DE102008045002A1

DE102008045002A1 - Verfahren zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors und Wirbelschichtreaktor zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008045002A1
Application number: DE102008045002A
Authority: DE
Inventors: Felix Nelles; Christian Müller; Markus Zankl; Martin Dr. Kröner
Original assignee: Highterm Research GmbH
Current assignee: Highterm Research GmbH
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Ein Verfahren zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors () mit einem ersten Wirbelschichtbehälter (100), der ein erstes Bettmaterial (110) enthält, und einer Wärmetransporteinrichtung (20), durch die Wärme in das erste Bettmaterial (110) transportierbar ist, umfasst die Schritte: Aufbringen eines kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffs (E) auf das erste Bettmaterial (110), Entzünden und Verbrennen des Einsatzstoffes (E) unter Zufuhr eines Oxidationsmittels (O) und Transportieren der durch Verbrennen des Einsatzstoffes (E) erzeugten Wärme durch die Wärmetransporteinrichtung (20) in das erste Bettmaterial (110).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors und einen Wirbelschichtreaktor zum Ausführen des Verfahrens.
In einem Wirbelschichtreaktor wird eine als Bettmaterial bezeichnete Feststoffschüttung durch ein durch ein so genanntes Plenum einströmendes Fluidisierungsmittel, das gasförmig oder flüssig sein kann, fluidisiert, was bedeutet dass die (ursprüngliche) Schüttung nun Fluid-ähnliche Eigenschaften besitzt. Bei der so erzeugten Wirbelschicht handelt es sich letztendlich um eine Fluid-Feststoff-Suspension, wobei die Teilchen der Schüttung ab einer charakteristischen Einströmgeschwindigkeit durch das sie umströmende Fluid in Schwebe gehalten werden.
Wirbelschichtverfahren haben eine herausragende Bedeutung auf so unterschiedlichen Gebieten wie der Wirbelschichttrocknung granularer Medien, der Feuerung von Kohle, Klärschlamm oder anderer Biomasse, der Kraftstoffherstellung, der Beschichtung oder gar der Kaffeeröstung.
Wirbelschichtreaktoren und die darin enthaltenen Wirbelschichten können nach verschiedenen Kriterien kategorisiert werden. Mit Ausnahme z. B. von reinen Mischprozessen ist allen gemeinsam, dass sie eine dem jeweiligen darin stattfindenden Prozess angepasste Verfahrenstemperatur für einen sauberen und optimalen Betrieb benötigen, die während des so genannten Anfahrens eingestellt wird. Die hierfür benötige Wärme muss über eine geeignete Wärmeübertragungsvorrichtung in die Wirbelschicht eingekoppelt werden. Die Wirbelschicht muss dadurch von Umgebungstemperatur (z. B. 25°C) auf Betriebstemperatur (je nach Anwendung z. B. 750°C bis 950°C) aufgeheizt werden.
Häufig finden die Reaktionen zur Erzeugung der erforderlichen Temperatur in einer Wirbelschichtbrennkammer und die Reaktionen zur Erzeugung des gewünschten Endprodukts (z. B. CO, H₂) in einer von dieser getrennten Wirbelschichtkammer, z. B. einer Wirbelschichtvergasungskammer, statt, und die Wirbelschichtbrennkammer wird autotherm und die Wirbelschichtvergasungskammer allotherm gefahren. Die Wärmekopplung zwischen beiden Kammern erfolgt zum Beispiel über Wärmeleitrohre.
Ein derartiger Wirbelschichtreaktor ist zum Beispiel aus der GB 1 599 398 und der US 4,474,230 bekannt.
Der Betrieb solcher Wirbelschichtreaktoren erfolgt dabei herkömmlich so, dass zunächst die Brennkammer und ausgehend von dieser der gesamte Wirbelschichtreaktor bzw. die gesamte Anlage aufgeheizt wird, bevor anschließend die Wirbelschichtvergasungskammer mit Brennstoff beschickt und der Wirbelschichtreaktor seinen Betriebszustand erreicht hat. Dies hat den Nachteil, dass die Aufheizleistung des Wirbelschichtreaktors allein von der Brennkammer erbracht werden muss.
Folgende Effekte wirken sich nachteilig auf einen effizienten Anfahrvorgang aus:

a) Die relativ große benötigte Energiemenge, die z. B. von der spezifischen Wärmekapazität des Bettmaterials und dessen Masse abhängt;
b) Der Wärmeübergang zwischen der Wärmequelle und dem Bettmaterial sowie zwischen den einzelnen Partikeln, die von der Art und Weise des Wärmetransports abhängig ist;
c) Ein kontinuierlicher Wärmeaustrag an die Umgebung, der bei der Fluidisierung des Wirbelbettes aufgrund der Durchströmung des Wirbelbettes durch das Fluidisierungsmittel bzw. Wirbelmediums stattfindet und der zwar für die Erwärmung von nachfolgenden Bauteilen zur Verfügung steht, jedoch für die Erwärmung des Bettmaterials verloren ist.
d) Die Behinderung der Verbrennung in der noch kalten Wirbelschicht, da das Material der Wirbelschicht dem Brennstoff Wärme entzieht und dadurch die „Zündtemperatur” des Brennstoffes unterschritten wird.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors bereitzustellen, durch das die Anfahrzeit des Reaktors gegenüber herkömmlichen Verfahren verkürzt werden kann.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelschichtreaktor zum Anfahren des Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Modifikationen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors mit einem ersten Wirbelschichtbehälter, der ein erstes Bettmaterial enthält, und einer Wärmetransporteinrichtung, durch die Wärme in das erste Bettmaterial oder aus dem ersten Bettmaterial transportierbar ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Aufbringen eines kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes auf das erste Bettmaterial, Entzünden und Verbrennen des Einsatzstoffes unter Zufuhr eines Oxidationsmittels, und Transportieren der durch Verbrennen des ersten Einsatzstoffes erzeugten Wärme durch die Wärmetransporteinrichtung in das erste Bettmaterial.
Gemäß der Ausführungsform wird der Einsatzstoff auf das erste Bettmaterial aufgebracht und dann unter Zufuhr eines Oxidationsmittels entzündet. Die durch die Verbrennung des Einsatzstoffes erzeugte Wärme wird dann über die Wärmetransporteinrichtung in das erste Bettmaterial transportiert. Während dieses Wärmetransports ist die Wärmetransporteinrichtung in das erste Bettmaterial eingetaucht, um einen möglichst effizienten Wärmeübergang zwischen dem ersten Bettmaterial und der Wärmetransporteinrichtung herzustellen. Da während der Wärmeübertragung (a) der brennende Einsatzstoff auf dem ersten Bettmaterial liegt und sich mit diesem nicht vermischt und (b) zum anderen die Wärmetransporteinrichtung in dem ersten Bettmaterial einge taucht ist, umschließt während dieses Vorgangs das erste Bettmaterial einen von zwei Endabschnitten der Wärmeübertragungsvorrichtung. Anders gesagt: Die durch die Verbrennung des Einsatzstoffes erzeugte Wärme wird auf einen zwischen den zwei Endabschnitten liegenden mittleren Abschnitt der Wärmetransporteinrichtung übertragen. Somit wird durch das Verbrennen des Einsatzstoffes ein bidirektionaler Wärmetransport von dem mittleren Abschnitt zu den zwei Endabschnitten der Wärmetransporteinrichtung erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vor dem Schritt des Entzündens des Einsatzstoffes aus dem ersten Bettmaterial eine Wirbelschicht erzeugt bzw. das Bettmaterial, das zunächst als Festbett vorliegt, in den Zustand einer Wirbelschicht, dessen Dichte größer als die des aufgebrachten Einsatzstoffes ist, überführt bzw. fluidisiert, indem das Bettmaterial mit einem Fluidisierungsmittel angeströmt wird. Da die Dichte der Wirbelschicht größer als die des aufgebrachten Einsatzstoffes ist, erfolgt keine Vermischung beider. Vielmehr wird der Einsatzstoff von dem fluidisierten Bettmaterial getragen.
Insbesondere gilt das Archimedische Prinzip, wonach Körper – hier der Einsatzstoff – mit einer geringeren Dichte als ein Fluid – hier die Wirbelschicht – auf dem Fluid schwimmen, wobei die Dichte zum Beispiel von der Anströmgeschwindigkeit des Fluidisierungsmittels abhängt. Gemäß der Ausführungsform wird das erste Bettmaterial minimal fluidisiert, d. h., das Fluidisierungsmittel wird gerade mit einer solchen Geschwindigkeit in das erste Bettmaterial eingeströmt, dass aus ihm eine Wirbelschicht gebildet wird, die den Einsatzstoff trägt.
Die Wirbelbewegungen in der Wirbelschicht haben neben der Funktion der Vermischung auch die der Verbesserung des Temperaturausgleichs innerhalb des Bettmaterials und des Wärmeübergangs zwischen Bettmaterial und Wärmetransporteinrichtung. Der Einsatzstoff wird in engen Kontakt mit der Wärmetransporteinrichtung gebracht und umschließt diese derart, dass ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen dem Einsatzstoff und der Wärmetransporteinrichtung gewährleistet ist, wenn dieser in seinem schwimmenden Zustand entzündet wird. Die Wärmetransporteinrichtung leitet die durch die exotherme Reaktion bei der Verbrennung des Einsatzstoffes erzeugte Wärme in das erste Bettmaterial und heizt dieses somit auf. Gemäß der Ausführungsform umschließt die Wirbelschicht (das minimal aufgewirbelte Bettmaterial) einen ersten Endabschnitt der Wärmetransporteinrichtung allseitig. Ist die Wärmetransporteinrichtung zum Beispiel rohrförmig ausgebildet (wie in der unten beschriebenen speziellen Ausführungsform), so bedeutet „allseitig”, dass sich auch die Stirnfläche des Rohres in Kontakt mit dem ersten Bettmaterial befindet; der erste Endabschnitt taucht folglich durch die auf dem fluidisierten Bettmaterial schwimmende Einsatzstoff-Schicht in das fluidisierte Bettmaterial ein.
Darüber hinaus findet auch immer eine Wärmeübertragung zwischen (fluidisiertem) Bettmaterial und der Wärmetransporteinrichtung statt.
Erfindungsgemäß kann somit das Bettmaterial vor dem Entzünden des Einsatzstoffes entweder als Festbett oder im fluidisierten Zustand als Wirbelschicht vorliegen. Wesentlich ist, dass in dem jeweiligen Zustand die Wärmetransporteinrichtung möglichst weit in das erste Bettmaterial hineinragt, so dass möglichst ein möglichst guter Wärmeübergang hergestellt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erste Bettmaterial zur Erzeugung der Wirbelschicht von unten mit dem Fluidisierungsmittel beströmt, und das Fluidisierungsmittel ist das Oxidationsmittel. Somit enthält die vorliegende Erfindung wenigstens die folgenden Möglichkeiten:

(a) Das Oxidationsmittel kann an beliebiger Stelle in den ersten Wirbelschichtbehälter eingeleitet werden, sofern es den Einsatzstoff, der auf dem ersten Bettmaterial aufliegt, erreicht, wobei die Anströmgeschwindigkeit bei einer Anströmung des Oxidationsmittels von unten nur so hoch ist, dass das Bettmaterial nicht von dem Festbett- in den Wirbelschichtzustand überführt wird (in diesem Fall wird kein Fluidisierungsmittel eingeleitet): Die Anströmgeschwindigkeit ist kleiner gleich der so genannten Lockerungsgeschwindigkeit des ersten Bettmaterials.
(b) Zusätzlich zu dem Oxidationsmittel und unabhängig von diesem wird das Fluidisierungsmittel eingeleitet, wobei das Oxidationsmittel ausschließlich zur Oxidation und das Fluidisierungsmittel ausschließlich zur Fluidisierung dient.
(c) Das Oxidationsmittel dient gleichzeitig als Fluidisierungsmittel, übernimmt also die Aufgabe der Oxidation und die der Fluidisierung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Wärmetransporteinrichtung eine Wärmeleitrohranordnung aus mindestens einem Wärmeleitrohr.
Wärmeleitrohre enthalten grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen, meist in Form eines Rohres. Es ist mit einem Arbeitsmedium gefüllt, das das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren in dampfförmigem Zustand ausfüllt. Im Anfahrvorgang kann das Arbeitsmedium noch im festen Zustand vorliegen. Wie oben beschrieben ist, basiert die Wirkung eines derartigen Wärmeleitrohres auf dem Verdampfen bzw. Kondensieren des darin eingeschlossenen Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium kann außer Wasser zum Beispiel aus NH₃, (CH₃)OH, (CH₃)CO, C₆H₆, für Anwendungen im Hochtemperatur-Bereich aus Alkali-Metallen, z. B. Lithium, Natrium, Kalium oder Cäsium, oder anderen Stoffen bestehen. Ein derartiges Wärmeleitrohr kann eine so genannte Heatpipe sein, bei der mit Kapillaren nach dem Dochtprinzip die Flüssigkeit zum heißen Ende zurück geführt wird, oder so genannte Thermosiphone, in denen das Arbeitsmedium durch die Schwerkraft zum Verdampfer zurückgeführt wird.
Gemäß der Ausführungsform wird die Wärme im oberen Bereich der Steighöhe des Arbeitsmittels eines jeweiligen Wärmeleitrohrs eingekoppelt. Das Arbeitsmittel des Wärmeleitrohres wird in diesem Bereich verdampft und kondensiert in den Bereichen des Wärmeleitrohrs, die sich in das erste bzw. zweite Bettmaterial erstrecken, wodurch die von dem Einsatzstoff in das Wärmeleitrohr eingekoppelte Wärme wieder freigesetzt wird und die Bettmaterialien erwärmt werden. Durch diese Anordnung entstehen in dem Wärmeleitrohr drei Bereiche unterschiedlichen Drucks, so dass der in dem mittleren Bereich erzeugte Dampf, der dort ein Druckmaximum besitzt, sowohl zu dem ersten als auch zu dem zweiten Endabschnitt strömt, wohin Druck und Temperatur jeweils abnehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft. Prinzipiell ist jedes Gas verwendbar, mit dessen Hilfe der Einsatzstoff verbrannt werden kann. Vorteilhafterweise wird aus Gründen der Verfügbarkeit, der Unbedenklichkeit und der unproblematischen Handhabung erfindungsgemäß Luft verwendet, sofern der darin vorhandene Sauerstoff für die gewünschte Oxidation ausreichend ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzstoff holzartig, vorteilhafterweise Holzkohle oder Holzpellets.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Wirbelschichtreaktor einen zweiten Wirbelschichtbehälter mit einem zweiten Bettmaterial, und die oben angesprochenen bidirektionalen Wärmeströme fließen von dem mittleren Abschnitt zu den beiden Endabschnitten und erhöhen somit die Temperatur sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Bettmaterial. Da schon während der Erwärmung des ersten Wirbelschichtbehälters, der üblicherweise als Brennkammer ausgebildet ist, der zweite Wirbelschichtbehälter aufgewärmt wird, wird auf diese Weise eine Beschleunigung des Anfahrvorgangs gegenüber herkömmlichen Verfahren erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Einsatzstoff holzartig, d. h., er liegt zum Beispiel in Form von Holzpellets oder Holzkohle vor. Holzkohle hat den Vorteil, dass sie leicht herzustellen und kostengünstig ist, sich verhältnismäßig leicht entzündet (200 bis 250°C) und ohne Flamme weiter brennt, weil die Flammen bildenden Gase bereits bei der Verkohlung entwichen sind. Pro kg Holzkohle werden bei der Verbrennung etwa 29 bis 33 MJ an Energie frei. Je nach Porosität besitzt sie eine Dichte von ca. 450 kg/m³ bis 1400 kg/m³. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Holzkohle beschränkt. Jeder andere Einsatzstoff ist ebenso geeignet, sofern er bei minimaler Fluidisierung des ersten Bettmaterials auf diesem schwimmt und brennbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Wirbelschichtreaktor sowohl unter dem zweiten als auch neben dem zweiten Wirbel schichtreaktor angeordnet sein, wobei die erste Möglichkeit vorteilhafter ist, sowohl aus Platzgründen als auch aus Gründen der Einfachheit der Gestaltung der Wärmetransporteinrichtung und somit der gesamten Anlage.
Wie es oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben ist, wird die Wärmetransporteinrichtung in einem sich zwischen einem ersten und einem zweiten Endabschnitt erstreckenden mittleren Abschnitt erwärmt und transportiert die zugeführte Wärme von dort zu dem ersten bzw. zweiten Endabschnitt. Der erste Endabschnitt der Wärmetransporteinrichtung erstreckt sich vorzugsweise durch die auf dem fluidisierten ersten Bettmaterial aufliegende bzw. schwimmende Einsatzstoff-Schicht in das erste Bettmaterial hinein, d. h. in das Festbett bzw. die Wirbelschicht. Die Anströmvorrichtung gemäß der Ausführungsform kann zum Beispiel einen Gasverteiler in Form einer porösen Platte, eines Düsenbodens, eines Glockenbodens, eines Gasverteilers oder eines vergleichbaren Mittels umfassen, durch das eine zur Erzeugung einer Wirbelschicht geeignete Durchströmung des Bettmaterials erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Geschwindigkeit, mit der das Fluidisierungsmittel in das erste Bettmaterial einströmt auf eine Mindestgeschwindigkeit einstellbar, bei der das Einsatzmittel auf der Wirbelschicht schwimmt. Der Sinn der Minimalfluidisierung ist die Vermeidung von Blasen, die bei zu starker Aufwirbelung auftreten und den brennenden Einsatzstoff löschen könnten. Der Wärmeübergang zwischen der Wärmetransporteinrichtung und dem Einsatzstoff bzw. der Wirbelschicht wird bei zu großer Fluidisierung verschlechtert, da der höhere bzw. überschüssige Massenstrom des Fluidisierungsmittels ebenfalls erwärmt werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Wirbelschichtbehälter sowohl über- als auch nebeneinander angeordnet sein. Je nach Verfahrensablauf und Aufbau der restlichen Anlagenkomponente kann sich das eine oder das andere als besonders vorteilhaft erweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Wirbelschichtreaktor Sensoren zur Erfassung der Temperatur des ersten und zweiten Bettmaterials sowohl im Festbett- als auch im Wirbelschichtzustand, Strömungsgeschwindigkeitssensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten des ersten und zweiten Fluidisierungsmittels, Konzentrationssensoren zur Erfassung der Konzentration der erzeugten und eingebrachten Gase, Drucksensoren zur Erfassung der Drücke der erzeugten und eingebrachten Gase zumindest in den Räumen zwischen den jeweiligen Wirbelschichtoberflächen und zugehörigen Decken des ersten und zweiten Wirbelschichtbehälters, und eine Regelungseinheit, die die erfassten Größen verarbeitet und den Wirbelschichtreaktor optimal regelt.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wirbelschichtreaktors zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen Wirbelschichtreaktor 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors 10 gemäß einer Ausführungsform, wobei in 1 ein Zustand gezeigt ist, in dem ein erstes Bettmaterial 110 in einer ersten Wirbelschichtkammer 100 fluidisiert, d. h. als erste Wirbelschicht 114 ausgebildet ist. Wie oben ausgeführt ist, sind die Verhältnisse für den Fachmann ohne Weiteres auf ein erstes Bettmaterial 110 übertragbar, das in Form eines ersten Festbettes 112 vorliegt (Bezugszeichen in 1 in Klammern).
Der Wirbelschichtreaktor 10 umfasst den ersten Wirbelschichtbehälter 100 und einen darüber angeordneten zweiten Wirbelschichtbehälter 200, die durch ein als Wärmetransporteinrichtung dienendes Wärmeleitrohr 20 thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei die weiter unten beschriebenen Wärmeströme I_i realisierbar sind. Die Wandungen der Wirbelschichtbehälter 100, 200 sind aus einem thermisch sehr belastbaren Material gebildet.
Der erste Wirbelschichtbehälter 100 umfasst eine erste Aufbringvorrichtung 120, durch die ein Einsatzstoff E – zum Beispiel Holzkohle – auf das erste Bettmaterial 110 – zum Beispiel Sand – aufgebracht (geschüttet) werden kann, und eine erste Anströmvorrichtung 130, durch die ein erstes Fluidisierungsmittel F1 – zum Beispiel Luft – durch einen ersten Gasverteiler 132 in dem ersten Wirbelschichtbehälter 100, welcher das erste Bettmaterial 110 trägt, in das erste Bettmaterial 110 eingeleitet werden kann.
Die erste Anströmvorrichtung 130 umfasst eine Fördereinheit (nicht gezeigt), die das erste Fluidisierungsmittel F1 durch eine entsprechende Öffnung in einen Freiraum 136 zwischen dem ersten Gasverteiler 132 und einem unteren Außenboden 138 des ersten Wirbelschichtbehälters 100 fördert. Der Freiraum 136 hat eine solche Größe und Beschaffenheit, dass die Bettmaterial-Anströmgeschwindigkeit des ersten Fluidisierungsmittels F1 durch alle Durchlässe 140 des ersten Gasverteilers 132 möglichst gleich ist, so dass eine gleichmäßige Durchmischung/Fluidisierung des ersten Bettmaterials 110 erreicht wird.
Der erste Wirbelschichtbehälter 100 besitzt ferner eine Oxidationsmittelzuführvorrichtung 150, über die ein Oxidationsmittel O – zum Beispiel Luft oder Sauerstoff – zur Verbrennung des Einsatzstoffes E in den ersten Wirbelschichtbehälter 100 eingeleitet werden kann, und eine Abgaseinrichtung 160, durch die die bei Verbrennungsreaktionen in dem ersten Wirbelschichtbehälter 100 entstehenden Abgase, so genannte Rauchgase, ausgeleitet werden können.
Wie es in 1 gezeigt ist, besitzt gemäß der Ausführungsform der zweite Wirbelschichtbehälter 200 im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der erste Wirbelschichtbehälter 100. Der Aufbau kann jedoch stark verschieden sein, um die Wirbelschichtbehälter 100, 200 individuell an die jeweiligen in ihnen stattfindenden Prozesse etc. konstruktiv anzupassen. Insbesondere umfasst der zweite Wirbelschichtbehälter 200 eine zweite Anströmvorrichtung 230 mit einem zweiten Gasverteiler 232, mit deren Hilfe ein zweites Fluidisierungsmittel F2 in ein zweites Festbett 212 aus einem zweiten Bettmaterial 210 zur Erzeugung einer zweiten Wirbelschicht 214 eingeleitet werden kann. Der zweite Wirbelschichtbehälter 200 umfasst ferner entsprechende Stoff-/Gas-Eintrags-/Austragsöffnungen, die durch Pfeile P allgemein dargestellt sind. Eintragsstoffe sind der zu vergasende Stoff, zum Beispiel Holz (Holzpellets). Austragsstoffe sind zum Beispiel Wasserstoff oder kohlenstoffhaltige Gase, wie z. B. Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid oder Methan.
Obwohl es in 1 nicht dargestellt ist, so umfasst der Wirbelschichtreaktor 10 Sensoren und Regelungsvorrichtungen zur Erfassung aller betriebsrelevanten Größen, wie zum Beispiel Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur der Bettmaterialien 110, 210 sowohl im Festbett- als auch im Wirbelschichtzustand, Strömungsgeschwindigkeitssensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten der Fluidisierungsmittel F1, F2, Konzentrationssensoren zur Erfassung der Konzentration der involvierten Gase, Drucksensoren zur Erfassung der Drücke zumindest in den Räumen zwischen den jeweiligen Wirbelschichtoberflächen und zugehörigen Decken der Wirbelschichtbehälter 100, 200. Vorzugsweise wird die Temperatur in den Wirbelschichten 114, 214 darin an mehreren Stellen erfasst, um ein dreidimensionales Temperaturfeld T(x, y, z) zu erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren des Wirbelschichtreaktors 10 gemäß der Ausführungsform läuft folgendermaßen ab:
Auf das unverwirbelte bzw. nicht fluidisierte erste Festbett 112 wird über die erste Aufbringvorrichtung 120 der Einsatzstoff E – zum Beispiel Holzkohle oder Holzpellets – aufgebracht (geschüttet). Anschließend wird über die erste Anströmvorrichtung 130 das erste Fluidisierungsmittel F1 durch den ersten Gasverteiler 132 von unten in 1 in das erste Festbett 112 eingeleitet, so dass dieses minimal fluidisiert, d. h. eine erste Wirbelschicht 114 erzeugt wird. Durch diese Minimalfluidisierung vergrößert sich das Volumen des ersten Bettmaterials 110 in dem ersten Wirbelschichtbehälter 100 derart, dass sich das Wärmeleitrohr 20 möglichst weit in die erzeugte erste Wirbelschicht 114 erstreckt.
In 1 sind die übertragenen Wärmeströme dQ/dt = I angedeutet. Durch Verbrennen des auf der ersten Wirbelschicht 114 schwimmenden Einsatzstoffes E unter Zufuhr des Oxidationsmittels O über die erste Oxidationsmittelzuführvorrichtung 150 wird ein Wärmestrom I₁ von dem Einsatzstoff E auf einen sich zwischen einem ersten und einem zweiten Endabschnitt des Wärmeleitrohrs 20 liegenden mittleren Abschnitt 22 übertragen. Ein Teil dieses Wärmestroms 1 wird in den in 1 unteren Abschnitt 24 des Wärmeleitrohres 20 geleitet (I₂) und als Wärmestrom I₃ von dort an die erste Wirbelschicht 114 abgegeben. Ein weiterer Teil dieses Wärmestroms I₁ wird in den in 1 oberen Abschnitt 26 des Wärmeleitrohres 20 geleitet (I₄) und als Wärmestrom I₅ von dort an die zweite Wirbelschicht 214 abgegeben.
Da der Einsatzstoff E auf der ersten Wirbelschicht 114 schwimmt, wird auch ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärme direkt über deren Kontaktfläche in die Wirbelschicht 20 geleitet.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

10: Wirbelschichtreaktor
20: Wärmeleitrohr
22: mittlerer Abschnitt des Wärmeleitrohrs
24: unterer Abschnitt des Wärmeleitrohrs
26: oberer Abschnitt des Wärmeleitrohrs
100: erster Wirbelschichtbehälter
110: erstes Bettmaterial
112: erstes Festbett
114: zweites Festbett
120: erste Aufbringvorrichtung
130: erste Anströmvorrichtung
132: erster Gasverteiler
134: Öffnung
136: Freiraum
138: unterer Außenboden
140: Durchlässe
150: erste Oxidationsmittelzuführvorrichtung
160: Abgaseinrichtung
200: zweiter Wirbelschichtbehälter
210: zweites Bettmaterial
212: zweites Festbett
214: zweite Wirbelschicht
230: zweite Anströmvorrichtung
232: zweiter Gasverteiler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- GB 1599398 [0006]
- US 4474230 [0006]

Claims

Verfahren zum Anfahren eines Wirbelschichtreaktors (10) mit – einem ersten Wirbelschichtbehälter (100), der ein erstes Bettmaterial (110) enthält; und – einer Wärmetransporteinrichtung (20), durch die Wärme in das erste Bettmaterial (110) oder aus dem ersten Bettmaterial (110) transportierbar ist; wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Aufbringen eines kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (E) auf das erste Bettmaterial (110); – Entzünden und Verbrennen des Einsatzstoffes (E) unter Zufuhr eines Oxidationsmittels; und – Transportieren der durch Verbrennen des Einsatzstoffes (E) erzeugten Wärme durch die Wärmetransporteinrichtung (20) in das erste Bettmaterial (110).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Entzündens des Einsatzstoffes (E) durch Anströmen des ersten Bettmaterials (110) mit einem ersten Fluidisierungsmittel (F1) aus dem ersten Bettmaterial (110) eine erste Wirbelschicht (114) erzeugt wird, deren Dichte größer als die des aufgebrachten Einsatzstoffes (E) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der ersten Wirbelschicht (114) das erste Bettmaterial (110) von unten mit dem Fluidisierungsmittel (F1) bestromt wird und das erste Fluidisierungsmittel (F1) das Oxidationsmittel (O) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (20) eine Wärmeleitrohranordnung (20) aus wenigstens einem Wärmeleitrohr ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (O) Sauerstoff oder Luft ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstoff (E) holzartig ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstoff (E) aus Holzkohle oder Holzpellets besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtreaktor (10) einen zweiten Wirbelschichtbehälter (200) mit einem zweiten Bettmaterial (210) umfasst wobei: – ein Teil der bei der Verbrennung des Einsatzstoffes (E) erzeugten Wärme durch die Wärmetransporteinrichtung (20) in das erste Bettmaterial (110) transportiert wird; – ein weiterer Teil der bei der Verbrennung des Einsatzstoffes (E) erzeugten Wärme in das zweite Bettmaterial (210) transportiert wird; und – Wärme durch die Wärmetransporteinrichtung (20) nur von dem ersten Bettmaterial (110) in das zweite Bettmaterial (210) transportiert wird, sobald das erste Bettmaterial (110) die Betriebstemperatur der Wärmetransporteinrichtung (20) erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wirbelschichtbehälter (100) unter dem zweiten Wirbelschichtbehälter (200) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wirbelschichtbehälter (100) neben dem zweiten Wirbelschichtbehälter (200) angeordnet ist.
Wirbelschichtreaktor (10) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit: – einem ersten Wirbelschichtbehälter (100), der ein erstes Bettmaterial (110) enthält; – einem zweiten Wirbelschichtbehälter (200), der ein zweites Bettmaterial (210) enthält; – einer Wärmetransporteinrichtung (20), durch die Wärme in das erste Bettmaterial (110) und aus dem ersten Bettmaterial (110) in das zweite Bettmaterial (210) transportierbar ist; – einer ersten Aufbringvorrichtung (120) zum Aufbringen eines Einsatzstoffes (E) auf das erste Bettmaterial (110); – einer ersten Oxidationsmittelzuführvorrichtung (150) zum Zuführen eines Oxidationsmittels (O) zu dem aufgebrachten Einsatzstoff (E); und – einer ersten Anströmvorrichtung (130) zum Anströmen des ersten Bettmaterials (110) mit einem ersten Fluidisierungsmittel (F1); und – einer zweiten Anströmvorrichtung (230) zum Anströmen des zweiten Bettmaterials (210) mit einem zweiten Fluidisierungsmittel (F2).
Wirbelschichtreaktor (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oxidationsmittelzuführvorrichtung (150) und die erste Anströmvorrichtung (130) identisch sind.
Wirbelschichtreaktor (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der ersten Anströmvorrichtung (130) die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluidisierungsmittels (F1) regelbar ist.
Wirbelschichtreaktor (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (20) eine Wärmeleitrohranordnung (20) aus wenigstens einem Wärmeleitrohr ist.
Wirbelschichtreaktor (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wirbelschichtbehälter (100) unter dem zweiten Wirbelschichtbehälter (200) angeordnet ist.
Wirbelschichtreaktor (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wirbelschichtbehälter (100) neben dem zweiten Wirbelschichtbehälter (200) angeordnet ist.
Wirbelschichtreaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: – Sensoren zur Erfassung der Temperatur des ersten und zweiten Bettmaterials (110, 210) sowohl im Festbett- als auch im Wirbelschichtzustand, Strömungsgeschwindigkeitssensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten des ersten und zweiten Fluidisierungsmittels (F1, F2), Konzentrationssensoren zur Erfassung der Konzentration der erzeugten und eingebrachten Gase, Drucksensoren zur Erfassung der Drücke der erzeugten und eingebrachten Gase zumindest in den Räumen zwischen den jeweiligen Wirbelschichtoberflächen und zugehörigen Decken des ersten und zweiten Wirbelschichtbehälters (114, 214); und – eine Regelungseinheit, die die erfassten Größen verarbeitet und den Wirbelschichtreaktor (10) optimal regelt.