DE3900026C2 - Wirbelkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelkammer mit einem Gas­ einlaß in einem unteren Bereich für ein gasförmiges Me­ dium, einem darüber angeordneten Feststoffeinlaß, einem Auslaß in einem oberen Bereich für das die Feststoff­ teilchen tragende Gas und mit einem Konzentrator im obe­ ren Bereich der Wirbelkammer zum Aneinanderlagern von Feststoffen.

Eine Wirbelkammer dieser Art ist beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 37 07 625 beschrieben. Die Wirbelkammer nach dieser Schrift weist in ihrem obe­ ren Bereich einen Konzentrator auf, dessen Wirkungsprin­ zip auf einem elektrischen Feld beruht. Dabei schlagen sich elektrisch geladene Teilchen, insbesondere Staub­ teilchen aus der Abluft an einer Niederschlagselektrode ab, agglomerieren, fallen in die Wirbelschicht zurück und werden mit dem Trockenprodukt ausgetragen. Nachteilig bei dieser Wirbelkammer ist der hohe Energieverbrauch, der durch die elektrische Aufladung der Teilchen mittels ei­ nes elektrischen Feldes entsteht. Weiterhin erfordert eine solche Anlage einen erheblichen konstruktiven Aufwand und ist daher in bestehenden Anlagen nur bedingt nachrüstbar.

Mit dem Vortrag "Betriebserfahrungen mit der Wirbel­ schichtanlage Gneisenau" von V. Asche in "Haus der Tech­ nik-Vortragsveröffentlichungen", Heft 484, Seite 13-16, 1983, ist es weiterhin bekannt, in einer Wirbelkammer eine Mischung aus Kohle, Kalk und Asche zu verbrennen. Dabei werden die Feststoffe etwa zur Hälfte mit den Rauchgasen durch die obenliegende, sich in ihrem Quer­ schnitt verjüngende Abluftöffnung aus dem Wirbelschicht­ ofen herausgeführt. Bei dieser Anordnung wirkt es sich vor allem ungünstig aus, daß die Feststoffe nur kurze Zeit in der Wirbelkammer verbleiben und teilweise mit aufwendigen Rückführeinrichtungen erneut in die Wirbel­ kammer eingebracht werden müssen. Dadurch arbeitet die Anlage verhältnismäßig unwirtschaftlich.

Die Deutsche Patentschrift DE 24 08 649 beschreibt eine Wirbelkammer einer Feuerungsanlage bei der die Geschwin­ digkeit des zu einem obenliegenden Auslaß strömenden Ga­ ses mittels einer Düse stark erhöht wird. Unmittelbar nach dem Passieren der Düse prallen die von dem Gas mit­ gerissenen Partikel gegen einen zur Düse hin konkav ge­ krümmten Abscheider und werden dadurch mit hoher Ge­ schwindigkeit nach unten abgelenkt. Nachteilig bei dieser Anordnung wirkt sich die Beschleunigung des Gases unmit­ telbar vor dem Austritt durch eine Abgasöffnung aus, wo­ durch die Reaktion nur sehr kurzzeitig und damit unvoll­ ständig ablaufen kann.

Mit der Deutschen Offenlegungsschrift DE 27 53 173 ist eine Vorrichtung zur Trennung von Stoffen in einer Wir­ belschicht mittels Wirbelbildung gegeben. Dabei werden die aufsteigenden Teilchen innerhalb der Wirbelkammer ra­ dial nach außen in einen Bereich geringerer Strömungsge­ schwindigkeit geleitet. Damit verbunden ist die Trennung der Medien verschiedener Dichte, wobei das schwerere Me­ dium in einem äußeren Zylinder abwärts sinkt und dabei baulich von der aufsteigenden Strömung getrennt ist. Hin­ derlich wirkt sich bei der beschriebenen Vorrichtung aus, daß das schwerere Medium während des Herabsinkens für eine Reaktion mit dem leichten Medium nicht zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelkam­ mer der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sich die Verweilzeit der Feststoffe ohne Vergrößerung des Bau­ volumens der Wirbelkammer erhöht, so daß eine Reaktions­ verbesserung zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Konzentrator oberhalb des Auslasses angeordnet und als sich nach oben hin verjüngende, dachartige Kegelflä­ che oder entsprechend als Kegelstumpf ausgebildet ist.

Vorteilhaft wirkt sich aus, daß bei der erfindungsgemä­ ßen Wirbelkammer der Konzentrator nicht vom Gas durch­ strömt wird und somit einen Bereich mit geringer Gasströ­ mung bildet. Das aufwärtsströmende, feinverteilte Fest­ stoffteilchen mitführende Gas staut sich daher innerhalb des Konzentrators, so daß dort das angestrebte Aneinan­ derlagern von Feststoffen eintritt. Die Feststoffe haften lose aneinander und sinken dann infolge ihrer Gewichts­ vergrößerung in der Wirbelkammer nach unten. Dabei zer­ fallen sie im unteren Bereich wieder in Einzelteilchen, die dann vom Gasstrom erneut mit nach oben geführt wer­ den. Ein Teil der Feststoffteilchen wird stets über den Auslaß nach außen abgeführt, während sich der Rest im Konzentrator anreichert, aneinanderhaftet und erneut wie erläutert nach unten absinkt. Durch dieses Wirkprinzip entsteht eine Scherströmung zwischen den Feststoffteil­ chen und dem Gas, wodurch sich die Reaktionsgeschwindig­ keit erhöht. Die erfindungsgemäße Wirbelkammer arbeitet mithin besser als die oben beschriebenen Wirbelkammern, die mit einer äußeren Rückführung, einem elektrischen Feld oder einer Beschleunigung der Strömung und anschlie­ ßender Trennung mittels eines Abscheiders arbeiten, weil in ihr eine größere Verweilzeit der Feststoffteilchen zu erreichen ist und die auftretende Scherströmung die Reak­ tion verbessert. Darüber hinaus ist die Ausbildung des Konzentrators als Kegel oder Kegelstumpf mit äußerst ge­ ringem Aufwand zu verwirklichen und führt zu einer we­ sentlichen Verbesserung der Arbeitsweise einer Wirbelkam­ mer. Die erfindungsgemäße Wirbelkammer, welche aufgrund ihrer Wirkungsweise als Rückstromwirbler bezeichnet wer­ den könnte, eignet sich beispielsweise als Reaktor für die Durchführung chemischer Reaktionen, aber auch als Trockner oder als Brennkammer für eine Feuerung.

Optimal bemessen ist die erfindungsgemäße Wirbelkammer, wenn der Kegelstumpf ein Durchmesserverhältnis D/d von 1/0,1 bis 1/0,5 hat und seine Mantelfläche gegenüber der Horizontalen mit einem Winkel α von 30-60 Grad an­ steigt. Wenn die Wirbelkammer mit erheblich unterschied­ lichen Lasten arbeiten muß, dann ist es vorteilhaft, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Einlaß für das gasförmige Medium zur Eingabe einer Grund­ lastmenge ausgelegt ist und wenn sich oberhalb dieses Einlasses ein zweiter Gaseinlaß zur Einleitung einer zu­ sätzlichen Gasmenge befindet. Diese Ausgestaltung führt bei hohen Lasten zu einer erheblichen Energieeinsparung, da durch den zusätzlichen Gaseinlaß die Druckverluste erheblich geringer sind, als wenn der gesamte Gasstrom über ein und denselben Einlaß in die Wirbelkammer gelan­ gen müßte. Weiterhin kann durch diese Ausgestaltung eine unerwünschte Schallerzeugung bei hoher Last vermieden werden. Durch die Aufteilung des Gasstromes ergibt sich bei der Rauchgasreinigung eine verbesserte Schwermetall­ abscheidung, weil der im unteren Bereich der Wirbelkammer eingegebene Teilstrom durch vermehrte Wassereindüsung eine besonders hohe Abscheideleistung ermöglicht und der weiter oben eingeleitete Reststrom noch zu einer normalen Abscheideleistung führt, so daß die Summe beider Ab­ scheideleistungen höher ist als bei bekannten Wirbelkam­ mern, in die auch bei hoher Last der gesamte Gasstrom im unteren Bereich eingeleitet wird.

Bei der Rauchgasreinigung bestehen die Erfordernisse, daß die Rauchgastemperatur auch im Schornstein noch oberhalb des Taupunktes des Rauchgases liegen muß, zur Herbeiführung einer guten Entschwefelung man jedoch mög­ lichst viel Wasser in das Rauchgas einbringen möchte. Um beide Erfordernisse erfüllen zu können, heizt man oftmals das Rauchgas nach dem Verlassen der Wirbelkammer vor dem Schornstein wieder auf, was jedoch großvolumige Wärmetau­ scher erfordert. Weiterhin kommt es durch die hohe Was­ sereingabe in der Wirbelkammer oftmals zu Anbackungen in­ folge von Taupunktunterschreitungen in dem der Wirbelkam­ mer folgenden Rauchgasweg.

Die vorstehenden Nachteile können gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auf einfache Weise durch ei­ nen Wassereinlaß und einen Wärmetauscher zum Aufheizen des Wassers durch das einzuführende gasförmige Medium vermieden werden. Hierdurch kann man mehr Wasser in das Rauchgas einbringen als bei Anlagen, welche mit kaltem Wasser arbeiten. Da das Wasser nur noch verdampft und nicht zunächst erwärmt werden muß, kühlt das Rauchgas weniger ab, so daß es innerhalb der Wirbelkammer nicht zu Taupunktunterschreitungen und dadurch zu Anbackungen kommt. Weiterhin liegt hinter der Wirbelkammer die Rauch­ gastemperatur noch ausreichend hoch, um das Rauchgas ohne zusätzliche Aufheizung dem Schornstein zuzuführen. Die Aufheizung des Wassers ist mit einfacheren Mitteln zu er­ reichen als die des großvolumigen Rauchgasstromes hinter der Wirbelkammer. Die durch das vorgewärmte Wasser er­ zielbaren Vorteile ergeben sich auch bei einer Wirbelkam­ mer ohne Aufteilung des Gasstromes in zwei Teilströme.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine da­ von in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend be­ schreiben.

Die Zeichnung zeigt eine Wirbelkammer 1, welche im unte­ ren Bereich einen Einlaß 2 für ein gasförmiges Medium hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel soll die Wirbelkammer 1 der Rauchgasreinigung dienen, so daß über den Einlaß 2 Rauchgas aus einer Leitung 3 in die Wirbelkammer 1 ge­ langt. Vor dem Einlaß 2 verzweigt sich die Leitung 3 und führt mit einem Zweig zu einem höher gelegenen Gaseinlaß 4. Der untere Einlaß 2 ist so ausgelegt, daß über ihn der Wirbelkammer 1 stets eine Grundlastmenge zugeführt wird. Höhere Gasvolumina gelangen über den zweiten Gas­ einlaß 4 in die Wirbelkammer 1.

Etwas oberhalb des Einlasses 2 ist ein Feststoffeinlaß 5 vorgesehen, über den der Wirbelkammer 1 bei diesem Aus­ führungsbeispiel Kalziumhydroxid zugeführt und mittels Staubabscheidefilter Feststoff von außen zugeführt wird. Geringfügig unterhalb des Feststoffeinlasses 5 ist ein Wassereinlaß 6 angeordnet. Das über eine Leitung 7 zuge­ führte Wasser wird zunächst in einem Wärmetauscher 8 vom Rauchgas auf eine etwa -10°C bis +10°C um den Wassertau­ punkt des Rauchgases liegende Temperatur erhitzt, bevor es in die Wirbelkammer 1 eingedüst wird.

Für die Erfindung sehr wesentlich ist ein Konzentrator 9, welcher im oberen Bereich der Wirbelkammer 1 oberhalb ei­ nes Auslasses 10 angeordnet ist und bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel aus einem sich nach unten erweiternden Ke­ gelstumpf gebildet ist. Durch diese Gestaltung werden die vom Gasstrom nach oben geführten Teilchen zur mit 11 po­ sitionierten Kreisfläche des Kegelstumpfes hin konzen­ triert. Sie lagern sich dabei aneinander, so daß sie schwerer werden und entgegen der Gasströmung in der Wir­ belkammer 1 absinken. Dadurch entsteht eine Scherströmung zwischen dem Gas und den Feststoffteilchen. Während des Absinkens zerfallen die aneinandergeballten Teilchen wie­ der in Einzelteilchen und steigen dann erneut auf. Außer­ dem wird dadurch die Feststoffbeladung im Auslaß 10 er­ heblich ( das heißt über 40%) reduziert, wodurch der Staubabscheidefilter und die Feststoffrückführung erheb­ lich entlastet werden.

Claims (4)

1. Wirbelkammer mit einem Gaseinlaß in einem unteren Be­ reich für ein gasförmiges Medium, einem darüber angeord­ neten Feststoffeinlaß, einem Auslaß in einem oberen Be­ reich für das die Feststoffteilchen tragende Gas und mit einem Konzentrator im oberen Bereich der Wirbelkammer zum Aneinanderlagern von Feststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (9) oberhalb des Auslasses (10) angeordnet und als sich nach oben hin verjüngende, dachartige Kegelfläche oder entsprechend als Kegelstumpf ausgebildet ist.

2. Wirbelkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf ein Durchmesserverhältnis D/d von 1/0,1 bis 1/0,5 hat und seine Mantelfläche gegenüber der Horizontalen mit einem Winkel α von 30-60 Grad an­ steigt.

3. Wirbelkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (2) für das gasförmige Medium zur Ein­ gabe einer Grundlastmenge ausgelegt ist und daß sich oberhalb dieses Einlasses (2) ein zweiter Gaseinlaß (4) zur Einleitung einer zusätzlichen Gasmenge befindet.

4. Wirbelkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wassereinlaß (6) und einen Wärmetauscher (8) zum Aufheizen des Wassers durch das einzuführende gasförmige Medium.