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Gaszuführung für Wirbelschichtreaktoren Für Wirbelschichtreaktoren,
die bei hohen Temperaturen betrieben werden, sind zahlreiche Rostkonstruktionen
bekannt, mittels welcher einvorzugsweiser gasförmiger Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges
Gas, insbesondere Luft, das zugleich Aufwirbelungsgas ist, in möglichst gleichmä
zeiger Verteilung über den Reaktorquerschnitt von unten in die Wirbelschicht körnlger
Stoffe eingeleitet werden sollen. Es ist bekannt, die Luft durch die Öffnungen eines
Schlitzrostes oder Düsenrostes einzuführen und das Brenngas mittels sogenannter
Lanzeii, die durch den Reaktormantel seitlich eingeführt sind, in die Wirbelschicht
einzuleiten. Diese Bauart hat sich bei Wirbelreaktoren mit kleinem Durchmesser und
nicht zu flacher Wirbelschichthöhe bewährt.
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Bei Reaktoren mit größerem Durchmesser wird wegen ungenügender Durchmischung
der beiden Gasströme in der Wirbeischicht die Verbrennung unvollständig, und es
bilden sich oberhalb der Wirbelschicht Nachverbrennungen aus, die Wärmeverluste
verursachen. Bei großen Reaktoren mit mäßig hoher Wirbelschicht kann bei dieser
Art der Gaszuführung sogar der Hauptteil der Verbrennung oberhalb der Wirbelschlchterfolgen.
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Eine Vermischung von Brenngas und sauerstoffhaltigem Aufwirbelungsgas
und Einführung des Gemisches in die Wirbelschicht verbietet sich wegen der Explosionsgefahr.
Es ist zwar möglich, Brenngas und sauer stoffhaltiges Aufwirbelungsgas mit sehr
hohen Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen keine Rückzündung mehr eintritt, in
einer Düse zu mischen und das Gemisch aus dieser in die Wirbelschicht einzuleiten.
Bei einer Verstopfung der Austritssöffnungen einzelner Düsen werden jedoch vor diesen
die Strömungsgeschwindigkeiten soweit vermindert, daß der Bereich des explosiblen
Gemisches wieder erreicht wird.
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Es ist auch bekannt, auf einem Rost eine Vielzahl von Gas zuführungen
gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilt anzuordnen und durch jede derselben
nur eines der beiden Gase in die Wirbelschicht einzuleiten. Dabei wechseln die Zuführunger
für Brenngas und für sauerstoff~ haltiges Aufwirbelungsgas jeweils ab. Auch wenn
diese Gaszuftthrungen mit Verteilerköpfen versehen werden, strömen aus ihnen die
Gase unter einem vergleichsweise kleinen Ausbreitungswinkel in der Wirbelschicht
aufwärts. Die Vermischung der beiden Gasströme erfolgt deshalb erst in einigem Abstand
von den Gaszuführungen im oberen Bereich der Wirbelschicht, Dadurch wird die Verweilzeit
der heißen Verbrennungsgase in der Wirbelschicht verkürzt und es kommt auch zu Nachverbrennungen
oberhalb derselben. Größere Ilöhen der Tirbel schicht bedeuten aber höhere Druckverluste
und einen erhöhten Energieaufwand. Hinzukommt, daß die im heißen Kornmaterial der
Wirbelschicht eingebettete Gaszuführung für das Heizgas von der vergleichsweise
kleinen hindurchgehenden Gasmenge nur unzureichend gekühly wird. Für kohlenwasserstoffhaltiges
Brenngas besteht dadurch die Gefahr der Rußbildung in den Austrittsöffnungen der
Verteilerköpfe.
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Es sind auch Gaszuführungsvorrichtungen vorgeschlagen worden, die
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ebenfalls in großer Anzahl über den Reaktorquerschnitt verteilt luf dem Rost oder
Reaktorboden angeordnet sind, und von denen jede zur Einführung beider Gasströme
in die Wirbelachicht dient. Jede dieser Gaszuführungen enthält in zwei konzentrischen
Rohren je einen Durchlauf für die beiden Gasströme. Das innere Rohr ragt über das
äußere hinaus und ist am oberen Ende durch eine Platte verschlossen und mit seitlichen
Austrittsöffnungen versehen0 Durch dieses innere Rohr wird das Brenngas eingeleitet.
Das äußere Rohr endet in einem Düsenkopf, der mit dem inneren Rohr kurz unterhalb
der Eintrittsöffnungen für das Heizgas einen Ringspalt bildet. Durch das äußere
Rohr und den Ringspalt wird das sauerstoffhaltige Aufwirbelungsgas in die Wirbeischicht
eingeleitet. Es trifft unmittelbar hinter dem Ringspßlt mit dem Heizgas zusammen.
Heizgas und sauerstoffhaltiges Aufwirbelungsgas werden dem Reaktor durch eine Anzahl
gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilten Gaszuführungen aus zwei unterhalb
des Rostes oder Reaktorbodens angeordneten Sammelleitungen zugeführt. Die obere
dieser beiden Sammelleitungen dient dabei der Zuführung des sauerstoffhaltigen Aufwirbelungsgases.Die
äußeren Rohre der Gaszuleitungen sind in die Decke dieser Sammelleitung eingesetzt.
Die inneren, der Zuführung des Brenngases dienenden Rohre sind innerhalb der äußeren
Rohre durch die obere Sammelleitung hindurchgeführt und in der Decke der unteren,
die zugleich die Trennwand zwischen beiden Leitungen ist, befestigt. Die Sammelleitungen
können als übereinanderliegende Kammern oder auch als ineinanderliegende Rohre ausgebildet
sein, auf denen über die Rohrlänge verteilt, die Gaszuführungen aufgesetzt sind.
Mehrere solcher Rohre können parallel in der Weise angeordnet werden, daß sie einen
Schlitzrost bilden, durch dessen Schlitze Wirbelgut nach unten ausgetragen werden
kann. Diese Gaszuftihrungen haben sich besonders in Wirbelschichtprozeesen, in denen
eine Feinkornfraktion nach oben ausgeblasen und/oder eine Grobkornfraktion nach
unten durch den oder über dem Rost
abgeleitet wird, bewährt. Bei
feinkörnigem Wirbelgut mit enger Korngrößenverteilung besteht'die Gefahr, daß der
Ringspalt solcher Gaszuführungen verstopft wird.
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Es wurde gefunden, daß sich die Öffnungen in den Verteilerköpfen von
Gaszuführungen für zwei Gasströme in eine Wirbelschicht gegen eine Verstopfung durch
eindringendes Wirbelgut dadurch sichern lassen, daß diese Gasaustrittsöffnungen
radial und leicht abwärts geneigt in verschiedenen Höhen in dem vorzugsweise zylindrischen
Verteilerkopf angeordnet werden. Der Neigungswinkel gegen die Horizontale soll für
die untere Reihe der Öffnungen kleiner sein als für die obere Reihe, damit sich
die aus beiden Reihen austretenden Gasstrahlen kurz nach dem Austritt treffen und
mischen.
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Es wurde ferner gefunden, daß es in manchen Fällen vorteilhaft ist,
das Brenngas durch die untere Reihe der Austrittsöffnungen in die Wirbelschicht
einzuführen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Gaszuführung mit Verteilerkopf zur
Einleitung eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Aufwirbelungsgases von
unten in eine Wirbelschicht.
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Die erfindungsgemäße Gaszuführung besteht aus einem äußeren Rohr und
mindestens einem Verteilerkörper mit zwei übereinanderliegenden Reihen radialer,
nach außen abwärts gerichteter konvergierender Austrittsöffnungen, z. B. Bohrungen
oder Schlitze, voll denen eine Reihe über einen Sammelraum mit einer im Rohr abwärts
geführten Zuleitung für das Brenngas verbunden ist.
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Die beiden Reihen der radialen, schräg abwärts gerichteten Austrittsöffnungen
können
in einem Verteilerkopf angeordnet sein. Wenn die obere Reihe der Brenngaszuführung
dient dann können die Austrittsöffnun gen dieser Reihe in einer zentrischen Bohrung
mündend von der die Gaszuleitung koaxial in dem äußeren Rohr nach unten ausgeht.
Die untere Reihe der Austrittsöffnungen dient dann der Zuführung des sauerstoffhaltigen
Aufwirbelungsgases in die Wirbelschicht und steht über eine größere Bohrung im Verteilerkopf
mit dem Inneren des Rohres in Verbindung.
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Wenn die untere Reihe der Austrittsöffnungen zur Einleitung des Brenngases
dienen soll, dann können diese durch Kanäle über die zu einem Sammelraum erweiterte
zentrale Bohrung mit der Gaszuleitung verbunden werden. Sie können aber auch auf
einem gesonderten ringförmigen Verteilerkörper angeordnet werden der mit einer Innennut
versehen ist, in dem die Austrittsöffnungen münden. Dieser Ring ist auf das Rohr
aufgesetzt, so daß die Ringnut den Sammelraum bildet. Im Bereich dieses Sammelraumes
hat das Rohr eine Bohrung, von welcher die im Rohr abwärts geführte Zuleitung für
das Brenngas ausgeht. Die Zuführung des sauerstoffhaltigen Aufwirbelungsgases erfolgt
durch das Rohrinnere und einen Verteilerkopf mit einer Reihe der radialen AuetrittsOffnungen.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen beispielsweise und
schematisch dargestellt. Funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugsziffern
versehen.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist auf das Rohr 1 ein Verteilerkopf
2 aufgesetzt, der zwei Reihen 4, 5 radialer Bohrungen enthält. Die obere Reihe 4,
die der Brenngaseinleitung dient enthält Bohrungen kleinetzen Druchmessers. Sie
mUnden in dem zentralen Sammelraum 8, dem durch die Leitung 7 das Brenngas zugeführt
wird.
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Die untere Reihe 5 enthält Bohrungen größeren Durchmessers. Sie münden
in einer weiten Bohrung 8 des Verteilerkopfes und stehen mit dem Inneren des Rohres
1 in Verbindung.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 enthält der Verteilerkopf 2 nur
die Reihe 5 der weiteren Bohrungen für das sauerstoffhaltige Aufwirbelungsgas. Die
Reihe 4 der engeren Bohrungen für das Brenngas befindet sich in dem Verteilerring
3, dessen Sammelraum 6 als Ringnut ausgebildet ist und durch ein Loch 9 mit der
Zuleitung 7 verbunden ist. in die sem Fall hat die obere Bohrungsreihe 5 die größere
Neigung gegen die Horizontale als die untere Bohrungsreihe 4 im Verteilerring 3.
Der Abstand zwischen Verteilerkopf 2 und Verteilerring 3 wird so bemessen, daß sich
die aus den. Bohrungsreihen 4, 5 % austretenden Strahlen in einem Umkreis von wenigen
cm zum Rohr schneiden.
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In der Ausführungsform gemäß Abb. 3 sind die Reihen 4, 5 der Austrittsö@fnungen
im Verteilerkopf angeordnet, wobei jedoch die Austrittsöffnungen 4 für das Brenngas
in der unteron Reihe liegen.
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Die Abbildung zeigt ein@n vertikelen Schnitt durch die Gaszuführung
und darüber die Hälfte eines radialen Scknittes durch den Verteilerkopf in Höhe
der oberen Reihe 5 der Austrittsöffnungen.
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Die Eintrittsöffnungen der unieren Reihe 4 mönden in einer Ringnut
13, die durch Kanäle 12 mit dem Sammelraum 8 in Verbindung steht. Von diesem Sammelraum
6 führt das innere Rohr 7 zur Brenngas-Hauptleitung 11.
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W@@ an dar Zeichnung @@ @rken@@@, @amn der Verteilerkepl aus droi
Teilen 2, 3, 14 gefertigt word@@, @@@ z.B. dur@@ Schweißung @@ii@@@ander
und
mit den Rohren 1 und 7 verbunden werden.
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In allen Ausftlhrungsformen ist das Rohr 1 in der Wand einer Hauptleitung
10 für das sauerstoffhaltige Aufwirbelungsgas befestigt. Die Brenngasleitung 7 ist
innerhalb des Rohres 1 zu einer in der Hauptleitung 10 angeordneten Hauptleitung
11 für Heizgas geführt. Die Hauptleitungen 10 und 11 können auch als Kanäle oder
als Reaktorboden mit einer gemeinsamen Trennwand ausgebildet sein. In diesem Fall
sind die Rohre 11 in der Decke des oberen Kanals und die Rohre 7 in der Trennwand
beider Kanäle gasdicht eingesetzt.
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Die Austrittsöffnungen in der oberen Reihe einerseits und der unteren
Reihe andererseits haben verschiedene Neigungen gegen die Horizontale. Die Neigung
in der oberen Reihe ist größer. damit die aus beiden Reihen austretenden Gasstrahlen
konvergieren und sich auf einem Umkreis um das Rohr 1 mischen, dessen Radius kleiner
ist als der halbe Abstand zu den benachbarten Zuführungen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen basieren auf folgenden Erfahrungen.
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Die Menge des sauerstoffhaltigen Aufwirbelungsgases ist nur in engen
Grenzen variabel. Die Wärmebelastung der Wirbelschicht kann nur durch die Veränderung
der Brenngasmenge eingestellt werden.
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Wird in der Ausführungsform gemaß Abb. 1 die durch die Bohrungen der
oberen Reihe 4 eingeftlhrte Brenngasmenge erheblich verkleinert, dann kann sich
zwischen der unteren Reihe 5 von Bohrungen, durch die das Aui'wirbelungcgas eingeführt
wird, und der oberen Reihe eine Druckdifferenz ausbilden, durch welche kleine Feststoffpartikel
aus der Wirbelschicht
in die Ausströmöffnungen des Brenngases in
der oberen Reihe 4 hineingedrückt werden und dort Verstopfungen verursachen. Diese
Gefahr besteht nicht, wenn, wie in den Ausführungsformen gemäß den Abbildungen 2
und 3 die Einführung des Brenngases in die untere Bohrungsreihe verlegt wird.
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Man wird deshalb die wegen ihrer axialsymmetrischen Anordnung konstruktlv
einfache Ausführungsform gemäß Abb. 1 vorzugsweise dann anwenden, wenn die Wirbelschicht
mit einer fast konstanten Wärmebelastung betrieben werden soll und die Regulierung
durch einen Zusatz von Luft zum Brenngas, der unterhalb der Explosionsgrenze bleibt,
erfolgen kann.
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Die Ausführungsformen gemäß den Abbildungen 2 und 3 wird man dann
anwenden, wenn die Wärmebelastung der Wirbelschicht starken zeitlichen Anderungen
unterliegt. Ein solcher Fall ist im nachfolgenden Bei~ spiel behandelt.
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Beispiel Ein Wirbelschichtreaktor von 50 cm Durchmesser, dessen Rost
mit 3 erfindungsgemäßen Gaszuführungen besetzt ist, und der als aufzuwirbelnden
Feststoff Eisenoxyd enthält, wird zur Aufarbeitung der salzsauren Be izbäde r aus
der Stahlindustrie verwendet. Durch Einleiten der salzsauren Eisenchloridlösung
in die heiße Wirbelschicht wird das Wasser verdampft. die freie Salzsäui'e verflüchtigt
und das Eisenchlorid in Gegenwart von Wasserdampf und Sauerstoff zu Eisenoxyd und
Chlorwasserstoff zersetzt. Wasserdampf und Chlorwasserstoff werden aus dem Abgas
des Reaktors in bekannter Weise auskondensiert und absorbiert. Damit diese Vorgänge
rasch und gleichmäßig verlaufen, muß die Wirbelschicht konstant auf einer Temperatur
von 850°C gehalten
werden. Zum Anfahren des Reaktors werden bei
leerem Reaktorraum Brenngas und Luft in die Gaseinführungen geleitet und gezündet.
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Sodann wird das Eisenoxyd langsam in den Reaktor gefüllt, wobei die
Zugabe von Brenngas und Luft jeweils so gesteigert wird, daß das Eisenoxyd in den
Wirbelzustand gerät. Zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes sind 200 bis 220
Nm3 Luft je Stunde erforderlich. Wenn die Wirbelschicht 8500C erreicht hat, wird
vorkonzentriertes Beizbad, das je Liter 300 g Eisenchlorid und 100 g HCl enthält,
durch ein Rohr in den oberen Bereich der Wirbelschicht eingeleitet. Wenn nach der
herkömmlichen Arbeitsweise dem Wirbelschichtreaktor die Luft durch einen Düsenrost
und das Brenngas durch seitlich in den Reaktor eingeführte Lanzen zugeführt werden,
dann sind über der Wirbelschicht züngelnde Flammen zu sehen. Wenn in der Wirbelschicht
850°C gehalten werden sollen, beträgt der Verbrauch an Heizgas ca. 8 Nm3/h.
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Werden Luft und Brenngas mittels der erfindungsgemäßen Gas zuführungen
von unten in die Wirbelschicht eingeleitet, dann beträgt der Gasverbrauch nur 7
Nm3/h und die Temperatur im Gasraum ist wesentlich niedriger als bei der bekannten
Isnzenbefeuerung. Daran ist zu erkennen, daß Nachverbrennungen oberhalb der Wirbelschicht
wirksam unterbunden sind, Um 80 Liter des vorkonzentrierten Beizbades in der Stunde
zu zersetzen, sind 7 Nm3 Brenngas erforderlich. Sollen nur 30 Liter Beizbad je Stunde
zersetzt werden, dann ist die Brenngasmenge auf 3,4 Nm3/h zurückzunehmen. Diese
Umstellung kann bei Verwendung der erfindung gemäßen Gas zuführungen gemäß Abb.
2 rasch erfolgen, ohne daß eine Verstopfung von Brenngas -Austritts Öffnungen zu
befürchten ist,