DE102016124706A1

DE102016124706A1 - Wirbelschichtströmungsreaktor

Info

Publication number: DE102016124706A1
Application number: DE102016124706.5A
Authority: DE
Inventors: Maria Helena Möbs; Tobias Brand; Winfried Gutperl; Jochen Treubel
Original assignee: Graf Enviropro GmbH
Current assignee: Steinmueller Engineering GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtströmungsreaktor (1) zur trockenen Entfernung von Schadstoffen, insbesondere Schadgasen, aber auch von Schadstoffen in kondensierter und fester Form aus Abgasen von Verbrennungs- oder anderen Prozessen sowie zur Kalktrockenlöschung oder zur Löschung von Kalkbestandteilen in Aschen oder Aktivierung/Oxidierung von Produkten aus einer z. B. Abgasreinigung für z. B. den Einsatz in der Zementindustrie. Der Wirbelschichtströmungsreaktor (1) ist ausgeführt als Wirbelschichtströmungsreaktor mit Wirbelschicht- (5) und Strömungsabschnitt (11.1). Das Gas durchströmt den Strömungsabschnitt (11.1) antiparallel zum Wirbelschichtabschnitt (5). Danach erfolgt eine Fraktionierung der Feststoffe in mittlere und große Anteile, wobei diese aus dem Prozess ausgeschleust werden und nur soweit zurückgeführt werden, wie dies zur Aufrechterhaltung einer für den jeweiligen Prozess optimierten Wirbelschicht notwendig ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelschichtströmungsreaktor mit einem Wirbelschichtabschnitt zur Aufnahme eines Wirbelschichtbettes, wobei unterhalb des Wirbelschichtabschnitts eine Gaszuführung zum Wirbelschichtbett und oberhalb des Wirbelschichtbettes eine Gasentnahme angeordnet sind, aus der im Betrieb ein mit Feststoffen beladener Gasstrom austritt, wobei der Wirbelschichtströmungsreaktor einen Strömungsabschnitt aufweist, der so angeordnet ist, dass in ihm die Gasrichtung antiparallel zur Gasrichtung im Wirbelschichtabschnitt verläuft, und der einen Gaseinlass, der über eine Umlenkung mit der Gasentnahme des Wirbelschichtabschnitts verbunden ist, sowie eine Gasweiterleitung aufweist, die unterhalb der Strömungstrecke angeordnet ist.
Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, beispielsweise in Kraftwerken, entstehen Abgase. Je nach Schadstoffgehalt der Brennstoffe, insbesondere Schwefel, aber auch Chlor und Schwermetalle, weisen diese Abgase hohe Schadstoffgehalte auf. Je nach Aschegehalt der Brennstoffe sind die Abgase aus Verbrennungsprozessen hoch mit Flugstaub beladen, der abhängig vom eingesetzten Verbrennungsverfahren in der Menge und Partikelgröße stark variieren kann. Bestenfalls sind im Flugstaub noch reaktionsfähige Kalziumoxid- oder auch Magnesiumoxid-Bestandteile vorhanden.
Die in Müllverbrennungsanlagen entstehenden Abgase beinhalten neben Schwefeloxiden weitere Schadstoffe, insbesondere Chlorwasserstoffe, Fluorwasserstoffe sowie Schwermetalle, z. B. Cadmium, Thallium und Quecksilber, wie auch halogenorganische Verbindungen, wie Dioxine und Furane. Wegen der gesetzmäßig einzuhaltenden Umweltschutzbestimmungen müssen alle genannten Schadstoffe und Stäube bis auf bestimmte Emissionsgrenzwerte sicher und dauerhaft abgeschieden werden.
Dazu werden die mit Schadstoffen und Stäuben beladenen Abgase z. B. über einen Wirbelschichtreaktor geführt, wie er u. a. in der WO 2009/087100 beschrieben ist.
Bei der darin vorgestellten Anlage erfolgt die Reinigung der Abgase weitgehend in der Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors. Feststoffe, die die Wirbelschicht verlassen, gelangen zum Teil über den Strömungsabschnitt in eine zum Wirbelschichtabschnitt führende Feststoffrinne, die mit dem Abscheiderbunker eines Feststoffabscheiders verbunden ist. Die Feststoffe aus beiden Pfaden werden somit zusammengeführt und dosiert an die Wirbelschicht zurückgegeben. Dies hat zur Folge, dass
der Wirbelschichtabschnitt des Wirbelschichtreaktors sehr hoch baut und
eine Vorabscheidung von Stäuben in einem oder mehreren Vorabscheidern erfolgen muss, die einen hohen Energie- und Platzbedarf haben.
Die Effektivität des Wirbelschichtbettes hängt entscheidend von der Menge, Größenverteilung und der Reaktivität der darin vorhandenen Partikel ab. Insbesondere wirken sich eine zu hohe Anreicherung mit inerten Feststoffen bzw. zu hohe Grobpartikelanteile negativ aus.
Ein gemäß der EP 0 736 321 A1 als Fraktionierer vorgesehener Zyklonabscheider ist aber nur eingeschränkt geeignet, da er Stäube und Grobpartikel nicht selektiv genug trennt. Zudem hat ein Zyklonabscheider einen hohen Druckverlust, was zu energetischen Nachteilen führt. Er trennt Gas und Feststoffe voneinander, somit können wegen der dadurch verkürzten Verweilzeiten keine Reaktionen zwischen Gas und den Sorbentien stattfinden.
Aus der DE 33 39 317 A1 sowie der DE 40 39 213 A1 ist eine Vorrichtung zur Abscheidung von festen Komponenten aus einem Gasstrom beschrieben, bei der auf eine Wirbelschichtkammer eine antiparallel zur Wirbelschichtkammer durchströmte, sich konisch nach unter verjüngende Abscheidekammer folgt, die über ihre gesamte Höhe einen seitlichen, zu einem Filter bzw. Elektroabscheider führenden Austritt für den Gasstrom aufweist. Ein Anteil der festen Partikel im Gasstrom wird abgeschieden und fällt in einen unterhalb der Abscheidekammer angeordneten Bunker.
In der US 2010/0147146 wird ein System beschrieben, bei dem unmittelbar auf die Wirbelschichtkammer ein Zyklonabscheider folgt, aus dem der Gasstrom entgegengesetzt zur Gravitation und der Richtung seines Feststoffanteils nach oben abgesaugt wird.
Wirbelschichtreaktoren dienen nicht nur der Reinigung von Abgasen, vielmehr sollen aus den anschließend abgeschiedenen Feststoffen weiterverwertbare Produkte entstehen. Befinden sich im Feststoff noch verwertbare Anteile von CaO und/oder MgO, können diese Anteile zu einem weiterverwertbaren Sorbens aktiviert werden. Bei der Abgasreinigung anfallende Produkte wie z. B. Kalziumsulfit können oxidiert werden, um sie in ein stabiles Produkt zu überführen, das beispielsweise in der Zementindustrie eingesetzt werden kann.
Kalziumhydroxid ist ein bevorzugtes Sorbens zur Schadgasentfernung aus Abgasen. Im Vergleich zu Kalziumoxid hat Kalkhydrat höhere Beschaffungskosten, einen – bedingt durch eine niedrigere Schüttdichte – größeren Bedarf an Lagerkapazität und stellt größere technische Anforderungen bei Lagerung und Transport. Deshalb kann es sinnvoll sein, Sorbens vor Ort zu produzieren. Dazu werden Kalziumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) zu Kalziumhydroxid [Ca(OH)₂] bzw. Magnesiumhydroxid [Mg(OH)₂] hydratisiert und sind so als Sorbens z. B. in einer Abgasreinigung nutzbar.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wirbelschichtströmungsreaktor zu schaffen, der es ermöglicht, in einfacher Weise auf bestimmte Betriebszustände zu reagieren, Feststoffe im Abgas in einfacher und effizienter Weise möglichst unter Vermeidung üblicher Vorabscheider zu selektieren und abzuscheiden und damit den Prozess deutlich zu optimieren sowie eine platzsparende und kompakte Installation bei günstigsten Investitions- und Betriebskosten bereitzustellen. Insbesondere soll auch die Sorbensausnutzung verbessert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen Wirbelschichtströmungsreaktor bereitzustellen, der vielfältige Möglichkeiten bei Herstellung, Behandlung und Aktivierung/Oxidation von Sorbentien und Feststoffen bietet.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass sich der Strömungsabschnitt zwischen dem Gaseinlass und der Gasweiterleitung abzweigungsfrei erstreckt und über seine Höhe einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, um darin eine im Wesentlichen gleichbleibende Gasgeschwindigkeit zu erzielen, und dass dem Strömungsabschnitt ein Fraktionierer zum selektiven Fraktionieren von Feststoffen in wenigstens zwei Fraktionen nachgeschaltet ist, die sich in ihrer mittleren Partikelgröße unterscheiden.
Die abzweigungsfreie Gestaltung des Strömungsabschnittes bewirkt, dass der aus der Wirbelschicht austretende Gasstrom zusammen mit seinen gesamten Inhaltstoffen vollständig in den Strömungsabschnitt eintritt und, ohne dass Gase oder Inhaltstoffe abgetrennt werden, den Strömungsabschnitt durchläuft, so dass die Sorbentien in dem Strömungsabschnitt weiterhin für die Dauer der Verweilzeit im Strömungsabschnitt (Durchlaufzeit des Gasstromes durch den Strömungsabschnitt) auf die Feststoffe im Gasstrom einwirken können, so dass eine gute Sorbensausnutzung erreicht wird.
Die Bauhöhe des Wirbelschichtströmungsreaktors kann dadurch stark reduziert werden, weil der Gasstrom im abzweigungsfreien Strömungsabschnitt, in dem die Schadstoffe mit den Sorbentien reagieren, antiparallel zum Gasstrom im Wirbelbettabschnitt verläuft. Dadurch wird die Effektivität des Wirbelschichtströmungsreaktors aber nicht beeinflusst, da im Strömungsabschnitt auch ohne Anwesenheit eines Wirbelschichtbettes weitere chemische Prozesse zwischen dem Gas und den mittransportierten Feststoffen bzw. zwischen den mittransportierten Feststoffen stattfinden, die die Abgasreinigung bzw. die Umwandlung in gewünschte Produkte fördern. Besonders förderlich ist dabei, dass sich im abzweigungsfreien Strömungsabschnitt das komplette Gas und der komplette Feststoff aus der Wirbelschicht befinden und über die Länge des Strömungsabschnitts der Querschnitt konstant ist und somit eine konstante Gasgeschwindigkeit vorherrscht.
Die Erfindung bewirkt weiterhin, dass beide Fraktionen unabhängig voneinander dem Wirbelschichtabschnitt dosiert zugeführt werden können. Dadurch wird eine optimale Zusammensetzung der Wirbelschicht hinsichtlich der Korngrößenverteilung und der inerten Feststoffe erreicht und damit eine optimale Stützbettfunktion und eine hohe Sorbensausnutzung erzielt.
Um die unabhängige Dosierung zu realisieren, ist für jede Fraktion jeweils eine Rückführung zum Wirbelschichtabschnitt vorgesehen, wobei jede Rückführung eine gesonderte Dosiereinrichtung aufweist.
Optimale Strömungsverhältnisse lassen sich erzielen, wenn die Querschnittsfläche des Strömungsabschnitts über seine Höhe konstant und geringer ist als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche des Strömungsabschnitts zur Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts zwischen 0,2:1 und 0,8:1, vorzugsweise zwischen 0,4:1 bis 0,6:1 liegt.
Das Verhältnis zur Höhe des Wirbelschichtabschnitts zur Höhe des Strömungsabschnitts liegt zwischen 3,5:1 und 1:1, bevorzugt zwischen 2,5:1 und 1,2:1.
Zur Realisierung des Fraktionierers ist die Gasweiterleitung des als Fallrohr ausgeführten Strömungsabschnittes seitlich am unteren Ende des Strömungsabschnitts angeordnet oder geht optional – wie in 1 gezeigt – über eine Umlenkung in eine Zusatzströmungsstrecke über, die sich vertikal nach oben erstreckt und an ihrem oberen Ende in einen weiteren Gasauslass 14 übergeht.
Die Zusatzströmungsstrecke ist kürzer als der Strömungsabschnitt, so dass im Betrieb des Wirbelschichtströmungsreaktors eine Fein- und eine Mittelpartikelfraktion mit einem Medianwert d₅₀ = 1–10 µm bzw. d₅₀ = 10–30 µm von der Gasströmung in die Gasweiterleitung geleitet wird. In der Verlängerung des Strömungsabschnittes ist unterhalb der Gasweiterleitung ein Feststoffaustritt mit einem im Querschnitt vergrößerten Fraktioniererbunker vorhanden, dem im Betrieb des Wirbelschichtströmungsreaktors die Fraktion mit einer großen Partikelgrößenfraktion mit einem Medianwert d₅₀ = 30–100 µm gravitativ zugeleitet wird, da diese Partikel zum großen Teil nicht vom Gasstrom in die Gasweiterleitung mitgerissen werden.
Durch diese geometrische Ausgestaltung des Strömungsabschnittes mit nachfolgender Gasweiterleitung oder Umlenkung und im Querschnitt vergrößertem Fraktioniererbunker dient dieser gleichzeitig als Fraktionierer. Die Fein- und Mittelpartikelfraktion (Stäube und Sorbentien) werden mit dem Gasstrom seitlich zur Gasweiterleitung ausgeleitet, während die Großpartikelfraktion nicht vom Gasstrom mitgerissen wird, sondern nach unten in den Fraktioniererbunker fällt.
Unterhalb des Auslasses vergrößert sich der Querschnitt des Fraktioniererbunkers, so dass sich die Gasgeschwindigkeit der Strömung beim Eintritt in den Fraktioniererbunker verringert. Auch dies trägt dazu bei, dass die Großpartikel in den Fraktioniererbunker gelangen.
In der Gasweiterleitung des Strömungsabschnittes befindet sich bzw. – falls eine weitere Zusatzströmungsstrecke vorgesehen ist – in deren Gasauslass optional ein Gasverteiler z. B. in Form einer Jalousie, der die Gasströmung in einen Feststoffabscheider optimiert und der bestenfalls auch die Feststoffe der Großpartikelfraktion, soweit diese vom Abgasstrom mitgerissen worden sind, ablenkt und nach unten zum Fraktioniererbunker bzw. zum Abscheiderbunker leitet.
Vorzugsweise besteht der Gasverteiler aus mehreren, quer zur Hocherstreckung des Strömungsabschnittes verlaufenden Lamellen, die geneigte Abweisflächen aufweisen.
Die Großpartikel fallen aufgrund ihrer Größe und wegen der auf sie einwirkenden Gasströmung gravitativ an der seitlichen Gasweiterleitung des Strömungsabschnittes vorbei, weiter nach unten und werden im Fraktioniererbunker zwischengespeichert.
Um eine noch selektivere Fraktionierung zu erreichen, schließt sich an den Feststoffaustritt ein weiterer Fraktionierer zum Fraktionieren von Feststoffen in wenigstens zwei Fraktionen, die sich in ihrer mittleren Größe unterscheiden, an.
Der weitere Fraktionierer besitzt z. B. eine Fluidisierungswanne innerhalb des Fraktioniererbunkers, die an ihrer Unterseite einen Einlass für ein Fluidisierungsmedium aufweist.
In der Fluidisierungswanne werden hauptsächlich die noch vorhandenen Fein- und Mittelpartikelfraktionen vom Fluidisierungsmedium nach oben in den Strömungsabschnitt getrieben, wo sie wieder vom Abgasstrom erfasst werden und mit diesem ebenfalls zur Gasweiterleitung gelangen. Auf diese Weise wird die Selektivität der Fraktionierung in Bezug auf die Partikelgröße erhöht.
Um günstige Strömungsverhältnisse zu erlangen, weist die Fluidisierungswanne im Anschluss an den Strömungsabschnitt eine größere Querschnittsfläche auf als der Strömungsabschnitt. Das Verhältnis der Querschnittsflächen zueinander liegt zwischen 1:1 und 2:1.
Auf diese Weise fungiert der Strömungsreaktor mit der seitlichen Gasweiterleitung zusammen mit dem gegenüber dem Durchmesser des Strömungsabschnittes vergrößerten Durchmesser des Fraktioniererbunkers als Separator für Großpartikel.
Der Fraktionierer erlaubt insbesondere auch im Zusammenspiel mit dem weiteren Fraktionierer eine effektive Aussonderung der Großpartikelfraktion, so dass auf aufwändige Vorabscheider vor Eintritt in den Wirbelschichtströmungsreaktor, die häufig als Elektrovorabscheider ausgeführt werden, ganz oder doch weitgehend verzichtet werden kann.
Zum Abtrennen der mit dem Abgasstrom aus der Gasweiterleitung bzw. aus dem Gasauslass austretenden Partikel aus dem Abgasstrom wird der Gasweiterleitung bzw. dem Gasauslass ein Feststoffabscheider mit einem Abscheiderbunker nachgeschaltet.
Um die Zusammensetzung des Wirbelschichtbettes zu beeinflussen, ist eine Nebenrückführung zwischen dem weiteren Fraktionierer und dem Wirbelschichtabschnitt sowie eine Hauptrückführung zwischen dem Abscheiderbunker unterhalb des Feststoffabscheiders und dem Wirbelschichtabschnitt vorgesehen, um Feststoffe aus dem weiteren Fraktionierer und dem Abscheiderbunker dem Wirbelschichtströmungsreaktor unabhängig voneinander dosiert zuführen zu können.
Optional kann die Feststoffmenge in der Nebenrückführung zumindest teilweise über einen Aktivator (z. B. Feuchtebenetzung, Oxidation Sichtung/Mahlung) geleitet werden.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Gaseintritt zum Wirbelschichtabschnitt über einen Gasbeschleuniger, der aus einer oder mehreren Venturidüsen besteht, erfolgt, und dass unterhalb des Gasbeschleunigers eine Absetzkammer vorhanden ist, in die ein Gaseintrittskanal einmündet, der die Gaszuführung des Wirbelschichtströmungsreaktors bildet. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Gaseintrittskanals zur Querschnittsfläche der Absetzkammer, gemessen senkrecht zur Achse des Gasbeschleunigers, beträgt 1:1 bis 1:6.
Diese Absetzkammer reicht aus, um eine Grobpartikelfraktion (Medianwert d₅₀ größer als 100 µm) vom Wirbelschichtströmungsreaktor fernzuhalten. Alle weiteren Partikelfraktionen werden im späteren Prozess ausgeleitet. Insbesondere wird die Großpartikelfraktion erst stromabwärts des Wirbelschichtströmungsreaktors ausgeleitet.
Um günstige Strömungsverhältnisse zu erreichen, ist die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 7- bis 12-fach größer als die Querschnittsfläche des Gasbeschleunigers.
Das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Wirbelschichtabschnitts liegt in Abhängigkeit vom projektierten Gasdurchsatz zwischen 1:1 bis 15:1, wobei bei einem geringen Gasdurchsatz ein größeres Höhe- zu Durchmesserverhältnis realisiert ist. Mit einer solchen Auslegung werden optimale Verweilzeiten im Wirbelschichtabschnitt erreicht.
Um eine effektiv arbeitende und kompakte Anlage zu realisieren, werden einem einzigen Wirbelschichtabschnitt ein oder mehrere antiparallel verlaufende Strömungsabschnitte zugeordnet, die jeweils über eine oder mehrere Umlenkungen mit dem Wirbelschichtabschnitt verbunden sind, wobei die Gesamtquerschnittsfläche aller Umlenkungen kleiner ist als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts.
Eine besonders kompakt bauende Anlage erhält man, wenn der Wirbelschichtabschnitt und der oder die Strömungsabschnitte direkt aneinander grenzen, wobei die den Wirbelschichtabschnitt umfassende Wand auch einen Teilabschnitt der den oder die Strömungsabschnitte umfassenden Wände bildet.
Um auch hier günstige Strömungsverhältnisse zu erlangen, ist die Gesamtquerschnittsfläche des oder der Strömungsabschnitte geringer als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts.
Wie oben schon beschrieben wird, befindet sich im Gasauslass am Ende der Zusatzströmungsstrecke in Richtung des Feststoffabscheiders ein Gasverteiler, welcher optional als Jalousie ausgeführt wird, die aus mehreren Lamellen besteht, die geneigte Abweisflächen aufweisen.
Dabei ist der Abstand zwischen zwei Lamellen umso größer, je näher diese sich beim Fraktionierer befinden. Im unteren Teil der Gasweiterleitung befinden sich im Gasstrom nämlich eher größere Partikel, die von den Abweisflächen in den Abscheiderbunker abgewiesen werden sollen.
Es sind Lamellen einer ersten Art und einer zweiten Art vorhanden, deren Flächen gegeneinander geneigt sind. Die Lamellen der ersten Art sind in Richtung der Zusatzströmungsstrecke nach unten gerichtet und dienen zur besseren Gas-Feststoffverteilung in Richtung zu den Lamellen der zweiten Art. Bei den Lamellen der zweiten Art befindet sich die Abweisfläche auf der Unterseite der Lamelle und ist in Richtung des Abscheiderbunkers nach unten gerichtet. Diese Abweisfläche dient der Abweisung von Großpartikeln in den Abscheiderbunker, die vom weiteren Fraktionierer wieder nach oben getrieben worden sind.
Vorzugweise bilden jeweils eine Lamelle der ersten Art und eine Lamelle der zweiten Art die Form eines Giebeldaches.
Die in Müllverbrennungsanlagen entstehenden Abgase beinhalten im Allgemeinen neben Schwefeloxiden weitere Schadstoffe, insbesondere sowohl Chlorwasserstoffe, Fluorwasserstoffe als auch Schwermetalle, z. B. Cadmium, Thallium und Quecksilber sowie halogenorganische Verbindungen wie Dioxine und Furane. Um z. B. Schwefeldioxid aus dem Abgas zu entfernen, werden in den Wirbelschichtabschnitt kalziumhaltige Sorbentien (z. B. Ca(OH)₂) eingebracht, die sich mit dem Schwefeldioxid verbinden. Die kalziumhaltigen Sorbentien verbinden sich aber auch mit dem Chlorwasserstoff (HCl) im Abgas, so dass Kalziumchlorid (CaCl₂) entsteht. Kalziumchlorid ist aber stark hygroskopisch und nimmt deshalb Wasser aus dem Abgas in seine Kristallstruktur auf.
Aufgrund dieses Zusammenhangs muss bei einem entsprechenden Wassergehalt des Abgases die Temperatur des Abgases erhöht werden. Wenn z.B. Chlorwasserstoff (HCl) [mg/m³, Normzustand, trocken] und Schwefeloxide (SO_x) [mg/m³, Normzustand, trocken] in einem Verhältnis von HCl/SO_x > 1 stehen, dann muss die Abgastemperatur auf ca. 140°C oder mehr erhöht werden.
In diesem Temperaturbereich ist aber die Schadstoffabscheidung mit Kalkhydrat, das eine Standardqualität (BET: 14–16 m²/g) besitzt, sehr uneffektiv, der optimale Temperaturbereich zur Abgasreinigung mit diesem Kalkhydrat liegt nämlich – abhängig vom Abstand zur Kühlgrenztemperatur – zwischen 70–90 °C. Dieser an sich optimale Temperaturbereich zur Abgasreinigung mit Kalkhydrat kann aber aus den genannten Gründen bei einem hohen Chlorwasserstoffanteil (HCl) im Abgas nicht genutzt werden.
Dieses Problem kann behoben werden, indem der oben beschriebene Wirbelschichtströmungsreaktor so ergänzt wird, dass insbesondere neben Schwefeloxiden z. B. auch Chlorwasserstoffanteile aus dem Abgas optimal entfernt werden können.
Daher sieht die Erfindung vor, dass ein wirbelschichtfreier Vorschaltreaktor stromaufwärts des Wirbelschichtströmungsreaktors angeordnet ist.
Die Gasabführung des Vorschaltreaktors ist dazu mit der Gaszuführung des Wirbelschichtströmungsreaktors verbunden.
Dies ermöglicht die folgende Vorgehensweise: Ein Abgas mit hohem Chlorgehalt wird in den Vorschaltreaktor zur Gas- und Feststoffabscheidung eingeleitet. Es tritt üblicherweise mit einer Temperatur von 150–300 °C in den Vorschaltapparat ein und wird nicht gequencht, also nicht durch Wasserzugabe gekühlt.
In den Vorschaltreaktor wird als Sorbens Natriumhydrogenkarbonat (NaHCO₃) in einer geeigneten Partikelgrößenverteilung eingebracht. Es reagiert mit Chlorwasserstoff am besten ab einer Temperatur von ca. 150 °C. Dabei ist die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Sorbens Natriumhydrogenkarbonat und dem Schadstoff Chlorwasserstoff viel schneller als mit Schwefeloxiden (SO_x), so dass bei einer Gasverweilzeit von üblicherweise 0,5–3 Sekunden (ab Anschluss 34 für Sorbens bis Mitte Gasabführung 36) überwiegend HCl abgeschieden wird.
In dem Vorschaltreaktor wird somit im Wesentlichen der Chlorwasserstoff aus dem Abgas entfernt, während in dem sich an den Vorschaltreaktor anschließenden Wirbelschichtströmungsreaktor die restlichen Schadstoffe, wie Schwefeloxide (SO_x), aus dem Abgas abgetrennt werden.
Durch die HCl-Abscheidung im Vorschaltreaktor wird das HCl/SO_x Verhältnis für die nachfolgende Reinigungsstufe verbessert, d. h., das Verhältnis von HCl/SO_x wird in Richtung SO_x verschoben, z. B. HCl/SO_x < 0,2. Dadurch kann für die Wirbelschicht die Abgastemperatur auf ein Optimum zur Abgasreinigung mit Kalkhydrat gequencht werden.
Aus dem Vorschaltreaktorbunker und/oder der Absetzkammer kann noch reaktives Sorbens über eine gemeinsame Rückführleitung in den Vorschaltreaktor zurückgeführt werden.
Die Abgasreinigung mit Vorschaltreaktor zur Gas- und Feststoffabscheidung hat mehrere Vorteile:
Die Betriebskosten werden deutlich reduziert, da jedes Sorbens in dem dafür vorgesehenen Temperaturbereich eingesetzt wird.
Es werden bei einem Minimum an Sorbensverbrauch sehr niedrige Emissionswerte von HCl und SO_x im Abgas erreicht.
Die Betriebssicherheit der Anlage wird verbessert, da Chlorwasserstoffanteile im Abgas vorwiegend im Vorschaltreaktor mit Natriumhydrogenkarbonat abgeschieden werden. Das dabei entstehende Natriumchlorid ist, im Gegensatz zum Kalziumchlorid, nicht hygroskopisch oder korrosiv und dadurch unkritisch im Betrieb.
Mit dem oben beschriebenen Wirbelschichtströmungsreaktor und mit der Vorrichtung, in die der Wirbelschichtströmungsreaktor integriert ist, lässt sich besonders gut ein Verfahren gemäß der deutschen Patentanmeldung durchführen, die vom Anmelder gleichzeitig beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht worden ist. Die dortige Beschreibung des Verfahrens zur Abgasreinigung wird daher zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtströmungsreaktors mit einem Wirbelschichtabschnitt, einem antiparallel dazu verlaufenden Strömungsabschnitt und einer zum Strömungsabschnitt antiparallel verlaufenden Zusatzströmungsstrecke sowie der an den Wirbelschichtströmungsreaktor angeschlossenen Komponenten,
2 eine Draufsicht auf eine Ausführung des Wirbelschichtströmungsreaktors mit einem Wirbelschichtabschnitt und zwei antiparallel dazu verlaufenden Strömungsabschnitten,
3 eine Detaildarstellung eines Gasverteilers, ausgeführt als Jalousie im Gasauslass der Zusatzströmungsstrecke und
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtströmungsreaktors mit einem zusätzlichen Vorschaltreaktor.
Gemäß 1 besitzt ein Wirbelschichtströmungsreaktor 1 wenigstens eine Gaszuführung 2, durch die das mit Feststoffen beladene Gas zunächst horizontal seitlich in eine Absetzkammer 3 unterhalb des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 einströmt. In der Absetzkammer 3 wird es um 90° in eine vertikale Richtung umgelenkt, so dass es durch einen Gasbeschleuniger 4 in den Wirbelschichtabschnitt 5 des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 gelangt, wo sich in dessen Betrieb eine Wirbelschicht befindet. In der Absetzkammer 3 setzen sich Partikel der Grobpartikelfraktion ab und werden über eine Ausleitung 6 dem Prozess entzogen.
Damit sich der Gasstrom in der Absetzkammer 3 aufweitet, besitzt diese in horizontaler Richtung einen größeren Querschnitt als der Gaseintrittskanal, der die Gaszuführung 2 bildet. Die Geschwindigkeit des Abgases in dem Gaseintrittskanal wird so eingestellt, dass sie etwa 14–20 m/s, bestenfalls 16–18 m/s beträgt. Das Querschnittsflächenverhältnis des Gaseintrittskanals zur Absetzkammer 3 beträgt 1:1 bis 1:2, am besten aber 1:1,3–1:1,7. Die Aufweitung der Absetzkammer hat eine Reduzierung der Gasgeschwindigkeit zur Folge, dadurch werden grobe Partikel aufgrund ihrer Größe und trotz der auf sie einwirkende Gasströmung nicht mehr vom Gasstrom mitgerissen, sondern sammeln sich am Boden der Absetzkammer 3.
Über den Gasbeschleuniger 4 ist die Absetzkammer 3 mit dem Wirbelschichtabschnitt 5 des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 verbunden. Der Gasbeschleuniger 4 unterhalb des Wirbelschichtabschnitts 5 besteht aus einer oder mehreren Venturidüsen, die ggf. auch unterschiedliche Geometrie aufweisen können. Der Einlauf in den und der Auslauf aus dem zylindrischen Teil einer Venturidüse sind jeweils konisch ausgeführt. Der Öffnungswinkel des Einlaufkonus liegt üblicherweise zwischen 20° und 90°, der Öffnungswinkel des Auslaufkonus liegt üblicherweise zwischen 15° und 90°.
Der Wirbelschichtabschnitt 5 besteht aus einem hohlen Zylinder mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche. Diese ist für den Zylinder eindeutig definiert. Sollte die Querschnittsform des Wirbelschichtabschnitts 5 von einer geraden Zylinderform abweichen und sich insbesondere über die Höhe ändern, entspricht die Querschnittsfläche einer einem Zylinder strömungsmechanisch äquivalenten Querschnittsfläche. Diese Festlegung gilt entsprechend auch für weiter unten erwähnte Querschnittsflächen.
An den Gasbeschleuniger 4 schließt sich eine konische Übergangstrecke zu dem zylindrischen Abschnitt des Wirbelschichtabschnitts 5 an.
Im Wirbelschichtabschnitt 5 des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 wird die Geschwindigkeit auf optimale Verhältnisse für eine Gas-Feststoff-Mischung eingestellt, diese beträgt 2 m/s bis 8 m/s, am besten aber 3 m/s bis 6 m/s.
Die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 5 ist immer größer als die Querschnittsfläche des zylindrischen Teils des Gasbeschleunigers 4, d. h. größer als die Summe aller Querschnittsflächen der Venturidüsen. Üblicherweise beträgt das Flächenverhältnis der Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 5 zur Querschnittsfläche des zylindrischen Teils des Gasbeschleunigers 4 7:1 bis 12:1.
Zum Aufbau der Wirbelschicht innerhalb des Wirbelschichtabschnitts 5 mit Wirbelbettmaterial münden eine oder mehrere Wirbelbettmaterialleitungen 7 unter einem vorbestimmten Winkel in den Ausgangskonus des Gasbeschleunigers 4 oder oberhalb des Gasbeschleunigers 4 in den Wirbelschichtabschnitt 5 ein.
Im Wirbelschichtabschnitt 5 befinden sich weiterhin Eintritte 8, 9, 16 für Wasser und/oder Dampf, für Sorbentien bzw. für Additive.
Am oberen Ende des Wirbelschichtabschnitts 5 befindet sich eine Gasentnahme 10, über die das Gas, das zuvor die Wirbelschicht durchströmt hat, zu dem Strömungsabschnitt 11.1 des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 gelangt.
Das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Wirbelschichtabschnitts 5, bezogen auf den Abstand zwischen der Unterkante des zylindrischen Wirbelschichtabschnittes 5 und der Mitte der Gasentnahme 10, liegt zwischen 1:1 bis 15:1. Ist der Durchmesser kleiner gleich 1,5 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Wirbelschichtabschnitts 5 zwischen 4:1–15:1. Ist der Durchmesser größer als 1,5 m und kleiner gleich 3 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Wirbelschichtabschnitts 5 zwischen 3:1–8:1. Ist der Durchmesser größer als 3 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Wirbelschichtabschnitts 5 zwischen 1:1–8:1.
An die Gasentnahme 10 schließt sich eine Umlenkung 12 an, die zu dem Strömungsabschnitt 11.1 des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 führt. Der Öffnungswinkel der Gasentnahme 10 liegt, bezogen auf den Umfang des Wirbelschichtabschnitts 5, zwischen 60° und 90°. Falls – wie weiter unten beschrieben – mehrere Gasentnahmen 10 auf den Umfang verteilt sind, verkleinern sich deren Öffnungswinkel entsprechend, so dass sie z. B. bei sechs Gasentnahmen 10 jeweils zwischen 35°–60° liegen.
Die Umlenkung 12 führt zu einem Gaseinlass 13 des Strömungsabschnitts 11.1, der sich vom Gaseinlass 13 ausgehend nach unten antiparallel zum Wirbelschichtabschnitt 5 erstreckt. Mittels der Umlenkung 12 wird das Gas somit um 180° umgelenkt, so dass die Gasströmung im Strömungsabschnitt 11.1 antiparallel zur Strömung im Wirbelschichtabschnitt 5 und damit abwärtsgerichtet verläuft. Dies erlaubt es, die Höhe des Wirbelschichtabschnittes 5 und damit die Bauhöhe des Wirbelschichtströmungsreaktors 1 klein zu halten.
Der Strömungsabschnitt 11.1 ist frei von einem Wirbelbett. In ihm finden weiterhin chemische Reaktionen zwischen dem Gas und dem noch nicht ganz abreagierten Sorbentien bzw. innerhalb der Feststoffe statt.
Die Gesamtquerschnittsfläche aller Umlenkungen 12 ist immer kleiner als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 5.
Das Querschnittsflächenverhältnis der Gesamtfläche aller Umlenkungen 12 zum Wirbelschichtabschnitt 5 beträgt 0,2:1 bis 0,8:1, bestenfalls 0,33:1 bis 0,66:1.
Eine Umlenkung 12 kann als Bogen, als horizontale Verbindung oder aber auch in jeder anderen geometrischen Form ausgeführt werden. Die Querschnittsfläche der Umlenkung 12 passt die verschiedenen Querschnittsflächen von Wirbelschicht- 5 und Strömungsabschnitt 11.1 aneinander an.
Bestenfalls grenzen der Wirbelschicht- 5 und Strömungsabschnitt 11.1 direkt aneinander und nutzen eine gemeinsame Innenwand als Seitenfläche. Damit entsteht ein großes Potential zur Einsparung an Stahl- und Baufläche. Da die Gasentnahme 10 bei einer solchen Konstruktion unmittelbar in den Gaseinlass 13 übergeht, wird die Umlenkung 12 nur von diesen gebildet und weist keine Horizontallänge auf.
Wirbelschicht- und Strömungsabschnitt können – wie in 1 gezeigt – auch mit einem gewissen Abstand zueinander ausgeführt werden. Daraus bestimmt sich die Horizontallänge der Umlenkung 12.
Der Strömungsabschnitt 11.1 kann als geometrisch beliebig geformtes Bauteil ausgeführt werden, im besten Fall ist die Geometrie der Mantelfläche des Wirbelschichtabschnitts 5 direkt angepasst.
Die Querschnittsfläche des Strömungsabschnitts 11.1 ist geringer als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 5, das Flächenverhältnis kann von 0,2:1 bis 0,8:1, bestenfalls 0,4:1 bis 0,6:1, variieren. Hinsichtlich der Definition einer Querschnittsfläche gilt auch hier, was oben zur Definition der Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 5 gesagt wird.
In dem Strömungsabschnitt 11.1 bewegen sich abzweigungsfrei der komplette Abgasstrom, die von ihm getragenen noch reaktiven Sorbentien und noch nicht reagierte Schadstoffe im Gleichstrom mit einer konstanten Geschwindigkeit.
Die Querschnittsfläche des Strömungsabschnitts 11.1 ist über seine Höhe konstant. Das Höhenverhältnis des Wirbelschichtabschnitts 5 zum Strömungsabschnitt 11.1 beträgt 3,5:1 bis 1:1, bestenfalls 2,5:1 bis 1,2:1.
Unterhalb des Strömungsabschnittes 11.1 befindet sich seitlich eine Gasweiterleitung, die eine Umlenkung 11.3 bildet. Das Gas wird in der Umlenkung 11.3 seitlich und gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach oben umgelenkt und nimmt dabei die Fein- und Mittelpartikelfraktion der Feststoffe mit, die zu einer Zusatzströmungsstrecke 11.2 gelangen. Am oberen Ende der Zusatzströmungsstrecke 11.2 befindet sich seitlich ein Gasauslass 14 zu einem Feststoffabscheider, der in diesem Ausführungsbeispiel als Prozessfilter 15 ausgeführt ist, zu dem die Fein- und Mittelpartikelfraktion der Feststoffe gelangen und dort aus dem Gasstrom abgeschieden werden. Insofern bildet der Strömungsabschnitt 11.1 zusammen mit der seitlichen Anordnung der Umlenkung 11.3 und der nach dem Strömungsabschnitt 11.1 vergrößerten Querschnittsfläche einen Fraktionierer 17. Die Großpartikelfraktion der Feststoffe im Gas gelangt unter dem Einfluss der Abgasströmung und der Schwerkraft zu einem weiteren Fraktionierer 17a, der unterhalb des Strömungsabschnittes 11.1 angeordnet ist.
In anderen Verwendungen des Wirbelschichtströmungsreaktors kann der Feststoffabscheider auch als Zyklon ausgeführt werden.
Das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Strömungsabschnitts 11.1 zwischen der Mitte des Gaseinlasses 13 und der Mitte der Gasweiterleitung 14 liegt zwischen 1:1 bis 15:1. Ist der Durchmesser des Strömungsabschnitts 11.1 kleiner gleich 1,5 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Strömungsabschnitts 11.1 zwischen 4:1–15:1. Ist der Durchmesser größer 1,5 m und kleiner gleich 3 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Strömungsabschnitts 11.1 zwischen 3:1–8:1. Ist der Durchmesser größer als 3 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Strömungsabschnitts 11.1 zwischen 1:1–6:1.
Der weitere Fraktionierer 17a zum Fraktionieren von Feststoffen ist unterhalb des Strömungsabschnitts 11.1 angeordnet. Er teilt die ankommenden Partikel in mindestens zwei Fraktionen.
Er besteht aus einem Fraktioniererbunker 18 mit einer Fluidisierungswanne, der an seiner Unterseite einen Einlass 19 für ein Fluidisierungsmedium aufweist. Durch die Fluidisierung werden die Fein- und die Mittelpartikelfraktion wieder nach oben in den Gasstrom getrieben und gelangen zurück zur Zusatzströmungsstrecke 11.2, während die Großpartikelfraktion in dem Fraktioniererbunker 18 verbleibt und von dort entweder über eine Ausleitung 20 vollständig aus dem Prozess ausgeschleust wird oder zum Teil und nach Bedarf über eine Nebenrückführung 21 in den Wirbelschichtabschnitt dosiert mit Hilfe einer Dosiereinrichtung 27 zurückgeführt wird.
Optional kann die Feststoffmenge in der Nebenrückführung zumindest teilweise über einen Aktivator 50 (z. B. Feuchtebenetzung, Oxidation Sichtung/Mahlung) geleitet werden, wie er beispielhaft in der 1 und 3 angedeutet ist.
Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Fraktioniererbunkers 18/weiteren Fraktionierers 17a im unmittelbaren Anschluss an den Fraktionierer 17 zur Querschnittsfläche des Strömungsabschnittes 11.1 beträgt 1:1 bis 2:1, bestenfalls 1,2:1 bis 1,8:1 und ist ggf. flexibel einstellbar.
Je nach Lage der nachfolgenden Bauteile kann die Gasweiterleitung 14 horizontal bis vertikal nach oben gerichtet sein, das Gas wird also um 90° bis 180° umgelenkt. Die Gasauslassgeschwindigkeit aus der Zusatzströmungsstrecke 11.2 ist erhöht, das Querschnittsflächenverhältnis des Gasauslasses 14 zur Zusatzströmungsstrecke 11.2 liegt bei 0,6:1 bis 1:1, bestenfalls 0,75:1 bis 1:1.
Die Großpartikelfraktion des weiteren Fraktionierers 17a kann in die Nebenrückführung 21 zum Wirbelschichtabschnitt 5 geführt werden. Optional können Transportluft und zusätzliche gasförmige Medien, wie z. B. Wasserdampf oder Halogene, über eine Zumischleitung 22 zugefügt werden.
Der Abgasstrom gelangt über die Gasweiterleitung 14 in das Prozessfilter 15. Dort werden die Fein- und die Mittelpartikelfraktion, die noch reaktive Sorbentien enthalten, abgetrennt und in einen Abscheiderbunker 28 verbracht. Von dort führt die Wirbelbettmaterialleitung 7, die als Hauptrückführleitung fungiert, zurück in den Wirbelschichtabschnitt 5. Die Rückführungsrate wird mittels einer weiteren Dosiereinrichtung 29 eingestellt.
Mittels der weiteren Dosiereinrichtung 29 können an dieser Stelle auch Feststoffe über eine Ausleitung 30 dem Prozess entnommen werden.
Die gereinigten Abgase verlassen die Anlage am Ausgang 31.
Da im vorliegenden Wirbelschichtströmungsreaktor 1 mit dem Strömungsabschnitt 11.1 und optionaler Zusatzströmungsstrecke 11.2 ein weiterer verlängerter Reaktionsweg bereitgestellt wird, ergibt sich eine höhere Gasverweilzeit bzw. Verweilzeit für die Feststoff-Gasmischung.
Da der Strömungsabschnitt 11.1 in entgegengesetzter Richtung zum Wirbelschichtabschnitt 5 verläuft, sich diesem aber direkt anschließt, liegt es auf der Hand, dass dadurch Höhe im Wirbelschichtabschnitt 5, beziehungsweise bezogen auf den ganzen Wirbelschichtströmungsreaktor 1, eingespart wird. Dies führt zu einer einfacheren und damit kostengünstigeren Stahlunterkonstruktion.
Durch die im Strömungsabschnitt 11.1 bereitgestellte zusätzliche Gasverweilzeit bzw. Verweilzeit für den Gas-Feststoffkontakt wird im Wirbelschichtabschnitt 5 Verweilzeit reduziert und dadurch der Druckverlust in der expandierten Wirbelschicht verringert. Daraus ergibt sich eine Reduzierung des Wirbelschicht-Druckverlustes von 10–20 %.
Da das Gas-Feststoffgemisch im Strömungsabschnitt 11.1 mit der Erdbeschleunigung gleichgerichtet ist, ergibt sich durch den Richtungswechsel ein zusätzlicher Druckrückgewinn und damit eine weitere Energieeinsparung.
Wie schon oben erläutert, kann ein einziger Wirbelschichtabschnitt 5 mit einem oder mehreren Strömungsabschnitten 11.1 versehen werden. Die 2 zeigt in der Draufsicht eine solche Anordnung. Hier ist beispielsweise ein zentraler Wirbelschichtabschnitt 5 mit zwei diametral gegenüberliegenden Strömungsabschnitten 11a, 11b versehen, die jeweils über eine Umlenkung 12a bzw. 12b mit dem Wirbelschichtabschnitt 5 verbunden sind.
Grundsätzlich können auf den Umfang des Wirbelschichtabschnitts verteilt noch weitere Strömungsabschnitte 11.1 angeordnet werden.
Eine Umlenkung wird üblicherweise einem Strömungsreaktor zugeordnet. Eine Umlenkung kann aber auch mehreren Strömungsreaktoren zugeordnet sein, indem die Umlenkung mehrere Gasauslässe zu den entsprechenden Strömungsreaktoren bereitstellt.
Beide Strömungsabschnitte 11.1a, 11.1b weisen zwei gegenüberliegende Gasauslässe 14 auf, die mit je einem Prozessfilter 15 verbunden sind. Jeder Prozessfilter 15 besitzt einen oder mehrere Abscheiderbunker mit den entsprechenden Wirbelbettmaterialleitungen 7 (Hauptrückführleitungen), um insbesondere Sorbentien in den Wirbelschichtabschnitt 5 zurückführen zu können. Je nach Auslegung der Anlage können natürlich auch nur ein Prozessfilter 15 oder auch mehrere Auslässe mit je einem Prozessfilter vorgesehen werden.
Wie in der 1 gezeigt, kann sich im Gasauslass 14 der Zusatzströmungsstrecke 11.2 ein Gasverteiler (zum Beispiel eine Jalousie) 23, der aus mehreren Lamellen 24, 25 besteht, zwischen denen sich jeweils ein Spalt erstreckt, befinden. Die Funktionsweise der Lamellen 24 und 25 ist in der 3 näher erläutert.
Die Partikelfraktionen (dargestellt durch kleine Punkte) folgen dem Gasstrom 26 und können daher den Bereich zwischen zwei Lamellen 24 und 25 passieren. Da der Gasstrom 26 gegen die Richtung der Unterseite der Lamelle 25 gerichtet ist, werden die Partikel auf die Unterseite der Lamelle 25 auftreffen und danach mit der Schwerkraft in Richtung des Abscheiderbunkers 28 geleitet.
Gemäß der 4 ist dem Wirbelschichtströmungsreaktor 1 ein Vorschaltreaktor 32 vorgeschaltet. Die Abgase durchlaufen daher zunächst den Vorschaltreaktor 32, bevor sie durch die Gaszuführung 2 in den Wirbelschichtströmungsreaktor 1 eintreten.
Bei dem Vorschaltreaktor 32 handelt es sich um einen Strömungsreaktor mit einem vertikal angeordneten Hohlzylinder 33 beliebigen Querschnitts, der von oben nach unten vom Abgas durchströmt wird. Die im Vorschaltreaktor 32 aktiven Sorbentien werden an einem Anschluss 34 eingebracht. Das Abgas tritt durch eine Gaszuführung 35 am oberen Ende des Hohlzylinders 33 in den Vorschaltreaktor 32 ein.
Eine oder auch mehrere Gasabführungen 36 des Vorschaltreaktors 32 befinden sich seitlich am unteren Ende des Hohlzylinders 33. Sie gehen über in die Gaszuführung 2 des Wirbelschichtströmungsreaktors 1. Für jeden Wirbelschichtströmungsreaktor 1 können mehrere Vorschaltreaktoren 32 vorgesehen sein, die sich um den Wirbelschichtströmungsreaktor 1 herum gruppieren.
Eine besonders kompakt bauende Anlage erhält man, wenn der Wirbelschichtabschnitt 5 und der oder die Vorschaltreaktoren 32 direkt aneinander grenzen, wobei die den Wirbelschichtabschnitt 5 umfassende Wand auch einen Teilabschnitt der den oder die Vorschaltreaktoren 32 umfassenden Wände bildet.
Die Geschwindigkeit des Abgases in dem Gaseintrittskanal (35) wird so eingestellt, dass sie etwa 8–20 m/s, bestenfalls 10–18 m/s beträgt.
Die Querschnittsfläche des Hohlzylinders 33 ist geringer als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts 5, das Flächenverhältnis kann von 0,2:1 bis 0,8:1, bestenfalls 0,4:1 bis 0,6:1, variieren.
Das Höhe- zu Durchmesserverhältnis des Hohlzylinders 33 – dieb Höhe wird zwischen der Mitte der Gaszuführung 35 und der Mitte der Gasabführung 36 gemessen, liegt zwischen 1:1 bis 16:1. Ist der Durchmesser des Hohlzylinders 33 kleiner gleich 1,5 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis zwischen 4:1–16:1. Ist der Durchmesser größer 1,5 m und kleiner gleich 3 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis zwischen 3:1–14:1. Ist der Durchmesser größer 3 m, dann liegt das Höhe- zu Durchmesserverhältnis zwischen 1:1–8:1.
Die Position des Anschlusses 34 zur Sorbenseindüsung befindet sich im oberen Abschnitt des Hohlzylinders 33. Der Abstand von Mitte der Gaszuführung 35 bis zum Anschluss 34 beträgt 10 bis 30 % der Höhe des Hohlzylinders 33.
Unterhalb des Hohlzylinders 33 befindet sich ein Bunker, der Vorschaltreaktorbunker 37, der die Feststoffe einer Grobpartikelfraktion aufnimmt, die nicht von der Gasströmung in die Gasabführung 36 mitgenommen werden. Die im Vorschaltreaktorbunker 37 gesammelten Feststoffe können über eine Ausleitung 38 aus dem Prozess ausgeschleust werden.
Aus dem Vorschaltreaktorbunker 37 und/oder der Absetzkammer 3 kann noch reaktives Sorbens über eine gemeinsame Rückführleitung 57 in den Vorschaltreaktor 32 zurückgeführt werden.
Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Vorschaltreaktorbunkers 37 zur Querschnittsfläche des Hohlzylinders 33 beträgt 1:1 bis 2:1.
Eine besonders kompakt bauende Anlage erhält man, wenn die Absetzkammer 3 unterhalb des Wirbelschichtabschnitts 5 und der Vorschaltreaktorbunker 37 als eine gemeinsame Bunkereinheit ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Wirbelschichtströmungsreaktor
2: Gaszuführung
3: Absetzkammer
4: Gasbeschleuniger
5: Wirbelschichtabschnitt
6: Ausleitung
7: Wirbelbettmaterialleitungen / Hauptrückführung
8: Eintritt
9: Eintritt
10: Gasentnahme
11.1: Strömungsabschnitt
11.2: Zusatzströmungsstrecke
11.3: Umlenkung
12: Umlenkung
13: Gaseinlass
14: Gasauslass
15: Prozessfilter
16: Eintritt
17: Fraktionierer
17a: Weiterer Fraktionierer
18: Fraktioniererbunker
19: Einlass
20: Ausleitung
21: Nebenrückführung
22: Zumischleitung
23: Gasverteiler
24: Lamellen erster Art
25: Lamellen zweiter Art
26: Gasstrom
27: Dosiereinrichtung
28: Abscheiderbunker
29: Dosiereinrichtung
30: Ausleitung
31: Ausgang
32: Vorschaltreaktor
33: Hohlzylinder
34: Anschluss
35: Gaszuführung
36: Gasabführung
37: Vorschaltreaktorbunker
38: Ausleitung
50: Aktivator
57: Rückführleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/087100 [0004]
EP 0736321 A1 [0007]
DE 3339317 A1 [0008]
DE 4039213 A1 [0008]
US 2010/0147146 [0009]

Claims

Wirbelschichtströmungsreaktor mit einem Wirbelschichtabschnitt (5) zur Aufnahme eines Wirbelschichtbettes, wobei unterhalb des Wirbelschichtabschnitts (5) eine Gaszuführung (2) zum Wirbelschichtbett und oberhalb des Wirbelschichtbettes eine Gasentnahme (10) angeordnet sind, aus der im Betrieb ein mit Feststoffen beladener Gasstrom (26) austritt, und wobei der Wirbelschichtströmungsreaktor (1) einen Strömungsabschnitt (11.1) aufweist, der antiparallel zum Wirbelschichtabschnitt (5) verläuft, und der einen Gaseinlass (13), der über eine Umlenkung (12) mit der Gasentnahme (10) verbunden ist, sowie eine Gasweiterleitung aufweist, die unterhalb des Gaseinlasses (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsabschnitt (11.1) zwischen dem Gaseinlass (13) und der Gasweiterleitung abzweigungsfrei erstreckt und über seine Höhe einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, um darin eine im Wesentlichen gleichbleibende Gasgeschwindigkeit zu erzielen, und dass dem Strömungsabschnitt (11.1) ein Fraktionierer (17) zum selektiven Fraktionieren von Feststoffen in wenigstens zwei Fraktionen nachgeschaltet ist, die sich in ihrer mittleren Partikelgröße unterscheiden.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Fraktion jeweils eine Rückführung (7, 21) zum Wirbelschichtabschnitt (5) vorgesehen ist, wobei jede Rückführung (7, 21) eine gesonderte Dosiereinrichtung (27, 29) aufweist.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Strömungsabschnitts (11.1) über seine Höhe konstant und geringer ist als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts (5), wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche des Strömungsabschnitts (11.1) zur Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts (5) zwischen 0,2:1 und 0,8:1, vorzugsweise zwischen 0,4:1 bis 0,6:1 liegt.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zur Höhe des Wirbelschichtabschnitts (5) zur Höhe des Strömungsabschnitt (11.1) zwischen 3,5:1 und 1:1, vorzugsweise zwischen 2,5:1 und 1,2:1 liegt.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Gasweiterleitung des Strömungsabschnittes (11.1) eine antiparallel zum Strömungsabschnitt (11.1) verlaufende Zusatzströmungsstrecke (11.2) anschließt, die in einem Gasauslass (14) endet.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des Fraktionierers (17) die Gasweiterleitung (14) des Strömungsabschnittes (11.1) seitlich zum und unterhalb des Strömungsabschnittes (11.1) angeordnet ist, so dass im Betrieb des Wirbelschichtströmungsreaktors (1) die Fein- und die Mittelpartikelfraktion in die Gasweiterleitung (14) geleitet wird, und in der Verlängerung des Strömungsabschnittes (11.1) über die Gasweiterleitung hinaus ein unterer Feststoffaustritt mit einem Fraktioniererbunker (18) vorhanden ist, dem im Betrieb des Wirbelschichtströmungsreaktors (1) die Großpartikelfraktion gravitativ zugeleitet wird.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasverteiler (23) vor oder in der Gasweiterleitung und/oder vor oder in dem Gasauslass (14) vorgesehen ist, der aus mehreren quer zur Hocherstreckung des Strömungsabschnittes (11.1) verlaufenden Lamellen (24) besteht, die geneigte Abweisflächen aufweisen.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Strömungsabschnitt (11.1) ein weiterer Fraktionierer (17a) zum Fraktionieren von Feststoffen in wenigstens zwei Fraktionen, die sich in ihrer mittleren Größe unterscheiden, anschließt.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wirbelschichtströmungsreaktor (1) ein Feststoffabscheider (15) mit einem Abscheiderbunker (28) nachgeschaltet ist und dass eine Nebenrückführung (21) zwischen dem weiteren Fraktionierer (17a) und dem Wirbelschichtabschnitt (5) sowie eine Hauptrückführung (7) zwischen dem Abscheiderbunker (28) unterhalb des Feststoffabscheiders (15) und dem Wirbelschichtabschnitt (5) vorgesehen ist, um Feststoffe aus dem weiteren Fraktionierer und dem Abscheiderbunker (28) dem Wirbelschichtströmungsreaktor (1) unabhängig voneinander dosiert zuführen zu können.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in oder parallel zur der Nebenrückführung (21) ein Aktivator (50) vorgesehen ist.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasbeschleuniger (4), der aus einer oder mehreren Venturidüsen besteht, vorgesehen ist, wobei der Gaseintritt zum Wirbelschichtabschnitt über diesen Gasbeschleuniger erfolgt, und dass unterhalb des Gasbeschleunigers eine Absetzkammer (3) vorhanden ist, in die ein Gaseintrittskanal einmündet, der die Gaszuführung (2) des Wirbelschichtströmungsreaktors (1) bildet.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem einzigen Wirbelschichtabschnitt (5) ein oder mehrere Strömungsabschnitte (11.1) zugeordnet sind, die jeweils über eine oder mehrere Umlenkungen (12) mit dem Wirbelschichtabschnitt (5) verbunden sind, wobei die Gesamtquerschnittsfläche aller Umlenkungen (12) kleiner ist als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts (5).
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtabschnitt (5) und der oder die Strömungsabschnitte (11.1) direkt aneinander grenzen, wobei die den Wirbelschichtabschnitt (5) umfassende Wand auch einen Teilabschnitt der den oder die Strömungsabschnitte (11.1) umfassenden Wände bildet, wobei die Gesamtquerschnittsfläche des oder der Strömungsabschnitte (11.1) geringer als die Querschnittsfläche des Wirbelschichtabschnitts (5) ist.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Lamellen (24) umso größer ist, je näher diese sich beim Fraktionierer befinden.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Lamellen einer ersten Art (24) und einer zweiten Art (25) vorhanden sind, deren Abweisflächen gegeneinander geneigt sind.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein wirbelschichtfreier Vorschaltreaktor (32) stromaufwärts des Wirbelschichtströmungsreaktors (1) angeordnet ist, wobei eine Gasabführung (36) des Vorschaltreaktors (32) mit der Gaszuführung (2) des Wirbelschichtströmungsreaktors (1) verbunden ist.
Wirbelschichtströmungsreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschaltreaktor (32) einen Vorschaltreaktorbunker (37) mit einer Ausleitung (38) besitzt, dass die Absetzkammer (3) über eine Ausleitung (6) verfügt, wobei die beiden Ausleitungen (38, 6) über eine gemeinsame Rückführleitung (57) in den Vorschaltreaktor 32 führen.