DE10227473A1

DE10227473A1 - Wirbelschichtreaktor für die Verbrennung oder Vergasung von brennbaren oder vergasungsfähigen Stoffen

Info

Publication number: DE10227473A1
Application number: DE2002127473
Authority: DE
Inventors: Franz Schirott; Joachim Seeber
Original assignee: Alstom Power Boiler GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: DE10227473B4

Abstract

Wirbelschichtreaktor für die Verbrennung oder Vergasung von brennbaren oder vergasungsfähigen Stoffen, der im unteren Bereich einen Primärluftkasten (3) und einen den Primärluftkasten (3) von der Wirbelschichtbrennkammer (5) trennenden Düsenboden (2) mit einer Vielzahl von in die Wirbelschichtbrennkammer (5) hineinragenden Primärluftdüsen (4) aufweist, mittels denen Primärluft aus dem Luftkasten (3) der Wirbelschichtbrennkammer (5) zugeführt wird, wobei die Primärluftdüsen (4) jeweils umfassen: DOLLAR A ein durch den Düsenboden (2) hindurchtretendes Düsenrohr (6), DOLLAR A einen das obere Ende (18) des Düsenrohres (6) umschließenden und an seinem unteren Ende mindestens zwei über den Umfang gleichmäßig verteilte Austrittsöffnungen (9) aufweisenden Düsenkopf (8) mit einem radial zwischen Düsenrohr (6) und Düsenkopf (8) ausgebildeten Zwischenraum (10) und der Querschnitt des Zwischenraumes (10) zumindest im Bereich (10.1) der Austrittsöffnungen (9) angular bzw. winkelseitig nicht konstant ist, wobei der radiale Abstand (a¶1¶) zwischen Düsenrohr (6) und Düsenkopf (8) im Bereich (11) der Austrittsöffnung (9) kleiner ist als der radiale Abstand (a¶2¶) in dem winkelseitig gesehen mittig zwischen zwei Austrittsöffnungen (9) gelegenen Bereich (12) (Fig. 4 und 5).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelschichtreaktor für die Verbrennung oder Vergasung von brennbaren oder vergasungsfähigen Stoffen, der im unteren Bereich einen Primärluftkasten und einen den Primärluftkasten von der Wirbelschichtbrennkammer trennenden Düsenboden mit einer Vielzahl von in die Brennkammer hineinragenden Primärluftdüsen aufweist, mittels denen Primärluft aus dem Luftkasten der Wirbelschichtbrennkammer zugeführt wird.
Wirbelschichtreaktoren für die Verbrennung oder Vergasung von brennbaren oder vergasungsfähigen Stoffen, insbesondere von Kohle, können sowohl stationärer wie auch zirkulierender Art sein. Dabei wird der zu verbrennende oder vergasende Stoff in die Wirbelschichtbrennkammer eingetragen und durch bzw. mittels ein Fluidisierungsmedium, das gleichzeitig ein für die Verbrennung oder Vergasung benötigtes Oxidierungsmittel, z.B. Luftsauerstoff, sein kann bzw. beinhalten kann, fluidisiert und verbrannt bzw. vergast. Die Zufuhr dieses Fluidisierungsmediums bzw. dieser Primärluft in die Brennkammer des Wirbelschichtreaktors erfolgt durch eine Vielzahl von Primärluftdüsen, die in einem die Wirbelschichtbrennkammer unten begrenzenden Düsenboden angeordnet sind. Die Primärluft wird dabei über einen unterhalb des Düsenbodens angeordneten Primärluftkasten herangeführt und durch die Primärluftdüsen der Wirbelschichtbrennkammer zugeführt.
Ein derartiger Wirbelschichtreaktor ist beispielsweise durch Druckschrift "Operational reliability, advantages and potentials for improvement of the fluidized bed combustion for coal" aus "VGB Technical Scientific Report "Thermal Power Plants" 212e – "The future of fluidized bed combustion" Essen, Mai 1997 bekannt geworden.
Um den Verbrennungs- bzw. Vergasungsprozess innerhalb der Wirbelschichtbrennkammer störungsfrei durchführen zu können muss gewährleistet sein, dass zum einen im gesamten Betriebs- bzw. Lastbereich des Wirbelschichtreaktors eine gleichmäßige Verteilung der Primärluft über den gesamten Querschnitt des Düsenbodens erfolgt und zum anderen verhindert wird, dass Feststoff aufgrund von Druckschwankungen oberhalb des Düsenbodens aus der Wirbelschichtbrennkammer durch Rückströmung über die Primärluftdüsen in den Primärluftkasten gelangt. Es muss des weiteren gewährleistet sein, dass in der Wirbelschichtbrennkammer befindliche grobe Partikel, die nicht mehr vollständig fluidisiert werden können, die Primärluftdüsen nicht verstopfen und die Primärluftdüsen gegenüber den herrschenden Temperaturen in der Brennkammer eine hohe Verschleiß- und Standfestigkeit besitzen.
Die vorgenannten Vorgaben werden jedoch durch die aus dem Stand der Technik bekannten Primärluftdüsen bzw. durch einen mit diesen Primärluftdüsen ausgebildeten Wirbelschichtreaktor nicht in allen bzw. wesentlichen Punkten erfüllt. Insbesondere der innerhalb kürzerer Betriebszeiten auftretende Verschleiß an den Austrittsöffnungen der Primärluftdüsen-Düsenköpfe stellt ein großes Problem dar.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Wirbelschichtreaktor zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden bzw. die gestellten Vorgaben eingehalten werden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Wirbelschichtreaktor geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:

– Reduzierung des Verschleißes an den Austrittsöffnungen des Düsenkopfes der Wirbelschichtreaktor-Primärluftdüsen, da sich ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil in den Austrittsöffnungen der Primärluftdüsen-Düsenköpfe ohne Geschwindigkeitsspitzen und Rückströmzonen bzw. Strömungstotgebiete einstellt,
– Reduzierung des Verschleißes an benachbarten Wirbelschichtreaktor-Primärluftdüsen, da Geschwindigkeitsspitzen bei der Ausströmung vermieden werden,
– Kosteneinsparung durch mögliche Verringerung der Wandstärke der Primärluftdüsen-Düsenköpfe.

Eine besonders vorteilhafte Wirkung kann dann erreicht werden, wenn der kleine radiale Abstand (a₁) im Zwischenraum zwischen Düsenrohr und Düsenkopf im Bereich der Austrittsöffnung mit dem 0,2- bis 0,9-fachen des radialen Abstandes (a₂) in dem winkelseitig gesehen mittig zwischen zwei Austrittsöffnungen gelegenen Bereich ausgebildet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Düsenrohr der Wirbelschichtreaktor-Primärluftdüse rund auszubilden. Damit kann jedes gängige Rohr in der Primärluftdüse eingesetzt werden.
Zur einfacheren Herstellung des Düsenkopfes im Bereich der Austrittsöffnungen kann dieser Bereich bzw. der Innenquerschnitt des Düsenkopfes rund ausgebildet sein. In einem solchen Fall ist das Düsenrohr im wesentlichen mit mehreren Ecken ausgebildet, je nachdem wie viele Austrittsöffnungen im Düsenkopf vorhanden sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht weder ein rundes Düsenrohr noch einen runden Innenquerschnitt des Düsenkopfes vor. Damit können zum einen die Querschnittsübergänge frei variiert werden und zum anderen weitere gängige Halbzeuge eingesetzt werden.
Um den Primärluftstrom innerhalb des Zwischenraumes im Bereich der Austrittsöffnungen ohne größere Wirbelbildung durchzuleiten ist es vorteilhaft, die Querschnittsübergänge von Zwischenraum-Bereichen mit radial kleinen Abständen (a₁) zu Zwischenraum-Bereichen mit radial großen Abständen (a₂) im wesentlichen gleichförmig und/oder kurvenförmig verlaufend auszubilden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt der einen winkelseitig nicht konstanten Querschnitt aufweisende Bereich des Zwischenraumes innerhalb der Primärluftdüse mindestens das 0,2-fache der Zwischenraumhöhe (h) des Düsenkopfes ein. Bei dieser Ausgestaltung ist gewährleistet, dass unter allen Betriebszuständen des Wirbelschichtreaktors die Vorteile der Erfindung zum Tragen kommen. Als vorteilhaft kann dabei ferner gesehen werden, dass der restliche Bereich des Zwischenraumes, d.h. der Teil oberhalb des Zwischenraum-Bereiches an den Austrittsöffnungen, mit winkelseitig konstantem (oder anders ausgedrückt: mit konzentrischem) Querschnitt ausgebildet werden kann und somit weniger maschinelle Arbeit anfällt.
Zur strömungsseitig optimalen Einleitung des Primärluftstromes in die Austrittsöffnungen der Düsenköpfe können diese an deren mediumseitigen Eintritt mit einer Anfasung oder einer Abrundung ausgebildet sein.
Die Austrittsöffnungen der Primärluftdüsen-Düsenköpfe sind vorzugsweise horizontal ausgebildet, um eine störungsfreie Fluidisierung (Verhinderung von Festguteintritt in den Düsenkopf und von Erosion am Düsenboden) des Brenn- oder Vergasungsgutes in der Brennkammer zu erzielen. Ferner sind die Austrittsöffnungen bevorzugt radial ausgerichtet, um eine optimale Einleitung des Primärluftstromes in die Austrittsöffnungen zu erzielen.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung weist das obere Ende des Düsenrohres mehrere radial ausgerichtete Durchtrittsöffnungen auf, durch die der Primärluftstrom vom Innenquerschnitt des Düsenrohres in den Zwischenraum gelangt. Dabei kann das obere offene Ende des Düsenrohres durch die Innenfläche des Düsenkopfes oder durch eine Endplatte verschlossen sein. Durch diese Maßnahme kann der Durchtrittsquerschnitt exakt vorherbestimmt werden.
Vorteilhaft kann es ferner sein, zwischen der Außenkante des oberen Endes des Düsenrohres und der Innenfläche des Düsenkopfes einen Durchtrittsquerschnitt zu bilden, durch den der Primärluftstrom vom Innenquerschnitt des Düsenrohres in den Zwischenraum der Primärluftdüse gelangt. Durch diese Maßnahme kann die maschinelle Fertigung der Durchtrittsöffnungen entfallen.
Zur besseren Stabilisierung des Primärluftstromes innerhalb der Austrittsöffnungen und zur Verlängerung der Primärluftdüsen-Standzeit kann die Wandstärke des Düsenkopfes im Bereich der Austrittsöffnungen verbreitert werden.
Die Längsachsen des Düsenrohres und des Düsenkopfes sind zweckmäßigerweise koaxial bzw. identisch. Dadurch können beide Teile im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet werden.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 schematisch dargestellt einen Wirbelschichtreaktor im Längsschnitt,
2 eine Wirbelschichtreaktor-Primärluftdüse im Längsschnitt gemäß Schnitt B-B der 3 entsprechend einem Stand der Technik,
3 wie 2, jedoch Querschnitt gemäß Schnitt A-A der 2,
3a wie 2, jedoch Detailausschnitt gemäß Einzelheit "E" in 2,
4 eine Wirbelschichtreaktor-Primärluftdüse im Längsschnitt gemäß Schnitt D-D der 5 entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführung,
5 wie 4, jedoch Querschnitt gemäß Schnitt C-C der 4,
6 wie 5, jedoch alternative Ausführung,
7 wie 5, jedoch alternative Ausführung,
8 wie 5, jedoch alternative Ausführung,
9 wie 4, jedoch alternative Ausführung,
10 wie 4, jedoch alternative Ausführung.
1 zeigt einen schematisch dargestellten Wirbelschichtreaktor 1 für die Verbrennung oder Vergasung von verbrennbaren oder vergasungsfähigen Stoffen, der stationär oder zirkulierend betrieben werden kann. Der zu verbrennende oder vergasende Stoff, insbesondere Kohle, wird entweder gemeinsam mit einem Inertmaterial oder separat durch die Zuführungsleitung 15 in die Wirbelschichtbrennkammer 5 des Reaktors 1 eingetragen. Zum Aufbau des Wirbelschichtbettes und zur Verbrennung oder Vergasung des eingebrachten Stoffes innerhalb der Brennkammer 5 wird ein Fluidisierungsmedium 17 durch einen Düsenboden 2, der die Wirbelschichtbrennkammer 5 nach unten abgrenzt, in die Brennkammer 5 eingeführt. Das Fluidisierungsmedium 17 ist in der Regel Luft und wird somit für die Verbrennung bzw. Vergasung als Oxidationsmittel benutzt. Zur Heranführung des Fluidisierungsmediums bzw. der Luft 17 ist unterhalb des Düsenbodens 2 ein Primärluftkasten 3 angeordnet. Bei der durch den Düsenboden 2 in die Brennkammer 5 eingeführten Luft handelt es sich um die Primärluftzuführung. Das bei der Verbrennung bzw. Vergasung entstehende Abgas und die vom Abgas mitgetragenen Feststoffe werden über die Ableitung 16 aus der Brennkammer 5 abgeführt und weiteren Prozessen, in der Regel Reinigung des Abgases und energetische Nutzung der Abgaswärme sowie Rückführung der abgeschiedenen Feststoffe in die Brennkammer 5, zugeführt. Der Querschnitt der Brennkammer 5 und somit auch des Düsenbodens 2 kann rechteckig oder rund sein oder eine andere Form aufweisen.
Der Düsenboden 2 besteht aus einer Vielzahl von Primärluftdüsen 4, die jeweils ein rundes Düsenrohr 6 und einen Düsenkopf 8 aufweisen. 2 und 3 zeigen eine der Primärluftdüsen 4 des Wirbelschichtreaktors 1 gemäß einem Stand der Technik auf. Das Düsenrohr 6, dessen unteres offenes Ende in den Primärluftkasten 3 hineinragt, tritt durch den Düsenboden 2 hindurch und ist an seinem oberen Ende 18 von einem kappenförmigen und zylindrischen Düsenkopf 8 in der Weise konzentrisch umschlossen, das zwischen Düsenrohr 6 und Düsenkopf 8 ein Zwischenraum 10 mit kreisringförmigem Querschnitt gebildet ist, d.h. der Querschnitt des Zwischenraumes 10 bleibt angularerseits bzw. winkelseitig konstant. Der Düsenkopf 8 besitzt an seinem unteren Ende gemäß 3 vier gleichmäßig am Umfang verteilte und radial ausgerichtete Austrittsöffnungen 9 sowie einen Düsenkopfboden 8.1, der den Düsenkopf 8 mit dem Düsenrohr 6 gasdicht verbindet und den Zwischenraum 10 nach unten begrenzt. Der Düsenkopfboden 8.1 ist Bestandteil des Düsenkopfes 8 und kann auch mit dem Düsenkopf 8 integriert sein, so dass der Düsenkopf 8 aus einem Teil gebildet ist. Der vom Primärluftkasten 3 in den Innenquerschnitt des Düsenrohres 6 eintretende Primärluftstrom 17 gelangt durch die radial ausgerichteten und am oberen Ende 18 des Düsenrohres 6 befindlichen Durchtrittsöffnungen 7 in den Zwischenraum 10 und von da durch die im unteren Bereich des Düsenkopfes 8 befindlichen Austrittsöffnungen 9 in radialer Richtung zu der Primärluftdüse 4 in die Wirbelschichtbrennkammer 5.
Bei der oben beschriebenen Primärluftdüse 4 handelt es sich um die derzeit häufigst eingesetzte Düse 4 in Wirbelschichtreaktoren 1. Durch die Kombination des innenliegenden Düsenrohres 6 und des Düsenkopfes 8 und der dadurch erzeugten Luftströmung innerhalb der Primärluftdüse 4 (im Rohr 6 nach oben und anschließend im konzentrischen Zwischenraum 10 nach unten mit nachfolgendem radialen Austritt in die Brennkammer 5) wird ein vorteilhafter Siphoneffekt erzeugt, der das Rückströmen von Asche aus der Brennkammer 5 in den Primärluftkasten 3 verhindert.
Im langzeitigen Betrieb eines Wirbelschichtreaktors 1 kommt es bei der in 2 und 3 dargestellten und bekannten Düsenkonstruktion zu einem Verschleiß an den Düsen 4. Betroffen hiervon sind zum einen die Austrittsöffnungen 9 selbst, an denen insbesondere im unteren Bereich Erosionen auftreten, die zu einem "Auswaschen" der Austrittsöffnungen 9 und damit zu einer Schädigung des Düsenkopfes 8 in diesem Bereich führen. Dieser Verschleiß durch "Auswaschen" der Austrittsöffnung 9 wird insbesondere durch ungünstige Einströmungsverhältnisse der Luft vom Zwischenraum 10 in die Austrittsöffnungen 9 verursacht. Durch ein ungleichmäßiges Strömungsprofil in der Austrittsöffnung 9, verbunden mit Geschwindigkeitsspitzen und/oder Rückströmzonen 20, kann Feststoff aus der Wirbelschichtbrennkammer 5 des Wirbelschichtreaktors 1 über die Rückströmzonen 20 (siehe 3a) in die Austrittsöffnungen 9 und dort in die Zone mit sehr hoher Luftgeschwindigkeit gelangen, beschleunigt werden und beim Austritt aus der Austrittsöffnung 9 dort Verschleiß erzeugen. Daneben kommt es auch zu Erosionen dadurch, dass der austretende Luftstrom 17 benachbarte Primärluftdüsen 4 tangiert und dort Verschleiß hervorruft. Dieser Verschleiß an benachbarten Düsen 4 wird durch Geschwindigkeitsspitzen in den Austrittsbohrungen 9 verstärkt. Um die Auswirkung der Erosion auf den Anlagenbetrieb zu verhindern, werden die Düsenköpfe 8 im Bereich der Austrittsbohrungen 9 mit zusätzlicher Wandstärke ausgeführt, wodurch sie jedoch schwerer und teurer werden. Die schnell verschleißenden Düsenköpfe 8 führen zu häufigen Auswechselungen der Düsen 4 und dadurch zu Betriebsstillständen des Wirbelschichtrealtors 1.
Ausgehend von einem mit Primärluftdüsen 4 ausgebildeten Wirbelschichtreaktor 1 gemäß einem Stand der Technik weist der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor 1 Primärluftdüsen 4 auf, deren Querschnitt des Zwischenraumes 10 zumindest im Bereich 10.1 der Austrittsöffnungen 9 angular bzw. winkelseitig nicht konstant ist, wobei der radiale Abstand a₁ des Zwischenraum-Bereiches 10.1 zwischen Düsenrohr 6 und Düsenkopf 8 im Bereich 11 der Austrittsöffnung 9 kleiner ist als der radiale Abstand a₂ des Zwischenraum-Bereiches 10.1 in dem winkelseitig gesehen mittig zwischen zwei Austrittsöffnungen 9 gelegenen Bereich 12 (4 bis 10).
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Wirbelschichtreaktor-Primärluftdüse 4 wird in vorteilhafter Weise der Primärluftstrom 17 im Zwischenraum 10.1 so geführt, dass der überwiegende Anteil des Luftstromes 17 von den Seiten bzw. lateral in die Austrittsöffnungen 9 einströmt, d.h. von dem Bereich 12 mit größerem Abstand a₂ in den Bereich 1 1 mit kleinerem Abstand a₁ (siehe 5 bis 8), und nur ein kleiner Anteil des Luftstromes 17 von oben bzw. parallel zur Längsachse 19 der Primärluftdüse 4 gesehen in die Austrittsöffnungen 9 einströmt. Hierdurch wird ein Ablösewirbel mit Rückströmzone 20, wie er sich bei einer Primärluftdüse 4 gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik und einem konzentrischen Zwischenraum 10 zwischen Düsenrohr 6 und Düsenkopf 8 ergibt, weitgehendst vermieden, da bei gleichmäßiger seitlicher Einströmung der Primärluft 17 in die Austrittsöffnung 9 sich ein relativ gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil innerhalb der Austrittsöffnung 9 ohne Geschwindigkeitsspitzen ergibt. Zudem heben sich durch die insbesondere seitliche beidseitige Einströmung der Primärluft 17 aus dem erweiterten Zwischenraum-Bereich 12 in die Austrittsöffnungen 9 die Strömungskräfte auf, so dass es bei beidseitiger Einströmung nur geringe Strömungsablösungen aufgrund der Luftimpulse gibt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann der Verschleiß an den Austrittsöffnungen 9 sowie auch der Verschleiß von benachbarten Primärluftdüsen 4 infolge des gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofites in den Austrittsöffnungen 9 erheblich reduziert werden.
Der angularerseits bzw. winkelseitig oder anders ausgedrückt über den Querschnittsumfang nicht konstante Querschnitt des Zwischenraumes 10.1 kann beispielsweise wie in 5 bis 7 dargestellt erzielt werden, indem das Düsenrohr 6 rund ausgebildet und der Innenquerschnitt des Düsenkopfes 8 nicht rund ausgebildet ist. Alternativ dazu kann gemäß 8 jedoch auch der Innenquerschnitt des Düsenkopfes 8 rund ausgebildet sein und der Querschnitt des Düsenrohres 6 unrund sein. Eine weitere nicht dargestellte Alternative kann sein, dass weder der Innenquerschnitt des Düsenkopfes 8 noch der Querschnitt des Düsenrohres 6 rund ausgebildet sind. Allen Ausbildungen ist jedoch gemein, dass zumindest innerhalb des Zwischenraumbereiches 10.1 der radiale Abstand a₁ zwischen Düsenrohr 6 und Düsenkopf 8 im Bereich 11 der Austrittsöffnungen 9 kleiner ist als der radiale Abstand a₂ in dem winkelseitig gesehen mittig zwischen zwei Austrittsöffnungen 9 gelegenen Bereich 12. Vorzugsweise beträgt der Abstand a₁ das 0,2- bis 0,9-fache des Abstandes a₂, um die obengenannten vorteilhaften Wirkungen zu erzielen.
Die Querschnittsveränderungen bzw. -erweiterungen von den Zwischenraum-Bereichen 11 mit radial kleinen Abständen a₁ zu den Zwischenraum-Bereichen 12 mit radial großen Abständen a₂ können entweder linear bzw. gleichförmig oder mittels kurvenförmiger Querschnittübergänge vorgenommen werden.
Es ist ausreichend, dass der nicht konzentrisch rund ausgeführte Zwischenraumbereich 10.1 zwischen Innenrohr 6 und Düsenkopf 8 nur einen Teil der Zwischenraumhöhe h des Düsenkopfes 8 einnimmt. So ist eine "Einströmungsbremse" oberhalb der Austrittsöffnung 9 bereits ausreichend, um den Primärluftstrom 17 so umzuleiten, dass er insbesondere von den Seiten in die Austrittsöffnung 9 einströmt. Dabei beträgt die Höhe des Zwischenraumbereiches 10.1 in vorteilhafter Weise mindestens das 0,2-fache der Zwischenraumhöhe h des Düsenkopfes 8.
Die 5, 6 und 8 zeigen einen Düsenkopf 8 mit jeweils vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Austrittsöffnungen 9, wogegen 7 eine Ausführung mit acht Austrittsöffnungen 9 aufzeigt. Es können auch Primärluftdüsen 4 mit zwei oder mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Austrittsöffnungen 9 im erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor 1 eingesetzt werden.
Die Austrittsöffnungen 9 können an ihren mediumseitigen Eintritten mit einer Anfasung oder einer Abrundung 13 ausgebildet sein, um die Einleitung des Primärluftstromes 17 in die Austrittsöffnung 9 zu optimieren.
Die Überleitung des Primärluftstromes 17 vom Innenquerschnitt des Düsenrohres 6 in den Zwischenraum 10 kann unterschiedlich erfolgen. Eine Variante zeigt 4 auf, bei der der Luftstrom 17 durch mehrere am oberen Ende 18 des Düsenrohres 6 angeordnete und im wesentlichen radial ausgerichtete Durchtrittsöffnungen 7 hindurchtritt, wobei der obere Teil des kappenförmigen Düsenkopfes 8 bzw. dessen Innenfläche das obere und offene Ende 18 des Düsenrohres 6 verschließt. Möglich ist auch das obere und offene Ende 18 des Düsenrohres 6 mit einer Endplatte 14 zu verschließen (10). Eine weitere Variante zeigt 9 auf, bei der der Luftstrom 17 vom Innenquerschnitt des Düsenrohres 6 über einen Durchtrittsquerschnitt 7 dem Zwischenraum 10 zugeführt wird. Der Durchtrittsquerschnitt 7 wird zwischen der Außenkante des oberen offenen Endes 18 des Düsenrohres 6 und der Innenfläche des Düsenkopfes 8 gebildet. Sowohl der Gesamtquerschnitt der Durchtrittsöffnungen als auch des Durchtrittquerschnittes 7 ist für den Druckverlust innerhalb der Primärluftdüse 4 maßgeblich.
Düsenrohr 6 und Düsenkopf 8 besitzen dieselbe Längsachse 19, die beiden Teile liegen somit zueinander koaxial.
Durch den winkelseitig nicht konstanten Querschnitt des Zwischenraumes 10.1 kann die Wandstärke des Düsenkopfes 8 in diesem Bereich winkelseitig differieren (5 und 7) oder auch gleich bleiben, wenn entweder der Außenquerschnitt des Düsenkopfes 8 dem Innenquerschnitt des Düsenkopfes 8 angepasst ist (6) oder Innen- und Außenquerschnitt des Düsenkopfes 8 konzentrisch sind (8). Die Wandstärke am unteren Ende des Düsenkopfes 8 bzw. im Bereich der Austrittsöffnungen 9 kann gegenüber der übrigen Wandstärke verbreitert sein, um eine bessere Strömungsstabilisierung des Luftstromes 17 zu erzielen.
Die Austrittsöffnungen 9 der Düsenköpfe 8 sind wie in den 4, 9 und 10 dargestellt vorzugsweise horizontal ausgebildet. Sie können bei Bedarf auch unter einem Winkel zur Horizontalen geneigt sein. Ferner ist neben der bevorzugten radialen Ausrichtung der Austrittsöffnungen 9 (5 bis 8) auch eine winkelseitig von der radialen Ausrichtung abweichende Ausbildung der Austrittsöffnungen 9 möglich.
Der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor 1 wird bevorzugt für die Verbrennung und Vergasung von Kohle eingesetzt. Möglich ist jedoch auch die Verbrennung und Vergasung von weiteren Stoffen wie Biomasse, Abfall oder dergleichen.

1: Wirbelschichtreaktor
2: Düsenboden
3: Primärluftkasten
4: Primärluftdüse
5: Wirbelschichtbrennkammer
6: Düsenrohr
7: Durchtrittsöffnungen bzw. -querschnitt
8: Düsenkopf
8.1: Düsenkopfboden
9: Austrittsöffnung
10: Zwischenraum
10.1: Zwischenraum im Bereich der Austrittsöffnungen
11: Bereich des Zwischenraum-Querschnittes an der Austrittsöffnung gelegen
12: Bereich des Zwischenraum-Querschnittes winkelseitig gesehen mittig zwischen zwei
: Austrittsöffnungen gelegen
13: Anfasung bzw. Abrundung
14: Endplatte
15: Brennstoff- und Inertmaterialzuführung
16: Gas- und Feststoffableitung
17: Primärluftstrom bzw. Fluidisierungsmedium
18: Oberes Ende des Düsenrohres
19: Längsachse Düsenrohr und Düsenkopf
20: Rückströmzone

Claims

Wirbelschichtreaktor für die Verbrennung oder Vergasung von brennbaren oder vergasungsfähigen Stoffen, der im unteren Bereich einen Primärluftkasten (3) und einen den Primärluftkasten (3) von der Wirbelschichtbrennkammer (5) trennenden Düsenboden (2) mit einer Vielzahl von in die Wirbelschichtbrennkammer (5) hineinragenden Primärluftdüsen (4) aufweist, mittels denen Primärluft aus dem Luftkasten (3) der Wirbelschichtbrennkammer (5) zugeführt wird, wobei die Primärluftdüsen (4) jeweils umfassen ein durch den Düsenboden (2) hindurchtretendes Düsenrohr (6), einen das obere Ende (18) des Düsenrohres (6) umschließenden und an seinem unteren Ende mindestens zwei über den Umfang gleichmäßig verteilte Austrittsöffnungen (9) aufweisenden Düsenkopf (8) mit einem radial zwischen Düsenrohr (6) und Düsenkopf (8) ausgebildeten Zwischenraum (10) und der Querschnitt des Zwischenraumes (10) zumindest im Bereich (10.1) der Austrittsöffnungen (9) angular bzw. winkelseitig nicht konstant ist, wobei der radiale Abstand (a₁) zwischen Düsenrohr (6) und Düsenkopf (8) im Bereich (11) der Austrittsöffnung (9) kleiner ist als der radiale Abstand (a₂) in dem winkelseitig gesehen mittig zwischen zwei Austrittsöffnungen (9) gelegenen Bereich (12).
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand (a₁) zwischen Düsenrohr (6) und Düsenkopf (8) im Bereich der Austrittsöffnung (9) das 0,2- bis 0,9-fache des radialen Abstandes (a₂) in dem winkelseitig gesehen mutig zwischen zwei Austrittsöffnungen (9) gelegenen Bereich (12) beträgt.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (6) rund ausgebildet ist.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenquerschnitt des Düsenkopfes (8) rund ausgebildet ist.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weder das Düsenrohr (6) noch der Innenquerschnitt des Düsenkopfes (8) rund ausgebildet ist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsübergänge von Zwischenraum-Bereichen (11) mit radial kleinen Abständen (a₁) zu Zwischenraum-Bereichen (12) mit radial großen Abständen (a₂) im wesentlichen gleichförmig und/oder kurvenförmig verlaufen.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der einen winkelseitig nicht konstanten Querschnitt aufweisende Bereich (10.1) des Zwischenraumes (10) mindestens das 0,2-fache der Zwischenraumhöhe (h) des Düsenkopfes (8) einnimmt.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (9) an deren mediumseitigen Eintritt mit einer Anfasung oder Rundung (13) ausgebildet ist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (9) radial ausgerichtet sind.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (9) horizontal ausgerichtet sind.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende (18) des Düsenrohres (6) mehrere radial ausgerichtete Durchtrittsöffnungen (7) aufweist, durch die der Primärluftstrom (17) vom Innenquerschnitt des Düsenrohres (6) in den Zwischenraum (10) gelangt.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenkante des oberen Endes (18) des Düsenrohres (6) und der Innenfläche des Düsenkopfes (8) ein Durchtrittsquerschnitt (7) gebildet ist, durch den der Primärluftstrom (17) vom Innenquerschnitt des Düsenrohres (6) in den Zwischenraum (10) gelangt.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Düsenkopfes (8) im Bereich des Austrittsöffnungen (9) gegenüber der übrigen Wandstärke verbreitert ist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (8) luftseitig das obere offene Ende des Düsenrohres (6) abschließt.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das obere offene Ende des Düsenrohres (6) luftseitig durch eine Endplatte (14) verschlossen ist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (19) des Düsenkopfes (8) und des Düsenrohres (6) identisch ist.