DE1906895C3

DE1906895C3 - Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelschichtreaktors

Info

Publication number: DE1906895C3
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: 1976-01-08
Also published as: US3633887A; JPS5130029B1; DE1906895B2; DE1906895A1; GB1278002A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirbelbettreaktors mit einem flüssigen Brennstoff, der mit dem in Teilströmen über den Reaktorauerschnitt verteilten und von unten in die Wirbelschicht eintretenden sauerstoffhaltigen Träger- ' gas zugeführt wird.

Es ist bekannt, Luft, die zugleich Trägergas für die ■ Wirbelschicht und Sauerstoffträger für die Verbren-. nung ist, von unten durch einen Schlitzrost oder durch . einen Düsenrost in ein Wirbelbett einzuleiten und einen, gasförmigen oder flüssigen Brennstoff mittel? durch den Reaktormantel eingeführter Rohre, sogenannter Lanzen, auf den Reaktorqaerschnitt in geringer Höhe 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 N ach Verbrennungen oberhalb des Wirbelbettes schließlich überhand. Man kann diesen Mängeln 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 Wirbelschichtreaktoren mit großen Durchmessern über etwa 1,5 bis 2 m sind auch diese Hilfsmaßnahmen wirkungslos.

Zur Beheizung von Wirbelschichtreaktoren 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 feste Brennstoffe in die Wirbelschicht ein geführt 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 Verteilerköpfen versehen sein können, abwechselnd der Zuführung von Brenngas oder Luft derart, daß jeder Brenngaszuführung mehrere Luftzuführungen und umgekehrt jeder Luftzuführung mehrere Brenngaszuführungen benachbart sind (DL-PS 62 921).

Da die Gasströme aus diesen ⁷uführungen, auch wenn diese mit Verteilerköpfen ausgestattet sind, in einem kleinen Ausbreitungswinkel in der Wirbelschicht aufwärtsströmen, ist die Durchmischung von Gas und Brennstoff schlecht. Die Verbrennung kann zu einem beträchtlichen Teil oberhalb des Wirbelbettes ablaufest, wenn dieses nicht hoch genug gemacht wird. Eine größere Betthöhe bedeutet aber einen höheren Druckverlust und einen erhöhten Energieaufwand für die Kompression.

Eine weitere bekannte Vorrichtung zur gleichzeitigen Zuführung von Fluidisierungsgas und Heizmittel besteilt 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 Zufuhrleitungen durch Bettmaterial verschlossen werden und — infolge ihrer nach oben gerichteten Öffnung — die Verbrennung des Brennstoffes zu e.nern 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 kann.

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 Wirbetschicht 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 deir eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch zweikanalige Zuführungen für den flüssigen Brennstoff und das sauerstoffhaltige Trägergas mit zwei von konzentrischen Rohren 1, 2 bzw. 21, 20 gebildeten Durchlässen, die in einem Verteilerkopf 22 vor seitlichen Austrittsöffnungen 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 erfindungsgcmäÜen 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 Zuführungsvorrichtung als Trägergasteilstrom fließende verhältnismäßig große Gasmenge sorgt für eine gute Kühlung der Zuführung einschließlich des Verteilerkopfes. Dadurch, daß Trägergas 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 Reaktorrost eingesetzten, in der Windkammer mündenden Rohr, einem inneren, durch d'e Windkammer zur Brennstoffhauptleitung geführten Rohr mit Zerstäuberdüse am oberen Ende, einem am äußeren Rohr befestigten Verteilerkopf mit Austrittsöffnungen und innerhalb der Stege liegendem Misch- 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, zweckmäßigerweise unter Druck, ausreichende Dünnflüssigkeit erreich!:. Vor Überhitzung in der Zuführung ist er durch den umgehenden Trägergasstrom im äußeren Durchlaß wirksam geschützt. Da dieser Trägergasstrom meist 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 emei 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 Reaklorrost geführten Rohres mit der Brennstoffhauptleitung verbunden, die im Windkasten oder unter diesem verlegt sein kann.

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

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

zweikanaligen Zuführungen noch Einfachzuführungen für 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. 1 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 aufgesetzt, 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 Tei-Ie, 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 mitgeführt. 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 Ringschfitz 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 Austrittsöffnungen 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 in der erfindungsgemäßen Arbeitsweise vorgesehene für Trägergas und Brennstoff gemeinsame Austrittsöffnung 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 Temperatureinstellung und -einhaltung in der Wirbelschicht von wesentlicher Bedeutung.

Beispiel

Ein Rost mit drei erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtungen gemäß F i g. 1 wurde in einem Wirbelschichtreaktor verwendet, der als Kernstück eines bekannten Verfahrens zur Regenerierung salzsaurer Beizbäder dient. Das Wirbelbett hatte 500 mm Durchmesser, als Bettmaterial wurde Eisenoxyd verwendet. In das Bett wurde vorkonzentriertes Beizbad gegeben. Um eine Temperatur von 850⁰C 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 Verteilerköpfe 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 850⁰C 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 Wirbelschicht stattfand, was auch optisch beobachtet werden konnte, da über dem Bett züngelnde Flammen zu sehen waren. Dies war bei Einsatz der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtungen nicht der Fall. Wenn man beim zweiten Versuch nur 220 Nm3 Luft/h zugab, war die Verbrennung noch erheblich schlechter, so daß eine Temperatur von 850⁰C bei gleicher Beizbadmenge gar nicht mehr gehalten werden konnte, auch nicht, wenn man die Ölmengen noch weiter zu erhöhen versuchte.

Zur Verwendung von schwerem Heizöl als Brennstoff, das auf etwa 130⁰C vorgewärmt wurde, waren Zuführungsvorrichtungen gemäß F i g. 2 in den Reaktorboden eingesetzt. Hiermit wurden die gleichen guten Betriebsdaten erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

%.■

Patentansprüche:

-!.^Vorrichtung zur direkten Beheizung eines Wirhelbettreaktors 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 Brenn- ίο stoff und das sauerstoffhaltige Trägergas mit zwei von konzentrischen Rohren (1, 2 bzw. 21, 20) gebildeten Durchlässen, die-in einem Verteilerkopf (22) vor seitlichen 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 B/ennstoff-Hauptleitung (16, 25), die unter dem 'Reaktorrost (12) liegen, verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch f, 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, durch 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. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zweikanalige Zuführungen, die als Rohre ausgebildete Stege (31) aufweisen und einen durch eine Platte (33) auf der Stirnseite des Verteilerkopfes 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 Reaktorrosl (12) eingesetzten, in der Windkammer (14) mündenden inneren Rohr (2), einem den Ringraum (9) mit der Brennstoffhauptleitung (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 Austrittsöffnung (U) begrenzen.
6. 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 1 bis 6, gekennzeichnet durch einkanalige Zweitluftdüsen zwischen den auf dem Reaktorrost verteilten zweikanaligen Zuführungen.