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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Wirbelschichtbrennkammer eines Wirbelschichtreaktors und einen Wirbelschichtreaktor zum Durchführen des Verfahrens.
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In einem Wirbelschichtreaktor wird eine als Bettmaterial bezeichnete Feststoffschüttung durch ein durch einen Strömungsverteiler (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, der Lockerungsgeschwindigkeit, durch das sie umströmende Fluid in Schwebe gehalten werden.
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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.
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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. Der Ausdruck „Anfahren” bezeichnet die Abläufe in einem Wirbelschichtreaktor, bis dieser geeignete Werte für den Normalbetrieb erreicht hat, und zwar nicht nur für die Temperatur, sondern auch für den Druck, die Gasgeschwindigkeit, und weitere Verbrennungsparameter und Regelungsgrößen der gesamten Anlage.
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Da bei Wirbelschichtreaktoren das Bettmaterial und die Brennkammer erhebliche thermische Massen darstellen, dauert es sehr lange, bis sich der thermische Gleichgewichtszustand des Normalbetriebs eingestellt hat. Insbesondere läuft die Verbrennung in der Brennkammer erst ab einer bestimmten Mindesttemperatur stabil und sauber ab, die zum Beispiel bei 750°C bis 950°C liegen kann. Auf diese Temperatur muss der Wirbelschichtreaktor von Umgebungstemperatur, also ca. 25°C aufgeheizt werden.
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Wichtig ist daher das Vorheizen des Bettmaterials auf diese Mindesttemperatur. Sie kann zum Beispiel durch Gas- oder Öl-Stützbrenner erzeugt werden. Die dazu erforderliche Leistung ist aber sehr hoch, da ein Großteil der Wärme nicht ins Bett eingekoppelt werden kann, sondern über das bei der Verbrennung erzeugte Abgas (Rauchgas) abgeführt wird. Dies hat einen langsamen und ineffizienten Anfahrprozess zur Folge. Zwar könnte die Anheizrate durch Verbrennung von Brennstoff im Bett den Anfahrvorgang an sich beschleunigen, doch würde das kalte Bettmaterial eine Flamme sofort kühlen und löschen.
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Eine andere Variante zum Heizen einer Wirbelschicht ist aus der
US 5,972,302 , der
US 5,382,412 oder der
US 2008/0124253 A1 bekannt. Bei dieser Variante werden Mikrowellen in eine Wirbelschicht eingekoppelt. Zum einen dienen jedoch die darin beschriebenen Verfahren nicht dem Anfahren eines Wirbelschichtreaktors, sondern einem kontinuierlichen Betrieb, sie sind darüber hinaus energetisch sehr ungünstig und damit unwirtschaftlich.
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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.
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Ein derartiger Wirbelschichtreaktor ist zum Beispiel aus der
GB 1 599 398 und der
US 4,474,230 bekannt.
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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.
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Folgende Effekte wirken sich demnach generell 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.
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Generell ist es bei Verfahren zum Anfahren von Wirbelschichtreaktoren ein Problem, für einen ausreichenden Wärmeeintrag das Bettmaterial derart zu schaffen, dass das Bettmaterial unter geringen Wärmeverlusten möglichst homogen durchwärmt und auf die dem dann stattfindenden Prozess angepasste Verfahrenstemperatur gebracht wird.
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Wie bereits weiter oben dargelegt, ist dieses Anfahren ein instationärer Prozess, bei dem eine Vielzahl von Faktoren die Anfahrgeschwindigkeit, die hierfür benötigte Energiemenge etc. beeinflusst. In der Regel wird ein nicht unerheblicher Anteil der einzubringenden Wärmeenergie dafür benötigt, neben dem Bettmaterial des Wirbelbetts auch noch die Bausubstanz zumindest der Brennkammer und benachbarte Rohrleitungen auf Betriebstemperaturen zu bringen. Für den „Stand-Alone”-Betrieb, d. h. für einen Betrieb ohne ständige Beobachtung, besteht die Notwendigkeit, dass das Wirbelbett mit Hilfe möglichst einfacher Vorrichtungen derart weit erhitzt werden kann, dass die Temperatur für die Zündung von biogenen Brennstoffen ausreicht; ansonsten könnte bei einem zu kalten Wirbelbett der zugeführte Brennstoff erlöschen, sobald dieser dem Wirbelbett untergemengt wird. Im Stand-Alone-Betrieb kann ein derartiges Verlöschen des Brennstoffs unter Umständen nicht oder nicht rechtzeitig erkannt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zum Anfahren einer Wirbelschichtbrennkammer eines Wirbelschichtreaktors zu schaffen, durch das ein Reaktor zuverlässig angefahren werden kann, wobei die zum Anfahren benötigte, also in das Verfahren einzubringende Wärmeenergiemenge möglichst effizient ausgenutzt wird. Darüber hinaus soll das Verfahren einem automatisierbaren Betrieb möglichst weit entgegenkommen.
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Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelschichtreaktor zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die im Anspruch 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale vor.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anfahren einer Wirbelschichtbrennkammer eines Wirbelschichtreaktors, wobei die Wirbelschichtbrennkammer einen Wirbelschichtbehälter, in dem ein Bettmaterial mit einem Brennstoff aufgenommen ist, ein in dem Bettmaterial angeordnetes Rohr, das den Innenraum des Wirbelschichtbehälters in ein Rohrinnenvolumen und ein Rohraußenvolumen unterteilt, eine Wärmetransportvorrichtung und eine Gaseinleitungsvorrichtung umfasst, zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte auf: Einleiten eines Gases in das Rohrinnenvolumen mit Hilfe der Gaseinleitungsvorrichtung zur Erzeugung eines fluidisierten Bewegbettes aus dem Bettmaterial im Rohrinnenvolumen; Transportieren von Wärme von außerhalb des Wirbelschichtbehälters in das Bettmaterial im Rohrinnenvolumen mit Hilfe der Wärmetransportvorrichtung, bis die Temperatur in den Wirbelschichtbehälter zum Zünden des Brennstoffs ausreichend ist. Hierbei wird der Wirbelschichtreaktor nach dem Prinzip eines Schlaufenreaktors betrieben.
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Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung erfolgt der Wärmeeintrag in das Wirbelbett somit dadurch, dass das Wirbelbett in fluidisiertem Zustand in einem kleinen Bereich erwärmt und nachfolgend aufgrund des Schlaufenreaktor-Wirkprinzips mit dem Rest des Bettmaterials innig vermischt wird. Hierbei erfolgt eine direkte Wärmeübertragung an den Rest des Bettmaterials in einer Material-zu-Material-Weise. Es wird während des Hochfahrvorgangs nur ein Teil des Bettmaterials fluidisiert und nur dieser Teil durch direkten Wärmeeintrag von außen erwärmt, wobei der so erwärmte Teil des Bettmaterials anschließend aufgrund des Schlaufenreaktor-Wirkprinzips mit dem restlichen Bettmaterial vermischt wird und die Wärme an dieses weitergibt.
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Sowohl zum Wärmeeintrag als auch zur Durchmischung des Bettmaterials sind keine mechanischen Hilfsmittel, Aktuatoren oder dergleichen notwendig. Da stets nur ein vergleichsweise kleiner Volumenanteil des Bettmaterials für den direkten Wärmeeintrag vorgesehen ist, ist sichergestellt, dass trotz der fortlaufenden Durchmischung oder Durchmengung des gesamten Bettmaterialvolumens nur besagter Bruchteil dieses Volumens erwärmt werden muss. Probleme, die sich aus einem insgesamt zu kalten Wirbelbett ergeben können (Selbstlöschung des Brennstoffs etc.) sind daher beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht gegeben.
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Von daher ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für einen Stand-Alone-Betrieb, d. h. für einen Betrieb ohne ständige Beobachtung, geeignet, da eine erhöhte Betriebssicherheit und Ausfallsicherheit vorliegt.
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Bevorzugt wird das Gas, das weiterhin bevorzugt Luft ist, an einem unteren Endabschnitt des in dem Bettmaterial angeordneten Rohrs in das Rohrinnenvolumen eingeleitet. Das Schlaufenreaktor-Wirkprinzip wird hierdurch wirkungsvoll unterstützt.
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Die in das Bettmaterial im Rohrinnenvolumen zu transportierende Wärme wird bevorzugt einem Gasbrenner oder einen elektrischen Heizung entnommen, also zuverlässigen, preiswerten und gut zu regelenden bzw. automatisierenden Wärmequellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Wirbelschichtreaktor mit einer Wirbelschichtbrennkammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Wirbelschichtbehälter, in dem ein Bettmaterial mit einem Brennstoff aufgenommen ist, ein in dem Bettmaterial angeordnetes Rohr, das den Innenraum des Wirbelschichtbehälters in ein Rohrinnenvolumen und ein Rohraußenvolumen unterteilt, eine Wärmetransportvorrichtung, durch die Wärme von außerhalb des Wirbelschichtbehälters in das Bettmaterial im Rohrinnenvolumen transportierbar ist, und eine Gaseinleitungsvorrichtung zur Einleitung eines Gases in das Rohrinnenvolumen, um aus dem Bettmaterial im Rohrinnenvolumen ein fluidisiertes Bewegbett zu erzeugen.
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Hierbei erstreckt sich die Wärmetransportvorrichtung bevorzugt in das Bettmaterial im Rohrinnenvolumen, um im Rohrinnenvolumen einen gezielten Wärmeeintrag in das dortige Bettmaterial vornehmen zu können.
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Die Wärmetransportvorrichtung umfasst bevorzugt ein Wärmeleitrohr, welches besonders bevorzugt nach Art eines Thermosiphons arbeitet. Es wäre im Prinzip möglich, anstelle eines Thermosiphons eine so genannte Heatpipe zu verwenden. Bei einer Heatpipe kann jedoch im Betrieb der Brennkammer Wärme aus der Brennkammer zurück zur externen Wärmequelle transportiert werden – ein Vorgang, der unerwünscht und bei einem Thermosiphon vorteilhafterweise nicht möglich ist.
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Die Gaseinleitungsvorrichtung weist bevorzugt einen Ausströmabschnitt mit Gasdüsen auf, der in dem Bettmaterial angeordnet ist. Hierdurch erfolgt in vorteilhafter Weise eine Fluidisierung des Bettmaterials im Rohrinnenvolumen, was das Schlaufenreaktor-Wirkprinzip weiter unterstützt.
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Umgibt der Ausströmabschnitt die Wärmetransportvorrichtung, erfolgt ein gleichmäßiger und homogener Eintrag des Gases in das Bettmaterial mit einer entsprechend homogenen Fluidisierung.
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Der Wirbelschichtbehälter und das Rohr haben jeweils die Form eines geraden Zylinders, insbesondere eines geraden Kreiszylinders. Dies ist vorteilhaft unter anderem mit Blick auf die Herstellungskosten. Darüber hinaus ist hiermit eine besonders einfache Möglichkeit gegeben, die Wirbelschichtbehälter und das Rohr konzentrisch anzuordnen, was eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsform der Erfindung ist.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsform anhand der Zeichnung.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt stark vereinfacht einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Wirbelschichtbrennkammer gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform.
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Eine in der Figur insgesamt mit 4 bezeichnete Wirbelschichtbrennkammer (nachfolgend mit „Brennkammer” bezeichnet) eines nicht näher dargestellten Wirbelschichtreaktors (nachfolgend mit „Reaktor” bezeichnet) ist im Wesentlichen aufgebaut aus einem Wirbelschichtbehälter 6 (nachfolgend als „Behälter” bezeichnet), der wiederum im Wesentlichen gebildet ist aus einer Seitenwand (bzw. Seitenwänden) 8 und einer unteren Bodenwand 10. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Behälter 6 kreiszylinderförmig, sodass die Seitenwand 8 geschlossen umläuft. Ein oberer Deckel oder eine obere Abschlusswand gegenüber der Bodenwand 10 ist in der Figur nicht näher dargestellt.
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In dem vom Behälter 6 definierten Innenraum befindet sich ein Rohr 12, welches bevorzugt koaxial zu dem Behälter 6 angeordnet ist und ein Rohrinnenvolumen 14 definiert. Zwischen einer Außenseite einer Umfangswand 16 des Rohrs 12 und einer Innenseite der Seitenwand 8 ist ein Außenvolumen 18 definiert. Das Rohr 12 ist beiderseits endseitig offen und wird von einer Wärmetransportvorrichtung 20 durchsetzt, welche gemäß der zeichnerischen Darstellung wiederum bevorzugt koaxial angeordnet ist, also koaxial zum Rohr 12 und zum Behälter 6. Die Wärmetransportvorrichtung 20 durchsetzt die Bodenwand 10 des Behälters 6 und tritt durch das untere offene Ende des Rohrs 12 in dieses ein. Die Länge der Wärmetransportvorrichtung 20 ist hierbei so gewählt, dass ein oberes, der Bodenwand 10 abgewandtes Ende hiervon im Bereich einer oberen Mündung 22 des Rohrs 12 endet.
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Eine untere Eintrittsöffnung 24 des Rohrs 12 ist in einem bestimmten Abstand zu der Bodenwand 10 des Behälters 6 angeordnet, sodass zwischen dieser Eintrittsöffnung 24 und der Bodenwand 10 eine Gaseinleitungsvorrichtung 26 anordenbar ist. Diese Gaseinleitungsvorrichtung 26 ist beispielsweise ein Leitungsring, der koaxial von der Wärmetransportvorrichtung 20 durchsetzt wird und der an seiner der Eintrittsöffnung 24 des Rohrs 12 zugewandten Seite eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen hat. Der Gaseinleitungsvorrichtung 26 zugeführtes Gas, beispielsweise Luft, tritt somit aus der Gaseinleitungsvorrichtung 26 aus und gelangt über die Eintrittsöffnung 24 in das Rohrinnenvolumen 14.
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Sowohl das Rohrinnenvolumen 14 als auch das Rohraußenvolumen 18 ist mit einem Bettmaterial 28 gefüllt; dem ein Brennstoff untergemischt ist bzw. das einen Brennstoff enthält.
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Die Wärmetransportvorrichtung 20 vermag ihr an einem unteren, dem Behälter 6 abgewandten Ende zugeführte Wärmeenergie in das Innere des Behälters 6 und damit insbesondere in das Innenvolumen des Rohrs 12 und damit das dortige Bettmaterial 28 zu fördern. Hierzu ist die Wärmetransportvorrichtung 20 besonders bevorzugt nach Art eines so genannten Thermosiphons ausgebildet, also als eine Wärmetransportvorrichtung, die nach dem Prinzip der Verdampfung und Kondensation arbeitet, wobei kondensierende Flüssigkeit unter Schwerkrafteinfluss in einen Sumpf zurückfließt, um dort erneut Wärme aufzunehmen und zu verdampfen.
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Der Wärmeeintrag in die Wärmetransportvorrichtung 20 erfolgt durch eine externe Wärmequelle, beispielsweise einen Gasbrenner oder eine elektrische Heizung.
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Die so eingebrachte Wärme wird dann über die Wärmetransportvorrichtung 20 in das Bettmaterial in dem Rohrinnenvolumen 14 eingebracht. Da in dem Rohrinnenvolumen nur eine vergleichsweise geringe Menge an Bettmaterial zu fluidisieren ist, wird vermieden, dass das gesamte Bettmaterial in der Brennkammer durch erhöhten Lufteintrag (oder allgemein: Gaseintrag) durch die Gaseinleitungsvorrichtung 26 fluidisiert werden muss und dabei abkühlt.
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Um dennoch einen erhöhten Wärmeübergang von der Wärmetransportvorrichtung 20 auf das gesamte Bettmaterial 28 in der Brennkammer 4 zu realisieren, wird auf das Wirkprinzip eines Schlaufenreaktors zurück gegriffen: Das in dem Rohrinnenvolumen 14 von der Gaseinleitungsvorrichtung 26 zu Fluidisierungszwecken aufsteigende Gas oder die aufsteigende Luft transportiert das Bettmaterial im Wesentlichen aufgrund von zwei Mechanismen nach oben in Richtung der oberen Mündung 22 des Rohrs 12, nämlich aufgrund der Tatsache, dass ein gewisser Anteil des Bettmaterials 28 in den Wirbelschleppen von Gasblasen (Bezugszeichen 30) mitgerissen wird, und aufgrund der Tatsache, dass die mittlere Dichte des Bettmaterials 28 und der Gasblasen 30 im Rohrinnenvolumen 14 durch die Fluidisierung kleiner als die Dichte des restlichen Bettmaterials 28 außerhalb des Rohrs 12 ist, sodass das Bettmaterial 28 von dem Außenvolumen 18 über die Eintrittsöffnung 24 im Zuge des Auswerfens des Bettmaterials 28 aus dem Rohrinnenvolumen 14 nachströmt.
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Es ergibt sich somit im Inneren des Behälters 6 eine zwischen der Mündung 22 und der Eintrittsöffnung 24 allseitig um das Rohr 12 herum laufende Strömung derart, dass das Bettmaterial 28 durch die Eintrittsöffnung 24 in das Rohrinnenvolumen 14 eintritt, dort durch die geschilderten Mechanismen im Inneren des Rohrs 12 in Richtung der dortigen Mündung 22 nach oben transportiert wird, aus der Mündung 22 austritt und dann im Außenvolumen zurück zur Eintrittsöffnung 24 wandert.
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Das entlang der Wärmetransportvorrichtung 20 strömende Bettmaterial 28 im Rohrinnenvolumen 14 wird somit erwärmt. Da das von der Wärmetransportvorrichtung 20 zu erwärmende Bettmaterialvolumen maximal durch das Rohrinnenvolumen 14 definiert wird, erfolgt ein unmittelbarer und inniger Wärmeübergang auf einen begrenzten Volumenanteil im Inneren des Behälters 6, d. h. eine entsprechend rasche Wärmeübertragung und damit rasche Erwärmung des gesamten Bettmaterials 28 in der Brennkammer 4.
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Es wird somit ein Wirbelbett (Bettmaterial 28 im Rohrinnenvolumen 14) in einem im Wesentlichen nicht-fluidisierten Zustand mithilfe des Schlaufenreaktor-Wirkprinzips in nur einem kleinen Volumenbereich erwärmt und aufgrund des Schlaufenreaktor-Wirkprinzips mit dem Rest des Bettmaterials 28 vermischt, sodass die eingebrachte Wärme sukzessive an den Rest des Bettmaterials übertragen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5972302 [0007]
- US 5382412 [0007]
- US 2008/0124253 A1 [0007]
- GB 1599398 [0009]
- US 4474230 [0009]
