DE1943752A1

DE1943752A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schwelen feinkoerniger Brennstoffe in einem Wirbelbett

Info

Publication number: DE1943752A1
Application number: DE19691943752
Authority: DE
Inventors: Roland Dr-Ing Rammler; Paul Dr-Ing Schmalfeld
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1969-08-28
Filing date: 1969-08-28
Publication date: 1971-03-04
Also published as: FR2059709A1; US3756922A; GB1255124A; CA923842A

Description

Es ist bekannt, feinkörnige Kohlen im Wirbelbett dadurch zu schwelen, daß durch den Reaktorrost kalte oder vorgewärmte Verbrennungsluft in das Wirbelbett eingeführt wird, die durch Teilverbrennung der Kohle bzw. des durch Schwelung entstandenen Kokses und der flüchtigen Bestandteile die Erhitzung des Wirbelbettes und damit die Schwelung der eingeführten Kohle bewirkt. Diese Teilverbrennung erfolgt erfahrungsgemäß bevorzugt am erzeugten Koks und ist mit Rücksicht auf Ausbeute und A s ehe gehalt unerwünscht. Der Koks ist meistens das Hauptprodukt der Schwelung und wirdz. B. als Brennstoff für Sinteranlagen, als Magerungsmittel in Kokereien, als Grundstoff für die Erzeugung von Formkoke oder dgl. höher bewertet als die flüchtigen Bestandteile Teer und Gas, die heute kaum noch wirtschaftlich genutzt werden können.

Die bei der Spülgasschwelung von Briketts oder stückigen Brennstoffen im Schachtofen gebräuchliche Arbeitsweise, bei der heiße, verbrannte Gase mit nur geringem oder gar keinem O^-Gehalt zum Erhitzen und zur Schwelung des Brennstoffes im Gegenstrom zu diesem durch den Schachtofen geführt werden, ist für die Schwelung in der Wirbelschicht ungeeignet. Dazu müßte der Host des Wirbelreaktor« für die hohenTem-

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peraturen von etwa 1000° bis über 1200⁰C, mit denen die Verbrennungsgase eingeführt werden, eingerichtet sein. Gegenüber der In-• nenheizung durch Teilverbrennung des Kokses mit Luft wird, bezogen auf Normalzustand, etwa die 4-fache Menge heißer Verbrennungsgase benötigt. Das bedeutet für einen gegebenen Kohledurchsatz eine Verdoppelung des Durchmessers des Wirbelbettes oder bei schon erreichtem, maximal anwendbarem Durchmesser des Wirbelreaktors die Erhöhung der Reaktoranzahl auf das Vierfache. Zur Steuerung der Gas- W temperatur vor dem Reaktorrost muß auch ein recht hoher Anteil des

aus dem Reaktor abziehenden Gases vor den Reaktorrost im Kreislauf zurückgeführt werden. Diese Nachteile fallen bei der Heizung durch Innenverbrennung im Wirbelbett weg. Deshalb ist nach einem Weg zu suchen, die Schwelwärme durch eine Verbrennung im Wirbelbett selbst aufzubringen, ohne dabei jedoch Koks zu verbrennen.

Erfindungsgemäßwerden die Verbrennungsluft und gasförmige, dampfförmige oder flüssige Brennstoffe durch Einzeldüsen in das Wirbelbett eingebracht, wobei in jeder Einzeldüse der Verbrennungsluft eine dem verfügbaren Sauerstoff entsprechende Menge Brennstoff zugeführt wird, ) Hierdurch kann die Verbrennung in unmittelbarer Nähe der Düse sofort

einsetzen. Wenn die Gemischdüee zunächst in eine becherartige Erweiterung übergeht, in der die Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit strömen, dann können Kokskörner aus dem Wirbelbett nicht leicht In diese Erweiterung eindringen. Auf diese Weise wird der unerwünschte Abbrand am Koks unterdrückt. Die Geschwindigkeit der Verbrennung kann noch erhöht werden, wenn die Verbrennungsluft vorgewärmt zugeführt wird. Die Verbrennungsluft kann z, Ii, indirekt Im Wärmeaustausch mit den heißen aus dem Wirbelbettreaktor abströmenden Gasen

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vorgewärmt werden. Die Verbrennungsluft kann aber auch durch Vermischen mit Feuergasen einer Brennkammer, in der gas- oder dampfförmige oder flüssige Brennstoffe oder auch feiner Kohlenstaub verfeuert werden, auf z. B, 400-700⁰C verhitzt werden.

Als Brennstoff für die Gemischdüsen werden zweckmäßig die bei der Schwelung im Wirbelbett freiwerdenden, flüchtigen Bestandteile ver wendet, die im Gemisch mit dem. durch die Gemisch-Düsen zugeführten Verbrennungsgas das Wirbelbett in heißem Zustand verlassen. Das aus dem Wirbelbett austretende Dampf-Gaegejaisah wird zweckmäßig zunächst in einem Zyklon entstaubt und danach z. B. durch Einspritzen und Verdampfen von Wasser gekühlt. Der dabei kondensierte Teer wird in einem Teerwäscher abgetrennt, in dem auch der letzte Staub an den Teer gebunden wird. Das dann noch etwa 120 bis 150° heiße, noch öldämpfeund Wasserdampf enthaltende Abgas kann als Brennstoff den Gemisch-Düsen zugeführt werden. Bs können aber auch nach weiterer Abkühlung und Kondensation der öle und des Wasserdampf es die auf z.B. 30° abgekühlten Gase benutzt werden. Ebenso kann auch deraue dem Teerwäacher anfallende Teer als Brennstoff verwendet werden.

Der Kühlung braucht nur der Anteil des Abgases aus dem Wirbelbettreaktor unterworfen zu werden, der als Brennstoff zur Beheizung dee Wirbelbettee benötigt wird. Der Rest kann ohne Kühlung direkt einer Kesselfeuerung zugeführt werden.

ist unzweckmäßig, das Abgas aus dem Wirbelbettreaktor nach der Staubabscheidung in einem Zyklon im heißen oder mäßig abgekühlten Zustand zu verdichten und den Gemisch-Düsen aufzugeben. Die stark

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ungesättigten und sehr reaktionsfähigen Teerbestandteile verursachen dabei nur Ablagerungen von Polymer«· und Kondensationeprodukten des Teeres im Gemisch mit geringen Mengen Feinstaub im Verdichter, in den Brennstoff Zuleitungen zum Reaktor und in den Gemischdüsen.

Da die aus der Schwelung im Wirbelbett stammenden Gase« öle und Teere nicht besonders rein sind und über längere Zeit gesehen zu Ab·· lagerungen neigen, müssen die Brennstoffzuleitungen zu den Gemisch» . Düsen selbst einfach und leicht zugänglich gebaut sein, damit sie zu

gegebener Zeit geputzt und falls nötig auch ausgebrannt werden können.

Zweistoffdüsen mit einer Zuführung für Verbrennungsluft und mit einer Zuführung für einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff zur direk- . ten Beheizung von Wirbelschichten sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie dienen insbesondere dazu, endothermen Reaktionen nicht brennbarer Stoffe, die in einem Wirbelreaktor ausgeführt werden, die nötige Reaktionswärme zuzuführen. Diese Zweistoffdüsen sind so gestaltet, daß die Ströme der Verbrennungsluft und des Brennstoffes unmittelbar nach Verlassen der Düse zusammentreffen und im innigen Gemisch rasch innerhalb der Wirbelschicht verbrennen, ohne " daß Nachverbrennungen im Gasraum oberhalb der Wirbelschicht eintreten.

In einer aus der französischen Patentschrift 1 504 435 bekannten Zweistoffdüse wird die Austrittegeschwindigkeit von Luft und Brennstoff so gewählt, daß sie zunächst höher 1st als die Flammengeschwindigkeit des brennenden Gemisches und daß die erst in einigem Abstand von den Auetrittsöffnungen auf din Wert der Flammengeschwindigkeit vermindert wird. Aul dies· Weise verteilt «ich der Verbrenmragspro-

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zeß auf das Volumen der Wirbelschicht» ohne deren Spiegel zu überschreiten.

Zweistoffdüsen zur direkten Beheizung von Wirbelschichten mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen« die innerhalb der Wirbelschicht mit Luft verbrannt werden, sind in den deutschen Patentanmeldungen P 17 58 344.4; P 18 13 286.· und P It Iff IfS. 2 beschrieben. Auch In diesen werden Brennstoff und Verbrennungsluft unmittelbar vor oder nach Austritt aus der Düse vermischt, so daf die Verbrennung innerhalb der Wirbelschicht ablaufen kann und keine Nachverbrennungen oberhalb der Wirbelschicht auftreten.

Für das erfindungagemi/Je Verfahren müssen indessen die auf dem Reaktorboden verteilten Zweistoffdüsen so beschaffen sein, dal die Verbrennung in nächster Nähe der Düse rasch genug und vellständig abläuft, so dal in die überwiegend aus Koks bestehende Wirbelschicht kein freier Sauerstoff gelangt sondern nur Verbrennungsgas,

In einem Reaktor zur Ausführung des erf indungsgemäien Verfahrens 1st eine Anzahl von Zweistoffdüsen über den Reaktorboden verteilt*

jede Zwelstoffdflse hat einen Düsenschaft, der von zwei konzentrischen Rohren gebildet wird, und einen Düsenkopf.

Eines der beide» konzentrischen Rohre, meist das iulere, dient der Zufuhr der Verbrennungsluft zum Düsenkopf mod ist durch den Reaktorboden zu einem Luftverteiler («fahrt.

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Daa andere der konzentrischen Rohre, vorzugsweise das innere ist zu einem Brennstoffverteiler geführt« der innerhalb oder auch unterhalb des Luftverteilers angeordnet ist· Vorzugsweise werden Luftver« teiler und Brenastoffverteiler als Hämmern ausgebildet, die unterhalb des Reaktorbodens derart angeordnet sind-, dal der Reaktorboden die Decke des Luftverteilers bildet und der Boden des Luftverteilers die Decke desBrennstoffverteiler« ist. Der MoMn. der BrennstofXverteilungskammer wird »weckmIÄig mit blind geflanschten Stutzen versehen, durch die die Kammer gegebenenfalls für Reinigungszwecke zuginglich ist.

Wird das erfindungsgemafie Verfahren mit einem flüssigen Brennstoff betrieben, dann entfallt die Brennstoffverteilerkammer· Das innere Rohr des Düsenschafteswird dann durch den Boden der Luftverteilerkammer hiadurchgeführt und mündet in einemAnschluA, durch den dieses Rohr mittels eine* Schlauches oder Rohres an eine Brennstoffhauptleitung angeschlossen wird.

Der Düsenkörper besteht aus dem eigentlichen Büsenkörperund einem Aufsatzstück mit der becherartigen Erweiterung, in welcher die Verbremuing des eingeführten Br«meteffes fast vollständig ablauft.

Der Düsenkopf i*t ein «yüadriseav-r Hohlkörper, «er an einer Stirnseite durch eine flache oder kegelstumpfartig abgeschrägte Fläche verschlossen ist« An der offenen leite ist der Düsenkopf auf das äuAere Rohr deeDÜsenschefte· aufgesteckt, Im. IBuktel de« Dä*eek©»fea sind dicht unterkalb der Stirnseite rasiale öffnungen, a.B. Bohrungen oderlchlitie angebracht. Dft· innere, dtn Brenestoff führende

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de« Düsenschaftes mündet in einer kalibrierten Ausströmöffnung. Dieaee Rohr kann innerhalb des Düseakopfes unterhalb der geschlossenen Stirnseite enden oder durch eine zentrale öffnung in dieser Stirnseite kurz über den Düsenkopf hinausgeführt sein und dort unter einer Umlenkhaube enden· Der Düsenkopf hat am Mantel einen peripheren Stützring, auf dem das Aufsatz «tuck mit der becherförmigen Erweiterung ruht.

In dem Aufsatzetückbefindet sich unterhalb der engsten Stelle der becherartigen Erweiterung ein MLschraum, in den die Ausströmöffnungen des Düsenkopfes münden. In diesem Mischraum beginnt die Verbrennung. Das brennende Gemisch tritt mit hoher Geschwindigkeit in die becherartige Erweiterung ein, in der die Verbrennung nahezu beendet wird. Das heile Verbrennungsgas verläßt die becherartige Erweiterung mit einer so hohen Geschwindigkeit, daß Kokspartikel aus dem darüberliegenden Wirbelbett nicht in die Becher fallen können und demgemäß mit freiem Sauerstoff nicht in Berührung kommen können. Düsenkopf und Aufsatzstück werden so schwer ausgeführt« daß sie von den hindurchgehendenGasströmen nicht angehoben werden können.

Mit dieser sehr robusten Konstruktion der Zweistoff-Verbrennungsdüsen werden zwei Schwierigkeiten der Kohlenschwelung im Wirbelbett bewältigt. Die teure und umständliche Abtrennung der schwierig zu verwertenden flüchtigen Schwelprodukte aus dem Abgas des Wirbelbettreaktors wird wesentlich vereinfacht, und die flüchtigen Schwelprodmkte können zur direkten Heisvng das Reaktors herangezogen werden. Dabei wird die Verbrennung so geführt, daft sie im Reaktor salbst erfelgt, oka· daft d tr lake in «er Wirbelschicat freiem. Sauerstoff ausf ·- s«t*twird.

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In den Zeichnungen sind zwei Düsenköpfe für Wirbelreaktoren zur Verkokung von Kohle mit einem becherartig erweiterten Aufsatzetück beispielsweise und schematisch dargestellt.

Figur 1 ist ein vertikaler Schnitt durch eine Düse mit dem Aufsatzstück und durch das angrenzende Stück des Reaktorbodens.

Figur 2 ist ein vertikaler Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Düsenkopfes.

Bi der Figur 1 ist ein Ausschnitt des Reaktorbodens mit einer Gemischdüse dargestellt. Die Düse besteht aus dem Düsenkopf 1, dem Düsenschaft mit dem äußeren Rohr 2 und dem darin konzentrisch angeordneten inneren Rohr 3 und aus dem Aufsatzstück 4. Das äußere Rohr 2 des Düsenschaftes ist in einer öffnung des Reaktorbodens 5 dicht befestigt und mündet im Luftverteiler 6. Der Boden 7 des Luftverteilers 6 ist zugleich die Decke des Brennstoffverteilers 8, der unten durch den Boden 9 mit den BunkertaschenlQ und den blind geflanschten Reinigung« stutzen 11 verschlossen ist. Das innere Rohr 3 des Düsenschaftee ist im Äußeren Rohr 2 konzentrisch bis zu dem Boden 7 zwischen Luftverteiler und Brennstoffverteiler hinabgeführt und in einer öffnung in diesem gasdicht befestigt.

Der Düsenkopf 1 ist auf das äußere Rohr des Düsenschaftes aufgesteckt und sitzt an der eingedrehten Stufe 12 in definierter Höhe auf. Der Düsenkopf hut in seinem Mantel kure unterhalb des Deckel· 13 Ausströmöffnungen 14 in Form von Bohrungen oder Schlitzen. Das innere Rohr 3 desDüsensehaftee 1st durch die zentrale öffnung 15 im Deckel des

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13 Düsenkopfes über diesen hinausgeführt und endet in einer kalibrierten koaxialen Ausblasöffnung 16 unterhalb eines Umlenkkörpers 17. Anstelle der Ausströmöffnung 16 kann das Rohr 3 am Ende auch mit horizontalen« tangential mündenden Ausströmöffnungen versehen werden.

Der Düsenkopf 1 ist am Mantel unterhalb der Ausströmöffnungen 14 mit einem Ring 18 versehen« der das Aufsatzstück 4 trägt. Dieses Aufsatzstück ist innen so profiliert« daß es mit dem Düsenkopf 1 im Bereich der Ausströmöffnungen 14 einen Ringkanal 19 bildet« der in den sich über dem Düsenkopf verengenden Mischraum 20 übergeht. Über dem engsten Querschnitt 21 beginnt die becherartige Erweiterung 22« in der die Verbrennung abläuft.

Das Aufsatzstück 4 ist über die Auflage auf dem Ring IS hiimb in einem rohrförmigen Fortsatz 23 verlängert« der den Düsenseh&ft mit Abstand umgibt. Dieser Fortsatz soll vorzugaweise daa Gewicht von Düsenkopf 1 und Auf aatzatück 4 soweit erhöhen« daß beide vom einströmenden Gas nicht angehoben werden. Dieser Fortsatz schirmt aber auch das äuflere Rohr des Düsenschaf tee gegen dme umgebende heiße Material der Wirbelacnicht ab. Die Gewichtserhöhung von Düsenkopf und Aufsatzstück Iat inabesondere für die Ausführungeform des Düsenkopfes gemtfl Figur 2 von Bedeutung.

Bei dieser Ausführungsform iat der Düsenkopf 31 durch den Deckel» verschlossen. Der Düsenkopf let, wie auch Inder Figur 1 dargestellt« auf daa äulere Rohr 33 de a ßüsensch&ftea auf ge «eist.

Daa inner« Rohr 34 des DfUwnaeSialtee mündet uaterfoalfe dt ι

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32 und der radialen Ausströmöffnungen 35 im Düsenkopf, so daß innerhalb derselben bereits eine Mischung von Luft und Brennstoff erfolgt.

Auf den Hing 36 des Düsenkörpera ist in der aus Figur 1 ersichtlichen Weise das Auf satzst tick 4 auf gesteckt. Das innerhalb des Düsenkopfes gebildete Verbrennungsgemisch gelangt durch die Ausströmöffnungen 35 in den Mischraum über dem Düsenkopf und von dort in die eigent« liehe Verbrennungessone in der becherartigen Erweiterung des Aufsatz· attickes„ DieAusfünmangsforia. ist vorzugsweise zur Verbrennung flüssiger Bsfeaastoiie^ also d@is Teeres aus dem T®©rwäsche^ geeignet,,

in beiden AusEf'ülsrungaioffija.esi der Qemieeindiiee ist das innere Rohr de® Düs«aß@iäS2ies".(3_e M) nur in fern Boden de-e Luftverteiler·«! befestigt, Bas Bad® mit d©!¹ Ausströmöffnung ist frei beweglich. Dadurch kann das Rohr etwa muf tiretemete Wärmedehnungen aufnehmen.

Zur weiteren Erläuterung d®w Erfindung möge das nachfolgende Beispiel dienen«

Sin Wirbelbett mit einem lichten Durchmesser von 2000 mm und einer Betthöh· von 1000 mm erhalt 50 Stück glelchmüSig über den Bettquerschnitt verteilte Gemiachdüaen. Bei ·ίη»? g««amt«n Qaemcng« von 28000 in³/h voa 800° am Austritt Wirbelbett« die «ich au* V«rbrennungagaaen und Entgßeuagegassa der Kßfci« sueammensetsea, werden den Qemieshdteen 4Θ00 Mm^ LmII iind 30@0 Km³ Heisgae mit einem Heiawertv^ä 1βθ@ Esal/|fm^s tsti^£li@k Kug«f@hrt» Ale Meisg&i dlüs&t tin Teil deeao» demWiFbelfeett steg^faiiftiii Qssee m®h »®is«r Kufe«»

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lung und der Abscheidung des kondensierten Teeröles,

Jeder Gemischdüse sind stündlich 80 Nm³ und 40Nm³ Heizgas stündlich aufzugeben. Somit erhält der Becher jeder Gemischdüse im Unterteil einen Durchmesser von 50 mm und eine obere Auetrittsöffnung von 120 τηττι Durchmesser bei einer Becherhöhte von 120 mm. DIeGeschwindigkeit der Verbrennungsgase in der oberen Austrittsöffnung beträgt ca. 10 m/sec.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

(l)J Verfahren zum Schwelen feinkörniger Kohlen in einem Wirbelbett mit Heizung durch Innenverbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluft und gasförmige, dampfförmige oder flüssige Brennstoffe mittels Gemischdüsen von unten in den Wirbelreaktor eingeleitet und unter dem Wirbelbett verbrannt werden.
2) Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff das bei der Schwelung erzeugte Schwelgas nach Kühlung und Kondensation des Teeres und Öles verwendet wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom der aus dem Wirbelreaktor austretenden Gase nach Kühlung auf 150 bis 100⁰C und Abscheidung des kondensierten Teeres als Brennstoff verwendet wird.
4) Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den aus dem Wirbelreaktor abziehenden Gasen kondensierte Teer als Brennstoff verwendet wird.
5) Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem Wirbelreaktor mit über dem Reaktorboden verteilten Gemischdüsen, die durch die konzentrischen Rohre des Düsenschaftes mit unter dem Reaktorboden liegenden Verteilern für Brennstoff und Verbrennungsluft verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Düsenschaft einen Düienkörper 1 mit den radialen Ausströmöffnungen (14, 35) und einAufsatzstÜck 4 mit der becherartigen Erweiterung (22) trägt.

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6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet« daß der Düsenkopf (5)auf das äußere Rohr (2) des Düsenschaftes aufgesteckt ist und mittels des Ringes (18) das aufgesteckte Aufsatzstück (4) trägt.
7) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch den Ringraum (19) zwischen Düsenkopf (1) und Aufsatz stück (4) und den unter dem engsten Querschnitt (21) des Aufsatz Stückes (4) über dem Düsenkopf (1) liegenden Mischraum.
8) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das innere brennstofführende Rohr (3) des Düsenschaftes mit der kalibrierten Ausströmöffnung (16) durch den Düsenkopfdeckel (13) hindurchgeführt ist und unter der im oder unter dem engsten Querschnitt des Aufsatzstückes angeordneten Verteilerhaube (17) mündet.
9) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet« daß das innere brennetof führende Rohr (34) des Düsenschaftes im Düsenkopf (31) unterhalb der radialen Aue etrömöffnungen (35) und über dem Ende dee äußeren Rohres (33) de« Düsenschaft·· mündet.

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