DE1906895B2

DE1906895B2 - Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelschichtreaktors

Info

Publication number: DE1906895B2
Application number: DE1906895A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Dr. Bechthold; Heinz Dipl.-Ing. Dittmar; Ernst Dipl.-Ing. Heinz; Rolf Dipl.-Ing. Dr. 6231 Schwalbach Rennhack
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1969-02-12
Filing date: 1969-02-12
Publication date: 1975-05-15
Also published as: JPS5130029B1; GB1278002A; DE1906895A1; US3633887A; DE1906895C3

Description

Die Windung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelbettreaktors mit einem flüssigen Brennstoff, der mit dem in Teilströmen über den Reaktorquerschnitt verteilten und von unten in die Wirbelschicht eintretenden sauerstoffhaltigen Trägergas zugeführt wird.

Es ist bekannt. Luft, die zugleich Trägergas für die Wirbelschicht und Sauerstoffträger für die Verbrennung ist, von unten durch einen Schlitzrosl oder durch einen Düsenrost in ein Wirbelbett einzuleiten und einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff mittels durch den Reaktormantel eingeführter Rohre, sogenannter Lanzen, auf den Reaktorquerschnitt in geringer Höhe

ίο über dem Rost zu verteilen (GB-PS 9 91 130). Diese Art der Brennstoffzuführung, die sich auch für staubförmige Feststoffe im Gemisch mit Luft eignet, führt bei geringen Reaktorquerschnitten zu einer recht einheitlichen und nahezu vollständigen Verbrennung innerhalb des Wirbelbettes. Bei größeren Reaktorquerschnitten kann der eingeführte Brennstoff nicht genügend gleichmäßig bis ins Innere der Wirbelschicht des Wirbelbettes verteilt werden. Die Durchmischung von Luft und Brennstoff wird schlechter, und ein Teil der Verbrennung erfolgt außerhalb des Wirbelbettes in dem darüberliegenden Gasraum. Bei noch größeren Reaktordurchmessern nehmen derartige Nachverbrennungen oberhalb des Wirbeibettes schließlich überhand. Man kann diesen Mangeln dadurch begegnen, daß man an den Brennstoffmündungen der Lanzen Sekundärluft einführt oder daß man die Wirbelschicht erhöht. Diese Maßnahmen, die auch gemeinsam angewendet werden können, wirken sich nachteilig in einer Erhöhung der Gebläseleistung aus und haben zur Folge, daß der Reaktor mit beträchtlichem Luftüberschuß betrieben werden muß und daß der Abwärmeverlust größer wird Bei Wirbelschichtreaktortn mit großen Durchmessern über etwa 1,5 bis 2 m sind auch diese Hilfsmaßnahmen wirkungslos.

Zur Beheizung von Wirbclschichtreaktoren mit gasförmigen Brennstoffen sind Vorrichtungen bekannt, die aus einer Vielzahl von über den Reaktorquerschnitt verteilten Öffnungen im Reaktorboden bestehen. Die der Zuführung des Trägergases dienenden Öffnungen verbinden den Reaktorraum mit einer unter dem Boden liegenden Windkammer. Aus anderen Öffnungen im Reaktorboden können mittels durch die Windkammer geführter Rohre gasförmige, flüssige oder auch feinkörnige feite Brennstoffe in die Wirbelschicht eingeführt werden (GB-PS 11 37 628). Die für eine rasche und gleichmäßige Verbrennung erforderliche gründliche Durchmischung ist hierbei nicht gegeben.

Nach einer anderen bekannten Ausführungsform dienen Gaszuleitungen, die gleichmäßig über den Reaktorboden verteilt sind und mit Verteilerköpfcn versehen sein können, abwechselnd der Zuführung von Brenngas oder Luft derart, daß jeder Brenngaszuführung mehrere Luftzuführungen und umgekehrt jeder Luftzuführung mehrere Brenngaszuführungen benach-

.S₅ bart sind (DL-PS 62 921).

Da die Gasströme aus diesen Zuführungen, auch wenn diese mit Verteilerkopfen ausgestaltet sind, in einem kleinen Ausbreitlingswinkel in der Wirbelschicht aufwärtsströmcn, ist die Durchmischung von Gas und Brennstoff schlecht. Die Verbrennung kann zu einem beträchtlichen Teil oberhalb des Wirbelbettes ablaufen, wenn dieses nicht hoch genug gemacht wird. Eine größere Betthöhe bedeutet aber einen höheren Druckveriiist und einen erhöhten Energieaufwand für die Kompression.

Eine weitere bekannte Vorrichtung zur gleichzeitigen Zuführung von Fluidisierungsgas und Heizmittel besteht aus einer Verteilerplatte mit nach oben sich er-

weiternden trichterähnlichen Vertiefungen, durch die sowohl Brennstoff als auch Fluidisierungsgas eingeleitet werden (GB-PS 10 87 528). Der Nachteil dieser Vorrichtung ist. daß beim Stillstand der Anlage die Zufuhrteitungen durch Bettmaterial verschlossen werden und - infolge ihrer nach oben gerichteten Öffnung - die Verbrennung des Brennstoffes zu eii.cm beträchtlichen Teil oberhalb des Wirbelbettes erfolgt.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung wird über nach oben geöffnete schalenförmige Elemente ein brennfähiges Gemisch von Brennstoff und Luft eingeleitet (US-PS 31 90 627). Ein wesentlicher Risikofaktor dieser Ausführungsform ist, daß — z. B. bei zu geinger Gasgeschwindigkeit — bereits in den Zuführungsrohren eine Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches stattfinden kunn.

Gleiche Schwierigkeiten können sich bei der Vorrichtung gemäß US-PS 25 96 954 ergeben, bei der ein brennbares, reduzierendes Gas durch Jen Rost hindurch in die Wirbelschicht eingeleitet wird.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelschichtreaktors bereitzustellen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist, die insbesondere eine Verbrennung in der Nähe des Reaktorrostes gewährleistet, die Bildung von den einwandfreien Betrieb beeinträchtigenden Kokspartikeln im Zuleitungssystem für Brennstoffe ausschließt und die auch bei Betriebsunterbrechung frei von Wirbelgut bleibt.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eirgangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch zwcikanalige Zuführungen für den flüssigen Brennstoff und das sauerstoffhaltige Trägergas mit zwei von konzentrischen Rohren I, 2 bzw. 21. 20 gebildeten Durchlässen, die in einem Verteilerkopf 22 vor seitlichen Aus-•,rittsöffnungen 11 bzw. 30 zur Wirbelschicht in einem Mischraum 7 bzw. 32 münden und die in bekannter Weise mittels Rohren mit einer Windkammer 14. 23 bzw. einer Brennstoffhauptleitung 16, 25, die unter dem Reaktorrost 12 liegen, verbunden sind.

Infolge des durch den Verteilerkopf und die zweikanaligen Zuführungen geschaffenen Mischraumes tritt aus den seitlichen Austrittsöffnungen ein recht homogenes Brenngemisch aus. Die Verbrennung findet in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnungen statt. Dadurch nimmt das Gasvolumen schon im untersten Bereich der Wirbelschicht erheblich zu, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der heißen Gase über das ganze Wirbelschichtvolumen erreicht wird. Eine gleichmäßige Erhitzung und Durchmischung der Wirbelschicht wird auch bei verhältnismäßig großen Abständen der Zuführungen noch erzielt.

Die zweikanaligen Zuführungen der trfindtingsgemäßen Vorrichtung besitzen zweckmäßig Austrittsöffnungen. die horizontal angeordnet sind oder aus der Horizontalen um einen Winkel von maximal 15 nach außen abwärts gegen den Reaktorboden geneigt sind. Hierdurch ist eine gleichmäßige Verteilung der Verbrennungsgase über die Reaktorfläche in besonders hohem Maße verwirklicht.

Die durch die einzelne Ziiführungsvorrichtung als Trägergasteilstrom fließende verhältnismäßig große Gasmenge sorgt für eine gute Kühlung der Zuführung einschließlich des Verteilerkopfes. Dadurch, daß Triigergas und flüssiger Brennstoff in den konzentrischen Durchlässen parallel geführt werden, kommt diese gute Kühlung auch dem Brennstoff zugute, der dadurch vor Zersetzungen durch Überhitzung bewahrt wird. Das gilt insbesondere für zähflüssige, schwere, thermisch instabile Heizöle, für die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zweikanalige Zuführungen mit jeweils einem äußeren, in den Reaktorrosi eingesetzten, in der Windkammer mündenden Rohr, einem inneren, durch die Windkarnmer zur Brennstoffhauptleitung gefühlten Rohr mit Zerstäuberdüse am oberen Ende, einem am äußeren Rohr befestigten Verteiierkopf mit Austrittsöflnungen und innerhalb der Stege liegendem Misch-

]o raum vorgesehen sind. Hierbei sind Zuführungen zweckmäßig, die als Rohre ausgebildete Stege aufweisen und einen durch eine Platte auf der Stirnseite des Verteilerkopfes gebildeten Ringschlitz besitzen. Bei dieser Anordnung kann der Brennstoff so weit vorgewärmt werden, daß er eine zur Zerstäubung, zweckmäßrgerweise unter Druck, ausreichende Dünnflüssigkeil erreicht. Vor Überhitzung in der Zuführung ist er durch den umgehenden Trägergasstrom im äußeren Durchlaß wirksam geschützt. Da dieser Trägergasstrom meisi

ia schon vorgewärmt ist, z. B. beim Durchgang durch den Windkasten, schützt er den vorgewärmten Brennstoffstrom auch vor Wiederabkühlung. Der Düse steht im Verteilerkopf eine Auswölbung gegenüber, welche die Oberseite des Mischraumes bildet und in die Austrittsöffnungen übergeht. Der Verteilerkopf kann einteilig ausgeführt und auf dem äußeren Rohr befestigt werden. Er kann an einer Stirnseite mit einer zusätzlichen, aus dem Trägergasstrom gespeisten Luftkühlung ausgestattet werden.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zweikanalige Zuführungen vorgesehen mit jeweils einem auf dem Reaktorrost aufgesetzten äußeren Rohr, einem in den Reaktorrost eingesetzten, in der Windkammer mündenden inneren Rohr, einem den Ringraum mit der Brennstoffhauptleitung verbindenden Rohr und einem Verteilerkopf mit am Rohr befestigten Unterteil und am inneren Rohr befestigtem Oberteil, deren einander zugewandte Seiten den Mischraum und die Austrittsöffnung begrenzen. Vorzugsweise ist das innere Rohr in eine Öffnung im Reaktorrost eingeschraubt. Der Verteilerkopf ist in diesem Rohr zweiteilig ausgebildet, wobei je ein Teil auf einem der Rohre befestigt ist. Die beiden Teile des Verteilerkopfes begrenzen die Austrittsöffnungen für das Gemisch von Brennstoff und Trägergas in die Wirbelschicht und den Mischraum. Die Höhe dieser Austrittsöffnungen kann durch Verdrehen des inneren Rohres verändert werden, wenn dieses mittels eines Gewindes in den Reaktorboden eingesetzt ist. Der für die Brennstoffzuführung vorgesehene Ringraum ist mittels eines durch den Reaktorrost geführten Rohres mit der Brennstoffhauptleitung verbunden, die im Windkasten oder unter diesem verlegt sein kann.

Diese Ausführungsform eignet sich besonders für eine drucklose Einführung des flüssigen Brennstoffes, der dazu nicht zu zähflüssig und wärmebeständig sein soll.

Kür einen Wirbelschichtreaktor geringen Querschnittes kann eine erfindungsgemäße Zuführung ausreieilend sein. Vorzugsweise werden jedoch mehrere solche Zuführungen auf dem Rostquerschnitt verteilt. Im allgemeinen wird eine gleichmäßige Verteilung gewählt. Normalerweise wird die zur Aufrechterhaltung des Wirbelz.ustandcs erforderliche Trägergasmenge durch die erfindungsgemäßen Zuführungen eingebracht. Wenn ein zeitweiliger oder variabler Luftüberschuß im Wirbelschichtreaktor notwendig oder zweckmäßig ist. können zwischen den erfindungsgemäßen

'.weikanaligen Zuführungen noch Einfachzuführungen "ür Zweitluft angeordnet werden.

In den Zeichnungen sind die beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen zweikanaligen Zuführung in vertikalem Schnitt beispielsweise und schematisch dargestellt.

F i g. 1 betrifft die Ausführungsform mit der Brennstoffzuführung durch den Ringraum;

F i g. 2 betrifft die Ausführungsform mit der Brennstoffzuführung durch das innere Rohr.

Die Zuführungsvorrichtung gemäß F i g. I besteht im wesentlichen aus dem äußeren Rohr 1, dem konzentrisch darin geführten Rohr 2 und dem Verteilerkopf mit dem am inneren Rohr 2 befestigten Oberteil 3 und dem am äußeren Rohr befestigten Unterteil 4. Das Oberteil ragt mit einer Wölbung 5 etwas in das innere Rohr hinein und bildet mit diesem Durchlässe 6 zum Mischraum 7, der über der Mündung 8 des Ringraumes 9 liegt und in die Austrittsöffnung 11 übergeht.

Das äußere Rohr 1 ist auf den Reaktorrost 12 aulgesetzt, z. B. aufgeschweißt. Das innere Rohr 2 ist in eine Öffnung im Reaktorrost eingesetzt, vorzugsweise mittels des Gewindes 13 eingeschraubt, so daß es in der Windkammer 14 mündet. Der Ringraum 9 ist mit einem durch den Reaktorrost hindurchgeführten Rohr 15 mit einer im Windkasten 14 angeordneten Brennstoffhauptleitung 16 verbunden.

Die Höhe der Austrittsöffnung 11 kann durch Verdrehen des inneren Rohres 2 im Gewinde 13 verändert werden.

Die Zuführungsvorrichtung gemäß F i g. 2 besteht aus dem äußeren Rohr 20. dem inneren Rohr 21 und dem Verteilerkopf 22.

Das äußere Rohr 20 ist in eine Öffnung des Reaktorrostes eingesetzt und mündet in der Windkammer 23. Das innere Rohr 21 ist konzentrisch im äußeren angeordnet und durch den Unterboden 24 der Windkammer zur Brennstoffsammelleitung 25 geführt. Die Verbindung 26 wird zweckmäßig leicht lösbar, z. B. durch einen Schlauch, ein Rohr od. dgl. hergestellt und das innere Rohr 21 wird vorzugsweise mittels einer z. B. als Flansch ausgebildeten Platte 27 und einer Dichtung durch Verschraubung am Unterboden 24 der Windkammer befestigt. Auf diese Weise ist eine leichte Auswechselbarkeit der ölführenden Teile der Zuführungsvorrichtung gesichert, auch während des Betriebes. Am oberen Ende mündet das Rohr 21 in einer Zerstäuberdüse 28. Dieser steht im Verteilerkopf 22 die Auswölbung 29 gegenüber. Der Verteilerkopf 22 ist einteilig und auf dem äußeren Rohr 20 befestigt. Die beiden Teile, welche die Austrittsöffnung 30 begrenzen, sind durch Stege 31, die auch als Rohre ausgebildet sein können, starr verbunden.

Der Mischraum 32 liegt hierbei innerhalb der Stege 31. Der aus der Düse 28 in den Mischraum 32 versprühte Brennstoff wird vom Trägergasstrom aufgenommen und durch die Austrittsöffnung 30 milgeführt. Um den Verteilerkopf 22 an der Stirnseite gegen aufliegendes heißes Wirbelgut abzuschirmen, kann eine zusätzliche Luftkühlung vorgesehen werden. Zu diesem Zweck ist eine Platte 33 mittels eines Gewindezapfens 34 in einer Bohrung 35 mit Muttergewinde und eines Distanzringes eingeschraubt, so daß ein Ringschlitz 36 frei bleibt, in diesen wird durch die als Rohre ausgebildeten Stege 31 ein Teil des Trägergases eingeleitet. Die Menge des durch den Ringschlitz 36 radial austretenden Trägergases kann durch die Höhe des Distanzringes bemessen werden.

In beiden Ausführungsformen sind die Austrittsölinungen 11 bzw. 30 horizontal angeordnet oder in einem Winkel von maximal 15° abwärts und nach außen gegen den Reaktorboden gerichtet, um den Einfall von Kornmaterial in die Austrittsöffnung zu vermeiden. Die

ίο in der erfindungsgemäßen Arbeitsweise vorgesehene für Trügergas und Brennstoff gemeinsame Austrittsöffmiηa bietet den Vorteil einer im wesentlichen durch die Trägergasmenge gegebenen hohen Austrittsgeschwindigkeit, die durch eine Verringerung oder Erhöhung der gleichzeitig aufgegebenen Brennstoffmenge kaum verändert wird. Die Möglichkeit, die Brennstoffmenge in allen oder einzelnen Teilströmen des Trägergases variieren zu können, ist für die TemperaUireinstellung und -einhaltung in der Wirbelschicht von wesentlicher

jo Bedeutung.

Beispiel

Ein Rost mit drei erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtungen gemäß F i g. 1 wurde in einem Wirbelschiehireaklor verwendet, der als Kernstück eines bekannten Verfahrens zur Regenerierung salzsaurer Beizbäder dient. Das Wirbelbett hatte 500 mm Durchmesser, als Bettmaterial wurde Eisenoxvd verwendet.

In das Bett wurde vorxonzentriertes Beizbad gegeben. Um eine Temperatur von 850°C in der Wirbelschicht, welche mit 220 Nm3 Luft je Stunde fluidisiert wurde. aufrechtzuerhalten, wurden jedem Verteilerkopf 6 kg/h leichtes Heizöl zugeführt. Gleichzeitig wurde das gesamte Trägergas (Luft) durch die Verteilerköpfc geschickt und dient somit als Verbrennungs- und Aufwirbelungsgas.

In einem Parallelversuch wurde der gleiche Reaktor durch einen Schlitzrost von unten mit Luft beschickt.

und das Öl wurde durch eine einzige, seitlich angebrachte Lanze aufgegeben. Bei Aufgabe der gleichen Beizbadmenge wie in dem vorher beschriebenen Versuch mußte zur Aufrechterhaltung von 850 C der Brennstoff auf 21 kg/h und die Luftmenge auf 280 Nm3/h erhöht werden. Gleichzeitig stieg die Temperatur gegenüber dem oben beschriebenen Versuch oberhalb des Wirbelbettes um über 100⁰C an. Das bedeutet, daß selbst schon bei dem geringen Reaktordurchmesser eine Nachverbrennung außerhalb der Wirbelschicl.i stattfand, was auch optisch beobachtet werden konnte, da über dem Bett züngelnde Flammer zu sehen waren. Dies war bei Einsatz der erfindungsge mäßen Zuführungsvorrichtungen nicht der Fall. Wenr man beim zweiten Versuch nur 220 Nm3 Luft/h zugab war die Verbrennung noch erheblich schlechter, so daf eine Temperatur von 850⁰C bei gleicher Beizbadmengi gar nicht mehr gehalten werden konnte, auch nicht wenn man die ölmengen noch weiter zu erhöhen ver suchte.

Zur Verwendung von schwerem Heizöl als Brenn stoff, das auf etwa 130⁰C vorgewärmt wurde, ware! Zuführungsvorrichtungen gemäß F i g. 2 in den Reak torboden eingesetzt. Hiermit wurden die gleichen gi ten Betriebsdaten erreicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelbettreaktors mit einem flüssigen Brennstoff, der mit dem in Teilströmen über den Reaktorquerschnitt verteilten und von unten in die Wirbelschicht eintretenden sauerstoffhaltigen Trägergas zugeführt wird, gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen für den flüssigen Brennstoff und das sauerstoffhaltige Trägergas mit zwei von konzentrischen Rohren (1. 2 bzw. 21, 20) gebildeten Durchlassen, die in einem Verteilerkopf (22) vor seitlicher. Austrittsöffnungen (11 bzw. 30) zur Wirbelschicht in einen Mischraum (7 bzw. 32) münden und die in bekannter Weise mittels Rohren mit einer Windkammer (14. 23) bzw. einer Brennstoff-Haupileitung (16. 25). die unter dem Reaktorrost (12) liegen, verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen, bei denen die seitlichen Austrittsöffnungen (11. 30) horizontal angeordnet oder aus der Horizontalen um einen Winkel von maximal 15° nach außen abwärts gegen den Reaktorboden geneigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen mit jeweils einem äußeren, in den Reaktorrost (12) eingesetzten, in der Windkammer (23) mündenden Rohr (20). einem inneren, dutch die Windkammer zur Brennstoffhauptleitung (25) geführten Rohr (21) mit Zerstäuberdüse (26) am oberen Ende, einem am äußeren Rohr befestigten Verteilerkopf (22) mit Austrittsöffnungen (30) und innerhalb der Stege (31) liegendem Mischraum (32).

4. Vorrichiung nach Anspruch J. gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen, die als Rohre ausgebildete Stege (31) aufweisen und einen durch eine Platte (33) auf der Stirnseite des Verteile* kopfes gebildeten Ringschlitz (36) besitzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen mit jeweils einem auf dem Reaktorrost aufgesetzten äußeren Rohr (1), einem in den Reaktorrost (12) eingesetzten, in der Windkammer (14) mündenden inneren Rohr (2), einem den Ringraum (9) mit der Brennstoifhauptleitimg (16) verbindenden Rohr (15) und einem Verteilerkopf mit am Rohr (1) befestigtem Unterteil (4) und am inneren Rohr (2) befestigtem Oberteil (3), deren einander zugewandte Seiten den Mischraum (7) und die Austrittsöfl'nung (11) begrenzen.

t>. Vorrichtung nach Anspruch 5. gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen, bei denen das innere Rohr (2) mittels des Gewindes (13) höhenverstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis b. gekennzeichnet durch cink-uiiili ge Zweitluftdüsen /wischen den auf dem Reaktori'üM verteilten zweikanaligen Zuführungen.