DE1542307C3

DE1542307C3 - Verfahren zur Temperaturregelung und Steigerung der Durchsatzleistung endothermer Prozesse in einer Wirbelschicht

Info

Publication number: DE1542307C3
Application number: DE1542307A
Authority: DE
Inventors: Roland 6050 Offenbach Maurer; Bodo Peinemann; Walter Pierson; Lothar Dipl.-Ing.Dr. 6000 Frankfurt Reh
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1965-10-05
Filing date: 1965-10-05
Publication date: 1974-03-14
Also published as: US3449062A; FI45295C; GB1147899A; SE329828B; FI45295B; DE1542307A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung und Steigerung der Durchsatzleistung endothermer Prozesse in einer Wirbelschicht unter Zufuhr von Brennstoffen in die Wirbelschicht und Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases als Primärluft durch den Reaktorrost sowie Einblasen eines Teilstroms dieses sauerstoffhaltigen Gases als Sekundärluft seitlich in den Reaktor oberhalb der Wirbelschicht. ■ Bei der Durchführung endothermer Prozesse, wie z. B. Trocknen, Kalzinieren, Reduzieren und Glühen, in Wirbelschichten im Temperaturbereich von 600 bis 1300° C, müssen oft beträchtliche Brennstoffmengen zugeführt werden. Die Beheizung von Wirbelschichten, die in diesem Temperaturbereich arbeiten, erfolgt bekanntlich überwiegend durch direkte Einleitung des Brennstoffes in die Wirbelschicht, wo er mit der durch den Rost des Reaktors zugeführten Trägerluft unter Wärmeabgabe an die Wirbelschicht verbrennt (französische Patentschrift 1 378 442).

Die Trägerluft wird in den meisten Fällen durch direkte Zumischung heißer Brenngase oder durch Wärmeaustausch mit der in den Abgasen des Reaktors enthaltenen Wärme vorgewärmt (deutsche Patentschrift 1138 675; F. S c h y t i 1, Wirbelschichttechnik, Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1961, S. 91).

Mit Rücksicht auf die Konstruktion des Rostes kann die Vorwärmung der Trägerluft nur in den seltensten Fällen auf so hohe Temperaturen erfolgen, daß die heißen Trägergase noch merkliche Wärmemengen an die Wirbelschichten abgeben können. Die Durchsatzleistung eines endotherm arbeitenden Wirbelschichtprozesses wird deshalb in erster Linie von der in der Wirbelschicht durch Verbrennung eingeleiteten Brennstoffes umgesetzten Wärmemenge bestimmt. ,
Üblicherweise wird diese Beheizung so durchgeführt, daß über eine in die Wirbelschicht hineinragende Lanze gasförmige, flüssige oder staubförmige Brennstoffe zusammen mit ringförmig dazu geführtem Preßluftstrom seitlich in die Wirbelschicht eingeleitet werden (F. Schytil, a.a.O., S. 96). Der Preßluftstrom dient der Verteilung des Brennstoffes in der Wirbelschicht. Flüssige und staubförmige Brennstoffe können auch strahlförmig von oben in die Wirbelschicht eingeleitet werden.

Wird bei derart beheizten Wirbelschichten der Wärmeumsatz in der Wirbelschicht über eine bestimmte, von den jeweiligen Prozeßbedingungen abhängige Grenze gesteigert, so verlagert sich die Verbrennung zusehends von der Wirbelschicht in den darüberliegenden Schacht. Dieser Vorgang äußert sich durch einen Anstieg der Temperaturen im Schacht und einem Abfall der Temperaturen in der Wirbelschicht. ^

Die Temperatur in der Wirbelschicht kann so weit ( $. absinken, daß die Verbrennung in der Wirbelschicht und damit auch die gewünschte Reaktion zum Stillstand kommt. Die Ursache dieser Erscheinung ist darin zu suchen, daß ein höherer Wärmeumsatz in der Wirbelschicht zwangläufig eine Erhöhung der Trägergasgeschwindigkeit erfordert, da die erforderliche Verbrennungsluftmenge und die bei den meisten Reaktionen gebildeten Gasmengen ansteigen. Die Querdurchmischung der seitlich in die Wirbelschicht eingeleiteten Brennstoffe in der Wirbelschicht wird dadurch herabgesetzt, und die Brennstoffe werden in der Nähe der Aufgabestelle infolge Sauerstoffmangels nur unvollständig verbrannt und durch das Trägergas aus der Wirbelschicht in den Schacht ausgeblasen, ohne zu der Beheizung der Wirbelschicht in nennenswerter Weise beizutragen. Mit steigender Belastung der Wirbelschicht tritt also eine sich erweiternde Temperaturschere zwischen der Bettemperatur und der Kopftemperatur im Reaktor ein.

Diese Erscheinung wurde bisher dadurch eingeschränkt, daß die Luft- bzw. Trägergasgeschwindigkeit r~ * gesenkt wurde und ein entsprechender Anteil an ^~< Sekundärluft in den Schacht oberhalb der Wirbelschicht eingeblasen wurde.

Für exotherme Reaktionen beschreibt die englische Patentschrift 986 842 einen Wirbelschichtofen mit Sekundärluftzuführung in — bezogen auf die Ofenwandung — tangentialer Richtung. Die tangentiale Einführung hat jedoch den Nachteil, daß die Nachverbrennung in Wandnähe erfolgt, was zu unvermeidbaren Anbackungen führt, und wegen "mangelhafter Duichmischung der aus der Wirbelschicht austretenden brennbaren Bestandteile mit der Sekundärluft eine in Schichthöhe äußerst unvollständige Nachverbrennung stattfindet. Die Nachverbrennung erfolgt im Ofenkopf, so daß durch diesen Vorschlag das Problem, die Entstehung einer Temperaturschere zwischen Wirbelschicht und Reaktionsraum im Ofenkopf zu vermeiden, nicht gelöst wird.

In der USA.-Patentschrift 2 605 178 ist für einen speziellen endothermen Prozeß die Aufteilung der sauerstoffhaltigen Gase in einen Primär- und einen Sekundärstrom beschrieben. Dabei erfolgt die Zufuhr der Sekundärluft über nur eine Leitung, so daß —- wie sich auch schon aus der Beschreibung dieser Patent-

schrift ergibt — sich eine Temperatur im Ofenkopf einstellt, die erheblich über der im Wirbelbett liegt, und die Entstehung einer Temperaturschere nicht verhindert werden kann.

Es ist auch bekannt, den Rostdurchfall pneumatisch mit einer oberhalb des Wirbelbettes in den Reaktor einmündenden Förderleitung in den Reaktor zurückzuführen (deutsche Patentschrift 1 136 311). Dieser Vorschlag dient jedoch nicht der Steuerung der Temperaturschere, da die Rückführung sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich erfolgen kann.

Weiterhin ist es bekannt, bei exotherm verlaufenden Prozessen eine Nachoxydation der aus der Wirbelschicht ausgetretenen feinkörnigen und noch nicht oder nur teilweise ausreagierten Teilchen in der Weise vorzunehmen, daß sauerstoffhaltige Gase auf die Oberfläche der Wirbelschicht geleitet werden (deutsche Patentschrift 974 392, österreichische Patentschrift 184 920). Durch im Reaktor oberhalb der Wirbelschicht angeordnete Einbauten wird die kinetische Energie der Teilchen vernichtet und ein Nachoxydationsraum, gebildet. Bei diesen Vorschlägen ist eine Vermeidung der Temperaturschere nicht angestrebt. Es soll stattdessen die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme durch Kühlaggregate entzogen werden.

Zur Brenngaserzeugung durch Vergasung feinzerteilter fester oder flüssiger Brennstoffe in der Wirbelschicht ist es bekannt, eine Nachvergasungszone oberhalb der Wirbelschicht anzuordnen, wobei die exotherm reagierenden Nachvergasungsmittel in die Grenzzone zwischen der Wirbelschicht und der Nachvergasungszone und die endotherm reagierenden Nachvergasungsmittel darüber eingeführt werden (deutsche Patentschrift 496 343).

Auch dieser Vorschlag zur Nachoxydation bzw. Nachvergasung bei exothermen Prozessen dient nicht der Vermeidung der Temperaturschere zwischen Betttemperatur und Kopf temperatur, da diese bei exotherm verlaufenden Prozessen infolge der gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes in der Wirbelschicht nicht in dem Maße wie bei den endotherm verlaufenden Prozessen auftreten.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß bei endotherm verlaufenden Prozessen in der Wirbelschicht eine weitgehende Vermeidung der Temperaturschere zwischen Bett- und Kopf temperatur im Reaktor und damit eine beträchtliche Durchsatzsteigerung erzielt werden kann. Hierzu wird das Verfahren zur Temperaturregelung und Steigerung der Durchsatzleistung endothermer Prozesse in einer Wirbelschicht unter Zufuhr von Brennstoffen in die Wirbelschicht und Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases als Primärluft durch den Reaktorrost sowie Einblasen eines Teilstromes dieses sauerstoffhaltigen Gases als Sekundärluft seitlich in den Reaktor oberhalb der Wirbelschicht, wobei die Sekundärluft 20 bis 70% der gesamten, den Wirbelschichtreaktor verlassenden Gasmenge beträgt, entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet, daß die Sekundärluft über mehrere auf dem Reaktorumfang verteilte Düsen mit einem Winkel bis zu 20° von der Horizontalen abweichend, abwärts gerichtet in eine an die Wirbelschichtoberfläche sich nach oben anschließende Zone mit einer Höhe von höchstens der 0,2fachen Höhe der expandierten Wirbelschicht radial mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 m/Sekunden oder tangential zu einem gedachten Kreis um den Mittelpunkt der Wirbelschicht, dessen Fläche das 0,2- bis 0,4fache der Oberfläche der Wirbelschicht beträgt, mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 25 m/Sekunden eingeblasen wird.

Durch die bis zu 20° von der Horizontalen abweichende und abwärts gerichtete Sekundärluftzuführung können die Eintrittsdüsen oberhalb der Oberfläche der Wirbelschicht angeordnet werden, so daß bei kleineren Schwankungen der Höhe der Wirbelschicht ein Eintauchen der Sekundärluftdüsen unter die Wirbelschichtoberfläche und damit eine Verschlechterung dei mit der Erfindung erzielten Vorteile vermieden wird.

Durch die Zufuhr der Sekundärluft an mehreren Stellen in der genannten Weise wird deren gleichmäßige Verteilung über die Oberfläche der Wirbelschicht und damit ein guter Beheizungseffekt erzielt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Bewegungsform der Wirbelschicht so zu steuern, daß ihr Zwischenraumvolumen in den Grenzen von 0,45 ^ ε :£ 0,75 und ihre Archimedessche Kennzahl zwischen 10² und 5 · 10⁶ liegt.

Das Zwischenraumvolumen wird definiert durch die Beziehung

ε =

Anteil der freien Raumanteile in der Wirbelschicht Gesamtvolumen der Wirbelschicht

Die Archimedessche Kennzahl wird definiert durch die Beziehung

Ar =

^K " ^Ύβ)

ν² -γα

, wobei

άκ = Teilchengröße,

ν = kinematische Zähigkeit des Trägermediums, y_K = spezifisches Gewicht der Teilchen, y_G = spezifisches Gewicht des Trägermediums, g = Erdbeschleunigung

ist.

Bei Einhaltung dieser Grenzen werden optimale Beheizungseffekte und optimale Durchsatzleistungen erzielt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Zeichnungen und nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher und beispielsweise erläutert.

F i g. 1 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch den Wirbelreaktor, wobei die Sekundärluftdüse links von der Mittellinie parallel zur Oberfläche der Wirbelschicht und die Sekundärluftdüse rechts von der Mittellinie in einem Winkel geneigt zur Oberfläche angeordnet ist;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Wirbelreaktor, bei dem die Sekundärluftdüsen radial angeordnet sind;

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Wirbelreaktor, bei dem die Sekundärluftdüsen tangential angeordnet sind.

Über Leitung 1 und Drosselklappe 2 wird die Primärluft in den Windkasten 3 und durch den Rost 4 in die in Schachts befindliche Wirbelschicht6 geführt. Die Sekundärluft wird über Leitung 7, Ringleitung 8, Regulierschieber 9 und Sekundärluftdüsen 10 oberhalb der Wirbelschicht 6 in den Schacht 5 eingeblasen.

Ausführungsbeispiel 1

In einem Ofen zur Verbrennung von Klärschlamm in einer Hilfswirbelschicht aus Sand und Beheizung mit

5 6

Heizgas (H_n = 12 000 kcal/kg) wurden erfindungsge- Ausführungsbeispiel 2
maß von der gesamten Verbrennungsluftmenge von In einem Wirbelschichtofen zur Spaltung von 2100 Nm³/Stunde mit einer Temperatur von 470⁰C 40°/₀iger Abfallschwefelsäure wird die Beheizung der als Primär- und Trägerluft 1350 Nm³/Stunde durch Sandhilfswirbelschicht mit Bunker-C-Öl durchgeführt, den Rost in die Wirbelschicht und 750 Nm³/Stunde 5 welches über mehrere seitlich in die Wirbelschicht geals Sekundärluft über drei gleichmäßig am Ofen ver- führte Lanzen eingespritzt wird. Als· Trägerluft werden teilte Sekundärluftdüsen radial und unter 15° zur 6000 Nm³/Stunde über sechs gleichmäßig am Ofen-Horizontalen geneigt mit einer Geschwindigkeit von umfang verteilte Stutzen aufgegeben. Die Temperatur 12 m/Sekunde auf die Wirbelschichtoberfläche einge- von Primär- und Sekundärluft beträgt 450°C, die blasen. Das Heizgas und der Schlamm wurden über io Menge des den Ofen verlassenden Spaltgases beträgt Lanzen seitlich in die Schicht eingeleitet. Die Gesamt- 18 400 Nm³/Stunde mit einer Zusammensetzung von gasmenge am Ofenaustritt betrug bei der erreichten 6 5°/ SO

Verbrennungsleistung von 625 kg/Stunde Schlamm 4'2⁰Z* O ²

einschließlich des Wasserdampfanteils aus dem 8'9°/° CO

Schlamm 2850 Nm³/Stunde, so daß der Sekundärluft- 15 ₅₀'₉o/° N ²

anteil 26,5% des Gesamtgasdurchsatzes betrug. Der 294°/° H²O

Druckverlust der Wirbelschicht betrug 1050 mm WS, ' ^/o ²

die Wirbelschichthöhe über Rost lag bei H_w = 0,96 m. Die Temperatur am Ofenaustritt ist 950° C, die Die Einblasung der Sekundärluft erfolgte 1100 mm Temperatur der Wirbelschicht 900° C. Die Hilfswirbelüber Rost. Die Einblaseöffnung lag somit um das 20 schicht besteht aus Sand mit einer mittleren Körnung 0,15fache der Höhe der Wirbelschicht über derselben. von du *=» 1,5 mm und einem spezifischen Gewicht Die Wirbelschichttemperatur betrug 820° C, die Tem- γ κ = 2300 kg/m³, das Trägergas hat ein spezifisches peratur im Ofenkopf 860° C. Es wurde Sand mit einem Gewicht von jg = 1,3 kg/Nm³ und eine kinematische mittleren Korndurchmesser von 4 = 1,5 mm und Zähigkeit von ν ?» 140 · 10~⁶ m²/Sekunde. Es errechnet einem spezifischen Gewicht des Sandkorns von 25 sich hierfür eine Archimedeszahl von -A_r = 3,1 · 10³. γ κ = 2300 kg/m³ gewirbelt. Die mittlere Dichte des Der Druckverlust der Wirbelschicht mit einer Ober-Trägergases in der Wirbelschicht betrug y<j fläche von 8 m² beträgt 1050 mm WS, die Schichtaus- = 0,27 kg/m³, die kinematische Zähigkeit ν = 168 · dehnung erfolgt 'bis zu einem Zwischenraumvolumen 10~⁶ m²/Sekunde. Als charakteristische Archimedes- ε = 0,65, die Schichthöhe beträgt somit 1,3 m über zahl ergibt sich A_r = 1 · 10", das Zwischenraum- 30 Rost. Die Einblasung der 6000 Nm³/Stunde Sekundärvolumen der Wirbelschicht lag dabei bei ε = 0,5. luft erfolgt unter 10° zur Horizontalen geneigt in einer

Gab man die gesamte Verbrennungsluft bei sonst Höhe von 1,5 m über Rost tangential an einen Kreis

gleichen Bedingungen durch den Rost in die Wirbel- von 1,4 m Durchmesser, dessen Fläche F₁ dem

schicht, so sank die Verbrennungsleistung des Ofens 0,2fachen der Wirbelschichtoberfläche entspricht mit

auf 300 bis 400 kg/Stunde Schlamm bei gleichzeitigem 35 einer Geschwindigkeit von ν = 20 m/Sekunde am

Auftreten einer starken Temperaturschere zwischen Austritt der sechs Düsen. Der Sekundärluftanteil am

Bettemperatur 650°C und Ofenkopftemperatur 86O⁰C. Gesamtgasstrom am Ofenaustritt beträgt 32,5%.

Das gleiche Ergebnis erhielt man, wenn man die Pro Kubikmeter Wirbelschichtvolumen und Stunde

Sekundärluft, auch in gleicher Menge wie beschrieben, werden bis 750 kg Abfallsäure gespalten. Bei nicht er-

in einer größeren Höhe, nämlich 1500 mm über dem 4° findungsgemäßer Arbeitsweise werden bei gleichem

Rost, einblies. Die erfindungsgemäße Maßnahme Ölverbrauch infolge Nachverbrennung im Ofenkopf

brachte somit eine Steigerung der Ofenleistung von nur Spaltleistungen von 300 bis 400 kg Abfallsäure pro

etwa 100%. Stunde und Kubikmeter Wirbelschicht erzielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Temperaturregelung und Steigerung der Durchsatzleistung endothermer Prozesse in einer Wirbelschicht unter Zufuhr von Brennstoffen in die Wirbelschicht und Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases aus Primärluft durch den Reaktorrost sowie Einblasen eines Teilstromes dieses sauerstoffhaltigen Gases als Sekundärluft seitlich in den Reaktor oberhalb der Wirbelschicht, wobei die Sekundärluft 20 bis 70% der gesamten, den Wirbelschichtreaktor verlassenden Gasmenge beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft über mehrere auf dem Reaktorumfang verteilte Düsen mit einem Winkel bis zu 20° von der Horizontalen abweichend, abwärts gerichtet in eine an die Wirbelschichtoberfläche sich nach oben anschließende Zone mit einer Höhe von höchstens der 0,2fachen Höhe der expandierten Wirbelschicht radial mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 m/Sekunden oder tangential zu einem gedachten Kreis um den Mittelpunkt der Wirbelschicht, dessen Fläche das 0,2- bis 0,4fache der Oberfläche der Wirbelschicht beträgt, mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 25 m/Sekunden eingeblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Wirbelschicht durch ein Zwischenraumvolumen 0,45 ^ ε ϊΞ 0,75 und durch eine Archimedeszahl 10² ^ A_r ύ 5 · 10⁶ charakterisiert ist.