DD256081A5 - Fliessbettreaktor - Google Patents

Abstract

Die Verbrennungskammer (1) des Fliessbettreaktors besteht aus einem oberen Ofenraum (3) und einer Reaktorkammer (4), die sich mittig unter dem Ofenraum befindet und deren Querschnittsflaeche wesentlich kleiner ist als die Querschnittsflaeche des Ofenraums, vorzugsweise ein Drittel derselben nicht uebersteigt. Um die Reaktorkammer herum und an sie angrenzend befindet sich ein oder mehrere Senkrechtkanaele (5), die an ihrer oberen Seite zum darueberliegenden Ofenraum hin offen sind und unten mit absperrbaren Austrittsoeffnungen zum Boden der Reaktorkammer versehen sind. In die Kanaele (5) sind Reaktorwaermeoberflaechen (26) eingesetzt, die einen Endueberhitzer fuer den im Reaktor erzeugten Dampf einschliessen koennen. Waehrend des Reaktorbetriebes wird das Gemisch aus inertem Wirbelschichtmaterial und brennbarem Stoff in der Reaktorkammer in einem solchen Grad fluidisiert gehalten, dass Stoff aus der Kammer kontinuierlich zusammen mit den Verbrennungsgasen in den Ofenraum geblasen wird. Infolge der ploetzlichen Vergroesserung des Querschnitts ueber der Kammer nimmt die Gasgeschwindigkeit entsprechend ab, und der groesste Teil des mitgefuehrten Stoffes faellt nach unten in die Kanaele, wo er durch eingebaute Waermeoberflaechen gekuehlt und anschliessend in die Reaktorkammer zurueckgefuehrt wird. Fig. 1

Description

• Charakteristik des bekannten Standes der Technik

US-PS 4111158 beschreibt einen Reaktor dieses Typs, der zwei Kreisläufe für das Rezirkulieren von Wirbelschichtmaterial einschließlich Ascheteilchen und möglicherweise unverbrannten brennbaren Stoffen umfaßt. Der erste Kreislauf enthält einen Zyklonabscheider, in dem der Hauptteil der von den aus der Verbrennungskammer ausströmenden Verbrennungsgasen mitgerissenen Teilchen von den Gasen getrennt wird und von dem die Teilchen zurück in die Verbrennungskammer geführt werden. Der Wärmetauscher, in dem die durch die Verbrennung erzeugte Energie genutzt wird, ist Teil eines zweiten Kreislaufs, in dem die Teilchen vom Boden der Wirbelschicht in der Verbrennungskammer entfernt und nach dem Kühlen im Wärmetauscher, der sich außerhalb der Kammer befindet, ineinen höheren Bereich in der Verbrennungskammer wieder eingespeist werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, derartige Fließbettreaktoren weiter zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ein erfindungsgemäßer Reaktor unterscheidet sich von einem dem Stand der Technik entsprechenden Reaktor dadurch, daß die Verbrennugskammer einen oberen Ofenraum und eine untere Reaktorkammer hat, in derdie Verbrennung stattfindet, daß die Reaktorkammersich mittig unter dem Ofenraum befindet und eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche als der Ofen raum hat und daß der Wärmetauscher in einem oder mehreren Senkrechtkanälen eingebaut ist, die um und neben der Reaktorkammer angeordnet sind und die an ihrer oberen Seite zum Ofenraum hin offen sind.

Es werden verschiedene wesentliche Vorteile mit dieser Erfindung erreicht, die in der folgenden allgemeinen Beschreibung der Arbeitsweise des Reaktors erklärt werden.

In der im unteren Teil der Verbrennungskammer befindlichen Reaktorkammer verbrennt der Hauptteil der zugsführten brennbaren Stoffe durch Reaktion mit der am Boden der Kammer eingeleiteten Fluidisations- und Verbrennungsluft, deren Durchsatz so hoch ist, daß die Teilchen in der Wirbelschicht einschließlich der Ascheteilchen und möglicherweise unverbrannten brennbaren Stoffe in großem Umfang durch die Verbrennungsgase nach oben in den darüberliegenden Ofenraum mitgerissen werden. Die für die Erfindung charakteristische Trennung der Verbrennungskammer in die eben erwähnte untere Reaktorkammer und den darüberliegenden Ofenraum mit einer wesentlich größeren Querschnittsfläche bewirkt eine entsprechend plötzliche Reduktion der Durchflußgeschwindigkeit der Gase beim Strömen aus der Reaktorkammer in den Ofenraum. Als Folge davon hört der von den Verbrennungsgasen auf dieTeilchen ausgeübte Einfluß das Mitführens schnell auf, und die Teilchen bewegen sich nach außen auf die Wände des Ofenraums zu, wo die Gasgeschwindigkeit Null oder etwa Null beträgt. Die Teilchen fallen schließlich nach unten in den offenen Kanal oder Kanäle, von dessen bzw. deren Boden sie zurück zum Boden der Reaktorkammer geführt werden, nachdem sie an das Arbeitsmedium Wärme übertragen haben. Aufgrund der Tatsache, daß die Menge an heißen Teilchen in den Verbrennungsgasen wesentlich reduziert worden ist, können unmittelbar nach dem Ofenraum Konvektionswärmeoberflächen im Verbrennungskanal eingebaut werden, wodurch die Verbrennungsgastemperatur auf einen Wert reduziert wird, bei dem ein nachgeschalteter Zyklonabschneider aus Stahl gefertigt werden kann, ohne daß eine Beschichtung mit hochtemperaturbeständigen und verschleißfesten Werkstoffen nötig ist, die in dem Zyklonabscheider nach dem oben erwähnten US-Patent erforderlich ist. Dies hat auf der einen Seite einen höheren Trennungsgrad zur Folge, da der Abscheider mit einem zentralen Gasaustrittsrohr versehen werden kann, dessen Länge einem vorherbestimmten Trennungsgrad angepaßt werden kann, und bringt auf der anderen Seite eine geringere Masse und niedrigere Herstellungskosten mit sich.

Die Anordnung des Kanals oder der Kanäle gegen die zentrale Reaktorkammer mit gewöhnlichen Zwischenwänden bietet eine gute Wärmewirtschaft, geringe Wärmespannungen in den Zwischenwänden und eine einfache Konstruktion. Die vergleichsweise niedrige Verbrennungstemperatur am Ausgang aus der Verbrennungskammer bedeutet auch, daß, abgesehen von der Reaktorkammer, ein Zementieren mit feuerbeständigem Material im allgemeinen überflüssig wird. Die daraus resultierende Verminderung der Wärmespeicherfähigkeit des Reaktors sorgt für einen schnelleren Anfahrzeitraum und einen kürzeren Abstellzeitraum des Kühlens bei einer Betriebsunterbrechung. Da das Gewicht des Reaktors selbst dadurch vermindert wird, trifft dies auch auf das Gewicht der tragenden Konstruktion und das Reäktorfundament zu.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen ausführlicher erklärt werden, von denen Figur 1 ein Senkrechtschnitt entlang der Linie l-l in Figur 2 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors ist, Figur 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie H-Il in Figur 3 ist und Figur 3 ein vereinfachtes Schema des Reaktors gemäß der Darstellung in Figur 1 ist.

Der in den Zeichnungen dargestellte Reaktor soll als ein Reaktorbehälter mit natürlichem Kreislauf gebaut sein, und seine generell mit 1 bezeichnete Verbrennungskammer ist durch senkrechte, gasundurchlässige Rohrwände definiert, deren Steigrohre über geeignete Sammelrohre auf herkömmliche Weise in einen oberen Behälter 2 münden, während sie unten an Verteilerkästen angeschlossen sind, die hier nicht dargestellt sind. Die Verbrennungskammer 1 ist in einen oberen Abschnitt 3, nachfolgend als Ofenraum des Reaktors bezeichnet, und in einen mittig oder koaxial unter dem Ofenraum befindlichen Abschnitt unterteilt, der die Reaktorkammer bildet, in der der Hauptteil der Verbrennung stattfindet. Die Reaktorkammer, die oben zum Ofenraum hin offen ist, hat eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche als der Ofenraum, in der dargestellten Ausführungsform ca. 25% der Querschnittsfläche des Ofenraums.

Zwei Senkrechtkanäle 5, deren Gesamtquerschnittsfläche in der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen gleich der Fläche von Kammer 4 ist, sind entlang der zwei gegenüberliegenden Seitenwände von Kammer 4 angeordnet. An den drei anderen Seiten ist jeder Kanal 5 durch eine isolierte thermische Außenwand definiert, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Die Außenwände der Reaktorkammer 4, von denen zwei folglich Trennwände für die Kanäle 5 bilden, sind als gasundurchlässige Rohrwände konstruiert, deren Rohre am Boden von den Verteilerkästen (nicht dargestellt) gespeist werden, während sie sich am Kopf nach außen gegen und als ein Teil der senkrechten Rohrwände des Ofenraums 3 erstrecken.

Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, ist das Rohrsystem am Übergang von der Reaktorkammer 4 zum Ofenraum 3 so ausgeführt, daß jedes zweite Rohr 6 in bezug auf jedes zweite Rohr 7 senkrecht verschoben ist, und da gleichzeitig die die aufeinanderfolgenden Rohre in den Rohrwänden verbindenden Blechteile hier ausgelassen sind, sind zwischen Reaktorkammer 4 und den Wänden von Ofenraum 3 Strömungsdurchgänge für den aus einzelnen Teilchen bestehenden Stoff vorgesehen, der über Reaktorkammer 4 herausgeblasen wird und anschließend auf Grund der verringerten Gasgeschwindigkeit im Ofenraum in die Kanäle 5 fällt. Am Boden eines jeden Kanals ist ein verstellbares Schiebeventil (nicht dargestellt) vorgesehen, das die Rückführung von aus einzelnen Teilchen bestehendem Stoff zur Bodenfläche von Reaktorkammer 4 regeln kann. Wie aus Figur 3 deutlich wird, befindet sich unterhalb von Reaktorkammer 4 eine Windkammer 8 mit einem Einlaß 9 für Fluidisierungs- und Verbrennungsluft. Durch Kammer 8 und einen im Prinzip herkömmlichen Gitter- oder Düsenboden 10 wird Luft in die Reaktorkammer 4 mit einem ausreichend hohen Durchsatz geblasen, um zu gewährleisten, daß der in der Kammer befindliche aus einzelnen Teilchen bestehende Stoff nicht nur wirksam hochgewirbelt wird und dadurch die Verbrennung wirkungsvoller werden läßt, sondern, was den größten Teil betrifft, von den während der Verbrennung erzeugten Verbrennungsgasen mitgerissen wird, wenn diese Gase aus der oberen Öffnung der Reaktorkammer austreten (sogenannter pneumatischer Transport). Figur 3 zeigt auch rein schematisch die Eintrittsleitungen 11 und 12 für zerkleinerten brennbaren und Wirbelstoff, die zum Ausgleich von Stoffverlusten während des Reaktorbetriebs angepaßt sind.

Der Ofenraum 3, der in der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen die gleiche Höhe hat wie die Reaktorkammer 4, ist oben durch eine schräge Rohrwand 13 abgeschlossen, die im Vergleich zum restlichen Teil des Querschnitts des Ofenraums eine im wesentlichen verengte Fläche der Austrittsöffnung 14 für die Verbrennungsphase vorsieht. Ein kurzer, sich nach oben erstreckender Konvektionsdurchgang 15 und ein wesentlich längerer, nach unten verlaufender Konvektionsdurchgang 16 befinden sich nach der Austrittsöffnung 14 unmittelbar neben einer der Seitenwände von Ofenraum 3.

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Konvektionswärmeoberflächen, die allgemein mit 17 bezeichnet sind, sind in diesen zwei Gasdurchgängen 15 und 16 dargestellt und bilden in einerahundfürsich herkömmlichen Weisezum Beispiel Vorüberhitzer, LuftvorwärmeroderEconomiser. Ein Kanal 18 erstreckt sich vom unteren Ende des Gasdurchgangs 16 nach oben in einen Zyklonabscheider 19, in dem die meisten der noch verbliebenen Teilchen von dem Verbrennungsgas getrennt und durcheine Aüstragleitung 20 am Boden des Abscheiders von einem Behälter 21 aufgefangen werden, von wo aus sie vollständig oder teilweise zu einem der Kanäle 5 über eine Rückführleitung 22 zurückgeführt und/oder aus dem System entfernt werden können. Die gereinigten Verbrennungsgase treten aus dem Abscheider durch eine Leitung 23 aus, die, wie in Figur 1 dargestellt ist, die Verbrennungsgase zu zusätzlichen Konvektionswärmeoberflächen 24 und von dort zu einem Staubabscheider 25, z. B. einem Schlauchfilter oder einem Elektrofilter, leiten kann. Ein hier'nicht dargestelltes Zuggebläse bläst die Verbrennungsgase von dem Staubabscheider 25 zu einem Schornstein.

Neben den bereits erwähnten Konvektionswärmeoberflächen und den wasserdurchströmten Rohrwänden in der Reaktorkammer 4 und dem Ofenraum 3 gehören zum Reaktor auch Wärmeoberfächen 26, die in den zwei Kanälen 5 untergebracht sind.

Diese Wärmeoberflächen können, wie am besten in Figur 2 ersichtlich ist, als Rohrwendeln ausgebildet sein, zumindest was einige von ihnen betrifft, und sind den höchsten Temperaturen imReaktor ausgesetzt, so daß es offensichtlich ist, daß diese Wärmeoberflächen oder zumindest ein Teil davon den Endüberhitzer des Reaktors bilden, vorausgesetzt, der Reaktor ist dazu angepaßt, überhitzten Dampf beispielsweise an einen Turbogenerator zu liefern.

Es wurde oben kurz erwähnt, daß die Rückführung von aus einzelnen Teilchen bestehendem Stoff aus den Kanälen 5 zur Reaktorkammer 4 durch verstellbare Schieberventile geregelt werden kann. Diese Schieberventile können dazu verwendet werden, die Wärmeabsorption des Arbeitsmediums in den Wärmeoberflächen 26 zu steuern und die Temperatur der Wirbelschicht in der Reaktorkammer 4 in Abhängigkeit von der eingespritzten Menge an brennbarem Stoff zu regeln. Des weiteren ist es auf eine mehr oder weniger bekannte Art und Weise möglich, die Dampftemperatur einer angeschlossenen Turbine durch Wassereinspritzen zu regeln, und der Dampfdruck kann als ein Steuerparameter zur Regulierung der Füllmengen an brennbarem Stoff und Luft herangezogen werden. Bei niedriger Füllung kann die für die Verbrennung erforderliche Luftmenge in sich für eine ausreichende Fluidisierung des Stoffs in der Reaktorkammer 4 zu gering sein, und in solchen Fällen wird ein Teil des Verbrennungsgases über Boden 10 der Reaktorkammer in diese zurückgeführt werden.

Claims (7)

1. Fließbettreaktor des Typs, der auf der einen Seite eine Senkrechtverbrennungskammer, in der eine Wirbelschicht eines inerten Stoffes wärend des Reaktionsbetriebs in einem solchen Grad fluidisiert gehalten wird, daß ein beträchtlicher Teil desselben von den ausströmenden Verbrennungsgasen mitgerissen und nach der Trennung von den Gasen in die Verbrennungskammer zurückgeführt wird, und auf der anderen Seite einen Wärmetauscher einschließt, in dem das Arbeitsmedium des Reaktors aus dem rezirkulierenden Wirbelsehichtstoff Wärme absorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (1) einen oberen Ofenraum (3) und eine untere Reaktorkammer (4), in derdie Verbrennung erfolgt, umfaßt,daß die Reaktorkammer(4) sich mittig unterdem Ofenraum (3) befindet und eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche als der Ofenraum hat, und daß der Wärmetauscher (26) in einen oder mehrere Senkrechtkanäle (5) eingebaut ist, die um und neben der Reaktorkammer (4) angeordnet und an ihrer oberen Seite zum Ofenraum hin offen sind.

2. Fließbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen von Ofenraum (3) und Reaktorkammer (4) mindestens 3:1 ist.

3. Fließbettreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenraum (3) bis zu einer an der Oberseite des Ofenraums befindlichen Austrittsöffnung (14) für Verbrennungsgase eine im wesentlichen konstante Querschnittsfläche hat.

4. Fließbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen auf den Ofenraum folgenden und nach unten verlaufenden Konvektionsdurchgang (16) hat, der Heizoberflächen (17) einschließt, wobei dieser Konvektionsdurchgang (16) am Boden ungefähr in der Höhe der Öffnungen von Reaktorkammer (4) und der Kanäle (5) endet.

5. Fließbettreaktor nach einem jeden der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Reaktorkammer (4) und der Kanäle (5) ungefähr der Hälfte der Gesamthöhe der Verbrennungskammer (1) entspricht.

6. Fließbettreaktor nach einem jeden der Ansprüche 1 bis 5,der in den Kanal oder Kanäle (5) eingebaute Wärmetauscher einen Endüberhitzer (26) enthält.

7. Fließbettreaktor nach einem jeden der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (4) frei von eingesetzten Wärmetauschoberflächen ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Fließbettreaktor des Typs, der auf der einen Seite eine Senkrechtverbrennungskammer, in der eine Wirbelschicht eines inerten Stoffes während des Reaktorbetriebs in einem solchen Grad fluidisiert gehalten wird, daß ein beträchtlicher Teil desselben von den ausströmenden Verbrennungsgasen mitgerissen und nach der Trennung von den Gasen in die Verbrennungskammer zurückgeführt wird, und auf der anderen Seite einen Wärmetauscher einschließt, in dem das Arbeitsmedium des Reaktors aus dem rezirkulierenden Wirbelschichtstoff Wärme absorbiert.