DE2152401A1 - Verfahren zur Abkuehlung oder zur Erwaermung einer Wirbelschicht - Google Patents
Verfahren zur Abkuehlung oder zur Erwaermung einer WirbelschichtInfo
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Description
*Dipl,- iL*if. sue. (Zoeekaed (JCaeaieeU 2 1 5 2 Λ Ο
190 Oktober 1971
Anwo-Akte: 75.416
Anmelder: (?eskoslovensk6 akademie vtdo, Praha 1, Narodni tr.
Titel; Verfahren zur Abkühlung oder zur Erwärmung einer
Wirbelschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung oder zur Erwärmung chemischer Reaktoren mit einer inhomogenen Wirbelschicht
bei veränderlicher Intensität der Wärmeab- oder Zuleitungo
Es ist bekannt, die Wärmeableitung aus Wirbelschichtreaktoren,
in welchen eine exotherme Reaktion verläuft, mit einer Kühlflüssigkeit
durchzuführen, die durch Kühlschlangen oder Kühlrphre strömt, die in die Wirbelschicht eingebettet sindo Ein
solches Verfahren ist eingehend in folgenden Monographien beschrieben?
Kunii D0, Levenspiel O0 % Fluidization Engineering,
(Mc Graw Hill, New York (1969) und Aerov M0E., Todes O0N0S
Gidravlifceskije i teplovyje osnovy rabot apparatov so stacionarnym
i kipja^iim zernistym slojem, Chimija, Moskva (1968)„
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Hierbei wird in der Regel die Forderung nach einer konstanten
Temperatur der Wirbelschicht bei veränderlicher Intensität der
Wärmeableitung gestellt, die sich aus Veränderungen der Apparatleitung
oder der Zusammensetzung der zur Verarbeitung gelangenden Substanzen ergeben kanno Ein typisches Beispiel eines Reaktors mit
veränderlicher Leistung ist eine Wirbelschichtfeuerung zur Verbrennung fester Brennstoffe bei der Erzeugung von Dampf in der Energiewirtschafto
Zur Veränderung der Leistung durch Veränderungen der Zusammensetzung der verarbeiteten Komponenten kommt es z. B. bei
dem Rösten von Pyriteno Ähnlich verlaufen in einer Wirbelschicht
auch endothermische Reaktionen, so wie es z. B0 in der Arbeit
Machonin K0E., TiSSenko A0T.: Vysokotemperaturnyje ustanovki s
kipja^äim slojem, Technika, Kijev (1966), beschrieben wurde,, So
verändert sich zo B0 bei der Sodakalzinierung die Feuchtigkeit des
dosierten Rohstoffes und somit auch die gesamte für diesen Prozeß benötigte Wärmemenge.
Die Verfahren zur Abkühlung und zur Erwärmung von Wirbelschichten basieren auf verschiedenen physikalischen Vorgängen,,
So wird Zo B. beim Fluid-Kracken von Kohlenwasserstoffen aus dem
Wirbelschichtreaktor ein Teil der Feststoffteilchen abgezweigt, der
nach Erhitzung in einem Wärmeaustauscher in den Reaktor zurückgeführt wird. Da es in dem Wärmeaustauscher auch zur Regeneration
der Teilchen kommt, wurde für ihn die Bezeichnung "Regenerator*
gebräuchliche Durch Veränderung der Zirkulationsintensität der
Teilchen zwischen dem Reaktor und dem Regenerator und durch Veränderungen der Wärmeleistung des Regenerators kann eine Veränderung
der Intensität der Wärmezuleitung in den Reaktor bewirkt werden.
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Bei der Wärmeableitung aus einer Wirbelschicht mit Hilfe einer durch Kuhlschlangen strömenden Kühlflüssigkeit wird in der Regel
Dampf erzeugt, so daß in der Kuhlschlange ein Gemisch " Dampf-Wasser
" strömt. Da hierbei ein konstanter Druck des erzeugten Dampfs gefordert wird, ist auch der entsprechende Siedepunkt des
Wassers konstant. Die Temperaturdifferenz zwischen der Wirbelschicht und dem siedenden Wasser ist in diesem Fall konstant, und konstant
ist auch die abgeleitete Wärmemenge· Deshalb wird dieses Verfahren der Wärmeableitung nur fUr annähernd konstante Reaktorleitungen
angewendet, wo kleine Schwankungen in der Zusammensetzung der dosierten Rohstoff vernachlässigt werden können, so wie dies z. B.
bei dem Rösten von Zinkkonzentraten der Fall ist. Ein eventueller Temperaturanstieg über den zulässigen Höchstwert wird durch Einspritzen
von Wasser direkt in die Wirbelschicht verhinderte
Die Wärmeableitung aus Wirbelschichtfeuerungen bei der Verbrennung
aller Brennstofftypen vollzieht sich mit siedendem Wasser, das Kühlrohre oder Kühlschlangen durchströmte Die Temperaturdifferenz zwischen
der Wirbelschicht und dem siedenden Wasser, die die Intensität der
Wärmeableitung aus der Wirbelschicht bestimmt, kann im geringen Umfang durch die Temperatur der Wirbelschicht verändert werden.
Der realisierbare Bereich der Temperaturveränderungen der Wirbelschicht und das sich daraus ergebende Ausmaß der Veränderungen der
Dampfleistung der Wirbelschichtfeuerungen ist allerdings viel kleiner als der erforderliche Umfang der Wirbelschichtleistung
und der sich aus ihm ergebende Bereich der Dampfleistung der Wirbelschichtfeuerung;
er ist jedoch kleiner als der geforderte Leistungsbereich des DampfgeneratorsT Deshalb wird die Wirbelschichtfeuerung
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in mehrere Sektionen aufgeteilt und der Brennstoff mit Luft nur in einige dieser Sektionen derart zugeführt, daß die geforderte
Leistung des Dampfgenerators erzielt wird«,
Die Nachteile der aufgezählten Möglichkeiten der Wärmeableitung oder der Wärmezuleitung aus (in) einer Wirbelschicht hängen von
der Art der Erwärmung oder der Abkühlung der Wirbelschicht abo
Das Verfahren der Abkühlung oder der Erwärmung einer Wirbelschicht
mit Hilfe zirkulierender Feststoffteilchen zwischen der Wirbelschicht und einem Wärmeaustauscher!, der in der Regel in der Wirbelschicht
eingebettet ist, ist nicht ökonomische Im Vergleich mit anderen Verfahren erhöhen sich die Anschaffungskosten üb die Kosten
der mit einem Wärmeaustauscher ausgestatteten Wirbelschichtanlage,,
Die Betriebskosten steigern sich um die Aufwendungen fUr die Kompression
des Wirbelmediums im Wirbelschichtaustauscher und um die Transportkosten fUr die Zirkulation der Teilchen zwischen dem
Wärmeaustauscher und dem Reaktor«,
Ein Nachteil der Abkühlung einer Wirbelschicht mit Hilfe einer
siedenden Flüssigkeit, die durch Kühlrohre oder Kuhlschlangen
strömt, besteht darin, daß dieses Verfahren eine Wärmeableitung im breiten Intervall der Apparatleistung nicht gestattet· Die zusätzliche
Steuerung der Wassereinspritzung direkt in die Wirbelschicht ist unwirtschaftlich, da in dem Kühlsystem ein Teil der
Wärme nicht zur Dampferzeugung ausgenutzt werden kanno Überdies
kann bei einigen chemischen Reaktionen ein erhöhter Gehalt an Wasserdampf in den Reaktionsprodukten unerwünscht seino
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Die Aufteilung der Wirbelschicht in Sektionen kompliziert die Anlage und ihre Automatisierung, da die in jede Sektion zugeführten
Mebgen der Rohstoffe und des Wirbelmediums getrennt gemessen und reguliert werden müssenc
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Nachteile durch ein verbessertes Verfahren zur Abkühlung oder zur Erwärmung
von Wirbelschichten, das auf dem Klassieren der Wirbelschicht in zwei oder mehrere aufeinander folgende Teilschichten beruht, die
sich durch die Intensität der Längsvermischung der Teilchen unterscheiden, auszuschalten«
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das Klassieren
der Wirbelschicht in Teilwirbelschichten durch Aufteilung des durchfließenden Wirbelmediums in mehrere Ströme und durch deren
separate Zuleitung in verschiedenen Höhen der Wirbelschicht erzielt wird. Mit Hilfe eines in eine der Teilwirbelschichten eingebauten
Wärmeaustauschers kann eine Temperaturdifferenz zwischen zwei benachbarten Teilwirbelschichten hergestellt werden0 Diese Maßnahme
kann auch zur Temperatursteuerung jeder der Teilwirbelschicht
benutzt werdeno
Die Intensität der Längsvermischung der Feststoffteilchen in einer
inhomogenen Wirbelschicht hängt von der Anzahl der durch diese Wirbelschicht aufsteigenden FlUssigkeitsbläschen ab, da gemeinsam mit
den durch die Wirbelschicht aufsteigenden Bläschen auch die Feststoffteilchen in derem Nachlauf mitschwimmen und
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von der Oberfläche der Wirbelschicht dann wieder in ihr Zentrum zurückkehrenο Aus Messungen geht hervor, daß die Anzahl der
Bläschen in einer inhomogenen Wirbelschicht der Menge des Wirbelmediums
proportional ist, um welche der Flüssigkeitsdurchfluß die kritische Geschwindigkeit am Wirbelpunkt Überschreitet« Somit kann
die Intensität der Längsvermischung der Teilehen durch die Menge des durchfließenden Wirbelmediums reguliert werden»
Das Klassieren der Wirbelschicht in Teilwirbelschichten und gleichzeitig
auch in verschiedene Intensitäten der Längsvermischung der Teilchen können durch Aufteilung des durchfließenden Wirbelmediums
in mehrere Ströme und durch deren getrennte Zuleitung in verschiedenen Höhen der Wirbelschicht erzielt werden. Durch die erste Teilwirbelschicht,
deren Höhe durch den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Eintrittsöffnung des Wirbelmediums gegeben ist, steigt
die kleinste Anzahl von Bläschen auf, da sie von der kleinsten Menge des Wirbelmediums durchflossen wirdo Deshalb ist auch die
Intensität der Längsvermischung der Teilchen in der ersten Teilwirbelschicht am geringsten,, Die zweite Teilwirbelschicht, deren
Höhe sich aus dem Abstand zwischen der zweiten und der dritten Eintrittsöffnung de» Wirbelmediums ergibt, wird von einer Flüssigkeitsmenge
durchflossen, die der Summe der durch die erste und zweite Zuleitung eintretenden Menge des Wirbelmediums entspricht.
Deshalb ist die Längsvermischung der Feststoffteilchen in der zweiten Teilwirbelschicht höher als in der ersten Wirbelschichtsektion· Aus
den gleichen Gründen erhöht sich die Intensität der Längsvermischung der Teilchen über jeder weiteren Eintrittsöffnung des
Wirbelmediums o
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Die Teilchenmenge, die aus einer Teilwirbelschicht in die benachbarte
Teilwirbelschicht mitgerissen wird und die sich im stationärem Zustand der Menge der sich in Gegenrichtung bewegenden Teilchen
gleich ist, bestimmt die Intensität des Wärmeaustausches zwischen den benachbarten Teilwirbelschichten. Falls in einer Teilwirbelschicht
Wärme freigesetzt wird oder in eine Teilwirbelschicht Wärme zugeführt wird und aus der benachbarten Sektion Wärme abgeleitet
wird, können bei wenig intensivem Wärmeaustausch zwischen den einzelnen
Teilwirbelschichten nennenswerte Temperaturdifferenzen entstehen. Die Erhöhung der Intensität des Wärmeaustausches zwischen
den benachbarten Teilchenschichten, die die Herabsetzung der Temperaturdifferenzen
zwischen den einzelnen Sektionen mit sich bringt, kann durch Erhöhung der Zohl oder aufsteigenden Bläschen erzielt werden,
die die Grenzfläche zwischen den infrage kommenden Teilwirbelschichten durchtreten.
Das Klassieren d9t Wirbelschicht in Teilwirbelschichten mit unterschiedlichen
Temperaturen ermöglicht eine kontinuierliche Regelung der Intensität der Wärmezuleitung oder -ableitung· Wenn z. B. in
der zweiten Teilwirbelschicht Wärme freigesetzt wird, und wenn bei veränderlicher Intensität der Wärmefreisetzung und bei konstanter
Temperatur der Kühlflüssigkeit eine konstante Temperatur gefordert
wird, kann der Wärmeaustauscher vorteilhaft in die erste Teilwirbelschicht eingebaut werden. Bei geringer Intensität des Wärmeaustauschers
zwischen der ersten und der zweiten Teilwirbelschicht ist die Differenz ihrer Temperaturen groß, so daß die Temperaturdifferenz
zwischen der ersten Teilwirbelschicht und der Kühlflüssigkeit gering
ist. Mit steigender Intensität der Längsvermischung der Teilchen
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sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Wirbelschicht ab· Dies bringt allerdings eine Erhöhung der Temperatur
zwischen der ersten Teilwirbelschicht und der Kühlflüssigkeit mit sich, was mit einer Erhöhung der Kühlintensität gleichbedeutend
istο Durch eine Zuleitung des gesamten Wirbelmediums in die erste
Teilwirbelschicht wird eine maximale Temperaturdifferenz zwischen der Wirbelschicht und der Kühlflüssigkeit und somit auch eine
maximale Intensität der Wärmeableitung bewirkt. Fließt demgegenüber das gesamte Wirbelmedium in die zweite Teilwirbelschicht ein,
A ist die Intensität der Wärmeableitung minimal, da es zu keinem Austausch von Feststoffteilchen zwischen der ersten und der zweiten
Teilschicht und somit auch zu kleinem Wärmeaustausch - bewirkt durch die Vermischungsbewegungen der Teilchen - kommt·
Im Vergleich mit den bekannten Verfahrensweisen zur Erwärmung oder
zur Abkühlung einer Wirbelschicht ist das neue Verfahren dadurch vorteilhaft, daß es eine kontinuierliche Regelung der Wärmeab-
oder -zuleitung bei wesentlich veränderlichen Intensitäten der Wärmezu- und -ableitung aus einer Wirbelschicht ermöglicht. Die
Regelung der Intensität der Wärmezu- oder -ableitung ist sehr ein-W fach, da es genügt, lediglich das Verhältnis der Wirbelmediummengen
zu verändern, die in verschiedene Höhen der Wirbelschicht eintreten. Hierbei kann dann die zu- oder abgeleitete Wärmemenge ohne Verluste
ausgenützt werden. Im Vergleich mit dem Verfahren des Wärmeaustauschers mit Hilfe der zwischen dem Reaktor und dem Regenerator
zirkulierenden Teilchen ist das neue Verfahren des Wärmeaustausches dadurch einfacher, daß es keine mit einem Wärmeaustauscher
ausgestattete Wirbelschichtanlagen erfordert; auch die Betriebskosten
sind um die Kosten für die Teilchenzirkulation niedriger,,
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Im Vergleich mit dem Verfahren zur Wärmeableitung, die auf der Aufteilung der Wirbelschicht in Sektionen beruht, ist das neue
Verfahren deshalb vorteilhafter, weil sich die Messung und Regelung
der Rohstoffzufuhr in parallelen Strömen - je nach Anzahl der
vorhandenen Sektionen - erübrigt. Auch die konstruktive Ausführung
des neuen Verfahrens gestaltet sich einfachere
Die Möglichkeiten der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abkühlung oder zur Erwärmung einer Wirbelschicht erfassen
viele chemische, wie auch physikalische Prozesse, die in der Industrie in Wirbelschichtanlagen verwirklicht werden· So kann das erfindungsgemäße
Verfahren mit Vorteil z· B, bei der Verbrennung von Brennstoffen, beim Rösten von Pyriten und Zinkkonzentraten, bei
der katalytischen Oxydation von Kohlwasserstoffen u. ä. verwendet
werden. Das vorbeschriebene Verfahren eignet sich nur in den Fällen
nicht, bei denen die Temperatur der Teilchen in der Wirbelschicht nicht verändert werden darf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahren zur Kühlung einer Wirbelschicht beim Rösten
von Pyriten,
Fig. 2 ein Verfahren zur Kühlung bei der Verbrennung fester Brennstoffeo
Diese Darstellungen stellen gleichzeitig auch Anwendungsbeispiele des neuen Verfahrens zur Abkühlung oder zur Erwärmung von Wirbelschichten
vor.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wirbelschichtrösten von Pyrit kann das Klassieren der Wirbelschicht in zwei Teilwirbelschichten
1 und 2 durch Zuleitung eines Teils des Wirbelmediums durch die Eintrittsöffnungen 3 und eines Teils des Wirbelmediums durch die
Eintrittsöffnungen 4 erzielt werdeno Der Abstand zwischen den Ein-,
trittsöffnungen 3 und 4 des Wirbelmediums, der die Höhe der ersten
Teilwirbelschicht bestimmt, wird decart gewählt, daß in dieser Teilwirbelschicht
der Wärmeaustauscher 5 der sich aus der maximal ge-Ä forderten Leistung ergebenden Größe untergebracht werden kann. Die
v benötigten Mengen des Wirbelmediums werden in zwei Zuleitυngszweige
6 und 7 aufgeteilt· Das Verhältnis der die Zuleitungen 6 und 7 durch-fließenden Mengen des Wirbelmediums, das z. B. durch die Klappe
8 geregelt werden kann, bestimmt die Intensität des Wärmeaustausches
zwischen den Teilwirbelschichten 1 und 2.
Bei der Aufwärmung der Wirbelschichten auf die Reaktionstemperatur
wird der Luftdurchfluß so eingestellt, daß durch den Zuleitungszweig 7, und somit durch die Eintrittsöffnungen 3 eine solche Menge
an Luft strömt, daß sie die Teilwirbelschicht 1 nicht in einen Wirbelzustand versetzen kann. Die verbleibende Luftmenge tritt in die
Schicht durch die Eintrittsöffnungen 4 ein, so daß sich Über diesen
öffnungen die Wirbelschicht 2 ausbildet. Nach Erwärmung dieser Schicht auf Reaktionstemperatur durch eine zusätzliche Wärmequelle
wird mit der Dosierung einer kleinen Pyritmenge derart begonnen, daß adiabatische Bedingungen erzielt werden0 In der Folge wird die
Dosierung des Pyrits allmählich erhöht und gleichzeitig auch das Verhältnis der Luftmengen in den Zuleitungszweigen 6 und 7 so lange
verändert, bis die geforderte Leistung erreicht wird0
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Die Temperatur in der Teilwirbelschicht 1 ist immer niedriger als in der Schicht 2, da sich die Verbrennung des Pyrits vorwiegend
in der Schicht 2 abspielt. Bei Ausgleich der Temperaturen in den Schichten 1 und 2 kann die höchste Intensität der Wärmeableitung
erzielt werden; eine Regelung der Temperatur ist bei weiterer Erhöhung der Leistung nicht möglich.
Da eine kontinuierliche Veränderung der Intensität der Teilchenvermischung
zwischen der Teilwirbelschichten 1 und 2 von der Blasenanzahl abhängt, die die Grenzfläche zwischen diesen Teilwirbelschichten
durchtreten und da die Menge der Bläschen, die die Schicht durchfließen, der Flüssigkeitsmenge, um welche die Durchflußmenge
des Wirbelmediums die kritische Geschwindigkeit am Wirbelpunkt Überschreitet, proportional ist, kann die Bläschenmenge auch auf
folgende Weise gesteuert werden: der Luftdurchfluß durch den Leitungszweig 7 wird z. B. durch die Klappe 8 auf einen Ausgangswert
eingestellt, bei welchem gerade der Wirbelpunkt erreicht ist. Sodann wird auf einen bestimmten Zeitraum der Durchfluß durch die Leitung
7 erhöht. Durch die Teilwirbelschicht 1 beginnen Bläschen durchzufließen und es kommt zur Vermischung der Feststoffteilchen. Sodann
wird der Durchfluß auf den ursprunglichen Ausgangswert herabgesetzt
und der soeben beschriebene Vorgang zyklisch längere Zeit wiederholt« Das Verhältnis der Zeitintervalle mit erhöhtem und ursprünglichem
Durchfluß ist der Intensität der Teilchenvermischung, und somit der Kuhlintensität, proportional. Auch bei sich wiederholenden
Veränderungen des FlUssigkeitsdurchflusses durch den Zuleitungszweig 7 kann die Kuhlintensität kontinuierlich verändert werdeno
Bei dem ursprunglichen Luftdurchfluß durch den Zuleitungszweig 7
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ist die Intensität der Kühlung minimal» Die Kühlintensität wächst mit steigendem Verhältnis der Zeitintervalle mit erhöhtem und ursprünglichem
Durchfluß an und erreicht ein Maximum bei andauernd erhöhtem Luftdurchfluß durch den Zuleitungszweig 7.
Das Verfahren zur Kühlung einer Wirbelschicht bei der Verbrennung fester Brennstoffe, das in Fig. 2 dargestellt istr unterscheidet
sich von dem Kühlverfahren gemäß Fig„ 1 dadurch, daß in der ersten
Teilwirbelschicht zwei Wärmeaustauscher mit unterschiedlicher Temperatur der Kühlflüssigkeit eingebaut sind, und zwar der Kesselteil
des Dampfgenerators 5a und der Dampfüberhitzer 5b. Deshalb ist die erste Teilwirbelschicht in zwei Räume la, Ib mit unterschiedlicher
Temperatur aufgeteilt^ Auch der Zuleitungszweig 7 für die Zufuhr eines Teiles der zur Verbrennung benötigten Luft
wird in zwei Äste 7a und 7b gespalten. Der Vorgang beim Aufheitzen der Wirbelschicht auf die Reaktionstemperatur, wie auch bei der
Regelung der Temperatur in der Teilwirbelschicht 2 verläuft ähnlich wie beim Rösten des Pyrits beschrieben· Er unterscheidet sich
lediglich dadurch, daß durch den Zuleitungszweig 7a und die Eintittsöffnungen 3a soviel Luft zugeführt wird, daß in der Schicht 2
IP eine konstante Temperatur aufrecht erhalten wird. Durch den Zuleitungszweig
7b und die Eintrittsöffnungen 3b tritt soviel Luft ein, daß die Dampftemperatur beim Austritt aus dem überhitzer 5b
konstant bleibt.
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Claims (3)
1. Verfahren zur Abkühlung oder zur Erwärmung einer Wirbelschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht durch Einfuhrung des Stromes des Wirbelmediums in zwei oder
mehrere Teilwirbelschichten mit unterschiedlicher Intensität der Längsvermischung der Teilchen klassiert wird, und die
Wärmeaustauscher in einer oder mehrerer dieser Teilwirbelschichten
so angeordnet werden, daß diese Schichten die Austauscher umgeberio
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Klassieren der Wirbelschicht durch Aufteilung des durchfließenden Wirbelmediums in zwei oder mehrere Ströme und durch
Einleitung dieser Ströme in unterschiedliche Höhen der Wirbelschicht durchgeführt wird, wobei die Veränderungen in der KUhI-
oder Erwärmungsintensität durch Veränderungen des Wirbelmediumsdurchflusses in den einzelnen Strömen bewirkt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß des Wirbelmediums in einem
oder mehreren der Ströme periodisch - durch Erhöhung und Herabsetzung des Druckes — verändert wird·
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