DE2155898C3 - Gasverteiler für eine Wirbelschicht-Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasverteiler für eine mit intermittierender Gaszufuhr betriebene Wirbelschichtvorrichtung, bestehend aus wenigstens einer Einheit von zwei ineinander angeordneten Rohren, die zwischen wenigstens einem wesentlichen Teil ihrer einander benachbarten Umfangsflächen einen Zwischenraum aufweisen und von denen das von außerhalb der Wirbelsehichtkammer mit Gas versorgte Innenrohr mit einem Durchlaß zum Auslaß des Gases in den Zwischenraum und das Außenrohr an seiner Seitenwand mit öffnungen zum Auslaß des Gases vom Zwischenraum zur Wirbelsehichlkamnier versehen ist, wobei der Durchlaß des Innenrohres gegenüber den Öffnungen des Außenrohres versetzt ist.

Kin bekannter Ciasverteiler dieser An (DI-AS I 7^l) ⁱ)\4) ist senkrecht ungeordnet und ragt von unten HJi¹Ii olxn durch den Hoden des Wirbelschichtbeltes in dieses hinein. Damit bei einer intermittierenden Betätigung des Gasverteilers im Fall des Stillstandes nicht übermäßig viele Materialteilchen des Wirbelschichtbettes in unerwünschter Weise in den Gasvertei-S ler wandern und diesen zusetzen, ist bei dem bekannten Gasverteiler das stirnseitig auf der Seite des Wirbelschichtbettes offene Ende des Innenrohres unter Bildung eines dazwischenliegenden Zwischenraumes mit einer Kappe abgeschlossen, die von dem verschlossenen Stirnende des das Innenrohr umgebenden Außenrohres gebildet wird. Im Betrieb des Gasverteilers tritt das dem Innenrohr von einem Stirnende zugeführte Gas am anderen Stirnende in den zwischen Außenrohr und Innenrohr gebildeten Zwischenraum

is aus und verläßt diesen durch in der Seitenwand des Außenrohres angeordnete öffnungen. Bei dem bekannten Gasverteiler ist jedoch nicht mit Sicherheit ein Zusetzen und Verstopfen vermieden, wobei dies bei einem intermittierend in Betrieb gesetzten Wirbelschichlbett insbesondere dann der Fall sein kann, wenn sehr feine Materialteilchen zur Anwendung gelangen. Bei diesen ist nämlich die Gefahr besonders groß, daß sie beim Stillstand des Gasverteilers durch die Außenrohröffnungen in den Längszwischenraum zwisehen Innenrohr und Außenrohr einströmen und diesen nicht nur bis zur Höhe der öffnungen des Außenrohres auffüllen, sondern noch darüber hinaussteigen, wobei im ungünstigsten Fall das Wirbelschichtbettmaterial auch in das Innenrohr gelangen und dieses auffüllen kann.

Dies ist insbesondere deswegen zu erwarten, weil das im allgemeinen für Wirbelschichtvorrichtungen verwendete äußerst feine Material eine hohe Rieselfähigkeit aufweist und deswegen durch den vom Wirbelschichtbett von oben her ausgeübten Druck nach unten bewegt wird. Aus diesem Grund wird sich auch der bekannte Gasverteiler während der relativ kurzen Stillstandszeit im intermittierenden Betrieb schon innerhalb einer äußerst geringen Zeitspanne vollständig zusetzen, wodurch er blockiert und unbrauchbar wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Gasverteiler der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß einerseits der unerwünschte Rückstrom der Wirbelschichtbetteilchen beim Stillstand des Gasverteilers überhaupt verhindert und andererseits gewährleistet ist, daß er, sollte doch einmal ein Rückstrom zerwirbelter Teilchen stattgefunden haben, in Betrieb gesetzt oder abgestellt werden kann, ohne das System vorher von den eingedrungenen Feststoffen reinigen zu müssen.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen aufgeführt.

Aufgrund der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gasverteilers ist gewährleistet, daß beim Stillstand des Gasverteilers ein Rückstrom der Stoffteilchen in den Zwischenraum zwischen den Rohren verringert oder sogar verhindert ist, wobei außerdem der Effekt erzielt wird, daß bei nach einer vorübergehenden Stillstandszeit wieder erfolgenden Inbetriebnahme des Gasverteilers der Gasstrom sämtliche etwa ins Innere der Rohre gelangte Stoffteilchen wieder durch die öffnungen der Rohre hindurch hinaustreibt. Es kann daher bei

fts entsprechender Ausgestaltung des Gasverteilers sogar zugelassen werden, dall wahrend der Rulicphusc, in tier kein .Stromungsvorgang stattfindet, ein Ituckslroin von Sliillteilchen in ilen Zwischenraum /wischen ilen

Rohren erfolgt, sofern nur dafür Sorge getragen ist, daß der Gasstrom während der nächsten Zerwirbelungsperiode die Stoffteilchen im ausreichenden Ausmaß wieder aus dem Zwischenraum zwischen ten Rohren heraustreibt.

Die beim Gasverteiler vorgesehenen Rohre können querschnittlich zylindrisch, polygonal sein oder eine andere geeignete Form aufweisen; sie sind jedoch vorzugsweise zylindrisch. Das Innenrohr kann konzentrisch oder exzentrisch innerhalb des Außenrohres |_O angeordnet sein, wobei die in den Rohren vorgesehenen Öffnungen kreisförmig, polygonal oder von anderer geeigneter Form sein können.

Der erfindungsgemäße Gasverteiler weist folgende Vorteile auf:

1. Er besitzt keine beweglichen Teile.

2. Der Gasverteiler kann in Betrieb gesetzt oder abgestellt werden, ohne das System vorher von den Feststoffen reinigen zu müssen, d. h. zrsätzlich zu kontinuierlichen Prozessen können intermittieren- _la de Wirbelschichtprozesse durchgeführt werden.

3. Der natürliche Rückstrom der zerwirbelten Teilchen, der sich bei den üblichen plattenförmigen Gasverteilern ergibt, wird weitgehend vermieden.

4. Wenn während der Stillstandszeit des Gasverteilers dennoch ein Rückstrom zerwirbelter Teilchen stattfindet, reinigt sich das System selbst, wenn das Wirbelmedium wieder durch den Gasverteiler in das Wirbelschichtbett strömt. Dieser Wirbelstrom zwingt die Teilchen wieder zurück in das Bett.

5. Der Gasverteiler kann aus einem Rohr jeden Querschnittes und aus beliebigem Material in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen insbesondere der Temperatur, hergestellt werden.

6. Der Gasverteiler arbeitet zufriedenstellend bis zu hohen Temperaluren ohne Verziehen oder Verkrümmen. Dieses Verziehen begrenzt ansonsten in einschneidendem Maße die Betriebsbedingungen bei bekannten Lochplattenverteilern.

7. Der Gasverteiler ist leicht herzustellen und zu montieren. Er kann zum Einführen verschiedener Fluide auf unterschiedlichen Höhen in einem Wirbelschichtbett angeordnet werden; so kann beispielsweise eine untere Reihe von Doppelrohrverteilern Luft oder Sauerstoff liefern und eine

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obere Reihe Gase für die Wirbelschichtbeltverbrennung zuführen. Andererseits können auch Gase in verschiedenen Höhen für vorzunehmende chemische Reaktionen eingeführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 im Schnitt eine Teilansicht des Gasverteilers für eine Wirbelschicht vorrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt gemäß Linie 2-2 nach Fig. 1,

F i g. 3 vergrößert einen Schnitt gemäß Linie 3-3 nach Fig.2,

F i g. 4 einen Querschnitt gemäß Linie 4-4 nach F i g. i und

F i g. 5 eine abgewandelte Ausführungsform hiervon.

Die aus Fig. 1 und 2 ersichtliche Wirbelschichtkam- ,„, 111er IO weist senkrechte Seitenwände 11 und eine Bodenwand 12 auf. Die Wände II, 12 sind mil einem feuerfesten Futter ll,j, 12<( und einem metallenen Atißengehäuse 11b, 12ύ versehen.

Im unteren Teil der Wirbelschichtkammcr 10 ist eine ,,, Reihe Doppelrohre 14 horizontal und parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die Dnppelrolire 14, die ilen Verteiler für das in die Wirbelst hie htkaininer 10 einzuleitende Wirbelgas bilden, können in jeder gewünschten Höhe in der Wirbelschichtkammer 10 angeordnet werden, wobei auch eins Vielzahl von jeweils eine Reihe von Doppelrohren 14 aufweisenden G as verteilern in unterschiedlicher Höhe in der Wirbelschichtkammer 10 vorgesehen werden kann.

Wie insbesondere aus F i g. 3 und 4 ersichtlich, weist jedes Doppelrohr 14 ein Innenrohr 15 und ein Außenrohr 16 auf, wobei das Innenrohr 15 in der aus F i g. 1 bis 4 ersichtlichen Form unter Bildung eines kreisringförmigen Zwischenraums 33 konzentrisch innerhalb des Außenrohres 16 angeordnet ist Die Rohre 15,16 werden in ihrer Relativstellung zueinander mittels Abstandsstücken 17 gehalten, die im Umfangsabstand von 120° voneinander entfernt und längs der Rohie 15, 16 ebenfalls im Abstand voneinander angeordnet sowie normalerweise am Innenrohr 15 befestigt sind. Diese Abstandsstücke 17 sind nicht erforderlich, wenn die Rohre 15,16 relativ kurz sind.

Das Ende jedes Doppelrohres 14 rag! durch eine Öffnung 19 in der Seitenwand 11 der Wirbelschichtkammer 10 nach außen, wobei das Außenrohr 16 eine Büchse 20 durchsetzt, die einen der Außenseite des Gehäuses lift anliegenden Außenflansch 21 aufweist. Das Außenende 22 des Außenrohres 16 ist mit einem Außengewinde versehen, auf das eine mit einem Innengewinde versehene Muffe 23 aufgeschraubt ist. Am Flansch 21 der Büchse 20 ist mittels Stiftschrauben

25 ein an der Muffe 23 angeordneter Innenflansch 24 befestigt. Auf das herausragende Außenende des Innenrohres 15 ist ein Verschlußstopfen 26 aufgesetzt, der dort mittels Verschweißen befestigt und außerdem in das Außenende der Muffe 23 eingeschraubt ist. Dem Außenende der Muffe 23 liegt ein am Verschlußstopfen

26 angeordneter Flansch 27 an. Die innerhalb der Wirbelschichtkammer 10 liegenden Innenenden der Rohre 15, 16 sind mittels Platten 28ft bzw. 28a verschlossen.

Aufgrund der beschriebenen Ausbildung werden das Innenrohr 15 und das Außenrohr 16 einerseits in ihrer korrekten Relativstellung zueinander und andererseits fest in ihrer Lage in der Wirbelschichtkammer 10 gehalten, wobei jedoch der Gasverteiler bei Bedarf auch leicht auseinandergenommen werden kann. Die Außenenden der Innenrohre 15 sind an eine nicht dargestellte Quelle von Druckwirbelgas angeschlossen, das in Pfeilrichtung gemäß Fig. 3 in die Innenrohre 15 einströmt.

Jedes Innenrohr 15 ist mit mehreren kreisförmigen Öffnungen 30 versehen, die nach unten gerichtet und im Abstand voneinander längs der tiefsten Umfangslinie des Innenrohres 15 angeordnet sind.

Jedes Außenrohr 16 ist ebenfalls mit mehreren kreisförmigen Öffnungen 31 versehen, die sich an jeder Umfangsstelle des Außenrohres 16 befinden können, jedoch bevorzugt paarweise an Stellen angeordnet sind, deren Umfangsabstand von der tiefsten Stelle des Außenrohres 16, wie aus F i g. 4 ersichtlich, jeweils etwa '/s des Außenrohrumfangs beträgt. Die Öffnungen 31 des Außenrohres 16 sind gegenüber den Öffnungen 30 des Innenrohres 15 sowohl in Umfangs- als auch in I angsrichtung versetzt.

Ui,. die Anhäufung von Material im Zwischenraum 5 1 an den äußeren geschlossenen Enden der Rohre 15, 16 /11 verringern, sind die Endöffnungen 50 des Innenrohres 15 weiter außen als die Endöffnuugen 51 des Außenrohres 16 angeordnet, d. h., das Außenrnhr lf> weist in l.änL'srii'huini; uesehen eine öffnung weniger

auf als das Innenrohr 15.

Bei Inbetriebnahme des beschriebenen Gasverteilers wird Druckwirbelgas in die Außenenden der Innenrohre 15 eingeleitet und strömt sodann durch die öffnungen 30 jedes Innenrohres 15 in den kreisringförmigen Zwischenraum 33 zwischen jedem Innenrohr 15 und Außenrohr 16 sowie von dort aus über die öffnungen 31 des Außenrohres 16 in die Wirbelschichtkammer 10, wo es in das nicht dargestellte Wirbelschichtbett verteilt wird und dieses aufrechterhält.

Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig.5 ist das Innenrohr 15 exzentrisch innerhalb des Außenrohres 16 angeordnet, wobei sich die Rohre 15,16 an ihrer höchsten Stelle berühren und an ihrer tiefsten Stelle den größten Abstand voneinander aufweisen. Ansonsten sind die öffnungen 30,31 des Innenrohres 15 und des Außenrohres 16 in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben angeordnet.

Um eine zufriedenstellende Gasverteilung zu erhalten, sollte der Gasstrom durch die öffnungen 31 des Außenrohres 16 weitgehend gleichmäßig erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, daß einerseits der Druckveriust des durch die öffnungen 30 des Innenrohres 15 strömenden Gases gegenüber dem Druckverlust längs des Innenrohres 15 relativ groß gehalten und andererseits auch der Druckveriust des durch die öffnungen 31 des Außenrohres 16 strömenden Gases gegenüber dem Druckverlust des durch den Zwischenraum 33 zwischen den Rohren 15, 16 strömenden Gases relativ groß gehalten wird.

Der beschriebene Gasverteiler zum Zerwirbeln eines vorgegebenen Bettes unter Anwendung eines vorgegebenen Gases kann nach folgendem bekannten Verfahren ausgelegt werden:

a) Die gewünschte Wirbelgasmenge in mVh auf 1 m² Wirbelschichtbett wird experimentell oder rechnerisch bestimmt;

b) aufgrund der bekannten Wirbelschichtarbeitsweise wird ein angemessener Abstand der Gasverleiler untereinander und daraus deren Anzahl ausgewählt, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl Gasauslaßöffnungen pro 1 m² eines Wirbelschichtbettes; hieraus ergibt sich die Strömungsmenge für den Gasverteiler in mVh;

c) der Innendurchmesser des Innenrohres wird in mm aus der Formel j/11,8 χ Strömungsmenge errechnet, wodurch sich eine Gasgeschwindigkeit von 30 m/s ergibt, welche ausreicht, Stoffteilchen, beispielsweise Sand, zu befördern und aus dem Innenrohr auszutragen;

d) eine verfügbare Rohrgröße, die so nahe wie möglich an den berechneten Innendurchmesser herankommt, wird ausgewählt, und ebenso werden der Werkstoff des Rohres und dessen Wanddicke in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen festgelegt;

e) ein Außenrohr wird mit einem solchen Innendurchmesser ausgewählt, daß genügend Raum für das leichte Zusammenbauen und Auseinanderbauen verbleibt, auch wenn sich die Rohre aufgrund hoher Betriebstemperatur verzogen haben sollten. Wenn die vorerwähnten Anforderungen erfüllt werden, wird beim Betrieb auch dem weiteren Erfordernis eines geringen Druckverlustes im Zwischenraum zwischen den Rohren Genüge getan; (15

f) für die öffnungen wird ein zweckmäßiger Abstand bestimmt, und es wird festgelegt, ob ein Öffnungspaar oder lediglich eine Öffnung an jeder Längsstelle im Außenrohr verwendet werden soll;
g) aus b) und f) wird die Gasströmungsmenge pro öffnung bestimmt;

h) es wird der Druckabfall in den öffnungen des Außenrohres bestimmt, und zwar unter Verwendung der Gleichung 34 auf Seite 87 des Buches »Fluidization Engineering«, herausgegeben von lohn W i I e y & Sons, 1969. Der Druckabfall in den öffnungen des Innenrohres wird üblicherweise so bestimmt, daß er etwa ³A des Druckabfalls in den öffnungen des Außenrohres beträgt;
i) aus den Ergebnissen von g) und h) wird die Größe der Rohröffnungen berechnet, und zwar unter Verwendung der Gleichungen 34 bis 37 auf Seite 87 bis 89 der obenerwähnten Literaturstelle oder mittels der Gleichung 98 auf Seite 129 des Buches »North American Combustion Handbook«, erste Auflage. Die berechneten Größen der öffnungen in den Innen- und Außenrohren können fast einen übereinstimmenden Wert aufweisen, so daß in der Praxis bei beiden Rohren eine gleiche Öffnungsgröße verwendet wird.

Bei den folgenden drei praktischen Durchführungsbeispielen wurde das zuvor beschriebene Verfahren zur konstruktiven Auslegung der erfindungsgemäßen Gasverteiler angewendet, die in der Praxis zufriedenstellend arbeiteten.

Bei jedem Beispiel sind die öffnungen des Innenrohres längs der tiefsten Stelle des Rohres in regelmäßigem Abstand voneinander angeordnet. Die öffnungen des Außenrohres sind in Längsrichtung gesehen mittig zwischen den öffnungen des Innenrohres angeordnet und weisen in Umfangsrichiung einen Abstand von der tiefsten Stelle des Außenrohres auf, der '/β des Rohrumfangs entspricht; hierbei befand sich eine öffnung an jeder Längsstelle, und die öffnungen waren insgesamt abwechselnd auf einer von beiden Seiten in bezug auf die tiefste Stelle des Außenrohres angeordnet. Die öffnungen beider Rohre wiesen den gleichen Durchmesser auf.

Beispiel 1

Abmessungen der Wirbelschichtkammer:
1 m χ 0,6 m χ 2 m Höhe.

Wirbelschichtbett:

Sand, 0,7 m tief, Schüttgewicht 1400 kg/m³, d. h 600 kg Sand im Bett.

Temperatur:
850° C.

Wirbelgas:

Luft, zugeführt in einer Menge von 340 m³/h mittel: sechs am Boden des Bettes angeordneten Gasverteilern aus rostfreiem Stahl.

Brenngas, verbrannt im Wirbelschichtbett:

14 m³/h Flüssig-Petroleum-Gas, zugeführt mittel; eines oberhalb der Luftverteiler angeordneter Verteilers aus rostfreiem Stahl.

Luftverteiler:

Innenrohr mit 28 mm Innendurchmesser unc 32 mm Außendurchmesser, 36 öffnungen mit 4 nur Durchmesser im Abstand von 25 mm;
Außenrohr mit 38 mm Innendurchmesser unc 42 mm Außendurchmesser, 35 öffnungen mit 4 mrr Durchmesser im Abstand von 25 mm.

Beispiel 2

Wirbelschichtbett:

3 m χ 1 m χ 1 m Tiefe mit einer anfänglichen Wirbelschichtgeschwindigkeit von 11OmVh auf I m²Bett.

Temperatur:

Umgebungstemperatur.

Wirbelgas:

Luft, zugeführt mittels 24 Verteilern aus Flußstahl, die am Boden des Bettes parallel zu der 1-m-Wand der Kammer angeordnet waren, in vierfacher Menge der anfänglichen Wirbelgeschwindigkeit, d. h. pro Verteiler 55 m^J/h.

Verteiler:

Innenrohr mit 12 mm Innendurchmesser und 18 mm Außendurchmesser, 35 öffnungen mit 3 mm Durchmesser in Abständen von 25 mm.
Außenrohr mit 25 mm innendurchmesser und 31 mm Außendurchmesser, 34 öffnungen mit 3 mm

Durchmesser im Abstand von 25 mm.
Beispiel 3

Abmessungen der Wirbelschichtkammer:
5 m χ 1 m χ 2,3 ni Höhe.

Wirbelschichtbett:

Sand, 1,5 m tief mit einer anfänglichen Wirbelgeschwindigkeit von 30 kg/h Dampf auf 1 m² Bett.

Wirbelgas:

Überhitzter Dampf bei 35kPa (kilopascal) Manometerdruck und 550°C, zugeführt mittels 49 am Boden des Bettes angeordneten Verteilern aus rostfreiem Stahl.

Verteiler:

Innenrohr mit 18,8 mm Innendurchmesser und 26,8 mm Außendurchmesser, 18 öffnungen mit 2,4 mm Durchmesser im Abstand von 50 mm.
Außenrohr mit 32,5 mm Innendurchmesser und 42,5 mm Außendurchmesser, 17 öffnungen mit 2,4 mm Durchmesser im Abstand von 50 mm.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

21 55 8S8 Patentansprüche:

1. Gasverteiler für eine mit intermittierender Gaszufuhr betriebene Wirbelschichtvorrichtung, bestehend aus wenigstens einer Einheit von zwei ineinander angeordneten Rohren, die zwischen wenigstens einem wesentlichen Teil ihrer einander benachbarten Umfangsflächen einen Zwischenraum aufweisen und von denen das von außerhalb der Wirbelschichtkammer mit Gas versorgte Innenrohr mit einem Durchlaß zum Auslaß des Gases in den Zwischenraum und das Außenrohr an seiner Seitenwand mit öffnungen zum Auslaß des Gases vom Zwischenraum zur Wirbelschichtkammer versehen ist, wobei der Durchlaß des Innenrohres gegenüber den öffnungen des Au3enrohres versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (15, 16) etwa horizontal innerhalb der Wirbelschichtbettkammer (10) verlaufen, daß die öffnungen (31) des Außenrohres (16) sowie die in der Seitenwand des Innenrohres (15) angebrachten, als Durchlaß ausgebildeten öffnungen (30) im unteren Drittel des jeweiligen Rohrumfanges vorgesehen sind und daß die gegeneinander in Umfangs- und/oder Längsrichtung versetzten öffnungen (30, 31) über die Länge der Rohre (15, 16) in einem im wesentlichen gleichmäßigen Muster im Abstand voneinander sowie symmetrisch längs der Rohre angeordnet sind.

2. Gasverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (31) des Außenrohres (16) von dessen tiefster Stelle einen Umfangsabstand aufweisen, der etwa '/β des Rohrumfanges beträgt.

3. Gasverteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (15) exzentrisch innerhalb des Außenrohres (16) angeordnet ist und die einander benachbarten Umfangsflächen der Rohre etwa an ihrer tiefsten Stelle den größten Abstand voneinander aufweisen.

4. Gasverteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die am Ende des Innenrohres (15) angebrachten öffnungen (30) vom Gaseinleitungsende des Innenrohres (15) weiter entfernt sind als die am Ende des Außenrohres (16) angebrachten öffnungen (31).