей в сторону реактора (далее «нижний конец), с помощью охлаждающих змеевиков. При этом достаточно охладить лишь нижнюю треть горелки, целесообразно, по меньшей мере, нижнюю пятую часть горелки, т.е. примерно 20% высоты горелки в пересчете на общую высоту внутри устройства для крепления горелок.
При другой геометрии горелка обмотана охлаждающими змеевиками целесообразно настолько, что зона, где царят температуры до 1800°C, охлаждается опосредовано. При этом навивка охлаждающих змеевиков самостоятельно работающих охлаждающих контуров разных горелок выполнена так, что отсутствуют какие-либо прерывания охлаждения. Такая навивка специалисту известна.
Длина змеевика для охлаждения отдельных горелок, т.е. участок змеевика, присутствующий в качестве навивки вокруг нижней части горелки, может составлять более 20% общей длины всей отдельной охлаждающей системы. Змеевиковая охлаждающая система, расположенная вокруг главной горелки, может быть поделена на две или несколько отдельных систем. Навитые участки змеевика, которые образуют что-то вроде «воротника» на нижней части горелки вокруг ее направляющей трубки, охлаждаются так же как «воротник» или краевой выступ, расположенный вокруг направляющей трубки пусковой горелки, т.е. одновременно с участками змеевика, находящимися на торцевой стороне реактора. Таким образом, целесообразно подготавливается закрытая поверхность охлаждения на торцевой поверхности реактора и вдоль нижнего участка всех горелок, причем высоту краевого выступа можно выбрать независимо друг от друга. Далее выгодно, чтобы охлаждение нижних областей горелок происходило одновременно с помощью расположенных независимо друг от друга охлаждающих контуров, так чтобы выход из строя одного охлаждающего контура не приводил к перегреву всего устройства для крепления горелок, так как следующие подготовленные охлаждающие контуры могут компенсировать ошибку.
Для защиты стороны общей системы, обращенной внутрь реактора, и нижних частей отдельных горелок от термических перегревов, охлаждающая змеевиковая система отдельных охлаждающих систем сформирована таким образом, что наружная охлаждающая система принимает и охлаждение верхней стороны реактора, и охлаждение нижних областей главной горелки. Целесообразно заявленное устройство охлаждения с устройством для крепления газовых горелок дает дальнейшее охлаждение по сравнению с описанным в уровне техники, которое, кроме прочего, обеспечивает улучшенную надежность благодаря раздельным охлаждающим контурам.
В заявленных примерах выполнения изобретения отдельные змеевиковые системы охлаждения охлаждают и поверхность устройства для крепления горелок, обращенную к реактору, и нижние области главной горелки и пусковой горелки. Одновременное охлаждение отдельных горелок и отдельной поверхности дает, в частности, такое преимущество в конструктивном плане, что не нужно отдельное устройство, удерживающее змеевики. При применении двух охлаждающих контуров длины трубок для соответствующего, прилегающего к плоскости участка и участка, образующего краевой выступ («воротник»), одинаковы, так что при выходе из строя одной системы охлаждения все еще остается 50% от общего охлаждения.
Что касается пусковой горелки, расположенной в центре, то охлаждение происходит таким образом, что пусковая горелка образует с внутренним охлаждающим контуром, включая подводящие и отводящие трубки для охлаждающей воды, один конструктивный узел.
Внешнюю систему охлаждения для главной горелки или для главных горелок можно укрепить в заявленном устройстве для крепления газовых горелок на оболочке, закрепленной на фланце, так называемом главном фланце, находящемся на верхних концах горелки. Закрепить можно на краевом выступе или «воротнике». Эта оболочка служит также для приема других элементов, удерживающих газовые горелки, которые так же берут на себя защитную функцию в отношении контроля температуры.
Согласно изобретению главный фланец устройства для крепления газовых горелок будет принимать на себя значительную долю давления, возникающего в системе, а другие элементы будут защищены от перегрева с помощью следующей системы. Внутри указанной оболочки под фланцем выкладывают слои из теплопроводящих и теплоизолирующих материалов, которые образуют многократную защиту. Нижняя область горелок, которая обвита охлаждающими змеевиками так, что образуется так называемый воротник, залита массой, имеющей температуру при применении, по меньшей мере, 1500°C, т.е. являющейся огнестойкой, и имеет очень хороший коэффициент теплопроводности. В качестве подходящих масс для этого самого нижнего слоя рассматривают плотную заливочную массу, в которой главным компонентом является карбид кремния с коэффициентами теплопроводности от 5 до 15 Вт/(м·К) при температурах от 1000°C, а также плотный огнеупорный бетон, в котором главными компонентами являются окись алюминия и/или окись хрома и/или окись кремния с коэффициентами теплопроводности от 3,0 до 4,0 Вт/(м·К) при температурах от 1000°C. Эти огнестойкие заливочные массы могут иметь плотности от 2,4 до 3,6 кг/л; в принципе, однако, такая подходящая огнестойкая масса или огнеупорный бетон может иметь плотность от 2,0 до 4,0 кг/л.
Кроме того, охлаждающие змеевики устройства для крепления газовых горелок могут иметь на стороне камеры сжигания для защиты от коррозии и химических воздействий газовой атмосферы и от шлаков известные из технологии устройства генераторных станций и технологии газификации шиповку и защитный слой, содержащий подходящие массы с высокой теплопроводностью, в состав которых входит SiC.
Под главным фланцем пространство между горелками заполнено изолирующей заливочной массой меньшей плотности - от 1,0 до 2,0 кг/л. Сюда относятся теплоизолирующие и огнеупорные легкие бетоны, обладающие высокой тепловой защитой с коэффициентом теплопроводности от 0,1 до 0,8 Вт/(м·К).
Между слоем хорошо изолирующего заливочного материала на главном фланце и материалом с хорошим коэффициентом теплопроводности на нижнем конце горелок пространство заполняют рыхлым теплоизолирующим насыпным материалом, который может представлять собой огнестойкие изолирующие гранулы, например, из огнеупорной глины или другого огнеупорного легкого кирпича. Предпочтительно плотность составляет 1 кг/л, огнестойкость должна составлять, по меньшей мере, 800°C. Крупность зерен составляет от 8 до 12 мм, предпочтительно диаметр составляет примерно 10 мм.
Сам реактор так же имеет охлаждающую рубашку, которая проходит вверх к устройству для крепления газовых горелок таким образом, что окружает торцевую поверхность наподобие воротника. Этот воротник или краевой выступ чуть ли не окружает систему охлаждения, предоставленную устройством для крепления горелок. В заявленном устройстве высота наружного кольца устройства для крепления горелок, образованного охлаждающими трубками, соответствует высоте намотанного краевого выступа находящейся напротив охлаждающей рубашки реактора, так что между обеими системами охлаждения имеется кольцевой зазор. Ширина зазора между охлаждающими элементами, охлаждающим краевым выступом реактора и намотанным наружным кольцом устройства для крепления горелок может составлять от 5 до 50 мм.
Установленный кольцевой зазор продувается целесообразно непрерывно инертным газом, так что реакционные газы, которые возможно проникают в кольцевой зазор, не накапливаются или присутствуют в незначительном количестве, и вызывающие коррозию силы могут отсутствовать. Продувка кольцевого зазора инертным газом служит, таким образом, также для защиты устройства для крепления горелок. Снаружи кольцевой зазор набит огнестойким гибким уплотнительным шнуром, состоящим из подходящих керамических волокон с главным компонентом окисью алюминия и окисью кремния, которые в целом обеспечивают достаточную проницаемость для отходящих потоков инертного продувочного газа для продувки кольцевой камеры и для обеспечения термически обусловленных относительных движений охлаждающей рубашки, а также устройства для крепления горелок.
Согласно изобретению устройство для крепления газовых горелок, как было сказано, заполнено насыпным материалом, изолирующим тепло, и отделено катаной обшивкой, т.е. уже описанной оболочкой, от главного фланца, причем катаная оболочка фиксируется на краевом выступе главного фланца с помощью просечных штифтов или других крепежных устройств. Таким образом, в случае ремонта после удаления просечных штифтов оболочку можно демонтировать вниз. Таким образом, рыхлый насыпной материал, изолирующий тепло, высыпают из устройства для крепления горелок, после чего появляется возможность простым способом заменить охлаждающий элемент после отделения трубы для охлаждающей воды.
На фиг.1 показан внешний охлаждающий контур 1 - при расположении пусковой горелки 4 в центре, а главной горелки 5 вне центра - и внутренний охлаждающий контур 2 с участком змеевика, расположенным на пусковой горелке 4, участком охлаждения пусковой горелки 3. Участок змеевика 6 принимает охлаждение нижней области главной горелки 5. Все устройство для крепления горелок 7, элементы которого выполнены в основном сменными и расположенными над системой реактора 8, служит также для подачи и отвода необходимой охлаждающей воды через нагнетательные штуцеры и трубки 9, 10. Как показано на фиг.1, охлаждающая вода для охлаждения отдельных систем поступает по нагнетательным штуцерам 9, 10 и другим, не показанным штуцерам, приваренным к основному фланцу 11.
Охлаждение для расположенной в центре пусковой горелки 4 осуществляется по охлаждающей змеевиковой системе, которая принимает охлаждение как внутренней области общей системы устройства для крепления горелок 7, так и нижней части пусковой горелки 4. Крепление змеевиковой системы, которая подготавливает внешний охлаждающий контур 1, осуществляется на отдельной оболочке 12, которая жестко соединена с главным фланцем 11 общей системы. Главный фланец 11 защищает от слишком большой тепловой нагрузки с помощью системы, состоящей из нескольких элементов и выполненной из материалов с разным коэффициентом теплопроводности и включающей в себя изолирующую тепло засыпку 17 для заполнения полостей, теплопроводящий слой огнеупорного бетона 18 и изолирующий слой легкого огнеупорного бетона 19.
Участок охлаждающего змеевика, образуя наружное кольцо 13, проходит по внешнему краю устройства для крепления газовых горелок с торцевой стороны газового реактора вверх и, по меньшей мере, вдоль части оболочки 12, причем высота уходящих вверх трубок охлаждающего змеевика соответствует высоте краевого выступа 14 охлаждающей рубашки газового реактора 8, так что между краевым выступом 14 и уходящими вверх трубками охлаждающего змеевика получается кольцевой зазор 15, ширина которого составляет от 5 до 50 мм.
Кольцевой зазор 15 имеет на нижнем конце устройства для крепления горелок 7 уплотняющую шнуровую прокладку 20, препятствующую проникновению в кольцевой зазор 15 шлаков.
На фиг.2 представлен вид сверху на устройство для крепления горелок 7; три главные горелки 5 окружены внешним охлаждающим контуром 1, питающимся через штуцеры для подачи охлаждающей воды 9 и 10. Пусковая горелка 4 окружена внутренним охлаждающим контуром 2, который так же питается через штуцеры для подачи охлаждающей воды 9 и 10. Участок внутреннего охлаждающего контура 2 является секцией охлаждения пусковой газовой горелки 3.
В общем-то, с помощью предложенного решения существенное улучшение по сравнению с существующими уже системами достигается уже за счет того, что благодаря отдельно направленному охлаждающему контуру улучшается защита от перегрева. Кроме того, получается хорошее с конструктивной точки зрения расположение необходимых для охлаждения змеевиков, не требующих отдельных держателей. Кроме того, выгодно, что элементы устройств для крепления горелок, например охлаждающие змеевики или изолирующие материалы, являются сменными.
Перечень обозначений
1
внешний охлаждающий контур для главных горелок
2
внутренний охлаждающий контур для пусковой горелки
3
участок охлаждения пусковой горелки
4
пусковая горелка
5
главная горелка
6
участок охлаждения главной горелки
7
общая система устройства для крепления горелок
8
реактор с воздушным потоком
9
штуцеры для подачи охлаждающей воды
10
штуцеры для отвода охлаждающей воды
11
главный фланец
12
оболочка устройства охлаждения в устройстве для крепления горелок
13
наружное кольцо
14
обмотанный краевой выступ охлаждающей рубашки
14<sup>7</sup>
охлаждающая рубашка реактора
15
кольцевой зазор
16
кольцевая камера
17
изолирующий насыпной материал
18
теплопроводящий слой огнеупорного бетона
19
изолирующий слой легкого огнеупорного бетона
20
уплотняющая шнуровая прокладка