DE102010018219A1

DE102010018219A1 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von festen Einsatzstoffen in einer konzentrisch gestuften Wirbelschicht

Info

Publication number: DE102010018219A1
Application number: DE102010018219A
Authority: DE
Inventors: Ralf Abraham; Dr. Hamel Stefan
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-10-27
Also published as: BR112012026738A2; US20130036622A1; KR20130069636A; CN102821840A; WO2011131287A1; CA2794213A1; AU2011244737A1; RU2012146437A; TW201200238A; EP2560750A1; UA106787C2

Abstract

Wirbelschichtreaktor zur thermischen Vorbehandlung von festen, wasserhaltigen Einsatzstoffen mit Vorrichtungen zur Aufnahme einer gestuften, stationären Wirbelschicht mit mindestens zwei konzentrisch angeordneten Behandlungszonen, wobei jede der Behandlungszonen mindestens einen separaten Gaseinlass für Fluidisiergas aufweist, und die einzelnen Behandlungszonen nur durch Überläufe miteinander verbunden sind, die äußerste Behandlungszone eine Zuführeinrichtung für Einsatzstoff aufweist, jede Behandlungszone gegen die jeweils andere benachbarte Behandlungszone durch ein Überlaufwehr abgetrennt ist, und die innerste Behandlungszone einen Abzug für Reaktionsprodukte aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass der feste Einsatzstoff in die äußerste Behandlungszone der Wirbelschicht eingebracht wird, wobei die Wirbelschicht mit Fluidisiergas aufgelockert und fluidisiert wird, in einer ersten Stufe der Wirbelschicht eine erste Temperatur und eine erste Verweilzeit eingestellt werden, in einer zweiten Stufe der Wirbelschicht eine zweite Temperatur und zweite Verweilzeit eingestellt werden, die Temperaturen des Fluidisiergases der ersten Stufe und des der zweiten Stufe separat geregelt werden, das Wirbelgut aus der äußeren Behandlungszone über das Überlaufwehr in die innere Behandlungszone fließt, und das Wirbelgut mit dem Produkt vom Boden der innersten Behandlungszone abgezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft die thermische Vorbehandlung von festen Energierohstoffen, wozu zum Beispiel biogene und andere hochreaktive Brennstoffe, fossile Brennstoffe und Reststoffe zählen, in einer gestuften Wirbelschicht. Die Stufung der Wirbelschicht erfolgt durch mindestens zwei konzentrisch angeordnete Behandlungszonen, wobei in den gestuften Behandlungszonen sowohl eine individuelle Verweilzeit als auch eine individuelle Temperatur einstellbar ist.
Unter Vorbehandlung wird die Trocknung oder auch die Torrefizierung des Einsatzstoffes verstanden. Unter Torrefizierung versteht man die unterhalb von etwa 300°C ablaufenden Zersetzungsreaktionen von organischen Einsatzstoffen wie Biomassen, wofür man auch den Begriff „milde Pyrolyse” verwendet. Während oberhalb der 400°C nur noch ein geringer Anteil an Feststoff als Koks zurückbleibt, etwa 20 Gew.-% für Buchenholz bei 400°C, verbleiben bei ca. 250°C in Abhängigkeit des Biomassetyps etwa 80 bis 95 Gew.-% als Feststoff. Die Behandlung der Biomasse bei 220°C bis 350°C bewirkt, dass sich die durch die Faserstruktur hervorgerufene Zähigkeit verringert. Dadurch wird eine nachfolgende, weitergehende Zerkleinerung vereinfacht und der benötigte Energieaufwand für die Zerkleinerung reduziert sich deutlich.
Ein typisches Charakteristikum einer einstufigen Wirbelschicht ist die Verweilzeitverteilung der abgezogenen Produktpartikel. Dies ist insbesondere bei der angestrebten Torrefizierung von Nachteil, da sich aufgrund der unterschiedlichen Aufenthaltszeiten eine unerwünschte Variation der Elementarzusammensetzung des Produktes einstellt.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, die Verweilzeitverteilung der behandelten Partikel homogener einstellen zu können, also eine Vergleichmäßigung der Partikelaufenthaltszeiten zu erreichen. Diese Aufgaben werden durch die Stufung der Wirbelschicht und die getrennte thermische Behandlung in unterschiedlichen Behandlungszonen und deren geometrische Gestaltung angegangen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Wirbelschichtreaktor zur thermischen Vorbehandlung von festen, wasserhaltigen Einsatzstoffen, enthaltend

• Vorrichtungen zur Aufnahme einer gestuften, stationären Wirbelschicht mit mindestens zwei konzentrisch angeordneten Behandlungszonen, wobei
• jede der Behandlungszonen mindestens einen separaten Gaseinlass für Fluidisiergas aufweist, und
• die einzelnen Behandlungszonen nur durch Überläufe miteinander verbunden sind,
• jede Behandlungszone gegen die jeweils andere benachbarte Behandlungszone durch ein Überlaufwehr abgetrennt ist,
• die äußerste Behandlungszone eine Zuführeinrichtung für Einsatzstoff aufweist, und
• die innerste Behandlungszone einen Abzug für vorbehandelte Einsatzstoffe aufweist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Überlaufwehr vorgesehen, welches einen abgesenkten Teil-Überlauf aufweist, der um 180 Grad versetzt zur Zuführeinrichtung angeordnet ist. Im Falle mehrerer konzentrisch angeordneter Behandlungszonen können mehrer Überlaufwehre vorgesehen werden, welche alle einen abgesenkten Teil-Überlauf aufweisen, der jeweils um 180 Grad versetzt zum Überlauf der jeweils äußeren Behandlungszone angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird innerhalb mindestens einer der Behandlungszonen ein Unterlaufwehr vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für jede der Behandlungszonen separate Gasabzugsvorrichtungen vorgesehen. Als Gaseinlass für Fluidisiergas werden Düsen. Löcher, Schlitze oder Glocken vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von festen Einsatzstoffen in einer gestuft betriebenen Wirbelschicht in einem Wirbelschichtreaktor mit mindestens zwei konzentrisch angeordneten Behandlungszonen, wobei

• der feste Einsatzstoff in die äußerste Behandlungszone der Wirbelschicht eingebracht wird, wobei die Wirbelschicht mit Fluidisiergas aufgelockert und fluidisiert wird,
• in jeder der Stufen der Wirbelschicht eine bestimmte Temperatur und eine bestimmte Verweilzeit eingestellt werden,
• die Temperaturen des Fluidisiergases der jeweiligen Stufen separat geregelt werden,
• das Wirbelgut aus der jeweils äußeren Behandlungszone über das Überlaufwehr in die jeweils innere Behandlungszone fließt, und
• das Wirbelgut mit dem Produkt vom Boden der innersten Behandlungszone abgezogen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 6 Figuren näher erläutert.
1 zeigt exemplarisch eine Variante mit zwei Behandlungszonen,
2 zeigt analog zur 1 eine zweistufige Vorrichtung,
3 und 4 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei konzentrischen Behandlungszonen,
5 und 6 zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
1 zeigt exemplarisch eine Variante mit zwei Behandlungszonen. Einsatzstoff 1 wird über eine Zufuhrschnecke 2 in den Reaktor 3 in die erste Behandlungszone 4 eingebracht. Diese wird mit Hilfe des Fluidisiergases 5 aufgelockert und fluidisiert. Die Temperatur des Fluidisiergases 5 wird beispielsweise so gewählt, dass in der ersten Behandlungszone 4 eine Trocknung des Einsatzstoffes stattfindet. Das Abgas 6 aus Fluidisiergas und verdampften Wasser verlässt die Behandlungszone 4. Durch die Fluidisierung und die kontinuierliche Einsatzstoffzufuhr wird kontinuierlich getrockneter Einsatzstoff 1 über den Überlauf 7 in die zweite Behandlungszone 9 gefördert. Beide Behandlungszonen sind durch die Trennwand 8 getrennt, die Anordnung ist konzentrisch. Die Behandlungszone 9 wird mit Hilfe des Fluidisiergases 10 fluidisiert. Die Temperatur des Fluidisiergases 10 kann entsprechend der gewünschten Behandlung eingestellt werden. Ist beispielsweise eine Torrefizierung des Einsatzstoffes 1 angestrebt, so wird die Temperatur des Fluidisiergases 10 so gewählt, dass sich eine mittlere Temperatur des Wirbelbettes in Behandlungszone 9 von z. B. 250°C einstellt. Das Abgas 11 aus dem Fluidisiergas 10 und den während der Torrefizierung freigesetzten gasförmigen Komponenten verlässt die Behandlungszone 9. Das behandelte Produkt 13 wird am Boden der Behandlungszone 9 mit einer Abzugschnecke 12 abgezogen.
2 zeigt analog zur 1 eine zweistufige Vorrichtung. Im Unterschied zur 1 ist der Boden der Behandlungszone 4 ebenso wie die Wand des Reaktors 3 konisch ausgeführt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei konzentrischen Behandlungszonen 4, 16 und 9, die jeweils individuell fluidisiert werden. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei konzentrischen Behandlungszonen 4, 16 und 9, die jeweils mit einer separaten Fluidisiergaszufuhr versehen sind. Die Behandlungszonen 4 und 16 sind selbst mittels eines Unterlaufwehrs 22 in Zonen unterteilt. Der fluidisierte Feststoff muss zunächst das Unterlaufwehr 22 passieren, bevor er die Trennwand 8, die als Überlaufwehr gestaltet ist, in die nächste Behandlungszone 9 bzw. 16 gelangt. Das gesamte Abgas 17, bestehend aus den Fluidisiergases, je nach Betriebsweise dem freigesetzten Wasserdampf aus der Trocknung und den freigesetzten Flüchtigen, verlässt mit einer wirbelschichttypischen Staubbeladung den Reaktor. Bevor das Abgas 17 weiter verwendet oder behandelt wird oder in die Umgebung entlassen wird, passiert es einen Staubabscheider 18. Der Staubabscheider 18 ist in 4 exemplarisch als Filter mit dazu benötigtem Rückspülgas 21 dargestellt, kann aber auch z. B. als Zyklon, Elektroabscheider oder sonstiger Staubabscheider nach Stand der Technik ausgeführt sein. Der aus dem Gas entfernte Staub 19 wird vorteilhaft, wie dargestellt, zurückgeführt werden und mit dem Einsatzstoff erneut in den Reaktor gebracht werden. Nicht dargestellt ist auch eine weitere vorteilhafte Variante, den Staub 19 direkt dem Produktstrom 13 zuzuführen.
5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Ausgehend von der Darstellung in 4, sind in 5 die Trennwände, die die Unterlaufwehre 22 bilden, in den Behandlungszonen bis zum Reaktorkopf verlängert. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, voneinander getrennte Abgasströme 6, 11 und 15 zu entnehmen. Diese können beispielsweise einer individuellen weiteren Verarbeitung oder Entsorgung zugeführt werden. So kann beispielsweise eine individuelle Entstaubung durchgeführt werden. Es kann auch einer oder mehrere der Teilströme verwendet werden, um das Fluidisiergas 10 für eine andere Behandlungszone zu liefern. Vorteilhaft wäre beispielsweise, das aus der zentralen Behandlungszone 9 abgezogene Abgas 11 zu rezirkulieren und das Fluidisiergas 5 oder 14 zumindest teilweise zuzuführen. Dazu wäre je nach Temperaturniveau eine erneute Aufheizung, ggf. eine Entstaubung und eine Erhöhung des Druckes erforderlich.
6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Ausgehend von der Darstellung in 1 oder 2 ist hier in 6 eine optimierte Gestaltung des Überlaufwehrs 8 dargestellt. Das Überlaufwehr 8 ist mit einer Aussparung 23 versehen, die hier den Überlauf 7 bildet. Dadurch werden die in der Behandlungszone 4 fluidisierten Partikel bevorzugt an dieser tiefsten Stelle des Überlaufwehrs 8 in die nächste Behandlungszone 9 überlaufen. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dann, wenn diese Aussparung 23 gegenüber der Zufuhrschnecke 2 angeordnet ist, wodurch die Verweilzeit der Partikel erheblich verlängert und Verweilzeitverteilung deutlich vergleichmäßigt wird.
Für die Ausführungsformen der Beispiele sowie die nicht gezeigten weiteren Möglichkeiten erfindungskonformer Ausgestaltungen gilt, dass die Abmessungen der Behandlungszonen individuell in Abhängigkeit der angestrebten Verweilzeit der jeweiligen Behandlungszone gewählt werden können.
Die Zufuhrschnecke 2 fördert von außen die Behandlungszone 4, dabei ist das Ziel, eine maximale Verweilzeit der Partikel zu erreichen. D. h. es gibt zwei Konfigurationen:

1) Der Feststofftransport von Behandlungszone 4 zur nächsten Behandlungszone erfolgt über einen Überlauf, wie in den 1, 2 und 3 gezeigt, dann ist die Zufuhrschnecke im unteren Bettbereich zu positionieren.
2) Der Feststofftransport aus der Behandlungszone 4 heraus erfolgt als erstes mittels Unterlauf, wie in 4 gezeigt, dann ist die Positionierung im oberen Bettbereich vorteilhaft.

Es sind auch je nach Massenströmen mehrere Zufuhrschnecken verteilt über den Umfang denkbar.
Jede Behandlungszone wird mit individuell temperiertem Fluidisiergas beaufschlagt.

– Aufgrund der konzentrischen Gestaltung, der Reaktor 3 und die Trennwand 8 sind rund, kann die Zugabe des Fluidisiergases 5 und 10 so erfolgen, dass sich innerhalb der Behandlungszonen ein Drall innerhalb der Wirbelschicht und innerhalb jeder Behandlungszone einstellt.
– Die Außenwand des Reaktors 3 kann als Doppelmantel ausgeführt werden und mit zusätzlichem Heizmedium beaufschlagt werden.
– die Trennwand 8 kann wärmeleitend ausgeführt werden, so dass zwischen den Behandlungszonen zusätzlich Wärme ausgetauscht wird. Wenn in der Behandlungszone 4 getrocknet und in der Behandlungszone 9 torrefiziert wird, so findet Wärmetransport von innen nach außen statt.

Der Boden der inneren Behandlungszone kann konisch und die Abzugsschnecke 12 als Kühlschnecke ausgeführt werden.
Als Fluidisiergase verwendbar sind

– Inertgas, wie z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid oder Mischungen daraus,
– Luft oder ”abgereicherte” Luft, das ist Luft zuzüglich Zugabe von beispielsweise Stickstoff, um den Sauerstoffgehalt zu verringern,
– Rauchgase; um zuzuführendes Gas aufzuheizen, wird häufig in einer Zusatzfeuerung ein Brennstoff verbrannt. Das dabei entstehende heiße Rauchgas wird mit Luft und/oder Stickstoff auf die gewünschte Temperatur gemischt und schließlich als Fluidisiergas verwendet.
– Kreislaufgas; falls z. B. ein Teil des entstaubten Abgases 20 wieder zurückgeführt wird, kann er mit frischem Gas, also Rauchgas, Inertgas oder Luft gemischt und wieder aufgeheizt und schließlich der Apparatur als Fluidisiergas zugeführt werden.

Die Gestaltung des Gasverteilerbodens kann so erfolgen, dass jede Behandlungszone mit einem eigenen Gasverteiler versehen wird. Hierzu sind 2 Varianten empfehlenswert.
Düsenboden Variante 1, vorteilhaft: In 1 ist für die Behandlungszone 4 ein flacher Gasverteilerboden dargestellt. In diesem Fall würde sich ein in der Wirbelschichttechnik üblicher ”offener” Düsenboden empfehlen, über den Feststoffe nach unten abgezogen werden können, z. B. im Falle von Störstoffen, oder im Falle einer geplanten Entleerung bei Stillstand. Ein ”offener” Düsenboden ist auch zu empfehlen, wenn es sich um einen insgesamt konischen Boden handelt, wie in 2 bis 5 dargestellt.
Düsenboden Variante 2: Hier ist ein insgesamt konischer Boden über alle Gasverteiler dargestellt. Im Falle einer notwendigen Entleerung können Klappen in der Wand 8 vorgesehen sein, so dass der gesamte Feststoff in die innere Behandlungszone 9 gelangen kann und dort über den zentralen Austrag abgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Einsatzstoff
2: Zufuhrschnecke
3: Reaktor
4: Behandlungszone
5: Fluidisiergas
6: Abgas
7: Überlauf
8: Trennwand/Überlaufwehr
9: Behandlungszone
10: Fluidisiergas
11: Abgas
12: Abzugschnecke
13: Produkt
14: Fluidisiergas
15: Abgas
16: Behandlungszone
17: Abgas
18: Staubabscheider
19: Staub
20: Entstaubtes Abgas
21: Rückspülgas
22: Unterlaufwehr
23: Aussparung

Claims

Wirbelschichtreaktor zur thermischen Vorbehandlung von festen, wasserhaltigen Einsatzstoffen, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zur Aufnahme einer gestuften, stationären Wirbelschicht mit mindestens zwei konzentrisch angeordneten Behandlungszonen, wobei • jede der Behandlungszonen mindestens einen separaten Gaseinlass für Fluidisiergas aufweist, und • die einzelnen Behandlungszonen nur durch Überläufe miteinander verbunden sind, • jede Behandlungszone gegen die jeweils andere benachbarte Behandlungszone durch ein Überlaufwehr abgetrennt ist, • die äußerste Behandlungszone eine Zuführeinrichtung für Einsatzstoff aufweist, und • die innerste Behandlungszone einen Abzug für vorbehandelte Einsatzstoffe aufweist.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Überlaufwehr, welches einen abgesenkten Teil-Überlauf aufweist, der um 180 Grad versetzt zur Zuführeinrichtung angeordnet ist.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Überlaufwehre, welche alle einen abgesenkten Teil-Überlauf aufweisen, der jeweils um 180 Grad versetzt zum Überlauf der jeweils äußeren Behandlungszone angeordnet ist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Unterlaufwehr innerhalb mindestens einer der Behandlungszonen.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass jede der Behandlungszonen separate Gasabzugsvorrichtungen aufweist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Gaseinlass für Fluidisiergas Düsen, Locher, Schlitzen oder Glocken aufweist.
Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von festen Einsatzstoffen in einer gestuft betriebenen Wirbelschicht in einem Wirbelschichtreaktor mit mindestens zwei konzentrisch angeordneten Behandlungszonen, dadurch gekennzeichnet, dass • der feste Einsatzstoff in die äußerste Behandlungszone der Wirbelschicht eingebracht wird, wobei die Wirbelschicht mit Fluidisiergas aufgelockert und fluidisiert wird, • in jeder der Stufen der Wirbelschicht eine bestimmte Temperatur und eine bestimmte Verweilzeit eingestellt werden, • die Temperaturen des Fluidisiergases der jeweiligen Stufen separat geregelt werden, • das Wirbelgut aus der jeweils äußeren Behandlungszone über das Überlaufwehr in die jeweils innere Behandlungszone fließt, und • das Wirbelgut mit dem Produkt vom Boden der innersten Behandlungszone abgezogen wird.