DE102005006570A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fluidisierung einer Wirbelschicht - Google Patents

Abstract

Bei der Fluidisierung einer ein Wirbelbett (3) aus Feststoff-Partikeln bildenden Wirbelschicht in einem Behälter (1) wird das Fluidisierungsgas über eine Rohrleitung (7) in der Nähe des Behälterbodens (9) in die Wirbelschicht eingebracht, wobei die Gasströmung in der Rohrleitung (7) im Wesentlichen stetig abwärts gerichtet ist. In der Rohrleitung (7) ist ein Strömungswiderstand (10) vorgesehen, der oberhalb des Wirbelbetts (3) angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fluidisierung einer Wirbelschicht, die ein Wirbelbett aus Feststoff-Partikeln bildet, in einem Behälter mit einem Boden durch Zufuhr eines Fluidisierungsgases über mindestens eine Rohrleitung in die Wirbelschicht sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Bisher wurden Wirbelschichten durch Gaszufuhr von unten über offene vertikale Bohrungen, Düsenrohre mit seitlichen Bohrungen mit oder ohne Glocken oder poröse Platten fluidisiert (siehe „Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems", Chapter 6: Gas Distributor and Plenum Design in Fluidized Beds p. 155–176, Ed. W. C. Yang, Dekker, New York, 2003).
• Bei Glockendüsen wird eine gleichmäßige Fluidisierung dadurch erreicht, dass jede Glockendüse durch kleine Strömungsquerschnitte mit einem großen Druckverlust ausgestattet ist. Durch die hohen Geschwindigkeiten und mehrfache Umleitung der Gasströmung wird erschwert, dass Feststoff rückwärts in die Gaszufuhr eindringen kann. Beim Abschalten der Gaszufuhr dringt durch eine Restfluidisierung dennoch oft Feststoff in die Glocke ein, der bei einem Wiederanfahren regelmäßig nicht wieder herausgespült wird und dadurch sogar die Glocke verstopfen kann. Dann müssen Drainagen vorgesehen werden, die bei Prozessen mit hoher Temperatur ein Problem für die Arbeitssicherheit darstellen.
• Poröse Platten oder Gewebe erzeugen eine sehr gleichmäßige Fluidisierung, haben jedoch den Nachteil, dass sich das poröse Medium mit der Zeit zusetzt und nicht wieder vollständig gereinigt werden kann oder dass es mit der Zeit durch Erosion an Druckverlust verliert. Wie bei den Verteilerböden mit Glocken oder Düsen muss zumindest auch für den Fall eines Gewebebruches eine Entleerungs möglichkeit des gasdurchströmten Raumes vorgesehen werden. Außerdem ist die Einsatztemperatur der porösen Platten und insbesondere der Gewebe begrenzt.
• Aus der DE 33 40 099 ist bekannt, Gas seitlich nach oben in die Wirbelschicht einzuführen. Gerade hier tritt jedoch verstärktes Eindringen des Feststoffes auf.
• Alternativ kann die Gaszufuhr bspw. durch Rohre von der Seite her in die Wirbelschicht erfolgen ( DE 40 07 835 C2 ). Für eine gleichmäßige Fluidisierung werden mehrere Rohre benötigt, deren Enden gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt werden. Zusätzlich muss sichergestellt werden, dass durch jedes Rohr annähernd der gleiche Volumenstrom Gas fließt. Dies wird dann dadurch erreicht, dass jedes Rohr mit einem Druckverlust versehen wird, der dafür sorgt, dass sich das Gas gleichmäßig verteilt. Bei bisher hierfür eingesetzten Düsen wird der Druckverlust durch eine deutliche Verengung in der Düsenspitze erreicht. Das hat den Nachteil hoher Strömungsgeschwindigkeit im direkten Kontakt mit Feststoff, was Turbulenz erzeugt, zur Erosion an der Düsenspitze führt und die Partikel im Wirbelbett mechanisch beansprucht.
• Es ist außerdem bekannt, ein weiteres Medium mit Hilfe eines Gasstromes, ausgebildet als Jetdüse einzuführen ( DE 102 37 124 ). Hier wird die Düse aber nicht zur Fluidisierung genutzt.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, die gleichmäßige Fluidisierung einer Wirbelschicht zu ermöglichen, ohne dass Teile der Gaszufuhr vom Feststoff verstopft werden können. Zusätzlich soll Erosion und/oder Partikelfragmentierung vorgebeugt werden.
• Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die neue Art der Fluidisierung zeichnet sich dadurch aus, dass der Gasstrom von einem Verteiler oberhalb der Wirbelschicht stetig abwärts geführt wird und nahe dem Behälterboden aus dem Rohr austritt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestal tung der Erfindung weist das Rohr unterhalb der Höhe, zu der Feststoff höchstens im Rohr aufsteigen könnte, keine Verengungen in Strömungsrichtung auf, d.h. das Rohr hat einen gleichbleibenden oder sich nach unten erweiternden Querschnitt.
• Der nötige Druckverlust zur Vergleichmäßigung der Fluidisierung wird in jedem Rohr durch einen Strömungswiderstand (z.B. eine Blende) bewirkt, der aber auf jeden Fall in einem Teil des einzelnen Rohres liegt, der feststofffrei bleibt. Vorzugsweise liegt der Strömungswiderstand außerhalb des Wirbelraumes, sodass er leicht zugänglich ist. Der Druckverlust im Strömungswiderstand sollte erfindungsgemäß zwischen 10 und 1500 mbar, vorzugsweise zwischen 20 und 200 mbar betragen.
• Die Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus dem unteren Rohrende richtet sich nach der Empfindlichkeit des Feststoffs im Wirbelbett und seiner zulässigen Beanspruchung. Wenn es sich um einen empfindlichen, z.B. zerbrechlichen, Feststoff handelt und Fragmentierung unerwünscht ist, muss die Geschwindigkeit möglichst gering gewählt werden. Die Austrittsgeschwindigkeit soll im Allgemeinen zwischen 2 und 50 m/s liegen, vorzugsweise zwischen 5 und 30 m/s.
• Um die Gasströme in allen Rohren absolut gleich einzustellen, kann das Druckverhältnis über die Blende auf mehr als 2 zu 1 gesetzt werden, d.h. der absolute Druck vor der Blende ist mindestens doppelt so groß wie der absolute Druck nach der Blende. So entsteht im engsten Querschnitt der Blende Schallgeschwindigkeit. Durch die Schallgeschwindigkeit ist der Volumenstrom im Rohr genau definiert, unabhängig von den Betriebsschwankungen und der Austrittsgeschwindigkeit am unteren Rohrende. Wahlweise können die Volumenströme in den Rohren auch so bestimmt werden, dass sogar eine gewünschte definierte Ungleichverteilung erreicht wird.
• Die Rohre können vertikal oder in einem Winkel zur Horizontalen eingeführt werden. Der Winkel beträgt hierbei mehr als 1° zur Horizontalen, vorzugsweise mehr als 30° zu Horizontalen. Dadurch kann ein Verstopfen der Rohre verhindert werden, bzw. beim Anfahren der Fluidisierung wird eingedrungener Feststoff leicht wieder ausgeblasen.
• Die Rohre werden unabhängig von ihrem Einführungswinkel bevorzugt am Ende horizontal abgeschnitten, um das Gas möglichst weit unten, d.h. nahe am Boden der Wirbelschicht, i.A. in einem Abstand von weniger als 250 mm, bevorzugt mit einem Abstand von weniger als 150 mm, ausströmen zu lassen.
• Zur weiteren Verbesserung der Strömung am Rohraustritt kann das Rohrende auf der Oberseite mit einer „Ablösenase" versehen werden und somit die Erosion des Rohres durch die Strömung verringert werden. Zur Verringerung von Verschleiß an den Rohren kann ein verschleißfester Werkstoff, z.B. Edelstahl, gewählt werden. Weiterhin ist es möglich, dem Verschleiß am Rohrende durch eine Auftragsschweißung vorzubeugen.
• Durch diese neue Konstruktion kann der Boden der Wirbelschicht einfach und kostengünstig ausgeführt werden. Weiterhin ist der Bodendurchfall durch die Konstruktion ausgeschlossen.
• Zur Erleichterung der Optimierung des Betriebsverhaltens der Wirbelschicht ist es möglich, den Strömungswiderstand als Lochblende zwischen zwei Flanschen austauschbar zu gestalten. Zur Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit ist es zu sätzlich möglich, die Düsenrohre selbst durch Stutzen mit Flanschen in den Behälter einzubringen, um den Austausch zu erleichtern.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle Wirbelschichten geeignet, besonders aber für jene, bei denen es sehr leicht zu sogenanntem Düsendurchfall kommen kann, wenn z.B. die Partikel sehr klein sind oder sehr lange nach Abstellen der Fluidisierung noch im fluidisierten Zustand verharren.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
• Es zeigen:
• 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fluidisierung einer Wirbelschicht,
• 2a, b alternative Ausgestaltungen der oberhalb des Behälterbodens mündenden Rohrenden, und
• 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
• Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Fluidisierung einer Wirbelschicht umfasst einen Behälter 1, in den über eine Eintragsleitung 2 Feststoff-Partikel eingeführt werden. Die Feststoff-Partikel werden in dem Behälter 1 in einem Wirbelbett 3 bspw. wärmebehandelt und dann über eine Austragsleitung 4 wieder aus dem Behälter 1 ausgetragen. Das entstehende Abgas wird über eine Abgasleitung 5 abgeführt.
• Das Wirbelbett 3 wird durch Zufuhr eines Fluidisierungsgases, welches hinsichtlich seiner Zusammensetzung und Eigenschaften, insbesondere Temperatur, von der gewünschten Behandlung der Feststoff-Partikel abhängt, fluidisiert. Das Fluidisierungsgas wird über ein Leitungssystem 14 zugeführt, welches das Fluidisierungsgas über einen Gasverteiler 6 auf eine Mehrzahl von bspw. kreisförmig verteilten Rohren 7 aufteilt. Die Rohre 7 erstrecken sich bei der in 1 dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen vertikal von oben in die durch das Wirbelbett 3 gebildete Wirbelschicht und münden mit ihrer jeweiligen, horizontal abgeschnittenen Austrittsöffnung 8 kurz oberhalb des Bodens 9 des Behälters 1 in das Wirbelbett 3. Der Abstand der Austrittsöffnungen 8 zu dem Behälterboden 9 beträgt bspw. 100 oder 200 mm.
• In den Rohren 7 ist jeweils oberhalb des Bereiches, der von den Feststoff-Partikeln des Wirbelbetts 3 erreicht werden kann, eine Lochblende 10 als Strömungswiderstand vorgesehen. Die Lochblende 10 ist bspw. zwischen zwei Flanschen 11 befestigt, so dass sie zwecks Optimierung des Betriebsverhaltens und/oder zu Wartungs- oder Reparaturarbeiten leicht ausgetauscht werden kann. Die Durchtrittsöffnung der Lochblende 10 kann variabel sein, um den Druckverlust und damit die Qualität der Gleichverteilung des Gases einzustellen. Der Durchmesser der Lochblende 10 kann bei ausreichend hohem Vordruck alternativ so eingestellt werden, dass an der Blende ein Druckverhältnis von mindestens 2:1 entsteht und sich am kleinsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit einstellt.
• Bei der dargestellten Ausführungsform liegen die Lochblenden 10 außerhalb des Behälters 1. Sie können jedoch auch innerhalb desselben angeordnet sein, solange sichergestellt ist, dass die Feststoff-Partikel nicht bis zum Strömungswiderstand aufsteigen können und diesen verstopfen bzw. verschleißen.
• Anstelle der in 1 dargestellten vertikalen Anordnung der Rohre 7 können diese auch geneigt sein. In den 2a und 2b sind Beispiele einer solchen schrägen Rohranordnung dargestellt, wobei die Rohre 7a und 7b gegenüber der Horizontalen einen Winkel von ca. 30° (25°–35°) aufweisen.
• Zur Erhöhung der Erosionsbeständigkeit gegenüber der Gasströmung ist der Rohrquerschnitt im Bereich der Austrittsöffnung 8a bzw. 8b verstärkt. Bei der Ausführungsform gemäß 2a ist hierbei eine bspw. durch eine Auftragsschweißung 12 erstellte Materialverstärkung um den Mündungsbereich des Rohres 7a vorgesehen.
• Bei der Variante gemäß 2b ist dagegen lediglich an der Oberseite eine "Ablösenase" 13 vorgesehen, da das Gas ohnehin nach oben steigt und durch die Ablösenase 13 vom Rohr 7b weggeleitet wird.
• Bei der Verwendung der Vorrichtung gemäß 1 (oder auch der Varianten gemäß den 2a oder 2b) wird durch die Rohre 7 Fluidisierungsgas in das Wirbelbett 3 eingebracht und fluidisiert die Feststoff-Partikel. Durch den über den Strömungswiderstand erreichten Druckverlust wird ein gleichmäßige Fluidisierung erreicht, wobei gewährleistet ist, dass die Feststoff-Partikel nicht bis zum Strömungswiderstand aufsteigen und das Rohr 7 verstopfen können.
• 3 zeigt ein anderes Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Fluidisierungsverfahrens bei der Feststoff-Förderung in sogenannten „Airlift sending pots". Für die pneumatische Förderung von 100 t/h Aluminiumhydrat mit Korndurchmessern zwischen 30 und 170 μm in eine Höhe von ca. 60m wird ein Airlift-System verwendet. Hierzu wurde der Airlift-Sending-Pot 20 gemäß 3 zur Speisung der Förderung verwendet. Der Behälter 21 hat einen Durchmesser von 1200 mm mit einem zentrisch angeordneten Förderrohr 22 von 400 mm Durchmesser. Durch die Zentraldüse 23 wird ein Förderluftstrom von ca. 6000 Nm³/h gefördert, der den Feststoff mitnimmt. Um eine gleichmäßige Förderung zu erreichen, muss der umgebende Feststoff fluidisiert werden, damit er immer ausreichend in den Bereich der Zentraldüse 23 nachfließen kann. Dafür wird ein Fluidisiergasstrom von 300 Nm³/h benötigt. Fluidisiert wird der Behälter über 30 Rohrdüsen 24 (Nennweite 1''), deren untere Enden in 2 konzentrischen Ringen unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind, sodass der Ringraum zwischen Förderrohr 22 und Behälterwand 25 gleichmäßig mit Luft versorgt wird. Die Fluidisierungsrohre 24 werden von einem gemeinsamen Verteiler 26 aus mit Luft versorgt, der oberhalb des Bereiches liegt, der von Feststoff belastet werden kann. In jedem Rohr 24 befindet sich kurz unterhalb des Verteilers 26 eine Blende 27, die mit einem Druckverlust von 150 mbar so ausgelegt ist, dass jedes Rohr 24 nahezu denselben Volumenstrom Luft erhält.
• Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass diese Art der Fluidisierung der üblichen Bodenfluidisierung mit einem porösen Gewebe hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Feststoffförderung überlegen ist. Ein Verstopfen der Fluidisierungsrohre ist nahezu unmöglich. Auf die üblichen Entleerungsmaßnahmen kann verzichtet werden.

1

Behälter

2

Eintragsleitung für Feststoff

3

Wirbelbett

4

Austragsleitung für Feststoff

5

Abgasleitung

6

Gasverteiler

7

Rohr

8

Austrittsöffnung

9

Behälterboden

10

Lochblende

11

Flansch

12

Auftragsschweißung

13

Ablösenase

14

Leitungssystem

20

Airlift-Sending-Pot

21

Behälter

22

Förderrohr

23

Zentraldüse

24

Fluidisierungsrohr

25

Behälterwand

26

Verteiler

27

Blende

Claims (22)

1. Verfahren zur Fluidisierung einer ein Wirbelbett (3) aus Feststoff-Partikeln bildenden Wirbelschicht in einem Behälter (1) mit einem Boden (9) durch Zufuhr eines Fluidisierungsgases über mindestens eine Rohrleitung (7) in die Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidisierungsgas über die Rohrleitung (7) in der Nähe des Behälterbodens (9) in den Behälter (1) eingebracht wird, wobei die Gasströmung in der Rohrleitung (7) im Wesentlichen stetig abwärts gerichtet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrleitung (7) oberhalb des Wirbelbetts (3), in welchem der Feststoff in dem Behälter (1) fluidisiert wird, ein Druckverlust erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust je nach Anforderung an die Qualität der Gleichverteilung des Gases auf die Rohrleitungen (7) gewählt werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in der Rohrleitung (7) zwischen 10 und 1500 mbar beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in der Rohrleitung (7) zwischen 20 und 200 mbar beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in der Rohrleitung (7) durch einen Strömungswiderstand (10) erzeugt wird und dass die Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt der Rohrleitung gleich der Schallgeschwindigkeit ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in der Rohrleitung (7) durch einen Strömungswiderstand (10) erzeugt wird und dass das Druckverhältnis am Strömungswiderstand (10)≥ 2:1 beträgt, bezogen auf die absoluten Drücke vor und hinter dem Strömungswiderstand (10).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenströme in den Rohren (7) so eingestellt werden, dass eine definierte Ungleichverteilung des in den Behälter (1) eingeführten Fluidisierungsgases erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases aus der Rohrleitung (7) zwischen 2 und 50 m/s beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases aus der Rohrleitung (7) zwischen 5 und 30 m/s beträgt.
11. Vorrichtung zur Fluidisierung einer ein Wirbelbett (3) bildenden Wirbelschicht mit einem Behälter (1), dem über eine Eintragsleitung (2) Feststoff zugeführt und von dem über eine Austragsleitung (4) Feststoff abgeführt wird, mit einem Leitungssystem (14) zur Zuführung eines Fluidisierungsgases in die Wirbelschicht und mit einer Abgasleitung (5) zur Abführung des Abgases, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rohrleitung (7) für die Zufuhr des Fluidisierungsgases im Wesentlichen stetig abwärts in den Behälter (1) eingeführt ist und in der Nähe des Behälterbodens (9) eine Öffnung (8) für den Austritt des Fluidisierungsgases aufweist und dass in der wenigstens einen Rohrleitung (7) ein Strömungswiderstand (10) vorgesehen ist, der oberhalb des Wirbelbetts (3) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand (10) über eine Flanschverbindung (11) in der Rohrleitung (7) angebracht ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand durch eine Blende (10) gebildet wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7a, 7b) gegenüber der Horizontalen einen Neigungswinkel von 1° bis 90°, vorzugsweise ≥ ca. 30° hat.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) unterhalb des Bereiches der von dem Feststoff erreicht werden kann, keine Verengung aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) an ihrem offenen Ende eine horizontale Austrittsöffnung (8) aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (8) der Rohrleitung (7) < 250 mm, vorzugsweise < 150 mm, über dem Behälterboden (9) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7a) im Bereich ihrer Austrittsöffnung (8a) eine äußere Materialverdickung, insbesondere eine Auftragsschweißung (12), aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7b) im Bereich ihrer Austrittsöffnung (8b) eine insbesondere nach oben gerichtete Ablösenase (13) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) über an dem Behälter (1) vorgesehene Flanschstutzen (11) an dem Behälter (1) angebracht ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rohrleitungen (7) kreisförmig verteilt in dem Behälter (1) vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (7) auf mehreren, vorzugsweise konzentrischen Kreisen verteilt in dem Behälter (1) vorgesehen sind.