DE10006684A1 - Vorrichtung zur Beheizung von Feststoffwirbelschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung von Feststoffwirbelschichten mit heißem Rauchgas und die Verbrennung von Zusatzbrennstoffen gemeinsam mit Luft und mit Sauerstoff angereicherter Luft im Wirbelraum. DOLLAR A Durch ein Zuführungssystem für Rauchgas aus der Verbrennung von Primärbrennstoff mit Primärluft, Zusatzbrennstoff, Kühlluft und Sekundärluft zum Wirbelschichtraum, wird das in einer unter dem Brennerrost (1) befindlichen Brennkammer (2) erzeugte Rauchgas in einem Rauchgasrohr (3) direkt zum über dem Brennerrost (1) befindlichen Brennerpilz (4) mit der Form einer Kugelkalotte geführt. In das Rauchgasrohr (3) wird ein Kühlluftrohr (5) eingeführt, in dem koaxial ein Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) angeordnet ist, welches im Rauchgasrohr (3) bis in die Nähe der Unterseite des Brennerpilzes (4) geführt wird. DOLLAR A Das Gemisch aus Rauchgas, Kühlluft und Zusatzbrennstoff gelangt über die abwechselnd nach oben und unten geneigten Austrittskanäle (7) aus dem Brennerpilz (4) optimal vermischt direkt in die Wirbelschicht. DOLLAR A Der so ausgestaltete Brennerpilz (4) ist ein einfacher Brennerpilz mit nur einkanaligem Zuführungsrohr für Rauchgas. DOLLAR A Das Zuführungssystem wird mehrfach auf dem Brennerrost (1) eines Wirbelschichtofens in unterschiedlichen der Wirbelschichtofengröße entsprechenden erforderlichen Anzahl und Ausführungsformen angeordnet. DOLLAR A Das Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) ist für die Zuführung unterschiedlicher gasförmiger Medien geeignet und der Zuführung ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung von Feststoffwirbelschichten mit heißem Rauchgas und die Verbrennung von Zusatzbrennstoffen gemeinsam mit Luft und mit Sauerstoff angereicherter Luft im Wirbelraum.

Für die Beheizung von Feststoffwirbelschichten werden üblicherweise Vorrichtungen benutzt, mit denen entweder die Unterrost- oder die Überrostverbrennung vorge­ nommen werden kann.

Mit der Unterrostverbrennung, bei der in einer Brennkammer durch optimale Ver­ brennung von Primärbrennstoff mit Verbrennungsluft heiße Rauchgase erzeugt wer­ den, die dann über eine Rostkonstruktion der Wirbelschicht zu- und durch diese ge­ führt werden und diese dabei aufheizen, werden im allgemeinen Wirbelschichttempe­ raturen bis zu ca. 900°C erreicht. Die dafür in der Brennkammer erforderlichen Temperaturen gehen dabei an die Grenze der thermischen Belastbarkeit der Rost­ konstruktion.

Werden jedoch Prozeßtemperaturen von < 1000°C in der Wirbelschicht benötigt, ist die thermische Stabilität der Rostkonstruktion nicht mehr gegeben.

Für diese Fälle sind die Vorrichtungen für die Überrostverbrennung geeignet. Dabei werden die Brennstoffe und die Verbrennungsluft einkanalig im Gemisch bzw. mittels zweikanaliger Zuführungen so der Wirbelschicht zugeführt, daß der Brennstoff erst in der Wirbelschicht verbrennt.

Bekannt ist nach DE 43 24 456 eine Vorrichtung zur kombinierten Beheizung von Feststoffwirbelschichten mit heißem Rauchgas und Direktverbrennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe in der Wirbelschicht.

Bei dieser wird durch ein dreikanaliges Zuführsystem gleichzeitig heißes Rauchgas über Verteilerpilze sowie Sekundärbrennstoff und Sekundärverbrennungsluft vorge­ mischt und unterhalb der Rauchgasverteilerpilze der Wirbelschicht zugeführt. Das heiße Rauchgas dient als Zündquelle für das zugeführte Sekundärbrennstoff- Luftgemisch, das dann in der Wirbelschicht verbrennt.

Diese Vorrichtung bringt bedingt durch die Rauchgastemperatur noch eine hohe Temperaturbelastung des Rauchgaskanales und der Verteilerpilze, wodurch diese im praktischen Dauerbetrieb zum Verzundern neigen und verschleißen.

Hinzu kommt, daß durch die Zusammenführung von Sekundärbrennstoff und Sekun­ därverbrennungsluft durch Verbindungsöffnungen in der Rostkonstruktion und dem Kontakt dieses Gemisches mit der bis zu < 1000°C heißen Rauchgasrohrwandung dieses Gemisch bereits im Zuführungskanal zünden kann bzw. der Sekundärbrenn­ stoff gecrackt wird und damit keine ausreichende Gassicherheit gewährleistet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System für die Zuführung von Rauch­ gas aus einer Verbrennung von Primärbrennstoff und Primärverbrennungsluft, Zu­ satzbrennstoff und Sekundärverbrennungsluft zu einem Wirbelschichtraum bereitzu­ stellen, mit dem die auf der Rostkonstruktion eines Wirbelschichtreaktors befindli­ chen Brennerpilze hinreichend gekühlt werden und damit gegenüber der erforderli­ chen hohen Wirbelschichttemperatur und vor Abbrand in oxidierender Atmosphäre bewahrt werden.

Das Zuführungssystem soll eine ausreichende Gassicherheit gewährleisten und mit ihm Reaktionstemperaturen im Wirbelschichtraum von bis zu 1400°C erreicht wer­ den.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das in einer unter der Rost­ konstruktion angeordneten Brennkammer durch optimale verhältnisgeregelte Ver­ brennung von Primärbrennstoff mit Primärluft erzeugte Rauchgas und die über die Brennkammer zugeführte für die Verbrennung eines Zusatzgases erforderliche Se­ kundärluft in einem Düsenrohr direkt unter den Brennerpilz geführt wird.

In das oben genannte Düsenrohr wird ein durch dessen Wandung geführtes über ein Bogenstück verlängertes und bis auf Niveau Brennerrost senkrechtes im Düsenrohr gehaltertes Zuführungsrohr für das Zusatzgas installiert.

Ein um dieses Zuführungsrohr befindliches weiteres Rohr bis an die Wandung des Düsenrohres erfüllt die Funktion eines Kühlmantels. Die durch diesen Ringspalt in das Düsenrohr geleitete Kühlluft ist Bestandteil der für die Verbrennung von Zusatz­ gas erforderlichen Sekundärluft.

Erfindungswesentlich ist, daß die Kühlung des Brennerpilzes über die gesamte In­ nenfläche sehr intensiv ist und dadurch die Temperaturbelastung des Brennerpilzes durch die hohe weit über der Resistenztemperatur des Werkstoffes des Brennerpil­ zes liegende Wirbelschichttemperatur vermindert und das Verzundern und eine mög­ liche Zerstörung des Brennerpilzes verhindert wird.

Durch die Zuführung des Gemisches bestehend aus Rauchgas aus der Primär­ brennstoffverbrennung, Sekundärluft, Kühlluft und Zusatzbrennstoff zum Brennerpilz ist die Verbrennung des Zusatzbrennstoffes nach Austritt des Gemischs aus den Öffnungen des Brennerpilzes in der Wirbelschicht durch die intensive Vormischung und durch die Fluidisierung des Wirbelbettmaterials optimal bei Einhaltung der für die Verbrennung von Zusatzbrennstoff erforderlichen Verbrennungsluftmenge (Luftbe­ darfszahl λ < 1).

Durch entsprechende Auslegung der Düsenrohre und Zuführrohre von Zusatzbrenn­ stoff und Kühlluft liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs weit über der Zündgeschwindigkeit des Zusatzbrennstoffs, so daß die Zündung des Zusatzbrenn­ stoffs garantiert erst nach Austritt aus den Kanälen des Brennerpilzes erfolgt. Damit wird neben der unteren Temperaturgrenze für die Zusatzbrennstoffeinleitung nach DVGW-Richtlinie die Gassicherheit gewährleistet.

Durch die wechselnde Anordnung der Austrittskanäle des Brennerpilzes nach oben und unten mit einer jeweiligen Steigung bzw. Neigung von 5° wird neben dem Schutz der benachbarten Brennerpilze vor direkter Flammeneinwirkung eine zusätz­ liche Verwirbelung des Wirbelmediums Gesamtrauchgas erreicht.

Das erfindungsgemäße Anordnen von einfachen einkanaligen Rauchgasrohren zwi­ schen den Rohrsystemen für die Verbrennung von Zusatzbrennstoff gewährleistet, daß Wirbelschichtöfen für den Einsatz im Hochtemperaturbereich bis 1400°C ein­ setzbar sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.

1. Beispiel

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, die für den Einsatz des Be­ feuerungssystems in der Hochtemperaturwirbelschicht bis zu Temperaturen von 1400°C zur Anwendung kommt.

Dabei wird ein in der Brennkammer (2) durch Verbrennung von Primärbrennstoff mit Primärluft in einem Brenner erzeugtes Rauchgas und zusätzlich über den Mantel des genannten Brenners zugeführte Sekundärluft im Gemisch einem Rauchgasrohr (3) zugeführt, das sich in einem sogenannten "Düsenboden" befindet.

Durch die Mischung von Rauchgas und Sekundärluft bereits in der Brennkammer (2) ergibt sich eine Wandtemperatur des Rauchgasrohres (3), die der Mischungstempe­ ratur aus Rauchgas und Sekundärluft entspricht und damit einer entscheidend gerin­ geren Temperaturbelastung als bei separater Führung des Rauchgases durch ein als Rauchgaskanal bezeichnetes Düsenrohr ausgesetzt ist.

Das in dieses Rauchgasrohr (3) unterhalb des Brennerrostes (1) installierte und bis unter den Brennerpilz (4) geführte Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) erfährt da­ durch maximal die gleiche Temperaturbelastung wie das Rauchgasrohr (3) im Falte der Nichtdurchströmung von Zusatzbrennstoff in der Phase des Aufheizens der Wir­ belschicht auf Zündtemperatur des Zusatzbrennstoffes.

Durch die dargestellte Anordnung des Zusatzbrennstoffzüführungsrohres (5) direkt auf Brennerrostniveau (1) wird erstens der Brennerpilz (4) zusätzlich durch den Zu­ satzbrennstoff unter die Belastungstemperatur gekühlt, die durch das Rauchgas-/ Sekundärluft-Gemisch erzeugt wird und zweitens der Zusatzbrennstoff im Zusatz­ brennstoffzuführungsrohr (6) im geringen Umfang vorgewärmt.

Wird der Brennerpilz (4) bei dem beispielhaften Hochtemperaturwirbelschichtprozeß durch das Wirbelbettmaterial über seine Resistenztemperatur hinaus belastet, wird durch ein das Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) umgebendes Kühlluftrohr (5) Kühlluft geleitet, die die mittlere Temperatur des Brennerpilzes (4) auf Temperaturen unter die Resistenzgrenztemperatur des Brennerpilzwerkstoffes absenkt und das Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) im Feuerfestmaterial des Düsenbodens und den Zusatzbrennstoff vor Crackreaktionen im Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) schützt.

Dieser Effekt der Kühlluft wird auch in der Aufheizphase der Wirbelschicht auf Zünd­ temperatur des Zusatzbrennstoffes zur Absenkung der Rauchgas-/Sekundärluft- Gemischtemperatur und zum Schutz des Zusatzbrennstoffzuführungsrohres (6) aus­ genutzt.

Das Gemisch aus Rauchgas von der Primärbrennstoffverbrennung, aus Sekundär­ luft, Zusatzbrennstoff und Kühlluft strömt durch die Austrittskanäle (7) des Brenner­ pilzes (4), die abwechselnd nach oben und unten angeordnet sind, in den Wirbel­ schichtraum. Der Zusatzbrennstoff ist bei Austritt aus den Austrittskanälen (7) opti­ mal für eine Verbrennung in der Wirbelschicht vermischt und verbrennt mit stabiler Flamme an jedem Austrittskanal (7), wodurch eine weitere über die Zündtemperatur des Zusatzbrennstoffes hinausgehende und eine wesentlich schnellere Temperatur­ steigerung der Wirbelschicht auf T = 1400°C möglich ist.

Diese dargestellte Ausführungsform ist gemäß Anspruch 3 für Wirbelschichtöfen kleineren Typs bis zu einer Brennerrostfläche von A ≈ 0,25 m², d. h. bis zu einem Brennerrostdurchmesser von ca. 0,56 m praktisch realisierbar.

Beispiel 2

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante für die Umsetzung dieser Erfindung auch auf Wirbelschichtanlagen technischer Dimensionen. Dabei wird die für Hochtemperatur­ wirbelschichtanlagen kleiner Dimensionen benötigte Kühlluft zum Absenken der Brennerpilzbelastungstemperatur unter die Resistenztemperatur des Brennerpilz­ werkstoffes in dieser Form nicht realisiert.

Durch die Schaffung eines Zusatzbrennstoffraumes (8) innerhalb des Düsenbodens wird gemäß Anspruch 3 eine der Wirbelschichtofengröße von z. B. 2,5 m² Rostfläche bzw. 1,78 m Brennerrostdurchmesser und den erforderlichen Wirbelbedingungen angepaßte Anzahl von Brennerpilzen (4) mit Zusatzbrennstoffzuführungsrohren (6) derart vorgesehen, daß die Zusatzbrennstoffzuführungsrohre aus der Zusatzbrenn­ stoffkammer (8) in die Rauchgasrohre (3.1) eintauchen und mittig bis unterhalb der Brennerpilze (4) im oberen Brennerrostsegment (1.1) geführt werden.

Im unteren Brennerrostsegment (1.2) werden konform zum oberen Brennerrostseg­ ment (1.1) die Rauchgasrohre (3.2) positioniert, um die Zuführung von Rauchgas aus der Verbrennung von Primärbrennstoff mit Primärluft und Sekundärluft in die Rauch­ gasrohre (3.1) mit Zusatzbrennstoffzuführungsrohren (6) zu realisieren.

In der Aufheizphase der Wirbelschicht auf Zündtemperatur des Zusatzbrennstoffes wird über die Zusatzbrennstoffkammer (8) zum Schutz der Zusatzbrennstoffzufüh­ rungsrohre (6) in den Rauchgasrohren (3.1) im oberen Brennerrostsegment (1.1) Kühlluft eingespeist, die mit Erreichen der Einleitbedingungen für Zusatzbrennstoff abgeschaltet wird. Die Zusatzbrennstoffeinleitung wird gleichzeitig zugeschaltet. Da­ mit wird die Kühlfunktion der Kühlluft durch den Zusatzbrennstoff übernommen.

Der Zusatzbrennstoff ist bei Austritt aus den Austrittsöffnungen (7) auch hier optimal für eine Verbrennung in der Wirbelschicht vermischt und verbrennt mit stabiler Flamme an jeder Austrittsöffnung (7), wodurch eine weitere über die Zündtemperatur des Zusatzbrennstoffes hinausgehende und eine wesentlich schnellere Temperatur­ steigerung der Wirbelschicht möglich ist.

Beispiel 3

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante für die Umsetzung dieser Erfindung auch auf Wirbelschichtanlagen technischer Dimensionen mit Wirbelschichttempera­ turen im Bereich von 700°C bis 950°C.

In dieser Ausführungsvariante werden Zusatzbrennstoff und Kühlluft über die Zu­ satzbrennstoffrohre (6) und Kühlluftrohre (5), die Rohr im Rohr angeordnet sind und durch die Windbox (9) in die Rauchgasrohre (3) bis unterhalb Brennerpilz (4) geführt werden, mit dem Rauchgas aus der Verbrennung von Primärbrennstoff mit Primärluft in einer Brennkammer (2) und mit über den Brenner in die Brennkammer einge­ brachter Sekundärluft der Wirbelschicht gemeinsam zugeführt. Die "Rohr im Rohr-" Anordnung bewirkt, daß das innenliegende Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (8) durch die durch das außenliegende Kühlluftrohr (5) strömende Kühlluft vor direkter Wärme­ belastung durch das aus der Brennkammer (2) austretende Gemisch bestehend aus Rauchgasen und Sekundärluft geschützt wird. In der Phase des Aufheizens der Wir­ belschicht auf Temperaturen, die das Zuschalten von Zusatzbrennstoff gestatten, wird ein Durchströmen der Zusatzbrennstoffrohre (6) mit Kühlluft nicht erforderlich.

Die Kühlluftrohre (5) erfordern den Einsatz von metallischen hochtemperaturfesten Werkstoffen (Beständigkeit in oxidierender Atmosphäre bis 1200°C), da sie durch das Gemisch aus Rauchgasen und Sekundärluft im Aufheizprozeß diesen Tempe­ raturen äußerlich ausgesetzt sind.

Die Anordnung der Zusatzbrennstoffrohre (6) und Kühlluftrohre (5) durch den Wind­ boxboden und durch den Windboxraum ermöglichen eine spannungsarme Ausfüh­ rung und die Austauschbarkeit ohne aufwendige Demontagen und Brennerrostrepa­ raturen.

Beispiel 4

Fig. 4 zeigt eine weitere aus Beispiel 3 und Fig. 3 abgeleitete Ausführungsvariante für die Umsetzung dieser Erfindung auch auf Wirbelschichtanlagen technischer Di­ mensionen für Wirbelschichtanlagen im Hochtemperaturbereich bis 1400°C.

Die für die Absenkung der Brennerpilztemperatur unter die Werkstoffresistenztempe­ ratur notwendige Kühlluft wird über eine horizontale, die Zusatzbrennstoffzufüh­ rungsleitung (6) umhüllende, Kühlluftleitung (5) und davon am Ort der Rauchgasroh­ re (3.1) abgehende separate Kühlluftzuführungsrohre (5.1) innerhalb der Rauchgas­ rohre (3.1) bis unter die Brennerpilze (4) Rohr im Rohr geführt.

Dadurch wird das Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6.1) gekühlt und vor Temperatur­ belastungen, verbunden mit Zusatzbrennstoffnebenreaktionen, geschützt.

Des weiteren wird durch die Kühlluftzuführung direkt bis unter die Brennerpilze (4) der Einsatz von metallischen hochtemperaturfesten Werkstoffen als Werkstoff für die Brennerpilze (4) trotz hoher Kontakttemperaturen durch das Wirbelbettmaterial von 1400°C möglich.

Zusatzbrennstoff und Kühlluft erfüllen gemeinsam die Kühlfunktion der Brennerpilze im stationären Betriebszustand.

Im Anfahrzustand, d. h. im Falle der Nichtdurchströmung von Zusatzbrennstoff in der Phase des Aufheizens der Wirbelschicht auf Zündtemperatur des Zusatzbrennstof­ fes, wird das Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6.1) durch den Kühlluftmantel ge­ schützt. Es bedarf bei dieser Ausführungsform nicht der Zuschaltung von Kühlluft über den Zusatzbrennstoffweg und deren Abschaltung und Zuschaltung des Zusatz­ brennstoffes.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Beheizung von Feststoffwirbelschichten aus einem Zuführungs­ system für Rauchgas aus der Verbrennung von Primärbrennstoff mit Primärluft, Zusatzbrennstoff, Kühlluft und Sekundärluft und mit Sauerstoff angereicherter Luft zum Wirbelschichtraum, gekennzeichnet dadurch,
daß das in einer unter dem Brennerrost (1) befindlichen Brennkammer (2) er­ zeugte Rauchgas in einem Rauchgasrohr (3) direkt zum über dem Brennerrost (1) befindlichen Brennerpilz (4) mit der Form einer Kugelkalotte geführt wird,
daß radial in das Rauchgasrohr (3) ein Kühlluftrohr (5) eingeführt ist, in dem koa­ xial ein Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) angeordnet ist, welches im Rauch­ gasrohr (3) bis in die Nähe der Unterseite des Brennerpilzes (4) geführt wird,
daß das Gemisch aus Rauchgas, Kühlluft und Zusatzbrennstoff über Austrittska­ näle (7) aus dem Brennerpilz (4) direkt in die Wirbelschicht geführt wird und
daß zwischen den so ausgestalteten Brennerpilzen (4) einfache Brennerpilze nur mit einem einkanaligen Zuführungsrohr für Rauchgas angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Austrittskanäle (7) rings um den Brennerpilz (4) angeordnet sind und mit ihrer Öffnung in den Wirbelraum abwechselnd nach oben und unten mit einer Steigung bzw. Neigung von 5° gerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie mehrfach auf dem Brennerrost (1) eines Wirbelschichtofens angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Zusatzbrennstoffzuführungsrohr (6) für die Zuführung unterschiedlicher gasförmiger Medien geeignet und der Zuführung des jeweils anderen Mediums angepaßt ist.