DE2061829A1 - Verfahren zur thermischen Behandlung feinkörniger Feststoffe in einem Wirbelbett mit Innenbeheizung - Google Patents

Verfahren zur thermischen Behandlung feinkörniger Feststoffe in einem Wirbelbett mit Innenbeheizung

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DE2061829A1 DE19702061829 DE2061829A DE2061829A1 DE 2061829 A1 DE2061829 A1 DE 2061829A1 DE 19702061829 DE19702061829 DE 19702061829 DE 2061829 A DE2061829 A DE 2061829A DE 2061829 A1 DE2061829 A1 DE 2061829A1
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Description

METALLGESELLGCHAFT . - Frankfurt/Main, 5. Nov. 1970
Aktiengesellschaft Or /EV
prov. Nr. 6510 LW. 2061829
Verfahren zur thermischen Behandlung feinkörniger Feststoffe in einem Wirbelbett mit Innen
beheizung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung feinkörniger Stoffe in einem Wirbelbett, wobei der Wärmebedarf dieser Behandlung durch Verbrennen von in der Wirbelschicht enthaltenen oder in diese eingeführten Stoffen mit Luft erfolgt, die zugleich mindestens teilweise zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes dient. Diese Arbeitsweise ist im folgenden als Innenverbrennung bezeichnet.
Es ist bekannt, bei der thermischen Behandlung nicht brennbarer Stoffe in einer Wirbelschicht die Luft, die zugleich als Trägergas für den Wirbelzustand dient und geeignete, vorzugsweise gasförmige oder flüssige Brennstoffe einzuführen.
In einer bekannten Arbeitsweise wird die Luft von unten durch Öffnungen oder Düsen im Reaktorboden zugeführt, während der Brennstoff aus seitlich durch die Reaktorwand eingefülirten Lanzen in die Wirbelschicht eingeführt wird.
Es ist auch bekannt, im Reaktorboden zwei Gruppen von Düsen anzuordnen, von denen eine zur Einführung der Luft, die andere zur Einführung des Brennstoffes dient.
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In den deutschen OffenlegungsSchriften 1 758 244 und 1943 752 sind Vorrichtungen zum gemeinsamen und gleichzeitigen Einführen von Luft und Brennstoff durch den Boden eines Wirbelschichtreaktors beschrieben, die aus einer Anzahl von Einzeldüsen mit konzentrischen Zuleitungen für Luft und Brennstoff bestehen. Es ist auch bekannt, in eine Wirbelschicht inerter Stoffe Luft und Brennstoff einzuführen und durch über dem Spiegel des Wirbelbettes eingeführte zusätzliche Luftstrahlen eine Nachverbrennung in den Abgasen der thermischen Behandlung herbeizuführen.
Sind die thermisch zu behandelnden Stoffe brennbar, dann kann der Wärmebedarf der thermischen Behandlung durch teilweise Verbrennung dieser Stoffe aufgebracht werden. In manchen Fällen, z.B. bei der Schwelung oder Verkokung feinkörniger Kohlen, ist eine solche Teil verbrennung aber unerwünscht, weil sie den Aschegehalt des erzeugten Kokses unnötig erhöht, während die bei der thermischen Behandlung entweichenden brennbaren Gase und Dämpfe außerhalb des Wirbelreaktors verbrannt werden. Deshalb wird auch in diesen Fällen oft von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, den Wärmebedarf der thermischen Behandlung durch Verbrennung eines von außen in die Wirbelschicht eingebrachten Brennstoffes aufzubringen und dafür die brennbaren Gase und Dämpfe, die bei der Schwelung oder Verkokung entweichen, soweit wie möglich als Brennstoff einzusetzen.
Ein Wirbelschichtreaktor benötigt zu seinem Betrieb eine Mindestgasmenge, die als Trägergas durch den Reaktorboden zugeführt werden muß, um den feinkörnigen Stoff im wirbelnden Zustand zu halten. Soll der Wirbelschichtreaktor mit Innenverbrennung betrieben werden, wobei das Trägergas aus Luft besteht, dann ist die Trägergasmenge auch auf den Sauerstoffbedarf der Verbrennungsreaktion abzustimmen, auf den bei der Auslegung des Reaktors Rücksicht zu nehmen ist. Bei der Konstruktion von
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Wirbelschichtreaktoren entfällt ein großer Teil der Kosten auf den Reaktorboden, weil dieser warmfest ausgeführt werden muß. Deshalb wird der Reaktordurchmesser am Boden so klein wie möglich gehalten, und die Gasgeschwindigkeit wird möglichst groß gewählt. Um die Einströmgeschwindigkeit des Trägergases möglichst groß wählen zu können und beim Austritt am Spiegel der Wirbelschicht soweit herabzusetzen, daß keine wesentlichen Mengen feinkörnigen Stoffes-mitgerissen werden, wird der Reaktormantel nach oben konisch erweitert. Diese Maßnahme ist aber nur für Reaktoren mit kleinen Durchmessern von 1 bis 3 Metern und Wirbelbetthöhen von 2 bis 3 m von gutem Nutzen. Für Reaktoren mit großem Durchmesser von 4 bis über 6 m und auch bei geringen Betthöhen von 2 m bis auf 0/5 m herunter ist der Vorteil nur noch klein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Betriebe eines Wirbelschi ch tr eaktors mit Innenverbrennung die Wärmebelastung unabhängig von anderen Betriebsbedingungen des Reaktors veränderlich zu machen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beim Wirbelbett zuzuführende Luft mindestens zu einem Drittel in der oberen Hälfte der Betthöhe unterhalb des Wirbelschichtspie gels eingeführt wird. Diese Einführung erfolgt vorzugsweise in mehreren Strahlen derart, daß sie Tangenten an einen gedachten, zum Reaktormantel konzentrischen Kreis bilden, dessen Durchmesser zweckmäßig halb so groß als jener der Wirbelschicht ist. Die Strahlen werden horizontal oder leicht abwärts geneigt.
Mit der in die obere Hälfte der Wirbelschicht eingeleiteten Luft können auch staubförmige, flüssige oder gasförmige Brennstoffe zugeführt werden. Das kann in der Weise geschehen, daß Luft und Brennstoff in den Düsen vorgeschalteten Kammern gemischt und schon teilverbrannt werden. Es wurde gefunden, daß sich die Konstruktion und der Betrieb von Wirbel-
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bettreaktoren mit Innenverbrennung'erheblich vereinfachen und erleichtern läßt, wenn die Luft, deren Sauerstoffgehalt zum Wärmebedarf der thermischen Behandlung beitragen soll, wenigstens teilweise als Zweitluft in die obere Hälfte eingeführt wird. Auf diese Weise werden die Luftströme, die als Trägergas und als Verbrennungsluft in den Reaktor eingeführt werden, soweit voneinander unabhängig, daß der Reaktor mit Teillast betrieben werden kann, ohne die Strömungsverhältnisse im Wirbelbett zu stören. Für den Teillastbetrieb kann die Zweitluft gedrosselt, aber auch ganz abgestellt werden.
Andererseits kann der durch den Reaktorboden eingeführte Luftstrom, der die zur Aufrechterhaltung des Wirbelzustandes notwendige Trägergasmenge enthält, üblich auch um ein Drittel oder bis zur Hälfte verringert werden, ohne die Strömung im Wirbelbett nennenswert zu beeinträchtigen. Auf diese Weise kann die Leistung eines Wirbelschichtreaktors mit Innenverbrennung bis auf 25 % der Normallast gesenkt werden, ohne die Luft teilweise durch Inertgas oder Wasserdampf ersetzen zu müssen.
Für die in die obere Hälfte des Wirbelbettes einzuführende Zweitluft ist eine wesentlich geringere Verdichtungsarbeit aufzubringen, als für das durch den Reaktorboden eingeführte Trägergas. Die Einleitung der Zweitluft in die obere Hälfte des Wirbelbettes erfolgt direkt unterhalb des Spiegels durch einzelne große Düsen, die am Reaktormantel horizontal oder leicht abwärts geneigt tangential zu einem zur Reaktorachse konzentrischen Kreis von etwa halbem Durchmesser des Wirbelbettes angeordnet sind.
Durch diese Düsen kann mit der Zweitluft auch ein gasförmiger, flüssiger oder staubförmiger Brennstoff eingeführt werden. Da das Luft-Brennstoff-Gemisch aus den Düsen in kompakten Strahlen austritt, wird
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der Sauerstoffgehalt der Zweitluft vorzugsweise in dieser Mischung aufgezehrt, ohne die in dem wirbelnden Stoff enthaltene brennbare Substanz wesentlich anzugreifen. Brennstoff tind Luft können jedoch schon in den Düsen vorgeschalteten Brennkammern gemischt und gezündet werden, so daß aus den Düsen ein schon teilweise verbranntes, heißes Gasgemisch in das Wirbelbett einströmt.
Zweckmäßig wird jeder Düse eine Brennkammer zugeordnet, die für eine Leistung von 2 bis 8 · 10 , vorzugsweise 3 bis 5 · 10 kcal/m . h ausgelegt ist.
Ist der thermisch zu behandelnde, körnige Stoff nicht brennbar, dann werden Luft und Brennstoff sowohl durch die Düsen im Reaktorboden als auch durch die in die obere Hälfte des Wirbelbettes mündenden Düsen eingeführt. Enthält der zu behandelnde, körnige Stoff eine brennbare Komponente, die verbrannt werden soll, dann kann man sich mit der Einführung von Luft durch den Reaktorboden und die ZweitLuftdüsen begnügen. Wird die Einhaltung einer höheren Behandlungstemperatur erforderlich, kann zusätzlicher Brennstoff durch die Düsen im Reaktorboden und/oder durch die Zweitluftdüsen eingeleitet werden, soweit es für die Aufrechterhaltung der Behandlungstemperatur notwendig ist.
Wenn der thermisch zu behandelnde, körnige Stoff Kohle oder Koks ist und durch die thermische Behandlung geschwelt, verkokt oder nachent-' gast werden soll, dann genügt es, durch den Reaktorboden die als Trägergas erforderliche Luftmenge in das Wirbelbett einzuführen,, wobei eine geringe Teilverbrennung des Kokses in Kauf zu nehmen ist. Von den bei der Verkokung entweichenden Gasen und Dämpfen, die bisher nach einer Heiß ent staubung ohne Zwischenkühlung unter einem Dampfkessel verbrannt werden, kann ein Teilstrom abgezweigt und als Brennstoff mit der Zweitluft in die obere Hälfte des Wirbelbettes zurückgeführt werden. Dazu wird dieser Teilstrom nach der Entstaubung nur soweit
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gekühlt, daß er von einem Gebläseverdichter auf den Eintrittsdruck der Zweitluft gebracht werden kann. Hierzu-genügt eine Verdichtung auf 200 bis 400 mm Wassersäule in einem Gebläse, das ohne Schwierigkeit für eine Betriebstemperatur von 200° bis 5000C ausgelegt werden kann. Die Kühlung des Gases auf die Betriebstemperatur des Gebläses erfolgt zweckmäßig durch Einspritzen von Wasser. Diese Arbeitsweise hat bei der Herstellung von Feinkoks als Magerungsmittel, Brikettiergut und Sinterbrennstoff ein weites Anwendungsgebiet. Dabei ist der Koks das Hauptprodukt, während die Verwertung der brennbaren, flüchtigen Verkokungsprodukte eher eine wirtschaftliche Belastung darstellt. Es ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, diese flüchtigen, brennbaren Stoffe als Brennstoff für die Innenverbrennung verwerten zu können und die Koksausbeute und die Koksqualität durch Verminderung des Abbrandes zu verbessern.
Das Verfahren sei anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Figur 1 zeigt einen Wirbelreaktor mit Innenverbrennung mit nachgeschaltetem Zyklon.
Figur 2 ist das Fließschema eines Wirbelschichtprozesses mit dem Wirbelreaktor und den dazugehörigen Einrichtungen für die Zufuhr von Luft und Brennstoff sowie die Rückführung von Reaktionsabgasen als Brennstoff.
Der in Fig. 1 in vertikalem Schnitt dargestellte Wirbelschichtreaktor besteht aus dem Gehäuse 1 mit dem zu einem Zyklon 2 führenden Gasabzug 3 und dem Wirbelschichtboden 4. In den Reaktorboden sind Düsen 5 eingesetzt, durch die das Trägergas, z.B. Luft und bzw. oder Brennstoff, z.B. ein Brenngas, in die Wirbelschicht 6 eingeleitet werden. Der zu behandelnde körnige Stoff wird durch Dosierschnecken 7, die auf den
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Reaktorumfang verteilt sind, und von denen hier eine dargestellt ist, in den Reaktor eingeführt. Diese Ausführung kann, wie hier gezeichnet, kurz oberhalb der Wirbelschicht oder auch in der oberen Hälfte der Wirbelschicht liegen. Der behandelte Stoff wird durch Austrägsvorrichtungen 9, von denen ebenfalls nur eine dargestellt ist, entnommen. In der oberen Hälfte der Wirbelbetthöhe und unterhalb des Bettspiegels sind Düsen 8 im Reaktormantel angeordnet, die zweckmäßig tangential zu einem zur Reaktorachse konzentrischen Kreis von etwa halbem Durchmesser des Wirbelbettes eingefülirt sind und leicht abwärts geneigt sein können und zur Zuführung der Zweitluft dienen. Sie können als Zweistoffdüsen ausgebildet sein, damit zusätzlich zur Zweitluft hilfsweise auch Brennstoff eingefülirt werden kann. Die Düsen sind so gestaltet, daß die Zweitluft, gegebenenfalls mit dem Hilfsbrennstoff, in kompakten Strahlen in das Wirbelbett eindringt. Von diesen Düsen, die gleichmäßig auf den Reaktorumfang verteilt sind, ist in Fig. 1 ebenfalls nur eine dargestellt.
Die im Wirbelschichtboden 4 eingesetzten Düsen können für einen Teil der Zuführung der Luft dienen, zum anderen Teil zur Zuführung von Brennstoff. Dann werden, wie in Fig.. 1 dargestellt, ein Teil der Düsen 5 durch den Reaktorboden mit der darunter angeordneten, z.B. als Windkammer ausgebildeten Luftsammelleitung 10 verbunden, während andere mittels Rohren 11, die durch die Windkammer hindurchgeführt sind, mit einer unter dieser liegenden, als Kammer ausgebildeten Brennstoff Sammelleitung 12 verbunden sind.
Mit Vorteil werden hier jedoch die bereits erwähnten in den DOS 1 758 24.4 odei' DOS 1 943 752 beschriebenen Zweistoffdüsen für Wirhelbettreaktoren verwendet.
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In Figur 2 ist das Fließschema einer Anlage zur Entgasung von Kohle in einem Wirbelbettreaktor dargestellt. Der Reaktor stimmt weitgehend mit dem in Fig. 1 dargestellten überein, weshalb für gleiche Teile auch die gleichen Bezugsziffern verwendet sind. Eine Abweichung besteht darin, daß den Düsen 8 zur Einführung der Zweitluft Brennkammern 13 vorgeschaltet sind, denen durch Ringleitungen 14 und 15 Brennstoff und Zweitluft zugeführt werden. Die zu entgasende Kohle wird durch Dosierschnekken, die in dem Schnitt nicht sichtbar sind und der Aufgabevorrichtung 7 in Fig. 1 entsprechen, in den Reaktor 1 in die darin befindliche Wirbelschicht eingetragen. Der erzeugte Koks wird durch eine Austragsvorrichtung 9 aus der Wirbelschicht über dem Reaktorboden abgezogen. Durch die Düsen 5 werden Luft und Brennstoff aus den Sammelleitungen 10 und 12 vom Reaktorboden her in die Wirbelschicht eingeleitet. Das an den Mündungen der Düsen entstehende Verbrennungsgas ist Träger gas für die Wirbelschicht und Wärmeträger für die Entgasung. Aus den Düsen 8 wird ein in den Brennkammern 13 hergestelltes und schon teilweise verbranntes heißes Gemisch von Zweitluft aus Leitung 15 und Brennstoff aus Leitung 14 in kräftigen Strahlen in die obere Hälfte des Wirbelbett es eingeblasen. Es entsteht ein teerarmes Reaktorabgas, das durch die Leitung 3 zum Zyklon 2 geleitet und in diesem entstaubt wird.
Das noch heiße, entstaubte Gas wird zu einem Teil durch die Leitung 16 zur Verwertung abgeleitet und z.B. in einem nicht dargestellten Dampfkessel verbrannt. Der andere Teil wird in der Leitung 17 durch einen Einspritzkühler 18 geleitet und darin auf eine für das nachfolgende Gebläse 19 erträgliche Temperatur von eüva 200 bis 4000C abgekühlt.
Das im Gebläse 19 auf 400 mm Wassersäule verdichtete Brenngas wird den Brennkammern 13 zugeleitet.
Das Gebläse 20 dient zur Verdichtung der Zweitluft, das Gebläse 21 zur Versorgung der Düsen 5 mit Luft.
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Das aus dem. Zyklon 2 anfallende" entstaubte Gas kann jedoch auch durch eine an sich bekannte !Teerkondensatian'mit Abkühlung etwa bis zur Umgebungstemperatur geleitet werden, '
Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der nachfolgend angeführten zwei Ausführungsformen beispielsweise näher erläutert werden.
Der Wirbelbett-Reaktor nach Figur 1 ist gut geeignet, um nicht brennbare,, inerte Stoffe, wie Sand., Kalk, Dolomit und dergleichen durch Innenverbrennung mit Luft und zugeführtem Brennstoff zu erhitzen. Zu diesem Zweck werden z. B. 50 t Sand stündlich einer bevorzugten Körnung von 0,5 - 2 mm durch die Dosierschnecke 7 in das Wirbelbett 1 eingeführt, auf z.B. 800° erhitzt und durch den gesteuerten Abzug 9 auf der entgegengesetzten Seite 7 liegend ausgetragen. Das Wirbelbett weist einen lichten Durchmesser von 2,6 m im Unterteil und einen lichten Durchmesser von 4,0 m im Oberteil auf. Der Unterteil ist 0,6 m hoch zylindrisch und geht mit einer Schräge von 60° zur Waagrechten in den Oberteil über. Durch die Düsen 11 werden 9 000 Nm Luft stündlich aus der Windkammer 10 und gleichzeitig 800 kg Heizöl aus der Brennstoffkammer 12 zugeführt. Durch 4 Düsen 8 am Umfang werden gleichzeitig insgesamt 6 000 Nm3 Luft und 500 kg Heizöl stündlich aufgegeben. Die Düsen 8 sind hierbei zweckmäßig 0,7 m über dem Wirbelschicht-Boden angeordnet, wobei eine Höhe der Wirbelschicht von 1,0 m einzuhalten ist,
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In Figur 2 ist ein Wirbelbett dargestellt, in dem die Oberluft über vor-
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geschaltete Brennkammern 13 zugeführt wird. Dieses Wirbelbett eignet sich insbesondei*e für die Entgasung und Verkokung von feinkörnigen Kohlen, wobei man tunlichst die Teilverbrennung von Koks unterdrücken will. Es werden stetig 60 t zweckmäßig vorgetrockneter Kohle einer Körnung von 0-3 mm stündlich in das Wirbelbett eingebracht, in dem aus der Kohle erzeugter, feinkörniger Koks wirbelt, auf eine Temperatur von 750° erhitzt wird und dabei entgast. Es wird durch Abzug 9 stetig heißer Koks in dem Maße abgezogen, daß das Wirbelbett eine Höhe von 1.2 m beibehält.
Das Wirbelbett weist im Unterteil einen Durchmesser von 5.0 m und im Oberteil einen Durchmesser von 7,5 m auf. Durch den Düsenboden 11 werden 16 000 Nm^ Luft stündlich aufgegeben und zugleich durch den Düsenboden 12 4 000 Nm^ Kokereigas mit einem unteren Heizwert von 4 200 kcal/Nm^ zugeführt. Über die Ringleitung 14 werden den 8 Brenn-
kammern 13 11 000 Nm Luft stündlich und durch die Ringleitung 15 10 000 Nm^ im Gebläse 19 verdichtetes, feuchtes Gas mit einem Heizwert von 1 300 kcal/Nm feucht zugeleitet. Luft und Kokereigase werden in den Zweistoff-Düsen 5 intensiv miteinander gemischt und verbrennen bevorzugt miteinander im Unterteil des Wirbelbettes, ohne daß der wirbelnde Koks in nennenswertem Maße mitverbrennt. Durch die Vorverbrennung in den Brennkammern 13 brennt auch bevorzugt das dort eingeführte Gas-Luft-Gemisch miteinander. Somit ist der Koksverlust durch die Verbrennung gering, der Koks kann als Hauptprodukt in hoher Ausbeute gewonnen werden. Bei einer Höhe der wirbelnden Schicht von 1.2 m wird die Achse der Brennkammern 13 zweckmäßig in einer Höhe von 0.8 m über dem Wirbelbett-Boden angeordnet.
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Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE " .
1) Verfahren zur thermischen Behandlung körniger Stoffe in einer Wirbelschicht mit Innenverbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Wirbelbett zuzuführende Luft mindestens zu einem Drittel in die obere Hälfte der Betthöhe unterhalb des Wirbelschichtspiegels als Zweitluft eingeführt wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitluft in mehreren, über den Reaktorumfang verteilten Strahlen eingeführt wird. .
3) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitluft in tangentialen, horizontalen oder leicht abwärts geneigten Strahlen eingeführt wird.
4) Verfahrennach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweitluft Brennstoff zugefügt wird.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zweitluft und Brennstoff in einer jedem Luftstrahl zugeordneten Brennkammer gemischt und teilverbrannt werden.
6) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff das aus dem Wirbelbett entweichende, brennbare Gase und Dämpfe enthaltende Abgas verwendet wird.
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