DE3013645A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die zufuehrung von teilchen in eine wirbelschicht - Google Patents
Verfahren und vorrichtung fuer die zufuehrung von teilchen in eine wirbelschichtInfo
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Description
Ceskoslovenskä akademie ved
Prag (CSSR)
Verfahren und Vorrichtung für die Zuführung von Teilchen in eine Wirbelschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Zuführung von Teilchen an einer
Vielzahl von Stellen in eine Wirbelschicht.
Bei verschiedenen chemischen und physikalischen Prozessen in Wirbelschichten von großer horizontaler Ausdehnung
reicht in der Regel die Zuführung der Teilchen nur in eine einzige Stelle der Wirbelschicht nicht aus. Die geringe
Intensität der horizontalen Mischbewegungen der Teilchen in der Wirbelschicht führt zu einer unterschiedlichen Verteilung
der Teilchen in der Wirbelschicht, so daß die physikalischen und chemischen Prozesse in der Nähe ihrer Zuführung
in anderer Weise ablaufen als an von der Teilchenzuführung weiter entfernten Stellen. Ein Beispiel hierfür
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ist die Verbrennung fester Brennstoffe in einer Wirbelschicht, wo sich in der Umgebung der Teilchenzuführung
eine reduzierende Atmosphäre und in den von der Zuführung weiter entfernteren Schichtzonen eine oxidierende
Atmosphäre mit einem beträchtlichen SauerstoffÜberschuß
ausbilden kann.
Eine Folge dieser ungleichmäßigen Teilchenverteilung
ist auch eine ungleichmäßige horizontale Temperaturverteilung in der Wirbelschicht. Um eine optimal gleichmäßige
Verteilung der reagierenden Brennstoffteilchen und des
Aufwirbelungsfluids sowie hierdurch auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der gesamten Fläche der Wirbelschicht
zu erhalten, sollten die Brennstoffteilchen an möglichst vielen Stellen in die Wirbelschicht eingeführt
werden.
Aus der Druckschrift Biswas B.K., Baley J.O., An
Investigation of Alternative Freed Systems for Utility-Scale Fluidized-Bed Steam Generators - 5th Internat. Conf.
on Fluidized Bed Combustion, Washington, Dezember 19 77 sind zwei Verfahren und entsprechende Vorrichtungen für eine
gleichmäßige Verteilung der Brennstoffteilchen in einer Wirbelschicht bekannt, und zwar entweder ein pneumatischer
Transport der Teilchen in die Wirbelschicht oder das mechanische Einwerfen der Teilchen auf den Pegel der Wirbelschicht.
Beim pneumatischen Einbringen der Teilchen in die Wirbelschicht werden die Partikel aus einem Vorratsbehälter
entweder durch Gravitation oder durch Schaufelförderer mit konischen Rohren dosiert über die ganze Fläche der Wirbelschicht
verteilt. Die Verteilung der Teilchen aus dem Hauptstrom in eine große Zahl von Teilströmen erfolgt mechanisch,
wobei die Zahl dieser Teilströme bis einige Hundert betragen kann. Um eine Verstopfung der konischen Rohre zu ver-
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hindern, sind zusätzliche Vibratoren vorgesehen. Das pneumatische Zuführsystem ist durch T-Stücke verwirklicht, in
die von einer Seite die Teilchen und von der anderen Druckluft eingeleitet werden, um die Teilchen in die eigentliche
Wirbelschicht zu fördern. Die Vorrichtungen für dieses Verfahren sind unterschiedlich. Die VerbindungsLeitungen
durchtreten entweder die Seitenwände des Wirbelschichtreaktors oder sie sind in seinem Boden angeordnet. Dieses
Verteilungssystem ist sehr kompliziert und setzt voraus,
daß die zugeführten Teilchen eine vorgeschriebene Korngröße haben. Bei sich ändernder Feuchte kommt es zu Verstopfungen
der Zuführrohre und zu langwierigen Betriebsstörungen
des gesamten Reaktors.
Das mechanische Einwerfen der Teilchen auf die Wirbelschicht erfolgt durch einen oder mehrere Werfer in den Seitenwänden
des Wirbelschichtreaktors, mit denen die Teilchen
in den Raum oberhalb der Wirbelschicht eingeschleudert werden.
Dieses Verfahren ist zwar betriebstechnisch einfach,
es hat jedoch eine ganze Reihe von Machte ilen. So werden
große AnteiLe an Feinkorn vom abziehenden Heißgasstrom mitgerissen,
bevor sLe auf oder in die Wirbe!schicht faLLen
können.
Da die direkt aus dem Raum oberhalb der WirbeLschLcht ausgetragenen
TeLLchen zwanysLauf ig eine kleinere VerwelLzeLt
im Reaktor haben aLs TeiLchcm aus der Wirbelschicht, LHt zumindest
für diesen PartLkeLautei1 die Intensität und Wirksamkeit
der physLkaLLschen und chemischen Prozesse geringer und unvoLLstündLg.
Ferner tritt eüu; unerwünschte S lchtv/lrkung der Γι» L L-chen
Lm Raum obe;rhaLb der Wirbelschicht auf. DLt; jroiienjn Teilchen
haben nämlich einen größeren IinpuLs, so da/5 tile auf tile
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Oberfläche der Wirbelschicht in größeren Entfernungen von den Werfern auftreffen als die kleineren Teilchen. Diese
Sichtwirkung verursacht u. a. eine ungleichmäßige Korngrößenverteilung
in der Wirbelschicht und hierdurch einen ungleichmäßigen Ablauf der physikalischen und chemischen
Prozesse in verschiedenen Zonen der Wirbelschicht, wenn die Geschwindigkeit dieser Prozesse von der Größe der Teilchen
abhängig ist..
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der angegebenen Gattung aufzuzeigen, das von äußeren Parametern
der Teilchen, wie z. B. Feuchtegehalt und Korngröße, nicht beeinflußt wird und das ein optimal gleichmäßiges Einbringen
der Teilchen in die Wirbelschicht und damit einen hochwirksamen Prozeßablauf über die gesamte horizontale
Ausdehnung der Schicht ermöglicht. Ferner soll eine konstruktiv einfache und betriebstechnisch zuverlässige Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus den Teilchen und dom Wirbalfluid zumindest eine
Hilfswirbe!schicht gebildet wird, aus der die Teilchen
im aufgewirbelten Zustand in mehreren Teilströmen in die
Reaktionswirbelschicht eingeführt werden.
Um die Teilchen über den gesamten Querschnitt der Wirbelschicht gleichmäßig zu verteilen, v/ird die Wirbelschicht
in .r,-/ei Teile aufgeteilt, und zwar in eine Reaktionswirbelijchicht,
in der die eigentlichen chemischen Reaktionen ablaufen, und in eine Hilfsv/lrbelschicht, in
der ar, mi einer gleichmäßigen Verteilung der Teilchen
über den gesamten (Juerschni tt der ReaktionswirbeIschicht
kommt, yob« ί in ditiisn Hi Ifsv/irbe !schicht nur eine solche
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Menge an Wirbelfluid eingeleitet wird, die zur Aufrechterhaltung
des fluidisierten Teilchenzustandes und ggf. zum
Eintragen in die Reaktionswirbelschicht benötigt wird. In die Reaktionswirbelschicht wird noch ein weiterer Anteil
an Wirbelfluid eingeleitet, der entsprechend dem Gesamtbedarf an Fluid zur Aufrechterhaltung des fluidisierten Teilchenzustandes
in der Schicht und ferner zur Realisation der chemischen Reaktionen, z. B. zur Verbrennung der Teilchen,
bemessen wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch zumindest eine Kammer zur Ausbildung
einer Hilfswirbelschicht, die eine Zuleitung für die
Teilchen und einen Rost für das Wirbelfluid aufweist, durch eine Kammer für die Reaktionswirbelschicht, die einen Rost
zum Einleiten des Wirbelfluids aufweist, und durch ein
System von Verbindungsleitungen, welche die beiden Wirbelkammern
miteinander verbinden.
Mehrere Kammern zur Ausbildung der Hilfswirbelschicht
können miteinander verbunden sein. Das Zuführungssystem hat zweckmäßig einen freien Querschnitt von weniger als 10 %
des Querschnittes der Reaktionswirbelschicht. Die Summe der Querschnitte aller Hilfswirbelschichten ist kleiner oder
maximal gleich dem Querschnitt der Reaktionswirbelschicht.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß aus den Teilchen und dem Aufwirbelungsfludd zumindest eine Hilfswirbelschicht
gebildet wird, aus der die Teilchen im aufgewirbelten Zustand durch ein System von zweckmäßig rohrförmigen
Zuführungsleitungen in die Reaktionswirbelschicht eingeführt
werden. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Kammer für die Ausbildung der Hilfs-
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Wirbelschicht, die mit einer Zuleitung der festen Teilchen und einem Rost für die Zuleitung des Aufwxrbelungsfluids
versehen ist/ und aus einem System von Strömungs-Verbindungen, welche die beiden Kammern miteinander verbinden. Das
System der Verbindungsleitungen hat einen freien Querschnitt,
der kleiner als 10 % des waagrechten Querschnittes der Reaktionswirbelschicht ist.
Ein Vorteil dieses Verfahrens für die Zuführung von Teilchen ist die Einfachheit der Vorrichtung im Vergleich
mit den Vorrichtungen für die mechanische Verteilung des Stromes der dosierten Teilchen. Ein weiterer Vorteil beruht
darin, daß alle Teilchen die Wirbelschicht durchlaufen müssen. Hierbei kommt es zu keiner Sichtung der Teilchen unterschiedlicher
Teilchengrößen bei deren Einleitung in die Wirbelschicht, so wie dies bei dem mechanischen Bewerfen der
Teilchen auf den Pegel der Wirbelschicht der Fall ist.
Im Vergleich mit dem pneumatischen Verfahren der Zuführung des Brennstoffes in eine Wirbelschicht hat das vorgeschlagene Verfahren den Vorteil, daß es bei ihm nicht zu
Verstopfung der einzelnen Zuführungsleitungen des Brennstoffes
infolge seiner Feuchtigkeit kommen kann. Die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung braucht auch keine aus der
Reihe weiterer Hilfseinrichtungen, wie z. B. Vibratoren u. ä.
Im folgenden werden besonders geeignete Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der
Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Wirbelschichtreaktor;
Fig. 2 eine Draufsicht einer Variante dieser Vorrichtung, bei der mehrere Hilfswirbelschichten
miteinander verbunden sind.
Ö3ÖÜ43/0SS?
Der Wirbelschichtreaktor nach Fig. 1 besteht aus dem eigentlichen Prozeßreaktor in Form eines zylindrischen oder
mehreckigen Behälters 1, in dem die chemischen Reaktionen in einer Wirbelschicht 8 ablaufen und ein Wärmeaustauscher
eingebaut ist. Der Behälter 1 weist im unteren Teil einer Seitenwand eine Zuführleitung 10 zum Einspeisen von Teilchen
und an seinem Boden einen Anschlußstutzen 4 zum Einführen von Wirbelluft in eine HilfsWirbelschicht 2 auf. Oberhalb
der Hilfswirbelschicht 2 mündet ein weiterer Anschlußstutzen
6 für die Zuleitung von zusätzlicher Wirbelluft in die Wirbelschicht 8. In der Zuführungsleitung 10 für die
Teilchen ist ein Verschluß vorgesehen.
Die obere Reaktionswirbelschicht 8 wird nach unten durch einen Rost 7 von geeigneter Öffnungsweite seiner
Durchlässe begrenzt. Ein weiterer Rost 3 ist unterhalb der Hilfswirbelschicht 2 vorgesehen. Die beiden Wirbelschichten,
d. h. die Hauptschicht 8 und die Hilfsschicht 2, sind miteinander durch ein System von senkrechten Verbindungsleitungen 5 verbunden, durch welche die Teilchen aus der
Hilfswirbelschicht 2 in die Hauptwirbelschicht 8 über ihren gesamten Querschnitt gleichmäßig verteilt eingeführt werden.
Die zur Aufwirbelung der Hilfswirbelschicht 2 benötigte Luft wird durch den Anschlußstutzen 4 in die Kammer 10
eingeleitet. Die zusätzliche zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes benötigte Luftmenge wird durch den Anschlußstutzen
6 in die Kammer 12 über dem Rost 7 in die Hauptwirbelschicht eingespeist.
Die konstruktive Ausbildung des Rostes 7 für die Hauptwirbelschicht
8 und der Verbindungsleitungen 5 kann unterschiedlich
sein, so daß ζ. B. eine Einleitung des Aufwirbelungsfluids in unterschiedlichen Höhen der Wirbelschicht erfolgt.
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Zur angestrebten Ausbildung der Hilfswirbelschicht 2
mit gleichmäßiger Kornverteilung ist die Druckkammer 12 unter
dem Rost 3 so ausgebildet und bemessen, daß über die gesamte Fläche des Rostes 3 eine Vielzahl von Luftstrahlen
gleicher Stärke gebildet wird, welche die über die Zuleitung 10 in den Raum 2 eingebrachten Teilchen intensiv in
horizontaler und vertikaler Richtung verwirbeln. Dabei muß in der Hilfswirbelschicht ein ausreichend hoher überdruck
eingestellt sein, der das Einblasen der Teilchen in die Hauptwirbelschicht 8 unter Überwindung der Strömungswiderstände
in den Verbindungsleitungen 5 sicherstellt. Der
Fluidisierungszustand in der Hilfswirbelschicht 2 kann allgemein mit freiem Wirbelzustand - ohne definierte Schichtoberfläche
- bezeichnet werden.
Die Verbindung zwischen der unteren Hilfswirbelschicht 2 und der oberen Hauptwirbelschicht 8 kann auf unterschiedliche
Weise erfolgen. Insbesondere können die Verbindungsleitungen 5 unterschiedlich tief in die Hauptwirbelschicht
8 hineinragen, um eine gleichmäßige Kornverteilung nicht
nur horizontal, sondern auch vertikal zu erreichen. Um ferner die Einströmgeschwindigkeit der fluidisierten Teilchen
in die Hauptwirbelschicht 8 an die Fluidisierungszustände in
dieser Schicht anzupassen und sog. Kanalbildungen zu vermeiden, können die Verbindungsleitungen an ihrem oberen Ende z.
B. kelchförmige Erweiterungen aufweisen. Um bei besonderen Betriebsumständen ein Zurückfallen der Teilchen aus der oberen
Hauptwirbelschicht 8 durch die Leitungen 5 zu vermeiden, können an den oberen Enden der Verbindungsleitungen 5
Kappen vorgesehen sein, die in Fig. 1 schematisch in Form von Deckeln dargestellt sind. Durch diese Deckel werden die
Ströme der fluidisierten Teilchen bei ihrem Eintritt in die Hauptwirbelschicht 8 seitlich abgelenkt, was ebenfalls die
Ausbildung der unerwünschten Kanäle vermeidet und zur gleichmäßigeren Kornvertexlung in der Hauptwirbelschicht 8 beiträgt.
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1/ -
3Q13645
Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind die senkrechten Zuleitungen 5 an ihren Seiten und ihrer Mitte gegenseitig
verbunden. Es gibt auch andere Möglichkeiten der Anordnung der senkrechten Zuleitungen 5, wo diese gegenseitig abgetrennt
sein können und sodann selbständig Hilfswirbelschichten ausbilden, wobei jedes dieser separaten Zuleitungssysteme
mit einem abgetrennten Wirbelschichtverschluß für die Zuführung des Brennstoffes oder der Teilchen versehen ist.
Die technische Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen
wird im folgenden anhand von Beispielen beschrieben:
In einer Wirbelschichtfeuerung wurden Brennstoffpartikel
mit einem Gehalt von 3 % Schwefel verbrannt, die in die Hilfswirbelschicht 2 durch die Zuführleitung 10 eingetragen
und im gesamten Innenraum der Kammer 2 gleichmäßig verteilt wurden. Die zur Aufwirbelung der Feststoffteilchen in
der Wirbelschicht 2 benötigte Kaltluft wurde in die Kammer 12 unter dem Rost 3 durch den Anschlußstutzen 4 eingeleitet.
Aus der Wirbelschicht 2 wurden die Brennstoffteilchen durch die Luft über das System der senkrechten Zuleitungen 5 in
die Hauptwirbelschicht 8 gefördert. Da die Luftmenge zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes größer ist als
die zur Aufwirbelung in der Wirbelschicht 2 benötigte Luftmenge, wurde die restliche Luftmenge durch den Anschlußstutzen
6 in die Kammer 11 unter dem Rost 7 der Hauptwirbelschicht 8 eingespeist. Die durch die Verbrennung des Brennstoffes
in der Wirbelschicht 8 freigesetzte Wärme wurde durch den Wärmeaustauscher 9 abgeführt. Die Zuführung der
Brennstoffteilchen in die Reaktionswirbelschicht 8 war völlig gleichmäßig über den gesamten Schichtquerschnitt. Experimen
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- γί-
tell wurde festgestellt, daß der Öffnungsquerschnitt aller
Verbindungsleitungen 5 kleiner als 10 % des Querschnittes
der Wirbelschicht 8 sein soll.
Zur Verbrennung und Entschwefelung flüssiger Rückstände in einer Wirbelschichtfeuerung wurde eine Vorrichtung der
im Beispiel 1 beschriebenen Art verwendet, bei welcher jedoch seitliche Düsen im Bereich der Hauptwirbelschicht zusätzlich
vorgesehen waren. Die flüssigen Rückstände mit bis zu 26 % Schwefel wurden in die Wirbelschicht durch diese seitlichen
Düsen eingespritzt, die in den Seitenwänden des Wirbelschi
chtreak tors 1 in ringförmiger Anordnung saßen. Durch den
Anschlußstutzen 10 wurde in die Hilfswirbelschicht Kalkstein
dosiert, dessen Menge dem Eineinhalbfachen der stöchiometrisch benötigten Kalksteinmenge entsprach. Da die einzelnen
Verbindungsleitungen 5 zwischen der Wirbelschicht 2
und der Reaktionswirbelschicht 8 0,6 m voneinander entfernt waren, wurde der Kalkstein in eine jede Reihe der Verbindungsleitungen
5 getrennt eingeführt, und zwar in parallelen Wirbelschichten der Breite 0,1 m. Alle Wirbelschichten
für die einzelnen Reihen der Kalksteinzuführungen 5 waren sowohl an ihren Seiten wie auch in der Mitte der Vorrichtung
verbunden, wodurch eine einheitliche Höhe der Schicht unter jeder Kalksteinzuführung sichergestellt wurde.
Die Reihen der HilfsWirbelschichten weisen Querschnitte auf, die 15 % des Querschnittes der Hauptwirbelschichten betrugen.
Für sie wurde 15 % der Gesamtmenge an Wirbelfluid benötigt.
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ι ^3 +
Leerseite
Claims (8)
1. Verfahren zum Einbringen von Feststoffteilchen in eine
Wirbelschicht, bei dem die gesamte einzubringende Teilchenmenge in mehreren Teilströmen mittels eines gasförmigen
Fördermediums in die Wirbelschicht eingespeist wird,
dadurch
gekennzeichnet ,
daß die Teilchen und das Wirbelfluid in zumindest einer sich über den gesamten Querschnitt ausbildenden Hilfswirbelschicht
verteilt werden, und daß die Teilchen zusammen mit dem Wirbelfluid in einer Vielzahl von gleichmäßig über
den Querschnitt verteilten Teilströmen in die eigentliche Reaktionswirbelschicht kontinuierlich einströmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Feststoffteilchen in der Zwischenwirbelschicht mit
dem gleichen Wirbelfluid bis in einen freien Fluidisierungszustand
verwirbelt werden, das als Fluidisierungs- und Reaktionsfluid in das Reaktionswirbelbett eingeführt
wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
zumindest eine Kammer zur Ausbildung einer Hilfswirbelschicht (2), in die eine Zuleitung (10) für die Feststoff-
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teilchen mündet und die einen unteren Rost (3) zum Einströmen des Wirbelfluids aufweist, durch eine Kammer für die
Reaktionswirbelschicht (8), die durch einen Rost (7) von einem Druckraum (11) für das Aufwirbelungsfluid getrennt
ist, und durch ein System von Verbindungsleitungen (5),
welche die beiden Wirbelschichtkammern miteinander verbinden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Kammern zur Ausbildung je einer Hilfswirbelschicht miteinander verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der freie Öffnungsquerschnitt aller Verbindungsleitungen
(5) kleiner als 10 % des Querschnittes der Reaktionswirbelschicht (8) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Summe der Querschnitte aller HilfsWirbelschichten
(2) kleiner oder gleich dem Querschnitt der Reaktionswirbelschicht (8) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungsleitungen (5) verschieden lang sind und
unterschiedlich tief in die Reaktionswirbelschicht hineinragen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die oberen Enden der Verbindungsleitungen (5) mit Zwischenraum
durch Hauben abgedeckt sind.
030043/0867
Applications Claiming Priority (1)
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