DE2819996C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor zum Durch
führen von exothermen Reaktionen, insbesondere Verbrennung zwischen schwe
reren und leichteren Phasen in zirkulierender Wirbelschicht mit
vertikalen Kühlflächen zur Aufnahme der bei der Reaktion gebil
deten Reaktionswärme, bei welchem die leichtere Phase in eine
Primärströmung zum Aufrechterhalten einer dichten, klassischen
Teilwirbelschicht und eine Sekundärströmung zum Aufrechterhalten
einer weniger dichten, schnellen Teilwirbelschicht oberhalb der
dichten Wirbelschicht aufgeteilt wird, welche schnelle Teilwirbel
schicht im Kreislauf zu der dichten Wirbelschicht zurückgeführt
wird, um die zirkulierende Wirbelschicht zustandezubringen, und
bei welchem eine feste Phase der zirkulierenden Wirbelschicht
kontinuierlich zugeführt und entzogen wird und die Sekundär
strömung der zirkulierenden Wirbelschicht im wesentlichen unter
halb der Kühlflächen zugeführt wird gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.
In letzter Zeit hat man ein Interesse an der Anwendung
der Technik der zirkulierenden Wirbelschichten verzeichnen
können. Gemäß dieser Technik wird eine verhältnismäßig
schwerere, körnige, feste oder flüssige Phase unter Auf
wärtsbeförderung in einem vertikalen Reaktor mittels einer
verhältnismäßig leichteren, gasförmigen oder flüssigen
Phase gewirbelt und die verhältnismäßig schwerere Phase
oben im Reaktor von der leichteren Phase getrennt und
auf den Boden des Reaktors zurückgeführt. Diese Technik
ist im Vergleich zu dem klassischen Fließbett mit hohen
Strömungsgeschwindigkeiten verknüpft und ergibt infolge
der guten radialen Vermischung der Phasen und der guten
Turbulenz in einer solchen zirkulierenden Wirbelschicht
eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die ganze
zirkulierende Wirbelschicht.
Die Technik der zirkulierenden Wirbelschicht ist bisher
in erster Linie zum Betreiben endothermer Reaktionen, z. B.
Al-Kalzinierung, ausgenützt worden, bei welcher dem Reaktor
zugeführter Brennstoff verbrannt und zur Beheizung der
endothermen Reaktionen verwendet wird.
Bei Versuchen, exotherme Reaktionen in einer zirku
lierenden Wirbelschicht zu betreiben, stößt man indessen
auf Schwierigkeiten, weil die zum Ableiten der Reaktions
wärme erforderlichen Kühlflächen im Reaktor eine gute
Vermischung der dem Reaktor zugeführten Phasen behindern,
wie sie für überwachungsbare Reaktionsbedingungen, z. B.
Strömungs-, Last- und Temperaturverhältnisse, erforderlich
ist.
In der DE-OS 25 39 546 ist ein Verfahren zur nahstöchiometrischen
Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien in der Wirbel
schicht mit Rückführung der Feststoffe in die Wirbelschicht und
ein für das Verfahren eingesetzter Reaktor 1 mit unteren Zuführ
gliedern 7 für die schwere Phase (Kohle) und Zuführgliedern 8 für
die leichte Phase (Luft) beschrieben. Dieser bekannte Reaktor
weist einen Abscheider 6, einen Rückführkanal 9 für die schwere
Phase in den Bodenabschnitt des Wirbelschichtreaktors 1, einen
Feststoffaustrag 10 für die schwere Phase und einen Austrag für
die leichte Phase, nämlich die Leitung, die dort in Fig. 1
aus dem Abscheider 6 nach oben gerichtet ist, sowie Kühlflächen
3, 4 im Innern des Reaktors auf.
Durch die DE-OS 25 48 269 ist
ein Verteiler zum Verteilen eines Strömungsmittels in einem von
einem Fließbett aus fluidisierten Feststoffteilchen einzunehmenden
Raum bekannt, wobei durch eine Anordnung von aufrecht stehenden
Düsen 17 mit seitlich gerichteten Auslässen 18 zum Einbringen
des Strömungsmittels in den vom Fließbett einzunehmenden Raum 13,
wobei die Auslässe bestimmter Düsen innerhalb des Raumes in einer
anderen Höhe angeordnet sind als die Auslässe anderer Düsen,
im Betrieb des Verteilers das Bodenprofil 19 des Fließbetts im
wesentlichen durch die Lage der Auslässe bestimmt ist.
Gemäß dem dortigen Anspruch 14 sind die Anschlüsse 18 der Düsen 17
so ausgerichtet, daß sie das Strömungsmittel im wesentlichen
waagerecht aus den Düsen abgeben. Bemerkenswert ist, daß die Aus
laßöffnungen in ihrer Lage fixiert angeordnet sind, d. h. sie sind
ein für allemal fest eingestellt.
In der GB-PS 13 39 287 ist in
den Ansprüchen und Fig. 1 und 3 eine Apparatur zur Verbrennung
von festen Brennstoffen in einem Wirbelbett beschrieben, in der Zuführ
glieder für die leichtere Phase mit Austrittsöffnungen zu den
Seitenwänden des Reaktors angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und einen Reaktor zum Betreiben einer oder mehrerer
exothermen Reaktionen zwischen schwereren und leichteren
Phasen in einer zirkulierenden Wirbelschicht zu schaffen,
welches Verfahren und welche Vorrichtung eine einfache
Zufuhr der Phasen zum Reaktor, eine gleichmäßige Vermisch
ung der Phasen im ganzen Reaktor trotz der im Reaktor
angeordneten Kühlflächen und eine schnelle, bequeme Rege
lung von Betriebsparametern, wie Temperatur, Last und Druck
im Reaktor und Wärmeaufnahme in den Kühlflächen, ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Primärströmung der
zirkulierenden Wirbelschicht, in mehrere Teilströmungen unter
teilt, mit untereinander verschiedenen Geschwindigkeiten zu
geführt wird, um die Vermischung der Phasen unterhalb der Kühl
flächen zu fördern, daß die Einführung der Sekundärströmung
im Innern der zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt und daß die
Sekundärströmung vor der Einführung in die zirkulierende Wir
belschicht in mehrere Teilströmungen aufgeteilt wird, von denen
zumindest einige Teilströmungen hauptsächlich horizontal von
der Wirbelschicht auf die Seitenbegrenzungswände der Wirbel
schicht zu gerichtet eingeführt werden.
Vorzugsweise werden somit hauptsächlich vertikale, in
der Querrichtung des Reaktors im Abstand voneinander
angebrachte Kühlflächen im Reaktor zur Aufnahme der Reaktions
wärme von der exothermen Reaktion, z. B. der Verbrennung,
angeordnet. Um eine gute, gleichförmige Vermischung der dem
Reaktor zugeführten Phasen, d. . festen oder flüssigen Phasen
und der Gasphasen, im ganzen Reaktor und über den horizontalen
Querschnitt des Reaktors zu erzielen, wird erfindungs
mäßig dafür gesorgt, daß die Phasen gleichförmig
vermischt sind oder daß die Proportionen zwischen den
Phasen gleichförmig sind, bevor die Phasen in ihrer Auf
wärtsbewegung die Kühlflächen erreichen. Dies wird dadurch
zustandegebracht, daß der untere Teil der vertikalen Kühl
flächen im Bereich des verhältnismäßig dichten Bettes
endigt, das bei zirkulierenden Wirbelschichten in dem
Bodenabschnitt des Reaktors vorliegt, und daß die verhält
nismäßig schwerere, aus in den Kreislauf zurückgeführten
und neu zugeführten Teilen bestehende Phase in dieses
verhältnismäßig dichte Bett eingeführt wird und in diesem
verhältnismäßig dichten Bett mit verhältnismäßig leichte
rer Phase umgerührt wird. In dieser Weise werden die
Reaktorräume zwischen den vertikalen Kühlflächen mit unter
einander gleichförmigen Phasengemischen versorgt.
Die Wärmeübertragung an die Kühlflächen in einer zirkulie
renden Wirbelschicht ist bekanntlich außer von den Strö
mungsgeschwindigkeiten der verhältnismäßig schwereren und
verhältnismäßig leichteren Phasen auch von dem Kreislauf
der verhältnismäßig schwereren Phase oder von der durch
schnittlichen Dichte des Phasengemisches in der Nähe der
Kühlflächen sowie von der Korngröße des Gutes abhängig.
Dies bedeutet, daß bei konstanter Temperatur im Reaktor
eine veränderliche Wärmeübertragung an die Kühlflächen
erzielt werden kann, indem der Gutkreislauf und dabei
besonders der leichtere feinkörnige Anteil der schwereren
Phase, den der Gasstrom verhältnismäßig leicht transpor
tiert, geändert wird.
Gemäß der Erfindung wird der Gutkreislauf im Reaktor
dadurch geändert, daß die für die Reaktion erforderliche
Gasströmung in eine Primärströmung und eine Sekundärströ
mung aufgeteilt wird und daß diese Strömungen so zur Ein
wirkung auf das Wirbelbett gebracht werden, daß ein
größerer oder kleinerer Teil des verhältnismäßig dichten
Wirbelbettes aufwärts im Reaktor getrieben und in das
dichte Bett zurückgeführt wird. Hierbei wird die Sekundär
strömung in den Reaktor an Stellen innerhalb desselben
eingeblasen, die oberhalb der Einblasstelle oder -stel
len der Primärströmung, jedoch im Bereich des verhältnis
mäßig dichten Bettes liegen. Durch Veränderung des Ver
hältnisses zwischen der Primärströmung und der Sekundär
strömung und die Art des Einblasens werden die Höhe und
der Gutinhalt des dichten Bettes und dadurch der Gut
kreislauf geändert.
Die Sekundärströmung-Einblasestellen sind vorteilhaft
in Höhenrichtung einstellbar, so daß die Sekundärströ
mung auf das verhältnismäßig dichte Bett an verschiedenen
Niveaus der Betthöhe einwirken kann. Bei konstanter Summe
der Primärströmung und der Sekundärströmung kann auf
diese Weise der Gutkreislauf im Reaktor und die Wärmeauf
nahme in den Kühlflächen verändert werden.
Es leuchtet ein, daß diese Einblaseanordnung auch
eine Änderung des Druckabfalles über den Reaktor gestat
tet. Dieser Druckabfall ist aus dem Druckabfall über das
verhältnismäßig dichte Bett und dem über den Rest der
Reaktorhöhe zusammengesetzt. Es leuchtet gleichfalls ein,
daß der Druckabfall eine technisch wichtige Frage ist,
da der Leistungsverbrauch zum Treiben der leichteren
Phase durch den Reaktor größtenteils vom Inhalt des
Reaktors an der schwereren gewirbelten Phase bestimmt ist
und daß es somit vorteilhaft ist, die Dicke des verhält
nismäßig dichten Bettes so gering wie möglich zu halten,
was die Erfindung gestattet. Die Erfindung gestattet fer
ner, daß das Verhältnis zwischen der Primär- und Sekun
därgasströmung so gesteuert wird, daß der Fein- und
Grobanteil in der zugeführten schwereren Phase im gewis
sen Grade getrennt werden, indem die Primärgasströmung so
niedrig gehalten wird, daß das grobe Gut hauptsächlich im
Bodenabschnitt des Reaktors verbleibt. Ein hierdurch ge
wonnener Vorteil besteht darin, daß wenn hauptsächlich
feines Gut im Umlauf geführt wird, sowohl eine gute Wär
meübertragung als auch eine geringere relative Erosion an
den normalerweise aus Metall ausgebildeten Kühlflächen im
oberen Teil des Bettes gehalten wird.
Falls man eine Zufuhr der verschiedenen Phasen von der
Unterseite des Reaktors her bevorzugt und einen oder mehre
re Phasen-Separatoren oben im Reaktor von dem in der
DE-OS 27 53 173 beschriebenen Typ
anordnet, können beliebig viele gesondert antreibbare und
steuerbare Reaktoren dicht nebeneinander angeordnet wer
den. Solche Aggregate von Reaktoren lassen sich mit Vor
teil zur Dampferzeugung und/oder Dampfüberhitzung in den
vertikalen Kühlflächen benützen.
Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unter
ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich auf
eine Verbrennungsreaktion zwischen festem Brennstoff und
Luft zum Erhitzen von Prozeßmedien, z. B. Wasser für bei
spielsweise Dampferzeugung, bezieht, ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden an Hand der
schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Reaktor des der Anmeldung zugrundeliegenden Typs,
Fig. 2 in der Perspektive einen Windkasten für Sekun
därluft mit eingeschalteter vertikaler Kühlfläche, die
aus Röhren zusammengesetzt ist,
Fig. 3 im Schnitt zwei nebeneinander angeordnete
Windkästen von dem einen Ende der Fig. 1 gesehen und mit
eingeschalteten Kühlflächen, die aus Röhren zusammenge
setzt sind,
Fig. 4 erläutert die erfindungsgemäße Ausbildung der Zufuhrglieder
für die leichtere Phase.
Feinverteilter, z. B. durch Druckluft geförderter Brenn
stoff, z. B. Kohle, mit etwaigen Zusätzen für z. B. Schwe
felabsorption, wie Kalk, und von einem üblichen Kohle
brecher oder -mühle kommend, wird dem Bodenabschnitt des
Reaktors 1 durch eine oder mehrere durch den Boden 2 des
Reaktors sich erstreckende Leitungen 3 zugeführt, die
in ihrem oberen Teil Seitenaustritte 4 aufweisen, so daß
der Brennstoff und die etwaigen Zusätze im wesentlichen
horizontal in den Reaktor eingeblasen werden. Der einge
blasene Brennstoff wird von durch den Boden des Reaktors
eingeblasener Primärluft angeströmt, die einem Verbren
nungs- und Fluidisationszweck dient, und wird im Reaktor
zu einem Separator 5 hochbefördert, der die Gasphase, d. h.
Luft und Verbrennungsgase, von Feststoff, d. h. verbranntem
und unverbranntem Brennstoff und Brennstoffzusätzen, tre
nen soll und der vorzugsweise von dem in der
DE-OS 27 53 173 beschriebenen Typ ist.
Ein solcher Separator, der aus Leitschaufeln besteht,
weist den Vorteil auf, daß er zum Unterschied von bekann
ten Zyklonenanordnungen in seiner Gesamtheit im Reaktor
eingebaut ist. Abgetrennter Feststoff wird in den Boden
abschnitt des Reaktors durch eine Rücklaufleitung 6 zu
rückgeführt. In dem unteren Teil hat der Reaktor einen
Austritt für Feststoff, hauptsächlich verbrannten Brenn
stoff. In bekannter Weise wird hierbei am Boden des Reak
tors ein im Vergleich zum oberen Teil des Reaktors ver
hältnismäßig dichter Wirbelbettabschnitt aufrechter
halten. Es sei hier bemerkt, daß die genannten seit
lich gerichteten Brennstoffaustritte 4 erfindungsmäßig
in dem verhältnismäßig dichten Wirbelbettabschnitt lie
gen sollen, so daß der dem Reaktor zugeführte Brennstoff
mit der Primärluft in dem dichten Bett über den ganzen
Reaktorquerschnitt in diesem Reaktorabschnitt innig und
gleichförmig vermischt wird. Die Primärluft wird vorzugs
weise durch gesonderte Windkästen 7 a, 7 b, 7 c mit für sich
veränderlichen Primärluftteilströmungen eingeblasen, wo
durch ein in der Querrichtung des Reaktors erfolgender
Transport, welcher eventuell zu einem Umlauf des Gutes
im Bodenabschnitt verstärkt ist, und eine besonders gute
und schnelle Vermischung des Bettinhalts in dem genannten
Querschnitt des Bettabschnittes erhalten wird. Zweckmäs
sigerweise wird darüber hinaus der Reaktorboden etwas
schräggestellt, was gleichfalls die vertikale Vermischung
fördert.
Vertikale Kühlflächen 8 sind oberhalb des verhältnis
mäßig dichten Bettes oder darin etwas versenkt angeord
net, damit die Verbrennungswärme aufgenommen wird. Die
Kühlflächen bestehen in dem jetzt beschriebenen Beispiel
aus Röhren mit darin enthaltenem Medium, z. B. Wasser oder
Wasserdampf, und verlaufen nach oben hauptsächlich bis
an den Separator 5 heran. Die z. B. U-förmig gebogenen
Röhren sind z. B. in der veranschaulichten Weise zu Wänden
ausgebildet, verlaufen quer über den Reaktor zwischen den
Rücklaufleitungen 6 und können auf die in der Dampfkes
seltechnik übliche Weise außerdem zu dichten Wänden ver
schweißt sein. Sammelkästen und Ein- und Austritte für
Dampf und Wasser sind in der Figur nicht gezeigt. In
Fig. 1 ist nur eine solche vertikale Kühlfläche 8 dargestellt,
wobei vorausgesetzt ist, daß mehrere solche Kühlflächen
hinter und vor der dargestellten Fläche in Abständen un
tereinander angeordnet sind. Die Aufhängung der Kühl
flächen kann gemäß irgendeiner von der Dampfkesseltech
nik her bekannten Methode erfolgen.
Im Bereich des oberen Teils des verhältnismäßig dich
ten Wirbelbettes sind Windkästen 9 für eine Sekundärluft
strömung vorgesehen. Diese Sekundärluftströmung stellt
den Rest der für die gewünschte Verbrennung erforderlichen
Luftströmung über die Primärluftströmung hinaus dar. Die
Windkästen 9 sind hintereinander ähnlich wie die Kühl
flächen 8 angeordnet und weisen gleichmäßig verteilte
Luftaustrittsöffnungen 10, 11 in einer oder einigen ihrer
Begrenzungswände auf. Vorteilhaft sind Luftaustrittsöff
nungen 10, 11 sowohl in den oberen Begrenzungswänden der
Kästen als auch in den Bodenwänden der Kästen vorgesehen,
wobei die Bodenöffnungen vorzugsweise in der Art angeord
net sind, daß sie eine schräg nach unten gerichtete Luft
strömung ergeben, wodurch die durch diese Öffnungen ge
blasene Sekundärluft die innige Vermischung des Feststof
fes, d. h. neu zugeführten Brennstoffes und zurückgeführ
ten Feststoffes, und der Luft in der radialen Richtung
des Reaktors in dem verhältnismäßig dichten Wirbelbett
noch weiter verstärkt. Den Windkästen 9 wird Sekundärluft
durch Zuleitungen 12 zugeführt, die sich durch den Boden
2 des Reaktors erstrecken, jedoch auch durch die Seiten
wand des Reaktors verlaufen können.
Die untere Partie jeder Kühlfläche ist vorteilhaft zu
wenigstens einem Teil in je einen Windkasten 9 für Se
kundärluft eingesetzt. Hierdurch erreicht man den Vorteil,
daß die untere Partie dieser Kühlflächen vor Abnutzung
durch die aggressiven Feststoffteilchen geschützt ist.
In Fig. 2 ist eine Anordnung für einen solchen Einbau von
eine vertikale Wand bildenden U-förmigen Kühlröhren in
einen Windkasten 9 gezeigt. In Fig. 3 sind zwei Windkä
sten 9 mit je einer vertikalen, aus U-Röhren zusammenge
setzten Kühlfläche und mit oberen Sekundärluftaustritts
öffnungen 11 gezeigt.
Mit den oben beschriebenen Vorkehrungen wird die Wär
meaufnahme in den Kühlflächen 8 durch Änderung des Ver
hältnisses zwischen der Primärluftströmung und der Se
kundärluftströmung verändert. Wird beispielsweise die
Primärluftströmung im Verhältnis zur Sekundärluftströmung
bei sich konstant abspielender Brennstoffzufuhr erhöht,
weitet sich das verhältnismäßig dichte Wirbelbett in
Höhenrichtung aus und wird eine größere Menge Brennstoff
aufgefangen und von der durch die oberen Öffnungen der
Windkästen eingeblasenen Sekundärluft innen im Reaktor in
Kreislauf geführt. Im oberen Teil des Reaktors, zwischen
den Kühlflächen, erhält man somit eine größere Gutbela
stung und demzufolge eine erhöhte Wärmeaufnahme in den
Kühlflächen, und gleichzeitig wird mit konstanter Gesamt
strömung von Primär- und Sekundärluft eine gewünschte
gleichmäßige Reaktor- oder Verbrennungstemperatur auf
rechterhalten.
Eine andere Anordnung zum Einblasen von Sekundärluft
ist in Fig. 4 gezeigt. Die Sekundärluft wird dem vertika
len Reaktor mittels mehrerer durch den Boden des Reaktors
im wesentlichen vertikal sich erstreckenden und in ihrer
Längsachsenrichtung verschiebbaren Röhren oder Kanälen 13
zugeführt, die in ihrer Mantelfläche übereinander ange
ordnete Öffnungen 14 für die Sekundärlufteinblasung in
das verhältnismäßig dichte Wirbelbett im Reaktor auf
weisen. Durch Verschiebung dieser Röhren nach oben oder
unten mittels nicht gezeigter Glieder fängt die Sekundär
luft den Feststoff in dem verhältnismäßig dichten Bett
in größerer Höhe bzw. größerer Tiefe der Betthöhe auf
und fördert dadurch eine kleinere oder größere Menge
Feststoff nach oben und ringsherum im Reaktor. Auf diese
Weise wird somit die Gutbelastung im oberen Teil des
Reaktors, d. h. in den Räumen zwischen den Kühlflächen,
und somit die Wärmeaufnahme in den Kühlflächen verändert.
Alternativ können die Röhren oder die Kanäle 13 unbe
weglich angeordnet sein und inwendig bewegliche Schieber
oder irgendwelche andere Vorkehrung aufweisen, z. B. ein
teleskopisch eingeführtes zweites Rohr zur Freilegung
eines größeren oder kleineren Teils der übereinander
angeordneten Öffnungen 14.
Selbstverständlich können die verschiedenen beschrie
benen Arten der Sekundärlufteinblasung miteinander kombi
niert werden.
Die unter Hinweis auf Fig. 4 beschriebene Vorkehrung
ist von besonderem Vorteil, indem die durch den Boden des
Reaktors zugeführte Primärluftströmung ziemlich konstant
und derart bemessen gehalten werden kann, daß der Haupt
teil der größten Teilchen des Feststoffes, die die größ
te Gefahr einer Erosion der Kühlflächen mit sich ziehen,
in dem Bodenabschnitt des Reaktors zurückbehalten werden
kann, um dort ganz auszubrennen oder zu feineren Teilchen
reduziert zu werden, während die verhältnismäßig feinen
Feststoffteilchen mittels der Sekundärströmung im Reaktor
in Umlauf geführt werden, so daß die Abtrennung des
Feststoffes nach Korngrößenklasse beim Umlauf des Gutes
im Reaktor erfolgt. Diese Einblaseweise ergibt die best
denkbaren Möglichkeiten, einerseits eine innige Vermischung
zu erreichen und andererseits das Volumen und die Höhe
des im Bodenabschnitt des Reaktors befindlichen dichten
Wirbelbettes zu vermindern, um dadurch den gesamten Druck
abfall im Reaktor und den Leistungsverbrauch für den Um
lauf des Feststoffes zu reduzieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungs
mäßige Reaktor eröffnen neue Möglichkeiten zu einer ein
fachen Überwachung und zu einer einfach und schnell aus
führbaren Regelung des Betriebes der gemäß der Erfindung
durchgeführten exothermen Reaktionen. Im folgenden
Beschreibungsabschnitt wird als typische exotherme Reak
tion eine Verbrennungsreaktion zwischen Brennstoff, wie
Kohle oder Öl, und Luft in einer Verbrennungsvorrichtung
oder einem Reaktor des beschriebenen Typs gewählt, wobei
vorausgesetzt ist, daß diese Wahl nicht die Erfindung be
schränkt, sondern auf andere exotherme Reaktionen zwischen
leichteren gasförmigen oder flüssigen Medien und schwere
ren festen oder flüssigen Medien anwendbar ist.
Es ist bereits bekannt, und es leuchtet auch ein, daß
die Menge des einer Verbrennungsvorrichtung zugeführten
Brennstoffes der gesamten Wärmeaufnahme oder Leistung
angepaßt werden muß, die die Vorrichtung oder der Reak
tor abgeben soll. Es ist gleichfalls wohlbekannt, daß
die gesamte, zugeführte Luftströmung gemäß dem Bedarf
des Brennstoffes bei der exothermen Verbrennungsreaktion
gesteuert werden muß und daß außerdem meistens ein
geringerer Luftüberschuß zugeführt werden muß, um einen
gut ausgebrannten Brennstoff und Rauchgase mit niedrigem
Gehalt an unverbrannten Bestandteilen zu ergeben.
Zum Durchführen einer technisch und wirtschaftlich
annehmbaren Verbrennung unter Anwendung der erfindungs
gemäßen Wirbelschichttechnik muß einer Anzahl von wei
teren Gesichtspunkten Rechnung getragen werden. Erstens
ist es erwünscht, daß gleichzeitig mit der Verbrennungs
reaktion luftverunreinigende Substanzen, die von dem
Brennstoff zur Verbrennungsvorrichtung mitgerissen oder
die während der Verbrennung gebildet werden, z. B. schwe
felenthaltende Stoffe wie SO2 und SO3, gebunden oder auf
gefangen werden können. Schwefel kann von Kalk absorbiert
werden, welcher der Verbrennungsvorrichtung zusammen mit
dem Brennstoff oder gesondert zugeführt werden kann. Für
eine wirksame Schwefelabsorption muß die Temperatur in
der Verbrennungsvorrichtung innerhalb einer für die
Schwefelabsorption günstigsten engen Temperaturspanne
gehalten werden.
Es ist weiterhin erwünscht, daß der gesamte Gutinhalt
des Reaktors derart abgewägt wird, daß mit dem Brennstoff
zugeführte, nicht brennbare Stoffe und Absorptionsmittel
einem gleichgroßen Austrag von Feststoff aus dem Reaktor
entsprechen und daß der richtige Gutinhalt im Reaktor
vorliegt. Dies läßt sich bei einem zirkulierenden Wir
belschichtreaktor besonders schwer erfüllen, da dieser Typ
von Reaktor keine definierte Oberfläche der Wirbelschicht
hat, was bei üblichen festen Wirbelbetten der Fall ist,
wo ein Überschuß an Feststoff leicht in einen Bunker
über z. B. einen Überlauf ausgetragen wird.
Den oben erwähnten Wünschen kann dadurch leicht Rech
nung getragen werden, daß unter Anwendung der früher
beschriebenen Technik der Gutkreislauf durch geeignete
Luftzufuhr zum Reaktor und geeignete Verteilung der dem
Reaktor zugeführten Luft gesteuert wird und daß ein
nachstehend beschriebenes, bei zirkulierenden Wirbelschich
ten neues Prinzip zum Messen des Gutinhalts des Reaktors
eingeführt wird. Darüber hinaus ergibt dieses Prinzip
neue Kombinationsmöglichkeiten mit im übrigen für sich
bekannten Prinzipien, so daß eine vollautomatische
Steuerung des Reaktors erzielt werden kann.
Ausgehend von den obigen Darlegungen läßt es sich
feststellen, daß die gewünschte Leistungsabgabe der Ver
brennungsvorrichtung mit einer dieser Leistungsabgabe an
gepaßten Brennstoff- und Luftzufuhr zur Verbrennungs
vorrichtung erreicht werden kann, wobei die Luftzufuhr in
der aus der Dampfkesseltechnik bekannten Weise von der Brenn
stoffzufuhr gesteuert werden kann. Der Wunsch, die Tempe
ratur genau zu steuern, kann durch Messen der Temperatur
und z. B. des Temperaturgradienten in der Verbrennungsvor
richtung auch durch Einstellung der früher beschriebenen
Luftverteilung befriedigt werden. Damit die letztere
Steuerung in richtiger Weise funktioniert, ist jedoch
erforderlich, daß eine mit Rücksicht auf die Korngrößen
verteilung und andere Eigenschaften des Feststoffes in
der Verbrennungsvorrichtung richtige Gesamtmenge Fest
stoff in der Verbrennungsvorrichtung vorhanden ist. Dies
ist wichtig, da die Korngröße und andere Eigenschaften
des der Verbrennungsvorrichtung zugeführten Feststoffes
infolge von Qualitätsabweichungen variieren können. Fer
ner kann ein Austausch von Brennstoffart, z. B. Öl anstelle
von Kohle, aktuell sein. Es ist damit zu rechnen, daß
diese Abweichungen kräftige Änderungen in der Reaktor
funktion ergeben. Es leuchtet in diesem Zusammenhang ein,
einerseits daß es praktisch schwierig ist, den Gutinhalt
direkt zu messen - z. B. durch Wägen des Reaktors im Be
trieb - und andererseits daß z. B. eine Druckabfallmessung,
die über die Stoffmenge im Reaktor indirekt Bescheid gibt,
nicht die ganze gewünschte Information erfaßt.
Das entwickelte neue Prinzip besteht darin, daß die
direkte Wärmeaufnahme - wie Wärmeströmung - pro Flächen
einheit Kühlfläche an einem oder mehreren Punkten der
Kühlfläche über die Höhe des Reaktors mit irgendeinem be
kannten Wärmeströmungsmesser gemessen wird. Die Messung
gibt eine Auskunft, die für jeden Betriebszustand in
einer gesetzmäßigen Weise auf die totale Funktion des
Reaktors und die übrigen gemessenen Parameter bezogen und
besonders dazu verwendet werden kann, um den Austrag von
Festgut aus dem Reaktor zu steuern, welcher für einen
Ausgleich des zugeführten Gutes notwendig ist.
Es leuchtet ein, daß das genannte Prinzip zusammen
mit dem früher erwähnten Prinzip der Temperatursteuerung
eine sehr gute Möglichkeit zur Automatisierung des Reak
torsystems ergibt, welche beispielsweise auf Datenverar
beitung sowohl in einer Datenverarbeitungsanlage als auch
über normalerweise fest gekoppelte Steuerkreise gegründet
werden kann. Nebst der Laststeuerung über Brennstoffzu
fuhr und den beschriebenen Methoden zur Luftverteilung
erhält man eine in jeder Hinsicht einzig darstehende
Möglichkeit zu einer schnellen und folgsamen Steuerung
von niedriger bis hoher Last ohne irgendeine größere
Änderung des Reaktor-Gesamtinhalts an zirkulierendem
Festgut.
Claims (9)
1. Verfahren zum Durchführen von exothermen Reaktionen, insbesondere Ver
brennung zwischen schwereren und leichteren Phasen in zirkulie
render Wirbelschicht mit vertikalen Kühlflächen zur Aufnahme
der bei der Reaktion gebildeten Reaktionswärme, bei welchem die
leichtere Phase in eine Primärströmung zum Aufrechterhalten
einer dichten, klassischen Teilwirbelschicht und eine Sekundär
strömung zum Aufrechterhalten einer weniger dichten, schnellen
Teilwirbelschicht oberhalb der dichten Wirbelschicht aufgeteilt
wird, welche schnelle Teilwirbelschicht im Kreislauf zu der
dichten Wirbelschicht zurückgeführt wird, um die zirkulierende
Wirbelschicht zustandezubringen, und bei welchem eine feste
Phase der zirkulierenden Wirbelschicht kontinuierlich zugeführt
und entzogen wird und die Sekundärströmung der zirkulierenden
Wirbelschicht im wesentlichen unterhalb der Kühlflächen zuge
führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärströmung der
zirkulierenden Wirbelschicht, in mehrere Teilströmungen unter
teilt, mit untereinander verschiedenen Geschwindigkeiten zu
geführt wird, um die Vermischung der Phasen unterhalb der Kühl
flächen zu fördern, daß die Einführung der Sekundärströmung
im Innern der zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt und daß die
Sekundärströmung vor der Einführung in die zirkulierende Wir
belschicht in mehrere Teilströmungen aufgeteilt wird, von denen
zumindest einige Teilströmungen hauptsächlich horizontal von
der Wirbelschicht auf die Seitenbegrenzungswände der Wirbel
schicht zu gerichtet eingeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
gegenseitige Verhältnis der Primär- und Sekundärströmung
variiert wird, um die Phasenbelastung in der Wirbelschicht
und damit die Wärmeaufnahme in den Kühlflächen zu regeln.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Re
gelung der Höhe der dichten Wirbelschicht das Niveau der
Sekundärströmung-Einblasestellen in Höhenrichtung so einge
stellt wird, daß die Sekundärströmung auf das verhältnismäßig
dichte Bett an verschiedenen Niveaus der Betthöhe einwirken
kann.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß zur Bestimmung des Inhalts der Wirbelschicht an schwe
rerer Phase die Wärmeströmung durch die Kühlflächen an im Ab
stand untereinander gelegenen Stellen längs der Kühlflächen ge
messen wird, und daß diese Messung zur Steuerung des Austrags
von schwerer Phase aus der Wirbelschicht benützt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß als Teil der schwereren Phase Kohle oder Öl und als
Teil der leichteren Phase Luft gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Teil
der schwereren Phase ein Absorptionsmittel für schwefelenthal
tende Gase gewählt wird.
7. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit
unteren Zuführgliedern für schwerere Phase und Zuführgliedern
für leichtere Wirbelphase, oberen Trennorganen zum Trennen der
genannten Phasen voneinander, Rückführkanälen für gesonderte
schwerere Phase in den Bodenabschnitt des Reaktors oder in ein
Gebiet gleich oberhalb dieses Bodenabschnittes, Mitteln zum
Austragen der schwereren und der leichteren Phase aus dem Re
aktor sowie im Innern des Reaktors angebrachten Kühlflächen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführglieder für die leichtere
Phase durch den Boden des Reaktors sich erstreckende, in ihrer
Längsrichtung verschiebbare Röhren oder Kanäle (13) umfassen,
die in ihrer Mantelwand im Reaktorinnern Austrittsöffnungen (14)
für die leichtere Phase aufweisen.
8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu
führglieder für die leichtere Phase durch den Boden des Reaktors
sich erstreckende Röhren oder Kanäle (13) umfassen, die in
ihrer Mantelwand im Reaktorinnern übereinander angeordnete, ge
sondert verschließbare Öffnungen aufweisen.
9. Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zuführglieder für die leichtere Phase im Innern des Reaktors
angeordnete Windkästen (9) umfassen, in denen die unteren Teile
der Kühlflächen eingeführt sind oder über denen die Kühlflächen
in der Art angeordnet sind, daß die unteren Teile der Kühl
flächen vor einer direkten Anströmung des Gemisches von leich
terer und schwererer Phase durch die Windkästen geschützt wer
den.
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